JP6162981B2 - Method for producing lithium sulfide and method for producing inorganic solid electrolyte - Google Patents

Method for producing lithium sulfide and method for producing inorganic solid electrolyte Download PDF

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Description

本発明は、硫化リチウムの製造方法に関する。また、本発明は、該硫化リチウムの製造方法により得られた硫化リチウムを用いる無機固体電解質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing lithium sulfide. The present invention also relates to a method for producing an inorganic solid electrolyte using lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide.

硫化リチウムは、リチウム二次電池の正極材や無機固体電解質の原料として有用である。   Lithium sulfide is useful as a positive electrode material for lithium secondary batteries and a raw material for inorganic solid electrolytes.

この硫化リチウムの製造方法として、例えば特許文献1には、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水硫化リチウムを生成させ、次いでこの反応液を脱硫化水素化して硫化リチウムを生成させる方法、或いは、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、直接硫化リチウムを生成させる方法が開示されている。また、特許文献2には、非プロトン性有機溶媒中で、水硫化ナトリウムと塩化リチウムを反応させて、次いで生成した水硫化リチウムを脱硫化水素化することにより硫化リチウムを生成させる方法が開示されている。   As a method for producing this lithium sulfide, for example, in Patent Document 1, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized. A method for producing lithium sulfide or a method for producing lithium sulfide directly by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aprotic organic solvent is disclosed. Patent Document 2 discloses a method for producing lithium sulfide by reacting sodium hydrosulfide and lithium chloride in an aprotic organic solvent and then dehydrosulfiding the produced lithium hydrosulfide. ing.

一方、有機溶媒を使用しない硫化リチウムの製造方法としては、例えば、特許文献3には、金属リチウムと硫黄蒸気或いは硫化水素とを低温域で直接反応させ、その後、不活性ガスと置換して高温域で未反応の金属リチウムを、既に生成している硫化リチウムに拡散、浸透させ、このサイクルを繰り返すことにより硫化リチウムを得る方法が開示されている。   On the other hand, as a method for producing lithium sulfide that does not use an organic solvent, for example, Patent Document 3 discloses that metal lithium and sulfur vapor or hydrogen sulfide are directly reacted in a low temperature range, and then replaced with an inert gas at a high temperature. A method for obtaining lithium sulfide by diffusing and infiltrating unreacted metallic lithium into already produced lithium sulfide and repeating this cycle is disclosed.

特開平7−330312号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312 特開平10−130005号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-130005 特開平9−110404号公報JP-A-9-110404

不燃性の無機固体電解質は、電池の安全性を高めることから特に注目されている材料である。この無機固体電解質を製造する上で、他の原料と容易に均一混合可能で反応性にも優れた微細な硫化リチウムが要望されている。   Incombustible inorganic solid electrolytes are materials that are particularly attracting attention because they increase the safety of batteries. In producing this inorganic solid electrolyte, there is a demand for fine lithium sulfide that can be easily and uniformly mixed with other raw materials and has excellent reactivity.

しかしながら、特許文献1及び特許文献2は、非プロトン性有機溶媒中で硫化リチウムを合成する方法であり、高価な有機溶媒を使用すること、使用後の有機溶媒は、廃棄又は再生が必要となるため、それにかかる費用が高価なものとなること等から、硫化リチウムの製造コスト面で不利であるという問題があった。   However, Patent Document 1 and Patent Document 2 are methods for synthesizing lithium sulfide in an aprotic organic solvent. The use of an expensive organic solvent requires disposal or regeneration of the organic solvent after use. For this reason, there is a problem in that it is disadvantageous in terms of the production cost of lithium sulfide because the cost for that is expensive.

また、特許文献3のように、ガス状の硫黄源を用いる方法では、ガス状の硫黄源の毒性や腐食の問題が生じる。また、硫黄蒸気や硫化水素蒸気等を扱うためには、設備が複雑なものとなる。また、高温域での反応が激しすぎるため、制御が難しく、その制御のために過分なコストがかかってしまう等の問題もある。   Moreover, in the method using a gaseous sulfur source like patent document 3, the problem of toxicity and corrosion of a gaseous sulfur source arises. Moreover, in order to handle sulfur vapor, hydrogen sulfide vapor, etc., the facilities are complicated. In addition, since the reaction in the high temperature region is too intense, it is difficult to control, and there is a problem that excessive cost is required for the control.

従って、本発明の目的は、有機溶媒やガス状の硫黄源を使用せず、工程数が少なく、且つ、異相の含有量が少ない硫化リチウムの製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing lithium sulfide that does not use an organic solvent or a gaseous sulfur source, has a small number of steps, and has a low content of heterogeneous phases.

