JPWO2020137156A1 - 固体電解質およびそれを用いた電池 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態による固体電解質は、Li、M、およびXを含む。Mは、Gd、TbおよびSmからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。Xは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。第1実施形態による固体電解質は、高いリチウムイオン伝導度を有する。
Li3−3δM1+δClxBryIz ・・・式(1)
ここで、以下の数式
−1<δ<1、
0≦x≦6、
0≦y≦6、
0≦z≦6、および
x+y+z=6、
が充足される。
第1実施形態における固体電解質は、下記の方法により製造され得る。
一例として、目的とされる組成がLi2.9Gd1.1Br3Cl3である場合、LiCl、GdCl3、およびGdBr3が、2.9:0.1:1のLiCl:GdCl3:GdBr3モル比で混合される。合成過程において生じ得る固体電解質の組成変化を相殺するように、あらかじめ調整されたモル比で原料粉は混合されてもよい。原料粉の種類、原料粉のモル比、および合成プロセスの選択により、δ、x、y、およびzの値が決定される。
以下、第2実施形態が説明される。第1実施形態において説明された事項は、適宜、省略され得る。
(i)LiTi2(PO4)3またはその元素置換体のようなNASICON型固体電解質、
(ii)(LaLi)TiO3のようなペロブスカイト型固体電解質、
(iii)Li14ZnGe4O16、Li4SiO4、LiGeO4またはその元素置換体のようなLISICON型固体電解質、
(iv)Li7La3Zr2O12またはその元素置換体のようなガーネット型固体電解質、または
(v)Li3PO4またはそのN置換体、
である。
非水溶媒の例は、環状炭酸エステル溶媒、鎖状炭酸エステル溶媒、環状エーテル溶媒、鎖状エーテル溶媒、環状エステル溶媒、鎖状エステル溶媒、またはフッ素溶媒である。環状炭酸エステル溶媒の例は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、またはブチレンカーボネートである。鎖状炭酸エステル溶媒の例は、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、またはジエチルカーボネートである。環状エーテル溶媒の例は、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、または1,3−ジオキソランである。鎖状エーテル溶媒の例は、1,2−ジメトキシエタン、または1,2−ジエトキシエタンである。環状エステル溶媒の例は、γ−ブチロラクトンである。鎖状エステル溶媒の例は、酢酸メチルである。フッ素溶媒の例は、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピオン酸メチル、フルオロベンゼン、フルオロエチルメチルカーボネート、またはフルオロジメチレンカーボネートである。これらから選択される1種の非水溶媒が単独で使用されてもよい。あるいは、これらから選択される2種以上の非水溶媒の混合物が使用されてもよい。
(i)テトラアルキルアンモニウムまたはテトラアルキルホスホニウムのような脂肪族鎖状4級塩類、
(ii)ピロリジニウム類、モルホリニウム類、イミダゾリニウム類、テトラヒドロピリミジニウム類、ピペラジニウム類、またはピペリジニウム類のような脂肪族環状アンモニウム、または
(iii)ピリジニウム類またはイミダゾリウム類のような含窒ヘテロ環芳香族カチオン
である。
イオン液体はリチウム塩を含有してもよい。
(i)天然黒鉛または人造黒鉛のようなグラファイト類、
(ii)アセチレンブラックまたはケッチェンブラックのようなカーボンブラック類、
(iii)炭素繊維または金属繊維のような導電性繊維類、
(iv)フッ化カーボン、
(v)アルミニウムのような金属粉末類、
(vi)酸化亜鉛またはチタン酸カリウムのような導電性ウィスカー類、
(vii)酸化チタンのような導電性金属酸化物、または
(viii)ポリアニリン、ポリピロール、またはポリチオフェンのような導電性高分子化合物、
である。低コスト化を図るために、導電助剤として上記の(i)または(ii)を用いてもよい。
本開示が、以下の実施例を参照しながら、より詳細に説明される。
[固体電解質の合成]
−80℃以下の露点を有するアルゴン雰囲気(以下、「乾燥アルゴン雰囲気」と呼ばれる)中で、原料粉としてLiClおよびGdBr3が、3:1のLiCl:GdBr3モル比を有するように用意された。これらの材料が乳鉢中で粉砕され、混合された。次いで、遊星型ボールミルを用い、12時間、500rpmでメカノケミカル的に反応するように混合物はミリング処理された。このようにして、実施例A1による固体電解質が得られた。実施例A1による固体電解質は、Li3GdCl3Br3により表される組成を有していた。
図2は、固体電解質のイオン伝導度を評価するために用いられる加圧成形ダイス20の模式図を示す。
σ=(RSE×S/t)−1 ・・・(2)
ここで、σは、イオン伝導度を表す。Sは、固体電解質のパンチ上部23との接触面積(図2において枠型21の中空部の断面積に等しい)を表す。RSEは、インピーダンス測定における固体電解質の抵抗値を表す。tは、圧力が印加された固体電解質の厚み(図2において、固体電解質の粉末17から形成される層の厚み)を表す。25℃で測定された、実施例A1による固体電解質のイオン伝導度は、6.9×10−4S/cmであった。
