JP7528449B2 - Method for producing sulfide-based solid electrolyte - Google Patents
Method for producing sulfide-based solid electrolyte Download PDFInfo
- Publication number
- JP7528449B2 JP7528449B2 JP2020008240A JP2020008240A JP7528449B2 JP 7528449 B2 JP7528449 B2 JP 7528449B2 JP 2020008240 A JP2020008240 A JP 2020008240A JP 2020008240 A JP2020008240 A JP 2020008240A JP 7528449 B2 JP7528449 B2 JP 7528449B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- lgps
- type solid
- solvent
- producing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
Description
本発明は、硫化物系固体電解質の製造方法、並びにその製造方法により得られるLGPS型硫化物系固体電解質に関する。 The present invention relates to a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, and an LGPS-type sulfide-based solid electrolyte obtained by the method.
近年、携帯情報端末、携帯電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、更には定置型蓄電システムなどの用途において、リチウムイオン二次電池の需要が増加している。しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は、電解液として可燃性の有機溶剤を使用しており、有機溶剤が漏れないように強固な外装を必要とする。また、携帯型のパソコン等においては、万が一、電解液が漏れ出した時のリスクに備えた構造を取る必要があるなど、機器の構造に対する制約も出ている。 In recent years, the demand for lithium-ion secondary batteries has been increasing for applications such as mobile information terminals, mobile electronic devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and even stationary power storage systems. However, current lithium-ion secondary batteries use flammable organic solvents as electrolytes, and require a strong exterior to prevent the organic solvent from leaking. In addition, restrictions on the structure of devices such as portable personal computers are being imposed, such as the need to adopt a structure that addresses the risk of electrolyte leakage.
更には、自動車や飛行機等の移動体にまでその用途が広がり、定置型のリチウムイオン二次電池においては大きな容量が求められている。このような状況の下、安全性が従来よりも重視される傾向にあり、有機溶剤等の有害な物質を使用しない全固体リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。 Furthermore, their use is expanding to mobile objects such as automobiles and airplanes, and large capacity is required for stationary lithium-ion secondary batteries. Under these circumstances, there is a tendency to place more importance on safety than ever before, and efforts are being made to develop all-solid-state lithium-ion secondary batteries that do not use harmful substances such as organic solvents.
例えば、全固体リチウムイオン二次電池における固体電解質として、酸化物、リン酸化合物、有機高分子、硫化物等を使用することが検討されている。
これらの固体電解質の中で、硫化物はイオン伝導度が高く、比較的やわらかく固体-固体間の界面を形成しやすい特徴がある。活物質に対しても安定であり、実用的な固体電解質として開発が進んでいる。
For example, the use of oxides, phosphate compounds, organic polymers, sulfides, and the like as solid electrolytes in all-solid-state lithium ion secondary batteries has been considered.
Among these solid electrolytes, sulfides have the characteristics of high ionic conductivity, being relatively soft and easily forming solid-solid interfaces. They are also stable against active materials, and development is underway as a practical solid electrolyte.
固体電解質に要求される性能の1つに粒径がある。全固体リチウムイオン二次電池における電極層は、電極活物質と固体電解質とを組み合わせて作製されるが、電極活物質と固体電解質との良好な接触界面を形成する目的で、粒径の小さな固体電解質が望まれている。同様に、正極層と負極層とを隔てる固体電解質層においても、より薄い層を形成する目的で、粒径の小さな固体電解質が望まれている。以上の理由で、硫化物系固体電解質の粉砕方法が種々検討されている。 One of the performance requirements for solid electrolytes is particle size. The electrode layer in an all-solid-state lithium-ion secondary battery is made by combining an electrode active material and a solid electrolyte, and a solid electrolyte with a small particle size is desired in order to form a good contact interface between the electrode active material and the solid electrolyte. Similarly, a solid electrolyte with a small particle size is desired in order to form a thinner layer in the solid electrolyte layer that separates the positive electrode layer and the negative electrode layer. For these reasons, various methods for pulverizing sulfide-based solid electrolytes are being investigated.
硫化物系固体電解質の粉砕方法として、ジェットミル、ビーズミル、ピンミル、遊星ボールミル等が知られている。特許文献1では、アルジロダイト型固体電解質をジェットミルやビーズミルで粉砕することにより、粒径が小さく且つイオン伝導度が高い微粒子を得ている。しかしながら、LGPS型固体電解質では、同様にビーズミルやジェットミルを用いて粉砕すると、イオン伝導度が低下するという問題があった。 Known methods for pulverizing sulfide-based solid electrolytes include jet mills, bead mills, pin mills, and planetary ball mills. In Patent Document 1, an argyrodite-type solid electrolyte is pulverized with a jet mill or bead mill to obtain fine particles with small particle size and high ionic conductivity. However, when an LGPS-type solid electrolyte is pulverized using a bead mill or jet mill in a similar manner, there is a problem in that the ionic conductivity decreases.
同様に、特許文献2では、LGPS型固体電解質の遊星ボールミルによる粉砕方法が開示されているが、遊星ボールミルを用いた場合にも、粉砕処理を行うとイオン伝導度が大きく低下するという問題があった。 Similarly, Patent Document 2 discloses a method for grinding LGPS-type solid electrolytes using a planetary ball mill, but even when using a planetary ball mill, there is a problem in that the ionic conductivity is significantly reduced when the grinding process is performed.
このような状況の下、イオン伝導度が高く、且つ、粒径が小さいLGPS型硫化物系固体電解質の製造方法を提供することが望まれている。 Under these circumstances, it is desirable to provide a method for producing an LGPS-type sulfide-based solid electrolyte with high ionic conductivity and small particle size.
そこで、本発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究を行ったところ、LGPS型固体電解質の粉砕方法としてボールミルが適していることを見出した。数μmサイズの粉末を得る粉砕方法として、遊星ボールミルやジェットミルが一般的であるが、LGPS型固体電解質を粉砕する場合には、強い粉砕エネルギーによって固体電解質の結晶構造が崩れてしまい、ひいてはイオン伝導度が低下してしまう。それに対して、ボールミルは、遊星ボールミルやジェットミルと比較して粉砕力は弱いが、結晶構造の崩れを抑えることができ、イオン伝導度の低下も抑えることができる。さらに、LGPS型固体電解質は、ボールミルの弱い粉砕力でも十分に微細化することができることを見出した。これは、LGPS型固体電解質が、アルジロダイト型等の他の硫化物系固体電解質と比べて軟質であるためだと思われる。以上の知見に基づき、本発明を完成するに至った。 In view of the above problems, the inventors conducted intensive research and found that a ball mill is suitable as a method for grinding LGPS-type solid electrolytes. Planetary ball mills and jet mills are common grinding methods for obtaining powders of a few μm in size, but when grinding LGPS-type solid electrolytes, the strong grinding energy causes the crystal structure of the solid electrolyte to collapse, which in turn reduces the ionic conductivity. In contrast, a ball mill has a weaker grinding force than a planetary ball mill or a jet mill, but it can suppress the collapse of the crystal structure and the decrease in ionic conductivity. Furthermore, it was found that the LGPS-type solid electrolyte can be sufficiently finely ground even with the weak grinding force of a ball mill. This is thought to be because the LGPS-type solid electrolyte is softer than other sulfide-based solid electrolytes such as argyrodite-type. Based on the above findings, the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、以下の通りである。
<1>
粗粒子状LGPS型固体電解質を、ボールミルを用いて粉砕し、粉砕物を得る工程と、
前記粉砕物を熱処理することにより、粉砕及び熱処理されたLGPS型固体電解質を得る工程と、
を含む、全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法。
<2>
前記粉砕物を得る工程が、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えることをさらに含む、<1>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
<3>
前記溶剤が、粗粒子状のLGPS型固体電解質に対して10wt%以下の量で加えられる、<2>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
<4>
前記溶剤が、ニトリル系溶剤、エーテル系溶剤、及び炭化水素系溶剤からなる群より選択される1以上の溶剤である、<2>または<3>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
<5>
前記溶剤が、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、及びヘプタンからなる群より選択される、<4>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
<6>
前記LGPS型固体電解質が、硫黄元素、リン元素、ケイ素元素、塩素元素およびリチウム元素から構成される、<1>~<5>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
<7>
粉砕及び熱処理された固体電解質が、粉砕前の粗粒子状LGPS型固体電解質と比較して、イオン伝導度の低下が2.0mS/cm以下であり、且つ、メジアン径が10μm以下である、<1>~<6>に記載の全固体リチウム電池用固体電解質の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
<1>
A step of pulverizing the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte using a ball mill to obtain a pulverized product;
heat-treating the pulverized material to obtain a pulverized and heat-treated LGPS-type solid electrolyte;
The method for producing an LGPS type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery includes the steps of:
<2>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to <1>, wherein the step of obtaining the pulverized product further comprises adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte.
