JP6950916B2 - Lithium tin sulfide - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムスズ硫化物に関する。 The present invention relates to lithium tin sulfide.

リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度電池として注目され、携帯機器(小型民生用途)のみならず、車載用、社会インフラ等の定置用途にも用途が拡大している。これら大型リチウムイオン二次電池への要求の一つとして、安全性の向上が挙げられる。通常のリチウムイオン二次電池(以後液系と略記)には有機電解液が使用され、粘度低下剤として消防法危険物第4類の第二石油類に該当する可燃性の低沸点溶媒(炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル等)が大量に含まれるため、電池の発火、発煙の懸念がある。安全性の向上のための企業努力は行われているものの、構成部材の変更、つまり電解液をより可燃性の低い固体電解質に変更し、材料構成上、飛躍的な安全性向上が図れれば、安全性配慮のためのコスト低減がはかれ、産業上きわめて有用である。 Lithium-ion secondary batteries are attracting attention as high-energy density batteries, and their applications are expanding not only to portable devices (small consumer applications) but also to stationary applications such as in-vehicle devices and social infrastructure. One of the requirements for these large lithium-ion secondary batteries is the improvement of safety. An organic electrolytic solution is used for a normal lithium-ion secondary battery (hereinafter abbreviated as liquid system), and a flammable low-boiling solvent (carbonate) that falls under the Fire Service Act Dangerous Goods Class 4 Second Petroleum as a viscosity reducing agent. Since it contains a large amount of dimethyl, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, etc.), there is a concern that the battery may ignite or smoke. Although corporate efforts are being made to improve safety, if the components can be changed, that is, the electrolyte is changed to a solid electrolyte with lower flammability, and the material composition can be dramatically improved. , Cost reduction for safety consideration is achieved, and it is extremely useful in industry.

固体電解質には高分子系と無機系があるが、高分子系は現状室温以下でのイオン伝導度が低く、60℃以上でないと液系に近い十分な電池作動が見込めない。一方、無機系には酸化物系と硫化物系があるが、酸化物系はイオン伝導度が高いものの、成形性が低く脆いためプレスのみによる電池構築が困難という問題がある。 There are two types of solid electrolytes, polymer-based and inorganic-based. At present, polymer-based electrolytes have low ionic conductivity at room temperature or lower, and sufficient battery operation close to that of liquid-based electrolytes cannot be expected unless the temperature is 60 ° C or higher. On the other hand, there are oxide type and sulfide type in the inorganic type, and although the oxide type has high ionic conductivity, it has a problem that it is difficult to construct a battery only by pressing because it has low moldability and is brittle.

このような固体電解質としては、種々の化合物が見出されているが、いまだ十分とは言えず、さらに他の固体電解質が所望されている。 As such a solid electrolyte, various compounds have been found, but it cannot be said that it is sufficient yet, and other solid electrolytes are desired.

T. Kaib et al., J. Mater. Chem. A, 24 (11) 2211-2219 (2012).T. Kaib et al., J. Mater. Chem. A, 24 (11) 2211-2219 (2012).

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、イオン伝導度が高くリチウムイオン二次電池用の固体電解質として使用することができる化合物を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned current state of the prior art, and a main object thereof is to provide a compound having high ionic conductivity and which can be used as a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery. Is.

本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、特定の組成を有し、特定のX線回折パターンを有する硫化物が、今までにない結晶構造を有しており、また、固体電解質として有用であることを見出した。本発明は、このような知見に基づき、さらに研究を重ね、完成されたものである。即ち、本発明は、以下の構成を包含する。
項1.リチウム、スズ及び硫黄を構成元素として含み、
前記リチウムと前記スズとの組成比(Li/Sn)がモル比で3.0〜7.0であり、
前記硫黄と前記スズとの組成比(S/Sn)がモル比で3.0〜5.5であり、
CuKα線によるX線回折図における回折角2θ= 10°〜80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、少なくとも、25.5°に最強ピーク又は2番目に強いピークを有する、結晶性リチウムスズ硫化物。
項2.リチウムとスズとの組成比(Li/Sn)がモル比で3.0〜5.0であり、硫黄とスズとの組成比(S/Sn)がモル比で3.0〜5.0であるリチウムスズ硫化物からなる結晶相を少なくとも有する、項1に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。
項3.さらに、リチウムと硫黄との組成比(Li/S)がモル比で1.0〜3.0であるリチウム硫化物からなる結晶相を有する、項2に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。
項4.前記2θ= 25.5°のピークの半値幅が0.20〜1.05°である、項1〜3のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。
項5.CuKα線によるX線回折図における回折角2θ= 10°〜80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、さらに、27.9°、38.0°、45.0°及び50.1°にピークを有する、項1〜4のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。
項6.平均粒子径が1〜30μmである、項1〜5のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。
項7.項1〜6のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物の製造方法であって、
原料として、硫化リチウム及び硫化スズを用い、メカニカルミリング処理に供する工程
を備える、製造方法。
項8.前記硫化リチウムの使用量が、前記硫化スズ1モルに対して、1.5〜3.5モルである、項7に記載の製造方法。
項9.項1〜6のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物からなるリチウムイオン二次電池用固体電解質。
項10.項1〜6のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物、又は項9に記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池。
The present inventors have carried out diligent research to achieve the above-mentioned object. As a result, it was found that a sulfide having a specific composition and a specific X-ray diffraction pattern has an unprecedented crystal structure and is useful as a solid electrolyte. The present invention has been further studied and completed based on such findings. That is, the present invention includes the following configurations.
Item 1. Contains lithium, tin and sulfur as constituent elements
The composition ratio (Li / Sn) of the lithium and the tin is 3.0 to 7.0 in terms of molar ratio.
The composition ratio (S / Sn) of the sulfur and the tin is 3.0 to 5.5 in terms of molar ratio.
Crystalline lithium tin having the strongest peak or the second strongest peak at least at 25.5 ° within the allowable range of ± 1.0 ° within the diffraction angle 2θ = 10 ° to 80 ° in the X-ray diffraction pattern by CuKα rays. Sulfide.
Item 2. A crystal consisting of lithium tin sulfide having a composition ratio of lithium and tin (Li / Sn) of 3.0 to 5.0 in molar ratio and a composition ratio of sulfur and tin (S / Sn) of 3.0 to 5.0 in molar ratio. Item 2. The crystalline lithium tin sulfide having at least a phase.
Item 3. Item 2. The crystalline lithium tin sulfide according to Item 2, which has a crystal phase composed of lithium sulfide having a composition ratio (Li / S) of lithium and sulfur of 1.0 to 3.0 in molar ratio.
Item 4. Item 2. The crystalline lithium tin sulfide according to any one of Items 1 to 3, wherein the half width of the peak at 2θ = 25.5 ° is 0.20 to 1.05 °.
Item 5. Item 1 which has peaks at 27.9 °, 38.0 °, 45.0 ° and 50.1 ° within the allowable range of ± 1.0 ° within the range of diffraction angle 2θ = 10 ° to 80 ° in the X-ray diffraction diagram by CuKα rays. 4. The crystalline lithium tin sulfide according to any one of 4 to 4.
Item 6. Item 2. The crystalline lithium tin sulfide according to any one of Items 1 to 5, which has an average particle size of 1 to 30 μm.
Item 7. Item 2. The method for producing a crystalline lithium tin sulfide according to any one of Items 1 to 6.
A manufacturing method comprising a step of using lithium sulfide and tin sulfide as raw materials and subjecting them to a mechanical milling treatment.
Item 8. Item 7. The production method according to Item 7, wherein the amount of lithium sulfide used is 1.5 to 3.5 mol with respect to 1 mol of tin sulfide.
Item 9. Item 6. A solid electrolyte for a lithium ion secondary battery made of the crystalline lithium tin sulfide according to any one of Items 1 to 6.
Item 10. A lithium ion secondary battery using the crystalline lithium tin sulfide according to any one of Items 1 to 6 or the solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to Item 9.

