JPWO2020105737A1 - 固体電解質の製造方法及び電解質前駆体 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、液相法のうち均一法としては、固体電解質を溶媒に溶解して再析出させる方法が知られ(例えば、特許文献2参照)、また不均一法としては、極性非プロトン性溶媒を含む溶媒中で硫化リチウム等の固体電解質原料を反応させる方法が知られている(特許文献3、4、及び非特許文献1参照)。例えば、特許文献4には、Li4PS4I構造の固体電解質の製造方法として、ジメトキシエタン(DME)を使用し、Li3PS4構造と結合させてLi3PS4・DMEを得る工程を含むことが開示されている。得られた固体電解質のイオン伝導度は5.5×10−5S/cm(カルシウムをドープしたもので3.9×10−4S/cm)である。近年、全固体電池の実用化に向け、汎用性や応用性に加えて簡便かつ大量に合成できる方法として液相法が注目されている。
例えば、均一法では、原料や固体電解質を一旦完全溶解させるため液中に成分を均一に分散させることができる。しかし、その後の析出工程では、各成分に固有の溶解度に従って析出が進行するため、成分の分散状態を保持したまま析出させることが極めて困難である。その結果、各成分が分離して析出してしまう。また、均一法では溶媒とリチウムとの親和性が強くなりすぎてしまうため、析出後に乾燥しても溶媒が抜けにくい。これらのことから、均一法では、固体電解質のイオン伝導度が大幅に低下してしまう問題がある。
また、固液共存の不均一法においても、固体電解質の一部が溶解するため、特定成分の溶出により分離が起こり、所望の固体電解質を得ることが難しい。
2.リチウム元素、硫黄元素、リン元素、ハロゲン元素、及び分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤により構成される電解質前駆体。
本実施形態の固体電解質の製造方法は、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含む原料含有物と、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤(本明細書において、単に「錯化剤」と称することがある。)と、を混合することを含むことを特徴とするものである。
また、本明細書において、非晶性固体電解質とは、X線回折測定においてX線回折パターンが実質的に材料由来のピーク以外のピークが観測されないハローパターンであるもののことであり、固体電解質の原料由来のピークの有無は問わないものであることを意味する。
図1に示すように、実施形態Aは、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含む原料含有物と、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤とを混合することを含むことを特徴とする本実施形態の製造方法において、原料含有物として硫化リチウム及び五硫化二リン等を用いる形態である。原料含有物と錯化剤とを混合することにより、通常、懸濁液である電解質前駆体含有物が得られ、それを乾燥することにより、電解質前駆体が得られる。さらに電解質前駆体を加熱することで結晶性固体電解質が得られる。また、図示していないが、加熱前に電解質前駆体を粉砕し、粉砕して得られた電解質前駆体粉砕物を加熱することが好ましい、すなわち、本製造方法においては、混合すること、混合することにより得られる電解質前駆体を粉砕すること、粉砕することにより得られる電解質前駆体粉砕物を加熱すること、を含むことが好ましい。
以下実施形態Aから説明をするが、「本実施形態の」と記載するものは、他の実施形態でも適用し得る事柄である。
本実施形態で用いられる原料含有物は、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含むものである。
原料含有物に含まれる原料として、例えばリチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素の少なくとも一種を含む化合物を用いることができ、より具体的には、硫化リチウム;フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム等のハロゲン化リチウム;三硫化二リン(P2S3)、五硫化二リン(P2S5)等の硫化リン;各種フッ化リン(PF3、PF5)、各種塩化リン(PCl3、PCl5、P2Cl4)、各種臭化リン(PBr3、PBr5)、各種ヨウ化リン(PI3、P2I4)等のハロゲン化リン;フッ化チオホスホリル(PSF3)、塩化チオホスホリル(PSCl3)、臭化チオホスホリル(PSBr3)、ヨウ化チオホスホリル(PSI3)、二塩化フッ化チオホスホリル(PSCl2F)、二臭化フッ化チオホスホリル(PSBr2F)等のハロゲン化チオホスホリル;などの上記四種の元素から選ばれる少なくとも二種の元素からなる原料、フッ素(F2)、塩素(Cl2)、臭素(Br2)、ヨウ素(I2)等のハロゲン単体、好ましくは臭素(Br2)、ヨウ素(I2)が代表的に挙げられる。
硫化リチウム粒子の平均粒径(D50)は、10μm以上2000μm以下であることが好ましく、30μm以上1500μm以下であることがより好ましく、50μm以上1000μm以下であることがさらに好ましい。本明細書において、平均粒径(D50)は、粒子径分布積算曲線を描いた時に粒子径の最も小さい粒子から順次積算して全体の50%に達するところの粒子径であり、体積分布は、例えば、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定することができる平均粒径のことである。また、上記の原料として例示したもののうち固体の原料については、上記硫化リチウム粒子と同じ程度の平均粒径を有するものが好ましい、すなわち上記硫化リチウム粒子の平均粒径と同じ範囲内にあるものが好ましい。
硫化リチウム、五硫化二リン、ハロゲン化リチウム、必要に応じて用いられる他の原料を用いる場合の、これらの合計に対する硫化リチウム及び五硫化二リンの含有量は、60〜100mol%が好ましく、65〜90mol%がより好ましく、70〜80mol%が更に好ましい。
また、ハロゲン化リチウムとして、臭化リチウムとヨウ化リチウムとを組み合わせて用いる場合、イオン伝導度を向上させる観点から、臭化リチウム及びヨウ化リチウムの合計に対する臭化リチウムの割合は、1〜99mol%が好ましく、20〜90mol%がより好ましく、40〜80mol%が更に好ましく、50〜70mol%が特に好ましい。
2≦2α+β≦100…(2)
4≦2α+β≦80 …(3)
6≦2α+β≦50 …(4)
6≦2α+β≦30 …(5)
