JP7377502B2 - 複合体、リチウムイオン伝導体、全固体リチウムイオン二次電池、全固体リチウムイオン二次電池用電極シート、四ホウ酸リチウム - Google Patents
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Description
それに対して、全固体リチウムイオン二次電池は、これらの課題を解決できる次世代電池の一つである。全固体電池では、所望の充放電特性を得るために、良好なリチウムイオン伝導度を有する固体電解質が求められている。例えば、特許文献1では、全固体リチウムイオン二次電池に使用可能な、固体電解質が開示されている。特許文献1では、リチウム含有酸化物をベースとした固体電解質が開示されている。
そのため、安全性および安定性に優れるリチウム含有酸化物を用いつつ、高温での焼結をすることなく加圧処理により、良好なリチウムイオン伝導度を示すリチウムイオン伝導体を成形が可能な材料があれば、安全および安定な固体電解質を生産性良く製造でき、望ましい。
また、本発明は、リチウムイオン伝導体、全固体リチウムイオン二次電池、全固体リチウムイオン二次電池用電極シート、および、四ホウ酸リチウムも提供することを課題とする。
後述する要件1を満たす、四ホウ酸リチウムと、を含む、複合体。
(2) 四ホウ酸リチウムの固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅に対する、四ホウ酸リチウムの固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅の割合が、70%以下である、(1)に記載の複合体。
(3) 四ホウ酸リチウムの体積弾性率が45GPa以下である、(1)または(2)に記載の複合体。
(4) リチウム化合物が、リチウム含有酸化物である、(1)~(3)のいずれかに記載の複合体。
(5) リチウム化合物が、LiとLaとZrとOとを少なくとも含むガーネット型構造またはガーネット型類似構造を有するリチウム化合物、LiとTiとLaとOとを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有するリチウム化合物、LiとM1とPとOとを少なくとも含み、M1はTi、Zr、および、Geのうちの少なくとも1つを表す、NASICON型構造を有するリチウム化合物、LiとPとOとNとを少なくとも含むアモルファス型構造を有するリチウム化合物、LiとSiとOとを少なくとも含む単斜晶構造を有するリチウム化合物、LiM2X1O4で表され、M2が2価元素または3価元素を表し、M2が2価元素を表す場合、X1は5価元素を表し、M2が3価元素を表す場合、X1は4価元素を表す、オリビン型構造を有するリチウム化合物、LiとOとX2とを少なくとも含み、X2がCl、Br、NおよびIのうちの少なくとも1つを表す、アンチペロブスカイト構造を有するリチウム化合物、Li2M3Y4で表され、M3がCd、Mg、Mn、およびVのうちの少なくとも1つを表し、YがF、Cl、Br、およびIのうちの少なくとも1つを表す、スピネル構造を有するリチウム化合物、並びに、β-アルミナ構造を有するリチウム化合物、からなる群から選択される少なくとも1種を含む、(1)~(4)のいずれかに記載の複合体。
(6) (1)~(5)のいずれかに記載の複合体を用いて形成されたリチウムイオン伝導体。
(7) 後述する要件2または要件3を満たす、(6)に記載のリチウムイオン伝導体。
(8) 正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で備える全固体リチウムイオン二次電池であって、
正極活物質層、固体電解質層、および、負極活物質層の少なくとも一つは、(6)または(7)に記載のリチウムイオン伝導体を含む、全固体リチウムイオン二次電池。
(9) (6)または(7)に記載のリチウムイオン伝導体を含む、全固体リチウムイオン二次電池用電極シート。
(10) 後述する要件1を満たす、四ホウ酸リチウム。
(11) 固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅に対する、固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅の割合が、70%以下である、(10)に記載の四ホウ酸リチウム。
(12) ラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数が、0.9400以上である、(10)または(11)に記載の四ホウ酸リチウム。
また、本発明によれば、リチウムイオン伝導体、全固体リチウムイオン二次電池、全固体リチウムイオン二次電池用電極シート、および、四ホウ酸リチウムも提供できる。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、本発明の効果を損なわない範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
さらに、従来技術としては、塑性変形しやすいリチウム化合物として、硫化物系のリチウム化合物も挙げられるが、これらの化合物は硫化水素の発生が懸念される。
以下では、複合体に含まれる各成分について詳述する。
複合体は、25℃におけるリチウムイオン伝導度が1.0×10-6S/cm以上であるリチウム化合物(第1リチウム化合物)を含む。複合体が、上記第1リチウム化合物を含むことにより、複合体を用いて得られるリチウムイオン伝導体が優れたリチウムイオン伝導性を示す。
上記リチウムイオン伝導度の測定方法は、第1リチウム化合物の上下にAu電極を配置して、測定温度25℃、印加電圧100mV、および、測定周波数域1Hz~1MHzとし、交流インピーダンス測定により得られたCole-Coleプロットの円弧径から算出する。
化合物1:LiとLaとZrとOとを少なくとも含むガーネット型構造またはガーネット型類似構造を有するリチウム化合物
化合物2:LiとTiとLaとOとを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有するリチウム化合物
化合物3:LiとM1とPとOとを少なくとも含み、M1はTi、Zr、Si、および、Geのうちの少なくとも1つを表す、NASICON型構造を有するリチウム化合物
化合物4:LiとPとOとNとを少なくとも含むアモルファス型構造を有するリチウム化合物
化合物5:LiとSiとOとを少なくとも含む単斜晶構造を有するリチウム化合物
化合物6:LiM2X1O4で表され、M2が2価元素または3価元素を表し、M2が2価元素を表す場合、X1は5価元素を表し、M2が3価元素を表す場合、X1は4価元素を表し、オリビン型構造を有するリチウム化合物
なお、上記M2で表される2価元素としては、例えば、Mg、Ca、Sr、BaおよびZnが挙げられ、M2で表される3価元素としては、例えば、Al、Ga、In、Sc、NdおよびTmが挙げられる。また、上記X1で表される5価元素としては、例えば、P、AsおよびSbが挙げられ、X1で表される4価元素としては、例えば、SiおよびGeが挙げられる。
化合物7:LiとOとX2とを少なくとも含み、X2がCl、Br、NおよびIのうちの少なくとも1つを表す、アンチペロブスカイト構造を有するリチウム化合物
化合物8:Li2M3Y4で表され、M3がCd、Mg、Mn、およびVのうちの少なくとも1つを表し、YがF、Cl、Br、およびIのうちの少なくとも1つを表す、スピネル構造を有するリチウム化合物。
化合物9:β-アルミナ構造を有するリチウム化合物。
上記化合物2としては、例えば、Li3xLa2/3-xTiO3、および、Li3xLa2/3-xTiO3にSr、Zr、または、Hfなどの元素をドープしたものが挙げられる。
上記化合物3としては、例えば、LiGe2(PO4)3およびLiTi2(PO4)3、並びに、それらにSi、Al、または、Crなどの元素をドープしたものが挙げられる。
上記化合物4としては、例えば、LiPON(LixPOyNz、x=2y+3z-5)が挙げられる。
上記化合物5中の単斜晶構造としては、NASICON型構造およびガーネット型構造が挙げられる。なお、上記化合物5としては、例えば、Li4SiO4、および、Li4SiO4にZn、Cr、Sn、ZrまたはAlなどの元素がドープしたものが挙げられる。また、上記化合物5(特に、Li4SiO4)は、空間群がP121/m1と指定される化合物が好ましい。
