JP6615404B2

JP6615404B2 - リチウムリッチアンチペロブスカイト化合物、これを含むリチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池

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Publication number: JP6615404B2
Application number: JP2019503183A
Authority: JP
Inventors: セ・ホ・パク; チャンヨプ・チュン; タ・ヨン・スン; ミンチュル・チャン; ウンキョン・パク; チャンフン・パク
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: EP3454406A4; US20190245240A1; JP2019513687A; KR20180036536A; EP3454406B1; US10680282B2; KR101886003B1; CN109075390B; EP3454406A1; CN109075390A

Description

本出願は、２０１６年９月３０日付韓国特許出願第１０−２０１６−０１２６２５８号及び２０１７年９月１５日付韓国特許出願第１０−２０１７−０１１８４３８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に記載されている全ての内容を本明細書の一部として含む。

本発明は、アンチペロブスカイト結晶構造を有する新規なＬｉリッチアンチペロブスカイト化合物、これを含むリチウム二次電池用電解質及びこれを含むリチウム二次電池に関する。

最近、環境問題に対する関心が高まることにつれ、大気汚染の主原因の一つであるガソリン車両、ディーゼル車両など、化石燃料を使用する車両を代替することができる電気自動車、ハイブリッド電気自動車に対する研究が多く進められている。このような電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力源としては、主にニッケル水素金属二次電池が使用されているが、高いエネルギー密度と放電電圧を有しているため、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池を使用する研究が活発に行われており、一部は商用化の段階にある。

このようなリチウム二次電池の負極活物質としては炭素材料が主に使用されていて、リチウム金属、硫黄化合物などの使用も考慮されている。また、正極活物質としては、主にリチウム含有コバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）が使用されていて、その他に層状結晶構造のＬｉＭｎＯ_２、スピネル結晶構造のＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウム含有マンガン酸化物とリチウム含有ニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）の使用も考慮されている。また、電解質としては、液体電解質、固体電解質、高分子電解質など多様な材質が使用されている。

リチウム二次電池は、高温（例えば、９０℃以上）で熱に対する安定性が低いため、内部での短絡現象が発生し、電池が膨張して爆発する。特に、液体電解質を使用する場合、電解質の漏水が発生し、このために固体電解質や高分子電解質が代案として提示されたが、満足できるようなリチウムイオン伝導度を確保することができなかった。

最近は、Ｌｉ_３ＯＢｒやＬｉ_３ＯＣｌなどの化学構造を有するリチウムリッチアンチペロブスカイト結晶構造（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、以下「ＬｉＲＡＰ」と言う）を有する化合物が提示され、これら化合物はリチウムイオン伝導度がとても優れているだけでなく、高温で安全であるため、次世代電解質の代案として研究が進められている。

アンチペロブスカイト結晶構造（Ａｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、ペロブスカイトと類似な構造であって、結晶構造内のカチオンと別の構成元素間の位置が異なる構造を意味する。ペロブスカイト構造は、通常ＡＢＸ_３で表示され、この時のＡは１価のカチオン、Ｂは２価のカチオン、Ｘは１価のアニオンである。アンチペロブスカイト構造は、ＡＢＸ_３で、Ｘがアルカリ金属のようなカチオンで、Ａ及びＢはアニオンを意味する。ペロブスカイト及びアンチペロブスカイト結晶構造は、ＡとＢ、Ｘにどのような原子（または作用基）があるかによって数百の種類が知られていて、電気的特性も導体から半導体、不導体まで多様である。

ＸｕｊｉｅＬｕらは、ＬｉＲＡＰとしてＬｉ_３ＯＣｌを示し、前記物質が常温で０．８５×１０^−３Ｓ／ｃｍの高い水準のイオン伝導度を示し、正方相（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌｐｈａｓｅｓ）を有する直方晶系（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ）結晶構造によって高温で安定性に優れて、電解質として使用可能であることを示している［ＹｕｓｈｅｎｇＺｈａｏｅｔａｌ．，ＳｕｐｅｒｉｏｎｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎＬｉｔｈｉｕｍ−ＲｉｃｈＡｎｔｉ−Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１２，１３４（３６），ｐｐ１５０４２〜１５０４７；ＵＳ第２０１３−０２０２９７１号］。
ＬｉＲＡＰのような結晶構造は、イオン伝導度を高めるために、意図的に不純物のドーパント（ｄｏｐａｎｔ）を添加する。これと関わって、ＹｕｓｈｅｎｇＺｈａｏらは、ＢｒがドーピングされたＬｉ_３Ｏ（Ｃｌ_０．５、Ｂｒ_０．５）の場合、イオン伝導度が１０^−２Ｓ／ｃｍであって、Ｌｉ_３ＯＣｌの１０^−３値より向上されることができるし、これは固体電解質として使用可能であると示している［ＹｕｓｈｅｎｇＺｈａｏｅｔａｌ．，ＳｕｐｅｒｉｏｎｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎＬｉｔｈｉｕｍ−ＲｉｃｈＡｎｔｉ−Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１２，１３４（３６），ｐｐ１５０４２〜１５０４７］。
これと類似のように、ＹｕｓｈｅｎｇＺｈａｏ及びＭ．Ｈ．Ｂｒａｇａらは、リチウムイオンを他の金属に置換した（Ｂａ、Ｌｉ）_３ＯＣｌ構造の化合物を提案しながら、この物質が常温でイオン伝導度を高めることができるし、高温で不燃性（ｎｏｎ−ｆｌａｍｍａｂｌｅ）特性を表して、金属−空気電池や全固体電池など高温での作動を要する電池に使用可能であることを開示している。

