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JP3151925B2 - 非晶質リチウムイオン伝導性固体電解質並びにその合成法 - Google Patents

非晶質リチウムイオン伝導性固体電解質並びにその合成法

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Publication number
JP3151925B2
JP3151925B2 JP11451992A JP11451992A JP3151925B2 JP 3151925 B2 JP3151925 B2 JP 3151925B2 JP 11451992 A JP11451992 A JP 11451992A JP 11451992 A JP11451992 A JP 11451992A JP 3151925 B2 JP3151925 B2 JP 3151925B2
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JP
Japan
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lithium
solid electrolyte
ion conductive
amorphous
ionic conductivity
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JP11451992A
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繁雄 近藤
和典 高田
登 青谷
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Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte

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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、全固体電池、コンデン
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伝導性固体
電解質に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、有機リチウム電解質を用いたリチ
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、負極材料に関してはリチウム金属単
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
入れさせる反応を利用する方向に進んでいる。
【0003】また、正極材料に関しても同様に、活物質
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イオンが活物質中に出入りする材料が用
いられるようになって来ている。
【0004】一方、電解質に関しては、電池の信頼性を
向上させる為にリチウムイオン伝導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
伝導性固体電解質がなく、新しい固体電解質材料の研究
開発が盛んに行われている。
【0005】こうした固体電解質に関する研究の一つと
してLi2 S・X(XはSiS2 、GeS2 、P
2 5 、B2 3 の群より選択される一種以上の硫化
物)系硫化物ガラスが優れたイオン伝導性を示す事から
盛んに研究されている。
【0006】Li2 S・X(XはSiS2 、GeS2
2 5 、B2 3 の群より選択される一種以上の硫化
物)系硫化物ガラスは、XがSiS2 のLi2 S・Si
2系において特に高い伝導率の値を有し、その値は、
5×10-4S/cm程度である。
【0007】また、Li2 S・X系硫化物ガラスにヨウ
化リチウムを添加したLiI・Li 2 S・X系ガラスで
は、10-3S/cm程度と比較的高いイオン伝導率を持
つとして知られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】Li2 S・X(XはS
iS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択さ
れる一種以上の硫化物)系硫化物ガラスの伝導率は、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イオン伝導率がまだ低く、
更に該材料の化学的な安定性が不充分である。
【0009】また、LiI・Li2 S・X系では、10
-3S/cm程度という高いイオン伝導率を示すが、リチ
ウム金属との接触により固体電解質が還元され伝導性が
低下するなど化学的な安定性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数
