JPWO2013118722A1 - 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 - Google Patents
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Abstract
本発明は、M1元素(例えばLi元素)、M2元素(例えばGe元素、Sn元素およびP元素)およびS元素を含有し、CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.58°±0.50°の位置にピークを有し、上記2θ=29.58°±0.50°のピークの回折強度をIAとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAの値が0.50未満であり、M2は、少なくともPおよびSnを含むことを特徴とする硫化物固体電解質材料を提供することにより、上記課題を解決する。
Description
まず、本発明の硫化物固体電解質材料について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料は、2つの実施態様に大別することができる。そこで、本発明の硫化物固体電解質材料について、第一実施態様および第二実施態様に分けて説明する。
第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、M1元素、M2元素およびS元素を含有し、上記M1は、Li、Na、K、Mg、Ca、Znからなる群から選択される少なくとも一種であり、上記M2は、P、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbからなる群から選択される少なくとも一種であり、CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.58°±0.50°の位置にピークを有し、上記2θ=29.58°±0.50°のピークの回折強度をIAとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAの値が0.50未満であり、上記M2は、少なくともPおよびSnを含むことを特徴とするものである。
次に、本発明の硫化物固体電解質材料の第二実施態様について説明する。第二実施態様の硫化物固体電解質材料は、M1元素およびS元素から構成される八面体Oと、M2a元素およびS元素から構成される四面体T1と、M2b元素およびS元素から構成される四面体T2とを有し、上記四面体T1および上記八面体Oは稜を共有し、上記四面体T2および上記八面体Oは頂点を共有する結晶構造を主体として含有し、上記M1は、Li、Na、K、Mg、Ca、Znからなる群から選択される少なくとも一種であり、上記M2aおよび上記M2bは、それぞれ独立に、P、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbからなる群から選択される少なくとも一種であり、上記M2aおよび上記M2bの少なくとも一方はPを含み、上記M2aおよび上記M2bの少なくとも一方はSnを含むことを特徴とするものである。
次に、本発明の電池について説明する。本発明の電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを含有する電池であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記電解質層の少なくとも一つが、上述した硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするものである。
以下、本発明の電池について、構成ごとに説明する。
本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、正極活物質層が固体電解質材料を含有し、その固体電解質材料が、上述した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。高出力であり、かつ、水分に対する安定性が高い電池とすることができるからである。正極活物質層に含まれる上記硫化物固体電解質材料の割合は、電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。また、正極活物質としては、例えばLiCoO2、LiMnO2、Li2NiMn3O8、LiVO2、LiCrO2、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等を挙げることができる。
本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、負極活物質層が固体電解質材料を含有し、その固体電解質材料が、上述した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。高出力であり、かつ、水分に対する安定性が高い電池とすることができるからである。負極活物質層に含まれる上記硫化物固体電解質材料の割合は、電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。また、負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。なお、負極活物質層に用いられる導電化材および結着材については、上述した正極活物質層における場合と同様である。また、負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
本発明における電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。電解質層は、イオンの伝導を行うことができる層であれば特に限定されるものではないが、固体電解質材料から構成される固体電解質層であることが好ましい。電解液を用いる電池に比べて、安全性の高い電池を得ることができるからである。さらに、本発明においては、固体電解質層が、上述した硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。高出力であり、かつ、水分に対する安定性が高い電池とすることができるからである。固体電解質層に含まれる上記硫化物固体電解質材料の割合は、例えば10体積%〜100体積%の範囲内、中でも50体積%〜100体積%の範囲内であることが好ましい。固体電解質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。また、固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。
本発明の電池は、上述した負極活物質層、電解質層および正極活物質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。
本発明の電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。本発明の電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、本発明の電池の製造方法は、上述した電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。例えば、本発明の電池が全固体電池である場合、その製造方法の一例としては、正極活物質層を構成する材料、固体電解質層を構成する材料、および負極活物質層を構成する材料を順次プレスすることにより、発電要素を作製し、この発電要素を電池ケースの内部に収納し、電池ケースをかしめる方法等を挙げることができる。
次に、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法は、2つの実施態様に大別することができる。そこで、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について、第一実施態様および第二実施態様に分けて説明する。
第一実施態様の硫化物固体電解質材料の製造方法は、「A.硫化物固体電解質材料 1.第一実施態様」に記載した硫化物固体電解質材料の製造方法であって、上記M1元素、上記M2元素および上記S元素を含有する原料組成物を用いて、メカニカルミリングにより、非晶質化したイオン伝導性材料を合成するイオン伝導性材料合成工程と、上記非晶質化したイオン伝導性材料を加熱することにより、上記硫化物固体電解質材料を得る加熱工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、第一実施態様の硫化物固体電解質材料の製造方法について、工程ごとに説明する。
まず、第一実施態様におけるイオン伝導性材料合成工程について説明する。第一実施態様におけるイオン伝導性材料合成工程は、上記M1元素、上記M2元素および上記S元素を含有する原料組成物を用いて、メカニカルミリングにより、非晶質化したイオン伝導性材料を合成する工程である。
第一実施態様における加熱工程は、上記非晶質化したイオン伝導性材料を加熱することにより、上記硫化物固体電解質材料を得る工程である。
第二実施態様の硫化物固体電解質材料の製造方法は、「A.硫化物固体電解質材料 2.第二実施態様」に記載した硫化物固体電解質材料の製造方法であって、上記M1元素、上記M2a元素、上記M2b元素および上記S元素を含有する原料組成物を用いて、メカニカルミリングにより、非晶質化したイオン伝導性材料を合成するイオン伝導性材料合成工程と、上記非晶質化したイオン伝導性材料を加熱することにより、上記硫化物固体電解質材料を得る加熱工程と、を有することを特徴とするものである。
出発原料として、硫化リチウム(Li2S、日本化学工業社製)と、五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ社製)と、硫化スズ(SnS2、高純度化学社製)を用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2Sを0.365069g、P2S5を0.390958g、SnS2を0.243972gの割合で混合し、原料組成物を得た。次に、原料組成物1gを、ジルコニアボール(10mmφ、10個)とともに、ジルコニア製のポット(45ml)に入れ、ポットを完全に密閉した(アルゴン雰囲気)。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数370rpmで、40時間メカニカルミリングを行った。これにより、非晶質化したイオン伝導性材料を得た。
出発原料として、さらに硫化珪素(SiS2、高純度化学社製)を用い、Li2Sを0.37342g、P2S5を0.38318g、SiS2を0.02725g、SnS2を0.216141gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.3(Si0.2Sn0.8)0.3P0.7S4の組成を有し、この組成はLi(4−x)(Si1−δSnδ)(1−x)PxS4におけるx=0.7、δ=0.8の組成に該当するものである。
出発原料として、さらに硫化ゲルマニウム(GeS2、高純度化学社製)を用い、Li2Sを0.36659g、P2S5を0.253350g、GeS2を0.109125g、SnS2を0.27092gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.35(Ge0.5Sn0.5)0.35P0.65S4の組成を有し、この組成はLi(4−x)(Ge1−δSnδ)(1−x)PxS4におけるx=0.65、δ=0.5の組成に該当するものである。
出発原料として、さらに硫化珪素(SiS2、高純度化学社製)を用い、Li2Sを0.404581g、P2S5を0.359012g、SiS2を0.127804g、SnS2を0.108619gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.38(Si0.7Sn0.3)0.38P0.62S4の組成を有し、この組成はLi(4−x)(Si1−δSnδ)(1−x)PxS4におけるx=0.62、δ=0.3の組成に該当するものである。
出発原料として、Li2S、P2S5、GeS2を用い、Li2Sを0.39019g、P2S5を0.377515g、GeS2を0.232295gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.33Ge0.33P0.67S4の組成を有し、この組成はLi(4−x)(Ge1−δSnδ)(1−x)PxS4におけるx=0.67、δ=0の組成に該当するものである。
出発原料として、Li2S、P2S5、GeS2、SiS2を用い、Li2Sを0.41977g、P2S5を0.372491g、GeS2を0.05619g、SiS2を0.151546gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.38(Ge0.2Si0.8)0.38P0.62S4の組成を有し、この組成はSnを含有しない組成(Sn置換量δ=0)である。
出発原料として、Li2S、Li2O、P2S5、SiS2を用い、Li2Sを0.34083g、Li2Oを0.06819g、P2S5を0.38049g、SiS2を0.21047gの割合で混合し、原料組成物を得た。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料は、Li3.4Si0.4P0.6(S0.9O0.1)4の組成を有し、この組成はLi(4−x)Si(1−x)Px(S1−yOy)4におけるx=0.6、y=0.1の組成に該当するものである。
(X線回折測定)
実施例1〜4および比較例1〜3で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。XRD測定は、粉末試料に対して、不活性雰囲気下、CuKα線使用の条件で行った。その結果を図5、図6に示す。図6(a)に示すように、比較例1では、2θ=17.38°、20.18°、20.44°、23.56°、23.96°、24.93°、26.96°、29.07°、29.58°、31.71°、32.66°、33.39°の位置にピークが現れた。これらのピークが、イオン伝導性の高い結晶相Aのピークであると考えられる。なお、イオン伝導性の低い結晶相Bのピークである2θ=27.33°±0.50°のピークは確認されなかった。また、比較例2、3および実施例1〜4は、比較例1と同様の回折パターンを有することが確認された。
比較例1で得られた硫化物固体電解質材料の結晶構造をX線構造解析により同定した。XRDで得られた回折図形を基に直接法で晶系・結晶群を決定し、その後、実空間法により結晶構造を同定した。その結果、上述した図2のような結晶構造を有することが確認された。すなわち、四面体T1(GeS4四面体およびPS4四面体)と、八面体O(LiS6八面体)とは稜を共有し、四面体T2(PS4四面体)と、八面体O(LiS6八面体)とは頂点を共有している結晶構造であった。また、上述したように実施例1〜4は比較例1と同様の回折パターンを有することから、実施例1〜4においても同様の結晶構造が形成されていることが確認された。
実施例1〜4および比較例1、2で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、硫化水素発生量の測定を行った。硫化水素の発生量は以下のように測定した。すなわち、Ar雰囲気中で、硫化物固体電解質材料の粉末を50mg秤量し、その粉末を密閉された1755ccのデシケータ(大気雰囲気、温度21.9℃、湿度42%)の中に入れ、硫化水素検知センサー(GX−2009、理研計器社製)によって硫化水素の発生量を測定した。その結果を図7に示す。図7に示すように、Sn元素を含有する実施例1〜4では、Sn元素を含有しない比較例1、2よりも硫化水素発生量が少なく、水分に対する安定性が高いことが確認された。また、Sn置換量δと、大気暴露5分後の容器内硫化水素濃度との関係を図8に示す。図8に示すように、Sn置換量δが大きくなるほど、水分に対する安定性が高いことが確認された。
実施例1〜4で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、25℃でのLiイオン伝導度を測定した。まず、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、試料を適量秤量し、ポリエチレンテレフタラート管(PET管、内径10mm、外径30mm、高さ20mm)に入れ、上下から、炭素工具鋼S45Cアンビルからなる粉末成型治具で挟んだ。次に、一軸プレス機(理研精機社製P−6)を用いて、表示圧力6MPa(成型圧力約110MPa)でプレスし、直径10mm、任意の厚さのペレットを成型した。次に、ペレットの両面に、金粉末(ニラコ社製、樹状、粒径約10μm)を13mg〜15mgずつ乗せて、均一にペレット表面上に分散させ、表示圧力30MPa(成型圧力約560MPa)で成型した。その後、得られたペレットを、アルゴン雰囲気を維持できる密閉式電気化学セルに入れた。
実施例1、2、4および比較例1、3で得られた硫化物固体電解質材料の格子定数と、硫化水素発生量との関係を調べた。格子定数は次のようにして求めた。まず、得られた硫化物固体電解質材料をφ0.5mmの石英製のキャピラリに詰め、高輝度放射光施設(Spring-8)にて波長0.5ÅでXRDパターンのデータを得た。得られたデータを基に、リートベルト解析により格子定数を算出した。その際、空間群はP42/nmc(137)とした。その結果を図10および表1に示す。
実施例1〜3および比較例1、3で得られた硫化物固体電解質材料のLi量と、硫化水素発生量との関係を調べた。その結果を図11および表2に示す。
出発原料として、Li2S、P2S5およびSnS2を用い、下記表3に記載する割合で混合し、原料組成物を得た。なお、この割合は、いずれもLi(4−x)Sn(1−x)PxS4を満たす。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして結晶質の硫化物固体電解質材料を得た。
(X線回折測定)
実施例5−1〜5−8で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。測定条件は、上記と同様である。その結果を図12に示す。図12に示すように、実施例5−1〜5−8には、いずれもイオン伝導性の高い結晶相Aのピークが現れた。なお、実施例5−1および実施例5−2には、イオン伝導性が低い結晶相Bのピーク(2θ=27.33°±0.50°のピーク)が僅かに確認された。IB/IAの値は、それぞれ0.21、0.04であった。これに対して、実施例5−3〜5−8には、イオン伝導性が低い結晶相Bのピークは確認されなかった。
実施例5−1〜5−8で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、25℃でのLiイオン伝導度を測定した。測定条件は、上述した内容と同様である。その結果を図13に示す。図13に示すように、実施例5−3〜5−8では、実施例5−1、5−2に比べてLiイオン伝導度がより高くなった。
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … 電池
Claims (15)
- M1元素、M2元素およびS元素を含有し、
前記M1は、Li、Na、K、Mg、Ca、Znからなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記M2は、P、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbからなる群から選択される少なくとも一種であり、
CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.58°±0.50°の位置にピークを有し、
前記2θ=29.58°±0.50°のピークの回折強度をIAとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAの値が0.50未満であり、
前記M2は、少なくともPおよびSnを含むことを特徴とする硫化物固体電解質材料。 - M1元素、M2元素およびS元素を含有し、
前記M1は、Li、Na、K、Mg、Ca、Znからなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記M2は、P、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbからなる群から選択される少なくとも一種であり、
CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.58°±0.50°の位置にピークを有し、
CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=27.33°±0.50°の位置にピークを有しないか、
前記2θ=27.33°±0.50°の位置にピークを有する場合、前記2θ=29.58°±0.50°のピークの回折強度をIAとし、前記2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIBとした際に、IB/IAの値が0.50未満であり、
前記M2は、少なくともPおよびSnを含むことを特徴とする硫化物固体電解質材料。 - 前記M2は、PおよびSn以外の他の元素を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料。
- Pを除く前記M2に対するSnのモル分率が20%以上であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記M1が、Liであり、
前記M2が、PおよびSnであり、
Li(4−x)Sn(1−x)PxS4(0.65≦x≦0.75)の組成を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料。 - 前記2θ=29.58°±0.50°の位置にピークを有する結晶相において、格子定数のa軸長が8.70Å以上であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記M2のモル分率の合計を1とした場合に、前記M1のモル分率が3.35以下であることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- M1元素およびS元素から構成される八面体Oと、M2a元素およびS元素から構成される四面体T1と、M2b元素およびS元素から構成される四面体T2とを有し、前記四面体T1および前記八面体Oは稜を共有し、前記四面体T2および前記八面体Oは頂点を共有する結晶構造を主体として含有し、
前記M1は、Li、Na、K、Mg、Ca、Znからなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記M2aおよび前記M2bは、それぞれ独立に、P、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbからなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記M2aおよび前記M2bの少なくとも一方はPを含み、
前記M2aおよび前記M2bの少なくとも一方はSnを含むことを特徴とする硫化物固体電解質材料。 - 前記M2aおよび前記M2bの少なくとも一方は、PおよびSn以外の他の元素を含むことを特徴とする請求項8に記載の硫化物固体電解質材料。
- Pを除く前記M2aおよび前記M2bに対するSnのモル分率が20%以上であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記結晶構造において、格子定数のa軸長が8.70Å以上であることを特徴とする請求項8から請求項10までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記M2aおよび前記M2bのモル分率の合計を1とした場合に、前記M1のモル分率が3.35以下であることを特徴とする請求項8から請求項11までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層とを含有する電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記電解質層の少なくとも一つが、請求項1から請求項12までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とする電池。 - 請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法であって、
前記M1元素、前記M2元素および前記S元素を含有する原料組成物を用いて、メカニカルミリングにより、非晶質化したイオン伝導性材料を合成するイオン伝導性材料合成工程と、
前記非晶質化したイオン伝導性材料を加熱することにより、前記硫化物固体電解質材料を得る加熱工程と、
を有することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法。 - 請求項8に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法であって、
前記M1元素、前記M2a元素、前記M2b元素および前記S元素を含有する原料組成物を用いて、メカニカルミリングにより、非晶質化したイオン伝導性材料を合成するイオン伝導性材料合成工程と、
前記非晶質化したイオン伝導性材料を加熱することにより、前記硫化物固体電解質材料を得る加熱工程と、
を有することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法。
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