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JP2021136192A - Lithium-rich antiperovskite compound, solid electrolyte for lithium ion secondary battery, and lithium ion solid secondary battery - Google Patents

Lithium-rich antiperovskite compound, solid electrolyte for lithium ion secondary battery, and lithium ion solid secondary battery Download PDF

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JP2021136192A
JP2021136192A JP2020033117A JP2020033117A JP2021136192A JP 2021136192 A JP2021136192 A JP 2021136192A JP 2020033117 A JP2020033117 A JP 2020033117A JP 2020033117 A JP2020033117 A JP 2020033117A JP 2021136192 A JP2021136192 A JP 2021136192A
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Japan
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formula
lithium
secondary battery
lithium ion
solid electrolyte
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JP2020033117A
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Japanese (ja)
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ランディ ハレム
Jalem Randy
ランディ ハレム
佳尚 館山
Yoshinao Tateyama
佳尚 館山
和典 高田
Kazunori Takada
和典 高田
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National Institute for Materials Science
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Abstract

To provide a lithium compound for a solid electrolyte, which is superior in ion conductivity, charge/discharge stability, and thermodynamic stability.SOLUTION: A compound for a lithium ion secondary battery comprises one or more compounds of a lithium-rich antiperovskite structure, represented by the following formulas: Li24Se2Br6Cl2O6; Li24S6Br4Cl4O2; Li24I2Cl6O8; Li32Te8I8Cl8; Li24Se6I6Cl2O2; Li24Se4I8O4; Li32Br8Cl8O8; Li24Br2Cl6O8; Li32I4Br12O8; and Li24Se6S2I6Cl2.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、リチウムリッチアンチペロブスカイト化合物、リチウムイオン二次電池用固体電解質およびリチウムイオン固体二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium-rich antiperovskite compound, a solid electrolyte for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion solid secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、ハイブリッドやEV自動車用、スマートフォンをはじめとする携帯端末用、PC等の電源用、太陽光発電蓄電用などのバッテリーとして、パーソナル用途から産業用途まで幅広い分野で用いられ、かつその市場は急激に広がっている。 Lithium-ion secondary batteries are used in a wide range of fields from personal use to industrial use as batteries for hybrid and EV automobiles, mobile terminals such as smartphones, power supplies for PCs, and photovoltaic power storage. And the market is expanding rapidly.

リチウムイオン二次電池は、このように広い分野で使われているが、電気容量や充放電特性のさらなる改善が求められている。さらに、現在のリチウムイオン二次電池は、電解質として液体が主に用いられており、取り扱いや液漏れの懸念その対策などに課題を抱えており、固体電解質のリチウム二次電池が強く求められている。
そこでは、リチウムイオン二次電池の固体電解質としては、高いイオン電導度(非特許文献1)、優れた充放電特性および熱や水分等に対する高い安定性が求められている。
Lithium-ion secondary batteries are used in such a wide range of fields, but further improvement in electric capacity and charge / discharge characteristics is required. Furthermore, the current lithium-ion secondary batteries mainly use liquids as electrolytes, and there are problems in handling and countermeasures against liquid leakage, and there is a strong demand for lithium secondary batteries with solid electrolytes. There is.
There, a solid electrolyte of a lithium ion secondary battery is required to have high ionic conductivity (Non-Patent Document 1), excellent charge / discharge characteristics, and high stability against heat, moisture, and the like.

このような背景の下、リチウムイオン二次電池の固体電解質として様々な検討がなされている。例えば、その取り組みとして特許文献1を挙げることができ、そこでは、Li3−xClO1−xHal、Li3−y−x1−xHalCl(HalはF,Cl,BrまたはI、MはNa,K,RbまたはCsで、0<x<1、0<y<2)などが検討されている。しかしながら、イオン電導度や充放電安定性および熱力学的安定性は必ずしも要求を満たすものではなかった。 Against this background, various studies have been made as a solid electrolyte for lithium ion secondary batteries. For example, mention may be made of Patent Document 1 as its efforts, in which, Li 3-x ClO 1- x Hal x, Li 3-y-x M y O 1-x Hal x Cl (Hal is F, Cl, Br or I, M is Na, K, Rb or Cs, and 0 <x <1, 0 <y <2) and the like have been studied. However, ionic conductivity, charge / discharge stability, and thermodynamic stability did not always meet the requirements.

特表2019−513687号公報Special Table 2019-513687

Braga et al.,J.Mater.Chem.,2014,2,5470−5480Braga et al. , J. Mater. Chem. , 2014, 2, 5470-5480 A.P.Guerreiro et al.,Evolutionary Computation,2016,24(3)、521−544A. P. Guerreiro et al. , Evolutionary Computation, 2016, 24 (3), 521-544 R.Jalem et al.,Sci.Tech.Adv.Mater.,2018,19,231−242R. Jalem et al. , Sci. Tech. Adv. Mater. , 2018, 19, 231-242 R.Jalem et al.,Sci.Rep.,2018,8,5845R. Jalem et al. , Sci. Rep. , 2018, 8, 5845

本発明の課題は、イオン伝導性、充放電安定性および水和性などの熱力学安定性に優れる固体電解質用化合物を提供することである。
更に、その化合物を用いて、イオン伝導性と充放電を含む安定性に優れたリチウム二次電池用固体電解質およびリチウム固体二次電池を提供することである。
An object of the present invention is to provide a compound for a solid electrolyte having excellent thermodynamic stability such as ionic conductivity, charge / discharge stability and hydration.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide a solid electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium solid secondary battery having excellent stability including ionic conductivity and charge / discharge using the compound.