本発明のリチウムスズ硫化物は、イオン伝導度が高くリチウムイオン二次電池の固体電解質として有用である。 The lithium tin sulfide of the present invention has high ionic conductivity and is useful as a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery.

実施例1〜3で得られたLi4SnS4粉末のX線回折パターンを示す。原料であるLi2S粉末及びSnS2粉末のピークとともに示す。なお、2θ= 10〜25°付近には大気暴露防止のために用いたポリマー製の大気非暴露フォルダーによる影響も確認されている可能性がある。The X-ray diffraction pattern of the Li 4 SnS 4 powder obtained in Examples 1 to 3 is shown. It is shown with the peaks of the raw materials Li 2 S powder and Sn S 2 powder. In the vicinity of 2θ = 10 to 25 °, it is possible that the influence of the polymer non-exposure folder used to prevent atmospheric exposure has also been confirmed. 実施例1で得られたLi4SnS4粉末の高エネルギーX線を用いたX線回折パターンを示す。なお、大気暴露防止のために用いたカプトン(登録商標)のピークも検出されている。The X-ray diffraction pattern using the high-energy X-ray of the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1 is shown. The peak of Kapton (registered trademark) used to prevent atmospheric exposure has also been detected. 実施例1で得られたLi4SnS4粉末の高エネルギーX線を用いたX線回折測定より得られた二体分布関数g(r)である。It is a two-body distribution function g (r) obtained by X-ray diffraction measurement using high-energy X-rays of the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1. 実施例1で得られたLi4SnS4粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1. 実施例4〜6で得られたLi6SnS5粉末のX線回折パターンを示す。実施例1の試料、原料であるLi2S粉末及びSnS2粉末のピークとともに示す。なお、2θ= 10〜25°付近には大気暴露防止のために用いたポリマー製の大気非暴露フォルダーによる影響も確認されている可能性がある。The X-ray diffraction pattern of the Li 6 SnS 5 powder obtained in Examples 4 to 6 is shown. It is shown together with the peaks of the sample of Example 1, the raw materials Li 2 S powder and Sn S 2 powder. In the vicinity of 2θ = 10 to 25 °, it is possible that the influence of the polymer non-exposure folder used to prevent atmospheric exposure has also been confirmed.

1.結晶性リチウムスズ硫化物
本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、リチウム、スズ及び硫黄を構成元素として含み、前記リチウムと前記スズとの組成比(Li/Sn)がモル比で3.0〜7.0であり、前記硫黄と前記スズとの組成比(S/Sn)がモル比で3.0〜5.5であり、CuKα線によるX線回折図における回折角2θ= 10°〜80°の範囲内において、±1.0°(特に±0.5°)の許容範囲で、少なくとも、25.5°に最強ピーク又は2番目に強いピークを有する硫化物である。上記のような特徴を有する本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、既報にはない結晶構造を有する化合物であり、高いイオン伝導度を得ることができる。なお、本明細書において、「最強ピーク」とは、強度が最も高いピークを意味し、「2番目に強いピーク」とは、強度が2番目に強いピークを意味する。
1. 1. Crystalline Lithium Tin Sulfur The crystalline lithium tin sulfide of the present invention contains lithium, tin and sulfur as constituent elements, and the composition ratio (Li / Sn) of the lithium to the tin is 3.0 to 7.0 in terms of molar ratio. Yes, the composition ratio (S / Sn) of the sulfur and the tin is 3.0 to 5.5 in terms of molar ratio, and ± 1.0 within the range of the diffraction angle 2θ = 10 ° to 80 ° in the X-ray diffraction diagram with CuKα rays. A sulfide having the strongest peak or the second strongest peak at least at 25.5 °, within the tolerance of ° (especially ± 0.5 °). The crystalline lithium tin sulfide of the present invention having the above-mentioned characteristics is a compound having a crystal structure not previously reported, and high ionic conductivity can be obtained. In the present specification, the "strongest peak" means the peak having the highest intensity, and the "second strongest peak" means the peak having the second strongest intensity.

なお、本発明において、X線回折スペクトルは、粉末X線回折測定法によって求められるものであり、例えば、以下の測定条件:
X線源:CuKα 40kV−40mA
測定条件:2θ=10〜80°、0.01°ステップ、走査速度0.5秒/ステップ
で測定することができる。
In the present invention, the X-ray diffraction spectrum is obtained by the powder X-ray diffraction measurement method. For example, the following measurement conditions:
X-ray source: CuKα 40kV-40mA
Measurement conditions: 2θ = 10 to 80 °, 0.01 ° step, scanning speed 0.5 seconds / step.

本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、上記した2θ位置に回折ピークを有するが、結晶性が良好な硫化物については、その結晶性の程度によって、回折角2θ= 10〜80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、27.9°、38.0°、45.0°及び50.1°の少なくとも1箇所(特に全て)にも、回折ピークが認められる。また、さらに結晶性が良好な硫化物については、その結晶性の程度によって、回折角2θ= 10〜80°の範囲内において、±1.0°(特に±0.5°)の許容範囲で、27.0°、30.2°、31.3°、52.8°、53.8°、55.6°、60.4°、65.3°、69.5°及び72.0°の少なくとも1箇所にも、回折ピークが認められる。 The crystalline lithium tin sulfide of the present invention has a diffraction peak at the above-mentioned 2θ position, but for a sulfide having good crystallinity, the diffraction angle is within the range of 2θ = 10 to 80 ° depending on the degree of crystallinity. In the allowable range of ± 1.0 °, diffraction peaks are also observed at at least one location (particularly all) of 27.9 °, 38.0 °, 45.0 ° and 50.1 °. For sulfides with even better crystallinity, depending on the degree of crystallinity, the allowable range of ± 1.0 ° (especially ± 0.5 °) within the range of diffraction angle 2θ = 10 to 80 ° is 27.0 °. Diffraction peaks are also observed at least at one of 30.2 °, 31.3 °, 52.8 °, 53.8 °, 55.6 °, 60.4 °, 65.3 °, 69.5 ° and 72.0 °.

本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、リチウムとスズとの組成比(Li/Sn)がモル比で3.0〜5.0(特に3.5〜4.5)であり、硫黄とスズとの組成比(S/Sn)がモル比で3.0〜5.0(特に3.5〜4.5)であるリチウムスズ硫化物からなる結晶相を少なくとも有している。このリチウムスズ硫化物からなる結晶相は、上記した2θ= 25.5°の位置に強いピークを有しており、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物が上記したリチウムスズ硫化物からなる結晶相の単相である場合には2θ= 25.5°のピークが最強ピークである。 The crystalline lithium tin sulfide of the present invention has a composition ratio (Li / Sn) of lithium and tin of 3.0 to 5.0 (particularly 3.5 to 4.5) in terms of molar ratio, and a composition ratio of sulfur and tin (S / Sn). ) Has at least a crystal phase composed of lithium tin sulfide having a molar ratio of 3.0 to 5.0 (particularly 3.5 to 4.5). The crystal phase composed of this lithium tin sulfide has a strong peak at the above-mentioned position of 2θ = 25.5 °, and the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is a simple crystal phase composed of the above-mentioned lithium tin sulfide. In the case of a phase, the peak of 2θ = 25.5 ° is the strongest peak.

