JP7360389B2 - ＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相を含むイオン伝導体およびその製造方法、並びに該イオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質 - Google Patents

ＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相を含むイオン伝導体およびその製造方法、並びに該イオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質 Download PDF

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Description

本発明は、ＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相を含むイオン伝導体およびその製造方法、並びに該イオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質に関する。
近年、携帯情報端末、携帯電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、更には定置型蓄電システムなどの用途において、リチウムイオン二次電池の需要が増加している。しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は、電解液として可燃性の有機溶媒を使用しており、有機溶媒が漏れないように強固な外装を必要とする。また、携帯型のパソコン等においては、万が一電解液が漏れ出した時のリスクに備えた構造を取る必要があるなど、機器の構造に対する制約も出ている。
更には、自動車や飛行機等の移動体にまでその用途が広がり、定置型のリチウムイオン二次電池においては大きな容量が求められている。このような状況の下、安全性が従来よりも重視される傾向にあり、有機溶媒等の有害な物質を使用しない全固体リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。
例えば、全固体リチウムイオン二次電池における固体電解質として、酸化物、リン酸化合物、有機高分子、硫化物、錯体水素化物等を使用することが検討されている。
全固体電池は大きくわけて薄膜型とバルク型に分類される。薄膜型については、気相成膜を利用することで界面接合が理想的に形成されるものの、電極層が数μｍと薄く、電極面積も小さなものであり、1セルあたりの蓄えられるエネルギーが小さく、コストも高くなる。よって、多くのエネルギーを蓄える必要のある、大型蓄電装置や電気自動車向けの電池としては不適である。一方、バルク型の電極層の厚みは数十μｍ～１００μｍにすることができ、高いエネルギー密度を有する全固体電池が作製可能である。
固体電解質の中で、硫化物や錯体水素化物はイオン伝導度が高く、比較的やわらかいことから固体－固体間の界面を形成しやすい特徴があり、バルク型全固体電池への適用検討が進んでいる（特許文献１および２）。
しかしながら、従来の硫化物固体電解質は水と反応する性質を有しており、硫化物は硫化水素を発生し、水分と反応した後はイオン伝導度が低下する課題を有している。一方、錯体水素化物固体電解質は硫化物固体電解質と比較すると、イオン伝導度がやや低い傾向にあり、イオン伝導度の向上が望まれている。
特許文献３には、カーボレン系と呼ばれる固体電解質が記載されているが、イオン伝導度については記載されていない。
特許６２４６８１６ ＷＯ２０１７－１２６４１６ ＵＳ２０１６／０３７２７８６Ａ１
本発明は、イオン伝導性等の種々の特性に優れたイオン伝導体およびその製造方法、並びに該イオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２とを特定のモル比で混合して得られたイオン伝導体によって、上記課題を解決することができることを見出した。即ち、本発明は、以下の通りである。
＜１＞ ＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含むイオン伝導体の製造方法であって、
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２とを、ＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１～２０のモル比で混合する工程を含む、前記イオン伝導体の製造方法である。
＜２＞ メカニカルミリング処理を施すことにより前記混合を行う、上記＜１＞に記載のイオン伝導体の製造方法である。
＜３＞ 前記メカニカルミリング処理を施す時間が１～４８時間である、上記＜２＞に記載のイオン伝導体の製造方法である。
＜４＞ 得られたイオン伝導体が、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＸ線回折ピークを有し、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０である、上記＜１＞～＜３＞のいずれかに記載のイオン伝導体の製造方法である。
＜５＞ リチウム（Ｌｉ）と炭素（Ｃ）とホウ素（Ｂ）と水素（Ｈ）とを含むイオン伝導体であって、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＸ線回折ピークを有し、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０である、前記イオン伝導体である。
