JP3149524B2 - 非晶質リチウムイオン導電性固体電解質およびその製造方法 - Google Patents
非晶質リチウムイオン導電性固体電解質およびその製造方法Info
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Description
サ、固体エレクトロクロミック表示素子等の電気化学素
子の電解質として利用されるリチウムイオン導電性固体
電解質に関するものである。
ウム二次電池の開発に関する研究が盛んに行われてい
る。有機電解質を用いたリチウム二次電池の開発には、
正極あるいは負極として可逆性に優れた活物質材料の開
発が必要であり、今日、そうした材料探索が盛んに行わ
れている。例えば、このような電池の負極材料に関する
研究は、リチウム金属単独あるいはリチウム合金を用い
たものから、特殊なカーボンを利用しカーボン層間へリ
チウムを可逆的に出し入れさせることのできる反応を利
用したものへと移行してきている。
の電気化学的酸化還元によって化学変化を伴うものか
ら、電解質中のLiイオンが活物質中へ出入りする材料
へと、用いられる材料が異なってきている。
向上させる為にリチウムイオン導電性固体電解質を必要
としている。しかし、現在の所、優れたリチウムイオン
導電性固体電解質がなく、新しいリチウムイオン導電性
固体電解質材料の研究開発が盛んに行われている。
して、Li2S・X(XはSiS2、GeS2、P2S5、
B2S3のうち少なくとも一種の硫化物)系硫化物ガラス
が優れたイオン導電性を示すことから盛んに研究されて
いる。
S2のLi2S・SiS2系において特に高い導電率の値
を有し、その値は、5×10-4S/cm程度である。
化リチウムを添加したLiI・Li2S・X系ガラスで
は、10-3S/cm程度と比較的高いイオン導電率を持
つことが知られている。
iS2、GeS2、P2S5、B2S3のうち少なくとも一種
の硫化物)系硫化物ガラスの導電率は、前述のように5
×10-4S/cmという高い値を示すが、電気化学素子
に応用するにはこのイオン導電率がまだ低く、更にこの
材料の化学的な安定性も不充分である。
-3S/cm程度と更に高いイオン導電率を示すが、リチ
ウム金属との接触により固体電解質が還元され導電性が
低下するなど化学的な安定性の面が解決されておらず、
全固体リチウム電池などの電気化学素子への応用開発に
はまだ数々の問題を有している。
電率、あるいは導電率の低下をもたらす化学的安定性の
問題を解決し、優れたリチウムイオン導電性固体電解質
を提供することにある。
に、本発明の非晶質リチウムイオン導電性固体電解質
は、一般式aLi3PO4・bLi2S・cX・dLiC
lで表されるリチウムイオン導電性固体電解質であり、
式中のa+b+c+dが1であって、XがSiS2、G
eS2、P2S5およびB2S3から成る群より選択される
一種以上の硫化物であることを特徴とするものである。
性固体電解質の製造では、先ず一般式a'Li3PO4・b'
Li2S・c'X(式中、a'+b'+c'が1であって、Xが
前記のものと同じものを示す)で表される非晶質化合物
にLiClを混合し、該混合物を加熱溶融し、その後急
冷することを特徴とするものである。
ることが好ましい。また、前記式中のa、b、cの和が
次式0.9>a+b+c>0.6の関係を満たし、かつ
dが次式0.1≦d≦0.4の関係を満たすことが好ま
しい。
の高い結晶構造を示すが、室温付近では相転移によって
構造が変わり、イオン導電性が低下することが知られて
いる。
態を示す材料に加え、これらを高温状態で一旦、非晶質
化させた後、室温状態に戻すことにより、Li3PO4の
状態を室温においても非晶質状態に保持させることが可
能となり、室温においても高いイオン導電性をもたせる
ことができることが分かった。
即ち、結晶構造の原子の配列がやや乱れた構造をとるこ
とによって結晶性材料とは異なり、リチウムイオンが自
由に動き得るようになり、その結果、イオン導電性が向
上するものと考えられる。特に、一般式a'Li3PO4・
b'Li2S・c'X(式中、a'+b'+c'が1であって、X
がSiS2、GeS2、P2S5およびB2S3から成る群よ
り選択される一種以上の硫化物を示す)で表される非晶
質化合物にLiClを混合し、該混合物を加熱溶解し、
その後急冷することにより合成される本発明の非晶質リ
チウムイオン導電性固体電解質は自由に動き得るリチウ