ＵＳ第２０１３−０２０２９７１号（２０１３．０８．０８）、Ａｎｔｉ−ＰｅｒｏｖｓｋｉｔｅＳｏｌｉｄＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ

ＸｕｊｉｅＬｕｅｔａｌ．，Ｌｉ−ｒｉｃｈａｎｔｉ−ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅＬｉ３ＯＣｌｆｉｌｍｓｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｉｏｎｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２０１４，５０，１１５２０ＹｕｓｈｅｎｇＺｈａｏｅｔａｌ．，ＳｕｐｅｒｉｏｎｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎＬｉｔｈｉｕｍ−ＲｉｃｈＡｎｔｉ−Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１２，１３４（３６），ｐｐ１５０４２〜１５０４７Ｍ．Ｈ．Ｂｒａｇａｅｔａｌ．，ＮｏｖｅｌＬｉ３ＣｌＯｂａｓｅｄｇｌａｓｓｅｓｗｉｔｈｓｕｐｅｒｉｏｎｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｉｅｓ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ａ，２０１４，２，５４７０−５４８０

ここで、本出願人は、Ｌｉ_３ＯＣｌのようなＬｉＲＡＰ化合物に対する研究を行った結果、置換のためのドーパントがＣｌ位置で置換することではなく、酸素（Ｏ）の位置で置換する構造を設計し、このような新規な構造を有する化合物が高いイオン伝導度と共に高温での安定性に優れることを予測して本発明を完成した。

したがって、本発明の目的は、新規な構造のＬｉＲＡＰ化合物を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、前記ＬｉＲＡＰ化合物をリチウム二次電池に適用する用途を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、下記化学式１、化学式２または化学式３で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、ＬｉＲＡＰ）結晶構造を有する化合物を提供する。
［化学式１］
Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘ
（前記化学式１において、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１である。）
［化学式２］
Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式２において、ＭはＮａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜２である。）
［化学式３］
Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式３において、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜１である。）

また、本発明は、下記化学式１、化学式２または化学式３で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、ＬｉＲＡＰ）結晶構造を有する化合物を含むリチウム二次電池用電解質を提供する。
［化学式１］
Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘ
（前記化学式１において、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１である。）
［化学式２］
Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式２において、ＭはＮａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜２である。）
［化学式３］
Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式３において、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜１である。）

また、本発明は、前記リチウム二次電池用電解質を含むことを特徴とするリチウム二次電池を提供する。

本発明による新規な結晶構造を有するリチウム化合物は、ドーパントがリチウムカチオンではない酸素を代替して形成することによって、高いイオン伝導度を有する。このようなリチウム化合物は、リチウム二次電池の固体電解質として使用され、電池の高温での駆動時も高いイオン伝導度を維持し、電気化学的に安定した電位窓、低い電気伝導度、高温安定性、低い毒性などの特性を全て満たす。

前記リチウム化合物は、特に、高温で作動する固体酸化物電池、全固体電池、リチウム−硫黄電池など多様な二次電池分野で電解質として使用可能である。

Ｌｉ_３ＯＣｌの結晶構造を示す模式図である。ＬｉをＢａカチオンで置換した結晶構造を示す模式図である。ＯをＦアニオンで置換した結晶構造を示す模式図である。ＬｉをＮａカチオンで、ＯをＦアニオンで置換した結晶構造を示す模式図である。ＬｉをＢａカチオンで、ＯをＦアニオンで置換した結晶構造を示す模式図である。ドーパントによるＬｉＲＡＰ化合物のバンドギャップの変化結果を比べたグラフである。ドーパントによるＬｉＲＡＰ化合物のリチウムイオン移動に対する活性エネルギーの変化結果を比べたグラフである。本発明の実施例によるＬｉ_３ＣｌＯのＸＲＤｓｐｅｃｔｒａである。本発明の実施例によるＬｉ_{２．９６３}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}のＸＲＤｓｐｅｃｔｒａである。本発明の実施例によるＬｉ_{２．９２６}Ｎａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}のＸＲＤｓｐｅｃｔｒａである。本発明の実施例によるＬｉ_{１．８８９}Ｂａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}のＸＲＤｓｐｅｃｔｒａである。

以下、本発明を詳しく説明する。
ＬｉＲＡＰ化合物
本発明で示すＬｉＲＡＰ（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ）化合物は、リチウムリッチアンチペロブスカイト結晶構造を有する化合物である。具体的に、前記ＬｉＲＡＰ化合物は、Ｌｉ_３ＯＣｌの基本結晶構造でイオン伝導度を向上するためにドーパントを置換するものの、従来のようにＣｌではなくＯでドーパントが置換された構造であって、好ましくは、下記化学式１、化学式２または化学式３で表される化学構造を有する。
［化学式１］
Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘ
（前記化学式１において、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１である。）
［化学式２］
Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式２において、ＭはＮａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜２である。）
［化学式３］
Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式３において、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜１である。）

前記化学式２及び化学式３のＬｉＲＡＰ化合物は、Ｌｉのカチオンがさらに置換された化合物である。

前記化学式１、化学式２及び化学式３の化合物は、１０ないし１０^−１０Ｓ／ｃｍのイオン伝導度（２５℃）を有し、熱的安定性に優れて、高温で前記イオン伝導度をほとんど維持する。

前記化学式１、化学式２及び化学式３のＬｉＲＡＰ化合物は、ドーパントであるＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩのハロゲン元素がＯの位置で一部置換された構造であって、従来ドーパントが置換されていないＬｉＯＣｌと比べて同等以上のイオン伝導度及び熱的安定性を有する。

この時、ドーパントの種類及びｘ、ｙで表されるモル比は、後で説明するバンドギャップと共に活性エネルギーに直接影響を与えるもので、そのモル比（すなわち、ドーパントの含量）は、結果的にイオン伝導度に影響を与えるので、その含量を制御することが好ましい。

好ましくは、Ｏのドーパントであるハロゲン元素のモル比が小さければ、イオン伝導度の上昇効果を確保することができないし、これと逆に、高すぎるとバンドギャップは縮んで、活性エネルギーは増加して、結果的にイオン伝導度が低下される問題が発生するので、前記範囲で適切に使用する。このような傾向は、Ｌｉの置換金属であるＭで表される金属の場合でも同一に適用される。

ドーパントによるドーピングの拡散機構（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ）は、置換型拡散（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）及び格子間拡散（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）がある。前記置換型拡散は、格子上の空間（ｖａｃａｎｃｙ）を通して拡散することで、原子が格子位置（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌｓｉｔｅ）から脱して格子間位置で押し出されて空間を作り、この空間にドーパントが入ってくる拡散を意味する。また、格子間拡散は、格子が格子間位置（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓｉｔｅ）をジャンプして拡散することで、置換型拡散に比べてもっと速くて深く拡散して半導体内で深い準位を形成する。

本発明で示すドーパントは、格子間位置の拡散基転よってドーピングされる。格子間拡散の場合、格子間位置から他の格子間位置へ移動しなければならないので、このような原子の移動のために熱処理というエネルギーが求められる。ドーパントを添加することで、電子状態、つまり、結晶構造の変化が発生するので、結果的に物質のバンドギャップ及び活性エネルギーが変換される。

すなわち、本発明によるＬｉＲＡＰは、ドーパントでドーピング前の所定水準のエネルギー準位を有し、ＬｉＲＡＰを構成する原子の相互作用及び活性状態によってエネルギーギャップ（Ｅｇ）、つまり、バンドギャップが存在する。前記バンドギャップは、ドーパントのドーピングによるＬｉＲＡＰのエネルギー準などの変化によってその数値が変更される。バンドギャップの変化は、通常ドーパントの種類及び濃度に大きく影響を受ける。通常、バンドギャップが３．０ｅＶ以上の場合、電気伝導度が非常に低い絶縁体で、ＬｉＲＡＰの場合、約５ｅＶであり、ドーパントの種類によってバンドギャップが変換される。

ＬｉまたはＯを他の元素で置換した場合、バンドギャップがＬｉＲＡＰ対比全て少なくなる傾向を示し、その減少傾向が少ないことが好ましいドーパントの候補群として考慮されることができる。

