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JP7615815B2 - Manufacturing method of LGPS type solid electrolyte - Google Patents
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Description

本発明は、LGPS型固体電解質の製造方法に関する。なお、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。 The present invention relates to a method for producing an LGPS-type solid electrolyte. The LGPS-type solid electrolyte refers to a solid electrolyte having a specific crystal structure containing Li, P, and S, and examples of such solid electrolytes include solid electrolytes containing Li, M (wherein M is one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn), P, and S.

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 being high in ionic conductivity, relatively soft, and easy to form solid-solid interfaces. They are also stable against active materials, and development is underway as a practical solid electrolyte.

硫化物固体電解質の中でも、特定の結晶構造を有するLGPS型固体電解質がある(非特許文献1および特許文献1)。LGPS型固体電解質は硫化物固体電解質の中でも極めてイオン伝導度が高く、-30℃の低温から100℃の高温まで安定に動作することができ、実用化への期待が高い。 Among sulfide solid electrolytes, there is an LGPS-type solid electrolyte that has a specific crystal structure (Non-Patent Document 1 and Patent Document 1). Among sulfide solid electrolytes, LGPS-type solid electrolytes have extremely high ionic conductivity and can operate stably from low temperatures of -30°C to high temperatures of 100°C, and there are high expectations for their practical application.

LGPS型固体電解質は水分や酸素と容易に反応し、水酸化物や酸化物を生成することで、イオン伝導度が低下する原因となってしまうため、製造工程は全て、水分や酸素を含まない環境で行われる。非特許文献2には、アルゴンガスを流通させながら焼成を行うことで、高いイオン伝導度を示すLGPS型固体電解質が製造できることが示されている。しかし、工業的に製造することを考えると、膨大な量のガスを使用するため、アルゴンガスを用いると、生産コストが高くなってしまうという問題がある。 Since LGPS-type solid electrolytes react easily with moisture and oxygen to produce hydroxides and oxides, which causes a decrease in ionic conductivity, all manufacturing processes are carried out in an environment that does not contain moisture or oxygen. Non-Patent Document 2 shows that LGPS-type solid electrolytes with high ionic conductivity can be manufactured by sintering while flowing argon gas. However, when considering industrial manufacturing, a huge amount of gas is used, and the use of argon gas poses the problem of high production costs.

特許3125507号公報Patent No. 3125507

Nature Energy 1, Article number: 16030 (2016)Nature Energy 1, Article number: 16030 (2016) Journal of Power Source 473 (2020) 228524Journal of Power Source 473 (2020) 228524

このような状況の下、生産コストを抑えて、且つ、イオン伝導度が高いLGPS型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 LGPS-type solid electrolytes that have high ionic conductivity while keeping production costs low.

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型固体電解質を合成する際に、水分を100ppmより多く300ppm以下の範囲で含んだ窒素ガス雰囲気下で焼成することで、高いイオン伝導度を示すLGPS型固体電解質を製造できるという知見を得た。 The inventors have conducted intensive research in light of the above problems and have discovered that an LGPS-type solid electrolyte with high ionic conductivity can be produced by synthesizing the LGPS-type solid electrolyte by firing the electrolyte in a nitrogen gas atmosphere containing more than 100 ppm and not more than 300 ppm of moisture.

すなわち、本発明は、以下の通りである。
<1> LGPS型固体電解質前駆体を、水分を100ppmより多く300ppm以下の範囲で含んだ窒素ガス雰囲気下で焼成する工程を含むことを特徴とする、LGPS型固体電解質の製造方法である。
<2> 前記LGPS型固体電解質が、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、上記<1>に記載のLGPS型固体電解質の製造方法である。
<3> 前記焼成における温度が、200℃~700℃である、上記<1>または<2>に記載のLGPS型固体電解質の製造方法である。
<4> 前記LGPS型固体電解質が、Geを含み、かつ、25℃において3.2mS/cm以上のイオン伝導度を有する、上記<1>から<3>のいずれかに記載のLGPS型固体電解質の製造方法である。
<5> 前記LGPS型固体電解質が、Snを含み、かつ、25℃において2.8mS/cm以上のイオン伝導度を有する、上記<1>から<3>のいずれかに記載のLGPS型固体電解質の製造方法である。
That is, the present invention is as follows.
<1> A method for producing an LGPS type solid electrolyte, comprising the step of firing an LGPS type solid electrolyte precursor in a nitrogen gas atmosphere containing moisture in the range of more than 100 ppm and not more than 300 ppm.
<2> The method for producing an LGPS type solid electrolyte according to the above <1>, wherein the LGPS type solid electrolyte has peaks at least at positions of 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).
<3> The method for producing an LGPS-type solid electrolyte according to <1> or <2> above, wherein the sintering temperature is 200° C. to 700° C.
<4> The method for producing an LGPS type solid electrolyte according to any one of <1> to <3> above, wherein the LGPS type solid electrolyte contains Ge and has an ionic conductivity of 3.2 mS/cm or more at 25° C.
<5> The method for producing an LGPS type solid electrolyte according to any one of <1> to <3> above, wherein the LGPS type solid electrolyte contains Sn and has an ionic conductivity of 2.8 mS/cm or more at 25° C.