々の問題を有していた。
【0010】本発明は、従来の課題である低い伝導率あ
るいは伝導率の低下をもたらす化学的安定性の問題を改
善したリチウムイオン伝導性固体電解質とその合成法を
提供しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、a’Li3
4 ・b’Li2 S・c’X(但し、a’+b’+c’
が1であって、XがSiS2 、GeS2 、P2 5 、B
2 3 の群より選択される一種以上の硫化物)で表され
る非晶質化合物に複数種のハロゲン化リチウムZを混合
し、該混合物を加熱溶融し、その後急冷することで新し
い非晶質リチウムイオン伝導性固体電解質aLi3 PO
4 ・bLi2 S・cX・dZ(但し、a+b+c+dが
1であって、XがSiS2 、GeS2 、P2 5 、B2
3 の群より選択される一種以上の硫化物であり、Zは
複数種のハロゲン化リチウム)を合成し、非晶質リチウ
ムイオン伝導性固体電解質とする。
【0012】尚、前記一般式aLi3 PO4 ・bLi2
S・cX・dZ(但し、a+b+c+dが1であって、
XがSiS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3 の群より
選択される一種以上の硫化物であり、Zは複数種のハロ
ゲン化リチウム)で表される非晶質リチウムイオン伝導
性固体電解質は組成比a、b、cの和が0.9≧a+b
+c≧0.4であり、かつdが0.1≦d≦0.6をみ
たすものである場合に化学的安定性に特に優れたものと
なる。
【0013】
【作用】Li3 PO4 は、高温領域においてイオン伝導
性の高い結晶構造を示すが、室温付近では相移転によっ
て構造が変わり、イオン伝導性が低下する事が知られて
いる。
【0014】しかし、Li3 PO4 を室温状態で非晶質
状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、Li3 PO
4 の状態を室温に於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伝導性をもた
せることが出来ると考えられる。
【0015】これは、非晶質状態となることによって、
即ち、結晶構造の原子の配列がやや乱れた構造をとる
為、結晶性材料とは異なり、リチウムイオンが自由に動
き得るようになる結果、イオン伝導性が向上するものと
考えられる。 特に、a’Li 3 PO4 ・b’Li2
・c’X(但し、a’+b’+c’が1であって、Xが
SiS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択
される一種以上の硫化物)で表される非晶質化合物に複
数種のハロゲン化リチウムZを混合し、該混合物を加熱
溶融し、その後急冷することにより、合成した新しい非
晶質リチウムイオン伝導性固体電解質aLi3 PO4
bLi2 S・cX・dZ(但し、a+b+c+dが1で
あって、XがSiS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3
の群より選択される一種以上の硫化物であり、Zは複数
種のハロゲン化リチウム)は自由に動き得るリチウムイ
オンが多くなる結果、a’Li3 PO4 ・b’Li2
・c’X(但し、a’+b’+c’が1であって、Xが
SiS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択
される一種以上の硫化物)で表される非晶質化合物材料
よりもイオン伝導率の高いリチウムイオン伝導性固体電
解質となる。
【0016】
【実施例】本発明のリチウムイオン伝導性固体電解質
は、a’Li3 PO4 ・b’Li2S・c’X(但し、
a’+b’+c’が1であって、XがSiS2 、GeS
2 、P2 5 、B2 3 の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複数種のハロゲン化リチウムZ(こ
こで、Z=LiI、LiClあるいはLiBr)を用い
るが、母材となる非晶質化合物と、その原料および合成
した固体電解質が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
イボックス中で行った。
【0017】ここではハロゲン化リチウムを始め、用い
た試薬は全て特級を使用し、特にLiI、LiClなど
は減圧下、400°Cで6時間乾燥した後使用した。
【0018】以下、本発明を具体的に実施例を用い、よ
り詳細に説明する。 (実施例1)本発明による非晶質リチウムイオン伝導性
固体電解質の内、aLi3 PO4 ・bLi2 S・cSi
2 系非晶質材料を用いた非晶質リチウムイオン伝導性
固体電解質aLi3 PO4 ・bLi2 S・cSiS2
dZについての実施例を説明する。
【0019】先ず、b”Li2 S・c”SiS2 (b”
+c”=1)を合成した。この合成は硫化リチウム(L
