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JP7002520B2 - Method for manufacturing solid electrolyte, all-solid-state battery, and solid electrolyte - Google Patents
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Description

この発明は、全固体電池等に好適に用いられ得る固体電解質、全固体電池及び、固体電解質の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte, an all-solid-state battery, and a method for producing a solid electrolyte, which can be suitably used for an all-solid-state battery or the like.

二次電池のなかでも特に、電解質が固体からなる全固体リチウムイオン電池等の全固体電池は、液体電解質を用いるリチウムイオン電池に比して、優れた安定性及び信頼性、高エネルギー密度化、高出力化ならびに、広い作動温度等を実現できる可能性がある。それ故に、全固体電池は、自動車や電子機器、家庭用蓄電池等といった様々な用途での実用化が期待されている。 Among the secondary batteries, the all-solid-state battery such as the all-solid-state lithium-ion battery in which the electrolyte is a solid has excellent stability, reliability, and high energy density as compared with the lithium-ion battery using the liquid electrolyte. There is a possibility that high output and a wide operating temperature can be realized. Therefore, all-solid-state batteries are expected to be put into practical use in various applications such as automobiles, electronic devices, and household storage batteries.

全固体電池は一般に、気相法により作製される薄膜型と、微粒子を焼結させて作製されるバルク型に大別される。このうち、バルク型の全固体電池は、集電体間に粒状の正極活物質と、板状又は粒状の固体電解質と、粒状の負極活物質を積層させて焼結することにより形成される。バルク型の全固体電池の固体電解質は一般に、全固体電池の作製時に又は事前に固体電解質粒子を焼結させて得られるので、焼成型固体電解質と称されることがある。 The all-solid-state battery is generally classified into a thin film type manufactured by the vapor phase method and a bulk type manufactured by sintering fine particles. Of these, the bulk type all-solid-state battery is formed by laminating and sintering a granular positive electrode active material, a plate-shaped or granular solid electrolyte, and a granular negative electrode active material between collectors. The solid electrolyte of the bulk type all-solid-state battery is generally obtained by sintering the solid electrolyte particles at the time of manufacturing the all-solid-state battery or in advance, and therefore, it may be referred to as a firing type solid electrolyte.

全固体電池の焼成型固体電解質に用いる材料の候補としては、種々のものが提案されているが、その材料の選定は、電池性能を大きく左右することから重要になる。それらのなかでも、酸化物系の無機固体電解質材料のうち、A2/3-xLi3xTiO3(0<x<0.16、A:ランタノイドから選択される一種以上の元素)で表される複合酸化物、特にAがLaであるペロブスカイト結晶構造の複合酸化物(いわゆるLLTO)は、高いイオン伝導率、安定性及び耐久性を有すること等の理由から有望視されている。 Various materials have been proposed as candidates for materials used for the calcined solid electrolyte of an all-solid-state battery, but the selection of the material is important because it greatly affects the battery performance. Among them, among the oxide-based inorganic solid electrolyte materials, it is represented by A 2 / 3-x Li 3x TiO 3 (0 <x <0.16, A: one or more elements selected from lanthanoids). Complex oxides, particularly composite oxides having a perovskite crystal structure in which A is La (so-called LLTO), are promising because of their high ionic conductivity, stability and durability.

ところで、酸化物系の無機固体電解質材料は、全固体電池で負極の材料として用いられ得る黒鉛その他の炭素又はリチウム金属に接触すると、該炭素又はリチウム金属との反応により還元されることがある。この場合、無機固体電解質材料は、かかる還元反応により電子伝導性が付与され、その結果として正極との間で短絡(ショート)の発生を招く等といった問題がある。 By the way, when an oxide-based inorganic solid electrolyte material comes into contact with graphite or other carbon or lithium metal that can be used as a material for a negative electrode in an all-solid-state battery, it may be reduced by a reaction with the carbon or lithium metal. In this case, the inorganic solid electrolyte material has a problem that electron conductivity is imparted by such a reduction reaction, and as a result, a short circuit is generated between the inorganic solid electrolyte material and the positive electrode.

これに関連して、特許文献1には、「少なくとも正極層と、固体電解質層と、負極層とが積層されて構成された全固体電池であって、前記正極層は、特定の結晶面がリチウムイオンの伝導方向に配向した正極活物質のみで構成され、前記固体電解質層は、無機固体電解質で構成され、前記正極層と前記固体電解質層との間に、高分子固体電解質層が介在されていることを特徴とする全固体電池」で、「前記負極層と前記固体電解質層との間にも、高分子固体電解質層が介在されている」もの等が提案されている。これによれば、「電極と固体電解質層との界面での接触性向上によるイオン伝導の向上、界面での抵抗層形成の抑制、電極内でのイオン伝導の向上、さらにはエネルギー密度の向上を図ることができる。」とされている。 In relation to this, Patent Document 1 states, "It is an all-solid-state battery configured by laminating at least a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, and the positive electrode layer has a specific crystal plane. It is composed only of a positive electrode active material oriented in the conduction direction of lithium ions, the solid electrolyte layer is composed of an inorganic solid electrolyte, and a polymer solid electrolyte layer is interposed between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer. An all-solid-state battery characterized by the above-mentioned characteristics, such as "a polymer solid electrolyte layer is interposed between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer" and the like have been proposed. According to this, "improvement of ionic conduction by improving the contact property at the interface between the electrode and the solid electrolyte layer, suppression of resistance layer formation at the interface, improvement of ionic conduction in the electrode, and further improvement of energy density. It can be planned. "

特開2014-238925号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-238925

特許文献1に記載されているように、負極と固体電解質との間に高分子固体電解質材料を介在させた場合は、負極の材料による固体電解質の無機固体電解質材料の還元は、高分子固体電解質材料によりある程度抑制できると考えられる。 As described in Patent Document 1, when the polymer solid electrolyte material is interposed between the negative electrode and the solid electrolyte, the reduction of the inorganic solid electrolyte material of the solid electrolyte by the material of the negative electrode is the polymer solid electrolyte. It is thought that it can be suppressed to some extent by the material.

しかるに、ポリエチレンオキサイド系やポリプロピレンオキサイド系等のポリマーからなる高分子固体電解質材料は、LLTO等の無機固体電解質材料に比してイオン伝導率が著しく低い。それ故に、この場合は、イオン伝導率を向上させるため、比較的高圧かつ高温で作動させる必要がある。したがって、負極と固体電解質との間に高分子固体電解質材料を介在させた全固体電池では、優れた電池性能を実現することができなかった。
また、ポリエチレンオキサイド系やポリプロピレンオキサイド系等のポリマーは、300℃程度で燃えてしまうため、安全性という点で問題が見られた。
However, the polymer solid electrolyte material made of a polymer such as polyethylene oxide or polypropylene oxide has a significantly lower ionic conductivity than the inorganic solid electrolyte material such as LLTO. Therefore, in this case, it is necessary to operate at a relatively high pressure and high temperature in order to improve the ionic conductivity. Therefore, an all-solid-state battery in which a polymer solid electrolyte material is interposed between the negative electrode and the solid electrolyte cannot realize excellent battery performance.
In addition, since polymers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide burn at about 300 ° C, there is a problem in terms of safety.

この発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、イオン伝導性が向上し、かつ、負極の材料による無機固体電解質材料の還元を有効に抑制することができる固体電解質、全固体電池及び、固体電解質の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such a problem, and an object thereof is to improve ionic conductivity and effectively suppress reduction of an inorganic solid electrolyte material by a negative electrode material. It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte, an all-solid-state battery, and a method for producing a solid electrolyte.

この発明の固体電解質は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む本体部と、前記本体部上に形成され、前記炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層とを有するものである。 The solid electrolyte of the present invention comprises a main body containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from the carbon or lithium metal, and the carbon or lithium metal formed on the main body. It has a reduction prevention layer containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of less than 0.1 V.

この発明の固体電解質では、前記本体部の前記無機固体電解質材料が、下記一般式(I)で表される酸化物を含むことが好ましい。
2/3-xLi3xTiO3 (I)
(式中、xは、0.04<x<0.14を満たし、Aは、ランタノイドから選択される一種以上の元素である。)
In the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the inorganic solid electrolyte material of the main body contains an oxide represented by the following general formula (I).
A 2 / 3-x Li 3x TiO 3 (I)
(In the formula, x satisfies 0.04 <x <0.14, and A is one or more elements selected from lanthanoids.)

この場合、前記一般式(I)で表される酸化物中のAがLaであることが好適である。 In this case, it is preferable that A in the oxide represented by the general formula (I) is La.

この発明の固体電解質では、前記還元防止層の前記無機固体電解質材料が、リチウムを含有する酸化物を含むことが好ましい。 In the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer contains an oxide containing lithium.

具体的には、前記還元防止層の前記無機固体電解質材料は、Li3BO3、Li247、Li2CO3-Li3BO3、BLiO2、Li2O、Li3PO4、Li7La3Zr212(LLZO)、Li3BO3-Li2SO4及びLi-Co-PO4からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。 Specifically, the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer is Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 , BLiO 2 , Li 2 O, Li 3 PO 4 . , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 and Li-Co-PO 4 preferably comprising at least one selected from the group.

この発明の固体電解質では、前記還元防止層の厚みが、1μm~40μmであることが好ましい。 In the solid electrolyte of the present invention, the thickness of the anti-reduction layer is preferably 1 μm to 40 μm.

この発明の固体電解質では、前記本体部が板状であり、板状の該本体部の一方の表面だけに、前記還元防止層が前記表面の全体を覆って形成されていることが好適である。 In the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the main body portion is plate-shaped, and the reduction prevention layer is formed on only one surface of the plate-shaped main body portion so as to cover the entire surface. ..

この発明の全固体電池は、正極、固体電解質及び負極を備え、前記正極と前記固体電解質と前記負極とがこの順序で積層されて構成されたものであって、前記固体電解質が、上記いずれかの固体電解質であり、当該固体電解質の前記本体部と、前記負極との間に前記還元防止層が介在してなるものである。 The all-solid-state battery of the present invention includes a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, and is configured by laminating the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode in this order, and the solid electrolyte is any one of the above. The solid electrolyte of the above, wherein the reduction prevention layer is interposed between the main body portion of the solid electrolyte and the negative electrode.

この発明の固体電解質の製造方法は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む板材、及び、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層を構成する原料粉をそれぞれ準備する原料準備工程と、前記原料粉を含むスラリー又は溶解液を作製する液作製工程と、前記板材上に前記スラリー又は前記溶解液をコーティングするコーティング工程と、前記板材を該板材上にコーティングされた前記スラリー又は前記溶解液とともに、450℃~650℃に加熱する焼成工程とを含むものである。 The method for producing a solid electrolyte of the present invention comprises a plate containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from carbon or lithium metal, and a potential difference of less than 0.1 V from carbon or lithium metal. A raw material preparation step for preparing raw material powders constituting a reduction prevention layer containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material, a liquid preparation step for preparing a slurry or a solution containing the raw material powder, and a liquid preparation step on the plate material. It includes a coating step of coating the slurry or the solution, and a baking step of heating the plate together with the slurry or the solution coated on the plate to 450 ° C to 650 ° C.

この発明によれば、イオン伝導性が向上し、かつ、負極の材料による無機固体電解質材料の還元を有効に抑制することができる固体電解質、全固体電池及び、固体電解質の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a solid electrolyte, an all-solid-state battery, and a method for producing a solid electrolyte, which can improve ionic conductivity and effectively suppress the reduction of an inorganic solid electrolyte material by a negative electrode material. Can be done.

この発明の一の実施形態の固体電解質を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the solid electrolyte of one Embodiment of this invention.

以下に、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
(固体電解質)
この発明の一の実施形態の固体電解質1は、図1に例示するように、該固体電解質1の主要部分を構成する本体部2と、本体部2上に形成されて、本体部2の還元を防止するべく機能する還元防止層3とを有するものである。本体部2は、酸化物系の無機固体電解質材料を含むものであるが、本体部2のその無機固体電解質材料は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上であり、典型的には炭素又はリチウム金属と接触した場合に炭素又はリチウム金属との反応で還元されるものとする。一方、還元防止層3は、本体部2の上記の無機固体電解質材料とは異なり、本体部2の無機固体電解質材料に比して電位が低く炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含むものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(Solid electrolyte)
As illustrated in FIG. 1, the solid electrolyte 1 according to the embodiment of the present invention is formed on the main body 2 constituting the main part of the solid electrolyte 1 and the main body 2 to reduce the main body 2. It has a reduction prevention layer 3 that functions to prevent the above. The main body 2 contains an oxide-based inorganic solid electrolyte material, and the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 has a potential difference of 0.1 V or more from carbon or lithium metal, and is typically carbon or When in contact with lithium metal, it shall be reduced by reaction with carbon or lithium metal. On the other hand, unlike the above-mentioned inorganic solid electrolyte material of the main body 2, the reduction prevention layer 3 has a lower potential than the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 and has a potential difference of less than 0.1 V from carbon or lithium metal. It is assumed to contain a certain oxide-based inorganic solid electrolyte material.

ここで、リチウム金属の電位を基準(0V)とした場合、炭素はほぼ0Vである。たとえば、後述するLLTOは、電位がリチウム金属や炭素よりも1.75V高い。それ故に、本体部2に用いられ得るLLTO等の無機固体電解質材料は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上であることにより、全固体電池でリチウム金属又は炭素からなる負極に接触すると、リチウム金属又は炭素により還元され、電子伝導性が付与される結果として、正極とショートを起こす。 Here, when the potential of the lithium metal is used as a reference (0V), carbon is almost 0V. For example, LLTO, which will be described later, has a potential 1.75 V higher than that of lithium metal or carbon. Therefore, when an inorganic solid electrolyte material such as LLTO that can be used for the main body 2 comes into contact with a negative electrode made of lithium metal or carbon in an all-solid-state battery because the potential difference from carbon or lithium metal is 0.1 V or more. , Lithium metal or carbon is reduced to impart electron conductivity, resulting in a short circuit with the positive electrode.

これに対し、この実施形態では、本体部2上に、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層3を形成し、還元防止層3を本体部2と負極との間に介在させる。これにより、負極の炭素又はリチウム金属による本体部2の無機固体電解質材料の還元を有効に抑制することができる。 On the other hand, in this embodiment, a reduction prevention layer 3 containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of less than 0.1V from carbon or lithium metal is formed on the main body portion 2, and the reduction prevention layer 3 is formed. 3 is interposed between the main body 2 and the negative electrode. This makes it possible to effectively suppress the reduction of the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 by the carbon or lithium metal of the negative electrode.

本体部2に含まれる酸化物系の無機固体電解質材料としては、種々のものを用いることができる。具体的には、後述する一般式(I)で表される酸化物の他、Li1+xAlxTi2-x(PO43(LATP)あるいはLi1+xAlxGe2-x(PO43(LAGP)等のNASICOM型の電解質、Li2+2xZn1-xGeO4等のLISICON型の電解質等を挙げることができる。このような無機固体電解質材料は高いイオン伝導率を有し、全固体電池の固体電解質に好適に用いることができる。 As the oxide-based inorganic solid electrolyte material contained in the main body 2, various materials can be used. Specifically, in addition to the oxide represented by the general formula (I) described later, Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (LATP) or Li 1 + x Al x Ge 2-x Examples thereof include NASICOM type electrolytes such as (PO 4 ) 3 (LAGP) and LISION type electrolytes such as Li 2 + 2x Zn 1-x GeO 4 . Such an inorganic solid electrolyte material has high ionic conductivity and can be suitably used for a solid electrolyte of an all-solid-state battery.

なかでも、本体部2の無機固体電解質材料は、一般式(I):A2/3-xLi3xTiO3で表される酸化物を含むことが、イオン伝導率、あるいは、化学的安定性の観点から好ましい。ここで、一般式(I)中、xは、0.04<x<0.14を満たし、Aは、ランタノイドから選択される一種以上の元素である。特に、上記一般式(I)中のAがLaであるLa2/3-xLi3xTiO3(0.04<x<0.14)の酸化物を含むことが好適である。上記一般式(I)中のAがLaであるペロブスカイト結晶構造の複合酸化物を、LLTOともいう。たとえば、一般式(I-a):LaxLi2-3xTiO3-aSrTiO3、一般式(I-b):LaxLi2-3xTiO3-aLa0.50.5TiO3、一般式(I-c):LaxLi2-3xTi1-aa3-a、又は、一般式(I-d):Srx-1.5aLaaLi1.5-2xTi0.5Ta0.53(一般式(I-a)~一般式(I-d)中、xは、0.55≦x≦0.59を満たし、aは、0≦a≦0.2を満たし、Mは、Al、Fe、Gaから選択される少なくとも一種である。)で表され、Al23含有量が0.35重量%以下、かつSiO2含有量が0.1重量%以下であるもの等が挙げられる。 Among them, the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 contains an oxide represented by the general formula (I): A 2 / 3-x Li 3x TiO 3 , which has ionic conductivity or chemical stability. It is preferable from the viewpoint of. Here, in the general formula (I), x satisfies 0.04 <x <0.14, and A is one or more elements selected from lanthanoids. In particular, it is preferable to contain an oxide of La 2 / 3-x Li 3x TiO 3 (0.04 <x <0.14) in which A in the general formula (I) is La. The composite oxide having a perovskite crystal structure in which A in the general formula (I) is La is also referred to as LLTO. For example, the general formula (Ia): La x Li 2-3x TIM 3-a SrTiO 3 , the general formula (Ib): La x Li 2-3x TIM 3-a La 0.5 K 0.5 TiO 3 , the general formula. (I-c): La x Li 2-3x Ti 1-a Ma O 3-a , or general formula (Id): Sr x-1.5a La a Li 1.5-2x Ti 0.5 Ta 0.5 O 3 (In the general formulas (Ia) to (Id), x satisfies 0.55 ≦ x ≦ 0.59, a satisfies 0 ≦ a ≦ 0.2, and M is Al. , Fe, Ga is at least one selected from), and examples thereof include those having an Al 2 O 3 content of 0.35% by weight or less and a SiO 2 content of 0.1% by weight or less. Will be.

本体部2の無機固体電解質材料が、上記一般式(I)で表される酸化物を含むことは、本体部2の断面から採取したサンプルに対してX線回折法を実施するにより確認することができる。X線回折法では、PANalytical X’pert Proにより得られた無機固体電解質材料のX線回折パターンを、ICDDデータベース(PANalytical Example DatabaseとPDF-4+ 2019RDB)と照合して、無機固体電解質材料中に含まれる上記一般式(I)で表される酸化物を同定する。 It is confirmed by performing an X-ray diffraction method on a sample collected from the cross section of the main body 2 that the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 contains an oxide represented by the above general formula (I). Can be done. In the X-ray diffraction method, the X-ray diffraction pattern of the inorganic solid electrolyte material obtained by PANalytical X'pert Pro is collated with the ICDD database (PANNalytical Exchange Database and PDF-4 + 2019RDB) and contained in the inorganic solid electrolyte material. The oxide represented by the above general formula (I) is identified.

ここでは、X線回折法により得られノイズを除去した無機固体電解質材料のX線回折パターンを上記ICDDデータベースと照合して、該無機固体電解質材料のX線回折パターン中に上記一般式(I)で表される酸化物のX線回折パターンが存在すると認められる場合に、無機固体電解質材料中に上記一般式(I)で表される酸化物が含まれていると判断する。一方、同様に上記ICDDデータベースと照合して、該無機固体電解質材料のX線回折パターン中に上記一般式(I)で表される酸化物のX線回折パターンが存在しないと認められる場合には、無機固体電解質材料中に上記一般式(I)で表される酸化物が含まれていないと判断する。なお、一般式(I)で表される酸化物以外の他の酸化物系の無機固体電解質材料もほぼ同様にして判断することができる。 Here, the X-ray diffraction pattern of the inorganic solid electrolyte material obtained by the X-ray diffraction method and from which noise has been removed is collated with the ICDD database, and the general formula (I) is included in the X-ray diffraction pattern of the inorganic solid electrolyte material. When it is recognized that the X-ray diffraction pattern of the oxide represented by the above is present, it is determined that the inorganic solid electrolyte material contains the oxide represented by the above general formula (I). On the other hand, when it is similarly collated with the ICDD database and it is recognized that the X-ray diffraction pattern of the oxide represented by the general formula (I) does not exist in the X-ray diffraction pattern of the inorganic solid electrolyte material. , It is determined that the inorganic solid electrolyte material does not contain the oxide represented by the above general formula (I). In addition, an oxide-based inorganic solid electrolyte material other than the oxide represented by the general formula (I) can be determined in substantially the same manner.

本体部2の無機固体電解質材料中の上記一般式(I)で表される酸化物は、酸素の一部がFやClなどの他の元素に置換されている場合や、遷移金属の一部が、Fe、Cr、Ti、Nb、W、Mo、Na、K、Mg、Caなどの他の金属で置換されている場合がある。また、上記一般式(I)で表される酸化物の化学量論組成に対してLiや酸素が過剰か欠損の場合もある。また、無機固体電解質材料中の上記一般式(I)で表される酸化物の結晶構造に歪みが生じている場合もある。上記のような酸化物の化学量論組成に対して構成元素の置換、欠損もしくは過剰の場合、または結晶構造に歪みが生じた場合についても、無機固体電解質材料としての特性に変化が生じない範囲内であれば、上記一般式(I)で表される酸化物として許容されるものとする。
構成元素が欠損している酸化物や構成元素が過剰な酸化物の各X線回折パターンを上記ICDDデータベースに照合した場合、上記一般式(I)で表される酸化物のX線回折パターンからピークがシフト(ピークシフト)する可能性がある。そのようなピークシフトについては、上記ICDDデータベースのリファレンス値に対して±10%以内であれば、無機固体電解質材料中に上記一般式(I)で表される化合物が含まれていると判断する。
The oxide represented by the above general formula (I) in the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 is a case where a part of oxygen is replaced with another element such as F or Cl, or a part of a transition metal. May be replaced with other metals such as Fe, Cr, Ti, Nb, W, Mo, Na, K, Mg, Ca. In addition, Li and oxygen may be excessive or deficient with respect to the stoichiometric composition of the oxide represented by the general formula (I). Further, the crystal structure of the oxide represented by the above general formula (I) in the inorganic solid electrolyte material may be distorted. The range in which the characteristics as an inorganic solid electrolyte material do not change even when the constituent elements are replaced, deleted or excessive with respect to the chemical quantitative composition of the oxide as described above, or when the crystal structure is distorted. If it is within, it is assumed that it is acceptable as an oxide represented by the above general formula (I).
When each X-ray diffraction pattern of an oxide lacking a constituent element or an oxide having an excess constituent element is collated with the above ICDD database, the X-ray diffraction pattern of the oxide represented by the above general formula (I) is obtained. The peak may shift (peak shift). If the peak shift is within ± 10% of the reference value of the ICDD database, it is determined that the inorganic solid electrolyte material contains the compound represented by the general formula (I). ..

本体部2には、無機固体電解質材料として上記一般式(I)で表される酸化物が、99.0質量%以上で含まれることが好ましく、さらに99.5質量%以上で含まれることがより一層好ましい。この酸化物の含有量は多いほど望ましいので、その好ましい上限値は特にないが、たとえば99.999質量%以下、典型的には99.99質量%以下になることがある。当該酸化物の含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma)により測定する。
本体部2は、上記一般式(I)で表される酸化物の他、不純物として、Si、Al及びFeからなる群から選択される少なくとも一種を含むことがある。当該無機固体電解質材料中の不純物の含有量は、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下である。
The main body 2 preferably contains an oxide represented by the above general formula (I) as an inorganic solid electrolyte material in an amount of 99.0% by mass or more, and more preferably 99.5% by mass or more. Even more preferable. Since the higher the content of this oxide is, the more desirable it is, there is no particular preferable upper limit value thereof, but it may be, for example, 99.999% by mass or less, typically 99.99% by mass or less. The content of the oxide is measured by ICP (Inductively Coupled Plasma).
In addition to the oxide represented by the general formula (I), the main body 2 may contain at least one selected from the group consisting of Si, Al and Fe as impurities. The content of impurities in the inorganic solid electrolyte material is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less.

固体電解質1の本体部2上に形成する還元防止層3は、本体部2の無機固体電解質材料に比して電位が低い酸化物系の無機固体電解質材料を含むものとする。このような還元防止層3を本体部2と負極との間に介在させることにより、負極の炭素又はリチウム金属で本体部2の無機固体電解質材料が還元されることを有効に防止することができる。なお、種々の無機固体電解質材料の電位は解明されており、そのような電位が記載された文献としては、たとえば、Yizhou Zhu et al.,“Origin of Outstanding Stability in the Lithium Solid Electrolyte Materials: Insights from Thermodynamic Analyses Based on First-Principles Calculations”, ACS, Applied Materials & Interfaces, October 6, 2015, p. 23685-23693等がある。
なお、炭素又はリチウム金属により還元される反応が起こる本体部2の無機固体電解質材料は、その電位とリチウム金属の電位との電位差が0.1V以上であるものとする。
The reduction prevention layer 3 formed on the main body 2 of the solid electrolyte 1 is assumed to contain an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a lower potential than the inorganic solid electrolyte material of the main body 2. By interposing such a reduction prevention layer 3 between the main body 2 and the negative electrode, it is possible to effectively prevent the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 from being reduced by the carbon or lithium metal of the negative electrode. .. The potentials of various inorganic solid electrolyte materials have been elucidated, and as a document describing such potentials, for example, Yizhou Zhu et al., "Origin of Outstanding Stability in the Lithium Solid Electrolyte Materials: Insights from" Thermodynamic Analyses Based on First-Principles Calculations ”, ACS, Applied Materials & Interfaces, October 6, 2015, p. 23685-23693, etc.
It is assumed that the potential difference between the potential and the potential of the lithium metal of the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 in which the reaction reduced by carbon or lithium metal occurs is 0.1 V or more.

還元防止層3は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満であるものとする。
具体的には、還元防止層3の無機固体電解質材料としては、Li3BO3、Li247、Li2CO3-Li3BO3、BLiO2、Li2O、Li3PO4、Li7La3Zr212(LLZO)、Li3BO3-Li2SO4、Li-Co-PO4等を挙げることができるが、これに限定されない。
It is assumed that the reduction prevention layer 3 has a potential difference of less than 0.1 V from carbon or lithium metal.
Specifically, as the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer 3, Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 , BLiO 2 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4, Li-Co-PO 4 , and the like, but are not limited thereto.

還元防止層3の無機固体電解質材料は、リチウムを含有する酸化物を含むことが好ましい。具体的には、還元防止層3の無機固体電解質材料は、導電率が高いこと、あるいは、入手しやすい材料であることの観点から、Li3BO3、Li247、Li2CO3-Li3BO3、BLiO2、Li2O、Li3PO4、Li7La3Zr212(LLZO)、Li3BO3-Li2SO4及びLi-Co-PO4からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好適である。
還元防止層3の無機固体電解質材料に、Li3BO3、Li247、Li2CO3-Li3BO3、BLiO2、Li2O、Li3PO4、Li7La3Zr212(LLZO)、Li3BO3-Li2SO4、Li-Co-PO4等が含まれているかどうかは、上記一般式(I)で表される酸化物の確認のために行うものとして先述したX線回折法と実質的に同様の手法及び手順にて確認することができる。
The inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer 3 preferably contains an oxide containing lithium. Specifically, the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer 3 has high conductivity or is easily available, so Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , and Li 2 CO. Group consisting of 3 -Li 3 BO 3 , BLiO 2 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 and Li-Co-PO 4 . It is preferable to include at least one selected from.
Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 , BLiO 2 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 7 La 3 Zr as the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer 3. Whether or not 2 O 12 (LLZO), Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 , Li-Co-PO 4 , etc. are contained is checked for confirmation of the oxide represented by the above general formula (I). As a matter of fact, it can be confirmed by the same method and procedure as the above-mentioned X-ray diffractometry.

還元防止層3は、無機固体電解質材料としてLi3BO3、Li247、Li2CO3-Li3BO3、BLiO2、Li2O、Li3PO4、Li7La3Zr212(LLZO)、Li3BO3-Li2SO4及びLi-Co-PO4からなる群から選択される少なくとも一種を、複数種含む場合はそれらの合計で、好ましくは99.90質量%で含まれることが好ましく、さらに99.5質量%以上で含まれることがより一層好ましい。 The reduction prevention layer 3 is an inorganic solid electrolyte material such as Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 , BLiO 2 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 7 La 3 Zr. If at least one selected from the group consisting of 2 O 12 (LLZO), Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 and Li-Co-PO 4 is contained, the total of them is preferably 99.90 mass. It is preferably contained in%, and more preferably 99.5% by mass or more.

ところで、固体電解質1中の還元防止層3の厚みTpは、好ましくは1μm~40μm、好ましくは、2μm~30μmである。還元防止層3の厚みTpを上記範囲内にすることにより、負極の材料による本体部2の無機固体電解質材料の還元を有効に抑制することができる。還元防止層3の厚みTpが1μm未満であると、負極の材料による本体部2の無機固体電解質材料の還元を抑制できない場合がある。還元防止層3の厚みTpが40μm超であると、試薬量の増加、あるいは、作業の手間が増加する場合がある。還元防止層3の厚みTpは、反射電子像、あるいは、EDSのマッピングの画像解析により測定する。 By the way, the thickness Tp of the reduction prevention layer 3 in the solid electrolyte 1 is preferably 1 μm to 40 μm, preferably 2 μm to 30 μm. By setting the thickness Tp of the reduction prevention layer 3 within the above range, it is possible to effectively suppress the reduction of the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 by the material of the negative electrode. If the thickness Tp of the reduction prevention layer 3 is less than 1 μm, it may not be possible to suppress the reduction of the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 by the material of the negative electrode. If the thickness Tp of the reduction prevention layer 3 is more than 40 μm, the amount of reagents may increase or the labor of work may increase. The thickness Tp of the reduction prevention layer 3 is measured by a reflected electron image or an image analysis of EDS mapping.

なお、本体部2の厚みTbは、たとえば0.8mm~2.0mm、典型的には1.0mm~1.5mmである。本体部2の厚みTbは、ノギスにより測定する。 The thickness Tb of the main body 2 is, for example, 0.8 mm to 2.0 mm, typically 1.0 mm to 1.5 mm. The thickness Tb of the main body 2 is measured with a caliper.

仮に図1に示すように本体部2が平板等の板状である場合、その板状の本体部2の互いに反対側を向く二つの表面S1及びS2のうち、全固体電池で負極が設けられる側である一方の表面S1だけに還元防止層3が形成されていることが好ましい。本体部2の無機固体電解質材料は正極の材料によっては還元されないので、正極が設けられる側である本体部2の他方の表面S2には、還元防止層を形成することを要しない。この場合、他方の表面S2側では、本体部2の望ましい無機固体電解質材料による高いイオン伝導率を実現することができる。 If the main body 2 is in the shape of a plate such as a flat plate as shown in FIG. 1, a negative electrode is provided in an all-solid-state battery among the two surfaces S1 and S2 of the plate-shaped main body 2 facing opposite sides. It is preferable that the reduction prevention layer 3 is formed only on one surface S1 on the side. Since the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 is not reduced depending on the material of the positive electrode, it is not necessary to form a reduction prevention layer on the other surface S2 of the main body 2 on the side where the positive electrode is provided. In this case, on the other surface S2 side, high ionic conductivity due to the desirable inorganic solid electrolyte material of the main body 2 can be realized.

またここでは、還元防止層3が、本体部2の表面S1の全体を覆って形成されていることが好適である。そのようにすることで、本体部2の表面S1の全体にわたる還元防止層3により、本体部2の表面S1の全域が、負極の材料によって還元されることをより一層有効に抑制することができる。 Further, here, it is preferable that the reduction prevention layer 3 is formed so as to cover the entire surface S1 of the main body portion 2. By doing so, it is possible to more effectively suppress the reduction of the entire surface S1 of the main body 2 by the material of the negative electrode by the reduction prevention layer 3 over the entire surface S1 of the main body 2. ..

上述したような固体電解質1を、たとえば二次電池の発電材料に適用する場合、27℃で測定したときのリチウムイオン伝導率は、たとえば2.5×10-4Scm-1以上、さらに2.7×10-4Scm-1以上であることが好ましい。固体電解質1のリチウムイオン伝導率を測定するには、インピーダンス法を用いる。
インピーダンス法による固体電解質1のリチウムイオン伝導率の測定例は、以下に示すとおりである。1MのLiCl水溶液を、10mm角の2枚の濾紙に染み込ませ、厚さ2mmの固体電解質1のプレートの両面に貼り付ける。固体電解質1は14mm角、濾紙は10mm角で用意する。これを、ステンレス鋼からなる電極で挟み込む。ここでは、濾紙に染み込ませたLiCl水溶液が電解質として用いられる。固体電解質1の粒界の影響を明らかにするために、リチウムイオン伝導率は、13MHzまで5Hzの周波数レンジで、LCRメータ(ヒューレッドパッカード社製、HP4192A)を用いたACインピーダンス法で測定する。
When the solid electrolyte 1 as described above is applied to a power generation material of a secondary battery, for example, the lithium ion conductivity when measured at 27 ° C. is, for example, 2.5 × 10 -4 Scm -1 or more, and further 2. It is preferably 7 × 10 -4 Scm -1 or more. An impedance method is used to measure the lithium ion conductivity of the solid electrolyte 1.
An example of measuring the lithium ion conductivity of the solid electrolyte 1 by the impedance method is as shown below. A 1 M aqueous solution of LiCl is impregnated into two 10 mm square filter papers and attached to both sides of a plate of a solid electrolyte 1 having a thickness of 2 mm. The solid electrolyte 1 is prepared in a 14 mm square and the filter paper is prepared in a 10 mm square. This is sandwiched between electrodes made of stainless steel. Here, the LiCl aqueous solution soaked in the filter paper is used as the electrolyte. In order to clarify the influence of the grain boundary of the solid electrolyte 1, the lithium ion conductivity is measured by the AC impedance method using an LCR meter (HP4192A, manufactured by Hured Packard) in a frequency range of 5 Hz up to 13 MHz.

この実施形態の固体電解質1は、本体部2及び還元防止層3のそれぞれが無機固体電解質材料により構成されていることから、特許文献1に記載されているような高分子固体電解質材料を含む固体電解質に比して、上述したような高いイオン伝導率を実現することができる。それにより、固体電解質1を用いて作製された全固体電池は、常圧かつ常温でも所要の性能を発揮することが可能になる。 In the solid electrolyte 1 of this embodiment, since each of the main body 2 and the reduction prevention layer 3 is made of an inorganic solid electrolyte material, a solid containing a polymer solid electrolyte material as described in Patent Document 1. Compared to the electrolyte, high ionic conductivity as described above can be realized. As a result, the all-solid-state battery manufactured by using the solid electrolyte 1 can exhibit the required performance even at normal pressure and normal temperature.

なお一般に固体電解質とは、外部から加えられた電場によってイオン(帯電した物質)を移動させることができる固体と認識されている。また、固体電解質からは、イオンの移動を利用して電力を取り出すこともできる。この発明の実施形態の固体電解質1は、二次電池の発電材料や電解コンデンサの電極導体に用いることができる他、ガスセンサやガス分離・製造などの各種の固体電解質デバイスへ適用することも考えられる。 It should be noted that a solid electrolyte is generally recognized as a solid capable of moving ions (charged substances) by an electric field applied from the outside. In addition, electric power can be extracted from the solid electrolyte by utilizing the movement of ions. The solid electrolyte 1 of the embodiment of the present invention can be used as a power generation material for a secondary battery or an electrode conductor of an electrolytic capacitor, and may also be applied to various solid electrolyte devices such as gas sensors and gas separation / manufacturing. ..

(全固体電池)
上述した固体電解質1を用いて全固体電池を作製するには、固体電解質1の表面S1側にある還元防止層3上に、負極活物質粒子を配置するとともに、固体電解質1の表面S2上に正極活物質粒子を配置する。そして、それらの正極活物質粒子及び負極活物質粒子を、それらの間の固体電解質1とともに所定の温度に加熱して焼結させる。これにより、正極活物質粒子が焼結してなる層状の正極と、負極活物質粒子が焼結してなる層状の負極と、正極及び負極の相互間に位置する固体電解質1とを備える全固体電池が得られる。この全固体電池では、固体電解質1の本体部2と、負極との間に還元防止層3が介在されているので、負極の材料である炭素又はリチウム金属等による本体部2の無機固体電解質材料の還元を有効に抑制することができる。
(All solid state battery)
In order to manufacture an all-solid battery using the above-mentioned solid electrolyte 1, the negative electrode active material particles are arranged on the reduction prevention layer 3 on the surface S1 side of the solid electrolyte 1, and the negative electrode active material particles are arranged on the surface S2 of the solid electrolyte 1. Place positive electrode active material particles. Then, the positive electrode active material particles and the negative electrode active material particles are heated to a predetermined temperature together with the solid electrolyte 1 between them and sintered. As a result, an all-solid state including a layered positive electrode formed by sintering positive electrode active material particles, a layered negative electrode formed by sintering negative electrode active material particles, and a solid electrolyte 1 located between the positive electrode and the negative electrode. Batteries are obtained. In this all-solid-state battery, since the reduction prevention layer 3 is interposed between the main body 2 of the solid electrolyte 1 and the negative electrode, the inorganic solid electrolyte material of the main body 2 made of carbon or lithium metal, which is the material of the negative electrode, is used. The reduction of the above can be effectively suppressed.

正極や負極内には、一部の酸化物系の無機固体電解質材料が存在する場合がある。この場合、正極や負極でのイオン伝導経路が確保されて、高い伝導率を有するものになる。
全固体電池は、正極及び負極のそれぞれの外側に、それらの正極、固体電解質及び負極を両側から挟むように設けられる集電体をさらに備えることが一般的である。
このような全固体電池は、真空蒸着法等の気相法により薄膜を積層させて形成される薄膜型の全固体電池と区別して、バルク型の全固体電池と称されることがある。
Some oxide-based inorganic solid electrolyte materials may be present in the positive electrode and the negative electrode. In this case, the ionic conduction path at the positive electrode and the negative electrode is secured, and the conductor has high conductivity.
The all-solid-state battery is generally further provided with a current collector provided on the outside of each of the positive electrode and the negative electrode so as to sandwich the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode from both sides.
Such an all-solid-state battery may be referred to as a bulk-type all-solid-state battery in distinction from a thin-film type all-solid-state battery formed by laminating thin films by a vapor phase method such as a vacuum vapor deposition method.

(製造方法)
先に述べた固体電解質1を製造する方法の一例は、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む板材、及び、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層を構成する原料粉をそれぞれ準備する原料準備工程と、前記原料粉を含むスラリー又は溶解液を作製する液作製工程と、前記板材上に前記スラリー又は前記溶解液をコーティングするコーティング工程と、前記板材を該板材上にコーティングされた前記スラリー又は前記溶解液とともに、450℃~650℃に加熱する焼成工程とを含む。
(Production method)
An example of the method for producing the solid electrolyte 1 described above is a plate material containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from carbon or lithium metal, and a potential difference from carbon or lithium metal. A raw material preparation step for preparing raw material powders constituting a reduction prevention layer containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a value of less than 0.1 V, and a liquid preparation step for preparing a slurry or a solution containing the raw material powder. The plate includes a coating step of coating the plate material with the slurry or the solution, and a baking step of heating the plate together with the slurry or the solution coated on the plate to 450 ° C. to 650 ° C.

原料準備工程では、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む板材と、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層を構成する原料粉とをそれぞれ準備する。 In the raw material preparation step, a plate material containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from carbon or lithium metal and an oxide-based material having a potential difference of less than 0.1 V from carbon or lithium metal. Prepare raw material powders constituting the reduction prevention layer containing the inorganic solid electrolyte material.

ここで、上記の板材としては、既に作製されたものを用いることもできるが、次に述べるようにして作製することができる。但し、この作製方法に限らない。
はじめに、リチウム原料として水酸化リチウム、炭酸リチウム等のリチウム化合物と、チタン原料として酸化チタン、メタチタン酸、オルトチタン酸等のチタン化合物(たとえば平均粒径D50:0.1μm~1.0μm、BET比表面積:5.0m2/g~100.0m2/g)と、ランタン原料として酸化ランタンとをそれぞれ、いずれも粉末状のものとして用意する。なお必要に応じて、Sr、K、Fe、Ga及びTaからなる群から選択される少なくとも一種の水酸化物、塩化物及び/又は炭酸塩等も用意する。
Here, as the above-mentioned plate material, those already produced can be used, but they can be produced as described below. However, the method is not limited to this manufacturing method.
First, lithium compounds such as lithium hydroxide and lithium carbonate are used as lithium raw materials, and titanium compounds such as titanium oxide, metatitanic acid and orthotitanic acid are used as titanium raw materials (for example, average particle size D50: 0.1 μm to 1.0 μm, BET ratio). Surface area: 5.0 m 2 / g to 100.0 m 2 / g) and lanthanum oxide as a lantern raw material are both prepared in the form of powder. If necessary, at least one hydroxide, chloride and / or carbonate selected from the group consisting of Sr, K, Fe, Ga and Ta is also prepared.

次いで、第一湿式粉砕として、上記のリチウム原料、チタン原料及びランタン原料等の原料を所定のモル比で、ボールミル等にて、純水とエタノール等の混合溶媒と混合して粉砕する。粉砕の後、スプレードライヤー乾燥機、流動層乾燥機、転動造粒乾燥機、凍結乾燥機または熱風乾燥機等を用いて乾燥し、第一粉砕粉末を得る。その後、仮焼として、第一粉砕粉末を、酸素もしくは大気雰囲気または、窒素等の不活性ガス雰囲気の下、1000℃~1200℃で1時間~12時間にわたって加熱し、これにより仮焼粉末が得られる。 Next, as the first wet pulverization, the above-mentioned raw materials such as lithium raw material, titanium raw material and lantern raw material are mixed with a mixed solvent such as pure water and ethanol at a predetermined molar ratio by a ball mill or the like and pulverized. After pulverization, it is dried using a spray dryer dryer, a fluidized bed dryer, a rolling granulation dryer, a freeze dryer, a hot air dryer, or the like to obtain a first pulverized powder. Then, as calcination, the first pulverized powder is heated at 1000 ° C. to 1200 ° C. for 1 to 12 hours under an oxygen or atmospheric atmosphere or an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, whereby the calcination powder is obtained. Be done.

さらにその後、第二湿式粉砕として、仮焼粉末を、ボールミル等で溶媒を加えて粉砕した後に乾燥し、第二粉砕粉末を得る。しかる後、乾式粉砕として、ボールミル等を用いて第二粉砕粉末を乾式で粉砕し、さらに必要に応じて乾式もしくは湿式のジェットミル等による微粒子化を行った後に、固体電解質粒子が得られる。
上記の固体電解質粒子に対しては、たとえば、80MPa~120MPa、好ましくは、100MPa~120MPaの一軸圧縮及び、1300℃~1450℃、好ましくは、1350℃~1450℃の加熱焼結等を施すことにより、固体電解質粒子を焼結体の板材に形成する。なお板材は、製造される固体電解質1で本体部2を構成するものになる。
After that, as the second wet pulverization, the calcined powder is pulverized by adding a solvent with a ball mill or the like and then dried to obtain a second pulverized powder. Then, as dry pulverization, the second pulverized powder is pulverized by a dry method using a ball mill or the like, and further atomized by a dry or wet jet mill or the like as necessary, and then solid electrolyte particles are obtained.
The solid electrolyte particles are subjected to, for example, uniaxial compression of 80 MPa to 120 MPa, preferably 100 MPa to 120 MPa, and heat sintering of 1300 ° C to 1450 ° C, preferably 1350 ° C to 1450 ° C. , Solid electrolyte particles are formed on the plate material of the sintered body. The plate material is made of the manufactured solid electrolyte 1 to form the main body 2.

またここで、上記の原料粉は、製造しようとする固体電解質1の還元防止層3の無機固体電解質材料に応じたものを準備する。たとえば、還元防止層3がLi3BO3を含むものとする場合は、原料粉として水酸化リチウム粉末及びホウ酸粉末を準備する。還元防止層3がLi247を含むものとする場合は、原料粉として(水酸化リチウム)粉末及び(ホウ酸)粉末を準備する。還元防止層3がLi2CO3-Li3BO3を含むものとする場合は、原料粉として(炭酸リチウム)粉末及び(ホウ酸)粉末を準備する。還元防止層3がBLiO2を含むものとする場合は、原料粉として(水酸化リチウム)粉末及び(ホウ酸)粉末を準備する。還元防止層3がLi2Oを含むものとする場合は、原料粉としてLi2O粉末を準備する。還元防止層3がLi3PO4を含むものとする場合は、原料粉として(水酸化リチウム)粉末及び(リン酸)粉末を準備する。 Further, here, the above-mentioned raw material powder is prepared according to the inorganic solid electrolyte material of the reduction prevention layer 3 of the solid electrolyte 1 to be produced. For example, when the reduction prevention layer 3 contains Li 3 BO 3 , lithium hydroxide powder and boric acid powder are prepared as raw material powders. When the reduction prevention layer 3 contains Li 2 B 4 O 7 , (lithium hydroxide) powder and (boric acid) powder are prepared as raw material powders. When the reduction prevention layer 3 contains Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 , (lithium carbonate) powder and (boric acid) powder are prepared as raw material powders. When the reduction prevention layer 3 contains BLiO 2 , (lithium hydroxide) powder and (boric acid) powder are prepared as raw material powders. When the reduction prevention layer 3 contains Li 2 O, Li 2 O powder is prepared as a raw material powder. When the reduction prevention layer 3 contains Li 3 PO 4 , (lithium hydroxide) powder and (phosphoric acid) powder are prepared as raw material powders.

スラリー又は溶解液を作製する液作製工程では、上記の原料粉を純水等の液体に添加して、該液体中に原料粉が懸濁したスラリー又は溶解した溶解液を作製する。原料粉の一部は液体中に溶解することがある。
ここでは、スラリーを作製する場合は、原料粉を、室温で液体に添加する。また、溶解液を作製する場合は、原料粉を室温~90℃で液体に添加する。
In the liquid preparation step for producing a slurry or a solution, the above-mentioned raw material powder is added to a liquid such as pure water to prepare a slurry or a dissolved solution in which the raw material powder is suspended in the liquid. Some of the raw material powder may dissolve in the liquid.
Here, when preparing a slurry, the raw material powder is added to the liquid at room temperature. When preparing a solution, the raw material powder is added to the liquid at room temperature to 90 ° C.

コーティング工程では、板材上にスラリー又は溶解液をコーティングする。図1に例示するように、本体部2の一方の表面S1だけに還元防止層3が形成された固体電解質1を製造する場合、平板等の板材の一方の表面だけにスラリー又は溶解液をコーティングする。 In the coating step, the slurry or solution is coated on the plate material. As illustrated in FIG. 1, when the solid electrolyte 1 in which the reduction prevention layer 3 is formed only on one surface S1 of the main body portion 2, the slurry or the solution is coated on only one surface of a plate material such as a flat plate. do.

コーティング工程では、板材上にスラリー又は溶解液を均一にコーティングするとの観点から、スピンコーターを用いることが好ましい。スピンコーターは、基材を高速で回転させ、遠心力の作用に基いて該基材上に薄膜を形成する装置であり、スピンコートとも称され得る。
スピンコーターを用いる場合、スピンコーターにセットした板材は特に1000rpm~2000rpmの速度で回転させることが好ましい。
In the coating step, it is preferable to use a spin coater from the viewpoint of uniformly coating the slurry or the solution on the plate material. A spin coater is a device that rotates a base material at a high speed to form a thin film on the base material based on the action of centrifugal force, and may also be referred to as spin coating.
When a spin coater is used, it is particularly preferable that the plate material set in the spin coater is rotated at a speed of 1000 rpm to 2000 rpm.

焼成工程では、上記の板材を、その板材上にコーティングされたスラリー又は溶解液とともに加熱して、スラリー又は溶解液中の原料粉を焼結させる。
このとき、加熱温度450℃~650℃とすることが重要である。加熱温度が650℃を超える場合は、板材の無機固体電解質と、スラリー又は溶解液中のLi3BO3等の原料粉との反応が生じやすくなって、それらの界面でイオン伝導率が低下する。なお、加熱温度が450℃未満である場合は、焼結が十分に進まないことがある。このような観点から、加熱温度は450℃~650℃とすることが好ましく、470℃~600℃とすることがさらに好ましい。
In the firing step, the above plate material is heated together with the slurry or solution coated on the plate material to sinter the raw material powder in the slurry or solution.
At this time, it is important to set the heating temperature to 450 ° C to 650 ° C. When the heating temperature exceeds 650 ° C, the reaction between the inorganic solid electrolyte of the plate material and the raw material powder such as Li 3 BO 3 in the slurry or the solution is likely to occur, and the ionic conductivity decreases at the interface between them. .. If the heating temperature is less than 450 ° C., sintering may not proceed sufficiently. From such a viewpoint, the heating temperature is preferably 450 ° C. to 650 ° C., and more preferably 470 ° C. to 600 ° C.

焼成工程で上記の温度を保持する時間は、好ましくは2時間~6時間、より好ましくは3時間~5時間とする。保持時間が6時間超であると、還元防止層を構成する原料粉中のLiが飛沫するため、イオン伝導性が低下する場合がある。また保持時間が短すぎると、本体部の無機固体材料と還元防止層を構成する原料粉とが反応せず、還元防止層を形成しない場合がある。 The time for maintaining the above temperature in the firing step is preferably 2 hours to 6 hours, more preferably 3 hours to 5 hours. If the holding time is more than 6 hours, Li in the raw material powder constituting the reduction prevention layer is splashed, so that the ionic conductivity may decrease. If the holding time is too short, the inorganic solid material of the main body and the raw material powder constituting the reduction prevention layer may not react with each other to form the reduction prevention layer.

焼成工程を経ることにより、板材上でスラリー中の原料粉が焼結して層状の焼結体になり、板材に対応する本体部2上に、該焼結体の還元防止層3が形成された固体電解質1を製造することができる。 Through the firing step, the raw material powder in the slurry is sintered on the plate material to form a layered sintered body, and the reduction prevention layer 3 of the sintered body is formed on the main body portion 2 corresponding to the plate material. Solid electrolyte 1 can be produced.

次に、この発明の固体電解質を試作したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。 Next, since the solid electrolyte of the present invention was prototyped, it will be described below. However, the description here is for the purpose of mere illustration, and is not intended to be limited thereto.

(実施例1)
主として炭素又はリチウム金属との電位差が1.75VであるLLTO(東邦チタニウム社製)からなる1mmの平板状の板材上に、炭素又はリチウム金属との電位差が0VであるLi3BO3を含む還元防止層を形成するため、2gのLi3BO3を乳鉢で粉砕し、得られた粉砕物を水20gに分散させ、Li3BO3スラリーを調整した。
次いで、スピンコーター ACT-300A II(アクティブ社製)に板材をセットし、該板材を、大気雰囲気下(温度20℃、湿度30%)で、調整したLi3BO3スラリーを1滴につき0.5gのスポイトで5滴滴下と同時に、1000rpm、30秒間の条件でスピンコートし、更に、2000rpm、10秒間の条件でスピンコートした。
次いで、乾燥機で90℃、10分間の乾燥を行った。
次いで、上記スピンコートと乾燥とを5回繰り返した後、500℃(昇温速度:10℃/min)、4時間の加熱処理を行った。
以上により、スラリー中の原料粉が板材上で焼結して、本体部の一方の表面上に還元防止層であるLi3BO3が形成された固体電解質(実施例1の固体電解質)が得られた。
(Example 1)
Reduction containing Li 3 BO 3 having a potential difference of 0 V from carbon or lithium metal on a 1 mm flat plate made of LLTO (manufactured by Toho Titanium) having a potential difference of 1.75 V mainly from carbon or lithium metal. To form the protective layer, 2 g of Li 3 BO 3 was crushed in a mortar and the resulting pulverized material was dispersed in 20 g of water to prepare a Li 3 BO 3 slurry.
Next, a plate material was set on the spin coater ACT-300A II (manufactured by Active Co., Ltd.), and the plate material was prepared with Li 3 BO 3 slurry in an air atmosphere (temperature 20 ° C., humidity 30%) at 0. At the same time as dropping 5 drops with a 5 g dropper, spin coating was performed under the conditions of 1000 rpm for 30 seconds, and further, spin coating was performed under the conditions of 2000 rpm for 10 seconds.
Then, it was dried in a dryer at 90 ° C. for 10 minutes.
Then, after repeating the above spin coating and drying 5 times, heat treatment was performed at 500 ° C. (heating rate: 10 ° C./min) for 4 hours.
As a result, the raw material powder in the slurry is sintered on the plate material, and a solid electrolyte (solid electrolyte of Example 1) in which Li 3 BO 3 which is a reduction prevention layer is formed on one surface of the main body is obtained. Was done.

<膜厚測定>
本体部上に形成された還元防止層について、ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡 JSM-7900F(日本電子社製)を用い、下記の測定条件で、膜厚を測定した結果、10μmであった。結果を表1に示す。
加速電圧 :10kV
測定距離 :10mm
検出器 :RBSD
測定モード :反射電子像
試料白金蒸着:40秒
<Film thickness measurement>
The thickness of the reduction prevention layer formed on the main body was 10 μm as a result of measuring the film thickness under the following measurement conditions using a Schottky field emission scanning electron microscope JSM-7900F (manufactured by JEOL Ltd.). The results are shown in Table 1.
Acceleration voltage: 10kV
Measurement distance: 10 mm
Detector: RBSD
Measurement mode: Reflected electron image Sample platinum vapor deposition: 40 seconds

<イオン伝導率測定>
実施例1の固体電解質のイオン伝導率を先述した方法により測定したところ、イオン伝導率は2.7×10-4S/cmであった。結果を表1に示す。
<Measurement of ionic conductivity>
When the ionic conductivity of the solid electrolyte of Example 1 was measured by the method described above, the ionic conductivity was 2.7 × 10 -4 S / cm. The results are shown in Table 1.

<耐還元性の目視評価>
実施例1の固体電解質の本体部上に形成された還元防止層上に、Li箔を貼り合わせてプレス加工した後、大気雰囲気下(20℃、湿度30%)で72時間放置し、下記の評価基準を用いて、目視評価により耐還元性を評価した。結果を表1に示す。
<評価基準>
- 変化なし
+ 僅かに灰色の着色を認めた
++ 灰色の着色を認めた
<Visual evaluation of reduction resistance>
A Li foil is bonded onto the reduction prevention layer formed on the main body of the solid electrolyte of Example 1 and press-processed, and then left to stand in an air atmosphere (20 ° C., humidity 30%) for 72 hours, as described below. The reduction resistance was evaluated by visual evaluation using the evaluation criteria. The results are shown in Table 1.
<Evaluation criteria>
-No change + Slight gray coloring was observed ++ Gray coloring was observed

(実施例2)
11.6gのLiOHと10gのH3BO3とを室温(20℃)の水125mLに溶解させた溶解液を調整した。
調整した該溶解液でスピンコートする以外は、実施例1の同様の方法で、本体部の一方の表面上に還元防止層であるLi3BO3が形成された固体電解質(実施例2の固体電解質)を得た。
また、実施例1の同様の方法により、膜厚測定、イオン伝導率測定、耐還元性の目視評価を行った。
以上の結果を、表1に示す。
(Example 2)
A solution was prepared by dissolving 11.6 g of LiOH and 10 g of H 3 BO 3 in 125 mL of water at room temperature (20 ° C.).
A solid electrolyte in which the anti-reduction layer Li 3 BO 3 is formed on one surface of the main body by the same method as in Example 1 except for spin coating with the prepared solution (solid of Example 2). Electrolyte) was obtained.
Further, the film thickness measurement, the ionic conductivity measurement, and the reduction resistance were visually evaluated by the same method of Example 1.
The above results are shown in Table 1.

(実施例3)
11.6gのLiOHと10gのH3BO3とを90℃の水125mLに溶解させた溶解液を調整した。
調整した該溶解液でスピンコートする以外は、実施例1の同様の方法で、本体部の一方の表面上に還元防止層であるLi3BO3が形成された固体電解質(実施例3の固体電解質)を得た。
また、実施例1の同様の方法により、膜厚測定、イオン伝導率測定、耐還元性の目視評価を行った。
以上の結果を、表1に示す。
(Example 3)
A solution was prepared by dissolving 11.6 g of LiOH and 10 g of H 3 BO 3 in 125 mL of water at 90 ° C.
A solid electrolyte in which the anti-reduction layer Li 3 BO 3 is formed on one surface of the main body by the same method as in Example 1 except for spin coating with the prepared solution (solid of Example 3). Electrolyte) was obtained.
Further, the film thickness measurement, the ionic conductivity measurement, and the reduction resistance were visually evaluated by the same method of Example 1.
The above results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1で用いた主としてLLTOからなる平板状の板材上に、還元防止層を形成せず、その板材のみを固体電解質(比較例1の固体電解質)とした。
また、実施例1の同様の方法により、膜厚測定、イオン伝導率測定、耐還元性の目視評価を行った。
以上の結果を、表1に示す。
(Comparative Example 1)
A reduction prevention layer was not formed on the flat plate mainly made of LLTO used in Example 1, and only the plate was used as a solid electrolyte (solid electrolyte of Comparative Example 1).
Further, the film thickness measurement, the ionic conductivity measurement, and the reduction resistance were visually evaluated by the same method of Example 1.
The above results are shown in Table 1.

(比較例2)
実施例1で用いた主としてLLTOからなる平板状の板材上に、ポリエチレンオキサイドからなるポリマーとリチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドとの複合材であるフィルム形状全固体ポリマー電解質を貼り付けて、本体部の一方の表面上に高分子固体電解質層を形成された固体電解質(比較例2の固体電解質)を得た。
また、実施例1の同様の方法により、膜厚測定、イオン伝導率測定、耐還元性の目視評価を行った。
以上の結果を、表1に示す。
(Comparative Example 2)
A film-shaped all-solid polymer electrolyte, which is a composite material of a polymer made of polyethylene oxide and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, is attached onto a flat plate mainly made of LLTO used in Example 1, and the main body is attached. A solid electrolyte (solid electrolyte of Comparative Example 2) having a polymer solid electrolyte layer formed on one surface of the portion was obtained.
Further, the film thickness measurement, the ionic conductivity measurement, and the reduction resistance were visually evaluated by the same method of Example 1.
The above results are shown in Table 1.

Figure 0007002520000001
Figure 0007002520000001

表1の結果から、実施例1~3の固体電解質は、イオン伝導率[S/cm]が、2.5×10-4よりも高く、非常に優れた電池性能を有し、かつ、耐還元性に優れていることがわかった。なかでも、実施例1の固体電解質は、耐還元性に最も優れていることがわかった。
一方、比較例1の固体電解質は、イオン伝導率[S/cm]が、2.5×10-4よりも低いものの、電池性能には影響はない範囲ではあるが、耐還元性は非常に悪かった。
また、比較例2の固体電解質は、耐還元性に優れてはいるものの、イオン伝導率[S/cm]が1.7×10-4と低かった。
From the results in Table 1, the solid electrolytes of Examples 1 to 3 have an ionic conductivity [S / cm] higher than 2.5 × 10 -4 , have very excellent battery performance, and have resistance. It was found to be excellent in reducing property. Among them, the solid electrolyte of Example 1 was found to have the best reduction resistance.
On the other hand, the solid electrolyte of Comparative Example 1 has an ionic conductivity [S / cm] lower than 2.5 × 10 -4 , but has a very low reduction resistance, although it does not affect the battery performance. It was bad.
Further, although the solid electrolyte of Comparative Example 2 was excellent in reduction resistance, the ionic conductivity [S / cm] was as low as 1.7 × 10 -4 .

1 固体電解質
2 本体部
3 還元防止層
Tp 還元防止層の厚み
Tb 本体部の厚み
S1、S2 本体部の表面
1 Solid electrolyte 2 Main body 3 Reduction prevention layer Tp Reduction prevention layer thickness Tb Main body thickness S1, S2 Main body surface

Claims (6)

炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む本体部と、前記本体部上に形成され、前記炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層とを有し、
前記本体部の前記無機固体電解質材料が、下記一般式(I)で表される酸化物を含み、
前記還元防止層の前記無機固体電解質材料が、Li 3 BO 3 、Li 2 4 7 、Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 、BLiO 2 及びLi 3 BO 3 -Li 2 SO 4 からなる群から選択される少なくとも一種を含む固体電解質。
La 2/3-x Li 3x TiO 3 (I)
(式中、xは、0.04<x<0.14を満たす。)
When the potential difference between the main body containing the oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from the carbon or lithium metal and the main body formed on the main body and the potential difference between the carbon or the lithium metal is less than 0.1 V. It has an anti-reduction layer containing a certain oxide-based inorganic solid electrolyte material, and has.
The inorganic solid electrolyte material of the main body contains an oxide represented by the following general formula (I).
The inorganic solid electrolyte material of the anti-reduction layer consists of a group consisting of Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 − Li 3 BO 3 , B Li O 2 and Li 3 BO 3 Li 2 SO 4 . A solid electrolyte containing at least one selected .
La 2 / 3-x Li 3x TiO 3 (I)
(In the formula, x satisfies 0.04 <x <0.14.)
前記還元防止層の厚みが、1μm~40μmである請求項1に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1 , wherein the reduction prevention layer has a thickness of 1 μm to 40 μm. 前記本体部が板状であり、板状の該本体部の一方の表面だけに、前記還元防止層が前記表面の全体を覆って形成されてなる請求項1又は2に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1 or 2 , wherein the main body portion is plate-shaped, and the reduction prevention layer is formed on only one surface of the plate-shaped main body portion so as to cover the entire surface. 正極、固体電解質及び負極を備え、前記正極と前記固体電解質と前記負極とがこの順序で積層されて構成された全固体電池であって、
前記固体電解質が、請求項1~のいずれか一項に記載の固体電解質であり、当該固体電解質の前記本体部と、前記負極との間に前記還元防止層が介在してなる全固体電池。
An all-solid-state battery including a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, wherein the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode are laminated in this order.
The solid electrolyte is the solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3 , and is an all-solid-state battery in which the reduction prevention layer is interposed between the main body portion of the solid electrolyte and the negative electrode. ..
炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V以上である酸化物系の無機固体電解質材料を含む板材、及び、炭素又はリチウム金属との電位差が0.1V未満である酸化物系の無機固体電解質材料を含む還元防止層を構成する原料粉をそれぞれ準備する原料準備工程と、
前記原料粉を含むスラリー又は溶解液を作製する液作製工程と、
前記板材上に前記スラリー又は前記溶解液をコーティングするコーティング工程と、
前記板材を該板材上にコーティングされた前記スラリー又は前記溶解液とともに、450℃~650℃で2時間~6時間加熱する焼成工程と
を含
前記板材の前記無機固体電解質材料が、下記一般式(I)で表される酸化物を含み、
前記還元防止層の前記無機固体電解質材料が、Li 3 BO 3 、Li 2 4 7 、Li 2 CO 3 -Li 3 BO 3 、BLiO 2 及びLi 3 BO 3 -Li 2 SO 4 からなる群から選択される少なくとも一種を含む、固体電解質の製造方法。
La 2/3-x Li 3x TiO 3 (I)
(式中、xは、0.04<x<0.14を満たす。)
A plate containing an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of 0.1 V or more from carbon or lithium metal, and an oxide-based inorganic solid electrolyte material having a potential difference of less than 0.1 V from carbon or lithium metal. A raw material preparation process for preparing each of the raw material powders constituting the reduction prevention layer including
A liquid preparation step for preparing a slurry or a solution containing the raw material powder,
A coating step of coating the slurry or the solution on the plate material,
A baking step of heating the plate material together with the slurry or the solution coated on the plate material at 450 ° C. to 650 ° C. for 2 hours to 6 hours is included .
The inorganic solid electrolyte material of the plate material contains an oxide represented by the following general formula (I).
The inorganic solid electrolyte material of the anti-reduction layer consists of a group consisting of Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 2 CO 3 − Li 3 BO 3 , B Li O 2 and Li 3 BO 3 Li 2 SO 4 . A method for producing a solid electrolyte, including at least one selected .
La 2 / 3-x Li 3x TiO 3 (I)
(In the formula, x satisfies 0.04 <x <0.14.)
前記液作製工程で、前記原料粉を水に添加し、前記スラリー又は前記溶解液を作製する、請求項5に記載の固体電解質の製造方法。The method for producing a solid electrolyte according to claim 5, wherein in the liquid preparation step, the raw material powder is added to water to prepare the slurry or the solution.
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