JP6676204B2 - 硫化リチウム粒子、硫化物系無機固体電解質材料の製造方法および硫化物系正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
硫化リチウムにより構成された硫化リチウム粒子であって、
前記硫化リチウム粒子の表面に層状の亀裂が形成されており、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d50が0.1mm以上1.5mm以下であり、
X線光電子分光分析法で測定される、前記硫化リチウム粒子の表面から深さ方向5nmまでの範囲における酸素濃度が20.0atom%以下である、硫化リチウム粒子が提供される。
上記硫化リチウム粒子を原料として用いる硫化物系無機固体電解質材料の製造方法が提供される。
上記硫化リチウム粒子を原料として用いる硫化物系正極活物質の製造方法が提供される。
本実施形態の硫化リチウム粒子は、硫化リチウムにより構成されたものであり、表面に層状の亀裂が形成されており、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d50が0.1mm以上1.5mm以下である。
また、本実施形態の硫化リチウム粒子の平均粒子径d50は、0.1mm以上であり、好ましくは0.2mm以上である。平均粒子径d50が上記下限値以上であると、反応系で発生した水が硫化リチウム粒子に付着して粒子が固着するのを防ぐことができる。また大気中の水分や酸素による硫化リチウム粒子の酸化分解を抑制することができ、不純物である酸素の含有量を低下させることができる。これにより、得られる電池材料のリチウムイオン伝導性をより良好なものとすることができる。
本実施形態においては、とくに硫化リチウム粒子の製造方法として粒子状の水酸化リチウムと硫化水素との反応によって硫化リチウムを合成する製造方法を選択すること、原料である水酸化リチウムの平均粒子径d50等が、上記硫化リチウム粒子の平均粒子径d50を制御するための因子として挙げられる。
ここで、硫化リチウム粒子の表面から深さ方向5nmまでの範囲における酸素濃度は、具体的には以下の方法により測定した値である。
まず、酸素濃度を1.5ppm以下、水分濃度を0.5ppm以下に制御したアルゴン雰囲気のグローブボックス内で硫化リチウム粒子を360MPaでプレス成型し、φ9.5mmの硫化リチウムペレットを得る。次いで、この硫化リチウムペレットの表面に対し、以下の条件によりX線光電子分光分析(XPS)をおこない、硫化リチウムペレット表面の組成を分析する。得られたスペクトルから硫化リチウム粒子の表面から深さ方向5nmまでの範囲における酸素濃度を算出する。
測定装置:PHI社製QuanteraSXM
X線源:単色化Al(1486.6eV)
検出領域:100μmφ
検出深さ:5nm(取り出し角45°)
測定スペクトル:ワイドLi1s、O1s、S2p、F1s、C12p
また、反応が促進されるため、大気との接触時間が減り、大気中の水分や酸素による硫化リチウム粒子の酸化分解をより抑制することができ、不純物である酸素の含有量をより低下させることができる。これにより、得られる電池材料のリチウムイオン伝導性をより良好なものとすることができる。
上記亀裂の幅は、例えば、電子顕微鏡(SEM)写真から測定することができる。
本実施形態においては、とくに硫化リチウム粒子の製造方法として粒子状の水酸化リチウムと硫化水素との反応によって硫化リチウムを合成する製造方法を選択すること、使用する硫化水素の濃度、原料である水酸化リチウムの平均粒子径d50、原料である水酸化リチウムの予備加熱条件等が、硫化リチウム粒子表面の層状の亀裂を制御するための因子として挙げられる。
本実施形態の硫化リチウム粒子の製造方法は、従来の製造方法とは異なるものである。本実施形態の硫化リチウム粒子を得るためには、使用する硫化水素の濃度、原料である水酸化リチウムの平均粒子径d50、原料である水酸化リチウムの予備加熱条件等の条件を高度に制御することが重要である。
本実施形態の硫化リチウム粒子は、例えば、粒子状の水酸化リチウムと硫化水素との反応によって硫化リチウムを合成する製造方法により得ることができる。より具体的には、本実施形態の硫化リチウム粒子は、以下の2つの工程を含む製造方法により得ることができる。
(A)反応槽の内部に配置され、かつ、加熱された多孔質材に対し、水素ガスと硫黄蒸気を供給して上記水素ガスと上記硫黄蒸気を反応させることにより、硫化水素ガスと上記水素ガスを含む反応ガスを生成する工程
(B)生成した上記反応ガスを粒子状の水酸化リチウムに接触させて上記硫化水素ガスと上記水酸化リチウムを反応させることにより、硫化リチウム粒子を生成する工程
はじめに、反応槽101の内部に配置され、かつ、加熱された多孔質材103に対し、水素ガスと硫黄蒸気を供給して上記水素ガスと上記硫黄蒸気を反応させることにより、硫化水素ガスと上記水素ガスを含む反応ガスを生成する。
多孔質材103は、水素ガスと硫黄蒸気との反応を促進するための触媒であり、耐硫化性と耐水素化性を併せ持つ材料により構成されていることが好ましく、例えば、活性炭、ゼオライト、および活性アルミナから選択される一種または二種以上の材料により構成されている。多孔質材103は、不純物である炭酸リチウムの量を低減させる観点から、ゼオライトおよび活性アルミナから選択される一種または二種以上の材料により構成されていることが好ましく、低価格で高温での安定性が高い活性アルミナにより構成されていることが特に好ましい。
多孔質材103は、水素ガスおよび硫黄蒸気が連続的に接触して反応できるように、水素ガスと硫黄蒸気の通り道に配置されていることが好ましい。例えば、図1に示すように、水素ガス導入管105や硫黄107と、水酸化リチウム109との間の位置に配置されていることが好ましい。
また、水素ガスと硫黄蒸気との反応をより効果的に促進する観点から、多孔質材103の細孔には銀、プラチナ、モリブデン、コバルト、ニッケル、鉄、バナジウム等の金属が担持されていてもよい。
硫黄107を加熱する温度としては硫黄蒸気が発生する温度であれば特に限定されず、例えば、180℃以上445℃以下とすることができる。硫黄107を加熱する温度を上記下限値以上とすることにより、硫黄蒸気圧がより適度となり、得られる硫化水素ガスの濃度が高くなるので、硫化リチウムの生成をより効率的におこなうことができる。硫黄107を加熱する温度を上記上限値以下とすることにより、硫黄蒸気圧を1気圧以下にすることができ、水素ガスと反応せずに反応槽101を通過する硫黄の量を抑制することができる。
多孔質材103を加熱する温度としては水素ガスと硫黄蒸気との反応が効率よく進む反応温度であれば特に限定されず、例えば、150℃以上700℃以下、好ましくは250℃以上500℃以下とすることができる。
ここで、上記反応ガス中の硫化水素ガスの濃度は、反応槽101の内部に導入される水素ガスの導入量や硫黄蒸気の生成量を調整することにより制御できる。なお、硫黄蒸気の生成量は、反応槽101の内部に配置する硫黄107の量や、硫黄107を加熱する温度を調整することにより制御できる。なお、通常、反応終了時点以降の排ガスに含まれ硫化水素ガスの濃度が反応ガス中の硫化水素ガスの濃度に相当する。
つぎに、生成した上記反応ガスを粒子状の水酸化リチウム109に接触させて硫化水素ガスと水酸化リチウム109を反応させることにより、硫化リチウム粒子を生成する。
ここで、下記(1)式のような反応が起きていると考えられる。
2LiOH + H2S → Li2S +2H2O (1)
水酸化リチウム109と硫化水素との反応が進行し、反応系から原料である水酸化リチウム109が消失すると、反応による水の発生が止まるため、水の発生量をモニタリングすることにより、反応の進行度合を知ることができる。
また、水酸化リチウム109のレーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d50は、好ましくは0.1mm以上であり、より好ましくは0.2mm以上である。平均粒子径d50が上記下限値以上であると、反応系で発生した水が硫化リチウム粒子に付着して、粒子が固着するのを防ぐことができる。また反応ガスとともに水酸化リチウムや得られた硫化リチウム粒子が排気されてしまうことを抑制することができるため、排ガス処理をより単純なものにすることができる。また、水酸化リチウムや得られた硫化リチウム粒子が反応ガスによって飛散することを抑制することができるため、硫化リチウム粒子の収率を向上させることができる。
反応ガスと水酸化リチウム109を加熱する温度としては、445℃以下が好ましく、420℃以下がより好ましい。加熱する温度が上記上限値以下であると、水酸化リチウム109が溶融するのを抑制できるため、水酸化リチウムの相互間で融着が起こって塊状になることを抑制できる。これにより、反応ガスと水酸化リチウム109との反応をより効果的に進めることができる。
また、反応ガスと水酸化リチウム109を加熱する温度としては、130℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましい。加熱する温度が上記下限値以上であると、反応ガスと水酸化リチウム109との反応速度をより向上させることができる。
なお、生成した反応ガスを115℃以上445℃以下に冷却させる方法としては特に限定されないが、例えば、115℃以上445℃以下の冷却部に接触させて冷却させる方法が挙げられる。ここで、冷却部としては、例えば、図2に示す連結管205等が挙げられる。
ここで、反応槽101のガス排出管113に反応ガスと水酸化リチウム109との反応で生成する水を捕捉する冷却部を設けておくことが好ましい。反応ガスと水酸化リチウム109との反応が終了すれば、硫化リチウムが生成する際に発生する水が上記冷却部へ凝縮しなくなる。そのため、硫化リチウムが生成する際に発生する水が上記冷却部へ凝縮しなくなるまで上記工程(A)および上記工程(B)をおこなうことにより、排ガスの量を最小限にすることができる。
また、本実施形態の硫化リチウム粒子は、高純度であるため、リチウムイオン電池用の正極活物質、負極活物質、固体電解質材料等の電池材料の原料として用いた場合、得られる電池材料のリチウムイオンの伝導度が特に優れている。
本実施形態の硫化リチウム粒子を原料として用いて得られる硫化物系無機固体電解質材料としては、例えば、Li2S−P2S5材料、Li2S−SiS2材料、Li2S−GeS2材料、Li2S−Al2S3材料、Li2S−SiS2−Li3PO4材料、Li2S−P2S5−GeS2材料、Li2S−Li2O−P2S5−SiS2材料、Li2S−GeS2−P2S5−SiS2材料、Li2S−SnS2−P2S5−SiS2材料等が挙げられる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が優れており、製造方法が簡便である点から、Li2S−P2S5材料が好ましい。ここで、例えば、Li2S−P2S5材料とは、Li2S(硫化リチウム)とP2S5とをメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得られる材料を意味する。
本実施形態の硫化リチウム粒子を原料として用いて得られる硫化物系正極活物質としては、例えば、Li−Mo−S化合物、Li−Ti−S化合物、Li−V−S化合物等が挙げられる。
ここで、Li−Mo−S化合物は構成元素としてLi、Mo、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるモリブデン硫化物および本実施形態の硫化リチウム粒子をメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
また、Li−Ti−S化合物は構成元素としてLi、Ti、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるチタン硫化物と本実施形態の硫化リチウム粒子をメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
Li−V−S化合物は構成元素としてLi、V、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるバナジウム硫化物と本実施形態の硫化リチウム粒子をメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
図2に示す製造装置を用いた。第一反応槽201および第二反応槽203として硬質ガラス製の反応容器、多孔性シート111としてステンレスメッシュ、多孔質材103として活性アルミナ(住友化学社製KHA−24)を用いた。なお、第一反応槽201は石英ガラス製の反応容器内に設置した(図示せず)。
次いで、この反応容器を石英ガラス製の反応容器内に設置し、水素ガス導入管105から反応容器内に水素ガスを流量1.0L/minで導入した。次いで、反応容器を300℃に加熱し、反応容器の下段に配置した硫黄から硫黄蒸気を発生させ、水素ガスと硫黄蒸気を活性アルミナに接触させた。これにより、水素ガスと硫黄蒸気とを反応させ、硫化水素ガスを発生させた。
次に、粒子状の水酸化リチウム(5.0g、平均粒子径d50:0.5mm)を入れた硬質ガラス製の反応容器に、水素ガスと硫化水素ガスとを含む反応ガスを送り込み、反応ガスと水酸化リチウムとを接触させながら、水酸化リチウムを400℃に加熱した。これにより、水酸化リチウムと硫化水素ガスとが反応し、硫化リチウム粒子が生成した。
ここで、水酸化リチウムおよび硫化リチウム粒子の平均粒子径d50は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マルバーン社製、マスターサイザー3000)を用いて測定した。また、使用した粒子状の水酸化リチウムは300℃、24時間予備加熱処理をおこなったものを用いた。
また、原料である水酸化リチウムや炭酸リチウムのピークは認められず、得られた硫化リチウム粒子の純度が高いことがわかった。
また、得られた硫化リチウム粒子の平均粒子径d50は0.5mmであった。
得られた硫化リチウム粒子の表面を走査型電子顕微鏡により観察した。写真を図3に示す。得られた硫化リチウム粒子の表面には、層状の亀裂が複数観察された。
比較例として、高純度試薬の硫化リチウム粒子(Alfa Aesar社製、平均粒子径d50:0.01mm)を使用した。
この硫化リチウム粒子の表面を走査型電子顕微鏡により観察した。写真を図4に示す。この硫化リチウム粒子の表面には、層状の亀裂は観察されなかった。
実施例1で得られた硫化リチウム粒子を使用して硫化物系固体電解質材料Li11P3S12ガラス(結晶化のための熱処理なしの状態)を作製し、リチウムイオン伝導度を測定した。
イオン伝導度は、3.8×10−4Scm−1であった。
これに対し、比較例1の硫化リチウム粒子を使用して作製した硫化物系固体電解質材料Li11P3S12ガラスのリチウムイオン伝導度は2.0×10−4Scm−1であった。
すなわち、実施例1で得られた硫化リチウム粒子を使用して作製した固体電解質Li11P3S12ガラスは、比較例1の硫化リチウム粒子を使用して作製したLi11P3S12ガラスの約2倍のリチウムイオン伝導度であった。
実施例1で得られた硫化リチウム粒子と比較例1の硫化リチウム粒子について、それぞれ以下の手順によりX線光電子分光分析をおこなった。
まず、硫化リチウム粒子を360MPaでプレス成型し、φ9.5mmの硫化リチウムペレットを得た。次いで、この硫化リチウムペレットの表面に対し、以下の条件によりX線光電子分光分析(XPS)をおこない、硫化リチウムペレット表面の組成を分析した。
測定装置:PHI社製QuanteraSXM
X線源:単色化Al(1486.6eV)
検出領域:100μmφ
検出深さ:5nm(取り出し角45°)
測定スペクトル:ワイドLi1s、O1s、S2p、F1s、C12p
以下、参考形態の例を付記する。
1.
硫化リチウムにより構成された硫化リチウム粒子であって、
前記硫化リチウム粒子の表面に層状の亀裂が形成されており、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d 50 が0.1mm以上1.5mm以下である、硫化リチウム粒子。
2.
X線光電子分光分析法で測定される、前記硫化リチウム粒子の表面から深さ方向5nmまでの範囲における酸素濃度が20.0atom%以下である、1.に記載の硫化リチウム粒子。
3.
前記亀裂の幅が0.01μm以上2.00μm以下の範囲内にある、1.または2.に記載の硫化リチウム粒子。
4.
前記亀裂の長さが2.0μm以上30.0μm以下の範囲内にある、1.乃至3.いずれか一つに記載の硫化リチウム粒子。
5.
リチウムイオン電池用の正極活物質、負極活物質または固体電解質材料の原料に用いられる、1.乃至4.いずれか一つに記載の硫化リチウム粒子。
6.
1.乃至4.いずれか一つに記載の硫化リチウム粒子を原料として用いて得られる硫化物系無機固体電解質材料。
7.
1.乃至4.いずれか一つに記載の硫化リチウム粒子を原料として用いて得られる硫化物系正極活物質。
103 多孔質材
105 水素ガス導入管
107 硫黄
109 水酸化リチウム
111 多孔性シート
113 ガス排出管
201 第一反応槽
203 第二反応槽
205 連結管
Claims (6)
- 硫化リチウムにより構成された硫化リチウム粒子であって、
前記硫化リチウム粒子の表面に層状の亀裂が形成されており、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d50が0.1mm以上1.5mm以下であり、
X線光電子分光分析法で測定される、前記硫化リチウム粒子の表面から深さ方向5nmまでの範囲における酸素濃度が20.0atom%以下である、硫化リチウム粒子。 - 前記亀裂の幅が0.01μm以上2.00μm以下の範囲内にある、請求項1に記載の硫化リチウム粒子。
- 前記亀裂の長さが2.0μm以上30.0μm以下の範囲内にある、請求項1または2に記載の硫化リチウム粒子。
- リチウムイオン電池用の正極活物質または負極活物質の原料に用いられる、請求項1乃至3いずれか一項に記載の硫化リチウム粒子。
- 請求項1乃至3いずれか一項に記載の硫化リチウム粒子を原料として用いる硫化物系無機固体電解質材料の製造方法。
- 請求項1乃至3いずれか一項に記載の硫化リチウム粒子を原料として用いる硫化物系正極活物質の製造方法。
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