JPWO2019146292A1 - 正極材料およびそれを用いた電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1固体電解質材料は、Li、M、およびXを含み、かつ、硫黄を含まず、
Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群から選択される少なくとも1つを表し、
Xは、ClとBrとのうちの少なくとも一方と、Iと、を表し、
前記正極活物質は、リン酸鉄リチウムを含む。
実施の形態1における正極材料は、正極活物質と第1固体電解質材料とを含む。
LiαMβXγ ・・・式(1)
ここで、α、β、およびγは、それぞれ独立して、0より大きい値である。
(i)周期表1族から12族中に含まれるすべての元素(ただし、水素を除く)、および
(ii)周期表13族から16族に含まれるすべての元素(ただし、B、Si、Ge、As、Sb、Te、C、N、P、O、S、およびSeを除く)
を含む。すなわち、ハロゲン化合物と無機化合物を形成した際に、カチオンとなりうる元素群である。
Li6−3dYdX6・・・式(B1)
ここで、組成式(B1)においては、Xは、ClとBrとのうちの少なくとも一方と、Iと、を含む。
Li3YX6・・・式(B2)
ここで、組成式(B2)においては、Xは、ClとBrとのうちの少なくとも一方と、Iと、を含む。すなわち、B1において、d=1であってもよい。
Li3−3δ+aY1+δ−aMeaCl6−x−yBrxIy ・・・式(B3)
ここで、組成式(B3)においては、Meは、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<2、
0<a<3、
0<(3−3δ+a)、
0<(1+δ−a)、
0≦x<6、
0<y≦6、および
(x+y)<6、
が満たされる。
Li3−3δY1+δ−aMeaCl6−x−yBrxIy ・・・式(B4)
ここで、組成式(B4)においては、Meは、Al、Sc、Ga、およびBiからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<2、
0<(1+δ−a)、
0≦x<6、
0<y≦6、および
(x+y)<6、
が満たされる。
Li3−3δ−aY1+δ−aMeaCl6−x−yBrxIy ・・・式(B5)
ここで、組成式(B5)においては、Meは、Zr、Hf、およびTiからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<1.5、
0<(3−3δ−a)、
0<(1+δ−a)、
0≦x<6、
0<y≦6、および
(x+y)<6、
が満たされる。
Li3−3δ−2aY1+δ−aMeaCl6−x−yBrxIy ・・・式(B6)
ここで、組成式(B6)においては、Meは、Ta、およびNbからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<1.2、
0<(3−3δ−2a)、
0<(1+δ−a)、
0≦x<6、
0<y≦6、および
(x+y)<6、
が満たされる。
実施の形態1における第1固体電解質材料は、例えば、下記の方法により、製造されうる。
以下、実施の形態2が説明される。上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
Liα’M’β’X’γ’ ・・・式(2)
ここで、α’、β’、およびγ’は、それぞれ独立して、0より大きい値である。
Li6−3dYdX6・・・式(A1)
ここで、組成式(A1)においては、Xは、ClおよびBrからなる群から選択される少なくとも1つである。また、組成式(A1)においては、0<d<2、を満たす。
Li3YX6・・・式(A2)
ここで、組成式(A2)においては、Xは、ClおよびBrからなる群から選択される少なくとも1つである。
Li3−3δY1+δCl6・・・式(A3)
ここで、組成式(A3)においては、0<δ≦0.15が満たされる。
Li3−3δY1+δBr6・・・式(A4)
ここで、組成式(A4)においては、0<δ≦0.25が満たされる。
Li3−3δ+aY1+δ−aMeaCl6−xBrx ・・・式(A5)
ここで、組成式(A5)においては、Meは、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<2、
0<a<3、
0<(3−3δ+a)、
0<(1+δ−a)、および
0≦x≦6、
が満たされる。
Li3−3δY1+δ−aMeaCl6−xBrx ・・・式(A6)
ここで、組成式(A6)においては、Meは、Al、Sc、Ga、およびBiからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<2、
0<(1+δ−a)、および
0≦x≦6、
が満たされる。
Li3−3δ−aY1+δ−aMeaCl6−xBrx ・・・式(A7)
ここで、組成式(A7)においては、Meは、Zr、Hf、およびTiからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<1.5、
0<(3−3δ−a)、
0<(1+δ−a)、および
0≦x≦6、
が満たされる。
Li3−3δ−2aY1+δ−aMeaCl6−xBrx ・・・式(A8)
ここで、組成式(A8)においては、Meは、TaおよびNbからなる群より選択される少なくとも1つである。
−1<δ<1、
0<a<1.2、
0<(3−3δ−2a)、
0<(1+δ−a)、および
0≦x≦6、
が満たされる。
LiTi2(PO4)3およびその元素置換体を代表とするNASICON型固体電解質、
(LaLi)TiO3系のペロブスカイト型固体電解質、
Li14ZnGe4O16、Li4SiO4、LiGeO4およびその元素置換体を代表とするLISICON型固体電解質、
Li7La3Zr2O12およびその元素置換体を代表とするガーネット型固体電解質、
Li3NおよびそのH置換体、
Li3PO4およびそのN置換体、
LiBO2、Li3BO3などのLi−B−O化合物をベースとして、Li2SO4、Li2CO3などが添加されたガラス、
ガラスセラミックス
などが用いられうる。
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド
イミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、など、が挙げられる。
また、結着剤としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、およびヘキサジエンからなる群より選択された2種以上の材料の共重合体が用いられうる。
2種類以上の結着剤が用いられ得る。
天然黒鉛または人造黒鉛のグラファイト類、
アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類、
炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維類、
フッ化カーボン、
アルミニウムなどの金属粉末類、
酸化亜鉛またはチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、
酸化チタンなどの導電性金属酸化物、
ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物、など、が用いられうる。
炭素導電助剤を用いた場合、低コスト化を図ることができる。
以下、実施例および比較例を用いて、本開示の詳細が説明される。
[第1固体電解質材料の作製]
露点−60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉LiClとYCl3とYBr3とLiIとを、モル比でLiCl:YCl3:YBr3:LiI=6:2:1:3となるように用意した。その後、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P−7型)を用い、25時間、600rpmでミリング処理することで、第1固体電解質材料Li3YBrCl4Iの粉末を得た。
アルゴングローブボックス内で、実施例1の第1固体電解質材料と、正極活物質LiFePO4を、80:20の重量比率で用意した。これらをメノウ乳鉢で混合することで、実施例1の正極材料を作製した。
[第1固体電解質材料の作製]
露点−60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉LiBrとLiClとLiIとYCl3とYBr3とを、モル比でLiBr:LiCl:LiI:YCl3:YBr3=1:1:4:1:1となるように、用意した。その後、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P−7型)を用い、25時間、600rpmでミリング処理することで、第1固体電解質材料Li3YBr2Cl2I2の粉末を得た。
上述の実施例2の方法と同様に実施し、実施例3の正極材料を得た。
上述の実施例2の方法と同様に実施し、実施例4の正極材料を得た。
正極活物質として、Li(NiCoMn)O2を用いた。
露点−60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉LiClとYCl3とを、モル比でLiCl:YCl3=2.7:1.1となるように用意した。その後、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P−5型)を用い、25時間、600rpmでミリング処理することで、第2固体電解質材料Li2.7Y1.1Cl6の粉末を得た。
露点−60℃以下のAr雰囲気のアルゴングローブボックス内で、Li2SとP2S5とを、モル比でLi2S:P2S5=75:25となるように、用意した。これらを乳鉢で粉砕して混合した。その後、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P−7型)を用い、10時間、510rpmでミリング処理することで、ガラス状の固体電解質を得た。ガラス状の固体電解質について、不活性雰囲気中で、270度で、2時間熱処理した。これにより、ガラスセラミックス状の固体電解質Li2S−P2S5を得た。
上述の実施例1と2および比較例1の正極材料、およびガラスセラミックス状の固体電解質Li2S−P2S5それぞれを用いて、下記の方法で、それぞれ、実施例1、実施例2、および比較例1の電池を作製した。
上述の実施例3の正極材料およびハロゲン化物固体電解質Li3YBr2Cl2I2を用いて、下記の方法で、実施例3の電池を作製した。
上述の実施例4の正極材料およびハロゲン化物固体電解質Li2.7Y1.1Cl6を用いて、下記の方法で、実施例4の電池を作製した。
上述の実施例1〜3の電池をそれぞれ用いて、以下の充放電試験が実施された。
上述の実施例4の電池を用いて、以下の条件で、充放電試験が実施された。
上述の比較例1の電池を用いて、以下の条件で、充放電試験が実施された。
表1に示す実施例2、比較例1の結果から、第1固体電解質材料と正極活物質LiFePO4とを含む正極材料を用いることで、電池の充放電効率が向上することが確認された。
100 第1固体電解質粒子
110 正極活物質粒子
2000 電池
201 正極
202 電解質層
203 負極
Claims (9)
- 正極活物質と第1固体電解質材料とを含み、
前記第1固体電解質材料は、Li、M、およびXを含み、かつ、硫黄を含まず、
Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群から選択される少なくとも1つを表し、
Xは、ClおよびBrからなる群から選択される少なくとも1つと、Iと、を表し、
前記正極活物質は、リン酸鉄リチウムを含む、
正極材料。 - 前記第1固体電解質材料は、下記の組成式(1)により表され、
LiαMβXγ ・・・式(1)
ここで、α、β、およびγは、それぞれ独立して、いずれも0より大きい値である、
請求項1に記載の正極材料。 - 前記Mは、イットリウムを含む、
請求項1または2に記載の正極材料。 - 前記第1固体電解質材料は、
Li3YBrCl4I、または、
Li3YBr2Cl2I2、
である、
請求項3に記載の正極材料。 - 請求項1から4のいずれかに記載の正極材料を含む正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられる電解質層と、
を備える、
電池。 - 前記電解質層は、硫化物固体電解質を含む、
請求項5に記載の電池。 - 前記電解質層は、第2固体電解質材料を含み、
前記第2固体電解質材料は、下記の組成式(2)により表され、
Liα’M’β’X’γ’ ・・・式(2)
ここで、α’、β’、およびγ’は、それぞれ独立して、0より大きい値であり、
M’は、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群から選択される少なくとも1つを含み、
X’は、ClおよびBrからなる群から選択される少なくとも1つを含み、
請求項5または6に記載の電池。 - 前記M’は、イットリウムを含む、
請求項7に記載の電池。 - 前記第2固体電解質材料は、Li2.7Y1.1Cl6、である、
請求項8に記載の電池。
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