前記目的は、以下の本発明により達成される。
すなわち、本発明(1)は、固体の水酸化リチウムと、固体の硫黄と、複数の水酸基を有する有機化合物と、を混合して、焼成用混合物を得、次いで、該焼成用混合物を、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気中、600〜1200℃で焼成して、硫化リチウムを得ること、
該複数の水酸基を有する有機化合物が、スクロース、フルクトース又はポリビニールアルコールであり、
該焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比が、原子換算のモル比(S/Li)で、0.5〜3であり、且つ、該焼成用混合物中のリチウム原子に対する炭素原子の比が、原子換算のモル比(C/Li)で、0.05〜0.5であること、
を特徴とする硫化リチウムの製造方法を提供するものである。
The object is achieved by the present invention described below.
That is, the present invention (1) is lithium hydroxide solid, and the solid sulfur, by mixing an organic compound having a plurality of hydroxyl groups, to give a firing mixture and then the calcination mixture for, not Calcining at 600 to 1200 ° C. in an active gas atmosphere or a reducing gas atmosphere to obtain lithium sulfide;
The organic compound having a plurality of hydroxyl groups is sucrose, fructose or polyvinyl alcohol,
The ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is 0.5 to 3 in terms of atomic ratio (S / Li), and the ratio of carbon atoms to lithium atoms in the firing mixture Is a molar ratio (C / Li) in terms of atoms and is 0.05 to 0.5,
A method for producing lithium sulfide is provided.

また、本発明(2)は、本発明(1)の硫化リチウムの製造方法により、硫化リチウム得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物と、を反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法を提供するものである。   The present invention (2) also provides lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention (1), and then obtained lithium sulfide, phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide and An object of the present invention is to provide a method for producing an inorganic solid electrolyte, characterized by reacting one or more sulfides selected from the group of gallium sulfide.

本発明によれば、有機溶媒やガス状の硫黄源を使用せず、工程数が少なく、且つ、異相の含有量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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of lithium sulfide which does not use an organic solvent or a gaseous sulfur source, there are few processes, and there is little content of a different phase can be provided.

実施例及び比較例で得られた硫化リチウムのX線回折図である。It is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Examples and Comparative Examples.

本発明の硫化リチウムの製造方法は、固体の水酸化リチウムと、固体の硫黄と、複数の水酸基を有する有機化合物と、を混合して、焼成用混合物を得、次いで、該焼成用混合物を600〜1200℃で焼成して、硫化リチウムを得ることを特徴とする硫化リチウムの製造方法である。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, solid lithium hydroxide, solid sulfur, and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups are mixed to obtain a firing mixture, and then the firing mixture is converted to 600. It is a method for producing lithium sulfide characterized in that it is fired at ˜1200 ° C. to obtain lithium sulfide.

本発明の硫化リチウムの製造方法に係る固体の水酸化リチウムとしては、如何なる製造方法により得られたものであってもよく、市販品であってもよい。高純度の硫化リチウムを得る上で、固体の水酸化リチウムは、不純物の含有量が少ないものほど好ましい。固体の水酸化リチウムは、一水塩であっても、無水塩であってもよい。固体の水酸化リチウムの粒径は、特に制限されない。   The solid lithium hydroxide according to the method for producing lithium sulfide of the present invention may be obtained by any production method or may be a commercial product. In obtaining high-purity lithium sulfide, solid lithium hydroxide having a lower impurity content is more preferable. Solid lithium hydroxide may be a monohydrate or an anhydrous salt. The particle size of the solid lithium hydroxide is not particularly limited.

本発明の硫化リチウムの製造方法に係る固体の硫黄としては、特に制限されない。高純度の硫化リチウムを得る上で、固体の硫黄は、不純物の含有量が少ないものほど好ましく、純度が99質量%以上であることが特に好ましい。また、固体の硫黄の粒径は、特に制限されない。   The solid sulfur according to the method for producing lithium sulfide of the present invention is not particularly limited. In obtaining high-purity lithium sulfide, solid sulfur having a lower impurity content is preferred, and the purity is particularly preferably 99% by mass or more. The particle size of solid sulfur is not particularly limited.

本発明の硫化リチウムの製造方法に係る複数の水酸基を有する有機化合物は、炭素原子と水素原子と酸素原子とからなり、分子中に2以上の水酸基を有する化合物である。この複数の水酸基を有する化合物は、固体であっても、液体であってもよい。また、複数の水酸基を有する化合物中に、炭素原子、水素原子及び酸素原子以外の原子が存在すると、硫化リチウムの純度を低下させる要因となるので、複数の水酸基を有する有機化合物は、炭素原子、水素原子及び酸素原子のみからなる化合物であることが好ましい。   The organic compound having a plurality of hydroxyl groups according to the method for producing lithium sulfide of the present invention is a compound comprising a carbon atom, a hydrogen atom, and an oxygen atom and having two or more hydroxyl groups in the molecule. The compound having a plurality of hydroxyl groups may be solid or liquid. In addition, when a compound other than a carbon atom, a hydrogen atom, and an oxygen atom is present in a compound having a plurality of hydroxyl groups, it causes a decrease in the purity of lithium sulfide. A compound consisting only of a hydrogen atom and an oxygen atom is preferred.

