JPWO2020183805A1 - 固体電解質の前駆体溶液 - Google Patents
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Abstract
Description
Li7-xLa3(Zr2-xMx)O12・・・(1)
式中の金属Mは、Nb、Sc、Ti、V、Y、Hf、Ta、Al、Si、Ga、Ge、Sn、及びSbのうち少なくとも1種を表し、Xは0〜2を表す。
しかしながら、混合溶媒を用いる場合、混合溶媒に含まれる複数種の溶媒の沸点が必ずしも同一ではないこと、そして複数種の溶媒に対する、リチウム化合物、ランタン化合物、ジルコニウム化合物、金属Mを含む化合物のそれぞれにおける溶解性が一様ではないことから、固体電解質の形成過程における焼成において副生成物が生じ易くなる。副生成物が生ずるとねらいの組成の固体電解質を得られないことから、所望のイオン伝導率を有する固体電解質を実現することができないという課題があった。
なお、上記組成式で示されるガーネット型の固体電解質は、ガーネット型結晶構造またはガーネット類似型結晶構造の固体電解質を指す。
1−1.二次電池
まず、本実施形態のガーネット型の固体電解質の前駆体溶液を用いて形成された固体電解質を有する二次電池について、リチウムイオン電池を例に挙げ、図1及び図2を参照して説明する。図1は本実施形態の二次電池としてのリチウムイオン電池の構成を示す概略斜視図、図2は本実施形態の二次電池としてのリチウムイオン電池の構造を示す概略断面図である。
図2に示すように、正極合材10は、粒子状の正極活物質11と固体電解質12とを含んで構成されている。粒子状の正極活物質11同士が互いに接触することで生ずる隙間を固体電解質12が埋めた状態となっている。固体電解質12は、本実施形態の固体電解質の前駆体溶液を用いて形成されたものである。
本実施形態の固体電解質12は、下記組成式(1)で示されるリチウムを伝導するガーネット型結晶構造またはガーネット類似型結晶構造を有するリチウム複合金属酸化物である。
Li7-xLa3(Zr2-xMx)O12・・・(1)
組成式中、元素Mは、Nb、Ta、Sbの中から選ばれる2種以上の元素であって、0.0<x<2.0を満たす。
図2に示すように、本実施形態の正極合材10の一方の面10b側に設けられた電極としての負極30は、負極活物質を含んで構成される。負極活物質としては、正極活物質11として選択された材料よりも低い電位において電気化学的なリチウムイオンの吸蔵・放出を繰り返すことが可能なものであればいかなるものを用いてもよい。具体的には、Nb2O5、V2O5、TiO2、In2O3、ZnO、SnO2、NiO、ITO(Indium Tin Oxide)、AZO(Al−doped Zinc Oxide)、FTO(F−doped Tin Oxide)、TiO2のアナターゼ相、Li4Ti5O12、Li2Ti3O7などのリチウム複合金属酸化物、Li、Si、Sn、Si−Mn、Si−Co、Si−Ni、In、Auなどの金属及びこれらの金属を含む合金、炭素材料、炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質などを挙げることができる。合金としてはリチウムを吸蔵・放出可能であれば特に制限されないが、13族及び14族の炭素を除く金属や半金属元素を含むものであることが好ましく、より好ましくはアルミニウム、ケイ素及びスズの単体金属及びこれら原子を含む合金又は化合物である。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。合金としては、Li−Al、Li−Ni、Li−Si、Li−Sn、Li−Sn−Niなどのリチウム合金、Si−Znなどのシリコン合金、Sn−Mn、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Cu、Sn−Laなどのスズ合金、Cu2Sb、La3Ni2Sn7などを例示することができる。
本実施形態の小型で薄型なリチウムイオン電池100における放電容量を考慮すると、負極30は、金属リチウム(金属Li)あるいはリチウム合金を形成する単体金属及び合金であることが好ましい。
図2に示すように、正極合材10と負極30との間には、電解質層20が設けられている。上述したように負極30として金属Liを用いると、リチウムイオン電池100の放電時には負極30からリチウムイオンが放出される。また、リチウムイオン電池100の充電時には、リチウムイオンが金属として負極30に析出してデンドライトと呼ばれる樹状結晶体が形成される。デンドライトが成長して正極合材10の正極活物質11と接すると、正極として機能する正極合材10と負極30とが短絡する。この短絡を防ぐために、正極合材10と負極30との間には、電解質層20が設けられている。電解質層20は、正極活物質11が含まれていない電解質からなる層である。このような電解質層20は、酸化物、硫化物、ハロゲン化物、窒化物、水素化物、ホウ素化物などの金属化合物からなる結晶質または非晶質を用いることができる。
