JP6197584B2 - Solid electrolyte, method for producing solid electrolyte, and lithium ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質、固体電解質の製造方法およびリチウムイオン電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte, a method for producing a solid electrolyte, and a lithium ion battery.
携帯型情報機器をはじめとする多くの電気機器の電源として、リチウム電池(一次電池及び二次電池を含む)が利用されている。なかでも、高エネルギー密度と安全性を両立したリチウム電池として、正・負極間のリチウムの伝導に固体電解質を用いた全固体型リチウム電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Lithium batteries (including primary batteries and secondary batteries) are used as a power source for many electric devices including portable information devices. In particular, as a lithium battery that achieves both high energy density and safety, an all-solid-state lithium battery using a solid electrolyte for conducting lithium between the positive and negative electrodes has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
固体電解質は、有機電解液を用いることなくリチウムイオンを伝導することができ、電解液漏れや駆動発熱による電解液の揮発等が生じないため、安全性が高い材料として注目されている。 A solid electrolyte is attracting attention as a highly safe material because it can conduct lithium ions without using an organic electrolyte and does not cause electrolyte leakage or volatilization of the electrolyte due to driving heat generation.
このような全固体型リチウム電池に用いられる固体電解質として、リチウムイオン伝導性が高く、絶縁性に優れ、また化学的安定性の高い酸化物系の固体電解質が広く知られている。このような酸化物として、チタン酸ランタンリチウム系の材料が特筆すべき高いリチウムイオン伝導率を有しており、電池への適用が期待されている。 As solid electrolytes used in such all-solid-state lithium batteries, oxide-based solid electrolytes with high lithium ion conductivity, excellent insulating properties, and high chemical stability are widely known. As such an oxide, a material based on lithium lanthanum titanate has a high lithium ion conductivity that should be noted, and is expected to be applied to a battery.
このような固体電解質が粒子状の形状(以下、固体電解質粒子と称することがある)である場合、圧縮成形することにより所望の形状に合わせて成形されることが多い。しかし、固体電解質粒子は非常に硬いため、得られる成形品では固体電解質粒子同士の接触が不十分で粒界抵抗が高くなり、リチウムイオン伝導度が低くなりやすい。 When such a solid electrolyte has a particulate shape (hereinafter sometimes referred to as solid electrolyte particles), it is often molded to a desired shape by compression molding. However, since the solid electrolyte particles are very hard, in the obtained molded product, the contact between the solid electrolyte particles is insufficient, the grain boundary resistance becomes high, and the lithium ion conductivity tends to be low.
粒界抵抗を低減する方法として、固体電解質粒子を圧縮成形した後に、1000℃以上の高温で焼結することで、粒子同士を溶着させる方法が知られている。しかし、この方法では、高熱により組成が変化しやすく、所望の物性を有する固体電解質の成形体を製造しにくい。 As a method of reducing the grain boundary resistance, a method is known in which particles are welded together by sintering at a high temperature of 1000 ° C. or higher after compression molding of solid electrolyte particles. However, in this method, the composition is likely to change due to high heat, and it is difficult to produce a solid electrolyte compact having desired physical properties.
そこで、固体電解質の粒界抵抗を低減するための方法として、チタン酸ランタンリチウムの粒子表面をSiO2で被覆した後、高温で焼結する方法が検討されている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, as a method for reducing the grain boundary resistance of the solid electrolyte, a method in which the surface of lithium lanthanum titanate particles is coated with SiO 2 and then sintered at a high temperature has been studied (for example, see Patent Document 2). .
一方、固体電解質を形成する手法として、液相材料を用いた合成系、特にゾル−ゲル法が採用される場合がある。ゾル−ゲル法により、例えばチタン酸ランタンリチウムを製造することができる(例えば、特許文献3参照)。 On the other hand, as a method for forming a solid electrolyte, a synthetic system using a liquid phase material, particularly a sol-gel method may be employed. For example, lithium lanthanum titanate can be produced by the sol-gel method (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、上記方法には次のような問題がある。特許文献2の方法では、固体電解質粒子の表面をSiO2で被覆する操作が困難である。その上に、高温で焼成することで、得られる固体電解質からリチウムが揮発したり、電極を構成する材料と反応したりすることで組成がずれ、さらに異相が多量に形成されてしまうおそれがある。異相の形成を抑制するために焼成温度を低くすると、粒子同士の界面が十分に焼結せず、粒界抵抗を低減することができない。 However, the above method has the following problems. In the method of Patent Document 2, it is difficult to cover the surface of the solid electrolyte particles with SiO 2 . In addition, by firing at a high temperature, lithium is volatilized from the obtained solid electrolyte or reacts with the material constituting the electrode, so that the composition may be shifted and a large amount of different phases may be formed. . If the firing temperature is lowered in order to suppress the formation of heterogeneous phases, the interface between the particles is not sufficiently sintered, and the grain boundary resistance cannot be reduced.
特許文献3の方法では、生成物が均一層を形成するため、形成される固体電解質粒子の構造を制御しにくく、所望の物性を得られにくい。 In the method of Patent Document 3, since the product forms a uniform layer, it is difficult to control the structure of the solid electrolyte particles to be formed, and it is difficult to obtain desired physical properties.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、粒界抵抗を低減させ、高い総イオン伝導率を示す固体電解質を提供することを目的とする。また、高い総イオン伝導率を示す高性能な固体電解質の製造方法およびこのような固体電解質を有するリチウムイオン電池を提供することをあわせて目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing a solid electrolyte which reduces grain boundary resistance and shows high total ion conductivity. Another object of the present invention is to provide a method for producing a high-performance solid electrolyte exhibiting high total ion conductivity and a lithium ion battery having such a solid electrolyte.
上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、少なくともリチウム原子と、原子の結晶半径が78pm以上の金属原子と、を含む立方晶ペロブスカイト型の結晶質を形成材料とする複数の第1領域と、前記複数の第1領域の間に介在し、リチウム原子と前記金属原子とを含む非晶質を形成材料とする第2領域と、を有し、前記金属原子の存在比率は、前記第1領域から前記第2領域に向けて漸増している固体電解質を提供する。
上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、少なくともリチウム原子と、タンタル原子と、を含む立方晶ペロブスカイト型の結晶質を形成材料とする複数の第1領域と、前記複数の第1領域の各々の間に介在し、リチウム原子とタンタル原子とを含む非晶質を形成材料とする第2領域と、を有し、タンタル原子の存在比率は、前記第1領域から前記第2領域に向けて漸増している固体電解質を提供する。
In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention is a method in which a plurality of first perovskite crystalline materials including at least a lithium atom and a metal atom having a crystal radius of 78 pm or more are used as a forming material. A region and a second region interposed between the plurality of first regions and made of an amorphous material containing lithium atoms and the metal atoms, and the abundance ratio of the metal atoms is A solid electrolyte gradually increasing from a first region toward the second region is provided.
In order to solve the above problems, according to one embodiment of the present invention, a plurality of first regions using a cubic perovskite crystalline material including at least a lithium atom and a tantalum atom as a forming material; A second region made of an amorphous material containing lithium atoms and tantalum atoms interposed between each of the regions, the abundance ratio of tantalum atoms from the first region to the second region A solid electrolyte that gradually increases toward
この構成によれば、原子の結晶半径が78pm以上の金属原子が少ない第1領域では、好適に立方晶ペロブスカイト型の結晶相を呈し、当該金属原子が相対的に多く存在する第2領域では立方晶ペロブスカイト型の結晶相となることができずに非晶質となる。 According to this configuration, in the first region in which the number of metal atoms having a crystal radius of 78 pm or more is small, a cubic perovskite crystal phase is preferably exhibited, and in the second region in which the metal atom is relatively present, the cubic region is present. The crystal phase cannot be a perovskite crystal phase and becomes amorphous.
また、当該金属原子の存在比が不連続に変化するのではなく、連続的に変化することで、第1領域と第2領域との境界が不明確となる。 In addition, the abundance ratio of the metal atoms does not change discontinuously, but changes continuously so that the boundary between the first region and the second region becomes unclear.