2 S)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
坩堝中にいれ、これを、アルゴン気流中950°C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、b”Li2 S・c”SiS2 (b”+c”=
1)を得た。
【0020】次に、これを粉砕し、リン酸リチウム(L
3 PO4 )をa’Li3 PO4 ・b’Li2 S・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い
れ、これを、アルゴン気流中950°C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、a’
Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS2 (a’+
b’+c’=1)を合成した。
【0021】得られたa’Li3 PO4 ・b’Li2
・c’SiS2 材料y量に対し、複数種のハロゲン化リ
チウムZとしてヨウ化リチウム(LiI)、塩化リチウ
ム(LiCl)が0.7:0.3の混合物をd量とり、
y+dが1となるように混合した後、該混合粉末をガラ
ス状カーボン坩堝中にいれ、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
投入して急冷しaLi 3 PO4 ・bLi2 S・cSiS
2 ・dZ(a+b+c+d=1)を得た。
【0022】合成した固体電解質の特性を調べるため、
交流インピーダンス法によるイオン伝導率の測定を行っ
た。
【0023】得られた結果を図1に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
58Li2 S・0.39SiS2 )に対する複数種から
なるハロゲン化リチウムZ(但し、Zはヨウ化リチウム
(LiI)、塩化リチウム(LiCl)0.7:0.3
の混合物を用いた)の添加量(モル%)を示したもので
ある。図1よりイオン伝導率はハロゲン化リチウムZの
添加と共に増大した後、極大を経て、減少している事が
示されており、イオン伝導率が最も大きくなるのは、
0.75(0.03Li3 PO4 ・0.58Li2 S・
0.39SiS2)・0.25(0.7LiI、0.3
LiCl)であり、そのイオン伝導率の値は2.3×1
-3S/cmであった。
【0024】これに対し、ハロゲン化リチウムを添加し
ていない0.03Li3 PO4 ・0.58Li2 S・
0.39SiS2 のイオン伝導率は7×10-4S/cm
であった。
【0025】次に、リチウム金属に対する電解質の化学
的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1にプレス成
形し、更に、ディスク1の両面にリチウム金属ディスク
2,2’を圧着し、図2に示したような密封セル3を作
成した。化学的安定性は、これら密封セル3を60°C
の恒温槽に500時間保存し、それぞれの密封セル3の
内部インピーダンスの経時変化を測定した。
【0026】図3は得られた結果を示したもので、縦軸
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。本結果から明白なように、ハロゲン
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、それ未満では内部インピーダ
ンスの増加が少ない事が分かった。
【0027】(実施例2)実施例1において、a’Li
3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS2 材料y量に対
し、添加する複数種のハロゲン化リチウムZとしてヨウ
化リチウム(LiI)、塩化リチウム(LiCl)の
0.7:0.3の混合物を用いたが、ここでは、これを
ヨウ化リチウム(LiI)0.75:臭化リチウム(L
iBr)0.25からなる混合物をd量に変えた以外は
実施例1と同様にして、aLi3 PO4・bLi2 S・
cSiS2 ・dZ(a+b+c+d=1)を得た。
【0028】合成した固体電解質の特性を調べるため、
交流インピーダンス法によるイオン伝導率の測定を行っ
た。
【0029】得られた結果を図4に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
58Li2 S・0.39SiS2 )に対する複数種から
なるハロゲン化リチウムZ(但し、Zはヨウ化リチウム
(LiI)、臭化リチウム(LiBr)が0.75:
0.25の混合物)の添加量(モル%)を示したもので
ある。図4よりイオン伝導率はハロゲン化リチウムZの
添加と共に増大した後、極大を経て、減少している事が
示されており、イオン伝導率が最も大きくなるのは、
0.80(0.03Li3 PO4 ・0.58Li2 S・
0.39SiS2 )・0.20(0.75LiI、0.
25LiBr)であり、そのイオン伝導率の値は2.6
×10-3S/cmであった。
【0030】(実施例3)実施例1において、a’Li
3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS2 材料y量に対
し、添加する複数種のハロゲン化リチウムZとしてヨウ
化リチウム(LiI)、塩化リチウム(LiCl)の
0.7:0.3の混合物を用いたが、ここでは、これを
ヨウ化リチウム(LiI)0.7:臭化リチウム(Li
Br)0.1:塩化リチウム(LiCl)0.2からな
る混合物をd量に変えた以外は実施例1と同様にして、
aLi3 PO4 ・bLi2 S・cSiS2 ・dZ(a+
b+c+d=1)を得た。
【0031】合成した固体電解質の特性を調べるため、
交流インピーダンス法によるイオン伝導率の測定を行っ
た。
【0032】得られた結果を図5に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
58Li2 S・0.39SiS2 )に対する複数種から
なるハロゲン化リチウムZ(但し、Zはヨウ化リチウム
(LiI)0.7、臭化リチウム(LiBr)0.1、
塩化リチウム(LiCl)0.2の混合物)の添加量
(モル%)を示したものである。図5よりイオン伝導率
はハロゲン化リチウムZの添加と共に増大した後、極大
を経て、減少している事が示されており、イオン伝導率
が最も大きくなるのは、0.80(0.03Li3 PO
4 ・0.58Li 2 S・0.39SiS2 )・0.20
(0.7LiI、0.1LiBr、0.2LiCl)で
あり、そのイオン伝導率の値は1.8×10-3S/cm
であった。
【0033】(実施例4)aLi3 PO4 ・bLi2
・cGeS2 系非晶質材料を用いた非晶質リチウムイオ
ン伝導性固体電解質aLi3 PO4 ・bLi2 S・cG
eS2 ・dZについての実施例を説明する。
【0034】先ず、最初に0.6Li2 S・0.4Ge
2 ガラスを実施例1と同様に合成した。即ち、硫化リ
チウム(Li2 S)と硫化ゲルマニウム(GeS2 )を
モル比で3:2に混合し、該材料粉末をガラス状カーボ
ン坩堝中にいれ、これをアルゴン気流中950°Cで
1.5時間反応させた後、液体窒素中に投入して急冷し
0.6Li2 S・0.4GeS2 組成の材料を合成し
た。続いて、こうして得た材料0.6Li2 S・0.4
GeS2 を粉砕し、リン酸リチウム(Li3 PO4)を
モル比で97:3に混合し、該粉末をガラス状カーボン
坩堝中にいれ、アルゴン気流中950°C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、
0.03Li3 PO4 ・0.58Li2 S・0.39G
eS2 で示される非晶質材料を合成した。
【0035】得られた0.03Li3 PO4 ・0.58
Li2 S・0.39GeS2 材料y量に対し、複数種の
ハロゲン化リチウムZとしてヨウ化リチウム(Li
I)、塩化リチウム(LiCl)が0.8:0.2の混
合物をd量とり、y+dが1となるように混合した後、
該材料粉末をガラス状カーボン坩堝中にいれ、これをア
ルゴン気流中950°C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aLi3 PO4 ・bL
2 S・cGeS2 ・dZ(a+b+c+d=1)を得
た。
【0036】合成した各種組成の固体電解質の特性を調
べるため、交流インピーダンス法によるイオン伝導率の
測定を行った。
【0037】得られた結果を図6に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
58Li2 S・0.39GeS2 )に対する複数種のハ
ロゲン化リチウムZの添加量(モル%)を示したもので
ある。図6よりイオン伝導率はハロゲン化リチウムZの
添加と共に増大した後、極大を経て、減少している事が
示されており、イオン伝導率が最も大きくなるのは、
0.85(0.03Li 3 PO4 ・0.58Li2 S・
0.39GeS2 )・0.15(0.8LiI、0.2
LiCl)であり、そのイオン伝導率の値は1.2×1
-3S/cmであった。
【0038】これに対し、ハロゲン化リチウムを添加し
ていない0.03Li3 PO4 ・0.58Li2 S・
0.39GeS2 のイオン伝導率は2.0×10-4S/
cmであった。
【0039】次に、リチウム金属に対する電解質の化学
的安定性を実施例1と同様にして調べた。
【0040】得られた結果は実施例1と同様、ハロゲン
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、それ未満では内部インピーダ
ンスの増加が少なくなる事が分かった。
【0041】(実施例5)実施例4において、a’Li
3 PO4 ・b’Li2 S・c’GeS2 材料y量に対
し、添加する複数種のハロゲン化リチウムZとしてヨウ
化リチウム(LiI)、塩化リチウム(LiCl)が
0.8:0.2の混合物を用いたが、ここでは、これを
ヨウ化リチウム(LiI)0.75:臭化リチウム(L
iBr)0.15:塩化リチウム(LiCl)0.1か
らなる混合物をd量に変えた以外は実施例4と同様にし
て、aLi3 PO4 ・bLi2 S・cGeS2 ・dZ
(a+b+c+d=1)を得た。
【0042】合成した固体電解質の特性を調べるため、
交流インピーダンス法によるイオン伝導率の測定を行っ
た。
【0043】得られた結果を図7に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
58Li2 S・0.39GeS2 )に対する複数種から
なるハロゲン化リチウムZ(但し、Zはヨウ化リチウム
(LiI)0.75、臭化リチウム(LiBr)0.1
5、塩化リチウム(LiCl)0.1の混合物)の添加
量(モル%)を示したものである。図7よりイオン伝導
率はハロゲン化リチウムZの添加と共に増大した後、極
大を経て、減少している事が示されており、イオン伝導
率が最も大きくなるのは、0.75(0.03Li3
4 ・0.58Li2 S・0.39GeS2 )・0.2
5(0.75LiI、0.15LiBr、0.10Li
Cl)であり、そのイオン伝導率の値は1.1×10-3
S/cmであった。
【0044】(実施例6)aLi3 PO4 ・bLi2
・cP2 5 系非晶質材料を用いた非晶質リチウムイオ
ン伝導性固体電解質aLi3 PO4 ・bLi2 S・cP
2 5 ・dZについての実施例を説明する。
【0045】先ず、最初に0.67Li2 S・0.33
2 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(Li2 S)と硫化燐(P2 5 )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
中にいれ、これをアルゴン気流中500°Cで12時
間、続いて800°Cで2時間反応させた後、液体窒素
中に投入して急冷し、0.67Li2 S・0.33P2
5 組成の材料を合成した。続いて、こうして得た材料
0.67Li2 S・0.33P2 5 を粉砕し、リン酸
リチウム(Li3 PO4 )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いれ、アルゴン
気流中950°C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、0.03Li3 PO4
0.65Li2S・0.32P2 5 で示される非晶質
材料を合成した。
【0046】得られた0.03Li3 PO4 ・0.65
Li2 S・0.32P2 5 材料y量に対し、複数種の
ハロゲン化リチウムZとしてヨウ化リチウム(Li
I)、塩化リチウム(LiCl)が0.7:0.3の混
合物をd量とり、y+dが1となるように混合した後、
該混合粉末をガラス状カーボン坩堝中にいれ、これを、
アルゴン気流中950°C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aLi3 PO4 ・b
Li2 S・cP2 5 ・dZ(a+b+c+d=1)を
得た。
【0047】合成した各種組成の固体電解質の特性を調
べるため、交流インピーダンス法によるイオン伝導率の
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。
【0048】得られた結果を図8に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
65Li2 S・0.32P2 5 )に対する複数種のハ
ロゲン化リチウム(ヨウ化リチウム、塩化リチウム混合
物)の添加量(モル%)を示したものである。イオン伝
導率が最も大な値を示した組成は、0.75(0.03
Li3 PO4 ・0.65Li2 S・0.32P2 5
・0.25(0.7LiI、0.3LiCl)であり、
そのイオン伝導率の値は1.2×10-3S/cmであっ
た。
【0049】これに対し、ハロゲン化リチウムを添加し
ていない0.03Li3 PO4 ・0.65Li2 S・
0.32P2 5 のイオン伝導率は4.2×10-4S/
cmであった。
【0050】次に、リチウム金属に対する電解質の化学
的安定性を実施例1と同様にして調べた。
【0051】得られた結果は実施例1と同様、複数種の
ハロゲン化リチウムが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、それ未満では内部イ
ンピーダンスの増加が少なくなる事が分かった。
【0052】(実施例7)実施例6において、a’Li
3 PO4 ・b’Li2 S・c’P2 5 材料y量に対
し、添加する複数種のハロゲン化リチウムZとしてヨウ
化リチウム(LiI)、塩化リチウム(LiCl)が
0.7:0.3の混合物を用いたが、ここでは、これを
ヨウ化リチウム(LiI)0.75、臭化リチウム(L
iBr)0.1、塩化リチウム(LiCl)0.15か
らなる混合物をd量に変えた以外は実施例6と同様にし
て、aLi3 PO4 ・bLi2 S・cP2 5 ・dZ
(a+b+c+d=1)を得た。
【0053】合成した固体電解質の特性を調べるため、
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。
【0054】得られた結果を図9に示した。縦軸はイオ
ン伝導率を示し、横軸は(0.03Li3 PO4 ・0.