一方、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物の組成が、リチウムとスズとの組成比(Li/Sn)がモル比で3.0〜5.0であり、硫黄とスズとの組成比(S/Sn)がモル比で3.0〜5.0である組成以外の場合(例えば、Li/Snがモル比で5.0〜7.0(特に5.0〜6.3)でありS/Snがモル比で4.0〜5.5(特に4.0〜5.3)である場合等)には、上記したリチウムスズ硫化物からなる結晶相だけでなく、リチウムと硫黄との組成比(Li/S)がモル比で1.0〜3.0(特に1.5〜2.5)であるリチウム硫化物からなる結晶相も有する。この場合には、2θ= 27.0°のピークが最強ピークになり、2θ= 25.5°のピークが2番目に強いピークになることもある。 On the other hand, in the composition of the crystalline lithium tin sulfide of the present invention, the composition ratio of lithium and tin (Li / Sn) is 3.0 to 5.0 in terms of molar ratio, and the composition ratio of sulfur and tin (S / Sn) is Other than the composition having a molar ratio of 3.0 to 5.0 (for example, Li / Sn is 5.0 to 7.0 (especially 5.0 to 6.3) and S / Sn is 4.0 to 5.5 (especially 4.0 to 5.3)). In some cases, etc.), not only the above-mentioned crystal phase composed of lithium tin sulfide, but also lithium sulfide having a composition ratio (Li / S) of lithium and sulfur of 1.0 to 3.0 (particularly 1.5 to 2.5) in molar ratio. It also has a crystalline phase consisting of material. In this case, the peak at 2θ = 27.0 ° may be the strongest peak, and the peak at 2θ = 25.5 ° may be the second strongest peak.

このような結晶構造を採用することにより、イオン伝導度をさらに高くすることも可能である。 By adopting such a crystal structure, it is possible to further increase the ionic conductivity.

また、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、前記2θ= 25.5°のピークの半値幅は0.20〜1.05°が好ましく、0.25〜0.85°がより好ましい。前記最強ピークの半値幅がこの範囲に存在していることにより、高導電性の結晶子と、粒界抵抗をさらに低減することで粒子間のイオン伝導を補助する低結晶性の成分が共存しやすくし、導電性と成型性をより兼ね備えたち密成型体を構築しやすくすることができる。 Further, in the crystalline lithium tin sulfide of the present invention, the half width of the peak at 2θ = 25.5 ° is preferably 0.20 to 1.05 °, more preferably 0.25 to 0.85 °. Since the full width at half maximum of the strongest peak exists in this range, highly conductive crystallinity and low crystalline component that assists ion conduction between particles by further reducing grain boundary resistance coexist. It is easy to construct a densely molded body because it has both conductivity and moldability.

本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、上記の回折ピークを有するものであるが、各元素の比率については、特に、組成式:Lin1SnSm1で表した場合に、n1及びm1が、それぞれn1= 4、m1= 4のときに、本発明のリチウムスズ硫化物の結晶構造が最も安定化されると考えられる。また、n1及びm1が、n1≒2(m1)-4且つn1>4の関係を満たす時、例えばn1= 6、m1= 5である場合には、前記の結晶構造を有するリチウムスズ硫化物結晶相とリチウム硫化物結晶相との二相構造になると考えられる。このような観点から、リチウムLiとスズSnとの組成比Li/Snは、モル比で3.0〜7.0、好ましくは3.5〜6.5であり、硫黄SとスズSnとの組成比S/Snは、モル比で3.0〜5.5、好ましくは3.5〜5.3である。具体的には、Li/Snが3.5〜4.5、S/Snが3.5〜4.5のときに、特に前記のリチウムスズ硫化物結晶相からなる結晶構造を安定化することができる。Li/Snが4.0〜7.0、S/Snが4.0〜5.5のときには、特に前記の結晶構造を有するリチウムスズ硫化物結晶相とリチウム硫化物結晶相との二相構造を取ることができる。 Crystalline lithium tin sulfides present invention are those having a diffraction peak described above for the ratio of the respective elements, in particular, the composition formula: when expressed in Li n1 SnS m1, n1 and m1, respectively It is considered that the crystal structure of the lithium tin sulfide of the present invention is most stabilized when n1 = 4 and m1 = 4. Further, when n1 and m1 satisfy the relationship of n1≈2 (m1) -4 and n1> 4, for example, when n1 = 6 and m1 = 5, a lithium tin sulfide crystal having the above crystal structure It is considered to have a two-phase structure consisting of a phase and a lithium sulfide crystal phase. From this point of view, the composition ratio Li / Sn of lithium Li and tin Sn is 3.0 to 7.0, preferably 3.5 to 6.5 in terms of molar ratio, and the composition ratio S / Sn of sulfur S and tin Sn is molar. The ratio is 3.0 to 5.5, preferably 3.5 to 5.3. Specifically, when Li / Sn is 3.5 to 4.5 and S / Sn is 3.5 to 4.5, the crystal structure composed of the above-mentioned lithium tin sulfide crystal phase can be stabilized. When Li / Sn is 4.0 to 7.0 and S / Sn is 4.0 to 5.5, a two-phase structure of a lithium tin sulfide crystal phase having the above-mentioned crystal structure and a lithium sulfide crystal phase can be obtained.

このような条件を満たす結晶性リチウムスズ硫化物としては、具体的には、一般式(1):
Lin1SnSm1 (1)
[式中、n1及びm1は、3.0≦n1≦7.0(好ましくは3.5≦n1≦6.5);3.0≦m1≦5.5(好ましくは3.5≦m1≦5.3)を満たす。]
で表される結晶性リチウムスズ硫化物が挙げられる。なかでも、一般式(1A):
Lin1SnSm1 (1A)
[式中、n1及びm1は、3.0≦n1≦5.0(好ましくは3.5≦n1≦4.5);3.0≦m1≦5.0(好ましくは3.5≦m1≦4.5)を満たす。]
で表される結晶性リチウムスズ硫化物は異相の少ない結晶構造を取ることができ、一般式(1B):
Lin1SnSm1 (1B)
[式中、n1及びm1は、4.0≦n1≦7.0(好ましくは4.0≦n1≦6.5);4.0≦m1≦5.5(好ましくは4.0≦m1≦5.3)を満たす。]
で表される結晶性リチウムスズ硫化物は前記の結晶構造を有するリチウムスズ硫化物結晶相とリチウム硫化物結晶相との二相構造を取ることができるため好ましい。
Specific examples of the crystalline lithium tin sulfide that satisfies such conditions include the general formula (1):
Li n1 SnS m1 (1)
[In the equation, n1 and m1 satisfy 3.0 ≦ n1 ≦ 7.0 (preferably 3.5 ≦ n1 ≦ 6.5); 3.0 ≦ m1 ≦ 5.5 (preferably 3.5 ≦ m1 ≦ 5.3). ]
Examples thereof include crystalline lithium tin sulfide represented by. Among them, the general formula (1A):
Li n1 SnS m1 (1A)
[In the equation, n1 and m1 satisfy 3.0 ≦ n1 ≦ 5.0 (preferably 3.5 ≦ n1 ≦ 4.5); 3.0 ≦ m1 ≦ 5.0 (preferably 3.5 ≦ m1 ≦ 4.5). ]
The crystalline lithium tin sulfide represented by can have a crystal structure with few heterogeneous phases, and has a general formula (1B):
Li n1 SnS m1 (1B)
[In the equation, n1 and m1 satisfy 4.0 ≤ n1 ≤ 7.0 (preferably 4.0 ≤ n1 ≤ 6.5); 4.0 ≤ m1 ≤ 5.5 (preferably 4.0 ≤ m1 ≤ 5.3). ]
The crystalline lithium tin sulfide represented by is preferable because it can have a two-phase structure of a lithium tin sulfide crystal phase having the above-mentioned crystal structure and a lithium sulfide crystal phase.

なお、二相構造を取る場合、各相の存在比は特に制限されないが、上記リチウムスズ硫化物結晶相が優れたイオン伝導性を有することから、上記リチウムスズ硫化物結晶相の存在量が多いことが好ましい。このような観点から、上記リチウムスズ硫化物結晶相は10〜95モル%(特に30〜90モル%)が好ましく、リチウム硫化物結晶相は5〜90モル%(特に10〜70モル%)が好ましい。 In the case of adopting a two-phase structure, the abundance ratio of each phase is not particularly limited, but since the lithium tin sulfide crystal phase has excellent ionic conductivity, the abundance of the lithium tin sulfide crystal phase is large. Is preferable. From this point of view, the lithium tin sulfide crystal phase is preferably 10 to 95 mol% (particularly 30 to 90 mol%), and the lithium sulfide crystal phase is preferably 5 to 90 mol% (particularly 10 to 70 mol%). preferable.