従来知られている、固体酸化物の粒子を用いた固体電解質では、粒子間の界面で生じる粒界抵抗により、リチウムイオン伝導率が低下するという課題がある。しかし、本実施形態の固体電解質においては、上述の構成を有することにより、「粒子間の界面」が不明確となり存在しない。 Conventionally known solid electrolytes using solid oxide particles have a problem that the lithium ion conductivity is lowered due to the grain boundary resistance generated at the interface between the particles. However, in the solid electrolyte of the present embodiment, the “interface between particles” is unclear and does not exist due to having the above-described configuration.
そのため、本発明の一態様に係る固体電解質においては、従来知られた固体電解質であって固体酸化物の粒子を用いたものと比べ、粒界抵抗を低減することができ、高い総イオン伝導率を示す固体電解質とすることができる。 Therefore, in the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention, compared with a conventionally known solid electrolyte using solid oxide particles, the grain boundary resistance can be reduced, and the high total ionic conductivity is achieved. It can be set as the solid electrolyte which shows.
本発明の一態様においては、前記結晶質は、組成式ABO3で表される複合酸化物である構成としてもよい。ここで、組成式中、A及びBは、互いに異なる金属元素であり、Aは、Liを含み、さらにLa,Mg,Baからなる群から選ばれる1以上の元素を含み、Bは、Ti,Ta,Zr,Alからなる群から選ばれる1以上の元素である。 In one embodiment of the present invention, the crystalline material may be a composite oxide represented by a composition formula ABO 3 . Here, in the composition formula, A and B are metal elements different from each other, A includes Li, and further includes one or more elements selected from the group consisting of La, Mg, and Ba, and B includes Ti, One or more elements selected from the group consisting of Ta, Zr, and Al.
この構成によれば、立方晶ペロブスカイト型の結晶質である第1領域において、高いイオン伝導性が期待でき、高い総イオン伝導率を示す固体電解質とすることができる。 According to this configuration, high ion conductivity can be expected in the first region that is a cubic perovskite crystalline material, and a solid electrolyte that exhibits high total ion conductivity can be obtained.
本発明の一態様においては、前記結晶質は、Li3xLa2/3−xTiO3(0<x<0.16)であり、前記金属原子は、Taである構成としてもよい。 In one embodiment of the present invention, the crystalline material may be Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 (0 <x <0.16), and the metal atom may be Ta.
この構成によれば、示性式Li3xLa2/3−xTiO3(0<x<0.16)であるペロブスカイト結晶は高いイオン伝導性を示し、高いバルクイオン伝導性を期待できる。また、Ta添加の効果により第2領域が好適に非晶質となり、第1領域と第2領域とが複合化されるため、高い総イオン伝導率を得ることができる。 According to this configuration, the perovskite crystal having the characteristic formula Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 (0 <x <0.16) exhibits high ionic conductivity, and high bulk ionic conductivity can be expected. Further, the second region is preferably made amorphous by the effect of adding Ta, and the first region and the second region are combined, so that a high total ion conductivity can be obtained.
本発明の一態様においては、固体電解質全体に含まれるTi原子に対する、固体電解質全体に含まれるTa原子の物質量比が0より多く0.10以下である構成としてもよい。
この構成によれば、Ta原子を含まない固体電解質と比べ、総イオン伝導率を向上することが可能となる。
In one embodiment of the present invention, the mass ratio of Ta atoms contained in the entire solid electrolyte to Ti atoms contained in the entire solid electrolyte may be greater than 0 and less than or equal to 0.10.
According to this configuration, the total ionic conductivity can be improved as compared with a solid electrolyte not containing Ta atoms.
本発明の一態様においては、前記非晶質は、少なくともLi,LaおよびTaを含む構成としてもよい。
この構成によれば、第2領域においても好適なイオン伝導性を確保することができ、総イオン伝導率を向上させた固体電解質とすることができる。
In one embodiment of the present invention, the amorphous structure may include at least Li, La, and Ta.
According to this configuration, suitable ion conductivity can be ensured also in the second region, and a solid electrolyte with improved total ion conductivity can be obtained.
また、本発明の一態様は、リチウム化合物、ランタン化合物、チタン化合物および原子の結晶半径が78pm以上の金属原子を含む化合物が溶解した溶液から溶媒を除去してゲル化させる工程と、得られたゲルを熱処理する工程と、を有する固体電解質の製造方法を提供する。
また、本発明の一態様は、リチウム化合物、ランタン化合物、チタン化合物およびタンタル原子を含む化合物が溶解した溶液から溶媒を除去してゲル化させる工程と、得られたゲルを熱処理する工程と、を有する固体電解質の製造方法を提供する。
Another embodiment of the present invention was obtained by removing a solvent from a solution in which a lithium compound, a lanthanum compound, a titanium compound, and a compound containing a metal atom having a crystal radius of 78 pm or more were dissolved and gelled. And a step of heat-treating the gel.
One embodiment of the present invention includes a step of gelling by removing a solvent from a solution in which a compound containing a lithium compound, a lanthanum compound, a titanium compound, and a tantalum atom is dissolved, and a step of heat-treating the obtained gel. A method for producing a solid electrolyte is provided.
この方法によれば、溶液を塗布、含浸など任意の簡便な手段によって所望の材料表面に配置し、ゲル化および熱処理を行うことで、所望の材料表面に容易にリチウムイオン伝導性に優れた固体酸化物を形成することができる。 According to this method, the solution is placed on the surface of the desired material by any convenient means such as coating and impregnation, and gelation and heat treatment are performed, so that a solid having excellent lithium ion conductivity is easily formed on the surface of the desired material. An oxide can be formed.
本発明の一態様においては、前記原子の結晶半径が78pm以上の金属原子を含む化合物がタンタル化合物であり、前記熱処理する工程は、熱処理温度が540℃以上800℃以下である製造方法としてもよい。 In one embodiment of the present invention, the compound containing a metal atom having a crystal radius of 78 pm or more is a tantalum compound, and the heat treatment step may be a manufacturing method in which a heat treatment temperature is 540 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. .
この方法によれば、熱処理温度が540℃以上であると、熱処理により成長する結晶中に異相が生じにくく、結晶が成長しやすい。そのため、十分なバルクイオン伝導性を有する結晶が成長した第1領域となる。 According to this method, when the heat treatment temperature is 540 ° C. or higher, a heterogeneous phase is hardly generated in the crystal grown by the heat treatment, and the crystal is likely to grow. Therefore, it becomes the 1st field where the crystal which has sufficient bulk ion conductivity grew.
また、熱処理温度が800℃以下であると、第2領域で結晶化が進行しにくく、第2領域が非晶質となりやすい。そのため、結晶質である第1領域と、非晶質である第2領域とが複合化された構造が得やすく、粒界抵抗を低減した固体酸化物が得られやすい。 Further, when the heat treatment temperature is 800 ° C. or lower, crystallization hardly proceeds in the second region, and the second region is likely to be amorphous. Therefore, it is easy to obtain a structure in which the first region that is crystalline and the second region that is amorphous are combined, and it is easy to obtain a solid oxide with reduced grain boundary resistance.
また、本発明の一態様は、正極と負極と、前記正極および前記負極に挟持された固体電解質層と、を有し、前記固体電解質層は、上記の固体電解質を形成材料とするリチウムイオン電池を提供する。
この構成によれば、固体電解質層の総イオン伝導率が高く、高い性能を有するリチウムイオン電池とすることができる。
Another embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the solid electrolyte layer includes the above-described solid electrolyte as a forming material. I will provide a.
According to this configuration, the solid electrolyte layer has a high total ion conductivity and can be a lithium ion battery having high performance.
[固体電解質]
以下、図1〜図3を参照しながら、本実施形態に係る固体電解質および固体電解質の製造方法について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
[Solid electrolyte]
Hereinafter, the solid electrolyte and the method for manufacturing the solid electrolyte according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In all the drawings below, the dimensions and ratios of the constituent elements are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
図1は、本実施形態に係る固体電解質の模式図であり、固体電解質の任意の位置における断面図である。図に示すように、本実施形態の固体電解質は、結晶質を形成材料とする複数の第1領域AR1と、非晶質を形成材料とする第2領域AR2と、を有している。 FIG. 1 is a schematic diagram of a solid electrolyte according to this embodiment, and is a cross-sectional view at an arbitrary position of the solid electrolyte. As shown in the figure, the solid electrolyte of the present embodiment has a plurality of first regions AR1 made of a crystalline material and a second region AR2 made of an amorphous material.
第1領域AR1は、リチウム原子と、原子の結晶半径が78pm以上の金属原子と、を含む立方晶ペロブスカイト型の結晶質を形成材料としている。 The first region AR1 is made of a cubic perovskite crystalline material containing lithium atoms and metal atoms having a crystal radius of 78 pm or more.
ここで、「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」としては、Ta,Mo,W,Nb,Hfを例示することができる。 Here, examples of the “metal atom having an atom crystal radius of 78 pm or more” include Ta, Mo, W, Nb, and Hf.
第1領域AR1を構成する結晶質は、組成式ABO3で表される複合酸化物であるとよい。ここで、式中、A及びBは、互いに異なる金属元素であり、Aは、Liを含み、さらにLa,Mg,Baからなる群から選ばれる1以上の元素を含み、Bは、Ti,Ta,Zr,Alからなる群から選ばれる1以上の元素である。
このような結晶質は、第1領域AR1において高いイオン伝導性が期待でき、高い総イオン伝導率を示す固体電解質とすることができる。
The crystalline material forming the first region AR1 is preferably a composite oxide represented by the composition formula ABO 3 . Here, A and B are metal elements different from each other, A includes Li, and further includes one or more elements selected from the group consisting of La, Mg, and Ba, and B is Ti, Ta And one or more elements selected from the group consisting of Zr, Al.
Such a crystalline material can be expected to have high ion conductivity in the first region AR1, and can be a solid electrolyte exhibiting high total ion conductivity.
第2領域AR2は、第1領域AR1の間に介在する領域であり、リチウム原子と上述の金属原子とを含む非晶質を形成材料としている。 The second region AR2 is a region interposed between the first regions AR1, and is made of an amorphous material containing lithium atoms and the above metal atoms.
本実施形態の固体電解質は、これら第1領域AR1と第2領域AR2とからなることが好ましい。 The solid electrolyte of the present embodiment is preferably composed of the first region AR1 and the second region AR2.
第2領域AR2に含まれる「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」は、第1領域AR1から第2領域AR2に向けて、存在比率が連続的に変化し漸増している。当該金属原子がこのような比率で存在することで、当該金属原子が少ない第1領域AR1では、好適に立方晶ペロブスカイト型の結晶相を呈し、当該金属原子が相対的に多く存在する第2領域AR2では立方晶ペロブスカイト型の結晶相となることができずに非晶質となっている。 The “metal atom having an atom crystal radius of 78 pm or more” included in the second region AR2 has an abundance continuously increasing from the first region AR1 toward the second region AR2. When the metal atoms are present in such a ratio, the first region AR1 having a small number of metal atoms preferably exhibits a cubic perovskite crystal phase, and the second region has a relatively large amount of the metal atoms. AR2 cannot be a cubic perovskite type crystal phase but is amorphous.
また、当該金属原子の存在比が不連続に変化するのではなく、連続的に変化することで、第1領域AR1と第2領域AR2との境界が不明確となる。 Further, the boundary between the first region AR1 and the second region AR2 becomes unclear because the abundance ratio of the metal atoms does not change discontinuously but changes continuously.
従来知られている、固体酸化物の粒子を用いた固体電解質では、粒子間の界面で生じる粒界抵抗により、リチウムイオン伝導率が低下するという課題がある。しかし、本実施形態の固体電解質においては、上述の構成を有することにより、「粒子間の界面」が不明確となり存在しない。そのため、本実施形態の固体電解質においては、従来知られた固体電解質であって固体酸化物の粒子を用いたものと比べ、粒界抵抗を低減することができる。 Conventionally known solid electrolytes using solid oxide particles have a problem that the lithium ion conductivity is lowered due to the grain boundary resistance generated at the interface between the particles. However, in the solid electrolyte of the present embodiment, the “interface between particles” is unclear and does not exist due to having the above-described configuration. Therefore, in the solid electrolyte of this embodiment, the grain boundary resistance can be reduced as compared with a conventionally known solid electrolyte using solid oxide particles.
「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」が、第1領域AR1から第2領域AR2に向けて、存在比率が連続的に変化し漸増している様子は、得られた固体電解質の断面のX線回折法(XRD)で測定し、当該金属原子の分布を調べることで確認することができる。 The state in which the “metal atom having an atomic crystal radius of 78 pm or more” continuously changes and gradually increases from the first region AR1 to the second region AR2 is shown in the cross section of the obtained solid electrolyte. It can be confirmed by measuring by X-ray diffraction (XRD) and examining the distribution of the metal atoms.
本実施形態の固体電解質としては、例えば、結晶質の組成としては、Li3xLa2/3−xTiO3(0<x<0.16)であるものを好適に用いることができる。また、「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」としては、Taを例示することができる。 As the solid electrolyte of the present embodiment, for example, a crystalline composition that is Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 (0 <x <0.16) can be suitably used. An example of “a metal atom having an atom crystal radius of 78 pm or more” is Ta.
このような固体電解質は、示性式Li3xLa2/3−xTiO3(0<x<0.16)であるペロブスカイト結晶は高いイオン伝導性を示し、高いバルクイオン伝導性を期待できる。また、Ta添加の効果により第2領域が好適に非晶質となり、第1領域と第2領域とが複合化されるため、高い総イオン伝導率を得ることができる。 In such a solid electrolyte, a perovskite crystal having the characteristic formula Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 (0 <x <0.16) exhibits high ionic conductivity, and high bulk ionic conductivity can be expected. Further, the second region is preferably made amorphous by the effect of adding Ta, and the first region and the second region are combined, so that a high total ion conductivity can be obtained.
「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」がTaである場合、固体電解質全体に含まれるTi原子に対する、固体電解質全体に含まれるTa原子の物質量比が0より多く0.10以下であると好ましい。Ta原子の物質量比がこの範囲に含まれると、Ta原子を含まない固体電解質と比べ、総イオン伝導率を向上させることが可能となる。Ta原子の物質量比が0.10を超えると、異相の形成が優先しイオン伝導率が低下するという悪影響が生じる。 When the “metal atom having an atomic crystal radius of 78 pm or more” is Ta, the ratio of the amount of Ta atoms contained in the entire solid electrolyte to Ti atoms contained in the entire solid electrolyte is more than 0 and 0.10 or less. And preferred. When the amount ratio of Ta atoms is included in this range, the total ion conductivity can be improved as compared with a solid electrolyte not containing Ta atoms. If the amount ratio of Ta atoms exceeds 0.10, formation of a heterogeneous phase is prioritized and the ionic conductivity is lowered.
Ti原子に対するTa原子の物質量比は、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上であることがさらに好ましい。また、Ti原子に対するTa原子の物質量比は、0.08以下であることがより好ましく、0.06以下であることがさらに好ましい。これらの上限値および下限値は、任意に組み合わせることができる。
Ti原子に対するTa原子の物質量比は、0.04であることが最も好ましい。
The substance amount ratio of Ta atoms to Ti atoms is more preferably 0.01 or more, and further preferably 0.02 or more. Further, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is more preferably 0.08 or less, and further preferably 0.06 or less. These upper limit value and lower limit value can be arbitrarily combined.
Most preferably, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.04.
このとき、非晶質としては、少なくともLi,LaおよびTaを含むものが好ましい。非晶質がLi,TaおよびLaを含むことで、非晶質の第2領域においても好適なリチウムイオン伝導性を確保し、総イオン伝導率を向上させた固体電解質とすることができる。 At this time, the amorphous material preferably contains at least Li, La and Ta. When the amorphous material contains Li, Ta, and La, a suitable lithium ion conductivity can be ensured even in the amorphous second region, and a solid electrolyte with improved total ion conductivity can be obtained.