複数の水酸基を有する有機化合物としては、糖類、多価アルコール類等が挙げられる。複数の水酸基を有する有機化合物に係る糖類としては、フルクトース等の単糖類、スクロース、ラクトース等の二糖類、単糖が3〜20分子程度結合したオリゴ糖類、でんぷん、セルロース等の多糖類、キシリトール、ソルビトール等の糖アルコール類が挙げられる。複数の水酸基を有する有機化合物に係る多価アルコール類としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等の2価のアルコール類、グリセリン、トリメチロールプロパン等の3価のアルコール類、分子中に4以上のヒドロキシル基を有する4価以上のアルコール類、ポリビニルアルコール等の多数のヒドロキシル基を有するポリマー等が挙げられる。これらのうち、複数の水酸基を有する有機化合物としては、異相の含有量が少ない硫化リチウムを得るという効果が高まると共に、硫化リチウム中に残存するカーボンの量が少なくなる点で、単糖類又は二糖類が好ましく、スクロースが特に好ましい。   Examples of the organic compound having a plurality of hydroxyl groups include saccharides and polyhydric alcohols. Examples of sugars related to organic compounds having a plurality of hydroxyl groups include monosaccharides such as fructose, disaccharides such as sucrose and lactose, oligosaccharides in which monosaccharides are bound by about 3 to 20 molecules, polysaccharides such as starch and cellulose, xylitol, Examples thereof include sugar alcohols such as sorbitol. Examples of polyhydric alcohols related to organic compounds having a plurality of hydroxyl groups include divalent alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, and tetraethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin and trimethylolpropane. And alcohols having four or more hydroxyl groups in the molecule, polymers having many hydroxyl groups such as polyvinyl alcohol, and the like. Among these, as an organic compound having a plurality of hydroxyl groups, monosaccharides or disaccharides are obtained in that the effect of obtaining lithium sulfide with a low content of heterogeneous phase is increased and the amount of carbon remaining in lithium sulfide is reduced. Are preferred, and sucrose is particularly preferred.

そして、本発明の硫化リチウムの製造方法では、先ず、固体の水酸化リチウムと、固体の硫黄と、複数の水酸基を有する有機化合物と、を混合することにより、焼成用混合物を得る。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, first, solid lithium hydroxide, solid sulfur, and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups are mixed to obtain a firing mixture.

焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比は、原子換算のモル比(S/Li)で、0.5〜3が好ましく、0.6〜1.0が特に好ましい。焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比が上記範囲にあることにより、純度が高く且つ回収率が高くなる。一方、焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比が、上記範囲未満だと、異相としてLiOが生成し易くなり、また、上記範囲を超えると、回収率が低くなり易い。焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比は、固体の水酸化リチウムと固体の硫黄との混合量を調節することにより調節される。 The ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is preferably a molar ratio (S / Li) in terms of atoms, preferably 0.5 to 3, and particularly preferably 0.6 to 1.0. When the ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is within the above range, the purity is high and the recovery rate is high. On the other hand, when the ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is less than the above range, Li 2 O tends to be generated as a heterogeneous phase, and when it exceeds the above range, the recovery rate tends to be low. The ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is adjusted by adjusting the amount of solid lithium hydroxide and solid sulfur mixed.

焼成用混合物中のリチウム原子に対する炭素原子の比は、原子換算のモル比(C/Li)で、0.05〜0.5が好ましく、0.1〜0.3が特に好ましい。焼成用混合物中のリチウム原子に対する炭素原子の比が上記範囲にあることにより、焼成後の硫化リチウム中のカーボンの残存が少なくなる。焼成用混合物中のリチウム原子に対する炭素原子の比は、固体の水酸化リチウムと複数の水酸基を有する有機化合物との混合量を調節することにより調節される。   The ratio of carbon atoms to lithium atoms in the firing mixture is a molar ratio (C / Li) in terms of atoms, preferably 0.05 to 0.5, and particularly preferably 0.1 to 0.3. When the ratio of carbon atoms to lithium atoms in the firing mixture is within the above range, the remaining carbon in the lithium sulfide after firing is reduced. The ratio of carbon atoms to lithium atoms in the firing mixture is adjusted by adjusting the mixing amount of solid lithium hydroxide and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups.

固体の水酸化リチウムと、固体の硫黄と、複数の水酸基を有する有機化合物と、を混合する方法しては、特に制限されず、例えば、これらをペイントシェイカー等を用いて混合する方法が挙げられる。   The method of mixing solid lithium hydroxide, solid sulfur, and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups is not particularly limited, and examples thereof include a method of mixing them using a paint shaker or the like. .

本発明の硫化リチウムの製造方法では、次いで、焼成用混合物を600〜1200℃で焼成することにより、複数の水酸基を有する有機化合物の存在下で、水酸化リチウムと硫黄を反応させて、硫化リチウムを得る。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, the firing mixture is then fired at 600 to 1200 ° C. to react lithium hydroxide and sulfur in the presence of an organic compound having a plurality of hydroxyl groups, thereby producing lithium sulfide. Get.

焼成用混合物を焼成するときの焼成温度は、600〜1200℃、好ましくは800〜1200℃、特に好ましくは900〜1000℃である。焼成温度が上記範囲にあることにより、異相の生成を抑えて、効率よく硫化リチウムを得ることができる。焼成用混合物を焼成するときの焼成時間は、未反応の水酸化リチウムが残らない範囲で、適宜選択される。焼成用混合物を焼成するときの焼成雰囲気は、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気又は水素ガス等の還元性ガス雰囲気である。   The firing temperature when firing the firing mixture is 600 to 1200 ° C, preferably 800 to 1200 ° C, and particularly preferably 900 to 1000 ° C. When the firing temperature is in the above range, generation of heterogeneous phases can be suppressed and lithium sulfide can be obtained efficiently. The firing time when firing the firing mixture is appropriately selected within a range where unreacted lithium hydroxide does not remain. The firing atmosphere when firing the firing mixture is an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon or helium or a reducing gas atmosphere such as hydrogen gas.

