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JP7474985B2 - Solid electrolyte for lithium ion battery and method for producing same, lithium ion battery - Google Patents
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Solid electrolyte for lithium ion battery and method for producing same, lithium ion battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン電池用固体電解質及びその製造方法、リチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte for lithium ion batteries, a method for producing the same, and a lithium ion battery.

リチウムイオン電池は、電気自動車等の幅広い分野で活用されており、産業界においてもはや欠かすことのできない電池である。現在のリチウムイオン電池では、例えば、低質量密度(例えば、0.59g・cm-3)を有し、また、高い電気化学ポテンシャル(例えば、標準水素電極に対して-3.04V)を有する材料で形成された金属アノードを備えている。これにより、リチウムイオン電池に優れた理論比容量(例えば、3860mAh・g-1)を提供することが可能となる。 Lithium-ion batteries are used in a wide range of applications, such as electric vehicles, and are now indispensable in the industrial world. Current lithium-ion batteries, for example, have a metal anode made of a material with a low mass density (e.g., 0.59 g·cm −3 ) and a high electrochemical potential (e.g., −3.04 V vs. the standard hydrogen electrode). This allows the lithium-ion battery to have an excellent theoretical specific capacity (e.g., 3860 mAh·g −1 ).

一方で、リチウムイオン電池を大規模に利用する場合は、発火、爆発等のおそれがあり、危険性が潜んでいることも近年では懸念されている。具体的に、リチウム金属アノードは、界面での液体有機電解質と反応しやすいことから、バッテリーのいわゆる「熱暴走」による燃焼及び爆発が引き起こされるおそれがある。また、リチウム樹状突起の成長等によってもリチウムイオン電池安全性が低下する可能性もあり、安全性に関しては種々の深刻な問題が潜在しているといえる。 On the other hand, there is a concern in recent years that there is a potential danger of fire, explosion, etc. when lithium-ion batteries are used on a large scale. Specifically, lithium metal anodes react easily with liquid organic electrolytes at the interface, which may cause combustion and explosion due to the so-called "thermal runaway" of the battery. In addition, the safety of lithium-ion batteries may be reduced due to factors such as the growth of lithium dendrites, and various serious safety issues may be potentially present.

この観点から、リチウムイオン電池に用いられるための材料は最近でも盛んに研究が進められており、その一つとして、固体電解質(SSE)が注目されている。例えば、特許文献1には、硫化物固体電解質材料により、イオン導電率を向上させる技術が開示されている。 From this perspective, materials for use in lithium-ion batteries have been actively researched even recently, and solid-state electrolytes (SSEs) are one of the materials that have attracted attention. For example, Patent Document 1 discloses a technology for improving ionic conductivity using a sulfide solid electrolyte material.

特開2019-003927号公報JP 2019-003927 A

しかしながら、特許文献1等に開示されるような硫化物系固体電解質は、有毒の硫化水素ガスを発生するおそれがあり、安全性等の観点から課題があるものであった。一方で、近年ではイオン液体を用いて電池の性能を向上させることも考案されているものの、リチウムイオン電池に対する要求性能はますます高まっており、必ずしも満足いく性能をもたらすものではなかった。この観点から、高いイオン導電率を有し、優れた電気化学安定性を有する電解質の開発が強く望まれていた。 However, sulfide-based solid electrolytes such as those disclosed in Patent Document 1 and the like have the risk of generating toxic hydrogen sulfide gas, and have been problematic from the standpoint of safety, etc. On the other hand, in recent years, although the use of ionic liquids to improve battery performance has been devised, the performance requirements for lithium-ion batteries are increasing, and these have not necessarily provided satisfactory performance. From this perspective, there has been a strong demand for the development of an electrolyte with high ionic conductivity and excellent electrochemical stability.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高いイオン導電率と、優れた電気化学安定性を有し、リチウムイオン電池に高い安定性をもたらすことができる固体電解質及びその製造方法、並びに前記固体電解質を備えるリチウムイオン電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and aims to provide a solid electrolyte that has high ionic conductivity and excellent electrochemical stability and can provide high stability to lithium ion batteries, a method for producing the same, and a lithium ion battery that includes the solid electrolyte.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アルミニウムを少なくとも含む金属の層状複水酸化物の結晶構造を有する層状複合酸化物を使用することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research into achieving the above object, the inventors discovered that the above object can be achieved by using a layered composite oxide having a crystal structure of a layered double hydroxide of a metal containing at least aluminum, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
層状複合酸化物と、リチウム塩を含むイオン液体とを含有し、
前記層状複合酸化物は、アルミニウムと、金属M(アルミニウムを除く)とを含む金属の酸化物で形成され、
前記層状複合酸化物は、層状複水酸化物の結晶構造を有する、リチウムイオン電池用固体電解質。
項2
前記アルミニウム以外の金属MがLi、Mg、Zn及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属である、項1に記載のリチウムイオン電池用固体電解質。
項3
前記層状複合酸化物の含有割合が、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して10~60質量%である、項1又は2に記載のリチウムイオン電池用固体電解質。
項4
アルミニウム源と、金属M源(前記アルミニウム源は除く)と、水とを含む原料をアルカリ剤の存在下、加熱処理する工程1と、
前記加熱処理で得られた生成物を焼成処理して焼成物を得る工程2と、
前記焼成物と、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液とを混合して乾燥処理することで固体電解質を得る工程3と
を備える、リチウムイオン電池用固体電解質の製造方法。
項5
前記工程1で得られる生成物及び前記工程2で得られる焼成物はいずれも層状の結晶構造を有する、項4に記載の製造方法。
項6
前記アルミニウム以外の金属MがLi、Mg、Zn及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属である、項4又は5に記載の製造方法。
項7
項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用固体電解質を備える、リチウムイオン電池。
That is, the present invention includes, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1
The present invention relates to a layered composite oxide and an ionic liquid containing a lithium salt.
The layered composite oxide is formed of an oxide of a metal including aluminum and a metal M (excluding aluminum),
The layered composite oxide has a crystal structure of a layered double hydroxide.
Item 2
Item 2. The solid electrolyte for lithium ion batteries according to Item 1, wherein the metal M other than aluminum is at least one metal selected from the group consisting of Li, Mg, Zn, and Ni.
Item 3
Item 3. The solid electrolyte for lithium ion batteries according to item 1 or 2, wherein the content of the layered composite oxide is 10 to 60 mass% based on the total mass of the layered composite oxide, the lithium salt, and the ionic liquid.
Item 4
A step 1 of heat-treating a raw material containing an aluminum source, a metal M source (excluding the aluminum source), and water in the presence of an alkaline agent;
A step 2 of calcining the product obtained by the heat treatment to obtain a calcined product;
and step 3 of mixing the fired product with a solution containing a lithium salt and an ionic liquid, followed by drying to obtain a solid electrolyte.
Item 5
Item 5. The method according to item 4, wherein the product obtained in step 1 and the fired product obtained in step 2 both have layered crystal structures.
Item 6
Item 6. The method according to item 4 or 5, wherein the metal other than aluminum M is at least one metal selected from the group consisting of Li, Mg, Zn and Ni.
Item 7
Item 4. A lithium ion battery comprising the solid electrolyte for lithium ion batteries according to any one of items 1 to 3.

本発明の固体電解質は、高いイオン導電率と、優れた電気化学安定性を有し、リチウムイオン電池に高い安定性をもたらすことができる。従って、本発明の固体電解質は、リチウムイオン電池用の電解質として好適である。 The solid electrolyte of the present invention has high ionic conductivity and excellent electrochemical stability, and can provide high stability to lithium ion batteries. Therefore, the solid electrolyte of the present invention is suitable as an electrolyte for lithium ion batteries.