本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
下記フォーミュラ1から10で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上有するリチウムイオン二次電池用の化合物。
[フォーミュラ1]
Li24SeBrCl
[フォーミュラ2]
Li24BrCl
[フォーミュラ3]
Li24Cl
[フォーミュラ4]
Li32TeCl
[フォーミュラ5]
Li24SeCl
[フォーミュラ6]
Li24Se
[フォーミュラ7]
Li32BrCl
[フォーミュラ8]
Li24BrCl
[フォーミュラ9]
Li32Br12
[フォーミュラ10]
Li24SeCl
(構成2)
前記フォーミュラ4、前記フォーミュラ5、前記フォーミュラ7、前記フォーミュラ8および前記フォーミュラ10からなる群より選ばれる1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、構成1記載の化合物。
(構成3)
前記フォーミュラ1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、構成1記載の化合物。
(構成4)
前記フォーミュラ6で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、構成1記載の化合物。
(構成5)
前記フォーミュラ7で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、構成1記載の化合物。
(構成6)
下記フォーミュラ1から10で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上含有する、リチウムイオン二次電池用固体電解質。
[フォーミュラ1]
Li24SeBrCl
[フォーミュラ2]
Li24BrCl
[フォーミュラ3]
Li24Cl
[フォーミュラ4]
Li32TeCl
[フォーミュラ5]
Li24SeCl
[フォーミュラ6]
Li24Se
[フォーミュラ7]
Li32BrCl
[フォーミュラ8]
Li24BrCl
[フォーミュラ9]
Li32Br12
[フォーミュラ10]
Li24SeCl
(構成7)
前記フォーミュラ4、前記フォーミュラ5、前記フォーミュラ7、前記フォーミュラ8および前記フォーミュラ10からなる群より選ばれる1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上含有する、構成6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。
(構成8)
前記フォーミュラ1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、構成6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。
(構成9)
前記フォーミュラ6で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、構成6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。
(構成10)
前記フォーミュラ7で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、構成6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。
(構成11)
構成6から10の何れか1記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質を有する、リチウムイオン固体二次電池。
The configuration of the present invention is shown below.
(Structure 1)
A compound for a lithium ion secondary battery having one or more compounds having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formulas 1 to 10 below.
[Formula 1]
Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6
[Formula 2]
Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2
[Formula 3]
Li 24 I 2 Cl 6 O 8
[Formula 4]
Li 32 Te 8 I 8 Cl 8
[Formula 5]
Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2
[Formula 6]
Li 24 Se 4 I 8 O 4
[Formula 7]
Li 32 Br 8 Cl 8 O 8
[Formula 8]
Li 24 Br 2 Cl 6 O 8
[Formula 9]
Li 32 I 4 Br 12 O 8
[Formula 10]
Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2
(Structure 2)
The compound according to composition 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by 1 selected from the group consisting of the formula 4, the formula 5, the formula 7, the formula 8 and the formula 10.
(Structure 3)
The compound according to composition 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formula 1.
(Structure 4)
The compound according to composition 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 6.
(Structure 5)
The compound according to composition 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 7.
(Structure 6)
A solid electrolyte for a lithium ion secondary battery containing at least one compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formulas 1 to 10 below.
[Formula 1]
Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6
[Formula 2]
Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2
[Formula 3]
Li 24 I 2 Cl 6 O 8
[Formula 4]
Li 32 Te 8 I 8 Cl 8
[Formula 5]
Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2
[Formula 6]
Li 24 Se 4 I 8 O 4
[Formula 7]
Li 32 Br 8 Cl 8 O 8
[Formula 8]
Li 24 Br 2 Cl 6 O 8
[Formula 9]
Li 32 I 4 Br 12 O 8
[Formula 10]
Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2
(Structure 7)
The lithium ion 2 according to composition 6, which contains one or more compounds having a lithium-rich antiperovskite structure represented by 1 selected from the group consisting of the formula 4, the formula 5, the formula 7, the formula 8 and the formula 10. Solid electrolyte for next battery.
(Structure 8)
The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to composition 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formula 1.
(Structure 9)
The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to composition 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 6.
(Structure 10)
The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to composition 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 7.
(Structure 11)
A lithium ion solid secondary battery having the solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to any one of configurations 6 to 10.

本発明によりイオン伝導性、充放電安定性および水和性などの熱力学安定性に優れる固体電解質用化合物が提供される。
更に、イオン伝導性と充放電を含む安定性に優れたリチウム二次電池用固体電解質およびリチウム固体二次電池を提供することが可能になる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a compound for a solid electrolyte having excellent thermodynamic stability such as ionic conductivity, charge / discharge stability and hydration.
Further, it becomes possible to provide a solid electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium solid secondary battery having excellent stability including ionic conductivity and charge / discharge.