<3>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to <2>, wherein the solvent is added in an amount of 10 wt % or less to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte.
<4>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to <2> or <3>, wherein the solvent is one or more solvents selected from the group consisting of nitrile-based solvents, ether-based solvents, and hydrocarbon-based solvents.
<5>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to <4>, wherein the solvent is selected from the group consisting of acetonitrile, tetrahydrofuran, and heptane.
<6>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to any one of <1> to <5>, wherein the LGPS type solid electrolyte is composed of elemental sulfur, elemental phosphorus, elemental silicon, elemental chlorine, and elemental lithium.
<7>
The method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery according to any one of <1> to <6>, wherein the pulverized and heat-treated solid electrolyte has a decrease in ion conductivity of 2.0 mS/cm or less and a median diameter of 10 μm or less, compared to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte before pulverization.
本発明によれば、イオン伝導度が高く、且つ、粒径が小さいLGPS型硫化物系固体電解質の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for producing an LGPS-type sulfide-based solid electrolyte with high ionic conductivity and small particle size.
以下、本発明を詳細に説明する。なお、以下に説明する材料及び構成等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。 The present invention will be described in detail below. Note that the materials and configurations described below do not limit the present invention, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
本明細書において、LGPS型固体電解質とは、Li、P及びSを含む、特定の結晶構造を有する固体電解質を言うが、例えば、Li、M(MはGe、Si及びSnからなる群より選ばれる一種以上の元素)、P及びSを含む固体電解質が挙げられる。 In this specification, the term LGPS-type solid electrolyte refers to a solid electrolyte that contains Li, P, and S and has a specific crystal structure, and examples of such solid electrolytes include solid electrolytes that contain Li, M (wherein M is one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn), P, and S.
LGPS型固体電解質の結晶構造は、図1に示されるように、Li元素およびS元素から構成される八面体Oと、P、Ge、Si,およびSnからなる群より選ばれる一種以上の元素およびS元素から構成される四面体T1と、P元素およびS元素から構成される四面体T2とを有し、前期四面体T1および前記八面体O稜を共有し、前記四面体T2および前記八面体Oは頂点を共有することを特徴とする。 The crystal structure of the LGPS-type solid electrolyte, as shown in FIG. 1, has an octahedron O composed of Li and S, a tetrahedron T1 composed of one or more elements selected from the group consisting of P, Ge, Si, and Sn and S, and a tetrahedron T2 composed of P and S, and is characterized in that the tetrahedron T1 and the octahedron O share edges, and the tetrahedron T2 and the octahedron O share vertices.
LGPS型固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=20.18°±0.50°、20.44°±0.50°、26.96°±0.50°、及び29.58°±0.50°の位置にピークを有する。 The LGPS-type solid electrolyte has peaks at least at 2θ=20.18°±0.50°, 20.44°±0.50°, 26.96°±0.50°, and 29.58°±0.50° in X-ray diffraction (CuKα: λ=1.5405 Å).
1.粗粒子状LGPS型固体電解質の製造
本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法の対象となる、粗粒子状LGPS型固体電解質は、特許第5527673号公報に記載のメカニカルミリング法、国際公開番号WO2019/044517号公報に記載の液相合成法等の既知の方法で製造することができる。以下、Li、Si、P、およびSを構成元素とするLGPS型固体電解質を例に製造方法を説明するが、本発明の実施態様はこれらに限定されない。
1. Production of coarse-grained LGPS-type solid electrolyte The coarse-grained LGPS-type solid electrolyte, which is the subject of the method for producing an LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery of the present invention, can be produced by known methods such as the mechanical milling method described in Japanese Patent No. 5527673 and the liquid phase synthesis method described in International Publication No. WO2019/044517. Hereinafter, the production method will be described using an LGPS-type solid electrolyte having Li, Si, P, and S as constituent elements, as an example, but the embodiment of the present invention is not limited thereto.
メカニカルミリング法
Li2S、P2S5、およびSiS2の粉末を混ぜ合わせた後、遊星ボールミル等を用いて粉砕・混合処理を行うことにより、LGPS型固体電解質の前駆体を得る。次に、得られたLGPS型固体電解質の前駆体を加熱処理することにより、粗粒子状のLGPS型固体電解質を得ることができる。メカニカルミリング法の特徴は、強力な機械的エネルギーを加えることによって組成の均一化および非晶質化を行う点にある。
Mechanical milling method: Li2S , P2S5 , and SiS2 powders are mixed together, and then crushed and mixed using a planetary ball mill or the like to obtain a precursor of an LGPS-type solid electrolyte. Next, the obtained precursor of an LGPS-type solid electrolyte is heat-treated to obtain a coarse-grained LGPS-type solid electrolyte. The mechanical milling method is characterized by the fact that it homogenizes the composition and makes it amorphous by applying strong mechanical energy.
液相合成法
アセトニトリルやテトラヒドロフラン等の有機溶剤中でLi2SとP2S5とを反応させることにより溶解させた溶液に、Li2S、およびSiS2の粉末を加えて懸濁液を得る。次に、有機溶剤を留去することにより、LGPS型固体電解質の前駆体を得る。続いて、得られた前駆体を加熱処理することにより、粗粒子状のLGPS型固体電解質を得ることができる。液相合成法の特徴は、原料の一部あるいは全部を有機溶剤中で反応・溶解させることよって、組成の均一化および非晶質化を行う点にある。
Liquid phase synthesis method: Li 2 S and P 2 S 5 are reacted in an organic solvent such as acetonitrile or tetrahydrofuran to dissolve the Li 2 S and P 2 S 5 in the solution, and powders of Li 2 S and SiS 2 are added to the solution to obtain a suspension. Next, the organic solvent is distilled off to obtain a precursor of the LGPS type solid electrolyte. Then, the obtained precursor is heat-treated to obtain a coarse-grained LGPS type solid electrolyte. The liquid phase synthesis method is characterized in that the composition is homogenized and amorphous by reacting and dissolving a part or all of the raw material in an organic solvent.
2.本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法
本発明は、硫化物系固体電解質の製造方法、より詳細には、粉砕工程によってイオン電導度が低下しない、LGPS型硫化物系固体電解質の製造方法を提供する。
2. Method for Producing LGPS-Type Solid Electrolyte for All-Solid-State Lithium Battery of the Present Invention The present invention provides a method for producing a sulfide-based solid electrolyte, more specifically, a method for producing a LGPS-type sulfide-based solid electrolyte in which the ionic conductivity is not reduced by the pulverization process.