実施例1~3で得た固体電解質のX線回折測定(XRD)結果である。1 shows the results of X-ray diffraction measurement (XRD) of the solid electrolytes obtained in Examples 1 to 3. (a)は比較例1で得た液体電解質を備える電池、(b)は実施例2で得られた固体電解質を備える電池の安定性試験の結果である。1A shows the results of a stability test of a battery including the liquid electrolyte obtained in Comparative Example 1, and FIG. 1B shows the results of a stability test of a battery including the solid electrolyte obtained in Example 2. 実施例で得られた各電解質のイオン伝導率の測定結果を示している。4 shows the measurement results of the ionic conductivity of each electrolyte obtained in the examples. (a)は比較例1で得られた液体電解質、(b)は実施例2で得られた固体電解質の電気化学安定性試験の結果を示している。1 shows the results of an electrochemical stability test for the liquid electrolyte obtained in Comparative Example 1 (a) and the solid electrolyte obtained in Example 2 (b). 実施例2で得られた固体電解質を有する電池の特性評価の結果である。1 shows the results of evaluation of the characteristics of a battery having the solid electrolyte obtained in Example 2. 層状複水酸化物の層状構造と、固体電解質におけるリチウムイオンの移動機構を説明する模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the layer structure of a layered double hydroxide and the mechanism of lithium ion migration in a solid electrolyte.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。 The embodiments of the present invention will be described in detail below. In this specification, the expressions "contain" and "include" include the concepts of "contain," "include," "consist essentially of," and "consist only of."

1.固体電解質
本発明の固体電解質は、層状複合酸化物と、リチウム塩を含むイオン液体とを含有し、前記層状複合酸化物は、アルミニウムと、金属M(アルミニウムを除く)とを含む金属の酸化物で形成される。特に、前記層状複合酸化物は、層状複水酸化物の結晶構造を有することに特徴を有する。
1. Solid Electrolyte The solid electrolyte of the present invention contains a layered composite oxide and an ionic liquid containing a lithium salt, and the layered composite oxide is formed of a metal oxide containing aluminum and a metal M (excluding aluminum). In particular, the layered composite oxide is characterized by having a crystal structure of a layered double hydroxide.

本発明の固体電解質は、高いイオン導電率と、優れた電気化学安定性を有し、また、リチウムイオン電池に組み込むことで、リチウムイオン電池に高い安定性をもたらすことができる。 The solid electrolyte of the present invention has high ionic conductivity and excellent electrochemical stability, and when incorporated into a lithium ion battery, it can provide high stability to the lithium ion battery.

(層状複合酸化物)
層状複合酸化物は、少なくとも2種の金属を含む酸化物であって、特に、層状に形成された構造を有する。層状複合酸化物は、例えば、層状複水酸化物を酸化(例えば焼成)することで形成される化合物である。一般に、層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide;LDH)は、金属水酸化物(金属複水酸化物)の層間に、交換可能な陰イオンを有する構造を有することが知られている。本発明の固体電解質において、層状複合酸化物は、層状複水酸化物の酸化物を含むが、層状複合酸化物の結晶構造は、層状複水酸化物の結晶構造と同じく、金属酸化物の層間に、交換可能な陰イオンを有する構造を有する。本発明の固体電解質中の層状複合酸化物の結晶構造が、複水酸化物の結晶構造と同じであるか否かは、X線回折測定(XRD測定)から得られるスペクトルのピーク位置から判断できる。具体的には、固体電解質のXRD測定から得られるスペクトル(XRDピーク)と、対照である複水酸化物のXRDピークとを対比することで、層状複合酸化物の結晶構造が、複水酸化物の結晶構造と同じであるか否かを判断できる。特に、対照である複水酸化物は、層状構造であることによって特定の位置にピークを有するので、このピークを固体電解質における層状複合酸化物が有しているか否かによって、複水酸化物の結晶構造と同じであるか否かを容易に判断することができる。
(Layered Complex Oxide)
The layered complex oxide is an oxide containing at least two kinds of metals, and in particular has a layered structure. The layered complex oxide is, for example, a compound formed by oxidizing (for example, calcining) a layered double hydroxide. In general, it is known that a layered double hydroxide (LDH) has a structure having exchangeable anions between layers of a metal hydroxide (metal double hydroxide). In the solid electrolyte of the present invention, the layered complex oxide contains an oxide of a layered double hydroxide, and the crystal structure of the layered complex oxide has a structure having exchangeable anions between layers of a metal oxide, similar to the crystal structure of the layered double hydroxide. Whether the crystal structure of the layered complex oxide in the solid electrolyte of the present invention is the same as the crystal structure of the double hydroxide can be determined from the peak position of the spectrum obtained from X-ray diffraction measurement (XRD measurement). Specifically, by comparing the spectrum (XRD peak) obtained from the XRD measurement of the solid electrolyte with the XRD peak of the control double hydroxide, it is possible to determine whether the crystal structure of the layered composite oxide is the same as that of the double hydroxide. In particular, since the control double hydroxide has a peak at a specific position due to its layered structure, it is possible to easily determine whether the crystal structure of the layered composite oxide in the solid electrolyte is the same as that of the double hydroxide depending on whether the layered composite oxide in the solid electrolyte has this peak.

本発明の固体電解質が含む層状複合酸化物は、アルミニウムを少なくとも含む金属の層状複合酸化物であって、層状構造の層間にリチウムイオン電解質のアニオンが固定化された構造を有し得る。 The layered composite oxide contained in the solid electrolyte of the present invention is a layered composite oxide of a metal containing at least aluminum, and may have a structure in which anions of a lithium ion electrolyte are fixed between the layers of the layered structure.

層状複合酸化物は、アルミニウムと、金属Mとを含む金属の複合酸化物である。ここで、金属Mは、アルミニウム以外の金属である。 The layered composite oxide is a composite oxide of metals containing aluminum and metal M. Here, metal M is a metal other than aluminum.

金属Mの種類は、層状複合酸化物を形成することができる限りは特に限定されず、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属等の各種の金属を適用することができる。中でも金属Mは、Li、Mg、Zn及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属であることが好ましい。この場合、アルミニウムと層状複合酸化物を形成しやすく、得られる固体電解質は、高いイオン導電率を有しやすく、電気化学安定性も向上しやすい。特に、金属Mは、Liを含むことが好ましい。金属Mは1種単独で用いても良いし、異なる2種以上を併用することもできる。 The type of metal M is not particularly limited as long as it can form a layered composite oxide, and various metals such as alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, etc. can be applied. Among them, metal M is preferably at least one metal selected from the group consisting of Li, Mg, Zn, and Ni. In this case, it is easy to form a layered composite oxide with aluminum, and the obtained solid electrolyte is likely to have high ionic conductivity and improved electrochemical stability. In particular, metal M preferably contains Li. Metal M may be used alone or in combination of two or more different types.

層状複合酸化物は、アルミニウム及び金属Mを含む限り、本発明の効果が阻害されない範囲で他の金属を含むこともできる。層状複合酸化物に含まれる金属は、アルミニウム及び金属Mのみであってもよい。 As long as the layered complex oxide contains aluminum and metal M, it may also contain other metals to the extent that the effects of the present invention are not impaired. The metals contained in the layered complex oxide may be only aluminum and metal M.

特に好ましい層状複合酸化物は、アルミニウム及びリチウムの複合酸化物である。 A particularly preferred layered composite oxide is a composite oxide of aluminum and lithium.

層状複合酸化物において、アルミニウムと金属Mとの含有割合は特に限定されない。例えば、層状複合酸化物中に含まれるアルミニウムと金属Mとのモル比(アルミニウム:金属M)は10:1~0.1:1とすることができ、8:1~1:1であることが好ましく、6:1~1:1であることがより好ましく、4:1~2:1であることが特に好ましい。 In the layered complex oxide, the content ratio of aluminum and metal M is not particularly limited. For example, the molar ratio of aluminum and metal M (aluminum:metal M) contained in the layered complex oxide can be 10:1 to 0.1:1, preferably 8:1 to 1:1, more preferably 6:1 to 1:1, and particularly preferably 4:1 to 2:1.

(リチウム塩を含むイオン液体)
本発明の固体電解質は、層状複合酸化物に加えて、リチウム塩を含むイオン液体をさらに含有する。
(Ionic liquid containing lithium salt)
The solid electrolyte of the present invention further contains an ionic liquid containing a lithium salt, in addition to the layered composite oxide.

リチウム塩の種類は特に限定されず、各種のリチウム塩を挙げることができ、例えば、リチウムイオン電池に用いられている公知のリチウム塩を広く適用することができる。具体的にリチウム塩としては、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFIL)及びリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等の各種のリチウムイミド塩の他、リチウムビスオキサレートボラート(LiBOB)、LiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiCFCO、LiSbF等を挙げることができる。これらのリチウム塩は、固体電解質に単独で含まれていてもよいし、2種以上が含まれていてもよい。 The type of lithium salt is not particularly limited, and various lithium salts can be mentioned, for example, known lithium salts used in lithium ion batteries can be widely applied.Specific examples of the lithium salt include various lithium imide salts such as lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFIL) and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), as well as lithium bisoxalate borate (LiBOB), LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiSbF 6 and the like.These lithium salts may be contained alone or in combination of two or more in the solid electrolyte.

リチウム塩は、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFIL)であることが特に好ましい。 The lithium salt is particularly preferably lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFIL).

イオン液体の種類は特に限定されず、各種のイオン液体を挙げることができ、例えば、リチウムイオン電池に用いられている公知のイオン液体を広く適用することができる。具体的にイオン液体としては、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)、トリメチルプロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(TMBATFSI)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド(EMI-FSI)、N-メチル-N-プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PP13-TFSI)、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEME-TFSI)、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムテトラフルオロボラート(DEME-BF4)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート(EMI-BF4)、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(BMI-TFSI)、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート(BMI-BF4)、N-メチル-N-プロピルピペリジニウムテトラフルオロボラート(PP13-BF4)、1-メチル-1-プロピルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PY13-TFSI)、1-メチル-1-プロピルピロリジウムテトラフルオロボラート(PY13-BF4)等を挙げることができる。これらのイオン液体は、固体電解質に単独で含まれていてもよいし、2種以上が含まれていてもよい。 The type of ionic liquid is not particularly limited, and various ionic liquids can be used. For example, known ionic liquids used in lithium ion batteries can be widely used. Specific examples of ionic liquids include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI), trimethylpropylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TMBATFSI), 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMI-FSI), N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PP13-TFSI), N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (DEME ... Examples of the ionic liquid include N-methyl-N-propyl piperidinium tetrafluoroborate (PP13-BF4), 1-methyl-1-propyl pyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PY13-TFSI), and 1-methyl-1-propyl pyrrolidinium tetrafluoroborate (PY13-BF4). These ionic liquids may be contained alone or in combination with one another in the solid electrolyte.

イオン液体は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)であることが特に好ましい。 The ionic liquid is particularly preferably 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI).

(固体電解質)
固体電解質は、前述のように、層状複合酸化物と、リチウム塩を含むイオン液体とを含有する。一実施態様において固体電解質は、層状複合酸化物の層間に、リチウム塩のアニオン及び/又はイオン液体のアニオンが挿入されるように存在し、また、斯かる層間には、リチウムイオンも存在し得る。必ずしも限定的な解釈を望むものではないが、リチウムイオンは層間を自由に往復することが可能であり、これにより、アニオンの干渉が回避されると推察される。この結果、本発明の固体電解質は、リチウムイオン移動経路を提供することだけではなく、固体電解質のイオン伝導率を高めることが可能となり、かつ、電気化学的安定性も高まるものと考えられる。
(Solid electrolyte)
As described above, the solid electrolyte contains a layered composite oxide and an ionic liquid containing a lithium salt. In one embodiment, the solid electrolyte is present between the layers of the layered composite oxide such that anions of the lithium salt and/or anions of the ionic liquid are inserted, and lithium ions may also be present between the layers. Although not necessarily limiting, it is presumed that the lithium ions can freely travel between the layers, thereby avoiding interference of the anions. As a result, the solid electrolyte of the present invention is considered to not only provide a lithium ion migration path, but also to be capable of increasing the ionic conductivity of the solid electrolyte and increasing the electrochemical stability.

固体電解質において、層状複合酸化物の含有割合は特に限定されない。例えば、固体電解質において、層状複合酸化物の含有割合は、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して10~60質量%とすることができる。この場合、固体電解質は、より高いイオン伝導率を有することができ、また、液状になるのを防止することができる。層状複合酸化物の含有割合は、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して20~50質量%であることが好ましく、28~40質量%であることがさらに好ましい。 In the solid electrolyte, the content of the layered complex oxide is not particularly limited. For example, the content of the layered complex oxide in the solid electrolyte can be 10 to 60 mass% based on the total mass of the layered complex oxide, lithium salt, and ionic liquid. In this case, the solid electrolyte can have a higher ionic conductivity and can be prevented from becoming liquid. The content of the layered complex oxide is preferably 20 to 50 mass%, more preferably 28 to 40 mass%, based on the total mass of the layered complex oxide, lithium salt, and ionic liquid.

固体電解質において、リチウム塩及びイオン液体の含有割合は特に限定されない。例えば、固体電解質において、リチウム塩及びイオン液体の含有割合は、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して40~90質量%とすることができる。この場合、固体電解質は、より高いイオン伝導率を有することができ、また、液状になるのを防止することができる。リチウム塩及びイオン液体の含有割合は、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して50~80質量%であることが好ましく、60~72質量%であることがさらに好ましい。また、リチウム塩のイオン液中における濃度は、例えば、0.5~5mol・L-1とすることができる。 In the solid electrolyte, the content ratio of the lithium salt and the ionic liquid is not particularly limited. For example, in the solid electrolyte, the content ratio of the lithium salt and the ionic liquid can be 40 to 90 mass% with respect to the total mass of the layered complex oxide, the lithium salt, and the ionic liquid. In this case, the solid electrolyte can have a higher ionic conductivity and can be prevented from becoming liquid. The content ratio of the lithium salt and the ionic liquid is preferably 50 to 80 mass% with respect to the total mass of the layered complex oxide, the lithium salt, and the ionic liquid, and more preferably 60 to 72 mass%. In addition, the concentration of the lithium salt in the ionic liquid can be, for example, 0.5 to 5 mol·L −1 .

本発明の固体電解質はイオン液体を含むものであるが、電解質自体は固体状、もしくはゲル状であり、液体状ではない。層状複水酸化物と、リチウム塩及びイオン液体との量を適宜調整することで、固体状又はゲル状にすることができる。従って、本発明の固体電解質は正確にいうならば、「擬固体電解質」である。 Although the solid electrolyte of the present invention contains an ionic liquid, the electrolyte itself is solid or gel-like, not liquid. By appropriately adjusting the amounts of the layered double hydroxide, lithium salt, and ionic liquid, the electrolyte can be made solid or gel-like. Therefore, the solid electrolyte of the present invention is, more accurately, a "quasi-solid electrolyte."

本発明の固体電解質は、上記のように構成されることで、高いイオン導電率と、優れた電気化学安定性を有し、また、リチウムイオン電池に組み込むことで、リチウムイオン電池に高い安定性をもたらすことができる。従って、本発明の固体電解質は、リチウムイオン電池用の電解質として好適である。 The solid electrolyte of the present invention, configured as described above, has high ionic conductivity and excellent electrochemical stability, and when incorporated into a lithium ion battery, it can provide high stability to the lithium ion battery. Therefore, the solid electrolyte of the present invention is suitable as an electrolyte for lithium ion batteries.

本発明の固体電解質を製造する方法は特に限定されず、例えば、種々の製造方法を採用することができる。例えば、後記する工程1、工程2及び工程3を備える製造方法によって製造することができる。 The method for producing the solid electrolyte of the present invention is not particularly limited, and various production methods can be used. For example, the solid electrolyte can be produced by a production method including steps 1, 2, and 3 described below.

2.リチウムイオン電池用固体電解質の製造方法
本発明のリチウムイオン電池用固体電解質の製造方法は、下記の工程1~3を備えることができる。
工程1:アルミニウム源と、金属M源(前記アルミニウム源は除く)と、水とを含む原料をアルカリ剤の存在下、加熱処理する工程。
工程2:前記加熱処理で得られた生成物を焼成処理して焼成物を得る工程。
工程3:前記焼成物と、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液とを混合して乾燥処理することで固体電解質を得る工程。
2. Method for Producing a Solid Electrolyte for Lithium Ion Batteries The method for producing a solid electrolyte for lithium ion batteries of the present invention may include the following steps 1 to 3.
Step 1: A step of heat-treating a raw material containing an aluminum source, a metal M source (excluding the aluminum source), and water in the presence of an alkaline agent.
Step 2: A step of calcining the product obtained by the heat treatment to obtain a calcined product.
Step 3: A step of mixing the fired product with a solution containing a lithium salt and an ionic liquid, followed by drying to obtain a solid electrolyte.

上記工程1~3を備える製造方法により、例えば、前述の本発明の固体電解質を製造することができる。 By using a manufacturing method including steps 1 to 3 above, for example, the solid electrolyte of the present invention described above can be manufactured.

(工程1)
工程1では、アルミニウム源と、金属M源(前記アルミニウム源は除く)と、水とを含む原料をアルカリ剤の存在下で加熱処理する。これにより得られる生成物は、アルミニウムと金属Mとを含む複水酸化物を含む。具体的に工程1は、いわゆる水熱合成によって、複水酸化物を製造する工程である。
(Step 1)
In step 1, a raw material containing an aluminum source, a metal M source (excluding the aluminum source), and water is heat-treated in the presence of an alkaline agent. The product obtained thereby contains a double hydroxide containing aluminum and the metal M. Specifically, step 1 is a step of producing a double hydroxide by so-called hydrothermal synthesis.

アルミニウム源は生成物である複水酸化物を形成する金属にアルミニウムをもたらすための出発原料である。アルミニウム源は、アルミニウム単体であってもよいし、アルミニウムを含む化合物であってもよい。アルミニウムを含む化合物は水和物であってもよい。 The aluminum source is the starting material that provides aluminum to the metal that forms the product double hydroxide. The aluminum source may be aluminum itself or a compound that contains aluminum. The compound that contains aluminum may be a hydrate.

アルミニウムを含む化合物としては、例えば、アルミニウムの塩化物、アルミニウムのハロゲン化物、アルミニウムの無機酸塩、アルミニウムの有機酸塩等を広く使用することができる。アルミニウムの無機酸塩としては、アルミニウムの硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。アルミニウムの無機酸塩は、異なる2種以上のアニオンを含むこともできる。アルミニウムの有機酸塩としては、アルミニウムの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 Examples of compounds that contain aluminum include aluminum chloride, aluminum halides, inorganic aluminum salts, and organic aluminum salts. Examples of inorganic aluminum salts include one or more selected from the group consisting of aluminum nitrates, sulfates, hydrochlorides, chlorates, perchlorates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates, and hydrogenphosphates. The inorganic aluminum salts may contain two or more different anions. Examples of organic aluminum salts include one or more selected from the group consisting of aluminum acetates, oxalates, formates, and succinates.

アルミニウム源はアルミニウムを含む化合物であることが好ましく、アルミニウムの無機酸塩であることがより好ましく、中でも、アルミニウムの硝酸塩であることが特に好ましい。 The aluminum source is preferably a compound containing aluminum, more preferably an inorganic acid salt of aluminum, and particularly preferably an aluminum nitrate.

金属M源は生成物である複水酸化物を形成する金属に金属Mをもたらすための出発原料である。ここで、金属Mは、アルミニウム以外の金属である限りは特に限定されず、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属等の各種の金属を適用することができる。中でも金属Mは、Li、Mg、Zn及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属であることが好ましい。この場合、アルミニウムと層状複水酸化物を形成しやすく、得られる固体電解質は、高いイオン導電率を有しやすく、電気化学安定性も向上しやすい。特に、金属Mは、Liを含むことが好ましい。金属Mは1種単独で用いても良いし、異なる2種以上を併用することもできる。 The metal M source is a starting material for bringing about metal M into the metal that forms the product double hydroxide. Here, the metal M is not particularly limited as long as it is a metal other than aluminum, and various metals such as alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, etc. can be applied. Among them, the metal M is preferably at least one metal selected from the group consisting of Li, Mg, Zn, and Ni. In this case, it is easy to form a layered double hydroxide with aluminum, and the obtained solid electrolyte is likely to have high ionic conductivity and improved electrochemical stability. In particular, it is preferable that the metal M contains Li. The metal M may be used alone or in combination of two or more different types.

金属M源は、金属M単体であってもよいし、金属Mを含む化合物であってもよい。金属Mを含む化合物は水和物であってもよい。 The metal M source may be metal M alone or a compound containing metal M. The compound containing metal M may be a hydrate.

金属Mを含む化合物としては、例えば、金属Mの塩化物、金属Mのハロゲン化物、金属Mの無機酸塩、金属Mの有機酸塩等を広く使用することができる。金属Mの無機酸塩としては、金属Mの硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。金属Mの無機酸塩は、異なる2種以上のアニオンを含むこともできる。金属Mの有機酸塩としては、金属Mの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 Compounds containing metal M can be widely used, such as chlorides of metal M, halides of metal M, inorganic acid salts of metal M, and organic acid salts of metal M. Examples of inorganic acid salts of metal M include one or more salts selected from the group consisting of nitrates, sulfates, hydrochlorides, chlorates, perchlorates, carbonates, hydrogen carbonates, phosphates, and hydrogen phosphates of metal M. Inorganic acid salts of metal M can also contain two or more different anions. Examples of organic acid salts of metal M include one or more salts selected from the group consisting of acetates, oxalates, formates, and succinates of metal M.

金属M源は金属Mを含む化合物であることが好ましく、金属Mの無機酸塩であることがより好ましく、中でも、金属Mの硝酸塩であることが特に好ましい。 The metal M source is preferably a compound containing metal M, more preferably an inorganic acid salt of metal M, and particularly preferably a nitrate of metal M.

工程1で使用する原料は、アルミニウム源と、金属M源と、水とを含む。原料に含まれるアルミニウムと金属Mとの含有割合は特に限定されない。例えば、原料中に含まれるアルミニウムと金属Mとのモル比(アルミニウム:金属M)は10:1~0.1:1とすることができ、8:1~1:1であることが好ましく、6:1~1:1であることがより好ましく、4:1~2:1であることが特に好ましい。 The raw materials used in step 1 include an aluminum source, a metal M source, and water. The content ratio of aluminum and metal M contained in the raw materials is not particularly limited. For example, the molar ratio of aluminum and metal M contained in the raw materials (aluminum:metal M) can be 10:1 to 0.1:1, preferably 8:1 to 1:1, more preferably 6:1 to 1:1, and particularly preferably 4:1 to 2:1.

また、原料に含まれるアルミニウム源及び金属M源の濃度も特に限定されず、アルミニウム源の濃度は、例えば、0.1~5M(好ましくは、0.5~1M)とすることができ、金属M源の濃度は、例えば、0.01~1M(好ましくは、0.1~0.5M)とすることができる。 The concentrations of the aluminum source and metal M source contained in the raw materials are not particularly limited, and the concentration of the aluminum source can be, for example, 0.1 to 5 M (preferably, 0.5 to 1 M), and the concentration of the metal M source can be, for example, 0.01 to 1 M (preferably, 0.1 to 0.5 M).

工程1で使用するアルカリ剤の種類も特に限定されず。例えば、公知のアルカリを広く使用することができる。アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等を挙げることができる。アルカリの使用量も特に限定されず、例えば、原料のpHが7以上、好ましくは10以上となるようにアルカリの使用量を調節することができる。 The type of alkaline agent used in step 1 is not particularly limited. For example, a wide variety of known alkalis can be used. Examples of alkalis include sodium hydroxide, potassium hydroxide, and ammonia. The amount of alkali used is also not particularly limited. For example, the amount of alkali used can be adjusted so that the pH of the raw material is 7 or higher, preferably 10 or higher.

工程1において、加熱処理の条件は特に限定されない。前述のように、工程1では水熱合成を行うので、例えば、公知の水熱合成の条件と同様とすることができる。具体的に、加熱処理において、加熱温度は、例えば、70~150℃とすることができ、好ましくは80~130℃であり、より好ましくは90~120℃である。加熱時間も特に限定されず、例えば、3~24時間とすることができる。加熱処理をするために使用する反応容器も特に限定されず、例えば、公知の耐圧溶液を広く使用することができる。水熱合成における容器内の圧力も適宜設定することができる。 In step 1, the conditions for the heat treatment are not particularly limited. As described above, hydrothermal synthesis is performed in step 1, and therefore, for example, the conditions can be the same as those for known hydrothermal synthesis. Specifically, in the heat treatment, the heating temperature can be, for example, 70 to 150°C, preferably 80 to 130°C, and more preferably 90 to 120°C. The heating time is also not particularly limited, and can be, for example, 3 to 24 hours. The reaction vessel used for the heat treatment is also not particularly limited, and for example, known pressure-resistant solutions can be widely used. The pressure inside the vessel in the hydrothermal synthesis can also be set appropriately.

上記加熱処理により、生成物は、例えば、沈殿物として得られるので、適宜の方法により、生成物を分離及び精製することができる。 The heat treatment produces a product, for example, as a precipitate, which can then be separated and purified by an appropriate method.

工程1で得られる生成物は、アルミニウム及び金属Mの複水酸化物を含む。 The product obtained in step 1 contains a double hydroxide of aluminum and metal M.

(工程2)
工程2は、前記工程1の加熱処理で得られた生成物を焼成処理して焼成物を得るための工程である。焼成処理の方法は特に限定されず、例えば、公知の焼成方法を広く採用することができる。
(Step 2)
Step 2 is a step for obtaining a fired product by firing the product obtained by the heat treatment in step 1. The method of firing is not particularly limited, and for example, a wide variety of known firing methods can be adopted.

焼成温度は、例えば、300~700℃とすることができ、400~600℃とすることが好ましく、450~580℃とすることがさらに好ましい。焼成時間は、焼成温度によって適宜選択すればよく、例えば、1~10時間とすることができる。焼成処理を行う際の昇温速度も特に限定されない。 The firing temperature can be, for example, 300 to 700°C, preferably 400 to 600°C, and more preferably 450 to 580°C. The firing time can be appropriately selected depending on the firing temperature, and can be, for example, 1 to 10 hours. There are no particular limitations on the heating rate during firing treatment.

焼成処理は、空気中及び不活性ガス雰囲気中のいずれで行ってもよい。好ましくは、空気中で焼成を行うことである。焼成は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。 The calcination process may be carried out in air or in an inert gas atmosphere. It is preferable to carry out the calcination in air. For example, a known heating device such as a commercially available heating furnace may be used for the calcination.

上記焼成によって、工程1で得られた複水酸化物は、複合酸化物へと変化し得る。 By the above-mentioned calcination, the double hydroxide obtained in step 1 can be converted into a composite oxide.

(工程3)
工程3は、前記工程2で得られた焼成物と、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液とを混合して乾燥処理することで固体電解質を得るための工程である。
(Step 3)
Step 3 is a step for obtaining a solid electrolyte by mixing the fired product obtained in step 2 with a solution containing a lithium salt and an ionic liquid, followed by drying treatment.

工程3で使用するリチウム塩及びイオン液体は、前述の固体電解質に含まれるリチウム塩及びイオン液体と同様の種類を例示することができる。 The lithium salt and ionic liquid used in step 3 can be the same types as those contained in the solid electrolyte described above.

工程3では、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液と、工程2で得られた焼成物とを混合することで混合物を得て、この混合物を乾燥処理することで固体電解質を得ることができる。 In step 3, a solution containing a lithium salt and an ionic liquid is mixed with the fired product obtained in step 2 to obtain a mixture, and the mixture is dried to obtain a solid electrolyte.

リチウム塩及びイオン液体を含む溶液は、例えば、リチウム塩及びイオン液体が溶解した水溶液を挙げることができる。リチウム塩及びイオン液体を含む溶液において、リチウム塩の濃度は、例えば、0.1~50質量%とすることができ、0.25~40質量%とすることが好ましい。また、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液において、イオン液体の濃度は、例えば、0.1~50質量%とすることができ、1~40質量%とすることが好ましい。リチウム塩及びイオン液体を含む溶液において、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対しイオン液体は50~99質量%とすることができ、60~95質量%とすることが好ましい。 The solution containing lithium salt and ionic liquid can be, for example, an aqueous solution in which lithium salt and ionic liquid are dissolved. In the solution containing lithium salt and ionic liquid, the concentration of the lithium salt can be, for example, 0.1 to 50 mass%, and preferably 0.25 to 40 mass%. In the solution containing lithium salt and ionic liquid, the concentration of the ionic liquid can be, for example, 0.1 to 50 mass%, and preferably 1 to 40 mass%. In the solution containing lithium salt and ionic liquid, the concentration of the ionic liquid can be, for example, 50 to 99 mass%, and preferably 60 to 95 mass%, relative to the total mass of the lithium salt and ionic liquid.

リチウム塩及びイオン液体を含む溶液を調製する方法は特に限定されず、例えば、リチウム塩及びイオン液体と水とを混合した後、加熱を施してもよい。この場合、例えば、加熱温度は50~150℃とすることができる。この加熱は、真空中で行うこともできる。 The method for preparing the solution containing the lithium salt and the ionic liquid is not particularly limited. For example, the lithium salt and the ionic liquid may be mixed with water and then heated. In this case, the heating temperature may be, for example, 50 to 150°C. This heating may also be performed in a vacuum.

リチウム塩及びイオン液体を含む溶液と、焼成物とを混合する方法も特に限定されず、公知の混合手段を広く採用することができる。リチウム塩及びイオン液体を含む溶液と、焼成物との混合割合も特に限定されず、例えば、焼成物100質量部あたり、リチウム塩及びイオン液体の総質量が50~500質量部とすることが好ましく、80~300質量部であることが好ましく、100~250質量部であることがさらに好ましい。この場合、得られる固体電解質は、高いイオン導電率と、優れた電気化学安定性を有しやすい。 The method of mixing the solution containing the lithium salt and the ionic liquid with the fired product is not particularly limited, and any known mixing means can be widely used. The mixing ratio of the solution containing the lithium salt and the ionic liquid with the fired product is also not particularly limited, and for example, the total mass of the lithium salt and the ionic liquid is preferably 50 to 500 parts by mass, more preferably 80 to 300 parts by mass, and even more preferably 100 to 250 parts by mass per 100 parts by mass of the fired product. In this case, the obtained solid electrolyte is likely to have high ionic conductivity and excellent electrochemical stability.

リチウム塩及びイオン液体を含む溶液と、焼成物とを混合した混合物を調製した後、必要に応じて混合物の加熱処理を行ってもよい。例えば、混合物を50~150℃の範囲に加熱処理することができる。 After preparing a mixture by mixing the solution containing the lithium salt and the ionic liquid with the fired product, the mixture may be heat-treated as necessary. For example, the mixture may be heat-treated to a temperature in the range of 50 to 150°C.

リチウム塩及びイオン液体を含む溶液と、焼成物とを混合して得られた混合物は、乾燥処理することで、イオン液体以外の溶媒が蒸発し、これにより、固体電解質が得られる。この場合の乾燥処理の温度も特に限定されず、適宜の条件で行うことができる。 The mixture obtained by mixing the fired product with a solution containing a lithium salt and an ionic liquid is dried to evaporate the solvent other than the ionic liquid, thereby obtaining a solid electrolyte. The temperature of the drying process in this case is not particularly limited, and can be performed under appropriate conditions.

工程3では、焼成物である複合酸化物と、リチウム塩及びイオン液体とが混合されることで、複合酸化物の結晶構造は、複水酸化物の結晶構造へと回復する(いわゆる記憶効果。後記する図6も参照)。工程2で複水酸化物が焼成されることで、複合酸化物が形成されるが、工程3でリチウム塩及びイオン液体と混合されることで、記憶効果が発現する結果、複合酸化物の結晶性が複水酸化物の結晶構造へと回復するものと推測される。 In step 3, the calcined composite oxide is mixed with lithium salt and ionic liquid, and the crystal structure of the composite oxide is restored to that of a double hydroxide (the so-called memory effect; see also FIG. 6 below). In step 2, the double hydroxide is calcined to form a composite oxide, but in step 3, it is mixed with lithium salt and ionic liquid, and it is presumed that the memory effect is exerted, causing the crystallinity of the composite oxide to be restored to that of a double hydroxide.

固体電解質の製造方法では、前記工程1、工程2及び工程3以外の工程を備えることもできる。 The method for producing a solid electrolyte may also include steps other than steps 1, 2, and 3.

3.リチウムイオン電池
本発明のリチウムイオン電池は、前述の本発明の固体電解質を電解質として備える。また、本発明のリチウムイオン電池は、前記工程1~3を備える製造方法で得られた固体電解質を電解質として備えることもできる。
The lithium ion battery of the present invention includes the above-mentioned solid electrolyte of the present invention as an electrolyte. The lithium ion battery of the present invention may also include the solid electrolyte obtained by the production method including the above-mentioned steps 1 to 3 as an electrolyte.

本発明のリチウムイオン電池は、前記固体電解質を備える限り、その他の構成は、例えば、公知のリチウムイオン電池と同様とすることができる。 As long as the lithium ion battery of the present invention has the solid electrolyte, other configurations can be the same as, for example, known lithium ion batteries.

例えば、陰極(カソード)は、活物質、導電剤、バインダ等を含むスラリーを集電体に塗布した後、成形することで作成することができる。スラリーに含まれる成分は、公知のリチウムイオン電池を製作するために使用するスラリーと同様とできる。 For example, the negative electrode (cathode) can be produced by applying a slurry containing an active material, a conductive agent, a binder, etc. to a current collector and then forming the current collector. The components contained in the slurry can be the same as those used to produce known lithium-ion batteries.

活物質としては、例えば、LiFePO、LiFeO、LiMnPO、LiCoO、LiNiO、LiMnなどが挙げられる。導電剤としては、スーパーP(導電性カーボンブラック)の他、アセチレンカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、活性炭等の各種炭素材料を挙げることができる。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。スラリーに含まれる溶媒も特に制限されず、例えば、N-メチル-2-ピロリドン等を挙げることができる。 Examples of the active material include LiFePO 4 , LiFeO 2 , LiMnPO 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4. Examples of the conductive agent include Super P (conductive carbon black), as well as various carbon materials such as acetylene carbon black, graphite, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotubes, and activated carbon. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose. The solvent contained in the slurry is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone.

集電体としては、アルミニウム、チタン、白金、モリブデン、ステンレス、銅等の金属箔が挙げられる。集電体の形状は、例えば、多孔質体、箔、板、繊維からなるメッシュ等が挙げられる。 Current collectors include metal foils such as aluminum, titanium, platinum, molybdenum, stainless steel, and copper. The shape of the current collector can be, for example, a porous body, foil, plate, or mesh made of fibers.

また、陽極(アノード)としては、例えば、リチウム金属アノード等、公知の材料を広く適用することができる。 In addition, a wide variety of known materials can be used as the anode, such as a lithium metal anode.

リチウムイオン電池の大きさ及び形状は、用途に応じて適宜決定することができる。また、リチウムイオン電池を組み立てる方法も特に制限はなく、公知の組み立て方法と同様の方法でリチウムイオン電池を得ることができる。 The size and shape of the lithium ion battery can be determined appropriately depending on the application. There are also no particular limitations on the method for assembling the lithium ion battery, and the lithium ion battery can be obtained by a method similar to a known assembly method.

本発明のリチウムイオン電池は、前述の固体電解質を構成要素として備えることから、優れた安定性を有し、また、良好な容量可逆性と高いクーロン効率とを兼ね備えるものである。 The lithium ion battery of the present invention has excellent stability because it contains the above-mentioned solid electrolyte as a component, and also has good capacity reversibility and high coulombic efficiency.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
1.18gのLiNOと22.82gのAl(NO・9HOとを100mLの蒸留水に溶解しLiNO-Al(NO・9HO溶液を得た。NaOH10.75gを蒸留水50mLに溶解した後、ゆっくり上記のLiNO-Al(NO・9HO溶液に添加してpH10以上に調整し、1時間にわたって急速に攪拌した後、テフロン(登録商標)で裏打ちしたステンレス製オートクレーブに移して100℃で6時間保持することで水熱合成を行った。その後、室温まで自然冷却し、内容物の白色沈殿物を遠心分離により分離し、その後、脱イオン水および無水エタノールでそれぞれ3回連続して洗浄し、最後に60℃で24時間乾燥させることで、生成物を得た(工程1)。得られた生成物をLi-AlLDHと表記した。
Example 1
1.18 g of LiNO 3 and 22.82 g of Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O were dissolved in 100 mL of distilled water to obtain a LiNO 3 -Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O solution. After dissolving 10.75 g of NaOH in 50 mL of distilled water, it was slowly added to the above LiNO 3 -Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O solution to adjust the pH to 10 or more, and after rapid stirring for 1 hour, it was transferred to a stainless steel autoclave lined with Teflon (registered trademark) and held at 100 ° C for 6 hours to perform hydrothermal synthesis. Then, it was naturally cooled to room temperature, and the white precipitate of the contents was separated by centrifugation, and then it was washed three times in succession with deionized water and absolute ethanol, and finally dried at 60 ° C for 24 hours to obtain a product (step 1). The obtained product was designated Li-AlLDH.

次に、得られたLi-AlLDHを、加熱炉により、昇温速度2℃/minで550℃までに昇温し、この温度で4時間保持することで焼成処理することで焼成物を得た(工程2)。一方、リチウム塩としてLiTFIL(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)を、イオン液体である1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)に溶解し、真空中、120℃で12時間加熱することで、リチウム塩及びイオン液体の水溶液(Li-IL-HO溶液)を調製した。斯かる溶液中、リチウム塩の濃度は0.4mass%、イオン液体の濃度は1.1mass%とした。このLi-IL-HO溶液と前記焼成物とを、焼成物の質量と、リチウム塩及びイオン液体の総質量との比Li-AlLDH:Li-ILが1:1.5となるように両者を混合し、80℃で12時間急速に攪拌することで混合物を得た。この混合物を60℃のオーブン内に12時間静置した後、真空オーブンに移して、さらに60℃で12時間乾燥処理を行った。これにより、固体電解質を得た(工程3)。得られた固体電解質を「Li-AlLDH/Li-IL(1:1.5)」と表記した。 Next, the obtained Li-AlLDH was heated to 550°C at a heating rate of 2°C/min in a heating furnace and maintained at this temperature for 4 hours to obtain a fired product (step 2). On the other hand, LiTFIL (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) as a lithium salt was dissolved in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI) as an ionic liquid, and heated at 120°C for 12 hours in a vacuum to prepare an aqueous solution of the lithium salt and the ionic liquid (Li-IL-H 2 O solution). In this solution, the concentration of the lithium salt was 0.4 mass%, and the concentration of the ionic liquid was 1.1 mass%. The Li-IL-H 2 O solution and the fired product were mixed so that the ratio of the mass of the fired product to the total mass of the lithium salt and the ionic liquid (Li-AlLDH:Li-IL) was 1:1.5, and the mixture was rapidly stirred at 80° C. for 12 hours to obtain a mixture. The mixture was left to stand in an oven at 60° C. for 12 hours, and then transferred to a vacuum oven and further dried at 60° C. for 12 hours. This resulted in a solid electrolyte (step 3). The obtained solid electrolyte was designated as "Li-AlLDH/Li-IL (1:1.5)."

(実施例2)
焼成物の質量と、リチウム塩及びイオン液体の総質量との比Li-AlLDH:Li-ILが1:2.0となるように両者を混合して混合物を得たこと以外は、実施例1と同様の方法により、固体電解質を得た。得られた固体電解質を「Li-AlLDH/Li-IL(1:2.0)」と表記した。
Example 2
A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the fired material and the lithium salt and ionic liquid were mixed so that the ratio of their mass to the total mass of the lithium salt and ionic liquid (Li-AlLDH:Li-IL) was 1:2.0. The obtained solid electrolyte was designated as "Li-AlLDH/Li-IL (1:2.0)."

(実施例3)
焼成物の質量と、リチウム塩及びイオン液体の総質量との比Li-AlLDH:Li-ILが1:2.5となるように両者を混合して混合物を得たこと以外は、実施例1と同様の方法により、固体電解質を得た。得られた固体電解質を「Li-AlLDH/Li-IL(1:2.5)」と表記した。
Example 3
A solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the fired material and the lithium salt and ionic liquid were mixed to obtain a mixture such that the ratio of the mass of the fired material to the total mass of the lithium salt and ionic liquid (Li-AlLDH:Li-IL) was 1:2.5. The obtained solid electrolyte was designated as "Li-AlLDH/Li-IL (1:2.5)."

(比較例1)
リチウム塩としてLiTFIL(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)を、イオン液体である1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)に溶解し、真空中、120℃で12時間加熱することで、リチウム塩及びイオン液体の混合物を液体電解質として調製した。この液体電解質中、リチウム塩:イオン液体(質量比)は1:2.65とした。
(Comparative Example 1)
A mixture of the lithium salt and the ionic liquid, LiTFIL (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), was prepared as a liquid electrolyte by dissolving the lithium salt in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI) as a lithium salt and heating the mixture at 120° C. for 12 hours in a vacuum. In this liquid electrolyte, the lithium salt:ionic liquid (mass ratio) was 1:2.65.

(電池の製作)
LiFePO、導電性添加剤(superP)、及び、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる材料を準備した。この材料において、LiFePO:superP:PVDF=8:1:1(質量比)とした。前記材料に、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を溶媒として添加し、12時間攪拌して均一に混合した。得られたスラリーをAl集電体にコーティングし、真空中120℃で12時間乾燥させることで、陰極(カソード)を製作した。この陰極と、陽極(リチウム金属アノード)と、実施例又は比較例で得られた電解質とを用いて、公知の方法により、ブロック電池を組み立てた。
(Battery manufacturing)
A material consisting of LiFePO 4 , a conductive additive (super P), and polyvinylidene fluoride (PVDF) was prepared. In this material, LiFePO 4 :super P:PVDF=8:1:1 (mass ratio). N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added as a solvent to the material, and the mixture was stirred for 12 hours to mix uniformly. The obtained slurry was coated on an Al current collector, and dried in a vacuum at 120° C. for 12 hours to produce a cathode. A block battery was assembled by a known method using this cathode, an anode (lithium metal anode), and the electrolyte obtained in the examples or comparative examples.

(評価結果)
図1は、実施例1~3で得た固体電解質のX線回折測定(XRD)結果を示している。X線回折測定には、Rigaku社製の「SmartLab」を使用し、2θ=10~100°の範囲でCu-Kα(λ=1.540Å)放射線源を使用して測定を行った。
(Evaluation results)
1 shows the results of X-ray diffraction measurement (XRD) of the solid electrolytes obtained in Examples 1 to 3. For the X-ray diffraction measurement, a "SmartLab" manufactured by Rigaku Corporation was used, and the measurement was performed using a Cu-Kα (λ=1.540 Å) radiation source in the range of 2θ=10 to 100°.

なお、図1に示されているLi-AlLDHは、工程1で得られたLi及びAlの複水酸化物のXRDスペクトル、Li-AlLDOは、工程2で得られたLi及びAlの複合酸化物のXRDスペクトル、LiTFSIは、対照であるビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドのリチウム塩のXRDスペクトルである。また、図1の(b)は(a)の一部拡大図である。 In addition, Li-AlLDH shown in Figure 1 is the XRD spectrum of the double hydroxide of Li and Al obtained in step 1, Li-AlLDO is the XRD spectrum of the composite oxide of Li and Al obtained in step 2, and LiTFSI is the XRD spectrum of the lithium salt of bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, which is the control. Also, (b) in Figure 1 is a partially enlarged view of (a).

LiTFSIに対応したXRDピークは、リチウム塩が完全にイオン液体に溶解したため、目立ったものではなかった。Li-AlLDHが焼成した後、LDH(複水酸化物)はLDO(複合酸化物)に変化したため、結晶性の低下が認められた。しかし、Li-AlLDHは、いわゆる「記憶効果」に基づく再構成法によって、Li-ILが添加されたことで結晶性が回復していることが認められた。もっとも、回復したLi-AlLDHの格子間隔は、NO (2.64Å)とTFSI(3.26Å)との半径が類似していることから、ほとんど変化はしなかった。 The XRD peak corresponding to LiTFSI was not prominent because the lithium salt was completely dissolved in the ionic liquid. After the Li-AlLDH was calcined, the LDH (double hydroxide) was changed to LDO (composite oxide), and a decrease in crystallinity was observed. However, the crystallinity of the Li-AlLDH was restored by the addition of Li-IL, using a reconstruction method based on the so-called "memory effect." However, the lattice spacing of the restored Li-AlLDH hardly changed because the radii of NO 3 - (2.64 Å) and TFSI - (3.26 Å) are similar.

図2は、電池の安定性試験の結果を示し、(a)は比較例1で得た液体電解質を備える電池、(b)は実施例2で得られた固体電解質を備える電池の安定性試験の結果である。 Figure 2 shows the results of the stability test of the battery, where (a) is the result of the stability test of the battery with the liquid electrolyte obtained in Comparative Example 1, and (b) is the result of the stability test of the battery with the solid electrolyte obtained in Example 2.

実施例2で得られた固体電解質を備える場合、Li金属との良好な適合性を有し、比較例1のLi-IL液体電解質を使用した電池と比べて、電池の安定性は大きく改善することがわかった。実施例2で得られた固体電解質では、従来は制御不能なLi樹枝状結晶の形成と成長の抑制にプラスの効果があったためであると推察される。 The solid electrolyte obtained in Example 2 has good compatibility with Li metal, and it was found that the stability of the battery is greatly improved compared to the battery using the Li-IL liquid electrolyte in Comparative Example 1. It is presumed that this is because the solid electrolyte obtained in Example 2 had a positive effect on suppressing the formation and growth of Li dendrites, which were previously uncontrollable.

図3は、各電解質のイオン伝導率の測定結果を示している。この測定は、米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用い、バッテリーとしては、SUS symmetric batteryを用い、測定温度30℃、周波数1000000-10Hzの条件で行った。 Figure 3 shows the measurement results of the ionic conductivity of each electrolyte. The measurements were performed using a VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation (USA) and a SUS symmetric battery at a measurement temperature of 30°C and a frequency of 1,000,000-10 Hz.

図3から、各実施例で得られた固体電解質は高いイオン伝導率を有していることがわかった。特に実施例3で得られた固体電解質は、30℃で1.07×10-3Scm-1のイオン伝導度を有していた(実施例1は4.45×10-4Scm-1、実施例2は8.54×10-4Scm-1)。 3, it was found that the solid electrolytes obtained in each Example had high ionic conductivity. In particular, the solid electrolyte obtained in Example 3 had an ionic conductivity of 1.07×10 −3 Scm −1 at 30° C. (4.45×10 −4 Scm −1 in Example 1 and 8.54×10 −4 Scm −1 in Example 2).

図4は、比較例1で得られた液体電解質(図4(a))及び実施例2で得られた固体電解質(図4(b))の電気化学安定性試験の結果を示している。この測定は、米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用い、バッテリーとしては、SUS/電解質/batteryを用い、測定温度40℃、電圧-1~5V、スキャン速度1mVs-1の条件で行った。 4 shows the results of electrochemical stability tests of the liquid electrolyte obtained in Comparative Example 1 (FIG. 4(a)) and the solid electrolyte obtained in Example 2 (FIG. 4(b)). The measurements were performed using a VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation manufactured by the United States, a SUS/electrolyte/battery battery, and under conditions of a measurement temperature of 40° C., a voltage of −1 to 5 V, and a scan rate of 1 mVs −1 .

図4(a)(比較例1)において、-0.5~0.5V範囲のピークは、金属イオンがリチウム表面に挿入・脱離が起こっていることを表し、1/0.8V付近発生するピークはイオン液体の[EMIM]およびリチウム塩[TFSI]が共に界面で分解していることを示している。一方、実施例2のように(図4(b))、Li-AlLDHをLi-ILのホストとして使用した場合、広い電位範囲では新しいピークが現れないため、広い電位範囲でLi金属に対して優れた安定性を有していることがわかった。 In Fig. 4(a) (Comparative Example 1), the peaks in the range of -0.5 to 0.5 V indicate that metal ions are being inserted and removed from the lithium surface, and the peak occurring near 1/0.8 V indicates that both the ionic liquid [EMIM] + and the lithium salt [TFSI] - are decomposed at the interface. On the other hand, when Li-AlLDH is used as a host for Li-IL as in Example 2 (Fig. 4(b)), no new peaks appear in a wide potential range, indicating that the Li-IL has excellent stability against Li metal in a wide potential range.

図5は、実施例2で得られた固体電解質を有する電池の特性評価の結果を示している。この測定は、SD8バッテリーテストを用い、測定温度40℃、電圧2.5~4Vの条件で行った。 Figure 5 shows the results of the characteristic evaluation of the battery having the solid electrolyte obtained in Example 2. The measurement was performed using an SD8 battery tester at a measurement temperature of 40°C and a voltage of 2.5 to 4 V.

0.1、0.3、0.5、1、0.1Cそれぞれにおいて、最初の充放電サイクルでは放電容量は151.8、146.6、138.9、107.1、143.9mAh・g-1であることがわかり、良好な容量可逆性と高いクーロン効率を有していた。 At 0.1, 0.3, 0.5, 1, and 0.1 C, the discharge capacities were found to be 151.8, 146.6, 138.9, 107.1, and 143.9 mAh·g −1 in the first charge-discharge cycle, respectively, with good capacity reversibility and high coulombic efficiency.

図6には、層状複合酸化物の層状構造とそのリチウムイオンの移動機構を模式的に示している。上記実施例の結果から、層状複合酸化物の層状構造の層間にリチウムイオン電解質のアニオンが固定化されることによって、リチウムイオンが層状複合酸化物の層間に自由に往復して、アニオンの干渉が回避されたものと推察される。また、この構造は、リチウムイオンの移動経路を提供することだけではなく、固体電解質のイオン伝導率を高めるほか、固体電解質の安定性も高めるものと考えられる。 Figure 6 shows a schematic diagram of the layered structure of the layered complex oxide and the mechanism of lithium ion migration. From the results of the above examples, it is presumed that the anions of the lithium ion electrolyte are fixed between the layers of the layered structure of the layered complex oxide, allowing the lithium ions to move freely back and forth between the layers of the layered complex oxide, thereby avoiding interference with the anions. Furthermore, this structure not only provides a path for the lithium ions to migrate, but is also thought to increase the ionic conductivity of the solid electrolyte and the stability of the solid electrolyte.

また、前述のように、Li-AlLDHが焼成した後、LDHはLDO(複合酸化物)に変化するものの、固体電解質はLi-ILを含むことで、前記記憶効果に基づく再構成法によって、図6に示すように結晶性が回復するものと推測される。 As mentioned above, after Li-AlLDH is sintered, LDH changes to LDO (complex oxide), but since the solid electrolyte contains Li-IL, it is presumed that the crystallinity is restored by the reconstitution method based on the memory effect, as shown in Figure 6.

Claims (4)

層状複合酸化物と、リチウム塩を含むイオン液体とを含有し、
前記層状複合酸化物は、アルミニウム及びリチウムの複合酸化物で形成され、
前記層状複合酸化物は、層状複水酸化物の結晶構造を有する、リチウムイオン電池用固体電解質。
The present invention relates to a layered composite oxide and an ionic liquid containing a lithium salt.
The layered composite oxide is formed of a composite oxide of aluminum and lithium ,
The layered composite oxide has a crystal structure of a layered double hydroxide.
前記複合酸化物の含有割合が、層状複合酸化物、リチウム塩及びイオン液体の総質量に対して10~60質量%である、請求項1に記載のリチウムイオン電池用固体電解質。 2. The solid electrolyte for lithium ion batteries according to claim 1 , wherein the content of the composite oxide is 10 to 60 mass% based on the total mass of the layered composite oxide, the lithium salt and the ionic liquid. アルミニウム源と、リチウム源と、水とを含む原料をアルカリ剤の存在下、加熱処理する工程1と、
前記加熱処理で得られた生成物を焼成処理して焼成物を得る工程2と、
前記焼成物と、リチウム塩及びイオン液体を含む溶液とを混合して乾燥処理することで固体電解質を得る工程3と
を備え
前記工程1で得られる生成物及び前記工程2で得られる焼成物はいずれも層状の結晶構造を有し、前記工程3で得られた固体電解質は、層状複水酸化物の結晶構造を有する層状複合酸化物である、リチウムイオン電池用固体電解質の製造方法。
A step 1 of heat-treating a raw material including an aluminum source, a lithium source , and water in the presence of an alkaline agent;
A step 2 of calcining the product obtained by the heat treatment to obtain a calcined product;
and step 3 of mixing the fired product with a solution containing a lithium salt and an ionic liquid and drying the mixture to obtain a solid electrolyte .
the product obtained in step 1 and the fired product obtained in step 2 each have a layered crystal structure, and the solid electrolyte obtained in step 3 is a layered composite oxide having a layered double hydroxide crystal structure .
請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用固体電解質を備える、リチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising the solid electrolyte for lithium ion batteries according to claim 1 or 2 .
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