アンチペロブスカイト化合物を示す構造図である。It is a structural drawing which shows the antiperovskite compound. 探索したアンチペロブスカイト化合物の基本構造を示す構造図である。It is a structural diagram which shows the basic structure of the searched antiperovskite compound. 材料探索過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the material search process.

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The detailed description of the present invention described below may be based on representative embodiments, embodiments, and examples, but these are examples, and the present invention describes such embodiments, embodiments, and the like. And is not limited to the examples.

(実施の形態1)
実施の形態1では、材料の探索方法の概要を述べる。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, the outline of the material search method will be described.

図1は、基本的なアンチペロブスカイトを示す構造式で、1はZサイト、2はAサイト、3はXサイトであり、ZサイトにLi(リチウム)が入るものが本発明の対象のベースになっている。
本発明で探索したアンチペロブスカイト化合物の基本構造は、図2に示すように、基本的に図2(a)から図2(e)の5種類からなる。
最初に、図3に示すように、図2(a)から図2(e)の5種類の何れかをホスト構造とし、AサイトをO(酸素)、S(イオウ)、Se(セレン)、Te(テルル)、O−S、O−Se、O−Te、S−Se、S−Te、Se−Teの何れか、XサイトをF(フッ素)、Cl(塩素)、Br(臭素)、I(沃素)、F−Cl、F−Br、F−I、Cl−Br、Cl−I、Br−Iの何れかとし、その比率を0.0,0.25,0.5,0.75および1.0の5水準振ったコンパウンドを仮定し、さらに、安定な電子密度の観点からそれらの位置の最適化を密度関数理論(DFT)を使って実行し、フォーミュラ候補を抽出する。ここで、例えばO−Sとは、OとSを含むことを意味する。その比率は上記5水準の比率である。例えば比率が0.0の場合はOのみ、1.0の場合はSのみ、0.5の場合は、OとSが同数配置されることを意味する。
FIG. 1 is a structural formula showing a basic antiperovskite, where 1 is a Z site, 2 is an A site, 3 is an X site, and Li (lithium) is contained in the Z site as the base of the object of the present invention. It has become.
As shown in FIG. 2, the basic structure of the antiperovskite compound searched for in the present invention basically consists of five types of FIGS. 2 (a) to 2 (e).
First, as shown in FIG. 3, any one of the five types of FIGS. 2 (a) to 2 (e) is used as the host structure, and the A site is O (oxygen), S (sulfur), Se (selenium), and so on. Any of Te (tellurium), OS, OS, O-Te, S-Se, S-Te, Se-Te, X-site is F (fluorine), Cl (chlorine), Br (bromine), I (fluorine), F-Cl, F-Br, FI, Cl-Br, Cl-I, Br-I, and the ratio is 0.0,0.25,0.5,0. Assuming 5-level swing compounds of 75 and 1.0, further optimizing their positions in terms of stable electron density is performed using Density Function Theory (DFT) to extract formula candidates. Here, for example, OS means that O and S are included. The ratio is the ratio of the above five levels. For example, when the ratio is 0.0, only O is arranged, when 1.0, only S is arranged, and when 0.5, it means that the same number of O and S are arranged.

その後、第1原理計算に基づいて、分解エネルギー(Decomposition Energy)を算出し、分解エネルギーが0.1eV以下のものに限り、次のステップに進む。ここで、この分解エネルギー0.1eVという基準は、材料合成の経験からくる経験値である。すなわち、分解エネルギーが0.1eVを超えると材料合成が難しいという経験に基づく。 After that, the decomposition energy (Decomposition Energy) is calculated based on the first-principles calculation, and the process proceeds to the next step only when the decomposition energy is 0.1 eV or less. Here, the standard of decomposition energy of 0.1 eV is an empirical value derived from the experience of material synthesis. That is, it is based on the experience that material synthesis is difficult when the decomposition energy exceeds 0.1 eV.

しかる後、水反応エネルギー(HO Reaction energy)、Liイオン伝導率(Li ionic conductivity)、バンドギャップ(Band gap)およびこれらの項目を反映させたスコアを、例えば実施例1に記載の方法で求め、スコア上位のもの、およびスコア上位のものの中から水反応エネルギー、Liイオン伝導率、バンドギャップの何れかに特に優れたものを抽出する。 Thereafter, water-reactive energy (H 2 O Reaction energy), Li -ion conductivity (Li ionic conductivity), the band gap (Band gap) and scores that reflect these items, for example, by the method described in Example 1 From the ones with the highest scores and the ones with the highest scores, those with particularly excellent water reaction energy, Li ion conductivity, and bandgap are extracted.