65Li2 S・0.32P2 5 )に対する複数種から
なるハロゲン化リチウムZ(但し、Zはヨウ化リチウム
(LiI)0.75、臭化リチウム(LiBr)0.
1、塩化リチウム(LiCl)0.15の混合物)の添
加量(モル%)を示したものである。図9よりイオン伝
導率はハロゲン化リチウムZの添加と共に増大した後、
極大を経て、減少している事が示されており、イオン伝
導率が最も大きくなるのは、0.85(0.01Li3
PO4 ・0.64Li2 S・0.35P2 5 )・0.
15(0.75LiI、0.1LiBr、0.15Li
Cl)であり、そのイオン伝導率の値は1.7×10-3
S/cmであった。
【0055】(実施例8)aLi3 PO4 ・bLi2
・cB2 3 系非晶質材料を用いたリチウムイオン伝導
性固体電解質aLi3 PO4 ・bLi2 S・cB2 3
・dZについての実施例を説明する。
【0056】先ず、最初に0.5Li2 S・0.5B2
3 ガラスを実施例1と同様に合成した。即ち、硫化リ
チウム(Li2 S)と硫化ホウ素(B2 3 )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
中にいれ、これを、アルゴン気流中500°Cで12時
間、続いて800°Cで3時間反応させた後、液体窒素
中に投入して急冷し0.5Li2 S・0.5B2 3
成の材料を合成した。続いて、こうして得た材料0.5
Li2 S・0.5B2 3 を粉砕し、リン酸リチウム
(Li3 PO4 )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いれ、アルゴン気流中80
0°C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、0.04Li3 PO4 ・0.48Li2
・0.48B2 3 で示される非晶質材料を合成した。
【0057】得られた0.04Li3 PO4 ・0.48
Li2 S・0.48B2 3 材料y量に対し、複数種の
ハロゲン化リチウムZとしてヨウ化リチウム(Li
I)、塩化リチウム(LiCl)が0.65:0.35
の混合物をd量とり、y+dが1となるように混合した
後、該混合粉末をガラス状カーボン坩堝中にいれ、これ
を、アルゴン気流中800°C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aLi3 PO4
・bLi2 S・cB2 3 ・dZ(a+b+c+d=
1)を得た。
【0058】合成した各種組成の固体電解質の特性を調
べるため、交流インピーダンス法によるイオン伝導率の
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。
【0059】得られた結果を図10に示した。縦軸はイ
オン伝導率を示し、横軸は(0.04Li3 PO4
0.48Li2 S・0.48B2 3 )に対する複数種
のハロゲン化リチウムの添加量(モル%)を示したもの
である。イオン伝導率が最も大きな値を示した組成は、
0.75(0.03Li3 PO4 ・0.65Li2 S・
0.32B2 3 )・0.25(0.65LiI、0.