本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法は、
粗粒子状LGPS型固体電解質を、ボールミルを用いて粉砕し、粉砕物を得る工程(以下「粉砕工程」ともいう)と、
前記粉砕物を熱処理することにより、粉砕及び熱処理されたLGPS型固体電解質を得る工程(以下「熱処理工程」ともいう)と、
を含む。本発明の方法において、LGPS型硫化物系固体電解質に対してボールミルを用いて粉砕することにより、イオン伝導度の低下を抑制しながら粉砕することができ、イオン伝導度が高く、且つ、粒径が小さい、全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質を得ることができる。具体的には、メジアン径が10μm以下、特には5μm以下の固体電解質の粒子を得ることができる。なお、本発明で定義するメジアン径とは、体積基準での粒度分布ヒストグラムにおいて、頻度の累積が50%になる粒子径のことであり、メディアン径と呼ばれることもあり、D50と表記されることもある。また、粒度分布の測定手段としては、レーザー回折・散乱法、動的光散乱法、沈降法、ふるい分け法などが挙げられるが、本発明で定義するメジアン径はレーザー回折・散乱法での測定値である。
The method for producing an LGPS type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery of the present invention comprises the steps of:
A step of pulverizing the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte using a ball mill to obtain a pulverized product (hereinafter also referred to as the "pulverization step");
a step of heat-treating the pulverized product to obtain a pulverized and heat-treated LGPS-type solid electrolyte (hereinafter also referred to as a "heat-treatment step");
In the method of the present invention, the LGPS-type sulfide-based solid electrolyte is pulverized using a ball mill while suppressing the decrease in ion conductivity, and an LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery having high ion conductivity and small particle size can be obtained. Specifically, solid electrolyte particles having a median diameter of 10 μm or less, particularly 5 μm or less, can be obtained. The median diameter defined in the present invention is a particle diameter at which the cumulative frequency is 50% in a particle size distribution histogram based on volume, and is sometimes called the median diameter and sometimes written as D50. In addition, examples of means for measuring particle size distribution include laser diffraction/scattering method, dynamic light scattering method, sedimentation method, and sieving method, but the median diameter defined in the present invention is a measurement value obtained by the laser diffraction/scattering method.
(1)粉砕工程
上述のように、本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法は、粗粒子状LGPS型固体電解質を、ボールミルを用いて粉砕し、粉砕物を得る工程を含む。前記粉砕物を得る工程において、粉砕の条件(温度、回転数など)は、使用する装置や、固体電解質の状態などを考慮して適宜調整することができる。
(1) Pulverization step As described above, the method for producing the LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery of the present invention includes a step of pulverizing the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte using a ball mill to obtain a pulverized product. In the step of obtaining the pulverized product, the pulverization conditions (temperature, rotation speed, etc.) can be appropriately adjusted in consideration of the apparatus used, the state of the solid electrolyte, etc.
なお、本発明で定義するボールミルとは、粉砕機の1種であり、セラミックなどの硬質のボールと、粉砕対象の粉とを円筒形の容器に入れて自転運動させることによって、粉砕対象をすりつぶして微細な粉末を作る装置のことである。 The ball mill defined in this invention is a type of grinding machine, which is a device that grinds the powder to be ground into fine powder by placing hard balls such as ceramic balls and the powder to be ground in a cylindrical container and rotating them on their own axis.
本発明の一実施形態において、前記粉砕物を得る工程は、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えることをさらに含むことができる。すなわち、本発明の実施形態において、前記粉砕物を得る工程は、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えて実施してもよく、あるいは、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えることなく実施してもよい。本発明の一実施形態において、前記粉砕物を得る工程は、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えて実施される。本発明の別の実施形態において、前記粉砕物を得る工程は、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えることなく、実施される。本発明の好ましい実施形態において、前記粉砕工程は、溶剤を加えて実施され得る。 In one embodiment of the present invention, the step of obtaining the pulverized product may further include adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte. That is, in one embodiment of the present invention, the step of obtaining the pulverized product may be performed by adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte, or may be performed without adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte. In one embodiment of the present invention, the step of obtaining the pulverized product is performed by adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte. In another embodiment of the present invention, the step of obtaining the pulverized product is performed without adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte. In a preferred embodiment of the present invention, the pulverization step may be performed by adding a solvent.
本発明の一実施形態において、前記粉砕物を得る工程において溶剤を加えて粉砕する場合、前記溶剤は、粗粒子状のLGPS型固体電解質に対して10wt%以下の量で加えることができる。前記粉砕物を得る工程において溶剤を加える場合、加える溶剤の量が上記の範囲内にあれば、粗粒子状のLGPS型固体電解質がより細かく粉砕され得、また、固体電解質のボールミル容器やボールへの固着が抑えられて回収が容易となる。加える溶剤の量が上記範囲より多いと、固体電解質が変質してイオン伝導度が低下することがある。また、加える溶剤の量が上記範囲より添加量が多いと、固体電解質がボールミルの容器やボールに強く固着することがあり、回収が困難となり得る。 In one embodiment of the present invention, when a solvent is added to the pulverized product in the process of obtaining the pulverized product, the solvent can be added in an amount of 10 wt% or less relative to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte. When a solvent is added in the process of obtaining the pulverized product, if the amount of the solvent added is within the above range, the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte can be pulverized more finely, and the adhesion of the solid electrolyte to the ball mill container or balls is suppressed, making it easier to recover. If the amount of the solvent added is more than the above range, the solid electrolyte may be altered and the ionic conductivity may decrease. Also, if the amount of the solvent added is more than the above range, the solid electrolyte may be strongly adhered to the container or balls of the ball mill, making recovery difficult.
前記粉砕物を得る工程において、前記溶剤の量は、ボールミル容器の容積や溶剤の種類などにも依るので一概には規定できないが、粗粒子状の固体電解質に対して、0超10wt%以下であり、好ましくは0.1以上10wt%以下であってよく、より好ましくは0.1以上2wt%以下であってよい。 In the process of obtaining the pulverized material, the amount of the solvent cannot be generally specified because it depends on the volume of the ball mill container and the type of solvent, but it is more than 0 and not more than 10 wt %, preferably 0.1 to 10 wt %, and more preferably 0.1 to 2 wt %, relative to the coarse-particle solid electrolyte.
前記粉砕物を得る工程において用いることができる溶剤は、粗粒子状のLGPS型固体電解質がより細かく粉砕され得るものであれば限定されないが、例えば、ニトリル系溶剤、エーテル系溶剤、及び炭化水素系溶剤からなる群より選択される1以上の溶剤を用いることができる。上記の溶剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The solvent that can be used in the process of obtaining the pulverized product is not limited as long as it can pulverize the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte more finely, but for example, one or more solvents selected from the group consisting of nitrile-based solvents, ether-based solvents, and hydrocarbon-based solvents can be used. The above solvents may be used alone or in combination of two or more.
上記ニトリル系溶剤としては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、2-メチルブチロニトリル、イソバレロニトリル、ピバロニトリル、ヘキサンニトリル、ヘプタンニトリル、ベンゾニトリルなどが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい実施形態において、上記ニトリル系溶剤は、アセトニトリルであってよい。 Examples of the nitrile-based solvent include, but are not limited to, acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, isobutyronitrile, valeronitrile, 2-methylbutyronitrile, isovaleronitrile, pivalonitrile, hexanenitrile, heptanenitrile, and benzonitrile. In a preferred embodiment, the nitrile-based solvent may be acetonitrile.
上記エーテル系溶剤としては、例えば、テトラヒドロフラン、シクロペンチルメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、ジオキサンなどが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい実施形態において、上記エーテル系溶剤は、テトラヒドロフランであってよい。 The ether-based solvent may be, for example, tetrahydrofuran, cyclopentyl methyl ether, diisopropyl ether, diethyl ether, dimethyl ether, dioxane, or the like, but is not limited thereto. In a preferred embodiment, the ether-based solvent may be tetrahydrofuran.
上記炭化水素系溶剤としては、脂肪族炭化水素系溶剤、及び芳香族炭化水素系溶剤が挙げられる。脂肪族炭化水素系溶剤としては、例えば、炭素数6~C11の飽和脂肪族炭化水素系溶剤などが挙げられるが、これに限定されない。炭素数6~C11の飽和脂肪族炭化水素系溶剤としては、例えば、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、などが挙げられるが、これらに限定されない。芳香族炭化水素系溶剤としては、例えば、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、クロロベンゼンなどが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい実施形態において、上記炭化水素系溶剤は、トルエン、n-ヘプタンであってよい。 The above-mentioned hydrocarbon solvents include aliphatic hydrocarbon solvents and aromatic hydrocarbon solvents. Examples of the aliphatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, saturated aliphatic hydrocarbon solvents having 6 to 11 carbon atoms. Examples of the saturated aliphatic hydrocarbon solvents having 6 to 11 carbon atoms include, but are not limited to, hexane, cyclohexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, etc. Examples of the aromatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, chlorobenzene, etc. In a preferred embodiment, the above-mentioned hydrocarbon solvent may be toluene or n-heptane.
使用する溶剤は含水率の低いものが好ましく、水分量が1000ppm以下であることが好ましく、100ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることが特に好ましい。脱水方法としては、蒸留やカラムによる精製、モレキュラーシーブスの添加などの常法を用いることができる。 The solvent used preferably has a low water content, preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and most preferably 10 ppm or less. Conventional methods such as distillation, purification using a column, and addition of molecular sieves can be used as the dehydration method.
ボールミルで使用するボールの材質としては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などが挙げられるが、これらに限定されない。ボールの径は特に限定されないが、0.1mmφ~30mmφが好ましく、0.3mmφ~10mmφがより好ましく、1mmφ~5mmφが特に好ましい。 The material of the balls used in the ball mill includes, but is not limited to, alumina, zirconia, silicon nitride, etc. The diameter of the balls is not particularly limited, but is preferably 0.1 mmφ to 30 mmφ, more preferably 0.3 mmφ to 10 mmφ, and particularly preferably 1 mmφ to 5 mmφ.
前記粉砕物を得る工程において、ボールミル容器は不活性ガスを充填して密封することが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどが挙げられ、アルゴンが特に好ましい。不活性ガス中の酸素および水分の濃度は低いことが好ましく、どちらも1000ppm以下が好ましく、100ppm以下がより好ましく、10ppm以下が特に好ましい。 In the process of obtaining the pulverized product, the ball mill container is preferably filled with an inert gas and sealed. Examples of the inert gas include nitrogen, helium, and argon, with argon being particularly preferred. The oxygen and moisture concentrations in the inert gas are preferably low, with both being preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.
ボールミル容器内の温度は、LGPS型固体電解質が熱分解しない温度、且つ、粒成長しない温度であれば特に限定されないが、-10℃~120℃の範囲が好ましく、0℃~60℃の範囲がより好ましく、10℃~40℃の範囲が特に好ましい。 The temperature inside the ball mill container is not particularly limited as long as it is a temperature at which the LGPS-type solid electrolyte does not thermally decompose and does not cause grain growth, but is preferably in the range of -10°C to 120°C, more preferably in the range of 0°C to 60°C, and particularly preferably in the range of 10°C to 40°C.
ボールミル容器の回転数は、臨界回転数未満が好ましく、臨界回転数の50%~90%の範囲がより好ましく、臨界回転数の60%~80%の範囲が特に好ましい。臨界回転数とは、内容物(ボールおよび粉砕対象)が遠心力で容器内壁に圧着され、内容物が落下しなくなる時の回転数をいう。また、粉砕処理の時間は特に限定されないが、1時間~96時間の範囲であり、好ましくは3時間~48時間の範囲であり、より好ましくは6時間~24時間の範囲である。粉砕時間が短いと、粒径が十分に小さくならない場合がある。また、粉砕時間が長いと、固体電解質の結晶構造が崩れて、イオン伝導度が低下する場合がある。 The rotation speed of the ball mill container is preferably less than the critical rotation speed, more preferably in the range of 50% to 90% of the critical rotation speed, and particularly preferably in the range of 60% to 80% of the critical rotation speed. The critical rotation speed refers to the rotation speed at which the contents (balls and objects to be ground) are pressed against the inner wall of the container by centrifugal force and the contents no longer fall. The time for the grinding process is not particularly limited, but is in the range of 1 hour to 96 hours, preferably in the range of 3 hours to 48 hours, and more preferably in the range of 6 hours to 24 hours. If the grinding time is short, the particle size may not be sufficiently small. If the grinding time is long, the crystal structure of the solid electrolyte may collapse, decreasing the ionic conductivity.
(2)熱処理工程
上述のように、本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法は、前記粉砕物を熱処理することにより、粉砕及び熱処理されたLGPS型固体電解質を得る工程を含む。前記粉砕工程を実施すると、結晶性が低下するためイオン伝導度が低下するが、その後熱処理工程を実施することにより、結晶性が回復してイオン伝導度を向上させることができる。
(2) Heat Treatment Step As described above, the method for producing an LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery of the present invention includes a step of heat treating the pulverized material to obtain a pulverized and heat-treated LGPS-type solid electrolyte. When the pulverization step is performed, the crystallinity is reduced, and therefore the ionic conductivity is reduced. However, by performing a heat treatment step thereafter, the crystallinity is restored, and the ionic conductivity can be improved.
前記熱処理工程は、前記粉砕工程により得られたLGPS型固体電解質の粉砕物が粒成長しない温度で実施される。前記熱処理工程において、熱処理の条件は、使用する装置や、固体電解質の状態などを考慮して適宜調整することができる。前記熱処理工程において、熱処理温度は、300℃~700℃の範囲であってよく、好ましくは350℃~650℃の範囲であってよく、より好ましくは400℃~600℃の範囲であってよい。熱処理温度が上記範囲にあれば、所望の結晶を容易に得ることができる。300℃よりも温度が低いと所望の結晶が生じにくく、一方、700℃よりも温度が高いと、目的とする以外の結晶が生成し、イオン伝導度が低下しやすくなる。 The heat treatment step is carried out at a temperature at which the pulverized LGPS-type solid electrolyte obtained by the pulverization step does not grow into grains. In the heat treatment step, the heat treatment conditions can be appropriately adjusted taking into consideration the equipment used and the state of the solid electrolyte. In the heat treatment step, the heat treatment temperature may be in the range of 300°C to 700°C, preferably in the range of 350°C to 650°C, and more preferably in the range of 400°C to 600°C. If the heat treatment temperature is in the above range, the desired crystals can be easily obtained. If the temperature is lower than 300°C, the desired crystals are unlikely to form, while if the temperature is higher than 700°C, crystals other than the intended one are likely to form, and the ion conductivity is likely to decrease.
熱処理工程は、真空もしくは不活性ガス雰囲気下で実施することができ、好ましくは不活性ガス雰囲気下で実施することができる。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを使用することができるが、中でもアルゴンが好ましい。酸素や水分の濃度が低いことが好ましく、どちらも1000ppm以下が好ましく、100ppm以下がより好ましく、10ppm以下が特に好ましい。 The heat treatment process can be carried out in a vacuum or in an inert gas atmosphere, preferably in an inert gas atmosphere. As the inert gas, nitrogen, helium, argon, etc. can be used, among which argon is preferred. It is preferable that the concentration of oxygen and moisture is low, and both are preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.
3.本発明の方法により得られる全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質
上記のようにして得られる本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質は、各種手段によって所望の成形体とし、以下に記載する全固体電池をはじめとする各種用途に使用することができる。成形方法は特に限定されない。例えば、後述する<全固体電池>において述べた全固体電池を構成する各層の成形方法と同様の方法を使用することができる。
3. LGPS-type solid electrolyte for all-solid-state lithium batteries obtained by the method of the present invention The LGPS-type solid electrolyte for all-solid-state lithium batteries of the present invention obtained as described above can be formed into a desired molded body by various means and used for various applications including all-solid-state batteries described below. The molding method is not particularly limited. For example, the same molding method as the molding method for each layer constituting the all-solid-state battery described in <All-solid-state battery> described later can be used.
<全固体電池>
本発明の硫化物系固体電解質は、例えば、全固体電池用の固体電解質として使用され得る。また、本発明の更なる実施形態によれば、上述した全固体電池用固体電解質を含む全固体電池が提供される。
<All-solid-state battery>
The sulfide-based solid electrolyte of the present invention can be used, for example, as a solid electrolyte for an all-solid-state battery. According to a further embodiment of the present invention, there is provided an all-solid-state battery including the above-mentioned solid electrolyte for an all-solid-state battery.
ここで「全固体電池」とは、全固体リチウムイオン二次電池である。図2は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の概略断面図である。全固体電池10は、正極層1と負極層3との間に固体電解質層2が配置された構造を有する。全固体電池10は、携帯電話、パソコン、自動車等をはじめとする各種機器において使用することができる。 The term "all-solid-state battery" as used herein refers to an all-solid-state lithium-ion secondary battery. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention. The all-solid-state battery 10 has a structure in which a solid electrolyte layer 2 is disposed between a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 3. The all-solid-state battery 10 can be used in various devices including mobile phones, personal computers, automobiles, etc.
本発明の硫化物系固体電解質は、正極層1、負極層3および固体電解質層2のいずれか一層以上に、固体電解質として含まれてよい。固体電解質は、本発明の硫化物系固体電解質単独で構成されてもよいし、必要に応じて、酸化物固体電解質(例えば、Li7La3Zr2O12)、硫化物系固体電解質(例えば、Li2S-P2S5)、その他の錯体水素化物固体電解質(例えば、LiBH4、3LiBH4-LiI)などを適宜組み合わせて使用してもよい。正極層1または負極層3に本発明の硫化物系固体電解質が含まれる場合、本発明の硫化物系固体電解質と公知のリチウムイオン二次電池用正極活物質または負極活物質とを組み合わせて使用する。正極層1または負極層3に含まれる本発明の硫化物系固体電解質の量比は、特に制限されない。 The sulfide-based solid electrolyte of the present invention may be contained as a solid electrolyte in at least one of the positive electrode layer 1, the negative electrode layer 3, and the solid electrolyte layer 2. The solid electrolyte may be composed of the sulfide-based solid electrolyte of the present invention alone, or may be used in appropriate combination with an oxide solid electrolyte (e.g., Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), a sulfide solid electrolyte (e.g., Li 2 S-P 2 S 5 ), or other complex hydride solid electrolyte (e.g., LiBH 4 , 3LiBH 4 -LiI), as necessary. When the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is contained in the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is used in combination with a known positive electrode active material or negative electrode active material for lithium ion secondary batteries. The amount ratio of the sulfide-based solid electrolyte of the present invention contained in the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3 is not particularly limited.
全固体電池は、上述した各層を成形して積層することによって作製されるが、各層の成形方法および積層方法については、特に制限されない。 The solid-state battery is produced by molding and stacking each of the layers described above, but there are no particular limitations on the method of molding and stacking each layer.
例えば、固体電解質および/または電極活物質を溶剤に分散させてスラリー状としたものをドクターブレードまたはスピンコート等により塗布し、それを圧延することにより製膜する方法;真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を用いて製膜および積層を行う気相法;ホットプレスまたは温度をかけないコールドプレスによって粉末を成形し、それを積層していく加圧成形法等がある。 For example, there are methods in which a solid electrolyte and/or an electrode active material is dispersed in a solvent to form a slurry, which is then applied using a doctor blade or spin coater, and then rolled to form a film; gas-phase methods in which films are formed and laminated using vacuum deposition, ion plating, sputtering, laser ablation, etc.; and pressure molding methods in which powder is molded using hot pressing or cold pressing without applying heat, and then laminated.
本発明の硫化物系固体電解質は比較的柔らかいことから、加圧成形法によって各層を成形および積層して全固体電池を作製することが特に好ましい。加圧成形法としては、加温して行うホットプレスと加温しないコールドプレスとがあるが、コールドプレスでも十分に成形することができる。 Since the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is relatively soft, it is particularly preferable to produce an all-solid-state battery by forming and stacking each layer by pressure molding. Pressure molding methods include hot pressing, which is performed with heating, and cold pressing, which is not performed with heating, but cold pressing can also be used to sufficiently form the electrolyte.
なお、本発明には、本発明の硫化物系固体電解質を加熱成形してなる成形体が包含される。該成形体は、全固体電池として好適に用いられる。また、本発明には、本発明の硫化物系固体電解質を加熱成形する工程を含む、全固体電池の製造方法が包含される。 The present invention also includes a molded body obtained by heat-molding the sulfide-based solid electrolyte of the present invention. The molded body is preferably used as an all-solid-state battery. The present invention also includes a method for producing an all-solid-state battery, which includes a step of heat-molding the sulfide-based solid electrolyte of the present invention.
以下、実施例により本実施形態を更に詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present embodiment will be described in more detail below with reference to examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
<X線回折測定>
X線回折測定は、硫化物系固体電解質の粉末について、Ar雰囲気下、室温(25℃)で、PANalytical社製「X’Pert3 Powder」を用い、CuKα:λ=1.5405Åにて実施した。
<X-ray diffraction measurement>
X-ray diffraction measurements were performed on the sulfide-based solid electrolyte powder in an Ar atmosphere at room temperature (25° C.) using “X'Pert3 Powder” manufactured by PANalytical Corporation, with CuKα: λ=1.5405 Å.
<リチウムイオン伝導度測定>
硫化物系固体電解質を一軸成型(420MPa)に供し、厚さ約1mm、直径10mmのディスクを得た後、全固体電池評価セル(宝泉株式会社製)を用い、室温(25℃)において、四端子法による交流インピーダンス測定(Solartron社製「SI1260 IMPEDANCE/GAIN―PHASE ANALYZER」)を行い、リチウムイオン伝導度を算出した。
<Lithium ion conductivity measurement>
The sulfide-based solid electrolyte was subjected to uniaxial molding (420 MPa) to obtain a disk having a thickness of about 1 mm and a diameter of 10 mm. Then, using an all-solid-state battery evaluation cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.), AC impedance measurement was performed by a four-terminal method ("SI1260 IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER" manufactured by Solartron) at room temperature (25°C) to calculate the lithium ion conductivity.
具体的には、サンプルを25℃に設定した恒温槽に入れて30分間保持した後にリチウムイオン伝導度を測定した。測定周波数範囲は0.1Hz~1MHz、振幅は50mVとした。 Specifically, the sample was placed in a thermostatic chamber set at 25°C and held there for 30 minutes before measuring the lithium ion conductivity. The measurement frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz, and the amplitude was 50 mV.
