JP6373417B2 - Solid electrolyte - Google Patents

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孝宜 菅原
樋口 弘幸
弘幸 樋口
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Description

本発明は、固体電解質に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte.

近年、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられるリチウムイオン二次電池の需要が増加している。
上記リチウムイオン二次電池には、電解質として有機系電解液が用いられている。有機系電解液は高いイオン伝導度を示すものの、液体でかつ可燃性であるため、漏洩、発火等の安全性が懸念されている。
In recent years, there has been an increasing demand for lithium ion secondary batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like.
In the lithium ion secondary battery, an organic electrolytic solution is used as an electrolyte. Although organic electrolytes exhibit high ionic conductivity, they are liquid and flammable, so there are concerns about safety such as leakage and ignition.

リチウムイオン二次電池の安全性を確保する方法として、有機系電解液に代えて無機固体電解質を用いた全固体二次電池が研究されている。しかし、一般的に無機固体電解質は、有機系電解液に比べてイオン伝導度が小さく、全固体二次電池の実用化は困難であった。   As a method for ensuring the safety of a lithium ion secondary battery, an all-solid secondary battery using an inorganic solid electrolyte instead of an organic electrolyte has been studied. However, in general, inorganic solid electrolytes have lower ionic conductivity than organic electrolytes, and it has been difficult to put all solid secondary batteries into practical use.

無機固体電解質として、例えば、LiNをベースとするリチウムイオン伝導性セラミックスが報告されている。しかし、このセラミックスは分解電圧が低いため、3V以上で作動する全固体二次電池に用いることはできなかった。 As an inorganic solid electrolyte, for example, lithium ion conductive ceramics based on Li 3 N have been reported. However, since this ceramic has a low decomposition voltage, it could not be used for an all-solid-state secondary battery operating at 3 V or higher.

非特許文献1では、高いリチウムイオン伝導性を示す硫化物系結晶化ガラスからなる固体電解質が開示されている。しかし、非特許文献1に記載の電解質は、高価なゲルマニウムを多量に必要とするため、工業的に不利である。
また、特許文献1ではオルト組成を有するイオン伝導体と、LiIとを含有し、ガラス転移点を有するガラス硫化物固体電解質材料において、イオン伝導度が1.0×10−3S/cmまで向上することを開示している。
Non-Patent Document 1 discloses a solid electrolyte made of sulfide-based crystallized glass exhibiting high lithium ion conductivity. However, the electrolyte described in Non-Patent Document 1 is industrially disadvantageous because it requires a large amount of expensive germanium.
Moreover, in patent document 1, the ion conductivity improves to 1.0 * 10 < -3 > S / cm in the glass sulfide solid electrolyte material which contains the ionic conductor which has ortho composition, and LiI, and has a glass transition point. Is disclosed.

特開2012−48973号公報JP 2012-48973 A

N.Kamayaら、Nature Materials 10、682(2011).N. Kamaya et al., Nature Materials 10, 682 (2011).

本発明の課題は、全固体二次電池に適した、より高いイオン伝導度を有する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 solid electrolyte having higher ionic conductivity suitable for an all-solid secondary battery.

本発明によれば、以下の固体電解質等が提供される。
1.アルカリ金属元素の少なくとも1つと、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、I,Cl,Br及びFから選択される1以上のハロゲン元素と、を少なくとも含み、示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において、150℃〜350℃の範囲に互いに分離した2つの発熱ピークを有する固体電解質ガラス。
2.前記2つの発熱ピークのピークトップ位置の温度差が20℃以上150℃以下である1に記載の固体電解質ガラス。
3.前記2つの発熱ピークのピークトップ位置の温度差が30℃以上130℃以下である1に記載の固体電解質ガラス。
4.下記式(1)で示す組成を有する、1〜3のいずれかに記載の固体電解質ガラス。
…(1)
(式中、Lはアルカリ金属を示し、MはB,Al,Si,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb及びBiから選択させる1以上の元素を示し、XはI,Cl,Br及びFから選択される1以上のハロゲン元素を示す。
a〜eは、それぞれ下記式を満たす。
0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1、0<d≦9、0<e≦9)
5.下記(A)、(B)及び(C)を原料とする、1〜4のいずれかに記載の固体電解質ガラスの製造方法。
(A)アルカリ金属硫化物
(B)M’で表される化合物
(C)M”で表される化合物
(式中、M’はB,Al,Si,P又はGeであり、M”はLi,Na,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb又はBiを示し、XはF,Cl,Br又はIを示す。wは1〜2の整数を示し、m,n,yは1〜10の整数を示す。)
6.前記原料(A)及び(B)を反応させ、その後、原料(C)を加えて前記原料(A)及び(B)の反応物と反応させる工程を含む、5に記載の固体電解質ガラスの製造方法。
7.酸素濃度が19〜21%の雰囲気中で反応させる工程を含む、5又は6に記載の固体電解質ガラスの製造方法。
8.さらに、(D)成分としてLiSOを1〜5モル%添加する、5〜7のいずれかに記載の固体電解質ガラスの製造方法。
9.上記5〜8のいずれかに記載の固体電解質ガラスの製造方法により得られる固体電解質ガラス。
10.上記1〜5、9のいずれかに記載の固体電解質ガラスを、前記2つの発熱ピークの間の温度で熱処理することにより得られる固体電解質ガラスセラミック。
11.イオン伝導度が1×10−3S/cm以上である10に記載の固体電解質ガラスセラミック。
12.上記1〜5、9のいずれかに記載の固体電解質ガラス、及び10又は11に記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方と、正極活物質と、を含む正極合材。
13.上記1〜5、9のいずれかに記載の固体電解質ガラス、及び10又は11に記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方と、負極活物質と、を含む負極合材。
14.上記1〜5、9のいずれかに記載の固体電解質ガラス、及び10又は11に記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方を含有する固体電解質層を備える全固体電池。
15.上記12の正極合材からなる正極層を備える全固体電池。
16.上記13の負極合材からなる負極層を備える全固体電池。
17.前記固体電解質層、正極合材又は負極合材に含まれる固体電解質ガラスの、示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において観測される、150℃〜350℃の範囲の独立した2つの発熱ピークの、発熱ピーク温度の間の温度にて熱処理して得られる、14〜16のいずれかに記載の全固体電池。
According to the present invention, the following solid electrolyte and the like are provided.
1. At least one alkali metal element, phosphorus (P) element, sulfur (S) element, and at least one halogen element selected from I, Cl, Br and F, and a differential scanning calorimetry (drying) Solid electrolyte glass having two exothermic peaks separated from each other in the range of 150 ° C. to 350 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min, 20 to 600 ° C. in a nitrogen atmosphere.
2. 2. The solid electrolyte glass according to 1, wherein a temperature difference between peak top positions of the two exothermic peaks is 20 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.
3. 2. The solid electrolyte glass according to 1, wherein a temperature difference between peak top positions of the two exothermic peaks is 30 ° C. or higher and 130 ° C. or lower.
4). Solid electrolyte glass in any one of 1-3 which has a composition shown by following formula (1).
L a M b P c S d X e ... (1)
(In the formula, L represents an alkali metal, M represents one or more elements selected from B, Al, Si, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb and Bi, and X represents I, Cl, One or more halogen elements selected from Br and F are shown.
a to e each satisfy the following formula.
0 <a ≦ 12, 0 ≦ b ≦ 0.2, c = 1, 0 <d ≦ 9, 0 <e ≦ 9)
5. The manufacturing method of the solid electrolyte glass in any one of 1-4 which uses the following (A), (B) and (C) as a raw material.
(A) an alkali metal sulfide (B) M 'm S compounds represented by n (C) M "w X y compound represented by (wherein, M' include B, Al, Si, P or Ge M ″ represents Li, Na, B, Al, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb or Bi, and X represents F, Cl, Br or I. w Represents an integer of 1 to 2, and m, n, and y represent integers of 1 to 10.)
6). 6. Production of solid electrolyte glass according to 5, comprising reacting raw materials (A) and (B), and then adding raw material (C) to react with the reactants of raw materials (A) and (B). Method.
7). The manufacturing method of the solid electrolyte glass of 5 or 6 including the process made to react in the atmosphere whose oxygen concentration is 19-21%.
8). Further, (D) a Li 2 SO 3 are added to 5 mol% as the component manufacturing method of the solid electrolyte glass according to any one of 5-7.
9. The solid electrolyte glass obtained by the manufacturing method of the solid electrolyte glass in any one of said 5-8.
10. A solid electrolyte glass ceramic obtained by heat-treating the solid electrolyte glass according to any one of 1 to 5 and 9 at a temperature between the two exothermic peaks.
11. 11. The solid electrolyte glass ceramic according to 10, having an ionic conductivity of 1 × 10 −3 S / cm or more.
12 A positive electrode mixture comprising at least one of the solid electrolyte glass according to any one of 1 to 5 and 9, and the solid electrolyte glass ceramic according to 10 or 11, and a positive electrode active material.
13. A negative electrode mixture comprising at least one of the solid electrolyte glass according to any one of 1 to 5 and 9, and the solid electrolyte glass ceramic according to 10 or 11, and a negative electrode active material.
14 An all solid state battery comprising a solid electrolyte layer containing at least one of the solid electrolyte glass according to any one of 1 to 5 and 9 and the solid electrolyte glass ceramic according to 10 or 11.
15. All-solid-state battery provided with the positive electrode layer which consists of said 12 positive electrode compound materials.
16. All-solid-state battery provided with the negative electrode layer which consists of said 13 negative electrode compound materials.
17. 150 ° C. observed in differential scanning calorimetry (temperature increase rate 10 ° C./min, 20 to 600 ° C. in a dry nitrogen atmosphere) of the solid electrolyte glass contained in the solid electrolyte layer, the positive electrode mixture or the negative electrode mixture The all-solid-state battery in any one of 14-16 obtained by heat-processing in the temperature between exothermic peak temperature of the two independent exothermic peaks of the range of -350 degreeC.

本発明によれば、イオン伝導度の高い固体電解質を提供することができる。   According to the present invention, a solid electrolyte having high ion conductivity can be provided.

実施例1で合成した固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックの示差熱熱重量測定結果を示す図である。It is a figure which shows the differential thermothermal gravimetric measurement result of the solid electrolyte glass and solid electrolyte glass ceramic which were synthesize | combined in Example 1. 実施例1〜3及び比較例1〜3で合成した固体電解質ガラスの示差熱熱重量測定結果を示す図である。It is a figure which shows the differential thermothermal gravimetric measurement result of the solid electrolyte glass synthesize | combined in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3. 実施例9で使用した固体電解質ガラスの製造装置の概略図である。10 is a schematic view of a production apparatus for solid electrolyte glass used in Example 9. FIG.

A.固体電解質ガラス
本発明の固体電解質ガラスは、後述する固体電解質ガラスセラミックの前駆体であって、アルカリ金属元素の少なくとも1つと、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、I,Cl,Br及びFから選択される1以上のハロゲン元素と、を少なくとも含む硫化物系ガラスである。
A. Solid electrolyte glass The solid electrolyte glass of the present invention is a precursor of a solid electrolyte glass ceramic described later, and includes at least one of alkali metal elements, phosphorus (P) element, sulfur (S) element, I, Cl, It is a sulfide-based glass containing at least one or more halogen elements selected from Br and F.

そして、示差走査熱量測定において、150℃〜350℃の範囲に互いに分離した2つの発熱ピークを有することを特徴とする。
ここで、示差走査熱量測定の測定条件は、乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/minで20〜600℃とする。例えば、示差熱−熱重量測定装置(メトラートレド社製TGA/DSC1)又は示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製Diamond DSC)を使用し、固体電解質約20mgで測定できる。
「互いに分離した2つの発熱ピーク」とは、重複部のない2つのピーク、又は、重複部が存在しても、2つのピーク間にそれぞれのピークの最大値(高さ)の20%以下の値を示す領域が存在している場合を意味する。
ピークの高さは、ベースラインを基準としたときの高さを意味する。ベースラインは、75−150℃の範囲を直線に近似し、外挿したラインである。ただし、結晶化に伴うピークやガラス転移による曲りが75-150℃にある場合は、それ以外の範囲を直線に近似し、外挿した直線をベースラインとする。
And in differential scanning calorimetry, it has two exothermic peaks separated from each other in the range of 150 ° C. to 350 ° C.
Here, the measurement conditions for differential scanning calorimetry are 20 to 600 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in a dry nitrogen atmosphere. For example, using a differential thermal-thermogravimetric measuring device (TGA / DSC1 manufactured by METTLER TOLEDO) or a differential scanning calorimeter (Diamond DSC manufactured by Perkin Elmer), the solid electrolyte can be measured at about 20 mg.
“Two exothermic peaks separated from each other” means two peaks without an overlapping portion or 20% or less of the maximum value (height) of each peak between two peaks even when there is an overlapping portion. This means that there is a value area.
The height of the peak means the height with respect to the baseline. The base line is a line obtained by approximating a range of 75 to 150 ° C. to a straight line and extrapolating. However, when the peak due to crystallization or the bending due to glass transition is at 75 to 150 ° C., the other range is approximated to a straight line, and the extrapolated straight line is taken as the baseline.

本発明は、分離した2つの発熱ピークを有する硫化物系ガラスを、ピーク間の温度で加熱してガラスセラミック化した場合に、得られるガラスセラミックのイオン伝導度が向上することを見出したものである。
例えば、特許文献1の電解質を熱分析したところ、上記の温度領域に発熱ピークは1本しかない。このように、発熱ピークが1本しかない場合や、後述する比較例のように、2つの発熱ピークを有していても、2つのピークが重複して存在している場合は、ピーク間温度やピーク付近の温度でガラスセラミック化しても、得られるガラスセラミックのイオン伝導度は、本発明の固体電解質セラミックよりも低くなる。
The present invention has been found that when a sulfide-based glass having two separated exothermic peaks is heated to a temperature between the peaks and converted into a glass ceramic, the ionic conductivity of the resulting glass ceramic is improved. is there.
For example, when the electrolyte of Patent Document 1 is subjected to thermal analysis, there is only one exothermic peak in the above temperature range. Thus, when there is only one exothermic peak, or when there are two exothermic peaks as shown in the comparative example described later, two peaks are present, the peak-to-peak temperature Even if the glass ceramic is formed at a temperature near the peak, the ionic conductivity of the obtained glass ceramic is lower than that of the solid electrolyte ceramic of the present invention.

ガラスセラミックでは、イオン伝導度を高めるために、準安定相を生じさせるような熱処理をすること有効であるが、発熱ピークが1本しかない場合や、2つのピークが重複している場合は、主として準安定相のみを生じさせることが困難である。
本発明の固体電解質ガラスでは、2本の発熱ピークの間、即ち、準安定相ピークから安定相ピークの間の温度で、一定時間保持することができるため、イオン伝導度が高くなる。
In the glass ceramic, it is effective to perform a heat treatment that generates a metastable phase in order to increase the ionic conductivity. However, when there is only one exothermic peak or when two peaks overlap, It is difficult to produce mainly a metastable phase.
In the solid electrolyte glass of the present invention, the ionic conductivity is increased because the solid electrolyte glass can be maintained for a certain period of time at a temperature between two exothermic peaks, that is, between a metastable phase peak and a stable phase peak.

尚、本願においてガラスとは、X線回折測定の結果、結晶に起因するピークが観測されないか、又は結晶に起因するピークが観測されたとしてもピーク強度が低い場合(対象物が主に非晶質からなる)を意味する。一方、ガラスセラミックとはX線回折測定の結果、結晶に起因するピークが観測される場合を意味する。ガラスセラミックには非晶部が含まれていてもよい。即ち、ガラスセラミックにはガラスとガラスセラミックの混合体も含まれる。
本願では、熱処理前の固体電解質を固体電解質ガラスと表記し、熱処理後の固体電解質を固体電解質ガラスセラミックと表記する。
In the present application, the term “glass” means that a peak due to a crystal is not observed as a result of X-ray diffraction measurement, or a peak intensity is low even if a peak due to a crystal is observed (a target is mainly amorphous). Means quality). On the other hand, glass ceramic means a case where a peak due to a crystal is observed as a result of X-ray diffraction measurement. The glass ceramic may contain an amorphous part. That is, the glass ceramic includes a mixture of glass and glass ceramic.
In the present application, the solid electrolyte before the heat treatment is denoted as solid electrolyte glass, and the solid electrolyte after the heat treatment is denoted as solid electrolyte glass ceramic.

本発明の固体電解質ガラスは、例えば、酸素を除く各元素が、下記式(1)で示す組成を有するものが好ましい。固体電解質ガラスに含まれる全元素が、下記式(1)で示す組成を有するものがさらに好ましい。
…(1)
(式中、Lはアルカリ金属を示し、MはB,Al,Si,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb及びBiから選択させる1以上の元素を示し、XはI,Cl,Br及びFから選択される1以上のハロゲン元素を示す。
a〜eは、それぞれ下記式を満たす。
0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1、0<d≦9、0<e≦9)
The solid electrolyte glass of the present invention preferably has, for example, each element except oxygen having a composition represented by the following formula (1). It is more preferable that all elements contained in the solid electrolyte glass have a composition represented by the following formula (1).
L a M b P c S d X e ... (1)
(In the formula, L represents an alkali metal, M represents one or more elements selected from B, Al, Si, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb and Bi, and X represents I, Cl, One or more halogen elements selected from Br and F are shown.
a to e each satisfy the following formula.
0 <a ≦ 12, 0 ≦ b ≦ 0.2, c = 1, 0 <d ≦ 9, 0 <e ≦ 9)

本発明の固体電解質ガラスは、例えば、下記の原料(A)、(B)及び(C)を用いて合成できる。
(A)アルカリ金属硫化物
(B)M’で表される化合物
(C)M”で表される化合物
(式中、M’はB,Al,Si,P、Ge,M”はLi,Na,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb又はBiを示し、XはF,Cl,Br又はIを示す。wは1〜2の整数を示し、m,n,yは1〜10の整数を示す。)
The solid electrolyte glass of the present invention can be synthesized using, for example, the following raw materials (A), (B), and (C).
(A) an alkali metal sulfide (B) M 'm S compounds represented by n (C) M "w X y compound represented by (wherein, M' is B, Al, Si, P, Ge, M ″ represents Li, Na, B, Al, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb, or Bi, X represents F, Cl, Br, or I. w represents 1. ) Represents an integer of ˜2, and m, n, and y represent integers of 1 to 10.)

原料(A)としては、LiS(硫化リチウム)、NaS(硫化ナトリウム)が挙げられる。なかでも硫化リチウムが好ましい。
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。
Examples of the raw material (A) include Li 2 S (lithium sulfide) and Na 2 S (sodium sulfide). Of these, lithium sulfide is preferable.
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.

具体的に、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2010−163356)。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特願2009−238952)。
Specifically, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon-based organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then the reaction solution is dehydrosulfurized to form lithium sulfide. Can be synthesized (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-163356).
In addition, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 10 ° C. to 100 ° C. in an aqueous solvent to produce lithium hydrosulfide, and then the reaction liquid is dehydrosulfurized to synthesize lithium sulfide (special feature). Application 2009-238952).

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。   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.

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。   In addition, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated 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.

原料(B)としては、P(三硫化二リン)(五硫化二リン)、SiS(硫化珪素)、Al(硫化アルミニウム)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二砒素)等を用いることができる。好ましくはPである。尚、原料(B)は2種以上混合して使用してもよい。
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 the raw material (B), P 2 S 3 (phosphorus trisulfide) , P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide), SiS 2 (silicon sulfide), Al 2 S 3 (aluminum sulfide), GeS 2 (germanium sulfide) ), B 2 S 3 (diarsenic trisulfide), or the like can be used. P 2 S 5 is preferable. In addition, you may use a raw material (B) in mixture of 2 or more types.
P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold.

ハロゲン元素を含む化合物(C)としては、LiF,LiCl,LiBr,LiI,BCl,BBr,BI,AlF,AlBr,AlI,AlCl,SiF,SiCl,SiCl,SiCl,SiBr,SiBrCl,SiBrCl,SiI,PF,PF,PCl,PCl,PBr,PI,PCl,P,SF,SF,SF,S10,SCl,SCl,SBr,GeF,GeCl,GeBr,GeI,GeF,GeCl,GeBr,GeI,AsF,AsCl,AsBr,AsI,AsF,SeF,SeF,SeCl,SeCl,SeBr,SeBr,SnF,SnCl,SnBr,SnI,SnF,SnCl,SnBr,SnI,SbF,SbCl,SbBr,SbI,SbF,SbCl,PbF,PbCl,PbF,PbCl,PbBr,PbI,BiF,BiCl,BiBr,BiI,TeF,Te10,TeF,TeCl,TeCl,TeBr,TeBr,TeI4、NaI,NaF,NaCl,NaBr等が挙げられる。好ましくはM”がリチウム又はリンである化合物である。具体的に、好ましくLiCl,LiBr,LiI,PCl、PCl、PBr及びPBrであり、より好ましくはLiCl,LiBr,LiI及びPBrである。 As the compound containing a halogen element (C), LiF, LiCl, LiBr, LiI, BCl 3, BBr 3, BI 3, AlF 3, AlBr 3, AlI 3, AlCl 3, SiF 4, SiCl 4, SiCl 3, Si 2 Cl 6, SiBr 4, SiBrCl 3, SiBr 2 Cl 2, SiI 4, PF 3, PF 5, PCl 3, PCl 5, PBr 3, PI 3, P 2 Cl 4, P 2 I 4, SF 2, SF 4 , SF 6 , S 2 F 10 , SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2 , GeF 4 , GeCl 4 , GeBr 4 , GeI 4 , GeF 2 , GeCl 2 , GeBr 2 , GeI 2 , AsF 3 , AsCl 3, AsBr 3, AsI 3 , AsF 5, SeF 4, SeF 6, SeCl 2, SeCl 4, Se 2 B 2, SeBr 4, SnF 4, SnCl 4, SnBr 4, SnI 4, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2, SbF 3, SbCl 3, SbBr 3, SbI 3, SbF 5, SbCl 5, PbF 4, PbCl 4, PbF 2, PbCl 2 , PbBr 2, PbI 2, BiF 3, BiCl 3, BiBr 3, BiI 3, TeF 4, Te 2 F 10, TeF 6, TeCl 2, TeCl 4, TeBr 2, TeBr 4, TeI4 , NaI, NaF, NaCl, NaBr, etc. are mentioned. Preferred is a compound in which M ″ is lithium or phosphorus. Specifically, LiCl, LiBr, LiI, PCl 5 , PCl 3 , PBr 5 and PBr 3 are preferred, and LiCl, LiBr, LiI and PBr 3 are more preferred. It is.

上記原料(A)〜(C)の他に、原料(D)としてガラス転移温度を低減する化合物(ガラス化促進剤)を添加してもよい。ガラス化促進剤の例としては、LiPO、LiSiO、LiGeO、LiBO、LiAlO、LiCaO、LiInO3、NaPO、NaSiO、NaGeO、NaBO、NaAlO、NaCaO、NaInO等の無機化合物が挙げられる。 In addition to the raw materials (A) to (C), a compound (vitrification accelerator) for reducing the glass transition temperature may be added as the raw material (D). Examples of vitrification promoters include Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3 , Li 3 AlO 3 , Li 3 CaO 3 , Li 3 InO 3, Na 3 PO 4 , Na Examples include inorganic compounds such as 4 SiO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 3 BO 3 , Na 3 AlO 3 , Na 3 CaO 3 , and Na 3 InO 3 .

また、上記原料(A)〜(D)のほか、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)、NaS(硫化ナトリウム)、NaBO(メタホウ酸ナトリウム)、NaAlO(アルミン酸ナトリウム)、POCl,POBr等も用いることができる。 In addition to the raw materials (A) to (D), simple phosphorus (P), simple sulfur (S), silicon (Si), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (lithium aluminate), Na 2 S (sodium sulfide), NaBO 2 (sodium metaborate), NaAlO 3 (sodium aluminate), POCl 3 , POBr 3 and the like can also be used.

尚、本発明の固体電解質ガラスは、ガラス化促進剤、酸素を含むハロゲン化合物、実施例の亜硫酸リチウム等で酸素が入る場合には、例えば、酸素を含む各元素の下記式(1’)で示す組成を有する。
…(1’)
(式中、Lはアルカリ金属を示し、MはB,Al,Si,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb及びBiから選択させる1以上の元素を示し、XはI,Cl,Br及びFから選択される1以上のハロゲン元素を示す。
a〜eは、それぞれ下記式を満たす。
0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1、0<d≦9、0<e≦9、0<f≦9)
The solid electrolyte glass of the present invention has a vitrification accelerator, a halogen compound containing oxygen, lithium sulfite in the examples, and the like. For example, in the following formula (1 ′) of each element containing oxygen: Having the composition shown.
L a M b P c S d X e O f ... (1 ')
(In the formula, L represents an alkali metal, M represents one or more elements selected from B, Al, Si, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb and Bi, and X represents I, Cl, One or more halogen elements selected from Br and F are shown.
a to e each satisfy the following formula.
0 <a ≦ 12, 0 ≦ b ≦ 0.2, c = 1, 0 <d ≦ 9, 0 <e ≦ 9, 0 <f ≦ 9)

本発明の固体電解質ガラスは上述した式(1)に示す組成を有する硫化物系ガラスであるが、組成は上記原料(A)〜(D)の配合比を調整することにより制御できる。
成分(A)、(B)及び(C)の配合比は、成分(C)のM''がリンであるかリン以外であるかで場合分けされる。
成分(C)のM''がリン以外の場合、例えば成分(A):(B)のモル比は65:35〜85:15であり、好ましくは(A):(B)=67:33〜83:17(モル比)であり、さらに好ましくは(A):(B)=68:32〜80:20(モル比)であり、最も好ましくは(A):(B)=75:25〜79:21(モル比)である。
また、この時、成分(A)及び(B)のモル量の合計に対する(C)のモル量の比は、好ましくは50:50〜99:1であり、より好ましくは[(A)+(B)]:(C)=55:45〜97:3(モル比)であり、さらに好ましくは[(A)+(B)]:(C)=60:40〜96:4(モル比)であり、特に好ましくは[(A)+(B)]:(C)=70:30〜96:4(モル比)である。
The solid electrolyte glass of the present invention is a sulfide glass having the composition represented by the above formula (1), but the composition can be controlled by adjusting the blending ratio of the raw materials (A) to (D).
The mixing ratio of the components (A), (B), and (C) depends on whether M ″ of the component (C) is phosphorus or other than phosphorus.
When M ″ of component (C) is other than phosphorus, for example, the molar ratio of component (A) :( B) is 65:35 to 85:15, preferably (A) :( B) = 67: 33 83:17 (molar ratio), more preferably (A) :( B) = 68: 32-80: 20 (molar ratio), most preferably (A) :( B) = 75: 25 -79: 21 (molar ratio).
At this time, the ratio of the molar amount of (C) to the total molar amount of components (A) and (B) is preferably 50:50 to 99: 1, more preferably [(A) + ( B)] :( C) = 55: 45 to 97: 3 (molar ratio), more preferably [(A) + (B)] :( C) = 60: 40 to 96: 4 (molar ratio). Especially preferably, [(A) + (B)] :( C) = 70: 30 to 96: 4 (molar ratio).

成分(C)のM''がリンである場合、例えば成分(A):(B)のモル比は60:40〜90:10であり、好ましくは(A):(B)=70:30〜90:10(モル比)であり、より好ましくは(A):(B)=72:28〜88:12(モル比)であり、さらに好ましくは(A):(B)=74:26〜86:14(モル比)であり、特に好ましくは(A):(B)=75:25〜85:15(モル比)であり、最も好ましくは、成分(A)が硫化リチウムであり、成分(B)五硫化二リンであって、(A):(B)=77:23〜83:17(モル比)である。
また、この時、成分(A)及び(B)のモル量の合計に対する(C)のモル量の比は、好ましくは50:50〜99:1であり、より好ましくは[(A)+(B)]:(C)=80:20〜98:2(モル比)であり、さらに好ましくは[(A)+(B)]:(C)=85:15〜98:2(モル比)であり、特に好ましくは[(A)+(B)]:(C)=90:10〜98:2である。
When M ″ of component (C) is phosphorus, for example, the molar ratio of component (A) :( B) is 60:40 to 90:10, preferably (A) :( B) = 70: 30 To 90:10 (molar ratio), more preferably (A) :( B) = 72: 28 to 88:12 (molar ratio), and still more preferably (A) :( B) = 74: 26. To 86:14 (molar ratio), particularly preferably (A) :( B) = 75: 25 to 85:15 (molar ratio), most preferably component (A) is lithium sulfide, Component (B) diphosphorus pentasulfide, (A) :( B) = 77: 23 to 83:17 (molar ratio).
At this time, the ratio of the molar amount of (C) to the total molar amount of components (A) and (B) is preferably 50:50 to 99: 1, more preferably [(A) + ( B)] :( C) = 80: 20 to 98: 2 (molar ratio), more preferably [(A) + (B)] :( C) = 85: 15 to 98: 2 (molar ratio). Particularly preferably, [(A) + (B)] :( C) = 90: 10 to 98: 2.

原料(D)(ガラス化促進剤)の配合量は、原料(A)、(B)及び(C)の合計に対し、1〜10モル%であることが好ましく、特に、1〜5モル%であることが好ましい。
尚、本発明の固体電解質ガラスは、上記原料(A)〜(C)、及び任意に原料(D)から実質的になっていてもよく、また、これらの成分のみからなっていてもよい。「実質的になる」とは、上記組成物が、主に上記原料(A)〜(C)、及び任意に原料(D)からなること、例えば、上記原料(A)〜(D)が原料全体に対し、95重量%以上、又は98重量%以上であることを意味する。
The blending amount of the raw material (D) (vitrification accelerator) is preferably 1 to 10 mol%, particularly 1 to 5 mol%, based on the total of the raw materials (A), (B) and (C). It is preferable that
In addition, the solid electrolyte glass of this invention may consist of the said raw material (A)-(C) and the raw material (D) arbitrarily, and may consist only of these components. “Substantially” means that the composition is mainly composed of the raw materials (A) to (C) and optionally the raw material (D). For example, the raw materials (A) to (D) are the raw materials. It means 95% by weight or more or 98% by weight or more based on the whole.

上記原料(A)〜(C)及び任意に原料(D)を混合し、溶融急冷法、メカニカルミリング法(MM法)、スラリー法、固相法等の方法によりガラス化することにより本発明の固体電解質ガラスが合成できる。以下、各方法について原料(A)としてLiSを、原料(B)としてPを使用した例について説明する。 The raw materials (A) to (C) and optionally the raw material (D) are mixed and vitrified by a melt quenching method, a mechanical milling method (MM method), a slurry method, a solid phase method, or the like. Solid electrolyte glass can be synthesized. Hereinafter, an example in which Li 2 S is used as the raw material (A) and P 2 S 5 is used as the raw material (B) will be described for each method.

(ア)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とハロゲンを含む化合物(原料(C))と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、固体電解質ガラスが得られる。
(A) Melting and quenching method The melting and quenching method is described, for example, in JP-A-6-279049 and WO2005 / 119706. Specifically, P 2 S 5 , Li 2 S, and a halogen-containing compound (raw material (C)) mixed in a predetermined amount in a mortar and put into a pellet form are placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum sealed To do. After reacting at a predetermined reaction temperature, the solid electrolyte glass is obtained by putting it in ice and rapidly cooling it.

反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
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。
The reaction temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
The reaction time is preferably 0.1 hour to 12 hours, more preferably 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.

(イ)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と原料(C)と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、固体電解質ガラスが得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応させることができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成の固体電解質ガラスを得ることができるという利点がある。
また、MM法では固体電解質ガラスの製造と同時に、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, P 2 S 5 , Li 2 S and raw material (C) are mixed in a predetermined amount in a mortar and reacted for a predetermined time using, for example, various ball mills or the like, thereby obtaining a solid electrolyte glass. .
The MM method using the above raw materials can be reacted at room temperature. Therefore, there is an advantage that a solid electrolyte glass having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of the raw material.
In addition, the MM method has an advantage that it can be made into fine powder simultaneously with the production of the solid electrolyte glass.

MM法には、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。
また、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。
また、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。
Various types such as a rotating ball mill, a rolling ball mill, a vibrating ball mill, and a planetary ball mill can be used for the MM method.
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.
Further, 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.
Further, 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 the MM treatment be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower.

(ウ)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粒子と原料(C)とを有機溶媒中で所定時間反応させることにより、固体電解質が得られる。
原料(C)は、有機溶媒に溶解するか、又は粒子であることが好ましい。
(C) Slurry method The slurry method is described in WO2004 / 093099 and WO2009 / 047977.
Specifically, a solid electrolyte is obtained by reacting a predetermined amount of P 2 S 5 particles, Li 2 S particles, and a raw material (C) in an organic solvent for a predetermined time.
The raw material (C) is preferably dissolved in an organic solvent or particles.

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。
また、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。
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.
Further, as described in Japanese Patent Application No. 2010-270191, in order to increase the specific surface area of the raw material lithium sulfide, it is predetermined in a polar solvent (for example, methanol, diethyl carnate, acetonitrile) having a solubility parameter of 9.0 or more. You may soak for hours.

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.

有機溶媒の量は、原料であるPとLiSと原料(C)とが、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。 The amount of the organic solvent is preferably such that the raw materials P 2 S 5 , Li 2 S and the raw material (C) become a solution or a slurry by the addition of the 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、非プロトン性の非極性有機溶媒(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(例えば、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。
The organic solvent is not particularly limited, but an aprotic organic solvent is particularly preferable.
Examples of the aprotic organic solvent include an aprotic nonpolar organic solvent (for example, a hydrocarbon organic solvent), an aprotic polar organic compound (for example, an amide compound, a lactam compound, a urea compound, an organic sulfur compound, a ring). A formula organophosphorus compound or the like) can be suitably used as a single solvent or as a mixed solvent.

炭化水素系有機溶媒としては、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。
As the hydrocarbon organic solvent, a saturated hydrocarbon, an unsaturated hydrocarbon, or an aromatic hydrocarbon can be used.
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.

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。
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.

(エ)固相法
固相法は、例えば、「H−J.Deiseroth,et.al.,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,755−758」に記載されている。具体的には、PとLiSと原料(C)を所定量乳鉢にて混合し、100〜900℃の温度で加熱することにより、固体電解質が得られる。
(D) Solid-phase method The solid-phase method is described in "HJ Deiseroth, et.al., Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,755-758", for example. Specifically, P 2 S 5 , Li 2 S and the raw material (C) are mixed in a predetermined amount in a mortar and heated at a temperature of 100 to 900 ° C. to obtain a solid electrolyte.

上記溶融急冷法、MM法、スラリー法及び固相法の温度条件、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。
固体電解質ガラスの製造法としては、MM法、スラリー法又は固相法が好ましい。低コストで製造可能であることから、MM法、スラリー法がより好ましく、特にスラリー法が好ましい。
Manufacturing conditions such as temperature conditions, processing time, and charge for the melt quenching method, MM method, slurry method and solid phase method can be appropriately adjusted according to the equipment used.
As the method for producing the solid electrolyte glass, the MM method, the slurry method or the solid phase method is preferable. Since it can be produced at a low cost, the MM method and the slurry method are more preferable, and the slurry method is particularly preferable.

溶融急冷法、MM法、スラリー法及び固相法のいずれの場合であっても、混合する順番は、最終的な固体電解質ガラスの組成が上記記載の範囲にあればよい。例えば、MM法であれば、原料(A)、原料(B)及び原料(C)を全て混合した上でミリングしてもよく、原料(A)と原料(B)とをミリングした後、原料(C)を加え、さらにミリングしてもよい。また、LiBrとPをミリング後、LiSを加えさらにミリングしてもよく;原料(A)と原料(C)とをミリング後、原料(B)を加えてさらにミリングしてもよい。さらに、原料(A)と原料(C)を混合しミリング処理した混合物と、原料(C)と原料(B)を混合しミリングした混合物を混ぜ合わせた上でさらにミリング処理を行ってもよい。 In any case of the melt quenching method, the MM method, the slurry method, and the solid phase method, the mixing order may be such that the composition of the final solid electrolyte glass is within the range described above. For example, in the case of the MM method, the raw material (A), the raw material (B), and the raw material (C) may be mixed and then milled. After the raw material (A) and the raw material (B) are milled, the raw material (C) may be added and further milled. Further, after milling LiBr and P 2 S 5 , Li 2 S may be added and further milled; after milling the raw material (A) and the raw material (C), the raw material (B) may be added and further milled. Good. Furthermore, after mixing the raw material (A) and the raw material (C) and milling, and mixing the raw material (C) and the raw material (B), the milling process may be performed.

また、混合処理を2回以上行う場合、2種以上の異なる方法を組み合わせてもよい。例えば原料(A)と原料(B)をメカニカルミリングで処理した上で原料(C)を混合し固相法で処理を行ってもよく、原料(A)と原料(C)を固相法で処理を行ったものと原料(B)と原料(C)とを溶融急冷処理を行ったものを混合し、スラリー法を行うことで固体電解質ガラスを製造してもよい。   In addition, when the mixing process is performed twice or more, two or more different methods may be combined. For example, the raw material (A) and the raw material (B) may be processed by mechanical milling, and then the raw material (C) may be mixed and processed by a solid phase method. The solid electrolyte glass may be manufactured by mixing the processed material, the raw material (B), and the raw material (C) subjected to a melt quenching process and performing a slurry method.

本発明では、はじめに原料(A)及び(B)を反応させ、その後、原料(C)を加えて原料(A)及び(B)の反応物と反応させることが好ましい。これにより、2つの発熱ピーク間をより広くすることができる。
また、酸素濃度が19〜21%の雰囲気中で反応させる工程を含むことが好ましい。例えば、ボールミルに乾燥空気を封入することが挙げられる。これにより、2つの発熱ピーク間をより広くすることができる。
In the present invention, it is preferable to first react the raw materials (A) and (B), and then add the raw material (C) to react with the reactants of the raw materials (A) and (B). Thereby, the space between the two exothermic peaks can be made wider.
Moreover, it is preferable to include the process made to react in the atmosphere whose oxygen concentration is 19-21%. For example, enclosing dry air in a ball mill. Thereby, the space between the two exothermic peaks can be made wider.

本発明の固体電解質ガラスは、上述したように示差走査熱量測定により150℃〜350℃の範囲に互いに分離した2つの発熱ピーク(結晶化ピーク)が観察される。2つの発熱ピークのピークトップ位置の温度差は20℃以上150℃以下であることが好ましく、さらに、30℃以上130℃以下であることが好ましく、さらに、35〜130℃であることが好ましく、特に、40〜120℃であることが好ましい。これにより、準安定相のみを生じさせる熱処理の条件がより緩やかになる。
2つの発熱ピークのピークトップ位置は、例えば、原料の種類や各原料の配合比、製法の種類により調整できる。一例を挙げると、原料(A)と原料(B)を用いて電解質前駆体を予め合成した上で、原料(C)を加えてさらに合成処理を行うことにより各ピークトップ位置が広がる。また、酸素存在下で各工程を行うことによりピークトップ位置が広がる。
In the solid electrolyte glass of the present invention, two exothermic peaks (crystallization peaks) separated from each other in the range of 150 ° C. to 350 ° C. are observed by differential scanning calorimetry as described above. The temperature difference between the peak top positions of the two exothermic peaks is preferably 20 ° C. or more and 150 ° C. or less, more preferably 30 ° C. or more and 130 ° C. or less, and further preferably 35 to 130 ° C., In particular, the temperature is preferably 40 to 120 ° C. As a result, the conditions of the heat treatment that causes only the metastable phase are more relaxed.
The peak top positions of the two exothermic peaks can be adjusted by, for example, the type of raw material, the blending ratio of each raw material, and the type of manufacturing method. As an example, after the electrolyte precursor is synthesized in advance using the raw material (A) and the raw material (B), the raw material (C) is added and further the synthesis treatment is performed, so that each peak top position is expanded. Further, the peak top position is expanded by performing each step in the presence of oxygen.

また、2つの結晶化ピークは170℃以上330℃以下の範囲にあることが好ましく、さらに、175℃以上320℃以下の範囲にあることが好ましく、特に、180℃以上310℃以下の範囲にあることが好ましい。   The two crystallization peaks are preferably in the range of 170 ° C. or higher and 330 ° C. or lower, more preferably in the range of 175 ° C. or higher and 320 ° C. or lower, and particularly in the range of 180 ° C. or higher and 310 ° C. or lower. It is preferable.

B.固体電解質ガラスセラミック
本発明の固体電解質ガラスセラミックは、上述した本発明の固体電解質ガラスを上述した2つの発熱ピークの間の温度で熱処理することにより得られる。
熱処理温度は、高温側の発熱ピーク(Tc2)を超えない範囲において、好ましくは、低温側の発熱ピークのピーク温度(Tc1)以上(Tc+30)℃以下の温度が好ましく、特に、(Tc1+5)℃以上(Tc1+25)℃以下の温度が好ましい。
熱処理前後の各ピークの強度は、低温側の発熱ピークについては、熱処理後の強度は熱処理前のピーク強度に対してほぼゼロになっていることが望ましく、高温側の発熱ピークは熱処理前に比べて7割以上の強度を残していることが望ましい。これにより、十分な量の準安定相が形成できる。
B. Solid electrolyte glass ceramic The solid electrolyte glass ceramic of the present invention is obtained by heat-treating the above-described solid electrolyte glass of the present invention at a temperature between the two exothermic peaks described above.
The heat treatment temperature is preferably in the range not exceeding the exothermic peak (Tc2) on the high temperature side, preferably the peak temperature (Tc1) or higher (Tc + 30) ° C. or lower of the exothermic peak on the low temperature side, particularly (Tc1 + 5) ° C. or higher. A temperature of (Tc1 + 25) ° C. or lower is preferred.
As for the intensity of each peak before and after heat treatment, for the exothermic peak on the low temperature side, it is desirable that the intensity after the heat treatment is substantially zero relative to the peak intensity before the heat treatment, It is desirable to keep the strength of 70% or more. Thereby, a sufficient amount of metastable phase can be formed.

加熱時間は、0.005分以上、10時間以下が好ましい。さらに好ましくは、0.005分以上、5時間以下であり、特に好ましくは、0.01分以上、3時間以下である。
昇温方法については特に指定がない。所定温度までゆっくり昇温してもよいし、急速に加熱してもよい。
加熱は、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。加熱時の気圧は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。雰囲気は、空気中であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
The heating time is preferably 0.005 minutes or more and 10 hours or less. More preferably, it is 0.005 minutes or more and 5 hours or less, and particularly preferably 0.01 minutes or more and 3 hours or less.
There is no specific specification for the temperature raising method. The temperature may be raised slowly to a predetermined temperature or heated rapidly.
Heating is preferably performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower, more preferably in an environment with a dew point of −60 ° C. or lower. The atmospheric pressure during heating may be a normal pressure or a reduced pressure. The atmosphere may be in the air or an inert atmosphere.

本発明の固体電解質ガラスセラミックは、イオン伝導度が高く、例えば、1×10−3S/cm以上、より好ましくは、1.5×10−3S/cm以上とすることができる。このようなイオン伝導度を有することにより、本発明の固体電解質ガラスセラミックを用いた全固体電池は、高出力を実現できる。 The solid electrolyte glass ceramic of the present invention has high ionic conductivity, for example, 1 × 10 −3 S / cm or more, more preferably 1.5 × 10 −3 S / cm or more. By having such ionic conductivity, the all solid state battery using the solid electrolyte glass ceramic of the present invention can realize high output.

本発明の固体電解質ガラスセラミックは、加水分解しにくく、高いイオン伝導度を有するため、固体電解質層等、全固体電池の構成材料として好適である。   Since the solid electrolyte glass ceramic of the present invention is difficult to hydrolyze and has high ionic conductivity, it is suitable as a constituent material of an all-solid battery such as a solid electrolyte layer.

本発明の固体電解質ガラス及び/又は固体電解質ガラスセラミックは、正極活物質と混合することにより、正極合材とすることができる。また、負極活物質と混合することにより、負極合材とすることができる。
また、本発明の固体電解質ガラス及び/又は固体電解質ガラスセラミックは、全固体電池の固体電解質層の材料としても使用できる。
The solid electrolyte glass and / or solid electrolyte glass ceramic of the present invention can be made into a positive electrode mixture by mixing with a positive electrode active material. Moreover, it can be set as a negative electrode compound material by mixing with a negative electrode active material.
The solid electrolyte glass and / or solid electrolyte glass ceramic of the present invention can also be used as a material for the solid electrolyte layer of an all-solid battery.

本発明の正極合材で使用できる正極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。
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、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)、LiCoO,LiNiO,LiMn,LiFePO,LiCoPO,LiMn1/3Ni1/3Co1/3,LiMn1.5Ni0.5等の酸化物が挙げられる。それ以外の正極活物質としては、例えば、硫化物系では、単体硫黄(S)、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)、硫化リチウム(LiS)、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物、硫黄等が使用できる。好ましくは、高い理論容量を有するS、LiSが使用できる。
As the positive electrode active material that can be used in the positive electrode mixture of the present invention, a material that can insert and desorb lithium ions, and a material that is known as a positive electrode active material in the battery field 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 ( wherein 0 <Z <2), LiCoPO 4 , LiFePO 4 , bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ) , Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li Mentioned Mn 2 O 4, Li x FePO 4, Li x CoPO 4, Li x Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2, oxides such as Li x Mn 1.5 Ni 0.5 O 2 is It is done. Other positive electrode active materials include, for example, elemental sulfur (S), titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS) in the sulfide system. And nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), lithium sulfide (Li 2 S), organic disulfide compounds, carbon sulfide compounds, sulfur, and the like can be used. Preferably, S and Li 2 S having a high theoretical capacity can be used.

有機ジスルフィド化合物及びカーボンスルフィド化合物を以下に例示する。

Figure 0006373417
Organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds are exemplified below.
Figure 0006373417

式(A)〜(C)において、Xはそれぞれ置換基であり、n及びmはそれぞれ独立に1〜2の整数であり、p及びqはそれぞれ独立に1〜4の整数である。
式(D)において、Zはそれぞれ−S−又は−NH−であり、nは繰返数2〜300の整数である。
In formulas (A) to (C), X is a substituent, n and m are each independently an integer of 1 to 2, and p and q are each independently an integer of 1 to 4.
In formula (D), Z is -S- or -NH-, respectively, and n is an integer of 2 to 300 repetitions.

Figure 0006373417
Figure 0006373417

本発明の負極合材で使用できる負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
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。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
As the negative electrode active material that can be used in the negative electrode mixture of the present invention, a material that can insert and desorb lithium ions, and a known negative electrode active material in the battery field can be used.
For example, carbon materials, specifically artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon Examples thereof include fibers, vapor-grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or it may be a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.

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。中でも、高い理論容量を有するケイ素、スズ、リチウム金属が好ましい。   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. Among these, silicon, tin, and lithium metal having a high theoretical capacity are preferable.

本発明の正極合材、負極合材及び固体電解質層には、必要であれば、バインダー(結着剤)や導電助剤等を添加してもよい。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、又は2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
If necessary, a binder (binder), a conductive aid, and the like may be added to the positive electrode mixture, the negative electrode mixture, and the solid electrolyte layer of the present invention.
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, Natural butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

導電助剤は、導電性を有していればよく、例えば、導電率は、1×10S/cm以上が好ましく、より好ましくは1×10S/cm以上である。
導電助剤としては、炭素材料、金属粉末及び金属化合物から選択される物質や、これらの混合物が挙げられる。
導電助剤の具体例としては、炭素、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質が好ましい。より好ましくは、導電性が高い炭素単体、炭素、ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
The conductive auxiliary agent only needs to have conductivity. For example, the conductivity is preferably 1 × 10 3 S / cm or more, more preferably 1 × 10 5 S / cm or more.
Examples of the conductive assistant include substances selected from carbon materials, metal powders and metal compounds, and mixtures thereof.
Specific examples of conductive aids include carbon, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, tungsten and zinc. A substance containing at least one element selected from the group consisting of: More preferably, it is a simple substance of carbon, carbon, nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium, gold, platinum, niobium, osnium or rhodium, a simple substance, a mixture or a compound having high conductivity.

炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。これらは単独でも2種以上でも併用可能である。
なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
Specific examples of the carbon material include carbon black such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black and channel black, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.

尚、本発明の正極合材、負極合材及び固体電解質層には、本発明の固体電解質ガラス又は固体電解質ガラスセラミックの他に、使用目的に応じて、他の電解質を含んでいてもよい。
他の電解質としては、ポリマー系固体電解質、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質がある。
ポリマー系固体電解質は、特に制限はない。例えば、特開2010−262860に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートやこれらの誘導体、共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が挙げられる。
In addition to the solid electrolyte glass or solid electrolyte glass ceramic of the present invention, the positive electrode mixture, negative electrode mixture and solid electrolyte layer of the present invention may contain other electrolytes depending on the purpose of use.
Other electrolytes include polymer solid electrolytes, oxide solid electrolytes, and sulfide solid electrolytes.
The polymer-based solid electrolyte is not particularly limited. For example, as disclosed in JP 2010-262860 A, materials used as a polymer electrolyte such as a fluororesin, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylate, derivatives thereof, and copolymers thereof can be used.

フッ素樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)や、これらの誘導体等を構成単位として含むものが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のホモポリマーや、VdFとHFPとの共重合体(以下、この共重合体を「P(VdF−HFP)」と示す場合がある。)等の2元共重合体や3元共重合体、等が挙げられる。   As a fluororesin, what contains vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), tetrafluoroethylene (TFE), these derivatives, etc. as a structural unit is mentioned, for example. Specifically, a homopolymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene (PHFP), polytetrafluoroethylene (PTFE), or a copolymer of VdF and HFP (hereinafter, this copolymer is referred to as “ P (VdF-HFP) ”may be used, and binary copolymers and ternary copolymers.

酸化物系固体電解質には、LiN、LISICON類、Thio−LISICON類、La0.55Li0.35TiO等のペロブスカイト構造を有する結晶や、NASICON型構造を有するLiTi12、さらにこれら結晶化させた電解質等を用いることができる。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include crystals having a perovskite structure such as LiN, LISICON, Thio-LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 , LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON type structure, These crystallized electrolytes can be used.

本発明の全固体電池は、正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、本発明の固体電解質ガラス又は固体電解質ガラスセラミックを含む。各層の製造は、公知の方法により製造することができる。
上述した本発明の固体電解質ガラス又は固体電解質ガラスセラミックが使用されていれば、他の構成には限定はない。例えば、上述した正極合材からなる正極層を備える全固体電池、負極合材からなる負極層を備える全固体電池、固体電解質を備える全固体電池がある。
In the all solid state battery of the present invention, at least one of the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer includes the solid electrolyte glass or the solid electrolyte glass ceramic of the present invention. Each layer can be manufactured by a known method.
As long as the above-described solid electrolyte glass or solid electrolyte glass ceramic of the present invention is used, there is no limitation on other configurations. For example, there are an all-solid battery including a positive electrode layer made of the positive electrode mixture described above, an all-solid battery including a negative electrode layer formed of a negative electrode mixture, and an all-solid battery including a solid electrolyte.

尚、上述した固体電解質ガラスを用いて正極層、負極層又は固体電解質層を製造する場合には、固体電解質ガラスを含む層を形成後、固体電解質ガラスの、示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において観測される、150℃〜350℃の範囲の互いに分離した2つの発熱ピークの、発熱ピーク温度の間の温度にて熱処理して、本発明の全固体電池を製造することもできる。   In addition, when manufacturing a positive electrode layer, a negative electrode layer, or a solid electrolyte layer using the solid electrolyte glass described above, after forming a layer containing the solid electrolyte glass, differential scanning calorimetry (under a dry nitrogen atmosphere) of the solid electrolyte glass is performed. Heat treatment at a temperature between two exothermic peaks separated from each other in the range of 150 ° C. to 350 ° C. observed at a heating rate of 10 ° C./min, 20 to 600 ° C. The all solid state battery of the invention can also be manufactured.

尚、正極層は、正極活物質と電解質と導電助剤を含むことが好ましい。また、バインダーを含んでいてもよい。正極層において、正極活物質、電解質、導電助剤等の割合は、特に制限は無く公知の割合を用いることができる。
正極層の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができる。例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
In addition, it is preferable that a positive electrode layer contains a positive electrode active material, electrolyte, and a conductive support agent. Moreover, the binder may be included. In the positive electrode layer, the ratios of the positive electrode active material, the electrolyte, the conductive auxiliary agent and the like are not particularly limited, and known ratios can be used.
The thickness of the positive electrode layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
The positive electrode layer can be produced by a known method. For example, it can be produced by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

負極層は、負極活物質、電解質、及び導電助剤を含むことが好ましい。また、バインダーを含んでいてもよい。形成法や厚さは正極の場合と同様である。
固体電解質層の固体電解質は、融着していていることが好ましい。ここで、融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の個体電解質粒子と一体化することを意味する。
固体電解質層は、固体電解質の板状体であってもよい。尚、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、板状体になっている場合も含む。
電解質層の厚さは、0.001mm以上1mm以下であることが好ましい。
It is preferable that a negative electrode layer contains a negative electrode active material, an electrolyte, and a conductive support agent. Moreover, the binder may be included. The formation method and thickness are the same as in the case of the positive electrode.
The solid electrolyte of the solid electrolyte layer is preferably fused. Here, the fusion means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved, and the dissolved part is integrated with other solid electrolyte particles.
The solid electrolyte layer may be a solid electrolyte plate. In addition, the case where part or all of the solid electrolyte particles are dissolved to form a plate-like body is included.
The thickness of the electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.

本発明の全固体電池は、正極層、固体電解質層及び負極層の他に集電体を使用することが好ましい。集電体は公知のものを用いることができる。例えば、Au、Pt、Al、Ti、又は、Cu等のように、硫化物系固体電解質と反応するものをAu等で被覆した層が使用できる。   The all solid state battery of the present invention preferably uses a current collector in addition to the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer. A known current collector can be used. For example, a layer coated with Au or the like that reacts with a sulfide-based solid electrolyte such as Au, Pt, Al, Ti, or Cu can be used.

本発明の全固体電池は、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池等のアルカリ金属系電解質を使用した電池や、マグネシウムイオン等の二価カチオン系電解質等を使用した電池となる。   The all solid state battery of the present invention is a battery using an alkali metal electrolyte such as a lithium ion battery or a sodium ion battery, or a battery using a divalent cation electrolyte such as magnesium ion.

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。
製造例1[硫化リチウム(LiS)の製造]
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には、下記のとおりである。
(1)硫化リチウムの製造
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。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Production Example 1 [Production of lithium sulfide (Li 2 S)]
Production and purification of lithium sulfide were performed in the same manner as in the examples of International Publication WO2005 / 040039A1. Specifically, it is as follows.
(1) Production of lithium sulfide A 10-liter autoclave equipped with a stirring blade was charged with 3326.4 g (33.6 mol) of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and 287.4 g (12 mol) of lithium hydroxide at 300 rpm. The temperature was raised to 130 ° 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。
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。
(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.
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[原料比:LiS/P/LiBr=75/25/16.8):MM法]
(1)固体電解質ガラスの合成
製造例1で製造した硫化リチウム0.337g(0.00717mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.532g(0.00239mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.140g(0.00161mol)をアルゴン雰囲気のグローブボックス中でよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケと遊星型ボールミル(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した。従ってポット内はアルゴン雰囲気である。
はじめの数分間は、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リンを十分混合した。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20時間メカニカルミリングを行った。
Example 1 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=75/25/16.8): MM method]
(1) Synthesis of solid electrolyte glass 0.337 g (0.00717 mol) of lithium sulfide produced in Production Example 1, 0.532 g (0.00239 mol) of phosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich), lithium bromide (manufactured by Aldrich) ) 0.140 g (0.00161 mol) was mixed well in a glove box in an argon atmosphere. The mixed powder, 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) were put in an alumina pot and completely sealed. Therefore, the inside of the pot is an argon atmosphere.
For the first few minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (100 rpm) to sufficiently mix lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 20 hours at a rotational speed of the planetary ball mill at 370 rpm.

図1及び図2に、示差熱熱重量測定による分析結果を示す。
また、150℃〜350℃の範囲で観測された発熱ピークの内、低温側を第一ピーク、高温側のピークを第2ピークとしたときの、各ピークトップの位置(Tc1及びTc2)と、各ピーク間温度幅(ΔT)を表1に示す。
尚、示差走査熱量測定は、乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/minで20〜600℃で実施した。示差熱−熱重量測定装置(メトラートレド社製TGA/DSC1)を使用し、固体電解質ガラス約20mgで測定した。
In FIG.1 and FIG.2, the analysis result by differential thermogravimetry is shown.
Further, among the exothermic peaks observed in the range of 150 ° C. to 350 ° C., the position of each peak top (Tc1 and Tc2) when the low temperature side is the first peak and the high temperature side peak is the second peak, Table 1 shows the temperature width between peaks (ΔT).
The differential scanning calorimetry was carried out at 20 to 600 ° C. in a dry nitrogen atmosphere at a heating rate of 10 ° C./min. Using a differential thermal-thermogravimetric measuring apparatus (TGA / DSC1 manufactured by METTLER TOLEDO), the measurement was performed with about 20 mg of solid electrolyte glass.

(2)固体電解質ガラスセラミックの合成
得られた固体電解質ガラスをアルゴン雰囲気下において二つの発熱ピークの間の温度(230℃)で2時間熱処理した。
熱処理後の示差熱分析の結果を図1に示す。
熱処理の結果、低温側のピークが消失し、高温側の第二ピークのみになっていることがわかる。
示差熱分析測定において、熱処理前の第一ピークの積分強度をHc1p、第二ピークの積分強度をHc2pとし、熱処理後の第一ピークの積分強度をHc1、第二ピークの積分強度をHc2とした際の、熱処理前後のピーク強度比(Hc1/Hc1p及びHc2/Hc2p)を表1に示す。
尚、示差熱分析結果において、ピーク値の積分は、装置付属の解析ソフトにより計算した。具体的には、示差熱分析結果のカーブを重量で規格化した上で、積分範囲を指定し積分をおこなった。ベースラインとしては75−150℃の範囲を直線で近似し、外挿したものを使用した。ただし、75‐150℃の範囲に結晶化ピークやガラス転移点による湾曲が現れていると判断されるものについてはその範囲を除いた範囲で直線を近似し、ベースラインを規定した。積分の範囲は各ピークのピークトップ位置から±20℃の範囲において、(各温度におけるHeat flow値−ベースライン値)の絶対値がピークトップから低温側で最も小さくなるところからピークトップから高温側で最も小さくなるところまでとした。その範囲において解析ソフトにより積分強度を計算した。
ピーク位置Tc1及びTc2、ピーク積分強度Hc1、Hc2、Hc1p、Hc2pを得た。
また、熱処理後に測定したイオン伝導度(σ)を表1に示す。
尚、イオン伝導度の測定方法は以下のとおりである。
(2) Synthesis of solid electrolyte glass ceramic The obtained solid electrolyte glass was heat-treated at a temperature between two exothermic peaks (230 ° C) for 2 hours in an argon atmosphere.
The results of differential thermal analysis after the heat treatment are shown in FIG.
As a result of the heat treatment, it can be seen that the peak on the low temperature side disappears and only the second peak on the high temperature side is present.
In differential thermal analysis measurement, the integrated intensity of the first peak before heat treatment is Hc1p, the integrated intensity of the second peak is Hc2p, the integrated intensity of the first peak after heat treatment is Hc1, and the integrated intensity of the second peak is Hc2. Table 1 shows the peak intensity ratio (Hc1 / Hc1p and Hc2 / Hc2p) before and after the heat treatment.
In the differential thermal analysis results, the integration of peak values was calculated by analysis software attached to the apparatus. Specifically, the differential thermal analysis result curve was normalized by weight, and integration was performed by specifying an integration range. As the base line, a range of 75-150 ° C. approximated by a straight line and extrapolated was used. However, a straight line was approximated in a range excluding the range, and a baseline was defined for those judged to be curved due to a crystallization peak or a glass transition point in a range of 75 to 150 ° C. The range of integration is within the range of ± 20 ° C from the peak top position of each peak, where the absolute value of (Heat flow value at each temperature-baseline value) is the smallest on the low temperature side from the peak top to the high temperature side from the peak top. Until the smallest. In the range, the integrated intensity was calculated by analysis software.
Peak positions Tc1 and Tc2, and peak integrated intensities Hc1, Hc2, Hc1p, and Hc2p were obtained.
Table 1 shows the ionic conductivity (σ) measured after the heat treatment.
In addition, the measuring method of ion conductivity is as follows.

・イオン伝導度(σ)
固体電解質ガラスの粉体試料を断面10mmφ(断面積S=0.785cm)、高さ(L)0.1〜0.3cmの形状に成形する。その後、熱処理をしてガラスセラミック化する。
試料片の上下から電極端子を取る。交流インピーダンス法により測定し(周波数範囲:5MHz〜0.5Hz、振幅:10mV)、Cole−Coleプロットを得た。高周波側領域に観測される円弧の右端付近で、−Z’’(Ω)が最小となる点での実数部Z’(Ω)を電解質のバルク抵抗R(Ω)とし、以下式に従い、イオン伝導度σ(S/cm)を計算した。
R=ρ(L/S)
σ=1/ρ
リードの距離は約60cmとして測定した。
・ Ionic conductivity (σ)
A powder sample of the solid electrolyte glass is formed into a shape having a cross section of 10 mmφ (cross section S = 0.785 cm 2 ) and a height (L) of 0.1 to 0.3 cm. Then, it heat-processes and turns into glass ceramic.
Take electrode terminals from above and below the specimen. Measurement was performed by the AC impedance method (frequency range: 5 MHz to 0.5 Hz, amplitude: 10 mV), and a Cole-Cole plot was obtained. In the vicinity of the right end of the arc observed in the high-frequency region, the real part Z ′ (Ω) at the point where −Z ″ (Ω) is minimized is defined as the bulk resistance R (Ω) of the electrolyte. The conductivity σ (S / cm) was calculated.
R = ρ (L / S)
σ = 1 / ρ
The lead distance was measured as about 60 cm.

比較例1[原料比:LiS/P/LiBr=67/33/17.3):MM法]
原料を硫化リチウム0.264g(0.0056mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.616g(0.00276mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.127g(0.00145mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を270℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
固体電解質ガラスの示差熱分析の結果を図2に示す。
Comparative Example 1 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=67/33/17.3): MM method]
The raw materials were changed to 0.264 g (0.0056 mol) of lithium sulfide, 0.616 g (0.00276 mol) of diphosphorus pentasulfide (Aldrich), and 0.127 g (0.00145 mol) of lithium bromide (Aldrich). A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for glass ceramicization was 270 ° C. The results are shown in Table 1.
The result of the differential thermal analysis of the solid electrolyte glass is shown in FIG.

実施例2[原料比:LiS/P/LiBr=77/23/17.3):MM法]
原料を硫化リチウム0.349g(0.0076mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.503g(0.00227mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.148g(0.00171mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を220℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
固体電解質ガラスの示差熱分析の結果を図2に示す。
Example 2 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=77/23/17.3): MM method]
The raw materials were changed to 0.349 g (0.0076 mol) of lithium sulfide, 0.503 g (0.00227 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) and 0.148 g (0.00171 mol) of lithium bromide (manufactured by Aldrich). A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for glass ceramicization was 220 ° C. The results are shown in Table 1.
The result of the differential thermal analysis of the solid electrolyte glass is shown in FIG.

実施例3[原料比:LiS/P/LiBr=80/20/17.9):MM法]
原料を硫化リチウム0.384g(0.0083mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.460g(0.00207mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.162g(0.00187mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を220℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
固体電解質ガラスの示差熱分析の結果を図2に示す。
Example 3 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=80/20/17.9): MM method]
The raw materials were changed to 0.384 g (0.0083 mol) of lithium sulfide, 0.460 g (0.00207 mol) of diphosphorus pentasulfide (Aldrich), and 0.162 g (0.00187 mol) of lithium bromide (Aldrich). A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for glass ceramicization was 220 ° C. The results are shown in Table 1.
The result of the differential thermal analysis of the solid electrolyte glass is shown in FIG.

比較例2[原料比:LiS/P/LiBr=83/16/18.7):MM法]
原料を硫化リチウム0.422g(0.0091mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.405g(0.00182mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.178g(0.00205mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を180℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
固体電解質ガラスの示差熱分析の結果を図2に示す。
Comparative Example 2 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=83/16/18.7): MM method]
The raw materials were changed to 0.422 g (0.0091 mol) lithium sulfide, 0.405 g (0.00182 mol) diphosphorus pentasulfide (Aldrich), and 0.178 g (0.00205 mol) lithium bromide (Aldrich). A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for glass ceramicization was 180 ° C. The results are shown in Table 1.
The result of the differential thermal analysis of the solid electrolyte glass is shown in FIG.

比較例3[原料比:LiS/P/LiBr=86/14/19.0):MM法]
原料を硫化リチウム0.453g(0.0098mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.362g(0.00163mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.191g(0.00220mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を190℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
固体電解質ガラスの示差熱分析の結果を図2に示す。
Comparative Example 3 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=86/14/19.0): MM method]
The raw materials were changed to 0.453 g (0.0098 mol) of lithium sulfide, 0.362 g (0.00163 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) and 0.191 g (0.00220 mol) of lithium bromide (manufactured by Aldrich). A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for glass ceramicization was 190 ° C. The results are shown in Table 1.
The result of the differential thermal analysis of the solid electrolyte glass is shown in FIG.

実施例4
[原料比:LiS/P/PBr=80/20/5):MM法]
原料を硫化リチウム0.397g(0.00844mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.467g(0.00210mol)、三臭化リン0.147g(0.00053mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を240℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
実施例1と比べると、第二ピークが高温側にシフトし、ΔTは広がった。
Example 4
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 / PBr 3 = 80/20/5): MM method]
The raw materials were changed to 0.397 g (0.00844 mol) of lithium sulfide, 0.467 g (0.00210 mol) of phosphorous pentasulfide (manufactured by Aldrich), and 0.147 g (0.00053 mol) of phosphorus tribromide to make glass ceramic. A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 240 ° C. The results are shown in Table 1.
Compared to Example 1, the second peak shifted to the high temperature side, and ΔT widened.

実施例5[原料比:LiS/P/LiBr=75/25/16.8):MM法]
(1)固体電解質ガラスの合成
製造例1で製造した硫化リチウム0.337g(0.00717mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.532g(0.00239mol)を混合し実施例1と同様にしてボールミルにてメカニカルミリングし硫化物ガラス(前駆体)を得た。
得られた前駆体に臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.140g(0.00161mol)を加えよく混合した。さらに上記と同様の条件(回転数:370rpm、20時間)メカニカルミリングし、固体電解質ガラスを得た。
実施例1と同様に評価した結果を表1に示す。この固体電解質ガラスでは、第一ピーク温度が低下し、実施例1と比べてΔTは広くなった。
Example 5 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=75/25/16.8): MM method]
(1) Synthesis of solid electrolyte glass 0.337 g (0.00717 mol) of lithium sulfide produced in Production Example 1 and 0.532 g (0.00239 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) were mixed and the same as in Example 1. Then, it was mechanically milled with a ball mill to obtain a sulfide glass (precursor).
To the obtained precursor, 0.140 g (0.00161 mol) of lithium bromide (Aldrich) was added and mixed well. Furthermore, mechanical milling was performed under the same conditions as described above (rotation speed: 370 rpm, 20 hours) to obtain a solid electrolyte glass.
The results evaluated in the same manner as in Example 1 are shown in Table 1. In this solid electrolyte glass, the first peak temperature decreased, and ΔT became wider than that in Example 1.

(2)固体電解質ガラスセラミックの合成
得られた固体電解質ガラスをアルゴン雰囲気下において二つの発熱ピークの間の温度(220℃)で2時間熱処理した。
実施例1と同様にして固体電解質ガラスセラミックを評価した。結果を表1に示す。
(2) Synthesis of solid electrolyte glass ceramic The obtained solid electrolyte glass was heat-treated at a temperature between two exothermic peaks (220 ° C) for 2 hours in an argon atmosphere.
The solid electrolyte glass ceramic was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

参考例6[原料比:LiS/P/LiI=75/25/16.8):MM法]
原料を硫化リチウム0.316g(0.0067mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.494g(0.00222mol)及びLiI0.200(0.00149mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を210℃とした以外は実施例5と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Reference Example 6 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiI=75/25/16.8): MM method]
The raw materials were changed to 0.316 g (0.0067 mol) of lithium sulfide, 0.494 g (0.00222 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) and 0.200 (0.00149 mol) of LiI, and the heat treatment temperature for glass ceramicization was changed. A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 5 except that the temperature was 210 ° C. The results are shown in Table 1.

参考例7[原料比:LiS/P/PI =80/20/5):MM法]
原料を硫化リチウム0.369g(0.0078mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.434g(0.00195mol)及びPI 0.417(0.00050mol)に変更した以外は実施例4と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Reference Example 7 [Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 / PI 3 = 80/20/5): MM method]
Example 4 except that the raw materials were changed to 0.369 g (0.0078 mol) of lithium sulfide, 0.434 g (0.00195 mol) of diphosphorus pentasulfide (Aldrich) and PI 3 0.417 (0.00050 mol). Similarly, solid electrolyte glass and solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated. The results are shown in Table 1.

実施例8
[原料比:LiS/P/LiBr=75/25/16.8):MM法]
ミルポットへの仕込みを露点−40℃以下の乾燥空気中で行った以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。この時の酸素濃度は約20%であった。結果を表1に示す。実施例1と比べると、第一ピークが低温側にシフトした。
Example 8
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=75/25/16.8): MM method]
A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the preparation into the mill pot was performed in dry air having a dew point of −40 ° C. or lower. The oxygen concentration at this time was about 20%. The results are shown in Table 1. Compared to Example 1, the first peak shifted to the low temperature side.

実施例9
[原料比:LiS/P/LiBr=75/25/16.8):スラリー法]
(1)固体電解質ガラスの合成
図3に示す装置を用いた。製造装置1は、原料を粉砕しつつ反応させるビーズミル10と、原料を反応させる反応槽20とを備える。反応槽20は容器22と撹拌翼24からなる。撹拌翼24はモータ(M)により駆動される。
ビーズミル10には、ミル10の周りに温水を通すことのできるヒータ30が設けられている。反応槽20は、オイルバス40に入っている。オイルバス40は容器22内の原料と溶媒を所定温度に加熱する。反応槽20には気化した溶媒を冷却して液化する冷却管26が設けられる。
ビーズミル10と反応槽20は、第1の連結管50と第2の連結管52で連結されている。第1の連結管50は、ビーズミル10内の原料と溶媒を反応槽20に移動させ、第2の連結部52は、反応槽20内の原料及び溶媒をビーズミル10内に移動させる。原料等を連結管50,52を通して循環するために、ポンプ54(例えばダイアフラムポンプ)が、第2の連結管52に設けられている。
ビーズミル10として、アシザワ・ファインテック社製スターミルミニツェア(0.15L)(ビーズミル)を用い、0.5mmφジルコニアボール444gを仕込んだ。反応槽20として、撹拌機付の1.5Lガラス製反応器を使用した。温度保持槽として、撹拌機付の1.5Lガラス製反応器を使用した。
尚、使用する器具類は全て乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。また、脱水トルエン中の水分量はカールフィッシャー法による水分測定で8.4ppmであった。
Example 9
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=75/25/16.8): Slurry method]
(1) Synthesis of solid electrolyte glass The apparatus shown in FIG. 3 was used. The manufacturing apparatus 1 includes a bead mill 10 that reacts while pulverizing raw materials, and a reaction tank 20 that reacts the raw materials. The reaction tank 20 includes a container 22 and a stirring blade 24. The stirring blade 24 is driven by a motor (M).
The bead mill 10 is provided with a heater 30 through which hot water can be passed around the mill 10. The reaction tank 20 is in an oil bath 40. The oil bath 40 heats the raw material and solvent in the container 22 to a predetermined temperature. The reaction tank 20 is provided with a cooling pipe 26 that cools and vaporizes the evaporated solvent.
The bead mill 10 and the reaction tank 20 are connected by a first connecting pipe 50 and a second connecting pipe 52. The first connecting pipe 50 moves the raw material and the solvent in the bead mill 10 to the reaction tank 20, and the second connecting part 52 moves the raw material and the solvent in the reaction tank 20 into the bead mill 10. A pump 54 (for example, a diaphragm pump) is provided in the second connection pipe 52 in order to circulate the raw materials and the like through the connection pipes 50 and 52.
As the bead mill 10, Starmill Minizea (0.15 L) (bead mill) manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd. was used, and 444 g of 0.5 mmφ zirconia balls were charged. As the reaction tank 20, a 1.5 L glass reactor with a stirrer was used. A 1.5 L glass reactor with a stirrer was used as a temperature holding tank.
In addition, all the equipment used remove | eliminated the water | moisture content beforehand with the dryer. The water content in dehydrated toluene was 8.4 ppm as measured by the Karl Fischer method.

製造例1の硫化リチウム33.7g(64モル%)、P(アルドリッチ社)53.2g(21モル%)、LiBr(アルドリッチ社)14.1g(15モル%)に、脱水トルエン(和光純薬工業株式会社)1248ml(水分量8.4ppm)を加えた混合物を、温度保持槽及びミルに充填した。原料仕込み及び成品の回収は露点−40℃以下の乾燥空気中で行った。 Lithium sulfide of Preparation 1 33.7 g (64 mol%), P 2 S 5 (Aldrich) 53.2 g (21 mol%), the LiBr (Aldrich) 14.1 g (15 mol%), dehydrated toluene ( Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1248 ml (moisture content 8.4 ppm) was added to the temperature holding tank and mill. The raw material preparation and product recovery were performed in dry air with a dew point of -40 ° C or lower.

ポンプにより内容物を480mL/分の流量で温度保持槽とミルの間を循環させ、温度保持槽を80℃になるまで昇温した。
ミル本体は、液温が70℃に保持できるよう外部循環により温水を通水し、周速12m/sの条件で運転した。
得られたスラリーをろ過・風乾後、160℃で2時間チューブヒーターにより乾燥し、固体電解質ガラスを粉体として得た。このときの回収率は95%であり、反応器内に付着物はみられなかった。評価結果を表1に示す。
The content was circulated between the temperature holding tank and the mill at a flow rate of 480 mL / min by a pump, and the temperature holding tank was heated to 80 ° C.
The mill body was operated under conditions of a peripheral speed of 12 m / s by passing warm water by external circulation so that the liquid temperature could be maintained at 70 ° C.
The obtained slurry was filtered and air-dried and then dried with a tube heater at 160 ° C. for 2 hours to obtain a solid electrolyte glass as a powder. The recovery rate at this time was 95%, and no deposits were observed in the reactor. The evaluation results are shown in Table 1.

(2)固体電解質ガラスセラミックの合成
得られた固体電解質ガラスをアルゴン雰囲気下において二つの発熱ピークの間の温度(210℃)で2時間熱処理した。
実施例1と同様にして固体電解質ガラスセラミックを評価した。結果を表1に示す。
(2) Synthesis of solid electrolyte glass ceramic The obtained solid electrolyte glass was heat-treated at a temperature between two exothermic peaks (210 ° C) for 2 hours in an argon atmosphere.
The solid electrolyte glass ceramic was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例10
[原料比:LiS/P/LiBr=74.4/25.6/17.3):MM法]
原料を硫化リチウム0.329g(0.0070mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.537g(0.00241mol)及び臭化リチウム0.144(0.00164mol)に変更し、ガラスセラミック化の熱処理温度を220℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Example 10
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 /LiBr=74.4/25.6/17.3): MM method]
The raw materials were changed to 0.329 g (0.0070 mol) of lithium sulfide, 0.537 g (0.00241 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) and 0.144 (0.00164 mol) of lithium bromide. A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 220 ° C. The results are shown in Table 1.

実施例11
[原料比:LiS/P/LiBr/LiSO=74.4/25.6/17.3/1.2):MM法]
原料としてさらに1wt%のLiSO(0.0101g、0.00011mol)を加え、ガラスセラミック化の熱処理温度を220℃とした以外は実施例1と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。尚、LiSOはあらかじめ真空乾燥した。
Example 11
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 / LiBr / Li 2 SO 3 = 74.4 / 25.6 / 17.3 / 1.2): MM method]
Solid electrolyte glass and solid electrolyte glass ceramic were added in the same manner as in Example 1 except that 1 wt% Li 2 SO 3 (0.0101 g, 0.00011 mol) was added as a raw material, and the heat treatment temperature for glass ceramicization was 220 ° C. Manufactured and evaluated. The results are shown in Table 1. Li 2 SO 3 was previously vacuum dried.

実施例12
[原料比:LiS/P/LiBr/LiSO=74.4/25.6/17.3/2):MM法]
原料としてさらに2wt%のLiSO(0.020g、0.00021mol)を加えた以外は実施例11と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Example 12
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 / LiBr / Li 2 SO 3 = 74.4 / 25.6 / 17.3 / 2): MM method]
A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that 2 wt% Li 2 SO 3 (0.020 g, 0.00021 mol) was further added as a raw material. The results are shown in Table 1.

実施例13
[原料比:LiS/P/LiBr/LiSO=74.4/25.6/17.3/5):MM法]
原料としてさらに5wt%のLiSO(0.050g、0.00053mol)を加えた以外は実施例11と同様に固体電解質ガラス及び固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Example 13
[Raw material ratio: Li 2 S / P 2 S 5 / LiBr / Li 2 SO 3 = 74.4 / 25.6 / 17.3 / 5): MM method]
A solid electrolyte glass and a solid electrolyte glass ceramic were produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that 5 wt% Li 2 SO 3 (0.050 g, 0.00053 mol) was further added as a raw material. The results are shown in Table 1.

比較例4
実施例1で得られた固体電解質ガラスを200℃で2時間熱処理した他は、実施例1と同様に固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 4
A solid electrolyte glass ceramic was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte glass obtained in Example 1 was heat-treated at 200 ° C. for 2 hours. The results are shown in Table 1.

比較例5
実施例1で得られた固体電解質ガラスを300℃で2時間熱処理した他は、実施例1と同様に固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 5
A solid electrolyte glass ceramic was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte glass obtained in Example 1 was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours. The results are shown in Table 1.

実施例14
実施例1で得られた固体電解質ガラスを250℃で2時間熱処理した他は、実施例1と同様に固体電解質ガラスセラミックを製造し、評価した。結果を表1に示す。
Example 14
A solid electrolyte glass ceramic was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte glass obtained in Example 1 was heat-treated at 250 ° C. for 2 hours. The results are shown in Table 1.


Figure 0006373417
Tc1:低温側の発熱ピークのピーク温度
Tc2:高温側の発熱ピークのピーク温度
ΔT:ピーク間温度(Tc2−Tc1)
Hc1:熱処理後の第一ピークの積分強度
Hc2:熱処理後の第二ピークの積分強度
Hc1p:熱処理前の第一ピークの積分強度
Hc2p:熱処理前の第二ピークの積分強度
σ:イオン伝導度
Figure 0006373417
Tc1: Peak temperature of the exothermic peak on the low temperature side Tc2: Peak temperature of the exothermic peak on the high temperature side ΔT: Temperature between peaks (Tc2-Tc1)
Hc1: Integral intensity of the first peak after heat treatment Hc2: Integral intensity of the second peak after heat treatment Hc1p: Integral intensity of the first peak before heat treatment Hc2p: Integral intensity of the second peak before heat treatment σ: Ionic conductivity

本発明の固体電解質ガラス及び固体電解質セラミックは、正極層、固体電解質層、負極等、全固体電池の構成材料として好適である。
本発明の全固体電池は、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 solid electrolyte glass and solid electrolyte ceramic of the present invention are suitable as a constituent material of an all-solid battery such as a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode.
The all solid state battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle and the like.

1 製造装置
10 ビーズミル
20 反応槽
22 容器
24 撹拌翼
26 冷却管
30 ヒータ
40 オイルバス
50 第1の連結管
52 第2の連結管
54 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manufacturing apparatus 10 Bead mill 20 Reaction tank 22 Container 24 Stirring blade 26 Cooling pipe 30 Heater 40 Oil bath 50 1st connection pipe 52 2nd connection pipe 54 Pump

Claims (15)

リチウム(Li)元素と、
リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、
臭素(Br)元素と、を少なくとも含み、
示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において、150℃〜350℃の範囲に互いに分離した2つの発熱ピークを有し、
前記2つの発熱ピークのピークトップ位置の温度差が20℃以上150℃以下であり、
前記Li、P、S及びBrのモル比が、下記式(α)及び(β)を満たす、固体電解質ガラス。
Li S:P =74.4:25.6〜80:20(モル比) (α)
(Li S+P ):(LiBr又はPBr )=70:30〜96:4(モル比) (β)
Lithium (Li) element;
Phosphorus (P) element, sulfur (S) element,
Bromine (Br) element ,
In differential scanning calorimetry (in dry nitrogen atmosphere, heating rate 10 ° C./min, 20 to 600 ° C.), it has two exothermic peaks separated from each other in the range of 150 ° C. to 350 ° C.,
Ri 0.99 ° C. der less temperature difference is 20 ° C. or more peak top position of the two exothermic peaks,
Solid electrolyte glass in which the molar ratio of Li, P, S, and Br satisfies the following formulas (α) and (β).
Li 2 S: P 2 S 5 = 74.4: 25.6 to 80:20 (molar ratio) (α)
(Li 2 S + P 2 S 5 ): (LiBr or PBr 3 ) = 70: 30 to 96: 4 (molar ratio) (β)
前記2つの発熱ピークのピークトップ位置の温度差が30℃以上130℃以下である請求項1に記載の固体電解質ガラス。   2. The solid electrolyte glass according to claim 1, wherein a temperature difference between peak top positions of the two exothermic peaks is 30 ° C. or higher and 130 ° C. or lower. 下記(A)、(B)及び(C)を原料とする、請求項1又は2に記載の固体電解質ガラスの製造方法。
(A)硫化リチウム
(B)M’で表される化合物
(C)M”で表される化合物
(式中、M’はPであり、M”はLi又はPを示し、XはI,Cl,Br及びFから選択される1以上であって、かつ少なくともBrを含むハロゲン元素を示す。wは1〜2の整数を示し、m,n,yは1〜10の整数を示す。)
The manufacturing method of the solid electrolyte glass of Claim 1 or 2 which uses the following (A), (B) and (C) as a raw material.
(A) Lithium sulfide (B) M 'm S compounds represented by n (C) M "w X y compound represented by (wherein, M' is P, M" indicates a Li or P , X represents one or more selected from I, Cl, Br and F, and represents a halogen element containing at least Br. W represents an integer of 1 to 2, and m, n and y represent 1 to 10. Indicates an integer.)
前記原料(A)及び(B)を反応させ、その後、原料(C)を加えて前記原料(A)及び(B)の反応物と反応させる工程を含む、請求項に記載の固体電解質ガラスの製造方法。 The solid electrolyte glass of Claim 3 including the process of making the said raw material (A) and (B) react, and then adding the raw material (C) and making it react with the reaction material of the said raw material (A) and (B). Manufacturing method. リチウム元素(Li)と、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、
臭素(Br)元素と、を含み、
前記Li、P、S及びBrのモル比が、下記式(α)及び(β)を満たし、
示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において、150℃〜350℃の範囲に1つの発熱ピークのみを有する、固体電解質ガラスセラミック。
LiS:P74.4:25.6〜80:20(モル比) (α)
(LiS+P):(LiBr又はPBr )=70:30〜96:4(モル比) (β)
Lithium element (Li), phosphorus (P) element, sulfur (S) element,
Bromine (Br) element ,
The molar ratio of Li, P, S and Br satisfies the following formulas (α) and (β),
A solid electrolyte glass ceramic having only one exothermic peak in a range of 150 ° C. to 350 ° C. in differential scanning calorimetry (in a dry nitrogen atmosphere, a rate of temperature increase of 10 ° C./min, 20 to 600 ° C.).
Li 2 S: P 2 S 5 = 74.4: 25.6 to 80:20 (molar ratio) (α)
(Li 2 S + P 2 S 5 ): (LiBr or PBr 3 ) = 70: 30 to 96: 4 (molar ratio) (β)
前記1つの発熱ピークのピークトップ位置が246℃以上312℃以下である請求項5に記載の固体電解質ガラスセラミック。 The solid electrolyte glass ceramic according to claim 5, wherein a peak top position of the one exothermic peak is 246 ° C. or higher and 312 ° C. or lower. イオン伝導度が1×10−3S/cm以上である請求項5又は6に記載の固体電解質ガラスセラミック。 7. The solid electrolyte glass ceramic according to claim 5, wherein the ionic conductivity is 1 × 10 −3 S / cm or more. 請求項1又は2に記載の固体電解質ガラスを、前記2つの発熱ピークの間の温度で熱処理する、固体電解質ガラスセラミックの製造方法。 The solid electrolyte glass according to claim 1 or 2, a heat treatment at a temperature between the two exothermic peaks, the method of manufacturing the solid body electrolyte glass ceramics. 請求項5〜7のいずれかに記載の固体電解質ガラスセラミックの製造方法であって、
請求項1又は2に記載の固体電解質ガラスを原料とし、
前記1つの発熱ピークが、前記固体電解質ガラスが有する2つの発熱ピークの高温側のピークである、固体電解質ガラスセラミックの製造方法。
A method for producing a solid electrolyte glass ceramic according to any one of claims 5 to 7,
Using the solid electrolyte glass according to claim 1 or 2 as a raw material,
The method for producing a solid electrolyte glass ceramic , wherein the one exothermic peak is a peak on a high temperature side of two exothermic peaks of the solid electrolyte glass.
請求項1又は2に記載の固体電解質ガラス、及び請求項5〜7のいずれかに記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方と、正極活物質と、を含む正極合材。 A positive electrode mixture comprising at least one of the solid electrolyte glass according to claim 1 or 2 and the solid electrolyte glass ceramic according to any one of claims 5 to 7 and a positive electrode active material. 請求項1又は2に記載の固体電解質ガラス、及び請求項5〜7のいずれかに記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方と、負極活物質と、を含む負極合材。 A negative electrode mixture comprising at least one of the solid electrolyte glass according to claim 1 or 2 and the solid electrolyte glass ceramic according to any one of claims 5 to 7 and a negative electrode active material. 請求項1又は2に記載の固体電解質ガラス、及び請求項5〜7のいずれかに記載の固体電解質ガラスセラミックの、少なくとも一方を含有する固体電解質層を備える全固体電池。 An all solid state battery comprising a solid electrolyte layer containing at least one of the solid electrolyte glass according to claim 1 or 2 and the solid electrolyte glass ceramic according to any one of claims 5 to 7 . 請求項10に記載の正極合材からなる正極層を備える全固体電池。 An all-solid battery comprising a positive electrode layer made of the positive electrode mixture according to claim 10 . 請求項11に記載の負極合材からなる負極層を備える全固体電池。 An all-solid-state battery comprising a negative electrode layer made of the negative electrode mixture according to claim 11 . 請求項12〜14のいずれかに記載の全固体電池の製造方法であって、
前記固体電解質層、正極合材又は負極合材に含まれる固体電解質ガラスの、示差走査熱量測定(乾燥窒素雰囲気下、昇温速度10℃/min、20〜600℃)において観測される、150℃〜350℃の範囲の独立した2つの発熱ピークの、発熱ピーク温度の間の温度にて熱処理する、全固体電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the all-solid-state battery in any one of Claims 12-14,
150 ° C. observed in differential scanning calorimetry (temperature increase rate 10 ° C./min, 20 to 600 ° C. in a dry nitrogen atmosphere) of the solid electrolyte glass contained in the solid electrolyte layer, the positive electrode mixture or the negative electrode mixture A method for producing an all-solid-state battery, wherein heat treatment is performed at a temperature between two exothermic peaks in the range of ˜350 ° C. between the exothermic peak temperatures .
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