＜６＞ 前記イオン伝導体がＬｉＣＢ９Ｈ１０を含む、上記＜５＞に記載のイオン伝導体である。
＜７＞ 前記イオン伝導体が更にＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含む、上記＜６＞に記載のイオン伝導体である。
＜８＞ ラマン分光測定において、７４９ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）および７６３ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）にそれぞれピークを有する、上記＜５＞から＜７＞のいずれかに記載のイオン伝導体である。
＜９＞ ２５℃におけるイオン伝導度が１．０～１０mScm-1である、上記＜５＞から＜８＞のいずれかに記載のイオン伝導体である。
＜１０＞ 上記＜５＞から＜９＞のいずれかに記載のイオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質である。
＜１１＞ 上記＜１０＞に記載の固体電解質と、金属リチウムとが接してなる電極である。
＜１２＞ 上記＜１１＞に記載の電極を備える全固体電池である。
本発明によれば、イオン伝導性等の種々の特性に優れたイオン伝導体およびその製造方法、並びに該イオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質を提供することができる。
図１Ａは、実施例１～４および比較例１で得られたイオン伝導体の粉末におけるＸ線回折ピークを示す。 図１Ｂは、図１Ａの一部のＸ線回折スペクトルを拡大したものである。 図２は、実施例１～４および比較例１で得られたイオン伝導体のラマンスペクトルを示す。 図２Ｂは、図１Ａの一部のラマンスペクトルを拡大したものである。 図３は、実施例１～４および比較例１で得られたイオン伝導体のイオン伝導度の測定結果を示す。 図４Ａは、実施例５において評価セルの電極間にかかる電圧を測定した結果を示す。 図４Ｂは、図４Ａの一部を拡大したものである。 図５Ａは、実施例６における充放電試験の結果を示す。 図５Ｂは、実施例６における充放電試験の結果を示す。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する材料、構成等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
１．イオン伝導体
本発明の１つの実施形態によると、リチウム（Ｌｉ）と炭素（Ｃ）とホウ素（Ｂ）と水素（Ｈ）とを含むイオン伝導体が提供される。上記実施形態は、好ましくは、結晶としてＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相（高イオン伝導相）を含み、より好ましくは、ＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含む。
本発明のイオン伝導体は、ラマン分光測定において、ＬｉＣＢ９Ｈ１０に基づく７４９ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２に基づく７６３ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）にそれぞれピークを有することが好ましい。その他の領域にもピークを有してもよいが、それぞれの特徴を示すピークは上記のものとなる。
本発明のイオン伝導体は、結晶としてＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相を含むことが好ましい。ＬｉＣＢ９Ｈ１０は、その結晶状態から高温相と低温相とを有しており、高い温度（例えば、７５～１５０℃程度）の高温相ではイオン伝導度が高いものの、室温付近（例えば、２０～６５℃程度）においては低温相となってしまい、イオン伝導度が低下してしまう。
本発明のイオン伝導体は、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相に基づくＸ線回折ピークを有する。好ましくは、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０の範囲であり、１．０～１５の範囲がより好ましく、１．０～１０の範囲が特に好ましい。強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０の範囲となる場合は、ＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相にＬｉＣＢ１１Ｈ１２が固溶することで相転移温度が低下し、室温付近においてもイオン伝導度が高い状態を維持することができる。この固溶が成り立つのは、ＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１以上のモル比の時である。好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１～２０であり、より好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．２５～１０であり、特に好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．５～９であり、この範囲においてはイオン伝導度が高い値を示す。
なお、本発明のイオン伝導体は、上記以外のＸ線回折ピークを含んでいたとしても、所望の効果が得られる。
また、本発明のイオン伝導体は、リチウム（Ｌｉ）と炭素（Ｃ）とホウ素（Ｂ）と水素（Ｈ）以外の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。