<メジアン径の測定>
硫化物系固体電解質の粉末について、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクトロトラック・ベル社製「MT3300EXII」)を用いて粒度分布を測定し、体積基準におけるメジアン径(D50)を求めた。
<Median diameter measurement>
The particle size distribution of the sulfide-based solid electrolyte powder was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement device ("MT3300EXII" manufactured by Microtrac-Bell) to determine the median diameter (D50) on a volume basis.
製造例
まず、下記に例示される工程に従い、本発明の全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法の対象となる、粗粒子状LGPS型固体電解質を製造した。
Production Example First, a coarse-particle LGPS-type solid electrolyte, which is the subject of the production method of the LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery of the present invention, was produced according to the steps exemplified below.
<溶液化工程1>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2S:P2S5:=1:1のモル比となるように、Li2S(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.8%)を1.42g、およびP2S5(シグマ・アルドリッチ社製、純度99%)を6.87g量り取った。次に、アセトニトリル(和光純薬工業社製、超脱水グレード)75gに対して、Li2S、P2S5の順に加え、室温下で3時間混合した。混合物は徐々に溶解し、Li-P-S均一溶液を得た。
<Solubilization step 1>
In a glove box under an argon atmosphere, 1.42 g of Li 2 S (Sigma-Aldrich, purity 99.8%) and 6.87 g of P 2 S 5 (Sigma-Aldrich, purity 99%) were weighed out so that the molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 :=1:1. Next, Li 2 S and P 2 S 5 were added in this order to 75 g of acetonitrile (Wako Pure Chemical Industries, ultra-dehydrated grade), and mixed at room temperature for 3 hours. The mixture gradually dissolved, and a Li-P-S homogeneous solution was obtained.
<溶液化工程2>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2S:SiS2=0.5:1のモル比となるように、Li2S(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.8%)を4g、およびSiS2(三津和化学社製)を16g量り取った。次に、アセトニトリル(和光純薬工業社製、超脱水グレード)610gに対して加え、室温下で24時間混合した。混合物は徐々に溶解したが、この段階では原料中の不純物が残存していた。
<Solubilization step 2>
In a glove box under an argon atmosphere, 4 g of Li2S (Sigma-Aldrich, purity 99.8%) and 16 g of SiS2 (Mitsuwa Chemical) were weighed out so that the molar ratio of Li2S : SiS2 was 0.5:1. Next, they were added to 610 g of acetonitrile (Wako Pure Chemical Industries, ultra-dehydrated grade) and mixed at room temperature for 24 hours. The mixture gradually dissolved, but impurities in the raw materials remained at this stage.
得られた溶液をメンブランフィルター(PTFE、孔径1.0μm)を用いて濾過することで、濾滓として2.0g、濾液(Li-Si-S均一溶液)として578g得られた。Li-Si-S均一溶液のICP分析を行った結果、Li/Si(モル比)は50.6/49.4であった。また、(Li2S+SiS2)の濃度は3.07wt%であった。 The resulting solution was filtered using a membrane filter (PTFE, pore size 1.0 μm) to obtain 2.0 g of filter cake and 578 g of filtrate (Li-Si-S homogeneous solution). ICP analysis of the Li-Si-S homogeneous solution revealed that the Li/Si (molar ratio) was 50.6/49.4. The concentration of (Li 2 S + SiS 2 ) was 3.07 wt %.
<溶液混合工程>
Si:P=1:1のモル比となるように、Li-P-S均一溶液を82.9g、Li-Si-S均一溶液を233.0g混合して均一混合溶液を調製した。さらに、LiCl(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.99%)0.52gを撹拌しながら加え、室温下で3時間混合した。
<Solution mixing step>
A homogeneous mixed solution was prepared by mixing 82.9 g of the Li-P-S homogeneous solution and 233.0 g of the Li-Si-S homogeneous solution so that the molar ratio of Si:P was 1: 1. Furthermore, 0.52 g of LiCl (Sigma-Aldrich, purity 99.99%) was added with stirring, and the mixture was mixed at room temperature for 3 hours.
<スラリー化工程>
得られた均一混合溶液中に、Li2Sを6.27g撹拌しながら加え、室温下で12時間混合してスラリー液を調製した。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。なお、以上の操作で加えた全ての原料のモル比は、Li2S:P2S5:SiS2:LiCl=6.45:1:2:0.40となり、元素組成はLi3.33Si0.50P0.50S3.86Cl0.10となる。
<Slurrying step>
6.27 g of Li 2 S was added to the obtained homogeneous mixed solution while stirring, and the mixture was mixed at room temperature for 12 hours to prepare a slurry liquid. A series of operations was carried out in a glove box under an argon atmosphere. The molar ratio of all the raw materials added in the above operations was Li 2 S: P 2 S 5 : SiS 2 : LiCl = 6.45: 1: 2: 0.40, and the element composition was Li 3.33 Si 0.50 P 0.50 S 3.86 Cl 0.10 .
<乾燥工程>
得られたスラリー液を、真空下、180℃で4時間乾燥させることで、溶剤を除去した。溶剤除去は溶液を撹拌しながら行った。その後、室温まで冷却して前駆体を得た。
<Drying process>
The obtained slurry liquid was dried under vacuum at 180° C. for 4 hours to remove the solvent. The solvent was removed while stirring the solution. After that, the solution was cooled to room temperature to obtain a precursor.
<加熱処理工程>
得られた前駆体をグローブボックス内でガラス製反応管に入れて、前駆体が大気に暴露しないように電気管状炉に設置した。反応管にアルゴン(G3グレード)を吹き込み、3時間かけて475℃まで昇温し、その後8時間475℃で焼成することにより、LGPS型固体電解質を得た。
<Heat treatment step>
The obtained precursor was placed in a glass reaction tube in a glove box and placed in an electric tubular furnace so that the precursor was not exposed to the atmosphere. Argon (G3 grade) was blown into the reaction tube, and the temperature was raised to 475°C over 3 hours, and then the precursor was fired at 475°C for 8 hours to obtain a LGPS-type solid electrolyte.
参考例
上記製造例により製造した、粗粒子状のLGPS型固体電解質のX線回折測定を行った結果、LGPS型固体電解質の結晶相に帰属される2θ=19.95°、20.16°、26.70°、29.35°にピークが観測された。イオン伝導度は6.1mS/cmであり、メジアン径は69.7μmであった。
Reference Example: As a result of X-ray diffraction measurement of the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte produced by the above-mentioned production example, peaks were observed at 2θ=19.95°, 20.16°, 26.70°, and 29.35°, which are attributed to the crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte. The ionic conductivity was 6.1 mS/cm, and the median diameter was 69.7 μm.
実施例1
<粉砕工程>
上記製造例により製造した粗粒子状LGPS型固体電解質1gを、直径3mmφのジルコニアボール80gと共に50ccのデュラン瓶に入れ密閉した。上記計量、添加、密閉作業は全てアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施し、使用する器具類は全て乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
Example 1
<Crushing process>
1 g of the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte produced by the above-mentioned Production Example was placed in a 50 cc Duran bottle together with 80 g of zirconia balls having a diameter of 3 mm and sealed. The above-mentioned weighing, addition and sealing operations were all carried out in a glove box under an argon atmosphere, and all the equipment used had been previously dehydrated with a dryer.
この容器をボールミル架台(株式会社アサヒ理化製作所製、AV-1型)を用いて、常温にて120rpmにて12h回転させて粉砕処理を行った。固体電解質を0.77g回収し、イオン伝導度測定を行った結果、粉砕処理後における固体電解質のイオン伝導度は2.7mS/cmであった。 The container was then rotated at 120 rpm for 12 hours at room temperature using a ball mill stand (AV-1 model, manufactured by Asahi Rika Seisakusho Co., Ltd.) to perform a pulverization process. 0.77 g of solid electrolyte was recovered, and the ionic conductivity was measured, revealing that the ionic conductivity of the solid electrolyte after the pulverization process was 2.7 mS/cm.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を、ガラス容器に入れアルゴン下、475℃、4時間の熱処理を行った。熱処理後の固体電解質のX線回折測定を行った結果、LGPS型固体電解質の結晶相に帰属される2θ=19.97°、20.17°、26.73°、29.35°にピークが観測された。イオン伝導度は6.2mS/cmであり、メジアン径は9.4μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization treatment was placed in a glass container and heat-treated at 475° C. for 4 hours under argon. As a result of X-ray diffraction measurement of the solid electrolyte after the heat treatment, peaks were observed at 2θ=19.97°, 20.17°, 26.73°, and 29.35°, which are attributed to the crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte. The ionic conductivity was 6.2 mS/cm, and the median diameter was 9.4 μm.
実施例2
<粉砕工程>
上記製造例により製造したLGPS型固体電解質1gを、直径5mmφのジルコニアボール80gとともに50ccのデュラン瓶に入れた後、溶剤として、テトラヒドロフラン(Wako製、超脱水グレード)を18mg(固体電解質に対して1.8wt%)添加した以外は実施例1と同様に粉砕処理を行った。固体電解質の回収量は0.89gであった。
Example 2
<Crushing process>
1 g of the LGPS-type solid electrolyte produced by the above-mentioned Production Example was placed in a 50 cc Duran bottle together with 80 g of zirconia balls having a diameter of 5 mm, and then crushed in the same manner as in Example 1, except that 18 mg (1.8 wt % based on the solid electrolyte) of tetrahydrofuran (manufactured by Wako, ultra-dehydrated grade) was added as a solvent. The recovered amount of the solid electrolyte was 0.89 g.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定の結果、実施例1と同様にLGPS型固体電解質の結晶相が観測された。イオン伝導度は6.0mS/cmであり、メジアン径は4.2μmであった。
<Heat treatment process>
The pulverized solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. As a result of X-ray diffraction measurement, a crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte was observed, as in Example 1. The ionic conductivity was 6.0 mS/cm, and the median diameter was 4.2 μm.
実施例3
<粉砕工程>
溶剤として、テトラヒドロフランの代わりにアセトニトリル(Wako製、超脱水グレード)を18mg添加した以外は実施例2と同様に粉砕処理を行った。固体電解質の回収量は0.87gであった。
Example 3
<Crushing process>
The grinding treatment was carried out in the same manner as in Example 2, except that 18 mg of acetonitrile (manufactured by Wako, ultra-dehydrated grade) was added instead of tetrahydrofuran as a solvent. The recovered amount of the solid electrolyte was 0.87 g.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定の結果、実施例1と同様にLGPS型固体電解質の結晶相が観測された。イオン伝導度は7.4mS/cmであり、メジアン径は8.8μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization treatment was heat-treated in the same manner as in Example 1. As a result of X-ray diffraction measurement, a crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte was observed as in Example 1. The ionic conductivity was 7.4 mS/cm, and the median diameter was 8.8 μm.
実施例4
<粉砕工程>
溶剤として、テトラヒドロフランの代わりにトルエン(Wako製、超脱水グレード)を18mg添加した以外は実施例2と同様に粉砕処理を行った。固体電解質の回収量は0.83gであった。
Example 4
<Crushing process>
The grinding treatment was carried out in the same manner as in Example 2, except that 18 mg of toluene (manufactured by Wako, ultra-dehydrated grade) was added instead of tetrahydrofuran as a solvent. The recovered amount of the solid electrolyte was 0.83 g.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定の結果、実施例1と同様にLGPS型固体電解質の結晶相が観測された。イオン伝導度は5.8mS/cmであり、メジアン径は6.3μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization treatment was heat-treated in the same manner as in Example 1. As a result of X-ray diffraction measurement, a crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte was observed as in Example 1. The ionic conductivity was 5.8 mS/cm, and the median diameter was 6.3 μm.
実施例5
<粉砕工程>
溶剤として添加するテトラヒドロフラン(Wako製、超脱水グレード)を90mg(固体電解質に対して9.0wt%)に変更した以外は実施例2と同様に粉砕処理を行った。固体電解質の回収量は1.00gであった。
Example 5
<Crushing process>
The pulverization treatment was carried out in the same manner as in Example 2, except that the amount of tetrahydrofuran (manufactured by Wako, ultra-dehydrated grade) added as a solvent was changed to 90 mg (9.0 wt % based on the solid electrolyte). The recovered amount of the solid electrolyte was 1.00 g.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定の結果、実施例1と同様にLGPS型固体電解質の結晶相が観測された。イオン伝導度は4.5mS/cmであり、メジアン径は4.1μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization treatment was heat-treated in the same manner as in Example 1. As a result of X-ray diffraction measurement, a crystalline phase of the LGPS-type solid electrolyte was observed as in Example 1. The ionic conductivity was 4.5 mS/cm, and the median diameter was 4.1 μm.
比較例1
<粉砕工程>
溶剤として添加するテトラヒドロフラン(Wako製、超脱水グレード)を180mg(固体電解質に対して18.0wt%)に変更した以外は実施例2と同様に粉砕処理を行った。粉砕処理後、固体電解質を回収しようとしたが、固体電解質が容器の壁面やボールに強く固着して回収は困難であった。
Comparative Example 1
<Crushing process>
The pulverization treatment was carried out in the same manner as in Example 2, except that the amount of tetrahydrofuran (manufactured by Wako, ultra-dehydrated grade) added as a solvent was changed to 180 mg (18.0 wt % relative to the solid electrolyte). After the pulverization treatment, an attempt was made to recover the solid electrolyte, but the solid electrolyte was strongly adhered to the wall surface of the container and the ball, making recovery difficult.
比較例2
<粉砕工程>
上記製造例により製造したLGPS型固体電解質10gを、ジェットミル(株式会社アイシンナノテクノロジー製、NJ-50)を用いて、入口圧2.0MPa、粉砕圧1.2MPa、処理速度60g/hにて粉砕して、粉砕された固体電解質7.8gを回収した。
Comparative Example 2
<Crushing process>
10 g of the LGPS-type solid electrolyte produced by the above Production Example was pulverized using a jet mill (NJ-50, manufactured by Aisin Nano Technology Co., Ltd.) at an inlet pressure of 2.0 MPa, a pulverization pressure of 1.2 MPa, and a processing speed of 60 g/h, and 7.8 g of the pulverized solid electrolyte was recovered.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定を行ったところ、LGPS型の結晶構造の他に、25.30°と29.80°にアルジロダイトに帰属される不純物相が観測された。イオン伝導度は2.6mS/cmであり、メジアン径は12.4μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization was heat-treated in the same manner as in Example 1. When X-ray diffraction measurement was performed, in addition to the LGPS type crystal structure, impurity phases belonging to argyrodite were observed at 25.30° and 29.80°. The ionic conductivity was 2.6 mS/cm, and the median diameter was 12.4 μm.
比較例3
<粉砕工程>
上記製造例により製造したLGPS型固体電解質1.5g、0.3mmφのジルコニアビーズ53g、イソブチロニトリル4ml、およびトルエン6mlを、容積45ccの遊星ボールミル用容器に入れ、遊星ボールミル(フリッチュ社製、P-7クラシックライン)を用いて回転数300rpmで15時間の粉砕処理を行った。粉砕後、ジルコニアビーズを除去して懸濁液を得た。得られた懸濁液を、エバポレーターを用いて減圧下、180℃で2時間の乾燥を行い、粉砕された固体電解質0.51gを回収した。
Comparative Example 3
<Crushing process>
1.5 g of the LGPS-type solid electrolyte produced by the above-mentioned production example, 53 g of zirconia beads having a diameter of 0.3 mm, 4 ml of isobutyronitrile, and 6 ml of toluene were placed in a 45 cc planetary ball mill container, and ground for 15 hours at a rotation speed of 300 rpm using a planetary ball mill (Fritsch, P-7 Classic Line). After grinding, the zirconia beads were removed to obtain a suspension. The obtained suspension was dried at 180° C. under reduced pressure for 2 hours using an evaporator, and 0.51 g of the ground solid electrolyte was collected.
<熱処理工程>
粉砕処理後の固体電解質を実施例1と同様の方法で熱処理した。X線回折測定を行ったところ、LGPS型の結晶構造の他に、25.25°と29.75°にアルジロダイトに帰属される不純物相が観測された。イオン伝導度は2.5mS/cmであり、メジアン径は1.9μmであった。
<Heat treatment process>
The solid electrolyte after the pulverization was heat-treated in the same manner as in Example 1. When X-ray diffraction measurement was performed, impurity phases belonging to argyrodite were observed at 25.25° and 29.75° in addition to the LGPS type crystal structure. The ionic conductivity was 2.5 mS/cm and the median diameter was 1.9 μm.
参考例、実施例1~5、及び比較例1~3で得られた固体電解質の回収率、イオン伝導度、粉砕前と比較したイオン伝導の低下、およびメジアン径の測定結果を下記表1に、X線回折パターンの測定結果を下記図3に示す。 The recovery rate, ionic conductivity, decrease in ionic conductivity compared to before grinding, and median diameter of the solid electrolytes obtained in the Reference Example, Examples 1 to 5, and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below, and the results of measuring the X-ray diffraction patterns are shown in Figure 3 below.
上述のように、本発明によれば、イオン伝導度が高く、且つ、粒径が小さいLGPS型硫化物系固体電解質の製造方法を提供することができる。また、本発明の方法により得られる、上記のLGPS型硫化物系固体電解質は、全固体リチウム電池用に適する。 As described above, the present invention provides a method for producing an LGPS-type sulfide-based solid electrolyte having high ionic conductivity and small particle size. Furthermore, the LGPS-type sulfide-based solid electrolyte obtained by the method of the present invention is suitable for use in all-solid-state lithium batteries.
1 正極層
2 固体電解質層
3 負極層
10 全固体電池
1 Positive electrode layer 2 Solid electrolyte layer 3 Negative electrode layer 10 All-solid-state battery
Claims (5)
前記粉砕物を熱処理することにより、粉砕及び熱処理されたLGPS型固体電解質を得る工程と、
を含む、全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法であって、
前記粉砕物を得る工程が、粗粒子状のLGPS型固体電解質に溶剤を加えることをさらに含み、
前記溶剤が、粗粒子状のLGPS型固体電解質に対して0wt%超10wt%以下の量で加えられる、全固体リチウム電池用LGPS型固体電解質の製造方法。 A step of pulverizing the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte using a ball mill to obtain a pulverized product;
heat-treating the pulverized material to obtain a pulverized and heat-treated LGPS-type solid electrolyte;
A method for producing an LGPS type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery, comprising:
The step of obtaining the pulverized product further includes adding a solvent to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte,
The method for producing an LGPS-type solid electrolyte for an all-solid-state lithium battery, wherein the solvent is added in an amount of more than 0 wt % and not more than 10 wt % to the coarse-particle LGPS-type solid electrolyte.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020008240A JP7528449B2 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Method for producing sulfide-based solid electrolyte |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020008240A JP7528449B2 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Method for producing sulfide-based solid electrolyte |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021118038A JP2021118038A (en) | 2021-08-10 |
| JP7528449B2 true JP7528449B2 (en) | 2024-08-06 |
Family
ID=77175111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020008240A Active JP7528449B2 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Method for producing sulfide-based solid electrolyte |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7528449B2 (en) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4411756A4 (en) * | 2021-09-30 | 2025-11-12 | Agc Inc | METHOD FOR THE PRODUCTION OF SULFID-BASED SOLID ELECTROLYTE POWDER |
| JP7578571B2 (en) * | 2021-10-07 | 2024-11-06 | 国立大学法人東京科学大学 | Sulfide solid electrolyte, all-solid-state battery, and method for producing sulfide solid electrolyte |
| CN114421003B (en) * | 2022-01-06 | 2024-03-22 | 北京科技大学 | Preparation method of sulfide solid electrolyte |
| WO2023167298A1 (en) * | 2022-03-02 | 2023-09-07 | ダイキン工業株式会社 | Secondary battery binder, secondary battery binder sheet, production method therefor, and solid-state secondary battery |
| WO2024058629A1 (en) * | 2022-09-16 | 2024-03-21 | 주식회사 엘지화학 | Solid electrolyte preparation method and solid electrolyte |
| WO2024058633A1 (en) * | 2022-09-16 | 2024-03-21 | 주식회사 엘지화학 | Method for manufacturing solid electrolyte, and solid electrolyte |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008004459A (en) | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid electrolyte fine particles and method for producing the same |
| JP2016207421A (en) | 2015-04-21 | 2016-12-08 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte material |
| JP2019016530A (en) | 2017-07-07 | 2019-01-31 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte fine particles |
| JP2019102412A (en) | 2017-12-08 | 2019-06-24 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte material |
-
2020
- 2020-01-22 JP JP2020008240A patent/JP7528449B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008004459A (en) | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid electrolyte fine particles and method for producing the same |
| JP2016207421A (en) | 2015-04-21 | 2016-12-08 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte material |
| JP2019016530A (en) | 2017-07-07 | 2019-01-31 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte fine particles |
| JP2019102412A (en) | 2017-12-08 | 2019-06-24 | トヨタ自動車株式会社 | Method for producing sulfide solid electrolyte material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2021118038A (en) | 2021-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7528449B2 (en) | Method for producing sulfide-based solid electrolyte | |
| JP6984652B2 (en) | Method for producing a solid electrolyte having Li3PS4 | |
| KR102554980B1 (en) | Manufacturing method of LGPS-based solid electrolyte | |
| US11799128B2 (en) | LGPS-based solid electrolyte and production method | |
| JP6996553B2 (en) | Method for manufacturing LGPS-based solid electrolyte | |
| JP7658281B2 (en) | Method for producing sulfide-based solid electrolyte containing Sn | |
| JP7513014B2 (en) | Method for producing sulfide-based solid electrolyte | |
| JP2020027780A (en) | Method for producing LGPS-based solid electrolyte | |
| JP7400491B2 (en) | Manufacturing method of LGPS solid electrolyte | |
| US20240194937A1 (en) | Method for producing lgps-type solid electrolyte | |
| RU2851659C1 (en) | Method for producing solid electrolyte of lgps type | |
| RU2822115C1 (en) | METHOD OF PRODUCING SULPHIDE SOLID ELECTROLYTE CONTAINING Sn | |
| RU2804507C2 (en) | Method for producing solid sulphide electrolyte | |
| TW202447997A (en) | Method for producing Sn-containing sulfide solid electrolyte and Sn-containing sulfide solid electrolyte | |
| WO2023204163A1 (en) | Method for producing lgps-based solid electrolyte, and method for producing all-solid-state battery | |
| KR20240078312A (en) | Positive electrode for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery having high energy density | |
| CN121307167A (en) | Preparation methods of solid electrolytes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220414 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221124 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230621 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230711 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20230905 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231010 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20231226 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240315 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20240326 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240625 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240708 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7528449 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |