JPH02302307A - リチウム導電性固体電解質の合成法および電気化学素子の製造法 - Google Patents

リチウム導電性固体電解質の合成法および電気化学素子の製造法

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JPH02302307A
JPH02302307A JP12081789A JP12081789A JPH02302307A JP H02302307 A JPH02302307 A JP H02302307A JP 12081789 A JP12081789 A JP 12081789A JP 12081789 A JP12081789 A JP 12081789A JP H02302307 A JPH02302307 A JP H02302307A
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JP
Japan
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solid electrolyte
lithium ion
ion conductive
lithium
solid
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JP12081789A
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Kazunori Takada
和典 高田
Koji Yamamura
康治 山村
Shigeo Kondo
繁雄 近藤
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/12

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  • Primary Cells (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般式LSI−XM’xT12−、 (PO
a) a (Mは13t  AL  Gas  In、
TL  Sc+  Yt  La+  Ce、 prよ
り選ばれる少なくとも一種の元素)で表わされる複合リ
ン酸塩を主体とするリチウムイオン導電性固体電解質の
合成法、取扱法およびそれを用いた電気化学素子の製造
法に関する。
従来の技術 現在電池をはじめとする電気化学素子は、電解質に液体
を使用しているため、電解質の漏液等の問題を皆無とす
ることができない。こうした問題を解決し信頓性を高め
るため、また素子を小型。
薄膜化するためにも、液体電解質に代えて固体電解質を
用い、電気化学素子を全7固体化する試みが各方面でな
されている。特に全固体電池の1つである全固体リチウ
ム電池の開発研究が、素子が不燃性の固体で構成される
ため、安全性が高く、高電圧、高エネルギー密度の電池
が期待できるということから盛んに研究開発が行なわれ
ている。
全固体リチウム電池に用いられるリチウムイオン導電性
固体電解質の代表的なものとしては、LIX(XはCI
、  Br、  I)に酸化アルミニウムあるいは酸化
ケイ素を加えたもの、あるいはLIX−LIeS−Pt
Ss+  LIX−LIeS−Basss  1.IX
LhS  SIS*(XはCI、  Br、  I)等
の硫化物系の非晶質固体電解質が知られているが、一般
に以上のようにハロゲン化リチウムを含むものは大気中
の水分と容易に反応を起こす。それに対し−LIsP0
4−Li4510i、Li4 SiOJ−LIaZrO
n等の酸素酸塩系リチウムイオン導電性固体電解質は、
大気中でも安定で、特にL i+*xA IIIT 1
ll−If(PO=)sに代表されるリチウム酸素酸塩
との複合塩は室温において10−’ 〜10−”S/c
mの高いイオン伝導度を何しており、この固体電解質を
用いた全固体リチウム電池の開発が期待されている(日
刊工業新聞1989年2月8日付)。
発明が解決しようとする課題 以上のように酸素酸系リチウムイオン導電性固体電解質
は、大気中で安定であり、大気中の湿度や酸素の存在下
においても、分解や酸化の影響を受けることは極めて少
ない。しかしながら、その電気化学的な特性に対しては
以下のような影響を受ける。
固体電解質に吸着された水分子は、固体電解質中に含ま
れるリチウムイオンのため酸素イオンが強(リチウムイ
オンと相互作用した状態で分極しており、吸着された水
分子間でプロトン(H4)が移動しやすい状態、つまり
プロトン伝導性を有した状態となっている。このような
状態の固体電解質を用い電気化学素子を構成した場合、
電場のもとて固体電解質中をリチウムイオンのみならず
、プロトンも移動することとなる。
このような固体電解質を用いて、全固体リチウム電池を
構成した場合、リチウムが反応し、水素発生反応あるい
は水酸化リチ6ムを形成し、電池特性が劣化するといっ
た課題を有している。
本発明は、このような従来技術の課題を解決することを
目的とする。
課題を解決するための手段 本発明は、一般式L 114XM−T h−(P 04
) 3(MはB、  AI、  Ga、  In、  
Tl、  Sc、  Y、  l、a。
Ce、  Prより選ばれる少なくとも一種の元素)で
表わされる複合リン酸塩を主体とするリチウムイオン導
電性固体電解質の合成および使用を、不活性ガス雰囲気
下で行なうか、または前記リチウムイオン導電性固体電
解質を使用するに際しあらかじめ乾燥し、乾燥以後は不
活性ガス雰囲気下で取り扱うものであり、さらに上記条
件において電気化学素子を製造するものである。
作用 本発明は、一般式L it−M、T h−(P O4)
 *(MはB、  AI、  Ga、  In、  T
L  Scs  y、  l、a。
Ce、  Prより選ばれる少なくとも一種の元素)で
表わされる複合リン酸塩を主体とするリチウムイオン導
電性固体電解質を不活性ガス雰囲気下で合成することに
より、吸着水を持たず、その結果プロトン伝導の影響の
ないリチウムイオン導電性固体電解質を得ることができ
る。また、大気中で合成した固体電解質についても、固
体電解質が水と反応し分解することはないため、固体電
解質を乾燥し吸着水を除、くことで、同様の効果を得る
ことができる。
以上のようにして得られた吸着水を持たない固体電解質
を不活性ガス雰囲気下で取り扱うことにより、合成後ま
たは乾燥後の水の吸着によって生じるプロトン伝導の影
響を抑えることができる。
実施例 以下、本発明の実施例について、リチウムイオン導電性
固体電解質を全固体リチウム電池に応用した実施例を用
いて説明する。
(実施例1) LlsPOa、Al20a、Tl02t  NHaH*
POsを所定量秤量し、混合機で充分混合した後、白金
ルツボに入れ900℃で2時間焼成した後、徐冷した。
このようにして得られた結晶を乳鉢で粉砕し、L i+
、s’A I@、sT 1+、t (P O4) sで
表わされるリチウムイオン導電性固体電解質を得た。こ
のリチウムイオン導電性固体電解質を石英管中で800
℃。
3X 10−’To r rの減圧中で4時間減圧乾燥
した。
以上のようにして得た乾燥されたリチウムイオン導電性
固体電解質を用い、アルゴンガスで充し、五酸化ニリン
によって乾燥雰囲気としたグローブボックス中で以下の
方法により全固体リチウム電池を構成した。
リチウムイオン導電性固体電解質と正極活物質として二
硫化チタンを重量比で1: 1に混合し、全固体リチウ
ム電池に用いる正極材料を得た。この正極材料を100
mg秤量し、3ton/cm”で10mmφに加圧成型
し正極ペレットを得た。
負極としては金属リチウム箔(厚さ0. 3mm)を1
0mmφに打ち抜いたものを用い、前記正極ベレットを
前記リチウムイオン導電性固体電解質100mgを介し
て配し、全体を2ton/cm”で加圧成型し、全固体
リチウム電池素子を得た。
この電池素子にリード端子をカーボンペーストにより接
着し、全体をアルミと変性ポリエチレンをラミネートし
た封止材料によって封止し、全固体リチウム電池Aを得
た。
比較例として、乾燥していない上記リチウムイオン導電
性固体電解質を用いた以外は以上と同様の方法で全固体
リチウム電池Bを得た。
上記全固体リチウム電池A、  Bを用い、100μA
で2.7v〜2.Ovの定電流充放電サイクル特性を測
定した。その結果を第1図に示す。−50サイクル経過
後に全固体リチウム電池Bの容量は60%近くまで低下
したのに対し、本発明による取り扱い法にしたがって得
られた全固体リチウム電池Aは初期容量の90%以上を
維持しており、サイクル特性が向上していることがわか
る。
(実施例2) AlaOsに換えてL a20 aを用いた以外は実施
例1と同様の方法により、Li+、1Lai、mTit
、v(PO4)sで表わされるリチウムイオン導電性固
体電解質を得た。
以上のようにして得たリチウムイオン導電性固体電解質
の減圧乾燥したものと、比較例として減圧乾燥していな
いものを用い、正極としてポリ−2−ビニルピリジン・
I2錯体を30mgを10mmφに成型したものを用い
た以外は実施例1と同様の方法で全固体リチウム電池C
(減圧乾燥したリチウムイオン導電性固体電解質を用い
たもの)。
固体リチウム電池D(減圧乾燥していないリチウムイオ
ン導電性固体電解質を用いたもの)を得た。
以上のようにして得られた全固体リチウム電池C,Dを
60℃の高温槽中で保存し、その開路電圧の変化を測定
した。その結果を第2図に示す。
60日の保存の後、全固体リチウム電池りの開路電圧は
2.5v以下にまで低下したのに対し、本発明による使
用法にしたがって得られた全固体リチウム電池Cの開路
電圧は2.Ov以上を維持しており、自己放電の小さな
全固体リチウム電池が得られていることがわかる。
(実施例3) AlaOsに換えてY2O3を用い、アルゴン気流中で
行なった以外は、実施例1と同様の方法によりL1+、
sYa、aTB、t (POz)aで表わされるリチウ
ムイオン導電性固体電解質を得た。
以上のようにして得たリチウムイオン導電性固体電解質
を用い、正極材料としてVeO+3とリチウムイオン導
電性固体電解質とグラファイトを重量比で1:  1:
  0.03の割合で混合したものを用い、負極として
リチウムとアルミニウムの3:1の合金を厚さ0.1m
mに圧延したものを10mmφに打ち抜いたものを用い
た以外は用いた以外は、実施例1と同様にアルゴンガス
で充し、五酸化ニリンによって乾燥雰囲気としたグロー
ブボックス中で全固体リチウム電池Eを構成した。なお
、全固体リチウム電池製造時において、上記固体電解質
が大気に暴露されること、はなかった。
比較例として、L1+、aY@、aTl+、t(PO4
)sで表わされるリチウムイオン導電性固体電解質の合
成を大気中で行なった以外は上記と同様の方法で全固体
リチウム電池Fを得た。
上記全固体リチウム電池E、  Fを用い、100μA
で3.2v〜2.8vの定電流充放電サイクル特性を測
定した。その結果を第3図に示す。
50サイクル経過後に全固体リチウム電池Fの容量は6
0%近くまで低下したのに対し、本発明による合成法お
よび使用法にしたがって得られた全固体リチウム電池E
は初期容量の90%以上を維持しており、サイクル特性
が向上していることがわかる (実施例4) Y2O2に換えてG aa Osを用いアルゴン気流中
で合成したL1+、5Gaa、*Tl+、v (PO4
)sで表わされるリチウムイオン導電性固体電解質と、
正極としてヨウ化鉛とリチウムイオン導電性固体電解質
を重量比で1: 1に混合したものを100mgを10
mmφに成型したものを用いた以外は用いた以外は実施
例3と同様の方法で、全固体リチウム電池Gを得た。
また比較例として、大気中で合成したアルゴン気流中で
合成したL1+、aGa@、sTi+、v (PO4)
aで表わされるリチウムイオン導電性固体電解質を用い
た以外は上記と同様の方法により全固体リチウム電池H
を得た。
以上のようにして得られた全固体リチウム電池G、  
Hを60℃の高温槽中で保存し、その開路電圧の変化を
測定した。その結果を第4図に示す。
60日の保存の後、全固体リチウム電池Hの開路電圧は
1.0V以下にまで低下したのに対し、本発明による合
成法および使用法にしたがって得られた全固体リチウム
電池Gの開路電圧は1.8v以上を維持しており、自己
放電の小さな全固体リチウム電池が得られていることが
わかる。
なお、本発明の実施例において、一般式L114XMつ
Tlト。(PO4)sで表わされる複合リン酸塩を主体
とする固体電解質として、MがAI、  La、  Y
Gaのものにってのみ述べたが、その他MがB、In。
Tls  Scs  Ces  Prであっても同様の
結果が得られることは明らかであり、本発明がMがAI
、  La+Y、Gaの固体電解質にのみ限定されるも
のでないことは云うまでもない。
また、本発明の実施例としてリチウムイオン導電性固体
電解質を全固体リチウム電池に応用した例のみを挙げた
が、その他電気二重層キャパシタなどの電気化学素子に
対しても応用した場゛合についても同様の効果が得られ
ることは云うまでもない。
発明の効果 以上のように本発明によると、リチウムイオン導電性固
体電解質に副次的に発生するプロトンの伝導を抑えるこ
とができ、種々の電気化学素子を構成した場合良好な特
性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例における全固体リチウム電池
の充放電サイクル特性図、第2図は本発明の一実施例に
おける全固体リチウム電池の保存特性図、第3図は本発
明の一実施例における。全固体リチウム電池の充放電サ
イクル特性図、第4図は本発明の一実施例における全固
体リチウム電池の保存特性図である。 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 はか1名第1図 第2図 第3図 1K 4 図 (V)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一般式Li_1_+_xM_xTi_2_−_x
    (PO_4)_2(MはB、Al、Ga、In、Ti、
    Sc、Y、La、Ce、Prより選ばれる少なくとも一
    種の元素)で表わされる複合リン酸塩を主体とするリチ
    ウムイオン導電性固体電解質の合成を、不活性ガス雰囲
    気下で行なうことを特徴とするリチウムイオン導電性固
    体電解質の合成法。
  2. (2)請求項1記載の方法で合成されたリチウムイオン
    導電性固体電解質を不活性ガス雰囲気下で組み込むこと
    を特徴とする電気化学素子の製造法。
  3. (3)一般式Li_1_+_xM_xTi_2_−_x
    (PO_4)_3(MはB、Al、Ga、In、Ti、
    Sc、Y、La、Ce、Prより選ばれる少なくとも一
    種の元素)で表わされる複合リン酸塩を主体とするリチ
    ウムイオン導電性固体電解質を使用するに際し、前記リ
    チウムイオン伝導性固体電解質を乾燥し、乾燥以後は不
    活性ガス雰囲気下で取り扱うことを特徴とするリチウム
    イオン導電性固体電解質の取扱法。
  4. (4)請求項3記載の一般式で表わされる複合燐酸塩を
    主体とするリチウムイオン導電性固体電解質を乾燥し、
    不活性ガス雰囲気下で組み込むことを特徴とする電気化
    学素子の製造法。
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