JP6934042B2 - 硫化物固体電解質粒子 - Google Patents
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Description
一方、全固体リチウムイオン電池の性能及び製造等の観点から、硫化物固体電解質の粒径は小さいことが望ましい。しかしながら、安定相の結晶構造を有する硫化物固体電解質を粉砕等により微粒化した場合、粒径は小さくなるものの、イオン伝導度が著しく低下する場合があるという課題を見出した。
本発明の目的の1つは、安定相の結晶構造を有し、粒径が小さく且つイオン伝導度が高い硫化物固体電解質粒子を提供することである。また、その製造方法を提供することである。
また、本発明の一実施形態によれば、リチウム、リン及び硫黄を含み、レーザ回折式粒度分布測定により測定される体積基準平均粒子径が0.1μm以上10μm以下であり、イオン伝導度が4.0mS/cm以上である、硫化物固体電解質粒子が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、硫化物固体電解質を微粒化し、その後に微粒化物を熱処理する、安定相の結晶構造を含む硫化物固体電解質粒子の製造方法が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、上記硫化物固体電解質粒子と、活物質を含む電極合材が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、上記硫化物固体電解質粒子及び電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池が提供される。
強度比は、0.08以下であることが好ましく、0.07以下であることがより好ましい。強度比は、0であることが好ましいが、0.001以上であってもよく、また、0.005以上であってもよい。
硫化物固体電解質粒子のD50は、0.2μm以上8μm以下であることが好ましく、0.3μm以上6μm以下であることがより好ましい。
回折強度Ibが強いと、硫化物固体電解質粒子のイオン伝導度が低下する。本発明者らは、回折強度Ibは非晶質成分に起因するブロードなピーク(ハローパターン)の強度であり、回折強度Ibが強いことは、硫化物固体電解質粒子の表面層にガラスが生成していることを表していると推定している。
体積基準平均粒子径(D50)及び粉末X線回折の測定方法の詳細は、実施例に記載する。
安定相の結晶構造としては、例えば、アルジロダイト型結晶構造及びLGPS型結晶構造がある。
Phys.Status.Solidi Vol.208(2011),No.8,P.1804−1807、
Solid State Ionics Vol.221(2012)P.1−5、
特許文献1〜5、特開2011−096630号公報、特開2013−211171号公報に開示されている結晶構造を挙げることができる。
アルジロダイト型結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=25.2±0.5degに現れることがあり、また、2θ=15.3±0.5deg、17.7±0.5deg、31.1.±0.5deg、44.9±0.5deg、47.7±0.5degにも現れることがある。本実施形態の硫化物固体電解質粒子は、これらのピークを有していてもよい。
LGPS型結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=20.2±0.5degに現れることがある。例えば、Li10GeP2S12の場合には、LGPS型結晶構造の回折ピークは、2θ=12.4±0.5deg、2θ=14.4±0.5deg、17.4±0.5deg、20.2.±0.5deg、23.9±0.5deg、26.9±0.5deg、29.6±0.5deg、41.5±0.5deg、47.4±0.5degに現れる。
固体31P−NMR測定による結晶構造及びガラスの特定と、各ピークの面積は、固体31P−NMR測定により得られるスペクトルの60〜120ppmに観察される信号を、非線形最少二乗法により各ピークに分離し、各ピークの面積を測定することにより算出する。
例えば、アルジロダイト型結晶構造及びLGPS型結晶構造は、いずれも結晶内にPS4 3−構造を含有しているが、結晶の対称性の違いや、PS4 3−構造周りの原子の配位状態の違いから、それぞれの結晶構造で固体31P−NMR測定で得られるピークの化学シフト位置が異なる。一方、ガラス状態にある硫化物固体電解質には、PS4 3−構造、P2S7 4−構造及びP2S6 4−構造から構成されるガラスが報告されており、これらの各化学構造の化学シフトは上記の結晶のピークの化学シフト位置とは異なる位置に観察されるか、又は、半値幅が大きく異なる。
上述した違いを利用することにより、結晶とガラスが共存する硫化物固体電解質において、その固体31P−NMRスペクトルを結晶によるピークとガラスによるピークに分離し、それぞれの量を定量できる。詳細は後述する実施例に記載する。各ピーク面積は、周辺環境が同じリンの存在量を示している。
5.0≦a≦7.5 ・・・(A)
6.5≦a+c≦7.5 ・・・(B)
0.5≦a−b≦1.5 ・・・(C)
(式中、b>0且つc≧0を満たす。)
また、ハロゲンとしては、F、Cl、Br、I等が挙げられる。
上記式(B)は、6.6≦a+c<7.1であることが好ましく、6.8≦a+c<7.1であることがより好ましい。
上記式(C)は、1.0<a−b≦1.4であることが好ましく、1.0<a−b≦1.3であることがより好ましい。
各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調製することにより制御できる。
X1:F、Cl、O
X2:Br
X3:I、Se、Te
元素Xにおいて、元素X1の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(A)は、5.2≦a≦6.5であることが好ましく、5.25≦a≦6.4であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素X2の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(A)は、5.2≦a≦6.8であることが好ましく、5.3≦a≦6.6であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素X3の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(A)は、5.5≦a≦7.0であることが好ましく、5.5≦a≦6.8であることがより好ましい。
上記リンは硫化物固体電解質粒子の骨格構造を構成する元素である。
本実施形態の硫化物固体電解質粒子は、上記リチウム、リン、硫黄及び元素Xの他に、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb、Bi等の元素を含んでいてもよい。硫化物固体電解質粒子が、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素Mを含む場合、上記(A)〜(C)における各元素のモル比は、元素Mとリンの合計に対するモル比とする。例えば、リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)は、Li/(P+M)とする。
Lia(P1−αMα)SbXc (1)
(式(1)中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素である。a〜cは上記式(A)〜(C)を満たす。αは0≦α≦0.3である。)
αは0が好ましい。
硫化物固体電解質の製造方法は特に限定されない。例えば、上述したアルジロダイト型結晶構造又はLGPS型結晶構造に関する文献を参照することができる。なお、微粒化前の硫化物固体電解質は、微粒化して得られる硫化物固体電解質粒子と同様又は類似の結晶構造を有する硫化物固体電解質でもよい。また、微粒化後の熱処理により硫化物固体電解質粒子の結晶構造となる硫化物固体電解質(中間体)でもよい。
中間体は、例えば、リチウム、リン及び硫黄を含む原料に、機械的応力を加えることにより製造することが好ましい。
硫化物固体電解質を、例えば、ジェットミル等の粉砕装置にて微粒化した後、熱処理する。
以下、本発明の製造方法の一実施形態について説明する。
使用する原料は、製造する硫化物固体電解質粒子が必須として含む元素、すなわち、リチウム、リン及び硫黄を含む1種の化合物、又は、リチウム、リン及び硫黄を全体として含む2種以上の化合物又は単体を組み合わせて使用する。
上記硫化リチウムは、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号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−84438号公報に記載の方法により製造することができる。
具体的には、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号公報)。
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(特開2011−84438号公報)。
Ml−Xm (2)
Xは、F、Cl、Br及びIから選択されるハロゲンである。
また、lは1又は2の整数であり、mは1〜10の整数である。mが2〜10の整数の場合、すなわち、Xが複数存在する場合は、Xは同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、後述するSiBrCl3は、mが4であって、XはBrとClという異なる元素からなるものである。
ハロゲン化合物は、上記の化合物の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
本実施形態では原料に機械的応力を加えて反応させ、ガラス状の硫化物固体電解質(中間体)とすることが好ましい。すなわち、従来よりも強い機械的応力により、原料粉末が結晶性を維持できない状態まで粉砕混合する。これにより、本発明の硫化物固体電解質粒子は高いイオン伝導度を発現すると推定している。
粉砕メディアであるボールは、例えば、ジルコニア製ボールを使用した場合、その直径は0.2〜20mmが好ましい。
微粒化の条件は、使用する装置や、中間体の状態などを考慮して適宜調整することができる。得られる中間体粒子のD50は0.1〜10μmであることが好ましく、0.5〜5μmであることがより好ましい。
具体的に、アルジロダイト型結晶構造の場合、熱処理温度は350〜650℃が好ましく、360〜500℃がさらに好ましく、380〜450℃がより好ましい。また、熱処理時間は温度により調整すればよいが、例えば、0.5〜48時間が好ましく、1〜10時間がより好ましい。
本実施形態では、中間体粒子は2種以上のハロゲン、例えば、ClとBrを含むことが好ましい。中間体粒子は2種以上のハロゲン場合、1種のみのハロゲンを含む場合と比べて、熱処理温度を低くしても、又は、処理時間を短縮しても、D50が小さく、イオン伝導度が高い硫化物固体電解質粒子が得られることがある。
本発明の一実施形態の電極合材は、上述した本発明の硫化物固体電解質粒子と、活物質を含む。又は、本発明の硫化物固体電解質粒子により製造される。活物質として負極活物質を使用すると負極合材となる。一方、正極活物質を使用すると正極合材となる。
本発明の硫化物固体電解質粒子に負極活物質を配合することにより負極合材が得られる。
負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料等を使用することができる。これらのうち2種以上からなる複合体も使用できる。また、今後開発される負極活物質も使用することができる。
また、負極活物質は電子伝導性を有していることが好ましい。
炭素材料としては、グラファイト(例えば、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。
金属材料としては、金属単体、合金、金属化合物が挙げられる。当該金属単体としては、金属ケイ素、金属スズ、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミニウムが挙げられる。当該合金としては、ケイ素、スズ、リチウム、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも1つを含む合金が挙げられる。当該金属化合物としては、金属酸化物が挙げられる。金属酸化物は、例えば酸化ケイ素、酸化スズ、酸化アルミニウムである。
負極合材における負極活物質の含有量が少なすぎると電気容量が小さくなる。また、負極活物質が電子伝導性を有し、導電助剤を含まないか、又は少量の導電助剤しか含まない場合には、負極内の電子伝導性(電子伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、負極合材における負極活物質の含有量が多すぎると、負極内のイオン伝導性(イオン伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。
負極活物質の電子伝導性が低い場合には、導電助剤を添加することが好ましい。導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×103S/cm以上であり、より好ましくは1×105S/cm以上である。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、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であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;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。
なお、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、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。
結着剤としては、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、ある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−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは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。
混合方法は特に限定されないが、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、カッターミルを用いて混合する乾式混合;及び有機溶媒中に原料を分散させた後に、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、フィルミックスを用いて混合し、その後溶媒を除去する湿式混合を適用することができる。これらのうち、負極活物質粒子を破壊しないために湿式混合が好ましい。
本発明の硫化物固体電解質粒子に正極活物質を配合することにより正極合材が得られる。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、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。また、今後開発される正極活物質も使用することができる。
金属酸化物は、例えば遷移金属酸化物である。具体的には、V2O5、V6O13、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCoYO2、LiCo1−YMnYO2、LiNi1−YMnYO2(ここで、0≦Y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNiZO4、LiMn2−ZCoZO4(ここで、0<Z<2)、LiCoPO4、LiFePO4、CuO、Li(NiaCobAlc)O2(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)等が挙げられる。
金属硫化物としては、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が挙げられる。
その他、金属酸化物としては、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)等が挙げられる。
非金属硫化物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等が挙げられる。
上記の他、セレン化ニオブ(NbSe3)、金属インジウム、硫黄も正極活物質として使用できる。
導電助剤は、負極合材と同様である。
本発明の一実施形態のリチウムイオン電池は、上述した本発明の硫化物固体電解質粒子及び電極合材のうち少なくとも1つを含む。又は、本発明の硫化物固体電解質粒子及び電極合材のうち少なくとも1つにより製造される。
リチウムイオン電池の構成は特に限定されないが、一般に、負極層、電解質層及び正極層をこの順に積層した構造を有する。以下、リチウムイオン電池の各層について説明する。
負極層は、好ましくは本発明の負極合材から製造される層である。
又は、負極層は、好ましくは本発明の負極合材を含む層である。
負極層の厚さは、100nm以上5mm以下が好ましく、1μm以上3mm以下がより好ましく、5μm以上1mm以下がさらに好ましい。
負極層は公知の方法により製造することができ、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。
電解質層は、固体電解質を含む層又は固体電解質から製造された層である。当該固体電解質は特に限定されないが、好ましくは本発明の硫化物固体電解質粒子である。
電解質層は、固体電解質のみからなってもよく、さらにバインダーを含んでもよい。当該バインダーとしては、本発明の負極合材の結着剤と同じものが使用できる。
電解質層の固体電解質は、融着していてもよい。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固体電解質粒子と一体化することを意味する。また、電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体は、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。
電解質層は、公知の方法により製造することができ、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。
正極層は、正極活物質を含む層であり、好ましくは本発明の正極合材を含む層又は本発明の正極合材から製造された層である。
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、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。
本実施形態のリチウムイオン電池は、好ましくは集電体をさらに備える。例えば負極集電体は負極層の電解質層側とは反対側に、正極集電体は正極層の電解質層側とは反対側に設ける。
集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
また、本実施形態のリチウムイオン電池は、上述した各部材を順次形成することでも製造できる。公知の方法により製造することができ、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。
なお、評価方法は以下のとおりである。
(1)体積基準平均粒子径(D50)
レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置(HORIBA製、LA−950V2モデルLA−950W2)で測定した。
脱水処理されたトルエン(和光純薬製、特級)とターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を93.8:6.2の重量比で混合したものを分散媒として用いた。装置のフローセル内に分散媒を50mL注入し、循環させた後、測定対象を添加して超音波処理した後、粒子径分布を測定した。なお、測定対象の添加量は、装置で規定されている測定画面で、粒子濃度に対応する赤色光透過率(R)が80〜90%、青色光透過率(B)が70〜90%に収まるように調整した。また、演算条件には、測定対象の屈折率の値として2.16を、分散媒の屈折率の値として1.49をそれぞれ用いた。分布形態の設定において、反復回数を15回に固定して粒径演算を行った。
各例で製造した硫化物固体電解質粒子を、錠剤成形機に充填し、22MPaの圧力を加え成形体とした。電極としてカーボンを成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、測定用の成形体(直径約10mm、厚み0.1〜0.2cm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度を測定した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
各例で製造した硫化物固体電解質粒子から、直径10mm、高さ0.1〜0.3cmの円形ペレットを成形して試料とした。この試料を、XRD用気密ホルダーを用いて空気に触れさせずに測定した。回折ピークの2θ位置は、XRD解析プログラムJADEを用いて重心法にて決定した。
株式会社リガクの粉末X線回折測定装置SmartLabを用いて以下の条件にて実施した。
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線波長:Cu−Kα線(1.5418Å)
光学系:平行ビーム法
スリット構成:ソーラースリット5°、入射スリット1mm、受光スリット1mm
検出器:シンチレーションカウンター
測定範囲:2θ=10−60deg
ステップ幅、スキャンスピード:0.02deg、1deg/分
測定結果からのピーク強度比の算出は、Excel表計算ソフトを用いて行った。まず、7点の加重平均により平均化し、平均化した値を用いて、再度7点の加重平均により平均化し、さらに、この平均化した値を用いて7点の加重平均により平均化することにより、平滑化した。平滑化した点を用いて、隣り合う平滑点の差を微分値として微分曲線を作成した。
2θが29.0〜31.0degである範囲の実測強度の最大値をピークAのピーク強度Ipとした。最大強度から高角度領域で、微分曲線の値が0になる点(正(プラス)から負(マイナス)に変化する点)の角度の実測強度をIbとした。それらの値からIb/Ipを算出した。
各例で製造した硫化物固体電解質粒子を秤量し、アルゴン雰囲気中で、バイアル瓶に採取した。バイアル瓶にKOHアルカリ水溶液を入れ、硫黄分の捕集に注意しながらサンプルを溶解し、適宜希釈、測定溶液とした。これを、パッシェンルンゲ型ICP−OES装置(SPECTRO社製SPECTRO ARCOS)にて測定し、組成を決定した。
検量線溶液は、Li、P、SはICP測定用1000mg/L標準溶液を、Cl、Brはイオンクロマトグラフ用1000mg/L標準溶液を用いて調製した。
各試料で2つの測定溶液を調整し、各測定溶液で5回の測定を行い、平均値を算出した。その2つの測定溶液の測定値の平均で組成を決定した。
粉末試料約60mgをNMR試料管へ充填し、下記の装置及び条件にて固体31P−NMRスペクトルを得た。
装置:ECZ400R装置(日本電子株式会社製)
観測核:31P
観測周波数:161.944MHz
測定温度:室温
パルス系列:シングルパルス(90°パルスを使用)
90°パルス幅:3.8μ
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:300s
マジックアングル回転の回転数:12kHz
積算回数:16回
測定範囲:250ppm〜−150ppm
化学シフト:外部基準として(NH4)2HPO4(化学シフト1.33ppm)を用いることで得た。
(I)ハロゲンとして塩素のみを含むアルジロダイト型結晶構造
固体31P−NMRスペクトルの60〜120ppmの範囲にあるNMR信号を、非線形最少二乗法により、ガウス関数又はPseudo−Voigt関数(ガウス関数とローレンツ関数の線形和)に分離することにより、各ピークを得た。上記範囲には、塩素を含むアルジロダイト型結晶構造によるピークの他に、88.5〜90.5ppmにLi7PS6型結晶構造によるピークが、86〜87.6ppmにLi3PS4型結晶構造のβ晶によるピークが重なって観察されることがある。従って、これら2つのピークが観察されない場合と、観察される場合とで、異なる手法で波形分離した。
60〜120ppmの範囲にあるNMR信号を、非線形最少二乗法により、ガウス関数又はPseudo−Voigt関数(ガウス関数とローレンツ関数の線形和)に分離して、表1に示した化学シフトの位置と半値幅の範囲を有する6本のピークを得た。ガラスに帰属されるP4〜P6のピークの各面積の和(Sg=S4+S5+S6)と全てのピークの面積の合計(Sall=S1+S2+S3+S4+S5+S6)から、以下の式を用いてガラス由来ピークの面積比率(φガラス)を算出した。
φガラス=100×Sg/Sall
表2に示すように、60〜120ppmのNMR信号を、非線形最小二乗法を用いて、アルジロダイト型結晶構造による3本のピークと、ガラスに由来する3本のピークと、Li7PS6(ピークI)又はLi3PS4(ピークII)によるピークとに分離した。ガラスに帰属されるP4〜P6のピークの面積の和(Sg=S4+S5+S6)と全てのピーク面積の合計(Sall+b=S1+S2+S3+S4+S5+S6+b1+b2)から、以下の式を用いてガラス由来ピークの面積比率(φガラス)を算出した。
φガラス=100×Sg/Sall+b
固体31P−NMRスペクトルの60〜120ppmの範囲にあるNMR信号を、非線形最少二乗法により、ガウス関数又はPseudo−Voigt関数(ガウス関数とローレンツ関数の線形和)に分離することにより、各ピークを得た。上記範囲にはアルジロダイト型結晶構造によるピークの他に、88.5〜90.5ppmにLi7PS6型結晶構造によるピークが、86〜87.6ppmにLi3PS4型結晶構造のβ晶によるピークが重なって観察されることがある。従って、この2つのピークが観察されない場合と、観察される場合とで、異なる手法で波形分離した。
60〜120ppmの範囲にあるNMR信号を、非線形最少二乗法により、ガウス関数又はPseudo−Voigt関数(ガウス関数とローレンツ関数の線形和)に分離して、表3に示した化学シフトの位置と半値幅の範囲を有する7本のピークを得た。ガラスに帰属されるP5〜P7のピークの各面積の和(Sg=S5+S6+S7)と全てのピークの面積の合計(Sall=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7)から、以下の式を用いてガラス由来ピークの面積比率(φガラス)を算出した。
φガラス=100×Sg/Sall
60〜120ppmのNMR信号を、非線形最小二乗法を用いて、表4に示すアルジロダイト型結晶構造とガラス成分による7本のピークと、Li7PS6(ピークI)又はLi3PS4(ピークII)によるピークとに分離した。ガラスに帰属されるP5〜P7のピークの面積の和(Sg=S5+S6+S7)と全てのピーク面積の合計(Sall+b=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+b1+b2)から、以下の式を用いてガラス由来ピークの面積比率(φガラス)を算出した。
φガラス=100×Sg/Sall+b
LGPS型結晶構造を含む硫化物固体電解質の固体31P−NMRスペクトルには、LGPS型結晶構造の4dサイト及び2bサイトのPS4 3−構造に帰属される2本のピークに加えて、Li4P2S6型結晶構造、β−Li3PS4型結晶構造及びガラスによるピークが重なって観察される。60〜120ppmの範囲にあるNMR信号を、非線形最少二乗法を用いて、ガウス関数及びPseudo−Voigt関数(ガウス関数とローレンツ関数の線形和)に分離して、表5に示す化学シフトの位置と半値幅の範囲を有するピークを得た。ガラスのピークP5〜P7の面積の和(Sg=S5+S6+S7)と全てのピークの面積の総和(Sall=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7)から以下の式を用いてガラス由来ピークの面積比率(φガラス)を算出した。
φガラス=100×Sg/Sall
(硫化リチウム(Li2S)の製造)
撹拌機付きの500mLセパラブルフラスコに、不活性ガス下で乾燥したLiOH無水物(本荘ケミカル社製)を200g仕込んだ。窒素気流下にて昇温し、内部温度を200℃に保持した。窒素ガスを硫化水素ガス(住友精化)に切り替え、500mL/minの流量にし、水酸化リチウム無水物(LiOH)と硫化水素を反応させた。
反応により発生する水分はコンデンサーにより凝縮して回収した。反応を6時間行った時点で水が144mL回収された。さらに3時間反応を継続したが、水の発生は見られなかった。
生成物粉末を回収して、純度及びXRDを測定した。その結果、純度は98.5%であり、XRDではLi2Sのピークパターンが確認できた。
(1)硫化物固体電解質(中間体)の作製
製造例1で製造したLi2Sと、五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ製)と、塩化リチウム(LiCl、アルドリッチ製)とを、mol比(Li2S:P2S5:LiCl)が19:5:16になるように混合し、出発原料の混合物とした。混合物200gと、直径20mmのジルコニア製ボール1780gとを、SUS製容器(容量6L)に入れた。容器を振動ミル(中央化工機 MD−3)に取り付け、機械的エネルギーを加えることにより(メカニカルミリング処理)、白黄色粉末である硫化物固体電解質(中間体)を得た。振動ミルの処理条件は、露点−40℃以下の窒素雰囲気下、40℃で、1500回転/秒、120時間とした。
上記中間体30gを、窒素雰囲気下のグローブボックス内で、ジェットミル装置(NJ−50、アイシンナノテクノロジーズ社製)を用いて微粒化した。処理条件は、処理速度を180g/時間(処理時間:10分間)とし、粉砕ガスには窒素を用い、投入ガス圧を2.0MPaとし、粉砕ガス圧を2.0MPaとした。
微粒化された中間体の体積基準平均粒子径(D50)は2.7μmであった。