本発明によれば、生産コストを抑えて、且つ、イオン伝導度が高いLGPS型固体電解質の製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、該LGPS型固体電解質を加熱成形してなる成形体、該LGPS型固体電解質を含む全固体電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing an LGPS-type solid electrolyte that has high ionic conductivity while suppressing production costs. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a molded body obtained by heating and molding the LGPS-type solid electrolyte, and an all-solid-state battery that includes the LGPS-type solid electrolyte.

図1は、本発明の一実施形態に係るLGPS型固体電解質の結晶構造を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the crystal structure of an LGPS type solid electrolyte according to one embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention. 図3は、実施例1~4及び比較例1で得られたGe型LGPS固体電解質のイオン伝導度測定の結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the ionic conductivity of the Ge-type LGPS solid electrolytes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. 図4は、実施例5~8及び比較例2で得られたSn型LGPS固体電解質のイオン伝導度測定の結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the ionic conductivity of the Sn-type LGPS solid electrolytes obtained in Examples 5 to 8 and Comparative Example 2. 図5は、実施例1~4及び比較例1で得られたGe型LGPS固体電解質のX線回折測定の結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement of the Ge-type LGPS solid electrolytes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. 図6は、実施例5~8及び比較例2で得られたSn型LGPS固体電解質のX線回折測定の結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement of the Sn-type LGPS solid electrolytes obtained in Examples 5 to 8 and Comparative Example 2. 図7は、本発明の一実施形態に係るLGPS型固体電解質の製造方法における焼成工程を行う加熱容器の概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a heating vessel for carrying out a firing step in a method for producing an LGPS type solid electrolyte according to one embodiment of the present invention.

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、前記四面体T1および前記八面体Oは稜を共有し、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 the tetrahedron T1 and the octahedron O share an edge, and the tetrahedron T2 and the octahedron O share a vertex.

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).

本発明のLGPS型固体電解質は、原料を所望するモル比となるように混合し、粉砕させながら反応させることでLGPS型固体電解質前駆体を製造し、製造されたLGPS型固体電解質前駆体を焼成することによって製造される。 The LGPS-type solid electrolyte of the present invention is produced by mixing the raw materials in the desired molar ratio, reacting them while grinding them to produce an LGPS-type solid electrolyte precursor, and then calcining the produced LGPS-type solid electrolyte precursor.

<LGPS型固体電解質前駆体の製造>
本発明のLGPS型固体電解質の製造方法の対象となる、LGPS型固体電解質前駆体は、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。
<Production of LGPS-type solid electrolyte precursor>
The LGPS-type solid electrolyte precursor, which is the subject of the LGPS-type solid electrolyte manufacturing method of the present invention, can be manufactured 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.

メカニカルミリング法
メカニカルミリング法の一例を挙げると、LiS、P、およびMS(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)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型固体電解質前駆体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 As an example of the mechanical milling method, a LGPS -type solid electrolyte precursor can be obtained by mixing powders of Li2S , P2S5 , and MS2 (M is one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn) and then grinding and mixing the mixture using a planetary ball mill or the like. The mechanical milling method is characterized in that it homogenizes the composition and makes the mixture amorphous by applying strong mechanical energy.

液相合成法
液相合成法の一例を挙げると、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LiSとPとを反応させることにより溶解させた溶液に、LiS、およびMS(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)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型固体電解質前駆体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 As an example of the 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 solution, and powders of Li 2 S and MS 2 (M is one or more elements selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn) are added to the solution to obtain a suspension. Next, the organic solvent is distilled off to obtain a LGPS-type solid electrolyte precursor. 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.

<焼成>
加熱温度は、種類によって異なり、Ge、SiまたはSnを含有するものは、通常200~700℃の範囲が好ましく、より好ましくは350~650℃の範囲であり、特に好ましくは400~600℃の範囲である。上記範囲よりも温度が低いと所望の結晶が生じにくく、一方、上記範囲よりも温度が高くても、目的とする以外の結晶が生成することがある。
<Firing>
The heating temperature varies depending on the type, and for those containing Ge, Si or Sn, the range is usually preferably 200 to 700° C., more preferably 350 to 650° C., and particularly preferably 400 to 600° C. If the temperature is lower than the above range, the desired crystals are unlikely to form, while if the temperature is higher than the above range, crystals other than the intended one may be formed.

加熱時間は、加熱温度との関係で若干変化するものの、通常は0.1~24時間の範囲で十分に結晶化することができる。高い温度で上記範囲を超えて長時間加熱することは、LGPS型固体電解質の変質が懸念されることから、好ましくない。 The heating time varies slightly depending on the heating temperature, but usually crystallization is sufficient within the range of 0.1 to 24 hours. Heating at a high temperature for a long period of time beyond the above range is not recommended, as this may cause deterioration of the LGPS-type solid electrolyte.

本発明においては、生産コストを抑える観点から、窒素ガス雰囲気下で焼成を行う。工業的に製造することを考えると、膨大な量のガスを使用するため、窒素ガスの代わりに、ヘリウムガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを使用すると、生産コストの観点から好ましくなく、安価な窒素ガスを用いることが好ましい。
通常、焼成に用いる不活性ガス中の水分量は、低いほうが好ましいと考えられており、水分含有量が5ppmより下回るような高純度ガスが使用されてきた。また、標準的なグレードの不活性ガスを用いた場合でも、水分量が10ppm未満であることが多かった。
In the present invention, the firing is performed under a nitrogen gas atmosphere from the viewpoint of suppressing production costs. Considering industrial production, a huge amount of gas is used, so using an inert gas such as helium gas or argon gas instead of nitrogen gas is not preferable from the viewpoint of production costs, and it is preferable to use inexpensive nitrogen gas.
Generally, it is considered preferable that the moisture content in the inert gas used for calcination is low, and high-purity gases with a moisture content of less than 5 ppm have been used. Even when a standard grade inert gas is used, the moisture content is often less than 10 ppm.

本発明者らの検討によれば、使用する窒素ガスに微量の水分が含まれている場合、水分がLGPS型固体電解質表面と反応し、構造中に酸素が取り込まれると推察される。すると、結晶中に存在するLiイオンが通過するトンネルのサイズが、より伝導しやすいサイズに変化し、イオン伝導度が向上すると推察される。
しかし、窒素ガス中に含まれている水分の量が多すぎると、酸素の固溶域を超えてしまい、不純物層が生成してしまうことで、イオン伝導度が低下すると推察される。そのため、窒素ガス中に含まれる水分量は、多すぎても少なすぎてもいけない。
本発明で得られるLGPS型固体電解質は、Geを含む場合、25℃におけるイオン伝導度が3.2mS/cm以上であることが好ましく、3.5mS/cm以上であることがより好ましい。また、本発明で得られるLGPS型固体電解質は、Snを含む場合、25℃におけるイオン伝導度が2.8mS/cm以上であることが好ましく、2.9mS/cm以上であることがより好ましい。本発明において、イオン伝導度の測定方法は、後述する実施例に記載の方法を用いることができる。
According to the inventors' research, it is presumed that when the nitrogen gas used contains a small amount of moisture, the moisture reacts with the surface of the LGPS solid electrolyte, and oxygen is taken into the structure. Then, it is presumed that the size of the tunnel through which the Li ions present in the crystal pass changes to a size that is more conductive, and the ion conductivity is improved.
However, if the amount of water contained in the nitrogen gas is too much, it exceeds the solid solubility range of oxygen, and an impurity layer is formed, which is thought to reduce ionic conductivity. Therefore, the amount of water contained in the nitrogen gas should not be too much or too little.
When the LGPS type solid electrolyte obtained by the present invention contains Ge, the ionic conductivity at 25° C. is preferably 3.2 mS/cm or more, and more preferably 3.5 mS/cm or more. When the LGPS type solid electrolyte obtained by the present invention contains Sn, the ionic conductivity at 25° C. is preferably 2.8 mS/cm or more, and more preferably 2.9 mS/cm or more. In the present invention, the method described in the examples below can be used as the method for measuring the ionic conductivity.