前記化学式１、化学式２及び化学式３に示したハロゲン元素のような特定ドーパントを使用した場合、バンドギャップの変化が少ないし、さらにＬｉを他の金属で置換した場合、Ｎａ及びＢａでバンドギャップの変化が少ない傾向を示した。

前記化学式１、化学式２及び化学式３のＬｉＲＡＰ化合物のバンドギャップは、下記のような計算によって予測可能である。

図１は、Ｌｉ_３ＯＣｌの結晶構造を示す模式図で、１３５個の原子炉からなる３＊３＊３スーパーセル（ｓｕｐｅｒｃｅｌｌ）結晶構造のＬｉ_８１Ｃｌ_７Ｏ_２７の結晶構造の模式図である。このような結晶構造は、正六面体単位格子の頂点に大きいカチオン（Ａ）があって（８×１／８）、中には小さいカチオン（Ｂ）が、各面の中央にアニオン（Ｘ）が存在する（６×１／２）構造である。

また、図２は、ＬｉをＢａカチオンで置換した結晶構造を示す模式図である。

図１の結晶構造を有するＬｉ_３ＯＣｌ及び図２の結晶構造を有する（Ｌｉ、Ｍ）_３ＯＣｌ化合物は、下記示したカチオンで置換、及びアニオンでドーピングされるし、この時のバンドギャップの変化をＬｉ_３ＯＣｌ対比して計算し、図３に示した。

カチオン：
＋１価：Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ
＋２価：Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ
＋３価：Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ
＋４価：Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ
アニオン：
Ｏ位置：Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ

前記候補のうち、カチオンはＬｉで置換される元素で、アニオンはＯで置換される元素である。

バンドギャップを計算するために、ＰＡＷ（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒａｕｇｍｅｎｔｅｄｗａｖｅ）基盤のＤＦＴ（ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙ）コードであるＶＡＳＰ（ｖｅｒｓｉｏｎ５．３．５）を使用し、電子のｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙのｃｕｔｏｆｆは、５００ｅＶ、ｅｘｃｈａｎｇｅ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ関数はＧＧＡ（ＰＢＥ）を使用した。

スーパーセルを計算するためのｋ−ｐｏｉｎｔｍｅｓｈは、ｇａｍｍａポイントだけを考慮し、ｃｏｎｊｕｇａｔｅｇｒａｄｉｅｎｔ法で原子間の力が±０．１ｅＶ／ÅＡになるまで原子構造の最適化を行った。最適化された構造のｇａｍｍａｐｏｉｎｔでのＣＢＭ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄｍｉｎｉｍｕｍ）とＶＢＭ（ｖａｌｅｎｃｅｂａｎｄｍａｘｉｍｕｍ）のエネルギー差がバンドギャップに該当する。

図６は、ドーパントによるＬｉＲＡＰ化合物のバンドギャップ結果を比べたグラフである。この時、前記ＧＧＡ−ＰＢＥバンドギャップの場合、実際のバンドギャップよりｕｎｄｅｒｅｓｔｉｍａｔｉｏｎされる傾向がある。図６において、その数値は実際の場合と若干差があるので、定量的な数値変化よりはＬｉ_３ＯＣｌと対比して相対的な比較だけに留意したと判断する。この時、ＧＧＡ−ＰＢＥバンドギャップが３．０ｅＶ以上の場合、電気伝導度がとても低い絶縁体であると判断する。

図６を参照すれば、Ｌｉを他の元素で置換した場合、バンドギャップがＬｉ_３ＣｌＯに対比して全て小くなる傾向を示した。また、比較的にバンドギャップの減少が小さいＮａ、Ｋ、Ｒｂ、Ａｌ、Ｂ、Ｌａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｆ（Ｏ置換）、Ｃｌ（Ｏ置換）、Ｂｒ（Ｏ置換）、Ｉ（Ｏ置換）が好ましいドーパントであってもよい。また、４価のカチオンが置換された場合、Ｌｉ空間（ｖａｃａｎｃｙ）の濃度は高いが、バンドギャップは顕著に減少する傾向を示した。

前記バンドギャップの変化と共に、リチウムイオン伝導度の変化のためにリチウムイオン移動のための活性エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ、Ｅｇ）を計算する。

活性エネルギーは、ＮＥＢ（ｎｕｄｇｅｄｅｌａｓｔｉｃｂａｎｄ）計算を通じて計算し、［１１０］結晶方向へのＬｉ＋イオンの移動をモデリングするために、Ｌｉ＋イオンの移動前の初期構造（ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と移動後の最終構造（ｆｉｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の間に等間隔で分けた５個のイメージを使用した。ＮＥＢ計算は、ＰＡＷ基盤のＤＦＴ計算コードであるＶＡＳＰ（ｖｅｒｓｉｏｎ５．３．５）を使って行った。