焼成用混合物を焼成した後、焼成物、すなわち、生成した硫化リチウムを、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下、水素ガス等の還元性ガス雰囲気下、又は真空下で冷却し、冷却後、必要に応じて、更に、粉砕又は解砕、分級、包装等を行い、製品の硫化リチウムを得る。このとき用いる不活性ガス又は還元性ガスは、不純物の混入を防止する観点から、純度が高いほど好ましい。また、水分との接触を避ける点で、不活性ガス又は還元性ガスの露点は、−50℃以下が好ましく、−60℃以下が特に好ましい。   After the firing mixture is fired, the fired product, that is, the generated lithium sulfide is cooled in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon or helium, in a reducing gas atmosphere such as hydrogen gas, or in a vacuum, and cooled. Thereafter, if necessary, pulverization or crushing, classification, packaging, and the like are further performed to obtain lithium sulfide as a product. The inert gas or reducing gas used at this time is preferably as high as possible from the viewpoint of preventing contamination of impurities. Further, in order to avoid contact with moisture, the dew point of the inert gas or reducing gas is preferably −50 ° C. or lower, and particularly preferably −60 ° C. or lower.

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムの平均粒子径は、特に制限されないが、好ましくは1〜100μm、特に好ましくは10〜50μmである。硫化リチウムの平均粒子径が上記範囲にあることにより、無機固体電解質の製造に用いる場合に、その製造が容易になる。   The average particle diameter of the lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm, particularly preferably 10 to 50 μm. When the average particle diameter of lithium sulfide is in the above range, the production thereof is facilitated when used for the production of an inorganic solid electrolyte.

固体の水酸化リチウムと固体の硫黄のみの混合物を焼成して、水酸化リチウムと硫黄を反応させて硫化リチウムを得る場合、水酸化リチウムに対して硫黄が過剰にあると、異相としてLiSOが生成し易くなる。それに対して、本発明の硫化リチウムの製造方法では、複数の水酸基を有する有機化合物、好ましくは糖類又は多価アルコール類、特に好ましくはスクロースの存在下で、水酸化リチウムと硫黄を600〜1200℃で焼成して反応させることにより、異相として生成するLiSOが、複数の水酸基を有する有機化合物の炭化物で還元されるので、焼成生成物である硫化リチウムは、LiSOを含有しないか又はLiSOを含有したとしてもその含有量が非常に少ない硫化リチウムとなる。 When a mixture of only solid lithium hydroxide and solid sulfur is baked and lithium hydroxide and sulfur are reacted to obtain lithium sulfide, if sulfur is excessive with respect to lithium hydroxide, Li 2 SO as a different phase 4 is easy to generate. In contrast, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium hydroxide and sulfur are added at 600 to 1200 ° C. in the presence of an organic compound having a plurality of hydroxyl groups, preferably sugars or polyhydric alcohols, particularly preferably sucrose. Since Li 2 SO 4 produced as a different phase is reduced by a carbide of an organic compound having a plurality of hydroxyl groups by firing and reacting with, the lithium sulfide as the fired product does not contain Li 2 SO 4 Even if Li 2 SO 4 is contained, the content of lithium sulfide is very small.

また、本発明の硫化リチウムの製造方法では、固体の水酸化リチウムと固体の硫黄とを反応させているので、本発明の硫化リチウムの製造方法は、有機溶媒を用いる製造方法ではなく、且つ、硫化水素等の気体の硫黄源を用いる製造方法ではない。また、本発明の硫化リチウムの製造方法では、固体の水酸化リチウムと固体の硫黄と複数の水酸基を有する有機化合物を混合し、次いで、焼成することにより、硫化リチウムが得られるので、本発明の硫化リチウムの製造方法は、工程数が少ない製造方法である。   Further, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, since solid lithium hydroxide and solid sulfur are reacted, the method for producing lithium sulfide of the present invention is not a method using an organic solvent, and It is not a production method using a gaseous sulfur source such as hydrogen sulfide. Further, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium sulfide is obtained by mixing solid lithium hydroxide, solid sulfur, and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups, and then firing the mixture. The manufacturing method of lithium sulfide is a manufacturing method with a small number of steps.

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムは、リチウムイオン二次電池の無機固体電解質の原料として好適に用いられる。   The lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is suitably used as a raw material for an inorganic solid electrolyte of a lithium ion secondary battery.

本発明の無機固体電解質の製造方法は、本発明の硫化リチウムの製造方法により硫化リチウムを得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物(A)とを反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法である。なお、以下、本発明の無機固体電解質の製造方法において、硫化リチウムと反応させる硫化物を、硫化リチウムと区別するために硫化物(A)と記載する。   The inorganic solid electrolyte production method of the present invention is obtained by obtaining lithium sulfide by the lithium sulfide production method of the present invention, and then the obtained lithium sulfide, phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide and sulfide. An inorganic solid electrolyte production method comprising reacting one or more sulfides (A) selected from the group of gallium. Hereinafter, in the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, a sulfide to be reacted with lithium sulfide is referred to as sulfide (A) in order to distinguish it from lithium sulfide.

本発明の無機固体電解質の製造方法により得られる無機固体電解質は、LiS−P、LiS−SiS、LiS−GeS、LiS−Ga、LiS−B、LiS−Al等が挙げられる。 The inorganic solid electrolyte obtained by the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention includes Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—Ga 2 S 3 , Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-Al 2 S 3 , and the like.