上記化合物6としては、例えば、LiInSiO4、LiInGeO4、LiScGeO4、および、LiMgAsO4が挙げられる。
上記化合物7としては、例えば、Li3OCl、Li3OCl0.5Br0.5、および、それらにBaまたはSrなどの元素をドープした化合物したものが挙げられる。
上記化合物8としては、例えば、Li2CdCl4、Li2MgCl4、Li2MnCl4、および、Li2VCl4が挙げられる。
上記化合物9としては、例えば、Li-β-アルミナが挙げられ、組成が(Li2O)x・11Al2O3と表され、xは例えば0.9から1.3の値を有するLi化合物。
上記体積弾性率の測定は、超音波減衰法により実施する。
具体的には、まず、第1リチウム化合物を純粋に懸濁させた懸濁液を作製する。懸濁液中における第1リチウム化合物の含有量は、懸濁液全質量に対して、1.2質量%とする。次に、上記懸濁液の超音波減衰スペクトルを測定し、散乱減衰理論式よるフィッティングから第1リチウム化合物の体積弾性率を求める。なお、上記フィッティングを行う際には、第1リチウム化合物の粒度分布、密度およびポアソン比を用いる。例えば、LLZOの場合、密度は4.97g/mlであり、ポアソン比は0.257である。
上記散乱減衰理論式よるフィッティングに関しては、Kohjiro Kubo et al., Ultrasonics 62 (2015) 186-194に記載の式(7)、(12)、および、(13)を利用して、体積弾性率を算出する。
また、第1リチウム化合物の粒度分布は、フロー式粒子像分析法にて粒子画像を取得して、第1リチウム化合物の粒子径のヒストグラム(粒度分布)を得る。上記粒子径は、円相当直径に該当する。
上記平均粒子径の測定方法は、フロー式粒子像分析法にて粒子画像を取得して、第1リチウム化合物の粒子径分布を算出し、得られた分布から解析したものである。
複合体は、後述する要件1を満たす、四ホウ酸リチウム(第2リチウム化合物)を含む。上述したように、第2リチウム化合物は塑性変形しやすく、結果として、複合体の加工成形性を高めている。
また、上記第2リチウム化合物は、Li、BおよびO以外の他の元素でドープされていてもよい。つまり、第2リチウム化合物は、C、Si、P、S、Se、Ge、F、Cl、Br、I、N、Al、Ga、および、Inからなる群から選択される元素でドープされていてもよい四ホウ酸リチウムであってもよい。従って、第2リチウム化合物は、C、Si、P、S、Se、Ge、F、Cl、Br、I、N、Al、Ga、および、Inからなる群から選択される元素でドープされていてもよい、Li2+xB4+yO7+z(-0.3<x<0.3、-0.3<y<0.3、-0.3<z<0.3)で表される化合物であってもよい。
要件1:第2リチウム化合物(四ホウ酸リチウム)のX線全散乱測定から得られた還元二体分布関数G(r)において、rが1.43±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第1ピーク、および、rが2.40±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第2ピークが存在し、第1ピークのピークトップのG(r)および第2ピークのピークトップのG(r)が1.0超を示し、rが5Å超10Å以下の範囲においてG(r)の絶対値が1.0未満である。
以下、要件1について、図1を用いて説明する。
X線全散乱測定は、SPring-8 BL04B2(加速電圧61.4keV、波長0.2019Å)にて行う。
なお、実験によって得られる散乱強度Iを下記の手順で変換することで還元二体分布関数G(r)を得る。
まず、散乱強度Iobsは式(1)で表される。また、構造因子S(Q)はIcohを原子の個数Nと原子散乱因子fの積で割ることで得られる。
Iobs=Icoh+Iincoh+I蛍光 (1)
干渉性散乱はDebyeの散乱式(3)で表される(N:原子の総数、f:原子散乱因子、rij:i-j間の原子間距離)。
つまり、第2リチウム化合物のX線全散乱測定から得られた還元二体分布関数G(r)において、ピークトップ(以下、「第1ピークトップ」ともいう。)のG(r)が1.0超を示し、かつ、第1ピークトップが1.43±0.2Åの範囲に位置する第1ピーク、および、ピークトップ(以下、「第2ピークトップ」ともいう。)のG(r)が1.0超を示し、かつ、第2ピークトップが2.40±0.2Åの範囲に位置する第2ピークが観察される。
なお、図1においては、第1ピークP1のピークトップは1.43Åに位置し、第2ピークP2のピークトップは2.40Åに位置する。
1.43Åの位置には、B(ホウ素)-O(酸素)の原子間距離に帰属されるピークが存在する。また、2.40Åの位置には、B(ホウ素)-B(ホウ素)の原子間距離に帰属されるピークが存在する。つまり、上記2つのピーク(第1ピークおよび第2ピーク)が観測されるということは、上記2つの原子間距離に対応する周期構造が、第2リチウム化合物中に存在することを意味する。
上記のようにrが5Å超10Å以下の範囲においてG(r)の絶対値が1.0未満であることは、第2リチウム化合物中には長距離秩序構造はほとんど存在しないことを意味する。
なお、本発明の効果がより優れる点からは、第2リチウム化合物は、2θ値で20~25°の範囲に見られる結晶性の回折線を有さないことが好ましい。
ピークの半値全幅(FWHM)は、ピークの高さ(H)の1/2地点(H/2)での幅(ppm)を意味する。
図4では、第2リチウム化合物の固体7Li-NMR測定を20℃または120℃で行った際に得られるスペクトルの一例を示す。
図4中の下側に示す実線のスペクトルが固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルであり、図4中の上側に示す破線のスペクトルが固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルである。
一般的に、固体7Li-NMR測定において、Li+の運動性が高い場合、得られるピークがよりシャープに得られる。図4に示す態様においては、20℃におけるスペクトルと120℃におけるスペクトルとを比較すると、120℃におけるスペクトルがよりシャープとなっている。つまり、図4に示す第2リチウム化合物においては、Li欠陥などがあるために、Li+の運動性が高くなっていることを示す。このような第2リチウム化合物は、上記のような欠陥構造に由来して、塑性変形しやすくなり、かつ、Li+のホッピング性が優れることにより、本発明の効果がより優れると考えられる。
なお、一般的な四ホウ酸リチウム結晶に関して、固体7Li-NMR測定を20℃または120℃で行った際には、図5の下側に示す、実線で表される20℃で測定したスペクトルと、図5の上側に示す、破線で表される120℃で測定されるスペクトルとが略同じ形状となりやすい。つまり、四ホウ酸リチウム結晶においては、Li欠陥などがなく、結果として、弾性率が高く、塑性変形しづらい。
具体的には、4mm HX CP-MASプローブを用い、シングルパルス法、90°パルス幅:3.2μs、観測周波数:155.546MHz、観測幅:1397.6ppm、繰り返し時間:15sec、積算:1回、MAS回転数:0Hzで測定する。
要件4:第2リチウム化合物のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数は、0.9400以上である。
なお、上記要件4中の決定係数は、本発明の効果がより優れる点で、0.9600以上であることがより好ましい。上限は特に制限されないが、1.0000が挙げられる。
図6では、第2リチウム化合物のラマンスペクトルの一例を示す。縦軸がラマン強度、横軸がラマンシフトであるラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域において、最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数(決定係数R2)を算出する。つまり、図4のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域において、最小二乗法により回帰直線(図4中の破線状の太線)を求めて、その回帰直線の決定係数R2を算出する。なお、決定係数は、測定値の線形相関に応じて、0(線形相関なし)と1(測定値の完全な線形相関)との間の値をとる。