本実施形態の固体電解質の製造方法では、錯化剤を用いる。本明細書において、錯化剤とは、リチウム元素と錯体形成することが可能な物質であり、上記原料に含まれるリチウム元素を含む硫化物やハロゲン化物等と作用して電解質前駆体の形成を促進させる性状を有するものであることを意味し、本実施形態においては分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物(本明細書において、単に「アミン化合物」と称することがある。)を含むものが採用される。
錯化剤は、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含むため、その分子中のヘテロ元素である窒素元素がリチウム元素との親和性が高く、本実施形態の製造方法により得られる固体電解質に主構造として存在する代表的にはPS4構造を含むLi3PS4等のリチウムを含む構造体、またハロゲン化リチウム等のリチウムを含む原料と結合し、集合体を形成しやすい性状を有するものと考えられる。そのため、上記原料含有物と、錯化剤とを混合することにより、PS4構造等のリチウムを含む構造体あるいは錯化剤を介した集合体、ハロゲン化リチウム等のリチウムを含む原料あるいは錯化剤を介した集合体が満遍なく存在することとなり、ハロゲン元素がより分散して定着した電解質前駆体が得られるので、結果としてイオン伝導度が高く、硫化水素の発生が抑制された固体電解質が得られるものと考えられる。
脂肪族アミンの炭素数は、好ましくは2以上、より好ましくは4以上、更に好ましくは6以上であり、上限として好ましくは10以下、より好ましくは8以下、更に好ましくは7以下である。また、脂肪族三級アミン中の脂肪族炭化水素基の炭化水素基の炭素数は、好ましくは2以上であり、上限として好ましくは6以下、より好ましくは4以下、更に好ましくは3以下である。
脂環式アミン、複素環式アミンの炭素数は、好ましくは3以上、より好ましくは4以上であり、上限として好ましくは16以下、より好ましくは14以下である。
芳香族アミンの炭素数は、好ましくは6以上、より好ましくは7以上、更に好ましくは8以上であり、上限として好ましくは16以下、より好ましくは14以下、更に好ましくは12以下である。
なお、具体例としてジアミンを例示したが、本実施形態で用いられ得るアミン化合物としては、分子中に少なくとも二つの三級アミノ基を有するものであればジアミンに限らないことは言うまでもなく、例えば、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン、N,N’−ビス[(ジメチルアミノ)エチル]−N,N’−ジメチルエチレンジアミン、ヘキサメチレンテトラミン等のアミノ基を3つ以上有するポリアミンも用いることができる。
図1のフロー図に示されるように、原料含有物と錯化剤とを混合する。本実施形態において原料含有物と錯化剤とを混合するものの形態は固体状、液状のいずれであってもよいが、通常原料含有物は固体を含んでおり、錯化剤は液状であるため、通常液状の錯化剤中に固体の原料含有物が存在する形態で混合する。
また、原料としてハロゲン単体を用いる場合、原料が固体ではない場合があり、具体的には常温常圧下において、フッ素及び塩素は気体、臭素は液体となる。例えば、原料が液体の場合は他の固体の原料とは別に錯化剤とともに槽内に供給すればよく、また原料が気体の場合は、錯化剤に固体の原料を加えたものに吹き込むように供給すればよい。
本実施形態の固体電解質の製造方法は、さらに上記電解質前駆体を粉砕することを含むことが好ましい。電解質前駆体を粉砕することで、イオン伝導度の低下を抑制しながら粒径の小さい固体電解質が得られる。
本実施形態における電解質前駆体の粉砕は、いわゆる固相法のメカニカルミリングと異なり、機械的応力によって非晶性又は結晶性固体電解質を得るものではない。上記のとおり電解質前駆体は錯化剤を含んでおり、PS4構造等のリチウムを含む構造体と、ハロゲン化リチウム等のリチウムを含む原料とが、錯化剤を介して結合(配位)している。そして、電解質前駆体を粉砕すると、上記の結合(配位)、及び分散が維持されたまま、電解質前駆体の微粒が得られると考えられる。この電解質前駆体を熱処理すると、錯化剤が除去されると同時に錯化剤を介して結合(配位)していた成分が結びつき、結晶性固体電解質への反応が容易に起こる。そのため、通常の固体電解質の合成で見られるような粒子同士の凝集による大きな粒成長が生じにくく、容易に微粒化することができる。
湿式粉砕機としては、湿式ビーズミル、湿式ボールミル、湿式振動ミル等が代表的に挙げられ、粉砕操作の条件を自由に調整でき、より小さい粒径のものに対応しやすい点で、ビーズを粉砕メディアとして用いる湿式ビーズミルが好ましい。また、乾式ビーズミル、乾式ボールミル、乾式振動ミル等の乾式媒体式粉砕機、ジェットミル等の乾式非媒体粉砕機等の乾式粉砕機を用いることもできる。
この場合、超音波の周波数等の諸条件は、所望の電解質前駆体の平均粒径等に応じて適宜選択すればよく、周波数は、例えば1kHz以上100kHz以下程度とすればよく、より効率的に電解質前駆体を粉砕する観点から、好ましくは3kHz以上50kHz以下、より好ましくは5kHz以上40kHz以下、更に好ましくは10kHz以上30kHz以下である。
また、超音波粉砕機が有する出力としては、通常500〜16,000W程度であればよく、好ましくは600〜10,000W、より好ましくは750〜5,000W、更に好ましくは900〜1,500Wである。
この場合、本製造方法において用い得る粉砕機として例示した上記の粉砕機の中でも、乾式粉砕機のいずれかを用いることが好ましい。その他、粉砕条件等の粉砕に関する事項は、電解質前駆体含有液又は電解質前駆体含有スラリーの粉砕と同じであり、また粉砕により得られる電解質前駆体の平均粒径も上記と同様である。
本実施形態の固体電解質の製造方法は、電解質前駆体含有物(通常、懸濁液)を乾燥することを含んでもよい。これにより電解質前駆体の粉末が得られる。事前に乾燥することにより、効率的に加熱することを行うことが可能となる。なお、乾燥と、その後の加熱とを同一工程で行ってもよい。
固液分離は、具体的には、電解質前駆体含有物を容器に移し、電解質前駆体が沈殿した後に、上澄みとなる錯化剤、溶媒を除去するデカンテーション、また例えばポアサイズが10〜200μm程度、好ましくは20〜150μmのガラスフィルターを用いたろ過が容易である。
ここで、錯化剤が共結晶を構成していることは、例えば、ガスクロマトグラフィー分析によって確認することができる。具体的には、電解質前駆体の粉末をメタノールに溶解させ、得られたメタノール溶液のガスクロマトグラフィー分析を行うことで共結晶に含まれる錯化剤を定量することができる。
電解質前駆体中の錯化剤の含有量は、錯化剤の分子量により異なるが、通常10質量%以上70質量%以下程度、好ましくは15質量%以上65質量%以下である。
電解質前駆体に留まるハロゲン元素の量は、仕込み組成に対して30質量%以上であることが好ましく、35質量%以上がより好ましく、40質量%以上がさらに好ましい。電解質前駆体に留まるハロゲン元素の量の上限は100質量%である。
