JP6672485B2 - Ion conductor, lithium battery, and method for producing ionic conductor - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、イオン伝導体に関する。 The technology disclosed by the present specification relates to an ionic conductor.
近年、パソコンや携帯電話等の電子機器の普及、電気自動車の普及、太陽光や風力等の自然エネルギーの利用拡大等に伴い、高性能な電池の需要が高まっている。なかでも、電池要素がすべて固体で構成された全固体リチウムイオン二次電池の活用が期待されている。全固体リチウムイオン二次電池は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を用いる従来型のリチウムイオン二次電池と比べて、有機電解液の漏洩や発火等のおそれがないため安全であり、また、外装を簡略化することができるため単位質量または単位体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。 In recent years, with the spread of electronic devices such as personal computers and mobile phones, the spread of electric vehicles, and the expansion of the use of natural energy such as sunlight and wind power, demand for high-performance batteries has increased. Above all, utilization of an all-solid lithium-ion secondary battery in which the battery elements are all solid is expected. An all-solid lithium-ion secondary battery is safer than a conventional lithium-ion secondary battery that uses an organic electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent because there is no risk of leakage or ignition of the organic electrolyte. In addition, since the exterior can be simplified, the energy density per unit mass or unit volume can be improved.
全固体リチウムイオン二次電池の電解質層や電極に用いる固体電解質としては、例えば、酸化物系リチウムイオン伝導体や硫化物系リチウムイオン伝導体が用いられる。酸化物系リチウムイオン伝導体は、1000℃程度の高温で熱処理をした焼結体の状態においては、高いリチウムイオン伝導率(例えば、25℃において1.0×10−5〜1.0×10−3S/cm程度)を示すが、焼結していない粉末を加圧成形した状態においては、リチウムイオン伝導率が極めて低い(例えば、25℃において1.0×10−7S/cm以下)。そのため、酸化物系リチウムイオン伝導体は、高いリチウムイオン伝導率を得るために要するエネルギーが多くなると共に、電池形態として利用する際に電極等の材料選択の自由度が低下する。For example, an oxide-based lithium ion conductor or a sulfide-based lithium ion conductor is used as the solid electrolyte used for the electrolyte layer and the electrode of the all-solid lithium ion secondary battery. The oxide-based lithium ion conductor has a high lithium ion conductivity (for example, 1.0 × 10 −5 to 1.0 × 10 5 at 25 ° C.) in a sintered body that has been heat-treated at a high temperature of about 1000 ° C. -3 S / cm), but when the unsintered powder is pressed, the lithium ion conductivity is extremely low (for example, 1.0 × 10 −7 S / cm or less at 25 ° C.). ). For this reason, the oxide-based lithium ion conductor requires more energy to obtain high lithium ion conductivity, and the degree of freedom in selecting materials such as electrodes when used as a battery is reduced.
一方、硫化物系リチウムイオン伝導体は、酸化物系リチウムイオン伝導体に比べてイオン伝導率が高い。これは、酸化物に比べて硫化物の方が分極率が高いからである。よって、硫化物系リチウムイオン伝導体は、粒子内のリチウムイオン伝導率が高い。さらに、硫化物系リチウムイオン伝導体は、塑性変形しやすいため、比較的低い温度域(例えば25℃から200℃程度)において加圧するだけで粒子間の密着性が高まり、高いリチウムイオン伝導率(例えば、25℃において1.0×10−4〜1.0×10−2S/cm程度)を示す。しかし、硫化物系リチウムイオン伝導体は、大気中で水分と反応して硫化水素ガスを発生するため、安全面において好ましくない場合がある。On the other hand, the sulfide-based lithium ion conductor has a higher ion conductivity than the oxide-based lithium ion conductor. This is because the sulfide has a higher polarizability than the oxide. Therefore, the sulfide-based lithium ion conductor has a high lithium ion conductivity in the particles. Furthermore, since the sulfide-based lithium ion conductor is easily plastically deformed, the adhesion between particles is increased only by pressing in a relatively low temperature range (for example, about 25 ° C. to 200 ° C.), and the high lithium ion conductivity ( For example, at 25 ° C., about 1.0 × 10 −4 to 1.0 × 10 −2 S / cm). However, the sulfide-based lithium ion conductor reacts with moisture in the atmosphere to generate hydrogen sulfide gas, and thus may not be preferable in terms of safety.
また、リチウムイオン伝導率の高い酸化物系リチウムイオン伝導体とリチウムイオン伝導率の高い硫化物系リチウムイオン伝導体とを混合してリチウムイオン伝導体を作製することにより、安全性の向上とリチウムイオン伝導率の向上とを両立させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, by mixing an oxide-based lithium ion conductor having a high lithium ion conductivity and a sulfide-based lithium ion conductor having a high lithium ion conductivity to prepare a lithium ion conductor, safety is improved and lithium is improved. A technique for achieving both improvement in ionic conductivity is known (for example, see Patent Document 1).
上記のような酸化物系リチウムイオン伝導体と硫化物系リチウムイオン伝導体とを混合して得られるイオン伝導体は、硫化物系リチウムイオン伝導体の含有割合は減るものの、やはり硫化物系リチウムイオン伝導体を含むため、安全面において向上の余地がある。 The ion conductor obtained by mixing the oxide-based lithium ion conductor and the sulfide-based lithium ion conductor as described above has a reduced content ratio of the sulfide-based lithium ion conductor. Since it contains an ion conductor, there is room for improvement in safety.
なお、このような課題は、全固体リチウムイオン二次電池の電解質層や電極に用いられるイオン伝導体に限らず、リチウムイオン伝導性を有するイオン伝導体一般に共通の課題である。 In addition, such a subject is not limited to the ion conductor used for the electrolyte layer and the electrode of the all-solid-state lithium ion secondary battery, but is a problem common to ion conductors having lithium ion conductivity in general.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-described problem.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized, for example, as the following modes.
(1)本明細書に開示されるイオン伝導体は、複数の酸化物系リチウムイオン伝導体粒子を備えるイオン伝導体において、2つの前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間に、ハロゲン化リチウムとハロゲン化リチウム水和物とハロゲン化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有する。本イオン伝導体によれば、硫化物系リチウムイオン伝導体を含まないために安全性が向上し、かつ、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子同士の間に、ハロゲン化リチウムとハロゲン化リチウム水和物とハロゲン化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有するために、粒子間の密着性が向上してリチウムイオン伝導率が向上する。 (1) An ion conductor disclosed in the present specification is an ion conductor including a plurality of oxide-based lithium ion conductor particles, wherein a lithium halide is provided between two of the oxide-based lithium ion conductor particles. And at least one of a lithium halide hydrate and a lithium halide hydroxide. According to the present ion conductor, safety is improved because it does not contain a sulfide-based lithium ion conductor, and lithium halide and lithium halide hydrate are interposed between oxide-based lithium ion conductor particles. Since there is a region in which at least one of a substance and a lithium halide hydroxide is present, adhesion between particles is improved, and lithium ion conductivity is improved.
(2)上記イオン伝導体において、前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、ヨウ素(I)を含む構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子同士の間に、ヨウ化リチウムとヨウ化リチウム水和物とヨウ化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有するために、粒子間の密着性が向上してリチウムイオン伝導率が向上する。 (2) In the ionic conductor, the halogen element of the lithium halide may include iodine (I). According to the present ionic conductor, since there is a region in which at least one of lithium iodide, lithium iodide hydrate and lithium iodide hydroxide exists between the oxide-based lithium ion conductor particles. In addition, adhesion between particles is improved, and lithium ion conductivity is improved.
(3)上記イオン伝導体において、前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、臭素(Br)を含む構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子同士の間に、臭化リチウムと臭化リチウム水和物と臭化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有するために、粒子間の密着性が向上してリチウムイオン伝導率が向上する。 (3) In the ionic conductor, the halogen element of the lithium halide may include bromine (Br). According to the present ionic conductor, since there is a region in which at least one of lithium bromide, lithium bromide hydrate and lithium bromide hydroxide exists between the oxide-based lithium ion conductor particles. In addition, adhesion between particles is improved, and lithium ion conductivity is improved.
(4)上記イオン伝導体において、前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、塩素(Cl)を含む構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子同士の間に、塩化リチウムと塩化リチウム水和物と塩化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有するために、粒子間の密着性が向上してリチウムイオン伝導率が向上する。 (4) In the ionic conductor, the halogen element of the lithium halide may include chlorine (Cl). According to the present ion conductor, since there is a region in which at least one of lithium chloride, lithium chloride hydrate and lithium chloride hydroxide exists between the oxide-based lithium ion conductor particles, And the lithium ion conductivity is improved.
(5)上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りの大きさを示す指標として、破断面における前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子と、前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物と、の存在割合から算出した標準偏差の値が0.6未満である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、イオン伝導体におけるハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りが小さく、ハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物がまんべんなく分布しているため、粒子間の密着性が大きく向上してリチウムイオン伝導率が大きく向上する。 (5) In the ionic conductor, a fracture surface is used as an index indicating the degree of deviation in the distribution of the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in the ionic conductor. The standard deviation calculated from the abundance ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide is 0.6. It is good also as composition which is less than. According to the present ionic conductor, the distribution of lithium halide, lithium halide hydrate, or lithium halide hydroxide in the ion conductor has a small bias, and the lithium halide, lithium halide hydrate, or In addition, since the lithium halide hydroxide is evenly distributed, adhesion between particles is greatly improved, and lithium ion conductivity is greatly improved.
(6)上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りの大きさを示す指標として、破断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子に含まれる元素から、リチウムと酸素とを除く特定の元素を選択して、前記特定の元素の存在割合をXiとし、前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物に含まれるハロゲン元素の存在割合をYiとしたときに、Xiに対するYiの比率(Yi/Xi)をRiとして、m箇所(ただし、mは9以上の整数)におけるm個の比率Riからなるデータ群(比率R1から比率Rm)から算出した標準偏差の値が0.6未満である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、イオン伝導体におけるハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りが小さく、ハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物がまんべんなく分布しているため、粒子間の密着性が大きく向上してリチウムイオン伝導率が大きく向上する。 (6) In the ionic conductor, a fracture surface is used as an index indicating the degree of deviation in the distribution of the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in the ionic conductor. In the above, a specific element excluding lithium and oxygen is selected from the elements contained in the oxide-based lithium ion conductor particles, the proportion of the specific element is Xi, the lithium halide, the halogenated Assuming that the proportion of the halogen element contained in the lithium hydrate or the lithium halide hydroxide is Yi, the ratio of Yi to Xi (Yi / Xi) is Ri, and m positions (where m is The standard deviation calculated from the data group (ratio R1 to ratio Rm) composed of m ratios Ri in an integer of 9 or more is less than 0.6. It may be configured that. According to the present ionic conductor, the distribution of lithium halide, lithium halide hydrate, or lithium halide hydroxide in the ion conductor has a small bias, and the lithium halide, lithium halide hydrate, or In addition, since the lithium halide hydroxide is evenly distributed, adhesion between particles is greatly improved, and lithium ion conductivity is greatly improved.
(7)上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体の破断面における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物が占める領域の面積割合をZaとし、前記イオン伝導体の切断面における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物が占める領域の面積割合をZbとしたとき、Za>Zbの関係を満たす構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、2つの酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物が存在する領域が多く、粒子間の密着性が大きく向上してリチウムイオン伝導率が大きく向上する。 (7) In the ion conductor, the area ratio of a region occupied by the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in a fracture surface of the ion conductor is defined as Za, Assuming that the area ratio of the region occupied by the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide on the cut surface of the ionic conductor is Zb, a configuration satisfying the relationship of Za> Zb is provided. Is also good. According to the present ion conductor, there are many regions in which lithium halide, lithium halide hydrate, or lithium halide hydroxide exists between two oxide-based lithium ion conductor particles, The adhesion is greatly improved, and the lithium ion conductivity is greatly improved.
(8)上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体の少なくとも1つの切断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子が占める面積と前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子が占める面積との割合をXa:(100−Xa)としたとき、30≦Xa<100を満たす構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子との割合を上記範囲とすると、リチウムイオン伝導率が大きく向上する。 (8) In the ion conductor, an area occupied by the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the at least one cut surface of the ion conductor. When the ratio of the area occupied by the particles containing the lithium halide hydroxide to Xa: (100−Xa), a configuration satisfying 30 ≦ Xa <100 may be adopted. According to the present ionic conductor, when the ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles to the particles containing lithium halide, lithium halide hydrate, or lithium halide hydroxide is within the above range, lithium ion The conductivity is greatly improved.
(9)上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体の少なくとも1つの切断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子が占める面積と前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子が占める面積との割合をXa:(100−Xa)としたとき、38≦Xa≦97を満たす構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウム水和物、または、ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子との割合を上記範囲とすると、リチウムイオン伝導率が極めて大きく向上する。 (9) In the ion conductor, an area occupied by the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the at least one cut surface of the ion conductor. When the ratio of the area occupied by the particles containing the lithium halide hydroxide to Xa: (100−Xa), a configuration satisfying 38 ≦ Xa ≦ 97 may be adopted. According to the present ionic conductor, when the ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles to the particles containing lithium halide, lithium halide hydrate, or lithium halide hydroxide is within the above range, lithium ion The conductivity is significantly improved.
(10)上記イオン伝導体において、25℃におけるリチウムイオン伝導率が、1.0×10−5S/cm以上である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、室温において高いリチウムイオン伝導率を確保できる。(10) In the above ionic conductor, the lithium ion conductivity at 25 ° C. may be 1.0 × 10 −5 S / cm or more. According to the present ion conductor, high lithium ion conductivity can be secured at room temperature.
(11)上記イオン伝導体において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体は、LiとZrとLaとOとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導体、および、LiとM(MはTi、Zr、Geの内の少なくとも1つ)とPとOとを少なくとも含有するNASICON型構造を有するイオン伝導体、および、LiとTiとLaとOとを少なくとも含有するペロブスカイト型構造を有するイオン伝導体の内の少なくとも1種類である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、粒子間の密着性が向上してリチウムイオン伝導率が向上する。 (11) In the above ion conductor, the oxide-based lithium ion conductor is an ion conductor having a garnet-type structure or a garnet-like structure containing at least Li, Zr, La, and O; and Li and M (M is at least one of Ti, Zr and Ge), an ion conductor having a NASICON-type structure containing at least P and O, and a perovskite-type structure containing at least Li, Ti, La and O It is good also as a structure which is at least 1 type among the ion conductor which has. According to the present ionic conductor, adhesion between particles is improved, and lithium ion conductivity is improved.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、イオン伝導体、イオン伝導体を含むリチウム電池、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 Note that the technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an ion conductor, a lithium battery including the ion conductor, a method for manufacturing the same, and the like. It is possible.
A.実施形態:
A−1.全固体電池102の構成:
図1は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池(以下、「全固体電池」という)102の断面構成を概略的に示す説明図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向といい、Z軸負方向を下方向という。A. Embodiment:
A-1. Configuration of all solid state battery 102:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of an all-solid-state lithium-ion secondary battery (hereinafter, referred to as “all-solid-state battery”) 102 in the present embodiment. FIG. 1 shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying a direction. In the present specification, for convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as an upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as a downward direction.
全固体電池102は、電池本体110と、電池本体110の一方側(上側)に配置された第1の集電部材154と、電池本体110の他方側に(下側)に配置された第2の集電部材156とを備える。第1の集電部材154および第2の集電部材156は、導電性を有する略平板形状部材であり、例えば、ステンレス鋼、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、これらの合金から選択される導電性金属材料、炭素材料等によって形成されている。
The all-solid-
電池本体110は、電池要素がすべて固体で構成された二次電池であり、電解質層112と、電解質層112の一方側(上側)に配置された正極層114と、電解質層112の他方側(下側)に配置された負極層116とを備える。
The
電解質層112は、略平板形状であり、固体電解質であるリチウムイオン伝導体LICにより構成されている。正極層114は、略平板形状であり、正極活物質PAMと、電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体LICと同様の構成のリチウムイオン伝導体LICとを含む。正極活物質PAMとしては、例えば、S(硫黄)、TiS2、LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等が用いられる。負極層116は、略平板形状であり、負極活物質NAMと、電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体LICと同様の構成のリチウムイオン伝導体LICとを含む。負極活物質NAMとしては、例えば、Li金属、Li−Al合金、Li4Ti5O12、カーボン、Si(ケイ素)、SiO等が用いられる。正極層114および負極層116は、さらに導電助剤(例えば、導電性カーボン、Ni、Pt(白金)、Ag(銀))を含んでいてもよい。The
A−2.リチウムイオン伝導体LICの構成および製造方法:
本実施形態の全固体電池102は、電解質層112と正極層114と負極層116とに用いられる固体電解質であるリチウムイオン伝導体LICに特徴がある。以下、リチウムイオン伝導体LICの構成および製造方法について説明する。図2および図3は、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICの構成を示す説明図である。図2には、リチウムイオン伝導体LICの破断面のSEM画像(1000倍)が示されており、図3には、図2に対応するリチウムイオン伝導体LICの破断面のSEM−EDS画像(元素マッピング画像)(1000倍)が示されている。なお、図2および図3に示されるリチウムイオン伝導体LICは、後述の性能評価におけるサンプル12(図6参照)である。A-2. Configuration and manufacturing method of lithium ion conductor LIC:
The all-solid-
図2および図3に示すように、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52とハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56とを含む。より詳細には、リチウムイオン伝導体LICは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52同士の間にハロゲン化リチウム水和物含有粒子54および/またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56が存在する領域(図2および図3に示された領域)を有する。すなわち、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICでは、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54および/またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56によって酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52同士の間の空隙が埋められた状態となっている。なお、図2では、便宜上、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54およびハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56のそれぞれの位置を矢印で例示しているが、厳密には矢印で示す位置は、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56が存在する位置である。図3以降についても同様である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the lithium ion conductor LIC of the present embodiment includes oxide-based lithium
リチウムイオン伝導体LICに含まれる酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52は、例えば、LiとZrとLaとOとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導体(例えば、Li7La3Zr2O12(以下、「LLZ」という)や、LLZに対してMg(マグネシウム)およびSr(ストロンチウム)の元素置換を行ったもの(以下、「LLZ−MgSr」という))の粒子、LiとM(MはTi、Zr、Ge(ゲルマニウム)の内の少なくとも1つ)とP(リン)とOとを少なくとも含有するNASICON型構造を有するイオン伝導体(例えば、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(以下、「LAGP」という))の粒子、LiとTiとLaとOとを少なくとも含有するペロブスカイト型構造を有するイオン伝導体の粒子のいずれか1種類、または、これらの内の少なくとも2つの種類を混ぜた粒子である。The oxide-based lithium
また、リチウムイオン伝導体LICに含まれるハロゲン化リチウム水和物含有粒子54は、例えば、LiI(ヨウ化リチウム)の水和物(LiI・H2O)の粒子や、LiBr(臭化リチウム)の水和物(LiBr・H2O)の粒子、LiCl(塩化リチウム)の水和物(LiCl・H2O)の粒子、これらハロゲン化リチウムの水和物を主成分とする粒子(例えばヨウ化リチウムを含有する非晶質体)である。なお、主成分とは、含有率が50w%以上の成分を意味する。また、リチウムイオン伝導体LICに含まれるハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56は、例えば、LiIの水酸化物(Li2I(OH)やLi4(OH)3I)の粒子や、LiBrの水酸化物(Li2Br(OH)やLi4(OH)3Br)の粒子、LiClの水酸化物(Li2Cl(OH)やLi4(OH)3Cl)の粒子、これらハロゲン化リチウムの水酸化物を主成分とする粒子(例えばヨウ化リチウム水酸化物を含有する非晶質体)である。すなわち、本実施形態では、ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、ヨウ素(I)と臭素(Br)と塩素(Cl)との少なくとも1つを含む。The lithium halide hydrate-containing
図2および図3に示す例は、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52としてLLZ−MgSrの粒子が用いられ、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54としてLiI・H2Oの粒子が用いられ、ハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56としてLi2I(OH)やLi4(OH)3Iの粒子が用いられた例である。In the examples shown in FIGS. 2 and 3, LLZ-MgSr particles are used as oxide-based lithium
図4は、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICの製造方法を示すフローチャートである。はじめに酸化物系リチウムイオン伝導体の粉末とハロゲン化リチウムの粉末とを準備し(S110)、準備された両粉末を所定の割合で混合する(S120)。得られた混合粉末を成形した後、混合粉末に対する熱処理(例えば80℃、17時間)を実行する(S130)。なお、処理温度としては、25℃以上であればよく、熱処理の温度としては、60℃以上、452℃以下が好ましく、70℃以上、300℃以下がより好ましく、80℃以上、200℃以下がさらに好ましい。また、熱処理を加圧状態で行ってもよい。この場合の荷重は、0.1kN以上が好ましく、0.5kN以上がより好ましく、1kN以上がさらに好ましい。加圧することにより、リチウムイオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物またはハロゲン化リチウム水酸化物との間の密着性が向上し、イオン伝導率が高くなるため、リチウムイオン伝導体LICの性能が向上する。 FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for manufacturing the lithium ion conductor LIC of the present embodiment. First, an oxide-based lithium ion conductor powder and a lithium halide powder are prepared (S110), and the prepared powders are mixed at a predetermined ratio (S120). After molding the obtained mixed powder, a heat treatment (for example, 80 ° C., 17 hours) is performed on the mixed powder (S130). The treatment temperature may be 25 ° C or higher, and the heat treatment temperature is preferably 60 ° C or higher and 452 ° C or lower, more preferably 70 ° C or higher and 300 ° C or lower, and is preferably 80 ° C or higher and 200 ° C or lower. More preferred. Further, the heat treatment may be performed in a pressurized state. The load in this case is preferably at least 0.1 kN, more preferably at least 0.5 kN, even more preferably at least 1 kN. By applying pressure, the adhesion between the lithium ion conductor particles and lithium halide hydrate or lithium halide hydroxide is improved, and the ionic conductivity is increased, so that the performance of the lithium ion conductor LIC is improved. improves.
ここで、ハロゲン化リチウムは吸湿性・潮解性を有するため、上述したリチウムイオン伝導体LICの製造の過程で、原料であるハロゲン化リチウムはハロゲン化リチウム水和物やハロゲン化リチウム水酸化物に相変化する。図5は、結晶相の変化の有無を調べる実験結果の一例を示す説明図である。この実験では、ハロゲン化リチウム原料としてLiIを用い、図4に示す方法に従いリチウムイオン伝導体LICを製造したときの各段階の試料についてXRD測定を行い、試料にLiIとその水和物および水酸化物が含まれているか否かを確認した。 Here, since lithium halide has hygroscopicity and deliquescent, in the process of manufacturing the above-mentioned lithium ion conductor LIC, the raw material lithium halide is converted into lithium halide hydrate or lithium halide hydroxide. Change phase. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of an experimental result for examining the presence or absence of a change in the crystal phase. In this experiment, using LiI as a lithium halide raw material, XRD measurements were performed on samples at each stage when a lithium ion conductor LIC was manufactured according to the method shown in FIG. We checked whether things were included.
図5に示すように、LiIの原料には、大部分を占めるLiIに加えて、LiIの水和物(LiI・H2O)がわずかに含まれていた。この結果から、LiI原料が空気中の水と反応して、水和物に相変化したものと考えられる。また、LiI原料をLLZ粉末と混合した後の試料には、LLZおよびLiIに加えて、LiIの水和物(LiI・H2O)がわずかに含まれ、さらに、LiIの水酸化物(Li2I(OH))がわずかに含まれていた。この結果から、混合によってLiI原料と水との反応が促進され、LiIから水和物および水酸化物への相変化が進行したものと考えられる。また、上記混合粉末に対して熱処理(加圧なし)を実行した後の試料については、LiIの含有量がわずかになり、LiIの水和物(LiI・3H2O)が大部分を占め、LiIの水酸化物(Li2I(OH)およびLi4(OH)3I)も含まれていた。この結果から、熱処理によってLiI原料と水との反応がさらに促進され、LiI原料の大半が水和物および水酸化物に相変化したものと考えられる。なお、上記混合粉末に対して熱処理(加圧あり)を実行した後の試料についても同様に、LiIの含有量がわずかになり、LiIの水和物(LiI・3H2O)が大部分を占め、LiIの水酸化物(Li2I(OH)およびLi4(OH)3I)も含まれていた。なお、図5に示した含有量における大小関係は、体積割合の観点による比較である。As shown in FIG. 5, the raw material of LiI contained a small amount of a hydrate of LiI (LiI.H 2 O) in addition to LiI, which occupies the majority. From this result, it is considered that the LiI raw material reacted with water in the air and changed into a hydrate. In addition, the sample after mixing the LiI raw material with the LLZ powder contains a small amount of LiI hydrate (LiI.H 2 O) in addition to LLZ and LiI, and further contains LiI hydroxide (LiI). 2 I (OH)). From this result, it is considered that the reaction promoted the reaction between the LiI raw material and water by the mixing, and the phase change from LiI to a hydrate and a hydroxide proceeded. Further, in the sample after the heat treatment (no pressurization) was performed on the mixed powder, the content of LiI was small, and the hydrate of LiI (LiI.3H 2 O) accounted for the majority, hydroxides of
以上のことから、上述した製造方法に従いリチウムイオン伝導体LICを製造すると、上述した構成のリチウムイオン伝導体LIC、すなわち、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52とハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56とを含むリチウムイオン伝導体LICを製造することができる。
From the above, when the lithium ion conductor LIC is manufactured according to the above-described manufacturing method, the lithium ion conductor LIC having the above-described configuration, that is, the oxide-based lithium
なお、上述した製造方法において、原料として、ハロゲン化リチウムの粉末に代えて、または、ハロゲン化リチウムの粉末に加えて、ハロゲン化リチウム水和物および/またはハロゲン化リチウム水酸化物の粉末を用いてもよい。このようにしても、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52とハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56とを含むリチウムイオン伝導体LICを製造することができる。本明細書では、ハロゲン化リチウムとハロゲン化リチウム水和物とハロゲン化リチウム水酸化物との少なくとも1つを含む粒子を、ハロゲン化リチウム系粒子という。
In the above-described production method, a lithium halide hydrate and / or a lithium halide hydroxide powder is used as a raw material instead of or in addition to the lithium halide powder. You may. Even in this manner, a lithium ion conductor LIC including the oxide-based lithium
以上説明したように、本実施形態の全固体電池102に用いられるリチウムイオン伝導体LICは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52同士の間にハロゲン化リチウム水和物含有粒子54および/またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56が存在する領域を有するため、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子52同士がハロゲン化リチウム水和物含有粒子54および/またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56により融着することで、粒子間の密着性が高く、高いリチウムイオン伝導率(例えば、25℃において1.0×10−5S/cm以上)を有する。また、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICは、比較的高温(例えば1000℃程度)の熱処理によって焼結体を形成させなくても、より低い温度での熱処理を行うだけで高いリチウムイオン伝導率を得られるため、製造に要するエネルギーを低減することができると共に、正極層114および負極層116に熱的負荷を与えないため、正極層114および負極層116の材料選択の自由度を向上させることができる。また、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICは、大気中で水分と反応して硫化水素を発生する硫化物系リチウムイオン伝導体を含有しないため、高い安全性を有する。As described above, the lithium ion conductor LIC used in the all-solid-
なお、一般に、ハロゲン化リチウムやその水和物・水酸化物のリチウムイオン伝導率(25℃)は、1.0×10−7S/cm程度と極めて低い。本願発明者は、酸化物系リチウムイオン伝導体に、リチウムイオン伝導率が極めて低いハロゲン化リチウムやその水和物・水酸化物を加えて混合することにより、リチウムイオン伝導率が大きく向上するという予測困難な効果が得られることを見出した。本願発明は、この点において、当業者が想到することが極めて困難な発明であると言える。In general, the lithium ion conductivity (25 ° C.) of lithium halide or its hydrate / hydroxide is extremely low at about 1.0 × 10 −7 S / cm. The inventor of the present application has reported that lithium ion conductivity is greatly improved by adding and mixing lithium halide or a hydrate or hydroxide thereof having an extremely low lithium ion conductivity to an oxide-based lithium ion conductor. It has been found that effects that are difficult to predict can be obtained. In this regard, the present invention can be said to be an invention that is extremely difficult for those skilled in the art to come up with.
A−3.性能評価:
(第1の性能評価)
リチウムイオン伝導体LICの複数のサンプルを作製し、性能評価として各サンプルのリチウムイオン伝導率Ci等を測定した。図6および図7は、第1の性能評価における各サンプルの構成および第1の性能評価結果を示す説明図であり、図8は、第1の性能評価におけるサンプル1〜19のリチウムイオン伝導率Ciの測定結果を示すグラフである。図8の各プロット番号(P1〜P19)は、それぞれ、図6の各サンプル番号(1〜19)に対応している。なお、図6に示されたサンプルの一部(サンプル4,12)は、図7にも示されている。A-3. Performance evaluation:
(First performance evaluation)
A plurality of samples of the lithium ion conductor LIC were prepared, and the lithium ion conductivity Ci and the like of each sample were measured as performance evaluation. 6 and 7 are explanatory diagrams showing the configuration of each sample and the results of the first performance evaluation in the first performance evaluation. FIG. 8 shows the lithium ion conductivity of
図6および図7には、各サンプルの作製に使用した材料が示されている。第1の性能評価では、酸化物系リチウムイオン伝導体としてLLZ−MgSrを用い、ハロゲン化リチウムとしてLiIを用いた。また、図6および図7には、各サンプルについて、切断面における酸化物系リチウムイオン伝導体粒子(具体的にはLLZ−MgSr粒子)とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子(具体的にはLiIの水和物(または水酸化物)含有粒子)との合計量に占める酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の割合(以下、「酸化物系割合X」という)が示されている。なお、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の割合とは、後述する切断面画像を用いた画像解析における、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の面積とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子の面積とから求められる面積割合で示すことができる。ここで、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子との割合は、酸化物系割合Xを用いて、X:(100−X)と表される。また、原料段階での酸化物系割合Xは、原料に対する混合処理や熱処理を経て作製されたリチウムイオン伝導体LICにおいても、ほぼ同じ値に維持される。酸化物系割合Xの値が0(ゼロ)%であるサンプル(サンプル1,9)は、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子(LiIの水和物(または水酸化物)含有粒子)のみから構成されており、酸化物系割合Xの値が100%であるサンプル(サンプル8,16,19)は、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子(LLZ−MgSr粒子)のみから構成されている。
FIG. 6 and FIG. 7 show the materials used for producing each sample. In the first performance evaluation, LLZ-MgSr was used as the oxide-based lithium ion conductor, and LiI was used as the lithium halide. FIGS. 6 and 7 show, for each sample, particles containing oxide-based lithium ion conductor particles (specifically, LLZ-MgSr particles) and lithium halide hydrate (or hydroxide) at the cut surface. (Specifically, the ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles to the total amount of the particles and the hydrate (or hydroxide) -containing particles of LiI (hereinafter referred to as “oxide-based ratio X”) is shown. ing. In addition, the ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles refers to the area of the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide hydrate (or hydroxide) in an image analysis using a cross-sectional image described later. It can be indicated by the area ratio determined from the area of the contained particles. Here, the ratio between the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles is expressed as X: (100−X) using the oxide-based ratio X. You. Further, the oxide-based ratio X in the raw material stage is maintained at substantially the same value in the lithium ion conductor LIC manufactured through the mixing process and the heat treatment of the raw material. Samples (
また、図6には、混合処理(図4のS120)の方法が示されている。混合処理としては、乳鉢を用いた混合処理または遊星型ボールミルを用いた混合処理を行った。なお、酸化物系割合Xの値が0(ゼロ)%または100%のサンプルでは、混合処理は実行されない。また、図7に示すすべてのサンプルでは、乳鉢を用いた混合処理が実行されたため、図7では「混合処理」の項目を省略している。また、図6および図7には、熱処理(図4のS130)の温度および時間とが示されている。熱処理としては、80℃、17時間の熱処理、または、1100℃、4時間の熱処理を行った。なお、サンプル1〜8,17,20,21では、熱処理は実行されていない。
FIG. 6 shows a method of the mixing process (S120 in FIG. 4). As the mixing process, a mixing process using a mortar or a mixing process using a planetary ball mill was performed. It should be noted that the mixing process is not performed on the sample in which the value of the oxide-based ratio X is 0 (zero)% or 100%. Further, in all the samples shown in FIG. 7, the mixing process using the mortar was performed, and thus the item of “mixing process” is omitted in FIG. FIGS. 6 and 7 show the temperature and time of the heat treatment (S130 in FIG. 4). As the heat treatment, heat treatment at 80 ° C. for 17 hours or heat treatment at 1100 ° C. for 4 hours was performed. Note that heat treatment was not performed on
図6および図7に示すように、サンプル1〜8,20,21は、熱処理が実行されずに作製されたものであり、粉末である。サンプル1〜8,20,21のそれぞれは、酸化物系割合Xの値が互いに異なっている。一方、サンプル9〜16,22,23は、それぞれ、サンプル1〜8,20,21と同様の構成の粉末に対して80℃、17時間の熱処理を実行して作製された加熱品である。サンプル1〜16,20〜23の内、LLZ−MgSrとLiIとの両者を含有するサンプル(サンプル2〜7,10〜15,20〜23)では、乳鉢を用いた混合処理が実行されている。
As shown in FIGS. 6 and 7,
また、サンプル17は、サンプル4において、混合処理の方法を遊星型ボールミルを用いた方法に置換したものであり、同様に、サンプル18は、サンプル12において、混合処理の方法を遊星型ボールミルを用いた方法に置換したものである。一般に、遊星型ボールミルを用いた混合処理を行うと、乳鉢を用いた混合処理を行う場合と比べて、リチウムイオン伝導体LICを構成する粒子の平均粒径が小さくなり、かつ、粒径のばらつきが小さくなる。
また、サンプル19は、LLZ−MgSrの粉末に対して1100℃、4時間の熱処理を実行して作製された焼結体である。以下、各サンプルの作製方法について詳述する。
まず、Li6.95Mg0.15La2.75Sr0.25Zr2.0O12という組成となるように、Li2CO3、MgO、La(OH)3、SrCO3、ZrO2を秤量した。その際、焼成時のLiの揮発を考慮し、元素換算で15mol%程度過剰になるように、Li2CO3をさらに加えた。この原料をジルコニアボールとともにナイロンポットに投入し、有機溶剤中で15時間ボールミルで粉砕混合を行った。混合後、スラリーを乾燥させ、1100℃、10時間、MgO板上にて仮焼を行った。なお、仮焼後の粉末の組成は上記組成から多少ずれる場合がある。仮焼後の粉末をボールミルで粉砕し、LLZ−MgSr粉末を得た。First, Li 2 CO 3 , MgO, La (OH) 3 , SrCO 3 , and ZrO 2 were added so that the composition became Li 6.95 Mg 0.15 La 2.75 Sr 0.25 Zr 2.0 O 12. Weighed. At that time, in consideration of the volatilization of Li at the time of firing, Li 2 CO 3 was further added so as to be about 15 mol% excess in terms of element. This raw material was put into a nylon pot together with zirconia balls, and pulverized and mixed in a ball mill for 15 hours in an organic solvent. After mixing, the slurry was dried and calcined at 1100 ° C. for 10 hours on an MgO plate. The composition of the powder after calcination may be slightly different from the above composition. The calcined powder was pulverized with a ball mill to obtain LLZ-MgSr powder.
サンプル2〜7,20,21については、作製されたLLZ−MgSr粉末とヨウ化リチウム粉末(高純度化学研究所製、純度99.9%)とを、各サンプルの酸化物系割合Xに応じた配合割合で配合し、乳鉢で15分間粉砕混合して混合粉末を得た。なお、サンプル1,8については、単体の粉末が用いられるため、混合処理は実行されない。サンプル1〜8,20,21について、混合粉末(または単体粉末)を直径10mmの円筒絶縁容器中に投入し、ステンレス集電体と共にプレス機によって360MPaでプレスして圧粉体を得た。得られた各圧粉体(サンプル1〜8,20,21)を対象として、交流インピーダンス法(ソーラトロン社製 1470Eおよび1255Bを用いる)により、25℃でのリチウムイオン伝導率Ciを測定した。
For
また、サンプル9〜16,22,23については、サンプル1〜8,20,21と同様に圧粉体を作製した後、圧粉体を50MPaで再固定し、Ar(アルゴン)雰囲気で封じたガラス製容器に入れ、大気中で高温槽(ESPEC社製 PU−1KPH)にて80℃、17時間の熱処理を行って加熱品を得た。得られた各加熱品(サンプル9〜16,22,23)を25℃まで冷却し、サンプル1〜8,20,21と同様にリチウムイオン伝導率Ciを測定した。
For
また、サンプル17については、作製されたLLZ−MgSr粉末とヨウ化リチウム粉末(高純度化学研究所製、純度99.9%)とを、酸化物系割合Xに応じた配合割合で配合し、遊星型ボールミルで45ccのジルコニアポットとΦ4mmのボールを40g用いて、200rpm、3時間粉砕混合して混合粉末を得た。その後は、サンプル1〜8,20,21と同様に、混合粉末から圧粉体を得て、得られた圧粉体(サンプル17)を対象としてリチウムイオン伝導率Ciを測定した。また、サンプル18については、サンプル17と同様に圧粉体を得た後、サンプル9〜16,22,23と同様に熱処理を行って加熱品を得て、得られた加熱品(サンプル18)を対象としてリチウムイオン伝導率Ciを測定した。
For
また、サンプル19については、作製されたLLZ−MgSr粉末にバインダーを加え、有機溶剤中で、15時間ボールミルで粉砕混合を行った。その後、スラリーを乾燥させて、バインダーを含有するLLZ−MgSr粉末を得た。この粉末を、直径12mmの金型で厚さが1.5mm程度になるようにプレス成型し、冷間静水等方圧プレス機(CIP)を用いて1.5t/cm2の静水圧を印加して成型体を得た。得られた成型体を成型体と同様の組成の仮焼粉末で覆い、窒素雰囲気で1100℃、4時間の熱処理を行うことにより焼結体を得た。なお、この焼結体を粉砕処理して主結晶相をXRDで同定したところ、この焼結体の結晶構造はイオン伝導率Ciの高いLLZ立方晶であった。焼結体の両面を研磨し、金蒸着を施すことによって測定用試料を得た。得られた測定用試料(サンプル19)を対象として、サンプル1〜8と同様にリチウムイオン伝導率Ciを測定した。For
また、図7に示すサンプル4,12,20〜23については、リチウムイオン伝導体LICにおけるハロゲン化リチウムの分布の偏りの大きさを示す指標としての、破断面の酸化物系イオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)との存在割合から標準偏差σを算出した。本明細書で、破断面とは、サンプルに対し、外力を加え破壊したときに出る断面のことを言い、研磨やイオンビーム等で加工した断面である切断面ではない断面のことである。また、上記指標としての破断面の酸化物系イオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)との存在割合から算出した標準偏差σは、以下の方法で求めることができる。まずサンプルの破断面をSEM−EDS測定により元素分析を行い、酸化物系リチウムイオン伝導体を構成する元素のうち、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)に含まれる元素と酸素元素を除いた元素の中から代表元素Xを選び、また、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)のハロゲン元素Yを選ぶ。図7に示すサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体を構成する代表元素X(以下、単に「元素X」と呼ぶ)として、La(ランタン)を選択し、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)のハロゲン元素Y(以下、単に「元素Y」と呼ぶ)として、I(ヨウ素)を選択した。次に、破断面における元素Xに対する元素Yの比率Ri(=Yi/Xi)を算出する。ここで比率Ri(=Yi/Xi)についてサンプルのm箇所(ただし、mは9以上の整数)で算出する。なお、m箇所の選定は無作為でよい。さらに、算出したm箇所の比率Ri(R1からRm)について、平均値を算出する。m箇所で算出した比率Ri(R1からRm)を平均値で除算して、この除算値(m点)について、平均値に対する標準偏差σを算出する。
For
リチウムイオン伝導体LICにおけるハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが十分に小さい場合は、上記標準偏差σは0.6未満となる。また、リチウムイオン伝導体LICにおけるハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが極めて小さい場合は、上記標準偏差σは0.4未満となる。そのため、上記標準偏差σが0.6未満であると、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが十分に小さく、リチウムイオン伝導率Ciが大きく向上するため、好ましい。また、上記標準偏差σが0.4未満であると、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが極めて小さく、リチウムイオン伝導率Ciが極めて大きく向上するため、さらに好ましい。 When the deviation of the distribution of lithium halide hydrate (or hydroxide) in the lithium ion conductor LIC is sufficiently small, the standard deviation σ is less than 0.6. In addition, when the deviation of the distribution of lithium halide hydrate (or hydroxide) in the lithium ion conductor LIC is extremely small, the standard deviation σ is less than 0.4. For this reason, it is preferable that the standard deviation σ is less than 0.6, because the deviation of the distribution of lithium halide hydrate (or hydroxide) is sufficiently small, and the lithium ion conductivity Ci is greatly improved. If the standard deviation σ is less than 0.4, the distribution of lithium halide hydrate (or hydroxide) is less biased, and the lithium ion conductivity Ci is significantly improved.
また、図7に示すサンプル4,12,20〜23については、リチウムイオン伝導体LICの断面(破断面および切断面)におけるハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の面積割合であるハロゲン化リチウム面積割合(%)を算出した。なお、リチウムイオン伝導体LICの破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合をZaと表し、リチウムイオン伝導体LICの切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合をZbと表す。ここで、破断面とは上述の破断面と同義である。さらに、本明細書において、切断面とは、研磨やイオンビーム等で加工した断面のことを言い、上述の破断面とは異なる断面である。切断面は、例えばクロスセクションポリッシャ法(CP法)等で得ることができる。また、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaと切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbは、SEM−EDSによる元素マッピングにより求めることができる。
Further, for
リチウムイオン伝導体LICが、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaが切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbより大きいという関係(Za > Zb)を満たすと、リチウムイオン伝導率Ciが大きく向上するため、好ましい。さらに、切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbに対する破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaの比が1.3より大きいという関係((Za/Zb)>1.3)を満たすと、リチウムイオン伝導率Ciがさらに大きく向上するため、さらに好ましい。なお、リチウムイオン伝導体LICが、Za > Zbの関係を満たすということは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多いことを示す。つまりは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子がハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子で覆われている領域が多いともいえる。このように言える理由としては、破断面は外力による破壊によって得られる断面であるため、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子同士の間で破断されることになる。つまり、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多い形態では、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が多く表出することとなる。一方、切断面とは、研磨面もしくはイオンビーム等で加工した断面であるため、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子も切断され、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の内部組織が表出することになる。その結果、破断面に比べて切断面の方が酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の表出割合が大きくなる。しかし、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が存在しない形態では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaと、切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbとを比べても違いがほとんど表れない(つまり、Za≒Zb(ZaとZbとはほぼ等しい)となる)。よって、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合をZaとし、切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合をZbとしたときZa > Zbの関係を満たすことで、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多いと言える。 When the lithium ion conductor LIC satisfies the relation (Za> Zb) that the lithium halide area ratio Za in the fracture surface is larger than the lithium halide area ratio Zb in the cut surface, the lithium ion conductivity Ci is greatly improved. preferable. Further, when the relationship of the ratio of the area ratio of the lithium halide in the fractured surface to the area ratio of the lithium halide in the cut surface is larger than 1.3 ((Za / Zb)> 1.3), the lithium ion conductivity It is more preferable because Ci is further improved. The fact that the lithium ion conductor LIC satisfies the relationship of Za> Zb means that a region where lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles exist between oxide-based lithium ion conductor particles. Indicates that there are many. In other words, it can be said that there are many regions where the oxide-based lithium ion conductor particles are covered with lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles. The reason that can be said in this manner is that the fracture surface is a cross-section obtained by destruction by an external force, so that the fracture occurs between the oxide-based lithium ion conductor particles. In other words, in a form in which there are many regions where lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles exist between oxide-based lithium ion conductor particles, lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles Will be expressed more. On the other hand, since the cut surface is a polished surface or a cross section processed by an ion beam or the like, the oxide-based lithium ion conductor particles are also cut, and the internal structure of the oxide-based lithium ion conductor particles is exposed. Become. As a result, the exposed ratio of the oxide-based lithium ion conductor particles is larger at the cut surface than at the fractured surface. However, when there is no region in which the lithium halide hydrate (or hydroxide) -containing particles are present between the oxide-based lithium ion conductor particles, the lithium halide area ratio Za in the fracture surface and the cut surface , The difference hardly appears (that is, Za ≒ Zb (Za and Zb are substantially equal)). Therefore, when the area ratio of the lithium halide in the fracture surface is defined as Za and the area ratio of the lithium halide in the cut surface is defined as Zb, the relationship of Za> Zb is satisfied. It can be said that there are many regions where lithium hydrate (or hydroxide) -containing particles are present.
(測定結果)
図6および図8に示すように、サンプル10〜15は、サンプル2〜7と比較して高いリチウムイオン伝導率Ciを示した。そのため、LLZ−MgSrとLiIとの混合粉末に対して80℃程度の熱処理を行うと、リチウムイオン伝導率Ciが高くなると言える。これは、熱処理によってLiI水和物(または水酸化物)が融着し、LiI水和物(または水酸化物)によってLLZ−MgSr粒子同士の間の空隙が埋められた状態となり、粒子間の密着性が高くなるためであると考えられる。(Measurement result)
As shown in FIGS. 6 and 8,
図9および図10は、加熱処理が実行されていないリチウムイオン伝導体LICの構成を示す説明図である。図9には、サンプル4の破断面のSEM画像(1000倍)が示されており、図10には、図9に対応するサンプル4の破断面のSEM−EDS画像(元素マッピング画像)(1000倍)が示されている。図9および図10に示すように、加熱処理が実行されていないリチウムイオン伝導体LIC(サンプル4)では、酸化物系リチウムイオン伝導体(具体的にはLLZ−MgSr)の粒子52同士の間にハロゲン化リチウム水和物(具体的にはLiI)含有粒子54またはハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56が存在する箇所があるものの、LiI水和物(または水酸化物)の分散度が小さいため、粒子間の密着性が比較的低い。そのため、サンプル4では、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い。これに対し、上述した図2および図3に示すように、加熱処理が実行されたリチウムイオン伝導体LIC(サンプル12)では、LiI水和物(または水酸化物)の分散度が高く、粒子間の密着性が高いため、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高くなっている。
FIG. 9 and FIG. 10 are explanatory diagrams illustrating the configuration of the lithium ion conductor LIC in which the heat treatment has not been performed. FIG. 9 shows an SEM image (1000 times) of the fracture surface of
なお、図8には、サンプル9〜16のプロット(P9〜P16)から導かれる3次の近似曲線ACの一部が示されている。この近似曲線ACに基づくと、酸化物系割合Xが30%以上、100%未満(30≦X<100)であれば、おおよそ1.0×10−5S/cm以上のリチウムイオン伝導率Ciが得られるため、好ましいと言える。また、酸化物系割合Xが38%以上、97%以下(38≦X≦97)であれば、LLZ−MgSrの焼結体であるサンプル19と同等以上であるおおよそ1.0×10−3S/cm以上のリチウムイオン伝導率Ciが得られるため、さらに好ましいと言える。FIG. 8 shows a part of a third-order approximate curve AC derived from plots (P9 to P16) of
また、サンプル18は、サンプル12と比較して高いリチウムイオン伝導率Ciを示した。そのため、遊星型ボールミルを用いた混合処理を行うと、乳鉢を用いた混合処理を行う場合と比べて、リチウムイオン伝導率Ciが高くなると言える。遊星型ボールミルを用いた混合処理を行うと、乳鉢を用いた混合処理を行う場合と比べて、リチウムイオン伝導体LICを構成する粒子の平均粒径が小さくなり、かつ、粒径のばらつきが小さくなるため、それらの内の少なくとも一方が原因となってリチウムイオン伝導率Ciが高くなるものと考えられる。なお、サンプル12の酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の平均粒径は14.8μmであり、サンプル18の酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の平均粒径は3.1μmであった。
Further,
また、図7に示すように、熱処理を実行していないサンプル4,20,21では、上述の標準偏差σが0.6以上となった。すなわち、これらのサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的大きいと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、熱処理を実行したサンプル12,22,23では、上述の標準偏差σが0.6未満となった。すなわち、これらのサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的小さいと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、上述の標準偏差σの値が0.6未満となることが好ましいと言える。
Further, as shown in FIG. 7, in the
また、図7に示すように、熱処理を実行していないサンプル4では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbと同じ値であった(Za=Zb)。すなわち、このサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が少ない、または、存在しないと言える。そのため、このサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、熱処理を実行したサンプル12,22,23では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbより大きい値であった(Za>Zb)。すなわち、これらのサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多いと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、Za>Zbという関係を満たすことが好ましいと言える。
Further, as shown in FIG. 7, in
図11および図12は、本実施形態のリチウムイオン伝導体LICの構成を示す説明図である。図11には、サンプル12の切断面のSEM画像(1000倍)が示されており、図12には、図11に対応するサンプル12の切断面のSEM−EDS画像(元素マッピング画像)(1000倍)が示されている。図11および図12に示すように、リチウムイオン伝導体LICの切断面では、図2および図3に示すリチウムイオン伝導体LICの破断面と比較して、ハロゲン化リチウム面積割合(Zb)が小さくなっている。
FIG. 11 and FIG. 12 are explanatory diagrams illustrating the configuration of the lithium ion conductor LIC of the present embodiment. FIG. 11 shows an SEM image (1000 times) of a cut surface of the
なお、酸化物系リチウムイオン伝導体として、LLZに対してAlの元素置換を行ったもの(以下、「LLZ−Al」という)を用いたサンプル(酸化物系割合X=50%)、および、酸化物系リチウムイオン伝導体としてLAGPを用いたサンプル(酸化物系割合X=50%)についても、同様にリチウムイオン伝導率Ciを測定した。これらのサンプルは、使用材料以外の条件(酸化物系割合X、混合処理方法、熱処理条件)は、上記サンプル12と同様である。測定の結果、これらの酸化物系リチウムイオン伝導体としてLLZ−AlやLAGPを用いたサンプルにおいても、4.4×10−4S/cmおよび1.2×10−4S/cm程度の高いリチウムイオン伝導率Ciを示すことが確認された。Note that a sample (hereinafter, referred to as “LLZ-Al”) in which LLZ was subjected to elemental substitution of Al as an oxide-based lithium ion conductor (oxide-based ratio X = 50%), and The sample using LAGP as the oxide-based lithium ion conductor (oxide-based ratio X = 50%) was similarly measured for the lithium-ion conductivity Ci. In these samples, the conditions other than the materials used (the oxide-based ratio X, the mixing method, and the heat treatment conditions) are the same as those of the
なお、リチウムイオン伝導体LICにおける酸化物系割合Xは、以下の方法により測定することができる。リチウムイオン伝導体LICが粒子である場合、この粒子を樹脂等に埋めて固定したのち、研磨や、クロスセクションポリッシャ法(CP法)などにより粒子の切断面を取得する。この切断面に対してSEM−EDS分析を行い上述の「元素X」の割合を求めることで、酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合を算出する。次に全体を100%と仮定して、100%からの酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合を減算した値をハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の面積割合とする。また、リチウムイオン伝導体LICがバルク体である場合、このバルク体に対して、研磨や、クロスセクションポリッシャ法(CP法)などによりバルク体の切断面を取得する。この切断面に対してSEM−EDS分析を行い上述の「元素X」の割合を求めることで、酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合を算出する。次に全体を100%と仮定して、100%からの酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合を減算した値をハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の面積割合とする。なお、リチウムイオン伝導体LICが他の材料と混ぜて使用されているバルク体の場合(例えば、電極材料として使われる場合)、XRDによる結晶構造解析により、混在している物質の同定を行う。次いで、このバルク体に対して研磨や、クロスセクションポリッシャ法(CP法)などによりバルク体の切断面を取得する。この切断面に対してSEM−EDS分析を行い、XRDの結果と合わせて、リチウムイオン伝導体LICと他の材料との分別を行う。そして、リチウムイオン伝導体LICの部分に対して、SEM−EDSによる元素分析の結果から、上述の「元素X」の割合を算出し、酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合とする。次にリチウムイオン伝導体LICの部分の全体を100%と仮定して、100%からの酸化物系リチウムイオン伝導体の面積割合を減算した値をハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の面積割合とする。つまり、このような場合は、他の材料(例えば、電極活物質や導電助剤等)の占める割合は除外して考えるものとする。 The oxide-based ratio X in the lithium ion conductor LIC can be measured by the following method. When the lithium ion conductor LIC is a particle, the particle is embedded in a resin or the like and fixed, and then a cut surface of the particle is obtained by polishing, a cross section polisher method (CP method), or the like. The area ratio of the oxide-based lithium ion conductor is calculated by performing SEM-EDS analysis on the cut surface and obtaining the ratio of the above “element X”. Next, assuming that the whole is 100%, a value obtained by subtracting the area ratio of the oxide-based lithium ion conductor from 100% is defined as the area ratio of the lithium halide hydrate (or hydroxide). When the lithium ion conductor LIC is a bulk body, a cut surface of the bulk body is obtained by polishing or a cross-section polisher method (CP method) on the bulk body. The area ratio of the oxide-based lithium ion conductor is calculated by performing SEM-EDS analysis on the cut surface and obtaining the ratio of the above “element X”. Next, assuming that the whole is 100%, a value obtained by subtracting the area ratio of the oxide-based lithium ion conductor from 100% is defined as the area ratio of the lithium halide hydrate (or hydroxide). In the case where the lithium ion conductor LIC is a bulk material that is used as a mixture with another material (for example, when the lithium ion conductor LIC is used as an electrode material), the mixed materials are identified by crystal structure analysis using XRD. Next, a cut surface of the bulk body is obtained by polishing or a cross section polisher method (CP method) on the bulk body. An SEM-EDS analysis is performed on the cut surface to separate the lithium ion conductor LIC from other materials in accordance with the result of XRD. Then, for the portion of the lithium ion conductor LIC, the ratio of the above “element X” is calculated from the result of elemental analysis by SEM-EDS, and is set as the area ratio of the oxide-based lithium ion conductor. Next, assuming that the entire portion of the lithium ion conductor LIC is 100%, the value obtained by subtracting the area ratio of the oxide-based lithium ion conductor from 100% is calculated as lithium halide hydrate (or hydroxide). Area ratio. That is, in such a case, the ratio occupied by other materials (for example, an electrode active material, a conductive auxiliary agent, and the like) is excluded.
(第2の性能評価)
図13は、第2の性能評価における各サンプルの構成および第2の性能評価結果を示す説明図である。第2の性能評価では、酸化物系リチウムイオン伝導体としてLLZ−MgSrを用い、ハロゲン化リチウムとしてLiBrを用いるか、または、LiBrとLiIとを併用した(この場合のLiBrとLiIとのモル比は1:1)。なお、ハロゲン化リチウムとしてLiBrとLiIとを併用した場合には、LiBrとLiIとの合計量を用いて酸化物系割合X等を算出した。サンプル31,32,35,36は、酸化物系割合Xの値が0%であるため、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子のみから構成されたものである。(Second performance evaluation)
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration of each sample and a second performance evaluation result in the second performance evaluation. In the second performance evaluation, LLZ-MgSr was used as the oxide-based lithium ion conductor, LiBr was used as the lithium halide, or LiBr and LiI were used together (in this case, the molar ratio between LiBr and LiI was used). Is 1: 1). When LiBr and LiI were used together as lithium halide, the oxide-based ratio X and the like were calculated using the total amount of LiBr and LiI.
図13に示すように、サンプル31,33,35,37は、熱処理が実行されずに作製されたものであり、粉末である。一方、サンプル32,34,36,38は、それぞれ、サンプル31,33,35,37と同様の構成の粉末に対して80℃、17時間の熱処理を実行して作製された加熱品である。また、サンプル31〜38の内、酸化物系リチウムイオン伝導体とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子との両者を含有するサンプル(サンプル33,34,37,38)では、乳鉢を用いた混合処理が実行された。
As shown in FIG. 13, the
第2の性能評価における各サンプルの作製方法は、使用するハロゲン化リチウムが異なる点を除けば、上述した第1の性能評価における各サンプルの作製方法と同様である。また、第2の性能評価におけるリチウムイオン伝導率Ciの測定方法、破断面の酸化物系イオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)との存在割合から算出した標準偏差σの算出方法、ハロゲン化リチウム面積割合の算出方法は、上述した第1の性能評価と同様である。 The method for producing each sample in the second performance evaluation is the same as the method for producing each sample in the first performance evaluation described above, except that the lithium halide used is different. Further, the method of measuring the lithium ion conductivity Ci in the second performance evaluation, and the standard deviation σ calculated from the abundance ratio of the oxide ion conductor particles and the lithium halide hydrate (or hydroxide) in the fracture surface And the method of calculating the lithium halide area ratio are the same as those in the first performance evaluation described above.
図13に示すように、熱処理を実行したサンプル34は、熱処理を実行していないサンプル33と比較して高いリチウムイオン伝導率Ciを示した。また、熱処理を実行したサンプル38は、熱処理を実行していないサンプル37と比較して高いリチウムイオン伝導率Ciを示した。そのため、LLZ−MgSrと、LiBrまたはLiBr+LiIと、の混合粉末に対して80℃程度の熱処理を行うと、リチウムイオン伝導率Ciが高くなると言える。これは、熱処理によってLiBr(およびLiI)の水和物(または水酸化物)が融着し、LiBr(およびLiI)の水和物(または水酸化物)によってLLZ−MgSr粒子同士の間の空隙が埋められた状態となり、粒子間の密着性が高くなるためであると考えられる。なお、酸化物系割合Xの値が0%であるサンプル(サンプル31,32,35,36)については、熱処理を実行していないサンプル(サンプル31,35)も熱処理を実行したサンプル(サンプル32,36)も、リチウムイオン伝導率Ciは低かった。
As shown in FIG. 13, the
また、図13に示すように、酸化物系リチウムイオン伝導体とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子との両者を含有するサンプル(サンプル33,34,37,38)の内、熱処理を実行していないサンプル33,37では、上述の標準偏差σが0.6以上となった。すなわち、これらのサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的大きいと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、熱処理を実行したサンプル34,38では、上述の標準偏差σが0.6未満となった。すなわち、これらのサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的小さいと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、上述の標準偏差σの値が0.6未満となることが好ましいと言える。
As shown in FIG. 13, among the samples (
また、図13に示すように、酸化物系リチウムイオン伝導体とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子との両者を含有するサンプル(サンプル33,34,37,38)の内、熱処理を実行していないサンプル33,37では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbとほぼ同じ値であった(Za≒Zb)。すなわち、これらのサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が少ない、または、存在しないと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、熱処理を実行したサンプル34,38では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbより大きい値であった(Za>Zb)。すなわち、これらのサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多いと言える。そのため、これらのサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、Za>Zbという関係を満たすことが好ましいと言える。
As shown in FIG. 13, among the samples (
(第3の性能評価)
図14は、第3の性能評価における各サンプルの構成および第3の性能評価結果を示す説明図である。第3の性能評価では、酸化物系リチウムイオン伝導体としてLLZ−MgSrを用い、ハロゲン化リチウムとしてLiClを用いた。(Third performance evaluation)
FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the configuration of each sample and the third performance evaluation result in the third performance evaluation. In the third performance evaluation, LLZ-MgSr was used as the oxide-based lithium ion conductor, and LiCl was used as the lithium halide.
図14に示すように、いずれのサンプル(サンプル41,42)も、酸化物系リチウムイオン伝導体とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子との両者を含有している。これらのサンプルでは、乳鉢を用いた混合処理が実行された。また、サンプル41は、混合後処理が実行されずに作製されたものであり、粉末である。一方、サンプル42は、サンプル41と同様の構成の粉末に対して25℃、12時間(露点温度5〜7℃)の混合後処理を実行して作製された形成品である。
As shown in FIG. 14, each of the samples (
第3の性能評価における各サンプルの作製方法は、使用するハロゲン化リチウムが異なる点を除けば、上述した第1の性能評価における各サンプルの作製方法と同様である。また、第3の性能評価におけるリチウムイオン伝導率Ciの測定方法、破断面の酸化物系イオン伝導体粒子とハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)との存在割合から算出した標準偏差σの算出方法、ハロゲン化リチウム面積割合の算出方法は、上述した第1の性能評価と同様である。 The method of manufacturing each sample in the third performance evaluation is the same as the method of manufacturing each sample in the first performance evaluation described above, except that a different lithium halide is used. Further, the method of measuring the lithium ion conductivity Ci in the third performance evaluation, the standard deviation σ calculated from the existing ratio of the oxide ion conductor particles and the lithium halide hydrate (or hydroxide) in the fractured surface. And the method of calculating the lithium halide area ratio are the same as those in the first performance evaluation described above.
図14に示すように、混合後処理を実行したサンプル42は、混合後処理を実行していないサンプル41と比較して高いリチウムイオン伝導率Ciを示した。そのため、LLZ−MgSrとLiClとの混合粉末に対して25℃程度で混合後処理を行うと、リチウムイオン伝導率Ciが高くなると言える。これは、25℃程度の混合後処理によってLiClの水和物(または水酸化物)が融着し、LiClの水和物(または水酸化物)によってLLZ−MgSr粒子同士の間の空隙が埋められた状態となり、粒子間の密着性が高くなるためであると考えられる。
As shown in FIG. 14, the
また、図14に示すように、混合後処理を実行していないサンプル41では、上述の標準偏差σが0.6以上となった。すなわち、このサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的大きいと言える。そのため、このサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、混合後処理を実行したサンプル42では、上述の標準偏差σが0.6未満となった。すなわち、このサンプルでは、ハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)の分布の偏りが比較的小さいと言える。そのため、このサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、上述の標準偏差σの値が0.6未満となることが好ましいと言える。
Further, as shown in FIG. 14, in the
また、図14に示すように、混合後処理を実行していないサンプル41では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbとほぼ同じ値であった(Za≒Zb)。すなわち、このサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が少ない、または、存在しないと言える。そのため、このサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的低い値を示した。一方、混合後処理を実行したサンプル42では、破断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zaは切断面におけるハロゲン化リチウム面積割合Zbより大きい値であった(Za>Zb)。すなわち、このサンプルでは、酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間にハロゲン化リチウム水和物(または水酸化物)含有粒子が存在する領域が多いと言える。そのため、このサンプルでは、リチウムイオン伝導率Ciが比較的高い値を示した。この結果から、Za>Zbという関係を満たすことが好ましいと言える。
Further, as shown in FIG. 14, in
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。B. Modification:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態では、上述した構成のリチウムイオン伝導体LICが電解質層112と正極層114と負極層116とのすべてに含まれるとしているが、上述した構成のリチウムイオン伝導体LICは電解質層112と正極層114と負極層116との少なくとも1つに含まれていればよく、電解質層112と正極層114と負極層116とのいずれかに他の構成のリチウムイオン伝導体LIC(例えば、硫化物系リチウムイオン伝導体や酸化物系リチウムイオン伝導体)が含まれるとしてもよい。また、電解質層112と正極層114との間、または、電解質層112と負極層116との間、または、その両方に中間層を設け、この中間層のみに上述した構成のリチウムイオン伝導体LICが含まれるとしてもよい。また、上述した構成のリチウムイオン伝導体LICが、中間層と電解質層112と正極層114と負極層116とのすべてに含まれるとしてもよい。
In the above-described embodiment, the lithium ion conductor LIC having the above-described configuration is included in all of the
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。 Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of another material.
また、上記実施形態では、全固体電池102に用いられるリチウムイオン伝導体LICを例に説明したが、本願発明は、リチウム空気電池やリチウムフロー電池等のリチウムイオン伝導性の固体電解質を利用する他のリチウム電池に用いられるリチウムイオン伝導体LICや、リチウム電池以外に用いられるリチウムイオン伝導体LICにも適用可能である。
Further, in the above embodiment, the lithium ion conductor LIC used for the all
また、上記実施形態では、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56との両方を含むとしているが、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56との一方のみを含むとしてもよい。すなわち、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56との少なくとも一方を含めばよい。また、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54とハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56との少なくとも一方に加えて、ハロゲン化リチウムを含有する粒子を含んでもよい。あるいは、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウムを含有する粒子を含むが、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54およびハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56を含まないとしてもよい。すなわち、リチウムイオン伝導体LICは、ハロゲン化リチウムを含有する粒子と、ハロゲン化リチウム水和物含有粒子54と、ハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子56と、の少なくとも1つを含めばよい。
Further, in the above embodiment, the lithium ion conductor LIC includes both the lithium halide hydrate-containing
52:酸化物系リチウムイオン伝導体粒子 54:ハロゲン化リチウム水和物含有粒子 56:ハロゲン化リチウム水酸化物含有粒子 102:全固体リチウムイオン二次電池 110:電池本体 112:電解質層 114:正極層 116:負極層 154:集電部材 156:集電部材 52: Oxide-based lithium ion conductor particles 54: Lithium halide hydrate-containing particles 56: Lithium halide hydroxide-containing particles 102: All-solid lithium ion secondary battery 110: Battery body 112: Electrolyte layer 114: Positive electrode Layer 116: negative electrode layer 154: current collecting member 156: current collecting member
Claims (13)
2つの前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子の間に、ハロゲン化リチウムとハロゲン化リチウム水和物とハロゲン化リチウム水酸化物との少なくとも1つが存在する領域を有し、
前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、ヨウ素(I)と臭素(Br)と塩素(Cl)との少なくとも1つである、イオン伝導体。 In an ion conductor comprising a plurality of oxide-based lithium ion conductor particles,
Between two of the oxide-based lithium ion conductor particles, and have a region of at least one of the presence of the lithium halide and lithium halide hydrate and lithium halide hydroxides,
The ionic conductor, wherein the halogen element of the lithium halide is at least one of iodine (I), bromine (Br), and chlorine (Cl) .
前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、ヨウ素(I)を含むことを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to claim 1,
An ionic conductor, wherein the halogen element of the lithium halide contains iodine (I).
前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、臭素(Br)を含むことを特徴とする、イオン伝導体。 In the ionic conductor according to claim 1 or claim 2,
An ionic conductor, wherein the halogen element of the lithium halide includes bromine (Br).
前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、塩素(Cl)を含むことを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to any one of claims 1 to 3,
An ion conductor, wherein the halogen element of the lithium halide includes chlorine (Cl).
前記イオン伝導体における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りの大きさを示す指標として、破断面における前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子と、前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物と、の存在割合から算出した標準偏差の値が0.6未満であることを特徴とする、イオン伝導体。 In the ionic conductor according to any one of claims 1 to 4,
As the index indicating the magnitude of the uneven distribution of the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in the ion conductor, the oxide-based lithium ion conductor in the fracture surface Particles, the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide, and the value of the standard deviation calculated from the abundance ratio is less than 0.6, Ion conductor.
前記イオン伝導体における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物の分布の偏りの大きさを示す指標として、破断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子に含まれる元素から、リチウムと酸素とを除く特定の元素を選択して、前記特定の元素の存在割合をXiとし、前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物に含まれるハロゲン元素の存在割合をYiとしたときに、Xiに対するYiの比率(Yi/Xi)をRiとして、m箇所(ただし、mは9以上の整数)におけるm個の比率Riからなるデータ群(比率R1からRm)から算出した標準偏差の値が0.6未満であることを特徴とする、イオン伝導体。 In the ionic conductor according to any one of claims 1 to 4,
As an index indicating the magnitude of the deviation of the distribution of the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in the ion conductor, the oxide-based lithium ion conduction A specific element excluding lithium and oxygen is selected from the elements contained in the body particles, and the existence ratio of the specific element is defined as Xi, and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the halogen is used. Assuming that the ratio of the halogen element contained in the lithium hydroxide is Yi, the ratio of Yi to Xi (Yi / Xi) is Ri, and m number of m (where m is an integer of 9 or more) m An ionic conductor, wherein a value of a standard deviation calculated from a data group including the ratio Ri (the ratios R1 to Rm) is less than 0.6.
前記イオン伝導体の破断面における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物が占める領域の面積割合をZaとし、前記イオン伝導体の切断面における前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物が占める領域の面積割合をZbとしたとき、Za>Zbの関係を満たすことを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to any one of claims 1 to 6,
The area ratio of a region occupied by the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in the fracture surface of the ion conductor is defined as Za, and the halogen in the cut surface of the ion conductor is defined as Za. An ion conductor satisfying a relationship of Za> Zb, where Zb is an area ratio of a region occupied by lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide.
前記イオン伝導体の少なくとも1つの切断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子が占める面積と前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子が占める面積との割合をXa:(100−Xa)としたとき、30≦Xa<100を満たすことを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to any one of claims 1 to 7,
Particles containing the area occupied by the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in at least one cut surface of the ion conductor An ion conductor characterized by satisfying 30 ≦ Xa <100, where Xa is the ratio of the area occupied by Xa to (100−Xa).
前記イオン伝導体の少なくとも1つの切断面において、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子が占める面積と前記ハロゲン化リチウム、前記ハロゲン化リチウム水和物、または、前記ハロゲン化リチウム水酸化物を含む粒子が占める面積との割合をXa:(100−Xa)としたとき、38≦Xa≦97を満たすことを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to claim 8,
Particles containing the area occupied by the oxide-based lithium ion conductor particles and the lithium halide, the lithium halide hydrate, or the lithium halide hydroxide in at least one cut surface of the ion conductor Satisfies 38 ≦ Xa ≦ 97, where Xa is the ratio of the area occupied by Xa to (100−Xa).
25℃におけるリチウムイオン伝導率が、1.0×10−5S/cm以上であることを特徴とする、イオン伝導体。 The ionic conductor according to any one of claims 1 to 9,
An ionic conductor having a lithium ion conductivity at 25 ° C. of 1.0 × 10 −5 S / cm or more.
前記酸化物系リチウムイオン伝導体は、LiとZrとLaとOとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導体、および、LiとM(MはTi、Zr、Geの内の少なくとも1つ)とPとOとを少なくとも含有するNASICON型構造を有するイオン伝導体、および、LiとTiとLaとOとを少なくとも含有するペロブスカイト型構造を有するイオン伝導体の内の少なくとも1種類であることを特徴とする、イオン伝導体。 In the ionic conductor according to any one of claims 1 to 10,
The oxide-based lithium ion conductor is an ion conductor having a garnet-type structure or a garnet-like structure containing at least Li, Zr, La, and O; and Li and M (M is Ti, Zr, Ge). At least one of the above), an ion conductor having a NASICON-type structure containing at least P and O, and at least one of an ion conductor having a perovskite-type structure containing at least Li, Ti, La and O An ionic conductor, which is of one type.
前記固体電解質層と、前記正極と、前記負極との少なくとも1つは、請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載のイオン伝導体を含むことを特徴とする、リチウム電池。 In a lithium battery including a solid electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode,
A lithium battery, wherein at least one of the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode includes the ionic conductor according to any one of claims 1 to 11.
酸化物系リチウムイオン伝導体粒子と、ハロゲン化リチウムとハロゲン化リチウム水和物とハロゲン化リチウム水酸化物との少なくとも1つを含む粒子であるハロゲン化リチウム系粒子とを、前記酸化物系リチウムイオン伝導体粒子と前記ハロゲン化リチウム系粒子との体積割合をXb:(100−Xb)としたときに30≦Xb<100を満たす体積割合で混合して混合物を作製する工程と、
前記混合物を加熱する工程と、
を備え、
前記ハロゲン化リチウムのハロゲン元素は、ヨウ素(I)と臭素(Br)と塩素(Cl)との少なくとも1つであることを特徴とする、イオン伝導体の製造方法。 In a method for producing an ionic conductor,
An oxide-based lithium ion conductive particle, and a lithium halide-based particle that is a particle containing at least one of lithium halide, lithium halide hydrate, and lithium halide hydroxide, Preparing a mixture by mixing at a volume ratio satisfying 30 ≦ Xb <100 when the volume ratio of the ionic conductor particles and the lithium halide-based particles is Xb: (100−Xb);
Heating the mixture;
Equipped with a,
Halogen element of said lithium halide is characterized by at least 1 Tsudea Rukoto of iodine (I) and bromine (Br) and chlorine (Cl), the production method of the ionic conductor.
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