水反応エネルギーが高いものは、水に対する安定性、熱力学的安定性が高いものとなり、Liイオン伝導率が高いものは内部抵抗の低減、電流特性の改善に寄与し、バンドギャップが高いものは充放電安定性に優れる。
したがって、抽出されたアンチペロブスカイトのフォーミュラは、イオン伝導性と充放電を含む安定性に優れたリチウム二次電池用固体電解質に好適なものとなる。
Those with high water reaction energy have high stability to water and thermodynamic stability, those with high Li ion conductivity contribute to reduction of internal resistance and improvement of current characteristics, and those with high bandgap. Excellent charge / discharge stability.
Therefore, the extracted antiperovskite formula is suitable for a solid electrolyte for a lithium secondary battery, which has excellent stability including ionic conductivity and charge / discharge.

(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1で選ばれたフォーミュラを用いたリチウムイオン固体二次電池について述べる。
リチウムイオン固体二次電池は、正極、負極および固体電解質を主要構成物とするが、そのうちの固体電解質に実施の形態1で選ばれたフォーミュラを用いる。ここで、正極としては、LiCoO、LiFePOなどを挙げることができ、負極としては、C(炭素)、Li金属、LiSiなどを挙げることができる。
実施の形態1で選ばれたフォーミュラを固体電解質に用いることにより、イオン伝導性と充放電を含む安定性に優れ、かつ固体電池であるが故の取り扱いの容易さ、安全性、液漏れフリーといった特徴を兼ね備えたリチウムイオン固体二次電池を供給することが可能になる。
特に、固体電解質としてLi24SeBrClを用いた場合はイオン伝導性に優れて内部抵抗が低く、出力電流の高いリチウムイオン固体二次電池を供給することが可能になり、固体電解質としてLi32BrClを用いた場合は充放電特性の安定性に優れたリチウムイオン固体二次電池を供給することが可能になり、固体電解質としてLi24Seを用いた場合は水に対して安定な熱力学的安定性に優れたリチウムイオン固体二次電池を供給することが可能になる。
(Embodiment 2)
The second embodiment describes a lithium ion solid secondary battery using the formula selected in the first embodiment.
The lithium ion solid secondary battery mainly comprises a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte, and the formula selected in the first embodiment is used as the solid electrolyte among them. Here, examples of the positive electrode include LiCoO 2 , LiFePO 4, and the like, and examples of the negative electrode include C (carbon), Li metal, LiSi, and the like.
By using the formula selected in the first embodiment as the solid electrolyte, it is excellent in stability including ionic conductivity and charge / discharge, and because it is a solid-state battery, it is easy to handle, safe, and leak-free. It will be possible to supply a lithium-ion solid-state secondary battery that has all the characteristics.
In particular, when Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6 is used as the solid electrolyte, it becomes possible to supply a lithium ion solid secondary battery having excellent ionic conductivity, low internal resistance, and high output current. When Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 is used as the solid electrolyte, it becomes possible to supply a lithium ion solid secondary battery having excellent stability of charge / discharge characteristics, and Li 24 Se 4 I 8 O as the solid electrolyte. When No. 4 is used, it becomes possible to supply a lithium ion solid secondary battery that is stable against water and has excellent thermodynamic stability.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and is substantially the same as the technical idea described in the claims of the present invention. Anything having the same configuration and exhibiting the same effect and effect is included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

(実施例1)
実施例1では、下記シミュレーションを実施して、Liイオン伝導率、水和エネルギーおよびバンドギャップエネルギーの3つの視点から好適な材料を探索した結果を示す。この3要素は、リチウムイオン固体二次電池を高性能化する上で特に重要な要素である。
(Example 1)
In Example 1, the following simulation is carried out to show the result of searching for a suitable material from the three viewpoints of Li ion conductivity, hydration energy and bandgap energy. These three elements are particularly important elements for improving the performance of the lithium ion solid secondary battery.

1.密度汎関数理論(DFT)設定
イオン-電子相互作用のプロジェクター増強波(PAW)形式を用い、交換相関エネルギーの関数としては、Perdew、BurkeおよびErnzerhof(PBE)によってパラメーター化された一般化勾配近似(GGA)を使用した。
Li擬ポテンシャルとしては、原子価状態としてセミコアの状態を、他の原子タイプには標準の擬ポテンシャルを使用した。
ここで、運動エネルギーのカットオフは520eVに設定した。
メッシュとしては、Monkhorst−Packグリッドスキームで、少なくとも1000のkポイントメッシュを割り当てた。
すべての計算はスピン偏極条件下で行ない、最適化収束は、エネルギーで1meV/原子未満、残留力で0.001eV/nm未満に設定した。
1. 1. Density Functional Theory (DFT) Setting Using the projector-enhanced wave (PAW) format of ion-electron interactions, the function of the exchange correlation energy is a generalized gradient approximation parameterized by Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE) (PBE). GGA) was used.
As the Li pseudopotential, a semi-core state was used as the valence state, and a standard pseudopotential was used for other atomic types.
Here, the kinetic energy cutoff was set to 520 eV.
As meshes, at least 1000 k-point meshes were assigned in the Monkhorst-Pack grid scheme.
All calculations were performed under spin polarization conditions and the optimized convergence was set to less than 1 meV / atom for energy and less than 0.001 eV / nm for residual force.

2.無機結晶構造データ
無機結晶構造データとしては、無機結晶構造データベース(ICSD)の結晶構造データを使用した。
2. Inorganic crystal structure data As the inorganic crystal structure data, the crystal structure data of the inorganic crystal structure database (ICSD) was used.

3.イオン置換スキーム
イオン置換スキームは、特別なサイト濃度比(0,0.25,0.33,0.5,0.67,0.75,1.0)での結晶対称グループとサブグループの関係に基づいてシミュレーションした。
3. 3. Ion Substitution Scheme The ion substitution scheme is the relationship between crystal symmetry groups and subgroups at a special site concentration ratio (0,0.25,0.33,0.5,0.67,0.75,1.0). Was simulated based on.

4.熱力学計算
(4−1)
熱力学に基づいて、特定の温度(T)および圧力(P)でのギブス自由エネルギー(G)を、G(T,P,NLi,N、N)=H(T,P,NLi,N、N)+PV(T,P,NNLi,N、N)−TS(T,P,NLi,N、N)の式を使用して計算した。
ここで、Hはエンタルピー、Vは体積、Sはエントロピーである。PVおよびTSの項は無視できるとして、0Kの凝縮相ではゼロに設定した。
(4−2)
予測された化合物とそれらの競合するフェーズに対して、凸包アプローチ(Convex hull approach)を使用して基底状態フェーズを決定した。
(4−3)
化学ポテンシャルに関しては、以下に示すように元素の標準状態に基づいて使用される参照化学ポテンシャルを使用した。すなわち、ここでは、Li金属からの(μNa )、1/2OガスからのO(μ )、S固体からのS(μ )、1/2BrガスからのBr(μBr )、1/2ClガスからのCl(μCl )、1/2FガスからのF(μ )、1/2IガスからのI(μ )、Se金属からのSe(μSe )、Te金属からのTe(μTe )を用いた。
(4−4)
水との化学的安定性は、次に示すLiOH形成に基づいて計算した:Li+HO=LiHX+LiOH。ここで、a、bおよびcはスーパーセルモデルの原子数である。
4. Thermodynamic calculation (4-1)
Based on thermodynamics, the Gibbs free energy (G) at a specific temperature (T) and pressure (P) is G (T, P, N Li , N x , N z ) = H (T, P, N). It was calculated using the formula Li , N x , N z ) + PV (T, P, NN Li , N x , N z ) -TS (T, P, N Li , N x , N z).
Here, H is enthalpy, V is volume, and S is entropy. The PV and TS terms were negligible and were set to zero in the 0K condensed phase.
(4-2)
For the predicted compounds and their competing phases, the convex hull approach was used to determine the ground state phase.
(4-3)
For the chemical potential, the reference chemical potential used based on the standard state of the element was used as shown below. That is, here, (μ Na 0 ) from Li metal, O (μ 0 0 ) from 1 / 2O 2 gas, S (μ S 0 ) from S solid, Br (μ) from 1 / 2Br 2 gas. Br 0 ), Cl from 1 / 2Cl 2 gas (μ Cl 0 ), F from 1 / 2F 2 gas (μ F 0 ), I from 1 / 2I 2 gas (μ I 0 ), from Se metal Se (μ Se 0 ) and Te (μ Te 0 ) from Te metal were used.
(4-4)
Chemical stability with water was calculated based on the following LiOH formation: Li a X b Z c + H 2 O = Li a HX b Z c + LiOH. Here, a, b, and c are the atomic numbers of the supercell model.

5.イオン伝導率の計算
イオン伝導率は、ターゲット温度T=400Kでの分子動力学計算(MD)から推定した。ここで、MDによるLi軌道サンプリングには、少なくとも100原子のスーパーセルモデルを用いた。
詳細には、MD実行のステップサイズを1fsとしNPTアンサンブル条件下での50ps(50000MDステップ)MD軌跡サンプリングの前に、NPTアンサンブル条件下で10ps(10000MDステップ)の平衡化を実行した。
T=400KでのLi拡散率は、時間アンサンブル平均二乗平均変位(MSD)プロットの勾配から次式のようにして決定した。
MSD=<[r(t+τ)−r(t)]
ここで、r(t)は時刻tにおける原子の位置(ベクトル)であり、τは2つの位置r(t+τ)とr(t)の間の遅延時間である。
Naの拡散係数(D)は、Einstein−Smoluchowski方程式に基づいて計算した。すなわち、下記式(1)を用いて計算した。ここで、dは拡散プロセスにおける格子次元数である。
5. Calculation of ionic conductivity The ionic conductivity was estimated from the molecular dynamics calculation (MD) at the target temperature T = 400K. Here, a supercell model of at least 100 atoms was used for Li orbital sampling by MD.
Specifically, the step size of MD execution was set to 1 fs, and equilibration of 10 ps (10000 MD steps) was performed under NPT ensemble conditions before 50 ps (50,000 MD steps) MD trajectory sampling under NPT ensemble conditions.
The Li diffusion rate at T = 400K was determined by the following equation from the gradient of the time ensemble average root mean square displacement (MSD) plot.
MSD = <[r v (t + τ) -r v (t)] 2 >
Here, r v (t) is the position (vector) of the atom at time t, and τ is the delay time between the two positions r v (t + τ) and r v (t).
The diffusion coefficient (D) of Na was calculated based on the Einstein-Smoluchowski equation. That is, the calculation was performed using the following formula (1). Here, d is the number of grid dimensions in the diffusion process.

Figure 2021136192
Figure 2021136192

T=400Kでのイオン伝導率(σ)は、ネルンスト-アインシュタインの関係、すなわちσ=(zeD)/(kT)に基づいて求めた。ここで、zは電荷キャリア密度、eは素電荷、kはボルツマン定数である。 Ionic conductivity at T = 400K (σ) is, Nernst - Einstein relation, i.e. sigma = calculated based on (ze 2 D) / (kT ). Here, z is the charge carrier density, e is the elementary charge, and k is the Boltzmann constant.

6.多目的ベイズ最適化(MOBO)アルゴリズム
Liイオン伝導率、バンドギャップエネルギー(DFT電子バンドギャップエネルギー)を使用した電気化学ウィンドウ、およびリチウムイオン電池の化学的安定性の指標である水和エネルギーという3つのバッテリーに重要な特性を、重みの差がない同じ比率で同時に最適化した。この方法は、非参考文献2,3に記載の方法に準じている。
MOBOアルゴリズムは、ガウス(GP)過程モデルによって解を求めるものであるが、ここでは、3つの目的関数(f:Liイオン伝導率、f:DFT電子バンドギャップエネルギーを使用した電気化学ウィンドウ、f:水に対する化学的安定性)に対してそれを適用した。
なお、GPモデルには、各化合物の6つの一般的な材料特性のヒストグラムから定義された下記6つのサブカーネル(k)を持つ加算構造がある。k:化合物の元素の電気陰性度、k:原子対座標のボロノイテセレーションからの実際の値サブセット(カチオン−カチオン、カチオン−アニオン、およびアニオン−アニオンのペア)、k:原子対座標サブセット(カチオンーカチオン、カチオン−アニオン、およびアニオン−アニオンのペア)の部分的な動径分布関数、および積カーネルk=k×k、k=k×k、およびk=k×k。この取り扱いに関しては非特許文献4に準じている。
なお、全てのMOBOステップでMOBOパラメーターの更新を行い、また、全てのMOBOステップでバッチサンプリングサイズは10化合物とした。MOBOステップは、収束性をみて7ステップとした。
また、取得関数は、各MOBOステップでGP予測からのハイパーボリュームに基づいた上限信頼限界(GP−UCB)に基づいて定式化した。
6. Multipurpose Bayesian Optimization (MOBO) Algorithm Three batteries: Li ion conductivity, electrochemical window using band gap energy (DFT electron band gap energy), and hydration energy, which is an indicator of the chemical stability of lithium ion batteries. Important properties were simultaneously optimized at the same ratio with no weight difference. This method conforms to the method described in Non-References 2 and 3.
The MOBO algorithm finds a solution by a Gaussian (GP) process model, but here, three objective functions (f 1 : Li ion conductivity, f 2 : electrochemical window using DFT electron band gap energy, f 3 : Chemical stability to water) was applied.
The GP model has an addition structure having the following six subkernels (k) defined from a histogram of six general material properties of each compound. k 1 : Electronegativity of the elements of the compound, k 2 : A subset of the actual values from the boronoite serrations of the atomic pair coordinates (cation-cation, cation-anion, and anion-anion pairs), k 3 : Atomic pair coordinates Partial radiative distribution function of a subset (cation-cation, cation-anion, and anion-anion pair), and product kernel k 4 = k 1 × k 2 , k 5 = k 1 × k 3 , and k 6 = K 2 x k 3 . This handling is in accordance with Non-Patent Document 4.
The MOBO parameters were updated in all MOBO steps, and the batch sampling size was set to 10 compounds in all MOBO steps. The MOBO step was set to 7 steps in view of convergence.
In addition, the acquisition function was formulated at each MOBO step based on the upper limit confidence limit (GP-UCB) based on the hypervolume from the GP prediction.

上記シミュレーションは、総数10500のリチウムリッチアンチペロブスカイトについて行った。そして、0.1eV以下という分解エネルギー基準によって約1000に対象物を絞り、さらに最適化によってその中から200に絞った。その上で、スコアが上位のもので、かつ反応エネルギー、イオン伝導率、バンドギャップの値に配慮して、性能が優れるものを選び出した。 The above simulation was performed on a total of 10500 lithium-rich antiperovskite. Then, the object was narrowed down to about 1000 according to the decomposition energy standard of 0.1 eV or less, and further narrowed down to 200 from among them by optimization. On that basis, the ones with the highest scores and the ones with excellent performance were selected in consideration of the values of reaction energy, ionic conductivity, and bandgap.