活性エネルギーは、ドーパントによってＬｉ−Ｏの格子間位置（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｓｉｔｅ）に移動するようになり、この時の必要な活性エネルギーは、密度汎関数理論（ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙ）基盤のコードであるＶＡＳＰを使用して測定可能である。

図７は、ドーパントによるＬｉＲＡＰ化合物のリチウムイオンの移動に対する活性エネルギー変化結果を比べたグラフである。

図７を参照すれば、Ｌｉ_３ＣｌＯの場合、Ｅａ＝０．３２３ｅＶを示し、既存文献に報告された実験値である０．３６ｅＶと類似の水準で示された。Ｂａ、Ｎａ、Ｆ（Ｏ置換）、Ｃｌ（Ｏ置換）、Ｂｒ（Ｏ置換）、Ｉ（Ｏ置換）６つの場合のみＬｉ_３ＣｌＯより低いエネルギーを示した。

また、１価及び２価のカチオンがＬｉ位置で置換された場合、或いは１価のアニオンがＯ位置で置換された場合、Ｌｉ＋移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）に対するＥａが類似であるか、低い傾向を示した。

したがって、Ｎａ（Ｌｉ置換）、Ｂａ（Ｌｉ置換）、Ｆ（ｏｘｙｇｅｎ置換）、Ｃｌ（ｏｘｙｇｅｎ置換）、Ｂｒ（ｏｘｙｇｅｎ置換）、Ｉ（ｏｘｙｇｅｎ置換）でドーピングまたは置換されたＬｉＲＡＰ化合物が、ドーピングされていないＬｉ_３ＣｌＯよりもっと高いイオン伝導度を有することができる。

要するに、図６及び図７のバンドギャップ及びリチウムイオン移動の活性エネルギーの結果からＬｉＲＡＰで従来のようにＣｌではなく、化学式１、化学式２または化学式３で表されるアニオンのＯ位置でハロゲン元素、すなわち、Ｆ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩが置換される場合、高いバンドギャップと共に低い活性エネルギーを有することが分かる。また、Ｌｉカチオンの一部をＮａまたはＢａのカチオンで置換する場合もドーピング前以下の活性エネルギーを有することが分かる。

本発明による化学式１、化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物の製造は特に限定しない。

本発明の一具現例によれば、リチウム前駆体（ＬｉＮＯ_３）、ＬｉＨａｌを混合してリチウムオキシハロゲン化物（例えば、Ｌｉ_{１．９６３}Ｏ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}）を合成する段階；及びＬｉＣｌをリチウムオキシハロゲン化物に追加した混合物を１８０ないし９００℃の高温でアニーリングする段階を経て製造する。

この時、化学式２または化学式３で表される化合物の場合、金属を含む前駆体を前記第１段階に添加して製造することができる。前記前駆体は、金属の塩化物、窒化物、水酸化物、オキシ水酸化物、アルコキシド化物、アミド化物などであってもよく、好ましくは、アルコキシド化物が使用されてもよい。

また、金属を含む前駆体を使用し、化学式２または化学式３の合成は合成の方法を特に限定しない。

その例として、前記金属を含む前駆体をリチウムオキシハロゲン化物の合成段階で添加するか、高温アニーリングする段階で添加し、化学式２または化学式３を合成することが可能である。

本発明の他の具現例によれば、Ｌｉ_３ＯＣｌ粉末にＨＸ（Ｘ＝ハロゲン化物）と反応させて化学式１のＬｉＲＡＰ化合物を製造するか、Ｌｉ前駆体とＭ前駆体を反応させて（Ｌｉ、Ｍ）_３ＯＣｌを製造した後、ＨＸ（Ｘ＝ハロゲン化物）と反応させて化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物を製造することができる。

リチウム二次電池
前記化学式１、化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物は、高いイオン伝導度によってリチウム二次電池に適用することが可能である。

リチウム二次電池は、正極、負極及びこれらの間に介在された電解質を含み、この時、前記電解質として化学式１、化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物を使用する。

ＬｉＲＡＰ化合物は、電気化学的に安定した電位窓、低い電気伝導度、高温安定性、低い毒性などの特性を全て満たしながらも、既存のＣｌを置換した構造に比べて高いリチウムイオン伝導度を示し、電池の電解質として好ましく使用して電池の性能及び熱的安定性を改善する。

電解質として使用する場合、前記化学式１、化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物は、それぞれ単独で使用したり、混合して使用することができるし、Ｍ及びＸの多様な組み合わせを有するように混合して使用することができる。

同時に、前記電解質は、リチウムイオン伝導度をより高めるために、このような目的で使用される物質をさらに含むことができる。

一例として、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ、（ＦＳＯ_２）_２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４−フェニルホウ酸リチウム、リチウムイミドなどのリチウム塩をさらに含むことができる。

また、無機固体電解質または有機固体電解質をさらに含む。前記無機固体電解質は、セラミックス系の材料であって、結晶性または非結晶性材質が使用されてもよく、Ｔｈｉｏ−ＬＩＳＩＣＯＮ（Ｌｉ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４）、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｏ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_３ＰＳ_４、Ｌｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２Ｏ−Ｖ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_２Ｏ−Ｌｉ_２ＷＯ_４−Ｂ_２Ｏ_３、ＬｉＰＯＮ、ＬｉＢＯＮ、Ｌｉ_２Ｏ−ＳｉＯ_２、ＬｉＩ、Ｌｉ_３Ｎ、Ｌｉ_５Ｌａ_３Ｔａ_２Ｏ１２、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_６ＢａＬａ_２Ｔａ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_３ＰＯ_{（４−３／２ｗ）}Ｎｗ（ｗは、ｗ＜１）、Ｌｉ_３．６Ｓｉ_０．６Ｐ_０．４Ｏ_４などの無機固体電解質が可能である。

有機固体電解質の例としては、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリアジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデンなどのポリマー系の材料にリチウム塩を混合したものを使用することができる。この時、これらは単独でまたは少なくとも一つ以上を組み合わせて使用することができる。

また、これらＬｉＲＡＰ化合物は、粉末状態で製造した後、圧縮によるペレット製造を通して固体電解質として適用するか、バインダーなどの公知の物質と混合してスラリーコーティングを通じる厚膜形態で適用することができる。また、必要な場合、スパッタリングなどの蒸着工程を通いて薄膜形態の電解質として適用することが可能である。

電解質への具体的な適用方法は、本発明で特に限定しないし、この分野における通常の知識を有する者によって公知された方法を選定または選択して適用することができる。

前記化学式１、化学式２または化学式３のＬｉＲＡＰ化合物が電解質として適用可能なリチウム二次電池は、正極または負極の制限がなく、特に高温で作動するリチウム−空気電池、リチウム酸化物電池、リチウム−硫黄電池、リチウム金属電池、及び全固体電池などに適用可能である。

リチウム二次電池の正極は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物や、１またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（０≦ｘ≦０．３３）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ＭＣｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ；０．０１≦ｘ≦０．３）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（ＭＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ；０．０１≦ｘ≦０．１）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ＭＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；ＬｉＮｉ_ｘＭｎ_２−ｘＯ_４で表されるスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土類金属のイオンで置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などを含むことができるが、これらに限定されない。

このような正極活物質は、正極集電体上に形成されてもよい。前記正極集電体は、当該電池に化学的変化を引き起こさずに、高い導電性を有するものであれば特に制限されないし、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用されてもよい。この時、前記正極集電体は、正極活物質との接着力を高められるように、表面に微細な凹凸が形成されたフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態を使用することができる。

また、負極は負極集電体上で負極活物質を有する負極合剤層が形成されたり、負極合剤層（一例として、リチウムホイル）を単独で使用する。

この時、負極集電体や負極合剤層の種類は、本発明で特に限定しないし、公知の材質が使用可能である。

また、負極集電体は、当該電池に化学的変化を引き起こさずに、導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが使用されてもよい。また、前記負極集電体は、正極集電体と同様、表面に微細な凹凸が形成されたフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が使用されてもよい。

また、負極活物質は、結晶質人造黒鉛、結晶質天然黒鉛、非晶質ハードカーボン、低結晶質ソフトカーボン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、スーパー−Ｐ、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、繊維状炭素からなる群から選択される一つ以上の炭素系物質、Ｓｉ系物質、ＬｉｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、Ｂｉ_２Ｏ_５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料；チタン酸化物；リチウムチタン酸化物などを含んでもよいが、これらだけに限定されない。

これに加えて、負極活物質は、ＳｎｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４及びＢｉ_２Ｏ_５などの酸化物などを使用することができるし、結晶質炭素、非晶質炭素または炭素複合体のような炭素系負極活物質が単独でまたは２種以上を混用して使用されてもよい。

この時、前記電極合剤層は、バインダー樹脂、導電材、充填剤及びその他の添加剤などをさらに含むことができる。

前記バインダー樹脂は、電極活物質と導電材の結合と、集電体に対する結合のために使用する。このようなバインダー樹脂の例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化−ＥＰＤＭ、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの多様な共重合体などを挙げることができる。

前記導電材は、電極活物質の導電性をさらに向上させるために使用する。このような導電材は、当該電池に化学的変化を引き起こさずに、導電性を有するものであれば特に制限されないし、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカ；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などが使用されてもよい。

前記充填剤は、電極の膨脹を抑制する成分として選択的に使用されるし、当該電池に化学的変化を引き起こさずに、繊維状材料であれば特に制限されることなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。

本発明によるリチウム二次電池用電極の製造は特に限定しないし、通常の電池製造工程に従う。一例として、電極集電体上に前記電極合剤層及び電極保護層を順次に積層する。

前記リチウム二次電池の形状は特に制限されないし、円筒形、積層型、コイン型など多様な形状にすることができる。

また、本発明は、前記リチウム二次電池を単位電池として含む電池モジュールを提供し、前記電池モジュールを含む電池パックを提供する。

前記電池パックは、高温安定性、長いサイクル特性及び高い容量特性などが求められる中大型デバイスの電源として使用されてもよい。

前記中大型デバイスの例としては、電池的モーターによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒｔｏｏｌ）；電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ）、プラグ−インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ；ＰＨＥＶ）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃｇｏｌｆｃａｒｔ）；電力貯蔵用システムなどを挙げることができるが、これに限定されない。

以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施例を示すが、下記実施例は本発明を例示するものであるだけで、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正ができることは当業者には明白であり、このような変形及び修正が添付された特許請求範囲に属することも当然である。

実施例
実施例１：Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘの製造（Ｌｉ_{２．９６３}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}）
反応容器にＬｉＮＯ_３粉末６．５２８ｇ、ＬｉＦ粉末０．０４８ｇを１００ｍｌのＨＮＯ_３（０．１Ｍ）に溶かした後、１２時間常温で反応させる。反応後、回転蒸発濃縮機と電気オーブンを使って乾燥させる。乾燥されたパウダーは、９００℃、３日間焼成過程を経た後、３℃／ｍｉｎの速度で常温に落とす。合成されたパウダーは、未反応物を除去するために蒸溜水で数回洗い出し、再び６００℃、１時間空気中で焼成させる。合成された物質をＬｉＣｌ粉末２．１ｇとｈａｎｄｍｉｘｉｎｇをしてｇｒｉｎｄｉｎｇされた混合粉末を製造した。前記混合粉末に３ｍｌのＨ_２Ｏを添加してゲル状態の混合物を製造した。次いで、酸素雰囲気の下、６００℃のオートクレーブで２時間以上熱処理した後、約１時間同一温度下で乾燥させ、Ｌｉ_{２．９６３}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}を製造した。

実施例２：Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌの製造（Ｌｉ_{２．９２６}Ｎａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}）
反応容器にＬｉＮＯ_３粉末６．４５１ｇ、ＬｉＦ粉末０．０４８ｇ、Ｎａ（ＣＨ_３ＣＯＯ）粉末０．１５ｇを１００ｍｌのＨＮＯ_３（０．１Ｍ）に溶かした後、１２時間常温で反応させる。反応後、回転蒸発濃縮機と電気オーブンを使って乾燥させる。乾燥されたパウダーは、９００℃、３日間焼成過程を経た後、３℃／ｍｉｎの速度で常温に落とす。合成されたパウダーは、未反応物を除去するために蒸溜水で数回洗い出し、再び６００℃、１時間空気中で焼成させる。合成された物質をＬｉＣｌ粉末２．１ｇとｈａｎｄｍｉｘｉｎｇをしてｇｒｉｎｄｉｎｇされた混合粉末を製造した。前記混合粉末に３ｍｌのＨ_２Ｏを添加してゲル状態の混合物を製造した。次いで、酸素雰囲気の下、６００℃のオートクレーブで２時間以上熱処理した後、約１時間同一温度下で乾燥させ、Ｌｉ_{２．９２６}Ｎａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}を製造した。

実施例３：Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌの製造（Ｌｉ_{１．８８９}Ｂａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．６９６３}Ｆ_{０．０３７}）
反応容器にＬｉＮＯ_３粉末６．３２５ｇ、ＬｉＦ粉末０．０４８ｇ、Ｂａ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２粉末０．４６ｇを１００ｍｌのＨＮＯ_３（０．１Ｍ）に溶かした後、１２時間常温で反応させる。反応後、回転蒸発濃縮機と電気オーブンを使って乾燥させる。乾燥されたパウダーは、９００℃、３日間焼成過程を経た後、３℃／ｍｉｎの速度で常温に落とす。合成されたパウダーは、未反応物を除去するために蒸溜水で数回洗い出し、再び６００℃、１時間空気中で焼成させる。合成された物質をＬｉＣｌ粉末２．１ｇとｈａｎｄｍｉｘｉｎｇをしてｇｒｉｎｄｉｎｇされた混合粉末を製造した。前記混合粉末に３ｍｌのＨ_２Ｏを添加し、ゲル状態の混合物を製造した。次いで、酸素雰囲気の下、６００℃のオートクレーブで２時間以上熱処理した後、約１時間同一温度下で乾燥させ、Ｌｉ_{１．８８９}Ｂａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}を製造した。

実験例１：Ｘ−ｒａｙｐｅａｋシミュレーション分析
ＦがＯ−ｓｉｔｅで置換された物質の最適構造を計算するために、密度汎関数理論（ＤＦＴ、ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙ）基盤の第一原理計算法を利用した。まず、Ｌｉ_３ＣｌＯの単位結晶格子（ｕｎｉｔｃｅｌｌ）をｘ−軸、ｙ−軸、ｚ−軸方向へそれぞれ３倍ずつ伸ばした３×３×３スーパーセル（ｓｕｐｅｒｃｅｌｌ）を生成した後、（０．５、０．５、０．５）位置にある酸素をＦで置換した。電荷の均衡のために置換されたＦの周辺に存在するリチウムのうち、一つを除去してリチウムｖａｃａｎｃｙを生成した。計算に使用された構造は、以下の図のとおりであって、Ｌｉ_７９Ｃｌ_２７Ｏ_２６Ｆ_１の化学式を有する。構造最適化のために平面波（ｐｌａｎｅｗａｖｅ）基盤の密度汎関数方法コードであるＶＡＳＰを利用し、計算で電子−電子間の相互作用を模写するための交換−相関（ｅｘｃｈａｎｇｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）は、ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＧｒａｄｉｅｎｔＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎの（ＧＧＡ）Ｐｅｒｄｅｗ−Ｂｕｒｋｅ−Ｅｒｎｚｅｒｈｏｒ（ＰＢＥ）関数を使用した。この時、電子のｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｃｕｔｏｆｆは４００ｅＶ、エネルギーｓｍｅａｒｉｎｇはガウシアン法を利用した。電子のエネルギー（ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ）計算のための逆格子空間でのｋ−ｐｏｉｎｔｍｅｓｈは、ガンマポイントだけが含まれる条件を使用し、全ての原子間に作用する力が０．０１ｅＶ／Åより小さくなるまで繰り返して計算した。このように最適化された構造を基盤にして、ｘ−ｒａｙｐｅａｋシミュレーションをした。図８、９、１０、１１は、前記方法によって導き出したＬｉ_３ＣｌＯ、Ｌｉ_{２．９６３}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}、Ｌｉ_{２．９２６}Ｎａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}、Ｌｉ_{１．８８９}Ｂａ_{０．０３７}ＣｌＯ_{０．９６３}Ｆ_{０．０３７}のＸＲＤｐｅａｋｓｐｅｃｔｒａである。

Claims

下記化学式１、化学式２または化学式３で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、ＬｉＲＡＰ）結晶構造を有する化合物：
［化学式１］
Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘ
（前記化学式１において、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１である。）
［化学式２］
Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式２において、ＭはＮａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜２である。）
［化学式３］
Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式３において、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜１である。）
前記化合物は、１０ないし１０^−１０Ｓ／ｃｍのイオン伝導度を有することを特徴とする、請求項１に記載の化合物。
下記化学式１、化学式２または化学式３で表されるリチウムリッチアンチペロブスカイト（ＬｉｔｈｉｕｍＲｉｃｈＡｎｔｉｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ、ＬｉＲＡＰ）結晶構造を有する化合物を含むリチウム二次電池用電解質：
［化学式１］
Ｌｉ_３−ｘＣｌＯ_１−ｘＨａｌ_ｘ
（前記化学式１において、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１である。）
［化学式２］
Ｌｉ_{３−ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式２において、ＭはＮａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜２である。）
［化学式３］
Ｌｉ_{３−２ｙ−ｘ}Ｍ_ｙＯ_１−ｘＨａｌ_ｘＣｌ
（前記化学式３において、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａで、ＨａｌはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩで、０＜ｘ＜１で、０＜ｙ＜１である。）
前記化合物は、１０ないし１０^−１０Ｓ／ｃｍのイオン伝導度を有することを特徴とする、請求項３に記載のリチウム二次電池用電解質。
請求項３または４に記載のリチウム二次電池用電解質を含むことを特徴とするリチウム二次電池。
前記リチウム二次電池は、リチウム−空気電池、リチウム酸化物電池、リチウム−硫黄電池、リチウム金属電池または全固体電池の中で選択された１種であることを特徴とする、請求項５に記載のリチウム二次電池。