なお、前記の結晶構造が最も安定化される結晶性リチウムスズ硫化物の組成は、Li4SnS4であり、Li6SnS5組成ではLi4SnS4結晶相とLi2S結晶相との二相構造を取ることができる。 The composition of the crystalline lithium tin sulfide whose crystal structure is most stabilized is Li 4 SnS 4 , and in the Li 6 SnS 5 composition, the Li 4 SnS 4 crystal phase and the Li 2 S crystal phase are two. It can take a phase structure.

また、上記一般式(1):Lin1SnSm1におけるn1とm1との関係については、n1=m1≒4であるとき、結晶性を高くしやすいため好ましい。なお、n1≠m1であっても、n1 ≒2(m1)-4であれば、上記した二相構造を取ることによりスズを含む結晶相の陽イオンと陰イオンのバランスを取ることができるため、前記のリチウムスズ硫化物結晶相からなる結晶構造を有するリチウムスズ硫化物を容易に得やすい。 Further, regarding the relationship between n1 and m1 in the above general formula (1): Li n1 SnS m1, it is preferable when n1 = m1≈4 because the crystallinity can be easily increased. Even if n1 ≠ m1, if n1 ≈ 2 (m1) -4, the cations and anions in the crystal phase containing tin can be balanced by adopting the above-mentioned two-phase structure. , Lithium tin sulfide having a crystal structure composed of the above-mentioned lithium tin sulfide crystal phase can be easily obtained.

また、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物の平均粒子径は、1〜30μmが好ましく、2〜20μmがより好ましい。本発明の結晶性リチウムスズ硫化物の平均粒子径は、電子顕微鏡(SEM)観察により測定する。 The average particle size of the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is preferably 1 to 30 μm, more preferably 2 to 20 μm. The average particle size of the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is measured by electron microscope (SEM) observation.

また、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、ペレット化した際にイオン伝導度が、1×10-6〜1×10-3Scm-1となることが好ましく、1×10-5〜1×10-3Scm-1となることがより好ましい。特に、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物をペレット化した際の電子抵抗値から算出される電子伝導度よりも、イオン伝導度のほうが10倍以上高いことが好ましい。本発明の結晶性リチウムスズ硫化物の電子伝導度は、直流分極法によって測定する。また、イオン伝導度は、ブロッキング電極を用いた交流インピーダンス法により測定する。 Further, the crystalline lithium tin sulfide of the present invention preferably has an ionic conductivity of 1 × 10 -6 to 1 × 10 -3 Scm -1 when pelletized, and 1 × 10 -5 to 1 More preferably, it is × 10 -3 Scm -1. In particular, it is preferable that the ionic conductivity is 10 times or more higher than the electron conductivity calculated from the electron resistance value when the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is pelletized. The electron conductivity of the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is measured by the DC polarization method. The ionic conductivity is measured by an AC impedance method using a blocking electrode.

本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、上記した条件を満足するものであるが、該結晶性リチウムスズ硫化物の性能を阻害しない範囲であれば、その他の不純物が含まれていてもよい。この様な不純物としては、原料に混入する可能性のある遷移金属、典型金属等の金属類;原料及び製造時に混入する可能性のある炭素、酸素等を例示できる。さらに、原料の残存物(硫化リチウム(Li2S)、硫化スズ(SnS2)等)や、本発明の目的物以外の生成物等も不純物として含まれることがある。これらの不純物の量については、上記した結晶性リチウムスズ硫化物の性能を阻害しない範囲であればよく、通常、上記した条件を満足する結晶性リチウムスズ硫化物におけるリチウム、スズ及び硫黄の合計量100質量部に対して、10質量部以下が好ましく、5質量部以下がより好ましく、3重量部以下がさらに好ましい。 The crystalline lithium tin sulfide of the present invention satisfies the above conditions, but may contain other impurities as long as it does not impair the performance of the crystalline lithium tin sulfide. Examples of such impurities include transition metals and metals such as main group elements that may be mixed in the raw material; carbon, oxygen and the like that may be mixed in the raw material and during production. Further, residues of raw materials (lithium sulfide (Li 2 S), tin sulfide (SnS 2 ), etc.) and products other than the object of the present invention may be contained as impurities. The amount of these impurities may be a range that does not impair the performance of the above-mentioned crystalline lithium tin sulfide, and is usually the total amount of lithium, tin and sulfur in the crystalline lithium tin sulfide that satisfies the above conditions. With respect to 100 parts by mass, 10 parts by mass or less is preferable, 5 parts by mass or less is more preferable, and 3 parts by mass or less is further preferable.

これらの不純物が存在する場合には、上記したX線回折図におけるピークの他に、不純物に応じて回折ピークが存在することがある。 When these impurities are present, in addition to the peaks in the above-mentioned X-ray diffraction diagram, diffraction peaks may be present depending on the impurities.

2.結晶性リチウムスズ硫化物の製造方法
本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、例えば、原料として、硫化リチウム(Li2S)及び硫化スズ(SnS2)を用い、メカニカルミリング処理に供することによって得ることができる。
2. Method for Producing Crystalline Lithium Tin Sulfide The crystalline lithium tin sulfide of the present invention can be obtained, for example, by using lithium sulfide (Li 2 S) and tin sulfide (SnS 2 ) as raw materials and subjecting them to a mechanical milling treatment. be able to.

メカニカルミリング処理は、機械的エネルギーを付与しながら原料を摩砕混合する方法であり、この方法によれば、原料に機械的な衝撃及び摩擦を与えて摩砕混合することによって、硫化リチウム及び硫化スズが激しく接触して微細化され、原料の反応が生じる。つまり、この際、混合、粉砕及び反応が同時に生じる。このため、原料を高温に熱することなく、原料をより確実に反応させることが可能である。メカニカルミリング処理を用いることで通常の熱処理では得ることのできない、準安定結晶構造が得られることがある。 The mechanical milling treatment is a method of grinding and mixing raw materials while applying mechanical energy. According to this method, lithium sulfide and sulfurization are mixed by applying mechanical impact and friction to the raw materials. The tin violently contacts and becomes finer, causing a reaction of the raw materials. That is, at this time, mixing, pulverization and reaction occur at the same time. Therefore, it is possible to react the raw material more reliably without heating the raw material to a high temperature. By using the mechanical milling treatment, a metastable crystal structure that cannot be obtained by ordinary heat treatment may be obtained.

メカニカルミリング処理としては、具体的には、例えば、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、振動ミル、ディスクミル、ハンマーミル、ジェットミル等の機械的粉砕装置を用いて混合粉砕を行うことができる。 Specifically, as the mechanical milling process, mixed pulverization can be performed using a mechanical pulverizer such as a ball mill, a bead mill, a rod mill, a vibration mill, a disc mill, a hammer mill, or a jet mill.

原料として用いる硫化リチウム(Li2S)については特に限定はなく、市販の硫化リチウムを用いることができる。特に、高純度のものを用いることが好ましい。また、硫化リチウムをメカニカルミリング処理によって混合粉砕するので、使用する硫化リチウムの粒径についても限定はなく、通常は、市販されている粉末状の硫化スズを用いることができる。 The lithium sulfide (Li 2 S) used as a raw material is not particularly limited, and commercially available lithium sulfide can be used. In particular, it is preferable to use a high-purity product. Further, since lithium sulfide is mixed and pulverized by a mechanical milling treatment, the particle size of lithium sulfide used is not limited, and commercially available powdered tin sulfide can be usually used.

原料として用いる硫化スズ(SnS2)についても特に限定はなく、市販されている任意の硫化スズを用いることができる。特に、高純度のものを用いることが好ましい。また、硫化スズをメカニカルミリング処理によって混合粉砕するので、使用する硫化スズの粒径についても限定はなく、通常は、市販されている粉末状の硫化スズを用いることができる。 The tin sulfide (SnS 2 ) used as a raw material is also not particularly limited, and any commercially available tin sulfide can be used. In particular, it is preferable to use a high-purity product. Further, since tin sulfide is mixed and pulverized by a mechanical milling treatment, the particle size of tin sulfide used is not limited, and commercially available powdered tin sulfide can be usually used.

これら原料の混合比率については、目的とするリチウムスズ硫化物におけるリチウム、スズ及び硫黄の元素比と同一の比率となるようにすることができる。具体的には、硫化リチウムの使用量は、硫化スズ1モルに対して、1.5〜3.5モルが好ましく、1.8〜3.2モルがより好ましい。なお、硫化リチウムの使用量を硫化スズ1モルに対して1.75〜2.25モルとした場合には特に安定な結晶構造のリチウムスズ硫化物結晶相の単相が製造されやすく、硫化リチウムの使用量を硫化スズ1モルに対して2.0〜3.5モルとした場合には特に安定な結晶構造のリチウムスズ硫化物結晶相とリチウム硫化物結晶相との二相構造が製造されやすい。 The mixing ratio of these raw materials can be the same as the element ratio of lithium, tin and sulfur in the target lithium tin sulfide. Specifically, the amount of lithium sulfide used is preferably 1.5 to 3.5 mol, more preferably 1.8 to 3.2 mol, with respect to 1 mol of tin sulfide. When the amount of lithium sulfide used is 1.75 to 2.25 mol per 1 mol of tin sulfide, a single phase of a lithium tin sulfide crystal phase having a particularly stable crystal structure can be easily produced, and the amount of lithium sulfide used can be increased. When the amount is 2.0 to 3.5 mol per 1 mol of tin sulfide, a two-phase structure of a lithium tin sulfide crystal phase and a lithium sulfide crystal phase having a particularly stable crystal structure can be easily produced.

メカニカルミリング処理を行う際の温度については、特に制限はないが、硫黄が揮発しにくくするとともに、既報の結晶相が生成されにくくする観点から、300℃以下、好ましくは-10〜200℃でメカニカルミリング処理を行うことが好ましい。 The temperature at which the mechanical milling treatment is performed is not particularly limited, but from the viewpoint of making it difficult for sulfur to volatilize and forming the previously reported crystal phase, it is mechanical at 300 ° C or lower, preferably -10 to 200 ° C. It is preferable to perform milling treatment.

メカニカルミリング処理の時間については、特に限定はなく、目的の結晶性リチウムスズ硫化物が析出した状態となるまで任意の時間メカニカルミリング処理を行うことができる。 The time of the mechanical milling treatment is not particularly limited, and the mechanical milling treatment can be performed for an arbitrary time until the desired crystalline lithium tin sulfide is precipitated.

例えば、メカニカルミリング処理は、0.1〜100時間程度の処理時間の範囲内において、0.1〜100kWh/原料混合物1kg程度のエネルギー量で行うことができる。なお、このメカニカルミリング処理は、必要に応じて途中に休止を挟みながら複数回に分けて行うこともできる。 For example, the mechanical milling treatment can be performed with an energy amount of about 0.1 to 100 kWh / raw material mixture of about 1 kg within a treatment time range of about 0.1 to 100 hours. It should be noted that this mechanical milling process can be performed in a plurality of times with a pause in the middle, if necessary.

上記したメカニカルミリング処理により、目的とする結晶性リチウムスズ硫化物を微粉末として得ることができる。 By the mechanical milling treatment described above, the desired crystalline lithium tin sulfide can be obtained as a fine powder.

3.結晶性リチウムスズ硫化物の用途
上記した本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、上記のとおりイオン伝導度に優れることから、イオン伝導体(特に固体電解質)として有用であり、特に、リチウムイオン二次電池用固体電解質として使用することが好ましい。
3. 3. Applications of Crystalline Lithium-tin Sulfuric Acid The crystalline lithium-tin sulfide of the present invention described above is useful as an ionic conductor (particularly a solid electrolyte) because of its excellent ionic conductivity as described above, and is particularly useful as a lithium ion nitrous. It is preferable to use it as a solid electrolyte for a secondary battery.

本発明の結晶性リチウムスズ硫化物をリチウムイオン二次電池用固体電解質として使用する場合、本発明のリチウムイオン二次電池(特に全固体型リチウムイオン二次電池)の構造は、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物を固体電解質として用いること以外は、公知のリチウムイオン二次電池と同様とすることができる。 When the crystalline lithium tin sulfide of the present invention is used as a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery, the structure of the lithium ion secondary battery of the present invention (particularly an all-solid lithium ion secondary battery) is the crystal of the present invention. It can be the same as that of a known lithium ion secondary battery except that the sex lithium tin sulfide is used as a solid electrolyte.

例えば、正極としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、酸化バナジウム系材料、硫黄系材料等の公知の正極活物質を用い、この正極活物質と必要に応じて導電剤及びバインダーを含む正極合剤をAl、Ni、ステンレス、カーボンクロス等の正極集電体に担持させることができる。導電剤としては、例えば、黒鉛、コークス、カーボンブラック、針状カーボン等の炭素材料を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の材料を単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 For example, as the positive electrode, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), vanadium oxide-based material, sulfur-based material, etc. A positive electrode mixture containing the positive electrode active material and, if necessary, a conductive agent and a binder can be supported on a positive electrode current collector such as Al, Ni, stainless steel, or carbon cloth using the known positive electrode active material. As the conductive agent, for example, a carbon material such as graphite, coke, carbon black, or acicular carbon can be used. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacrylic, styrene butadiene rubber (SBR), and styrene-ethylene-butylene-styrene. Materials such as copolymer (SEBS) and carboxymethyl cellulose (CMC) can be used alone, or two or more of them can be used in combination.

また、負極としては、金属リチウム、炭素系材料(活性炭、黒鉛等)、ケイ素、酸化ケイ素、Si−SiO系材料、リチウムチタン酸化物等の公知の負極活物質を用い、この負極活物質と必要に応じて導電剤及びバインダーを含む正極合剤をAl、Ni、ステンレス、カーボンクロス等の負極集電体に担持させることができる。導電剤としては、例えば、黒鉛、コークス、カーボンブラック、針状カーボン等の炭素材料を用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の材料を単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 Further, as the negative electrode, a known negative electrode active material such as metallic lithium, carbon-based material (activated carbon, graphite, etc.), silicon, silicon oxide, Si-SiO-based material, lithium titanium oxide, etc. is used, and this negative electrode active material is required. A positive electrode mixture containing a conductive agent and a binder can be supported on a negative electrode current collector such as Al, Ni, stainless steel, or carbon cloth. As the conductive agent, for example, a carbon material such as graphite, coke, carbon black, or acicular carbon can be used. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacrylic, styrene butadiene rubber (SBR), and styrene-ethylene-butylene-styrene. Materials such as copolymer (SEBS) and carboxymethyl cellulose (CMC) can be used alone, or two or more of them can be used in combination.

また、電解質層としては、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物を、必要に応じて公知のバインダーを用いて常法により層状に成形し、電解質層として使用することができる。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の材料を単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 Further, as the electrolyte layer, the crystalline lithium tin sulfide of the present invention can be formed into a layer by a conventional method using a known binder, if necessary, and used as the electrolyte layer. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacrylic, styrene butadiene rubber (SBR), and styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer weight. Materials such as coalescence (SEBS) and carboxymethyl cellulose (CMC) can be used alone, or two or more of them can be used in combination.

セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン、芳香族アラミド、無機ガラス等の材質からなり、多孔質膜、不織布、織布等の形態の材料を用いることができる。 As the separator, for example, it is made of a material such as a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluororesin, nylon, an aromatic aramid, or an inorganic glass, and a material in the form of a porous film, a non-woven fabric, a woven fabric, or the like can be used.