その結果、選び出した上位のアンチペロブスカイト化合物のフォーミュラを表1に示す。また、表1には併せて、リチウム二次電池用の固体電解質として知られているLi24Brに関して、実施例1記載の方法を適用して、分解エネルギー、水反応エネルギー、イオン伝導率、バンドギャップおよびスコアを求めた結果も掲載している。 As a result, the formulas of the selected high-ranking antiperovskite compounds are shown in Table 1. In addition, Table 1 also applies the method described in Example 1 to Li 24 O 8 Br 8 known as a solid electrolyte for a lithium secondary battery, and applies decomposition energy, water reaction energy, and ion conduction. The results of calculating the rate, band gap and score are also posted.

Figure 2021136192
Figure 2021136192

表1の番号1から10に記載のLi24SeBrCl、Li24BrCl、Li24Cl、Li32TeCl、Li24SeCl、Li24Se、Li32BrCl、Li24BrCl、Li32Br12およびLi24SeClは、水反応エネルギー、イオン伝導率、バンドギャップが高いレベルにあり、その中でも番号4,5,7,8および10に記載のLi32TeCl、Li24SeCl、Li32BrCl、Li24BrClおよびLi24SeClは水反応エネルギー、イオン伝導率、バンドギャップが特に高いレベルにあった。 Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6 , Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2 , Li 24 I 2 Cl 6 O 8 , Li 32 Te 8 I 8 Cl 8 , Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2 , Li 24 Se 4 I 8 O 4 , Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 , Li 24 Br 2 Cl 6 O 8 , Li 32 I 4 Br 12 O 8 and Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2 has high levels of water reaction energy, ionic conductivity, and band gap, among which Li 32 Te 8 I 8 Cl 8 , Li described in Nos. 4, 5, 7, 8 and 10 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2 , Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 , Li 24 Br 2 Cl 6 O 8 and Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2 have water reaction energy, ionic conductivity, and band gap. It was at a particularly high level.

Li24SeBrClは、イオン伝導率が0.7823S/cmであり、比較例であるLi24Brの0.0086S/cmの約90倍という高いイオン伝導率を示した。
Li24Seは、水反応エネルギーが約38KJ/molで水に対して安定性が特に高いという特徴を示す。一方、比較例であるLi24Brは、水に対して反応が進行する約−39KJ/molという負の値になっている。
Li32BrClは、バンドギャップが4.5431eVと比較例であるLi24Brの4.1935eVより約8%高い値であって、このことは二次電池としたときに充放電安定性が高いことを意味している。
Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6 has an ionic conductivity of 0.7823 S / cm, which is about 90 times as high as 0.0086 S / cm of Li 24 O 8 Br 8 which is a comparative example. Indicated.
Li 24 Se 4 I 8 O 4 is characterized by a water reaction energy of about 38 KJ / mol and particularly high stability with respect to water. On the other hand, Li 24 O 8 Br 8 which is a comparative example has a negative value of about −39 KJ / mol in which the reaction proceeds with water.
The bandgap of Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 is 4.5431 eV, which is about 8% higher than that of 4.1935 eV of Li 24 O 8 Br 8 which is a comparative example, which is a value when used as a secondary battery. It means that the charge / discharge stability is high.

したがって、表1にリストアップされたLi24SeBrCl、Li24BrCl、Li24Cl、Li32TeCl、Li24SeCl、Li24Se、Li32BrCl、Li24BrCl、Li32Br12およびLi24SeClは、Li固体二次電池の電解質として高い性能を有し、特にLi32TeCl、Li24SeCl、Li32BrCl、Li24BrClおよびLi24SeClは、Li固体二次電池の電解質として特に高い性能を有していた。また、Li24SeBrClはイオン伝導率、Li24Seは水安定性、およびLi32BrClは充放電安定性に優れた特性を有していた。 Therefore, Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6 , Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2 , Li 24 I 2 Cl 6 O 8 , Li 32 Te 8 I 8 Cl 8 , Li listed in Table 1. 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2 , Li 24 Se 4 I 8 O 4 , Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 , Li 24 Br 2 Cl 6 O 8 , Li 32 I 4 Br 12 O 8 and Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2 has high performance as an electrolyte for Li solid secondary batteries, and in particular, Li 32 Te 8 I 8 Cl 8 , Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2 , Li 32 Br 8 Cl 8 O. 8 , Li 24 Br 2 Cl 6 O 8 and Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2 had particularly high performance as electrolytes for Li solid secondary batteries. Also, Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6 ion conductivity, Li 24 Se 4 I 8 O 4 is water stable, and Li 32 Br 8 Cl 8 O 8 is perforated excellent properties charge and discharge stability Was.

本発明により、電流特性に優れ、充放電や水分等に対する安定性が高く、かつ液漏れの心配がない取り扱い容易な二次電池用固体電解質用化合物および固体電解質を提供することが可能になる。また、電解質としてその化合物を用いた固体二次電池は、電流特性が優れ、充放電や水分等に対する安定性が高く、かつ液漏れの心配がない取り扱い容易なものとなる。
ハイブリッドおよび電気自動車、高機能住宅、スマートフォンなどの携帯端末などスマート社会では大電流対応で安定性が高くかつ取り扱いの容易な二次電池が強く求められているので、本発明は、パーソナル用途を含めた産業や社会の発展に寄与するものと考える。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a compound for a solid electrolyte for a secondary battery and a solid electrolyte that are easy to handle and have excellent current characteristics, high stability against charge / discharge and moisture, and no fear of liquid leakage. Further, a solid secondary battery using the compound as an electrolyte has excellent current characteristics, is highly stable against charge / discharge and moisture, and is easy to handle without fear of liquid leakage.
In a smart society such as hybrid and electric vehicles, high-performance housing, and mobile terminals such as smartphones, there is a strong demand for secondary batteries that support large currents, are highly stable, and are easy to handle. Therefore, the present invention includes personal applications. We believe that it will contribute to the development of industry and society.

1:Zサイト(Li)
2:Aサイト
3:Xサイト
1: Z site (Li)
2: A site 3: X site

Claims (11)

下記フォーミュラ1から10で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上有するリチウムイオン二次電池用の化合物。
[フォーミュラ1]
Li24SeBrCl
[フォーミュラ2]
Li24BrCl
[フォーミュラ3]
Li24Cl
[フォーミュラ4]
Li32TeCl
[フォーミュラ5]
Li24SeCl
[フォーミュラ6]
Li24Se
[フォーミュラ7]
Li32BrCl
[フォーミュラ8]
Li24BrCl
[フォーミュラ9]
Li32Br12
[フォーミュラ10]
Li24SeCl
A compound for a lithium ion secondary battery having one or more compounds having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formulas 1 to 10 below.
[Formula 1]
Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6
[Formula 2]
Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2
[Formula 3]
Li 24 I 2 Cl 6 O 8
[Formula 4]
Li 32 Te 8 I 8 Cl 8
[Formula 5]
Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2
[Formula 6]
Li 24 Se 4 I 8 O 4
[Formula 7]
Li 32 Br 8 Cl 8 O 8
[Formula 8]
Li 24 Br 2 Cl 6 O 8
[Formula 9]
Li 32 I 4 Br 12 O 8
[Formula 10]
Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2
前記フォーミュラ4、前記フォーミュラ5、前記フォーミュラ7、前記フォーミュラ8および前記フォーミュラ10からなる群より選ばれる1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、請求項1記載の化合物。 The compound according to claim 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by 1 selected from the group consisting of the formula 4, the formula 5, the formula 7, the formula 8 and the formula 10. 前記フォーミュラ1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、請求項1記載の化合物。 The compound according to claim 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formula 1. 前記フォーミュラ6で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、請求項1記載の化合物。 The compound according to claim 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 6. 前記フォーミュラ7で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造を有する、請求項1記載の化合物。 The compound according to claim 1, which has a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 7. 下記フォーミュラ1から10で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上含有する、リチウムイオン二次電池用固体電解質。
[フォーミュラ1]
Li24SeBrCl
[フォーミュラ2]
Li24BrCl
[フォーミュラ3]
Li24Cl
[フォーミュラ4]
Li32TeCl
[フォーミュラ5]
Li24SeCl
[フォーミュラ6]
Li24Se
[フォーミュラ7]
Li32BrCl
[フォーミュラ8]
Li24BrCl
[フォーミュラ9]
Li32Br12
[フォーミュラ10]
Li24SeCl
A solid electrolyte for a lithium ion secondary battery containing at least one compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formulas 1 to 10 below.
[Formula 1]
Li 24 Se 2 Br 6 Cl 2 O 6
[Formula 2]
Li 24 S 6 Br 4 Cl 4 O 2
[Formula 3]
Li 24 I 2 Cl 6 O 8
[Formula 4]
Li 32 Te 8 I 8 Cl 8
[Formula 5]
Li 24 Se 6 I 6 Cl 2 O 2
[Formula 6]
Li 24 Se 4 I 8 O 4
[Formula 7]
Li 32 Br 8 Cl 8 O 8
[Formula 8]
Li 24 Br 2 Cl 6 O 8
[Formula 9]
Li 32 I 4 Br 12 O 8
[Formula 10]
Li 24 Se 6 S 2 I 6 Cl 2
前記フォーミュラ4、前記フォーミュラ5、前記フォーミュラ7、前記フォーミュラ8および前記フォーミュラ10からなる群より選ばれる1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を1以上含有する、請求項6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。 The lithium ion according to claim 6, wherein the lithium ion according to claim 6 contains one or more compounds having a lithium-rich antiperovskite structure represented by 1 selected from the group consisting of the formula 4, the formula 5, the formula 7, the formula 8 and the formula 10. Solid electrolyte for secondary batteries. 前記フォーミュラ1で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、請求項6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。 The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to claim 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by Formula 1. 前記フォーミュラ6で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、請求項6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。 The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to claim 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 6. 前記フォーミュラ7で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト構造の化合物を含有する、請求項6記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質。 The solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to claim 6, which contains a compound having a lithium-rich antiperovskite structure represented by the formula 7. 請求項6から10の何れか1記載のリチウムイオン二次電池用固体電解質を有する、リチウムイオン固体二次電池。
A lithium ion solid secondary battery having the solid electrolyte for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 6 to 10.
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