WO2014002483A1 - 正極合材 - Google Patents
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Abstract
Description
従来のリチウムイオン電池は、電解質として有機溶媒を含む電解液を使用していたため、液漏れの心配や発火の危険性があった。そのため、溶媒を使用しない固体電解質を使用したリチウムイオン電池が検討されている。
固体電解質として、例えば、特許文献1には硫化物系固体電解質が開示されている。この固体電解質は、10-3S/cm以上の高いイオン伝導度を有する。固体電解質は、リチウムイオン電池の電解質層のみではなく、活物質等と混合して正極層や負極層にも使用される。
正極合材として、例えば、上述した特許文献1に記載の硫化物系固体電解質と酸化物系正極活物質を混合したものが考えられる。しかしながら、酸化物系正極活物質の容量は高いとはいえないため、高出力化が実現できても、高容量化には限界がある。
高容量化のためには理論容量の大きい硫黄系活物質を用いることが有望である。特許文献2では、正極活物質として硫黄を用いて硫化物系固体電解質の一つであるチオリシコンLi3.25Ge0.25P0.75S4を混合した正極材料を作製し、同じチオリシコンLi3.25Ge0.25P0.75S4を電解質として用いた全固体リチウム電池の性能を評価している。
しかしながら、十分に硫黄の容量を利用できているとは言えず、また、電池内部の抵抗が高く放電電圧が低いという欠点があった。また、Geが高価であるため、製造コストが高いという欠点も有している。
1.Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質と、
硫黄系活物質と、を含む正極合材。
2.前記固体電解質が結晶成分を含む1に記載の正極合材。
3.Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを、原料として製造した正極合材。
4.Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素を含む、固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを含む混合物を、加熱処理して得られる、3に記載の正極合材。
5.前記固体電解質前駆体が、さらにP元素を含み、
前記固体電解質前駆体を加熱処理して得られる加熱処理固体電解質の31P-NMRスペクトルが、75.0ppm以上80.0ppm以下である第一ピーク領域に第一ピークを有し、
前記第一ピーク領域、及び86.0ppm以上92.0ppm以下の領域である第二ピーク領域以外の領域にあるピークの強度比が、前記第一ピークに対し0.5以下である、3又は4に記載の正極合材。
6.前記加熱処理固体電解質の31P-NMRスペクトルが、前記第一ピーク領域及び第二ピーク領域に、それぞれピークを有する5に記載の正極合材。
7.前記第一ピーク(I1)に対する、前記第二ピーク領域にある第二ピーク(I2)のピーク強度比(I2/I1)が1以上10以下である5又は6に記載の正極合材。
8.前記加熱処理固体電解質の、加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である、5~7のいずれかに記載の正極合材。
9.Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質を含む材料と、
硫黄系活物質を含む材料と、
を含む正極合材材料。
10.上記1~8のいずれかに記載の正極合材から製造された正極。
11.上記1~8のいずれかに記載の正極合材を含む正極。
12.上記10及び11に記載の正極を有するリチウムイオン電池。
本発明の正極合材を使用したリチウムイオン電池は、安全性が高く、放電電圧が高い。
本発明の正極合材の第一の態様は、リチウム(Li)又はナトリウム(Na)と、硫黄(S)の各元素と、ヨウ素(I)、臭素(Br)、塩素(Cl)及びフッ素(F)からなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質と、硫黄系活物質と、を含む。
硫黄系活物質は容量が大きため、本発明の正極合材を用いて製造したリチウムイオン電池は放電電圧を高くすることができる。
本発明の正極合材に含まれる固体電解質は、Li又はNaと、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む。ここで、本発明の正極合材に含まれる固体電解質は、Li元素又はNa元素と、S元素を必須成分とし、さらにI、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と含む。本発明の正極合材に含まれる固体電解質は、Li元素とS元素を必須成分とし、さらにI、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と含むことが好ましい。本発明の正極合材に含まれる固体電解質は、P元素を含むことがより好ましい。本発明の正極合材に含まれる固体電解質は非晶質であっても結晶成分を有していてもよい。非晶質と結晶とを比較してイオン伝導度が高い方を選択することが好ましい。また、結晶化度は問わないが、結晶の方が、イオン伝導度が高い場合には、結晶化度が高い方が好ましい。
正極合材の製造には、固体電解質と正極活物質とをメカニカルミリング法等により混合する必要がある。特許文献1に記載の固体電解質では、ガラス固体電解質及びガラスセラミックス固体電解質のいずれも、混合処理により変質するおそれがある。そのため、想定した性能を発揮せずに、放電電圧の低下等の問題が生じるおそれがある。また、変質したガラス固体電解質及びガラスセラミックス固体電解質を加熱処理等しても元に戻らず、加熱処理等したものを用いて全固体電池を製造しても放電電圧が低いものしか得ることができないおそれがある。
本発明では、ハロゲン元素を含む硫化物系固体電解質を用いて合材を製造する。この合材を用いて製造した電池は放電電圧を高くすることができる。
上記固体電解質は、下記式(A)の組成を有することが好ましい。尚、固体電解質は、下記式(A)の組成を有する2種以上の化合物の複合体でも混合体でもよい。
LaMbPcSdXe…(A)
Mは下記式(B)で表される元素を表す。
BfAlgSihGeiAsjSekSnlSbmTenPboBipZnqCurGas…(B)
式(B)において、f~sはそれぞれ各元素の組成比を示す。f、g、h、i、j、k、l、m、o,p,q,r,sは、それぞれ0以上1以下であり、かつ、f+g+h+i+j+k+l+m+n+o+p+q+r+s=1である。式(B)は、B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb,Bi,Zn,Cu及びGaから選択される1種の元素、又は、2種以上の元素の組み合わせを表す。
また、ZnqSihGei(q、h、iは0以上1以下であり、かつq+h+i=1)が好ましい。
FtIuClvBrw (C)
式(C)において、t、u、v及びwはそれぞれ各元素の組成比を示す。t、u、v及びwは、それぞれ0以上1以下であり、かつ、t+u+v+w=1である。式(C)は、F、Cl、Br及びIから選択される1種のハロゲン元素、又は、2種以上のハロゲン元素の組み合わせを表す。
好ましくは、tとuが0である場合、即ち、ClvBrw(v、wはそれぞれ0以上1以下であり、v+w=1)である。より好ましくは、tとuとvが0である場合、即ち、Brである。
Xは、F、Cl、Br及びIから選択される1つのハロゲン原子であることが好ましく、特に、I,Br又はClであることが好ましく、より好ましくはBrである。
式(A)において、a~eはそれぞれ各元素の組成比を示し、a:b:c:d:eは1~12:0超~0.2:1:0超~9:0~9を満たす。
好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c、d及びeの比(a:c:d:e)がa:c:d:e=1~9:1:3~7:0.05~3、さらに好ましくは、a:c:d:e=2~6.5:1:3.5~5:0.1~1.5である。最も好ましくは、a:c:d:e=2~6.5:1:3.5~4.95:0.1~1.5である。
本発明の正極合材に含まれる固体電解質のうち結晶構造を有する物は、上述した構成成分を含有し、かつ、粉末X線回折において、結晶に起因するピークを有することが好ましい。尚、ガラスセラミックス固体電解質の結晶化度は高いことが好ましいが、低くてもよい。ガラスセラミックス固体電解質は非晶質を含んでいてもよい。上述した構成成分を含有する固体電解質を含む合材を用いた全固体電池は放電電圧を向上できる。
硫黄系活物質は理論容量が大きいため、高いイオン伝導度を有する硫化物系固体電解質と組み合わせることにより、好適な正極合材が得られると考えられる。
硫黄系活物質は、硫黄元素を構成要素に含む活物質である。
例えば、単体硫黄(S)や、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)、硫化リチウム、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等の硫黄元素を含む化合物が使用できる。
式(D)において、Zはそれぞれ-S-又は-NH-であり、nは繰返数2~300の整数である。
硫黄としては、特に限定はないが、好ましくは純度が95重量%以上の硫黄単体であり、より好ましくは純度が96重量%以上の硫黄単体であり、特に好ましくは純度が97重量%以上の硫黄単体である。
硫黄の純度が95重量%以上であれば、この硫黄を用いて製造した電池の不可逆容量を少なくすることができる。
硫黄単体の結晶系としては、α硫黄(斜方晶系)、β硫黄(単斜晶系)、γ硫黄(単斜晶系)、無定形硫黄等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。
これらの場合において、2種以上の単体硫黄を含んでもよく、2種以上の硫黄原子を含む化合物を含んでもよい。
導電性物質は、電気伝導率が1.0×103S/m以上の物質であり、好ましくは1.0×104S/m以上の物質であり、より好ましくは1.0×105S/m以上の物質である。
上記導電性物質は、細孔を有することが好ましい。細孔を有することにより、硫黄や硫黄系化合物を細孔内に含めることができ、硫黄等と導電性物質の接触面積を増やすことができると共に、硫黄等の比表面積を大きくすることができる。
導電性物質の形状は特に限定されず、粒子状導電性物質であってもよく、板状導電性物質であってもよく、棒状導電性物質であってもよい。例えば、板状導電性物質としてはグラフェンが挙げられ、棒状導電性物質としては、例えば、カーボンナノチューブ等であり、粒子状導電性物質としては、表面積が大きく、細孔容量が大きく、かつ電子伝導性が高いケッチェンブラックや活性炭が挙げられる。
より好ましくは、導電性物質は、細孔を有する多孔質炭素である。
導電性物質である多孔質炭素としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等の炭素が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
導電性物質が細孔を有することで、導電性物質の細孔内部に硫黄及び/又は硫黄原子を含む化合物を挿入することができ、導電性物質と硫黄及び/又は硫黄原子を含む化合物(以下、適宜「硫黄単体及び/又は硫黄原子を含む化合物」を「硫黄系化合物」という。)との接触状態を向上させることができ、電極材料の電子伝導性を高めることができる。また、導電性物質と硫黄及び/又は硫黄原子を含む化合物とを複合化する場合には細孔を有することにより複合化しやすくなり、電極材料の電子伝導性を高めることができる。
導電性物質の細孔容量が0.1cc/g未満の場合、導電性物質内部の硫黄系化合物含有量を多くすることができないおそれがあり、電気容量が高いリチウムイオン電池を得ることが困難になるおそれがある。一方、導電性物質の細孔容量が5.0cc/g超の場合、硫黄系化合物と複合化しても電子伝導性が十分に確保できないおそれがある。
導電性物質の平均細孔直径が0.1nm未満の場合、細孔内に硫黄系化合物を含浸させることが困難となるおそれがある。一方、導電性物質の平均細孔直径が100nm超である場合、細孔内に含浸した硫黄系化合物が活物質として十分に機能しないおそれがある。
BET比表面積、細孔直径、細孔容量及び平均細孔直径は、多孔質炭素を液体窒素温度下において、多孔質炭素に窒素ガスを吸着して得られる窒素吸着等温線を用いて求めることができる。
具体的には、窒素吸着等温線を用いて、Brenauer-Emmet-Telle(BET)法により比表面積を求めることができる。また、窒素吸着等温線(吸着側)を用いて、Barret-Joyner-Halenda(BJH)法により細孔直径、細孔容量を求めることができる。また、平均細孔直径は、細孔構造を円筒型であると仮定して、全細孔容積とBET比表面積から計算される。
測定装置としては、例えば、Quantacrome社製の比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb-3)を用いて測定できる。測定の前処理は、例えば、200℃で3時間の加熱真空排気等が挙げられる。
尚、導電性物質の表面とは、導電性物質が細孔を有する場合には当該細孔表面が含まれる。
また、硫黄系化合物-導電性物質複合体の弾性回復を伴う空間率εrは、成形性と電池性能のバランスから、好ましくは硫黄系化合物-多孔質炭素複合体の0.005~0.15であり、より好ましくは0.01~0.1であり、特に好ましくは0.01~0.05である。
εr=1-{m/(ρpSL)} (I)
(式中、mは円筒形容器内に挿入する複合体の重量、ρpは複合体の真密度、Sは加圧ロッドの面積、Lは円筒形容器内に挿入した複合体の見かけ密度が真密度と同じになるまで加圧ロッドにより加圧し、その後、前記加圧を解除した際の複合体の高さである。)
円筒形容器:外径43mm、内径13mm、高さ40mmであり、側面の厚さが15mmであり、底面が外径13mmで厚さ10mmであり、SKD11製の円筒形の容器。
加圧ロッド:外径13mm、長さ50mm、SKD11製の棒状体。
一軸圧縮装置は、耐加圧性の円筒形容器1と、この円筒形容器1の内部空間に投入された複合体を加圧し複合体の密度を真密度まで高める加圧ロッド2と、複合体5の高さを測定する測定手段(マイクロメータ)3及びその固定具4を主な構成要素としている。
円筒形容器1として、外径43mm、内径13mmで高さ40mmであり、側面の厚さが15mmであり、底面が外径13mmで厚さ10mmであり、SKD11製の円筒形の容器を使用する。尚、SKD11は大同特殊鋼社製のダイス鋼である。
加圧ロッド2は、円筒形容器1の内部に滑らかに挿入するものであり、外径13mmで長さ50mmであり、SKD11製である。加圧ロッド2の上部には加圧するための押圧手段(図示なし)がある。また、加圧ロッドの変位をマイクロメーターに伝達する伝達部が設けられている。
はじめに、複合体を挿入しない状態でのマイクロメーターの値(l0)を確認する(図1)。
次に、円筒形容器1の内部に複合体5を0.3g(嵩密度が大きいものは0.1gか0.05gとしてもよい)投入し、複合体を均した状態にする。
容器1の内部に加圧ロッド2を挿入し、複合体5の見掛け密度が複合体の真密度と同じになるまで加圧し圧縮する(図2)。尚、複合体5の見掛け密度と真密度とが同じとは、複合体5の密度を真密度と仮定したときの容器1内の複合体の高さと同一になるまで加圧ロッド2で複合体を圧縮した場合を意味している。尚、加圧ロッド2による加圧により容器1の側面がわずかに外側に膨らむ場合もあるが、測定における誤差とみなす。
次に、加圧ロッド2による加圧をやめ、加圧ロッド2で複合体5を押す力を0にする(図3)。複合体5の圧縮後に圧力を0にした状態でのマイクロメーターの値をl3とする。
以上から、上記式(I)のL(l0-l3)を決定する。
{(複合体の硫黄の真密度)×(複合体中の硫黄の重量%)+(複合体の多孔質炭素の真密度)×(複合体中の多孔質炭素の重量%)}÷100 (II)
尚、複合体の真密度は、下記の式により求めてもよい。
{(複合体を製造する際に用いる硫黄の真密度)×(複合体を製造する際に用いる硫黄の重量)+(複合体を製造する際に用いる多孔質炭素の真密度)×(複合体を製造する際に用いる多孔質炭素の重量)}÷(複合体を製造する際に用いる硫黄の重量+複合体を製造する際に用いる多孔質炭素の重量)
これら製造方法のうち、遊星ボールミルを用いて混合する方法、又は硫黄系化合物と導電性物質の混合物を硫黄系化合物の融点以上で加熱する方法が好ましい。
加熱温度は硫黄系化合物の融点以上であればよいが、好ましくは112℃~440℃である。加熱保持時間は例えば1分~48時間であり、好ましくは10分~12時間であり、より好ましくは15分~10時間である。
本発明の正極合材の第二の態様は、Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む、固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを、原料として製造した正極合材である。固体電解質前駆体は、Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含むガラス固体電解質、又はLi元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含むガラスセラミックス固体電解質を含む。ガラス固体電解質とは、非晶質の固体電解質を意味し、ガラスセラミックス固体電解質とは結晶成分を有する固体電解質を意味する。
ここで、固体電解質前駆体は、Li元素又はNa元素と、S元素と、P元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含むことが好ましい。
好ましくは、Li、S及びPの各元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素を含む、固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを、混合後に加熱処理して得られる、正極合材である。
固体電解質前駆体については、後述する。また、硫黄系活物質については、上述した第一の態様と同様である。
本発明の正極合材は、例えば、上述した式(A)の組成を有する固体電解質、又は、加熱等により上記固体電解質となる固体電解質前駆体(ガラス固体電解質、ガラス固体電解質とガラスセラミックス固体電解質、ガラスとガラスセラミックスの混合物、又はこれらと原料化合物の混合物を意味する。)と、上述した硫黄系活物質を、メカニカルミリング処理等の力学的な作用により一体化させた後、加熱することにより製造できる。
より具体的に、固体電解質前駆体のハロゲン元素がBrであり、ガラス固体電解質である場合には、この前駆体を加熱処理して得られる固体電解質(以下、適宜「加熱処理固体電解質」という。)の粉末X線回折パターンが、又は、固体電解質前駆体がガラスセラミックス固体電解質である場合には、このガラスセラミックス固体電解質の粉末X線回折パターン(CuKα:λ=1.5418Å)が、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,29.8±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに少なくとも回折ピークを有することが好ましい。
さらに、第一ピーク(I1)に対する、第二ピーク領域にある第二ピーク(I2)のピーク強度比(I2/I1)が1以上10以下であることが好ましい。
本願において、粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)の回折パターンは、測定対象にX線のビーム(CuKα:λ=1.5418Å)を照射して得る。上記回折パターンは、例えば測定対象である加熱処理固体電解質試料を、断面10mmφ、厚さ0.1~1mmの形状に成形し,その試料片を嫌気測定用の試料治具に取り付け、リガク製Smart lab装置に治具に入った試料片を入れ、X線のビーム(CuKα:λ=1.5418Å)を照射することにより測定される。
尚、加熱処理固体電解質には原料が残存していてもよい。例えば、LiClが残存していてもよい。
ピーク強度は、ベースラインからピークトップまでの高さとする。
一般に硫化物系固体電解質は、加水分解すると硫化水素を発生するが、上述した固体電解質では、加水分解を抑制できるので、加水分解時に発生する硫化水素が少なくなる。従って、安全性が高い。
図4は、硫化水素濃度平均値の測定装置の概略構成図である。
測定試料11は、露点-80℃の環境の窒素グローボックス内にて乳鉢でよく粉砕したものを用いる。測定試料11を0.1g、100mlのシュレンク瓶12内に封入する。
次に、シュレンク瓶12内に、水槽14を通過させることにより加湿した空気(ウェットエア)を500ml/分で流通させる。尚、ウェットエアの温度は、25℃程度、湿度は、80~90%とする。また、空気の供給量は流量計13で制御する。
流通開始1分後~1分45秒後の間にシュレンク瓶12から排出されたガスをガス採集部15から捕集して測定用の第一サンプルガスとする。尚、採集時以外のガスは、トラップ16で水酸化ナトリウム水溶液にて硫化水素を除去する。
三菱化学アナリテック製TS-100を用いて、紫外蛍光法により硫黄分を定量して、サンプルガスの硫化水素濃度を算出する。尚、サンプルガスをアジレント6890(硫黄選択検出器(SIEVERS355)付)を用いてガスクロマトグラフにて定性分析したところ、硫黄分はその99%以上硫化水素ガスになっていることを確認している。
流通開始5分後~5分45秒後、流通開始10分後~10分45秒後、流通開始20分後~20分45秒後、流通開始60分後~60分45秒後にシュレンク瓶から排出されたガスについても、第一サンプルガスと同様に測定する。
硫化水素濃度と測定時間から硫化水素濃度平均値(ppm)を求める。
図5にウェットエア流通時間と硫化水素濃度の関係の一例を示す。曲線は各測定点をスムージングしたもので、この曲線と縦軸、横軸で囲まれた面積(ppm・分)を時間60分で除することにより、硫化水素濃度平均値(ppm)を求める。
尚、イオン伝導度は高ければ高いほど好ましいが、例えば、上限として5×10-2S/cmを挙げることができる。
(1)電解質前駆体1
電解質前駆体1は、ガラス固体電解質又はガラスセラミックス固体電解質であり、かつ下記式(D)を満たす化合物である。
LaMbPcSdXe…(D)
(式(D)において、L,M,X,a,b,c,d及びeは上記式(A)と同様である。)
(a)原料a
原料aとしては、Li2S(硫化リチウム)、P2S3(三硫化二リン)、P2S5(五硫化二リン)、SiS2(硫化珪素)、Li4SiO4(オルト珪酸リチウム)、Al2S3(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS2(硫化ゲルマニウム)、B2S3(三硫化二砒素)、Li3PO4(燐酸リチウム)、Li4GeO4(ゲルマン酸リチウム)、LiBO2(メタホウ酸リチウム)、LiAlO3(リチウムアルミネート)、Na2S(硫化ナトリウム)、Na4GeO4(ゲルニウム酸ナトリウム)、Na4SiO4(オルト珪酸ナトリウム)、Na3PO4(リン酸ナトリウム)、NaBO2(メタホウ酸ナトリウム)、NaAlO3(アルミン酸ナトリウム)等を用いることができる。これらは2種以上混合して使用してもよい。
好ましい原料aとしては、Li2SとP2S5等の硫化リン、単体硫黄と単体リン、硫化リンと単体硫黄、硫化リンと単体硫黄と単体リンが挙げられる。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃~100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特願2009-238952)。
一方、特開2010-163356に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに用いてもよい。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
ハロゲン元素を含む化合物は、下記式(E)に示す化合物であり、1つの化合物を用いてもよく、複数の化合物を用いてもよい。
Mw-Xx…(E)
式(E)において、Mは、Li、Na及びK等のアルカリ金属類、B、Al、Si、P、S、Ge、As、Se、Sn、Sb、Te、Pb又はBiを示す。特にP又はLiが好ましい。wは1~2の任意の整数、xは1~10の範囲の任意の整数である。
Xは、上記式(C)のXと同様である。
以下、原料aとして、硫化リチウム及び五硫化二リンを用いた電解質前駆体1の製造方法について説明する。
硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、60:40~90:10、好ましくは65:35~85:15又は70:30~90:10であり、さらに好ましくは67:33~83:17又は72:28~88:12であり、特に好ましくは67:33~80:20又は74:26~86:14である。特により好ましくは、70:30~80:20又は75:25~85:15である。最も好ましくは、硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、72:28~78:22、又は77:23~83:17である。
溶融急冷法は、例えば、特開平6-279049、WO2005/119706に記載されている。具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物とを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)が得られる。
反応時間は、好ましくは0.1時間~12時間、より好ましくは、1~12時間である。
MM法は、例えば、特開平11-134937、特開2004-348972、特開2004-348973に記載されている。
具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物とを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、電解質前駆体1が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応させることができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成の電解質前駆体1(ガラス固体電解質)を得ることができるという利点がある。
また、MM法では電解質前駆体1(ガラス固体電解質)の製造と同時に、微粉末化できるという利点もある。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十~数百回転/分とし、0.5時間~100時間処理すればよい。
また、特開2010-90003に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。
また、特開2009-110920や特開2009-211950に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをMM処理してもよい。
また、特開2010-30889に記載のようにMM処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
MM処理時の原料温度が、60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
スラリー法は、WO2004/093099、WO2009/047977に記載されている。
具体的には、所定量のP2S5粒子とLi2S粒子とハロゲンを含む化合物とを有機溶媒中で所定時間反応させることにより、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)が得られる。
ハロゲンを含む化合物は、有機溶媒に溶解するか、又は粒子であることが好ましい。
また、WO2009/047977に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。
また、特開2011-136899に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは、2時間以上14時間以下である。
非プロトン性有機溶媒としては、非プロトン性の非極性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性の極性有機化合物(例えば、アミド化合物,ラクタム化合物,尿素化合物,有機硫黄化合物,環式有機リン化合物等)を、単独溶媒として、又は、混合溶媒として、好適に使用することができる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2-エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
固相法は、例えば、「H-J.Deiseroth,et.al.,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,755-758」に記載されている。具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物を所定量乳鉢にて混合し、100~900℃の温度で加熱することにより、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)が得られる。
電解質前駆体1(ガラス固体電解質)の製造法としては、MM法、スラリー法又は固相法が好ましい。低コストで製造可能であることから、MM法、スラリー法がより好ましく、特にスラリー法が好ましい。
上記の他、2回以上混合処理を行う場合、2種以上の異なる方法を組み合わせてもよい。例えばLi2SとP2S5をメカニカルミリングで処理した上でLiBrを混合し固相法で処理を行ってもよく、Li2SとLiBrを固相法で処理を行ったものとP2S5とLiBrとを溶融急冷処理を行ったものを混合し、スラリー法を行うことで電解質前駆体を製造してもよい。
結晶化温度(ピーク)は、示差熱-熱重量測定装置(メトラートレド社製TGA/DSC1)を使用し、固体電解質(ガラス)約20mgを10℃/分で測定して特定することができる。
また、2つの結晶化ピークが170℃以上330℃以下の範囲にあることがさらに好ましく、また2つの結晶化ピーク間の幅が30~140℃であることがさらに好ましい。
また、ガラス固体電解質は、2つの結晶化ピークがあり、2つの結晶化ピークが175℃以上320℃以下の範囲にあり、かつ2つの結晶化ピーク間の幅が30~140℃であることが特に好ましい。
また、2つの結晶化ピークが175℃以上320℃以下の範囲にあることが特に好ましく、また、2つの結晶化ピーク間の幅が35~130℃であることが特に好ましい。またガラス固体電解質は、2つの結晶化ピークがあり、2つの結晶化ピークが180℃以上310℃以下の範囲にあり、かつ2つの結晶化ピーク間の幅が40~120℃であることが最も好ましい。
電解質前駆体2(ガラス固体電解質)は、上述した電解質前駆体1(ガラス固体電解質)に、さらに、ハロゲン化合物を添加したものである。
電解質前駆体1とハロゲン化合物は、MM処理等により混合しておくことが好ましい。ハロゲン化合物としては、上述した第一の製造方法と同じハロゲン元素を含む化合物が使用できる。
尚、電解質前駆体2(ガラス固体電解質)において、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)の原料として使用するハロゲン元素を含む化合物の量と、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)に混合するハロゲン化合物の量の合計は、第一の製造方法における電解質前駆体1(ガラス固体電解質)の原料として使用するハロゲン元素を含む化合物の量と同様である。電解質前駆体1(ガラス固体電解質)の原料であるハロゲン元素を含む化合物と、電解質前駆体1(ガラス固体電解質)に混合するハロゲン化合物との割合は特に限定しない。
以上により、電解質前駆体2がガラス固体電解質として得られるが、本前駆体を加熱処理等によりガラスセラミックス化したものを電解質前駆体として使用してもよい。
電解質前駆体3は、下記式(F)の組成を満たす固体電解質に、ハロゲン化合物を添加したものである。本固体電解質は、ガラスでもガラスセラミックスでもよい。
LaMbPcSd…(F)
(式(F)において、L,M,a,b,c及びdは上記式(A)と同様である。)
即ち、電解質前駆体3は原料aのみにより式(F)を満たす固体電解質を製造し、これとハロゲン元素を含む化合物との混合物である。従って、原料a、ハロゲン元素を含む化合物、電解質前駆体の製造方法、及び固体電解質の製造条件は、上記第一の製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
式(F)を満たす固体電解質とハロゲン元素を含む化合物の割合(モル比)は、50:50~99:1が好ましく、より好ましくは55:45~97:3又は70:30~98:2であり、さらに好ましくは60:40~96:4又は80:10~98:2であり、特に好ましくは70:30~96:4又は80:20~98:2である。
尚、式(F)を満たす固体電解質と元素を含む化合物は、MM処理等により混合してから加熱処理することが好ましい。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン-プロピレン-ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、又は2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
導電助剤としては、上述した導電性物質が使用できる。
例えば、加熱温度は、150℃以上360℃以下であり、好ましくは160℃以上350℃以下であり、より好ましくは180℃以上310℃以下であり、さらに好ましくは180℃以上290℃以下であり、特に好ましくは190℃以上270℃以下である。
また、熱物性の測定により2つのピークがある場合は、低温側のピーク温度をTcとし、低温側のTcと高温側の第2結晶化ピーク(Tc2)との間で熱処理することが好ましい。
尚、結晶化温度等は昇温速度等により変化することがあるため、熱処理する昇温速度に近い速度で測定したTcを基準とする必要がある。従って、実施例以外の昇温速度で処理する場合は、最適な熱処理温度は変化するが、熱処理する昇温速度で測定されたTcを基準として上記条件にて熱処理することが望ましい。
尚、ガラス転移温度(Tg)及び結晶化温度(Tc)の測定は、例えば、示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製Diamond DSC)により10℃/分の昇温速度で測定可能である。
昇温方法については特に指定がない。所定温度までゆっくり昇温してもよいし、急速に加熱してもよい。
加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。
雰囲気は、空気中であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
さらに、特開2010-186744に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
固体電解質前駆体の、体積基準平均粒径(Mean Volume Diameter、以下「粒径」という。)は0.01μm以上500μm以下であることが好ましい。
本発明の正極合材材料は、Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質を含む材料と、
硫黄系活物質を含む材料と、を含む。
ここで、上記固体電解質はP元素を含むことが好ましい。
固体電解質を含む材料としては、上述した固体電解質又は固体電解質前駆体を含有する材料が挙げられる。
硫黄系活物質を含む材料としては、上述した硫黄系活物質等が挙げられる。
固体電解質を含む材料と硫黄系活物質を含む材料の混合比は、要求される性能に合わせて適宜調整することができる。
本発明の正極は、上述した本発明の正極合材を原料として製造されるか、又は、正極合材を含む。本発明の正極の製造方法は公知の方法や今後開発される方法により製造することができ、例えば、上述した本発明の正極合材を通常の方法でプレス成形して、シート状の電極とする方法等により形成できる。
また、上述した本発明の正極合材を静電法や塗布法により製造することもできる。
正極の厚さは、リチウムイオン電池の要求性能に合わせて適宜調整できる。
本発明のリチウムイオン電池は、上述した本発明の正極合材から得られる正極を有していればよく、固体電解質層、負極、集電体等、他の構成については公知のものが使用できる。
固体電解質層の厚さは、好ましくは0.001mm以上1mm以下である。
ポリマー系固体電解質としては、特に制限はなく、特開2010-262860に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートやこれらの誘導体、共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が使用できる。
電解質層に用いることができる硫化物系固体電解質は、下記式(1)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質を例示することができる。
LaMbPcSd…(1)
式(1)において、LはLi又はNaであり、Liであることが好ましい。
MはB、Zn、Si、Cu、Ga又はGeから選択される元素を示す。
a~dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1~12:0~0.2:1:2~9を満たす。
好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1~9:1:3~7、さらに好ましくは、a:c:d=1.5~4:1:3.25~4.5である。
各元素の組成比は、下記するように、硫化物系固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス化)していても、結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみ結晶化していてもよい。
ここで、結晶化させるとガラスよりもイオン伝導度が高くなる場合があり、その場合には結晶化させることが好ましい。
(i)結晶構造
結晶構造として、例えば、特開2002-109955に開示されているLi7PS6構造、Li4P2S6構造、Li3PS4構造、Li4SiS4構造、Li2SiS3構造、特開2005-228570やWO2007/066539に開示されているLi7P3S11構造が好ましい。
ここで、Li7P3S11構造は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有する。
上記結晶構造であれば、非晶体よりイオン伝導度が高くなるからである。
結晶構造としては、イオン伝導度が高いため、Li7P3S11が最も好ましい。
(a)結晶化度の好ましい範囲
硫化物系固体電解質の結晶化度(非晶体よりイオン伝導度が高い結晶構造の結晶化度)は、50%以上が好ましく、より好ましくは、60%以上である。
硫化物系固体電解質の結晶化度が50%未満の場合は、結晶化によりイオン伝導度を高くするという効果が少なくなるためである。
(b)結晶化度測定方法
結晶化度は、NMRスペクトル装置を用いることにより測定できる。具体的には、硫化物系固体電解質の固体31P-NMRスペクトルを測定し、得られたスペクトルについて、70-120ppmに観測される共鳴線を、非線形最少二乗法を用いたガウス曲線に分離し、各曲線の面積比を求めることにより測定できる。
負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。中でも、高い理論容量を有するケイ素、スズ、リチウム金属が好ましい。
電解質、及び導電助剤については、上述した正極合材や電解質層と同様なものが使用できる。
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には、下記のとおりである。
(1)硫化リチウムの製造
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP-硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(1)電解質前駆体[硫化物ガラス:モル比Li2S/P2S5/LiI=64.2/21.4/14.4]及び加熱処理電解質の作製
原料として、製造例1で製造した硫化リチウム0.306g(6.66×10-3mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.494g(2.22×10-3mol)、ヨウ化リチウム(アルドリッチ社製)0.200g(1.49×10-3mol)を用いた。
これらを混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P-7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉した。本操作は露点-80℃以下のアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で行った。
この電解質前駆体の結晶化温度(Tc)は189℃であった。尚、Tcは、DSC(示差走査熱量測定)により測定した。
得られたガラスセラミックスの31P-NMRスペクトルの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に示す。
(A)31P-NMRスペクトル
日本電子(株)製JNM-CMXP302NMR装置に、5mmCP/MASプローブを取り付け室温で行った。31P-NMRスペクトルは、シングルパルス法を用い、90°パルス4μs、マジック角回転の回転数8.6kHzで測定した。
化学シフトは、リン酸水素アンモニウムを外部標準(1.3ppm)として用いることにより測定した。測定範囲は、0ppm~150ppmである。
試料を断面10mmφ(断面積S=0.785cm2)、高さ(L)0.1~0.3cmの形状に成形し、その試料片の上下から電極端子を取り、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
本実施例ではリードの距離を約60cmとして測定した。
図4に示す測定装置を使用した。
測定試料を、露点-80℃の環境の窒素グローボックス内にて乳鉢でよく粉砕した。測定試料0.1gを100mlシュレンク瓶内に封入した。
次に、シュレンク瓶内に一旦水中に通した空気(ウェットエア)を500ml/分で流通させた。ウェットエアの温度は25℃、湿度は80~90%であった。
流通開始1分後~1分45秒後の間にシュレンク瓶から排出されたガスを捕集して第一サンプルガスとし、三菱化学アナリテック製TS-100を用いて、紫外蛍光法により硫黄分を定量して、サンプルガスの硫化水素濃度を算出した。尚、サンプルガスをアジレント6890(硫黄選択検出器(SIEVERS355)付)を用いてガスクロマトグラフにて定性分析したところ、硫黄分はその99%以上硫化水素ガスになっていることを確認した。
流通開始5分後~5分45秒後、流通開始10分後~10分45秒後、流通開始20分後~20分45秒後、流通開始60分後~60分45秒後にシュレンク瓶から排出されたガスについても、第一サンプルガスと同様に測定した。
硫化水素濃度と測定時間から硫化水素濃度平均値(ppm)を求めた。
硫黄(アルドリッチ製、純度99.998%)0.500gと多孔質炭素(ケッチェンブラック(KB)EC600JD、ライオン社製)0.214gを乳鉢で混合した後、混合物を密閉性のステンレス容器に入れ、電気炉にて加熱処理した。加熱条件は室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分で昇温し、2.75時間保持、その後自然冷却し、複合体を得た。
複合体の弾性回復を伴う空間率εrを図1の装置にて測定した結果、0.013であった。尚、複合体の重量mは0.1g、真密度ρpは、2.01g/cm3、加圧ロッドによる加圧を解除した後の複合体の高さLは、0.38mmであった。
尚、ケッチェンブラックの、細孔直径が100nm以下である細孔の細孔容量は2.7cc/g、ケッチェンブラックの平均細孔直径は12.7nm、BET比表面積は1365m2であった。
上記(1)で作製した電解質前駆体粉末0.5gと、上記(2)で作製した硫黄系活物質複合体0.5gとをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P-7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理した。
メカニカルミリング処理後の混合物0.5gを温度210℃に制御されたオーブン内で、予め210℃に加熱された2枚のステンレス板の間にすばやく挟み、10分間放置した。加熱した金属板に挟むことにより、試料は約2分で210℃に達する。その後、空冷し、正極合材を得た。
上記実施例1(3)において、メカニカルミリング処理後の混合物をSUS製容器に投入し、予め温度210℃に制御したオーブンにセットした。そのまま2時間放置後、空冷し、正極合材を得た。
上記実施例1(2)において、多孔質炭素に代えて活性炭(関西熱化学、MSC30)を使用した他は、実施例1と同様にして正極合材を作製した。
尚、活性炭の細孔直径が100nm以下である細孔の細孔容量は1.6cc/g、平均細孔直径は2.3nm、BET比表面積は2841m2であった。
上記実施例1(2)において、多孔質炭素に代えて活性炭(関西熱化学、MSC30)を使用した他は、実施例2と同様にして正極合材を作製した。
(1)電解質前駆体[硫化物ガラス:モル比Li2S/P2S5/LiBr=64.2/21.4/14.4] 及び加熱処理電解質の作製
原料として、製造例1で製造した硫化リチウム0.329g(7.16×10-3mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.532g(2.39×10-3mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.140g(1.61×10-3mol)を用いた以外は、実施例1(1)と同様にして作製した。
この電解質前駆体を230℃で10分間熱処理し、加熱処理固体電解質(ガラスセラミックス)を作製した。
得られたガラスセラミックスの31P-NMRスペクトルの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表2に示す。
上記実施例3において、固体電解質前駆体として上記(1)で作製したものを使用した以外は、実施例3と同様にして正極合材を作製した。
上記実施例5において、メカニカルミリング処理後の熱処理条件を230℃、10分とした以外は、実施例5と同様にして正極合材を作製した。
(1)ガラスセラミックス固体電解質(Li2S/P2S5=70/30)の作製
国際公開公報WO07/066539の実施例1に準拠した方法で製造した。
具体的には、原料として、硫化リチウム0.325g(0.00707mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を0.675g(0.00303mol)を用いた他は、実施例1(1)と同様にした。
メカニカルミリング処理をした白黄色の粉体をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物系ガラス)していることが確認できた。
得られた硫化物系ガラス0.5gをSUS製容器に投入し、予め温度300℃に制御したオーブンにセットした。そのまま2時間放置後、空冷し、ガラスセラミックス固体電解質を得た。
上記(1)で作製したガラスセラミックス固体電解質0.5gと、上記実施例1(2)で作製した硫黄系活物質複合体0.5gとをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P-7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理し、正極合材を得た。
ガラスセラミックス固体電解質に代えて、下記のガラス固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5=75/25)を使用した他は、比較例1と同様にして正極合材を作製した。
・ガラス固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5=75/25)の作製
原料として、硫化リチウム0.383g(0.00833mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を0.618g(0.00278mol)を用いた他は、比較例1(1)と同様にして、ガラス固体電解質を製造した。白黄色の粉体をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。
硫黄系活物質複合体の作製において、多孔質炭素に代えて活性炭(関西熱化学、MSC30)を使用した他は、比較例1と同様にして正極合材を作製した。
硫黄系活物質複合体の作製において、多孔質炭素に代えて活性炭(関西熱化学、MSC30)を使用した他は、比較例2と同様にして正極合材を作製した。
上記実施例及び比較例で作製した正極合材を使用して、リチウムイオン電池を作製した。
比較例1(1)で作製したガラスセラミックス固体電解質60mgを直径10mmのプラスティック製の円筒に投入し、加圧成型して、さらに正極合材を6.9mg投入し再び加圧成型した。正極合材とは反対側から、インジウム箔(厚さ0.3mm、9.5mmφ)とリチウム箔(厚さ0.2mm、9.5mmφ)を投入して、正極、固体電解質層及び負極の三層構造とし、リチウムイオン電池を作製した。
電流密度10mA/cm2で放電した際の、放電開始から10秒後の放電電圧(V10)を評価した。
正極合材の原料構成、熱処理条件及びV10を表3に示す。
電解質前駆体の種類
A:ガラス固体電解質[Li2S/P2S5/LiI=64.2/21.4/14.4]
B:ガラスセラミックス固体電解質(Li2S/P2S5=70/30)
C:ガラス固体電解質(Li2S/P2S5=75/25)
D:ガラス固体電解質[Li2S/P2S5/LiBr=64.2/21.4/14.4]
尚、上述した比較例は公知ではない。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Claims (12)
- Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質と、
硫黄系活物質と、を含む正極合材。 - 前記固体電解質が結晶成分を含む請求項1に記載の正極合材。
- Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを、原料として製造した正極合材。
- Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素を含む、固体電解質前駆体と、硫黄系活物質とを含む混合物を、加熱処理して得られる、請求項3に記載の正極合材。
- 前記固体電解質前駆体が、さらにP元素を含み、
前記固体電解質前駆体を加熱処理して得られる加熱処理固体電解質の31P-NMRスペクトルが、75.0ppm以上80.0ppm以下である第一ピーク領域に第一ピークを有し、
前記第一ピーク領域、及び86.0ppm以上92.0ppm以下の領域である第二ピーク領域以外の領域にあるピークの強度比が、前記第一ピークに対し0.5以下である、請求項3又は4に記載の正極合材。 - 前記加熱処理固体電解質の31P-NMRスペクトルが、前記第一ピーク領域及び第二ピーク領域に、それぞれピークを有する請求項5に記載の正極合材。
- 前記第一ピーク(I1)に対する、前記第二ピーク領域にある第二ピーク(I2)のピーク強度比(I2/I1)が1以上10以下である請求項5又は6に記載の正極合材。
- 前記加熱処理固体電解質の、加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である、請求項5~7のいずれかに記載の正極合材。
- Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質を含む材料と、
硫黄系活物質を含む材料と、
を含む正極合材材料。 - 請求項1~8のいずれかに記載の正極合材から製造された正極。
- 請求項1~8のいずれかに記載の正極合材を含む正極。
- 請求項10及び11に記載の正極を有するリチウムイオン電池。
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