上記のイオン伝導体は、柔らかく、コールドプレスにて電極層および固体電解質層へと成形することができる。そして、このように成形された電極層および固体電解質層は、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質を多く含む場合と比較して強度に優れる。従って、本発明のイオン伝導体を使用することにより、成形性がよく、割れにくい（クラックが生じにくい）電極層および固体電解質層を作製することができる。また、本発明のイオン伝導体は密度が低いため、比較的軽い電極層および固体電解質層を作製することができる。それにより電池全体の重量を軽くすることができるため、好ましい。さらに、本発明のイオン伝導体を固体電解質層において使用した場合、電極層との間の界面抵抗を低くすることができる。
更に、上記のイオン伝導体は、水分や酸素に触れても分解することがなく、危険な毒性ガスを発生することがない。
本発明のイオン伝導体は、２５℃におけるイオン伝導度が１．０～１０mScm-1であることが好ましく、２．０～１０mScm-1であることがより好ましい。
２．イオン伝導体の製造方法
本発明の別の実施形態によると、ＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含むイオン伝導体の製造方法であって、ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２とを、ＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１～２０のモル比で混合する工程を含む、前記イオン伝導体の製造方法が提供される。
原料であるＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２としては、通常に市販されているものを使用することができる。また、その純度は、９５％以上であることが好ましく、９８％以上であることがより好ましい。純度が上記範囲である化合物を使用することにより、所望の結晶が得られやすい。
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合比は、ＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１以上のモル比とする必要がある。好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１～２０であり、より好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．２５～１０であり、特に好ましくはＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．５～９である。上述したように、この範囲においてはイオン伝導度が特に高い値を示す。
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、例えばヘリウム、窒素、アルゴンなどを挙げることができるが、好ましくはアルゴンである。不活性ガス中の水分および酸素の濃度は低く管理されることが好ましく、より好ましくは、不活性ガス中の水分および酸素の濃度は１ｐｐｍ未満である。
混合の方法としては、特に限定されるものではないが、溶媒中での撹拌混合を用いることができる。機械混合も使用することができ、例えば、ライカイ機、ボールミル、遊星型ボールミル、ビーズミル、自公転ミキサー、高速攪拌型の混合装置、タンブラーミキサー等を使用した方法が挙げられる。これらの中でも、粉砕力および混合力に優れる遊星型ボールミルがより好ましく、遊星型ボールミルを用いてメカニカルミリング処理を施して混合することが特に好ましい。機械混合は乾式で行うことが好ましいが、溶媒下で実施することもできる。上記手法に問わず、溶媒としては特に制限されるわけではないが、アセトニトリルをはじめとしたニトリル系溶媒、テトラヒドロフランやジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、メタノールやエタノールなどのアルコール系溶媒等を挙げることができる。
混合時間は、混合する方法によって異なるが、溶媒中での撹拌混合の場合には、例えば、１～４８時間であり、５～２４時間が好ましい。なお、溶媒を用いた場合には混合時間を短縮することができる。機械混合における混合時間としては、例えば遊星型ボールミルを用いた場合には、１～２４時間であり、５～２０時間が好ましい。
反応圧力としては、通常は絶対圧として０．１Ｐａ～２ＭＰａの範囲である。好ましくは１０１ｋＰａ～１ＭＰａである。
本発明の上記製造方法によって得られたイオン伝導体は、ラマン分光測定において、ＬｉＣＢ９Ｈ１０に基づく７４９ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２に基づく７６３ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）にそれぞれピークを有することが好ましい。また、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相に基づくＸ線回折ピークを有し、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１～２０の範囲となることが好ましく、１．０～１５の範囲となることがより好ましく、１．０～１０の範囲となることが特に好ましい。
３．全固体電池
本発明のイオン伝導体は、全固体電池用の固体電解質として使用され得る。よって、本発明の一実施形態によると、上述したイオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質が提供される。また、本発明のさらなる実施形態によると、上述した全固体電池用固体電解質を使用した全固体電池が提供される。
本明細書において、全固体電池とは、リチウムイオンが電気伝導を担う全固体電池であり、特に全固体リチウムイオン二次電池である。全固体電池は、正極層と負極層との間に固体電解質層が配置された構造を有する。本発明のイオン伝導体は、正極層、負極層および固体電解質層のいずれか１層以上に、固体電解質として含まれてよい。電極層に使用する場合には、負極層よりも正極層に使用することが好ましい。正極層の方が、副反応が生じにくいためである。正極層または負極層に本発明のイオン伝導体が含まれる場合、イオン伝導体と公知のリチウムイオン二次電池用正極活物質または負極活物質とを組み合わせて使用する。正極層としては、活物質と固体電解質が混じり合ったバルク型を用いると、単セルあたりの容量が大きくなることから好ましい。
全固体電池は、上述した各層を成形して積層することによって作製されるが、各層の成形方法および積層方法については、特に限定されるものではない。例えば、固体電解質および／または電極活物質を溶媒に分散させてスラリー状としたものをドクターブレード、スピンコート等により塗布し、それを圧延することにより製膜する方法；真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を用いて成膜および積層を行う気相法；ホットプレスまたは温度をかけないコールドプレスによって粉末を成形し、それを積層していくプレス法等がある。本発明のイオン伝導体は比較的柔らかいことから、プレスによって成形および積層して電池を作製することが特に好ましい。また、予め活物質、導電助剤、バインダー類が入った電極層を形成させておき、そこに固体電解質を溶媒に溶かした溶液や、溶媒に固体電解質を分散させたスラリーを流し込むこみ、その後溶媒を除去させることによって電極層内に固体電解質を入れこむこともできる。
全固体電池を作製する雰囲気としては、水分が管理された不活性ガスもしくはドライルーム内にて実施することが好ましい。水分管理としては、露点－１０℃～－１００℃の範囲であり、より好ましくは露点－２０℃～－８０℃の範囲であり、特に好ましくは露点－３０℃～－７５℃の範囲である。これは、本発明のイオン伝導体の加水分解速度は極めて遅いものの、水和物を形成することによりイオン伝導度が低下することを防ぐためである。
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明の内容がこれにより限定されるものではない。
＜イオン伝導体の調製＞
（実施例１）
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、ＬｉＣＢ９Ｈ１０（Ｋａｔｃｈｅｍ社製）とＬｉＣＢ１１Ｈ１２（Ｋａｔｃｈｅｍ社製）とを、ＬｉＣＢ９Ｈ１０：ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝９：１のモル比になるように１００ｍｇ量り取り、メノウ乳鉢にて予備混合した。次に、予備混合した原料を４５ｍＬのＳＵＪ－２製ポットに投入し、さらにＳＵＪ－２製ボール（φ７ｍｍ、２０個）を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機（フリッチェ製Ｐ７）に取り付け、回転数４００ｒｐｍで２０時間、メカニカルミリング処理を施し、イオン伝導体を得た。Ｘ線回折の結果、得られたイオン伝導体はＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相を含んでいた。
（実施例２）
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合モル比をＬｉＣＢ９Ｈ１０：ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝８：２へと変更したことを除き、実施例１と同様にイオン伝導体を製造した。
（実施例３）
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合モル比をＬｉＣＢ９Ｈ１０：ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝７：３へと変更したことを除き、実施例１と同様にイオン伝導体を製造した。
（実施例４）
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合モル比をＬｉＣＢ９Ｈ１０：ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝６：４へと変更したことを除き、実施例１と同様にイオン伝導体を製造した。
（比較例１）
ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混合モル比をＬｉＣＢ９Ｈ１０：ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝５：５へと変更したことを除き、実施例１と同様にイオン伝導体を製造した。得られたイオン伝導体は、Ｘ線回折の結果より、ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２の混相であった。
＜Ｘ線回折測定＞