第2リチウム化合物においては、図6に示すように、600~850cm-1の波数領域においてピークが略観測されず、結果として、高い決定係数を示す。
なお、上記決定係数R2は、相関係数(ピアソンの積率相関係数)の二乗に該当する。より具体的には、本明細書において、決定係数R2は、以下の式によって算出される。式中、x1およびy1は、ラマンスペクトル中の波数と、その波数に対応したラマン強度とを表し、x2は波数の(相加)平均を、y2はラマン強度の(相加)平均を表す。
このようなピークがある場合に、600~850cm-1の波数領域において、最小二乗法による線形回帰分析を行って決定係数を算出すると、その決定係数は0.9400未満となる。
つまり、上記決定係数が0.9400以上であることは、第2リチウム化合物には、一般的な四ホウ酸リチウム結晶に含まれる結晶構造がほとんど含まれていないことを示している。そのため、結果として、第2リチウム化合物は塑性変形しやすい特性、および、Li+のホッピング性が優れる特性を有すると考えられる。
上記体積弾性率の測定方法は、第1リチウム化合物の体積弾性率の測定方法と同じである。
上記メジアン径の測定方法は、第1リチウム化合物のメジアン径の測定方法と同じである。
なかでも、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、四ホウ酸リチウム結晶に対して、メカニカルミリング処理を施す方法が挙げられる。
メカニカルミリング処理としては、例えば、ボールミル、振動ミル、ターボミル、および、ディスクミルが挙げられ、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、ボールミルが好ましい。ボールミルとしては、例えば、振動ボールミル、回転ボールミル、および、遊星型ボールミルが挙げられ、遊星型ボールミルがより好ましい。
ボールミルの際に使用される粉砕用ボール(メディア)の材質は特に制限されないが、例えば、メノウ、窒化珪素、ジルコニア、アルミナ、および、鉄系合金が挙げられ、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、ジルコニアが好ましい。
粉砕用ボールの平均粒子径は特に制限されないが、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、1~10mmが好ましく、3~7mmがより好ましい。上記平均粒子径は、任意の50個の粉砕用ボールの直径を測定して、それらを算出平均したものである。粉砕用ボールが真球状でない場合、長径を直径とする。
ボールミルの際に使用される粉砕用ボールの数は特に制限されないが、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、10~100個が好ましく、40~60個がより好ましい。
ボールミルの処理時間は特に制限されないが、生産性よく第2リチウム化合物を製造できる点から、10~200時間が好ましく、20~140時間がより好ましい。
ボールミルを行う際の雰囲気としては、大気下であってもよいし、不活性ガス(例えば、アルゴン、ヘリウム、および、窒素)雰囲気下であってもよい。
複合体中における第1リチウム化合物と第2リチウム化合物との混合割合は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、第1リチウム化合物に対する、第2リチウム化合物の含有率量比(第2リチウム化合物の質量/第1リチウム化合物の質量)は特に制限されないが、1/20~1/1が好ましく、1/20~1/2がより好ましく、1/16~1/3がさらに好ましい。
複合体は、上述した第1リチウム化合物および第2リチウム化合物以外の他の成分を含んでいてもよい。
バインダーとしては、各種の有機高分子化合物(ポリマー)が挙げられる。
バインダーを構成する有機高分子化合物は、粒子状であってもよいし、非粒子状であってもよい。粒子状バインダーの粒径(体積平均粒子径)は、10~1000nmが好ましく、20~750nmがより好ましく、30~500nmがさらに好ましく、50~300nmがさらに好ましい。
含フッ素ポリマーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニレンジフルオリド、および、ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体が挙げられる。
炭化水素系熱可塑性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、水素添加スチレンブタジエンゴム、ブチレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリブタジエン、および、ポリイソプレンが挙げられる。
アクリルポリマーとしては、各種の(メタ)アクリルモノマー類、(メタ)アクリルアミドモノマー類、および、これらポリマーを構成するモノマーの共重合体(好ましくは、アクリル酸とアクリル酸メチルとの共重合体)が挙げられる。
また、そのほかのビニル系モノマーとの共重合体(コポリマー)も好適に用いられる。例えば、(メタ)アクリル酸メチルとスチレンとの共重合体、(メタ)アクリル酸メチルとアクリロニトリルとの共重合体、および、(メタ)アクリル酸ブチルとアクリロニトリルとスチレンとの共重合体が挙げられる。
その他のポリマーとしては、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネート、および、セルロース誘導体が挙げられる。
なかでも、アクリルポリマー、ポリウレタン、ポリアミド、または、ポリイミドが好ましい。
バインダーは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウム塩としては特に制限はなく、例えば、特開2015-088486の段落0082~0085に記載のリチウム塩が好ましい。
リチウム塩としては、以下が具体的に挙げられる。
(L-1)無機リチウム塩:LiPF6、LiBF4、LiAsF6、および、LiSbF6などの無機フッ化物塩;LiClO4、LiBrO4、および、LiIO4などの過ハロゲン酸塩;LiAlCl4などの無機塩化物塩。
(L-2)含フッ素有機リチウム塩:LiCF3SO3などのパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(FSO2)2、および、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)などのパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CF3SO2)3などのパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF5(CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF3)3]、Li[PF5(CF2CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF2CF3)2]、および、Li[PF3(CF2CF2CF2CF3)3]などのフルオロアルキルフッ化リン酸塩。
(L-3)オキサラトボレート塩:リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート。
上記以外にも、LiF、LiCl、LiBr、LiI、Li2SO4、LiNO3、Li2CO3、CH3COOLi、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiB(C6H5)4などが挙げられる。
なかでも、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiClO4、Li(Rf1SO3)、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2、または、LiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)が好ましく、LiPF6、LiBF4、LiN(Rf1SO2)2、LiN(FSO2)2、または、LiN(Rf1SO2)(Rf2SO2)がより好ましい。
ここで、Rf1およびRf2は、それぞれ独立に、パーフルオロアルキル基を示す。
リチウム塩は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
また、複合体は、第1リチウム化合物および第2リチウム化合物以外の固体電解質を含んでいてもよい。
本発明のリチウムイオン伝導体(以下、単に「特定伝導体」ともいう。)は、上述した複合体を用いて形成される。
複合体を用いた特定伝導体の形成方法は特に制限されないが、通常、複合体に対して加圧処理を施して、特定伝導体を形成する方法が挙げられる。つまり、本発明のリチウムイオン伝導体は、複合体に対して加圧処理(加圧成形処理)を施して形成されるリチウムイオン伝導体であることが好ましい。
以下、上記加圧処理の方法について詳述する。
加圧処理の際の加圧力は特に制限されず、複合体中の成分によって最適な圧力が選択されるが、本発明の効果がより優れる点で、5~1500MPaが好ましく、10~600MPaがより好ましい。
加圧処理の時間は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点、および、生産性の点から、0.01~0.5時間が好ましく、0.1~0.2時間がより好ましい。
また、加圧処理の際に、加熱処理を実施してもよい。加熱処理の際の加熱温度は特に制限されないが、40~400℃が好ましく、200~350℃がより好ましい。加熱処理の際の加熱時間は、1分~6時間が好ましい。
加圧中の雰囲気としては特に制限されず、大気下、乾燥空気下(露点-20℃以下)、および、不活性ガス(例えば、アルゴン、ヘリウム、および、窒素)雰囲気下が挙げられる。
リチウムイオン伝導体中における第1リチウム化合物と第2リチウム化合物との混合割合は特に制限されないが、リチウムイオン伝導体のリチウムイオン伝導度がより優れる点で、第1リチウム化合物に対する、第2リチウム化合物の含有率量比(第2リチウム化合物の質量/第1リチウム化合物の質量)は特に制限されないが、1/20~1/1が好ましく、1/20~1/2がより好ましく、1/16~1/3がさらに好ましい。
要件2:リチウムイオン伝導体中の四ホウ酸リチウムのラマンスペクトルの1800cm-1でのラマン強度が、1000cm-1でのラマン強度の1.6倍以上である。
要件3:リチウムイオン伝導体中の第2リチウム化合物(四ホウ酸リチウム)のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数が、0.9000以上である。
以下、要件2および3について詳述する。
要件2においては、まず、リチウムイオン伝導体中の第1リチウム化合物および第2リチウム化合物のラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルの測定方法としては、ラマンイメージングを実施する。ラマンイメージングとは、ラマン分光法に顕微技術を組み合わせた顕微分光手法である。具体的には、試料上で励起光を走査させることによりラマン散乱光を含む測定光を検出し、測定光の強度に基づいて成分の分布などを可視化する手法である。
ラマンイメージングの測定条件としては、励起光を532nm、対物レンズを100倍、マッピング方式の点走査、1μmステップ、1点当たりの露光時間を1秒、積算回数を1回、測定範囲を70μm×50μmの範囲とする。
また、ラマンスペクトルのデータに対して、主成分分析(PCA)処理を施して、ノイズを除去する。具体的には、主成分分析処理においては、自己相関係数0.6以上の成分を用いてスペクトルを再結合する。
図8に、リチウムイオン伝導体中の第1リチウム化合物および第2リチウム化合物のラマンスペクトルの一例を示す。図中の下側の実線が第1リチウム化合物のラマンスペクトルであり、図中の上側の実線が第2リチウム化合物のラマンスペクトルである。
図8に示すように、縦軸がラマン強度、横軸がラマンシフトであるラマンスペクトルの1000cm-1および1800cm-1におけるラマン強度を読み取る。
要件2においては、第2リチウム化合物のラマンスペクトルの1800cm-1におけるラマン強度が、1000cm-1におけるラマン強度に対して、1.60倍以上である。なかでも、リチウムイオン伝導体のイオン伝導度がより優れる点で、上記比(1800cm-1のラマン強度/1000cm-1のラマン強度)は、1.70倍以上が好ましい。上限は特に制限されないが、2.50倍以下の場合が多い。
要件3においては、まず、リチウムイオン伝導体中の第2リチウム化合物のラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルの取得方法は、上述した要件2でのラマンスペクトルの取得方法と同じである。
次に、得られた第2リチウム化合物のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数を求める。決定係数の求め方は、上述した要件4での決定係数の求め方と同じである。
要件3において、上記決定係数(決定係数R2)は、0.9000以上である。なかでも、リチウムイオン伝導体のイオン伝導度がより優れる点で、0.9300以上が好ましい。上限は特に制限されないが、1.0000が挙げられる。
本発明の複合体およびリチウムイオン伝導体は、種々の用途に用いることができる。
例えば、各種電池(例えば、全固体リチウムイオン二次電池、固体酸化物型燃料電池、固体酸化物水蒸気電解)に使用できる。なかでも、本発明の複合体およびリチウムイオン伝導体は、全固体リチウムイオン二次電池に用いることが好ましい。
より具体的には、本発明の複合体は、全固体リチウムイオン二次電池中の正極活物質層、固体電解質層、および、負極活物質層に含まれる固体電解質の形成に用いられることが好ましい。また、本発明のリチウムイオン伝導体は、全固体リチウムイオン二次電池中の正極活物質層、固体電解質層、および、負極活物質層に含まれる固体電解質として用いられることが好ましい。
本発明の複合体は、固体電解質層形成用組成物の成分として用いられることが好ましい。つまり、本発明の固体電解質層形成用組成物は、上述した複合体を含む。
固体電解質層形成用組成物に含まれる複合体は、上述した通りである。
他の成分としては、上述したバインダーおよびリチウム塩が挙げられる。
他の固体電解質としては、硫化物系無機固体電解質、酸化物系無機固体電解質、ハロゲン化物系無機固体電解質、および、水素化物系固体電解質が挙げられる。
分散媒としては、例えば、各種の有機溶媒が挙げられる。有機溶媒としては、アルコール化合物、エーテル化合物、アミド化合物、アミン化合物、ケトン化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、ニトリル化合物、および、エステル化合物が挙げられる。なかでも、エーテル化合物、ケトン化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、または、エステル化合物が好ましい。
上記分散媒は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、固体電解質層形成用組成物を塗布した後に、必要に応じて得られた塗膜に対して乾燥処理を施してもよい。乾燥温度は特に制限されないが、下限としては、30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましい。乾燥温度の上限としては、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましい。
加圧処理の際の加圧力は特に制限されないが、形成される固体電解質層のリチウムイオン伝導体がより優れる点で、5~1500MPaが好ましく、300~600MPaがより好ましい。
加圧処理の時間は特に制限されないが、形成される固体電解質層のリチウムイオン伝導体がより優れる点で、および、生産性の点から、1分~6時間が好ましく、1~20分がより好ましい。
また、加圧処理の際に、加熱処理を実施してもよい。加熱処理の際の加熱温度は特に制限されないが、30~300℃が好ましく、加熱時間は1分~6時間がより好ましい。
