JP7435926B2 - 硫化物系固体電解質の製造方法 - Google Patents
硫化物系固体電解質の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7435926B2 JP7435926B2 JP2023564062A JP2023564062A JP7435926B2 JP 7435926 B2 JP7435926 B2 JP 7435926B2 JP 2023564062 A JP2023564062 A JP 2023564062A JP 2023564062 A JP2023564062 A JP 2023564062A JP 7435926 B2 JP7435926 B2 JP 7435926B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sulfide
- solid electrolyte
- based solid
- heating
- raw material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 40
- 239000002203 sulfidic glass Substances 0.000 title description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 140
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 128
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 125
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 120
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 52
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 50
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 65
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 54
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 54
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 54
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 54
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 47
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 47
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 41
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 32
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 31
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 31
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 21
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 19
- -1 sulfide ions Chemical class 0.000 description 17
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 15
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 13
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 10
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 9
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 8
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 7
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 6
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- VKCLPVFDVVKEKU-UHFFFAOYSA-N S=[P] Chemical compound S=[P] VKCLPVFDVVKEKU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N copper(II) sulfide Chemical compound [S-2].[Cu+2] OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- CYQAYERJWZKYML-UHFFFAOYSA-N phosphorus pentasulfide Chemical compound S1P(S2)(=S)SP3(=S)SP1(=S)SP2(=S)S3 CYQAYERJWZKYML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N lithium sulfide Chemical compound [Li+].[Li+].[S-2] GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 4
- QGJOPFRUJISHPQ-UHFFFAOYSA-N Carbon disulfide Chemical compound S=C=S QGJOPFRUJISHPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N Ferrous sulfide Chemical compound [Fe]=S MBMLMWLHJBBADN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 3
- 239000005077 polysulfide Substances 0.000 description 3
- 229920001021 polysulfide Polymers 0.000 description 3