本発明の無機固体電解質の製造方法に用いられる硫化物(A)の物性等は、特に制限されないが、硫化リチウムとの均一混合が容易になる点で、硫化物(A)の平均粒子径は、20μm以下が好ましく、1〜10μmが特に好ましい。   The physical properties and the like of the sulfide (A) used in the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention are not particularly limited, but the average particle diameter of the sulfide (A) is easy in that uniform mixing with lithium sulfide is facilitated. 20 μm or less is preferable, and 1 to 10 μm is particularly preferable.

本発明の無機固体電解質の製造方法において、硫化リチウムと硫化物(A)とを反応させる方法としては、例えば、(i)硫化リチウムと、硫化物(A)とをメカニカルミリングによりガラス化する方法、(ii)硫化リチウムと硫化物(A)とを混合し、得られる混合物を不活性ガス雰囲気中で、加熱して溶融させた後、急冷する方法等が挙げられる。また、(i)や(ii)で得られたガラス化物をガラス転移以上の温度で加熱処理する加熱処理工程を行うことにより、導電率を向上させる方法が挙げられる。   In the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, as a method of reacting lithium sulfide and sulfide (A), for example, (i) a method of vitrifying lithium sulfide and sulfide (A) by mechanical milling (Ii) A method in which lithium sulfide and sulfide (A) are mixed, the resulting mixture is heated and melted in an inert gas atmosphere, and then rapidly cooled. Moreover, the method of improving electroconductivity is mentioned by performing the heat processing process which heat-processes the vitrified material obtained by (i) and (ii) at the temperature more than a glass transition.

前記(i)及び(ii)の方法において、目的とする無機固体電解質の組成に合わせて、硫化リチウムと硫化物(A)との配合割合を適宜選択する。例えば、無機固体電解質として、硫化リチウムと五硫化リンからLiS−Pの組成のものを得る場合には、硫化リチウム1モルに対する五硫化リンの配合量は、0.1〜0.7モル、好ましくは0.25〜0.5モルである。 In the methods (i) and (ii), the blending ratio of lithium sulfide and sulfide (A) is appropriately selected according to the composition of the target inorganic solid electrolyte. For example, when an inorganic solid electrolyte having a composition of Li 2 S—P 2 S 5 is obtained from lithium sulfide and phosphorus pentasulfide, the compounding amount of phosphorus pentasulfide with respect to 1 mol of lithium sulfide is 0.1 to 0. 0.7 mol, preferably 0.25 to 0.5 mol.

また、(i)及び(ii)の方法において、硫化リチウムと硫化物(A)以外に、組成調整を目的として、必要により硫黄を配合してもよい。   In addition, in the methods (i) and (ii), in addition to lithium sulfide and sulfide (A), sulfur may be blended as necessary for the purpose of adjusting the composition.

(i)の方法に係るガラス化工程は、所定量の硫化リチウムと、所定量の硫化物(A)とを、遊星ボールミル等の機械的手段を用いて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下でメカニカルミリングする。メカニカルミリングを行う機器としては、例えば、ビーズミル、遊星型ボールミル、振動ミル等の粉砕機器、つまり、混合対象である粉体中に粒状媒体を存在させて、それらを高速で流動させる機器が挙げられる。そして、それらを高速で流動させることで、粒状媒体により、混合対象である粉体に、機械的エネルギーが加えられる。メカニカルミリングの回転速度及び回転時間をコントロールすることで、より微細で均質なガラス粉末を調製することができるが、装置の種類や原料の種類或いは使用用途に応じて適切な条件を適宜選択してメカニカルミリングを行うことが好ましい。なお、回転速度が速いほどがガラスの生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラスへの転化率は高くなる傾向にある。   In the vitrification step according to the method (i), a predetermined amount of lithium sulfide and a predetermined amount of sulfide (A) are inactivated by using a mechanical means such as a planetary ball mill or the like using nitrogen gas, argon gas, or the like. Mechanical milling in a gas atmosphere. Examples of the equipment for performing mechanical milling include pulverizing equipment such as a bead mill, a planetary ball mill, and a vibration mill, that is, equipment in which a granular medium is present in powder to be mixed and fluidized at high speed. . And by making them flow at high speed, mechanical energy is added to the powder to be mixed by the granular medium. By controlling the rotation speed and rotation time of mechanical milling, finer and more homogeneous glass powder can be prepared, but appropriate conditions can be selected appropriately according to the type of equipment, the type of raw material, and the intended use. It is preferable to perform mechanical milling. In addition, there exists a tendency for the conversion rate to glass to become high, so that the production | generation speed | rate of glass becomes quick, so that rotation speed is fast, and rotation time is long.

(ii)の方法は、硫化リチウムと硫化物(A)とを混合し、得られる混合物を不活性ガス雰囲気中で、加熱して溶融させる溶融工程と、溶融物を急冷する急冷工程と、を有する。   In the method (ii), lithium sulfide and sulfide (A) are mixed, a melting step of heating and melting the resulting mixture in an inert gas atmosphere, and a quenching step of quenching the melt. Have.