加圧中の雰囲気としては特に制限されず、大気下、乾燥空気下(露点-20℃以下)、および、不活性ガス(例えば、アルゴン、ヘリウム、および、窒素)雰囲気下が挙げられる。
本発明の複合体は、電極形成用組成物の成分として用いられることが好ましい。つまり、本発明の電極形成用組成物は、上述した複合体を含む。
本発明の電極形成用組成物は、上述した複合体、および、活物質を含む。
電極形成用組成物中における複合体と活物質との混合割合は特に制限されないが、活物質に対する、複合体の含有率量比(複合体の質量/活物質の質量)は特に制限されないが、0.01~50が好ましく、0.05~20がより好ましい。
活物質としては、負極活物質および正極活物質が挙げられる。以下、活物質について詳述する。
負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。負極活物質は特に制限されず、例えば、炭素質材料、金属または半金属元素の酸化物、リチウム単体、リチウム合金、および、リチウムと合金形成可能な負極活物質が挙げられる。
さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA(ポリビニルアルコール)系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維および活性炭素繊維などの各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、並びに、平板状の黒鉛も挙げられる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素質材料(ハードカーボンともいう。)と黒鉛系炭素質材料とに分けることもできる。
また、炭素質材料は、特開昭62-022066号公報、特開平2-006856号公報、および、特開平3-045473号公報に記載される面間隔、密度、または、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5-090844号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、および、特開平6-004516号公報に記載の被覆層を有する黒鉛を用いることもできる。
炭素質材料としては、ハードカーボンまたは黒鉛が好ましく、黒鉛がより好ましい。
これらの酸化物としては、非晶質酸化物が好ましく、金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイドも好ましい。
本発明において、半金属元素とは、金属元素と非半金属元素との中間の性質を示す元素をいい、通常、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンおよびテルルの6元素を含み、さらにはセレン、ポロニウムおよびアスタチンの3元素を含む。
また、非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20~40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40~70°に見られる結晶性の回折線のうち最も強い強度が、2θ値で20~40°に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であるのが好ましく、5倍以下であるのがより好ましく、結晶性の回折線を有さないことが特に好ましい。
非晶質酸化物およびカルコゲナイドとしては、Ga2O3、GeO、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb2O4、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O8Bi2O3、Sb2O8Si2O3、Sb2O5、Bi2O3、Bi2O4、GeS、PbS、PbS2、Sb2S3またはSb2S5が好ましい。
Sn、Si、または、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオンまたはリチウム金属を吸蔵および/または放出できる炭素質材料、リチウム単体、リチウム合金、または、リチウムと合金化可能な負極活物質が好ましい。
リチウムを含む金属複合酸化物(リチウム複合金属酸化物)としては、例えば、酸化リチウムと、上記金属酸化物、上記金属複合酸化物または上記カルコゲナイドとの複合酸化物が挙げられる。より具体的には、Li2SnO2が挙げられる。
負極活物質(例えば、金属酸化物)は、チタン元素を含むこと(チタン酸化物)も好ましい。具体的には、Li4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])は、リチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制され全固体リチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。
一般的に、これらの負極活物質を含む負極(例えば、ケイ素元素含有活物質を含むSi負極、スズ元素を含む活物質を含むSn負極)は、炭素負極(黒鉛およびアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
スズ元素を有する負極活物質としては、例えば、Sn、SnO、SnO2、SnS、SnS2、および、上記ケイ素元素およびスズ元素を含む活物質が挙げられる。
体積平均粒子径の測定は、以下の手順で行う。
負極活物質を、水(水に不安定な物質の場合はヘプタン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散液試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、体積平均粒子径を得る。その他の詳細な条件などは必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。
表面被覆剤としてはTi、Nb、Ta、W、Zr、Al、SiまたはLiを含む金属酸化物が挙げられる。具体的には、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、および、ニオブ酸リチウム系化合物が挙げられ、具体的には、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、LiTaO3、LiNbO3、LiAlO2、Li2ZrO3、Li2WO4、Li2TiO3、Li2B4O7、Li3PO4、Li2MoO4、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、Li2SiO3、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、および、B2O3が挙げられる。
また、負極活物質を含む電極表面は硫黄またはリンで表面処理されていてもよい。
さらに、負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線または活性気体(例えば、プラズマ)により表面処理を施されていてもよい。
