WO2020136953A1 - ハロゲン化物の製造方法 - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for producing a halide.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing a halide solid electrolyte.
  • a method for producing a halide according to one embodiment of the present disclosure includes a firing step of firing a mixed material, which is a material in which (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ are mixed, in an inert gas atmosphere,
  • the M includes at least one element selected from the group consisting of Y, lanthanoid and Sc
  • the X is at least one element selected from the group consisting of Cl, Br, I and F
  • the Z is at least one element selected from the group consisting of Cl, Br, I and F, and 0 ⁇ a ⁇ 3 is satisfied.
  • a halide can be manufactured by a method with high industrial productivity.
  • 7 is a flowchart showing an example of the manufacturing method in the first embodiment.
  • 7 is a flowchart showing an example of the manufacturing method in the first embodiment.
  • 7 is a flowchart showing an example of the manufacturing method in the first embodiment.
  • It is a schematic diagram which shows the evaluation method of ionic conductivity. It is a graph which shows the evaluation result of ion conductivity by AC impedance measurement.
  • FIG. 1 is a flowchart showing an example of the manufacturing method according to the first embodiment.
  • the manufacturing method in the first embodiment includes a firing step S1000.
  • the firing step S1000 is a step of firing the mixed material in an inert gas atmosphere.
  • the mixed material fired in the firing step S1000 is a material in which (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ are mixed.
  • M is selected from the group consisting of Y (ie, yttrium), lanthanoids (ie, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu). And at least one element selected from the group consisting of Sc (that is, scandium).
  • X is at least one element selected from the group consisting of Cl, Br, I and F.
  • Z is at least one element selected from the group consisting of Cl, Br, I and F. Further, 0 ⁇ a ⁇ 3 is satisfied.
  • the halide can be produced by a method having high industrial productivity (for example, a method that can be mass-produced at low cost). That is, a halide containing Li (ie, lithium) and M is produced by a simple production method (ie, firing in an inert gas atmosphere) without using a vacuum sealed tube and a planetary ball mill. You can In addition, one of the raw materials, “(NH 4 ) a MX 3+a ”, can be easily synthesized from inexpensive M 2 O 3 and NH 4 X, so that the manufacturing cost can be further reduced.
  • M may be at least one element selected from the group consisting of Y, Sm and Gd. According to the above structure, a halide having higher ionic conductivity can be manufactured.
  • 0.5 ⁇ a ⁇ 3 may be satisfied. According to the above structure, a halide having higher ionic conductivity can be manufactured.
  • X may be at least one element selected from the group consisting of Cl, Br and I.
  • Z may be at least one element selected from the group consisting of Cl, Br and I. According to the above structure, a halide having higher ionic conductivity can be manufactured.
  • the reaction represented by the following formula (1) occurs. .. (NH 4 ) 3 YCl 6 +3LiCl ⁇ Li 3 YCl 6 +3NH 3 +3HCl (1) “Li 3 YCl 6 ”can be produced by the above reaction.
  • the powder of the mixed material may be put in a container (for example, a crucible) and fired in a heating furnace. At this time, a state in which the mixed material is heated to a predetermined temperature in an inert gas atmosphere may be maintained for a predetermined time or longer. Note that the firing time may be a time long enough not to cause compositional deviation of the fired product due to volatilization of the halide (that is, not to impair ionic conductivity of the fired product).
  • helium, nitrogen, argon, etc. can be used as the inert gas.
  • the fired product may be taken out of the container (eg, crucible) and crushed.
  • the baked product may be crushed by a crushing device (for example, a mortar, a mixer, etc.).
  • the mixed material is referred to as “a material in which part of M in (NH 4 ) a MX 3+a is replaced with “another cation” (that is, a cation different from Y and the lanthanoid and Sc)”. It may be a material in which LiZ is mixed. This can improve the characteristics (eg, ionic conductivity) of the halide obtained by the manufacturing method of the present disclosure.
  • the cation substitution rate of “other cations” of M may be less than 50 mol %. Thereby, a halide having a more stable structure can be obtained.
  • the mixed material in the present disclosure may be a material in which only two kinds of materials (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ are mixed. Or a mixture of materials in the present disclosure, (NH 4) In addition to a MX 3 + a and liz, (NH 4) different from the material with a MX 3 + a and liz may be a were further mixed material ..
  • the mixed material may be fired at 300° C. or higher and 650° C. or lower.
  • the firing temperature to 300° C. or higher, (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ can be sufficiently reacted.
  • thermal decomposition of the halide produced by the solid phase reaction can be suppressed.
  • the ionic conductivity of the halide, which is a fired product can be increased. That is, for example, a good-quality halide solid electrolyte can be obtained.
  • the mixed material may be fired at 500° C. or higher (for example, 500° C. or higher and 650° C. or lower).
  • 500° C. or higher for example, 500° C. or higher and 650° C. or lower.
  • the mixed material may be fired for 1 hour or more and 72 hours or less.
  • volatilization of the halide, which is a fired product can be suppressed, and a halide having a desired composition ratio of constituent elements can be obtained (that is, composition deviation can be suppressed). ..
  • the ionic conductivity of the halide, which is a fired product can be further increased. That is, for example, a higher quality solid electrolyte of halide can be obtained.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of the manufacturing method according to the first embodiment.
  • the manufacturing method according to the first embodiment may further include a mixing step S1100.
  • the mixing step S1100 is a step performed before the firing step S1000.
  • the mixing step S1100 is a step in which (NH 4 ) a MX 3+a as a raw material and LiZ are mixed to obtain a mixed material (that is, a material that is fired in the firing step S1000).
  • the method of mixing the raw materials may be a method using a generally known mixing device (eg, mortar, blender, ball mill, etc.).
  • a generally known mixing device eg, mortar, blender, ball mill, etc.
  • powders of the respective raw materials may be prepared and mixed.
  • the firing step S1000 the powdery mixed material may be fired.
  • the powdery mixed material obtained in the mixing step S1100 may be shaped into pellets by uniaxial pressing.
  • the firing step S1000 the halide may be produced by firing the pellet-shaped mixed material.
  • a mixed material may be obtained by mixing the “raw material containing (NH 4 ) a MX 3+a as a main component” and the “raw material containing LiZ as a main component”.
  • (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ are weighed and mixed so as to have a desired molar ratio, so that the mixing molar ratio of (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ is increased. It may be adjusted.
  • a compound having a composition of Li 3 YCl 6 can be manufactured.
  • the mixing ratio of (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ may be adjusted in advance in consideration of the composition change in the firing step S1000 so as to cancel out the composition change.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the manufacturing method according to the first embodiment.
  • the manufacturing method according to the first embodiment may further include a preparatory step S1200.
  • the preparation step S1200 is a step executed before the mixing step S1100.
  • the preparation step S1200 is a step in which raw materials such as (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ (that is, materials mixed in the mixing step S1100) are prepared.
  • raw materials such as (NH 4 ) a MX 3+a and LiZ may be obtained by performing material synthesis.
  • a generally known commercially available product for example, a material having a purity of 99% or more
  • a dried material may be used as the raw material.
  • crystalline, lumpy, flaky, powdery or other raw material may be used.
  • a powdery raw material may be obtained by crushing a crystalline, lumpy, or flake-shaped raw material.
  • the manufacturing method according to the first embodiment may further include the preparation step S1200 in which (NH 4 ) a MX 3+a is prepared.
  • (NH 4 ) a MX 3+a may be synthesized by a solid phase reaction between M 2 O 3 and NH 4 X. According to the above configuration, (NH 4 ) a MX 3+a can be easily synthesized from inexpensive M 2 O 3 and NH 4 X. Therefore, the manufacturing cost can be further reduced.
  • NH 4 X may be excessively mixed with M 2 O 3 in order to allow the present reaction to proceed stably.
  • the excess amount of NH 4 X with respect to M 2 O 3 may be 5 to 15 mol %.
  • the firing atmosphere may be an inert atmosphere (eg, helium, nitrogen, argon, etc.) or a reduced pressure atmosphere.
  • the halide produced by the production method of the present disclosure can be used as a solid electrolyte material.
  • the solid electrolyte material may be, for example, a lithium ion conductive solid electrolyte.
  • the solid electrolyte material can be used, for example, as a solid electrolyte material used for an all-solid lithium secondary battery.
  • the halide manufactured by the manufacturing method of the present disclosure is manufactured and evaluated as a solid electrolyte material.
  • the solid electrolyte material of Example 1 was produced by crushing with an agate mortar.
  • the content of Li per unit weight in the entire solid electrolyte material of Example 1 was measured by atomic absorption spectrometry, the content of Y was measured by ICP emission spectroscopy, and the content of Li:Y was expressed as a molar ratio. Converted. The Li:Y ratio was 3:1 as charged.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an evaluation method of ionic conductivity.
  • the pressure molding die 200 is composed of an electronically insulating polycarbonate frame 201, and an electronically conductive stainless steel punch upper portion 203 and punch lower portion 202.
  • the ionic conductivity was evaluated by the following method.
  • a solid electrolyte powder 100 which is a powder of the solid electrolyte material of Example 1
  • a pressure molding die 200 was filled in a pressure molding die 200 and uniaxially pressed at 300 MPa, and the conductivity measurement cell of Example 1 was obtained.
  • the conductivity measurement cell of Example 1 was obtained.
  • the wires are routed from the upper punch 203 and the lower punch 202 respectively, and connected to a potentiostat (Princeton Applied Research VersaSTAT4) equipped with a frequency response analyzer, and an ion at room temperature is measured by an electrochemical impedance measurement method. Conductivity measurements were taken.
  • FIG. 5 is a graph showing the evaluation result of ionic conductivity by AC impedance measurement. A Cole-Cole diagram of the impedance measurement result is shown in FIG.
  • the real value of the impedance at the measurement point (arrow in FIG. 5) where the absolute value of the phase of the complex impedance was the smallest was regarded as the resistance value for ionic conduction of the solid electrolyte of Example 1.
  • is the ionic conductivity
  • S is the electrolyte area (the inner diameter of the frame 201 in FIG. 4)
  • R SE is the resistance value of the solid electrolyte in the above impedance measurement
  • t is the thickness of the electrolyte (in FIG. 4, the solid The thickness of the electrolyte powder 100).
  • the ionic conductivity of the solid electrolyte material of Example 1 measured at 22° C. was 2.1 ⁇ 10 ⁇ 4 S/cm.
  • Example 2 (Preparation of solid electrolyte material) (NH 4 ) 3 YCl 6 was synthesized by the same method as in Example 1. Next, a solid halide electrolyte was synthesized using the obtained (NH 4 ) 3 YCl 6 and LiBr. The synthesis method will be described below.
  • Example 2 Evaluation of ionic conductivity
  • Example 3 The mixture of (NH 4 ) 3 YCl 6 and LiBr was heated to 300° C. in an argon atmosphere. Except for this difference in firing temperature, the solid electrolyte material of Example 3 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 2.
  • Example 4 The mixture of (NH 4 ) 3 YCl 6 and LiBr was heated to 650° C. in an argon atmosphere. Except for this difference in firing temperature, the solid electrolyte material of Example 4 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 2.
  • Example 5 (Preparation of solid electrolyte material) A solid halide electrolyte was synthesized using (NH 4 ) 1.1 YCl 4.1 and LiBr. The synthesis method will be described below.
  • Example 5 Evaluation of ionic conductivity The conductivity measuring cell of Example 5 was prepared and the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1 above.
  • Example 6 Evaluation of ionic conductivity The conductivity measuring cell of Example 6 was prepared and the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1 above.
  • Example 7 Instead of (NH 4 ) 0.5 YCl 3.5 , (NH 4 ) 0.25 YCl 3.25 was used. Except for this, the solid electrolyte material of Example 7 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 6.
  • Example 8> Instead of (NH 4 ) 0.5 YCl 3.5 , (NH 4 ) 0.02 YCl 3.02 was used. Except for this, the solid electrolyte material of Example 8 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 6.
  • Example 9 Evaluation of ionic conductivity The conductivity measuring cell of Example 9 was prepared and the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1 above.
  • Example 10 As a raw material to be mixed with (NH 4 ) 3 YBr 6 , LiBr was used instead of LiCl. Except for this, the solid electrolyte material of Example 10 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 9.
  • Example 11 Evaluation of ionic conductivity The conductivity measuring cell of Example 11 was prepared and the ionic conductivity was measured in the same manner as in Example 1 above.
  • Example 12 Evaluation of ionic conductivity The conductivity measuring cell of Example 12 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 1 above.
  • Example 13 As a raw material to be mixed with (NH 4 ) 3 GdBr 6 , LiBr was used instead of LiCl. Except for this, the solid electrolyte material of Example 13 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 8.
  • Example 14 As a raw material to be mixed with (NH 4 ) 3 GdBr 6 , LiI was used instead of LiCl. Except for this, the solid electrolyte material of Example 14 was prepared and the ionic conductivity was measured by the same method as in Example 8.
  • Comparative Examples 1 to 6 (Preparation of solid electrolyte material)
  • the raw material powders were weighed in an argon atmosphere having a dew point of ⁇ 60° C. or lower.
  • the solid electrolyte materials of Comparative Examples 1 to 6 were produced by mixing, crushing, and reacting the raw material powders using a mechanochemical milling method.
  • Table 1 shows each configuration and each evaluation result in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 described above.
  • Examples 1 to 14 show the same ionic conductivity as the solid electrolyte materials synthesized by the mechanochemical milling reaction of Comparative Examples 1 to 6.
  • the solid electrolyte material synthesized by the manufacturing method of the present disclosure exhibits high lithium ion conductivity. Moreover, the manufacturing method of this indication is a simple method and is a method with high industrial productivity. Further, (NH 4 ) a MX 3+a can be easily synthesized from an inexpensive solid-phase reaction of M 2 O 3 and NH 4 X, so that the cost can be further reduced.
  • the manufacturing method of the present disclosure can be used, for example, as a method for manufacturing a solid electrolyte material.
  • the solid electrolyte material manufactured by the manufacturing method of the present disclosure can be used as, for example, an all-solid lithium secondary battery.

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Abstract

本開示によるハロゲン化物の製造方法は、(NH4)aMX3+aとLiZとが混合された材料である混合材料を、不活性ガス雰囲気下で、焼成する焼成工程、を包含する。前記Mは、Y、ランタノイドおよびScからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。前記Xは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。前記Zは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。0<a≦3が満たされる。

Description

ハロゲン化物の製造方法
 本開示は、ハロゲン化物の製造方法に関する。
 特許文献1には、ハロゲン化物固体電解質の製造方法が開示されている。
国際公開第2018/025582号
 従来の技術においては、工業的に生産性の高い方法で、ハロゲン化物を製造することが望まれる。
 本開示の一様態におけるハロゲン化物の製造方法は、(NHMX3+aとLiZとが混合された材料である混合材料を、不活性ガス雰囲気下で、焼成する焼成工程、を包含し、前記Mは、Y、ランタノイドおよびScからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、前記Xは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、前記Zは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、0<a≦3、が満たされる。
 本開示によれば、工業的に生産性の高い方法で、ハロゲン化物を製造することができる。
実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。 実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。 実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。 イオン伝導度の評価方法を示す模式図である。 ACインピーダンス測定によるイオン伝導度の評価結果を示すグラフである。
  以下、実施の形態が、図面を参照しながら、説明される。
 (実施の形態1)
 図1は、実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。
 実施の形態1における製造方法は、焼成工程S1000を包含する。焼成工程S1000は、混合材料を、不活性ガス雰囲気下で、焼成する工程である。
 ここで、焼成工程S1000で焼成される混合材料は、(NHMX3+aとLiZとが混合された材料である。
 このとき、Mは、Y(すなわち、イットリウム)、ランタノイド(すなわち、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuからなる群より選択される少なくとも1種の元素)およびSc(すなわち、スカンジウム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。
 また、Xは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。
 また、Zは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。
 また、0<a≦3、が満たされる。
 以上の構成によれば、工業的に生産性の高い方法(例えば、低コストで大量に生産できる方法)で、ハロゲン化物を製造することができる。すなわち、真空封管および遊星型ボールミルを使用すること無く、簡便な製造方法(すなわち、不活性ガス雰囲気下での焼成)により、Li(すなわち、リチウム)とMとを含むハロゲン化物を製造することができる。また、原料の1つである「(NHMX3+a」は、安価なMとNHXとから簡便に合成できるため、製造コストをさらに低減できる。
 なお、本開示においては、Mは、Y、SmおよびGdからなる群より選択される少なくとも1種の元素であってもよい。
 以上の構成によれば、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造できる。
 なお、本開示においては、0.5≦a≦3、が満たされてもよい。
 以上の構成によれば、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造できる。
 なお、本開示においては、a=3、であってもよい。
 以上の構成によれば、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造できる。
 なお、本開示においては、Xは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素であってもよい。また、Zは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素であってもよい。
 以上の構成によれば、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造できる。
 例えば、焼成工程S1000で焼成される混合材料が、「(NHYCl」と「LiCl」とが混合された材料である場合には、下記の式(1)に示される反応が起こる。
 (NHYCl+3LiCl
 →LiYCl+3NH+3HCl ・・・(1)
 以上の反応により、「LiYCl」を製造することができる。
 焼成工程S1000においては、例えば、混合材料の粉末が、容器(例えば、るつぼ)に入れられて、加熱炉内で焼成されてもよい。このとき、不活性ガス雰囲気中で混合材料が所定温度まで昇温された状態が、所定時間以上、保持されてもよい。なお、焼成時間は、ハロゲン化物の揮発などに起因する焼成物の組成ずれを生じさせない(すなわち、焼成物のイオン伝導度を損なわない)程度の長さの時間であってもよい。
 なお、不活性ガスとしては、ヘリウム、窒素、アルゴン、など、が用いられうる。
 なお、焼成工程S1000の後に、焼成物が、容器(例えば、るつぼ)から取り出されて、粉砕されてもよい。このとき、焼成物は、粉砕器具(例えば、乳鉢、ミキサ、など)により、粉砕されてもよい。
 なお、本開示においては、混合材料は、「(NHMX3+aにおけるMの一部が「他のカチオン」(すなわち、YおよびランタノイドおよびScとは異なるカチオン)で置換された材料」とLiZとが混合された材料であってもよい。これにより、本開示の製造方法により得られるハロゲン化物の特性(例えば、イオン伝導性、など)を改善することができる。なお、Mの「他のカチオン」によるカチオン置換率は、50mol%未満であってもよい。これにより、より構造が安定なハロゲン化物を得ることができる。
 なお、本開示における混合材料とは、(NHMX3+aとLiZとの2種の材料のみが混合された材料であってもよい。もしくは、本開示における混合材料とは、(NHMX3+aとLiZに加えて、(NHMX3+aとLiZとは異なる他の材料が、さらに混合された材料であってもよい。
 なお、焼成工程S1000においては、混合材料は、300℃以上かつ650℃以下で、焼成されてもよい。
 以上の構成によれば、工業的に生産性の高い方法で、高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造することができる。すなわち、焼成温度を300℃以上とすることで、(NHMX3+aとLiZとを十分に反応させることができる。さらに、焼成温度を650℃以下とすることで、固相反応により生成したハロゲン化物の熱分解を抑制できる。これらにより、焼成物であるハロゲン化物のイオン伝導度を高めることができる。すなわち、例えば、良質なハロゲン化物の固体電解質を得ることができる。
 なお、焼成工程S1000においては、混合材料は、500℃以上(例えば、500℃以上かつ650℃以下)で、焼成されてもよい。
 以上の構成によれば、工業的に生産性の高い方法で、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造することができる。すなわち、焼成温度を500℃以上とすることで、焼成物であるハロゲン化物の結晶性を、より高くできる。これにより、焼成物であるハロゲン化物のイオン伝導度を、より高めることができる。すなわち、例えば、より良質なハロゲン化物の固体電解質を得ることができる。
 なお、焼成工程S1000においては、混合材料は、1時間以上かつ72時間以下、焼成されてもよい。
 以上の構成によれば、工業的に生産性の高い方法で、より高いイオン伝導度を有するハロゲン化物を製造することができる。すなわち、焼成時間を1時間以上とすることで、(NHMX3+aとLiZとを十分に反応させることができる。さらに、焼成時間を72時間以下とすることで、焼成物であるハロゲン化物の揮発を抑制でき、所望の構成元素の組成比を有するハロゲン化物を得ることができる(すなわち、組成ずれを抑制できる)。これらにより、焼成物であるハロゲン化物のイオン伝導度を、より高めることができる。すなわち、例えば、より良質なハロゲン化物の固体電解質を得ることができる。
 図2は、実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。
 図2に示されるように、実施の形態1における製造方法は、混合工程S1100を、さらに包含してもよい。
 混合工程S1100は、焼成工程S1000よりも前に、実行される工程である。
 混合工程S1100は、原料となる(NHMX3+aとLiZとが混合されることで、混合材料(すなわち、焼成工程S1000において焼成される材料)が得られる工程である。
 原料の混合方法としては、一般に公知の混合器具(例えば、乳鉢、ブレンダー、ボールミル、など)を用いる方法であってもよい。例えば、混合工程S1100においては、それぞれの原料の粉末が調製されて混合されてもよい。このとき、焼成工程S1000においては、粉末状の混合材料が焼成されてもよい。なお、混合工程S1100において得られた粉末状の混合材料が一軸加圧によりペレット状に成形されてもよい。このとき、焼成工程S1000においては、ペレット状の混合材料が焼成されることで、ハロゲン化物が製造されてもよい。
 なお、混合工程S1100においては、(NHMX3+aとLiZとに加えて、(NHMX3+aとLiZとは異なる他の原料がさらに混合されることで、混合材料が得られてもよい。
 なお、混合工程S1100においては、「(NHMX3+aを主成分とする原料」と「LiZを主成分とする原料」が混合されることで、混合材料が得られてもよい。
 なお、混合工程S1100において、(NHMX3+aとLiZとが所望のモル比となるように秤量されて混合されることで、(NHMX3+aとLiZとの混合モル比が調整されてもよい。
 例えば、(NHYClとLiClとは、(NHYCl:LiCl=1:3のモル比で、混合されてもよい。これにより、LiYClの組成の化合物を製造することができる。
 なお、焼成工程S1000における組成変化を考慮して、組成変化分が相殺されるように、予め(NHMX3+aとLiZとの混合比が、調整されてもよい。
 図3は、実施の形態1における製造方法の一例を示すフローチャートである。
 図3に示されるように、実施の形態1における製造方法は、準備工程S1200を、さらに包含してもよい。
 準備工程S1200は、混合工程S1100よりも前に、実行される工程である。
 準備工程S1200は、(NHMX3+aおよびLiZなどの原料(すなわち、混合工程S1100において混合される材料)が準備される工程である。
 なお、準備工程S1200においては、材料合成を実施することで、(NHMX3+aおよびLiZなどの原料が得られてもよい。もしくは、準備工程S1200においては、一般に公知の市販品(例えば、純度99%以上の材料)が用いられてもよい。なお、原料としては、乾燥した材料が用いられてもよい。また、原料としては、結晶状、塊状、フレーク状、粉末状、など、の原料が用いられてもよい。準備工程S1200において、結晶状または塊状またはフレーク状の原料が粉砕されることで、粉末状の原料が得られてもよい。
 以上のように、実施の形態1における製造方法は、(NHMX3+aが準備される準備工程S1200を、さらに包含してもよい。
 このとき、準備工程S1200においては、(NHMX3+aは、MとNHXとの固相反応により合成されてもよい。
 以上の構成によれば、(NHMX3+aを、安価なMとNHXとから簡便に合成できる。このため、製造コストをさらに低減できる。
 (NHMX3+aの合成方法の一例が、以下に説明される。
 MとNHXとの混合モル比が1:12となるように、MとNHXとを秤量し、混合物を得る。当該混合物を150℃~350℃で焼成する。上記のaの値は、焼成温度により変化させることができる。
 例えば、M=YおよびX=Clの場合、すなわち、YとNHClとを混合し、焼成した場合には、以下の式(2)(3)に示される反応が進行する。
 Y+12NHCl
 →2(NHYCl+6NH+3HO ・・・(2)
 2(NHYCl
 →2(NH0.5YCl3.5+5NHCl ・・・・(3)
 YとNHClとを混合し、200℃程度で焼成した場合には、式(2)に示す反応が起こり、(NHYClが主の生成物として得られる。また、250℃程度で焼成した場合には、式(3)に示す反応が起こり、(NH0.5YCl3.5が主の生成物として得られる。このように、焼成温度を変化させることにより、aの値を変化させることができる。
 なお、本反応を安定的に進行させるために、NHXがMに対して過剰に混合されてもよい。例えば、Mに対するNHXの過剰量は5~15mol%であってもよい。また、焼成する雰囲気は、不活性雰囲気(例えば、ヘリウム、窒素、アルゴン、など)または減圧雰囲気であってもよい。
 なお、本開示の製造方法により製造されたハロゲン化物は、固体電解質材料として、用いられうる。このとき、当該固体電解質材料は、例えば、リチウムイオン伝導性の固体電解質であってもよい。このとき、当該固体電解質材料は、例えば、全固体リチウム二次電池に用いられる固体電解質材料などとして、用いられうる。
 以下、実施例および比較例を用いて、本開示の詳細が説明される。これらは例示であって、本開示を制限するものではない。
 なお、以下の例示においては、本開示の製造方法により製造されるハロゲン化物は、固体電解質材料として製造され、評価されている。
 <実施例1>
 (固体電解質材料の作製)
 まず、固体電解質材料の原料となる(NHYClを合成した。原料として、YとNHClとを、モル比でY:NHCl=1:13.2となるように秤量した(すなわち、NHClがYに対して10mol%過剰となるように秤量した)。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、窒素雰囲気中で200℃まで昇温し、15時間保持することによって、(NHYClを得た。
 次に、得られた(NHYClとLiClとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NHYClとLiClとを、モル比で(NHYCl:LiCl=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例1の固体電解質材料を作製した。
 実施例1の固体電解質材料全体における単位重量あたりのLiの含有量を原子吸光分析法で測定し、Yの含有量をICP発光分光分析法で測定し、Li:Yの含有量をモル比に換算した。Li:Yの比は、仕込み通り、3:1であった。
 (イオン伝導度の評価)
 図4は、イオン伝導度の評価方法を示す模式図である。
 加圧成形用ダイス200は、電子的に絶縁性のポリカーボネート製の枠型201と、電子伝導性のステンレス製のパンチ上部203およびパンチ下部202とから構成される。
 図4に示す構成を用いて、下記の方法にて、イオン伝導度の評価を行った。
 露点-60℃以下のドライ雰囲気で、実施例1の固体電解質材料の粉末である固体電解質粉末100を加圧成形用ダイス200に充填し、300MPaで一軸加圧し、実施例1の伝導度測定セルを作製した。
 加圧状態のまま、パンチ上部203とパンチ下部202のそれぞれから導線を取り回し、周波数応答アナライザを搭載したポテンショスタット(Princeton Applied Research社 VersaSTAT4)に接続し、電気化学的インピーダンス測定法により、室温におけるイオン伝導度の測定を行った。
 図5は、ACインピーダンス測定によるイオン伝導度の評価結果を示すグラフである。インピーダンス測定結果のCole-Cole線図が、図5に示される。
 図5において、複素インピーダンスの位相の絶対値が最も小さい測定点(図5中の矢印)のインピーダンスの実数値を実施例1の固体電解質のイオン伝導に対する抵抗値とみなした。電解質の抵抗値を用いて、下記式(4)より、イオン伝導度を算出した。
 σ=(RSE×S/t)-1 ・・・・ (4)
 ここで、σはイオン伝導度、Sは電解質面積(図4中、枠型201の内径)、RSEは上記のインピーダンス測定における固体電解質の抵抗値、tは電解質の厚み(図4中、固体電解質粉末100の厚み)である。
 22℃で測定された、実施例1の固体電解質材料のイオン伝導度は、2.1×10-4S/cmであった。
 <実施例2>
 (固体電解質材料の作製)
 実施例1と同様の方法により、(NHYClを合成した。
 次に、得られた(NHYClとLiBrとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NHYClとLiBrとを、モル比で(NHYCl:LiBr=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例2の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例2のそれぞれの伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例3>
 (NHYClとLiBrとの混合物を、アルゴン雰囲気中で300℃まで昇温した。この焼成温度の違い以外については、実施例2と同様の方法により、実施例3の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例4>
 (NHYClとLiBrとの混合物を、アルゴン雰囲気中で650℃まで昇温した。この焼成温度の違い以外については、実施例2と同様の方法により、実施例4の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例5>
 (固体電解質材料の作製)
 (NH1.1YCl4.1とLiBrとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NH1.1YCl4.1とLiBrとを、モル比で(NH1.1YCl4.1:LiBr=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例5の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例5の伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例6>
 (固体電解質材料の作製)
 はじめに、(NH0.5YCl3.5を合成した。以下に合成方法について説明する。
 原料として、YとNHClとを、モル比でY:NHCl=1:13.2となるように秤量した(NHClがYに対して10mol%過剰)。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、窒素雰囲気中で350℃まで昇温し、15時間保持することによって、(NH0.5YCl3.5を得た。
 次に、得られた(NH0.5YCl3.5とLiBrとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NH0.5YCl3.5とLiBrとを、モル比で(NH0.5YCl3.5:LiBr=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例6の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例6の伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例7>
 (NH0.5YCl3.5に代えて、(NH0.25YCl3.25を用いた。これ以外については、実施例6と同様の方法により、実施例7の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例8>
 (NH0.5YCl3.5に代えて、(NH0.02YCl3.02を用いた。これ以外については、実施例6と同様の方法により、実施例8の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例9>
 (固体電解質材料の作製)
 はじめに、(NHYBrを合成した。以下に合成方法について説明する。
 原料として、YとNHBrとを、モル比でY:NHBr=1:13.2となるように秤量した(NHBrがYに対して10mol%過剰)。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、窒素雰囲気中で200℃まで昇温し、15時間保持することによって、(NHYBrを得た。
 次に、得られた(NHYBrと、LiClとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NHYBrとLiClとを、モル比で(NHYBr:LiCl=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例9の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例9の伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例10>
 (NHYBrと混合される原料として、LiClに代えて、LiBrを用いた。これ以外については、実施例9と同様の方法により、実施例10の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例11>
 (固体電解質材料の作製)
 はじめに、(NHSmBrを合成した。以下に合成方法について説明する。
 原料として、SmとNHClとを、モル比でSm:NHCl=1:13.2となるように秤量した(NHBrがSmに対して10mol%過剰)。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、窒素雰囲気中で200℃まで昇温し、15時間保持することによって、(NHSmBrを得た。
 次に、得られた(NHSmBrとLiIとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NHSmBrとLiBrとを、モル比で(NHSmBr:LiI=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例11の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例11の伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例12>
 (固体電解質材料の作製)
 はじめに、(NHGdBrを合成した。以下に合成方法について説明する。
 原料として、GdとNHBrとを、モル比でGd:NHBr=1:13.2となるように秤量した(NHBrがGdに対して10mol%過剰)。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、窒素雰囲気中で200℃まで昇温し、15時間保持することによって、(NHGdBrを得た。
 次に、得られた(NHGdBrと、LiClとを用いてハロゲン化物固体電解質を合成した。以下に合成方法について説明する。
 露点-60℃以下のアルゴン雰囲気で、(NHGdBrと、LiClとを、モル比で(NHGdBr:LiCl=1:3となるように、秤量した。これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した。その後、アルミナ製るつぼに入れて、アルゴン雰囲気中で500℃まで昇温し、1時間保持した。
 焼成後、メノウ製乳鉢により粉砕し、実施例12の固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、実施例12の伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例13>
 (NHGdBrと混合される原料として、LiClに代えて、LiBrを用いた。これ以外については、実施例8と同様の方法により、実施例13の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <実施例14>
 (NHGdBrと混合される原料として、LiClに代えて、LiIを用いた。これ以外については、実施例8と同様の方法により、実施例14の固体電解質材料の作製およびイオン伝導度の測定を実施した。
 <比較例1~6>
 (固体電解質材料の作製)
 比較例1~6においては、露点-60℃以下のアルゴン雰囲気下で、原料粉末を秤量した。
 比較例1においては、YClとLiClとを、モル比でYCl:LiCl=1:3となるように秤量した。
 比較例2においては、YClとLiBrとを、モル比でYCl:LiBr=1:3となるように秤量した。
 比較例3においては、YBrとLiBrとを、モル比でYBr:LiBr=1:3となるように秤量した。
 比較例4においては、SmBrとLiIとを、モル比でSmBr:LiI=1:3となるように秤量した。
 比較例5においては、GdBrとLiBrとを、モル比でGdBr:LiBr=1:3となるように秤量した。
 比較例6においては、GdBrとLiIとを、モル比でGdBr:LiI=1:3となるように秤量した。
 これらをメノウ製乳鉢で粉砕して混合した後、メカノケミカルミリングの方法を用いて原料粉同士を混合・粉砕・反応させることにより、比較例1~6のそれぞれの固体電解質材料を作製した。
 (イオン伝導度の評価)
 上記の実施例1と同様の方法で、比較例1~6のそれぞれの伝導度測定セルを作製し、イオン伝導度の測定を実施した。
 上述の実施例1~14および比較例1~6における各構成と各評価結果とが、表1に示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 <考察>
 実施例1~14は、比較例1~6のメカノケミカルミリング反応で合成した固体電解質材料と同等のイオン伝導度を示すことがわかる。
 以上により、本開示の製造方法により合成した固体電解質材料は、高いリチウムイオン伝導性を示すことがわかる。また、本開示の製造方法は、簡便な方法であり、工業的に生産性の高い方法である。さらに、(NHMX3+aは安価なMとNHXの固相反応から簡便に合成できるため、コストをさらに低減することができる。
 本開示の製造方法は、例えば、固体電解質材料の製造方法として、利用されうる。また、本開示の製造方法により製造された固体電解質材料は、例えば、全固体リチウム二次電池などとして、利用されうる。
 100 固体電解質粉末
 200 加圧成形用ダイス
 201 枠型
 202 パンチ下部
 203 パンチ上部

Claims (9)

  1.  (NHMX3+aとLiZとが混合された材料である混合材料を、不活性ガス雰囲気下で、焼成する焼成工程、を包含し、
     前記Mは、Y、ランタノイドおよびScからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、
     前記Xは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、
     前記Zは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、
     0<a≦3、が満たされる、ハロゲン化物の製造方法。
  2.  前記焼成工程においては、前記混合材料は、300℃以上かつ650℃以下で、焼成される、請求項1に記載の製造方法。
  3.  前記焼成工程においては、前記混合材料は、500℃以上で、焼成される、請求項2に記載の製造方法。
  4.  前記焼成工程においては、前記混合材料は、1時間以上かつ72時間以下、焼成される、請求項1から3のいずれか1項に記載の製造方法。
  5.  前記Mは、Y、SmおよびGdからなる群より選択される少なくとも1種の元素である、請求項1から4のいずれか1項に記載の製造方法。
  6.  0.5≦a≦3、が満たされる、請求項1から5のいずれか1項に記載の製造方法。
  7.  a=3、である、請求項6に記載の製造方法。
  8.  前記Xは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、
    前記Zは、Cl、BrおよびIからなる群より選択される少なくとも1種の元素である、請求項1から7のいずれか1項に記載の製造方法。
  9.  前記(NHMX3+aが準備される準備工程を、さらに包含し、
     前記準備工程においては、前記(NHMX3+aは、MとNHXとの固相反応により合成される、請求項1から8のいずれか1項に記載の製造方法。
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