35LiCl)であり、そのイオン伝導率の値は1.8
×10-3S/cmであった。
【0060】これに対し、複数種のハロゲン化リチウム
を添加していない0.03Li3 PO4 ・0.65Li
2 S・0.32B2 3 のイオン伝導率は3.0×10
-4S/cmであった。
【0061】次に、リチウム金属に対する電解質の化学
的安定性を実施例1と同様にして調べた。
【0062】得られた結果は実施例1と同様、複数種の
ハロゲンリチウムの添加量が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、それ未満では
内部インピーダンスの増加が少なくなる事が分かった。
【0063】
【発明の効果】本発明のリチウムイオン伝導性固体電解
質は、Li3 PO4 ・Li2 S・X(XはSiS2 、G
eS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択される一種以
上の硫化物)系硫化物非晶質材料に複数種のハロゲン化
リチウムからなる混合物を添加することによって得られ
るものであり、母材のLi2 S・X(XはSiS2 、G
eS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択される一種以
上の硫化物)系非晶質材料に比べ、より高いリチウムイ
オン伝導性を示し、リチウム金属の接触に依っても化学
的変化の少ない固体電解質を提供する事が出来る。
【0064】その結果、このリチウムイオン伝導性固体
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ても、極めて実
用性の高い電気化学素子を製造することが出来る事が期
待される。
【0065】尚、本発明の実施例に於ける固体電解質の
合成に際しては、逐次非晶質材料を合成し、目的とする
本発明のリチウムイオン伝導性固体電解質を得たが、こ
れはそれぞれに於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、簡略化させる事が出来る
事は自明の事であり、本発明の範疇に属するものであ
る。また複数種のハロゲン化物の混合比率として単一種
を用いたが、他組成の混合比率においてもイオン伝導性
固体電解質が得られる。従って、他組成の混合比率の電
解質も本発明の範疇に属する事はいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS
2 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiCl
の混合物)の添加による伝導率変化を示す特性線図
【図2】内部インピーダンスの測定に用いる密封セルの
断面図
【図3】リチウム金属に対する化学的安定性を示す特性
線図
【図4】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS
2 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiBr
の混合物)の添加による伝導率変化を示す特性線図
【図5】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’SiS
2 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiB
r、LiClの混合物)の添加による伝導率変化を示す
特性線図
【図6】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’GeS
2 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiCl
の混合物)の添加による伝導率変化を示す特性線図
【図7】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’GeS
2 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiB
r、LiClの混合物)の添加による伝導率変化を示す
特性線図
【図8】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’P2
5 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiCl
の混合物)の添加による伝導率変化を示す特性線図
【図9】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’P2
5 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiB
r、LiClの混合物)の添加による伝導率変化を示す
特性線図
【図10】a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’B2
3 への複数種のハロゲン化リチウム(LiI、LiC
lの混合物)の添加による伝導率変化を示す特性線図
【符号の説明】 1 電解質ディスク 2 リチウム金属ディスク 2’リチウム金属ディスク 3 密封セル
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−304805(JP,A) 特開 平3−269079(JP,A) 特開 平4−162306(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 25/30 H01B 1/06 H01M 6/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式aLi3 PO4 ・bLi2 S・c
    X・dZ(但し、a+b+c+dが1であって、XがS
    iS2 、GeS2 、P2 5 、B2 3 の群より選択さ
    れる一種以上の硫化物であり、Zは複数種のハロゲン化
    リチウム)で表される非晶質リチウムイオン伝導性固体
    電解質。
  2. 【請求項2】 組成比a、b、cの和が0.9≧a+b
    +c≧0.4であり、かつdが0.1≦d≦0.6をみ
    たすことを特徴とする請求項1記載の非晶質リチウムイ
    オン伝導性固体電解質。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載の非晶質リ
    チウムイオン伝導性固体電解質の合成法であって、ま
    ず、a’Li3 PO4 ・b’Li2 S・c’X(但し、
    a’+b’+c’が1であって、XがSiS2 、GeS
    2 、P2 5 、B 2 3 の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合成した後、該非晶
    質化合物に複数種のハロゲン化リチウムZを混合し、該
    混合物を加熱溶融し、その後急冷することにより合成す
    ることを特徴とする非晶質リチウムイオン伝導性固体電
    解質の合成法。
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