(ii)の方法に係る溶融工程は、所定量の硫化リチウムと、所定量の硫化物(A)とを、機械的手段を用いて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で混合を行って均一混合物を得る。用いることができる混合装置としては、均一混合ができるものであれば特に制限はなく、例えば、ビーズミル、ボールミル、ペイントシェイカー、アトライタ、サンドミルが挙げられる。次いで、原料の混合物を、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、加熱して混合物を溶融させる。加熱温度は、溶融させる混合物の組成により異なるが、LiS−Pの組成のものを得る場合には、加熱温度は700〜1000℃、好ましくは800〜950℃であり、加熱時間は1時間以上、好ましくは3〜6時間である。 In the melting step according to the method (ii), a predetermined amount of lithium sulfide and a predetermined amount of sulfide (A) are mixed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas using mechanical means. To obtain a homogeneous mixture. The mixing apparatus that can be used is not particularly limited as long as uniform mixing is possible, and examples thereof include a bead mill, a ball mill, a paint shaker, an attritor, and a sand mill. Next, the mixture of raw materials is heated in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas to melt the mixture. The heating temperature varies depending on the composition of the mixture to be melted, but when obtaining a composition of Li 2 S—P 2 S 5 , the heating temperature is 700 to 1000 ° C., preferably 800 to 950 ° C., and the heating time Is 1 hour or more, preferably 3 to 6 hours.

(ii)の方法に係る急冷工程では、溶融工程で得た溶融物を急冷して無機固体電解質を得る。急冷工程では、急冷により溶融物を、10℃以下、好ましくは0℃以下まで冷却する。また、そのときの冷却速度は、1〜1000℃/秒、好ましくは100〜1000℃/秒である。急冷する方法としては、例えば、水冷、液体窒素による急冷、双ローラー急冷、スプラット急冷方法等の常用の方法が挙げられる。   In the rapid cooling process according to the method (ii), the melt obtained in the melting process is rapidly cooled to obtain an inorganic solid electrolyte. In the rapid cooling step, the melt is cooled to 10 ° C. or lower, preferably 0 ° C. or lower by rapid cooling. Moreover, the cooling rate at that time is 1-1000 degreeC / second, Preferably it is 100-1000 degreeC / second. Examples of the rapid cooling method include conventional methods such as water cooling, rapid cooling with liquid nitrogen, twin-roller rapid cooling, and splat rapid cooling method.

(i)又は(ii)の方法で得られたガラス化物を、更に加熱処理する方法では、得られたガラス化物を、更にそのガラス転移温度以上の温度で追加加熱して、加熱処理することにより加熱処理工程を行う。この加熱処理工程により、ガラス化工程のみを行ったものに比べて、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。加熱処理工程での加熱温度は、用いる原料の種類や配合量により異なるが、例えば、LiS−Pの組成の無機固体電解質を得る場合は、200℃以上、好ましくは250〜400℃である。また、加熱時間は、1時間以上、好ましくは3〜12時間である。また、固体電解質の酸化による、リチウムイオン伝導性の低下を抑制する観点から、不活性ガス雰囲気又は真空下で加熱を行うことが好ましい。 In the method of further heat-treating the vitrified product obtained by the method (i) or (ii), the obtained vitrified product is further heated at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature, and heat-treated. A heat treatment process is performed. By this heat treatment step, lithium ion conductivity can be improved as compared with the case where only the vitrification step is performed. The heating temperature in the heat treatment step varies depending on the type and blending amount of the raw materials used. For example, when obtaining an inorganic solid electrolyte having a composition of Li 2 S—P 2 S 5 , it is 200 ° C. or higher, preferably 250 to 400. ° C. The heating time is 1 hour or longer, preferably 3 to 12 hours. Moreover, it is preferable to heat in inert gas atmosphere or a vacuum from a viewpoint of suppressing the fall of lithium ion conductivity by the oxidation of a solid electrolyte.

本発明の無機固体電解質の製造方法により無機固体電解質を得た後、必要により、無機固体電解質を粉砕して、或いはシート状に成形し、例えば、少なくとも正極と負極と無機固体電解質から構成される全固体リチウム電池の無機固体電解質、あるいは、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水の有機電解液からなるリチウム二次電池において、正極材或いは負極に使用するリチウム金属又はリチウム合金の被覆材として使用する。   After obtaining the inorganic solid electrolyte by the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, if necessary, the inorganic solid electrolyte is pulverized or formed into a sheet shape, for example, composed of at least a positive electrode, a negative electrode, and an inorganic solid electrolyte In a lithium secondary battery composed of an inorganic solid electrolyte of an all-solid-state lithium battery or a non-aqueous organic electrolyte containing a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt, lithium metal or lithium alloy used for the positive electrode material or the negative electrode Used as a covering material.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1)X線回折測定
装置名:D8 ADVANCE、メーカー:Bruker AXSを用いて、測定条件:ターゲットCu−Kα、管電圧40kV、管電流40mA、走査速度0.1°/sec、により、X線回折測定を行った。
また、以下により、硫化リチウム結晶中の異相のLiSO、LiO及びLiCOの存在度を求めた。なお、回折ピーク強度比は、回折ピークの面積比である。
<LiSOの存在度>
回折ピークの強度比(b/a)=(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピーク強度/(b)硫酸リチウムに由来する2θ=22°付近(002面)の回折ピーク強度
<LiOの存在度>
回折ピークの強度比(c/a)=(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピーク強度/(c)酸化リチウムに由来する2θ=33.6°付近(111面)の回折ピーク強度
<LiCOの存在度>
回折ピークの強度比(d/a)=(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピーク強度/(d)炭酸リチウムに由来する2θ=21°付近(110面)の回折ピーク強度
(2)イオン伝導度測定
固体電解質の両面を電極(95重量%のNiと、5重量%のSnで構成される)0.30gで挟んだのち、20MPaで5分間保持することにより3層構造の成型体を作成した。当該成型体を測定サンプルとして、交流インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製)を用いることにより、イオン伝導度を測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
(1) X-ray diffraction measurement Device name: D8 ADVANCE, manufacturer: Bruker AXS, measurement conditions: target Cu-Kα, tube voltage 40 kV, tube current 40 mA, scanning speed 0.1 ° / sec, X-ray Diffraction measurement was performed.
Further, the abundances of heterogeneous Li 2 SO 4 , Li 2 O and LiCO 3 in the lithium sulfide crystal were determined as follows. The diffraction peak intensity ratio is the area ratio of diffraction peaks.
<Abundance of Li 2 SO 4 >
Diffraction peak intensity ratio (b / a) = (a) diffraction peak intensity around 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide / (b) 2θ = around 22 ° (002 plane) derived from lithium sulfate Diffraction peak intensity <Li 2 O abundance>
Diffraction peak intensity ratio (c / a) = (a) diffraction peak intensity around 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide / (c) 2θ = about 33.6 ° derived from lithium oxide (111 Surface) diffraction peak intensity <abundance of Li 2 CO 3 >
Intensity ratio of diffraction peaks (d / a) = (a) diffraction peak intensity around 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide / (d) around 2θ = 21 ° (110 plane) derived from lithium carbonate (2) Measurement of ionic conductivity of the solid electrolyte Both sides of the solid electrolyte are sandwiched by 0.30 g of electrodes (composed of 95 wt% Ni and 5 wt% Sn) and then held at 20 MPa for 5 minutes. Thus, a molded body having a three-layer structure was prepared. The ion conductivity was measured by using an AC impedance measuring device (manufactured by Solartron) using the molded body as a measurement sample.

