JP6067511B2 - Sulfide solid electrolyte material, positive electrode body and lithium solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料に関する。 The present invention relates to a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。 With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. Also in the automobile industry and the like, development of high-power and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is being promoted. Currently, lithium batteries are attracting attention among various batteries from the viewpoint of high energy density.
現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。さらに、このような固体電解質層に用いられる固体電解質材料として、硫化物固体電解質材料が知られている。 Since lithium batteries currently on the market use an electrolyte containing a flammable organic solvent, it is possible to install safety devices that suppress the temperature rise during short circuits and to improve the structure and materials to prevent short circuits. Necessary. In contrast, a lithium battery in which the electrolyte is changed to a solid electrolyte layer to make the battery completely solid does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and manufacturing costs and productivity can be reduced. It is considered excellent. Furthermore, a sulfide solid electrolyte material is known as a solid electrolyte material used for such a solid electrolyte layer.
硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導性が高いため、電池の高出力化を図る上で有用であり、従来から種々の研究がなされている。例えば、特許文献1においては、Li2S−P2S5系リチウムイオン伝導体結晶ガラスと、これを固体電解質として用いた電池が開示されている。また、非特許文献1においては、Li2S/P2S5=2の割合の硫化物固体電解質材料であって、LiIを含有するものが開示されている。さらに、非特許文献2においては、メカニカルミリング法により得られるLiI−Li2S−P2S5系非晶質材料が開示されている。また、特許文献2においては、正極活物質と固体電解質との反応を抑制するため、固体電解質の組み合せを特定の組み合せに選択した非水電解質電池が開示されている。
Since the sulfide solid electrolyte material has high Li ion conductivity, it is useful for increasing the output of the battery, and various studies have been made heretofore. For example, in
硫化物固体電解質材料は、電極活物質(特に正極活物質)と反応し、両者の界面に高抵抗層が形成され、界面抵抗が大きくなるという問題がある。これに対して、本発明者等は、硫化物固体電解質材料にフッ素を含有させることにより、界面抵抗の増加を抑制できるという知見を得ている。しかしながら、フッ素を含有する硫化物固体電解質材料は、界面抵抗の増加は抑制できるものの、バルク抵抗が増加する(イオン伝導度が低くなる)という問題がある。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料を提供することを主目的とする。 The sulfide solid electrolyte material has a problem that it reacts with an electrode active material (especially a positive electrode active material), a high resistance layer is formed at the interface between the two, and the interface resistance increases. On the other hand, the present inventors have obtained the knowledge that an increase in interfacial resistance can be suppressed by including fluorine in the sulfide solid electrolyte material. However, although the sulfide solid electrolyte material containing fluorine can suppress an increase in interfacial resistance, there is a problem that the bulk resistance increases (the ionic conductivity decreases). The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
上記課題を解決するために、本発明においては、ClおよびBrの少なくとも一方を含有することを特徴とする硫化物固体電解質材料を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a sulfide solid electrolyte material characterized by containing at least one of Cl and Br.
本発明によれば、ClおよびBrの少なくとも一方を含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料とすることができる。 According to the present invention, since it contains at least one of Cl and Br, it is possible to obtain a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
上記発明においては、上記ClおよびBrの少なくとも一方が、分散されていることが好ましい。硫化物固体電解質材料の作製が容易だからである。 In the above invention, it is preferable that at least one of Cl and Br is dispersed. This is because it is easy to produce a sulfide solid electrolyte material.
上記発明においては、イオン伝導性を有する核部と、上記核部の表面を被覆する被覆部とを有し、上記被覆部が、上記ClおよびBrの少なくとも一方を含有することが好ましい。界面抵抗の増加を効果的に抑制できるからである。 In the said invention, it is preferable to have a core part which has ion conductivity, and the coating | coated part which coat | covers the surface of the said core part, and the said coating | coated part contains at least one of the said Cl and Br. This is because an increase in interface resistance can be effectively suppressed.
また、本発明においては、イオン伝導性を有する核部と、上記核部の表面を被覆する被覆部とを有し、上記被覆部が、Iを含有することを特徴とする硫化物固体電解質材料を提供する。 In the present invention, a sulfide solid electrolyte material having a core part having ion conductivity and a coating part covering the surface of the core part, wherein the coating part contains I I will provide a.
本発明によれば、被覆部がIを含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料とすることができる。 According to the present invention, since the covering portion contains I, it is possible to provide a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
上記発明においては、Liと、X(XはP、Si、Ge、AlまたはBである)と、Sとを含有することが好ましい。Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。 In the said invention, it is preferable to contain Li, X (X is P, Si, Ge, Al, or B) and S. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with high Li ion conductivity.
上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料が、PS4 3−構造を主体として含有することが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。 In the above-mentioned invention, the sulfide-based solid electrolyte material preferably contains a PS 4 3- structure mainly. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount.
また、本発明においては、正極活物質と、上記正極活物質と反応し高抵抗層を形成する硫化物固体電解質材料とを含有する正極体であって、上記硫化物固体電解質材料が、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有することを特徴とする正極体を提供する。 Further, in the present invention, a positive electrode body containing a positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte material that reacts with the positive electrode active material to form a high resistance layer, wherein the sulfide solid electrolyte material is Cl, A positive electrode body comprising at least one of Br and I is provided.
本発明によれば、硫化物固体電解質材料が、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた正極体とすることができる。 According to the present invention, since the sulfide solid electrolyte material contains at least one of Cl, Br, and I, a positive electrode body that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance, can do.
上記発明においては、上記正極活物質が、酸化物正極活物質であることが好ましい。硫化物固体電解質材料と反応し高抵抗層を形成しやすいからである。また、酸化物正極活物質はエネルギー密度が高いという利点も有する。 In the said invention, it is preferable that the said positive electrode active material is an oxide positive electrode active material. This is because it easily reacts with the sulfide solid electrolyte material to form a high resistance layer. The oxide positive electrode active material also has an advantage of high energy density.
上記発明においては、上記酸化物正極活物質が、岩塩層状型活物質であることが好ましい。 In the said invention, it is preferable that the said oxide positive electrode active material is a rock salt layered type active material.
上記発明においては、上記正極活物質の表面に、酸化物のコート層が形成されていることが好ましい。正極活物質と硫化物固体電解質材料とが反応し、高抵抗層が形成されることをさらに抑制できるからである。 In the said invention, it is preferable that the oxide coating layer is formed in the surface of the said positive electrode active material. It is because it can further suppress that a positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte material react, and a high resistance layer is formed.
上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料が、Liと、X(XはP、Si、Ge、AlまたはBである)と、Sとを含有することが好ましい。Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。 In the said invention, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material contains Li, X (X is P, Si, Ge, Al, or B), and S. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with high Li ion conductivity.
上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料が、PS4 3−構造を主体として含有することが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。 In the above-mentioned invention, the sulfide-based solid electrolyte material preferably contains a PS 4 3- structure mainly. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount.
また、本発明においては、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有するリチウム固体電池であって、上記正極活物質層が、上述した正極体であることを特徴とするリチウム固体電池を提供する。 The present invention also provides a lithium solid state battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, A positive electrode active material layer is the above-described positive electrode body.
本発明によれば、上述した正極体を正極活物質層として用いることにより、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させたリチウム固体電池とすることができる。 According to the present invention, by using the positive electrode body described above as the positive electrode active material layer, it is possible to provide a lithium solid state battery that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
本発明においては、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料を得ることができるという効果を奏する。 In this invention, there exists an effect that the sulfide solid electrolyte material which made compatible suppression of the increase in interface resistance and suppression of the increase in bulk resistance can be obtained.
以下、本発明の硫化物固体電解質材料、正極体およびリチウム固体電池について、詳細に説明する。 Hereinafter, the sulfide solid electrolyte material, the positive electrode body and the lithium solid battery of the present invention will be described in detail.
A.硫化物固体電解質材料
まず、本発明の硫化物固体電解質材料について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料は、2つの実施態様に大別することができる。以下、本発明の硫化物固体電解質材料について、第一実施態様および第二実施態様に分けて説明する。
A. First, the sulfide solid electrolyte material of the present invention will be described. The sulfide solid electrolyte material of the present invention can be roughly divided into two embodiments. Hereinafter, the sulfide solid electrolyte material of the present invention will be described separately for the first embodiment and the second embodiment.
1.第一実施態様
第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、ClおよびBrの少なくとも一方を含有することを特徴とするものである。
1. First Embodiment The sulfide solid electrolyte material of the first embodiment is characterized by containing at least one of Cl and Br.
