JP7477414B2 - 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 - Google Patents
硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7477414B2 JP7477414B2 JP2020160154A JP2020160154A JP7477414B2 JP 7477414 B2 JP7477414 B2 JP 7477414B2 JP 2020160154 A JP2020160154 A JP 2020160154A JP 2020160154 A JP2020160154 A JP 2020160154A JP 7477414 B2 JP7477414 B2 JP 7477414B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sulfide
- solid electrolyte
- based solid
- state lithium
- composition
- 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
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 title claims description 65
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 49
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 27
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 27
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 5
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- -1 flame-retardant compound Chemical class 0.000 description 3
- XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N furfuryl alcohol Chemical compound OCC1=CC=CO1 XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002931 mesocarbon microbead Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 2
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000000101 thioether group Chemical group 0.000 description 2
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 2
- 229920003026 Acene Polymers 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005829 GeS Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005842 GeS2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018130 Li 2 S-P 2 S 5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001216 Li2S Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007346 Li2Te Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000006231 channel black Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- GKWAQTFPHUTRMG-UHFFFAOYSA-N lithium telluride Chemical compound [Li][Te][Li] GKWAQTFPHUTRMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021470 non-graphitizable carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006234 thermal black Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B19/00—Selenium; Tellurium; Compounds thereof
- C01B19/007—Tellurides or selenides of metals
-
- 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
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- 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)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Description
本発明は、硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池に関する。
近年におけるパソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。該電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウムイオン電池が注目を浴びている。また、車載用等の動力源やロードレベリング用といった大型用途におけるリチウム二次電池についても、高エネルギー密度、電池特性向上が求められている。
ただ、リチウムイオン電池の場合は、電解液は有機化合物が大半であり、たとえ難燃性の化合物を用いたとしても火災に至る危険性が全くなくなるとは言いきれない。こうした液系リチウムイオン電池の代替候補として、電解質を固体とした全固体リチウムイオン電池が近年注目を集めている。その中でも、固体電解質としてLi2S-P2S5などの硫化物やそれにハロゲン化リチウムを添加した全固体リチウムイオン電池が主流となりつつある。
また、全固体リチウムイオン電池の特性改善のため、イオン伝導度の高い固体電解質が求められている。一般的に、電荷担体であるリチウムイオンを増やすことで、リチウムイオン伝導性の向上が期待される。このような技術として、例えば、非特許文献1には、アルジロダイト型Li7PS6中の五価のPを、四価のGeで置換する技術が開示されている。
J.Mater.Chem.A,7(2019)2717.
