JP6564443B2 - 単一元素に由来する固体電解質及びその製造方法 - Google Patents
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Description
二次電池の適用分野が広くなるにつれて電池の安全性の向上及び高性能化に関する要求が高まっている。
二次電池の1つのリチウム二次電池は、ニッケル−マンガン電池やニッケル−カドミウム電池に比べてエネルギの密度が高く、単位面積当たり容量が大きいという長所がある。
しかし、従来のリチウム二次電池に用いられる電解質は、有機溶媒などの液体電解質が大部分であった。したがって、電解質の涙液及びそれによる火災の危険性などの安全性の問題が絶えず提起された。
そのため、近年、安全性を高めるために、電解質として液体電解質ではなく、固体電解質を用いた全固体電池に対する関心が高まっている。
このような固体電解質は、酸化物系と硫化物系に分かれる。硫化物系固体電解質は、酸化物系固体電解質に比べて高いリチウムイオン伝導度を持ち、広い電圧範囲で安定しているため、硫化物系固体電解質を主に使用する。
特許文献1はLi2S及びP2S5を混合した後、ガラス化して製造された硫化物系固体電解質を開示している。このように従来には化合物形態の出発物質を用いて硫化物系固体電解質を製造した。Li2Sのような化合物形態の出発物質は約500万ウォン/kg程度で、その素材の原価が非常に高い。その上、最近、GeS2のような化合物をLi2S、P2S5と共に混合して硫化物系固体電解質を改良しようとする試みがたくさんあるため、その素材の原価がさらに高くなっている。高価な素材は、大容量のエネルギ貯蔵技術の要求による電池の大面積化の障害となっていた。
また、本発明は、電池の大面積化に合わせた固体電解質及びその製造方法を提供することをその目的とする。
また、本発明は、その組成を容易に変更でき、リチウム、リン、硫黄などの元素の比率がそれぞれ異なる多様な固体電解質の開発に対する端緒を提供することができる。
さらに、本発明は、グローブボックスのような装置を別に設置する必要がないため、安全で低費用の固体電解質を製造することができる。
本発明による単一元素に由来する固体電解質は、単体(simple substance)硫黄粉末に由来する硫黄(S)元素、単体リン粉末に由来するリン(P)元素、及び単体リチウム粉末に由来するリチウム(Li)元素を含む。
また、図1に示すように、前記単一元素に由来する固体電解質は(1)単体硫黄粉末、単体リン粉末、及び単体リチウム粉末を含む混合粉末を準備する段階(S1)、(2)前記混合粉末をミリングして非晶質化(amorphization)する段階(S2)、及び(3)非晶質化された前記混合粉末を熱処理して結晶化(crystallization)する段階(S3)により製造することができる。
本明細書で「単体」は、単一元素で構成され、固有の化学的性質を有する一元素物質を意味する。したがって、前記単体硫黄粉末は硫黄(S)元素だけで構成され、固有の化学的性質を有する単体硫黄の粉末状態を意味し、前記単体リン粉末はリン(P)元素だけで構成され、固有の化学的性質を有する単体リン粉末状態を意味し、前記単体リチウム粉末はリチウム(Li)元素だけで構成され、固有の化学的性質を有する単体リチウムの粉末状態を意味する。
本発明は、上述した問題点及び制約を解消するために案出されたもので、その目的とする固体電解質の組成に合わせて単体硫黄粉末、単体リン粉末、及び単体リチウム粉末を秤量して混合した出発物質から固体電解質を製造することを技術的特徴とする。
また、本発明は、人体に有害で、水分に脆弱で、爆発の危険性のある化合物形態の出発物質を使用しないため、グローブボックスのような別途の装置を要することがなく、安全で容易に固体電解質を製造できるという長所もある。
具体的に(1)段階は、単体硫黄粉末、単体リン粉末、及び単体リチウム粉末を含む混合粉末を準備する段階である。
前記単体リチウム粉末はリチウム金属を含む単一素材に取り替ってもよい。前記単一素材は化合物形態ではないもので、ミリング(milling)などで単体硫黄粉末、単体リン粉末などと混合及び非晶質化される素材であれば何れもよく、例えばリチウムホイル(foil)などである。
(2)段階は、前記混合粉末をミリング(milling)して非晶質化(amorphization)する段階である。具体的に前記非晶質化は、遊星ミル(planetery mill)を用いて300RPM〜1,000RPM、4時間〜40時間の条件で前記混合粉末をミリングする。
非晶質化は、湿式ミリングまたは乾式ミリングで行うことができるが、熱処理により結晶化する時、結晶を均一に形成するために湿式ミリングすることが好ましい。
湿式ミリングは、混合粉末1重量%〜50重量%及び溶媒50重量%〜99重量%、好ましくは混合粉末4重量%〜20重量%及び溶媒80重量%〜96重量%、より好ましくは混合粉末5重量%〜15重量%及び溶媒75重量%〜95重量%を混合して湿式ミリングすることである。混合粉末が1重量%未満であれば収率が低すぎて大量生産に不適合となり、混合粉末が50重量%を超えると、乾式ミリングのように、均一に非晶質化された物質を得にくくなる。
(2)段階で湿式ミリングにより混合粉末を非晶質化した場合は、(3)段階を行う前に乾燥段階をさらに行うことができる。乾燥段階は、ミリングを終えた混合粉末に残留する溶媒を除去するためのもので、室温〜200℃、1分〜10時間の条件で真空乾燥、熱乾燥または真空と共に熱乾燥するものである。
本発明の他の実施例によれば、(1)段階で前記混合粉末に単体ニッケル粉末をさらに混合することによって、前記単体ニッケル粉末に由来するニッケル(Ni)元素をさらに含む固体電解質を得ることができる。
具体的に、(1)段階で単体硫黄粉末、単体リン粉末、単体リチウム粉末、及び単体ニッケル粉末を目的とする固体電解質のLiaPbScNid(12≦a≦18、0.8≦b≦6.4、13.2≦c≦26、1.2≦d≦9.6)の組成に合わせてそれぞれ秤量して混合した混合粉末を出発物質として使用して(2)段階及び(3)段階を行うことで、ニッケル元素を含む固体電解質を製造することができる。
具体的に(1)段階で単体硫黄粉末、単体リン粉末、単体リチウム粉末、単体ニッケル粉末、及び塩化リチウム粉末を目的とする固体電解質のLiaPbScNidCle(12≦a≦22、0.8≦b≦6.4、13.2≦c≦26、1.2≦d≦9.6、1≦e≦4)の組成に合わせてそれぞれ称量して混合した混合粉末を出発物質として使用して(2)段階及び(3)段階を行うことで、ニッケル元素及び塩素元素を含む固体電解質を製造することができる。
上述したように本発明は、出発物質に化合物形態の物質ではなく、単体の物質を使用するため、固体電解質の組成の変更、除去、追加などが容易であるという長所がある。したがって、本発明は、多様な組成の固体電解質の開発に対する端緒を提供することもできる。
(実施例3)Li3PS4(75Li2S−25P2S5)と表される固体電解質を製造するために、次のような段階を行った。出発物質に単体硫黄粉末(シグマアルドリッチ社、sulfur)、単体リン粉末(シグマアルドリッチ社、phosphorous)、及びリチウムホイル(HONJO METAL社、純度99.9%)を使用した。これらを75Li2S−25P2S5の組成比(モル比)となるように単体硫黄粉末7.12g、単体リン粉末1.72g、リチウムホイル1.16gを称量及び混合して混合粉末を準備した。前記混合粉末をジルコニアボール300gと共に遊星型ボールミルの容器に投入した。前記混合粉末を約360RPMでミリングして非晶質化した。次に、前記混合粉末を230℃で2時間熱処理して結晶化することによって固体電解質を得た。
図2は、実施例1〜実施例3の固体電解質に対するSEM(scanning electron microscope)測定結果である。図2の(a)は実施例1に対する結果、(b)は実施例2に対する結果、(c)は実施例3に対する結果である。
これは図3の実施例1〜実施例3の固体電解質に対するX線回折分析(X−ray diffraction spectoscopy、XRD)結果からも分かる。実施例1の固体電解質は、THIO−LISICONIIIと類似な相のLi3PS4と実質的に同じピーク(peak)を有する反面、実施例2及び実施例3の固体電解質は、ピークが明確に分離され、測定できないことから、結晶の成長及び均一性に劣ることを確認することができる。
したがって、本発明により固体電解質を製造することにあたって、実施例1のように出発物質に単体リチウム粉末を使用して混合粉末を準備し、これを湿式ミリングにより非晶質化してから結晶化することが好ましい。
図4は、実施例4の固体電解質に対するSEM測定結果であり、図5は、実施例5の固体電解質に対するSEM測定結果である。実施例4及び実施例5は、実施例1のように出発物質に単体リチウム粉末を使用し、これを湿式ミリングにより非晶質化した後、結晶化したもので、結晶が均一に形成されたことが分かる。
以下、説明の便宜のために実施例1、実施例4、及び実施例5の固体電解質をそれぞれLSPS、LNPS及びLNPS−Clと指すが、これは各固体電解質を含む元素の種類によって命名したものである。
その結果、実施例1のLSPSは1.0×10−4S/cm、実施例4のLNPSは1.4×10−4S/cm、実施例5のLNPS−Clは1.4×10−3S/cmのリチウムイオン伝導度を示した。