実施例１～４および比較例１で得られたイオン伝導体の粉末について、アルゴン雰囲気下、室温（２５℃）下、リンデマンガラスキャピラリー（外径０．５ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍ）を用いて、Ｘ線回折測定（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製Ｘ‘ｐｅｒｔ Ｐｒｏ、ＣｕＫα：λ＝１．５４０５Å）を実施した。得られたＸ線回折ピークを図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａには比較のため、原料であるＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２のＸ線回折ピークも示す。
実施例１～４では、少なくとも、２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＸ線回折ピークが観測された。また、ＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相のピーク位置である１６．４４ｄｅｇおよび１７．０７ｄｅｇのピーク位置の強度をそれぞれＡおよびＢとしたとき、強度比（Ｂ／Ａ）を、表1にまとめた。なお、それぞれの強度は、２θ＝２０ｄｅｇの値をベースラインとみなし、Ａ＝（１６．４４ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．０７ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した。
実施例１～４はＬｉＣＢ９Ｈ１０の高温相のピーク位置と一致することから固溶体となっていることがわかるが、比較例１はＬｉＣＢ９Ｈ１０の低温相およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２との混相であり、固溶領域を外れていることがわかる。
Figure 0007360389000001
＜ラマン分光測定＞
（１）試料調製
上部に石英ガラス（Φ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を光学窓として有する密閉容器を用いて測定試料の作製を行った。アルゴン雰囲気下のグローブボックスにて、試料を石英ガラスに接する状態で保液させた後、容器を密閉してグローブボックス外に取り出し、ラマン分光測定を行った。
（２）測定条件
レーザーラマン分光光度計ＮＲＳ－５１００（日本分光株式会社製）を使用し、励起波長５３２．１５ｎｍ、露光時間５秒にて測定を行った。得られたラマンスペクトルを図２に示す。
ＬｉＣＢ９Ｈ１０は７４９ｃｍ－１にピークを有し、ＬｉＣＢ１１Ｈ１２は７６３ｃｍ－１にピークを有する。なお、ラマンシフト値は結合に由来するものであり、結晶状態にはほとんど左右されない。実施例１～２においては７６３ｃｍ－１のピークが７４９ｃｍ－１のショルダーピークとなり、実施例３～４および比較例１においては７４９ｃｍ－１のピークが７６３ｃｍ－１のショルダーピークとなるが、いずれにおいてもＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２が存在していることがわかる。
＜イオン伝導度測定＞
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、実施例１～４および比較例１で得られたイオン伝導体、原料であるＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２を一軸成型（２４０ＭＰａ）に供し、厚さ約１ｍｍ、φ８ｍｍのディスクを製造した。室温から１５０℃もしくは８０℃の温度範囲において１０℃間隔で昇温・降温させ、リチウム電極を利用した二端子法による交流インピーダンス測定（ＨＩＯＫＩ ３５３２－８０、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅｔｅｒ）を行い、イオン伝導度を算出した。測定周波数範囲は４Ｈｚ～１ＭＨｚ、振幅は１００ｍＶとした。
それぞれのイオン伝導度の測定結果を図３に示す。また、室温（２５℃）におけるイオン伝導度を表２に示した。なお、実施例１～４および比較例１は、いずれも原料のＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２に見られる低温で急激にイオン伝導度が低下する現象が観測されなかった。しかし、比較例１と実施例１～４とはイオン伝導度の差が大きく、実施例１～４の中で最もイオン伝導度の低い実施例４でも、室温におけるイオン伝導度は比較例１より２倍向上していることがわかる。
Figure 0007360389000002
（実施例５）
＜リチウム対称セルによる溶解・析出試験＞
実施例３で得られたイオン伝導体の粉末を直径８ｍｍの粉末錠剤成形機に入れ、圧力１４３ＭＰａにて円盤状にプレス成形し、固体電解質層（３００μｍ）が積層された円盤状のペレットを得た。このペレットの両側に、厚さ２００μｍ、φ８ｍｍの金属リチウム箔（本城金属社製）を貼り付けて、ＳＵＳ３０４製の全固体電池用拘束試験セル（宝泉製）に入れて密閉し、評価セルとした。上記の操作は全てアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で行った。作製した評価セルについて、ポテンショスタット／ガルバノスタット（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ製ＶＭＰ３）を用い、測定温度２５℃、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ－２にて、０．５時間ずつ極性を反転させて電流を流すことを1サイクル（１時間で１サイクル）とし、評価セルの電極間にかかる電圧を測定した。結果を図４に示す。過電圧は０．０１Ｖ未満と小さくフラットであり、異常な電圧を示すこともない。１００サイクル後も過電圧の増加はわずかにとどまり、良好にＬｉの溶解・析出が繰り返されることが示された。