本実施形態の固体電解質の製造方法は、電解質前駆体を加熱して非晶性固体電解質を得ること、また電解質前駆体又は非晶性固体電解質を加熱することで、結晶性固体電解質を得ること、を含むことが好ましい。電解質前駆体を加熱することを含むことで、電解質前駆体中の錯化剤が除去され、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含む非晶性固体電解質、結晶性固体電解質が得られる。また、本加熱により加熱される電解質前駆体は、上記の粉砕することにより粉砕された電解質前駆体粉砕物であってもよい。
ここで、電解質前駆体中の錯化剤が除去されることについては、X線回折パターン、ガスクロマトグラフィー分析等の結果から錯化剤が電解質前駆体の共結晶を構成していることが明らかであることに加え、電解質前駆体を加熱することで錯化剤を除去して得られた固体電解質が、錯化剤を用いずに従来の方法により得られた固体電解質とX線回折パターンが同じであることにより裏づけされる。
従来、イオン伝導度が高い結晶性固体電解質、例えば後述するチオリシコンリージョンII型結晶構造を有する固体電解質を得るには、メカニカルミリング等の機械的粉砕処理、その他溶融急冷処理等により非晶性固体電解質を作製した後に該非晶性固体電解質を加熱して得ることを要していた。しかし、本実施形態の製造方法では、機械的粉砕処理、その他溶融急冷処理等を行わない方法によってもチオリシコンリージョンII型結晶構造を有する結晶性固体電解質が得られる点で、従来のメカニカルミリング処理等による製造方法に比べて優位であるといえる。
電解質前駆体の加熱温度は、例えば、非晶性固体電解質を得る場合、該非晶性固体電解質(又は電解質前駆体)を加熱して得られる結晶性固体電解質の構造に応じて加熱温度を決定すればよく、具体的には、該非晶性固体電解質(又は電解質前駆体)を、示差熱分析装置(DTA装置)を用いて、10℃/分の昇温条件で示差熱分析(DTA)を行い、最も低温側で観測される発熱ピークのピークトップの温度を起点に、好ましくは5℃以下、より好ましくは10℃以下、更に好ましくは20℃以下の範囲とすればよく、下限としては特に制限はないが、最も低温側で観測される発熱ピークのピークトップの温度−40℃以上程度とすればよい。このような温度範囲とすることで、より効率的かつ確実に非晶性固体電解質が得られる。非晶性固体電解質を得るための加熱温度としては、得られる結晶性固体電解質の構造に応じてかわるため一概に規定することはできないが、通常、135℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましく、125℃以下が更に好ましく、下限としては特に制限はないが、好ましくは90℃以上、より好ましくは100℃以上、更に好ましくは110℃以上である。
本実施形態の固体電解質の製造方法ににより得られる非晶性固体電解質としては、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含んでおり、代表的なものとしては、例えば、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiCl、Li2S−P2S5−LiBr、Li2S−P2S5−LiI−LiBr等の、硫化リチウムと硫化リンとハロゲン化リチウムとから構成される固体電解質;更に酸素元素、珪素元素等の他の元素を含む、例えば、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI等の固体電解質が好ましく挙げられる。より高いイオン伝導度を得る観点から、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiCl、Li2S−P2S5−LiBr、Li2S−P2S5−LiI−LiBr等の、硫化リチウムと硫化リンとハロゲン化リチウムとから構成される固体電解質が好ましい。
非晶性固体電解質を構成する元素の種類は、例えば、ICP発光分光分析装置により確認することができる。
本実施形態の固体電解質の製造方法において得られる非晶性固体電解質が、例えば、Li2S−P2S5−LiI−LiBrである場合、硫化リチウム及び五硫化二リンの含有量の合計は、60〜95モル%が好ましく、65〜90モル%がより好ましく、70〜85モル%が更に好ましい。また、臭化リチウムとヨウ化リチウムとの合計に対する臭化リチウムの割合は、1〜99モル%が好ましく、20〜90モル%がより好ましく、40〜80モル%が更に好ましく、50〜70モル%が特に好ましい。
本実施形態の固体電解質の製造方法により得られる結晶性固体電解質は、非晶質固体電解質を結晶化温度以上に加熱して得られる、いわゆるガラスセラミックスであってもよく、その結晶構造としては、Li3PS4結晶構造、Li4P2S6結晶構造、Li7PS6結晶構造、Li7P3S11結晶構造、2θ=20.2°近傍及び23.6°近傍にピークを有する結晶構造(例えば、特開2013−16423号公報)等が挙げられる。
なお、これらのピーク位置については、±0.5°の範囲内で前後していてもよい。
次に実施形態Bについて説明する。
実施形態Bは、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含む原料含有物と、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤と、を混合することを含むことを特徴とする本実施形態の製造方法において、原料としてLi3PS4等の固体電解質等を含む原料と錯化剤とを用いる形態である。上記実施形態Aでは、本実施形態の製造方法によって得られる固体電解質に主構造として存在するLi3PS4等のリチウムを含む構造体を、硫化リチウム等の原料同士の反応により合成しつつ電解質前駆体を形成するため、上記構造体の構成比率が小さいものとなりやすいと考えられる。
そこで、実施形態Bでは、先に上記構造体を含む固体電解質を製造する等して用意し、これを原料として使用する。これにより、上記構造体と、ハロゲン化リチウム等のリチウムを含む原料とが、錯化剤を介して結合(配位)し、ハロゲン元素が分散して定着した電解質前駆体が、より得られやすくなる。その結果、イオン伝導度が高く、硫化水素の発生が抑制された固体電解質が得られることとなる。
また、この場合、リチウム元素、硫黄元素及びリン元素を含む固体電解質は、非晶性固体電解質であることが好ましい。電解質前駆体中のハロゲン元素の分散性が向上し、ハロゲン元素と固体電解質中のリチウム元素、硫黄元素及びリン元素との結合が生じやすくなり、結果としてより高いイオン伝導度を有する固体電解質を得ることができる。
また、実施形態Bにおいて、電解質前駆体を粉砕することが好ましいこと、粉砕することに用いられる粉砕機、混合することの後、又は乾燥することの後に粉砕を行い得ること、粉砕することに関する諸条件等についても、上記実施形態Aと同じである。
図2のフロー図に示されるように、実施形態C及びDは、上記の実施形態A及びBにおける原料含有物、及び分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤に、溶媒を加えた点でそれぞれ異なる。実施形態C及びDは、固液共存の不均一法であり、実施形態A及びBでは、液体である錯化剤中において、固体である電解質前駆体が形成される。このとき、電解質前駆体が錯化剤に溶解しやすいものであると、成分の分離が生じる場合がある。実施形態C及びDでは、電解質前駆体が溶解しない溶媒を使用することで、電解質前駆体中の成分の溶出を抑えることができる。
実施形態C及びDの固体電解質の製造方法では、原料含有物と錯化剤に、溶媒を加えることが好ましい。溶媒を用いて原料含有物と錯化剤とを混合することで、上記の錯化剤を用いることによる効果、すなわちリチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素と作用した電解質前駆体の形成が促進され、PS4構造等のリチウムを含む構造体あるいは錯化剤を介した集合体、ハロゲン化リチウム等のリチウムを含む原料あるいは錯化剤を介した集合体を満遍なく存在させやすくなり、ハロゲン元素がより分散して定着した電解質前駆体が得られるので、結果として高いイオン伝導度が得られるという効果が発揮されやすくなる。
また、実施形態C及びDにおいて、電解質前駆体を粉砕することが好ましいこと、粉砕することに用いられる粉砕機、混合することの後、又は乾燥することの後に粉砕を行い得ること、粉砕することに関する諸条件等についても、上記実施形態Aと同じである。
例えば、正極層、負極層に用いる場合には、電解質前駆体含有物である電解質前駆体含有液又は電解質前駆体含有スラリーに、正極活物質、負極活物質をそれぞれ分散させて混合し、乾燥させることで、活物質表面に電解質前駆体が付着する。さらに上記の実施形態と同様に、電解質前駆体を加熱することで非晶質固体電解質または結晶性固体電解質となる。このときに活物質ととも加熱することで活物質表面に固体電解質が付着した正極合材、または負極合材が得られる。
硫化物系正極活物質としては、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)、硫化ニッケル(Ni3S2)等が挙げられる。
また、上記正極活物質の他、セレン化ニオブ(NbSe3)等も使用可能である。
本実施形態において、正極活物質は、一種単独で、又は複数種を組み合わせて用いることが可能である。
このような負極活物質としては、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、金属スズ等の金属リチウム又は金属リチウムと合金を形成し得る金属、これら金属の酸化物、またこれら金属と金属リチウムとの合金等が挙げられる。
被覆層を形成する材料としては、本実施形態で用いられる結晶性硫化物固体電解質においてイオン伝導度を発現する元素、好ましくはリチウム元素の窒化物、酸化物、又はこれらの複合物等のイオン伝導体が挙げられる。具体的には、窒化リチウム(Li3N)、Li4GeO4を主構造とする、例えばLi4−2xZnxGeO4等のリシコン型結晶構造を有する伝導体、Li3PO4型の骨格構造を有する例えばLi4−xGe1−xPxS4等のチオリシコン型結晶構造を有する伝導体、La2/3−xLi3xTiO3等のペロブスカイト型結晶構造を有する伝導体、LiTi2(PO4)3等のNASICON型結晶構造を有する伝導体等が挙げられる。
また、LiyTi3−yO4(0<y<3)、Li4Ti5O12(LTO)等のチタン酸リチウム、LiNbO3、LiTaO3等の周期表の第5族に属する金属の金属酸リチウム、またLi2O−B2O3−P2O5系、Li2O−B2O3−ZnO系、Li2O−Al2O3−SiO2−P2O5−TiO2系等の酸化物系の伝導体等が挙げられる。
ここで、各種元素を含む溶液としては、例えばリチウムエトキシド、チタンイソプロポキシド、ニオブイソプロポキシド、タンタルイソプロポキシド等の各種金属のアルコキシドを含む溶液を用いればよい。この場合、溶媒としては、エタノール、ブタノール等のアルコール系溶媒、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素溶媒等を用いればよい。
また、上記の付着は、浸漬、スプレーコーティング等により行えばよい。
被覆層の厚さは、透過型電子顕微鏡(TEM)による断面観察により、被覆層の厚さを測定することができ、被覆率は、被覆層の厚さと、元素分析値、BET表面積と、から算出することができる。
本実施形態の電解質前駆体は、リチウム元素、硫黄元素、リン元素、ハロゲン元素、及び分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤により構成されるものである。本実施形態の電解質前駆体は、上記の固体電解質の製造方法において説明した電解質前駆体と同じである。また、電解質前駆体中の錯化剤の含有量が、好ましくは10質量%以上70質量%以下であることも、上記の結晶性固体電解質の製造方法において説明した電解質前駆体と同じである。
1Lの撹拌翼付き反応槽に、窒素雰囲気下で硫化リチウム15.3g、五硫化二リン24.7gを添加した。撹拌翼を作動させた後、予め−20℃に冷却したテトラヒドロフラン400mLを容器に導入した。室温(23℃)まで自然昇温させた後、72時間撹拌を継続し、得られた反応液スラリーをガラスフィルター(ポアサイズ:40〜100μm)に投入して固形分を得た後、固形分を90℃で乾燥させることにより、白色粉末としてLi3PS4(純度:90質量%)を38g得た。得られた粉末について、X線回折(XRD)装置(SmartLab装置、(株)リガク製)を用いて粉末X線回折(XRD)測定を行ったところ、ハローパターンを示し、非晶性のLi3PS4であることが確認された。
製造例1で得られた白色粉末Li3PS4を、180℃で真空乾燥を2時間行うことで、β−Li3PS4(結晶性)を得た。
撹拌子入りシュレンク(容量:100mL)に、窒素雰囲気下、製造例1で得られた白色粉末を1.70g(Li3PS4:1.53g)、臭化リチウム0.19g、ヨウ化リチウム0.28gを導入した。撹拌子を回転させた後、錯化剤のテトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)20mLを加え、12時間撹拌を継続し、得られた電解質前駆体含有物を真空下で乾燥(室温:23℃)して粉末の電解質前駆体を得た。次いで、電解質前駆体の粉末を真空下で120℃で加熱を2時間行い、非晶性固体電解質を得た。更に、非晶性固体電解質を真空下で140℃で加熱を2時間行い、結晶性固体電解質を得た(結晶性固体電解質を得るための加熱温度(本例では140℃)を「結晶化温度」と称することがある。)。