硫化物系固体電解質中の五価のPを、四価の元素で置換する量が増えると、それに従いイオン伝導度が向上する。この点について、上述の非特許文献1に記載された技術では、アルジロダイト型Li7PS6中の五価のPを、四価のGeで置換しているが、Pを35%置換しているに過ぎず、完全に置換することができていない。このため、硫化物系固体電解質のイオン伝導度については未だ改善の余地がある。本発明の実施形態では、イオン伝導度が良好な硫化物系固体電解質、及び、それを用いた全固体リチウムイオン電池を提供することを目的とする。
本発明者は、種々の検討を行った結果、アルジロダイト型構造を有するリチウムイオン伝導体において、テルル(Te)を含む構造とすることで、リン(P)を100%ゲルマニウム(Ge)に置換可能となり、これによってイオン伝導度を向上させることができることを見出した。そして、アルジロダイト型構造を有し、所定の組成で構成された硫化物系固体電解質によれば、上述の課題が解決されることを見出した。
上記知見を基礎にして完成した本発明は実施形態において、アルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質であって、組成が、
式:Li8GeS5-xTe1+x
(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)
で表される硫化物系固体電解質である。
式:Li8GeS5-xTe1+x
(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)
で表される硫化物系固体電解質である。
本発明の硫化物系固体電解質は別の実施形態において、前記式中、-0.375≦x<0である。
本発明は更に別の実施形態において、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質で構成された固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池である。
本発明によれば、イオン伝導度が良好な硫化物系固体電解質、及び、それを用いた全固体リチウムイオン電池を提供することができる。
(硫化物系固体電解質)
本実施形態の硫化物系固体電解質は、アルジロダイト(Argyrodite)型構造を有する硫化物系固体電解質である。硫化物系固体電解質が、アルジロダイト型構造を有していることは、例えば、CuKα線を用いたX線回折測定により確認できる。アルジロダイト型構造は、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に強い回折ピークを有する。なお、アルジロダイト型構造の回折ピークは、例えば、2θ=14.8±1.0°、17.2±1.0°、30.0±1.0°、42.9±1.0°又は45.6±1.0°にも現れることがある。本実施形態の硫化物系固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。
本実施形態の硫化物系固体電解質は、アルジロダイト(Argyrodite)型構造を有する硫化物系固体電解質である。硫化物系固体電解質が、アルジロダイト型構造を有していることは、例えば、CuKα線を用いたX線回折測定により確認できる。アルジロダイト型構造は、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に強い回折ピークを有する。なお、アルジロダイト型構造の回折ピークは、例えば、2θ=14.8±1.0°、17.2±1.0°、30.0±1.0°、42.9±1.0°又は45.6±1.0°にも現れることがある。本実施形態の硫化物系固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。
本実施形態の硫化物系固体電解質は、アルジロダイト型構造のX線回折パターンを有していれば、その一部に非晶質成分が含まれていてもよく、アルジロダイト型構造以外の構造や原料を含んでいてもよい。
本実施形態の硫化物系固体電解質は、組成が、式:Li8GeS5-xTe1+x(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)で表される。本実施形態の硫化物系固体電解質は、固体電解質中の硫黄(S)を、イオン半径が大きいTeで置換することにより、結晶構造の安定性が高くなり、リン(P)が、ゲルマニウム(Ge)によって完全に(100%)置換されている。このような構成によれば、ゲルマニウム(Ge)の置換量が増大するため、良好なイオン伝導度を有する硫化物系固体電解質が得られる。
本実施形態の硫化物系固体電解質は、上記組成式において、xが-0.5未満であると、イオン伝導性の低いLi4GeS4相が生じるおそれがある。また、xが0.375超であると、結晶格子が大きくなるためLiサイト間距離が長くなり、イオン伝導度が低下するおそれがある。本実施形態の硫化物系固体電解質は、上記組成式において、-0.375≦x<0であるのが好ましい。このような構成によれば、より良好なイオン伝導度を有する硫化物系固体電解質が得られる。このように硫化物系固体電解質のイオン伝導度が良好であると、放電時の電圧の低下(IRドロップ)が小さくなるため、それを用いた全固体リチウムイオン電池の電池容量が高くなる。また、この効果は、全固体リチウムイオン電池が、特に高レートの際に顕著となる。なお、上記式中、「-0.5≦x<0、0<x≦0.375である」とは、-0.5≦x<0、または、0<x≦0.375であることを示す。
本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質の平均粒径は特に限定されないが、0.01~100μmであってもよく、0.1~100μmであってもよく、0.1~50μmであってもよい。
本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質のイオン伝導度は、10-4S/cm以上であることが好ましく、10-3S/cm以上であることがより好ましい。硫化物系固体電解質のイオン伝導度は、例えば、当該硫化物系固体電解質の粉末0.2gを、550MPaの圧力で押圧してプレート状に成形した後、当該プレートの両面に金電極を取り付けた直径10mmのペレットを作製し、25℃において、1Hz~10MHzまでの交流インピーダンス測定を行うことで求めることができる。
(硫化物系固体電解質の製造方法)
次に、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質の製造方法について説明する。
まず、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気のグローブボックス内で所定の組成となるように原料を秤量する。ここで用いる各原料は、例えば、Li、Li2S、Li2Te、LiTe3、Ge、GeS、GeS2、GeTe、S、Te等が挙げられる。
次に、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質の製造方法について説明する。
まず、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気のグローブボックス内で所定の組成となるように原料を秤量する。ここで用いる各原料は、例えば、Li、Li2S、Li2Te、LiTe3、Ge、GeS、GeS2、GeTe、S、Te等が挙げられる。
