WO2018181578A1 - Solid electrolyte and all-solid secondary battery - Google Patents

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岳歩 磯道
上野 哲也
佐々木 孝
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Abstract

Provided are: a solid electrolyte having a high lithium ion conductivity and an all-solid secondary battery using the same. The solid electrolyte is characterized by comprising a main component represented by general formula LiaM1xR2-bM2bP3-cM3cO12. (where, 0<a≤3, 0≤b<2, 0<c<3, 0≤x<0.5; M1 is K or an element having a valence number of at least 2; R is Zr or Hf; M2 is at least one selected from the group consisting of Co, V, Sn and B; and M3 is at least one selected from the group consisting of Si, B, V, Nb, Mo and W.)

Description

固体電解質および全固体二次電池Solid electrolyte and all-solid secondary battery
本発明は、固体電解質および全固体二次電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte and an all-solid secondary battery.
小型電子機器の普及に伴い、リチウムイオン二次電池の性能は大きく向上してきたが、東日本大震災以降、高い安全性や信頼性を示す蓄電池が強く望まれている。このような状況の中、実用化されているリチウムイオン二次電池は、一般的に可燃性の有機電解液を用いていることから、異常発熱や液漏れなどの安全性および信頼性に課題があった。
そのため、有機電解液を不燃性の固体電解質に置き換え、かつ他の構成部材も固体で構成した全固体二次電池の研究開発が盛んに行われている。
With the spread of small electronic devices, the performance of lithium ion secondary batteries has greatly improved. However, since the Great East Japan Earthquake, storage batteries that exhibit high safety and reliability have been strongly desired. Under such circumstances, practically used lithium ion secondary batteries use flammable organic electrolytes, so there are problems in safety and reliability such as abnormal heat generation and liquid leakage. there were.
Therefore, research and development of all-solid-state secondary batteries in which the organic electrolyte solution is replaced with a nonflammable solid electrolyte and the other constituent members are also made solid are being actively conducted.
全固体二次電池の固体電解質には、主に硫化物系固体電解質と酸化物系固体電解質がある。硫化物系固体電解質は、水と反応した際に硫化水素が発生するため、露点の管理されたグローブボックス内で電池を作製する必要がある。また、シート化するのが困難なため固体電解質層の薄層化や電池の高積層化が課題となっている。 Solid electrolytes of all-solid secondary batteries mainly include sulfide-based solid electrolytes and oxide-based solid electrolytes. Since sulfide-based solid electrolytes generate hydrogen sulfide when they react with water, it is necessary to produce a battery in a glove box with a controlled dew point. In addition, since it is difficult to form a sheet, it is a problem to reduce the thickness of the solid electrolyte layer and to increase the battery stack.
全固体二次電池は、電解液を用いた電池と比較して出力が小さいという問題がある。そこで、全固体二次電池のイオン伝導度を高めることが求められている。 An all-solid secondary battery has a problem that its output is small compared to a battery using an electrolytic solution. Therefore, it is required to increase the ionic conductivity of the all solid state secondary battery.
例えば、特許文献1には、固体電解質として酸化物系のLi1.3Al0.3Ti1.7(POを用いた全固体二次電池が記載されている。また特許文献2には、固体電解質として耐還元性に優れるZrを含むLiZr(POを用いた全固体二次電池が記載されている。さらに特許文献3には、耐還元性に優れ、菱面体晶のLi1.55Al0.2Zr1.70.1Si0.252.7512が複合化した粒子を用いた全固体二次電池が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes an all-solid-state secondary battery using oxide-based Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 as a solid electrolyte. Patent Document 2 describes an all-solid-state secondary battery using LiZr 2 (PO 4 ) 3 containing Zr having excellent reduction resistance as a solid electrolyte. Further, Patent Document 3 uses particles having excellent reduction resistance and complexed with rhombohedral Li 1.55 Al 0.2 Zr 1.7 Y 0.1 Si 0.25 P 2.75 O 12 . All-solid-state secondary batteries were described.
特開2016-1595号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-1595 特開2001-143754号公報JP 2001-143754 A 特開2012-246196号公報JP 2012-246196 A
しかしながら、特許文献1~3に記載された固体電解質を用いた全固体二次電池は、イオン伝導性が充分とは言えなかった。 However, the all-solid-state secondary battery using the solid electrolyte described in Patent Documents 1 to 3 cannot be said to have sufficient ion conductivity.
高いイオン伝導性を有する固体電解質を作製するためには、1300℃以上の高温での熱処理が必要である。しかしながら、高温で処理を行うと、正極や負極の活物質と反応 し、イオン伝導度が低下してしまう。 In order to produce a solid electrolyte having high ion conductivity, heat treatment at a high temperature of 1300 ° C. or higher is required. However, when the treatment is performed at a high temperature, it reacts with the active material of the positive electrode or the negative electrode, and the ionic conductivity decreases.
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、高いリチウムイオン伝導性を有する固体電解質及び、これを用いた全固体二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a solid electrolyte having high lithium ion conductivity and an all-solid-state secondary battery using the same.
本発明者らは、LiZr(PO組成の固体電解質を構成するLi,ZrおよびPの一部を他の元素で置換することにより、固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上することを見出した。さらに、Li,ZrおよびPの一部を他の元素で置換した固体電解質を用いることによって、全固体二次電池のリチウムイオン伝導性を向上し、放電容量を向上させることがきた。
したがって、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors have improved the lithium ion conductivity of the solid electrolyte by substituting a part of Li, Zr, and P constituting the solid electrolyte of the LiZr 2 (PO 4 ) 3 composition with other elements. I found it. Further, by using a solid electrolyte in which a part of Li, Zr, and P is substituted with another element, lithium ion conductivity of the all-solid secondary battery can be improved and the discharge capacity can be improved.
Therefore, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.
本発明にかかる固体電解質は、一般式LiM12-bM23-cM312で表され、一般式中のM1、R、M2、M3は、以下のものを示す。M1:Kおよび2価以上の価数をもつ元素であり、M2:Co,V,SnおよびBからなる群より選択される少なくとも一種であり、M3:Si,B,V,Nb,MoおよびW からなる群より選択される少なくとも一種であり、R:ZrまたはHfであり、また、一般式中のa、b、cおよびxの関係は、0<a≦3、0≦b<2、0<c<3、0≦x<0.5 ことを特徴とする。 The solid electrolyte according to the present invention are represented by the general formula Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 c O 12, M1 in the formula, R, M2, M3 represents the following: . M1: an element having K and a valence of 2 or more; M2: at least one selected from the group consisting of Co, V, Sn and B; M3: Si, B, V, Nb, Mo and W At least one selected from the group consisting of: R: Zr or Hf, and the relationship of a, b, c and x in the general formula is 0 <a ≦ 3, 0 ≦ b <2, 0 <C <3, 0 ≦ x <0.5.
かかる構成によれば、固体電解質構成元素と価数の異なる元素やイオン半径が異なる元素を置換させることで、結晶構造内に欠陥を生成させることができる。この欠陥により、電荷的中性を保つために、固体電解質のキャリアであるホールまたはイオンが生成され、結果としてキャリア数が増える。これにより、移動可能なキャリアが増えるため、イオン伝導性を向上させることができると考えている。 According to such a configuration, it is possible to generate a defect in the crystal structure by substituting an element having a valence different from that of the solid electrolyte constituent element or an element having a different ionic radius. Due to this defect, holes or ions that are carriers of the solid electrolyte are generated in order to maintain charge neutrality, resulting in an increase in the number of carriers. As a result, the number of movable carriers increases, so that ion conductivity can be improved.
本発明にかかる固体電解質は、前記一般式中のM1についてMg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,YおよびNbからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする。 The solid electrolyte according to the present invention is at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, Y and Nb for M1 in the general formula.
かかる構成によれば、Liサイトに欠陥を導入することで、リチウムイオン伝導に寄与するキャリア数を増加させることができる。よって、リチウムイオン伝導性をさらに向上させることができると考えている。 According to such a configuration, the number of carriers contributing to lithium ion conduction can be increased by introducing defects at the Li site. Therefore, it is thought that lithium ion conductivity can be further improved.
上記、固体電解質を用いた全固体二次電池は、固体電解質層のリチウムイオン抵抗を低減させることができる。そのため、固体電解質層でのエネルギーロスが少なくなり、容量に寄与する活物質層でのエネルギーの使用が可能になるため、全固体二次電池の容量を向上させることができると考えている。 The all solid state secondary battery using the solid electrolyte can reduce the lithium ion resistance of the solid electrolyte layer. Therefore, energy loss in the solid electrolyte layer is reduced, and energy can be used in the active material layer that contributes to the capacity, so that the capacity of the all-solid-state secondary battery can be improved.
本発明にかかる全固体二次電池は、一対の電極層と、この一対の電極層の間に設けられた前記固体電解質を有する固体電解質層とが、相対密度80%以上であることを特徴とする。 An all solid state secondary battery according to the present invention is characterized in that a pair of electrode layers and a solid electrolyte layer having the solid electrolyte provided between the pair of electrode layers have a relative density of 80% or more. To do.
本発明によれば、高いリチウムイオン伝導性を有する固体電解質及び、これを用いた全固体二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid electrolyte which has high lithium ion conductivity, and the all-solid-state secondary battery using the same can be provided.
本実施形態の全固体二次電池の要部を拡大した断面模式図である。It is the cross-sectional schematic diagram which expanded the principal part of the all-solid-state secondary battery of this embodiment.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.
[全固体二次電池]
図1は、本実施形態の全固体二次電池の要部を拡大した断面模式図である。図1に示すように、全固体二次電池10は、第1電極層1と第2電極層2と固体電解質3とを有する積層体4を備える。
[All-solid secondary battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view enlarging a main part of the all solid state secondary battery of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the all solid state secondary battery 10 includes a laminate 4 having a first electrode layer 1, a second electrode layer 2, and a solid electrolyte 3.
第1電極層1はそれぞれ第1外部端子5に接続され、第2電極層2はそれぞれ第2外部端子6に接続されている。第1外部端子5及び第2外部端子6は、外部との電気的な接点である。 Each first electrode layer 1 is connected to a first external terminal 5, and each second electrode layer 2 is connected to a second external terminal 6. The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are electrical contacts with the outside.
(積層体)
積層体4は、第1電極層1と第2電極層2と固体電解質3とを有する。第1電極層1 と、第2電極層2は、いずれか一方が正極として機能し、他方が負極として機能する。電極層の正負は、外部端子にいずれの極性を繋ぐかによって変化する。以下、理解を容易にするために、第1電極層1を正極層1とし、第2電極層2を負極層2とする。
(Laminate)
The stacked body 4 includes a first electrode layer 1, a second electrode layer 2, and a solid electrolyte 3. One of the first electrode layer 1 and the second electrode layer 2 functions as a positive electrode, and the other functions as a negative electrode. The polarity of the electrode layer varies depending on which polarity is connected to the external terminal. Hereinafter, in order to facilitate understanding, the first electrode layer 1 is referred to as a positive electrode layer 1, and the second electrode layer 2 is referred to as a negative electrode layer 2.
積層体4において正極層1と負極層2は、固体電解質3を介して交互に積層されている。正極層1と負極層2の間で固体電解質3を介したリチウムイオンの授受により、全固体二次電池10の充放電が行われる。 In the laminate 4, the positive electrode layers 1 and the negative electrode layers 2 are alternately laminated via the solid electrolyte 3. The charging / discharging of the all-solid-state secondary battery 10 is performed by exchanging lithium ions between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2 via the solid electrolyte 3.
[固体電解質]
本実施形態にかかる固体電解質3は、リチウムイオン伝導性に優れる材料が好ましく、以下の一般式(1)で表記されることが好ましい。
LiM12-bM23-cM312・・・(1)
一般式(1)は、0<a≦4、0≦b<2、0<c<3、0≦x<0.5を満たし、
一般式(1)におけるM1、M2、M3およびRは、以下のものを示す。
M1:Kおよび2価以上の価数をもつ元素、
M2:Co,V,SnおよびBからなる群より選択される少なくとも一種の元素、
M3:Si,B,V,Nb,MoおよびWからなる群より選択される少なくとも一種の元素
R:ZrまたはHf。
[Solid electrolyte]
The solid electrolyte 3 according to the present embodiment is preferably a material excellent in lithium ion conductivity, and is preferably represented by the following general formula (1).
Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 c O 12 (1)
General formula (1) satisfies 0 <a ≦ 4, 0 ≦ b <2, 0 <c <3, 0 ≦ x <0.5,
M1, M2, M3 and R in the general formula (1) are as follows.
M1: an element having K and a valence of 2 or more,
M2: at least one element selected from the group consisting of Co, V, Sn and B,
M3: At least one element selected from the group consisting of Si, B, V, Nb, Mo and W R: Zr or Hf.
かかる構成によれば、固体電解質構成元素と価数の異なる元素やイオン半径が異なる元素を置換させることで、結晶構造内に欠陥を生成させることができる。この欠陥により、電荷的中性を保つために、固体電解質のキャリアであるホールまたはイオンが生成され、結果としてキャリア数が増える。これにより、移動可能なキャリアが増えるため、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。 According to such a configuration, it is possible to generate a defect in the crystal structure by substituting an element having a valence different from that of the solid electrolyte constituent element or an element having a different ionic radius. Due to this defect, holes or ions that are carriers of the solid electrolyte are generated in order to maintain charge neutrality, resulting in an increase in the number of carriers. Thereby, since the movable carrier increases, lithium ion conductivity can be improved.
本実施形態にかかる固体電解質3は、M1がMg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、YおよびNbからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする。 The solid electrolyte 3 according to this embodiment is characterized in that M1 is at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, Y, and Nb.
かかる構成によれば、Liサイトに欠陥を導入することで、イオン伝導に寄与するキャリア数を増加させることができる。よって、リチウムイオン伝導性をさらに向上させることができる。 According to such a configuration, the number of carriers contributing to ionic conduction can be increased by introducing defects into the Li site. Therefore, lithium ion conductivity can be further improved.
一般式(1)で表される物質の結晶構造は、単斜晶、斜方晶、三斜晶、菱面体晶のいずれかであることが好ましく、より好ましくは三斜晶または菱面体晶であること、最も好ましくは菱面体晶である。これらの結晶構造は、イオン伝導性に寄与する経路が三次元的に存在し、イオン伝導性に優れる。 The crystal structure of the substance represented by the general formula (1) is preferably monoclinic, orthorhombic, triclinic, or rhombohedral, more preferably triclinic or rhombohedral. And most preferably rhombohedral. These crystal structures are excellent in ionic conductivity because paths contributing to ionic conductivity exist three-dimensionally.
本実施形態にかかる全固体二次電池10は、前記一般式(1)で表される固体電解質3を用いることを特徴とする。 The all-solid-state secondary battery 10 according to the present embodiment uses the solid electrolyte 3 represented by the general formula (1).
かかる構成によれば、前記一般式(1)で表される固体電解質を用いることで、全固体二次電池10における固体電解質のリチウムイオン抵抗を低減させることができる。そのため、固体電解質での電圧ロス(エネルギーロス)を低減し、容量に寄与する活物質層でよりエネルギーの使用が可能になるため、全固体二次電池の容量を向上させることが出来る。 According to this configuration, by using the solid electrolyte represented by the general formula (1), it is possible to reduce the lithium ion resistance of the solid electrolyte in the all-solid secondary battery 10. Therefore, voltage loss (energy loss) in the solid electrolyte is reduced, and more energy can be used in the active material layer contributing to the capacity, so that the capacity of the all-solid-state secondary battery can be improved.
所望の固体電解質の確認には、X線回折(XRD)が用いられる。XRDによって得られたスペクトルと既知の菱面体晶LiZr(POのXRDスペクトルとフィッティングすることで確認ができる。さらに、XRDによって得られたスペクトルをリートベルト解析することで、作製した固体電解質の格子定数を見積もることが出来る。この格子定数の変化から結晶構造内への置換の有無を確認することができる。 X-ray diffraction (XRD) is used to confirm the desired solid electrolyte. It can be confirmed by fitting the spectrum obtained by XRD with the XRD spectrum of the known rhombohedral LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Furthermore, the lattice constant of the produced solid electrolyte can be estimated by performing Rietveld analysis of the spectrum obtained by XRD. The presence or absence of substitution in the crystal structure can be confirmed from the change in the lattice constant.
一般的に、構成元素よりも置換する元素のイオン半径が大きければ格子定数は大きくなり、構成元素よりも置換する元素のイオン半径が小さければ格子定数は小さくなる。 In general, the lattice constant increases if the ionic radius of the element to be substituted is larger than that of the constituent element, and the lattice constant decreases if the ionic radius of the element to be substituted is smaller than that of the constituent element.
さらに誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)を用い含有元素を特定し、所望の組成の固体電解質が作製できたかを確認することができる。 Further, the inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) can be used to identify the contained elements and confirm whether a solid electrolyte having a desired composition has been produced.
[正極層および負極層]
正極層1は、正極集電体層1Aと、正極活物質を含む正極活物質層1Bとを有する。負極層2は、負極集電体層2Aと、負極活物質を含む負極活物質層2Bとを有する。
[Positive electrode layer and negative electrode layer]
The positive electrode layer 1 includes a positive electrode current collector layer 1A and a positive electrode active material layer 1B containing a positive electrode active material. The negative electrode layer 2 includes a negative electrode current collector layer 2A and a negative electrode active material layer 2B containing a negative electrode active material.
正極集電体層1A及び負極集電体層2Aは、導電率が高いことが好ましい。そのため、正極集電体層1A及び負極集電体層2Aには、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケル等を用いることが好ましい。これらの物質の中でも、銅は正極活物質、負極活物質及び固体電解質と反応しにくい。そのため、正極集電体層1A及び負極集電体層2Aに銅を用いると、全固体二次電池10の内部抵抗を低減することができる。なお、正極集電体層1Aと負極集電体層2Aを構成する物質は、同一でもよいし、異なってもよい。 The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A preferably have high electrical conductivity. Therefore, it is preferable to use, for example, silver, palladium, gold, platinum, aluminum, copper, nickel or the like for the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A. Among these materials, copper hardly reacts with the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the solid electrolyte. Therefore, when copper is used for the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A, the internal resistance of the all-solid-state secondary battery 10 can be reduced. The materials constituting the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A may be the same or different.
正極活物質層1Bは、正極集電体層1Aの片面又は両面に形成される。例えば、全固体二次電池10の積層方向の最上層に位置する正極層1は、対向する負極層2が無い。そのため、全固体二次電池10の最上層に位置する正極層1において正極活物質層1Bは、積層方向下側の片面のみにあればよい。負極活物質層2Bも正極活物質層1Bと同様に、負極集電体層2Aの片面又は両面に形成される。
正極活物質層1B及び負極活物質層2Bは、電子を授受する正極活物質及び負極活物質を含む。この他、導電助剤や結着剤等を含んでもよい。正極活物質及び負極活物質は、リチウムイオンを効率的に挿入、脱離できることが好ましい。
The positive electrode active material layer 1B is formed on one side or both sides of the positive electrode current collector layer 1A. For example, the positive electrode layer 1 located in the uppermost layer in the stacking direction of the all-solid-state secondary battery 10 does not have the opposing negative electrode layer 2. Therefore, in the positive electrode layer 1 located at the uppermost layer of the all-solid-state secondary battery 10, the positive electrode active material layer 1B only needs to be on one side on the lower side in the stacking direction. Similarly to the positive electrode active material layer 1B, the negative electrode active material layer 2B is formed on one or both surfaces of the negative electrode current collector layer 2A.
The positive electrode active material layer 1B and the negative electrode active material layer 2B include a positive electrode active material and a negative electrode active material that transfer and receive electrons. In addition, a conductive auxiliary agent, a binder, and the like may be included. It is preferable that the positive electrode active material and the negative electrode active material can efficiently insert and desorb lithium ions.
正極活物質及び負極活物質には、例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いることが好ましい。具体的には、リチウムマンガン複合酸化物LiMnMa1-a(0.8≦a≦1、Ma=Co、Ni)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、一般式:LiNiCoMn(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMbPO(ただし、Mbは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素)、リン酸バナジウムリチウム(Li(PO又はLiVOPO)、LiMnO-LiMcO(Mc=Mn、Co、Ni)で表されるLi過剰系固溶体正極、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<s<1.3、0.9<t+u+v<1.1)で表される複合金属酸化物等を用いることができる。 For the positive electrode active material and the negative electrode active material, for example, a transition metal oxide or a transition metal composite oxide is preferably used. Specifically, lithium manganese composite oxide Li 2 Mn a Ma 1-a O 3 (0.8 ≦ a ≦ 1, Ma = Co, Ni), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2) ), Lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), general formula: LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) Complex metal oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMbPO 4 (where Mb is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, Zr) ), lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or LiVOPO 4), Li 2 MnO 3 -LiMcO 2 (Mc = Mn, Co, represented by Ni) L Table with excess solid solution positive electrode, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12) , Li s Ni t Co u Al v O 2 (0.9 <s <1.3,0.9 <t + u + v <1.1) The composite metal oxide etc. which can be used can be used.
また固体電解質3に合わせて、負極活物質及び正極活物質を選択してもよい。
例えば、固体電解質3に一般式(1)の化合物を用いる場合は、正極活物質及び負極活物質にLiVOPO及びLi(POのうち一方又は両方を用いることが好ましい。正極活物質層1B及び負極活物質層2Bと固体電解質3との界面における接合が、強固なものになる。また正極活物質層1B及び負極活物質層2Bと固体電解質3との界面における接触面積を広くできる点で好ましい。
Further, a negative electrode active material and a positive electrode active material may be selected according to the solid electrolyte 3.
For example, when using the compound of the general formula (1) for the solid electrolyte 3, it is preferable to use one or both of LiVOPO 4 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 for the positive electrode active material and the negative electrode active material. Bonding at the interface between the positive electrode active material layer 1B and the negative electrode active material layer 2B and the solid electrolyte 3 becomes strong. Moreover, it is preferable at the point which can make the contact area in the interface of the positive electrode active material layer 1B and the negative electrode active material layer 2B, and the solid electrolyte 3 wide.
正極活物質層1B又は負極活物質層2Bを構成する活物質には明確な区別がなく、2種類の化合物の電位を比較して、より貴な電位を示す化合物を正極活物質として用い、より卑な電位を示す化合物を負極活物質として用いることができる。 There is no clear distinction between the active materials constituting the positive electrode active material layer 1B or the negative electrode active material layer 2B, the potentials of two kinds of compounds are compared, and a compound showing a more noble potential is used as the positive electrode active material. A compound exhibiting a base potential can be used as the negative electrode active material.
また、正極集電体層1A及び負極集電体層2Aは、それぞれ正極活物質及び負極活物質を含んでもよい。それぞれの集電体に含まれる活物質の含有比は、集電体として機能する限り特に限定はされない。例えば、正極集電体/正極活物質、又は負極集電体/負極活物質が体積比率で90/10から70/30の範囲であることが好ましい。 The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A may include a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively. The content ratio of the active material contained in each current collector is not particularly limited as long as it functions as a current collector. For example, the positive electrode current collector / positive electrode active material or the negative electrode current collector / negative electrode active material preferably has a volume ratio in the range of 90/10 to 70/30.
正極集電体層1A及び負極集電体層2Aがそれぞれ正極活物質及び負極活物質を含むことにより、正極集電体層1Aと正極活物質層1B及び負極集電体層2Aと負極活物質層2 Bとの密着性が向上する点で好ましい。 The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A contain a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively, so that the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B, the negative electrode current collector layer 2A, and the negative electrode active material It is preferable at the point which adhesiveness with layer 2 B improves.
(端子)
全固体二次電池10の第1外部端子5及び第2外部端子6は、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズ、ニッケルを用いることができる。第1外部端子5及び第2外部端子6は、単層でも複数層でもよい。
(Terminal)
The first external terminal 5 and the second external terminal 6 of the all-solid-state secondary battery 10 are preferably made of a material having a high conductivity. For example, silver, gold, platinum, aluminum, copper, tin, or nickel can be used. The first external terminal 5 and the second external terminal 6 may be a single layer or a plurality of layers.
(保護層)
また全固体二次電池10は、積層体4や端子を電気的、物理的、化学的に保護する保護層を積層体4の外周に有してもよい。保護層を構成する材料としては絶縁性、耐久性、耐湿性に優れ、環境的に安全であることが好ましい。たとえば、ガラスやセラミックス、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を用いるのが好ましい。保護層の材料は1種類だけでも良いし、複数を併用してもよい。また、保護層は単層でもよいが、複数層備えていた方が好まし い。その中でも熱硬化性樹脂とセラミックスの粉末を混合させた有機無機ハイブリットが特に好ましい。
(Protective layer)
The all-solid-state secondary battery 10 may have a protective layer on the outer periphery of the multilayer body 4 that electrically, physically, and chemically protects the multilayer body 4 and the terminals. The material constituting the protective layer is preferably excellent in insulation, durability and moisture resistance and environmentally safe. For example, it is preferable to use glass, ceramics, thermosetting resin, or photocurable resin. Only one type of material for the protective layer may be used, or a plurality of materials may be used in combination. Further, the protective layer may be a single layer, but it is preferable to provide a plurality of layers. Among these, an organic-inorganic hybrid in which a thermosetting resin and ceramic powder are mixed is particularly preferable.
[製造方法]
(全固体二次電池の製造方法)
全固体二次電池10の製造方法は、同時焼成法を用いてもよいし、逐次焼成法を用いてもよい。
同時焼成法は、各層を形成する材料を積層し、一括焼成により積層体を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を順に作製する方法であり、各層を作製する毎に焼成工程が入る。同時焼成法を用いた方が、全固体二次電池10の作業工程を少なくすることができる。また同時焼成法を用いた方が、得られる積層体4が緻密になる。以下、同時焼成法を用いる場合を例に全固体二次電池10の製造方法を説明する。
[Production method]
(Method for manufacturing all-solid-state secondary battery)
The method for manufacturing the all-solid-state secondary battery 10 may use a simultaneous firing method or a sequential firing method.
The co-firing method is a method in which materials for forming each layer are laminated and a laminated body is manufactured by batch firing. The sequential firing method is a method of sequentially producing each layer, and a firing step is included every time each layer is produced. Using the co-firing method can reduce the work steps of the all-solid-state secondary battery 10. Moreover, the laminate 4 obtained becomes denser when the co-firing method is used. Hereinafter, the manufacturing method of the all-solid-state secondary battery 10 will be described taking the case of using the simultaneous firing method as an example.
同時焼成法は、積層体4を構成する各材料のペーストを作製する工程と、ペーストを塗布乾燥してグリーンシートを作製する工程と、グリーンシートを積層し、作製した積層シートを同時焼成する工程とを有する。 The simultaneous firing method includes a step of producing a paste of each material constituting the laminate 4, a step of applying and drying the paste to produce a green sheet, and a step of laminating the green sheets and simultaneously firing the produced laminated sheet. And have.
まず積層体4を構成する正極集電体層1A、正極活物質層1B、固体電解質3、負極活物質層2B、及び負極集電体層2Aの各材料をペースト化する。 First, each material of the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B, the solid electrolyte 3, the negative electrode active material layer 2B, and the negative electrode current collector layer 2A constituting the laminate 4 is made into a paste.
ペースト化の方法は、特に限定されない。例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストが得られる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒、バインダーが含まれる。かかる方法により、正極集電体層1A用のペース ト、正極活物質層1B用のペースト、固体電解質3用のペースト、負極活物質層2B用のペースト、及び負極集電体層2A用のペーストを作製する。 The method of pasting is not particularly limited. For example, a paste can be obtained by mixing powder of each material in a vehicle. Here, the vehicle is a general term for the medium in the liquid phase. The vehicle includes a solvent and a binder. By this method, the paste for the positive electrode current collector layer 1A, the paste for the positive electrode active material layer 1B, the paste for the solid electrolyte 3, the paste for the negative electrode active material layer 2B, and the paste for the negative electrode current collector layer 2A Is made.
次いで、グリーンシートを作製する。グリーンシートは、作製したペーストをPET
(ポリエチレンテレフタラート)などの基材上に所望の順序で塗布し、必要に応じ乾燥させた後、基材を剥離し、得られる。ペーストの塗布方法は、特に限定されない。例えば、スクリーン印刷、塗布、転写、ドクターブレード等の公知の方法を採用することができる。
Next, a green sheet is produced. For green sheets, the paste produced is PET
It is obtained by applying the coating material in a desired order on a base material such as (polyethylene terephthalate) and drying it as necessary. The method for applying the paste is not particularly limited. For example, known methods such as screen printing, coating, transfer, doctor blade, etc. can be employed.
作製したそれぞれのグリーンシートは、所望の順序、積層数で積み重ねられる。必要に応じアライメント、切断等を行い、積層体を作製する。並列型又は直並列型の電池を作製する場合は、正極集電体層の端面と負極集電体層の端面が一致しないようにアライメントを行い積み重ねるのが好ましい。 The produced green sheets are stacked in the desired order and the number of layers. Alignment, cutting, etc. are performed as necessary to produce a laminate. In the case of producing a parallel type or series-parallel type battery, it is preferable to align and stack the end surfaces of the positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer so as not to coincide with each other.
積層体を作製するに際し、以下に説明する正極活物質層ユニット及び負極活物質層ユニットを準備し、積層体を作製してもよい。 When producing a laminated body, you may prepare the positive electrode active material layer unit and negative electrode active material layer unit which are demonstrated below, and may produce a laminated body.
まずPETフィルム上に固体電解質3用ペーストをドクターブレード法でシート状に形成し、乾燥して固体電解質3を形成する。得られた固体電解質3上に、スクリーン印刷により正極活物質層1B用ペーストを印刷し乾燥して、正極活物質層1Bを形成する。 First, a solid electrolyte 3 paste is formed into a sheet shape on a PET film by a doctor blade method, and dried to form the solid electrolyte 3. On the solid electrolyte 3 obtained, the positive electrode active material layer 1B paste is printed by screen printing and dried to form the positive electrode active material layer 1B.
次いで、作製された正極活物質層1B用ペースト上に、スクリーン印刷により正極集電体層1A用ペーストを印刷し乾燥し、正極集電体層1Aを形成する。得られた正極集電体層1A上に、スクリーン印刷により正極活物質層1B用ペーストを再度印刷し、乾燥して正極活物質層1Bを形成する。そして、PETフィルムを剥離することで正極活物質層ユニットを作製する。正極活物質層ユニットは、固体電解質3/正極活物質層1B/正極集電体層1A/正極活物質層1Bがこの順で積層されている。 Next, the positive electrode current collector layer 1A paste is printed on the produced positive electrode active material layer 1B paste by screen printing and dried to form the positive electrode current collector layer 1A. On the obtained positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B paste is printed again by screen printing and dried to form the positive electrode active material layer 1B. And a positive electrode active material layer unit is produced by peeling a PET film. In the positive electrode active material layer unit, solid electrolyte 3 / positive electrode active material layer 1B / positive electrode current collector layer 1A / positive electrode active material layer 1B are laminated in this order.
同様の手順にて負極活物質層ユニットも作製する。負極活物質層ユニットは、固体電解質3/負極活物質層2B/負極集電体層2A/負極活物質層2Bがこの順に積層されている。 A negative electrode active material layer unit is also produced in the same procedure. In the negative electrode active material layer unit, solid electrolyte 3 / negative electrode active material layer 2B / negative electrode current collector layer 2A / negative electrode active material layer 2B are laminated in this order.
正極活物質層ユニット一枚と負極活物質層ユニット一枚を、積層する。この際、正極活物質層ユニットの固体電解質3と負極活物質層ユニットの負極活物質層2B、もしくは正極活物質層ユニットの正極活物質層1Bと負極活物質層ユニットの固体電解質3とが接するように積層する。これによって、正極活物質層1B/正極集電体層1A/正極活物質層1B/固体電解質3/負極活物質層2B/負極集電体層2A/負極活物質層2B/固体電解質3がこの順で積層されている積層体が得られる。一枚目の正極活物質層ユニットの正極集電体層1Aが一の端面にのみ延出し、二枚目の負極活物質層ユニットの負極集電体層2Aが他の面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねる。積み重ねられたユニットの両面に所定厚みの固体電解質3用シートをさらに積み重ね、積層体を作製す る。 One positive electrode active material layer unit and one negative electrode active material layer unit are laminated. At this time, the solid electrolyte 3 of the positive electrode active material layer unit and the negative electrode active material layer 2B of the negative electrode active material layer unit, or the positive electrode active material layer 1B of the positive electrode active material layer unit and the solid electrolyte 3 of the negative electrode active material layer unit are in contact. Laminate as follows. Thus, the positive electrode active material layer 1B / the positive electrode current collector layer 1A / the positive electrode active material layer 1B / the solid electrolyte 3 / the negative electrode active material layer 2B / the negative electrode current collector layer 2A / the negative electrode active material layer 2B / the solid electrolyte 3 A laminated body laminated in order is obtained. The positive electrode current collector layer 1A of the first positive electrode active material layer unit extends only to one end surface, and the negative electrode current collector layer 2A of the second negative electrode active material layer unit extends only to the other surface. As you move the units, stack them. Sheets for solid electrolyte 3 having a predetermined thickness are further stacked on both surfaces of the stacked units to prepare a laminate.
作製した積層体を一括して圧着する。圧着は加熱しながら行うが、加熱温度は、例えば、40~95℃とする。 The produced laminate is pressed together. The pressure bonding is performed while heating, and the heating temperature is, for example, 40 to 95 ° C.
圧着した積層体を、例えば、窒素雰囲気下で600℃~1000℃に加熱し焼成を行うことにより焼結体を得る。焼成時間は、例えば、0.1~3時間とする。
焼結体をアルミナなどの研磨材とともに円筒型の容器に入れ、バレル研磨してもよい。これにより積層体の角の面取りをすることができる。そのほかの方法としてサンドブラストにて研磨しても良い。この方法では特定の部分のみを削ることができるため好ましい。
The laminated body that has been pressure-bonded is heated to, for example, 600 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere and fired to obtain a sintered body. The firing time is, for example, 0.1 to 3 hours.
The sintered body may be put into a cylindrical container together with an abrasive such as alumina and barrel-polished. Thereby, the corners of the laminate can be chamfered. As another method, polishing may be performed by sandblasting. This method is preferable because only a specific portion can be removed.
(端子形成)
積層体4に第1外部端子5と第2外部端子6をつける。第1外部端子5及び第2外部端子6は、正極集電体層1Aと負極集電体層2Aにそれぞれ電気的に接触するよう形成する。例えば、積層体4の側面から露出した正極集電体層1Aと負極集電体層2Aに対しスパッタ法やディッピング法、スプレーコート法等の公知の方法を用いることにより形成できる。所定の部分にのみ形成する際は、例えばテープにてマスキング等を施して形成する。
(Terminal formation)
The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are attached to the laminate 4. The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are formed so as to be in electrical contact with the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A, respectively. For example, the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A exposed from the side surface of the laminate 4 can be formed by using a known method such as a sputtering method, a dipping method, or a spray coating method. When forming only on a predetermined part, it forms by masking etc. with a tape, for example.
焼結された前記積層体4の、一対の電極層と、この一対の電極層の間に設けられた固体電解質を有する固体電解質層の相対密度が80%以上であってもよい。相対密度が高い方が結晶内の可動イオンの拡散パスがつながりやすくなり、イオン伝導性が向上する。 80% or more may be sufficient as the relative density of the solid electrolyte layer which has a solid electrolyte provided between a pair of electrode layer and this pair of electrode layer of the said laminated body 4 sintered. The higher the relative density, the easier it is for the mobile ion diffusion path in the crystal to be connected, and the ionic conductivity is improved.
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the configurations and combinations of the embodiments in the embodiments are examples, and the addition and omission of configurations are within the scope not departing from the gist of the present invention. , Substitutions, and other changes are possible.
一般式LiM12-bM23-cM312で表される固体電解質において、Pの一部をB、Si、VまたはMoに置換した時のリチウムイオン伝導度の値を表1に示す。 In the solid electrolyte represented by the general formula Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 c O 12, a portion of P B, Si, the lithium ion conductivity when substituted with V or Mo Values are shown in Table 1.
[実施例1]
固体電解質の原料について、LiCOを1.419g、ZrOを7.886g、NHPOを10.67g、HBOを0.198g秤量した。
[Example 1]
About the raw material of the solid electrolyte, 1.419 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 10.67 g of NH 4 H 2 PO 4, and 0.198 g of H 3 BO 3 were weighed.
秤量した原料、エタノールおよびジルコニアボールをポリエチレン製のポットミルに投入し、120rpmで16時間、混合・粉砕を行った。 The weighed raw materials, ethanol and zirconia balls were put into a polyethylene pot mill, and mixed and pulverized at 120 rpm for 16 hours.
混合・粉砕後、スラリーとジルコニボールに分離し、スラリーを乾燥し、混合粉を得た。得られた混合粉をMgO容器に入れ、800℃で2時間、さらに1000℃で2時間、大気雰囲気中で焼成を行い、焼成粉末を得た。 After mixing and grinding, the slurry and zirconi balls were separated, and the slurry was dried to obtain mixed powder. The obtained mixed powder was put into a MgO container and baked in the air atmosphere at 800 ° C. for 2 hours and further at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a baked powder.
焼成粉末、エタノールおよびジルコニアボールをポットミルに投入し、120rpmで16時間、粉砕を行った。 The fired powder, ethanol and zirconia balls were put into a pot mill and pulverized at 120 rpm for 16 hours.
粉砕後、スラリーとジルコニアボールに分離し、スラリーを乾燥し、固体電解質粉末を得た。 After pulverization, the slurry was separated into zirconia balls and the slurry was dried to obtain a solid electrolyte powder.
[評価]
得られた固体電解質粉末についてそれぞれ、化学組成、結晶構造、そしてリチウムイオン伝導度を、下記の方法により測定した。
[Evaluation]
Each of the obtained solid electrolyte powders was measured for chemical composition, crystal structure, and lithium ion conductivity by the following methods.
(化学組成)
固体電解質粉末を酸に溶解した。得られた溶液中のLi,Zr,P,Bの含有量をIC P-AESで測定し、固体電解質粉末中の含有量に換算した。
(Chemical composition)
The solid electrolyte powder was dissolved in acid. The contents of Li, Zr, P, and B in the obtained solution were measured by IC P-AES and converted to the contents in the solid electrolyte powder.
(結晶構造)
固体電解質粉末のX線回折パターンを、粉末X線回折法により測定した。得られたX線回折パターンを用いて、固体電解質粉末の結晶構造を同定した。リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じX線回折パターンであった。
(Crystal structure)
The X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte powder was measured by a powder X-ray diffraction method. The crystal structure of the solid electrolyte powder was identified using the obtained X-ray diffraction pattern. It was the same X-ray diffraction pattern as lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 .
(リチウムイオン伝導度)
固体電解質粉末0.5gを直径12mmの金型に入れ、2.0t/cmの圧力で冷間プレスした後、900℃で2時間焼成して固体電解質焼結体を得た。得られた固体電解質焼結体の両面に、金スパッタを行うことにより金電極を形成した。リチウムイオン伝導度 は、インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製型番SI1260)を用い、振幅50mV、周波数0.1Hzから1MHzの条件で測定した。
(Lithium ion conductivity)
A solid electrolyte powder 0.5 g was put into a mold having a diameter of 12 mm, cold-pressed at a pressure of 2.0 t / cm 2 , and then fired at 900 ° C. for 2 hours to obtain a solid electrolyte sintered body. Gold electrodes were formed on both surfaces of the obtained solid electrolyte sintered body by performing gold sputtering. The lithium ion conductivity was measured using an impedance measuring device (model number SI1260 manufactured by Solartron) under the conditions of an amplitude of 50 mV and a frequency of 0.1 Hz to 1 MHz.
[実施例2]
固体電解質の原料について、LiCOを1.655g、ZrOを7.886g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 2]
Example 1 except that 1.655 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 10.302 g of NH 4 H 2 PO 4 , and 0.396 g of H 3 BO 3 were weighed for the solid electrolyte raw material. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例3]
固体電解質の原料について、LiCOを1.891g、ZrOを7.886g、NHPOを9.934g、HBOを0.593g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 3]
Example 1 except that 1.891 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 9.934 g of NH 4 H 2 PO 4, and 0.593 g of H 3 BO 3 were weighed as the solid electrolyte raw material. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例4]
固体電解質の原料について、LiCOを2.128g、ZrOを7.886g、NHPOを9.566g、HBOを0.791g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 4]
Example 1 except that 2.128 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 9.566 g of NH 4 H 2 PO 4, and 0.791 g of H 3 BO 3 were weighed as the solid electrolyte raw material. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例5]
固体電解質の原料について、LiCOを2.364g、ZrOを7.886g、NHPOを9.198g、HBOを0.989g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 5]
Except for weighing 2.364 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 9.198 g of NH 4 H 2 PO 4 and 0.989 g of H 3 BO 3 for the raw material of the solid electrolyte, Example 1 and Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例6]
固体電解質の原料について、LiCOを3.546g、ZrOを7.886g、NHPOを7.359g、HBOを1.978g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 6]
Except for weighing the solid electrolyte raw material 3.546 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 7.359 g of NH 4 H 2 PO 4, and 1.978 g of H 3 BO 3 , Example 1 and Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例7]
固体電解質の原料について、LiCOを4.019g、ZrOを7.886g、NHPOを6.623g、HBOを2.374g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 7]
Except that 4.09 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 6.623 g of NH 4 H 2 PO 4, and 2.374 g of H 3 BO 3 were weighed as the solid electrolyte raw material, and Example 1 Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例8]
固体電解質の原料について、LiCOを4.728g、ZrOを7.886g、NHPOを5.519g、HBOを2.967g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 8]
The raw material of the solid electrolyte was the same as in Example 1 except that 4.728 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 5.519 g of NH 4 H 2 PO 4, and 2.967 g of H 3 BO 3 were weighed. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例9]
固体電解質の原料について、LiCOを1.300g、ZrOを7.886g、NHPOを10.302g、SiOを0.385g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 9]
Except for weighing 1.300 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 10.302 g of NH 4 H 2 PO 4 and 0.385 g of SiO 2 for the solid electrolyte raw material, the same as in Example 1 Fabrication and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例10]
固体電解質の原料について、LiCOを1.182g、ZrOを7.886g、NHPOを10.302g、Vを0.582g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 10]
Example 1 except that 1.182 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 10.302 g of NH 4 H 2 PO 4, and 0.582 g of V 2 O 5 were weighed for the solid electrolyte raw material. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例11]
固体電解質の原料について、LiCOを1.064g、ZrOを7.886g、NHPOを10.302g、(NHMo24・4HOを1.130g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 11]
About the raw material of the solid electrolyte, 1.064 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2 , 10.302 g of NH 4 H 2 PO 4 , 1.130 g of (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O Except for weighing, production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例12]
固体電解質の原料について、LiCOを1.064g、HfOを13.472g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiHf(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Example 12]
Example 1 except that 1.064 g of Li 2 CO 3 , 13.472 g of HfO 2 , 10.302 g of NH 4 H 2 PO 4 , and 0.396 g of H 3 BO 3 were weighed for the raw material of the solid electrolyte. Similarly, preparation and evaluation were performed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiHf 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例1]
Pの一部を置換しない一般式LiZr12となるように、それぞれの原料を秤量し、混合した。
固体電解質の原料について、LiCOを1.182g、ZrOを7.886g、NHPOを11.038g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Comparative Example 1]
Each raw material was weighed and mixed so as to have a general formula LiZr 2 P 3 O 12 in which a part of P was not substituted.
The solid electrolyte raw material was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 1.182 g of Li 2 CO 3 , 7.886 g of ZrO 2, and 11.0838 NH 4 H 2 PO 4 were weighed. The X-ray diffraction pattern was lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例2]
固体電解質の原料について、LiCOを1.182g、HfOを13.472g、NHPOを11.038g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiHf(POであった。リチウムイオン伝導度の値を表1に示す。
[Comparative Example 2]
The solid electrolyte material was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 1.182 g of Li 2 CO 3 , 13.472 g of HfO 2, and 11.038 g of NH 4 H 2 PO 4 were weighed. The X-ray diffraction pattern was lithium zirconium phosphate: LiHf 2 (PO 4 ) 3 . Table 1 shows the values of lithium ion conductivity.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
実施例1~8および比較例1より、一般式LiZr3-c12で表される固体電解質において、c>0の時、リチウムイオン伝導度より向上したことが明らかである。また、c>0.2の範囲では、リチウムイオン伝導度が低くなる傾向が見られた。これにより、cは0.1~0.2の範囲がより好ましいことが明らかになった。 From Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, it was clear that in the solid electrolyte represented by the general formula Li a Zr 2 P 3-c B c O 12 , when c> 0, the lithium ion conductivity was improved. is there. Further, in the range of c> 0.2, the lithium ion conductivity tended to be low. This revealed that c is more preferably in the range of 0.1 to 0.2.
実施例9~11および比較例1より、一般式LiZr2.8M30.212で表される固体電解質においても、元素を置換することで、リチウムイオン伝導度の向上が見られた。その中でも、置換元素はBまたはVがより好ましいことが明らかになった。 From Examples 9 to 11 and Comparative Example 1, in the solid electrolyte represented by the general formula LiZr 2 P 2.8 M3 0.2 O 12 , the lithium ion conductivity was improved by substituting the element. It was. Among these, it became clear that the substitution element is more preferably B or V.
実施例12および比較例2より、一般式LiHf3-c12で表される固体電解質においても、c>0の範囲においてリチウムイオン伝導度の向上が見られた。 From Example 12 and Comparative Example 2, even in the solid electrolyte represented by the general formula LiHf 2 P 3-c B c O 12 , the lithium ion conductivity was improved in the range of c> 0.
これらにより、Pの一部を元素置換、より好ましくは、Pの一部をBに置換することで、リチウムイオン伝導度の向上が明らかとなった。 As a result, it was revealed that lithium ion conductivity was improved by substituting a part of P with an element, more preferably substituting a part of P with B.
一般式LiM12-bM23-cM312で表される固体電解質において、Pの一部をBまたはV、およびZrの一部をCoに置換した固体電解質の作製を行った。置換量、組成、リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。 In the solid electrolyte represented by the general formula Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 c O 12, a solid electrolyte obtained by substituting a part of P B or V, and a part of Zr in Co Fabrication was performed. Table 2 shows the amount of substitution, composition, and lithium ion conductivity.
[実施例13]
固体電解質の原料について、LiCOを1.891g、ZrOを7.492g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g、Co(NO・6HOを0.931g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 13]
The material of the solid electrolyte, Li 2 CO 3 to 1.891G, the ZrO 2 7.492g, the NH 4 H 2 PO 4 10.302g, 0.396g of H 3 BO 3, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 0.931 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例14]
固体電解質の原料について、LiCOを1.655g、ZrOを7.097g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g、Co(NO・6HOを1.862g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 14]
The material of the solid electrolyte, Li 2 CO 3 to 1.655G, the ZrO 2 7.097g, the NH 4 H 2 PO 4 10.302g, 0.396g of H 3 BO 3, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 1.862 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例15]
固体電解質の原料について、LiCOを1.419g、ZrOを6.703g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g、Co(NO・6HOを2.793g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 15]
The material of the solid electrolyte, Li 2 CO 3 to 1.419G, the ZrO 2 6.703g, the NH 4 H 2 PO 4 10.302g, 0.396g of H 3 BO 3, Co (NO 3) 2 · 6H Preparation and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 2.793 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例16]
固体電解質の原料について、LiCOを1.182g、ZrOを6.309g、NHPOを10.302g、HBOを0.396g、Co(NO・6HOを3.724g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 16]
The material of the solid electrolyte, Li 2 CO 3 to 1.182G, the ZrO 2 6.309g, the NH 4 H 2 PO 4 10.302g, 0.396g of H 3 BO 3, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 3.724 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例17]
固体電解質の原料について、LiCOを1.419g、ZrOを7.492g、NHPOを10.302g、Vを0.582g、Co(NO・6HOを0.931g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 17]
The material of the solid electrolyte, 1.419G the Li 2 CO 3, the ZrO 2 7.492g, NH 4 H 2 PO 4 and 10.302g, V 2 O 5 and 0.582g, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 0.931 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例18]
固体電解質の原料について、LiCOを1.182g、ZrOを7.097g、NHPOを10.302g、Vを0.582g、Co(NO・6HOを1.862g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 18]
The material of the solid electrolyte, 1.182G the Li 2 CO 3, the ZrO 2 7.097g, NH 4 H 2 PO 4 and 10.302g, V 2 O 5 and 0.582g, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 1.862 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例19]
固体電解質の原料について、LiCOを0.946g、ZrOを6.703g、NHPOを10.302g、Vを0.582g、Co(NO・6HOを2.793g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 19]
The material of the solid electrolyte, 0.946 g of Li 2 CO 3, the ZrO 2 6.703g, NH 4 H 2 PO 4 and 10.302g, V 2 O 5 and 0.582g, Co (NO 3) 2 · 6H Preparation and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 2.793 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例20]
固体電解質の原料について、LiCOを0.709g、ZrOを6.309g、NHPOを10.302g、Vを0.582g、Co(NO・6HOを3.724g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Example 20]
The material of the solid electrolyte, 0.709 g of Li 2 CO 3, the ZrO 2 6.309g, NH 4 H 2 PO 4 and 10.302g, V 2 O 5 and 0.582g, Co (NO 3) 2 · 6H Production and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that 3.724 g of 2 O was weighed. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例3]
Zrの一部をCoに置換し、Pの一部を置換しない一般式Li1.2Zr1.9Co0.112となるように、それぞれの原料を秤量し、混合した。
固体電解質の原料について、LiCOを1.419g、ZrOを7.492g、NHPOを11.038g、Co(NO・6HOを0.931g秤量した以外は、実施例1と同様に作製、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表2に示す。
[Comparative Example 3]
Each raw material was weighed and mixed so as to be a general formula Li 1.2 Zr 1.9 Co 0.1 P 3 O 12 in which a part of Zr was substituted with Co and a part of P was not substituted.
The material of the solid electrolyte, 1.419G the Li 2 CO 3, except the ZrO 2 7.492g, to 11.038g of NH 4 H 2 PO 4, Co and (NO 3) 2 · 6H 2 O and 0.931g weighed Were produced and evaluated in the same manner as in Example 1. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 2 shows the values of lithium ion conductivity.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
実施例2、実施例13~16および比較例3より、一般式LiZr2-bCo2.80.212で表される固体電解質において、c>0かつb>0の時、リチウムイオン伝導度より向上したことが明らかである。また、b>0.1の範囲では、リチウムイオン伝導度が低くなる傾向が見られた。これにより、bは0~0.1の範囲がより好ましいことが明らかになった。 From Example 2, Examples 13 to 16, and Comparative Example 3, in the solid electrolyte represented by the general formula Li a Zr 2-b Co b P 2.8 B 0.2 O 12 , c> 0 and b> 0 It is clear that the lithium ion conductivity was improved at that time. Further, in the range of b> 0.1, the lithium ion conductivity tended to be low. This revealed that b is more preferably in the range of 0 to 0.1.
実施例10、実施例17~20より、一般式LiZr2-bCo2.80.212で表される固体電解質においも、c>0かつb>0の時、リチウムイオン伝導度より向上したことが明らかであり、bは0~0.1の範囲がより好ましいことが明らかになった。 From Example 10 and Examples 17 to 20, the solid electrolyte represented by the general formula Li a Zr 2-b Co b P 2.8 V 0.2 O 12 was also used when c> 0 and b> 0. It was clear that the lithium ion conductivity was improved and b was more preferably in the range of 0 to 0.1.
一般式LiM12-bM23-cM312で表される固体電解質において、Pの一部をBまたはV、およびLiの一部をCaに置換した固体電解質の作製を行った。置換量、組成、リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。 In the solid electrolyte represented by the general formula Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 c O 12, a solid electrolyte obtained by substituting a part of P B or V, and a part of Li in Ca Fabrication was performed. Table 3 shows the values of substitution amount, composition, and lithium ion conductivity.
[実施例21]
固体電解質の作製には、実施例2のLi1.4Zr2.02.80.212とCa0.5Zr(POを原料として使用した。
[Example 21]
For the preparation of the solid electrolyte, Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 of Example 2 were used as raw materials.
[Ca0.5Zr(POの作製]
原料としては、ZrOを7.886g,NH(POを11.038g,CaCOを1.601g秤量した以外は実施例1と同様に作製した。
[Preparation of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
The raw materials were prepared in the same manner as in Example 1 except that 7.886 g of ZrO 2 , 11.038 g of NH 4 H 2 (PO 4 ) 3 and 1.601 g of CaCO 3 were weighed.
[Ca0.5Zr(POの評価]
(化学組成)
固体電解質粉末を酸に溶解した。得られた溶液中のCa、Zr、Pの含有量をICP-AESで測定し、固体電解質粉末中の含有量に換算した。
[Evaluation of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
(Chemical composition)
The solid electrolyte powder was dissolved in acid. The contents of Ca, Zr, and P in the obtained solution were measured by ICP-AES and converted to the contents in the solid electrolyte powder.
(結晶構造)
固体電解質粉末のX線回折パターンを、粉末X線回折法により測定した。得られたX線回折パターンを用いて、固体電解質粉末の結晶構造を同定した。リン酸ジルコニウムカルシウム:Ca0.5Zr(POと同じX線回折パターンであった。
(Crystal structure)
The X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte powder was measured by a powder X-ray diffraction method. The crystal structure of the solid electrolyte powder was identified using the obtained X-ray diffraction pattern. Zirconium calcium phosphate: The same X-ray diffraction pattern as Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 .
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを13.623g、Ca0.5Zr(POを1.560g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を 行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。 Example 1 except that 13.623 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 1.560 g of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例22]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを12.110g、Ca0.5Zr(POを3.119g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 22]
Example 1 except that 12.110 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 3.119 g of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例23]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを9.082g、Ca0.5Zr(POを6.239g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 23]
Example 1 except that 9.082 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 6.239 g of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例24]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを7.569g、Ca0.5Zr(POを7.798g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 24]
Example 1 except that 7.569 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 7.798 g of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例25]
固体電解質の作製には、実施例2のLi1.4Zr2.02.80.212とSr0.5Zr(POを原料として使用した。
[Example 25]
For production of the solid electrolyte, Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 of Example 2 were used as raw materials.
[Sr0.5Zr(POの作製]
原料としては、ZrOを7.886g,NH(POを11.038g,SrCOを2.362g秤量した以外は実施例1と同様に作製した。
[Production of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
The raw materials were prepared in the same manner as in Example 1 except that 7.886 g of ZrO 2 , 11.038 g of NH 4 H 2 (PO 4 ) 3 and 2.362 g of SrCO 3 were weighed.
[Sr0.5Zr(POの評価]
(化学組成)
固体電解質粉末を酸に溶解した。得られた溶液中のSr、Zr、Pの含有量をICP-AESで測定し、固体電解質粉末中の含有量に換算した。
[Evaluation of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
(Chemical composition)
The solid electrolyte powder was dissolved in acid. The contents of Sr, Zr, and P in the obtained solution were measured by ICP-AES and converted to the contents in the solid electrolyte powder.
(結晶構造)
固体電解質粉末のX線回折パターンを、粉末X線回折法により測定した。得られたX線回折パターンを用いて、固体電解質粉末の結晶構造を同定した。リン酸ジルコニウムストロンチウム:Sr0.5Zr(POと同じX線回折パターンであった。
(Crystal structure)
The X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte powder was measured by a powder X-ray diffraction method. The crystal structure of the solid electrolyte powder was identified using the obtained X-ray diffraction pattern. It was the same X-ray diffraction pattern as strontium zirconium phosphate: Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 .
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを13.623g、Sr0.5Zr(POを1.636g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を 行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。 Example 1 except that 13.623 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 1.636 g of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例26]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを12.110g、Sr0.5Zr(POを3.271g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を 行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 26]
Example 1 except that 12.110 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 3.271 g of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例27]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを9.082g、Sr0.5Zr(POを6.543g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 27]
Example 1 except that 9.082 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 6.543 g of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例28]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを7.569g、Sr0.5Zr(POを8.179g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 28]
Example 1 except that 7.569 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 8.179 g of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例29]
固体電解質の作製には、実施例2のLi1.4Zr2.02.80.212とBa0.5Zr(POを原料として使用した。
[Example 29]
For the production of the solid electrolyte, Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 of Example 2 were used as raw materials.
[Ba0.5Zr(POの作製]
原料としては、ZrOを7.886g,NH(POを11.038g,BaCOを3.157g秤量した以外は実施例1と同様に作製した。
[Preparation of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
The raw materials were prepared in the same manner as Example 1 except that 7.886 g of ZrO 2 , 11.038 g of NH 4 H 2 (PO 4 ) 3 and 3.157 g of BaCO 3 were weighed.
[Ba0.5Zr(POの評価]
(化学組成)
固体電解質粉末を酸に溶解した。得られた溶液中のBa、Zr、Pの含有量をICP-AESで測定し、固体電解質粉末中の含有量に換算した。
[Evaluation of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 ]
(Chemical composition)
The solid electrolyte powder was dissolved in acid. The contents of Ba, Zr, and P in the obtained solution were measured by ICP-AES and converted to the contents in the solid electrolyte powder.
(結晶構造)
固体電解質粉末のX線回折パターンを、粉末X線回折法により測定した。得られたX線回折パターンを用いて、固体電解質粉末の結晶構造を同定した。リン酸ジルコニウムバリウム:Ba0.5Zr(POと同じX線回折パターンであった。
(Crystal structure)
The X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte powder was measured by a powder X-ray diffraction method. The crystal structure of the solid electrolyte powder was identified using the obtained X-ray diffraction pattern. It was the same X-ray diffraction pattern as barium zirconium phosphate: Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 .
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを13.623g、Ba0.5Zr(POを1.715g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を 行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。 Example 1 except that 1.623 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 1.715 g of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例30]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを12.110g、Ba0.5Zr(POを3.430g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を 行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 30]
Example 1 except that 12.110 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 3.430 g of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例31]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを9.082g、Ba0.5Zr(POを6.861g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 31]
Example 1 except that 9.082 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 6.861 g of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[実施例32]
原料として、Li1.4Zr2.02.80.212とを7.569g、Ba0.5Zr(POを8.576g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Example 32]
Example 1 except that 7.569 g of Li 1.4 Zr 2.0 P 2.8 B 0.2 O 12 and 8.576 g of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. It produced similarly and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例4]
原料として比較例1のLi1.0Zr2.03.012を12.142g、Ca0.5Zr(POを3.119g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Comparative Example 4]
The same as Example 1 except that 12.142 g of Li 1.0 Zr 2.0 P 3.0 O 12 of Comparative Example 1 and 3.119 g of Ca 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例5]
原料として比較例1のLi1.0Zr2.03.012を12.142g、Sr0.5Zr(POを3.271g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Comparative Example 5]
The same as Example 1 except that 12.142 g of Li 1.0 Zr 2.0 P 3.0 O 12 of Comparative Example 1 and 3.271 g of Sr 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
[比較例6]
原料として比較例1のLi1.0Zr2.03.012を12.142g、Ba0.5Zr(POを3.430g秤量した以外は、実施例1と同様に作製し、評価を行った。X線回折パターンは、リン酸ジルコニウムリチウム:LiZr(POと同じであった。リチウムイオン伝導度の値を表3に示す。
[Comparative Example 6]
The same as Example 1 except that 12.142 g of Li 1.0 Zr 2.0 P 3.0 O 12 of Comparative Example 1 and 3.430 g of Ba 0.5 Zr 2 (PO 4 ) 3 were weighed as raw materials. Were prepared and evaluated. The X-ray diffraction pattern was the same as that of lithium zirconium phosphate: LiZr 2 (PO 4 ) 3 . Table 3 shows the values of lithium ion conductivity.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
実施例21~32および比較例4~6より、一般式LiM1Zr-cB12 で表される固体電解質において、c>0かつx>0の時、イオン伝導度より向上したことが明らかである。また、x<0.05およびx>0.1の範囲では、リチウムイオン伝導度が低くなる傾向が見られた。これにより、xは0.05~0.1の範囲がより好ましいことが明らかになった。 From Examples 21 to 32 and Comparative Examples 4 to 6, in the solid electrolyte represented by the general formula Li a M1 x Zr 2 P 3 —cB c O 12 , when c> 0 and x> 0, It is clear that it has improved. Moreover, in the range of x <0.05 and x> 0.1, the lithium ion conductivity tended to be low. This revealed that x is more preferably in the range of 0.05 to 0.1.
また、M1の元素種に関しては、周期表における同族元素中においては、イオン半径が小さい元素を置換がより好ましいことが明らかになった。 Further, regarding the element type of M1, it has become clear that substitution of an element having a small ionic radius is more preferable among the homologous elements in the periodic table.
[実施例33~35]
上記の固体電解質のうち、実施例2、実施例13、実施例22の固体電解質を用いて全固体二次電池を作製した。正極活物質として、Li(PO、負極活物質としてLiTi12を用いた。
[Examples 33 to 35]
Of the solid electrolytes described above, all-solid secondary batteries were produced using the solid electrolytes of Example 2, Example 13, and Example 22. Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was used as the positive electrode active material, and Li 4 Ti 5 O 12 was used as the negative electrode active material.
(固体電解質層形成用ペーストの調製)
固体電解質として、実施例2、実施例13、実施例22で作製した固体電解質粉末を用いた。この固体電解質粉末を、溶媒としてターピネオール、分散剤として非水系分散剤、バインダーとしてエチルセルロースを含むビヒクルに分散させて固体電解質層形成用ペーストを調製した。
(Preparation of solid electrolyte layer forming paste)
The solid electrolyte powder produced in Example 2, Example 13, and Example 22 was used as the solid electrolyte. This solid electrolyte powder was dispersed in a vehicle containing terpineol as a solvent, a non-aqueous dispersant as a dispersant, and ethyl cellulose as a binder to prepare a solid electrolyte layer forming paste.
(電極活物質層形成用ペーストの調製)
正極活物質としてLi(PO粉末、負極活物質としてLiTi12粉末を用い、上記固体電解質層形成用ペーストの調製と同様にして電極活物質層形成用ペーストを調製した。
(Preparation of electrode active material layer forming paste)
Using the Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 powder as the positive electrode active material and the Li 4 Ti 5 O 12 powder as the negative electrode active material, the electrode active material layer forming paste was prepared in the same manner as the solid electrolyte layer forming paste. Prepared.
(集電体層形成用ペーストの調製)
正極集電体形成用のペーストとして銅粉末とLi(PO粉末とを体積比率で80/20の割合で混合した混合粉末、負極集電体形成用のペーストとして銅粉末とLiTi12粉末とを体積比率で80/20の割合で混合した混合粉末を用い、上記電極活物質層形成用ペーストの調製と同様にして集電体層形成用ペーストを調製した。
(Preparation of current collector layer forming paste)
A mixed powder obtained by mixing copper powder and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 powder at a volume ratio of 80/20 as a paste for forming a positive electrode current collector, and copper powder as a paste for forming a negative electrode current collector A current collector layer forming paste was prepared in the same manner as the above electrode active material layer forming paste, using a mixed powder obtained by mixing Li 4 Ti 5 O 12 powder in a volume ratio of 80/20.
(正極ユニットの作製)
上記のようにして調製した固体電解質層形成用ペースト、正極活物質層形成用ペースト、正極集電体層形成用ペーストを用いて正極ユニットを作製した。
まずPETフィルム上に、固体電解質層形成用ペーストをドクターブレード法でシート状に形成し、乾燥して固体電解質層を形成した。次いで、その上にスクリーン印刷により電極活物電極質層形成用ペーストを印刷し乾燥して、正極活物質層を形成した。次いで、その上にスクリーン印刷により集電体層形成ペーストを印刷し乾燥して、正極集電体層を形成した。さらに、その上にスクリーン印刷により電極活物質層形成用ペーストを再度印刷し、乾燥して正極活物質層を形成した。そして、PETフィルムを剥離して、固体電解質層/正極活物質層/正極集電体層/正極活物質層がこの順で積層された正極ユニットを作製した。
(Preparation of positive electrode unit)
A positive electrode unit was prepared using the solid electrolyte layer forming paste, positive electrode active material layer forming paste, and positive electrode current collector layer forming paste prepared as described above.
First, a solid electrolyte layer forming paste was formed into a sheet shape on a PET film by a doctor blade method and dried to form a solid electrolyte layer. Next, an electrode active material electrode layer forming paste was printed thereon by screen printing and dried to form a positive electrode active material layer. Next, a current collector layer forming paste was printed thereon by screen printing and dried to form a positive electrode current collector layer. Furthermore, an electrode active material layer forming paste was printed on the screen again by screen printing and dried to form a positive electrode active material layer. Then, the PET film was peeled off to produce a positive electrode unit in which a solid electrolyte layer / positive electrode active material layer / positive electrode current collector layer / positive electrode active material layer was laminated in this order.
(負極ユニットの作製)
上記のようにして調製した固体電解質層形成用ペースト、負極活物質層形成用ペースト、負極集電体層形成用ペーストを用いて負極ユニットを作製した。
まずPETフィルム上に、固体電解質層形成用ペーストをドクターブレード法でシート状に形成し、乾燥して固体電解質層を形成した。次いで、その上に電極活物質層形成用 ペーストを印刷し乾燥して、負極活物質層を形成した。次いで、その上にスクリーン印刷により集電体層形成ペーストを印刷し乾燥して、負極集電体層を形成した。さらに、その上にスクリーン印刷により電極活物質層形成用ペーストを再度印刷し、乾燥して負極活物質層を形成した。そして、PETフィルムを剥離して、固体電解質層/負極活物質層/負極集電体層/負極活物質層がこの順で積層された負極ユニットを作製した。
(Preparation of negative electrode unit)
A negative electrode unit was prepared using the solid electrolyte layer forming paste, negative electrode active material layer forming paste, and negative electrode current collector layer forming paste prepared as described above.
First, a solid electrolyte layer forming paste was formed into a sheet shape on a PET film by a doctor blade method and dried to form a solid electrolyte layer. Next, an electrode active material layer forming paste was printed thereon and dried to form a negative electrode active material layer. Next, a current collector layer forming paste was printed thereon by screen printing and dried to form a negative electrode current collector layer. Furthermore, the electrode active material layer forming paste was printed on the screen again by screen printing, and dried to form a negative electrode active material layer. Then, the PET film was peeled off to produce a negative electrode unit in which a solid electrolyte layer / negative electrode active material layer / negative electrode current collector layer / negative electrode active material layer was laminated in this order.
(全固体リチウムイオン二次電池の作製)
上記のようにして作製した正極ユニットと負極ユニットを、それぞれ交互に重ねて、正極ユニットと負極ユニットからなるグリーンシート積層体とし、同時焼成して焼結体を得た。同時焼成の温度は800℃とし、焼成時間は1時間とした。
(Preparation of all-solid-state lithium ion secondary battery)
The positive electrode unit and the negative electrode unit produced as described above were alternately stacked to form a green sheet laminate composed of the positive electrode unit and the negative electrode unit, and fired simultaneously to obtain a sintered body. The co-firing temperature was 800 ° C., and the firing time was 1 hour.
そして、得られた焼結体の正極集電体層と負極集電体層のそれぞれにInGa電極ペーストを塗布し、乾燥して、正極集電体層に第1外部端子を、負極集電体層に第2外部端子を取り付けて、全固体二次電池を製造した。 Then, an InGa electrode paste is applied to each of the positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer of the obtained sintered body and dried to provide the first external terminal on the positive electrode current collector layer, and the negative electrode current collector. A second external terminal was attached to the layer to produce an all-solid secondary battery.
[比較例7、8]
固体電解質として、比較例1、比較例4で作製した固体電解質粉末を用いたこと以外 は、実施例33~35と同様にして正極ユニットと負極ユニットを作製した。そして、この正極ユニットと負極ユニットを用いたこと以外は実施例33~35と同様にして全固体二次電池を製造した。
[Comparative Examples 7 and 8]
A positive electrode unit and a negative electrode unit were produced in the same manner as in Examples 33 to 35, except that the solid electrolyte powder produced in Comparative Examples 1 and 4 was used as the solid electrolyte. An all-solid secondary battery was produced in the same manner as in Examples 33 to 35 except that this positive electrode unit and negative electrode unit were used.
[評価]
実施例33~35と比較例7~8で作製した全固体二次電池の充放電は、2μAの一定電流で行った。充電時ならびに放電時のカットオフ電圧はそれぞれ3.0Vならびに0V とした。また、充電後ならびに放電後の休止時間は1分とした。その結果を表4に示す。
[Evaluation]
The charging / discharging of the all solid state secondary batteries produced in Examples 33 to 35 and Comparative Examples 7 to 8 was performed at a constant current of 2 μA. The cut-off voltages during charging and discharging were set to 3.0 V and 0 V, respectively. The rest time after charging and discharging was 1 minute. The results are shown in Table 4.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
実施例33から35の全固体二次電池において、高い放電容量を得ることが出来た。一方で、比較例7、8の全固体二次電池では低い放電容量の結果となった。
In the all solid state secondary batteries of Examples 33 to 35, a high discharge capacity could be obtained. On the other hand, the all solid secondary batteries of Comparative Examples 7 and 8 resulted in a low discharge capacity.
以上のように、本発明に係る固体電解質は、固体電解質のリチウムイオン伝導度の向上に効果がある。また、それだけではなく、本発明に係る固体電解質を用いた全固体二次電池は放電容量の向上に効果がある。
リチウムイオン伝導度の向上および高容量を提供することにより、特に、エレクトロニクスの分野で大きく寄与する。
As described above, the solid electrolyte according to the present invention is effective in improving the lithium ion conductivity of the solid electrolyte. In addition, the all solid state secondary battery using the solid electrolyte according to the present invention is effective in improving the discharge capacity.
Providing improved lithium ion conductivity and high capacity contributes significantly, especially in the field of electronics.
1…第1電極層、正極層
1A…正極集電体層
1B…正極活物質層
2…第2電極層、負極層
2A…負極集電体層
2B…負極活物質層
3…固体電解質
4…積層体
5…第1外部端子
6…第2外部端子
10…全固体二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st electrode layer, positive electrode layer 1A ... Positive electrode collector layer 1B ... Positive electrode active material layer 2 ... 2nd electrode layer, negative electrode layer 2A ... Negative electrode collector layer 2B ... Negative electrode active material layer 3 ... Solid electrolyte 4 ... Laminate 5 ... first external terminal 6 ... second external terminal 10 ... all solid state secondary battery

Claims (4)

  1. 一般式LiM12-bM23-cM312で表される主成分を含むことを特徴とする固体電解質。
    ただし、0<a≦3、0≦b<2、0<c<3、0≦x<0.5
    M1:Kおよび2価以上の価数をもつ元素
    R:ZrまたはHf
    M2:Co,V,SnおよびBからなる群より選択される少なくとも一種
    M3:Si,B,V,Nb,MoおよびWからなる群より選択される少なくとも一種
    Formula Li a M1 x R 2-b M2 b P 3-c M3 solid electrolyte which comprises a main component represented by c O 12.
    However, 0 <a ≦ 3, 0 ≦ b <2, 0 <c <3, 0 ≦ x <0.5
    M1: an element having K and a valence of 2 or more R: Zr or Hf
    M2: at least one selected from the group consisting of Co, V, Sn and B M3: at least one selected from the group consisting of Si, B, V, Nb, Mo and W
  2. 前記固体電解質のM1がMg,Ca,Sr,Ba,Al,Ga,YおよびNbからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1, wherein M1 of the solid electrolyte is at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, Y, and Nb.
  3. 請求項1~2のいずれかの1項に記載の固体電解質を含有することを特徴とする全固体二次電池。 An all-solid secondary battery comprising the solid electrolyte according to any one of claims 1 and 2.

  4. 一対の電極層と、この一対の電極層の間に設けられた前記固体電解質を有する固体電解質層とが、相対密度80%以上であることを特徴とする請求項3に記載の全固体二次電池。

    The all-solid secondary according to claim 3, wherein the pair of electrode layers and the solid electrolyte layer having the solid electrolyte provided between the pair of electrode layers have a relative density of 80% or more. battery.
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