さらに、その他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てることができる。なお、本発明において、「リチウムイオン二次電池」とは、負極材料として金属リチウムを用いた「リチウム二次電池」も包含する概念である。 In addition, other known battery components can be used to assemble lithium-ion secondary batteries according to conventional methods. In the present invention, the "lithium ion secondary battery" is a concept that also includes a "lithium secondary battery" that uses metallic lithium as a negative electrode material.

なお、リチウムイオン二次電池の形状についても特に限定はなく、円筒型、角型等のいずれであってもよい。 The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and may be any of a cylindrical type, a square type, and the like.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例のみに限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, it goes without saying that the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1:Li4SnS4粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で2: 1(質量比0.5017: 0.9983)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、50時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi4SnS4粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計50回行った。得られたLi4SnS4組成の粉末を、便宜上Li4SnS4粉末と称する。実施例2〜3も同様である。得られたLi4SnS4粉末の粉体密度を乾式粉体密度計(メイクロメリティックス社製アキュピックII 1340-1CC)により測定したところ、2.61g cm-3であった。
[Example 1: Synthesis of Li 4 SnS 4 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 2: 1 (mass ratio 0.5017: 0.9983). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 50 hours with a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line) using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm. To obtain Li 4 SnS 4 powder. In the mechanical milling process, the milling process for 1 hour was performed 50 times in total in the overpot for atmosphere control with a pause of 15 minutes. The obtained powder having a Li 4 SnS 4 composition is referred to as Li 4 SnS 4 powder for convenience. The same applies to Examples 2 and 3. The powder density of the obtained Li 4 SnS 4 powder was measured with a dry powder density meter (Accupic II 1340-1CC manufactured by Makelomericix) and found to be 2.61 g cm -3 .

[実施例2:Li4SnS4粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で2: 1(質量比0.5017: 0.9983)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、40時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi4SnS4粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計40回行った。
[Example 2: Synthesis of Li 4 SnS 4 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 2: 1 (mass ratio 0.5017: 0.9983). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 40 hours using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm using a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line). To obtain Li 4 SnS 4 powder. The mechanical milling process was carried out in an atmosphere control overpot for a total of 40 times with a 1-hour milling process and a 15-minute pause.

[実施例3:Li4SnS4粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で2: 1(質量比0.5017: 0.9983)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、20時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi4SnS4粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計20回行った。
[Example 3: Synthesis of Li 4 SnS 4 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 2: 1 (mass ratio 0.5017: 0.9983). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 20 hours using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm using a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line). To obtain Li 4 SnS 4 powder. The mechanical milling treatment was carried out in an atmosphere control overpot for a total of 20 times with a 1-hour milling treatment and a 15-minute pause.

[試験例1:固体電解質ペレットの導電率測定(その1)]
実施例1で得たLi4SnS4粉末80mgを直径10mmの成型機に均質に充填し、330MPaで1分間一軸成型し、厚さ0.501mm、直径10.02mmΦのペレットを作製した。形状からこのペレットの密度を計算したところ、2.03gcm-3(相対密度77.8%)であった。また、このペレットの25℃における抵抗を交流インピーダンス法により測定したところ、2,001Ωであり、このペレットの25℃におけるイオン伝導度σは、3.17×10-5Scm-1であることが分かった。直流分極法で測定した電子抵抗値は少なくとも1MΩ以上であり、電子伝導度は6×10-8Scm-1以下であり、電子伝導度がイオン伝導度の500分の1以下であることが分かった。
[Test Example 1: Measurement of conductivity of solid electrolyte pellets (Part 1)]
80 mg of Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1 was homogeneously filled in a molding machine having a diameter of 10 mm, and uniaxially molded at 330 MPa for 1 minute to prepare pellets having a thickness of 0.501 mm and a diameter of 10.02 mmΦ. When the density of this pellet was calculated from the shape, it was 2.03 gcm -3 (relative density 77.8%). The resistance of this pellet at 25 ° C was measured by the AC impedance method and found to be 2,001 Ω, and the ionic conductivity σ of this pellet at 25 ° C was 3.17 × 10 -5 Scm -1 . It was found that the electron resistance value measured by the DC polarization method was at least 1 MΩ or more, the electron conductivity was 6 × 10 -8 Scm -1 or less, and the electron conductivity was 1/500 or less of the ionic conductivity. rice field.

[試験例2:X線回折(その1)]
実施例1〜3で得られた粉末について、CuKα線を用いたX線回折(XRD)を測定した。結果を図1に示す。参考のため、図1には、原料として用いた硫化リチウム(Li2S)及び硫化スズ(SnS2)のピークもあわせて示す。なお、XRD測定においては、作製した試料の大気暴露を避けるため、ポリマー製の大気非暴露フォルダーを用いて行ったため、2θ= 10〜25°付近にはポリマーによる影響も一部確認されている可能性がある。
[Test Example 2: X-ray diffraction (1)]
X-ray diffraction (XRD) using CuKα rays was measured for the powders obtained in Examples 1 to 3. The results are shown in FIG. For reference, FIG. 1 also shows the peaks of lithium sulfide (Li 2 S) and tin sulfide (SnS 2) used as raw materials. In addition, in the XRD measurement, in order to avoid exposure to the atmosphere of the prepared sample, a polymer-made air-unexposed folder was used, so it is possible that some effects of the polymer were confirmed around 2θ = 10 to 25 °. There is sex.

図1に示すX線回折図では、メカニカルミリングの処理時間が20時間、40時間及び50時間の試料いずれにおいても、25.5°の位置に最強ピークを有しており、他に27.9°、30.2°、38.0°、45.0°、50.1°、52.8°、53.8°、60.4°及び69.5°の位置に回折ピークが確認できた。また、25.5°の回折ピークに対応する面間隔は、3.49Åであり、38.0°の回折ピークに対応する面間隔は2.37Åである。実施例1、2及び3における25.5°のピークの半値幅(全値半幅)はそれぞれ、0.80°、0.81°、0.84°であった。 In the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 1, the strongest peak is held at the position of 25.5 ° in all the samples having the mechanical milling processing time of 20 hours, 40 hours, and 50 hours, and the other 27.9 ° and 30.2 °. Diffraction peaks were confirmed at positions of, 38.0 °, 45.0 °, 50.1 °, 52.8 °, 53.8 °, 60.4 ° and 69.5 °. The plane spacing corresponding to the 25.5 ° diffraction peak is 3.49 Å, and the plane spacing corresponding to the 38.0 ° diffraction peak is 2.37 Å. The half widths of the peaks of 25.5 ° (full widths at half maximum) in Examples 1, 2 and 3 were 0.80 °, 0.81 ° and 0.84 °, respectively.

次に、高エネルギーX線を用いて透過法によるX線回折(XRD)を行うと、比較的低角度の回折実験において、試料表面(表面の粗さ等)の影響を受けにくく、且つ、大気非暴露フォルダーの影響を低減することができる。実施例1で得たLi4SnS4粉末を、38keVのX線を使用してX線回折(XRD)パターンを測定した。結果を図2に示す。なお、測定試料の大気暴露を避けるために試料はカプトン(登録商標)製フィルム内に包装された状態で測定を行った。また、二体相関関数解析を行うことで、短距離の構造の情報を得ることができる。実施例1で得たLi4SnS4粉末について、高エネルギーX線回折測定より得られた二体分布関数g(r)を図3に示す。2.38Åに最強ピーク(Sn-S相関に帰属できるピーク)が見られ、その他、3.06Å、3.96Å及び4.73Åにもピークが見られた。 Next, when X-ray diffraction (XRD) by the transmission method is performed using high-energy X-rays, it is not easily affected by the sample surface (surface roughness, etc.) in a relatively low-angle diffraction experiment, and the atmosphere. The effect of unexposed folders can be reduced. The Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1 was subjected to an X-ray diffraction (XRD) pattern using 38 keV X-rays. The results are shown in FIG. In order to avoid exposure of the measurement sample to the atmosphere, the sample was measured in a state of being packaged in a film manufactured by Kapton (registered trademark). In addition, information on short-range structures can be obtained by performing two-body correlation function analysis. For the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1, the two-body distribution function g (r) obtained by high-energy X-ray diffraction measurement is shown in FIG. The strongest peak (peak that can be attributed to Sn-S correlation) was found at 2.38 Å, and other peaks were also seen at 3.06 Å, 3.96 Å and 4.73 Å.