次に、乳鉢などにより、5~30分混合して混合粉を作製する。このとき、混合粉の平均粒径が5~40μmとなるような時間だけ混合することが好ましい。
次に、当該混合粉をペレットにして石英アンプル中に真空封管し、石英アンプルごと400~800℃で1~20時間焼成することで、組成が、式:Li8GeS5-xTe1+x(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)で表される、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質を作製することができる。
(全固体リチウムイオン電池)
本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質によって固体電解質層を形成し、当該固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池を作製することができる。本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池を構成する正極層及び負極層は、特に限定されず、公知の材料で形成することができ、図1に示すような公知の構成とすることができる。
本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質によって固体電解質層を形成し、当該固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池を作製することができる。本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池を構成する正極層及び負極層は、特に限定されず、公知の材料で形成することができ、図1に示すような公知の構成とすることができる。
リチウムイオン電池の正極層は、公知のリチウムイオン電池用正極活物質と、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質または別の硫化物系固体電解質とを混合してなる正極合材を層状に形成したものである。正極合材は、さらに導電助剤を含んでもよい。当該導電助剤としては、炭素材料、金属材料、または、これらの混合物を用いることができる。導電助剤は、例えば、炭素、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含んでもよい。導電助剤は、好ましくは、導電性が高い炭素単体、炭素、ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。炭素材料としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等を用いることができる。
リチウムイオン電池の負極層は、公知のリチウムイオン電池用負極活物質を層状に形成したものであってもよい。また、当該負極層は、公知のリチウムイオン電池用負極活物質と、本発明の実施形態に係る硫化物系固体電解質または別の硫化物系固体電解質とを混合してなる負極合材を層状に形成したものであってもよい。負極層は、正極層と同様に、導電助剤を含んでもよい。当該導電助剤は、正極層において説明した材料と同じ材料を用いることができる。負極活物質としては、例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等、または、その混合物を用いることができる。また、負極材としては、例えば、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組み合わせた合金を用いることができる。
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
(実施例1)
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で所定の組成となるように原料を秤量し、乳鉢を用いて15分間混合して混合粉を作製した。次に、当該混合粉を1gのペレットにして石英アンプル中に真空封管し、石英アンプルごと700℃で8時間焼成することで、Li8GeS5.5Te0.5の組成を有する硫化物系固体電解質を得た。
この硫化物系固体電解質の粉末0.2gを、550MPaの圧力で押圧してプレート状に成形した後、当該プレートの両面に金電極を取り付けた直径10mmのペレットを作製し、25℃において、1Hz~10MHzまでの交流インピーダンス測定を行い、イオン伝導度を求めた。
また、サンプルの硫化物系固体電解質について、CuKα線を用いたX線回折測定により、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)グラフを得た。図2に、実施例1~7、比較例1及び参考例1に係るXRDグラフを示す。XRDグラフにおいて、「Intensity(a.u.)」のIntensityはXRD測定で検出したX線の強度を表しており、a.u.はarbitrary unitの略で任意単位であることを表す。XRDグラフにおいて、「2θ」は、入射X線方向と回折X線方向がなす角度(回折角)を示す。当該XRDグラフに基づき、アルジロダイト型構造の回折ピークの有無を確認することにより、サンプルの硫化物系固体電解質がアルジロダイト型構造を有するか否かを評価した。
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で所定の組成となるように原料を秤量し、乳鉢を用いて15分間混合して混合粉を作製した。次に、当該混合粉を1gのペレットにして石英アンプル中に真空封管し、石英アンプルごと700℃で8時間焼成することで、Li8GeS5.5Te0.5の組成を有する硫化物系固体電解質を得た。
この硫化物系固体電解質の粉末0.2gを、550MPaの圧力で押圧してプレート状に成形した後、当該プレートの両面に金電極を取り付けた直径10mmのペレットを作製し、25℃において、1Hz~10MHzまでの交流インピーダンス測定を行い、イオン伝導度を求めた。
また、サンプルの硫化物系固体電解質について、CuKα線を用いたX線回折測定により、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)グラフを得た。図2に、実施例1~7、比較例1及び参考例1に係るXRDグラフを示す。XRDグラフにおいて、「Intensity(a.u.)」のIntensityはXRD測定で検出したX線の強度を表しており、a.u.はarbitrary unitの略で任意単位であることを表す。XRDグラフにおいて、「2θ」は、入射X線方向と回折X線方向がなす角度(回折角)を示す。当該XRDグラフに基づき、アルジロダイト型構造の回折ピークの有無を確認することにより、サンプルの硫化物系固体電解質がアルジロダイト型構造を有するか否かを評価した。
(実施例2)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.375Te0.625であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.375Te0.625であること以外は実施例1と同様に実施した。
(実施例3)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.25Te0.75であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.25Te0.75であること以外は実施例1と同様に実施した。
(実施例4)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.125Te0.875であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.125Te0.875であること以外は実施例1と同様に実施した。
(実施例5)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.875Te1.125であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.875Te1.125であること以外は実施例1と同様に実施した。
(実施例6)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.75Te1.25であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.75Te1.25であること以外は実施例1と同様に実施した。
(実施例7)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.625Te1.375であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS4.625Te1.375であること以外は実施例1と同様に実施した。
(比較例1)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.625Te0.375であること以外は実施例1と同様に実施した。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5.625Te0.375であること以外は実施例1と同様に実施した。
(参考例1)
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5Teであること以外は実施例1と同様に実施した。
上記結果を表1に示す。
作製した硫化物系固体電解質の組成がLi8GeS5Teであること以外は実施例1と同様に実施した。
上記結果を表1に示す。
(評価結果)
実施例1~7、参考例1の固体電解質については、いずれもXRDグラフにおいて、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に強い回折ピークが確認され、アルジロダイト型構造を有していた。比較例1の固体電解質は、XRDグラフにおいて、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に実施例1~7、参考例1ほどの強い回折ピークが確認されなかった。
また、実施例1~7、参考例1の固体電解質は、式:Li8GeS5-xTe1+x(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)で示す組成を有していたが、比較例1は当該組成を有していなかった。
このため、実施例1~7、参考例1に係る固体電解質は、アルジロダイト型構造を有さず、また、上記組成を有さない比較例1よりも、イオン伝導度が良好であった。従って、実施例1~7、参考例1に係る固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池の電池容量の向上が期待できる。
実施例1~7、参考例1の固体電解質については、いずれもXRDグラフにおいて、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に強い回折ピークが確認され、アルジロダイト型構造を有していた。比較例1の固体電解質は、XRDグラフにおいて、2θ=24.3±1.0°及び28.7±1.0°に実施例1~7、参考例1ほどの強い回折ピークが確認されなかった。
また、実施例1~7、参考例1の固体電解質は、式:Li8GeS5-xTe1+x(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)で示す組成を有していたが、比較例1は当該組成を有していなかった。
このため、実施例1~7、参考例1に係る固体電解質は、アルジロダイト型構造を有さず、また、上記組成を有さない比較例1よりも、イオン伝導度が良好であった。従って、実施例1~7、参考例1に係る固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池の電池容量の向上が期待できる。
Claims (3)
- アルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質であって、組成が、
式:Li8GeS5-xTe1+x
(式中、-0.5≦x<0、0<x≦0.375である。)
で表される硫化物系固体電解質。 - 前記式中、-0.375≦x<0である請求項1に記載の硫化物系固体電解質。
- 請求項1または2に記載の硫化物系固体電解質で構成された固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020160154A JP7477414B2 (ja) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 |
PCT/JP2021/015220 WO2022064744A1 (ja) | 2020-09-24 | 2021-04-12 | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 |
US17/925,206 US20230198006A1 (en) | 2020-09-24 | 2021-04-12 | Sulfide-based solid electrolyte and all-solid lithium ion battery |
EP21871880.7A EP4122880A4 (en) | 2020-09-24 | 2021-04-12 | SULFIDE-BASED SOLID ELECTROLYTE AND LITHIUM-ION SOLID-STATE BATTERY |
CN202180039056.6A CN115699391A (zh) | 2020-09-24 | 2021-04-12 | 硫化物系固体电解质和全固态锂离子电池 |
KR1020237008654A KR20230051249A (ko) | 2020-09-24 | 2021-04-12 | 황화물계 고체 전해질 및 전고체 리튬 이온 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020160154A JP7477414B2 (ja) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022053358A JP2022053358A (ja) | 2022-04-05 |
JP7477414B2 true JP7477414B2 (ja) | 2024-05-01 |
Family
ID=80845151
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020160154A Active JP7477414B2 (ja) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20230198006A1 (ja) |
EP (1) | EP4122880A4 (ja) |
JP (1) | JP7477414B2 (ja) |
KR (1) | KR20230051249A (ja) |
CN (1) | CN115699391A (ja) |
WO (1) | WO2022064744A1 (ja) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017007030A1 (ja) | 2015-07-09 | 2017-01-12 | 国立大学法人東京工業大学 | リチウム固体電解質 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6936073B2 (ja) * | 2016-08-12 | 2021-09-15 | 出光興産株式会社 | 硫化物固体電解質 |
-
2020
- 2020-09-24 JP JP2020160154A patent/JP7477414B2/ja active Active
-
2021
- 2021-04-12 US US17/925,206 patent/US20230198006A1/en active Pending
- 2021-04-12 EP EP21871880.7A patent/EP4122880A4/en active Pending
- 2021-04-12 CN CN202180039056.6A patent/CN115699391A/zh active Pending
- 2021-04-12 KR KR1020237008654A patent/KR20230051249A/ko unknown
- 2021-04-12 WO PCT/JP2021/015220 patent/WO2022064744A1/ja unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017007030A1 (ja) | 2015-07-09 | 2017-01-12 | 国立大学法人東京工業大学 | リチウム固体電解質 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20230051249A (ko) | 2023-04-17 |
CN115699391A (zh) | 2023-02-03 |
EP4122880A1 (en) | 2023-01-25 |
JP2022053358A (ja) | 2022-04-05 |
WO2022064744A1 (ja) | 2022-03-31 |
US20230198006A1 (en) | 2023-06-22 |
EP4122880A4 (en) | 2024-05-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101826407B1 (ko) | 황화물 고체 전해질 재료, 전지 및 황화물 고체 전해질 재료의 제조 방법 | |
JP6288716B2 (ja) | 硫化物固体電解質材料の製造方法 | |
JP6044588B2 (ja) | 硫化物固体電解質材料、電池および硫化物固体電解質材料の製造方法 | |
JP6044587B2 (ja) | 硫化物固体電解質材料、電池および硫化物固体電解質材料の製造方法 | |
KR20160011577A (ko) | 황화물 고체 전해질 재료, 전지 및 황화물 고체 전해질 재료의 제조 방법 | |
JP5957631B2 (ja) | 非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法 | |
JP2017033770A (ja) | α−リチウム固体電解質 | |
JP2020167151A (ja) | 硫化物固体電解質、硫化物固体電解質の前駆体、全固体電池および硫化物固体電解質の製造方法 | |
Han et al. | A Low-Cost Liquid-Phase Method of Synthesizing High-Performance Li6PS5Cl Solid-Electrolyte | |
JP2019102263A (ja) | 硫化物固体電解質 | |
JP7164939B2 (ja) | 全固体型二次電池 | |
JP2019053850A (ja) | 硫化物固体電解質 | |
JP2020123581A (ja) | α−リチウム固体電解質 | |
JP7477414B2 (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP7301005B2 (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP2022126504A (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP2023051467A (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
WO2024105906A1 (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP7301013B2 (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
Zheng et al. | Enhanced Ionic Conductivity toward Air-Stable Li4SnS4 Solid Electrolytes Achieved by Soft Acid Bi3+ Doping | |
JP2024073233A (ja) | 硫化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP5652132B2 (ja) | 無機固体電解質及びリチウム二次電池 | |
WO2024047912A1 (ja) | 全固体リチウムイオン電池の評価方法 | |
JP2022126577A (ja) | 酸化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池 | |
JP2016062720A (ja) | 硫化物固体電解質材料およびリチウム固体電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230208 |
|
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: 20240409 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240418 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7477414 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |