JP7502524B2 - Sulfide-based inorganic solid electrolyte material, solid electrolyte, solid electrolyte membrane and lithium-ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、硫化物系無機固体電解質材料、固体電解質、固体電解質膜およびリチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a sulfide-based inorganic solid electrolyte material, a solid electrolyte, a solid electrolyte membrane, and a lithium-ion battery.
リチウムイオン電池は、一般的に、携帯電話やノートパソコン等の小型携帯機器の電源として使用されている。また、最近では小型携帯機器以外に、電気自動車や電力貯蔵等の電源としてもリチウムイオン電池は使用され始めている。 Lithium-ion batteries are commonly used as power sources for small portable devices such as mobile phones and laptops. Recently, lithium-ion batteries have also begun to be used as power sources for electric vehicles and power storage, in addition to small portable devices.
現在市販されているリチウムイオン電池には、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されている。一方、電解液を固体電解質に変えて、電池を全固体化したリチウムイオン電池(以下、全固体型リチウムイオン電池とも呼ぶ。)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。 Currently commercially available lithium-ion batteries use electrolytes that contain flammable organic solvents. On the other hand, lithium-ion batteries that use a solid electrolyte to create an all-solid-state battery (hereafter referred to as all-solid-state lithium-ion batteries) do not use flammable organic solvents in the battery, which allows for simplified safety devices and is thought to have superior manufacturing costs and productivity.
このような固体電解質に用いられる固体電解質材料としては、例えば、硫化物系無機固体電解質材料が知られている。 For example, sulfide-based inorganic solid electrolyte materials are known as solid electrolyte materials used for such solid electrolytes.
特許文献1(特開2016-27545号公報)には、CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.86°±1.00°の位置にピークを有し、Li2y+3PS4(0.1≦y≦0.175)の組成を有することを特徴とする硫化物系固体電解質材料が記載されている。 Patent Document 1 (JP 2016-27545 A) describes a sulfide-based solid electrolyte material that has a peak at 2θ=29.86°±1.00° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation and has a composition of Li 2y+3 PS 4 (0.1≦y≦0.175).
ところが、硫化物系無機固体電解質材料は、電気化学安定性およびリチウムイオン伝導性に優れているものの、電解液に比べたらリチウムイオン伝導性はまだまだ低く、固体電解質材料としては十分に満足するものではなかった。
以上から、リチウムイオン電池に利用される硫化物系無機固体電解質材料は電気化学安定性を有しつつ、リチウムイオン伝導性のさらなる向上が求められている。
However, although sulfide-based inorganic solid electrolyte materials have excellent electrochemical stability and lithium ion conductivity, their lithium ion conductivity is still low compared to that of electrolyte solutions, and they are not fully satisfactory as solid electrolyte materials.
For these reasons, there is a demand for sulfide-based inorganic solid electrolyte materials used in lithium-ion batteries to have electrochemical stability while also exhibiting improved lithium ion conductivity.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電気化学的安定性およびリチウムイオン伝導性のバランスに優れる硫化物系無機固体電解質材料を提供するものである。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and provides a sulfide-based inorganic solid electrolyte material that has an excellent balance between electrochemical stability and lithium ion conductivity.
本発明者らは、電気化学的安定性およびリチウムイオン伝導性のバランスに優れる硫化物系無機固体電解質材料を提供するため、硫化物系無機固体電解質材料のX線回折プロファイル等について鋭意検討した。その結果、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて、回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する硫化物系無機固体電解質材料が電気化学的安定性およびリチウムイオン伝導性のバランスに優れることを見出し、本発明に至った。 In order to provide a sulfide-based inorganic solid electrolyte material that has an excellent balance between electrochemical stability and lithium ion conductivity, the present inventors have conducted extensive research into the X-ray diffraction profile of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material. As a result, they have found that a sulfide-based inorganic solid electrolyte material that has diffraction peaks at diffraction angles 2θ = 17.2 ± 0.5°, 2θ = 25.6 ± 0.5°, 2θ = 26.6 ± 0.4°, and 2θ = 29.2 ± 0.8° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source has an excellent balance between electrochemical stability and lithium ion conductivity, and have arrived at the present invention.
すなわち、本発明によれば、
リチウムイオン伝導性を有する硫化物系無機固体電解質材料であって、
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する硫化物系無機固体電解質材料が提供される。
That is, according to the present invention,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having lithium ion conductivity,
There is provided a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having diffraction peaks at diffraction angles 2θ=17.2±0.5°, 2θ=25.6±0.5°, 2θ=26.6±0.4°, and 2θ=29.2±0.8° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source.
また、本発明によれば、
リチウムイオン伝導性を有する硫化物系無機固体電解質材料であって、
270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する硫化物系無機固体電解質材料が提供される。
Further, according to the present invention,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having lithium ion conductivity,
After heat treatment at 270°C for 2 hours, a sulfide-based inorganic solid electrolyte material is provided which has diffraction peaks at diffraction angles 2θ=17.2±0.5°, 2θ=25.6±0.5°, 2θ=26.6±0.4°, and 2θ=29.2±0.8° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source.
さらに、本発明によれば、
上記硫化物系無機固体電解質材料を含む固体電解質が提供される。
Further, according to the present invention,
A solid electrolyte is provided that includes the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
さらに、本発明によれば、
上記固体電解質を主成分として含む固体電解質膜が提供される。
Further, according to the present invention,
There is provided a solid electrolyte membrane containing the above solid electrolyte as a main component.
さらに、本発明によれば、
正極活物質層を含む正極と、電解質層と、負極活物質層を含む負極とを備えたリチウムイオン電池であって、
上記正極活物質層、上記電解質層および上記負極活物質層のうち少なくとも一つが、上記硫化物系無機固体電解質材料を含むリチウムイオン電池が提供される。
Further, according to the present invention,
A lithium ion battery comprising a positive electrode including a positive electrode active material layer, an electrolyte layer, and a negative electrode including a negative electrode active material layer,
There is provided a lithium ion battery in which at least one of the positive electrode active material layer, the electrolyte layer, and the negative electrode active material layer contains the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
本発明によれば、電気化学的安定性およびリチウムイオン伝導性のバランスに優れる硫化物系無機固体電解質材料を提供することができる。 The present invention provides a sulfide-based inorganic solid electrolyte material that has an excellent balance between electrochemical stability and lithium ion conductivity.
以下に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には共通の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは一致していない。数値範囲の「A~B」は特に断りがなければ、A以上B以下を表す。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In all drawings, similar components are given the same reference numerals and their explanation will be omitted as appropriate. The drawings are schematic and do not correspond to the actual dimensional ratios. The numerical range "A to B" indicates A or more and B or less unless otherwise specified.
[硫化物系無機固体電解質材料]
はじめに、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料について説明する。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性を有する硫化物系無機固体電解質材料であって、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する構成であってもよい。この場合は、回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有するように、硫化物系無機固体電解質材料を加熱処理してから硫化物系無機固体電解質材料を使用することが好ましい。
[Sulfide-based inorganic solid electrolyte material]
First, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment will be described.
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having lithium ion conductivity, and has diffraction peaks at diffraction angles 2θ=17.2±0.5°, 2θ=25.6±0.5°, 2θ=26.6±0.4°, and 2θ=29.2±0.8° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source.
In addition, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may have a diffraction peak at the diffraction angle 2θ = 17.2 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 25.6 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 26.6 ± 0.4 °, and the diffraction angle 2θ = 29.2 ± 0.8 ° in the spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source after heat treatment at 270 ° C. In this case, it is preferable to use the sulfide-based inorganic solid electrolyte material after heat treatment so that the diffraction peaks are at the diffraction angle 2θ = 17.2 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 25.6 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 26.6 ± 0.4 °, and the diffraction angle 2θ = 29.2 ± 0.8 ° positions.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有することにより、電気化学安定性を良好に維持しつつ、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。
この理由については必ずしも明らかではないが、以下の理由が推察される。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、Li3PS4等の従来の代表的な硫化物系無機固体電解質材料とは大きく異なるX線回折プロファイルを示している(Li3PS4のXRDデーターベースであるJCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)カードのNO.01-076-0973参照)。
そのため、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、従来の硫化物系無機固体電解質材料とは異なる新規な構造を有していると考えられる。このような新規な構造はリチウムイオンがより容易にホッピングするような構造であると考えられる。そのため、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオンの拡散性に優れており、その結果、従来の代表的な硫化物系無機固体電解質材料よりも高いイオン伝導度を発現したと考えられる。
したがって、回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有することは、従来の代表的な硫化物系無機固体電解質材料とは異なる新規な構造が形成されていることを表していると考えられる。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の上記X線回折プロファイルは、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を調整することや、原料である無機組成物をガラス化する工程において、水分や酸素と無機組成物との接触を従来よりも高いレベルで防ぐこと、220℃以上の高温で加熱処理すること等により実現することが可能である。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment has diffraction peaks at diffraction angles 2θ=17.2±0.5°, 2θ=25.6±0.5°, 2θ=26.6±0.4°, and 2θ=29.2±0.8°, thereby enabling the lithium ion conductivity to be improved while maintaining good electrochemical stability.
The reason for this is not entirely clear, but the following reasons are presumed.
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment exhibits an X-ray diffraction profile that is significantly different from that of conventional representative sulfide-based inorganic solid electrolyte materials such as Li3PS4 (see NO. 01-076-0973 of the JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) card, which is the XRD database for Li3PS4 ).
Therefore, it is considered that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment has a new structure different from conventional sulfide-based inorganic solid electrolyte materials. Such a new structure is considered to be a structure in which lithium ions hop more easily. Therefore, it is considered that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment has excellent lithium ion diffusibility, and as a result, it has a higher ionic conductivity than conventional representative sulfide-based inorganic solid electrolyte materials.
Therefore, the presence of diffraction peaks at diffraction angles 2θ=17.2±0.5°, 2θ=25.6±0.5°, 2θ=26.6±0.4°, and 2θ=29.2±0.8° is considered to indicate the formation of a novel structure that differs from conventional representative sulfide-based inorganic solid electrolyte materials.
The above-mentioned X-ray diffraction profile of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be realized by adjusting the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, by preventing contact of moisture and oxygen with the inorganic composition to a higher level than in the past in the process of vitrifying the inorganic composition as a raw material, by performing a heat treatment at a high temperature of 220°C or higher, and the like.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度をバックグラウンド強度IAとし、回折角2θ=17.2±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIBとしたとき、IB/IAの値が好ましくは2.0以上、より好ましくは3.5以上、さらに好ましくは5.0以上、特に好ましくは6.0以上である。
IB/IAの値を上記下限値以上とすることにより、リチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、IB/IAの値の上限値は特に限定されないが、例えば30.0以下、好ましくは20.0以下、さらに好ましくは15.0以下、特に好ましくは13.0以下である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、270℃で2時間熱処理をした後に、上記IB/IAの値が上記範囲内となる構成であってもよい。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の上記IB/IAの値は、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を調整することや、原料である無機組成物をガラス化する工程において、水分や酸素と無機組成物との接触を従来よりも高いレベルで防ぐこと、220℃以上の高温で加熱処理すること等により実現することが可能である。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as background intensity I A and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak present at a diffraction angle 2θ=17.2±0.5° is defined as I B , the value of I B /I A is preferably 2.0 or more, more preferably 3.5 or more, even more preferably 5.0 or more, and particularly preferably 6.0 or more.
By setting the value of I B /I A to be equal to or greater than the above lower limit, the lithium ion conductivity can be further improved.
In addition, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the upper limit of the I B /I A value is not particularly limited, but is, for example, 30.0 or less, preferably 20.0 or less, more preferably 15.0 or less, and particularly preferably 13.0 or less.
Moreover, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may have a configuration in which the I B /I A value falls within the above range after heat treatment at 270° C. for 2 hours.
The above-mentioned I B /I A value of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be realized by adjusting the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, by preventing contact of moisture and oxygen with the inorganic composition to a higher level than in the past in the process of vitrifying the inorganic composition as a raw material, by performing a heat treatment at a high temperature of 220° C. or more, and the like.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度をバックグラウンド強度IAとし、回折角2θ=25.6±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をICとしたとき、IC/IAの値が好ましくは2.0以上、より好ましくは2.5以上、さらに好ましくは3.0以上である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、IC/IAの値の上限値は特に限定されないが、例えば20.0以下、好ましくは15.0以下、さらに好ましくは10.0以下、特に好ましくは8.0以下である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、270℃で2時間熱処理をした後に、上記IC/IAの値が上記範囲内となる構成であってもよい。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の上記IC/IAの値は、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を調整すること等により実現することが可能である。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as background intensity I A and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ=25.6±0.5° is defined as I C , the value of I C /I A is preferably 2.0 or more, more preferably 2.5 or more, and even more preferably 3.0 or more.
In addition, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the upper limit of the I C /I A value is not particularly limited, but is, for example, 20.0 or less, preferably 15.0 or less, more preferably 10.0 or less, and particularly preferably 8.0 or less.
Moreover, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may have a configuration in which the above-mentioned I C /I A value falls within the above-mentioned range after heat treatment at 270° C. for 2 hours.
The above-mentioned I C /I A value of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be realized by adjusting the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, or the like.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度をバックグラウンド強度IAとし、回折角2θ=26.6±0.4°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIDとしたとき、ID/IAの値が好ましくは2.2以上、より好ましくは2.5以上、さらに好ましくは3.0以上、特に好ましくは3.5以上である。
ID/IAの値を上記下限値以上とすることにより、リチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、ID/IAの値の上限値は特に限定されないが、例えば15.0以下、好ましくは10.0以下、さらに好ましくは8.0以下、さらにより好ましくは6.5以下、特に好ましくは5.0以下である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、270℃で2時間熱処理をした後に、上記ID/IAの値が上記範囲内となる構成であってもよい。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の上記ID/IAの値は、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を調整すること等により実現することが可能である。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as background intensity I A and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ=26.6±0.4° is defined as I D , the value of I D /I A is preferably 2.2 or more, more preferably 2.5 or more, even more preferably 3.0 or more, and particularly preferably 3.5 or more.
By setting the value of I D /I A to be equal to or greater than the above lower limit, the lithium ion conductivity can be further improved.
In addition, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the upper limit of the I / I ratio is not particularly limited, but is, for example, 15.0 or less, preferably 10.0 or less, more preferably 8.0 or less, even more preferably 6.5 or less, and particularly preferably 5.0 or less.
Moreover, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may have a configuration in which the above-mentioned I D /I A value falls within the above-mentioned range after heat treatment at 270° C. for 2 hours.
The above-mentioned I D /I A value of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be realized by adjusting the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, or the like.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度をバックグラウンド強度IAとし、回折角2θ=29.2±0.8°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIEとしたとき、IE/IAの値が好ましくは2.0以上、より好ましくは3.0以上、さらに好ましくは4.0以上、特に好ましくは5.0以上である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、IE/IAの値の上限値は特に限定されないが、例えば30.0以下、好ましくは15.0以下、さらに好ましくは13.0以下、特に好ましくは10.5以下である。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、270℃で2時間熱処理をした後に、上記IE/IAの値が上記範囲内となる構成であってもよい。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の上記IE/IAの値は、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を調整すること等により実現することが可能である。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as background intensity I A and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak present at a diffraction angle 2θ=29.2±0.8° is defined as I E , the value of I E /I A is preferably 2.0 or more, more preferably 3.0 or more, even more preferably 4.0 or more, and particularly preferably 5.0 or more.
In addition, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the upper limit of the value of I E /I A is not particularly limited, but is, for example, 30.0 or less, preferably 15.0 or less, more preferably 13.0 or less, and particularly preferably 10.5 or less.
Moreover, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may have a configuration in which the value of I E /I A falls within the above range after heat treatment at 270° C. for 2 hours.
The above-mentioned I E /I A value of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be realized by adjusting the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、電気化学的安定性、水分や空気中での安定性および取り扱い性等をより一層向上させる観点から、構成元素としてLi、PおよびSを含むことが好ましい。
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性、電気化学的安定性、水分や空気中での安定性および取り扱い性等をより一層向上させる観点から、当該硫化物系無機固体電解質材料中の上記Pの含有量に対する上記Liの含有量のモル比Li/Pが好ましくは1.0以上5.0以下であり、より好ましくは2.0以上4.5以下であり、さらに好ましくは3.0以上4.2以下であり、さらにより好ましくは3.1以上4.0以下であり、さらにより好ましくは3.2以上3.9以下であり、特に好ましくは3.3以上3.8以下であり、そして上記Pの含有量に対する上記Sの含有量のモル比S/Pが、好ましくは2.0以上6.0以下であり、より好ましくは3.0以上5.0以下であり、さらに好ましくは3.5以上4.5以下であり、特に好ましくは3.8以上4.2以下である。
ここで、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料中のLi、PおよびSの含有量は、例えば、ICP発光分光分析やX線分析により求めることができる。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment preferably contains Li, P and S as constituent elements from the viewpoint of further improving electrochemical stability, stability in moisture and air, ease of handling, and the like.
In addition, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, from the viewpoint of further improving lithium ion conductivity, electrochemical stability, stability in moisture and air, and ease of handling, the molar ratio Li/P of the Li content to the P content in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is preferably 1.0 or more and 5.0 or less, more preferably 2.0 or more and 4.5 or less, even more preferably 3.0 or more and 4.2 or less, even more preferably 3.1 or more and 4.0 or less, even more preferably 3.2 or more and 3.9 or less, and particularly preferably 3.3 or more and 3.8 or less, and the molar ratio S/P of the S content to the P content is preferably 2.0 or more and 6.0 or less, more preferably 3.0 or more and 5.0 or less, even more preferably 3.5 or more and 4.5 or less, and particularly preferably 3.8 or more and 4.2 or less.
Here, the contents of Li, P and S in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be determined by, for example, ICP emission spectrometry or X-ray analysis.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、27.0℃、印加電圧10mV、測定周波数域0.1Hz~7MHzの測定条件における交流インピーダンス法による硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度は、好ましくは0.90×10-3S・cm-1以上、より好ましくは1.1×10-3S・cm-1以上、さらに好ましくは1.3×10-3S・cm-1以上である。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度が上記下限値以上であると、電池特性により一層優れたリチウムイオン電池を得ることができる。さらに、このような硫化物系無機固体電解質材料を用いると、入出力特性により一層優れたリチウムイオン電池を得ることができる。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material measured by an AC impedance method under the measurement conditions of 27.0° C., an applied voltage of 10 mV, and a measurement frequency range of 0.1 Hz to 7 MHz is preferably 0.90×10 −3 S·cm −1 or more, more preferably 1.1×10 −3 S·cm −1 or more, and even more preferably 1.3×10 −3 S·cm −1 or more.
When the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment is equal to or higher than the lower limit, a lithium ion battery with better battery characteristics can be obtained. Furthermore, when such a sulfide-based inorganic solid electrolyte material is used, a lithium ion battery with better input/output characteristics can be obtained.
本実施形態に係る硫化物系無機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。
本実施形態に係る粒子状の硫化物系無機固体電解質材料は特に限定されないが、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径d50が、好ましくは1μm以上100μm以下であり、より好ましくは3μm以上80μm以下、さらに好ましくは5μm以上60μm以下である。
硫化物系無機固体電解質材料の平均粒子径d50を上記範囲内とすることにより、良好なハンドリング性を維持すると共にリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may be in the form of particles, for example.
The particulate sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is not particularly limited, but the average particle diameter d50 in the weight-based particle size distribution measured by a laser diffraction scattering particle size distribution measurement method is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, more preferably 3 μm or more and 80 μm or less, and even more preferably 5 μm or more and 60 μm or less.
By setting the average particle diameter d50 of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material within the above range, it is possible to maintain good handling properties and further improve the lithium ion conductivity.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は電気化学的安定性に優れている。ここで、電気化学的安定性とは、例えば、広い電圧範囲で酸化還元されにくい性質をいう。より具体的には、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、温度25℃、掃引電圧範囲0~5V、電圧掃引速度5mV/秒の条件で測定される硫化物系無機固体電解質材料の酸化分解電流の最大値が0.50μA以下であることが好ましく、0.20μA以下であることがより好ましく、0.10μA以下であることがさらに好ましく、0.05μA以下であることがさらにより好ましく、0.03μA以下であることが特に好ましい。
硫化物系無機固体電解質材料の酸化分解電流の最大値が上記上限値以下であると、リチウムイオン電池内での硫化物系無機固体電解質材料の酸化分解を抑制することができるため好ましい。
硫化物系無機固体電解質材料の酸化分解電流の最大値の下限値は特に限定されないが、例えば、0.0001μA以上である。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment has excellent electrochemical stability. Here, electrochemical stability refers to, for example, the property of being difficult to be oxidized and reduced over a wide voltage range. More specifically, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the maximum value of the oxidative decomposition current of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material measured under conditions of a temperature of 25° C., a sweep voltage range of 0 to 5 V, and a voltage sweep rate of 5 mV/sec is preferably 0.50 μA or less, more preferably 0.20 μA or less, even more preferably 0.10 μA or less, even more preferably 0.05 μA or less, and particularly preferably 0.03 μA or less.
It is preferable that the maximum value of the oxidative decomposition current of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is equal to or less than the above upper limit value, since the oxidative decomposition of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in the lithium ion battery can be suppressed.
The lower limit of the maximum value of the oxidative decomposition current of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is not particularly limited, but is, for example, 0.0001 μA or more.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウム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、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオン電池に用いられることが好ましい。より具体的には、リチウムイオン電池における正極活物質層、負極活物質層、電解質層等に使用される。さらに、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、全固体型リチウムイオン電池を構成する正極活物質層、負極活物質層、固体電解質層等に好適に用いられ、全固体型リチウムイオン電池を構成する固体電解質層に特に好適に用いられる。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を適用した全固体型リチウムイオン電池の例としては、正極と、固体電解質層と、負極とがこの順番に積層されたものが挙げられる。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be used in any application requiring lithium ion conductivity. In particular, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is preferably used in a lithium ion battery. More specifically, it is used in a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, an electrolyte layer, etc. in a lithium ion battery. Furthermore, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is preferably used in a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, etc. constituting an all-solid-state lithium ion battery, and is particularly preferably used in a solid electrolyte layer constituting an all-solid-state lithium ion battery.
An example of an all-solid-state lithium ion battery using the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is one in which a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order.
[硫化物系無機固体電解質材料の製造方法]
次に、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法について説明する。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法は、従来の硫化物系無機固体電解質材料の製造方法とは異なるものである。すなわち、線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて、回折角2θ=17.2±0.5°の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有する硫化物系無機固体電解質材料は、(1)硫化物系無機固体電解質材料の組成比率を高度に制御することや、(2)原料である無機組成物をガラス化する工程において、水分や酸素と無機組成物との接触を従来よりも高いレベルで防ぐこと、(3)220℃以上の高温で加熱処理すること、等の製法上の工夫点を採用することによって初めて得ることができる。
ここで、上記(3)の工程をおこなうと、硫化物系無機固体電解質材料の成膜性が低下する場合があるため、上記(3)の工程は、固体電解質膜を形成してからおこなってもよい。すなわち、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料には、上記(3)の工程を行う前の状態の硫化物系無機固体電解質材料も含まれる。
ただし、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、上記3つの製法上の工夫点を採用することを前提に、例えば、各種原料の混合条件等の具体的な製造条件は種々のものを採用することができる。
以下、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法をより具体的に説明する。
[Method of producing sulfide-based inorganic solid electrolyte material]
Next, a method for producing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment will be described.
The method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is different from the conventional method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material. That is, in the spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material having diffraction peaks at the diffraction angle 2θ = 17.2 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 25.6 ± 0.5 °, the diffraction angle 2θ = 26.6 ± 0.4 ° and the diffraction angle 2θ = 29.2 ± 0.8 ° can be obtained only by adopting the following manufacturing ingenuity: (1) highly controlling the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, (2) preventing the contact of moisture and oxygen with the inorganic composition at a higher level than before in the process of vitrifying the inorganic composition as the raw material, and (3) performing a heat treatment at a high temperature of 220 ° C. or higher.
Here, since the above-mentioned step (3) may cause a decrease in the film-forming property of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, the above-mentioned step (3) may be performed after the solid electrolyte membrane is formed. That is, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment also includes the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in the state before the above-mentioned step (3) is performed.
However, for the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, various specific manufacturing conditions such as mixing conditions of various raw materials can be adopted, on the premise that the above-mentioned three manufacturing method ingenuity is adopted.
Hereinafter, the method for producing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment will be described in more detail.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、例えば、以下の工程(A)、(B)および(C)を含む製造方法により得ることができる。また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法は、必要に応じて、以下の工程(D)をさらに含んでもよい。
工程(A):原料である2種以上の無機化合物を含む原料無機組成物を準備する工程
工程(B):水分および酸素の存在量および流入を従来よりも高いレベルで抑制した雰囲気下で、原料無機組成物を機械的処理することにより、原料である無機化合物同士を化学反応させながらガラス化して、ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を得る工程
工程(C)得られたガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を加熱し、少なくとも一部を結晶化する工程
工程(D):得られた硫化物系無機固体電解質材料を粉砕、分級、または造粒する工程
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be obtained, for example, by a production method including the following steps (A), (B) and (C). In addition, the production method of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may further include the following step (D) as necessary.
Step (A): A step of preparing a raw inorganic composition containing two or more kinds of raw inorganic compounds. Step (B): A step of mechanically treating the raw inorganic composition under an atmosphere in which the amount and inflow of moisture and oxygen are suppressed to a higher level than before, thereby vitrifying the raw inorganic compounds while causing a chemical reaction between each other, thereby obtaining a sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state. Step (C): A step of heating the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state to crystallize at least a portion of it. Step (D): A step of pulverizing, classifying, or granulating the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法によれば、従来の製造方法に比べて、ガラス化工程における、雰囲気中の水分および酸素の存在量や、雰囲気への水分および酸素の流入を従来よりも高いレベルで抑制している。そのため、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法によれば、硫化物系無機固体電解質材料の製造時に取り込まれる酸素や水分を高いレベルで抑制することができ、その結果、従来とは異なる新規な構造を有する硫化物系無機固体電解質材料を実現できていると考えられる。 According to the method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material of this embodiment, the amount of moisture and oxygen in the atmosphere and the inflow of moisture and oxygen into the atmosphere during the vitrification process are suppressed to a higher level than in conventional production methods. Therefore, according to the method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material of this embodiment, it is possible to highly suppress the oxygen and moisture taken in during the production of a sulfide-based inorganic solid electrolyte material, and as a result, it is believed that a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a novel structure different from conventional structures has been realized.
(原料無機組成物を準備する工程(A))
はじめに、原料である硫化リチウム、硫化リン、窒化リチウム等の2種以上の無機化合物を特定の割合で含む原料無機組成物を準備する。ここで、原料無機組成物中の各原料の混合比は、得られる硫化物系無機固体電解質材料が所望の組成比になるように調整する。
各原料を混合する方法としては各原料を均一に混合できる混合方法であれば特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、打撃粉砕装置、ミキサー(パグミキサー、リボンミキサー、タンブラーミキサー、ドラムミキサー、V型混合器等)、ニーダー、2軸ニーダー、気流粉砕機等を用いて混合することができる。
各原料を混合するときの攪拌速度や処理時間、温度、反応圧力、混合物に加えられる重力加速度等の混合条件は、混合物の処理量によって適宜決定することができる。
(Step (A) of Preparing Raw Inorganic Composition)
First, a raw material inorganic composition containing two or more inorganic compounds such as lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium nitride in a specific ratio is prepared. The mixing ratio of each raw material in the raw material inorganic composition is adjusted so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material to be obtained has a desired composition ratio.
The method for mixing the raw materials is not particularly limited as long as it can uniformly mix the raw materials. For example, the raw materials can be mixed using a ball mill, a bead mill, a vibration mill, an impact grinding device, a mixer (a pug mixer, a ribbon mixer, a tumbler mixer, a drum mixer, a V-type mixer, etc.), a kneader, a two-shaft kneader, an airflow grinder, etc.
The mixing conditions when mixing the raw materials, such as the stirring speed, processing time, temperature, reaction pressure, and gravitational acceleration applied to the mixture, can be appropriately determined depending on the processing amount of the mixture.
原料として用いる硫化リチウムとしては特に限定されず、市販されている硫化リチウムを使用してもよいし、例えば、水酸化リチウムと硫化水素との反応により得られる硫化リチウムを使用してもよい。高純度な硫化物系無機固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない硫化リチウムを使用することが好ましい。
ここで、本実施形態において、硫化リチウムには多硫化リチウムも含まれる。
The lithium sulfide used as the raw material is not particularly limited, and commercially available lithium sulfide may be used, or lithium sulfide obtained by reacting lithium hydroxide with hydrogen sulfide may be used. From the viewpoint of obtaining a high-purity sulfide-based inorganic solid electrolyte material and suppressing side reactions, it is preferable to use lithium sulfide with few impurities.
In this embodiment, lithium sulfide also includes lithium polysulfide.
原料として用いる硫化リンとしては特に限定されず、市販されている硫化リン(例えば、P2S5、P4S3、P4S7、P4S5等)を使用することができる。高純度な硫化物系無機固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない硫化リンを使用することが好ましい。また、硫化リンに代えて、相当するモル比の単体リン(P)および単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)および単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 The phosphorus sulfide used as the raw material is not particularly limited, and commercially available phosphorus sulfides (e.g., P2S5 , P4S3 , P4S7 , P4S5 , etc.) can be used. From the viewpoint of obtaining a high-purity sulfide -based inorganic solid electrolyte material and from the viewpoint of suppressing side reactions, it is preferable to use phosphorus sulfide with few impurities. In addition, instead of phosphorus sulfide, elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in the corresponding molar ratio can also be used. Elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) can be used without any particular limitation as long as they are industrially produced and sold.
原料としては窒化リチウムを用いてもよい。ここで、窒化リチウム中の窒素はN2として系内に排出されるため、原料である無機化合物として窒化リチウムを利用することで、構成元素としてLi、P、およびSを含む硫化物系無機固体電解質材料に対し、Li組成のみを増加させることが可能となる。
本実施形態に係る窒化リチウムとしては特に限定されず、市販されている窒化リチウム(例えば、Li3N等)を使用してもよいし、例えば、金属リチウム(例えば、Li箔)と窒素ガスとの反応により得られる窒化リチウムを使用してもよい。高純度な固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない窒化リチウムを使用することが好ましい。
Lithium nitride may be used as the raw material. Here, since the nitrogen in lithium nitride is discharged into the system as N2 , by using lithium nitride as the raw inorganic compound, it becomes possible to increase only the Li composition in a sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing Li, P, and S as constituent elements.
The lithium nitride according to the present embodiment is not particularly limited, and may be a commercially available lithium nitride (e.g., Li 3 N, etc.), or may be obtained by reacting metallic lithium (e.g., Li foil) with nitrogen gas. From the viewpoint of obtaining a high-purity solid electrolyte material and suppressing side reactions, it is preferable to use lithium nitride with a small amount of impurities.
(ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を得る工程(B))
つづいて、水分および酸素の存在量および流入を従来よりも高いレベルで抑制した雰囲気下で、原料無機組成物を機械的処理することにより、原料である無機化合物同士を化学反応させながらガラス化して、ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を得る。
(Step (B) of obtaining a sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glass state)
Next, the raw inorganic composition is mechanically treated in an atmosphere in which the presence and inflow of moisture and oxygen are suppressed to a higher level than in the past, thereby vitrifying the raw inorganic compounds while causing them to chemically react with each other, thereby obtaining a sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state.
ここで、機械的処理は、2種以上の無機化合物を機械的に衝突させることにより、化学反応させながらガラス化させることができるものであり、例えば、メカノケミカル処理等が挙げられる。ここで、メカノケミカル処理とは、対象の組成物にせん断力や衝突力のような機械的エネルギーを加えつつガラス化する方法である。
また、工程(B)において、メカノケミカル処理は、水分や酸素を高いレベルで除去した環境下を実現しやすい観点から、乾式メカノケミカル処理であることが好ましい。
メカノケミカル処理を用いると、各原料を微粒子状に粉砕しながら混合することができるため、各原料の接触面積を大きくすることができる。それにより、各原料の反応を促進することができるため、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料をより一層効率良く得ることができる。
Here, the mechanical treatment is a method of mechanically colliding two or more inorganic compounds to cause a chemical reaction and vitrification, such as mechanochemical treatment, etc. Here, the mechanochemical treatment is a method of vitrifying a target composition while applying mechanical energy such as a shear force or a collision force to the composition.
In the step (B), the mechanochemical treatment is preferably a dry mechanochemical treatment, from the viewpoint of easily realizing an environment in which moisture and oxygen are removed to a high level.
By using the mechanochemical treatment, the raw materials can be mixed while being pulverized into fine particles, so that the contact area of the raw materials can be increased, thereby accelerating the reaction of the raw materials, and the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment can be obtained more efficiently.
ここで、メカノケミカル処理とは、混合対象に、せん断力、衝突力または遠心力のような機械的エネルギーを加えつつガラス化する方法である。メカノケミカル処理によるガラス化をおこなう装置(以下、ガラス化装置と呼ぶ。)としては、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル、ロールミル等の粉砕・分散機;削岩機や振動ドリル、インパクトドライバ等で代表される回転(せん断応力)および打撃(圧縮応力)を組み合わせた機構からなる回転・打撃粉砕装置;高圧型グライディングロール;等が挙げられる。これらの中でも、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる観点から、ボールミルおよびビーズミルが好ましく、ボールミルが特に好ましい。また、連続生産性に優れている観点から、ロールミル;削岩機や振動ドリル、インパクトドライバ等で代表される回転(せん断応力)および打撃(圧縮応力)を組み合わせた機構からなる回転・打撃粉砕装置;高圧型グライディングロール;等が好ましい。 Here, mechanochemical processing is a method of vitrification while applying mechanical energy such as shear force, impact force, or centrifugal force to the mixture. Examples of devices for vitrification by mechanochemical processing (hereinafter referred to as vitrification devices) include crushing and dispersing machines such as ball mills, bead mills, vibration mills, turbo mills, mechanofusion, disk mills, and roll mills; rotary impact crushing devices consisting of a mechanism combining rotation (shear stress) and impact (compressive stress) as represented by rock drills, vibration drills, and impact drivers; high-pressure gliding rolls; and the like. Among these, ball mills and bead mills are preferred from the viewpoint of efficiently generating very high impact energy, and ball mills are particularly preferred. In addition, from the viewpoint of excellent continuous productivity, roll mills; rotary impact crushing devices consisting of a mechanism combining rotation (shear stress) and impact (compressive stress) as represented by rock drills, vibration drills, and impact drivers; high-pressure gliding rolls; and the like are preferred.
また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を得るためには、工程(B)は、水分および酸素の存在量および流入を従来よりも高いレベルで抑制した雰囲気下でおこなうことが重要である。これにより、原料無機組成物と、水分および酸素との接触を従来よりも高いレベルで抑制することができる。
ここで、水分および酸素の存在量および流入を従来よりも高いレベルで抑制した雰囲気は、例えば、以下の方法により作り出すことができる。
まず、グローブボックス内に混合容器およびガラス化装置用の密閉容器を配置し、次いで、グローブボックス内に対して、ガス精製装置を通じて得られた高純度のドライアルゴンガスやドライ窒素ガス等の不活性ガスの注入および真空脱気を複数回(3回以上が好ましい)おこなう。ここで、上記操作後のグローブボックス内は、高純度のドライアルゴンガスやドライ窒素ガス等の不活性ガスをガス精製装置を通じて循環させて、酸素濃度および水分濃度を好ましくは1.0ppm以下、より好ましくは0.8ppm以下、さらに好ましくは0.6ppm以下にそれぞれ調整する。
次いで、グローブボックス内の混合容器内に2種以上の無機化合物を投入し、次いで、混合することによって原料無機組成物を調製する(工程(A)を意味する)。ここで、グローブボックス内の混合容器内への2種以上の無機化合物の投入は、以下の手順でおこなう。はじめにグローブボックスの本体内部のドアを閉じた状態で、グローブボックスのサイドボックス内に2種以上の無機化合物を入れる。次いで、サイドボックス内に対して、グローブボックス内から導引した高純度のドライアルゴンガスやドライ窒素ガス等の不活性ガスの注入および真空脱気を複数回(3回以上が好ましい)おこない、その後、グローブボックスの本体内部のドアを開けて、グローブボックスの本体内部の混合容器に2種以上の無機化合物を入れ、混合容器を密閉する。
次いで、2種以上の無機化合物を混合後、得られた原料無機組成物を混合容器から取り出し、ガラス化装置用の容器に移し、密閉する。
こうした操作をおこなうことによって、原料無機組成物が入った密閉容器内の水分および酸素の存在量を従来よりも高いレベルで抑制することができ、その結果、工程(B)において、水分および酸素の存在量が従来よりも高いレベルで抑制された雰囲気を作り出すことができる。
つづいて、原料無機組成物が入った密閉容器をグローブボックス内から取り出す。次いで、ドライアルゴンガスやドライ窒素ガス、ドライエアー等のドライガスが充満した雰囲気中(例えば、ドライアルゴンガスやドライ窒素ガス、ドライエアー等を充満させた箱の中)に配置されたガラス化装置に密閉容器をセットし、ガラス化をおこなう。ここで、ガラス化をおこなっている間は、ドライガスを充満させた雰囲気中にドライガスを一定量導入し続けることが好ましい。こうした工夫をおこなうことによって、工程(B)において、水分および酸素の流入を従来よりも高いレベルで抑制した雰囲気を作り出すことができる。
また、密閉容器内に水分および酸素の流入を高いレベルで抑制する観点から、密閉容器の蓋部には、より高い気密性を実現できる観点から、Oリング、フェルールパッキン等の密封性に優れるパッキンを用いることが好ましい。
In order to obtain the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, it is important that the step (B) is carried out in an atmosphere in which the amount and inflow of moisture and oxygen are suppressed to a higher level than in the past, thereby making it possible to suppress the contact of the raw material inorganic composition with moisture and oxygen to a higher level than in the past.
Here, an atmosphere in which the amounts of moisture and oxygen present and the inflow thereof are suppressed to a higher level than in the past can be created, for example, by the following method.
First, the mixing vessel and the sealed vessel for the vitrification apparatus are placed in the glove box, and then the injection of an inert gas such as high-purity dry argon gas or dry nitrogen gas obtained through a gas purification device and vacuum degassing are performed multiple times (preferably three times or more) into the glove box. Here, in the glove box after the above operation, an inert gas such as high-purity dry argon gas or dry nitrogen gas is circulated through the gas purification device to adjust the oxygen concentration and moisture concentration to preferably 1.0 ppm or less, more preferably 0.8 ppm or less, and even more preferably 0.6 ppm or less, respectively.
Next, two or more inorganic compounds are put into a mixing container in the glove box, and then mixed to prepare a raw inorganic composition (meaning step (A)). Here, the two or more inorganic compounds are put into the mixing container in the glove box in the following procedure. First, with the door inside the glove box body closed, two or more inorganic compounds are put into the side box of the glove box. Next, the side box is injected with an inert gas such as high-purity dry argon gas or dry nitrogen gas drawn from inside the glove box and vacuum degassed several times (preferably three or more times), and then the door inside the glove box body is opened, and two or more inorganic compounds are put into the mixing container inside the glove box body, and the mixing container is sealed.
Next, after mixing two or more kinds of inorganic compounds, the obtained raw material inorganic composition is taken out from the mixing vessel, transferred to a vessel for a vitrification apparatus, and sealed.
By carrying out such an operation, the amount of moisture and oxygen present in the sealed container containing the raw material inorganic composition can be suppressed to a higher level than in the past, and as a result, in step (B), an atmosphere in which the amount of moisture and oxygen present is suppressed to a higher level than in the past can be created.
Next, the sealed container containing the raw inorganic composition is taken out from the glove box. The sealed container is then set in a vitrification apparatus arranged in an atmosphere filled with dry gas such as dry argon gas, dry nitrogen gas, or dry air (for example, in a box filled with dry argon gas, dry nitrogen gas, dry air, etc.), and vitrification is performed. Here, during vitrification, it is preferable to continue to introduce a constant amount of dry gas into the atmosphere filled with dry gas. By taking such measures, in step (B), an atmosphere can be created in which the inflow of moisture and oxygen is suppressed to a higher level than in the past.
In addition, in order to highly suppress the inflow of moisture and oxygen into the sealed container, it is preferable to use a gasket with excellent sealing properties, such as an O-ring or a ferrule gasket, for the lid of the sealed container in order to achieve higher airtightness.
原料無機組成物を機械的処理するときの回転速度や処理時間、温度、反応圧力、原料無機組成物に加えられる重力加速度等の混合条件は、原料無機組成物の種類や処理量によって適宜決定することができる。一般的には、回転速度が速いほど、ガラスの生成速度は速くなり、処理時間が長いほどガラスヘの転化率は高くなる。
通常は、線源としてCuKα線を用いたX線回折分析をしたとき、原料由来の回折ピークが消失または低下していたら、原料無機組成物はガラス化され、所望の硫化物系無機固体電解質材料が得られていると判断することができる。
The mixing conditions, such as the rotation speed, processing time, temperature, reaction pressure, and gravitational acceleration applied to the raw inorganic composition, when mechanically processing the raw inorganic composition can be appropriately determined depending on the type and processing amount of the raw inorganic composition. In general, the faster the rotation speed, the faster the glass production rate, and the longer the processing time, the higher the conversion rate to glass.
Typically, when X-ray diffraction analysis is performed using CuKα radiation as a radiation source, if the diffraction peak derived from the raw material disappears or decreases, it can be determined that the raw material inorganic composition has been vitrified and the desired sulfide-based inorganic solid electrolyte material has been obtained.
ここで、工程(B)では、27.0℃、印加電圧10mV、測定周波数域0.1Hz~7MHzの測定条件における交流インピーダンス法による硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度が、好ましくは1.0×10-4S・cm-1以上、より好ましくは2.0×10-4S・cm-1以上、さらに好ましくは3.0×10-4S・cm-1以上、特に好ましくは4.0×10-4S・cm-1以上となるまでガラス化処理をおこなうことが好ましい。これにより、リチウムイオン伝導性により一層優れた硫化物系無機固体電解質材料を得ることができる。 Here, in step (B), the vitrification treatment is preferably performed until the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material measured by an AC impedance method under the measurement conditions of 27.0° C., an applied voltage of 10 mV, and a measurement frequency range of 0.1 Hz to 7 MHz is preferably 1.0×10 −4 S·cm −1 or more, more preferably 2.0×10 −4 S·cm −1 or more, even more preferably 3.0×10 −4 S·cm −1 or more, and particularly preferably 4.0×10 −4 S·cm −1 or more. This makes it possible to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material with even better lithium ion conductivity.
(硫化物系無機固体電解質材料の少なくとも一部を結晶化する工程(C))
つづいて、得られたガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を加熱することにより、硫化物系無機固体電解質材料の少なくとも一部を結晶化して、ガラスセラミックス状態(結晶化ガラスとも呼ばれる。)の硫化物系無機固体電解質材料を生成する。こうすることにより、より一層リチウムイオン伝導性に優れた硫化物系無機固体電解質材料を得ることができる。
すなわち、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性に優れる点から、ガラスセラミックス状態(結晶化ガラス状態)が好ましい。
(Step (C) of crystallizing at least a part of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material)
Next, the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glass state is heated to crystallize at least a portion of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, thereby producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glass ceramic state (also called crystallized glass). In this way, a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having even better lithium ion conductivity can be obtained.
That is, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is preferably in a glass ceramic state (crystallized glass state) because it has excellent lithium ion conductivity.
ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を加熱する際の温度としては、220℃以上500℃以下の範囲内であることが好ましく、250℃以上350℃以下の範囲内であることがより好ましい。
ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を加熱する時間は、所望のガラスセラミックス状態の硫化物系無機固体電解質材料が得られる時間であれば特に限定されるものではないが、例えば、0.5時間以上24時間以下の範囲内であり、好ましくは1時間以上3時間以下である。加熱の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる。なお、このような加熱する際の温度、時間等の条件は、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
The temperature at which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state is heated is preferably within the range of 220°C or more and 500°C or less, and more preferably within the range of 250°C or more and 350°C or less.
The time for heating the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glass state is not particularly limited as long as it is a time that can obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a desired glass ceramic state, but is, for example, in the range of 0.5 hours to 24 hours, preferably 1 hour to 3 hours. The heating method is not particularly limited, but for example, a method using a firing furnace can be mentioned. The conditions such as temperature and time during such heating can be appropriately adjusted to optimize the properties of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment.
また、ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料の加熱は、例えば、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、硫化物系無機固体電解質材料の劣化(例えば、酸化)を防止することができる。
ガラス状態の硫化物系無機固体電解質材料を加熱するときの不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。これらの不活性ガスは、製品への不純物の混入を防止するために、高純度である程好ましく、また、水分の接触を避けるために、露点が-70℃以下であることが好ましく、-80℃以下であることが特に好ましい。混合系への不活性ガスの導入方法としては、混合系内が不活性ガス雰囲気で満たされる方法であれば特に限定されないが、不活性ガスをパージする方法、不活性ガスを一定量導入し続ける方法等が挙げられる。
In addition, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state is preferably heated, for example, in an inert gas atmosphere, which can prevent deterioration (for example, oxidation) of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
Examples of the inert gas used when heating the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in a glassy state include argon gas, helium gas, and nitrogen gas. These inert gases are preferably as pure as possible in order to prevent impurities from being mixed into the product, and preferably have a dew point of −70° C. or less, and particularly preferably −80° C. or less, in order to avoid contact with moisture. The method of introducing the inert gas into the mixed system is not particularly limited as long as the mixed system is filled with an inert gas atmosphere, and examples of the method include a method of purging the inert gas and a method of continuously introducing a constant amount of the inert gas.
(粉砕、分級、または造粒する工程(D))
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法では、必要に応じて、得られた硫化物系無機固体電解質材料を粉砕、分級、または造粒する工程をさらにおこなってもよい。例えば、粉砕により微粒子化し、その後、分級操作や造粒操作によって粒子径を調整することにより、所望の粒子径を有する硫化物系無機固体電解質材料を得ることができる。上記粉砕方法としては特に限定されず、ミキサー、気流粉砕、乳鉢、回転ミル、コーヒーミル等公知の粉砕方法を用いることができる。また、上記分級方法としては特に限定されず、篩等公知の方法を用いることができる。
これらの粉砕または分級は、空気中の水分との接触を防ぐことができる点から、不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で行うことが好ましい。
(Pulverizing, classifying, or granulating step (D))
In the method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, a step of pulverizing, classifying, or granulating the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material may be further performed as necessary. For example, a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a desired particle size can be obtained by pulverizing to obtain fine particles, and then adjusting the particle size by a classification operation or a granulation operation. The pulverizing method is not particularly limited, and known pulverizing methods such as a mixer, airflow pulverization, a mortar, a rotary mill, and a coffee mill can be used. The classification method is also not particularly limited, and known methods such as a sieve can be used.
The pulverization or classification is preferably carried out in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere, since this can prevent contact with moisture in the air.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を得るためには、上記の各工程を適切に調整することが重要である。ただし、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法は、上記のような方法には限定されず、種々の条件を適切に調整することにより、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を得ることができる。 In order to obtain the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, it is important to appropriately adjust each of the above steps. However, the method for producing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is not limited to the above method, and the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be obtained by appropriately adjusting various conditions.
[固体電解質]
つぎに、本実施形態に係る固体電解質について説明する。本実施形態に係る固体電解質は、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む。
そして、本実施形態に係る固体電解質は特に限定されないが、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料以外の成分として、例えば、本発明の目的を損なわない範囲内で、上述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含んでもよい。
[Solid electrolyte]
Next, the solid electrolyte according to the present embodiment will be described. The solid electrolyte according to the present embodiment includes the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment.
The solid electrolyte according to the present embodiment is not particularly limited, but may contain, as a component other than the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment, for example, a solid electrolyte material of a type different from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment described above, within a range that does not impair the object of the present invention.
本実施形態に係る固体電解質は上述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含んでいてもよい。本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料としては、イオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、一般的にリチウムイオン電池に用いられるものを用いることができる。例えば、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の硫化物系無機固体電解質材料、酸化物系無機固体電解質材料、その他のリチウム系無機固体電解質材料等の無機固体電解質材料;ポリマー電解質等の有機固体電解質材料を挙げることができる。 The solid electrolyte according to this embodiment may contain a solid electrolyte material of a different type from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment described above. The solid electrolyte material of a different type from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is not particularly limited as long as it has ion conductivity and insulating properties, but materials generally used in lithium ion batteries can be used. For example, inorganic solid electrolyte materials such as sulfide-based inorganic solid electrolyte materials, oxide-based inorganic solid electrolyte materials, and other lithium-based inorganic solid electrolyte materials different from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment; organic solid electrolyte materials such as polymer electrolytes can be mentioned.
前述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる硫化物系無機固体電解質材料としては、例えば、Li2S-P2S5材料、Li2S-SiS2材料、Li2S-GeS2材料、Li2S-Al2S3材料、Li2S-SiS2-Li3PO4材料、Li2S-P2S5-GeS2材料、Li2S-Li2O-P2S5-SiS2材料、Li2S-GeS2-P2S5-SiS2材料、Li2S-SnS2-P2S5-SiS2材料、Li2S-P2S5-Li3N材料、Li2S2+X-P4S3材料、Li2S-P2S5-P4S3材料等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、リチウムイオン伝導性に優れ、かつ広い電圧範囲で分解等を起こさない安定性を有する点から、Li2S-P2S5材料が好ましい。ここで、例えば、Li2S-P2S5材料とは、少なくともLi2S(硫化リチウム)とP2S5とを含む無機組成物を機械的処理により互いに化学反応させることにより得られる無機材料を意味する。
ここで、本実施形態において、硫化リチウムには多硫化リチウムも含まれる。
Examples of sulfide-based inorganic solid electrolyte materials different from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment described above include Li 2 S-P 2 S 5 material, Li 2 S-SiS 2 material, Li 2 S-GeS 2 material, Li 2 S-Al 2 S 3 material, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 material, Li 2 S-P 2 S 5 -GeS 2 material, Li 2 S-Li 2 O-P 2 S 5 -SiS 2 material, Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 -SiS 2 material, Li 2 S-SnS 2 -P 2 S 5 -SiS 2 material, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 3 N material, Li 2 S 2+X - P4S3 material , Li2S - P2S5 - P4S3 material, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, the Li 2 S-P 2 S 5 material is preferred because it has excellent lithium ion conductivity and is stable over a wide voltage range without decomposition, etc. Here, for example, the Li 2 S-P 2 S 5 material refers to an inorganic material obtained by chemically reacting an inorganic composition containing at least Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 with each other through a mechanical treatment.
In this embodiment, lithium sulfide also includes lithium polysulfide.
上記酸化物系無機固体電解質材料としては、例えば、LiTi2(PO4)3、LiZr2(PO4)3、LiGe2(PO4)3等のNASICON型、(La0.5+xLi0.5-3x)TiO3等のペロブスカイト型、Li2O-P2O5材料、Li2O-P2O5-Li3N材料等が挙げられる。
その他のリチウム系無機固体電解質材料としては、例えば、LiPON、LiNbO3、LiTaO3、Li3PO4、LiPO4-xNx(xは0<x≦1)、LiN、LiI、LISICON等が挙げられる。
さらに、これらの無機固体電解質の結晶を析出させて得られるガラスセラミックスも無機固体電解質材料として用いることができる。
Examples of the oxide-based inorganic solid electrolyte material include NASICON-type materials such as LiTi 2 (PO 4 ) 3 , LiZr 2 (PO 4 ) 3 , and LiGe 2 (PO 4 ) 3 , perovskite-type materials such as (La 0.5+x Li 0.5-3x )TiO 3 , Li 2 O-P 2 O 5 materials, and Li 2 O-P 2 O 5 -Li 3 N materials.
Other examples of lithium-based inorganic solid electrolyte materials include LiPON, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 3 PO 4 , LiPO 4-x N x (x is 0<x≦1), LiN, LiI, and LISICON.
Furthermore, glass ceramics obtained by precipitating crystals of these inorganic solid electrolytes can also be used as inorganic solid electrolyte materials.
上記有機固体電解質材料としては、例えば、ドライポリマー電解質、ゲル電解質等のポリマー電解質を用いることができる。
ポリマー電解質としては、一般的にリチウムイオン電池に用いられるものを用いることができる。
As the organic solid electrolyte material, for example, a polymer electrolyte such as a dry polymer electrolyte or a gel electrolyte can be used.
As the polymer electrolyte, any of those generally used in lithium ion batteries can be used.
[固体電解質膜]
次に、本実施形態に係る固体電解質膜について説明する。
本実施形態に係る固体電解質膜は、前述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む固体電解質を主成分として含む。
[Solid electrolyte membrane]
Next, the solid electrolyte membrane according to this embodiment will be described.
The solid electrolyte membrane according to this embodiment contains, as a main component, a solid electrolyte containing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment described above.
本実施形態に係る固体電解質膜は、例えば、全固体型リチウムイオン電池を構成する固体電解質層に用いられる。
本実施形態に係る固体電解質膜を適用した全固体型リチウムイオン電池の例としては、正極と、固体電解質層と、負極とがこの順番に積層されたものが挙げられる。この場合、固体電解質層が固体電解質膜により構成されたものである。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment is used, for example, as a solid electrolyte layer constituting an all-solid-state lithium ion battery.
An example of an all-solid-state lithium ion battery using the solid electrolyte membrane according to this embodiment is one in which a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order, where the solid electrolyte layer is made of the solid electrolyte membrane.
本実施形態に係る固体電解質膜の平均厚みは、好ましくは5μm以上500μm以下であり、より好ましくは10μm以上200μm以下であり、さらに好ましくは20μm以上100μm以下である。上記固体電解質膜の平均厚みが上記下限値以上であると、固体電解質の欠落や、固体電解質膜表面のクラックの発生をより一層抑制できる。また、上記固体電解質膜の平均厚みが上記上限値以下であると、固体電解質膜のインピーダンスをより一層低下させることができる。その結果、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性をより一層向上できる。 The average thickness of the solid electrolyte membrane according to this embodiment is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably 10 μm or more and 200 μm or less, and even more preferably 20 μm or more and 100 μm or less. When the average thickness of the solid electrolyte membrane is equal to or more than the lower limit, the loss of the solid electrolyte and the occurrence of cracks on the surface of the solid electrolyte membrane can be further suppressed. Furthermore, when the average thickness of the solid electrolyte membrane is equal to or less than the upper limit, the impedance of the solid electrolyte membrane can be further reduced. As a result, the battery characteristics of the obtained all-solid-state lithium ion battery can be further improved.
本実施形態に係る固体電解質膜は、前述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む粒子状の固体電解質の加圧成形体であることが好ましい。すなわち、粒子状の固体電解質を加圧し、固体電解質材料同士のアンカー効果で一定の強度を有する固体電解質膜とすることが好ましい。
加圧成形体とすることにより、固体電解質同士の結合が起こり、得られる固体電解質膜の強度はより一層高くなる。その結果、固体電解質の欠落や、固体電解質膜表面のクラックの発生をより一層抑制できる。
The solid electrolyte membrane according to the present embodiment is preferably a pressure-molded body of a particulate solid electrolyte containing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment described above. That is, it is preferable to pressurize the particulate solid electrolyte to form a solid electrolyte membrane having a certain strength by the anchor effect between the solid electrolyte materials.
By forming the solid electrolyte into a pressure-molded body, the solid electrolyte particles bond together, and the strength of the resulting solid electrolyte membrane is further increased, which further suppresses chipping of the solid electrolyte and the occurrence of cracks on the surface of the solid electrolyte membrane.
本実施形態に係る固体電解質膜中の上記した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の含有量は、固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上、さらに好ましくは70質量%以上、さらにより好ましくは80質量%以上、特に好ましくは90質量%以上である。これにより、固体電解質間の接触性が改善され、固体電解質膜の界面接触抵抗を低下させることができる。その結果、固体電解質膜のリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。そして、このようなリチウムイオン伝導性に優れた固体電解質膜を用いることにより、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性をより一層向上できる。
本実施形態に係る固体電解質膜中の上記した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の含有量の上限は特に限定されないが、例えば、100質量%以下である。
The content of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment in the solid electrolyte membrane according to the present embodiment is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, even more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, and particularly preferably 90% by mass or more, when the entire solid electrolyte membrane is taken as 100% by mass. This improves the contact between the solid electrolytes, and reduces the interface contact resistance of the solid electrolyte membrane. As a result, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte membrane can be further improved. And, by using such a solid electrolyte membrane having excellent lithium ion conductivity, the battery characteristics of the obtained all-solid-state lithium ion battery can be further improved.
The upper limit of the content of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment in the solid electrolyte membrane according to the present embodiment is not particularly limited, but is, for example, 100 mass % or less.
固体電解質膜の平面形状は、特に限定されず、電極や集電体の形状に合わせて適宜選択することが可能であるが、例えば、矩形とすることができる。 The planar shape of the solid electrolyte membrane is not particularly limited and can be selected appropriately to match the shapes of the electrodes and current collectors, but can be rectangular, for example.
また、本実施形態に係る固体電解質膜にはバインダー樹脂が含まれてもよいが、バインダー樹脂の含有量は、固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、好ましくは0.5質量%未満、より好ましくは0.1質量%以下、さらに好ましくは0.05質量%以下、さらにより好ましくは0.01質量%以下である。また、本実施形態に係る固体電解質膜は、バインダー樹脂を実質的に含まないことがさらにより好ましく、バインダー樹脂を含まないことが最も好ましい。
これにより、固体電解質間の接触性が改善され、固体電解質膜の界面接触抵抗を低下させることができる。その結果、固体電解質膜のリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。そして、このようなリチウムイオン伝導性に優れた固体電解質膜を用いることにより、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性を向上できる。
なお、「バインダー樹脂を実質的に含まない」とは、本実施形態の効果が損なわれない程度には含有してもよいことを意味する。また、固体電解質層と正極または負極との間に粘着性樹脂層を設ける場合、固体電解質層と粘着性樹脂層との界面近傍に存在する粘着性樹脂層由来の粘着性樹脂は、「固体電解質膜中のバインダー樹脂」から除かれる。
The solid electrolyte membrane according to the present embodiment may contain a binder resin, but the content of the binder resin is preferably less than 0.5 mass%, more preferably 0.1 mass% or less, even more preferably 0.05 mass% or less, and even more preferably 0.01 mass% or less, when the entire solid electrolyte membrane is taken as 100 mass%. It is even more preferable that the solid electrolyte membrane according to the present embodiment does not substantially contain a binder resin, and it is most preferable that it does not contain a binder resin.
This improves the contact between the solid electrolytes, and reduces the interface contact resistance of the solid electrolyte film. As a result, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte film can be further improved. By using such a solid electrolyte film with excellent lithium ion conductivity, the battery characteristics of the obtained all-solid-state lithium ion battery can be improved.
In addition, "substantially free of binder resin" means that the binder resin may be contained to the extent that the effect of the present embodiment is not impaired. In addition, when an adhesive resin layer is provided between the solid electrolyte layer and the positive electrode or the negative electrode, the adhesive resin originating from the adhesive resin layer present in the vicinity of the interface between the solid electrolyte layer and the adhesive resin layer is excluded from the "binder resin in the solid electrolyte membrane."
上記バインダー樹脂とは無機固体電解質材料間を結着させるために、リチウムイオン電池に一般的に使用される結着剤のことをいい、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン・ブタジエン系ゴム、ポリイミド等が挙げられる。 The binder resin is a binder that is generally used in lithium ion batteries to bond inorganic solid electrolyte materials together, and examples of such binders include polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, and polyimide.
本実施形態に係る固体電解質膜は、例えば、粒子状の固体電解質を金型のキャビティ表面上または基材表面上に膜状に堆積させ、次いで、膜状に堆積した固体電解質を加圧することにより得ることができる。
上記固体電解質を加圧する方法は特に限定されず、例えば、金型のキャビティ表面上に粒子状の固体電解質を堆積させた場合は金型と押し型によるプレス、粒子状の固体電解質を基材表面上に堆積させた場合は金型と押し型によるプレスやロールプレス、平板プレス等を用いることができる。
固体電解質を加圧する圧力は、例えば、10MPa以上500MPa以下である。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment can be obtained, for example, by depositing particulate solid electrolyte into a film on a cavity surface of a mold or on a substrate surface, and then pressurizing the solid electrolyte deposited in the film form.
The method for pressurizing the solid electrolyte is not particularly limited. For example, when a particulate solid electrolyte is deposited on the cavity surface of a mold, pressing with a mold and a stamping die can be used. When a particulate solid electrolyte is deposited on the surface of a substrate, pressing with a mold and a stamping die, roll pressing, flat plate pressing, or the like can be used.
The pressure applied to the solid electrolyte is, for example, not less than 10 MPa and not more than 500 MPa.
また、必要に応じて、膜状に堆積した無機固体電解質を加圧するとともに加熱してもよい。加熱加圧を行えば固体電解質同士の融着・結合が起こり、得られる固体電解質膜の強度はより一層高くなる。その結果、固体電解質の欠落や、固体電解質膜表面のクラックの発生をより一層抑制できる。
固体電解質を加熱する温度は、例えば、40℃以上500℃以下である。
If necessary, the inorganic solid electrolyte deposited in the form of a film may be pressurized and heated. Heating and pressurizing causes the solid electrolytes to fuse and bond with each other, further increasing the strength of the resulting solid electrolyte film. As a result, chipping of the solid electrolyte and the occurrence of cracks on the surface of the solid electrolyte film can be further suppressed.
The temperature to which the solid electrolyte is heated is, for example, 40° C. or higher and 500° C. or lower.
[リチウムイオン電池]
図1は、本発明に係る実施形態のリチウムイオン電池100の構造の一例を示す断面図である。
本実施形態に係るリチウムイオン電池100は、例えば、正極活物質層101を含む正極110と、電解質層120と、負極活物質層103を含む負極130とを備えている。そして、正極活物質層101、負極活物質層103および電解質層120の少なくとも一つが、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含有する。また、正極活物質層101、負極活物質層103および電解質層120のすべてが、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含有していることが好ましい。なお、本実施形態では特に断りがなければ、正極活物質を含む層を正極活物質層101と呼ぶ。正極110は、必要に応じて、正極活物質層101に加えて集電体105をさらに含んでもよいし、集電体105を含まなくてもよい。また、本実施形態では特に断りがなければ、負極活物質を含む層を負極活物質層103と呼ぶ。負極130は、必要に応じて、負極活物質層103に加えて集電体105をさらに含んでもよいし、集電体105を含まなくてもよい。
本実施形態に係るリチウムイオン電池100の形状は特に限定されず、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状が挙げられる。
[Lithium-ion battery]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a lithium-
The
The shape of the
本実施形態に係るリチウムイオン電池100は、一般的に公知の方法に準じて製造される。例えば、正極110、電解質層120および負極130を重ねたものを、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状に形成し、必要に応じて、非水電解液を封入することにより作製される。
The
(正極)
正極110は特に限定されず、リチウムイオン電池に一般的に用いられているものを使用することができる。正極110は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、正極活物質を含む正極活物質層101をアルミ箔等の集電体105の表面に形成することにより得ることができる。
正極活物質層101の厚みや密度は、電池の使用用途等に応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
(Positive electrode)
The
The thickness and density of the positive electrode
正極活物質層101は正極活物質を含む。
正極活物質としては特に限定されず一般的に公知のものを使用することができる。例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)、固溶体酸化物(Li2MnO3-LiMO2(M=Co、Ni等))、リチウム-マンガン-ニッケル酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、オリビン型リチウムリン酸化物(LiFePO4)等の複合酸化物;ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子;Li2S、CuS、Li-Cu-S化合物、TiS2、FeS、MoS2、Li-Mo-S化合物、Li-Ti-S化合物、Li-V-S化合物、Li-Fe-S化合物等の硫化物系正極活物質;硫黄を含浸したアセチレンブラック、硫黄を含浸した多孔質炭素、硫黄と炭素の混合粉等の硫黄を活物質とした材料;等を用いることができる。これらの正極活物質は1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、より高い放電容量密度を有し、かつ、サイクル特性により優れる観点から、硫化物系正極活物質が好ましく、Li-Mo-S化合物、Li-Ti-S化合物、Li-V-S化合物から選択される一種または二種以上がより好ましい。
The positive electrode
The positive electrode active material is not particularly limited, and generally known materials can be used. For example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), solid solution oxide (Li 2 MnO 3 -LiMO 2 (M=Co, Ni, etc.)), lithium-manganese-nickel oxide (LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ), olivine-type lithium phosphate oxide (LiFePO 4 ), and other composite oxides; conductive polymers such as polyaniline and polypyrrole; Li 2 S, CuS, Li-Cu-S compounds, TiS 2 , FeS, and MoS 2 , sulfide-based positive electrode active materials such as Li-Mo-S compounds, Li-Ti-S compounds, Li-V-S compounds, and Li-Fe-S compounds; materials using sulfur as an active material such as sulfur-impregnated acetylene black, sulfur-impregnated porous carbon, and mixed powder of sulfur and carbon; etc. These positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
Among these, from the viewpoint of having a higher discharge capacity density and being superior in cycle characteristics, a sulfide-based positive electrode active material is preferred, and one or more selected from Li-Mo-S compounds, Li-Ti-S compounds, and Li-V-S compounds are more preferred.
ここで、Li-Mo-S化合物は構成元素としてLi、Mo、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるモリブデン硫化物および硫化リチウムを含む無機組成物を機械的処理により互いに化学反応させることにより得ることができる。
また、Li-Ti-S化合物は構成元素としてLi、Ti、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるチタン硫化物および硫化リチウムを含む無機組成物を機械的処理により互いに化学反応させることにより得ることができる。
Li-V-S化合物は構成元素としてLi、V、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるバナジウム硫化物および硫化リチウムを含む無機組成物を機械的処理により互いに化学反応させることにより得ることができる。
Here, the Li-Mo-S compound contains Li, Mo, and S as constituent elements, and can usually be obtained by chemically reacting an inorganic composition containing molybdenum sulfide and lithium sulfide, which are raw materials, with each other through a mechanical treatment.
In addition, the Li-Ti-S compound contains Li, Ti, and S as constituent elements, and can usually be obtained by chemically reacting inorganic compositions containing titanium sulfide and lithium sulfide, which are raw materials, with each other through a mechanical treatment.
The Li-V-S compound contains Li, V, and S as constituent elements, and can usually be obtained by chemically reacting an inorganic composition containing vanadium sulfide and lithium sulfide, which are raw materials, with each other through a mechanical treatment.
正極活物質層101は特に限定されないが、上記正極活物質以外の成分として、例えば、バインダー樹脂、増粘剤、導電助剤、固体電解質材料等から選択される1種以上の材料を含んでもよい。以下、各材料について説明する。
The positive electrode
正極活物質層101は、正極活物質同士および正極活物質と集電体105とを結着させる役割をもつバインダー樹脂を含んでもよい。
本実施形態に係るバインダー樹脂はリチウムイオン電池に使用可能な通常のバインダー樹脂であれば特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン・ブタジエン系ゴム、ポリイミド等が挙げられる。これらのバインダーは一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
The positive electrode
The binder resin according to the present embodiment is not particularly limited as long as it is a typical binder resin that can be used in lithium ion batteries, and examples thereof include polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, polyimide, etc. These binders may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質層101は、塗布に適したスラリーの流動性を確保する点から、増粘剤を含んでもよい。増粘剤としてはリチウムイオン電池に使用可能な通常の増粘剤であれば特に限定されないが、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系ポリマーおよびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩、ポリカルボン酸、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等の水溶性ポリマー等が挙げられる。これらの増粘剤は一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
The positive electrode
正極活物質層101は、正極110の導電性を向上させる観点から、導電助剤を含んでもよい。導電助剤としてはリチウムイオン電池に使用可能な通常の導電助剤であれば特に限定されないが、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック、気相法炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
The positive electrode
本実施形態に係る正極は上述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む固体電解質を含んでいてもよいし、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含む固体電解質を含んでいてもよい。本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料としては、イオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、一般的にリチウムイオン電池に用いられるものを用いることができる。例えば、硫化物系無機固体電解質材料、酸化物系無機固体電解質材料、その他のリチウム系無機固体電解質材料等の無機固体電解質材料;ポリマー電解質等の有機固体電解質材料を挙げることができる。より具体的には、本実施形態に係る固体電解質の説明で挙げた無機固体電解質材料を用いることができる。 The positive electrode according to this embodiment may contain a solid electrolyte containing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the embodiment described above, or may contain a solid electrolyte containing a solid electrolyte material of a type different from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment. The solid electrolyte material of a type different from the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is not particularly limited as long as it has ion conductivity and insulating properties, but those generally used in lithium ion batteries can be used. For example, inorganic solid electrolyte materials such as sulfide-based inorganic solid electrolyte materials, oxide-based inorganic solid electrolyte materials, and other lithium-based inorganic solid electrolyte materials; organic solid electrolyte materials such as polymer electrolytes can be mentioned. More specifically, the inorganic solid electrolyte materials mentioned in the description of the solid electrolyte according to this embodiment can be used.
正極活物質層101中の各種材料の配合割合は、電池の使用用途等に応じて、適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The mixing ratio of the various materials in the positive electrode
(負極)
負極130は特に限定されず、リチウムイオン電池に一般的に用いられているものを使用することができる。負極130は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、負極活物質を含む負極活物質層103を銅等の集電体105の表面に形成することにより得ることができる。
負極活物質層103の厚みや密度は、電池の使用用途等に応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
(Negative electrode)
The
The thickness and density of the negative electrode
負極活物質層103は負極活物質を含む。
上記負極活物質としては、リチウムイオン電池の負極に使用可能な通常の負極活物質であれば特に限定されないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素質材料;リチウム、リチウム合金、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、ガリウム、ガリウム合金、インジウム、インジウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を主体とした金属系材料;ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー;リチウムチタン複合酸化物(例えばLi4Ti5O12)等が挙げられる。これらの負極活物質は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
The negative electrode
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a normal negative electrode active material that can be used for the negative electrode of a lithium ion battery, and examples thereof include carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, resin carbon, carbon fiber, activated carbon, hard carbon, and soft carbon; metal-based materials mainly composed of lithium, lithium alloys, tin, tin alloys, silicon, silicon alloys, gallium, gallium alloys, indium, indium alloys, aluminum, and aluminum alloys; conductive polymers such as polyacene, polyacetylene, and polypyrrole; and lithium titanium composite oxides (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ). These negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
負極活物質層103は特に限定されないが、上記負極活物質以外の成分として、例えば、バインダー樹脂、増粘剤、導電助剤、固体電解質材料等から選択される1種以上の材料を含んでもよい。これらの材料としては、特に限定はされないが、例えば、上述した正極110に用いる材料と同様のものを挙げることができる。
負極活物質層103中の各種材料の配合割合は、電池の使用用途等に応じて、適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The negative electrode
The blending ratio of the various materials in the negative electrode
(電解質層)
次に、電解質層120について説明する。電解質層120は、正極活物質層101および負極活物質層103の間に形成される層である。
電解質層120とは、セパレーターに非水電解液を含浸させたものや、固体電解質を含む固体電解質層が挙げられる。
(Electrolyte layer)
Next, a description will be given of the
The
本実施形態に係るセパレーターとしては正極110と負極130を電気的に絶縁させ、リチウムイオンを透過する機能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、多孔性膜を用いることができる。
The separator according to this embodiment is not particularly limited as long as it electrically insulates the
多孔性膜としては微多孔性高分子フィルムが好適に使用され、材質としてポリオレフィン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル等が挙げられる。特に、多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましく、具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム等が挙げられる。 As the porous membrane, a microporous polymer film is preferably used, and examples of the material include polyolefin, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyester, etc. In particular, a porous polyolefin film is preferable, and specific examples include a porous polyethylene film, a porous polypropylene film, etc.
上記非水電解液とは、電解質を溶媒に溶解させたものである。
上記電解質としては、公知のリチウム塩がいずれも使用でき、活物質の種類に応じて選択すればよい。例えば、LiClO4、LiBF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiB(C2H5)4、CF3SO3Li、CH3 SO3Li、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2N、低級脂肪酸カルボン酸リチウム等が挙げられる。
The non-aqueous electrolyte is a solution in which an electrolyte is dissolved in a solvent.
Any known lithium salt can be used as the electrolyte, and it may be selected according to the type of active material. For example, LiClO4 , LiBF6 , LiPF6 , LiCF3SO3 , LiCF3CO2 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiB10Cl10 , LiAlCl4, LiCl, LiBr, LiB(C2H5)4, CF3SO3Li , CH3SO3Li , LiCF3SO3 , LiC4F9SO3 , Li(CF3SO2)2N , lithium lower fatty acid carboxylate , etc.
上記電解質を溶解する溶媒としては、電解質を溶解させる液体として通常用いられるものであれば特に限定されず、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ビニレンカーボネート(VC)等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン等のラクトン類;トリメトキシメタン、1,2-ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2-エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類;1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン等のオキソラン類;アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の含窒素類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の有機酸エステル類;リン酸トリエステルやジグライム類;トリグライム類;スルホラン、メチルスルホラン等のスルホラン類;3-メチル-2-オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類;1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類;等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The solvent for dissolving the electrolyte is not particularly limited as long as it is a solvent that is commonly used as a liquid for dissolving electrolytes, and examples of such solvents include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), vinylene carbonate (VC), etc.; lactones such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; ethers such as trimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, 2-ethoxyethane, tetrahydrofuran, and 2-methyltetrahydrofuran; Examples of such compounds include sulfoxides such as dimethyl sulfoxide; oxolanes such as 1,3-dioxolane and 4-methyl-1,3-dioxolane; nitrogen-containing compounds such as acetonitrile, nitromethane, formamide, and dimethylformamide; organic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, and ethyl propionate; phosphate triesters and diglymes; triglymes; sulfolanes such as sulfolane and methyl sulfolane; oxazolidinones such as 3-methyl-2-oxazolidinone; sultones such as 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, and naphtha sultone; and the like. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態に係る固体電解質層は、正極活物質層101および負極活物質層103の間に形成される層であり、固体電解質材料を含む固体電解質により形成される層である。固体電解質層に含まれる固体電解質は、リチウム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が、本実施形態においては、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む固体電解質であることが好ましい。
本実施形態に係る固体電解質層における固体電解質の含有量は、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%以上100体積%以下の範囲内、中でも、50体積%以上100体積%以下の範囲内であることが好ましい。特に、本実施形態においては、固体電解質層が本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を含む固体電解質のみから構成されていることが好ましい。
The solid electrolyte layer according to this embodiment is a layer formed between the positive electrode
The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer according to the present embodiment is not particularly limited as long as the desired insulating properties can be obtained, but is preferably, for example, in the range of 10 volume % or more and 100 volume % or less, and more preferably, in the range of 50 volume % or more and 100 volume % or less. In particular, in the present embodiment, it is preferable that the solid electrolyte layer is composed only of a solid electrolyte containing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to the present embodiment.
また、本実施形態に係る固体電解質層は、バインダー樹脂を含有していてもよい。バインダー樹脂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。バインダー樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン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以上1000μm以下の範囲内、中でも、0.1μm以上300μm以下の範囲内であることが好ましい。 The solid electrolyte layer according to this embodiment may also contain a binder resin. By containing a binder resin, a flexible solid electrolyte layer can be obtained. Examples of the binder resin include fluorine-containing binders such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
Although the embodiments of the present invention have been described above, these are merely examples of the present invention, and various configurations other than those described above can also be adopted.
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications and improvements within the scope of the present invention that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these.
[1]測定方法
はじめに、以下の実施例および比較例における測定方法を説明する。
[1] Measurement Method First, the measurement methods in the following examples and comparative examples will be described.
(1)粒度分布
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マルバーン社製、マスターサイザー3000)を用いて、レーザー回折法により、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料の粒度分布を測定した。測定結果から、硫化物系無機固体電解質材料について、重量基準の累積分布における50%累積時の粒径(D50、平均粒子径)を求めた。
(1) Particle size distribution The particle size distribution of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained in the examples and comparative examples was measured by a laser diffraction method using a laser diffraction scattering type particle size distribution measurement device (Malvern Instruments, Mastersizer 3000). From the measurement results, the particle size ( D50 , average particle size) at 50% accumulation in the cumulative distribution based on weight for the sulfide-based inorganic solid electrolyte material was obtained.
(2)組成比率の測定
ICP発光分光分析装置(セイコーインスツルメント社製、SPS3000)を用いて、ICP発光分光分析法により測定し、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料中のLi、PおよびSの質量%をそれぞれ求め、それに基づいて、各元素のモル比をそれぞれ計算した。
(2) Measurement of Composition Ratio Using an ICP optical emission spectrometer (Seiko Instruments Inc., SPS3000), measurements were performed by ICP optical emission spectroscopic analysis to determine the mass percentages of Li, P, and S in the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the examples and comparative examples, and the molar ratios of each element were calculated based on the results.
(3)X線回折分析
X線回折装置(リガク社製、RINT2000)を用いて、X線回折分析法により、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料の回折スペクトルをそれぞれ求めた。なお、線源としてCuKα線を用いた。ここで、回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度をバックグラウンド強度IAとし、回折角2θ=17.2±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIBとし、回折角2θ=25.6±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をICとし、回折角2θ=26.6±0.4°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIDとし,回折角2θ=29.2±0.8°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIEとした。また、IB/IA、IC/IA、ID/IAおよびIE/IAをそれぞれ求めた。
(3) X-ray diffraction analysis Using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, RINT2000), the diffraction spectrum of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained in the examples and comparative examples was obtained by X-ray diffraction analysis. Note that CuKα radiation was used as the radiation source. Here, the maximum diffraction intensity at the position of the diffraction angle 2θ = 35.0 ± 0.1 ° was set as the background intensity I A , the maximum diffraction intensity of the diffraction peak at the position of the diffraction angle 2θ = 17.2 ± 0.5 ° was set as I B , the maximum diffraction intensity of the diffraction peak at the position of the diffraction angle 2θ = 25.6 ± 0.5 ° was set as I C , the maximum diffraction intensity of the diffraction peak at the position of the diffraction angle 2θ = 26.6 ± 0.4 ° was set as I D , and the maximum diffraction intensity of the diffraction peak at the position of the diffraction angle 2θ = 29.2 ± 0.8 ° was set as I E. In addition, I B / I A , I C / I A , I D / I A , and I E / I A were each obtained.
(4)リチウムイオン伝導度の測定
実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料に対して、交流インピーダンス法によるリチウムイオン伝導度の測定をおこない、以下の基準で評価した。
◎◎:1.3×10-3S・cm-1以上
◎:1.1×10-3S・cm-1以上1.3×10-3S・cm-1未満
○:0.90×10-3S・cm-1以上1.1×10-3S・cm-1未満
×:0.70×10-3S・cm-1以上0.90×10-3S・cm-1未満
××:0.70×10-3S・cm-1未満
リチウムイオン伝導度の測定はバイオロジック社製、ポテンショスタット/ガルバノスタットSP-300を用いた。試料の大きさは直径9.5mm、厚さ1.2~2.0mm、測定条件は、印加電圧10mV、測定温度27.0℃、測定周波数域0.1Hz~7MHz、電極はLi箔とした。
ここで、リチウムイオン伝導度測定用の試料としては、プレス装置を用いて、実施例および比較例で得られた粉末状の硫化物系無機固体電解質材料150mgを270MPa、10分間プレスして得られる直径9.5mm、厚さ1.2~2.0mmの板状の硫化物系無機固体電解質材料を用いた。
(4) Measurement of Lithium Ion Conductivity The lithium ion conductivity of each of the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the Examples and Comparative Examples was measured by an AC impedance method and evaluated according to the following criteria.
◎◎: 1.3×10 −3 S·cm −1 or more ◎: 1.1×10 −3 S·cm −1 or more and less than 1.3×10 −3 S·cm −1 ○: 0.90×10 −3 S·cm −1 or more and less than 1.1×10 −3 S·cm −1 ×: 0.70×10 −3 S·cm −1 or more and less than 0.90×10 −3 S·cm −1 XX: less than 0.70×10 −3 S·cm −1 Lithium ion conductivity was measured using a potentiostat/galvanostat SP-300 manufactured by Biologic Co., Ltd. The size of the sample was 9.5 mm in diameter, 1.2 to 2.0 mm in thickness, and the measurement conditions were an applied voltage of 10 mV, a measurement temperature of 27.0° C., a measurement frequency range of 0.1 Hz to 7 MHz, and a Li foil electrode.
Here, as the sample for measuring lithium ion conductivity, a plate-shaped sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a diameter of 9.5 mm and a thickness of 1.2 to 2.0 mm was used, which was obtained by pressing 150 mg of the powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained in the examples and comparative examples at 270 MPa for 10 minutes using a pressing device.
(5)酸化分解電流の最大値の測定
プレス装置を用いて、実施例および比較例で得られた粉末状の硫化物系無機固体電解質材料120~150mgを270MPa、10分間プレスして直径9.5mm、厚さ1.3mmの板状の硫化物系無機固体電解質材料(ペレット)を得た。次いで、得られたペレットの一方の面に参照極・対極としてLi箔を、18MPa、10分間の条件でプレス圧着し、もう一方の面に作用極としてSUS314箔を密着した。
次いで、バイオロジック社製、ポテンショスタット/ガルバノスタットSP-300を用いて、温度25℃、掃引電圧範囲0~5V、電圧掃引速度5mV/秒の条件で、硫化物系無機固体電解質材料の酸化分解電流の最大値を求め、以下の基準で評価した。
◎:0.03μA以下
〇:0.03μA超過0.50μA以下
×:0.50μA超過
(5) Measurement of maximum value of oxidative decomposition current Using a press device, 120 to 150 mg of the powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained in the examples and comparative examples was pressed at 270 MPa for 10 minutes to obtain a plate-shaped sulfide-based inorganic solid electrolyte material (pellet) having a diameter of 9.5 mm and a thickness of 1.3 mm. Next, Li foil was pressed and compressed as a reference electrode and counter electrode on one side of the obtained pellet under conditions of 18 MPa and 10 minutes, and SUS314 foil was adhered to the other side as a working electrode.
Next, using a potentiostat/galvanostat SP-300 manufactured by Biologic, Inc., the maximum value of the oxidative decomposition current of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material was determined under conditions of a temperature of 25° C., a sweep voltage range of 0 to 5 V, and a voltage sweep rate of 5 mV/sec, and was evaluated according to the following criteria.
◎: 0.03 μA or less 〇: More than 0.03 μA to 0.50 μA or less ×: More than 0.50 μA
[2]固体電解質材料の製造
<実施例1>
硫化物系無機固体電解質材料を以下の手順で作製した。
原料には、Li2S(古河機械金属社製、純度99.9%)、P2S5(関東化学社製)およびLi3N(古河機械金属社製)を使用した。
はじめに、グローブボックス内に回転刃式の粉砕機およびアルミナ製のポット(内容積400mL)を配置し、次いで、グローブボックス内に対して、ガス精製装置を通じて得られた高純度のドライアルゴンガス(H2O<1ppm、O2<1ppm)の注入および真空脱気を3回おこなった。
次いで、グローブボックス内で、回転刃式の粉砕機(回転数18000rpm)を用いて、Li2S粉末とP2S5粉末とLi3N粉末(Li2S:P2S5:Li3N=71.1:23.7:5.3(モル%))の合計5gの混合(混合10秒および静置10秒の操作を10回(累計混合時間:100秒))をおこなうことにより、原料無機組成物を調製した。
ここで、グローブボックス内の回転刃式の粉砕機内へのLi2S粉末、P2S5粉末およびLi3N粉末の投入は、以下の手順でおこなった。はじめにグローブボックスの本体内部のドアを閉じた状態で、グローブボックスのサイドボックス内にLi2S粉末、P2S5粉末およびLi3N粉末を入れた。次いで、サイドボックス内に対して、グローブボックス内から導引した高純度のドライアルゴンガスの注入および真空脱気を3回おこなった。次いで、グローブボックスの本体内部のドアを開けて、グローブボックスの本体内部の回転刃式の粉砕機内にLi2S粉末、P2S5粉末およびLi3N粉末を入れ、粉砕機を密閉した。
[2] Production of solid electrolyte material <Example 1>
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material was prepared by the following procedure.
The raw materials used were Li 2 S (manufactured by Furukawa Co., Ltd., purity 99.9%), P 2 S 5 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and Li 3 N (manufactured by Furukawa Co., Ltd.).
First, a rotary blade grinder and an alumina pot (internal volume 400 mL) were placed in a glove box, and then high-purity dry argon gas (H 2 O < 1 ppm, O 2 < 1 ppm) obtained through a gas purification device was injected into the glove box and vacuum degassed three times.
Next, in a glove box, a rotary blade grinder (rotation speed 18,000 rpm) was used to mix a total of 5 g of Li2S powder, P2S5 powder, and Li3N powder ( Li2S : P2S5 : Li3N = 71.1: 23.7 :5.3 (mol%)) (10 times of mixing for 10 seconds and leaving for 10 seconds (cumulative mixing time: 100 seconds)), to prepare a raw inorganic composition.
Here, the Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, and Li 3 N powder were put into the rotary blade type pulverizer in the glove box in the following procedure. First, the Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, and Li 3 N powder were put into the side box of the glove box with the door inside the glove box closed. Next, high-purity dry argon gas was introduced from the glove box into the side box and vacuum degassing was performed three times. Next, the door inside the glove box was opened, and the Li 2 S powder, P 2 S 5 powder, and Li 3 N powder were put into the rotary blade type pulverizer inside the glove box, and the pulverizer was sealed.
つづいて、グローブボックス内のアルミナ製のポット(内容積400mL)の内部に、原料無機組成物と直径10mmのZrO2ボール500gとを投入し、ポットを密閉した。ここで、アルミナ製のポットの蓋部におけるパッキンとしてはOリング(規格P-75)を用いた。また、グローブボックス内にドライアルゴンガスを循環させ、水分濃度を0.5ppm、酸素濃度を0.6ppmに調整した。
次いで、グローブボックス内から、アルミナ製のポットを取り出し、メンブレンエアドライヤーを通して導入した乾燥したドライエアーの雰囲気下に設置したボールミル機にアルミナ製のポットを取り付け、120rpmで500時間混合し、原料無機組成物のガラス化をおこなった。このとき、メンブレンエアドライヤーを通して得られたドライエアーの水分濃度は、600ppmであった。48時間混合する毎にグローブボックス内でポットの内壁についた粉末を掻き落とし、密封後、乾燥した大気雰囲気下でミリングを継続した。
次いで、グローブボックス内にアルミナ製のポットを入れ、得られた粉末をアルミナ製のポットからカーボンるつぼに移し、グローブボックス内に設置した加熱炉で270℃、2時間の加熱処理をおこなった。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
Next, the raw inorganic composition and 500 g of ZrO2 balls with a diameter of 10 mm were placed in an alumina pot (capacity 400 mL) in the glove box, and the pot was sealed. An O-ring (standard P-75) was used as a packing for the lid of the alumina pot. Dry argon gas was circulated in the glove box to adjust the moisture concentration to 0.5 ppm and the oxygen concentration to 0.6 ppm.
Next, the alumina pot was taken out of the glove box, and the alumina pot was attached to a ball mill machine installed under an atmosphere of dry air introduced through a membrane air dryer, and the raw material inorganic composition was vitrified by mixing at 120 rpm for 500 hours. At this time, the moisture concentration of the dry air obtained through the membrane air dryer was 600 ppm. After every 48 hours of mixing, the powder on the inner wall of the pot was scraped off in the glove box, and after sealing, milling was continued under a dry air atmosphere.
Next, an alumina pot was placed in the glove box, and the obtained powder was transferred from the alumina pot to a carbon crucible and subjected to a heat treatment at 270° C. for 2 hours in a heating furnace installed in the glove box.
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material thus obtained was evaluated. The results are shown in Table 1.
<実施例2>
Li2S粉末とP2S5粉末とLi3N粉末の混合割合をLi2S:P2S5:Li3N=72.6:24.2:3.2(モル%)に変更した以外は実施例1と同様にして硫化物系無機固体電解質材料を作製し、各評価をそれぞれおこなった。得られた結果を表1にそれぞれ示す。
Example 2
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of the Li2S powder, the P2S5 powder, and the Li3N powder was changed to Li2S : P2S5 : Li3N =72.6:24.2:3.2 (mol%), and each evaluation was performed. The obtained results are shown in Table 1.
<実施例3>
Li2S粉末とP2S5粉末とLi3N粉末の混合割合をLi2S:P2S5:Li3N=73.8:24.6:1.6(モル%)に変更した以外は実施例1と同様にして硫化物系無機固体電解質材料を作製し、各評価をそれぞれおこなった。得られた結果を表1にそれぞれ示す。
Example 3
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of the Li2S powder, the P2S5 powder, and the Li3N powder was changed to Li2S : P2S5 : Li3N =73.8:24.6:1.6 (mol%), and each evaluation was performed. The obtained results are shown in Table 1.
<比較例1>
Li3N粉末を使用せずに、Li2S粉末とP2S5粉末の混合割合をLi2S:P2S5=75.0:25.0(モル%)に変更し、さらにグローブボックス内のドライアルゴンの水分濃度を10.7ppm、酸素濃度を1.0ppmに変更した以外は実施例1と同様にして硫化物系無機固体電解質材料を作製し、各評価をそれぞれおこなった。得られた結果を表1にそれぞれ示す。
<Comparative Example 1>
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the Li 3 N powder was not used, the mixing ratio of the Li 2 S powder and the P 2 S 5 powder was changed to Li 2 S:P 2 S 5 =75.0:25.0 (mol%), and the moisture concentration of the dry argon in the glove box was changed to 10.7 ppm and the oxygen concentration was changed to 1.0 ppm. The results are shown in Table 1.
実施例1~3の硫化物系無機固体電解質材料はリチウムイオン伝導性および電気化学的安定性に優れていた。これに対し、比較例1の硫化物系無機固体電解質材料はリチウムイオン伝導性に劣っていた。
ここで、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料のX線回折スペクトルを図2にそれぞれ示す。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte materials of Examples 1 to 3 were excellent in lithium ion conductivity and electrochemical stability, whereas the sulfide-based inorganic solid electrolyte material of Comparative Example 1 was inferior in lithium ion conductivity.
FIG. 2 shows the X-ray diffraction spectra of the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the examples and comparative examples.
100 リチウムイオン電池
101 正極活物質層
103 負極活物質層
105 集電体
110 正極
120 電解質層
130 負極
100
Claims (18)
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて、回折角2θが16.7°以上17.5°以下の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有し、
前記硫化物系無機固体電解質材料は構成元素としてLi、PおよびSを含み、
前記硫化物系無機固体電解質材料中の前記Pの含有量に対する前記Liの含有量のモル比Li/Pが3.1以上3.3以下であり、前記Pの含有量に対する前記Sの含有量のモル比S/Pが4.0である硫化物系無機固体電解質材料。 A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having lithium ion conductivity,
In a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source , the diffraction peaks are at a diffraction angle 2θ of 16.7° or more and 17.5° or less , at a diffraction angle 2θ=25.6±0.5°, at a diffraction angle 2θ=26.6±0.4°, and at a diffraction angle 2θ=29.2±0.8°,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material contains Li, P and S as constituent elements,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material has a molar ratio Li/P of the Li content to the P content of 3.1 or more and 3.3 or less, and a molar ratio S/P of the S content to the P content of 4.0.
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θが16.7°以上17.5°以下の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIBとしたとき、IB/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 1,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material in which, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ of 16.7° or more and 17.5° or less is defined as IB , the value of IB / IA is 2.0 or more.
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=25.6±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をICとしたとき、IC/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 1 or 2,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material in which, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ=25.6±0.5° is defined as intensity IC , the value of IC / IA is 2.0 or more.
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=26.6±0.4°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIDとしたとき、ID/IAの値が2.2以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material in which, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ=26.6±0.4° is defined as intensity ID , the value of ID / IA is 2.2 or more.
線源としてCuKα線を用いたX線回折により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=29.2±0.8°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIEとしたとき、IE/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 4,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material in which, when the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ=35.0±0.1° in a spectrum obtained by X-ray diffraction using CuKα radiation as a radiation source is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ=29.2±0.8° is defined as intensity IE , the value of IE / IA is 2.0 or more.
当該硫化物系無機固体電解質材料を270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折測定をおこなったとき、前記X線回折測定により得られるスペクトルにおいて、回折角2θが16.7°以上17.5°以下の位置、回折角2θ=25.6±0.5°の位置、回折角2θ=26.6±0.4°および回折角2θ=29.2±0.8°の位置にそれぞれ回折ピークを有し、
前記硫化物系無機固体電解質材料は構成元素としてLi、PおよびSを含み、
前記硫化物系無機固体電解質材料中の前記Pの含有量に対する前記Liの含有量のモル比Li/Pが3.1以上3.3以下であり、前記Pの含有量に対する前記Sの含有量のモル比S/Pが4.0である硫化物系無機固体電解質材料。 A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having lithium ion conductivity,
When the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heat-treated at 270° C. for 2 hours and then subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα radiation as a radiation source, the spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement has diffraction peaks at a diffraction angle 2θ of 16.7° or more and 17.5° or less , a diffraction angle 2θ=25.6±0.5°, a diffraction angle 2θ=26.6±0.4°, and a diffraction angle 2θ=29.2±0.8°,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material contains Li, P and S as constituent elements,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material has a molar ratio Li/P of the Li content to the P content of 3.1 or more and 3.3 or less, and a molar ratio S/P of the S content to the P content of 4.0.
当該硫化物系無機固体電解質材料を270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折測定をおこなったとき、前記X線回折測定により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θが16.7°以上17.5°以下の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIBとしたとき、IB/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 6,
When the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heat-treated at 270°C for 2 hours and then subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα radiation as a radiation source, the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ = 35.0 ± 0.1° in the spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement is defined as intensity I A , and the maximum diffraction intensity of a diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ of 16.7° or more and 17.5° or less is defined as I B , and the value of I B /I A is 2.0 or more.
当該硫化物系無機固体電解質材料を270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折測定をおこなったとき、前記X線回折測定により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=25.6±0.5°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をICとしたとき、IC/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 6 or 7,
When the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heat-treated at 270°C for 2 hours and then subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα radiation as a radiation source, the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ = 35.0 ± 0.1° in the spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of the diffraction peak existing at a diffraction angle 2θ = 25.6 ± 0.5° is defined as intensity IC , and the value of IC / IA is 2.0 or more.
当該硫化物系無機固体電解質材料を270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折測定をおこなったとき、前記X線回折測定により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=26.6±0.4°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIDとしたとき、ID/IAの値が2.2以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 6 to 8,
When the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heat-treated at 270°C for 2 hours and then subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα radiation as a radiation source, the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ = 35.0 ± 0.1° in the spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement is defined as intensity IA , and the maximum diffraction intensity of the diffraction peak present at a diffraction angle 2θ = 26.6 ± 0.4° is defined as ID , and the value of ID / IA is 2.2 or more.
当該硫化物系無機固体電解質材料を270℃で2時間熱処理をした後に、線源としてCuKα線を用いたX線回折測定をおこなったとき、前記X線回折測定により得られるスペクトルにおいて回折角2θ=35.0±0.1°の位置における最大回折強度を強度IAとし、回折角2θ=29.2±0.8°の位置に存在する回折ピークの最大回折強度をIEとしたとき、IE/IAの値が2.0以上である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 6 to 9,
When the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heat-treated at 270°C for 2 hours and then subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα radiation as a radiation source, the maximum diffraction intensity at a diffraction angle 2θ = 35.0 ± 0.1° in the spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement is defined as intensity I A , and the maximum diffraction intensity of the diffraction peak present at a diffraction angle 2θ = 29.2 ± 0.8° is defined as intensity I E , and the value of I E /I A is 2.0 or more.
前記硫化物系無機固体電解質材料の形状は粒子状であり、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における、粒子状の前記硫化物系無機固体電解質材料の平均粒子径d50が1μm以上100μm以下である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 10,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material is in the form of particles,
The particulate sulfide-based inorganic solid electrolyte material has an average particle diameter d50 of 1 μm or more and 100 μm or less in a weight-based particle size distribution measured by a laser diffraction scattering particle size distribution measurement method.
リチウムイオン電池に用いられる硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 11,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material used in lithium-ion batteries.
粒子状の前記固体電解質の加圧成形体である固体電解質膜。 The solid electrolyte membrane according to claim 14,
A solid electrolyte membrane which is a pressure-molded body of the particulate solid electrolyte.
当該固体電解質膜中のバインダー樹脂の含有量が、前記固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、0.5質量%未満である固体電解質膜。 The solid electrolyte membrane according to claim 14 or 15,
A solid electrolyte membrane, wherein the content of the binder resin in the solid electrolyte membrane is less than 0.5% by mass, where the entire solid electrolyte membrane is taken as 100% by mass.
当該固体電解質膜中の前記硫化物系無機固体電解質材料の含有量が、前記固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、50質量%以上である固体電解質膜。 The solid electrolyte membrane according to any one of claims 14 to 16,
A solid electrolyte membrane, wherein the content of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in the solid electrolyte membrane is 50 mass % or more when the entire solid electrolyte membrane is taken as 100 mass %.
前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層のうち少なくとも一つが、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の硫化物系無機固体電解質材料を含むリチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising a positive electrode including a positive electrode active material layer, an electrolyte layer, and a negative electrode including a negative electrode active material layer,
A lithium ion battery, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the electrolyte layer, and the negative electrode active material layer contains the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 1 .
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