(実施例1)
水酸化リチウム一水塩(日本化学工業社製、BQ品)をミル(ワンダーブレンダー)で15秒粉砕した後、212μm篩でふるい、次いで、ボックス炉内で窒素ガス雰囲気下200℃で4時間乾燥して、水酸化リチウムの脱水処理物を得た。次いで、得られた水酸化リチウムと、硫黄と、スクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:0.6:0.2となるように秤量し、ペイントシェイカーで40分混合した。
次いで、得られた混合物を、焼成炉中、窒素ガス雰囲気下、5℃/分で900℃まで昇温後、900℃で6時間保持して焼成を行った。焼成後、窒素ガス雰囲気下で室温まで冷却し、硫化リチウムを得た。得られた硫化リチウムの収率及び異相の存在度を表1に示す。また、得られた硫化リチウムのX線回折チャートを図1に示す。
Example 1
Lithium hydroxide monohydrate (manufactured by Nippon Kagaku Kogyo Co., Ltd., BQ product) was pulverized with a mill (Wonder Blender) for 15 seconds, sieved with a 212 μm sieve, and then dried in a box furnace at 200 ° C. in a nitrogen gas atmosphere for 4 hours. As a result, a lithium hydroxide dehydrated product was obtained. Next, the obtained lithium hydroxide, sulfur, and sucrose were weighed so that the molar ratio in terms of atoms was Li atom: S atom: C atom = 1: 0.6: 0.2, and a paint shaker was used. Mix for 40 minutes.
Next, the obtained mixture was heated in a firing furnace in a nitrogen gas atmosphere at 5 ° C./min to 900 ° C. and then held at 900 ° C. for 6 hours for firing. After firing, the mixture was cooled to room temperature in a nitrogen gas atmosphere to obtain lithium sulfide. Table 1 shows the yield of the obtained lithium sulfide and the abundance of heterogeneous phases. An X-ray diffraction chart of the obtained lithium sulfide is shown in FIG.

(実施例2)
水酸化リチウム、硫黄及びスクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:0.6:0.2とすることに代えて、水酸化リチウム、硫黄及びスクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:2:0.2とすること以外は、実施例1と同様に行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Example 2)
Instead of lithium hydroxide, sulfur and sucrose in terms of molar ratio in terms of atoms: Li atom: S atom: C atom = 1: 0.6: 0.2, lithium hydroxide, sulfur and sucrose The same operation as in Example 1 was conducted except that Li atom: S atom: C atom = 1: 2: 0.2 in terms of molar ratio. The results are shown in Table 1 and FIG.

(実施例3)
脱水処理しない水酸化リチウムを用いること、すなわち、水酸化リチウム一水塩(日本化学工業社製、BQ品)をミル(ワンダーブレンダー)で15秒粉砕した後、212μm篩でふるい、次いで、ボックス炉内で窒素ガス雰囲気下200℃で4時間乾燥して得た水酸化リチウムの脱水処理物に代えて、水酸化リチウム一水塩(日本化学工業社製、BQ品)をミル(ワンダーブレンダー)で15秒粉砕した後、212μm篩でふるって得た水酸化リチウムとすること以外は、実施例1と同様に行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Example 3)
Lithium hydroxide not dehydrated is used, that is, lithium hydroxide monohydrate (manufactured by Nippon Kagaku Kogyo Co., Ltd., BQ product) is pulverized with a mill (Wonder Blender) for 15 seconds, sieved with a 212 μm sieve, and then box furnace In place of lithium hydroxide dehydrated product obtained by drying at 200 ° C. for 4 hours in a nitrogen gas atmosphere, lithium hydroxide monohydrate (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., BQ product) is milled (Wonder Blender). This was carried out in the same manner as in Example 1 except that lithium hydroxide was obtained by pulverizing for 15 seconds and then sieving with a 212 μm sieve. The results are shown in Table 1 and FIG.