正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および/または放出できるものが好ましい。正極活物質は特に制限されず、遷移金属酸化物が好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、CuおよびVから選択される1種以上の元素)を含む遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、PおよびBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0~30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3~2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物、および、(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物が挙げられる。なかでも、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LiCoO2またはLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2がより好ましい。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物として、例えば、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8、および、Li2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4およびLi3Fe2(PO4)3などのオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7などのピロリン酸鉄類、LiCoPO4などのリン酸コバルト類、並びに、Li3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)などの単斜晶NASICON型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4Fなどのフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4Fなどのフッ化リン酸マンガン塩、および、Li2CoPO4Fなどのフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、および、Li2CoSiO4が挙げられる。
焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
電極形成用組成物は、導電助剤を含んでいてもよい。
導電助剤としては、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。導電助剤としては、例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、および、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、および、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維、および、カーボンナノチューブなどの繊維状炭素、並びに、グラフェン、および、フラーレンなどの炭素質材料が挙げられる。また、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、および、ポリフェニレン誘導体などの導電性高分子を用いてもよい。
上記導電助剤以外にも、金属粉または金属繊維などの炭素原子を含有しない通常の導電助剤を用いてもよい。
なお、導電助剤とは、電池を充放電した際にLiの挿入と放出が起きず、活物質として機能しないものをいう。従って、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に活物質層中において活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく活物質に分類する。電池を充放電した際に活物質として機能するか否かは、一義的ではなく、活物質との組み合わせにより決定される。
なお、電極形成用組成物を塗布した後に、必要に応じて得られた塗膜に対して乾燥処理を施してもよい。乾燥温度は特に制限されないが、下限としては、30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましい。乾燥温度の上限としては、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましい。
加圧処理の際の加圧力は特に制限されないが、5~1500MPaが好ましく、300~600MPaがより好ましい。
加圧処理の時間は特に制限されないが、生産性の点から、1分~6時間が好ましく、1~20分がより好ましい。
また、加圧処理の際に、加熱処理を実施してもよい。加熱処理の際の加熱温度は特に制限されないが、30~300℃が好ましく、加熱時間は1分~6時間が好ましい。
加圧中の雰囲気としては特に制限されず、大気下、乾燥空気下(露点-20℃以下)、および、不活性ガス(例えば、アルゴン、ヘリウム、および、窒素)雰囲気下が挙げられる。
本発明のリチウムイオン伝導体は、全固体リチウムイオン二次電池用電極シートに含まれていてもよい。
本発明の全固体リチウムイオン二次電池用電極シートは、全固体リチウムイオン二次電池の電極活物質層を形成しうるシート状成形体であって、電極、または、電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられる。
本発明の電極シートは上述の他の層を有してもよい。本発明の電極シートを構成する各層の層厚は、後述する全固体リチウムイオン二次電池において説明する各層の層厚と同じである。
本発明の全固体リチウムイオン二次電池用シートは、活物質電極層の少なくとも1層が本発明のリチウムイオン伝導体を含む。
例えば、集電体上(他の層を介していてもよい。)に、電極形成用組成物を塗布して、塗膜を形成して、塗膜に対して加圧処理を施す方法が挙げられる。
電極形成用組成物を塗布する方法、および、塗膜に加圧処理を施す方法としては、電極形成用組成物にて説明した方法が挙げられる。
本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、正極活物質層と、この正極活物質層に対向する負極活物質層と、正極活物質層および負極活物質層の間に配置された固体電解質層とを有する。正極活物質層は、好ましくは正極集電体上に形成され、正極を構成する。負極活物質層は、好ましくは負極集電体上に形成され、負極を構成する。
負極活物質層、正極活物質層、および、固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明のリチウムイオン伝導体を含む。
正極活物質層および負極活物質層の少なくとも1層の厚さは、50μm以上500μm未満であることがさらに好ましい。
正極活物質層および負極活物質層は、それぞれ、固体電解質層とは反対側に集電体を備えていてもよい。
図9は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体リチウムイオン二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、この順に有する。
負極活物質層2、正極活物質層4、および、固体電解質層3の少なくとも1つの層は、本発明のリチウムイオン伝導体を含む。
各層はそれぞれ接触しており、隣接した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e-)が供給され、そこにリチウムイオン(Li+)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li+)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球をモデル的に採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。
正極活物質層4には、上述した正極活物質が含まれる。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、および、チタンが挙げられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。なお、正極集電体としては、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンまたは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)も挙げられる。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、および、チタンが挙げられ、アルミニウム、銅、銅合金、または、ステンレス鋼が好ましい。なお、負極集電体としては、アルミニウム、銅、銅合金またはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンまたは銀を処理させたものも挙げられる。
