JP6935041B1 - 硫化物固体電解質 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]リチウム(Li)元素と、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、少なくとも一種のハロゲン(X)元素と、520.2KJ/molより大きく1007.3KJ/mol未満の第一イオン化エネルギーを有する少なくとも一種の金属(M)元素とを含むとともに、
CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=25.19°±1.00°及び29.62°±1.00°の位置にピークを有する結晶相を含む、硫化物固体電解質。
[2]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と活物質とを含む電極合材。
[3]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と分散媒とを含むスラリー。
[4]正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に位置する固体電解質層とを備える電池であって、前記固体電解質層が、上記[1]に記載の硫化物固体電解質を含む、前記電池。
本発明の硫化物固体電解質は、リチウム(Li)元素と、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、少なくとも一種のハロゲン(X)元素と、520.2KJ/molより大きく1007.3KJ/mol未満の第一イオン化エネルギーを有する少なくとも一種の金属(M)元素とを含む。なお、520.2KJ/molより大きく1007.3KJ/mol未満の第一イオン化エネルギーを有する金属(M)元素を、以下、単に「金属(M)元素」と呼ぶ場合がある。
LiaMbPScXd・・・(I)
[式中、Xは、少なくとも一種のハロゲン(X)元素であり、Mは、少なくとも一種の金属(M)元素であり、aは3.0以上6.5以下であり、bは、0より大きく6.5以下であり、cは3.5以上5.5以下であり、dは0.50以上3.0以下である。]
で表される組成を有する。
本発明の硫化物固体電解質の製造方法は特に限定されない。上述した所望の硫化物固体電解質を得られる製造方法が好ましく、公知の製造方法を用いることができる。なお、本発明の硫化物固体電解質の製造方法については実施例に記載するため、ここでの記載は省略する。
本発明の電極合材は、本発明の硫化物固体電解質と活物質とを含む。
本発明のスラリーは、本発明の硫化物固体電解質と分散媒とを含む。
本発明の電池は、正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に位置する固体電解質層とを備える電池であり、固体電解質層は、本発明の硫化物固体電解質を含む。
(1)硫化物固体電解質の製造
Li4.8Mg0.6PS4.7Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、MgS粉末を、全量で5gとなるように秤量した。これらの粉末の混合物にヘプタンを加え、湿式粉砕混合ボールミルで10時間粉砕混合を行った後、真空乾燥器にて真空乾燥して原料粉末を得た。得られた原料粉末をカーボン製の容器(40mm×30mm×20mm、非気密性)に80体積%まで充填した後、管状電気炉にて硫化水素ガス(H2S)を1.0L/分流通させながら300℃(品温)で4時間加熱した後、さらに500℃(品温)で4時間加熱し、焼成物を得た。昇降温速度は200℃/時間とした。得られた焼成物を乳鉢で粗粉砕し、ヘプタンを加え、湿式粉砕混合ボールミルで3時間粉砕混合を行った後、目開き1μmのステンレス篩で整粒し、粉末状の硫化物固体電解質を得た。なお、実施例1で使用した添加元素はMg(Mgの第一イオン化エネルギー:737.3KJ/mol)であり、Liの含有量に対するMgの含有量の比は、モル比で、0.125である。
なお、X線回折法は、株式会社リガク製のXRD装置「RINT−TTRIII」を用いて、走査軸:2θ/θ、走査範囲:5〜80deg、ステップ幅:0.02deg、走査速度:20deg/min、の条件下で行った。具体的には、アルゴン雰囲気中で固体電解質粉末上に流動パラフィンを数滴滴下した後、大気中でX線回折法を行った。
アルゴン雰囲気下で、上記(1)で得られた実施例1の硫化物固体電解質粉末を50mg秤量し、密閉容器(容積1750cm3、露点−30℃、温度25℃の乾燥空気)内に静置した。密閉容器内の空気をエアーポンプによって循環しつつ、硫化水素センサー(理研計器株式会社製GX−2009)を用いて硫化水素の発生量を測定した。固体電解質粉末を乾燥空気に曝露してから1時間経過後までに発生した硫化水素の体積を測定した。表1において硫化水素の発生量は、固体電解質粉末の単位質量当たりの値で表示してある。
上記(1)で得られた実施例1の硫化物固体電解質粉末を、十分に乾燥されたArガス(露点−60℃以下)で置換されたグローブボックス内で200MPaの圧力にて一軸加圧成形して直径10mm、厚み2〜5mmのペレットを作製し、ペレットの上面及び下面の両方に電極としてカーボンペーストを塗布した後、180℃で30分熱処理を行い、イオン導電率測定用サンプルを作製した。イオン導電率(単位:S/cm)は、室温(25℃)にて、東陽テクニカ社製の装置である、ソーラトロン1255Bを用いて、測定周波数0.1Hz〜1MHzの条件下、交流インピーダンス法にて測定した。
Li4.8Ca0.6PS4.7Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、CaS粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例2で使用した添加元素はCa(Caの第一イオン化エネルギー:589.6KJ/mol)であり、Liの含有量に対するCaの含有量の比は、モル比で、0.125である。
Li4.8Ag0.6PS4.4Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、Ag2S粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例3で使用した添加元素はAg(Agの第一イオン化エネルギー:731.0KJ/mol)であり、Liの含有量に対するAgの含有量の比は、モル比で、0.125である。
Li5.3Mg0.1PS4.4Cl0.9Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、MgCl2粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例4で用いられた添加元素はMg(Mgの第一イオン化エネルギー:737.3KJ/mol)であり、Liの含有量に対するMgの含有量の比は、モル比で、0.019である。
Li5.3Ca0.1PS4.4Cl0.9Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、CaCl2粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例5で用いられた添加元素はCa(Caの第一イオン化エネルギー:589.6KJ/mol)であり、Liの含有量に対するCaの含有量の比は、モル比で、0.019である。