図6とオームの法則(V=IR)によりLSPS、LNPSの抵抗値(R)を計算した。抵抗値(R)、測定用成形体の断面積(A)、及び測定用成形体の厚さ(t)から電子伝導度(1/R×t/A)を計算した。LSPSの電子伝導度は1.94×10−9S/cm、LNPSの電子伝導度は1.88×10−9S/cmであると計算された。次に、電子伝導度からリチウムイオン輸率(transport number、σi/(σe+σi)、σiはリチウムイオンの伝導度、σeは電子の伝導度)を計算した。
その結果、LSPSのリチウムイオン輸率は0.9999981、LNPSのリチウムイオン輸率は0.9999963で、1にとても近い値に計算された。
実験例1及び実験例2の結果を参照すると、本発明により製造した固体電解質は、リチウムイオン伝導度が10−4S/cm以上で、リチウムイオン輸率がほとんど1に達するため、全固体電池の特性向上に寄与することができる。
各全固体電池に対して0.02C rateの律速、2V〜3.58Vの範囲のCC(Constant current)条件で充電・放電を実施して放電容量を測定した。
図7は、実施例1の固体電解質(LSPS)を適用した全固体電池の放電容量を測定した結果である。LSPSを固体電解質層に適用すると、約140mAh/gの放電容量が得られる。
図8は、実施例4の固体電解質(LNPS)を適用した全固体電池の放電容量を測定した結果である。LNPSを固体電解質層に適用すると、約110.3mAh/gの放電容量が得られる。
図9は、実施例5の固体電解質(LNPS−Cl)を適用した全固体電池の放電容量を測定した結果である。LNPS−Clを固体電解質層に適用すると、約111.7mAh/gの放電容量が得られる。
実験例1〜実験例3から、本発明の単一元素に由来する固体電解質及びその製造方法によれば、従来に比べて非常に少ない費用で同等またはそれ以上のリチウムイオン伝導度、放電容量が実現できる固体電解質が得られることが分かる。
Claims (6)
- (1)単体硫黄粉末、単体リン粉末、及び単体リチウム粉末を含む混合粉末を準備する段階と、
(2)前記混合粉末をミリングして非晶質化(amorphization)する段階と、
(3)非晶質化された前記混合粉末を熱処理して結晶化(crystallization)する段階と、を含み、
前記(1)段階で前記混合粉末に単体ニッケル粉末をさらに混合し、
単体硫黄粉末、単体リン粉末、単体リチウム粉末、及び単体ニッケル粉末をLiaPbScNid(12≦a≦18、0.8≦b≦6.4、13.2≦c≦26、1.2≦d≦9.6)の組成に合わせてそれぞれ秤量して混合することを特徴とする単一元素に由来する固体電解質の製造方法。 - 前記(2)段階の非晶質化は、遊星ミル(planetery mill)を用いて300RPM〜1000RPM、4時間〜40時間の条件で前記混合粉末をミリングして行うことを特徴とする請求項1に記載の単一元素に由来する固体電解質の製造方法。
- 前記(2)段階は、前記混合粉末1重量%〜50重量%及び溶媒50重量%〜99重量%を混合して湿式ミリングする段階であることを特徴とする請求項1に記載の単一元素に由来する固体電解質の製造方法。
- 前記溶媒は、ペンタン(pentane)、ヘキサン(hexane)、2−エチルヘキサン(2−ehtyl hexane)、ヘプタン(heptane)、オクタン(octane)、シクロヘキサン(cyclohexane)、及びメチルシクロヘキサン(methyl cylcohexane)のうち何れか1つ以上の炭化水素系溶媒と、
ベンゼン(benzene)、トルエン(toluene)、キシレン(xylene)、及びエチルベンゼン(ethylbenzene)のうち何れか1つ以上のBTX系溶媒と、
ジエチルエーテル(diethyl ether)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)、及び1,4−ジオキサン(1,4−dioxane)のうち何れか1つ以上のエーテル系溶媒と、
プロピオン酸エチル(ethyl propionate)及びプロピオン酸プロピル(propyl propionate)のうち何れか1つ以上のエステル系溶媒と、で構成された群から選択された何れか1つまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項3に記載の単一元素に由来する固体電解質の製造方法。 - 前記(3)段階の結晶化は、前記混合粉末を200℃〜500℃で1分〜100時間熱処理して行われることを特徴とする請求項1に記載の単一元素に由来する固体電解質の製造方法。
- 前記(1)段階〜(3)段階は、乾燥室(Dry room)で行われることを特徴とする請求項1に記載の単一元素に由来する固体電解質の製造方法。
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