- 150000008117 polysulfides Polymers 0.000 description 3
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 3
- 150000004763 sulfides Chemical class 0.000 description 3
- 125000000101 thioether group Chemical group 0.000 description 3
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- NNLOHLDVJGPUFR-UHFFFAOYSA-L calcium;3,4,5,6-tetrahydroxy-2-oxohexanoate Chemical compound [Ca+2].OCC(O)C(O)C(O)C(=O)C([O-])=O.OCC(O)C(O)C(O)C(=O)C([O-])=O NNLOHLDVJGPUFR-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M dilithium;hydroxide Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-] XUCJHNOBJLKZNU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FOBPTJZYDGNHLR-UHFFFAOYSA-N diphosphorus Chemical compound P#P FOBPTJZYDGNHLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 2
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 description 2
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010583 slow cooling Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 2
- RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 3-aminoazetidine-1-carboxylate;hydrochloride Chemical compound Cl.CC(C)(C)OC(=O)N1CC(N)C1 RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005839 GeS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020346 SiS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005354 aluminosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- QGJOPFRUJISHPQ-NJFSPNSNSA-N carbon disulfide-14c Chemical compound S=[14C]=S QGJOPFRUJISHPQ-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001786 chalcogen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000027734 detection of oxygen Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N diammonium hydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].[NH4+].OP([O-])([O-])=O MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000388 diammonium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019838 diammonium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000005243 fluidization Methods 0.000 description 1
- 238000002290 gas chromatography-mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004255 ion exchange chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 1
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000000655 nuclear magnetic resonance spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000002898 organic sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000003018 phosphorus compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- HYHCSLBZRBJJCH-UHFFFAOYSA-N sodium polysulfide Chemical compound [Na+].S HYHCSLBZRBJJCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000010059 sulfur vulcanization Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
- C01B25/14—Sulfur, selenium, or tellurium compounds of phosphorus
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
- H01B1/10—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances sulfides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Description
従来、リチウムイオン二次電池においては液体の電解質が使用されてきたが、液漏れや発火等が懸念され、安全設計のためにケースを大型化する必要があった。また、電池寿命の短さ、動作温度範囲の狭さについても改善が望まれていた。
また、特許文献2には、硫化物系リチウムイオン導電性固体電解質を合成する際に、100ppm以下で水分を含んだ不活性ガスを用い、該気流中において加熱、溶融した後に冷却して硫化物系リチウムイオン導電性固体電解質を得る方法が開示されている。
1.導入部と加熱部とを備える製造装置を用いた硫化物系固体電解質の製造方法であって、
前記製造装置の前記導入部に原料を導入することと、
前記原料を、前記導入部よりも高温である前記加熱部に移送して加熱溶融することと、を含み、
前記導入部の露点は-65℃~-25℃である、硫化物系固体電解質の製造方法。
2.前記加熱部の温度が400℃以上であり、前記導入部の温度が300℃以下である、前記1に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
3.前記加熱部の温度と、前記導入部の温度の差が200℃以上である、前記1又は2に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
4.前記加熱溶融の際に、所定の元素を補うことを含む、前記1又は2に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
5.Li、P、S及びHaを含む硫化物系固体電解質ブロックであって、
前記HaはF、Cl、Br及びIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記硫化物系固体電解質ブロックにおいて、P-S結合及びP-O結合の合計に対するP-O結合の割合が5%未満であり、
厚さが10mm以下である、硫化物系固体電解質ブロック。
6.前記硫化物系固体電解質ブロックを平均粒子径10μmの粉末状として、380MPaの圧力で圧粉体とした際に、25℃で測定されるリチウムイオン伝導率が2.0mS/cm以上である、前記5に記載の硫化物系固体電解質ブロック。
すなわち、本製造方法は、図2に例示するように、製造装置の導入部に原料を導入するステップS11と、原料を、導入部よりも高温である加熱部に移送して加熱溶融するステップS12とを含む。
本製造方法において、製造される硫化物系固体電解質の種類や組成は特に限定されず、用途や所望の物性等に応じて適宜選択できる。硫化物系固体電解質としては、例えばLi、P及びSを含む硫化物系固体電解質、Li、P、S及びHaを含む硫化物系固体電解質等が挙げられる。ここで、Haはハロゲン元素から選ばれる少なくとも1種の元素を表す。Haは、具体的には、例えば、F、Cl、Br及びIからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。アルジロダイト型の結晶構造を取るためには、Haとして、Cl及びBrの少なくとも一方を含むことがより好ましく、Clを含むことがさらに好ましく、Cl単体又はCl及びBrの混合体がよりさらに好ましい。
本製造方法に用いられる原料は、上述した種々の硫化物系固体電解質の原料として公知のものを使用できる。例えば、硫化物系固体電解質がLi、P及びSを含む場合には、原料はリチウム元素(Li)、硫黄元素(S)およびリン元素(P)を含む。このような原料としては、Li単体やLiを含む化合物といったLiを含む物質(成分)、S単体やSを含む化合物といったSを含む物質(成分)、P単体やPを含む化合物といったPを含む物質(成分)等を適宜組み合わせて使用できる。Liを含む化合物、Sを含む化合物およびPを含む化合物は、Li、SおよびPから選ばれる2以上をともに含む化合物であってもよい。例えば、Sを含む化合物およびPを含む化合物を兼ねる化合物として、五硫化二リン(P2S5)等が挙げられる。
一方で、硫化リチウムは高価であるため、硫化物系固体電解質の製造コストを抑える観点からは、硫化リチウム以外のリチウム化合物や、金属リチウム等を用いることが好ましい。具体的にはこの場合、原料はLiを含む物質として、金属リチウム、炭酸リチウム(Li2CO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)、酸化リチウム(Li2O)および水酸化リチウム(LiOH)からなる群から選ばれる1以上を含むことが好ましい。これらの物質は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Cu2S、Cu1-xSなど)が挙げられる。Sを含む物質は、目的の硫化物系固体電解質を構成する元素以外の元素の含有を抑制する観点から、硫化リンが好ましく、五硫化二リン(P2S5)がより好ましい。これらの物質は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、硫化リンはSを含む物質とPを含む物質を兼ねる化合物として考えられる。
これらの物質は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの化合物は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本製造方法に用いられる製造装置は、導入部と加熱部とを備える。本製造方法は、製造装置の導入部に原料を導入することと(導入工程)、前記原料を、前記導入部よりも高温である前記加熱部に移送して加熱溶融すること(加熱溶融工程)と、を含む。ここで、導入部の露点は-65℃~-25℃である。
本製造方法において、まず、導入部2に上述の原料を導入する。導入部に原料を導入する際、露点を好ましくは-65℃~-10℃に維持できれば、導入の方法は特に限定されない。導入の方法として、例えば導入部を開放する前に原料と、導入部の開口部とを、ポリエチレン製の袋等で覆い、覆われた空間内の露点を上述の好適範囲に調整した上で、開口部を開けて投入する方法が挙げられる。
導入部の露点は-65℃~-25℃である。導入部の露点は-65℃以上であり、-60℃以上が好ましく、-55℃以上がより好ましい。露点が上記値以上であることで、導入部内に水分が適切な量存在しやすく、加熱溶融時の吸着酸素と原料中の他の成分との反応を抑制しやすい。一方で、導入部の露点は-25℃以下であり、-30℃以下が好ましく、-40℃以下がより好ましい。露点が上記値以下であることで、導入部内の水分量が過剰となり原料が劣化するのを抑制できる。すなわち、導入部の露点は-65℃~-25℃であり、-60℃~-30℃が好ましく、-55℃~-40℃がより好ましい。露点は、例えば適切な純度の気体を選択して使用することや、適切な比率で気体を混合して用いることで調整できる。
加熱溶融工程では、まず、導入部2に導入された原料を、導入部2よりも高温である加熱部4に移送する。加熱部4は、原料を加熱溶融できる装置等であれば特に限定されないが、例えば加熱炉である。加熱部4の構成に応じて、加熱部4の内部に直接原料を移送してもよいし、加熱部4の内部に容器等を設け、その中に原料を移送してもよい。図1の構成においては、加熱部4の内部に耐熱容器43が配置され、耐熱容器43の中に原料が移送される。移送の方法は特に限定されないが、例えば、導入部2から原料を落下させる方法、気流で搬送する方法等が挙げられる。
加熱部の温度は、導入部の温度より高温であり、好ましくは300℃~1000℃であり、より好ましくは400℃~950℃であり、さらに好ましくは500℃~900℃である。加熱部の温度は300℃以上が好ましく、400℃以上がより好ましく、500℃以上がさらに好ましい。加熱部の温度が上記値以上であることで、原料が溶融し易い温度となるため好ましい。加熱部の温度は、1000℃以下が好ましく、950℃以下がより好ましく、900℃以下がさらに好ましい。加熱部の温度が上記値以下であることで、加熱溶融時に原料から脱離する成分量が過剰となりにくいため好ましい。
本製造方法において、加熱溶融の際に所定の元素を補う工程を含んでもよい。本製造方法においては、加熱溶融の際に、原料に吸着した吸着酸素が脱離しやすい。このとき、原料に含まれる酸素以外の元素成分も酸素とともに脱離する場合がある。また、原料中に沸点の差が大きい複数の化合物が含まれる等の理由で所定の元素や化合物が脱離しやすい場合がある。これらの理由により、加熱溶融の際に、所定の元素成分が硫化物系固体電解質の目的組成に対し不足することがある。本製造方法においては、このように不足し得る元素を補う工程をさらに含んでもよい。
本製造方法は、加熱溶融により得られた融液を冷却して固体を得る工程をさらに含むことが好ましい。冷却は公知の方法で行えばよく、その方法は特に限定されない。加熱溶融工程の後、加熱部4で引き続き冷却を行ってもよいし、加熱部4から融液を取り出して冷却を行ってもよい。
ここで硫化物系固体電解質に含有される結晶とは、好ましくはイオン伝導性結晶である。イオン伝導性結晶とは、具体的には、リチウムイオン伝導率が10-4S/cmより大きく、より好ましくは10-3S/cmより大きい結晶である。
非晶質の硫化物系固体電解質または非晶質相を含む硫化物系固体電解質は、加熱処理(ポストアニール)することで、高温結晶化を促進できる。本製造方法は、冷却工程において得られた固体が非晶質の硫化物系固体電解質または非晶質相を含む硫化物系固体電解質である場合、固体を再加熱処理することをさらに含んでもよい。また、硫化物系固体電解質結晶を含んだ硫化物系固体電解質を再加熱処理することで、結晶構造内のイオンを再配列させ、リチウムイオン伝導率を高めることもできる。なお、本工程における再加熱処理とは、冷却工程にて冷却して得られた固体を結晶化のために加熱処理すること、および結晶構造内のイオンを再配列させることの少なくとも一方をいう。以下、これらの非晶質の硫化物系固体電解質または非晶質相を含む硫化物系固体電解質の熱処理を結晶化処理も含めて、再加熱処理と称する。
アルジロダイト型の結晶を含み、組成がLi5.4PS4.4Cl1.6である硫化物系固体電解質を目標材料として、Li2S(Sigma社製、純度99.98%)、P2S5(Sigma社製、純度99%)、LiCl(Sigma社製、純度99.99%)の各粉末を1.9:0.5:1.6(mol比)になるように調合した。この粉末100gを耐熱性の容器に入れ、試験炉に入れ、露点-50℃の窒素雰囲気下、圧力:1気圧、温度:300℃(昇温速度5℃/分)の条件で1時間保持することで加熱処理し、得られた加熱原料は、室温で露点-50℃の乾燥空気雰囲気下に一日以上保管し、これを各例における原料とした。得られた原料について、大気非曝露環境下、0~200℃の範囲で加熱発生ガス分析(EGA-MS法)を行い、酸素分子の検知の有無を調べた。
EGA-MS法の測定条件は以下の通りである。
<熱分解条件>
装置:ダブルショットパイロライザー(フロンティアラボ社、PY-3030D)
サンプル量:10~20mg使用
加熱条件:40℃で5min保持し、5℃/minで200℃まで昇温し、200℃での保持時間を0minとした。
雰囲気:He
<GC/MS条件>
装置:Agilent社7890A/JEOL社JMS-T100GC
カラム:Ultra ALLOY-DTM(2.5m,I.D.0.15mmφ)
オーブン温度:300℃
注入口温度:300℃
スプリット比:50:1
検出器電圧:2100V
イオン化法:EI
各例において、製造例1で得られた原料100gを、表1に示す露点及び温度に調整された導入部に導入した。導入の際は、グローブボックス内にて、露点-30℃以下、酸素濃度100ppm以下に保持した状態で導入部を開放して原料を投入した。導入部の容積は500cm3であり、導入部内には置換率0.2(min-1)の条件で窒素ガスを供給した。導入部内の酸素濃度は10ppm以下であった。
次いで、導入部内で原料を20分間保持した後、表1に示す露点及び温度に調整された加熱部内の耐熱容器に落下させることにより移送した。加熱部内には、3L/分のN2ガスが流れており、別のガスラインから0.05vol%の硫黄ガスを含んだN2ガスを流速1L/分で供給した。原料を加熱部内で1時間保持することにより、原料を加熱溶融した。加熱部内に導入するガスの酸素濃度は10ppm以下であった。
加熱溶融後、溶融物をカーボン製のプレートに厚さ5mmとなるよう流し出し、冷却した。その後、得られた固体を適切な大きさに砕くことにより、ブロック状の硫化物系固体電解質を得た。得られた硫化物系固体電解質について、以下の評価を行った。
Li2S(Sigma社製、純度99.98%)、P2S5(Sigma社製、純度99%)、LiCl(Sigma社製、純度99.99%)の各粉末を室温で露点-50℃の乾燥空気雰囲気下に一日以上保管し、各粉末を1.9:0.5:1.6(mol比)になるように調合した。調合した原料について、製造例1と同様に加熱発生ガス分析(EGA-MS法)を行い、酸素分子の検知の有無を調べた。調合した原料100gを表1に示す露点及び温度に調整された導入部に導入した。導入の際は、グローブボックス内にて、露点-30℃以下、酸素濃度100ppm以下に保持した状態で導入部を開放して原料を投入した。導入部の容積は500cm3であり、導入部内には置換率0.2(min-1)の条件で窒素ガスを供給した。導入部内の酸素濃度は10ppm以下であった。
加熱溶融後、例1~4と同様の方法で溶融物を冷却し、得られた固体を適切な大きさに砕くことにより、ブロック状の硫化物系固体電解質を得た。得られた硫化物系固体電解質について、以下の評価を行った。
(P-O結合割合評価)
各例で得られた硫化物系固体電解質について、P-O結合の割合を測定し、原料の吸着酸素の影響を評価した。硫化物系固体電解質が、加熱溶融時に吸着酸素の影響を全く受けていないと仮定した場合、硫化物系固体電解質におけるPの結合相手はほとんどSになると考えられる。したがって、P-S結合とP-O結合の量を測定し、それらの合計に対するP-O結合の割合が少ないほど、加熱溶融時における原料の吸着酸素の影響を抑制できていると言える。