従来、結晶相中にTaを含むLiLaTiO3は公知であるが、当該公知の物質は、リチウムイオン伝導性が低く、固体電解質としては採用できない。対して、本実施形態の固体電解質は、リチウムイオン伝導性が上記従来の物質より高く、固体電解質として好適である。 Conventionally, LiLaTiO 3 containing Ta in the crystal phase is known, but the known substance has low lithium ion conductivity and cannot be employed as a solid electrolyte. On the other hand, the solid electrolyte of the present embodiment has higher lithium ion conductivity than the above-described conventional materials, and is suitable as a solid electrolyte.
[固体電解質の製造方法]
図2は、本実施形態に係る固体電解質の製造方法を示すフローチャートである。以下、図1を併せて参照し、図1に示した符号を用いて説明を行う。
[Method for producing solid electrolyte]
FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing a solid electrolyte according to the present embodiment. Hereinafter, description will be made with reference to FIG. 1 and using the reference numerals shown in FIG.
本実施形態の固体電解質の製造方法は、(1)リチウム化合物、ランタン化合物、チタン化合物および原子の結晶半径が78pm以上の金属原子を含む化合物が溶解した溶液から溶媒を除去してゲル化させる工程と、(2)得られたゲルを熱処理する工程と、を有する。 The method for producing a solid electrolyte of this embodiment includes (1) a step of gelling by removing a solvent from a solution in which a lithium compound, a lanthanum compound, a titanium compound, and a compound containing a metal atom having a crystal radius of 78 pm or more are dissolved. And (2) a step of heat-treating the obtained gel.
ここでは、原子の結晶半径が78pm以上の金属原子を含む化合物としてTaを用いた固体電解質を形成することとして説明する。 Here, a description will be given on the assumption that a solid electrolyte is formed using Ta as a compound containing a metal atom having a crystal radius of 78 pm or more.
[1.ゲル化させる工程]
まず、「(1)ゲル化させる工程」(ステップS1)として、リチウム化合物、ランタン化合物、チタン化合物およびタンタル化合物が溶解した溶液を得る(ステップS11)。以下の説明では、ステップS11で調整する溶液を「前駆体溶液」と称する。
[1. Step of gelling]
First, as “(1) gelation step” (step S1), a solution in which a lithium compound, a lanthanum compound, a titanium compound, and a tantalum compound are dissolved is obtained (step S11). In the following description, the solution prepared in step S11 is referred to as “precursor solution”.
リチウム化合物としては、LiOH、LiF、LiBr、LiCl、LiNO3、Li2SO4などの無機塩;
ギ酸リチウム(LiHCOO)、酢酸リチウム(LiCH3COO)、LiC2H3O3、クエン酸リチウム(Li3C6H5O7)、LiC7H5O2、LiC18H35O2などの有機酸塩;
メチルリチウム(CH3Li)、ブチルリチウム(LiC4H9)、フェニルリチウム(C6H5Li)などの有機リチウム化合物;
リチウムメトキシド(LiOCH3)、リチウムエトキシド(LiOC2H5)、リチウムプロポキシド(LiOC3H7)などのリチウムアルコキシド;
などを挙げることができる。
Examples of the lithium compound include inorganic salts such as LiOH, LiF, LiBr, LiCl, LiNO 3 , Li 2 SO 4 ;
Such as lithium formate (LiHCOO), lithium acetate (LiCH 3 COO), LiC 2 H 3 O 3 , lithium citrate (Li 3 C 6 H 5 O 7 ), LiC 7 H 5 O 2 , LiC 18 H 35 O 2 Organic acid salt;
Organolithium compounds such as methyl lithium (CH 3 Li), butyl lithium (LiC 4 H 9 ), phenyl lithium (C 6 H 5 Li);
Lithium alkoxides such as lithium methoxide (LiOCH 3 ), lithium ethoxide (LiOC 2 H 5 ), lithium propoxide (LiOC 3 H 7 );
And so on.
リチウムアルコキシドを構成するアルコキシ基は、直鎖状でもよく分岐していてもよい。 The alkoxy group constituting the lithium alkoxide may be linear or branched.
ランタン化合物としては、無機塩、有機酸塩、有機ランタン化合物、ジケトン錯体および金属アルコキシドなどを挙げることができる。無機塩および有機酸塩を構成する陰イオン、有機ランタン化合物を構成する有機基、金属アルコキシドを構成するアルコキシ基は、上述のリチウム化合物において例示したものと同様のものを用いることができる。
ジケトン錯体を構成する配位子は、2,4−ペンタンジオンのようなβ−ジケトンを用いることができる。
Examples of the lanthanum compound include inorganic salts, organic acid salts, organic lanthanum compounds, diketone complexes, and metal alkoxides. As the anion constituting the inorganic salt and the organic acid salt, the organic group constituting the organic lanthanum compound, and the alkoxy group constituting the metal alkoxide, those similar to those exemplified in the above lithium compound can be used.
As a ligand constituting the diketone complex, a β-diketone such as 2,4-pentanedione can be used.
チタン化合物としては、タンタルの無機塩、有機酸塩、錯体、金属アルコキシドなどを挙げることができる。無機塩および有機酸塩を構成する陰イオン、有機ランタン化合物を構成する有機基、金属アルコキシドを構成するアルコキシ基は、上述のリチウム化合物において例示したものと同様のものを用いることができる。
錯体を構成する配位子は、2,4−ペンタンジオンのようなβ−ジケトンを用いることができる。
Examples of the titanium compound include tantalum inorganic salts, organic acid salts, complexes, metal alkoxides, and the like. As the anion constituting the inorganic salt and the organic acid salt, the organic group constituting the organic lanthanum compound, and the alkoxy group constituting the metal alkoxide, those similar to those exemplified in the above lithium compound can be used.
As the ligand constituting the complex, a β-diketone such as 2,4-pentanedione can be used.
タンタル化合物としては、タンタルの無機塩、有機酸塩、錯体、金属アルコキシドなどを挙げることができる。無機塩および有機酸塩を構成する陰イオン、有機ランタン化合物を構成する有機基、金属アルコキシドを構成するアルコキシ基は、上述のリチウム化合物において例示したものと同様のものを用いることができる。
錯体を構成する配位子は、2,4−ペンタンジオンのようなβ−ジケトンを用いることができる。
Examples of the tantalum compound include tantalum inorganic salts, organic acid salts, complexes, metal alkoxides, and the like. As the anion constituting the inorganic salt and the organic acid salt, the organic group constituting the organic lanthanum compound, and the alkoxy group constituting the metal alkoxide, those similar to those exemplified in the above lithium compound can be used.
As the ligand constituting the complex, a β-diketone such as 2,4-pentanedione can be used.
前駆体溶液に用いることができる溶媒としては、上述の各化合物を溶解する極性溶媒を用いることができ、n−ブタノールのようなアルコールや、プロピオン酸のような有機酸を挙げることができる。 As a solvent that can be used for the precursor solution, a polar solvent that dissolves each of the above-described compounds can be used, and examples thereof include alcohols such as n-butanol and organic acids such as propionic acid.
ここでは、リチウム化合物としてLiCH3COO、ランタン化合物として、酢酸ランタン(La(CH3COO)3)、チタン化合物として、テトライソプロポキシチタン(Ti(OC3H7)4)タンタル化合物として、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)を用いることとして説明する。 Here, LiCH 3 COO as the lithium compound, lanthanum acetate as the lanthanum compound (La (CH 3 COO) 3 ), tetraisopropoxy titanium (Ti (OC 3 H 7 ) 4 ) tantalum compound as the titanium compound, pentaethoxy Description will be made using tantalum (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ).
次いで、「(1)ゲル化させる工程」(ステップS1)として、前駆体溶液から溶媒を除去してゲル化させる(ステップS12)。
例えば、前駆体溶液を140℃に加熱し、1時間保持することで、透明なゲルが得られる。
なお、本工程は、次の熱処理する工程と連続的に行うこととしてもよい。
Next, as “(1) gelation step” (step S1), the solvent is removed from the precursor solution to cause gelation (step S12).
For example, a transparent gel can be obtained by heating the precursor solution to 140 ° C. and holding it for 1 hour.
Note that this step may be performed continuously with the next heat treatment step.
[2.熱処理する工程]
次いで、得られたゲルを熱処理し、固体酸化物を得る(ステップS2)。
[2. Heat treatment process]
Next, the obtained gel is heat-treated to obtain a solid oxide (step S2).