乾燥アルゴン雰囲気中で、9.5mmの内径を有する絶縁性の筒の中で、実施例A1による固体電解質(50mg、およそ400μmの厚みに等しい)およびLi2S‐P2S5(80mg、およそ700μmの厚みに等しい)が積層された。この積層体に300MPaの圧力が印加され、固体電解質層が形成された。Li2S‐P2S5は、以下、「LPS」と呼ばれる。
乾燥アルゴン雰囲気中で、実施例A1による固体電解質およびLiCoO2が、70:30の体積比率で用意された。これらの材料が、メノウ乳鉢中で混合され、混合物が得られた。
得られた二次電池は、25℃の恒温槽に配置された。
(実施例A2〜A34)
[固体電解質の合成]
実施例A2〜A4では、原料粉としてLiBr、GdCl3、およびGdBr3が、(3−3δ):1:δのLiBr:GdCl3:GdBr3モル比を有するように用意された。
実施例A2〜A34による固体電解質のイオン伝導度が実施例A1と同様に測定された。測定結果は、表1に示される。
[結晶性の評価]
実施例A1と同様にして、実施例A11による固体電解質の結晶性が評価された。実施例A11による固体電解質のX線回折パターンは、図4に示される。
実施例A11による固体電解質は、実施例A1と同様に、六方晶構造の結晶に起因するピークを有していた。一方、当該ピークは、実施例A1と比べて、シャープであった。
実施例A1と同様にして、実施例A8およびA9による固体電解質のサイクリックボルモグラムが測定された。ただし、LPSの代わりにL10GP2S12が用いられた。
[固体電解質の合成]
実施例B1では、原料粉としてLiClおよびTbBr3が、3:1のLiCl:TbBr3モル比を有するように用意された。
実施例B1〜B22による固体電解質のイオン伝導度が、実施例A1と同様に測定された。測定結果は、表2に示される。
[固体電解質の合成]
実施例C1では、原料粉としてLiBrおよびSmBr3が、3:1のLiBr:SmBr3モル比を有するように用意された。
実施例C1〜C5による固体電解質のイオン伝導度が実施例A1と同様に測定された。測定結果は、表3に示される。
[固体電解質の合成]
実施例D1では、乾燥アルゴン雰囲気中で、原料粉としてLiBr、GdCl3、およびYCl3が、3:0.7:0.3のLiBr:GdCl3:YCl3モル比を有するように用意された。これらの材料が、乳鉢中で粉砕され、混合された。得られた混合粉は、電気焼成炉を用い、500℃で12時間、焼成され、焼成物が得られた。次いで、乳鉢中で、焼成物が粉砕された。このようにして、実施例D1による固体電解質が得られた。
実施例D1〜D19による固体電解質のイオン伝導度が実施例A1と同様に測定された。測定結果は、表4に示される。
表1〜表4から明らかなように、実施例A1〜A34、B1〜B22、C1〜C5、およびD1〜D19による固体電解質は、室温において、1×10−8S/cm以上の高いイオン伝導性を有する。
実施例A1、A8およびA9の還元電位の評価結果から、Xの電気陰性度が高いほど、固体電解質の還元に対する安定性が向上すると考えられる。
11 固体電解質粒子
12 正極
13 電解質層
14 負極
15 正極活物質粒子
16 負極活物質粒子
17 固体電解質の粉末
20 加圧成形ダイス
21 枠型
22 パンチ下部
23 パンチ上部
Claims (15)
- Li、M、およびXを含み、
Mは、Gd、TbおよびSmからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、かつ
Xは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素である、
固体電解質。 - 実質的に、Li、M、およびXからなる、
請求項1に記載の固体電解質。 - Mは、さらにYを含む、
請求項1または2に記載の固体電解質。 - Xは、Cl、Br、およびIからなる群より選択される少なくとも2種である、
請求項1から3のいずれか一項に記載の固体電解質。 - 組成式(1):Li3−3δM1+δClxBryIz
により表され、かつ
以下の数式
−1<δ<1、
0≦x≦6、
0≦y≦6、
0≦z≦6、および
x+y+z=6、
が充足される、
請求項1から3のいずれか一項に記載の固体電解質。 - 数式:0<x≦6、が充足される、
請求項5に記載の固体電解質。 - 数式:0<z≦6、が充足される、
請求項5または6に記載の固体電解質。 - 数式:0<y+z≦6、が充足される、
請求項5から7のいずれか一項に記載の固体電解質。 - 数式:x=0、が充足される、
請求項8に記載の固体電解質。 - MはGdを含み、かつ
数式:z=0、および2≦x≦4、が充足される、
請求項5に記載の固体電解質。 - MはTbを含み、かつ
数式:z=0、およびx<y、が充足される、
請求項5に記載の固体電解質。 - MはSmを含み、かつ
数式:0≦x<6、0≦y<6、および0≦z<6、が充足される、
請求項5に記載の固体電解質。 - 数式:−0.5≦δ≦0.5、が充足される、
請求項5から12のいずれか一項に記載の固体電解質。 - 数式:−0.1≦δ≦0.25、が充足される、
請求項13に記載の固体電解質。 - 正極、
負極、および
前記正極および前記負極の間に配置されている電解質層、
を備え、
前記正極、前記負極、および前記電解質層からなる群より選択される少なくとも1つは、請求項1から14のいずれか一項に記載の固体電解質を含有する、
電池。
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