各結合量の測定は、31P-NMR測定により行った。具体的な測定条件は以下の通りである。
装置名:Bruker社製 AVANCE-III-HD400
31P-NMR測定により得られるNMRスペクトルにおいて、0~20ppmの範囲にピークが観測されるバンドをPO4 3-由来、30~50ppmの範囲にピークが観測されるバンドをPO3S3-由来、60~75ppmの範囲にピークが観測されるバンドをPO2S2 3-由来、75~78ppmの範囲にピークが観測されるバンドをPOS3 3-由来、78~100ppmの範囲にピークが観測されるバンドをPS4 3-由来として、各バンドの面積強度で、(4×[PO4 3-]+3×[POS3 3-]+2×[PO2S2 3-]+[PO3S3-])/{4×([PO4 3-]+[POS3 3-]+[PO2S2 3-]+[PO3S3-]+[PS4 3-])}×100(%)にて、P-O結合割合を求めた。
各例の硫化物系固体電解質を粉砕し、平均粒子径10~100μmの硫化物系固体電解質粉末としたものをサンプルとした。サンプリングは大気非曝露環境で行い、リン酸水素二アンモニウムを外部標準として測定し、1.6ppmとした。
各例の硫化物系固体電解質を粉砕し、平均粒子径10μmの硫化物系固体電解質粉末を得た。この硫化物系固体電解質粉末を380MPaの圧力で圧粉体として測定サンプルとし、交流インピーダンス測定装置(Bio-Logic Sciences Instruments社製、ポテンショスタット/ガルバノスタット VSP)を用いて測定した。
測定条件は、測定周波数:100Hz~1MHz、測定電圧:100mV、測定温度:25℃とした。
1.導入部と加熱部とを備える製造装置を用いた硫化物系固体電解質の製造方法であって、
前記製造装置の前記導入部に原料を導入することと、
前記原料を、前記導入部よりも高温である前記加熱部に移送して加熱溶融することと、を含み、
前記導入部の露点は-65℃~-25℃である、硫化物系固体電解質の製造方法。
2.前記加熱部の温度が400℃以上であり、前記導入部の温度が300℃以下である、前記1に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
3.前記加熱部の温度と、前記導入部の温度の差が200℃以上である、前記1又は2に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
4.前記加熱溶融の際に、所定の元素を補うことを含む、前記1~3のいずれか1に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
5.Li、P、S及びHaを含む硫化物系固体電解質ブロックであって、
前記HaはF、Cl、Br及びIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記硫化物系固体電解質ブロックにおいて、P-S結合及びP-O結合の合計に対するP-O結合の割合が5%未満であり、
厚さが10mm以下である、硫化物系固体電解質ブロック。
6.前記硫化物系固体電解質ブロックを平均粒子径10μmの粉末状として、380MPaの圧力で圧粉体とした際に、25℃で測定されるリチウムイオン伝導率が2.0mS/cm以上である、前記5に記載の硫化物系固体電解質ブロック。
2 導入部
21 供給気体
22 排出気体
4 加熱部
41 供給気体
42 排出気体
43 耐熱容器
Claims (4)
- 導入部と加熱部とを備える製造装置を用いた硫化物系固体電解質の製造方法であって、
前記製造装置の前記導入部に原料を導入することと、
前記原料を、前記導入部よりも高温である前記加熱部に移送して加熱溶融することと、を含み、
前記導入部の露点は-65℃~-25℃である、硫化物系固体電解質の製造方法。 - 前記加熱部の温度が400℃以上であり、前記導入部の温度が300℃以下である、請求項1に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
- 前記加熱部の温度と、前記導入部の温度の差が200℃以上である、請求項1又は2に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
- 前記加熱溶融の際に、所定の元素を補うことを含む、請求項1又は2に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2023223117A JP2024027159A (ja) | 2022-01-25 | 2023-12-28 | 硫化物系固体電解質ブロック |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022009604 | 2022-01-25 | ||
JP2022009604 | 2022-01-25 | ||
PCT/JP2023/001784 WO2023145657A1 (ja) | 2022-01-25 | 2023-01-20 | 硫化物系固体電解質の製造方法 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023223117A Division JP2024027159A (ja) | 2022-01-25 | 2023-12-28 | 硫化物系固体電解質ブロック |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2023145657A1 JPWO2023145657A1 (ja) | 2023-08-03 |
JP7435926B2 true JP7435926B2 (ja) | 2024-02-21 |
Family
ID=87472006
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023564062A Active JP7435926B2 (ja) | 2022-01-25 | 2023-01-20 | 硫化物系固体電解質の製造方法 |
JP2023223117A Pending JP2024027159A (ja) | 2022-01-25 | 2023-12-28 | 硫化物系固体電解質ブロック |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023223117A Pending JP2024027159A (ja) | 2022-01-25 | 2023-12-28 | 硫化物系固体電解質ブロック |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP7435926B2 (ja) |