上記(2)で作製した中間体粒子約10gを、Ar雰囲気下のグローブボックス内で、タンマン管(東京硝子機器株式会社製)内に詰め、石英ウールでタンマン管の口を塞ぎ、さらにSUS製の密閉容器で大気が入らないよう封をした。その後、密閉容器を電気炉(FUW243PA、アドバンテック社製)内に入れ熱処理した。具体的には、室温から430℃まで2.5℃/minで昇温し、430℃で1時間保持した。その後、徐冷することにより硫化物固体電解質粒子を得た。
硫化物固体電解質粒子のD50は4.3μmであった。また、イオン伝導度(σ)は9.1mS/cmであった。
硫化物固体電解質粒子のICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl)は43.5:8.1:35.5:12.9(mol%)=5.4:1.0:4.4:1.6であった。
図1に硫化物固体電解質粒子の電子顕微鏡写真を示す。
図3は図2に示したXRDパターンの2θ=27〜33deg付近の拡大図に、XRDパターンの微分曲線を示した図である。図3から、回折ピークAの高角度側裾部の回折強度Ibは838(2θ=30.94deg)であった。
図4に硫化物固体電解質粒子の固体31P−NMRスペクトルを示す。
(1)硫化物固体電解質の製造
上記参考例1(1)で作製した中間体約10gを、430℃で8時間熱処理することにより、硫化物固体電解質を得た。熱処理の条件は、保持時間を8時間とした他は、参考例1(3)と同じとした。
得られた硫化物固体電解質のD50は18.7μmであった。また、σは9.8mS/cmであった。
上記(1)で得た硫化物固体電解質を、上記参考例1(2)と同じ条件で、ジェットミル装置を用いて微粒化し、硫化物固体電解質粒子を得た。
硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6及び7に示す。硫化物固体電解質粒子のσは1.4mS/cmであった。
図6は図5に示したXRDパターンの2θ=27〜33deg付近の拡大図に、XRDパターンの微分曲線を示した図である。図6から、回折ピークAの裾部の回折強度Ibは1172(2θ=30.94deg)であった。
図7に硫化物固体電解質粒子の固体31P−NMRスペクトルを示す。
硫化物固体電解質粒子のICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl)は5.4:1.0:4.4:1.6であった。
比較例1で得た硫化物固体電解質粒子を、参考例1(3)と同じ条件(430℃、1時間)で熱処理した。
熱処理後の硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6及び7に示す。熱処理後の硫化物固体電解質粒子のD50は4.9μmであった。また、σは、9.6mS/cmであった。ICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl)は5.4:1.0:4.4:1.6であった。
硫化物固体電解質粒子のXRDパターンを図8に示す。
比較例1で得た硫化物固体電解質粒子を、熱処理の温度及び時間を420℃及び30分間とした他は、参考例1(3)と同様にして熱処理した。
熱処理後の硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6及び7に示す。熱処理後の硫化物固体電解質粒子のD50は2.2μmであった。また、σは、6.1mS/cmであった。ICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl)は5.4:1.0:4.4:1.6であった。
硫化物固体電解質粒子のXRDパターンを図9に示す。
(1)硫化物固体電解質(中間体)の作製
製造例1で製造したLi2Sと、五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ製)と、塩化リチウム(LiCl、アルドリッチ製)と、臭化リチウム(LiBr、アルドリッチ製)とを、mol比(Li2S:P2S5:LiCl:LiBr)が19:5:10:6になるように混合し、出発原料の混合物とした。混合物を変更した他は、参考例1(1)と同様にして中間体を作製した。
上記1で作製した中間体約10gを、430℃で8時間熱処理することにより、硫化物固体電解質を得た。熱処理の条件は、保持時間を8時間とした他は、参考例1(3)と同じとした。
硫化物固体電解質のD50は20μmであった。また、σは13.0mS/cmであった。
上記(2)で得た硫化物固体電解質40gを、窒素雰囲気下のグローブボックス内で、750mLの溶媒(脱水トルエン、和光純薬製)中に分散させ、約5.8重量%のスラリーとした。スラリーを窒素雰囲気に保ったまま、ビーズミル装置(LMZ015、アシザワ・ファインテック社製)を用いて粉砕処理することにより、硫化物固体電解質を微粒化した。具体的に、粉砕媒体には0.5mmφジルコニアビーズ456gを使用し、周速12m/秒、流量500mL/分の条件でビーズミル装置を稼働させ、スラリーを装置装置内に投入し、1回通過させた。処理後のスラリーを窒素置換したシュレンク瓶に入れた後、減圧乾燥することで硫化物固体電解質粒子を得た。硫化物固体電解質粒子のD50は1.4μmであった。
硫化物固体電解質粒子を、参考例1(3)と同じ条件で熱処理した。
熱処理後の硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6に示す。熱処理後の硫化物固体電解質粒子のD50は4.4μmであった。また、σは10.1mS/cmであった。ICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl:Br)は5.4:1.0:4.4:1.0:0.6であった。
硫化物固体電解質粒子のXRDパターンを図10に示す。
上記実施例3A(3)の熱処理において、熱処理の温度及び時間を420℃及び30分間とした他は、参考例1(3)と同様にして硫化物固体電解質粒子を得た。
熱処理後の硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6に示す。熱処理後の硫化物固体電解質粒子のD50は1.6μmであった。また、σは10.3mS/cmであった。ICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl:Br)は5.4:1.0:4.4:1.0:0.6であった。
硫化物固体電解質粒子のXRDパターンを図11に示す。
参考例2A及び2Bはハロゲンを1種(Cl)のみ含む。一方、実施例3A及び3Bはハロゲンを2種(Cl及びBr)含む。2種のハロゲンを含む実施例3の方が参考例2と比べて、処理温度を低くし、処理時間を短縮しても、D50が小さく、かつ、イオン伝導度が高い硫化物固体電解質粒子が得られることがわかる。
(1)硫化物固体電解質の製造
上記実施例3(1)(2)と同様にして、硫化物固体電解質を得た。
硫化物固体電解質1.5gと、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)ジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミルで回転数を370rpmにして72時間処理(メカニカルミリング)し、硫化物固体電解質粒子を得た。
硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6及び7に示す。硫化物固体電解質粒子のσは2.8mS/cmであった。ICPによる組成分析の結果、各元素の比(Li:P:S:Cl:Br)は5.4:1.0:4.4:1.0:0.6であった。
(1)中間体の作製
製造例1で製造したLi2Sと、五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ製)と、硫化第二ゲルマニウム(GeS2、高純度化学製)とを、mol比(Li2S:P2S5:GeS2)が5:1:1になるように混合し、出発原料の混合物とした。混合物1.5gと、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを、のジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にポットを2個取り付け、回転数を370rpmにして72時間処理(メカニカルミリング)し、中間体を得た。
上記(1)で作製した中間体3gを、Ar雰囲気下のグローブボックス内で、タンマン管(東京硝子機器株式会社製)内に詰め、石英ウールでタンマン管の口を塞ぎ、さらにSUS製の密閉容器で大気が入らないよう封をした。その後、密閉容器を電気炉(FUW243PA、アドバンテック社製)内に入れ熱処理した。具体的には、室温から550℃まで2.5℃/minで昇温し、550℃で100時間保持した。その後、徐冷することにより硫化物固体電解質を得た。
上記(1)で得た硫化物固体電解質2gと、溶媒(脱水トルエン、和光純薬製)7gと、分散剤(イソブチロニトリル、キシダ化学製)1gと、ZrO2ボール(直径0.6mm、40g)とを、遊星型ボールミルのジルコニア製ポット(45mL)に投入し、Ar雰囲気下でポットを完全に密閉した。ポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、自公転回転数毎分200回転で20時間メカニカルミリングした。終了後、得られた試料を、ホットプレートの上でトルエンとイソブチロニトリルを蒸発するように120℃で2時間乾燥することにより、硫化物固体電解質粒子を得た。
上記(3)で作製した硫化物固体電解質粒子1.5gを、Ar雰囲気下のグローブボックス内で、タンマン管(東京硝子機器株式会社製)内に詰め、石英ウールでタンマン管の口を塞ぎ、さらにSUS製の密閉容器で大気が入らないよう封をした。その後、密閉容器を電気炉(FUW243PA、アドバンテック社製)内に入れ熱処理した。具体的には、室温から530℃まで2.5℃/minで昇温し、530℃で1時間保持した。その後、徐冷することにより硫化物固体電解質粒子を得た。
熱処理後の硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6に示す。熱処理して得られた硫化物固体電解質粒子のD50は4.9μmであった。また、σは6.8mS/cmであった。
硫化物固体電解質粒子のXRDパターンでは、2θ=12.26、14.28、20.08、23.80、26.82、29.44、32.24、41.36、47.30degにLGPS型結晶構造に由来するピークが観測された。
固体31P−NMR測定から算出された、硫化物固体電解質粒子のガラス由来ピークの面積比率は1.9%であった。
(1)硫化物固体電解質の製造
上記参考例4(1)(2)と同様にして、硫化物固体電解質を得た。
硫化物固体電解質1.5gと、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを、ジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にポットを取り付け、回転数を370rpmにして72時間処理(メカニカルミリング)し、硫化物固体電解質粒子を得た。
硫化物固体電解質粒子について、参考例1と同様にして評価した。評価結果を表6に示す。硫化物固体電解質粒子のσは1.4mS/cmであった。
固体31P−NMR測定から算出された、硫化物固体電解質粒子のガラス由来ピークの面積比率は74%であった。
実施例及び比較例で製造した硫化物固体電解質粒子の加水分解性について、図12に示す装置を用いて評価した。本装置は、空気を加湿するフラスコ1と、加湿された空気の温度及び湿度を測定するための温度・湿度計6を備えるフラスコ2と、測定試料4を投入するシュレンク瓶3と、空気中に含まれる硫化水素濃度を測定する硫化水素計測器7とを、この順に管を通して接続した構成としてある。評価の手順は以下のとおりである。
露点−80℃の環境の窒素グローボックス内で、試料を乳鉢でよく粉砕して作製した粉末試料を約0.1g秤量し、100mLシュレンク瓶3の内部に投入し密封した(図12の付番4)。
次に、空気を500mL/minでフラスコ1に流入させた。空気の流量は流量計5で測定した。フラスコ1にて空気を水中に通して加湿した。続いて、加湿空気をフラスコ2に流入させ、空気の温度及び湿度を測定した。流通開始直後の空気の温度は25℃、湿度は80〜90%であった。その後、加湿空気をシュレンク瓶3内に流通させ、測定試料4に接触させた。シュレンク瓶3内を流通させた加湿空気を、硫化水素計測器7(AMI社製 Model3000RS)に通し、加湿空気に含まれる硫化水素量を測定した。測定時間は空気流通直後から流通後1時間までとした。なお、硫化水素量は15秒間隔で記録した。
1時間で観測された硫化水素量の総和から、試料1g当たりの硫化水素発生量(mL/g)を算出した。評価結果を表9に示す。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Claims (19)
- 硫化物固体電解質を微粒化して体積基準平均粒子径(D 50 )が0.1〜10μmの微粒化物を得、その後に前記微粒化物を350〜700℃で熱処理する、安定相の結晶構造を含む硫化物固体電解質粒子の製造方法であって、
前記安定相の結晶構造がアルジロダイト型結晶構造であり、
前記硫化物固体電解質粒子が2種以上のハロゲンを含む、硫化物固体電解質粒子の製造方法。 - 前記硫化物固体電解質が、リチウム、リン、硫黄及びハロゲンを含み、アルジロダイト型結晶構造を含む請求項1に記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- 前記硫化物固体電解質が、2種以上のハロゲンを含む請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- 前記硫化物固体電解質が、Cl及びBrを含む請求項1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- 前記微粒化に、ジェットミル、ボールミル又はビーズミルを使用する、請求項1〜4のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- リチウム、リン及び硫黄を含む原料を反応させてガラス状の硫化物固体電解質を作製する工程を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- 前記リチウム、リン及び硫黄を含む原料が、硫化リチウム、硫化リン及びハロゲン化リチウムを含む、請求項6に記載の硫化物固体電解質粒子の製造方法。
- リチウム、リン及び硫黄を含み、
レーザ回折式粒度分布測定により測定される体積基準平均粒子径(D 50 )が0.1μm以上10μm以下であり、
CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、2θが29.0〜31.0degである範囲に回折ピークを有し、
前記回折ピークのピーク強度Ipと、該回折ピークの高角度側裾部の回折強度Ibとの強度比(Ib/Ip)が、0.09未満であり(ここで、高角度側裾部の回折強度Ibは、粉末X線回折測定で得られるX線回折パターンを平滑化後、前記回折ピークを含む領域周辺を微分して得られる微分曲線において、前記回折ピークのピークトップの角度より大きく、且つ、微分値が0となる最小の角度における回折強度である。)、
アルジロダイト型結晶構造を含み、
2種以上のハロゲンを含む、硫化物固体電解質粒子。 - 前記回折ピークが、2θ=29.7±0.5degにある、請求項8に記載の硫化物固体電解質粒子。
- CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、さらに2θ=25.2±0.5degに回折ピークを有する、請求項9に記載の硫化物固体電解質粒子。
- さらに、CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=15.3±0.5deg、17.7±0.5deg、31.1.±0.5deg、44.9±0.5deg、47.7±0.5degの回折ピークの少なくとも1つを有する、請求項10に記載の硫化物固体電解質粒子。
- リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、硫黄のリンに対するモル比b(S/P)、及び、2種以上のハロゲンXのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(A)〜(C)を満たす、請求項8〜11のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子。
5.0≦a≦7.5 ・・・(A)
6.5≦a+c≦7.5 ・・・(B)
0.5≦a−b≦1.5 ・・・(C)
(式中、b>0且つc>0を満たす。) - 下記式(1)で表される組成を満たす、請求項12に記載の硫化物固体電解質粒子。
Lia(P1−αMα)SbXc (1)
(式(1)中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素であり、2種以上のハロゲンを含む。a〜cは前記式(A)〜(C)を満たす。αは0≦α≦0.3である。) - 前記回折ピークの範囲が中央値の±0.3degである、請求項9〜11のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子。
- Cl及びBrを含む請求項8〜14のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子。
- 前記ハロゲンの前記硫黄に対するモル比(X/S)が、0.23よりも大きく、0.57未満である、請求項8〜15のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子。
- 固体31P−NMR測定において観測される、60〜120ppmにある全ピークの合計面積に対する、ガラス由来ピークの面積比率が0%以上30%以下である、請求項8〜16のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子。
- 請求項8〜17のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子と、活物質を含む電極合材。
- 請求項8〜17のいずれかに記載の硫化物固体電解質粒子及び請求項18に記載の電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池。
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