次に、実施例1で得たLi4SnS4粉末について、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。結果を図4に示す。0.2μm〜50μm程度の粒子が確認され、Li4SnS4粉末の平均粒子径は5〜20μm程度であることが理解できる。 Next, the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1 was observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIG. Particles of about 0.2 μm to 50 μm were confirmed, and it can be understood that the average particle size of Li 4 SnS 4 powder is about 5 to 20 μm.

[試験例3:充放電試験]
次に、実施例1で得たLi4SnS4粉末を電極活物質として用いて、以下の方法で電気化学セルを作製し、電流密度20mA/gにおいて、定電流充放電測定を行った。
[Test Example 3: Charging / Discharging Test]
Next, using the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1 as an electrode active material, an electrochemical cell was prepared by the following method, and constant current charge / discharge measurement was performed at a current density of 20 mA / g.

電気化学セルの作製方法としては、まず、作用極は、実施例1で得られたLi4SnS4粉末に対して、アセチレンブラックとバインダーであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を、Li4SnS4粉末: アセチレンブラック: PTFE= 86: 8: 6の質量比になるように加え、乳鉢で15分間混練した後、アルミニウムメッシュに張り付けることで作製した。セパレータとしてはポリプロピレンを用い、対極としてはリチウムを用いた。電解液としては、1Mのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)をエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との質量比1: 1の混合溶媒に溶解させたもの(1M LiPF6 EC/DMC)を用いた。 As a method for producing an electrochemical cell, first, the working electrode is acetylene black and polytetrafluoroethylene (PTFE), which is a binder, with respect to the Li 4 SnS 4 powder obtained in Example 1, and Li 4 SnS 4 The mixture was prepared by adding powder: acetylene black: PTFE = 86: 8: 6 in a mass ratio, kneading in a mortar for 15 minutes, and then attaching to an aluminum mesh. Polypropylene was used as the separator, and lithium was used as the counter electrode. The electrolytic solution is 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved in a mixed solvent having a mass ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) of 1: 1 (1M LiPF 6 EC / DMC). ) Was used.

上記した電気化学セルを用いて、定電流充放電測定によって充放電試験を行ったが、可逆充放電はできなかった。このことから、本発明の結晶性リチウムスズ硫化物は、この電位範囲では、電極活性が発現せず、固体電解質として高い電気化学的安定性を有することが示唆された。 Using the above-mentioned electrochemical cell, a charge / discharge test was performed by constant current charge / discharge measurement, but reversible charge / discharge was not possible. From this, it was suggested that the crystalline lithium tin sulfide of the present invention does not exhibit electrode activity in this potential range and has high electrochemical stability as a solid electrolyte.

[実施例4:Li6SnS5粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で3: 1(質量比0.6448: 0.8552)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、80時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi6SnS5粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計80回行った。得られたLi4SnS4組成の粉末を、便宜上Li6SnS5粉末と称する。実施例5〜6も同様である。得られたLi6SnS5粉末の粉体密度を乾式粉体密度計(メイクロメリティックス社製アキュピックII 1340-1CC)により測定したところ、2.40g cm-3であった。
[Example 4: Synthesis of Li 6 SnS 5 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 3: 1 (mass ratio 0.6448: 0.8552). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 80 hours using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm using a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line). To obtain Li 6 SnS 5 powder. The mechanical milling treatment was carried out in an atmosphere control overpot for a total of 80 times with a 1-hour milling treatment and a 15-minute pause. The obtained powder having a Li 4 SnS 4 composition is referred to as Li 6 SnS 5 powder for convenience. The same applies to Examples 5 to 6. The powder density of the obtained Li 6 SnS 5 powder was measured with a dry powder density meter (Accupic II 1340-1CC manufactured by Makelomericix) and found to be 2.40 g cm -3 .

[実施例5:Li6SnS5粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で3: 1(質量比0.6448: 0.8552)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、60時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi6SnS5粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計60回行った。
[Example 5: Synthesis of Li 6 SnS 5 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 3: 1 (mass ratio 0.6448: 0.8552). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 60 hours using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm using a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line). To obtain Li 6 SnS 5 powder. In the mechanical milling process, the milling process for 1 hour was performed 60 times in total in the overpot for atmosphere control with a pause of 15 minutes.

[実施例6:Li6SnS5粉末の合成]
アルゴン雰囲気(大気非暴露)のグローブボックス中において、市販の硫化リチウム(Li2S)粉末及び硫化スズ(SnS2)粉末を、それぞれモル比で3: 1(質量比0.6448: 0.8552)となるように秤量・混合し、その後、直径4mmのジルコニアボール約500個(90g)を入れた45mLのジルコニア容器を用いて、ボールミル装置(フリッチュ P-7、クラシックライン)で510rpm、20時間のメカニカルミリング処理を行うことでLi6SnS5粉末を得た。なお、上記メカニカルミリング処理は、雰囲気制御用オーバーポット中で、1時間のミリング処理を、15分間の休止を挟みながら合計20回行った。
[Example 6: Synthesis of Li 6 SnS 5 powder]
In a glove box in an argon atmosphere (non-exposed to the atmosphere), commercially available lithium sulfide (Li 2 S) powder and tin sulfide (SnS 2 ) powder are mixed in a molar ratio of 3: 1 (mass ratio 0.6448: 0.8552). Weighed and mixed, and then mechanical milling at 510 rpm for 20 hours using a 45 mL zirconia container containing about 500 (90 g) zirconia balls with a diameter of 4 mm using a ball mill device (Fritsch P-7, Classic Line). To obtain Li 6 SnS 5 powder. The mechanical milling treatment was carried out in an atmosphere control overpot for a total of 20 times with a 1-hour milling treatment and a 15-minute pause.

[試験例4:固体電解質ペレットの導電率測定(その2)]
実施例4で得たLi6SnS5粉末80mgを直径10mmの成型機に均質に充填し、330MPaで1分間一軸成型し、厚さ0.564mm、直径10.00mmΦのペレットを作製した。形状からこのペレットの密度を計算したところ、1.81gcm-3(相対密度75.3%)であった。また、このペレットの25℃における抵抗を交流インピーダンス法により測定したところ、3,750Ωであり、このペレットの25℃におけるイオン伝導度σは、1.92×10-5Scm-1であることが分かった。直流分極法で測定した電子抵抗値は少なくとも1MΩ以上であり、電子伝導性は少なくとも7×10-8Scm-1以下であり、電子伝導性がイオン伝導性の250分の1以下であることが分かった。
[Test Example 4: Measurement of Conductivity of Solid Electrolyte Pellet (Part 2)]
80 mg of the Li 6 SnS 5 powder obtained in Example 4 was homogeneously filled in a molding machine having a diameter of 10 mm, and uniaxially molded at 330 MPa for 1 minute to prepare pellets having a thickness of 0.564 mm and a diameter of 10.00 mmΦ. When the density of this pellet was calculated from the shape, it was 1.81 gcm -3 (relative density 75.3%). The resistance of this pellet at 25 ° C was measured by the AC impedance method and found to be 3,750 Ω, and the ionic conductivity σ of this pellet at 25 ° C was 1.92 × 10 -5 Scm -1 . The electron resistance value measured by the DC polarization method is at least 1 MΩ or more, the electron conductivity is at least 7 × 10 -8 Scm -1 or less, and the electron conductivity is 1/250 or less of the ionic conductivity. Do you get it.