図2に示すように、リチウムイオン電池100は、正極合材10の他方の面10aに接する集電体41と、負極30に接する集電体42とを有している。集電体41,42は、正極合材10または負極30に対し電子の授受を担うよう設けられる導電体であり、十分に電気抵抗が小さく、また充放電によって電気伝導特性やその機械構造が変化しない素材が選択される。例えば、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、及びパラジウム(Pd)の金属群から選ばれる1種の金属(金属単体)や、該金属群から選ばれる2種以上の金属からなる合金などが用いられる。
次に、本実施形態のガーネット型の固体電解質の前駆体溶液について、図3を参照して説明する。図3は本実施形態のガーネット型の固体電解質の前駆体溶液の製造方法を示すフローチャートである。
Li7-xLa3(Zr2-xMx)O12・・・(1)
組成式中、元素Mは、Nb、Ta、Sbの中から選ばれる2種以上の元素であって、0.0<x<2.0を満たす。
ニオブ化合物(ニオブ源)としては、例えば、塩化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、蓚酸ニオブのようなニオブ金属塩、ニオブペンタエトキシド、ニオブペンタプロポキシド、ニオブペンタイソプロポキシド、ニオブペンタセカンダリーブトキシドのようなニオブアルコキシドや、ニオブペンタアセチルアセトナート等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
ガーネット型の固体電解質12の製造方法の一例について説明する。まず、前述した本実施形態の固体電解質の前駆体溶液を例えばチタン製シャーレに入れて、ホットプレート上で例えば50℃〜250℃の第1の加熱処理を施すことにより、固体電解質の前駆体溶液から溶媒成分を除去して混合物を得る。次に、混合物に、酸化雰囲気下で例えば400℃〜550℃の第2の加熱処理を30分〜2時間程度施して、溶媒成分を完全に燃焼させ、混合物を酸化させて酸化物とする。さらに、酸化物をメノウ乳鉢に移して充分に粉砕し、例えば酸化マグネシウム製の坩堝に入れて大気下で800℃以上1000℃以下の第3の加熱処理を4時間〜10時間程度施して焼結し、上述した組成式(1)で示される固体電解質12を得る。つまり、固体電解質12は焼結体である。酸化物の焼結を行う第3の加熱処理を本焼成とすると、上記の混合物を酸化させて酸化物を得る第2の加熱処理は仮焼成であって、酸化物は仮焼成体である。
次に、本実施形態のリチウムイオン電池100の製造方法の一例について、図4〜図6を参照して説明する。図4は本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法を示すフローチャート、図5及び図6は本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法における工程を示す概略図である。
次に、本実施形態の固体電解質の前駆体溶液を用いて形成された固体電解質ペレットについて、具体的な実施例1〜10及び比較例1〜5を挙げて、その評価結果を説明する。
磁石式撹拌子を入れた30gのパイレックス(Pyrex:CORNING社商標)製の試薬瓶へ、関東化学社の3N5 純度99.95%の硝酸リチウム1.3789gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール(エチレングルコールモノブチルエーテル)18.6211gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、170℃にて1時間撹拌しながら、硝酸リチウムを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解し、約20℃まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。なお、硝酸リチウムの純度は、イオンクロマトグラフィー質量分析計を用いて測定することが可能である。
磁石式撹拌子を入れた30gのパイレックス製の試薬瓶へ、関東化学社製の4N 硝酸ランタン・六水和物8.6608gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール11.3392gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、140℃にて30分間撹拌しながら、硝酸ランタン・六水和物を2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解し、約20℃まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
磁石式撹拌子を入れた20gのパイレックス製の試薬瓶へ、高純度化学研究所製のジルコニウムテトラノルマルブトキシド3.8368gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール6.1632gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、約20℃にて30分間撹拌しながら、ジルコニウムテトラノルマルブトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