集電体の厚みは特に制限されないが、1~500μmが好ましい。
また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極活物質を含む正極形成用組成物を塗布して正極活物質層を形成し、次に、この正極活物質層の上に固体電解質層形成用組成物を塗布して固体電解質層を形成し、さらに、固体電解質層の上に負極活物質を含む負極形成用組成物を塗布して負極活物質層を形成し、負極活物質層の上に負極集電体(金属箔)を重ねて、さらに得られた積層体に対して加圧処理を施して、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体リチウムイオン二次電池を得ることができる。これを筐体に封入して所望の全固体リチウムイオン二次電池とすることもできる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層および正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体リチウムイオン二次電池を製造することもできる。
本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、種々の用途に適用することができる。適用態様には特に制限はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、および、バックアップ電源が挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、および、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)が挙げられる。さらに、各種軍需用、および、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
第1リチウム化合物として、Li-La-Zr-Oを含有するガーネット型構造をもつLiLaZr酸化物(以降:LLZO)を、Li2CO3(99.9%、レアメタリック製)、La2O3(96.68%、富士フイルム和光純薬製)、ZrO2(99.9%、守随製)を原料として、固相法で合成した。
具体的には、原料粉末を乳鉢混合してアルミナ板に置き、アルミナるつぼで蓋をして大気下にて、850℃で12時間焼成して、仮焼粉を合成した。合成した仮焼粉を用いて、圧粉ペレットを作製した。得られた圧粉ペレットを仮焼粉で包み込み、大気下にて、1100~1230℃で6時間本焼成して、第1リチウム化合物を得た。
また、得られた第1リチウム化合物の組成を中性子回折法とリートベルト法とによって解析したところ、Li5.95Al0.35La3Zr2O12であることを確認した。
また、得られた第1リチウム化合物の体積弾性率は、105GPaであった。
上記体積弾性率は、以下の方法により算出した。
まず、第1リチウム化合物を純水に懸濁(濃度:1.2質量%)させ、超音波減衰スペクトルを測定し、散乱減衰理論式によるフィッティングから粒子の体積弾性率を求めた。第1リチウム化合物の密度は4.97g/ml、ポアソン比は0.257としてフィッティングを行った。第1リチウム化合物からは10~70MHzで単調増加する超音波減衰スペクトルが得られた。実測の超音波減衰スペクトルは、粒度分布(平均4.7μmのSchultz分布で近似)、粒子の密度、および、ポアソン比を入力値とした散乱減衰理論でよくフィッティングできた。
ボールミル(フリッチュ社製P-7)を用いて、Li2B4O7(LBO)粉末(レアメタリック製)を、ポット:YSZ(45ml)、粉砕用ボール:YSZ(平均粒子径:5mm、数:50個)、回転数:500rpm(revolutions per minute)、LBO粉末量:2g、雰囲気:大気、ボールミルの処理時間:100時間の条件にて、ボールミルして、第2リチウム化合物を得た。
また、得られた第2リチウム化合物の体積弾性率は、36GPaであった。なお、ボールミル処理を施す前の原料LBO粉末の体積弾性率は47GPaであった。
上記メジアン径および体積弾性率の算出方法は、第1リチウム化合物のメジアン径および体積弾性率の算出方法と同じであった。なお、体積弾性率を算出する際には、第2リチウム化合物の密度2.3g/ml、ポアソン比は0.12としてフィッティングを行った。
解析の結果、X線全散乱測定から得られた還元二体分布関数G(r)において、rが1~5Åの範囲にて、ピークトップのG(r)が1.0以上を示し、ピークトップが1.43Åに位置する第1ピーク、および、ピークトップのG(r)が1.0以上を示し、ピークトップが2.40Åに位置する第2ピークが確認され、rが5Å超10Å以下の範囲のG(r)の絶対値は1.0未満であることが確認された(図1参照)。
上記図1の結果より、第2リチウム化合物において、長距離秩序がほとんどないことがわかり、非晶質であることが確認できた。一方で、第2リチウム化合物においては、一般的な四ホウ酸リチウム結晶において観察されるB-O間距離およびB-B間距離に帰属されるピークは維持されていた。一般的な四ホウ酸リチウム結晶はBO3四面体とBO2三角形が1:1で存在する構造(ダイボレート構造)であり、第2リチウム化合物ではその構造が維持されていると推定した。
また、第2リチウム化合物の粉末X線回折を取得し、2θが20~25°の範囲において結晶性の回折線を有さないことを確認した。
後述する比較例用LBO粉末として、ボールミル処理を施していない(LBO)粉末(レアメタリック製)を用いた。
比較例用LBO粉末を用いて、上記第2リチウム化合物と同様にX線全散乱測定を行ったところ、還元二体分布関数G(r)において、rが5Å超10Å以下の範囲に、ピークトップのG(r)が1.0以上のピークが複数存在し、要件1を満たしていなかった。
また、比較例用LBO粉末の固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅(半値全幅1)に対する、比較例用LBO粉末の固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅(半値全幅2)の割合{(半値全幅2/半値全幅1)×100}は、99.6%であった。
比較例用LBO粉末のラマンスペクトルにおいて、600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数は0.1660であった。
上記で得られた第1リチウム化合物および第2リチウム化合物を混合質量比8:1(第1リチウム化合物の質量:第2リチウム化合物の質量)で混合して、複合体を得た。
次に、得られた複合体を25℃(室温)にて実効圧力100MPaで圧粉成形して、圧粉体(リチウムイオン伝導体)を得た。
得られた圧粉体のリチウムイオン伝導度は、1.3×10-6S/cmであった。
得られた圧粉体を走査型電子顕微鏡観察(観察加速電圧:3kV、EDX:30kV)により、第1リチウム化合物/第2リチウム化合物界面の密着が良好であることが明らかとなった。
第1リチウム化合物および第2リチウム化合物の混合質量比(第1リチウム化合物の質量:第2リチウム化合物の質量)を8:1から4:1に変更した以外は、実施例1と同様の手順に従って、圧粉体(リチウムイオン伝導体)を得た。
得られた圧粉体のリチウムイオン伝導度は、1.2×10-5S/cmであった。
第1リチウム化合物および第2リチウム化合物の混合質量比(第1リチウム化合物の質量:第2リチウム化合物の質量)を8:1から2:1に変更した以外は、実施例1と同様の手順に従って、圧粉体(リチウムイオン伝導体)を得た。
得られた圧粉体のリチウムイオン伝導度は、4.3×10-6S/cmであった。
第1リチウム化合物および第2リチウム化合物の混合質量比(第1リチウム化合物の質量:第2リチウム化合物の質量)を8:1から1:1に変更した以外は、実施例1と同様の手順に従って、圧粉体(リチウムイオン伝導体)を得た。
得られた圧粉体のリチウムイオン伝導度は、3.0×10-6S/cmであった。
第2リチウム化合物のかわりに比較例用LBO粉末を用いた以外は、実施例2と同様の手順に従って、圧粉体(リチウムイオン伝導体)を得た。
得られた圧粉体のリチウムイオン伝導度は、10-8S/cmであった。