[試験例5:X線構造回折(その2)]
実施例4〜6で得られた粉末について、CuKα線を用いたX線回折(XRD)パターンを測定した。結果を図5に示す。参考のため、図5には、実施例1の試料、原料として用いた硫化リチウム(Li2S)及び硫化スズ(SnS2)のピークもあわせて示す。なお、XRD測定においては、作製した試料の大気暴露を避けるため、ポリマー製の大気非暴露フォルダーを用いて行ったため、2θ= 10〜25°付近にはポリマーによる影響も一部確認されている可能性がある。
[Test Example 5: X-ray structure diffraction (2)]
The X-ray diffraction (XRD) pattern using CuKα rays was measured for the powders obtained in Examples 4 to 6. The results are shown in FIG. For reference, FIG. 5 also shows the peaks of the sample of Example 1, lithium sulfide (Li 2 S) and tin sulfide (SnS 2) used as raw materials. In addition, in the XRD measurement, in order to avoid exposure to the atmosphere of the prepared sample, a polymer-made air-unexposed folder was used, so it is possible that some effects of the polymer were confirmed around 2θ = 10 to 25 °. There is sex.

図5に示すX線回折図では、メカニカルミリングの処理時間が20時間、60時間及び80時間の試料いずれにおいても、27.0°の位置に最強ピークを有しており、25.5°の位置に2番目に強いピークを有しており、他に31.3°、38.1°、44.9°、50.1°、53.1°、55.6°、65.3°及び72.0°の位置に回折ピークが確認できた。また、27.9°付近に回折ピークの存在が示唆された。さらに、25.5°の回折ピークに対応する面間隔は、3.49Åであり、38.1°の回折ピークに対応する面間隔は2.36Åである。実施例4、5及び6における25.5°のピークの半値幅(全値半幅)はそれぞれ、0.92°、1.03°、1.05°であった。 In the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 5, the mechanical milling treatment time of the samples of 20 hours, 60 hours, and 80 hours all had the strongest peak at the position of 27.0 ° and the second at the position of 25.5 °. It has a strong peak at 31.3 °, 38.1 °, 44.9 °, 50.1 °, 53.1 °, 55.6 °, 65.3 ° and 72.0 °. In addition, the existence of a diffraction peak was suggested around 27.9 °. Furthermore, the plane spacing corresponding to the 25.5 ° diffraction peak is 3.49 Å, and the plane spacing corresponding to the 38.1 ° diffraction peak is 2.36 Å. The half widths (full widths at half maximums) of the 25.5 ° peaks in Examples 4, 5 and 6 were 0.92 °, 1.03 ° and 1.05 °, respectively.

このように、実施例4〜6では、Li4SnS4からなる結晶相とLi2Sからなる結晶相の二相構造が形成されていた。仕込み組成比から、上記Li4SnS4相とLi2S相の存在比は、50: 50(mol比)程度であることが予想される。また、Li4SnS4とLi2Sの密度から算出される上記Li4SnS4とLi2Sの存在比が50: 50(mol比)の二相混合物の密度は、2.41g cm-3であり、Li6SnS5粉末の乾式粉体密度2.40g cm-3と良い一致を示す。この存在比の時、Li4SnS4とLi2Sの体積比はおおよそ79: 21となり、質量比は86: 14となる。上記のとおり、Li4SnS4からなる結晶相はイオン伝導性に優れる結晶相であるため、実施例4〜6で得られた試料も同様にイオン伝導性に優れ、固体電解質として有用である。 As described above, in Examples 4 to 6, a two-phase structure of a crystal phase composed of Li 4 SnS 4 and a crystal phase composed of Li 2 S was formed. From the charged composition ratio, it is expected that the abundance ratio of the Li 4 SnS 4 phase and the Li 2 S phase is about 50:50 (mol ratio). The presence ratio of the Li 4 SnS 4 and Li 2 S calculated from the density of the Li 4 SnS 4 and Li 2 S 50: density of the two-phase mixture of 50 (mol ratio), with 2.41 g cm -3 Yes, the dry powder density of Li 6 SnS 5 powder is 2.40 g cm -3, which is a good match. At this abundance ratio, the volume ratio of Li 4 SnS 4 and Li 2 S is approximately 79:21, and the mass ratio is 86:14. As described above, since the crystal phase composed of Li 4 SnS 4 is a crystal phase having excellent ionic conductivity, the samples obtained in Examples 4 to 6 also have excellent ionic conductivity and are useful as a solid electrolyte.

Claims (9)

リチウム、スズ及び硫黄を構成元素として含み、
一般式(1):
Li n1 SnS m1 (1)
[式中、n1及びm1は、3.5≦n1≦4.5;3.5≦m1≦4.5を満たす。]
で表され、
CuKα線によるX線回折図における回折角2θ= 10°〜80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、少なくとも、25.5°に最強ピーク又は2番目に強いピークを有し、且つ、24.5°以下にピークを有さない、結晶性リチウムスズ硫化物。
Contains lithium, tin and sulfur as constituent elements
General formula (1):
Li n1 SnS m1 (1)
[In the equation, n1 and m1 satisfy 3.5 ≤ n1 ≤ 4.5; 3.5 ≤ m1 ≤ 4.5. ]
Represented by
Within the range of diffraction angle 2θ = 10 ° to 80 ° in the X-ray diffraction diagram by CuKα rays, it has the strongest peak or the second strongest peak at least at 25.5 ° and 24.5 within the allowable range of ± 1.0 °. Crystalline lithium tin sulfide with no peak below °.
請求項1に記載の結晶性リチウムスズ硫化物と、リチウムと硫黄との組成比(Li/S)がモル比で1.0〜3.0であるリチウム硫化物との二相構造を有する、結晶性リチウムスズ硫化物。 A crystalline lithium-tin sulfide according to claim 1, the composition ratio of lithium and sulfur (Li / S) has a two-phase structure of the lithium sulfide is 1.0 to 3.0 molar ratio, sintering-crystalline lithium Lithium sulfide. 前記2θ= 25.5°のピークの半値幅が0.20〜1.05°である、請求項1又は2に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。 The crystalline lithium tin sulfide according to claim 1 or 2 , wherein the half width of the peak at 2θ = 25.5 ° is 0.20 to 1.05 °. CuKα線によるX線回折図における回折角2θ= 10°〜80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、さらに、27.9°、38.0°、45.0°及び50.1°にピークを有する、請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。 Claim that the diffraction angle in the X-ray diffraction pattern by CuKα rays is within the range of 2θ = 10 ° to 80 °, the tolerance is ± 1.0 °, and the peaks are 27.9 °, 38.0 °, 45.0 ° and 50.1 °. The crystalline lithium tin sulfide according to any one of 1 to 3. 平均粒子径が1〜30μmである、請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物。 The crystalline lithium tin sulfide according to any one of claims 1 to 4 , which has an average particle size of 1 to 30 μm. 請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物の製造方法であって、原料として、硫化リチウム及び硫化スズを用い、メカニカルミリング処理に供する工程を備える、製造方法。 The method for producing a crystalline lithium tin sulfide according to any one of claims 1 to 5 , wherein the method comprises a step of using lithium sulfide and tin sulfide as raw materials and subjecting them to a mechanical milling treatment. 前記硫化リチウムの使用量が、前記硫化スズ1モルに対して、1.75〜3.5モルである、請求項に記載の製造方法。 The production method according to claim 6 , wherein the amount of lithium sulfide used is 1.75 to 3.5 mol with respect to 1 mol of tin sulfide. 請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物からなるリチウムイオン二次電池用固体電解質。 A solid electrolyte for a lithium ion secondary battery made of the crystalline lithium tin sulfide according to any one of claims 1 to 5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の結晶性リチウムスズ硫化物、又は請求項に記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery using the crystalline lithium tin sulfide according to any one of claims 1 to 5 or the solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to claim 8.
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