第一実施態様によれば、ClおよびBrの少なくとも一方を含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料とすることができる。ここで、図1(a)に示すように、従来は、硫化物固体電解質材料1と、電極活物質2との界面で、両者が反応することで高抵抗層Xが形成され、界面抵抗の増加が大きくなるという問題があった。この問題を解決する手段の一つとして、電極活物質2の表面に、LiNbO3等のコート層を設けることが知られている。しかしながら、電極活物質の表面にコート層を設けた場合であっても、電極活物質の表面を所望の薄さで完全にコート層で覆うことは困難であること、および、電極活物質とコート層との密着性が弱く、せん断応力等によりコート層が容易に剥離すること等の理由から、高抵抗層の形成を防止することは困難であった。
According to the first embodiment, since it contains at least one of Cl and Br, it is possible to obtain a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance. Here, as shown in FIG. 1A, conventionally, at the interface between the sulfide
これに対して、本発明者等は、図1(b)に示すように、硫化物固体電解質材料1にフッ素(F)を導入することにより、高抵抗層の形成による界面抵抗の増加を抑制できることを確認した。界面抵抗の増加を抑制できる理由は、硫化物固体電解質材料1に含まれるフッ素と、電極活物質2に含まれる金属とが反応して、硫化物固体電解質材料1および電極活物質2の界面において、安定なフッ化物Yが形成されているためであると考えられる。しかしながら、フッ素を含有する硫化物固体電解質材料は、界面抵抗の増加は抑制できるものの、バルク抵抗が増加する(イオン伝導度が低くなる)という問題がある。
On the other hand, as shown in FIG. 1 (b), the present inventors suppress increase in interfacial resistance due to formation of a high resistance layer by introducing fluorine (F) into the sulfide
バルク抵抗が増加する理由は、おそらく、電気陰性度が大きく反応性の高いフッ素を導入することにより、イオン伝導を担う構造単位(ユニット)の硫黄(S)が、フッ素(F)に置換され、イオン伝導が阻害されているためであると考えられる。例えば、図2(a)に示すように、75Li2S・25P2S5の組成を有する硫化物固体電解質材料(Li3PS4)は、PS4 3−構造を有し、このPS4 3−構造がLiイオン伝導に大きく寄与している。このような硫化物固体電解質材料にフッ素を導入すると、図2(b)に示すように、PS4 3−構造の硫黄(S)が、フッ素(F)に置換され、Liイオン伝導が阻害されると考えられる。これに対して、第一実施態様においては、図2(c)に示すように、フッ素と同じハロゲンであって、かつ、フッ素よりも反応性の低い塩素または臭素を導入することで、上記の置換が生じなくなる。その結果、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料とすることができるのである。 The reason why the bulk resistance is increased is probably that sulfur (S) of the structural unit (unit) responsible for ionic conduction is replaced with fluorine (F) by introducing fluorine having high electronegativity and high reactivity. This is probably because ionic conduction is inhibited. For example, as shown in FIG. 2A, a sulfide solid electrolyte material (Li 3 PS 4 ) having a composition of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 has a PS 4 3− structure, and this PS 4 3 - structure greatly contributes to Li ion conductivity. When fluorine is introduced into such a sulfide solid electrolyte material, as shown in FIG. 2 (b), the sulfur (S) of PS 4 3- structure is replaced with fluorine (F), and Li ion conduction is inhibited. It is thought. On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 2 (c), by introducing chlorine or bromine which is the same halogen as fluorine and is less reactive than fluorine, No replacement occurs. As a result, it is possible to obtain a sulfide solid electrolyte material that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
(1)硫化物固体電解質材料
第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、通常、電極活物質と反応し高抵抗層を形成するものである。高抵抗層の形成は、透過型電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により確認することができる。また、上記硫化物固体電解質材料は、イオン伝導性を有するものである。伝導する金属イオンとしては、特に限定されるものではないが、例えば、Liイオン、Naイオン、Kイオン、Mgイオン、Caイオン等を挙げることができ、中でも、Liイオンが好ましい。リチウム固体電池に有用な硫化物固体電解質材料とすることができるからである。
(1) Sulfide solid electrolyte material The sulfide solid electrolyte material of the first embodiment usually reacts with an electrode active material to form a high resistance layer. Formation of the high resistance layer can be confirmed by a transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The sulfide solid electrolyte material has ionic conductivity. Although it does not specifically limit as a metal ion to conduct, For example, Li ion, Na ion, K ion, Mg ion, Ca ion etc. can be mentioned, Especially, Li ion is preferable. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material useful for a lithium solid battery.
第一実施態様の硫化物固体電解質材料の組成は、ClおよびBrの少なくとも一方を含有する組成であれば特に限定されるものではない。中でも、第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、ClおよびBrの少なくとも一方に加えて、Liと、X(XはP、Si、Ge、AlまたはBである)と、Sとを含有するものであることが好ましい。Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。上記Xは、特にPであることが好ましい。また、上記Xは、上記元素を2種類以上含有するものであっても良い。 The composition of the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment is not particularly limited as long as it is a composition containing at least one of Cl and Br. Among them, the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment contains Li, X (X is P, Si, Ge, Al, or B), and S in addition to at least one of Cl and Br. It is preferable. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with high Li ion conductivity. X is particularly preferably P. X may contain two or more of the above elements.
また、上記XがPである場合、上記硫化物固体電解質材料は、PS4 3−構造を主体として含有するものであることが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。「PS4 3−構造を主体とする」とは、全アニオン構造におけるPS4 3−構造の割合が、50mol%以上であることをいい、PS4 3−構造の割合は、60mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがより好ましく、80mol%以上であることがさらに好ましく、90mol%以上であることが特に好ましい。特に、上記硫化物固体電解質材料は、PS4 3−構造のみを有するものであることが好ましい。なお、PS4 3−構造の割合は、ラマン分光法、NMR(例えば31P MAS NMR)、XPS等により決定することができる。 When X is P, the sulfide solid electrolyte material preferably contains a PS 4 3- structure as a main component. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount. “Mainly composed of PS 4 3- structure” means that the ratio of PS 4 3- structure in the total anion structure is 50 mol% or more, and the ratio of PS 4 3- structure is 60 mol% or more. It is preferably 70 mol% or more, more preferably 80 mol% or more, and particularly preferably 90 mol% or more. In particular, the sulfide solid electrolyte material preferably has only a PS 4 3- structure. Note that the ratio of the PS 4 3- structure can be determined by Raman spectroscopy, NMR (for example, 31 P MAS NMR), XPS, and the like.
また、上記Xが、Si、Ge、Al、Bである場合、上記硫化物固体電解質材料は、それぞれ、SiS4 4−構造、GeS4 4−構造、AlS3 3−構造、BS3 3−構造を主体として含有するものであることが好ましい。なお、主体の定義、および各構造の割合の測定方法については、上述した内容と同様である。 When X is Si, Ge, Al, or B, the sulfide solid electrolyte materials are SiS 4 4- structure, GeS 4 4- structure, AlS 3 3- structure, and BS 3 3- structure, respectively. It is preferable that it contains as a main component. The definition of the main body and the method for measuring the ratio of each structure are the same as described above.
また、第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、Li2Sと、X(XはP、Si、Ge、AlまたはBである)の硫化物と、Cl含有化合物およびBr含有化合物の少なくとも一方とを含有する原料組成物を用いてなるものであることが好ましい。 The sulfide solid electrolyte material of the first embodiment is Li 2 S, a sulfide of X (X is P, Si, Ge, Al, or B), at least one of a Cl-containing compound and a Br-containing compound. It is preferable that it is what uses the raw material composition containing these.
原料組成物に含まれるLi2Sは、不純物が少ないことが好ましい。副反応を抑制することができるからである。Li2Sの合成方法としては、例えば特開平7−330312号公報に記載された方法等を挙げることができる。さらに、Li2Sは、WO2005/040039に記載された方法等を用いて精製されていることが好ましい。一方、原料組成物に含まれる上記Xの硫化物としては、例えば、P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、Al2S3、B2S3等を挙げることができる。 Li 2 S contained in the raw material composition preferably has few impurities. This is because side reactions can be suppressed. Examples of the method for synthesizing Li 2 S include the method described in JP-A-7-330312. Furthermore, Li 2 S is preferably purified using the method described in WO2005 / 040039. On the other hand, examples of the sulfide of X contained in the raw material composition include P 2 S 3 , P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , Al 2 S 3 , B 2 S 3 and the like.
原料組成物に含まれるCl含有化合物としては、塩素を含有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、LiCl等を挙げることができる。また、原料組成物に含まれるBr含有化合物としては、臭素を含有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、LiBr等を挙げることができる。 The Cl-containing compound contained in the raw material composition is not particularly limited as long as it contains chlorine, and examples thereof include LiCl. Moreover, as a Br containing compound contained in a raw material composition, if it contains a bromine, it will not specifically limit, For example, LiBr etc. can be mentioned.