Li5.3Ag0.1PS4.4Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、AgCl粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例6で用いられた添加元素はAg(Agの第一イオン化エネルギー:731.0KJ/mol)であり、Liの含有量に対するAgの含有量の比は、モル比で、0.019である。
Li5.3Y0.1PS4.5Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、Y2S3粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例7で用いられた添加元素はY(Yの第一イオン化エネルギー:615.6KJ/mol)であり、Liの含有量に対するYの含有量の比は、モル比で、0.019である。
Li5.7Mg0.1PS4.8Cl1.3の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、MgCl2粉末を、全量で5gとなるように秤量した点、管状電気炉にて硫化水素ガスに代えてアルゴン(Ar)ガスを0.5L/分流通させた点、及び、導電率の測定を以下のように行った点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例8で用いられた添加元素はMg(Mgの第一イオン化エネルギー:737.3KJ/mol)であり、Liの含有量に対するMgの含有量の比は、モル比で、0.017である。
Li5.2Mg0.6PS4.8Cl1.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、MgCl2粉末を、全量で5gとなるように秤量した点、管状電気炉にて硫化水素ガスに代えてアルゴン(Ar)ガスを0.5L/分流通させた点、及び、導電率の測定を実施例8と同様に行った点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例9で用いられた添加元素はMg(Mgの第一イオン化エネルギー:737.3KJ/mol)であり、Liの含有量に対するMgの含有量の比は、モル比で、0.115である。
Li5.6Mg0.1PS4.8Cl1.2の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、MgCl2粉末を、全量で5gとなるように秤量した点、管状電気炉にて硫化水素ガスに代えてアルゴン(Ar)ガスを0.5L/分流通させた点、及び、導電率の測定を実施例8と同様に行った点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、実施例10で用いられた添加元素はMg(Mgの第一イオン化エネルギー:737.3KJ/mol)であり、Liの含有量に対するMgの含有量の比は、モル比で、0.018である。
Li4.8Na0.6PS4.4Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末、LiBr粉末、Na2S粉末及びNaCl粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、比較例1で用いられた添加元素はNa(Naの第一イオン化エネルギー:495.7KJ/mol)であり、Liの含有量に対するNaの含有量の比は、モル比で、0.019である。
Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末及びLiBr粉末を、全量で5gとなるように秤量した点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、比較例2において添加元素は用いなかった。
Li5.8PS4.8Cl1.2の組成となるように、Li2S粉末、P2S5粉末及びLiCl粉末を、全量で5gとなるように秤量した点、管状電気炉にて硫化水素ガスに代えてアルゴン(Ar)ガスを0.5L/分流通させた点、及び、導電率の測定を実施例8と同様に行った点を除き、実施例1と同様にして、粉末状の硫化物固体電解質を製造し、硫化水素発生量及び導電率を測定した。なお、比較例3において添加元素は用いなかった。
Claims (10)
- リチウム(Li)元素と、リン(P)元素と、硫黄(S)元素と、少なくとも一種のハロゲン(X)元素と、520.2KJ/molより大きく1007.3KJ/mol未満の第一イオン化エネルギーを有する少なくとも一種の金属(M)元素とを含み、
CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=25.19°±1.00°及び29.62°±1.00°の位置にピークを有し、
前記リン(P)元素の含有量に対する前記リチウム(Li)元素及び前記金属(M)元素の合計含有量の比が、モル比で、2.2以上6.7以下である、硫化物固体電解質。 - 前記少なくとも一種の金属(M)元素が、銀(Ag)元素、マグネシウム(Mg)元素、カルシウム(Ca)元素、イットリウム(Y)元素のうちの少なくとも一種である、請求項1に記載の硫化物固体電解質。
- 前記リン(P)元素の含有量に対する前記リチウム(Li)元素の含有量の比が、モル比で、2.0以上6.5以下であり、
前記リン(P)元素の含有量に対する前記硫黄(S)元素の含有量の比が、モル比で、4.0以上5.5以下であり、
前記リン(P)元素の含有量に対する前記少なくとも一種のハロゲン(X)元素の含有量の比が、モル比で、0.50以上2.2以下であり、
前記リン(P)元素の含有量に対する前記金属(M)元素の含有量の比が、モル比で、0超2.0以下である、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質。 - 前記リチウム(Li)元素の含有量に対する前記金属(M)元素の含有量の比が、モル比で、0より大きく1.0以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。
- 前記少なくとも一種のハロゲン(X)元素が、塩素(Cl)元素及び臭素(Br)元素のうちの少なくとも一種である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。
- 下記式:
LiaMbPScXd
[式中、Xは、前記少なくとも一種のハロゲン(X)元素であり、Mは、前記少なくとも一種の金属(M)元素であり、aは3.0以上6.5以下であり、bは、0より大きく2.0以下であり、cは3.5以上5.5以下であり、dは0.50以上3.0以下である。]
で表される組成を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。 - 前記X線回折パターンにおいて、2θ=15.34°±1.00°、17.74°±1.00°、30.97°±1.00°、44.37°±1.00°、47.22°±1.00°及び51.70°±1.00°から選択される位置にピークを有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質と活物質とを含む電極合材。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質と分散媒とを含むスラリー。
- 正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に位置する固体電解質層とを備える電池であって、
前記固体電解質層が、請求項1〜7のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質を含む、前記電池。
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