（実施例６）
＜充放電試験＞
（正極活物質の調製）
硫黄（Ｓ）（アルドリッチ社製、純度９９．９８％）、ケッチェンブラック（ライオン社製、ＥＣ６００ＪＤ）およびＭａｘｓｏｒｂ（登録商標）（関西熱化学製、ＭＳＣ３０）を、Ｓ：ケッチェンブラック：Ｍａｘｓｏｒｂ（登録商標）＝５０：２５：２５の重量比になるように４５ｍＬのＳＵＪ－２製ポットに投入した。さらにＳＵＪ－２製ボール（φ７ｍｍ、２０個）を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機（フリッチェ製Ｐ７）に取り付け、回転数４００ｒｐｍで２０時間メカニカルミリングを行い、Ｓ－カーボンコンポジット正極活物質を得た。
（正極層粉末の調製）
上記で調製したＳ－カーボンコンポジット正極活物質：実施例３で得られたイオン伝導体＝１：１（重量比）となるように、粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。
（全固体電池の作製）
実施例３で得られたイオン伝導体の粉末を直径１０ｍｍの粉末錠剤成形機に入れ、圧力１４３ＭＰａにて円盤状にプレス成形した（固体電解質層の形成）。成形物を取り出すことなく、上記で調製した正極層粉末を錠剤成形機に入れ、圧力２８５ＭＰａにて一体成型した。このようにして、正極層（７５μｍ）および固体電解質層（３００μｍ）が積層された円盤状のペレットを得た。このペレットの正極層の反対側に、厚さ２００μｍ、φ８ｍｍの金属リチウム箔（本城金属社製）を貼り付けてリチウム負極層とし、ＳＵＳ３０４製の全固体電池用拘束試験セル（宝泉製）に入れて密閉し、全固体二次電池とした。
（充放電試験）
上記のように作製した全固体二次電池について、ポテンショスタット／ガルバノスタット（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ製ＶＭＰ３）を用い、測定温度２５℃、カットオフ電圧１．０～２．５Ｖ、０．１Ｃレートの定電流にて、放電から充放電試験を開始した。なお、放電容量は、試験した電池で得られた放電容量を硫黄系電極活物質１ｇ当たりの値として表記した。また、クーロン効率＝充電容量／放電容量 にて算出した。結果を図５に示した。
初回の放電時には大きな不可逆容量が観測されたものの、２サイクル目以降は９８％以上の高いクーロン効率を示した。サイクル特性としては、初回の放電容量が１９００ｍＡｈ／ｇであるのに対し、２サイクル目は１３００ｍＡｈ／ｇと落ちが大きいものの、３サイクル目以降は安定し、２０サイクル目の放電容量は１１００ｍＡｈ／ｇであり、大きな発現容量を得ることができた。

Claims (12)

  1. ＬｉＣＢ９Ｈ１０およびＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含むイオン伝導体の製造方法であって、
    ＬｉＣＢ９Ｈ１０とＬｉＣＢ１１Ｈ１２とを、ＬｉＣＢ９Ｈ１０／ＬｉＣＢ１１Ｈ１２＝１．１～２０のモル比で混合する工程を含む、前記イオン伝導体の製造方法。
  2. メカニカルミリング処理を施すことにより前記混合を行う、請求項１に記載のイオン伝導体の製造方法。
  3. 前記メカニカルミリング処理を施す時間が１～４８時間である、請求項２に記載のイオン伝導体の製造方法。
  4. 得られたイオン伝導体が、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＸ線回折ピークを有し、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０である、請求項１～３のいずれかに記載のイオン伝導体の製造方法。
  5. リチウム（Ｌｉ）と炭素（Ｃ）とホウ素（Ｂ）と水素（Ｈ）とを含むイオン伝導体であって、２５℃におけるＸ線回折測定において、少なくとも２θ＝１４．９±０．３ｄｅｇ、１６．４±０．３ｄｅｇ、１７．１±０．５ｄｅｇにＸ線回折ピークを有し、Ａ＝（１６．４±０．３ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、Ｂ＝（１７．１±０．５ｄｅｇのＸ線回折強度）－（２０ｄｅｇのＸ線回折強度）、にて算出した強度比（Ｂ／Ａ）が１．０～２０であり、２５℃におけるイオン伝導度が１．０～１０mScm -1 である、前記イオン伝導体。
  6. 前記イオン伝導体がＬｉＣＢ９Ｈ１０を含む、請求項５に記載のイオン伝導体。
  7. 前記イオン伝導体が更にＬｉＣＢ１１Ｈ１２を含む、請求項６に記載のイオン伝導体。
  8. ラマン分光測定において、７４９ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）および７６３ｃｍ－１（±５ｃｍ－１）にそれぞれピークを有する、請求項５から７のいずれかに記載のイオン伝導体。
  9. 前記イオン伝導体が、ＬｉＣＢ ９ Ｈ １０ とＬｉＣＢ １１ Ｈ １２ とを、ＬｉＣＢ ９ Ｈ １０ ／ＬｉＣＢ １１ Ｈ １２ ＝１．１～２０のモル比で含む、請求項５から８のいずれかに記載のイオン伝導体。
  10. 請求項５から９のいずれかに記載のイオン伝導体を含む全固体電池用固体電解質。
  11. 請求項１０に記載の固体電解質と、金属リチウムとが接してなる電極。
  12. 請求項１１に記載の電極を備える全固体電池。
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