また、上記硫化物固体電解質材料は、Li2Sを実質的に含有しないことが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。Li2Sは水と反応することで、硫化水素が発生する。例えば、原料組成物に含まれるLi2Sの割合が大きいと、Li2Sが残存しやすい。「Li2Sを実質的に含有しない」ことは、X線回折により確認することができる。具体的には、Li2Sのピーク(2θ=27.0°、31.2°、44.8°、53.1°)を有しない場合は、Li2Sを実質的に含有しないと判断することができる。
Also, the sulfide solid electrolyte material is preferably substantially free of
また、上記硫化物固体電解質材料は、架橋硫黄を実質的に含有しないことが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。「架橋硫黄」とは、Li2Sと上記Xの硫化物とが反応してなる化合物における架橋硫黄をいう。例えば、Li2SおよびP2S5が反応してなるS3P−S−PS3構造の架橋硫黄が該当する。このような架橋硫黄は、水と反応しやすく、硫化水素が発生しやすい。さらに、「架橋硫黄を実質的に含有しない」ことは、ラマン分光スペクトルの測定により、確認することができる。例えば、Li2S−P2S5系の硫化物固体電解質材料の場合、S3P−S−PS3構造のピークが、通常402cm−1に表れる。そのため、このピークが検出されないことが好ましい。また、PS4 3−構造のピークは、通常417cm−1に表れる。第一実施態様においては、402cm−1における強度I402が、417cm−1における強度I417よりも小さいことが好ましい。より具体的には、強度I417に対して、強度I402は、例えば70%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましく、35%以下であることがさらに好ましい。また、Li2S−P2S5系以外の硫化物固体電解質材料についても、架橋硫黄を含有するユニットを特定し、そのユニットのピークを測定することにより、架橋硫黄を実質的に含有していないことを判断することができる。
Moreover, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material does not contain bridge | crosslinking sulfur substantially. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount. “Bridged sulfur” refers to bridged sulfur in a compound obtained by reacting Li 2 S with the sulfide of X described above. For example, Li 2 S and P 2 S 5 is bridging sulfur reactions to become S 3 PS-
また、上記硫化物固体電解質材料が、Li2Sおよび架橋硫黄を実質的に含有しない場合、通常、硫化物固体電解質材料は、オルト組成またはその近傍の組成を有している。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいう。第一実施態様においては、硫化物で最もLi2Sが付加している結晶組成をオルト組成という。例えば、Li2S−P2S5系ではLi3PS4がオルト組成に該当し、Li2S−Al2S3系ではLi3AlS3がオルト組成に該当し、Li2S−B2S3系ではLi3BS3がオルト組成に該当し、Li2S−SiS2系ではLi4SiS4がオルト組成に該当し、Li2S−GeS2系ではLi4GeS4がオルト組成に該当する。
Also, the sulfide solid electrolyte material, if substantially free of
例えば、Li2S−P2S5系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLi2SおよびP2S5の割合は、モル基準で、Li2S:P2S5=75:25である。Li2S−Al2S3系の硫化物固体電解質材料の場合、Li2S−B2S3系の硫化物固体電解質材料の場合も同様である。一方、Li2S−SiS2系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLi2SおよびSiS2の割合は、モル基準で、Li2S:SiS2=66.7:33.3である。Li2S−GeS2系の硫化物固体電解質材料の場合も同様である。 For example, in the case of a Li 2 S—P 2 S 5 based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 to obtain the ortho composition is Li 2 S: P 2 S 5 = 75 on a molar basis. : 25. The same applies to the Li 2 S—Al 2 S 3 -based sulfide solid electrolyte material and the Li 2 S—B 2 S 3 -based sulfide solid electrolyte material. On the other hand, in the case of a Li 2 S—SiS 2 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and SiS 2 to obtain the ortho composition is Li 2 S: SiS 2 = 66.7: 33.3 on a molar basis. It is. The same applies to the case of a Li 2 S—GeS 2 -based sulfide solid electrolyte material.
上記原料組成物が、Li2SおよびP2S5を含有する場合、Li2SおよびP2S5の合計に対するLi2Sの割合は、70mol%〜80mol%の範囲内であることが好ましく、72mol%〜78mol%の範囲内であることがより好ましく、74mol%〜76mol%の範囲内であることがさらに好ましい。なお、上記原料組成物が、Li2SおよびAl2S3を含有する場合、Li2SおよびB2S3を含有する場合も同様である。 The raw material composition is, when containing Li 2 S and P 2 S 5, the proportion of Li 2 S to the total of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably in the range of 70 mol% 80 mol% 72 mol% to 78 mol% is more preferable, and 74 mol% to 76 mol% is more preferable. Incidentally, the raw material composition is, when containing Li 2 S and Al 2 S 3, which is the same when containing Li 2 S and B 2 S 3.
一方、上記原料組成物が、Li2SおよびSiS2を含有する場合、Li2SおよびSiS2の合計に対するLi2Sの割合は、62.5mol%〜70.9mol%の範囲内であることが好ましく、63mol%〜70mol%の範囲内であることがより好ましく、64mol%〜68mol%の範囲内であることがさらに好ましい。なお、上記原料組成物が、Li2SおよびGeS2を含有する場合も同様である。 On the other hand, the raw material composition is, when containing Li 2 S and SiS 2, the ratio of Li 2 S to the total of Li 2 S and SiS 2 is in the range of 62.5mol% ~70.9mol% Is preferable, it is more preferable that it is in the range of 63 mol% to 70 mol%, and it is more preferable that it is in the range of 64 mol% to 68 mol%. The same applies when the raw material composition contains Li 2 S and GeS 2 .
また、第一実施態様の硫化物固体電解質材料におけるClの含有量は、特に限定されるものではないが、Cl添加前の硫化物固体電解質材料1molに対して、0.4mol%〜50mol%の範囲内であることが好ましい。Clの含有量が少なすぎると、界面抵抗の増加を充分に抑制できない可能性があり、Clの含有量が多すぎると、硫化物固体電解質材料のLiイオン伝導性が低下する可能性があるからである。Cl−は、S2−に比べて分極率が小さいため、硫化物固体電解質材料のLiイオン伝導性が低下すると考えられる。Cl−、Br−、I−の分極率は、それぞれ、2.96、4.16、6.43であり、S2−の分極率は5.90である。なお、第一実施態様の硫化物固体電解質材料におけるBrの含有量についても同様である。 Further, the Cl content in the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment is not particularly limited, but is 0.4 mol% to 50 mol% with respect to 1 mol of the sulfide solid electrolyte material before addition of Cl. It is preferable to be within the range. If the Cl content is too small, the increase in interfacial resistance may not be sufficiently suppressed, and if the Cl content is too large, the Li ion conductivity of the sulfide solid electrolyte material may be reduced. It is. Since Cl − has a smaller polarizability than S 2 − , it is considered that the Li ion conductivity of the sulfide solid electrolyte material is lowered. The polarizabilities of Cl − , Br − and I − are 2.96, 4.16 and 6.43, respectively, and the polarizability of S 2− is 5.90. The same applies to the Br content in the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment.
第一実施態様の硫化物固体電解質材料の形態の一例としては、図3(a)に示すように、ClおよびBrの少なくとも一方が、分散されている硫化物固体電解質材料1(分散型の硫化物固体電解質材料)を挙げることができる。一方、上記硫化物固体電解質材料の形態の他の例としては、図3(b)に示すように、イオン伝導性を有する核部3と、核部3の表面を被覆し、ClおよびBrの少なくとも一方を含有する被覆部4とを有する硫化物固体電解質材料1(被覆型の硫化物固体電解質材料)を挙げることができる。分散型の硫化物固体電解質材料は、被覆型の硫化物固体電解質材料に比べて、作製が容易であるという利点を有する。一方、被覆型の硫化物固体電解質材料は、分散型の硫化物固体電解質材料に比べて、界面抵抗の増加を効果的に抑制できるという利点を有する。
As an example of the form of the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment, as shown in FIG. 3A, at least one of Cl and Br is dispersed in the sulfide solid electrolyte material 1 (dispersed sulfide). Solid electrolyte material). On the other hand, as another example of the form of the sulfide solid electrolyte material, as shown in FIG. 3B, the
また、被覆型の硫化物固体電解質材料は、核部表面の少なくとも一部に被覆部が形成されていれば良いが、核部表面のより多くの面積に被覆部が形成されていることが好ましく、核部表面の全体に被覆部が形成されていることがより好ましい。また、図3(b)において、被覆部4の平均厚さは、例えば3nm〜100nmの範囲内であることが好ましく、3nm〜20nmの範囲内であることがより好ましい。また、上記被覆部としては、上述したCl含有化合物またはBr含有化合物から構成されるもの、および、上記核部を塩素化処理または臭素化処理したもの等を挙げることができる。また、上記核部は、イオン伝導性を有するものであれば、Cl、Brを有するものであっても良く、有しないものであっても良い。前者の場合、核部として、分散型の硫化物固体電解質材料を用いることができ、後者の場合、核部として、従来の硫化物固体電解質材料(例えばLi2S−P2S5等)を用いることができる。
In addition, the covering-type sulfide solid electrolyte material may have a covering portion formed on at least a part of the surface of the core portion, but the covering portion is preferably formed on a larger area of the surface of the core portion. More preferably, the covering portion is formed on the entire surface of the core portion. Moreover, in FIG.3 (b), it is preferable that the average thickness of the coating |
第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良いが、非晶質であることが好ましい。なお、上記硫化物固体電解質材料が、核部および被覆部を有する場合には、核部が非晶質であっても良く、結晶質であっても良いが、非晶質であることが好ましい。非晶質の硫化物固体電解質材料は、後述するように、例えばメカニカルミリング法により得ることができる。一方、結晶質の硫化物固体電解質材料は、例えば、非晶質の硫化物固体電解質材料に加熱処理を行うことにより得ることができる。 The sulfide solid electrolyte material of the first embodiment may be amorphous or crystalline, but is preferably amorphous. When the sulfide solid electrolyte material has a core part and a covering part, the core part may be amorphous or crystalline, but is preferably amorphous. . The amorphous sulfide solid electrolyte material can be obtained, for example, by a mechanical milling method as described later. On the other hand, a crystalline sulfide solid electrolyte material can be obtained, for example, by subjecting an amorphous sulfide solid electrolyte material to a heat treatment.