WO (1) | WO2023145657A1 (ja) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008103194A (ja) | 2006-10-19 | 2008-05-01 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 硫化リチウム系固体電解質 |
WO2018164224A1 (ja) | 2017-03-08 | 2018-09-13 | 出光興産株式会社 | 硫化物固体電解質粒子 |
WO2022009810A1 (ja) | 2020-07-09 | 2022-01-13 | 三井金属鉱業株式会社 | 硫化リチウムの製造方法 |
-
2023
- 2023-01-20 JP JP2023564062A patent/JP7435926B2/ja active Active
- 2023-01-20 WO PCT/JP2023/001784 patent/WO2023145657A1/ja active Application Filing
- 2023-12-28 JP JP2023223117A patent/JP2024027159A/ja active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008103194A (ja) | 2006-10-19 | 2008-05-01 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 硫化リチウム系固体電解質 |
WO2018164224A1 (ja) | 2017-03-08 | 2018-09-13 | 出光興産株式会社 | 硫化物固体電解質粒子 |
WO2022009810A1 (ja) | 2020-07-09 | 2022-01-13 | 三井金属鉱業株式会社 | 硫化リチウムの製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023145657A1 (ja) | 2023-08-03 |
JP2024027159A (ja) | 2024-02-29 |
JPWO2023145657A1 (ja) | 2023-08-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7452659B2 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法及び硫化物系固体電解質 | |
TW201340437A (zh) | 硫化物系固體電解質之製造方法 | |
KR20070019972A (ko) | 전기활성 삽입 화합물의 제조 방법 및 이로부터 얻은 전극물질 | |
WO2022080435A1 (ja) | 硫化物系固体電解質及びその製造方法 | |
TW202102437A (zh) | 固體電解質 | |
JP7435926B2 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法 | |
US20240055653A1 (en) | Sulfide based solid electrolyte, solid electrolyte layer, and lithium ion secondary battery | |
JP7415241B1 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法及び製造装置 | |
WO2020017500A1 (ja) | 固体電解質の製造方法 | |
WO2024101110A1 (ja) | 硫化物固体電解質の製造方法 | |
JP7416173B1 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法および硫化物系固体電解質の製造装置 | |
WO2024018976A1 (ja) | 硫化物固体電解質及びその製造方法 | |
WO2023219173A1 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法及び製造装置 | |
WO2023210604A1 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法、ハロゲン化リチウム含有組成物、及び硫化リチウム含有組成物 | |
WO2023219067A1 (ja) | 硫化物系固体電解質粉末の製造方法及び製造装置 | |
JP7420198B1 (ja) | 硫化物系固体電解質の製造方法および硫化物系固体電解質の製造装置 | |
JP7420296B1 (ja) | 硫化物固体電解質粉末の製造方法およびその製造装置 | |
WO2024014382A1 (ja) | 硫化物系固体電解質及びその製造方法、電極合剤、固体電解質層、並びに、全固体リチウムイオン二次電池 | |
WO2024085070A1 (ja) | 硫化物固体電解質粉末及び全固体リチウムイオン二次電池 | |
JP7435927B1 (ja) | 硫化物系固体電解質粉末、硫化物系固体電解質粉末の製造方法、硫化物系固体電解質層及びリチウムイオン二次電池 | |
WO2023149405A1 (ja) | アルカリ金属元素及び硫黄元素を含む物質の製造方法 | |
JP7171896B2 (ja) | 硫化物系無機固体電解質材料の製造方法 | |
辻史香 | Development of Sodium-Ion Conducting Crystalline and Glassy Electrolytes in the Systems Na_2S-M_xS_y (M= Sb, P, B) | |
JP2022176803A (ja) | 固体電解質材料、その製造方法及び電池 | |
JP2023142746A (ja) | 硫化リチウムの製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231018 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20231018 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231114 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231213 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240109 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240122 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7435926 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |