JP2015076284A - Method for manufacturing solid electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、硫化物系固体電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte.
近年、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられるリチウムイオン二次電池の需要が増加している。
リチウムイオン二次電池の安全性を確保する方法として、有機系電解液に代えて無機固体電解質を用いた全固体二次電池が研究されている。
In recent years, there has been an increasing demand for lithium ion secondary batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like.
As a method for ensuring the safety of a lithium ion secondary battery, an all-solid secondary battery using an inorganic solid electrolyte instead of an organic electrolyte has been studied.
全固体二次電池の固体電解質として、例えば、原料に硫化物を使用した硫化物系固体電解質が検討されている。硫化物系固体電解質は、硫化リチウムと五硫化二リンを溶媒中で反応させて製造することが知られている(例えば、特許文献1,2、非特許文献1)。
As a solid electrolyte of an all-solid secondary battery, for example, a sulfide-based solid electrolyte using sulfide as a raw material has been studied. It is known that a sulfide-based solid electrolyte is produced by reacting lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide in a solvent (for example,
本発明は、製造時間を短縮できる固体電解質の製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the manufacturing method of the solid electrolyte which can shorten manufacturing time.
本発明によれば、以下の固体電解質の製造方法が提供される。
1.硫化リチウムと、
硫化リン、単体硫黄及び単体リンから選ばれる、硫黄とリンを含む少なくとも1種の原料とを、
下記式の条件で、エーテル溶媒中で接触させる工程を含む、
Li元素、S元素及びP元素を含有する固体電解質の製造方法。
A:B=74±0.5:26±0.5
(式中、Aは、前記工程で用いた前記硫化リチウムの量(モル)である。Bは、前記工程で用いた前記硫化リン、前記単体硫黄及び前記単体リンを、P2S5で換算したときの、前記硫化リン、前記単体硫黄及び前記単体リンの量(モル)である。)
2.前記溶媒の沸点が65〜200℃である1記載の固体電解質の製造方法。
3.前記エーテル溶媒が環状エーテルである1又は2記載の固体電解質の製造方法。
4.前記エーテル溶媒がテトラヒドロフランである1〜3のいずれか記載の固体電解質の製造方法。
5.前記硫化リチウムの平均粒径が100μm以下である1〜4のいずれか記載の固体電解質の製造方法。
6.前記硫黄とリンを含む少なくとも1種の原料が五硫化二リン(P2S5)である1〜5のいずれか記載の固体電解質の製造方法。
7.前記接触の温度が20〜200℃である1〜6のいずれか記載の固体電解質の製造方法。
According to the present invention, the following method for producing a solid electrolyte is provided.
1. Lithium sulfide,
At least one raw material containing sulfur and phosphorus selected from phosphorus sulfide, elemental sulfur and elemental phosphorus,
Including a step of contacting in an ether solvent under the conditions of the following formula:
A method for producing a solid electrolyte containing Li element, S element and P element.
A: B = 74 ± 0.5: 26 ± 0.5
(In the formula, A is the amount (mole) of the lithium sulfide used in the step. B is the phosphorus sulfide, the single sulfur and the single phosphorus used in the step converted into P 2 S 5 . (The amount (moles) of the phosphorus sulfide, the elemental sulfur, and the elemental phosphorus when it is used.)
2. 2. The method for producing a solid electrolyte according to 1, wherein the solvent has a boiling point of 65 to 200 ° C.
3. The method for producing a solid electrolyte according to 1 or 2, wherein the ether solvent is a cyclic ether.
4). 4. The method for producing a solid electrolyte according to any one of 1 to 3, wherein the ether solvent is tetrahydrofuran.
5. The manufacturing method of the solid electrolyte in any one of 1-4 whose average particle diameter of the said lithium sulfide is 100 micrometers or less.
6). At least one feedstock diphosphorus pentasulfide (
7). The manufacturing method of the solid electrolyte in any one of 1-6 whose temperature of the said contact is 20-200 degreeC.
本発明によれば、製造時間を短縮できる固体電解質の製造方法が提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the solid electrolyte which can shorten manufacturing time can be provided.
本発明の固体電解質の製造方法は、下記の原料(A),(B)を、下記式の条件で、エーテル溶媒中で接触させる工程を含むことを特徴とする。
(A)硫化リチウム
(B)硫化リン、単体硫黄及び単体リンから選ばれる硫黄とリンを含む原料
A:B=74±0.5:26±0.5
(式中、Aは、上記工程で用いた硫化リチウムの量(モル)である。Bは、上記工程で用いた硫化リン、単体硫黄及び単体リンを、P2S5で換算したときの、硫化リン、単体硫黄及び単体リンの量(モル)である。)
The method for producing a solid electrolyte of the present invention includes a step of bringing the following raw materials (A) and (B) into contact in an ether solvent under the conditions of the following formula.
(A) Lithium sulfide (B) Raw material containing sulfur and phosphorus selected from phosphorus sulfide, elemental sulfur and elemental phosphorus A: B = 74 ± 0.5: 26 ± 0.5
(In the formula, A is the amount (mol) of lithium sulfide used in the above step. B is the phosphorus sulfide, simple sulfur and simple phosphorus used in the above step when converted to P 2 S 5 . (The amounts (moles) of phosphorus sulfide, elemental sulfur and elemental phosphorus.)
(A)硫化リチウム
硫化リチウムは、特に制限なく使用できるが、高純度のものが好ましい。硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号、特開平9−283156号、特開2010−163356、特開2011−084438、特開2011−136899に記載の方法により製造することができる。
(A) Lithium sulfide Lithium sulfide can be used without particular limitation, but high purity is preferred. Lithium sulfide can be produced, for example, by the methods described in JP-A-7-330312, JP-A-9-283156, JP-A 2010-163356, JP-A 2011-084438, and JP-A 2011-136899.
具体的に、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2010−163356)。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2011−084438)。
Specifically, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon-based organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then the reaction solution is dehydrosulfurized to form lithium sulfide. Can be synthesized (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-163356).
In addition, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 10 ° C. to 100 ° C. in an aqueous solvent to produce lithium hydrosulfide, and then the reaction liquid is dehydrosulfurized to synthesize lithium sulfide (special feature). Open 2011-084438).
硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。一方、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物となるおそれがある。 The lithium sulfide preferably has a total lithium oxide lithium salt content of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a lithium N-methylaminobutyrate content. The content is preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). On the other hand, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may become a crystallized product from the beginning.
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウムイオン電池のサイクル性能を低下させることがない。このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。 In addition, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium ion battery. When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.
上述した特開平7−330312号及び特開平9−283156号に基づいて硫化リチウムを製造した場合、硫化リチウムが硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。
一方、特開2010−163356に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに用いてもよい。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
また、反応速度をさらに早くするという観点からは、特開2011−136899に記載の硫化リチウムを用いるのが好ましい。極性溶媒を含む溶媒を用いて硫化リチウムを改質することで、比表面積が大きい硫化リチウムを調製することができる。
When lithium sulfide is produced based on the above-mentioned JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156, it is preferable to purify the lithium sulfide because it contains a lithium salt of a sulfur oxide.
On the other hand, lithium sulfide produced by the method for producing lithium sulfide described in JP-A-2010-163356 may be used without purification because it contains a very small amount of sulfur oxide lithium salt or the like.
As a preferable purification method, for example, a purification method described in International Publication No. WO2005 / 40039 and the like can be mentioned. Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.
From the viewpoint of further increasing the reaction rate, it is preferable to use lithium sulfide described in JP2011-136899A. By modifying lithium sulfide using a solvent containing a polar solvent, lithium sulfide having a large specific surface area can be prepared.
ただし、本発明は、特定の溶媒中で反応させることにより、上記の改質が無くても反応を容易に進行させることができるため、製造工程を削減するという観点からは、上記の改質を行わないことが好ましい。このことは、反応速度をさらに早くするよりは、製造工程を削減した方が製造コストでのメリットが大きい場合に特に有用である。 However, the present invention allows the reaction to proceed easily without the above modification by reacting in a specific solvent. Therefore, from the viewpoint of reducing the production process, the above modification is performed. It is preferable not to do so. This is particularly useful when there is a greater merit in manufacturing cost when the manufacturing process is reduced than when the reaction rate is further increased.
また、原料として用いる硫化リチウム粒子の平均粒径は100μm以下であることが好ましく、80μm以下であることがより好ましく、50μm以下であることがさらに好ましい。
硫化リチウム粒子の粒径の測定は、LASER回析法によりMALVERN社Mastersizer2000を用いて測定し、体積基準平均粒径から算出する。当該測定は、乾燥状態を経由せず、直接スラリー状態で測定することが望ましい。一旦、乾燥を行うと、乾燥時に粒子の凝集が発生し、みかけ大きな粒径となるおそれがあるためである。また、硫化リチウム粒子は、細孔容積が0.01ml/g以上であることが好ましい。細孔容積が0.01ml/g以上であれば、硫化リチウム粒子以外の原料と反応しやすくなると共に、硫化リチウム粒子が粉砕し易くなり、より反応しやすくなる。
Further, the average particle diameter of the lithium sulfide particles used as a raw material is preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less, and further preferably 50 μm or less.
The particle size of the lithium sulfide particles is measured by a LASER diffraction method using a Mastersizer 2000 of MALVERN and calculated from the volume-based average particle size. The measurement is desirably performed directly in the slurry state without passing through the dry state. This is because once drying is performed, particles are aggregated at the time of drying, and the apparent particle size may be increased. The lithium sulfide particles preferably have a pore volume of 0.01 ml / g or more. When the pore volume is 0.01 ml / g or more, it is easy to react with raw materials other than lithium sulfide particles, and the lithium sulfide particles are easily crushed and more easily reacted.
(B)硫黄源及びリン源となる原料
原料(B)として、硫化リン、単体硫黄及び単体リンから選ばれる少なくとも1種を用いる。
原料は、硫黄とリンを含むように選択する。例えば、硫化リン、硫化リンと単体硫黄、硫化リンと単体リン、単体硫黄と単体リンを用いる。
好ましくは、硫化リン、又は単体硫黄及び単体リンの組み合わせを用いる。より好ましくは硫化リンである。
(B) Raw material to be a sulfur source and a phosphorus source As the raw material (B), at least one selected from phosphorus sulfide, elemental sulfur and elemental phosphorus is used.
The raw material is selected to include sulfur and phosphorus. For example, phosphorus sulfide, phosphorus sulfide and elemental sulfur, phosphorus sulfide and elemental phosphorus, elemental sulfur and elemental phosphorus are used.
Preferably, phosphorus sulfide or a combination of elemental sulfur and elemental phosphorus is used. More preferred is phosphorus sulfide.
硫化リンとして、P2S3(三硫化二リン)、P2S5(五硫化二リン)等を用いることができる。特にP2S5が好ましい。
P2S5は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。
As phosphorus sulfide, P 2 S 3 (phosphorus trisulfide) , P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide), or the like can be used. P 2 S 5 is particularly preferable.
P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold.
(C)ハロゲン化合物
原料としてさらにハロゲン化合物を用いることができる。
ハロゲン化合物としては、LiF、LiCl、LiBr、LiI、BCl3、BBr3、BI3、AlF3、AlBr3、AlI3、AlCl3、SiF4、SiCl4、SiCl3、Si2Cl6、SiBr4、SiBrCl3、SiBr2Cl2、SiI4、PF3、PF5、PCl3、PCl5、PBr3、PI3、P2Cl4、P2I4、SF2、SF4、SF6、S2F10、SCl2、S2Cl2、S2Br2、GeF4、GeCl4、GeBr4、GeI4、GeF2、GeCl2、GeBr2、GeI2、AsF3、AsCl3、AsBr3、AsI3、AsF5、SeF4、SeF6、SeCl2、SeCl4、Se2Br2、SeBr4、SnF4、SnCl4、SnBr4、SnI4、SnF2、SnCl2、SnBr2、SnI2、SbF3、SbCl3、SbBr3、SbI3、SbF5、SbCl5、PbF4、PbCl4、PbF2、PbCl2、PbBr2、PbI2、BiF3、BiCl3、BiBr3、BiI3、TeF4、Te2F10、TeF6、TeCl2、TeCl4、TeBr2、TeBr4、TeI4、NaI、NaF、NaCl、NaBr等が挙げられる。好ましくはリチウム又はリンの化合物である。また、臭素化合物が好ましい。具体的には、好ましくはLiCl,LiBr,LiI,PCl5、PCl3、PBr5及びPBr3であり、より好ましくはLiCl,LiBr,LiI及びPBr3であり、特に、LiBr及びPBr3が好ましい。
(C) Halogen compound A halogen compound can be further used as a raw material.
Examples of the halogen compound include LiF, LiCl, LiBr, LiI, BCl 3 , BBr 3 , BI 3 , AlF 3 , AlBr 3 , AlI 3 , AlCl 3 , SiF 4 , SiCl 4 , SiCl 3 , Si 2 Cl 6 , SiBr 4. , SiBrCl 3, SiBr 2 Cl 2 ,
さらに、原料(D)としてガラス転移温度を低減する化合物(ガラス化促進剤)を添加してもよい。ガラス化促進剤の例としては、Li3PO4、Li4SiO4、Li4GeO4、Li3BO3、LiBO2(メタホウ酸リチウム)、Li3AlO3、Li3CaO3、Li3InO3、Na3PO4、Na4SiO4、Na4GeO4、Na3BO3、Na3AlO3、Na3CaO3、Na3InO3等の無機化合物が挙げられる。 Furthermore, you may add the compound (vitrification promoter) which reduces a glass transition temperature as a raw material (D). Examples of vitrification promoters include Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3 , LiBO 2 (lithium metaborate), Li 3 AlO 3 , Li 3 CaO 3 , Li 3 InO. 3, inorganic compounds such as Na 3 PO 4 , Na 4 SiO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 3 BO 3 , Na 3 AlO 3 , Na 3 CaO 3 , and Na 3 InO 3 .
また、上記原料(A)〜(D)のほか、シリコン(Si)、Na2S(硫化ナトリウム)、POCl3,POBr3等も用いることができる。 In addition to the raw materials (A) to (D), silicon (Si), Na 2 S (sodium sulfide), POCl 3 , POBr 3 and the like can also be used.
上記各原料の配合割合について、原料(A):原料(B)のモル比は74±0.5(73.5〜74.5):26±0.5(25.5〜26.5)である。好ましくは(A):(B)=74±0.4:26±0.4であり、より好ましくは(A):(B)=74±0.3:26±0.3であり、さらに好ましくは(A):(B)=74±0.2:26±0.2である。この範囲において、製造時間を短縮できる。
最も好ましくは、成分(A)が硫化リチウムであり、成分(B)が五硫化二リンである。
About the mixture ratio of each said raw material, the molar ratio of raw material (A): raw material (B) is 74 ± 0.5 (73.5-74.5): 26 ± 0.5 (25.5-26.5). It is. Preferably (A) :( B) = 74 ± 0.4: 26 ± 0.4, more preferably (A) :( B) = 74 ± 0.3: 26 ± 0.3, Preferably (A) :( B) = 74 ± 0.2: 26 ± 0.2. In this range, the manufacturing time can be shortened.
Most preferably, component (A) is lithium sulfide and component (B) is diphosphorus pentasulfide.
原料(A)及び(B)のモル量の合計に対する原料(C)のモル量の比[(A)+(B):(C)]は、好ましくは50:50〜99:1(モル比)であり、より好ましくは55:45〜98:2(モル比)であり、さらに好ましくは60:40〜98:2(モル比)であり、特に好ましくは70:30〜98:2である。 The ratio [(A) + (B) :( C)] of the molar amount of the raw material (C) to the total molar amount of the raw materials (A) and (B) is preferably 50:50 to 99: 1 (molar ratio). More preferably 55:45 to 98: 2 (molar ratio), still more preferably 60:40 to 98: 2 (molar ratio), and particularly preferably 70:30 to 98: 2. .
原料(D)(ガラス化促進剤)の配合量は、原料(A)、(B)及び(C)の合計に対し、1〜10モル%であることが好ましく、特に、1〜5モル%であることが好ましい。
尚、本発明で得られる固体電解質ガラスは、上記原料(A),(B)、及び任意に原料(C),(D)から実質的になっていてもよく、また、これらの成分のみからなっていてもよい。
「実質的になる」とは、原料全体が、主として上記原料(A),(B)、及び任意に原料(C),(D)からなること、例えば、これら原料が原料全体に対し、95重量%以上、又は98重量%以上であることを意味する。
The blending amount of the raw material (D) (vitrification accelerator) is preferably 1 to 10 mol%, particularly 1 to 5 mol%, based on the total of the raw materials (A), (B) and (C). It is preferable that
The solid electrolyte glass obtained by the present invention may consist essentially of the raw materials (A) and (B) and optionally the raw materials (C) and (D), and only from these components. It may be.
“Substantially” means that the entire raw material mainly consists of the raw materials (A) and (B), and optionally the raw materials (C) and (D). It means that it is not less than wt%, or not less than 98 wt%.
本発明の製造方法では、原料を、エーテル溶媒中で接触させる。エーテル溶媒を使用することにより、原料が溶解しやすくなり、ミル等を使用しなくとも、固体電解質が効率よく製造できる。 In the production method of the present invention, the raw material is contacted in an ether solvent. By using an ether solvent, the raw material is easily dissolved, and a solid electrolyte can be efficiently produced without using a mill or the like.
エーテル溶媒とは、エーテル結合を1以上有する溶媒である。エーテル結合は−R−O−R−と表わされ、Rはそれぞれ独立して有機基である。またRは互いに結合して環を形成してもよい。
エーテル溶媒として、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、t−ブチルメチルエーテル、フェニルメチルエーテル、ジメトキシメタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル等が挙げられる。
An ether solvent is a solvent having one or more ether bonds. The ether bond is represented as —R—O—R—, wherein each R is independently an organic group. R may be bonded to each other to form a ring.
Examples of the ether solvent include diethyl ether, diisopropyl ether, t-butyl methyl ether, phenyl methyl ether, dimethoxymethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran (THF), dioxane, cyclopentyl methyl ether and the like.
エーテル溶媒は、−R−O−R−と表わされ、Rがそれぞれ独立して有機基であって、Rが互いに結合して環を形成している溶媒、すなわち環状エーテルが好ましい。
環状エーテルとしては、Rがそれぞれ独立して置換又は無置換の炭化水素基であることがより好ましい。Rがそれぞれ独立して無置換の炭化水素基であることがさらに好ましい。Rがそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基であることがさらにより好ましい。THFが最も好ましい。
The ether solvent is represented by —R—O—R—, and R is independently an organic group, and a solvent in which R is bonded to each other to form a ring, that is, a cyclic ether is preferable.
As the cyclic ether, it is more preferable that each R is independently a substituted or unsubstituted hydrocarbon group. More preferably, each R is independently an unsubstituted hydrocarbon group. Even more preferably, each R is independently a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms. THF is most preferred.
尚、製造時において溶媒には、他の溶媒が混入されていてもよい。他の溶媒としては、例えば、ヘキサン(溶解度パラメータは7.3)、ヘプタン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、トルエン(溶解度パラメータは8.8)、キシレン(溶解度パラメータは8.8)、エチルベンゼン、イプゾール100(出光興産株式会社製)、イプゾール150(出光興産株式会社製)、IPソルベント(出光興産株式会社製)、流動パラフィン、石油エーテル、シクロペンチルメチルエーテル等が挙げられる。 In addition, the other solvent may be mixed in the solvent at the time of manufacture. Examples of other solvents include hexane (solubility parameter is 7.3), heptane, octane, decane, cyclohexane, ethylcyclohexane, methylcyclohexane, toluene (solubility parameter is 8.8), xylene (solubility parameter is 8.8). ), Ethylbenzene, ipzol 100 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.), ipsol 150 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.), IP solvent (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.), liquid paraffin, petroleum ether, cyclopentyl methyl ether and the like.
溶媒は、脱水する必要はないが、水分量により副生する微粒化物中の水酸化アルカリ金属の量に影響を与えるおそれがあるため、好ましくは水分量は50ppm以下、より好ましくは30ppm以下である。 The solvent does not need to be dehydrated, but the amount of water is preferably 50 ppm or less, more preferably 30 ppm or less, because the amount of water may affect the amount of alkali metal hydroxide in the micronized product by-produced. .
さらに、溶媒の沸点は65〜200℃であることが好ましい。沸点が低いと反応温度下での蒸気圧が高く、耐圧容器が必要となる場合がある。沸点が高いと、生成した固体電解質から溶媒を蒸発させる際の負荷が大きくなる場合がある。
沸点が65〜200℃の溶媒としては、ジイソプロピルエーテル、フェニルメチルエーテル、ジエトキシエタン、THF、ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル等が挙げられる。
Furthermore, the boiling point of the solvent is preferably 65 to 200 ° C. If the boiling point is low, the vapor pressure at the reaction temperature is high and a pressure vessel may be necessary. If the boiling point is high, the load for evaporating the solvent from the produced solid electrolyte may increase.
Examples of the solvent having a boiling point of 65 to 200 ° C. include diisopropyl ether, phenylmethyl ether, diethoxyethane, THF, dioxane, cyclopentylmethyl ether and the like.
溶媒中で原料を接触させる条件について、温度は15〜200℃が好ましく、特に好ましくは20〜150℃である。
時間は、反応温度にもよるが、0.5〜25時間が好ましく、より好ましくは1〜23時間、特に好ましくは2〜20時間である。
溶媒の量は、原料が溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であればよい。通常、溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は、0.001〜1kg程度であり、好ましくは0.005〜0.5kgであり、特に好ましくは、0.01〜0.3kgである。
Regarding the conditions for bringing the raw material into contact with the solvent, the temperature is preferably 15 to 200 ° C, particularly preferably 20 to 150 ° C.
Although depending on the reaction temperature, the time is preferably 0.5 to 25 hours, more preferably 1 to 23 hours, and particularly preferably 2 to 20 hours.
The amount of the solvent may be such that the raw material becomes a solution or slurry by the addition of the solvent. Usually, the amount of the raw material (total amount) added to 1 liter of solvent is about 0.001 to 1 kg, preferably 0.005 to 0.5 kg, and particularly preferably 0.01 to 0.3 kg. .
接触方法は特に制限はなく、例えば、撹拌器付き反応容器や各種ミル等、公知の装置を使用できる。尚、本発明の製造方法では、ビーズミル等の特殊な混合粉砕装置を使用しなくとも、固体電解質を効率よく製造できるが、必要に応じて、上記装置を使用してもよい。 The contact method is not particularly limited, and known devices such as a reaction vessel with a stirrer and various mills can be used. In the production method of the present invention, a solid electrolyte can be produced efficiently without using a special mixing and grinding device such as a bead mill, but the above device may be used as necessary.
製造例1[硫化リチウムの製造]
窒素気流下で非極性溶媒としてトルエン270gを600mlセパラブルフラスコに加え、水酸化リチウム(本荘ケミカル社製)30gを投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、95℃に保持した。スラリー中に硫化水素を300ml/分の供給速度で吹き込みながら104℃まで昇温した。セパラブルフラスコからは、水とトルエンの共沸ガスが連続的に排出された。この共沸ガスを、系外のコンデンサで凝縮させることにより脱水した。この間、留出するトルエンと同量のトルエンを連続的に供給し、反応液レベルを一定に保持した。
凝縮液中の水分量は徐々に減少し、硫化水素導入後6時間で水の留出は認められなくなった(水分量は総量で22mlであった)。尚、反応の間は、トルエン中に固体が分散して撹拌された状態であり、トルエンから分層した水分は無かった。この後、硫化水素を窒素に切り替え300ml/分で1時間流通した。固形分をろ過・乾燥して白色粉末である硫化リチウムを得た。
Production Example 1 [Production of lithium sulfide]
Under a nitrogen stream, 270 g of toluene as a nonpolar solvent was added to a 600 ml separable flask, 30 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical Co., Ltd.) was added, and the mixture was maintained at 95 ° C. while stirring with a full zone stirring blade 300 rpm. The temperature was raised to 104 ° C. while blowing hydrogen sulfide into the slurry at a supply rate of 300 ml / min. From the separable flask, an azeotropic gas of water and toluene was continuously discharged. This azeotropic gas was dehydrated by condensing with a condenser outside the system. During this time, the same amount of toluene as the distilled toluene was continuously supplied to keep the reaction liquid level constant.
The amount of water in the condensate gradually decreased, and no distillation of water was observed 6 hours after the introduction of hydrogen sulfide (the total amount of water was 22 ml). During the reaction, the solid was dispersed and stirred in toluene, and there was no moisture separated from toluene. Thereafter, the hydrogen sulfide was switched to nitrogen and circulated at 300 ml / min for 1 hour. The solid content was filtered and dried to obtain white powder of lithium sulfide.
得られた粉末を塩酸滴定及び硝酸銀滴定で分析したところ、硫化リチウムの純度は99.0%であった。また、X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。平均粒径は450μm(スラリー溶液)であった。尚、硫化リチウムの粒子径は、LASER回析法によりMALVERN社Mastersizer2000を用いて測定し、体積基準平均粒径から算出した。 When the obtained powder was analyzed by hydrochloric acid titration and silver nitrate titration, the purity of lithium sulfide was 99.0%. Further, X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the crystal pattern of lithium sulfide were detected. The average particle size was 450 μm (slurry solution). In addition, the particle diameter of lithium sulfide was measured using Mastersizer 2000 of MALVERN by the LASER diffraction method, and calculated from the volume standard average particle diameter.
得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法でAUTOSORB6(シスメックス株式会社製)を用いて測定したところ、14.8m2/gであった。細孔容積は、比表面積と同じ装置で測定し、相対圧(P/P0)0.99以上の測定点から、0.99に内挿して求めたところ、0.15ml/gであった。 It was 14.8 m < 2 > / g when the specific surface area of the obtained lithium sulfide was measured using AUTOSORB6 (made by Sysmex Corporation) with the BET method by nitrogen gas. The pore volume was measured with the same device as the specific surface area, and it was 0.15 ml / g when determined by interpolating to 0.99 from a measurement point of relative pressure (P / P 0 ) of 0.99 or more. .
製造例2[微粒化処理]
製造例1で得られた硫化リチウム26gをグローブボックス内でシュレンクビンに秤量した。これに窒素雰囲気下、脱水トルエン(和光純薬製)500ml、脱水エタノール(和光純薬製)250mlをこの順に加え、室温で24時間、スターラーで撹拌した。改質処理後、バス温を120℃まで昇温して、硫化水素ガスを200ml/分で90分流通させて、処理を行った。硫化水素ガス処理後、室温窒素気流下で溶媒を留去し、さらに真空下、室温で2時間乾燥して微粒化した硫化リチウムを回収した。
Production Example 2 [Atomization treatment]
26 g of lithium sulfide obtained in Production Example 1 was weighed into a Schlenk bottle in a glove box. Under a nitrogen atmosphere, 500 ml of dehydrated toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 250 ml of dehydrated ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) were added in this order, and the mixture was stirred with a stirrer at room temperature for 24 hours. After the reforming treatment, the bath temperature was raised to 120 ° C., and hydrogen sulfide gas was circulated at 200 ml / min for 90 minutes to carry out the treatment. After the hydrogen sulfide gas treatment, the solvent was distilled off under a nitrogen stream at room temperature, and further dried under vacuum at room temperature for 2 hours to recover atomized lithium sulfide.
製造例1と同様にして微粒化硫化リチウムを評価した。硫化リチウムは純度97.2%、水酸化リチウム量0.3%、平均粒径9.1μm(未乾燥スラリー溶液)、比表面積43.2m2/g、細孔容積0.68ml/gであった。純度、水酸化リチウム含量は滴定法によりそれぞれ定量した。尚、分析値合計が、100%とならないのは、炭酸リチウム、他のイオン塩や残存溶媒を含んでいるためである。 The atomized lithium sulfide was evaluated in the same manner as in Production Example 1. The lithium sulfide had a purity of 97.2%, an amount of lithium hydroxide of 0.3%, an average particle size of 9.1 μm (undried slurry solution), a specific surface area of 43.2 m 2 / g, and a pore volume of 0.68 ml / g. It was. Purity and lithium hydroxide content were each determined by titration. The total analysis value does not reach 100% because it contains lithium carbonate, other ionic salts, and residual solvent.
実施例1
撹拌機付きのフラスコ内を窒素で置換し、製造例2の硫化リチウム1.20g(純度を考慮すると、このうち硫化リチウムに相当するのは1.16g)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)1.97g、水分含有量を10ppmとした30mlのテトラヒドロフラン(THF:和光純薬工業株式会社製)を仕込み(A/B(モル比)=74.0/26.0)、室温(25℃)で20時間反応させた。反応終了後、固体成分を濾過により分離し、その後さらにTHFを加え10分撹拌した後、固体成分を濾過した。この操作を合計3回繰り返した。その後、室温で減圧乾燥することによりTHFを除去し、さらに80℃で2時間乾燥した。
Example 1
The inside of the flask equipped with a stirrer was replaced with nitrogen, and 1.20 g of lithium sulfide of Production Example 2 (1.16 g corresponding to lithium sulfide in consideration of purity), diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) 1.97 g, 30 ml of tetrahydrofuran (THF: Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) with a water content of 10 ppm was charged (A / B (molar ratio) = 74.0 / 26.0), room temperature (25 ° C.) For 20 hours. After completion of the reaction, the solid component was separated by filtration. After that, THF was further added and stirred for 10 minutes, and then the solid component was filtered. This operation was repeated a total of 3 times. Then, THF was removed by drying under reduced pressure at room temperature, and further dried at 80 ° C. for 2 hours.
得られた固体電解質のイオン伝導度は0.8×10−4S/cmであった。X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)の結果、非晶質に由来するハローパターン以外にピークが観測されず固体電解質ガラスであることを確認した。 The ionic conductivity of the obtained solid electrolyte was 0.8 × 10 −4 S / cm. As a result of X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å), no peak was observed other than the halo pattern derived from amorphous, and it was confirmed that the glass was solid electrolyte glass.
さらに140℃で2時間真空乾燥させ、固体電解質を製造した。得られた固体電解質のイオン伝導度は2.4×10−4S/cmであった。この電解質のX線回折(CuKα:λ=1.5418Å)の結果、Li3PS4(β)結晶由来のピークが観測できた。 Furthermore, it was vacuum-dried at 140 ° C. for 2 hours to produce a solid electrolyte. The ionic conductivity of the obtained solid electrolyte was 2.4 × 10 −4 S / cm. As a result of X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418 =) of this electrolyte, a peak derived from the Li 3 PS 4 (β) crystal could be observed.
尚、イオン伝導度は下記方法で測定した。
固体電解質を錠剤成形機に充填し、10MPaの圧力を加え成形体を得た。さらに、電極としてカーボンと固体電解質を重量比1:1で混合した合材を成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、伝導度測定用の成形体(直径約10mm、厚み約1mm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度測定を実施した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
The ion conductivity was measured by the following method.
The solid electrolyte was filled in a tablet molding machine, and a compact was obtained by applying a pressure of 10 MPa. Furthermore, a mixture obtained by mixing carbon and a solid electrolyte at a weight ratio of 1: 1 as an electrode is placed on both sides of the molded body, and pressure is applied again with a tablet molding machine, thereby forming a molded body for conductivity measurement (diameter of about 10 mm). , About 1 mm thick). The molded body was subjected to ionic conductivity measurement by AC impedance measurement. The conductivity value was a value at 25 ° C.
反応後に、未反応(残留)Li2Sを求め、反応の進行度を調べた。残留Li2Sは、XRD測定結果から、全体のハローパターンの面積と残留したLi2Sの結晶ピークの面積から算出した。結果を表1に示す。反応時間と未反応(残留)Li2Sの関係を図1に示す。表中、Gはガラスの伝導度、GCはガラスセラミックスの伝導度である。また、表中、残留Li2S(未反応)量はXRDの全体のピーク面積対残Li2Sのピーク面積の割合で算出している。 After the reaction, unreacted (residual) Li 2 S was determined, and the progress of the reaction was examined. Residual Li 2 S was calculated from the XRD measurement results from the area of the entire halo pattern and the area of the remaining Li 2 S crystal peak. The results are shown in Table 1. The relationship between the reaction time and unreacted (residual) Li 2 S is shown in FIG. In the table, G is the conductivity of glass, and GC is the conductivity of glass ceramics. In the table, the amount of residual Li 2 S (unreacted) is calculated as a ratio of the total peak area of XRD to the peak area of residual Li 2 S.
実施例2
実施例1において反応時間を12時間にした以外は実施例1に同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1と図1に示す。
Example 2
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that the reaction time was 12 hours in Example 1, and the conductivity and residual Li 2 S were determined. The results are shown in Table 1 and FIG.
実施例3
実施例1において反応時間を5時間にした以外は実施例1に同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1と図1に示す。
Example 3
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that the reaction time was 5 hours in Example 1, and the conductivity and residual Li 2 S were determined. The results are shown in Table 1 and FIG.
実施例4
実施例1において、反応温度を室温から50℃にし、反応時間を5時間にした以外は同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1に示す。
Example 4
In Example 1, a solid electrolyte was produced in the same manner except that the reaction temperature was changed from room temperature to 50 ° C. and the reaction time was changed to 5 hours, and conductivity and residual Li 2 S were obtained. The results are shown in Table 1.
比較例1
実施例1においてA/B(モル比)=75.0:25.0にした以外は実施例1に同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1と図1に示す。
Comparative Example 1
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that A / B (molar ratio) = 75.0: 25.0 in Example 1, and the conductivity and residual Li 2 S were determined. The results are shown in Table 1 and FIG.
比較例2
比較例1において反応時間を5時間にした以外は比較例1に同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1と図1に示す。
Comparative Example 2
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the reaction time was 5 hours in Comparative Example 1, and the conductivity and residual Li 2 S were determined. The results are shown in Table 1 and FIG.
比較例3
比較例1において反応時間を40時間にした以外は比較例1に同じ方法で固体電解質を製造し、伝導度と残留Li2Sを求めた。結果を表1と図1に示す。
Comparative Example 3
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the reaction time was 40 hours in Comparative Example 1, and the conductivity and residual Li 2 S were determined. The results are shown in Table 1 and FIG.
本発明の製造方法は、硫化物系固体電解質の製造方法として好適である。 The production method of the present invention is suitable as a method for producing a sulfide-based solid electrolyte.
Claims (7)
硫化リン、単体硫黄及び単体リンから選ばれる、硫黄とリンを含む少なくとも1種の原料とを、
下記式の条件で、エーテル溶媒中で接触させる工程を含む、
Li元素、S元素及びP元素を含有する固体電解質の製造方法。
A:B=74±0.5:26±0.5
(式中、Aは、前記工程で用いた前記硫化リチウムの量(モル)である。Bは、前記工程で用いた前記硫化リン、前記単体硫黄及び前記単体リンを、P2S5で換算したときの、前記硫化リン、前記単体硫黄及び前記単体リンの量(モル)である。) Lithium sulfide,
At least one raw material containing sulfur and phosphorus selected from phosphorus sulfide, elemental sulfur and elemental phosphorus,
Including a step of contacting in an ether solvent under the conditions of the following formula:
A method for producing a solid electrolyte containing Li element, S element and P element.
A: B = 74 ± 0.5: 26 ± 0.5
(In the formula, A is the amount (mole) of the lithium sulfide used in the step. B is the phosphorus sulfide, the single sulfur and the single phosphorus used in the step converted into P 2 S 5 . (The amount (moles) of the phosphorus sulfide, the elemental sulfur, and the elemental phosphorus when it is used.)
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