(比較例1)
900℃で焼成することに代えて、500℃で焼成すること以外は、実施例1と同様の方法で行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Comparative Example 1)
It replaced with baking at 900 degreeC, and performed by the method similar to Example 1 except baking at 500 degreeC. The results are shown in Table 1 and FIG.

(実施例4)
水酸化リチウム、硫黄及びスクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:0.6:0.2とすることに代えて、水酸化リチウム、硫黄及びスクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:4:0.2とすること以外は、実施例1と同様に行った。その結果を表1及び図1に示す。
Example 4
Instead of lithium hydroxide, sulfur and sucrose in terms of molar ratio in terms of atoms: Li atom: S atom: C atom = 1: 0.6: 0.2, lithium hydroxide, sulfur and sucrose The same operation as in Example 1 was conducted except that Li atom: S atom: C atom = 1: 4: 0.2 in terms of molar ratio. The results are shown in Table 1 and FIG.

(比較例2)
スクロースを用いないこと、すなわち、水酸化リチウム、硫黄及びスクロースを、原子換算のモル比でLi原子:S原子:C原子=1:0.6:0.2とすることに代えて、水酸化リチウムと、硫黄とを、原子換算のモル比でLi原子:S原子=1:0.6(C原子のモル比は0)となるように秤量すること以外は、実施例1と同様に行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Comparative Example 2)
Instead of using sucrose, that is, replacing lithium hydroxide, sulfur, and sucrose with atomic molar ratio of Li atom: S atom: C atom = 1: 0.6: 0.2, The same procedure as in Example 1 was performed except that lithium and sulfur were weighed so that Li atom: S atom = 1: 0.6 (molar ratio of C atom was 0) in terms of molar ratio in terms of atoms. It was. The results are shown in Table 1 and FIG.

(実施例5)
スクロース用いることに代えて、フルクトースを用いること以外は、実施例1と同様の方法で行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Example 5)
It replaced with using sucrose and performed by the method similar to Example 1 except using fructose. The results are shown in Table 1 and FIG.

(実施例6)
スクロース用いることに代えて、ポリビニルアルコール(PVA)を用いること以外は、実施例3と同様の方法で行った。その結果を表1及び図1に示す。
(Example 6)
It replaced with using sucrose, and performed by the method similar to Example 3 except using polyvinyl alcohol (PVA). The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 0006162981
Figure 0006162981

(実施例7)
実施例1で得られた硫化リチウム0.383g(75モル%)と、五二硫化リン(Aldrich社製)0.617g(25モル%)を秤量し、それらを、遊星ミルにて、400回転で20時間処理して、固体電解質を得た。得られた固体電解質のイオン伝導度を測定した。その結果を表2に示す。
(Example 7)
0.383 g (75 mol%) of lithium sulfide obtained in Example 1 and 0.617 g (25 mol%) of phosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) were weighed, and they were rotated 400 times on a planetary mill. For 20 hours to obtain a solid electrolyte. The ionic conductivity of the obtained solid electrolyte was measured. The results are shown in Table 2.

Figure 0006162981
Figure 0006162981

Claims (3)

固体の水酸化リチウムと、固体の硫黄と、複数の水酸基を有する有機化合物と、を混合して、焼成用混合物を得、次いで、該焼成用混合物を、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気中、600〜1200℃で焼成して、硫化リチウムを得ること、
該複数の水酸基を有する有機化合物が、スクロース、フルクトース又はポリビニールアルコールであり、
該焼成用混合物中のリチウム原子に対する硫黄原子の比が、原子換算のモル比(S/Li)で、0.5〜3であり、且つ、該焼成用混合物中のリチウム原子に対する炭素原子の比が、原子換算のモル比(C/Li)で、0.05〜0.5であること、
を特徴とする硫化リチウムの製造方法。
Solid lithium hydroxide, solid sulfur, and an organic compound having a plurality of hydroxyl groups are mixed to obtain a firing mixture, and then the firing mixture is placed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. and then calcined at 600 to 1200 ° C., to obtain lithium sulfide,
The organic compound having a plurality of hydroxyl groups is sucrose, fructose or polyvinyl alcohol,
The ratio of sulfur atoms to lithium atoms in the firing mixture is 0.5 to 3 in terms of atomic ratio (S / Li), and the ratio of carbon atoms to lithium atoms in the firing mixture Is a molar ratio (C / Li) in terms of atoms and is 0.05 to 0.5,
A process for producing lithium sulfide characterized by the above.
前記複数の水酸基を有する有機化合物がスクロースであることを特徴とする請求項1記載の硫化リチウムの製造方法。 Motomeko 1 method for producing lithium sulfide according you wherein the organic compound having a plurality of hydroxyl groups is sucrose. 請求項1又は2いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法により、硫化リチウム得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物と、を反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法。 Lithium sulfide is obtained by the method for producing lithium sulfide according to claim 1 or 2 , and then the obtained lithium sulfide and phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide and gallium sulfide are obtained. A method for producing an inorganic solid electrolyte, comprising reacting one or more sulfides selected from the group.
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