熱処理することにより、ゲルに含まれるリチウム原子、ランタン原子、チタン原子が立方晶ペロブスカイト型の結晶を形成する。同時に、ゲルに含まれるタンタル原子は、立方晶ペロブスカイト型の結晶が形成される領域から排斥されながら、結晶が成長していない領域に偏在する。 By performing heat treatment, lithium atoms, lanthanum atoms, and titanium atoms contained in the gel form cubic perovskite crystals. At the same time, the tantalum atoms contained in the gel are unevenly distributed in the region where the crystal is not grown while being excluded from the region where the cubic perovskite crystal is formed.
すなわち、結晶の成長箇所では、タンタル原子が取り込まれないことにより、立方晶ペロブスカイト型の結晶が成長する。一方、結晶の成長箇所の周囲では、タンタル原子が濃縮されるため、立方晶ペロブスカイト型の結晶を形作ることが徐々に困難となり、結果として非晶質の領域になる。 That is, a cubic perovskite crystal grows at the crystal growth location because tantalum atoms are not taken in. On the other hand, since tantalum atoms are concentrated around the crystal growth site, it becomes gradually difficult to form a cubic perovskite crystal, resulting in an amorphous region.
このようにして、結晶質の第1領域AR1と、第1領域AR1の間に介在する非晶質の第2領域AR2と、を有する固体電解質が得られる。 In this manner, a solid electrolyte having the crystalline first region AR1 and the amorphous second region AR2 interposed between the first regions AR1 is obtained.
熱処理温度は、540℃以上800℃以下であることが好ましい。例えば、得られたゲルを540℃で1時間加熱して熱処理する。 The heat treatment temperature is preferably 540 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. For example, the obtained gel is heat-treated by heating at 540 ° C. for 1 hour.
熱処理温度が540℃以上であると、熱処理により成長する結晶中に異相が生じにくく、結晶が成長しやすい。そのため、十分なバルクイオン伝導性を有する結晶が成長した第1領域AR1となる。 When the heat treatment temperature is 540 ° C. or higher, a heterogeneous phase is hardly generated in the crystal grown by the heat treatment, and the crystal is likely to grow. Therefore, the first region AR1 in which a crystal having sufficient bulk ion conductivity is grown is obtained.
また、熱処理温度が800℃以下であると、第2領域AR2で結晶化が進行しにくく、第2領域AR2が非晶質となりやすい。そのため、結晶質である第1領域AR1と、非晶質である第2領域AR2とが複合化された構造が得やすく、粒界抵抗を低減した固体酸化物が得られやすい。 Further, when the heat treatment temperature is 800 ° C. or lower, crystallization hardly proceeds in the second region AR2, and the second region AR2 tends to be amorphous. Therefore, it is easy to obtain a structure in which the first region AR1 that is crystalline and the second region AR2 that is amorphous are combined, and it is easy to obtain a solid oxide with reduced grain boundary resistance.
本実施形態の固体酸化物の製造方法では、上述のように、前駆体溶液をゲル化し、熱処理することで、好適に結晶質の第1領域AR1と非晶質の第2領域AR2とを有する固体酸化物を製造することができる。したがって、例えば前駆体溶液を塗布、含浸など任意の簡便な手段によって所望の材料表面に配置し、ゲル化および熱処理を行うことで、所望の材料表面に容易にリチウムイオン伝導性に優れた固体酸化物を形成することができる。 In the method for producing a solid oxide according to the present embodiment, as described above, the precursor solution is gelled and heat-treated to suitably have the crystalline first region AR1 and the amorphous second region AR2. Solid oxides can be produced. Therefore, for example, the precursor solution can be placed on the surface of the desired material by any convenient means such as coating or impregnation, and gelation and heat treatment can be easily performed on the surface of the desired material for solid oxidation with excellent lithium ion conductivity. Things can be formed.
以上のような構成の固体電解質によれば、粒界抵抗を低減させ、高い総イオン伝導率を示す固体電解質を提供することができる。 According to the solid electrolyte having the above-described configuration, it is possible to provide a solid electrolyte that reduces the grain boundary resistance and exhibits high total ion conductivity.
また、以上のような構成の固体電解質の製造方法によれば、高い総イオン伝導率を示す高性能な固体電解質を容易に製造することができる。 Moreover, according to the manufacturing method of the solid electrolyte of the above structures, the high performance solid electrolyte which shows high total ion conductivity can be manufactured easily.
なお、「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子」としてTa以外の金属を用いる場合、「原子の結晶半径が78pm以上の金属原子を含む化合物」としては、原子の結晶半径が78pm以上の金属の無機塩、有機酸塩、有機ランタン化合物、ジケトン錯体および金属アルコキシドなどを挙げることができる。無機塩および有機酸塩を構成する陰イオン、有機ランタン化合物を構成する有機基、金属アルコキシドを構成するアルコキシ基は、上述のリチウム化合物において例示したものと同様のものを用いることができる。
ジケトン錯体を構成する配位子は、2,4−ペンタンジオンのようなβ−ジケトンを用いることができる。
When a metal other than Ta is used as the “metal atom having an atom crystal radius of 78 pm or more”, the “compound containing a metal atom having an atom crystal radius of 78 pm or more” is a metal having an atom crystal radius of 78 pm or more. And inorganic salts, organic acid salts, organic lanthanum compounds, diketone complexes, metal alkoxides, and the like. As the anion constituting the inorganic salt and the organic acid salt, the organic group constituting the organic lanthanum compound, and the alkoxy group constituting the metal alkoxide, those similar to those exemplified in the above lithium compound can be used.
As a ligand constituting the diketone complex, a β-diketone such as 2,4-pentanedione can be used.
[リチウムイオン電池]
次に、本実施形態のリチウムイオン電池について説明する。図3は、本実施形態のリチウムイオン電池を示す断面図である。
[Lithium ion battery]
Next, the lithium ion battery of this embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the lithium ion battery of this embodiment.
図3に示すリチウムイオン電池100は、集電体1と、活物質層2と、固体電解質層3と、電極4がこの順に積層された構成となっている。固体電解質層3は、上述した固体電解質を形成材料として用いる。 A lithium ion battery 100 shown in FIG. 3 has a configuration in which a current collector 1, an active material layer 2, a solid electrolyte layer 3, and an electrode 4 are laminated in this order. The solid electrolyte layer 3 uses the above-described solid electrolyte as a forming material.
集電体1の形成材料としては、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)およびパラジウム(Pd)からなる群から選ばれる1種の金属(金属単体)や、この群から選ばれる2種以上の金属元素を含む合金等が挙げられる。 As a material for forming the current collector 1, copper (Cu), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), aluminum (Al), One metal selected from the group consisting of germanium (Ge), indium (In), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag) and palladium (Pd), or selected from this group Examples include alloys containing two or more metal elements.
集電体1の形状は、板状、箔状、網状等を採用することができる。集電体1の表面は、平滑であってもよく、凹凸が形成されていてもよい。 As the shape of the current collector 1, a plate shape, a foil shape, a net shape, or the like can be adopted. The surface of the current collector 1 may be smooth or uneven.
活物質層2は、リチウムイオン電池100において集電体1を正極側に使用する場合と、負極側に使用する場合とで、形成材料が異なる。 The active material layer 2 is formed of different materials depending on whether the current collector 1 is used on the positive electrode side or the negative electrode side in the lithium ion battery 100.
集電体1を正極側に使用する場合には、活物質層2の形成材料として、正極活物質として通常知られている物質を用いることができる。このような物質としては、例えば、リチウム複酸化物が挙げられる。 In the case where the current collector 1 is used on the positive electrode side, as the material for forming the active material layer 2, a substance usually known as a positive electrode active material can be used. Examples of such a substance include lithium double oxide.
リチウム複酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、Li2Mn2O3、LiFePO4、Li2FeP2O7、LiMnPO4、LiFeBO3、Li3V2(PO4)3、Li2CuO2、LiFeF3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等が挙げられる。また、これらのリチウム複酸化物の結晶内の一部原子が他の遷移金属、典型金属、アルカリ金属、アルカリ希土類、ランタノイド、カルコゲナイド、ハロゲン等で置換された固溶体も正極活物質として用いることができる。 Examples of the lithium double oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 3 , LiFePO 4 , Li 2 FeP 2 O 7 , LiMnPO 4 , LiFeBO 3 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 CuO 2 , LiFeF 3 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 and the like. Further, solid solutions in which some atoms in the crystals of these lithium double oxides are substituted with other transition metals, typical metals, alkali metals, alkali rare earths, lanthanoids, chalcogenides, halogens, etc. can also be used as the positive electrode active material. .
集電体1を負極側に使用する場合には、活物質層2の形成材料として、負極活物質として通常知られている物質を用いることができる。 When the current collector 1 is used on the negative electrode side, as the material for forming the active material layer 2, a substance that is usually known as a negative electrode active material can be used.
負極活物質としては、シリコン−マンガン合金(Si−Mn)、シリコン−コバルト合金(Si−Co)、シリコン−ニッケル合金(Si−Ni)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、五酸化バナジウム(V2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、錫(Sn)が添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウム(Al)が添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウム(Ga)が添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモン(Sb)が添加された酸化スズ(ATO)、フッ素(F)が添加された酸化スズ(FTO)、炭素材料、炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質、TiO2のアナターゼ相、Li4Ti5O12,Li2Ti3O7等のリチウム複酸化物、Li金属等が挙げられる。 As the negative electrode active material, a silicon - manganese alloy (Si-Mn), silicon - cobalt alloy (Si-Co), silicon - nickel alloy (Si-Ni), niobium pentoxide (Nb 2 O 5), vanadium pentoxide ( Oxidation with addition of V 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), nickel oxide (NiO), tin (Sn) Indium (ITO), zinc oxide (AZO) to which aluminum (Al) is added, zinc oxide (GZO) to which gallium (Ga) is added, tin oxide (ATO) to which antimony (Sb) is added, fluorine (F ) Added tin oxide (FTO), a carbon material, a substance in which lithium ions are inserted between carbon material layers, an anatase phase of TiO 2 , Li 4 Ti 5 O 1 2 , Li 2 Ti 3 O 7 and other lithium double oxides, Li metal and the like.
集電体1を正極側に使用する場合、電極4は負極となる。この場合、集電体1の形成材料としてアルミニウムを選択し、電極4の形成材料としてリチウムを選択することができる。 When the current collector 1 is used on the positive electrode side, the electrode 4 is a negative electrode. In this case, aluminum can be selected as the material for forming the current collector 1, and lithium can be selected as the material for forming the electrode 4.
このようなリチウムイオン電池100は、以下のようにして製造することができる。
まず、表面に活物質層2が形成された集電体1を用意し、活物質層2の表面に上述の前駆体溶液を塗布して、前駆体溶液のゲル化および熱処理を行うことで、活物質層2の表面に容易にリチウムイオン伝導性に優れた固体電解質層3を形成する。
Such a lithium ion battery 100 can be manufactured as follows.
First, by preparing a current collector 1 having an active material layer 2 formed on the surface, applying the above precursor solution to the surface of the active material layer 2, and performing gelation and heat treatment of the precursor solution, The solid electrolyte layer 3 excellent in lithium ion conductivity is easily formed on the surface of the active material layer 2.
このとき、固体電解質層3を得るための熱処理温度は、上述のように540℃以上800℃以下が好適である。このような温度範囲で熱処理を行うと、活物質層2を構成する物質と、熱処理で生じる固体酸化物とが反応し異相を形成することがなく、所望の固体電解質層を容易に形成することができる。 At this time, the heat treatment temperature for obtaining the solid electrolyte layer 3 is preferably 540 ° C. or higher and 800 ° C. or lower as described above. When the heat treatment is performed in such a temperature range, the material constituting the active material layer 2 and the solid oxide generated by the heat treatment do not react to form a different phase, and a desired solid electrolyte layer can be easily formed. Can do.
次いで、固体電解質層3の表面に電極4を形成する。これにより、容易にリチウムイオン電池100を製造することができる。 Next, the electrode 4 is formed on the surface of the solid electrolyte layer 3. Thereby, the lithium ion battery 100 can be manufactured easily.
リチウムイオン電池100の製造方法としては、他にも、活物質層2の表面に固体電解質層を形成した部材と、電極4の表面に固体電解質層を形成した部材とをそれぞれ製造した上で、各部材の固体電解質層同士を貼り合わせることとしてもよい。 As other methods for manufacturing the lithium ion battery 100, a member having a solid electrolyte layer formed on the surface of the active material layer 2 and a member having a solid electrolyte layer formed on the surface of the electrode 4 are manufactured. The solid electrolyte layers of the members may be bonded together.
このようなリチウムイオン電池によれば、固体電解質層の総イオン伝導率が高く、高い性能を有するリチウムイオン電池とすることができる。 According to such a lithium ion battery, the total ion conductivity of the solid electrolyte layer is high, and a lithium ion battery having high performance can be obtained.
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
上記実施形態においては、本発明の酸化物粒子をリチウムイオン電池の固体電解質層の形成材料として用いることとして説明したが、これに限らず、例えば、リチウム空気電池の固体電解質層の形成材料として用いることも可能である。 In the above embodiment, the oxide particles of the present invention have been described as being used as a material for forming a solid electrolyte layer of a lithium ion battery. However, the present invention is not limited thereto, and for example, used as a material for forming a solid electrolyte layer of a lithium air battery. It is also possible.
[実施例]
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[Example]
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
(a)リチウム化合物の溶液、(b)ランタン化合物の溶液、(c)チタン化合物の溶液、(d)タンタル化合物の溶液を用意し、下記の配合で混合して前駆体溶液を調整した。
Example 1
A precursor solution was prepared by preparing a solution of (a) a lithium compound, (b) a solution of a lanthanum compound, (c) a solution of a titanium compound, and (d) a solution of a tantalum compound.
(a):LiCH3COOのプロピオン酸溶液(0.36mol/kg) 2g
(b):La(CH3COO)3・1.5H2Oのプロピオン酸溶液(0.27mol/kg) 4g
(c):テトライソプロポキシチタンのn−C4H9OH溶液(1.0mol/kg)
(d):ペンタエトキシタンタルのn−C4H9OH溶液(1.0mol/kg)
(A): Propionic acid solution of LiCH 3 COO (0.36 mol / kg) 2 g
(B): La (CH 3 COO) 3 · 1.5H 2 O in propionic acid solution (0.27 mol / kg) 4 g
(C): tetraisopropoxy n-C 4 H 9 OH titanium solution (1.0 mol / kg)
(D): n-C 4 H 9 OH solution pentaethoxytantalum (1.0 mol / kg)
このとき、(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:4であり、(c)と(d)との総量が2gになるように秤量し、前駆体溶液の総量を8gとした。すなわち、Ti原子に対するTa原子の物質量比は、0.04である。 At this time, the mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 4, and the total amount of (c) and (d) is weighed to 2 g. The total amount of body solution was 8 g. That is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.04.
次いで、得られた前駆体溶液を140℃で1時間乾燥して透明なゲルを得た。 Subsequently, the obtained precursor solution was dried at 140 ° C. for 1 hour to obtain a transparent gel.
次いで、得られたゲルを540℃で1時間焼成することにより、透明な生成物が得られた。得られた生成物は、本発明の固体酸化物に対応する。 Subsequently, the obtained gel was baked at 540 ° C. for 1 hour to obtain a transparent product. The product obtained corresponds to the solid oxide of the invention.
得られた生成物を粉砕した後、粉砕物100mgを内径10mmのペレットダイスに充填して624MPaの圧力でプレスすることにより、厚み0.5mmの錠剤型ペレットを得た。得られたペレットを、大気雰囲気において700℃で14時間焼成することにより、固体電解質の成形体を得た。 After the obtained product was pulverized, 100 mg of the pulverized product was filled in a pellet die having an inner diameter of 10 mm and pressed at a pressure of 624 MPa to obtain tablet-type pellets having a thickness of 0.5 mm. The obtained pellets were fired at 700 ° C. for 14 hours in an air atmosphere to obtain a solid electrolyte compact.