第一実施態様の硫化物固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができる。粒子状の硫化物固体電解質材料の平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、上記硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導性が高いことが好ましく、常温におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10−4S/cm以上であることが好ましく、1×10−3S/cm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment include particles. The average particle diameter of the particulate sulfide solid electrolyte material is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm, for example. The sulfide solid electrolyte material preferably has high Li ion conductivity, and the Li ion conductivity at room temperature is preferably 1 × 10 −4 S / cm or more, for example, 1 × 10 −3 S. / Cm or more is more preferable.
第一実施態様の硫化物固体電解質材料は、イオン伝導性を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、上記硫化物固体電解質材料は、電池に用いられるものであることが好ましい。さらに、上記硫化物固体電解質材料を電池に用いる場合、正極活物質層(正極体)に用いても良く、負極活物質層(負極体)に用いても良く、電解質層に用いても良い。 The sulfide solid electrolyte material of the first embodiment can be used for any application that requires ionic conductivity. Especially, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material is what is used for a battery. Furthermore, when using the said sulfide solid electrolyte material for a battery, you may use for a positive electrode active material layer (positive electrode body), may be used for a negative electrode active material layer (negative electrode body), and may be used for an electrolyte layer.
(2)硫化物固体電解質材料の製造方法
次に、第一実施態様の硫化物固体電解質材料の製造方法について説明する。第一実施態様の硫化物固体電解質材料の製造方法は、上述した硫化物固体電解質材料を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。分散型の硫化物固体電解質材料の製造方法としては、例えば、Li2Sと、X(XはP、Si、Ge、AlまたはBである)の硫化物と、Cl含有化合物およびBr含有化合物の少なくとも一方とを含有する原料組成物を非晶質化する合成工程を有する製造方法を挙げることができる。
(2) Manufacturing method of sulfide solid electrolyte material Next, the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte material of 1st embodiment is demonstrated. The method for producing the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the sulfide solid electrolyte material described above. Examples of a method for producing a dispersion-type sulfide solid electrolyte material include Li 2 S, sulfides of X (X is P, Si, Ge, Al, or B), Cl-containing compounds, and Br-containing compounds. The manufacturing method which has the synthetic | combination process which amorphizes the raw material composition containing at least one can be mentioned.
非晶質化の方法としては、例えば、メカニカルミリングおよび溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリングが好ましい。常温での処理が可能であり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。 Examples of the amorphization method include mechanical milling and melt quenching, and mechanical milling is preferable among them. This is because processing at room temperature is possible, and the manufacturing process can be simplified.
メカニカルミリングは、原料組成物を、機械的エネルギーを付与しながら混合する方法であれば特に限定されるものではないが、例えばボールミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。所望の硫化物固体電解質材料を効率良く得ることができるからである。 Mechanical milling is not particularly limited as long as the raw material composition is mixed while applying mechanical energy, and examples thereof include a ball mill, a vibration mill, a turbo mill, a mechanofusion, and a disk mill. Among these, a ball mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable. This is because a desired sulfide solid electrolyte material can be obtained efficiently.
また、メカニカルミリングの各種条件は、所望の硫化物固体電解質材料を得ることができるように設定する。例えば、遊星型ボールミルを用いる場合、原料組成物および粉砕用ボールを加え、所定の回転数および時間で処理を行う。一般的に、回転数が大きいほど、硫化物固体電解質材料の生成速度は速くなり、処理時間が長いほど、原料組成物から硫化物固体電解質材料への転化率は高くなる。遊星型ボールミルを行う際の台盤回転数としては、例えば200rpm〜500rpmの範囲内、中でも250rpm〜400rpmの範囲内であることが好ましい。また、遊星型ボールミルを行う際の処理時間は、例えば1時間〜100時間の範囲内、中でも1時間〜50時間の範囲内であることが好ましい。 Various conditions of mechanical milling are set so that a desired sulfide solid electrolyte material can be obtained. For example, when a planetary ball mill is used, a raw material composition and grinding balls are added, and the treatment is performed at a predetermined number of revolutions and time. In general, the higher the number of rotations, the faster the production rate of the sulfide solid electrolyte material, and the longer the treatment time, the higher the conversion rate from the raw material composition to the sulfide solid electrolyte material. The rotation speed of the base plate when performing the planetary ball mill is preferably in the range of, for example, 200 rpm to 500 rpm, and more preferably in the range of 250 rpm to 400 rpm. Further, the treatment time when performing the planetary ball mill is preferably in the range of 1 hour to 100 hours, and more preferably in the range of 1 hour to 50 hours.
また、上記メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止でき、より非晶質性の高い硫化物固体電解質材料を得ることができるからである。湿式メカニカルミリングに用いられる液体としては、上記原料組成物との反応で硫化水素を発生しない性質を有するものであることが好ましい。硫化水素は、液体の分子から解離したプロトンが、原料組成物や硫化物固体電解質材料と反応することによって発生する。そのため、上記液体は、硫化水素が発生しない程度の非プロトン性を有していることが好ましい。また、非プロトン性液体は、通常、極性の非プロトン性液体と、無極性の非プロトン性液体とに大別することができる。 The mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, but the latter is preferred. This is because the raw material composition can be prevented from adhering to the wall surface of a container or the like, and a sulfide solid electrolyte material with higher amorphousness can be obtained. The liquid used for wet mechanical milling preferably has a property of not generating hydrogen sulfide by the reaction with the raw material composition. Hydrogen sulfide is generated when protons dissociated from liquid molecules react with a raw material composition or a sulfide solid electrolyte material. Therefore, it is preferable that the liquid has an aprotic property that does not generate hydrogen sulfide. In addition, aprotic liquids can be broadly classified into polar aprotic liquids and nonpolar aprotic liquids.
極性の非プロトン性液体としては、特に限定されるものではないが、例えばアセトン等のケトン類;アセトニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)等のアミド類;ジメチルスルホキシド(DMSO)等のスルホキシド類等を挙げることができる。 Although it does not specifically limit as a polar aprotic liquid, For example, Ketones, such as acetone; Nitriles, such as acetonitrile; Amides, such as N, N- dimethylformamide (DMF); Dimethyl sulfoxide (DMSO) And the like.
無極性の非プロトン性液体の一例としては、常温(25℃)で液体のアルカンを挙げることができる。上記アルカンは、鎖状アルカンであっても良く、環状アルカンであっても良い。上記鎖状アルカンの炭素数は、例えば5以上であることが好ましい。一方、上記鎖状アルカンの炭素数の上限は、常温で液体であれば特に限定されるものではない。上記鎖状アルカンの具体例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、パラフィン等を挙げることができる。なお、上記鎖状アルカンは、分岐を有するものであっても良い。上記環状アルカンの具体例としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロパラフィン等を挙げることができる。 An example of a nonpolar aprotic liquid is alkane that is liquid at room temperature (25 ° C.). The alkane may be a chain alkane or a cyclic alkane. The chain alkane preferably has, for example, 5 or more carbon atoms. On the other hand, the upper limit of the carbon number of the chain alkane is not particularly limited as long as it is liquid at room temperature. Specific examples of the chain alkane include pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, and paraffin. The chain alkane may have a branch. Specific examples of the cyclic alkane include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, and cycloparaffin.
また、無極性の非プロトン性液体の別の例としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;ジエチルエーテル、ジメチルエーテル等の鎖状エーテル類;テトロヒドロフラン等の環状エーテル類;クロロホルム、塩化メチル、塩化メチレン等のハロゲン化アルキル類;酢酸エチル等のエステル類;フッ化ベンゼン、フッ化ヘプタン、2,3−ジハイドロパーフルオロペンタン、1,1,2,2,3,3,4−ヘプタフルオロシクロペンタン等のフッ素系化合物を挙げることができる。なお、上記液体の添加量は、特に限定されるものではなく、所望の硫化物固体電解質材料を得ることができる程度の量であれば良い。 Other examples of nonpolar aprotic liquids include aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; chain ethers such as diethyl ether and dimethyl ether; cyclic ethers such as tetrohydrofuran; chloroform Alkyl halides such as methyl chloride and methylene chloride; esters such as ethyl acetate; fluorinated benzene, heptane fluoride, 2,3-dihydroperfluoropentane, 1,1,2,2,3,3 Fluorine compounds such as 4-heptafluorocyclopentane can be exemplified. In addition, the addition amount of the said liquid is not specifically limited, What is necessary is just a quantity which can obtain a desired sulfide solid electrolyte material.