ムイオンが多くなる結果、a'Li3PO4・b'Li2S・
c'Xで表される前記非晶質化合物材料よりもイオン導電
率の高いリチウムイオン導電性固体電解質となる。
詳細に説明する。
は、一般式a'Li3PO4・b'Li2S・c'X(式中、a'
+b'+c'が1であって、XがSiS2、GeS2、P2S5
およびB2S3から成る群より選択される一種以上の硫化
物)で表される非晶質化合物を母材として用い、添加す
る化合物として塩化リチウム(LiCl)を用いた。
び合成した固体電解質とは大気中の酸素や水分によって
容易に分解するため、取扱はすべて乾燥アルゴン雰囲気
下のドライボックス中で行なった。
て特級を使用し、特にLiClは減圧下300℃で6時
間乾燥した後使用した。
SiS2・dLiCl(式中、a+b+c+d=1)で
表される非晶質リチウムイオン導電性固体電解質を以下
の方法で合成した。
c"=1)で表される化合物を合成した。この合成では、
硫化リチウム(Li2S)と硫化珪素(SiS2)をb"=
0.3〜0.8となるように混合し、該混合粉末をガラ
ス状カーボン坩堝中に入れ、これを、アルゴン気流中9
50℃で1.5時間溶融し反応させた後、液体窒素中に
投入して急冷することにより、一般式b"Li2S・c"S
iS2(b"+c"=1)で表される化合物を得た。
酸リチウム(Li3PO4)を一般式a'Li3PO4・b'L
i2S・c'SiS2において、a'=0.01〜0.3とな
るように加えて混合し、該粉末をガラス状カーボン坩堝
中に入れ、これを、アルゴン気流中950℃で1.5時
間溶融し反応させた後、液体窒素中に投入して急冷し、
一般式a'Li3PO4・b'Li2S・c'SiS2(a'+b'+
c'=1)で表される化合物を得た。
iS2材料y量に対し、塩化リチウム(LiCl)d量
をy+dが1となるように混合し、該混合粉末をガラス
状カーボン坩堝中に入れ、これを、アルゴン気流中95
0℃で1.5時間溶融し反応させた後、液体窒素中に投
入して急冷し、一般式aLi3PO4・bLi2S・cS
iS2・dLiCl(a+b+c+d=1)で表される
固体電解質を得た。
交流インピーダンス法によるイオン導電率の測定を行っ
た。
導電率を示し、横軸は、(0.03Li3PO4・0.5
8Li2S・0.39SiS2)に対するLiClの添加
量(モル%)を示したものである。図1より導電率は塩
化リチウムの添加と共に増大した後、極大を経て、減少
していることが示されており、イオン導電率が最も大き
くなるのは、0.75(0.03Li3PO4・0.58
Li2S・0.39SiS2)・0.25(LiCl)で
あり、そのイオン導電率の値は2.27×10-3S/c
mであった。
い0.03Li3PO4・0.58Li2S・0.39S
iS2のイオン導電率は7×10-4S/cmであった。
的安定性を調べた。この安定性を調べるために、合成し
た各種組成の電解質を厚さ0.5mm、直径10mmのディ
スクにプレス成形し、更に、これらディスクの両面にリ
チウム金属ディスクを圧着し、図2に示すような密封セ
ル1を作成した。図中、2はリチウム金属を、3は電解
質をそれぞれ示す。得られたセルの化学的安定性につい
ては、これらセルを60℃の恒温槽に500時間保存
し、それぞれのセルの内部インピーダンスの経時的変化
を測定することにより評価した。
軸はインピーダンス変化を保存前の内部インピーダンス
で規格化して示したものであり、横軸は保存時間を示し
たものである。本結果から明白なように、塩化リチウム
が0.55以上では内部インピーダンスの経時変化が著
しく大きくなり、それ以下では内部インピーダンスの増
加が少ないことが分かった。
いたリチウムイオン導電性固体電解質aLi3PO4・b
Li2S・cGeS2・dLiClを以下の方法で合成し
た。
S2ガラスを実施例1と同様の方法で合成した。即ち、
硫化リチウム(Li2S)と硫化ゲルマニウム(Ge
S2)をモル比で3:2に混合し、該材料粉末をガラス
状カーボン坩堝中に入れ、これを、アルゴン気流中95
0℃で1.5時間反応させた後、液体窒素中に投入して
急冷し、0.6Li2S・0.4GeS2組成の材料を合
成した。続いて、こうして得た材料0.6Li2S・
0.4GeS2を粉砕し、リン酸リチウム(Li3P
O4)をモル比で97:3に混合し、該粉末をガラス状
カーボン坩堝中に入れ、アルゴン気流中950℃で1.
5時間反応させた。然る後、液体窒素中に投入して急冷
し、0.03Li3PO4・0.58Li2S・0.39
GeS2で表される非晶質材料を合成した。
i2S・0.39GeS2材料yモル%に対し、塩化リチ
ウム(LiCl)dモル%を加え、該混合粉末をガラス
状カーボン坩堝中に入れ、これを、アルゴン気流中95
0℃で1.5時間溶解し反応させた後、液体窒素中に投
入して急冷し、一般式aLi3PO4・bLi2S・cG
eS2・dLiCl(a+b+c+d=1)で表される
固体電解質を得た。
べるため、交流インピーダンス法によるイオン導電率の
測定を行った。
導電率を示し、横軸は(0.03Li3PO4・0.58
Li2S・0.39GeS2)に対するLiClの添加量
を示したものである。図4には、導電率が塩化リチウム
の添加と共に増大した後、極大を経て、減少することが
示されている。イオン導電率が最も大きくなるのは、
0.80(0.03Li3PO4・0.58Li2S・
0.39GeS2)・0.20(LiCl)のときであ
り、そのときのイオン導電率の値は1.2×10-3S/
cmであった。
い0.03Li3PO4・0.58Li2S・0.39G
eS2のイオン導電率は2×10-4S/cmであった。
的安定性を実施例1と同様にして調べたところ、得られ
た結果は実施例1と同様、塩化リチウムが0.5以上で
は内部インピーダンスの経時変化が著しく大きくなり、
それ以下では内部インピーダンスの増加が少なくなるこ
とが分かった。
いたリチウムイオン導電性固体電解質aLi3PO4・b
Li2S・cP2S5・dLiClを以下の方法で合成し
た。
P2S5ガラスを実施例1と同様に合成した。即ち、硫化
リチウム(Li2S)と硫化燐(P2S5)をモル比で
2:1に混合し、該材料粉末をガラス状カーボン坩堝中
に入れ、これを、アルゴン気流中500℃で12時間、
続いて800℃で2時間反応させた後、液体窒素中に投
入して急冷し、0.67Li2S・0.33P2S5組成
の材料を合成した。
i2S・0.33P2S5を粉砕し、リン酸リチウム(L
i3PO4)をモル比で97:3に混合し、該粉末をガラ
ス状カーボン坩堝中に入れ、アルゴン気流中950℃で
1.5時間反応させた。然る後、液体窒素中に投入して
急冷し、0.03Li3PO4・0.65Li2S・0.
32P2S5で示される非晶質材料を合成した。
i2S・0.32P2S5材料yモル%に対し、塩化リチ
ウム(LiCl)dモル%を加え、該混合粉末をガラス
状カーボン坩堝中に入れ、アルゴン気流中950℃で
1.5時間溶解し反応させた後、液体窒素中に投入して
急冷し、一般式aLi3PO4・bLi2S・cP2S5・
dLiCl(a+b+c+d=1)で表される固体電解
質を得た。
べるため、交流インピーダンス法によるイオン導電率の
測定および本固体電解質のリチウム金属に対する化学的
安定性を調べた。
導電率を示し、横軸は(0.03Li3PO4・0.65
Li2S・0.32P2S5)に対するLiClの添加量
を示したものである。イオン導電率が最も大きな値を示
した組成は、0.70(0.03Li3PO4・0.65
Li2S・0.32P2S5)・0.30(LiCl)の
ときであり、そのときのイオン導電率の値は8.5×1
0-4S/cmであった。
い0.03Li3PO4・0.65Li2S・0.32P2
S5のイオン導電率は4.2×10-4S/cmであっ
た。
的安定性を実施例1と同様にして調べたところ、得られ
た結果は実施例1と同様、塩化リチウムが0.5以上で
は内部インピーダンスの経時変化が著しく大きくなり、
それ以下では内部インピーダンスの増加が少なくなるこ
とが分かった。
いたリチウムイオン導電性固体電解質aLi3PO4・b
Li2S・cB2S3・dLiClを以下の方法で合成し
た。
5ガラスを実施例1と同様に合成した。即ち、硫化リチ
ウム(Li2S)と硫化ホウ素(B2S3)をモル比で
1:1に混合し、該材料粉末をガラス状カーボン坩堝中
に入れ、アルゴン気流中500℃で12時間、続いて8
00℃で3時間反応させた後、液体窒素中に投入して急
冷し、0.5Li2S・0.5B2S3組成の材料を合成
した。
2S・0.5B2S3を粉砕し、リン酸リチウム(Li3P
O4)をモル比で96:4に混合し、該粉末をガラス状
カーボン坩堝中に入れ、アルゴン気流中800℃で3時
間反応させた。然る後、液体窒素中に投入して急冷し、
0.04Li3PO4・0.48Li2S・0.48B2S
3で示される非晶質材料を合成した。
i2S・0.48B2S3材料yモル%に対し、塩化リチ
ウム(LiCl)dモル%を加え、該混合粉末をガラス
状カーボン坩堝中に入れ、これを、アルゴン気流中80
0℃で1.5時間溶融し反応させた後、液体窒素中に投
入して急冷し、一般式aLi3PO4・bLi2S・cB2
S3・dLiCl(a+b+c+d=1)で表される固
体電解質を得た。
べるため、交流インピーダンス法によるイオン導電率の
測定および本固体電解質のリチウム金属に対する化学的
安定性を調べた。
導電率を示し、横軸は(0.04Li3PO4・0.48
Li2S・0.48B2S3)に対するLiClの添加量
を示したものである。イオン導電率が最も大きな値を示
した組成は、0.75(0.03Li3PO4・0.65
Li2S・0.32B2S3)・0.25(LiCl)の
ときであり、そのときのイオン導電率の値は7.5×1
0-4S/cmであった。
い0.03Li3PO4・0.65Li2S・0.32B2
S3のイオン導電率は3.0×10-4S/cmであっ
た。
的安定性を実施例1と同様にして調べたところ、得られ
た結果は実施例1と同様、塩化リチウムが0.6以上で
は内部インピーダンスの経時変化が著しく大きくなり、
それ以下では内部インピーダンスの増加が少なくなるこ
とが分かった。
成に際しては、逐次非晶質材料を合成し、目的とする本
発明のリチウム固体電解質を得たが、これらはそれぞれ
において最高の条件を求めるために試行したものであっ
て、電解質組成と合成温度、昇温条件等の諸条件を選択
することにより、簡略化させることができることは勿論
のことである。
体電解質は、Li3PO4・Li2S・X(XはSiS2、
GeS2、P2S5およびB2S3のうち少なくとも一種の
硫化物)系硫化物非晶質材料に塩化リチウムを添加する
ことによって得られるものであり、母材のLi2S・X
(Xは前記のものと同じものを示す)系非晶質材料に比
べ、より高いリチウムイオン導電性を示し、リチウム金
属と接触しても化学的変化が少ない。
性固体電解質を電池、コンデンサ、エレクトロクロミッ
ク表示素子等の電気化学素子の電解質に用いた場合に
は、極めて実用性の高い電気化学素子を製造することが
できることが期待される。
(LiCl)添加量とイオン導電率との関係を示す図
性を示す図
(LiCl)添加量とイオン導電率との関係を示す図
(LiCl)添加量とイオン導電率との関係を示す図
(LiCl)添加量とイオン導電率との関係を示す図
Claims (4)
- 【請求項1】 一般式aLi3 PO4 ・bLi2 S・c
X・dLiClで表されるリチウムイオン導電性固体電
解質であり、式中のa+b+c+dが1であって、Xが
SiS2 、GeS2 、P2 S5 およびB2 S3 から成る
群より選択される一種以上の硫化物であることを特徴と
する非晶質リチウムイオン導電性固体電解質。 - 【請求項2】 XがSiS2 である請求項1記載の非晶
質リチウムイオン導電性固体電解質。 - 【請求項3】 a、b、cの和が次式0.9>a+b+
c>0.6の関係を満たし、かつdが次式0.1≦d≦
0.4の関係を満たす請求項1または請求項2記載の非
晶質リチウムイオン導電性固体電解質。 - 【請求項4】 請求項1記載の非晶質リチウムイオン導
電性固体電解質の製造方法において、先ず一般式a'Li
3 PO4 ・b'Li2 S・c'X(式中、a'+b'+c'が1で
あって、Xが前記のものと同じものを示す)で表される
非晶質材料を合成した後、該非晶質材料にLiClを混
合し、該混合物を加熱溶融し、その後急冷することを特
徴とする非晶質リチウムイオン導電性固体電解質の製造
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11452092A JP3149524B2 (ja) | 1992-05-07 | 1992-05-07 | 非晶質リチウムイオン導電性固体電解質およびその製造方法 |
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JP11452092A JP3149524B2 (ja) | 1992-05-07 | 1992-05-07 | 非晶質リチウムイオン導電性固体電解質およびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH05306118A JPH05306118A (ja) | 1993-11-19 |
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ID=14639811
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JP11452092A Expired - Lifetime JP3149524B2 (ja) | 1992-05-07 | 1992-05-07 | 非晶質リチウムイオン導電性固体電解質およびその製造方法 |
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Cited By (2)
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WO2015030053A1 (ja) | 2013-09-02 | 2015-03-05 | 三菱瓦斯化学株式会社 | 全固体電池および電極活物質の製造方法 |
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1992
- 1992-05-07 JP JP11452092A patent/JP3149524B2/ja not_active Expired - Lifetime
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