(実施例2)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:1、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.01としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Example 2)
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 1, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is set to 0.01. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(実施例3)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:2、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.02としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Example 3)
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 2, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.02. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(実施例4)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:6、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.06としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
Example 4
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) was (c) :( d) = 100: 6, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms was 0.06. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(実施例5)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:8、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.08としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Example 5)
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 8, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.08. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(実施例6)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:10、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.10としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Example 6)
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) was (c) :( d) = 100: 10, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms was 0.10. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(比較例1)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:0、すなわちTa原子を含めないこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Comparative Example 1)
The mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 0, that is, the same as in Example 1, except that Ta atoms are not included. A molded body of was obtained.
(比較例2)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:20、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.20としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Comparative Example 2)
Example 1 except that the mass ratio of (c) and (d) is (c) :( d) = 100: 20, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.20. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(比較例3)
(c)と(d)との質量比率が、(c):(d)=100:40、すなわちTi原子に対するTa原子の物質量比を、0.40としたこと以外は、実施例1と同様にして、固体酸化物および固体酸化物の成形体を得た。
(Comparative Example 3)
Example 1 except that the mass ratio of (c) to (d) is (c) :( d) = 100: 40, that is, the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.40. Similarly, a solid oxide and a molded body of the solid oxide were obtained.
(結晶構造の同定)
得られた生成物について、粉体X回折装置MRD(フィリップス社製)を用いたX線解析により結晶相の同定を行った。XRD回折図形を基に結晶相の同定を行ったところ、立方晶ペロブスカイト型の結晶相が確認できた。また、Ti原子に対するTa原子の物質量比が0.04以上のとき、回折角25〜30°付近に同定不能の異相ピークが出現することが認められた。
(Identification of crystal structure)
About the obtained product, the crystal phase was identified by X-ray analysis using a powder X diffraction device MRD (manufactured by Philips). When the crystal phase was identified based on the XRD diffraction pattern, a cubic perovskite crystal phase could be confirmed. In addition, when the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms was 0.04 or more, it was confirmed that an unidentifiable heterogeneous peak appeared in the vicinity of a diffraction angle of 25 to 30 °.
(結晶構造の状態観察)
得られた固体電解質の成形体から薄片を作製し、透過型電子顕微鏡(CM200、フィリップス社製)を用いて得られた薄片を観察した。
(Observation of crystal structure)
Thin pieces were prepared from the obtained solid electrolyte compact, and the obtained thin pieces were observed using a transmission electron microscope (CM200, manufactured by Philips).
図4,5は、固体電解質の成形体についての、エネルギーフィルタ型の透過型電子顕微鏡による観察結果を示す写真である。図4は、比較例1のTa未添加試料の成形体について観察した結果であり、図5は、実施例1のTa添加試料の成形体について観察した結果である。各図(a)は、それぞれの顕微鏡写真であり、各図(b)は各写真の視野全体における電子線回折図形である。 4 and 5 are photographs showing the observation results of the solid electrolyte molded body by an energy filter type transmission electron microscope. FIG. 4 shows the result of observing the molded body of the Ta-undoped sample of Comparative Example 1, and FIG. 5 shows the result of observing the molded body of the Ta-added sample of Example 1. Each figure (a) is a micrograph of each, and each figure (b) is an electron beam diffraction pattern in the entire field of view of each photograph.
観察の結果、図4(a)に示すように、Ta未添加の試料では明確な微粒子構造が発達し、結晶子間が点接触となっていた。図4(a)において符号αで示すような白色でしめされる領域は、微粒子が存在せず、測定時に用いている基板が露出している部分である。 As a result of the observation, as shown in FIG. 4A, a clear fine particle structure was developed in the sample to which Ta was not added, and the crystallites were in point contact. In FIG. 4A, the white area shown by the symbol α is a portion where no fine particles are present and the substrate used at the time of measurement is exposed.
これに対し、図5(a)に示すように、Taを添加した試料では、結晶相を示す格子縞が確認できる黒色の領域(符号βで示す)の周囲に、格子縞が確認できない領域(符号γで示す)があることが分かった。また、図5(a)においては、図面全体が黒色に色付き、領域βは領域γよりも黒くなっていることが分かった。さらに、領域βと領域γとの間には明確な境界はなく、図においては徐々に黒色の濃さが変化している。 On the other hand, as shown in FIG. 5A, in the sample to which Ta is added, a region (reference symbol γ) in which no lattice stripe can be confirmed around a black region (indicated by reference symbol β) in which the lattice stripe indicating the crystal phase can be confirmed. It was found that there is. Further, in FIG. 5A, it is found that the entire drawing is colored black, and the region β is blacker than the region γ. Further, there is no clear boundary between the region β and the region γ, and the black density gradually changes in the figure.
さらに、各視野における電子線回折図形によれば、図4(b)に示すように、Ta未添加の試料では、明確な回折パターンが得られたのに対し、図5(b)に示すように、Ta添加試料では非晶質の存在を示すハローパターンが確認できた。 Further, according to the electron diffraction pattern in each field of view, as shown in FIG. 4B, a clear diffraction pattern was obtained in the sample with no Ta added, as shown in FIG. 5B. In addition, a halo pattern indicating the presence of amorphous was confirmed in the Ta-added sample.
これらのことから、実施例1のTa添加試料では、結晶質と非晶質とが存在していることが確認できた。 From these facts, it was confirmed that the Ta-added sample of Example 1 was crystalline and amorphous.
図6は、実施例1のTa添加試料についての観察結果である。図6(a)は、非晶質の領域(図5(a)の領域γに対応)を含むHAADF−STEM(High Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)像であり、図6(b)は、図6(a)と同じ視野におけるエネルギー分散型X線分光分析によるTaのマッピングデータである。 6 shows the observation results for the Ta-added sample of Example 1. FIG. FIG. 6A is a HAADF-STEM (High Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy) image including an amorphous region (corresponding to the region γ in FIG. 5A), and FIG. These are Ta mapping data by the energy dispersive X-ray-spectral-analysis in the same visual field as Fig.6 (a).
図6(a)では、結晶質の領域(図5(a)の領域β)は白く、非晶質の領域(図5(a)の領域γ)は黒く示されている。図6(b)では、Taの存在量を白−黒の明度で示しており、白に近づくほどTaが多いことを示している。 In FIG. 6A, the crystalline region (region β in FIG. 5A) is shown in white, and the amorphous region (region γ in FIG. 5A) is shown in black. In FIG. 6B, the abundance of Ta is indicated by white-black brightness, and the closer to white, the more Ta is present.
図6に示すように、図6(a)で黒く示されている非晶質の領域ほど図6(b)では白い点が多く存在し、非晶質の領域ほどTaの存在量が多いことが分かる。また、Taは、視野全体で確認できている。さらに、結晶質の領域と非晶質の領域とで、Ta存在量は徐々に変化していることが分かる。 As shown in FIG. 6, the amorphous region shown in black in FIG. 6A has more white dots in FIG. 6B, and the amorphous region has a larger amount of Ta. I understand. Further, Ta can be confirmed in the entire visual field. Further, it can be seen that the Ta abundance gradually changes between the crystalline region and the amorphous region.
以上のことから、実施例1のTa添加試料においては、結晶質の領域と非晶質の領域とが存在すること、結晶質の領域と非晶質の領域とにはいずれもTaが含まれること、Taの存在量は結晶質の領域よりも非晶質の領域の方が多く、結晶質の領域と非晶質の領域とで、Ta存在量は徐々に変化していること、が確認できた。 From the above, the Ta-added sample of Example 1 has a crystalline region and an amorphous region, and both the crystalline region and the amorphous region contain Ta. It is confirmed that the abundance of Ta is larger in the amorphous region than in the crystalline region, and the Ta abundance gradually changes between the crystalline region and the amorphous region. did it.
(イオン伝導率の計測)
得られた固体電解質の成形体の表面に、スパッタリングによりPt電極を形成し、交流インピーダンスアナライザ(1620型、ソーラトロン社製)を用いてイオン伝導率の解析を行った。
(Ion conductivity measurement)
A Pt electrode was formed on the surface of the obtained solid electrolyte compact by sputtering, and ion conductivity was analyzed using an AC impedance analyzer (1620 type, manufactured by Solartron).
図7は、実施例1〜6および比較例1〜3の成形体についてイオン伝導率を測定した結果を示すグラフである。横軸は、Ti原子に対するTa原子の物質量比、縦軸は、イオン伝導率(単位:S/cm)を示している。 FIG. 7 is a graph showing the results of measuring ionic conductivity for the molded bodies of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. The horizontal axis represents the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms, and the vertical axis represents ionic conductivity (unit: S / cm).
測定の結果、Ti原子に対するTa原子の物質量比が0.01〜0.10のとき(実施例1〜6)、総イオン伝導率がTa未添加品(比較例1)よりも向上することが確認できた。しかし、Ti原子に対するTa原子の物質量比が0.10を超えると、Ta未添加品よりも総イオン伝導率が低下することが分かった(比較例2,3)。これは前述のXRDの結果より、異相の生成を反映したものと推測される。 As a result of the measurement, when the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms is 0.01 to 0.10 (Examples 1 to 6), the total ionic conductivity is improved as compared with the Ta-free product (Comparative Example 1) Was confirmed. However, it was found that when the mass ratio of Ta atoms to Ti atoms exceeds 0.10, the total ionic conductivity is lower than that of the Ta-free product (Comparative Examples 2 and 3). This is presumed to reflect the generation of a heterogeneous phase based on the result of the above-mentioned XRD.
(正極活物質との反応性)
LiCoO2の粉体(シグマ・アルドリッチ)1gに、実施例1の前駆体溶液2gを混合し、大気雰囲気にて700℃で14時間の焼成を行なった後、XRDおよび表面走査型電子顕微鏡による異相生成の有無の確認を行った。この結果、何れの解析においても異相の生成は認められなかった。
(Reactivity with positive electrode active material)
1 g of LiCoO 2 powder (Sigma-Aldrich) was mixed with 2 g of the precursor solution of Example 1 and baked at 700 ° C. for 14 hours in an air atmosphere. Then, a different phase by XRD and surface scanning electron microscope The presence or absence of generation was confirmed. As a result, no heterogeneous formation was observed in any analysis.
(比較例4)
平均粒径4μmのLi0.35La0.55TiO3粉末(高純度化学)1gに対し、ポリアクリル酸粉末(シグマ・アルドリッチ)0.035gを添加してメノウ鉢でよく混合し、混合物100mgを内径10mmのペレットダイスに充填して624MPaの圧力で錠剤成型した。
(Comparative Example 4)
0.035 g of polyacrylic acid powder (Sigma-Aldrich) is added to 1 g of Li 0.35 La 0.55 TiO 3 powder (high-purity chemistry) with an average particle size of 4 μm and mixed well in an agate bowl, and 100 mg of the mixture Was filled into a pellet die having an inner diameter of 10 mm, and tableted with a pressure of 624 MPa.
これを大気雰囲気において700℃で14時間焼結して、固体電解質の成形体を得た。 This was sintered at 700 ° C. for 14 hours in an air atmosphere to obtain a solid electrolyte compact.
得られた成形体について、上述の方法でイオン伝導率の測定を行ったところ、総イオン伝導率は3.4×10−8S/cmと著しく低いことがわかった。インピーダンススペクトルの同定解析の結果、本焼結体の抵抗の大部分が粒界抵抗であることがわかった。 When the ionic conductivity of the obtained molded product was measured by the above-described method, it was found that the total ionic conductivity was extremely low as 3.4 × 10 −8 S / cm. As a result of the identification analysis of the impedance spectrum, it was found that most of the resistance of the sintered body was the grain boundary resistance.
(比較例5)
焼結温度を1000℃としたこと以外は比較例4と同様にして、固体酸化物の成形体を得た。
(Comparative Example 5)
A solid oxide compact was obtained in the same manner as in Comparative Example 4 except that the sintering temperature was 1000 ° C.
得られた成形体について、上述の方法でイオン伝導率の測定を行ったところ、総イオン伝導率は7×10−5S/cmであった。 About the obtained molded object, when the ionic conductivity was measured by the above-mentioned method, the total ionic conductivity was 7 * 10 < -5 > S / cm.
次いで、正極活物質との反応性を確認するため、LiCoO2の粉末(シグマ・アルドリッチ)2gと、Li0.35La0.55TiO3粉末(高純度化学)1gを混合し、1000℃で8時間焼成した。 Next, in order to confirm the reactivity with the positive electrode active material, 2 g of LiCoO 2 powder (Sigma-Aldrich) and 1 g of Li 0.35 La 0.55 TiO 3 powder (high purity chemistry) were mixed at 1000 ° C. Baked for 8 hours.
得られた粉末を用いて、XRDおよび透過型電子顕微鏡による観察を行った。 Using the obtained powder, observation by XRD and a transmission electron microscope was performed.
XRDによる観察の結果、結晶相はLi0.35La0.55TiO3の正方晶ペロブスカイト結晶にCo原子が拡散したことを示す結果が得られた。
また、透過型電子顕微鏡による観察の結果、Li0.35La0.55TiO3とCo化合物がモザイク状に複合化した異相結晶が生成していることが分かった。
As a result of observation by XRD, a result indicating that Co atoms diffused into a tetragonal perovskite crystal of Li 0.35 La 0.55 TiO 3 as a crystal phase was obtained.
As a result of observation with a transmission electron microscope, it was found that heterogeneous crystals in which Li 0.35 La 0.55 TiO 3 and a Co compound were complexed in a mosaic shape were formed.
以上の結果より、Li0.35La0.55TiO3粉末のイオン伝導率を確保するため、高温で焼成すると、正極活物質を反応し異相を生成することが分かった。 From the above results, it was found that, when firing at a high temperature in order to ensure the ionic conductivity of the Li 0.35 La 0.55 TiO 3 powder, the positive electrode active material reacts to generate a heterogeneous phase.
以上の結果より、本発明が有用であることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that the present invention is useful.
1…集電体、2…活物質層、3…固体電解質層、4…電極、100…リチウムイオン電池、AR1…第1領域、AR2…第2領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Current collector, 2 ... Active material layer, 3 ... Solid electrolyte layer, 4 ... Electrode, 100 ... Lithium ion battery, AR1 ... 1st area | region, AR2 ... 2nd area | region
Claims (8)
前記複数の第1領域の各々の間に介在し、リチウム原子とタンタル原子とを含む非晶質を形成材料とする第2領域と、を有し、
タンタル原子の存在比率は、前記第1領域から前記第2領域に向けて漸増している固体電解質。 A plurality of first regions made of a cubic perovskite-type crystalline material containing at least lithium atoms and tantalum atoms;
A second region that is interposed between each of the plurality of first regions and is made of an amorphous material containing lithium atoms and tantalum atoms, and
The solid electrolyte in which the abundance ratio of tantalum atoms gradually increases from the first region toward the second region.
(式中、A及びBは、互いに異なる金属元素であり、Aは、Liを含み、さらにLa,Mg,Baからなる群から選ばれる1以上の元素を含み、Bは、Ti,Ta,Zr,Alからなる群から選ばれる1以上の元素である。) The solid electrolyte according to claim 1, wherein the crystalline is a composite oxide represented by a composition formula ABO 3 .
(In the formula, A and B are metal elements different from each other, A includes Li, and further includes one or more elements selected from the group consisting of La, Mg, and Ba, and B includes Ti, Ta, and Zr. , One or more elements selected from the group consisting of Al.)
得られたゲルを熱処理する工程と、を有する固体電解質の製造方法。 Removing a solvent from a solution in which a compound containing a lithium compound, a lanthanum compound, a titanium compound and a tantalum atom is dissolved, and gelling;
And a step of heat-treating the obtained gel.
前記固体電解質層は、請求項1から5のいずれか1項に記載の固体電解質を形成材料とするリチウムイオン電池。 A positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode,
The said solid electrolyte layer is a lithium ion battery which uses the solid electrolyte of any one of Claim 1 to 5 as a forming material.
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