また、上記の製造方法においては、合成工程で得られた硫化物固体電解質材料に対して、加熱処理を行う加熱処理工程を行っても良い。結晶質の硫化物固体電解質材料を得ることができるからである。加熱温度は、結晶化温度以上の温度であることが好ましい。 Moreover, in said manufacturing method, you may perform the heat processing process which heat-processes with respect to the sulfide solid electrolyte material obtained at the synthesis | combination process. This is because a crystalline sulfide solid electrolyte material can be obtained. The heating temperature is preferably a temperature equal to or higher than the crystallization temperature.
一方、被覆型の硫化物固体電解質材料の製造方法としては、核部となる硫化物固体電解質材料の表面に、Cl含有化合物およびBr含有化合物の少なくとも一方を被覆する被覆工程を有する製造方法を挙げることができる。また、核部となる硫化物固体電解質材料の表面に、Cl含有ガス(例えば塩素ガス)またはBr含有ガス(例えば臭素ガス)を噴射し、核部の表面を塩素化または臭素化することにより、被覆型の硫化物固体電解質材料を得ることもできる。 On the other hand, as a method for producing a covering-type sulfide solid electrolyte material, there is a production method having a coating step of covering at least one of a Cl-containing compound and a Br-containing compound on the surface of a sulfide solid electrolyte material that becomes a core. be able to. In addition, by injecting Cl-containing gas (for example, chlorine gas) or Br-containing gas (for example, bromine gas) onto the surface of the sulfide solid electrolyte material that becomes the core, the surface of the core is chlorinated or brominated, A coated sulfide solid electrolyte material can also be obtained.
2.第二実施態様
次に、本発明の硫化物固体電解質材料の第二実施態様について説明する。第二実施態様の硫化物固体電解質材料は、イオン伝導性を有する核部と、上記核部の表面を被覆する被覆部とを有し、上記被覆部が、Iを含有することを特徴とするものである。
2. Second Embodiment Next, a second embodiment of the sulfide solid electrolyte material of the present invention will be described. The sulfide solid electrolyte material of the second embodiment has a core part having ion conductivity and a coating part covering the surface of the core part, and the coating part contains I. Is.
第二実施態様によれば、被覆部がIを含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた硫化物固体電解質材料とすることができる。ここで、上述した非特許文献1、2には、ヨウ素(I)を含有する硫化物固体電解質材料が開示されている。しかしながら、これらの文献には、核部を覆う被覆部にヨウ素を有する構成、および、ヨウ素が界面抵抗の増加の抑制とバルク抵抗の増加の抑制との両立に有効であることについては記載されていない。
According to the second embodiment, since the covering portion contains I, a sulfide solid electrolyte material in which suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance are compatible can be obtained. Here,
また、第二実施態様の硫化物固体電解質材料は、図3(b)に示した硫化物固体電解質材料1と同様に、イオン伝導性を有する核部3と、核部3の表面を被覆し、Iを含有する被覆部4とを有するものである。核部3は、イオン伝導性を有するものであれば、Iを有するものであっても良く、有しないものであっても良い。前者の場合、核部として、Iが分散された分散型の硫化物固体電解質材料を用いることができ、後者の場合、核部として、従来の硫化物固体電解質材料(例えばLi2S−P2S5等)を用いることができる。
In addition, the sulfide solid electrolyte material of the second embodiment covers the
また、Iが分散された分散型の硫化物固体電解質材料については、ClおよびBrの代わりに、Iを用いること以外は、上記「1.第一実施態様」に記載した事項と同様である。なお、I含有化合物としては、例えば、LiI等を挙げることができる。また、被覆型の硫化物固体電解質材料についても、ClおよびBrの代わりに、Iを用いること以外は、上記「1.第一実施態様」に記載した事項と同様である。なお、第二実施態様の硫化物固体電解質材料は、第一実施態様の硫化物固体電解質材料の特徴を有するものであっても良い。 The dispersion-type sulfide solid electrolyte material in which I is dispersed is the same as the matter described in “1. First embodiment” except that I is used instead of Cl and Br. Examples of the I-containing compound include LiI. The covering-type sulfide solid electrolyte material is the same as that described in “1. First embodiment” except that I is used instead of Cl and Br. The sulfide solid electrolyte material of the second embodiment may have the characteristics of the sulfide solid electrolyte material of the first embodiment.
B.正極体
次に、本発明の正極体について説明する。本発明の正極体は、正極活物質と、上記正極活物質と反応し高抵抗層を形成する硫化物固体電解質材料とを含有する正極体であって、上記硫化物固体電解質材料が、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有することを特徴とするものである。
B. Next, the positive electrode body of the present invention will be described. The positive electrode body of the present invention is a positive electrode body containing a positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte material that reacts with the positive electrode active material to form a high resistance layer, wherein the sulfide solid electrolyte material is Cl, It contains at least one of Br and I.
本発明によれば、硫化物固体電解質材料が、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有することから、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させた正極体とすることができる。 According to the present invention, since the sulfide solid electrolyte material contains at least one of Cl, Br, and I, a positive electrode body that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance, can do.
図4は、本発明の正極体の一例を示す模式図である。図4に示される正極体11は、正極活物質2aと、正極活物質2aと反応し高抵抗層(図示せず)を形成する硫化物固体電解質材料1とを含有するものである。本発明の正極体は、硫化物固体電解質材料1が、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有することを大きな特徴とする。
以下、本発明の正極体について、構成ごとに説明する。
FIG. 4 is a schematic view showing an example of the positive electrode body of the present invention. A
Hereinafter, the positive electrode body of the present invention will be described for each configuration.
1.硫化物固体電解質材料
本発明における硫化物固体電解質材料は、正極活物質と反応し、高抵抗層を形成するものである。高抵抗層の形成は、透過型電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により確認することができる。
1. Sulfide solid electrolyte material The sulfide solid electrolyte material in the present invention reacts with a positive electrode active material to form a high resistance layer. Formation of the high resistance layer can be confirmed by a transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
本発明における硫化物固体電解質材料は、Cl、BrおよびIの少なくとも一つを含有するものであれば、分散型の硫化物固体電解質材料であっても良く、被覆型の硫化物固体電解質材料であっても良い。上記硫化物固体電解質材料については、上記「A.硫化物固体電解質材料」に記載した内容と同様である。ここで、上記「A.硫化物固体電解質材料 2.第二実施態様」では、Iを含有する被覆型の硫化物固体電解質材料について説明し、Iを含有する分散型の硫化物固体電解質材料については説明していないが、本発明における硫化物固体電解質材料は、Iを含有する分散型の硫化物固体電解質材料であっても良い。その理由は、以下の通りである。
The sulfide solid electrolyte material in the present invention may be a dispersion-type sulfide solid electrolyte material as long as it contains at least one of Cl, Br, and I, and may be a coated sulfide solid electrolyte material. There may be. The sulfide solid electrolyte material is the same as that described in “A. Sulfide solid electrolyte material”. Here, in “A. Sulfide
すなわち、従来、正極体に、Iを含有する分散型の硫化物固体電解質材料を用いることは知られていない。非特許文献1、2には、LiIを出発原料とする分散型の硫化物固体電解質材料が開示されているが、LiIは酸化反応が起こる電位が低いため(特許文献2の[0028]、[0029]段落参照)、従来、正極体に用いられることはなかった。しかしながら、本発明においては、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させることに着目し、LiI等の分解が多少生じても、得られる効果の方が大きいと判断し、上記のような構成を採用している。また、Iを含有する分散型の硫化物固体電解質材料の場合、LiIを出発原料として用いた場合であっても、Iが分散される結果、通常のLiIの酸化電位では分解しない場合も考えられる。また、LiI等の分解の影響を小さくするという観点からは、正極活物質が、後述するコート層を有していることが好ましい。
That is, conventionally, it is not known to use a dispersion-type sulfide solid electrolyte material containing I for the positive electrode body.
また、正極体における硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも、1体積%〜60体積%の範囲内、特に、10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。 The content of the sulfide solid electrolyte material in the positive electrode body is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, especially in the range of 1% by volume to 60% by volume, in particular, 10% by volume to 50%. It is preferable to be within the range of volume%.
2.正極活物質
次に、本発明における正極活物質について説明する。本発明における正極活物質は、上述した硫化物固体電解質材料と反応し高抵抗層を形成するものであれば特に限定されるものではないが、中でも、酸化物正極活物質が好ましい。酸化物正極活物質中の金属元素は、酸素よりも硫黄と反応しやすいため、硫化物固体電解質材料中の硫黄と反応し、硫黄金属を形成する。この硫黄金属自体が高抵抗層になるとともに、酸化物正極活物質および硫化物固体電解質材料の界面付近では、金属イオンおよび硫黄イオンの欠損(分解)が起こると考えられる。また、酸化物正極活物質を用いることにより、エネルギー密度の高い正極体とすることができる。
2. Next, the positive electrode active material in the present invention will be described. The positive electrode active material in the present invention is not particularly limited as long as it reacts with the above-described sulfide solid electrolyte material to form a high resistance layer, but an oxide positive electrode active material is particularly preferable. Since the metal element in the oxide positive electrode active material reacts more easily with sulfur than oxygen, it reacts with sulfur in the sulfide solid electrolyte material to form sulfur metal. It is considered that the sulfur metal itself becomes a high resistance layer, and metal ions and sulfur ions are deficient (decomposed) near the interface between the oxide positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte material. Moreover, it can be set as a positive electrode body with a high energy density by using an oxide positive electrode active material.
リチウム固体電池に用いられる酸化物正極活物質としては、例えば、一般式LixMyOz(Mは遷移金属元素であり、x=0.02〜2.2、y=1〜2、z=1.4〜4)で表される正極活物質を挙げることができる。上記一般式において、Mは、Co、Mn、Ni、V、FeおよびSiからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましく、Co、NiおよびMnからなる群から選択される少なくとも一種であることがより好ましい。酸化物正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状型活物質、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4等のスピネル型活物質等を挙げることができる。また、酸化物正極活物質として、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等を用いても良く、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCuPO4等のオリビン型活物質を用いても良い。 As an oxide positive electrode active material used for a lithium solid state battery, for example, a general formula Li x M y O z (M is a transition metal element, x = 0.02 to 2.2, y = 1 to 2, z = 1.4-4) can be mentioned as the positive electrode active material. In the above general formula, M is preferably at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, V, Fe and Si, and is at least one selected from the group consisting of Co, Ni and Mn. It is more preferable. Examples of the oxide positive electrode active material include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li Examples thereof include spinel active materials such as (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 . As the oxide positive electrode active material, it may be used Li 2 FeSiO 4, Li 2 MnSiO 4 , etc., LiFePO 4, LiMnPO 4, LiNiPO 4, may be used an olivine active material LiCuPO 4 or the like.
また、本発明における正極活物質は、電位が2.8V(vs Li)以上である活物質であることが好ましい。特許文献2の[0028]段落では、LiIは酸化反応が起こる電位が約3Vであると記載されているが、ネルンストの式によると、2.8Vで酸化反応が生じる。
E=ΔUelec/γF=270.29×103/1×96450=2.8V(vs Li)
従って、電位が2.8V(vs Li)以上である活物質と、LiIを出発原料とする硫化物固体電解質材料とを組み合わせることは、従来行われていなかった。特に、正極活物質の電位は、3.0V(vs Li)以上であることが好ましい。
The positive electrode active material in the present invention is preferably an active material having a potential of 2.8 V (vs Li) or higher. In paragraph [0028] of
E = ΔU elec /γF=270.29×10 3 /1×96450=2.8 V (vs Li)
Therefore, combining an active material having a potential of 2.8 V (vs Li) or higher with a sulfide solid electrolyte material using LiI as a starting material has not been conventionally performed. In particular, the potential of the positive electrode active material is preferably 3.0 V (vs Li) or more.
また、図5に示すように、正極活物質2aの表面は、酸化物のコート層5が形成されていることが好ましい。正極活物質と硫化物固体電解質材料とが反応し、高抵抗層が形成されることをさらに抑制できるからである。また、本発明においては、上記酸化物がイオン伝導性酸化物であることが好ましい。イオン伝導性酸化物の内部をイオンが伝導することにより、正極活物質の表面における抵抗を低くすることができるからである。これにより、界面抵抗の低い正極体を得ることができる。本発明の正極体をリチウム固体電池に用いる場合、イオン伝導性酸化物は、Li元素と、M元素(Mは金属元素)と、O元素とを有することが好ましい。上記Mは、特に限定されるものではないが、例えば、Nb、Ti、Zr等を挙げることができる。さらに、このようなイオン伝導性酸化物の具体例としては、例えば、LiNbO3、Li4Ti5O12、LiTiO3、Li2ZrO3等を挙げることができる。一方、上記酸化物は、イオン伝導性を有しないものであっても良い。このような酸化物を用いた場合、界面抵抗の初期特性を向上させることはできないものの、高抵抗層の形成を抑制することができる。イオン伝導性を有しない酸化物としては、例えば、TiO2、ZrO2等を挙げることができる。
Moreover, as shown in FIG. 5, it is preferable that the
コート層の厚さは、例えば1nm〜500nmの範囲内であることが好ましく、2nm〜100nmの範囲内であることがより好ましい。上記範囲内であれば、正極活物質と硫化物固体電解質材料との反応を充分に抑制できるからである。コート層は、正極活物質の表面の多くを被覆していることが好ましく、具体的には、被覆率が40%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。正極活物質の表面にコート層を形成する方法としては、例えば、転動流動コーティング法(ゾルゲル法)、メカノフュージョン法、CVD法およびPVD法等を挙げることができる。 The thickness of the coat layer is, for example, preferably in the range of 1 nm to 500 nm, and more preferably in the range of 2 nm to 100 nm. This is because the reaction between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte material can be sufficiently suppressed within the above range. The coating layer preferably covers most of the surface of the positive electrode active material. Specifically, the coverage is preferably 40% or more, more preferably 70% or more, and 90% or more. More preferably. Examples of the method for forming the coat layer on the surface of the positive electrode active material include a rolling fluid coating method (sol-gel method), a mechanofusion method, a CVD method, and a PVD method.
正極活物質の形状としては、例えば粒子形状を挙げることができ、中でも真球状または楕円球状であることが好ましい。また、正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、正極体における正極活物質の含有量は、例えば10体積%〜99体積%の範囲内であることが好ましく、20体積%〜99体積%の範囲内であることがより好ましい。 Examples of the shape of the positive electrode active material include a particle shape, and among them, a spherical shape or an elliptical shape is preferable. Moreover, when a positive electrode active material is a particle shape, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-50 micrometers, for example. Moreover, it is preferable that the content of the positive electrode active material in the positive electrode body is, for example, in the range of 10% by volume to 99% by volume, and more preferably in the range of 20% by volume to 99% by volume.
3.正極体
本発明の正極体は、正極活物質および硫化物固体電解質材料の他に、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。結着材としては、例えば、PTFE、PVDF等のフッ素含有結着材を挙げることができる。上記正極体の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。また、正極体の形成方法としては、例えば、正極体を構成する材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。また、上記正極体は、通常、電池に用いられるものであり、中でも固体電池に用いられるものであることが好ましい。
3. Positive electrode body The positive electrode body of the present invention may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte material. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as PTFE and PVDF. The thickness of the positive electrode body is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example. Moreover, as a formation method of a positive electrode body, the method etc. which compression-mold the material which comprises a positive electrode body can be mentioned, for example. In addition, the positive electrode body is usually used for a battery, and is preferably used for a solid battery.
C.リチウム固体電池
次に、本発明のリチウム固体電池について説明する。本発明のリチウム固体電池は、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有するリチウム固体電池であって、上記正極活物質層が、上述した正極体であることを特徴とするものである。
C. Next, the lithium solid state battery of the present invention will be described. The lithium solid state battery of the present invention is a lithium solid state battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, The positive electrode active material layer is the positive electrode body described above.
本発明によれば、上述した正極体を正極活物質層として用いることにより、界面抵抗の増加の抑制と、バルク抵抗の増加の抑制とを両立させたリチウム固体電池とすることができる。 According to the present invention, by using the positive electrode body described above as the positive electrode active material layer, it is possible to provide a lithium solid state battery that achieves both suppression of increase in interface resistance and suppression of increase in bulk resistance.
図6は、本発明のリチウム固体電池の一例を示す概略断面図である。図6に示されるリチウム固体電池20は、正極活物質を含有する正極活物質層11と、負極活物質を含有する負極活物質層12と、正極活物質層11および負極活物質層12の間に形成された固体電解質層13と、正極活物質層11の集電を行う正極集電体14と、負極活物質層12の集電を行う負極集電体15と、これらの部材を収納する電池ケース16とを有するものである。本発明においては、正極活物質層11に、上記「B.正極体」に記載した正極体を用いることを大きな特徴とする。
以下、本発明のリチウム固体電池について、構成ごとに説明する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lithium solid state battery of the present invention. 6 includes a positive electrode
Hereinafter, the lithium solid state battery of the present invention will be described for each configuration.
1.正極活物質層
本発明における正極活物質層については、上記「B.正極体」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
1. Positive Electrode Active Material Layer The positive electrode active material layer in the present invention is the same as the content described in “B.
2.負極活物質層
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
2. Next, the negative electrode active material layer in the present invention will be described. The negative electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material, and may further contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder as necessary.