磁石式撹拌子を入れた20gのパイレックス製の試薬瓶へ、高純度化学研究所製のジルコニウムテトラノルマルブトキシド3.8368gと、関東化学社の鹿特級 2,4−ペンタンジオン6.1632gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、約20℃にて30分間撹拌しながら、ジルコニウムテトラノルマルブトキシドを2,4−ペンタンジオンに完全に溶解して、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2,4−ペンタンジオン溶液を得た。
磁石式撹拌子を入れた20gのパイレックス製の試薬瓶へ、高純度化学研究所製の4N ニオブペンタエトキシド3.1821gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール6.8179gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上マグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、約20℃にて30分間撹拌しながら、ニオブペンタエトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のニオブペンタエトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
磁石式撹拌子を入れた20gのパイレックス製の試薬瓶へ、高純度化学研究所製、5Nのタンタルペンタエトキシド4.0626gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール5.9374gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、約20℃にて30分間撹拌しながら、タンタルペンタエトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のタンタルペンタエトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
磁石式撹拌子を入れた20gのパイレックス製の試薬瓶へ、和光純薬工業社製のアンチモントリノルマルブトキシド3.4110gと、関東化学社の鹿特級 2−n−ブトキシエタノール6.5890gとを秤量した。次いで、試薬瓶をマグネチックスターラー機能付きホットプレート上に載せ、約20℃にて30分間撹拌しながら、アンチモントリノルマルブトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のアンチモントリノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
実施例1の固体電解質は、元素MとしてNbとTaとが選択され、組成式Li6.7La3(Zr1.7Nb0.25Ta0.05)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.25+0.05=0.3である。以降、固体電解質の前駆体溶液を、単に前駆体溶液と呼ぶ。
次に、仮焼成体をメノウ乳鉢に移して充分に粉砕した。仮焼成体の粉末を0.150g秤量し、成形型として内径10mmの排気ポート付きペレットダイスに投入して、0.624kN/mm2(624MPa)の圧力にて5分間加圧し、円盤状の成形物である仮焼成体ペレットを作製した。
さらに、仮焼成体ペレットを酸化マグネシウム製の坩堝に入れ、酸化マグネシウム製の蓋をして、ヤマト科学社の電気マッフル炉FP311にて本焼成を施した。本焼成条件は、900℃で8時間とした。次いで、電気マッフル炉を室温まで徐冷して、坩堝から、直径約9.5mm、厚さ約600μmの実施例1の評価用の固体電解質ペレットを取り出した。
実施例2の固体電解質は、元素MとしてNbとTaとが選択され、実施例1と同じ組成式Li6.7La3(Zr1.7Nb0.25Ta0.05)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.3である。
実施例3の固体電解質は、元素MとしてNbとSbとが選択され、組成式Li6.35La3(Zr1.35Nb0.25Sb0.4)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.25+0.4=0.65である。
実施例4の固体電解質は、元素MとしてNbとSbとが選択され、実施例3と同じ組成式Li6.35La3(Zr1.35Nb0.25Sb0.4)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.65である。
実施例5の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、組成式Li6.3La3(Zr1.3Sb0.5Ta0.2)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.5+0.2=0.7である。
実施例6の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例5と同じ組成式Li6.3La3(Zr1.3Sb0.5Ta0.2)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.7である。
実施例7の固体電解質は、元素MとしてNb、Sb、Taの3種が選択され、組成式Li5.95La3(Zr0.95Nb0.25Sb0.4Ta0.4)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.25+0.4+0.4=1.05である。
実施例8の固体電解質は、元素MとしてNb、Sb、Taの3種が選択され、実施例7と同じ組成式Li5.95La3(Zr0.95Nb0.25Sb0.4Ta0.4)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、1.05である。
実施例9の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、組成式Li6.2La3(Zr1.2Sb0.4Ta0.4)O12で示される固体電解質である。元素Mにおける組成比の値xは、0.4+0.4=0.8である。つまり、実施例9の固体電解質は、選択された元素Mの構成が実施例5と同じであるが、実施例5に対して元素Mにおける組成比の値xを異ならせたものである。
実施例10の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例9と同じ組成式Li6.2La3(Zr1.2Sb0.4Ta0.4)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.8である。
比較例1の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例5と同じ組成式Li6.3La3(Zr1.3Sb0.5Ta0.2)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.7である。
比較例2の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例5と同じ組成式Li6.3La3(Zr1.3Sb0.5Ta0.2)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.7である。
比較例3の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例5と同じ組成式Li6.3La3(Zr1.3Sb0.5Ta0.2)O12で示される固体電解質である。つまり、元素Mにおける組成比の値xは、0.7である。
比較例4の固体電解質は、元素MとしてNb、Ta、Sbの中からNbのみが選択され、組成式Li6.75La3(Zr1.75Nb0.25)O12で示される固体電解質である。元素Mにおける組成比の値xは、0.25である。
比較例5の固体電解質は、元素MとしてSbとTaとが選択され、実施例9と同じ組成式Li6.2La3(Zr1.2Sb0.4Ta0.4)O12で示される固体電解質である。元素Mにおける組成比の値xは、0.4+0.4=0.8である。
固相法が用いられた比較例1を除いて、液相法が用いられた実施例1〜10及び比較例2〜5の前駆体溶液に含まれる水分量を平沼産業社製の微量水分計AQS2110STを用いてカールフィッシャー法にて測定した。測定結果を後述する表3に示す。
固相法が用いられた比較例1を除いて、液相法が用いられた実施例1〜10及び比較例2〜5の前駆体溶液に関して、日本アジレントテクノロジー株式会社製のICP−AES測定装置Agilent5110を用いて金属元素比分析を実施した。
具体的には、実施例1〜10及び比較例2〜5の各前駆体溶液をチタン製シャーレに入れ、140℃に設定したホットプレート上に載置して、1時間30分加熱することにより溶媒成分を蒸発させて乾燥した。得られた固形分にピロ硫酸カリウムを添加して熱融解後、酸溶解して測定試料とした。金属元素分析によって得られた元素Mの組成比の値xを後述する表3に示す。
実施例1〜10及び比較例1〜5の固体電解質ペレットを試料として、フィリップス社製のX線回折装置X‘Pert−PROで分析し、X線回折パターンを得た。得られたX線回折パターンから、実施例1〜10及び比較例1〜5の固体電解質の組成において副生成物の有無を確認した。また、ラマン分光装置S−2000(日本電子社製)を用いてラマン散乱スペクトルを取得し、結晶系を特定した。実施例1〜10及び比較例1〜5の固体電解質の結晶構造について、正方晶の結晶構造を「t」とし、立方晶の結晶構造を「c」として後述する表3に示す。
実施例1〜10及び比較例1〜5の各固体電解質ペレットの両面に直径Φが5mmの金属リチウム箔を押圧して活性化電極とする。そして、Solatron Anailtical社製の交流インピーダンスアナライザーSolatron1260を用いて電気化学インピーダンス(EIS)を測定して総リチウムイオン伝導率を求めた。EIS測定は、交流(AC)振幅10mV(ミリボルト)にて、107Hz(ヘルツ)から10-1Hzの周波数領域にて行った。EIS測定によって得られる総リチウムイオン伝導率は、固体電解質ペレットにおけるバルクのリチウムイオン伝導率と粒界のリチウムイオン伝導率とを含むものである。実施例1〜10及び比較例1〜5の各固体電解質ペレットにおける総リチウムイオン伝導率を表3に示す。
1)前駆体溶液は、溶媒として1種の有機溶媒が選択されていることから、混合溶媒を用いる場合に比べて、固体電解質の形成過程における焼成で副生成物が生じることが抑制され、下記組成式(1)で示され、高いリチウムイオン伝導率を有する固体電解質を実現可能な固体電解質の前駆体溶液とすることができる。
Li7-xLa3(Zr2-xMx)O12・・・(1)
組成式中、元素Mは、Nb、Ta、Sbの中から選ばれる2種以上の元素であって、0.0<x<2.0を満たす。
炭素数が4未満のアルコキシドは親水性を示し水分を介して縮合反応が起き易く、酸化物の焼成時に副生成物が生じるおそれがある。一方で炭素数が8を超えると有機溶媒に対する溶解性が低下する。したがって、炭素数が4以上8以下、または沸点が300℃以上のアルコキシドを選択することで、上述した組成式(1)で示される固体電解質を確実に実現することができる。
この構成によれば、有機溶媒に対する、リチウム化合物、ランタン化合物、ジルコニウム化合物、元素Mを含む化合物の溶解性を確保できる。
この構成によれば、硝酸塩は、アルコキシドと比較すると圧倒的に炭素分が少なく固体電解質の形成における反応平衡を固体電解質側に導いてくれるため、副生成物としてのLa2Zr2O7が生成し難い。また、前駆体溶液を構成する原材料溶液に含まれる元素の化合物をすべてアルコキシドとすると固体電解質の膜形成における均一化は図れるが、緻密性が低下するという欠点を有している。前駆体溶液が硝酸塩を含むことで、硝酸塩が融液として働くため、均一性が高く且つ緻密性の高い固体電解質の膜を形成することができる。
この構成によれば、水分が含まれると、金属塩は酸として機能し、他の元素化合物の組成を変化させるおそれがある。また、原材料である化合物がアルコキシドの場合、水分を介してアルコキシドが縮合反応を起こして、酸化物の焼成時に副生成物が生ずるおそれがある。したがって、固体電解質の前駆体溶液に含まれる水分量を10ppm以下とすることで、上述した組成式で示される固体電解質を確実に実現できる。
この構成によれば、炭素数が4未満のアルコキシドは親水性を示し水分を介して縮合反応が起き易く、酸化物の焼成時に副生成物が生じるおそれがある。一方で炭素数が8を超えると有機溶媒に対する溶解性が低下する。したがって、炭素数が4以上8以下、または沸点が300℃以上のアルコキシドを選択することで、上述した組成式で示される固体電解質を確実に実現することができる。
この構成によれば、非水系であるこれらの有機溶媒は水を含み難いので、上述した組成式で示される固体電解質を確実に実現することができる。
Claims (6)
- 組成式Li7-xLa3(Zr2-xMx)O12で示されるガーネット型の固体電解質の前駆体溶液であって、
前記組成式中、元素Mは、Nb、Ta、Sbの中から選ばれる2種以上の元素であって、0.0<x<2.0を満たし、
1種の有機溶媒と、
前記有機溶媒に対して溶解性を示す、リチウム化合物と、ランタン化合物と、ジルコニウム化合物と、前記元素Mを含む化合物と、を含み、
前記組成式の化学量論組成に対して、前記リチウム化合物が1.05倍以上1.20倍以下であり、前記ランタン化合物が等倍であり、前記ジルコニウム化合物が等倍であり、前記元素Mを含む化合物が等倍である、固体電解質の前駆体溶液。 - 前記リチウム化合物は、リチウム金属塩化合物であり、
前記ランタン化合物は、ランタン金属塩化合物であり、
前記ジルコニウム化合物は、ジルコニウムアルコキシドであり、
前記元素Mを含む化合物は、前記元素Mのアルコキシドである、請求項1に記載の固体電解質の前駆体溶液。 - 前記リチウム金属塩化合物、前記ランタン金属塩化合物が、硝酸塩である、請求項2に記載の固体電解質の前駆体溶液。
- 前記固体電解質の前駆体溶液に含有される水分量が10ppm以下である、請求項2または3に記載の固体電解質の前駆体溶液。
- 前記ジルコニウムアルコキシド及び前記元素Mのアルコキシドは、炭素数が4以上8以下、または沸点が300℃以上である、請求項2乃至4のいずれか一項に記載の固体電解質の前駆体溶液。
- 前記有機溶媒は、非水系であって、n−ブチルアルコール、エチレングリコールモノブチルエーテル、ブチレングリコール、ヘキシレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、トルエン、オルトキシレン、パラキシレン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンの中から選ばれる、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の固体電解質の前駆体溶液。
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