得られた圧粉体を走査型電子顕微鏡観察(観察加速電圧:3kV、EDX:30kV)により、第1リチウム化合物/比較例用LBO粉末界面の空隙が存在することが明らかとなった。
(ラマンスペクトル)
実施例1~4および比較例1で得られた圧粉体に対して、ラマンスペクトル測定を行った。
実施例1~4の圧粉体においては、LBO結晶に特徴的なラマンバンド(特に、716~726cm-1、771~785cm-1、1024~1034cm-1の範囲にある強いバンド)がほぼ確認されなかったのに対して、比較例1の圧粉体においてはLBO結晶に特徴的なラマンバンドが確認された。
上記手順によって、実施例1~4の圧粉体中の第1リチウム化合物由来の領域、および、第2リチウム化合物由来の領域をそれぞれ特定した。また、比較例1中の第1リチウム化合物由来の領域、および、比較例用LBO粉末由来の領域をそれぞれ特定した。
また、実施例1~4の圧粉体中の第2リチウム化合物のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数を求めた。比較例1の圧粉体に関しては、比較例用LBO粉末のラマンスペクトルを用いて上記所定の波数領域での決定係数を求めた。結果を表1にまとめて示す。
表1中、「半値全幅割合(%)」欄は、第2リチウム化合物(または、比較例用LBO粉末)の固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅に対する、第2リチウム化合物(または、比較例用LBO粉末)の固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける化学シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅の割合を表す。
表1中、「第2リチウム化合物」および「比較例用LBO粉末」の「決定係数」欄は、第2リチウム化合物(または、比較例用LBO粉末)のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数を表す。
表1中、「混合比」欄は、混合質量比(第1リチウム化合物の質量:第2リチウム化合物の質量)を表す。
表1中、「強度比」欄は、第2リチウム化合物のラマンスペクトルの1000cm-1におけるラマン強度に対する1800cm-1におけるラマン強度の比を表す。
表1中、「リチウムイオン伝導体」の「決定係数」欄は、リチウムイオン伝導体中の第2リチウム化合物(または、比較例用LBO粉末)のラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数を表す。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体リチウムイオン二次電池
Claims (12)
- 25℃におけるリチウムイオン伝導度が1.0×10-6S/cm以上であるリチウム化合物と、
以下の要件1を満たす、四ホウ酸リチウムと、を含む、複合体。
要件1:前記四ホウ酸リチウムのX線全散乱測定から得られた還元二体分布関数G(r)において、rが1.43±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第1ピーク、および、rが2.40±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第2ピークが存在し、前記第1ピークのピークトップのG(r)および前記第2ピークのピークトップのG(r)が1.0超を示し、rが5Å超10Å以下の範囲においてG(r)の絶対値が1.0未満である。 - 前記四ホウ酸リチウムの固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける周波数シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅に対する、前記四ホウ酸リチウムの固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける周波数シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅の割合が、70%以下である、請求項1に記載の複合体。
- 前記四ホウ酸リチウムの体積弾性率が45GPa以下である、請求項1または2に記載の複合体。
- 前記リチウム化合物が、リチウム含有酸化物である、請求項1~3のいずれか1項に記載の複合体。
- 前記リチウム化合物が、LiとLaとZrとOとを少なくとも含むガーネット型構造またはガーネット型類似構造を有するリチウム化合物、LiとTiとLaとOとを少なくとも含むペロブスカイト型構造を有するリチウム化合物、LiとM1とPとOとを少なくとも含み、前記M1はTi、Zr、および、Geのうちの少なくとも1つを表す、NASICON型構造を有するリチウム化合物、LiとPとOとNとを少なくとも含むアモルファス型構造を有するリチウム化合物、LiとSiとOとを少なくとも含む単斜晶構造を有するリチウム化合物、LiM2X1O4で表され、M2が2価元素または3価元素を表し、M2が2価元素を表す場合、X1は5価元素を表し、M2が3価元素を表す場合、X1は4価元素を表す、オリビン型構造を有するリチウム化合物、LiとOとX2とを少なくとも含み、前記X2がCl、Br、NおよびIのうちの少なくとも1つを表す、アンチペロブスカイト構造を有するリチウム化合物、Li2M3Y4で表され、M3がCd、Mg、Mn、およびVのうちの少なくとも1つを表し、YがF、Cl、Br、およびIのうちの少なくとも1つを表す、スピネル型構造を有するリチウム化合物、並びに、β-アルミナ構造を有するリチウム化合物、からなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の複合体。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の複合体を用いて形成されたリチウムイオン伝導体。
- 以下の要件2または要件3を満たす、請求項6に記載のリチウムイオン伝導体。
要件2:前記リチウムイオン伝導体中の前記四ホウ酸リチウムのラマンスペクトルの1800cm-1でのラマン強度が、1000cm-1でのラマン強度の1.60倍以上である。
要件3:前記リチウムイオン伝導体中の前記四ホウ酸リチウムのラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数が、0.8900以上である。 - 正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で備える全固体リチウムイオン二次電池であって、
前記正極活物質層、前記固体電解質層、および、前記負極活物質層の少なくとも一つは、請求項6または7に記載のリチウムイオン伝導体を含む、全固体リチウムイオン二次電池。 - 請求項6または7に記載のリチウムイオン伝導体を含む、全固体リチウムイオン二次電池用電極シート。
- 以下の要件1を満たす、四ホウ酸リチウム。
要件1:前記四ホウ酸リチウムのX線全散乱測定から得られた還元二体分布関数G(r)において、rが1.43±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第1ピーク、および、rが2.40±0.2Åの範囲にピークトップが位置する第2ピークが存在し、前記第1ピークのピークトップのG(r)および前記第2ピークのピークトップのG(r)が1.0超を示し、rが5Å超10Å以下の範囲においてG(r)の絶対値が1.0未満である。 - 固体7Li-NMR測定を20℃で行った際に得られるスペクトルにおける周波数シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅に対する、固体7Li-NMR測定を120℃で行った際に得られるスペクトルにおける周波数シフトが-100~+100ppmの範囲に現れるピークの半値全幅の割合が、70%以下である、請求項10に記載の四ホウ酸リチウム。
- ラマンスペクトルの600~850cm-1の波数領域での最小二乗法による線形回帰分析を行って得られる決定係数が、0.9400以上である、請求項10または11に記載の四ホウ酸リチウム。
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