本発明においては、負極活物質層に含まれる固体電解質材料が、上記「A.硫化物固体電解質材料」に記載した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。負極活物質層における上記硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも、1体積%〜60体積%の範囲内、特に、10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。 In the present invention, the solid electrolyte material contained in the negative electrode active material layer is preferably the sulfide solid electrolyte material described in the above “A. Sulfide solid electrolyte material”. The content of the sulfide solid electrolyte material in the negative electrode active material layer is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, especially in the range of 1% by volume to 60% by volume, in particular, 10% by volume to It is preferably within the range of 50% by volume.
負極活物質としては、例えば、金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。また、負極活物質層における負極活物質の含有量は、例えば10体積%〜99体積%の範囲内であることが好ましく、20体積%〜99体積%の範囲内であることがより好ましい。 Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. Examples of the metal active material include In, Al, Si, and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Further, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 10% by volume to 99% by volume, and more preferably in the range of 20% by volume to 99% by volume.
導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。結着材としては、例えば、PTFE、PVDF等のフッ素含有結着材を挙げることができる。負極活物質層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as PTFE and PVDF. The thickness of the negative electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.
3.固体電解質層
次に、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層であり、固体電解質材料から構成される層である。固体電解質層に含まれる固体電解質材料は、Liイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。
3. Next, the solid electrolyte layer in the present invention will be described. The solid electrolyte layer in the present invention is a layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and is a layer composed of a solid electrolyte material. The solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it has Li ion conductivity.
本発明においては、固体電解質層に含まれる固体電解質材料が、上記「A.硫化物固体電解質材料」に記載した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。正極活物質層との界面において、高抵抗層が形成されることを防止できるからである。固体電解質層における上記硫化物固体電解質材料の含有量は、所望の絶縁性が得られる割合であれば特に限定されるものではないが、例えば、10体積%〜100体積%の範囲内、中でも、50体積%〜100体積%の範囲内であることが好ましい。特に、本発明においては、固体電解質層が上記硫化物固体電解質材料のみから構成されていることが好ましい。 In the present invention, the solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer is preferably the sulfide solid electrolyte material described in the above “A. Sulfide solid electrolyte material”. This is because a high resistance layer can be prevented from being formed at the interface with the positive electrode active material layer. The content of the sulfide solid electrolyte material in the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as a desired insulating property can be obtained. For example, within the range of 10% by volume to 100% by volume, It is preferably within the range of 50% to 100% by volume. In particular, in the present invention, it is preferable that the solid electrolyte layer is composed only of the sulfide solid electrolyte material.
また、固体電解質層は、結着材を含有していても良い。結着材を含有することにより、可撓性を有する固体電解質層を得ることができるからである。結着材としては、例えば、PTFE、PVDF等のフッ素含有結着材を挙げることができる。固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも、0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。 The solid electrolyte layer may contain a binder. This is because a solid electrolyte layer having flexibility can be obtained by containing a binder. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as PTFE and PVDF. The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.
4.その他の構成
本発明のリチウム固体電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、リチウム固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的なリチウム固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。
4). Other Configurations The lithium solid state battery of the present invention has at least the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. Among them, SUS is preferable. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Among them, SUS is preferable. In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the lithium solid state battery. Moreover, the battery case of a general lithium solid battery can be used for the battery case used for this invention. Examples of the battery case include a SUS battery case.
5.リチウム固体電池
本発明のリチウム固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池として有用だからである。本発明のリチウム固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
5. Lithium solid battery The lithium solid battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, and among these, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as a vehicle-mounted battery. Examples of the shape of the lithium solid state battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.
また、本発明のリチウム固体電池の製造方法は、上述したリチウム固体電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的なリチウム固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。リチウム固体電池の製造方法の一例としては、正極活物質層を構成する材料、固体電解質層を構成する材料、および負極活物質層を構成する材料を順次プレスすることにより、発電要素を作製し、この発電要素を電池ケースの内部に収納し、電池ケースをかしめる方法等を挙げることができる。また、本発明においては、上記「A.硫化物固体電解質材料」に記載した硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とする、負極活物質層(負極体)および固体電解質層をそれぞれ提供することもできる。 Moreover, the manufacturing method of the lithium solid state battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described lithium solid state battery, and the same method as a general lithium solid state battery manufacturing method is used. be able to. As an example of a method for producing a lithium solid state battery, a power generation element is manufactured by sequentially pressing a material constituting the positive electrode active material layer, a material constituting the solid electrolyte layer, and a material constituting the negative electrode active material layer, A method of storing the power generation element in the battery case and caulking the battery case can be exemplified. The present invention also provides a negative electrode active material layer (negative electrode body) and a solid electrolyte layer each containing the sulfide solid electrolyte material described in “A. Sulfide solid electrolyte material”. You can also.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、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 embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実施例1]
(1)硫化物固体電解質材料の合成
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)および塩化リチウム(LiCl)を用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、Li2SおよびP2S5を、75Li2S・25P2S5のモル比(Li3PS4、オルト組成)となるように秤量した。次に、Li3PS4:LiCl=100:0.43のモル比となるように、LiClを秤量した。この混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrO2ボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行った。その後、得られた試料を真空乾燥させ、ガラス状の硫化物固体電解質材料を得た。
[Example 1]
(1) Synthesis of sulfide solid electrolyte material Lithium sulfide (Li 2 S), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) were used as starting materials. Next, in a glove box under an Ar atmosphere (dew point −70 ° C.), Li 2 S and P 2 S 5 have a molar ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 (Li 3 PS 4 , ortho composition). Weighed as follows. Next, LiCl was weighed so that a molar ratio of Li 3 PS 4 : LiCl = 100: 0.43 was obtained. 2 g of this mixture is charged into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less, 4 g) is charged, and ZrO 2 balls (φ = 5 mm, 53 g) are charged. The container was completely sealed (Ar atmosphere). This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed at a base plate rotation speed of 370 rpm for 40 hours. Thereafter, the obtained sample was vacuum-dried to obtain a glassy sulfide solid electrolyte material.
(2)リチウム固体電池の作製
まず、得られた硫化物固体電解質材料と、厚さ7nmのLiNbO3で被覆したLiCoO2(正極活物質)とを、正極活物質:硫化物固体電解質材料=7:3の重量比で混合し、正極合材を得た。次に、75Li2S・25P2S5非晶質体(硫化物固体電解質材料)と、黒鉛(負極活物質)とを、負極活物質:硫化物固体電解質材料=5:5の重量比で混合し、負極合材を得た。得られた正極合材および負極合材と、固体電解質層形成用材料として用意した75Li2S・25P2S5非晶質体とを用いて、リチウム固体電池を得た。
(2) Production of Lithium Solid Battery First, the obtained sulfide solid electrolyte material and LiCoO 2 (positive electrode active material) coated with LiNbO 3 having a thickness of 7 nm are mixed with the positive electrode active material: sulfide solid electrolyte material = 7. : The weight ratio of 3 was mixed, and the positive electrode compound material was obtained. Next, a
[実施例2]
Li3PS4およびLiClの割合を、Li3PS4:LiCl=100:4.3のモル比に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Example 2]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of Li 3 PS 4 and LiCl was changed to a molar ratio of Li 3 PS 4 : LiCl = 100: 4.3.
[実施例3]
LiClの代わりに、LiIを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Example 3]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that LiI was used instead of LiCl.
[実施例4]
LiClの代わりに、LiIを用いたこと以外は、実施例2と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Example 4]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Example 2 except that LiI was used instead of LiCl.
[実施例5]
LiClの代わりに、LiIを用い、Li3PS4:LiI=100:43のモル比に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Example 5]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that LiI was used instead of LiCl and the molar ratio was changed to Li 3 PS 4 : LiI = 100: 43.
[比較例1]
LiClを用いなかったこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Comparative Example 1]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that LiCl was not used.
[比較例2]
LiClの代わりに、LiPF6を用い、Li3PS4およびLiPF6の割合を、Li3PS4:LiPF6=100:0.7のモル比に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Comparative Example 2]
Instead of LiCl, LiPF 6 was used, and the ratio of Li 3 PS 4 and LiPF 6 was changed to a molar ratio of Li 3 PS 4 : LiPF 6 = 100: 0.7. Thus, a lithium solid state battery was obtained.
[比較例3]
Li3PS4およびLiPF6の割合を、Li3PS4:LiPF6=100:6のモル比に変更したこと以外は、比較例2と同様にしてリチウム固体電池を得た。
[Comparative Example 3]
A lithium solid state battery was obtained in the same manner as in Comparative Example 2 except that the ratio of Li 3 PS 4 and LiPF 6 was changed to a molar ratio of Li 3 PS 4 : LiPF 6 = 100: 6.
[評価]
(インピーダンス測定)
実施例1〜4および比較例1〜3で得られたリチウム固体電池を用いて、インピーダンス測定を行った。まず、リチウム固体電池の充電を行った。充電条件は、CCCVで3.7Vまで充電する条件とした。充電後、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定により、界面抵抗(初期)およびバルク抵抗(初期)を求めた。測定にはソーラトロン1260を用い、測定条件は、電圧振幅±10mV、測定周波数1MHz〜0.1Hz、25℃とした。その後、上記インピーダンス測定後のリチウム固体電池を60℃の環境下に20日間保存した。保存後、25℃の環境下に2時間置き、続いて、上記と同様の条件のインピーダンス測定により、界面抵抗(高温保存後)およびバルク抵抗(高温保存後)を求めた。その結果を図7および表1に示す。
[Evaluation]
(Impedance measurement)
Impedance measurement was performed using the lithium solid state batteries obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3. First, the lithium solid battery was charged. The charging condition was a condition of charging up to 3.7 V with CCCV. After charging, the interface resistance (initial) and the bulk resistance (initial) were determined by impedance measurement using the AC impedance method. Solartron 1260 was used for the measurement, and the measurement conditions were a voltage amplitude of ± 10 mV, a measurement frequency of 1 MHz to 0.1 Hz, and 25 ° C. Thereafter, the lithium solid state battery after the impedance measurement was stored in an environment at 60 ° C. for 20 days. After storage, it was placed in an environment at 25 ° C. for 2 hours, and subsequently, interface resistance (after high temperature storage) and bulk resistance (after high temperature storage) were determined by impedance measurement under the same conditions as described above. The results are shown in FIG.
図7および表1において、比較例1〜3を比べると、Fを添加することにより、高温保存後の界面抵抗の増加が抑制されることが確認された。一方、Fを添加することにより、バルク抵抗の増加が顕著になった。これに対して、実施例1〜4では、高温保存後の界面抵抗の増加が抑制され、さらに、高温保存後のバルク抵抗の増加も抑制できることが確認できた。 In FIG. 7 and Table 1, when Comparative Examples 1 to 3 were compared, it was confirmed that the addition of F suppresses an increase in interface resistance after high-temperature storage. On the other hand, the increase of bulk resistance became remarkable by adding F. In contrast, in Examples 1 to 4, it was confirmed that an increase in interface resistance after high-temperature storage was suppressed, and that an increase in bulk resistance after high-temperature storage could be suppressed.
(充放電サイクル特性の評価)
実施例5および比較例1で得られたリチウム固体電池を用いて、充放電サイクル特性の評価を行った。充放電条件は、0.1Cで、4.1VまでCC充電し、3.0VまでCC放電する条件とした。その結果を図8に示す。図8に示されるように、実施例5は、比較例1に比べて、容量維持率が高く推移し、サイクル特性が良好であることが確認された。
(Evaluation of charge / discharge cycle characteristics)
Using the lithium solid state batteries obtained in Example 5 and Comparative Example 1, the charge / discharge cycle characteristics were evaluated. The charge / discharge conditions were 0.1 C, CC charge to 4.1 V, and CC discharge to 3.0 V. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 8, Example 5 was confirmed to have a higher capacity retention rate and better cycle characteristics than Comparative Example 1.
(フッ素添加によるLiイオン伝導度の影響)
比較例1〜3で合成した硫化物固体電解質材料を用いて、フッ素添加によるLiイオン伝導度の影響を調べた。具体的には、比較例1〜3で合成した硫化物固体電解質材料のLiイオン伝導度を交流インピーダンス法により測定した。測定にはソーラトロン1260を用い、測定条件は、電圧振幅±5mV、測定周波数1MHz〜0.1Hz、25℃とした。その結果を図9に示す。図9に示されるように、フッ素添加量が増加すると、Liイオン伝導度が低下することが確認された。
(Effect of Li ion conductivity by fluorine addition)
Using the sulfide solid electrolyte material synthesized in Comparative Examples 1 to 3, the influence of Li ion conductivity due to the addition of fluorine was examined. Specifically, the Li ion conductivity of the sulfide solid electrolyte material synthesized in Comparative Examples 1 to 3 was measured by the AC impedance method. Solartron 1260 was used for the measurement, and the measurement conditions were a voltage amplitude of ± 5 mV, a measurement frequency of 1 MHz to 0.1 Hz, and 25 ° C. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 9, it was confirmed that the Li ion conductivity decreases as the fluorine addition amount increases.
[参考例1]
分子軌道法(Gaussian03:Mp2/6-311G(d,p))により、Li3PS4のSをFに置換した構造について構造安定性を計算した。具体的には、Li3PS3F、Li2PS3F、Li2PS2F2、LiPS2F2、LiPSF3、PSF3について構造安定性を計算した。その結果、Li3PS3Fは安定に存在し得ることが分かり、Fによって、PS4 3−構造が破壊されることが示唆された。
[Reference Example 1]
The structural stability of the structure in which S in Li 3 PS 4 was replaced with F was calculated by the molecular orbital method (Gaussian03: Mp2 / 6-311G (d, p)). Specifically, the structural stability was calculated for Li 3 PS 3 F, Li 2 PS 3 F, Li 2 PS 2 F 2 , LiPS 2 F 2 , LiPSF 3 , and PSF 3 . As a result, it was found that Li 3 PS 3 F can exist stably, suggesting that PS destroys the PS 4 3- structure.
[参考例2〜4]
分子軌道法(Gaussian03:Mp2/6-311G(d,p))により、Li3PS4のSを、それぞれ、Cl、Br、Iに置換した構造について構造安定性を計算した。対象とした置換構造は、参考例1と同様である。その結果、いずれの構造も、安定に存在し得ないことが分かり、Cl、Br、Iによって、PS4 3−構造が破壊されないことが示唆された。
[Reference Examples 2 to 4]
Structural stability was calculated for a structure in which S of Li 3 PS 4 was substituted with Cl, Br, and I, respectively, by the molecular orbital method (Gaussian03: Mp2 / 6-311G (d, p)). The target substitution structure is the same as in Reference Example 1. As a result, it was found that none of the structures could exist stably, suggesting that the PS 4 3− structure was not destroyed by Cl, Br, and I.
1 … 硫化物固体電解質材料
2 … 電極活物質
2a … 正極活物質
3 … 核部
4 … 被覆部
11 … 正極活物質層
12 … 負極活物質層
13 … 固体電解質層
14 … 正極集電体
15 … 負極集電体
16 … 電池ケース
20 … リチウム固体電池
DESCRIPTION OF
Claims (4)
SiS 4 4− 構造を主体として含有し、Li2Sおよび架橋硫黄を含有せず、
前記ハロゲン元素が、前記SiS4 4−構造の周囲に分散されており、
前記ハロゲン元素の含有量が、前記ハロゲン元素の添加前の前記リチウム固体電池用硫化物固体電解質材料1molに対して0.4mol%〜50mol%の範囲内であることを特徴とするリチウム固体電池用硫化物固体電解質材料。 A sulfide solid electrolyte material for a lithium solid state battery containing Li, Si , a halogen element which is at least one of Cl, Br and I, and S ,
Containing SiS 4 4− structure as the main component, Li 2 S and no bridging sulfur,
The halogen element are distributed around the SiS 4 4-structure,
Content of the halogen element is in a range of 0.4 mol% to 50 mol% with respect to 1 mol of the sulfide solid electrolyte material for lithium solid battery before addition of the halogen element, for lithium solid battery Sulfide solid electrolyte material.
GeS 4 4− 構造を主体として含有し、Li2Sおよび架橋硫黄を含有せず、
前記ハロゲン元素が、前記GeS4 4−構造の周囲に分散されており、
前記ハロゲン元素の含有量が、前記ハロゲン元素の添加前の前記リチウム固体電池用硫化物固体電解質材料1molに対して0.4mol%〜50mol%の範囲内であることを特徴とするリチウム固体電池用硫化物固体電解質材料。 A sulfide solid electrolyte material for a lithium solid state battery containing Li, Ge , a halogen element which is at least one of Cl, Br and I, and S ,
Containing GeS 4 4- structure as the main component, Li 2 S and no bridging sulfur,
The halogen element are distributed around the GeS 4 4-structure,
Content of the halogen element is in a range of 0.4 mol% to 50 mol% with respect to 1 mol of the sulfide solid electrolyte material for lithium solid battery before addition of the halogen element, for lithium solid battery Sulfide solid electrolyte material.
前記硫化物固体電解質材料が、請求項1または請求項2に記載のリチウム固体電池用硫化物固体電解質材料であることを特徴とするリチウム固体電池用正極体。 A positive electrode body for a lithium solid battery containing an oxide positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte material,
The positive electrode body for a lithium solid battery, wherein the sulfide solid electrolyte material is the sulfide solid electrolyte material for a lithium solid battery according to claim 1 or 2.
前記正極活物質層が、請求項3に記載のリチウム固体電池用正極体であることを特徴とするリチウム固体電池。 A lithium solid state battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
The lithium solid battery, wherein the positive electrode active material layer is the positive electrode body for a lithium solid battery according to claim 3.
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