電解質前駆体のX線回折スペクトルでは使用した原料由来のピークとは異なるピークが観測され、非晶性固体電解質、結晶性固体電解質とも異なるX線回折パターンを示した。また、本実施例1で用いた原料(非晶性Li3PS4、臭化リチウム、ヨウ化リチウム)及び他の実施例で用いた原料(硫化リチウム、五硫化二リン、結晶性Li3PS4)についても、粉末X線回折(XRD)測定を行い、そのX線回折スペクトルを図4に示す。電解質前駆体のX線回折スペクトルは、原料のX線回折スペクトルとも異なるX線回折パターンを示した。
非晶性固体電解質のX線回折スペクトルでは原料由来のピーク以外ピークがないことが確認された。また、結晶性固体電解質のX線回折スペクトルでは主に2θ=20.2°、23.6°に結晶化ピークが検出され、チオリシコンリージョンII型結晶構造を有しており、イオン伝導度を測定したところ、2.90×10−3(S/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された。
得られた結晶性固体電解質から、直径10mm(断面積S:0.785cm2)、高さ(L)0.1〜0.3cmの円形ペレットを成形して試料とした。その試料の上下から電極端子を取り、25℃において交流インピーダンス法により測定し(周波数範囲:5MHz〜0.5Hz、振幅:10mV)、Cole−Coleプロットを得た。高周波側領域に観測される円弧の右端付近で、−Z’’(Ω)が最小となる点での実数部Z’(Ω)を電解質のバルク抵抗R(Ω)とし、以下式に従い、イオン伝導度σ(S/cm)を計算した。
R=ρ(L/S)
σ=1/ρ
実施例1において、錯化剤を表1で示されるものにかえた以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料を表1で示されるものにかえ、撹拌時間を72時間とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料及び錯化剤を表1で示されるものにかえ、撹拌時間を72時間とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、錯化剤の使用量を10mLとし、溶媒としてヘプタンを10mL用い、撹拌時間を24時間とし、結晶化温度を160℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、錯化剤の使用量を4.4mLとし、溶媒としてジエチルエーテルを15.6mL用い、撹拌時間を24時間とし、結晶化温度を160℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、錯化剤の使用量を4.4mLとし、溶媒としてジイソプロピルエーテルを15.6mL用い、撹拌時間を24時間とし、結晶化温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、錯化剤の使用量を4.4mLとし、溶媒としてジブチルエーテルを15.6mL用い、撹拌時間を24時間とし、結晶化温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例8で得られた粉末の電解質前駆体、結晶性固体電解質中のテトラメチルエチレンジアミンの含有量を、実施例1と同様に測定した。その結果を表2に示す。また、実施例8で得られた非晶性固体電解質について、実施例1と同様に組成分析を行った。その結果を表4に示す。
・ピーク強度
粉末試料約60mgをNMR試料管へ充填し、下記の装置及び条件にて固体31P−NMRスペクトルを得た。
装置:ECZ400R装置(日本電子株式会社製)
観測核:31P
観測周波数:161.944MHz
測定温度:室温
パルス系列:シングルパルス(90°パルスを使用)
90°パルス幅:3.8μ
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:300s
マジックアングル回転の回転数:12kHz
積算回数:16回
測定範囲:250ppm〜−150ppm
化学シフト:外部基準として(NH4)2HPO4(化学シフト1.33ppm)を用いることで得た。
得られた固体31P−NMRスペクトルで観測された各ピークの、ベースラインからの高さをピーク強度とした。
ピーク分離する場合は、得られた固体31P−NMRスペクトルを、ソフトウェア「FT−NMR」(「パソコンによるFT−NMRのデータ処理」改訂版(第二版)(三共出版)に収録されているソフトウェア)を用いて解析し、分離ピークを決定する。
上記ソフトウェアは、NMR信号(実験値)から、非線形最小二乗法を用いて、分離ピーク、NMR信号の計算値及び残差二乗和R2を計算する。最大ピーク高さを1とした時の、実験値と計算値との解析範囲内の残差二乗和R2が0.007以下となり、かつ、最も少ない分離ピーク数となる場合を、ピーク分離完了とする。結果を表5、表6、図8及び図9に示す。
実施例1において、錯化剤をテトラメチルジアミノプロパン5.0mLとし、溶媒としてジブチルエーテル15.0mLを用い、撹拌時間を24時間とし、結晶化温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料を表1で示されるものにかえ、錯化剤をテトラメチルエチレンジアミン4.4mLとし、溶媒としてシクロヘキサン15.6mLを用い、撹拌時間を72時間とし、結晶化温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料を表1で示されるものにかえ、錯化剤をテトラメチルエチレンジアミン4.4mLとし、溶媒としてジブチルエーテル15.6mLを用い、撹拌時間を72時間とし、結晶化温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料を表1で示されるものにかえた以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、原料を表1で示されるものにかえた以外は、実施例1と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。
実施例1において、表1で示される溶媒を錯化剤として用いた以外は、実施例1と同様にして、比較例1、2、4及び6〜8の電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。また実施例13において、ジメトキシエタンを用いた以外は、実施例13と同様にして、比較例3の電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。実施例3において、テトラエチルアミンを用いた以外は、実施例3と同様にして、比較例5の電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。
比較例1〜8で得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。その結果を表1に示す。なお、実施例1〜13で得られた結晶性固体電解質の粉末X線回折測定では、全ての試料がチオリシコンリージョンII型結晶構造を有し、結晶性Li3PS4(β-Li3PS4)は見られなかった。一方、比較例1〜8では、チオリシコンリージョンII型結晶構造を有しておらず、結晶性Li3PS4が主結晶として観察された。
・Li2S:硫化リチウム
・P2S5:五硫化二リン
・Li3PS4:製造例1で得られた非晶性Li3PS4
・β−Li3PS4:製造例2で得られた結晶性Li3PS4
・LiBr:臭化リチウム
・LiI:ヨウ化リチウム
・TMEDA:テトラメチルエチレンジアミン(N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン)
・TMPDA:テトラメチルジアミノプロパン(N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノプロパン)
・Hep:ヘプタン
・DEE:ジエチルエーテル
・DIPE:ジイソプロピルエーテル
・DBE:ジブチルエーテル
・c−Hex:シクロヘキサン
・DME:ジメトキシエタン
・THF:テトラヒドロフラン
・TEA:トリエチルアミン
・Pyr:ピリジン
・EDA:エチレンジアミン
・NBA:n−ブチルアミン
実施例1と同様にして得た電解質前駆体含有物を、ガラスフィルター(ポアサイズ:40〜100μm)に投入して固液分離を行い、電解質前駆体を固形分として得た。得られた電解質前駆体を、真空下で120℃で加熱を2時間行い、非晶性固体電解質を得た。更に、非晶性固体電解質を真空下で140℃で加熱を2時間行い、結晶性固体電解質を得た。
得られた非晶性固体電解質について、ICP分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)により、組成分析を行った。組成分析結果を表4に示す。また、得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にして粉末X線回折(XRD)測定を行ったところ、チオリシコンリージョンII型結晶構造有しており、イオン伝導度を測定したところ、2.60×10−3(S/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された(表3参照)。
実施例8と同様にして得た電解質前駆体含有物を、ガラスフィルター(ポアサイズ:40〜100μm)に投入して固液分離を行い、電解質前駆体を固形分として得た。得られた電解質前駆体を、真空下で120℃で加熱を2時間行い、非晶性固体電解質を得た。更に、非晶性固体電解質を真空下で180℃で加熱を2時間行い、結晶性固体電解質を得た。
得られた非晶性固体電解質について、ICP分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)により、組成分析を行った。組成分析結果を表4に示す。また、得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にして粉末X線回折(XRD)測定を行ったところ、チオリシコンリージョンII型結晶構造有しており、イオン伝導度を測定したところ、3.40×10−3(S/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された(表3参照)。
実施例14において、錯化剤を表3に示されるものに代えた以外は、実施例14と同様にして電解質前駆体、非晶性固体電解質及び結晶性固体電解質を得た。
得られた非晶性固体電解質について、ICP分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)により、組成分析を行った。組成分析結果を表4に示す。また、得られた結晶性固体電解質について、実施例1と同様にして粉末X線回折(XRD)測定を行ったところ、チオリシコンリージョンII型結晶は見られず、結晶性Li3PS4が主結晶であった。イオン伝導度の測定結果を表3に示す。
なお、比較例1及び2について、得られた非晶性固体電解質についても、ICP分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)により、組成分析を行った。組成分析結果を表4に示す。
アミン化合物を含む錯化剤を用いない場合に、得られる固体電解質のイオン伝導度が低下することに関して、表3に示される組成分析より、固液分離により共結晶を得た比較例9及び10において臭素元素、ヨウ素元素の含有量が極めて少ない。これは、アミン化合物を含む錯化剤を用いないことで、これらのハロゲン元素が共結晶内に組み込まれず、固液分離の際に溶媒に溶け込む等して流出してしまったものと推測される。
また、固液分離ではなく乾燥により共結晶を得た比較例1及び2では、固液分離によるハロゲン元素の流出は生じなかったためハロゲン元素の含有量は多く検出された。しかし、アミン化合物を用いていないため、ハロゲン元素は比較例9及び10と同様に結晶構造内に組み込まれず、加熱により結晶性固体電解質を得ても、結晶構造内でハロゲン元素が機能しなかったので、結果として高いイオン伝導度は得られなかったものと推測される。
また、表4の結果から、比較例1及び2については固液分離によるハロゲン元素の流出は生じなかったためハロゲン元素は多く検出されているものの、得られた結晶性固体電解質のイオン伝導度は低いものとなっている。この結果から、錯化剤として、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物(アミン化合物)を含むものを用いないと、結晶性固体電解質にハロゲン元素が存在していたとしても、高いイオン伝導度は得られないことが分かる。これは、錯化剤としてアミン化合物を含むものを用いなかったため、ハロゲン元素は結晶構造内に取り込まれにくくなり、結晶構造内でハロゲン元素が機能せず、結果として高いイオン伝導度は得られなかったものと考えられる。
まず、曝露試験で用いる試験装置(曝露試験装置1)について、図5を用いて説明する。
曝露試験装置1は、窒素を加湿するフラスコ10と、加湿した窒素と加湿しない窒素とを混合するスタティックミキサー20と、混合した窒素の水分を測定する露点計30(VAISALA社製M170/DMT152)と、測定試料を設置する二重反応管40と、二重反応管40から排出される窒素の水分を測定する露点計50と、排出された窒素中に含まれる硫化水素濃度を測定する硫化水素計測器60(AMI社製 Model3000RS)とを、主な構成要素とし、これらを管(図示せず)にて接続した構成としてある。フラスコ10の温度は冷却槽11により10℃に設定されている。
なお、各構成要素を接続する管には直径6mmのテフロン(登録商標)チューブを使用した。本図では管の表記を省略し、代わりに窒素の流れを矢印で示してある。
露点を−80℃とした窒素グローボックス内で、粉末試料41を約1.5g秤量し、石英ウール42で挟むように反応管40内部に設置し密封した。評価は室温(20℃)で行った。
窒素源(図示せず)から0.02MPaで窒素を装置1内に供給した。供給された窒素は、二又分岐管BPを通過して、一部はフラスコ10に供給され加湿される。その他は加湿しない窒素としてスタティックミキサー20に直接供給される。なお、窒素のフラスコ10への供給量はニードルバルブVで調整される。
加湿しない窒素及び加湿した窒素の流量を、ニードルバルブ付きフローメーターFMで調整することにより露点を制御する。具体的に、加湿しない窒素の流量を800mL/min、加湿した窒素の流量を10〜30mL/minで、スタティックミキサー20に供給し、混合して、露点計30にて混合ガス(加湿しない窒素及び加湿した窒素の混合物)の露点を確認した。
なお、測定後の窒素から硫化水素を除去するため、アルカリトラップ70を通過させた。
ビーズミルとして「ビーズミルLMZ015」(アシザワ・ファインテック(株)製)を用い、直径0.5mmのジルコニアボール485gを仕込んだ。また、反応槽として、撹拌機付き2.0リットルガラス製反応器を使用した。
硫化リチウム29.66g、五硫化二リン47.83g、臭化リチウム14.95g、ヨウ化リチウム15.36g、及び脱水トルエン1200mlを反応槽投入しスラリーとした。反応槽に投入したスラリーを、上記ビーズミル装置内のポンプを用いて600ml/分の流量で循環させ、周速10m/sでビーズミルの運転を開始し、ビーズミルの周速を12m/sとし、外部循環により温水(HW)を通水し、該ポンプの吐出の温度が70℃に保持されるように反応させた。得られたスラリーの上澄み液を除去した後、ホットプレートにのせて、80℃で乾燥させて、粉末状の非晶性固体電解質を得た。得られた粉末状の非晶性固体電解質を、グローブボックス内に設置したホットプレートを用いて、195℃で3時間加熱し、結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、粉末X線解析(XRD)測定を行ったところ、2θ=19.9°、23.6°に結晶化ピークが検出された。
ビーズミルとして「ビーズミルLMZ015」(アシザワ・ファインテック(株)製)を用い、直径0.5mmのジルコニアボール485gを仕込んだ。また、反応槽として、撹拌機付き2.0リットルガラス製反応器を使用した。
硫化リチウム34.77g、及び五硫化二リン45.87gを反応槽投入し、更に脱水トルエン1000mlを追加してスラリーとした。反応槽に投入したスラリーを、上記ビーズミル装置内のポンプを用いて600ml/分の流量で循環させ、周速10m/sでビーズミルの運転を開始した後、200mlの脱水トルエンに溶解させたヨウ素(和光純薬 特級)13.97g、臭素(和光純薬 特級)13.19gを反応槽に投入した。
ヨウ素及び臭素の投入終了後、ビーズミルの周速を12m/sとし、外部循環により温水(HW)を通水し、ポンプの吐出の温度が70℃に保持されるように反応させた。得られたスラリーの上澄み液を除去した後、ホットプレートにのせて、80℃で乾燥させて、粉末状の非晶性固体電解質を得た。得られた粉末状の非晶性固体電解質を、グローブボックス内に設置したホットプレートを用いて、195℃で3時間加熱し、結晶性固体電解質を得た。得られた結晶性固体電解質について、粉末X線解析(XRD)測定を行ったところ、2θ=19.9°、23.6°に結晶化ピークが検出された。また、参考例2で得られた非晶性固体電解質および結晶性固体電解質について固体31P−NMR測定を行った。結果を表5、表6、図8及び図9に示す。
PS4 3−のリン比率=100×a1/Sa
P2S6 4−のリン比率=100×a2/Sa
P2S7 4−のリン比率=100×a3/Sa
不明ピーク(92.5ppm)のリン比率=100×a4/Sa
チオリシコンリージョンII(1)のリン比率=100×b1/Sb
チオリシコンリージョンII(2)のリン比率=100×b2/Sb
チオリシコンリージョンII(3)のリン比率=100×b3/Sb
チオリシコンリージョンIIIのリン比率=100×b4/Sb
低イオン伝導結晶のリン比率=100×b5/Sb
PS4 3−のリン比率=100×b6/Sb
P2S6 4−のリン比率=100×b7/Sb
不明ピーク(73−74ppm)のリン比率=100×b8/Sb
1Lの撹拌翼付き反応槽に、窒素雰囲気下、製造例1で得られた白色粉末を25.5g(Li3PS4:22.9g)、臭化リチウム2.8g、ヨウ化リチウム4.3gを導入した。撹拌翼を回転させた後、溶媒のジブチルエーテル(DBE)544mL、錯化剤のテトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)66.5mLを加え、24時間撹拌を継続し、電解質前駆体含有物を得た。得られた電解質前駆体含有物の一部を、循環運転可能なビーズミル(「スターミルLMZ015(商品名)」、アシザワ・ファインテック株式会社製)を用いて所定条件(ビーズ直径:0.5mmφ、ビーズ使用量:456g(粉砕室に対するビーズ充填率:80%)、ポンプ流量:550mL/min、周速:8m/s、ミルジャケット温度:20℃)で循環させながら、15分の粉砕処理を行った。本粉砕処理に要した粉砕パス回数は14パスであった。
次いで、粉砕処理した電解質前駆体含有物を含む粉砕電解質前駆体含有物を、真空下で室温(23℃)で乾燥して、粉砕した電解質前駆体の粉末を得た。得られた粉砕した電解質前駆体の粉末を、真空下で130℃で加熱を2時間行い、結晶性固体電解質を得た(結晶性固体電解質を得るための加熱温度(本例では130℃)を「結晶化温度」と称することがある。)。
電解質前駆体のX線回折スペクトルでは使用した原料由来のピークとは異なるピークが観測され、非晶性固体電解質、結晶性固体電解質とも異なるX線回折パターンを示した。
結晶性固体電解質のX線回折スペクトルでは主に2θ=20.2°、23.6°に結晶化ピークが検出され、チオリシコンリージョンII型結晶構造を有しており、イオン伝導度を測定したところ、4.1(mS/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された。また、得られた結晶性固体電解質の平均粒径(D50)を測定したところ、1.2μmとなった。以上、実施例16における諸条件、測定結果等を表7に示す。
実施例16において、粉砕処理の時間を15分から30分とし、粉砕パス回数を14パスから28パスとした以外は実施例16と同様にして、電解質前駆体、結晶性固体電解質を得た。
得られた結晶性固体電解質のX線回折スペクトルでは主に2θ=20.2°、23.6°に結晶化ピークが検出され、チオリシコンリージョンII型結晶構造を有しており、イオン伝導度を測定したところ、3.6(mS/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された。また、得られた結晶性固体電解質の平均粒径(D50)を測定したところ、0.87μmとなった。以上、実施例17における諸条件、測定結果等を表7に示す。
実施例16において、粉砕処理の時間を15分から1時間とし、粉砕パス回数を14パスから55パスとした以外は実施例16と同様にして、電解質前駆体、結晶性固体電解質を得た。
得られた結晶性固体電解質のX線回折スペクトルでは主に2θ=20.2°、23.6°に結晶化ピークが検出され、チオリシコンリージョンII型結晶構造を有しており、イオン伝導度を測定したところ、3.4(mS/cm)であり、高いイオン伝導度を有していることが確認された。また、得られた結晶性固体電解質の平均粒径(D50)を測定したところ、0.19μmとなった。以上、実施例18における諸条件、測定結果等を表7に示す。
・Li2S:硫化リチウム
・P2S5:五硫化二リン
・Li3PS4:製造例1で得られた非晶性Li3PS4
・LiBr:臭化リチウム
・LiI:ヨウ化リチウム
・TMEDA:テトラメチルエチレンジアミン(N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン)
・DBE:ジブチルエーテル
上記実施例1と同様に調整した電解質前駆体含有物(含有液)に、この電解質前駆体から得られる結晶性固体電解質と活物質の比が10:90となるように活物質を加えた。正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(平均粒子径(D50):6.2μm、BET比表面積:0.43m2/g、以下「NCA」と称することがある。)の表面にLTO(Li4Ti5O12)の被覆層を形成したものを用いた。さらにDBEを加えて正極合材の前駆体スラリーとした。このスラリーを実施例1と同様に、真空下で加熱し乾燥と結晶化を行うことで、正極合材を得た。
上記正極合材23.6mgを電解質層の上部に投入し、加圧成型することで作用極とし、当該電解質層の当該作用極とは反対側の面に、InLi合金箔を貼り合わせて、加圧成型することで参照極かつ対極とし、次いでセルの周囲を90°毎に4か所のネジ締することで、3層構造のハーフセルを作製した。なお、InLi合金は原料比(Li/In)が0.8以下であれば、Li脱挿入の反応電位が一定に保たれるため、参照極として使用可能である。
参考例2で得られた結晶性固体電解質0.1gと、上記実施例と同様の正極活物質0.9gと、を転動ミル(「小型ボールミルAV型(型番)」、アサヒ理化製作所製)を用いて、回転数600rpmで1時間混合して、電極合材(正極合材)を得た。次いで上記実施例と同様にしてハーフセルを作製した。
カットオフ電圧を充電時3.6V、放電時2.5Vに設定し、充放電時の電流密度を、0.24mAcm−2で一定とし、サイクル特性評価を行ったところ、1サイクル時の充電容量は45.3mAh/g、2サイクル目は、電流密度を1.2mAcm−2で一定とし、2サイクル時の充電容量は12mAh/g、3サイクル目は電流密度を2.4mAcm−2で一定とし、3サイクル目の充電容量は5.4mAh/g、4サイクル目は電流密度を4.8mAcm−2で一定とし、4サイクル時の充電容量は0.4mAh/gとなった。5サイクル目は電流密度を9.6mAcm−2で一定とし、5サイクル時の充電容量は0mAh/gとなった。横軸をCレートとし、充電容量を縦軸とし、以上の結果を図11に示す。
Claims (15)
- リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含む原料含有物と、分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤とを混合することを含む、固体電解質の製造方法。
- 前記化合物が、脂肪族アミンである請求項1に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記脂肪族アミンが、テトラメチルエチレンジアミン及びテトラメチルジアミノプロパンから選ばれる少なくとも一種である請求項2に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記原料含有物が、原料として硫化リチウム及び五硫化二リンを含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記原料含有物が、原料として非晶性Li3PS4又は結晶性Li3PS4を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 錯化剤、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素により構成される電解質前駆体を得ることを含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記原料含有物と、前記錯化剤と、前記電解質前駆体を溶解しない溶媒とを混合することを含む、請求項6に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記溶媒が、溶解度パラメータ10以下である請求項7に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記溶媒が、脂肪族炭化水素溶媒、脂環族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒及びエーテル系溶媒から選ばれる少なくとも一種の溶媒である請求項7又は8に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記電解質前駆体を粉砕することを含む請求項6〜9のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記電解質前駆体又は前記粉砕して得られた電解質前駆体粉砕物を加熱することを含む請求項6〜10のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記固体電解質が、チオリシコンリージョンII型結晶構造を含む請求項1〜11のいずれか1項に記載の固体電解質の製造方法。
- 前記固体電解質が、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=17.5°、26.1°の回折ピークを有しない請求項12に記載の固体電解質の製造方法。
- リチウム元素、硫黄元素、リン元素、ハロゲン元素、及び分子中に少なくとも二つの第三級アミノ基を有する化合物を含む錯化剤により構成される電解質前駆体。
- 前記錯化剤の含有量が、10質量%以上70質量%以下である請求項14に記載の電解質前駆体。
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