JP6309344B2 - Solid electrolyte and battery - Google Patents

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Description

本発明は、全固体二次電池等に用いられる固体電解質に関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte used for an all-solid secondary battery or the like.

リチウムイオン伝導性の固体電解質は、全固体二次電池の電解質として有用である。硫化リチウムと五硫化二リンを原料とする硫化物固体電解質は高イオン伝導性を有するが、さらなる向上が期待されている。   The lithium ion conductive solid electrolyte is useful as an electrolyte of an all-solid secondary battery. A sulfide solid electrolyte using lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide as raw materials has high ionic conductivity, but further improvement is expected.

非特許文献1、特許文献1の比較例には、硫化リチウムと五硫化二リンに換算すると80:20となる固体電解質が記載されている。
一方、特許文献2に、硫化リチウム100質量%に対して水酸化リチウムを1.2〜20質量%添加することで、ガラス化の進行が速くなることやガラス転移温度以上で焼成することでガラスセラミックスが得られることが記載されているが、高イオン伝導度のものは得られていない。
The comparative examples of Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 describe a solid electrolyte that is 80:20 in terms of lithium sulfide and phosphorus pentasulfide.
On the other hand, by adding 1.2 to 20% by mass of lithium hydroxide to 100% by mass of lithium sulfide in Patent Document 2, the progress of vitrification becomes faster or the glass is baked at a glass transition temperature or higher. Although it is described that ceramics can be obtained, those having high ionic conductivity have not been obtained.

特開2005−228570号公報JP 2005-228570 A 特開2004−348973号公報JP 2004-348773 A

Solid State Ionics 154−155(2002)Solid State Ionics 154-155 (2002)

本発明の目的は、新規な固体電解質を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel solid electrolyte.

本発明によれば、以下の固体電解質等が提供される。
1.Li、P、S、O、Hを含み、各元素のモル比が下記式(1)〜(5)を満たす固体電解質。
Li:P:S:O:H=(160+2k+L):(40−2k):(180−4k):M:N (1)
−1.5≦k≦1.5 (2)
0≦L≦M+N (3)
0<M≦100 (4)
0<N≦100 (5)
2.Li、P、S、O、Hを、LiS、P、LiOHで換算すると、LiS、P、LiOHのモル比が、下記式(6)、(2)、(4)を満たす1記載の固体電解質。
LiS:P:LiOH=(80+k):(20−k):M (6)
−1.5≦k≦1.5 (2)
0<M≦100 (4)
3.さらに、ハロゲン元素を含む1又は2記載の固体電解質。
4.Li、P、S、O、Hの元素のみからなる1又は2記載の固体電解質。
5.非結晶固体電解質である1〜4のいずれか記載の固体電解質。
6.結晶固体電解質である1〜4のいずれか記載の固体電解質。
7.結晶がチオリシコンII型結晶である6記載の固体電解質。
8.結晶率が30%〜99%である6又は7記載の固体電解質。
9.式(2)が、−1.0≦k≦1.0である1〜8のいずれか記載の固体電解質。
10.式(2)が、−0.8≦k≦0.8である9記載の固体電解質。
11.式(3)が、0≦L≦M及び/又は0≦L≦Nを満たす1〜10のいずれか記載の固体電解質。
12.式(4)が、0<M≦60である1〜11のいずれか記載の固体電解質。
13.式(4)が、1.5<M≦60である12記載の固体電解質。
14.式(4)が、2≦M≦50である13記載の固体電解質。
15.式(5)が、0<N≦60である1〜14のいずれか記載の固体電解質。
16.式(5)が、1.5<N≦60である15記載の固体電解質。
17.式(5)が、2≦N≦50である16記載の固体電解質。
18.M=Nである1〜17のいずれか記載の固体電解質。
19.イオン伝導度が、1.0×10−4〜5.0×10−3S/cmである1〜18のいずれか記載の固体電解質。
20.体積基準平均粒径が、0.01μm以上100μm以下の粒子である1〜19のいずれか記載の固体電解質。
21.結晶化温度が100℃〜300℃である1〜20のいずれか記載の固体電解質。
22.硫化リチウムを含まない1〜21のいずれか記載の固体電解質。
23.LiS及びリン化合物を反応させ、1記載の固体電解質を製造する、固体電解質の製造方法。
24.LiS、リン化合物及びLiOHを反応させる23記載の固体電解質の製造方法。
25.前記リン化合物が、Pである23又は24記載の固体電解質の製造方法。
26.1〜22のいずれか記載の固体電解質を含む固体電解質層。
27.正極活物質と、1〜22のいずれか記載の固体電解質とを含む正極合材。
28.27記載の正極合材を含む正極。
29.負極活物質と1〜22のいずれか記載の固体電解質とを含む負極合材。
30.29記載の負極合材を含む負極。
31.26記載の固体電解質層、28記載の正極、30記載の負極のうち少なくとも1つを含む電池。
According to the present invention, the following solid electrolyte and the like are provided.
1. A solid electrolyte containing Li, P, S, O and H, wherein the molar ratio of each element satisfies the following formulas (1) to (5).
Li: P: S: O: H = (160 + 2k + L) :( 40-2k) :( 180-4k): M: N (1)
−1.5 ≦ k ≦ 1.5 (2)
0 ≦ L ≦ M + N (3)
0 <M ≦ 100 (4)
0 <N ≦ 100 (5)
2. Li, P, S, O, and H, Li 2 S, when converted with P 2 S 5, LiOH, Li 2 S, the molar ratio of P 2 S 5, LiOH, formula (6), (2), The solid electrolyte according to 1, which satisfies (4).
Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = (80 + k) :( 20−k): M (6)
−1.5 ≦ k ≦ 1.5 (2)
0 <M ≦ 100 (4)
3. Furthermore, the solid electrolyte of 1 or 2 containing a halogen element.
4). 3. The solid electrolyte according to 1 or 2, comprising only Li, P, S, O, and H elements.
5. 5. The solid electrolyte according to any one of 1 to 4, which is an amorphous solid electrolyte.
6). 5. The solid electrolyte according to any one of 1 to 4, which is a crystalline solid electrolyte.
7). 7. The solid electrolyte according to 6, wherein the crystal is a thiolithicone type II crystal.
8). 8. The solid electrolyte according to 6 or 7, wherein the crystal ratio is 30% to 99%.
9. Solid electrolyte in any one of 1-8 whose Formula (2) is -1.0 <= k <= 1.0.
10. 10. The solid electrolyte according to 9, wherein the formula (2) is −0.8 ≦ k ≦ 0.8.
11. The solid electrolyte according to any one of 1 to 10, wherein Formula (3) satisfies 0 ≦ L ≦ M and / or 0 ≦ L ≦ N.
12 The solid electrolyte according to any one of 1 to 11, wherein Formula (4) is 0 <M ≦ 60.
13. 13. The solid electrolyte according to 12, wherein the formula (4) is 1.5 <M ≦ 60.
14 14. The solid electrolyte according to 13, wherein the formula (4) is 2 ≦ M ≦ 50.
15. The solid electrolyte according to any one of 1 to 14, wherein the formula (5) is 0 <N ≦ 60.
16. 16. The solid electrolyte according to 15, wherein the formula (5) is 1.5 <N ≦ 60.
17. The solid electrolyte according to 16, wherein the formula (5) is 2 ≦ N ≦ 50.
18. The solid electrolyte according to any one of 1 to 17, wherein M = N.
19. Solid electrolyte in any one of 1-18 whose ion conductivity is 1.0 * 10 < -4 > -5.0 * 10 < -3 > S / cm.
20. The solid electrolyte according to any one of 1 to 19, wherein the volume reference average particle diameter is 0.01 μm or more and 100 μm or less.
21. Solid electrolyte in any one of 1-20 whose crystallization temperature is 100 to 300 degreeC.
22. The solid electrolyte according to any one of 1 to 21, which does not contain lithium sulfide.
23. A method for producing a solid electrolyte, comprising reacting Li 2 S and a phosphorus compound to produce the solid electrolyte according to 1.
24. 24. The method for producing a solid electrolyte according to 23, wherein Li 2 S, phosphorus compound and LiOH are reacted.
25. 25. The method for producing a solid electrolyte according to 23 or 24, wherein the phosphorus compound is P 2 S 5 .
The solid electrolyte layer containing the solid electrolyte in any one of 26.1-22.
27. A positive electrode mixture comprising a positive electrode active material and the solid electrolyte according to any one of 1 to 22.
A positive electrode comprising the positive electrode mixture according to 28.27.
29. A negative electrode mixture comprising a negative electrode active material and the solid electrolyte according to any one of 1 to 22.
A negative electrode comprising the negative electrode mixture according to 30.29.
A battery comprising at least one of the solid electrolyte layer according to 31.26, the positive electrode according to 28, and the negative electrode according to 30.

本発明によれば、新規な固体電解質を提供できる。   According to the present invention, a novel solid electrolyte can be provided.

本発明の固体電解質は、元素Li、P、S、O及びHを含み、各元素のモル比が下記式(1)〜(5)を満たす。
Li:P:S:O:H=(160+2k+L):(40−2k):(180−4k):M:N (1)
−1.5≦k≦1.5 (2)
0≦L≦M+N (3)
0<M≦100 (4)
0<N≦100 (5)
The solid electrolyte of the present invention contains the elements Li, P, S, O, and H, and the molar ratio of each element satisfies the following formulas (1) to (5).
Li: P: S: O: H = (160 + 2k + L) :( 40-2k) :( 180-4k): M: N (1)
−1.5 ≦ k ≦ 1.5 (2)
0 ≦ L ≦ M + N (3)
0 <M ≦ 100 (4)
0 <N ≦ 100 (5)

式(2)において、好ましくは−1.0≦k≦1.0であり、より好ましくは−0.8≦k≦0.8である。
式(3)において、好ましくは、さらに0≦L≦M及び0≦L≦Nの1以上を満たす。
式(4)において、好ましくは0<M≦60であり、例えば0.5<M≦60である。より好ましくは1.5<M≦60であり、さらに好ましくは2≦M≦60であり、例えば3≦M≦50、4≦M≦40、5≦M≦30である。
式(5)において、好ましくは0<N≦60であり、例えば0.5<N≦60である。より好ましくは1.5<N≦60であり、さらに好ましくは2≦N≦60であり、例えば3≦N≦50、4≦N≦40、5≦N≦30である。
好ましくはM=Nである。
In Formula (2), it is preferably −1.0 ≦ k ≦ 1.0, and more preferably −0.8 ≦ k ≦ 0.8.
In the formula (3), preferably, one or more of 0 ≦ L ≦ M and 0 ≦ L ≦ N are satisfied.
In the formula (4), preferably 0 <M ≦ 60, for example, 0.5 <M ≦ 60. More preferably, 1.5 <M ≦ 60, still more preferably 2 ≦ M ≦ 60, for example, 3 ≦ M ≦ 50, 4 ≦ M ≦ 40, and 5 ≦ M ≦ 30.
In the formula (5), preferably 0 <N ≦ 60, for example, 0.5 <N ≦ 60. More preferably, 1.5 <N ≦ 60, still more preferably 2 ≦ N ≦ 60, for example, 3 ≦ N ≦ 50, 4 ≦ N ≦ 40, and 5 ≦ N ≦ 30.
Preferably M = N.

固体電解質に含まれる全ての元素Li、P、S、O及びHを、LiS、P、LiOHで換算すると、LiS、P、LiOHのモル比が、下記式(6)を満たすことが好ましい。
LiS:P:LiOH=(80+k):(20−k):M (6)
All elements Li contained in the solid electrolyte, P, S, O and H, Li 2 S, when converted with P 2 S 5, LiOH, Li 2 S, the molar ratio of P 2 S 5, LiOH, formula It is preferable to satisfy (6).
Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = (80 + k) :( 20−k): M (6)

本発明の第2の固体電解質は、元素Li、P、S、O及びHを含み、各元素のモル比が下記式(7)、(8)及び(9)を満たす:
Li:P:S:O:H=(155+2p+Q):(45−2p):(190−4p):Q:Q (7)
−4.0≦p≦4.0 (8)
(3−0.1p)<Q≦100 (9)
The second solid electrolyte of the present invention contains the elements Li, P, S, O and H, and the molar ratio of each element satisfies the following formulas (7), (8) and (9):
Li: P: S: O: H = (155 + 2p + Q) :( 45-2p) :( 190-4p): Q: Q (7)
-4.0 ≦ p ≦ 4.0 (8)
(3-0.1p) <Q ≦ 100 (9)

上記式(9)は、好ましくは(4−0.1p)<Q≦100であり、さらに好ましくは(5−0.1p)<Q≦100であり、より好ましくは(6−0.1p)<Q≦100である。
また、上記式(9)は、例えば(4−0.1p)<Q≦50、(4−0.1p)<Q≦30、(4−0.1p)<Q≦20、(5−0.1p)<Q≦30、(5−0.1p)<Q≦20、(6−0.1p)<Q≦30、(6−0.1p)<Q≦20、(7−0.1p)<Q≦30、又は(7−0.1p)<Q≦20である。
The above formula (9) is preferably (4-0.1p) <Q ≦ 100, more preferably (5-0.1p) <Q ≦ 100, and more preferably (6-0.1p). <Q ≦ 100.
Further, the above formula (9) can be expressed by, for example, (4-0.1p) <Q ≦ 50, (4-0.1p) <Q ≦ 30, (4-0.1p) <Q ≦ 20, (5-0 .1p) <Q ≦ 30, (5-0.1p) <Q ≦ 20, (6-0.1p) <Q ≦ 30, (6-0.1p) <Q ≦ 20, (7-0.1p ) <Q ≦ 30, or (7−0.1p) <Q ≦ 20.

第2の固体電解質に含まれる全ての元素Li、P、S、O及びHを、LiS、P、LiOHで換算すると、LiS、P、LiOHのモル比が、下記式(10)を満たすことが好ましい。
LiS:P:LiOH=(77.5+p):(22.5−p):Q (10)
以下、「本発明の固体電解質」や単に「固体電解質」という場合、上述した本発明の第1の固体電解質と第2の固体電解質の両方を含む。
All elements Li contained in the second solid electrolyte, P, S, O and H, Li 2 S, when converted with P 2 S 5, LiOH, Li 2 S, the molar ratio of P 2 S 5, LiOH It is preferable that the following formula (10) is satisfied.
Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = (77.5 + p) :( 22.5-p): Q (10)
Hereinafter, the term “solid electrolyte of the present invention” or simply “solid electrolyte” includes both the first solid electrolyte and the second solid electrolyte of the present invention described above.

本発明の固体電解質は、さらに、I,Br,Cl等のハロゲン元素を含んでもよい。具体的には、Li、P、S及びIを含む硫化物系固体電解質、Li、P、S及びBrを含む硫化物系固体電解質、Li、P、S及びClを含む硫化物系固体電解質が挙げられる。   The solid electrolyte of the present invention may further contain a halogen element such as I, Br, or Cl. Specifically, there are a sulfide-based solid electrolyte containing Li, P, S and I, a sulfide-based solid electrolyte containing Li, P, S and Br, and a sulfide-based solid electrolyte containing Li, P, S and Cl. Can be mentioned.

LiS、P、LiOHで換算したとき、LiS及びPのモル量の合計に対するハロゲン化物のモル量の比は、好ましくは[LiS+P]:ハロゲン化物=50:50〜99:1であり、より好ましくは[LiS+P]:ハロゲン化物=60:40〜98:2であり、さらに好ましくは[LiS+P]:ハロゲン化物=70:30〜98:2であり、特に好ましくは[LiS+P]:ハロゲン化物=72:28〜98:2であり、例えば[LiS+P]:ハロゲン化物=72:28〜90:10、[LiS+P]:ハロゲン化物=75:25〜88:12である。 When converted by Li 2 S, P 2 S 5 , LiOH, the ratio of the molar amount of halide to the total molar amount of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably [Li 2 S + P 2 S 5 ]: halogen Compound = 50: 50 to 99: 1, more preferably [Li 2 S + P 2 S 5 ]: halide = 60: 40 to 98: 2, more preferably [Li 2 S + P 2 S 5 ]: halogen Compound = 70: 30 to 98: 2, particularly preferably [Li 2 S + P 2 S 5 ]: halide = 72: 28 to 98: 2, for example, [Li 2 S + P 2 S 5 ]: halide = 72: 28~90: 10, [Li 2 S + P 2 S 5]: halides = 75: 25 to 88: a 12.

また、固体電解質は、B、Al、Si、Ge等の元素を含むことができる。   The solid electrolyte can contain elements such as B, Al, Si, and Ge.

固体電解質は、Li、P、S、O、Hの元素のみから構成されてもよい。また、固体電解質は、後述する反応を十分に進行させることにより、硫化リチウムを含まないようにしてもよい。硫化リチウムを含まないことにより耐水性が向上する。   The solid electrolyte may be composed of only Li, P, S, O, and H elements. Further, the solid electrolyte may not contain lithium sulfide by sufficiently proceeding with the reaction described later. By not containing lithium sulfide, water resistance is improved.

固体電解質は、非結晶でも結晶でもよい。硫化物固体電解質ガラス(非結晶)は、ガラス転移温度以上の温度で結晶化させてガラスセラミック(結晶)とすることができる。
このガラスセラミックスに含まれる結晶構造としては、LiPS結晶構造、Li結晶構造、LiPS結晶構造、Li11結晶構造、Li4−xGe1−x系チオリシコンII型及びIII型の結晶構造(Kannoら、Journal of The Electrochemical Society,148(7)A742−746(2001)参照)等が挙げられる。しかしながら、このガラスセラミックスに含まれる結晶構造は、これらに限られるものではない。


結晶率は通常20%以上99%以下であり、例えば25%以上90%以下、30%以上80%以下である。
The solid electrolyte may be amorphous or crystalline. The sulfide solid electrolyte glass (non-crystal) can be crystallized at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature to form a glass ceramic (crystal).
The crystal structure contained in this glass ceramic includes a Li 3 PS 4 crystal structure, a Li 4 P 2 S 6 crystal structure, a Li 7 PS 6 crystal structure, a Li 7 P 3 S 11 crystal structure, and a Li 4-x Ge 1− x P x S 4 series thiolysicon type II and type III crystal structures (see Kanno et al., Journal of The Electrochemical Society, 148 (7) A742-746 (2001)). However, the crystal structure contained in this glass ceramic is not limited to these.


The crystallinity is usually 20% or more and 99% or less, for example, 25% or more and 90% or less, 30% or more and 80% or less.

本発明の硫化物固体電解質ガラスセラミックは、粉末状態においても、室温で高いイオン伝導性を示すLi4−xGe1−x系チオリシコンII型の結晶構造を有するものが好ましい。この結晶構造を有することで、高いイオン伝導性、例えば0.5mS/cm以上のイオン伝導性が達成できる。 Sulfide solid electrolyte glass ceramics of the present invention, even in a powder state, preferably has a Li 4-x Ge 1-x P x S 4 based Chiorishikon II type crystal structure exhibiting high ion conductivity at room temperature. By having this crystal structure, high ion conductivity, for example, ion conductivity of 0.5 mS / cm or more can be achieved.

本発明の固体電解質は、上記元素とモル比を有することにより、所望のイオン伝導度が得られる。上記好適例によれば1.0×10−4〜5.0×10−3S/cmのイオン伝導度を有することも可能である。例えば、5.0×10−4〜5.0×10−3S/cm、8.0×10−4〜5.0×10−3S/cmである。 The solid electrolyte of the present invention can have a desired ionic conductivity by having a molar ratio with the above elements. According to the above preferred example, it is possible to have an ionic conductivity of 1.0 × 10 −4 to 5.0 × 10 −3 S / cm. For example, they are 5.0 * 10 < -4 > -5.0 * 10 < -3 > S / cm, 8.0 * 10 < -4 > -5.0 * 10 < -3 > S / cm.

固体電解質が粒子状である場合には、体積基準平均粒径が0.01μm以上100μm以下であることが好ましい。より好ましくは、0.01〜50μm、特に0.1〜20μmがよい。0.01μm未満では、凝集しやすく、取扱いが難しく、100μmを超えると塗工等で不良現象が生じる。
体積基準平均粒径(Mean Volume Diameter、以下「粒径」という。)の測定方法は、レーザー回折式粒度分布測定方法により行うことが好ましい。
レーザー回折式粒度分布測定方法は、固体電解質を乾燥せずに粒度分布を測定することができ、固体電解質の粒子群にレーザーを照射してその散乱光を解析することで粒度分布を測定することができる。
レーザー回折式粒度分布測定装置がMalvern Instruments Ltd社製マスターサイザー2000である場合の測定例として、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン110mlを入れ、さらに脱水処理された分散剤を6%添加した条件で測定するのがよい。
When the solid electrolyte is in the form of particles, the volume-based average particle diameter is preferably 0.01 μm or more and 100 μm or less. More preferably, 0.01-50 micrometers, especially 0.1-20 micrometers are good. If it is less than 0.01 μm, it tends to agglomerate and difficult to handle, and if it exceeds 100 μm, a defective phenomenon occurs in coating or the like.
The measurement method of the volume reference average particle diameter (Mean Volume Diameter, hereinafter referred to as “particle diameter”) is preferably performed by a laser diffraction particle size distribution measurement method.
Laser diffraction particle size distribution measurement method can measure the particle size distribution without drying the solid electrolyte, and measure the particle size distribution by irradiating the solid electrolyte particles with laser and analyzing the scattered light Can do.
As an example of measurement when the laser diffraction particle size distribution analyzer is a master sizer 2000 manufactured by Malvern Instruments Ltd., 110 ml of dehydrated toluene was added to the dispersion tank of the apparatus, and 6% of the dehydrated dispersant was added. It is better to measure under conditions.

[固体電解質の製造方法]
固体電解質は、MM(メカニカルミリング)法、溶融法、炭化水素系溶媒中で原料を接触させる方法(WO2009/047977)、炭化水素系溶媒中で原料を接触させる手段と粉砕合成手段とを交互に行う方法(特開2010−140893)、溶媒中で原料を接触させる工程の後に粉砕合成工程を行う方法(PCT/JP2012/005992)、その他の方法で製造できる。
[Method for producing solid electrolyte]
For the solid electrolyte, an MM (mechanical milling) method, a melting method, a method of contacting a raw material in a hydrocarbon solvent (WO2009 / 047977), a means of contacting the raw material in a hydrocarbon solvent, and a pulverizing synthesis means alternately It can be produced by a method of performing (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-140893), a method of performing a pulverizing synthesis step after contacting a raw material in a solvent (PCT / JP2012 / 005992), and other methods.

本発明の固体電解質は、上述の元素比を満たす限り原料は何でもよい。
原料として、少なくともLiSを用いることが好ましく、LiSと硫化リンを用いることがより好ましく、LiSとPを用いることがさらに好ましい。
また、LiS、リン化合物、及び水酸化物を原料とすることも好ましい。水酸化物としては、LiOHが挙げられる。LiOH等の水酸化物は安価である。
The solid electrolyte of the present invention may be any raw material as long as it satisfies the above element ratio.
As a raw material, it is preferable to use at least Li 2 S, it is more preferable to use a phosphorus sulfide Li 2 S, it is more preferable to use a Li 2 S and P 2 S 5.
It is also preferable to use Li 2 S, a phosphorus compound, and a hydroxide as raw materials. Examples of the hydroxide include LiOH. Hydroxides such as LiOH are inexpensive.

上記原料にハロゲン化リチウムをはじめとするハロゲン化合物を添加してもよい。例えば、ヨウ化リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウム等がある。 A halogen compound such as lithium halide may be added to the raw material. For example, there are lithium iodide, lithium bromide, lithium chloride, lithium fluoride, and the like.

原料は、上記の原料の他、SiS(硫化珪素)、LiSiO(オルト珪酸リチウム)、Al(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二砒素)、LiPO(燐酸リチウム)、LiGeO(ゲルマン酸リチウム)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)、LiSH等から選択して用いることができる。 In addition to the above raw materials, the raw materials include SiS 2 (silicon sulfide), Li 4 SiO 4 (lithium orthosilicate), Al 2 S 3 (aluminum sulfide), simple phosphorus (P), simple sulfur (S), silicon ( Si), GeS 2 (germanium sulfide), B 2 S 3 (diarsenic trisulfide), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (lithium germanate), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (Lithium aluminate), LiSH and the like can be selected and used.

具体的には、原料の組合せの例として、LiOH−LiS−P,LiOH−LiI−LiS−P,LiOH−LiBr−LiS−P,LiOH−LiCl−LiS−Pが挙げられる。 Specifically, as examples of combinations of raw materials, LiOH-Li 2 S-P 2 S 5, LiOH-LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiOH-LiBr-Li 2 S-P 2 S 5, LiOH -LiCl-Li 2 S-P 2 S 5 and the like.

下記式(1)〜(5)を満たすこと、例えば原料として用いるLiS:Pを79〜81:19〜21にすることにより、架橋硫黄を有するP構造が実質的になくなり、水分に対する安定性が高まり、硫化水素の発生しにくい傾向がある。 By satisfying the following formulas (1) to (5), for example, by changing Li 2 S: P 2 S 5 used as a raw material to 79 to 81:19 to 21, the P 2 S 7 structure having bridging sulfur is substantially obtained. Therefore, the stability to moisture is increased, and hydrogen sulfide tends to be hardly generated.

硫化リチウムは、特に制限なく使用できるが、高純度のものが好ましい。硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号、特開平9−283156号、特開2010−163356、特願2009−238952に記載の方法により製造することができる。   Lithium sulfide can be used without particular limitation, but high purity is preferred. Lithium sulfide can be produced, for example, by the methods described in JP-A-7-330312, JP-A-9-283156, JP-A 2010-163356, and Japanese Patent Application No. 2009-233892.

硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。一方、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物となるおそれがある。熱処理前から結晶化物である固体電解質はイオン伝導度が低いおそれがある他、熱処理によるイオン伝導度の向上も見込めないおそれがある
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウムイオン電池のサイクル性能を低下させることがない。このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。
The lithium sulfide preferably has a total lithium oxide lithium salt content of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a lithium N-methylaminobutyrate content. The content is preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). On the other hand, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may become a crystallized product from the beginning. The solid electrolyte that is a crystallized product before heat treatment may have low ionic conductivity and may not be expected to improve ionic conductivity due to heat treatment. The content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass When it is below, the degradation product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium ion battery. When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.

上述した特開平7−330312号及び特開平9−283156号に基づいて硫化リチウムを製造した場合、硫化リチウムが硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。
一方、特開2010−163356に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに用いてもよい。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
When lithium sulfide is produced based on the above-mentioned JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156, it is preferable to purify the lithium sulfide because it contains a lithium salt of a sulfur oxide.
On the other hand, lithium sulfide produced by the method for producing lithium sulfide described in JP-A-2010-163356 may be used without purification because it contains a very small amount of sulfur oxide lithium salt or the like.
As a preferable purification method, for example, a purification method described in International Publication No. WO2005 / 40039 and the like can be mentioned. Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.

五硫化二リンは、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。   As long as diphosphorus pentasulfide is manufactured and sold industrially, it can be used without particular limitation.

LiOH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。   LiOH can be used without particular limitation as long as it is manufactured and sold industrially.

具体的な製造方法としては、溶融急冷法、メカニカルミリング法(MM法)、有機溶媒中で原料を反応させるスラリー法、溶液法について以下説明する。原料として、LiS及びPを用いた硫化物系固体電解質について説明する。 As specific manufacturing methods, a melt quench method, a mechanical milling method (MM method), a slurry method in which raw materials are reacted in an organic solvent, and a solution method will be described below. A sulfide-based solid electrolyte using Li 2 S and P 2 S 5 as raw materials will be described.

(a)溶融急冷法
溶融急冷法は、例えば、特開平6−279049、WO2005/119706に記載されている。具体的には、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、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
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。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは10〜10000K/secである。
(A) Melting and quenching method The melting and quenching method is described, for example, in JP-A-6-279049 and WO2005 / 119706. Specifically, a mixture of P 2 S 5 and Li 2 S in a predetermined amount in a mortar and pelletized is placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, a sulfide-based glass solid electrolyte is obtained by putting it in ice and rapidly cooling it.
The reaction temperature 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.
The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 10 to 10,000 K / sec.

(b)メカニカルミリング法(MM法)
MM法は、例えば、特開平11−134937、特開2004−348972、特開2004−348973に記載されている。
具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応を行うことができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス固体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、ガラス固体電解質の製造と同時に、ガラス固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
(B) Mechanical milling method (MM method)
The MM method is described in, for example, JP-A-11-134937, JP-A-2004-348972, and JP-A-2004-348993.
Specifically, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar and reacted for a predetermined time using, for example, various ball mills to obtain a sulfide-based glass solid electrolyte.
The MM method using the above raw materials can be reacted at room temperature. Therefore, there is an advantage that a glass solid electrolyte having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of the raw material.
Further, the MM method has an advantage that the glass solid electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glass solid electrolyte.

MM法は回転ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等種々の形式を用いることができる。
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。
また、特開2010−90003に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。この他、特開2009−110920や特開2009−211950に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをMM処理してもよい。特開2010−30889に記載のようにMM処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
MM処理時の原料温度が60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
In the MM method, various types such as a rotating ball mill, a rolling ball mill, a vibrating ball mill, and a planetary ball mill can be used.
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.
Further, as described in JP 2010-90003 A, balls of a ball mill may be used by mixing balls having different diameters. In addition, as described in JP2009-110920A or JP2009-2111950, an organic solvent may be added to the raw material to form a slurry, and this slurry may be subjected to MM treatment. As described in JP 2010-30889 A, the temperature in the mill during MM processing may be adjusted.
It is preferable that the raw material temperature during MM treatment be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower.

(c)スラリー法
スラリー法は、WO2004/093099、WO2009/047977に記載されている。
具体的には、所定量のP粒子とLiS粒子を有機溶媒中で所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
ここで、特開2010−140893に記載されているように、反応を進行させるため、原料を含むスラリーをビーズミルと反応容器との間で循環させながら反応させてもよい。また、WO2009/047977に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。この他、特願2010−270191に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
(C) Slurry method The slurry method is described in WO2004 / 093099 and WO2009 / 047977.
Specifically, a sulfide-based glass solid electrolyte is obtained by reacting a predetermined amount of P 2 S 5 particles and Li 2 S particles in an organic solvent for a predetermined time.
Here, as described in JP-A-2010-140893, in order to advance the reaction, the slurry containing the raw material may be reacted while being circulated between the bead mill and the reaction vessel. Further, as described in WO2009 / 047977, when the raw material lithium sulfide is pulverized in advance, the reaction can proceed efficiently. In addition, as described in Japanese Patent Application No. 2010-270191, in order to increase the specific surface area of the raw material lithium sulfide, a polar solvent having a solubility parameter of 9.0 or more (for example, methanol, diethyl carnate, acetonitrile) is used. It may be immersed for a predetermined time.

反応温度は、好ましくは20℃以上80℃以下、より好ましくは、20℃以上60℃以下である。
反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは、2時間以上14時間以下である。
The reaction temperature is preferably 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower.
The reaction time is preferably 1 hour or longer and 16 hours or shorter, more preferably 2 hours or longer and 14 hours or shorter.

原料である硫化リチウムと五硫化二リンが、有機溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、有機溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は0.001kg以上1kg以下程度となる。好ましくは0.005kg以上0.5kg以下、特に好ましくは0.01kg以上0.3kg以下である。   It is preferable that the raw materials lithium sulfide and phosphorous pentasulfide be in a solution or slurry form by the addition of an organic solvent. Usually, the amount of the raw material (total amount) added to 1 liter of the organic solvent is about 0.001 kg or more and 1 kg or less. Preferably they are 0.005 kg or more and 0.5 kg or less, Most preferably, they are 0.01 kg or more and 0.3 kg or less.

有機溶媒としては特に制限はないが、非プロトン性有機溶媒が特に好ましい。
非プロトン性有機溶媒としては、非プロトンの非極性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性の極性有機化合物(たとえば、アミド化合物,ラクタム化合物,尿素化合物,有機イオウ化合物,環式有機リン化合物等)を、単独溶媒として、又は、混合溶媒として、好適に使用することができる。
炭化水素系有機溶媒としては、溶媒である炭化水素系溶媒としては、飽和炭化水素、不飽和炭化水素又は芳香族炭化水素が使用できる。
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。
The organic solvent is not particularly limited, but an aprotic organic solvent is particularly preferable.
Examples of the aprotic organic solvent include aprotic apolar organic solvents (for example, hydrocarbon-based organic solvents), aprotic polar organic compounds (for example, amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic compounds) An organic phosphorus compound or the like) can be suitably used as a single solvent or a mixed solvent.
As the hydrocarbon-based organic solvent, saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons, or aromatic hydrocarbons can be used as the hydrocarbon-based solvent that is the solvent.
Examples of the saturated hydrocarbon include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, and cyclohexane.
Examples of the unsaturated hydrocarbon include hexene, heptene, cyclohexene and the like.
Aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, decalin, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and the like.
Of these, toluene and xylene are particularly preferable.

有機溶媒として炭化水素系溶媒を用いる場合、当該炭化水素系溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましい。具体的には、水分含有量として100重量ppm以下が好ましく、特に30重量ppm以下であることが好ましい。
尚、必要に応じて炭化水素系溶媒に他の溶媒を添加してもよい。具体的には、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類等、ジクロロメタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。
When a hydrocarbon solvent is used as the organic solvent, the hydrocarbon solvent is preferably dehydrated in advance. Specifically, the water content is preferably 100 ppm by weight or less, and particularly preferably 30 ppm by weight or less.
In addition, you may add another solvent to a hydrocarbon type solvent as needed. Specific examples include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as ethanol and butanol, esters such as ethyl acetate, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane and chlorobenzene.

(d)溶液法
スラリー法より、極性の高い溶媒を用いて、原料がかなり溶解した状態で反応させる方法であり、米国公開特許公報US2013/0295469に記載されている。
溶媒としては、テトラヒドロフラン等を用いる。
上記溶融急冷法、MM法及びスラリー法の温度条件、処理時間、仕込み料等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
(D) Solution method This is a method of reacting in a state in which raw materials are considerably dissolved by using a solvent having higher polarity than the slurry method, and is described in US Published Patent Application US2013 / 0295469.
Tetrahydrofuran or the like is used as the solvent.
Manufacturing conditions such as temperature conditions, processing time, and charge for the melt quenching method, MM method and slurry method can be appropriately adjusted according to the equipment used.

結晶固体電解質(ガラスセラミックス)の製造方法は、特開2005−228570、WO2007/066539、特開2002−109955に準拠すればよい。
具体的には、上記で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し、硫化物系結晶化ガラス(ガラスセラミックス)を生成させる。
熱処理は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。雰囲気は、空気であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
上記の他、特開2010−186744に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
熱処理温度は、ガラス転移温度以上、好ましくは結晶化温度以上で行う。結晶化温度は通常100℃〜300℃である。
熱処理時間は、0.1時間以上、240時間以下が好ましい。より好ましくは、1〜10時間、さらに好ましくは、1〜5時間である。
熱処理時間が0.1時間より短いと、結晶化度の高い結晶化ガラスが得られにくい場合があり、240時間より長いと、結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
熱処理時は、硫化物固体電解質が粉体である場合は、撹拌しながら行ってもよい。また、加圧しながら行ってもよい。
The manufacturing method of the crystalline solid electrolyte (glass ceramic) may be based on JP2005-228570, WO2007 / 065539, and JP2002-109955.
Specifically, the sulfide-based solid electrolyte (glass) obtained above is heat-treated at a predetermined temperature to generate sulfide-based crystallized glass (glass ceramics).
The heat treatment is preferably performed in an environment having a dew point of −40 ° C. or lower, more preferably in an environment having a dew point of −60 ° C. or lower. The pressure at the time of heating may be a normal pressure or a reduced pressure. The atmosphere may be air or an inert atmosphere.
In addition to the above, heating may be performed in a solvent as described in JP2010-186744A.
The heat treatment temperature is higher than the glass transition temperature, preferably higher than the crystallization temperature. The crystallization temperature is usually 100 ° C to 300 ° C.
The heat treatment time is preferably 0.1 hours or more and 240 hours or less. More preferably, it is 1-10 hours, More preferably, it is 1-5 hours.
When the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystallized glass with a high degree of crystallinity, and when it is longer than 240 hours, a crystallized glass with a low degree of crystallinity may be generated.
If the sulfide solid electrolyte is a powder, the heat treatment may be performed while stirring. Moreover, you may carry out, pressurizing.

本発明の固体電解質は、全固体リチウム二次電池の固体電解質層、電極(正極層及び/又は負極層)に用いることができる。また、電極材と混合して、合材を製造することができる。正極材(正極活物質)と混合すれば、正極合材となり、負極材(負極活物質)と混合すれば、負極合材となる。   The solid electrolyte of the present invention can be used for a solid electrolyte layer and an electrode (a positive electrode layer and / or a negative electrode layer) of an all-solid lithium secondary battery. Moreover, it can mix with an electrode material and can manufacture a compound material. When mixed with a positive electrode material (positive electrode active material), it becomes a positive electrode mixture, and when mixed with a negative electrode material (negative electrode active material), it becomes a negative electrode mixture.

正極材としては、公知のものが使用でき、例えば、V、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCo、LiCo1−YMn、LiNi1−YMn(ここで、0≦Y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNi、LiMn2−ZCo(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePOが挙げられる。 As the positive electrode material, known materials can be used. For example, V 2 O 5 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 < a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1-Y Co Y 2 O 2 , LiCo 1-Y Mn Y 2 O 2 , LiNi 1-Y Mn Y 2 O 2 (where , 0 ≦ Y <1), Li (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0 <a <2, 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2−Z Ni Z O 4, LiMn 2-Z Co Z O 4 ( where, 0 <Z <2), include LiCoPO 4, LiFePO 4.

さらに、例えば、硫化物系として、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等、酸化物系として、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V13)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)等が使用できる。
上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe)、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物、硫黄、金属インジウム等が使用できる。
Further, for example, as sulfides, oxides such as titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), etc. As systems, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ) and the like can be used.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), organic disulfide compounds, carbon sulfide compounds, sulfur, indium metal, and the like can be used.

負極材としては、公知のものが使用でき、例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。   As the negative electrode material, known materials can be used. For example, carbon materials, specifically, artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), Examples include furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Also, an alloy in combination with a metal itself such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or another element or compound can be used as the negative electrode material.

製造例1(高純度硫化リチウムの製造)
高純度硫化リチウムの製造は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には、下記のように行った。
(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 (Production of high purity lithium sulfide)
Production of high-purity lithium sulfide was carried out in the same manner as in the examples of International Publication WO2005 / 040039A1. Specifically, it was performed as follows.
(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。
(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. . 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
[92.6(0.794LiS/0.206P)・7.4LiOH]
[LiS:P:LiOH=79.4:20.6:7.99]
製造例1で製造した高純度硫化リチウム0.4322g(9.406mmol)と五硫化二燐(サーモフォス社製)0.5451g(2.452mmol)とLiOH0.0227g(0.9479mmol)をよく混合した。この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
はじめの10分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(100rpm)にして硫化リチウムと五硫化二燐とLiOHを十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、白黄色の粉体である硫化物ガラスを得た。
Example 1
[92.6 (0.794Li 2 S / 0.206P 2 S 5 ) · 7.4 LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 79.4: 20.6: 7.9]
0.4322 g (9.406 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5451 g (2.452 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0227 g (0.9479 mmol) of LiOH were mixed well. The mixed powder and 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm are put into a planetary ball mill (Fritsch: Model No. P-7) alumina pot and completely sealed, and the alumina pot is filled with nitrogen, and a nitrogen atmosphere I made it.
For the first 10 minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (100 rpm), and lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, and LiOH were sufficiently mixed. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 40 hours at a rotation speed of the planetary ball mill at 370 rpm to obtain sulfide glass as a white yellow powder.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、222℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、2.5×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、232℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は1.0×10−3S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 222 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 2.5 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 232 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramic was 1.0 × 10 −3 S / cm.

イオン伝導度は以下の方法で測定した。
固体電解質を錠剤成形機に充填し、22MPaの圧力を加え成形体を得た。さらに、電極としてカーボン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。
Ionic conductivity was measured by the following method.
The solid electrolyte was filled in a tablet molding machine, and a pressure of 22 MPa was applied to obtain a molded body. Furthermore, carbon was placed on both surfaces of the molded body as an electrode, and pressure was again applied with a tablet molding machine to produce a molded body for measuring conductivity (diameter: about 10 mm, thickness: about 1 mm). The molded body was subjected to ionic conductivity measurement by AC impedance measurement. The conductivity value was a value at 25 ° C.

実施例2
[95.5(0.797LiS/0.203P)・4.5LiOH]
[LiS:P:LiOH=79.7:20.3:4.71]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.4413g(9.603mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5451g(2.452mmol)、LiOHを0.0137g(0.5700mmol)使用したこと以外は、実施例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Example 2
[95.5 (0.797Li 2 S / 0.203P 2 S 5 ) · 4.5LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 79.7: 20.3: 4.71]
Using 0.4413 g (9.603 mmol) of the high purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5451 g (2.452 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0137 g (0.5700 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、231℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、3.1×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、241℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)のみ、及び高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)のみとは異なる結晶構造を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は1.0×10−3S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). The crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement and found to be 231 ° C. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 3.1 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 241 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder is confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and is a crystal different from only a low ion conductive crystal (thiolithicone type III crystal) and a high ion conductive crystal (thiolithicone type II crystal). It was confirmed to have a structure. The ionic conductivity of the obtained glass ceramic was 1.0 × 10 −3 S / cm.

実施例3
[98.5(0.8LiS/0.2P)・1.5LiOH]
[LiS:P:LiOH=80.0:20.0:1.52]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.4504g(9.803mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5451g(2.452mmol)、LiOHを0.0045g(0.1879mmol)使用したこと以外は、実施例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Example 3
[98.5 (0.8Li 2 S / 0.2P 2 S 5) · 1.5LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 80.0: 20.0: 1.52]
Using 0.4504 g (9.803 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5451 g (2.452 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0045 g (0.1879 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、238℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、4.1×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、248℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は3.2×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 238 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 4.1 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put into a Schlenk tube, placed in an oil bath at 248 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a low ion conductive crystal (thiolysicon type III crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 3.2 × 10 −4 S / cm.

参考例1
[95(0.75LiS/0.25P)・5LiOH]
[LiS:P:LiOH=75.0:25.0:5.26]
製造例1で製造した高純度硫化リチウム0.3796g(8.203mmol)と五硫化二燐(サーモフォス社製)0.6066g(2.729mmol)とLiOH0.0137g(0.572mmol)をよく混合した。この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
はじめの10分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(100rpm)にして硫化リチウムと五硫化二燐とLiOHを十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、白黄色の粉体である硫化物ガラスを得た。
Reference example 1
[95 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) · 5LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 75.0: 25.0: 5.26]
0.3796 g (8.23 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.6066 g (2.729 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0137 g (0.572 mmol) of LiOH were mixed well. The mixed powder and 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm are put into a planetary ball mill (Fritsch: Model No. P-7) alumina pot and completely sealed, and the alumina pot is filled with nitrogen, and a nitrogen atmosphere I made it.
For the first 10 minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (100 rpm), and lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, and LiOH were sufficiently mixed. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 40 hours at a rotation speed of the planetary ball mill at 370 rpm to obtain sulfide glass as a white yellow powder.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、234℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、4.6×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、234℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認した。低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)のみ、及び高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)のみとは異なる結晶構造を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は6.5×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). The crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement and found to be 234 ° C. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 4.6 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 234 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was confirmed that it had a crystal structure different from that of only the low ion conductive crystal (thiolithicone type III crystal) and only the high ion conductive crystal (thiolithicone type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 6.5 × 10 −4 S / cm.

参考例2
[93(0.75LiS/0.25P)・7LiOH]
[LiS:P:LiOH=75.0:25.0:7.53]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.3774g(8.214mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.6031g(2.713mmol)、LiOHを0.0195g(0.814mmol)使用したこと以外は、参考例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Reference example 2
[93 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) · 7LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 75.0: 25.0: 7.53]
Using 0.3774 g (8.214 mmol) of the high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.6031 g (2.713 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0195 g (0.814 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、227℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、3.9×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、227℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は1.3×10−3S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 227 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 3.9 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put into a Schlenk tube, placed in an oil bath at 227 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramic was 1.3 × 10 −3 S / cm.

参考例3
[90(0.75LiS/0.25P)・10LiOH]
[LiS:P:LiOH=75.0:25.0:11.1]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.3739g(8.138mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5975g(2.688mmol)、LiOHを0.0286(1.194mmol)使用したこと以外は、参考例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Reference example 3
[90 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) · 10LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 75.0: 25.0: 11.1]
Using 0.3739 g (8.138 mmol) of the high purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5975 g (2.688 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0286 (1.194 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、219℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、2.8×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、219℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は9.6×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 219 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 2.8 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put into a Schlenk tube, placed in an oil bath at 219 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 9.6 × 10 −4 S / cm.

参考例4
[85(0.75LiS/0.25P)・15LiOH]
[LiS:P:LiOH=75.0:25.0:17.6]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.3677g(8.003mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5876g(2.644mmol)、LiOHを0.0446g(1.862mmol)使用したこと以外は、参考例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Reference example 4
[85 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) · 15LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 75.0: 25.0: 17.6]
Using 0.3677 g (8.003 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5876 g (2.644 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0446 g (1.862 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、208℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、2.0×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、208℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は3.9×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 208 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by the TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 2.0 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 208 ° C. and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 3.9 × 10 −4 S / cm.

参考例5
[96.9(0.75LiS/0.25P)・3.1LiOH]
[LiS:P:LiOH=75.0:25.0:3.20]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.3817g(8.307mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.6099g(2.744mmol)、LiOHを0.0084g(0.3507mmol)使用したこと以外は、参考例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Reference Example 5
[96.9 (0.75 Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) · 3.1 LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 75.0: 25.0: 3.20]
Using 0.3817 g (8.307 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.6099 g (2.744 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0084 g (0.3507 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、231℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、5.1×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、231℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は5.7×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). The crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement and found to be 231 ° C. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 5.1 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 231 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a low ion conductive crystal (thiolysicon type III crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 5.7 × 10 −4 S / cm.

実施例4
[97(0.80LiS/0.20P)・3LiOH]
[LiS:P:LiOH=80.0:20.0:3.09]
製造例1で製造した高純度硫化リチウム0.4508g(9.811mmol)と五硫化二燐(サーモフォス社製)0.5402g(2.430mmol)とLiOH0.0090g(0.3758mmol)をよく混合した。この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
はじめの10分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(100rpm)にして硫化リチウムと五硫化二燐とLiOHを十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、白黄色の粉体である硫化物ガラスを得た。
Example 4
[97 (0.80Li 2 S / 0.20P 2 S 5 ) · 3LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 80.0: 20.0: 3.09]
0.4508 g (9.811 mmol) of high purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5402 g (2.430 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0090 g (0.3758 mmol) of LiOH were mixed well. The mixed powder and 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm are put into a planetary ball mill (Fritsch: Model No. P-7) alumina pot and completely sealed, and the alumina pot is filled with nitrogen, and a nitrogen atmosphere I made it.
For the first 10 minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (100 rpm), and lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, and LiOH were sufficiently mixed. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 40 hours at a rotation speed of the planetary ball mill at 370 rpm to obtain sulfide glass as a white yellow powder.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、234℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、3.7×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、234℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認した。低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)のみ、及び高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)のみとは異なる結晶構造を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は7.5×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). The crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement and found to be 234 ° C. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 3.7 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 234 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was confirmed that it had a crystal structure different from that of only the low ion conductive crystal (thiolithicone type III crystal) and only the high ion conductive crystal (thiolithicone type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramic was 7.5 × 10 −4 S / cm.

実施例5
[95(0.80LiS/0.20P)・5LiOH]
[LiS:P:LiOH=80.0:20.0:5.26]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.4479g(9.748mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5369g(2.415mmol)、LiOHを0.0152g(0.6347mmol)使用したこと以外は、実施例4と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Example 5
[95 (0.80Li 2 S / 0.20P 2 S 5 ) · 5LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 80.0: 20.0: 5.26]
Using 0.4479 g (9.748 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5369 g (2.415 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0152 g (0.6347 mmol) of LiOH are used. Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Example 4.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、230℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、3.1×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、230℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認した。低イオン伝導性結晶(チオリシコンIII型結晶)のみ、及び高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)のみとは異なる結晶構造を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は9.3×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 230 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 3.1 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 230 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was confirmed that it had a crystal structure different from that of only the low ion conductive crystal (thiolithicone type III crystal) and only the high ion conductive crystal (thiolithicone type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramic was 9.3 × 10 −4 S / cm.

実施例6
[93(0.80LiS/0.20P)・7LiOH]
[LiS:P:LiOH=80.0:20.0:7.53]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.4450g(9.685mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5334g(2.400mmol)、LiOHを0.0216(0.9019mmol)使用したこと以外は、実施例4と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Example 6
[93 (0.80Li 2 S / 0.20P 2 S 5 ) · 7LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 80.0: 20.0: 7.53]
Using 0.4450 g (9.685 mmol) of high-purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5334 g (2.400 mmol) of phosphorous pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0216 (0.9019 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Example 4.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、222℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、2.4×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、222℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は7.9×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 222 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 2.4 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 222 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 7.9 × 10 −4 S / cm.

実施例7
[90(0.80LiS/0.20P)・10LiOH]
[LiS:P:LiOH=80.0:20.0:11.1]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムを0.4405g(9.587mmol)、五硫化二燐(サーモフォス社製)を0.5279g(2.375mmol)、LiOHを0.0316(1.319mmol)使用したこと以外は、実施例4と同様にして、硫化物ガラスを得た。
Example 7
[90 (0.80Li 2 S / 0.20P 2 S 5 ) · 10LiOH]
[Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = 80.0: 20.0: 11.1]
Using 0.4405 g (9.587 mmol) of the high purity lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.5279 g (2.375 mmol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos), and 0.0316 (1.319 mmol) of LiOH Except for this, a sulfide glass was obtained in the same manner as in Example 4.

メカニカルミリング処理して得られた白黄色の粉体のガラス化(硫化物ガラス)は、X線測定(XRD測定)により確認した。この硫化物ガラスの結晶化温度をTG−DTA測定により測定したところ、214℃であった。また、得られた硫化物ガラスのイオン伝導度は、1.7×10−4S/cmであった。
得られた硫化物ガラス1.0gをシュレンク管の中に入れ、214℃のオイルバスにつけ2時間真空熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られた粉末の結晶化は、X線測定(XRD測定)により確認し、高イオン伝導性結晶(チオリシコンII型結晶)を有していることを確認した。得られたガラスセラミックスのイオン伝導度は5.6×10−4S/cmであった。
Vitrification (sulfide glass) of the white yellow powder obtained by the mechanical milling treatment was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement). It was 214 degreeC when the crystallization temperature of this sulfide glass was measured by TG-DTA measurement. Moreover, the ionic conductivity of the obtained sulfide glass was 1.7 × 10 −4 S / cm.
1.0 g of the obtained sulfide glass was put in a Schlenk tube, placed in an oil bath at 214 ° C., and subjected to vacuum heat treatment for 2 hours to obtain glass ceramics. Crystallization of the obtained powder was confirmed by X-ray measurement (XRD measurement), and it was confirmed that it had a high ion conductive crystal (thiolysicon type II crystal). The ionic conductivity of the obtained glass ceramics was 5.6 × 10 −4 S / cm.

本発明の固体電解質を用いた電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電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の電池として用いることができる。   The battery using the solid electrolyte of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like.

Claims (19)

Li、P、S、O、Hを含み、各元素のモル比が下記式(1)〜(5)を満たし、前記O及びHがLiOH由来のものである、固体電解質。
Li:P:S:O:H=(160+2k+L):(40−2k):(180−4k):M:N (1)
−1.5≦k≦1.5 (2)
0≦L≦M+N (3)
2≦M≦60 (4)
2≦N≦60 (5)
Li, wherein P, S, O, and H, the molar ratio of each element meets the following formulas (1) to (5), wherein the O and H is derived from LiOH, solid electrolyte.
Li: P: S: O: H = (160 + 2k + L) :( 40-2k) :( 180-4k): M: N (1)
−1.5 ≦ k ≦ 1.5 (2)
0 ≦ L ≦ M + N (3)
2 ≦ M ≦ 60 (4)
2 ≦ N ≦ 60 (5)
Li、P、S、O、Hを含み、各元素のモル比が下記式(1)〜(5)を満たし、前記O及びHがLiOH由来のものであり、
前記Li、P、S、O、Hを、Li S、P 、LiOHで換算すると、Li S、P 、LiOHのモル比が、下記式(6)、(2)、(4)を満たす固体電解質。
Li:P:S:O:H=(160+2k+L):(40−2k):(180−4k):M:N (1)
−1.5≦k≦1.5 (2)
0≦L≦M+N (3)
0<M≦100 (4)
0<N≦100 (5)
Li S:P :LiOH=(80+k):(20−k):M (6)
Wherein li, P, S, O, and H, the molar ratio of each element meets the following formulas (1) to (5), wherein the O and H are those derived from LiOH,
Wherein Li, P, S, O, and H, Li 2 S, when converted with P 2 S 5, LiOH, Li 2 S, the molar ratio of P 2 S 5, LiOH, formula (6), (2) Solid electrolyte satisfying (4) .
Li: P: S: O: H = (160 + 2k + L) :( 40-2k) :( 180-4k): M: N (1)
−1.5 ≦ k ≦ 1.5 (2)
0 ≦ L ≦ M + N (3)
0 <M ≦ 100 (4)
0 <N ≦ 100 (5)
Li 2 S: P 2 S 5 : LiOH = (80 + k) :( 20−k): M (6)
さらに、ハロゲン元素を含む請求項1又は2記載の固体電解質。   Furthermore, the solid electrolyte of Claim 1 or 2 containing a halogen element. Li、P、S、O、Hの元素のみからなる請求項1又は2記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 1 or 2, comprising only Li, P, S, O, and H elements. 非結晶固体電解質である請求項1〜4のいずれか記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, which is an amorphous solid electrolyte. 結晶固体電解質である請求項1〜4のいずれか記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 1, which is a crystalline solid electrolyte. 結晶がチオリシコンII型結晶である請求項6記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 6, wherein the crystal is a thiolithicone type II crystal. 結晶率が30%〜99%である請求項6又は7記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 6 or 7, which has a crystallinity of 30% to 99%. 式(2)が、−1.0≦k≦1.0である請求項1〜8のいずれか記載の固体電解質。   Formula (2) is -1.0 <= k <= 1.0, The solid electrolyte in any one of Claims 1-8. 式(3)が、0≦L≦M及び0≦L≦Nを満たす請求項1〜9のいずれか記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1, wherein the formula (3) satisfies 0 ≦ L ≦ M and 0 ≦ L ≦ N. 式(4)が、0<M≦60である請求項〜10のいずれか記載の固体電解質。 Equation (4) is, 0 <a solid electrolyte according to any one of claims 2-10 is M ≦ 60. 式(4)が、2≦M≦60である請求項11記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 11, wherein the formula (4) satisfies 2 ≦ M ≦ 60. 式(5)が、0<N≦60である請求項〜12のいずれか記載の固体電解質。 Equation (5) is, 0 <N ≦ 60 at which claims 2-12 solid electrolyte according to any one of. 式(5)が、2≦N≦60である請求項13記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 13, wherein the formula (5) satisfies 2 ≦ N ≦ 60. 体積基準平均粒径が、0.01μm以上100μm以下の粒子である請求項1〜14のいずれか記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 14 , wherein the volume-based average particle diameter is from 0.01 µm to 100 µm. Li、リン化合物及びLiOHを反応させ、請求項1〜15のいずれか記載の固体電解質を製造する、固体電解質の製造方法。 Li 2 S, by reacting a phosphorus compound and LiOH, to produce the solid electrolyte according to any one of claims 1 to 15, a manufacturing method of the solid electrolyte. 前記リン化合物が、Pである請求項16記載の固体電解質の製造方法。 The method for producing a solid electrolyte according to claim 16 , wherein the phosphorus compound is P 2 S 5 . 請求項1〜15のいずれか記載の固体電解質を含む固体電解質層。 The solid electrolyte layer containing the solid electrolyte in any one of Claims 1-15 . 正極層、固体電解質層、及び負極層を含み、
前記正極層、前記固体電解質層、及び前記負極層のうち少なくとも1つの層が請求項1〜15のいずれか記載の固体電解質を含む電池。
Including a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer;
The positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the battery at least one layer comprising a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 15 out of the negative electrode layer.
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