本発明において、窒素ガス中に含まれる水分量としては、100ppmより多く300ppm以下にすることが必要である。好ましくは、120ppmから295ppmの間である。特に好ましくは、140ppmから290ppmの間である。窒素ガス中に含まれる水分量を100ppmより多く300ppm以下とすることにより、高いイオン伝導度を有するLGPS固体電解質を得ることができる。
窒素ガス中に含まれる水分量を、100ppmより多く300ppm以下に調整する方法としては、例えば、水分含有量が100ppm以下の窒素ガスと、水分含有量が300ppm以上の窒素ガスを用意し、任意の割合で混合することによって調整することができる。
また、窒素ガス中に含まれる水分量を測定する方法としては、露点計を使用することができる。
In the present invention, the amount of water contained in the nitrogen gas needs to be more than 100 ppm and not more than 300 ppm. It is preferably between 120 ppm and 295 ppm. It is particularly preferably between 140 ppm and 290 ppm. By making the amount of water contained in the nitrogen gas more than 100 ppm and not more than 300 ppm, it is possible to obtain an LGPS solid electrolyte having high ionic conductivity.
A method for adjusting the amount of moisture contained in nitrogen gas to more than 100 ppm and not more than 300 ppm can be, for example, by preparing nitrogen gas with a moisture content of 100 ppm or less and nitrogen gas with a moisture content of 300 ppm or more and mixing them in any ratio.
A dew point meter can be used to measure the amount of moisture contained in nitrogen gas.

図7は、焼成工程を行う加熱容器の一例の概略図である。加熱容器11は、ガラス内筒12とガラス外筒13とを有する。ガラス内筒12にはLGPS型固体電解質前駆体14を配置する。なお、加熱容器11は、栓(図示せず)によって密封されており、分岐管を通じて窒素ガスの導入と排出が行われる。また、ガラス内筒12内部の温度を測定するため、熱電対15が備えられている。ここで、管状炉16を用いて、加熱容器11を加熱すると、LGPS型固体電解質前駆体14の加熱処理が行われる。 Figure 7 is a schematic diagram of an example of a heating vessel in which the firing process is performed. The heating vessel 11 has a glass inner cylinder 12 and a glass outer cylinder 13. The LGPS-type solid electrolyte precursor 14 is placed in the glass inner cylinder 12. The heating vessel 11 is sealed with a stopper (not shown), and nitrogen gas is introduced and discharged through a branch pipe. A thermocouple 15 is also provided to measure the temperature inside the glass inner cylinder 12. Here, the heating vessel 11 is heated using a tubular furnace 16, and the LGPS-type solid electrolyte precursor 14 is heat-treated.

上記のようにして得られる本発明の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。 The LGPS-type solid electrolyte of the present invention obtained as described above can be formed into a desired molded body by various means and used in various applications including the all-solid-state battery 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> below can be used.

<全固体電池>
本発明のLGPS型固体電解質は、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 LGPS-type 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LGPS型固体電解質は、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。正極層1または負極層3に本発明のLGPS型固体電解質が含まれる場合、本発明のLGPS型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LGPS型固体電解質の量比は、特に制限されない。
本発明のLGPS型固体電解質は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、LiLaZr12)、硫化物系固体電解質(例えば、LiS-P)やその他の錯体水素化物固体電解質(例えば、LiBH、3LiBH-LiI)などを適宜組み合わせて使用してもよい。
The LGPS type 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. When the LGPS type solid electrolyte of the present invention is contained in the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3, the LGPS type 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 LGPS type solid electrolyte of the present invention contained in the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3 is not particularly limited.
The LGPS type solid electrolyte of the present invention may be composed of a single material, 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 electrolytes (e.g., LiBH 4 , 3LiBH 4 —LiI), if necessary.

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 all-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LGPS型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 LGPS-type 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LGPS型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LGPS型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 LGPS-type solid electrolyte of the present invention. The molded body is suitable for use 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 LGPS-type 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。
なお、以下の実施例及び比較例で使用した窒素ガス中に含まれる水分量は、露点計(テクネ計測社製TK-100オンライン露点計)を使用して測定した。
The present embodiment will be described in more detail below with reference to examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
The amount of moisture contained in the nitrogen gas used in the following Examples and Comparative Examples was measured using a dew point meter (TK-100 online dew point meter manufactured by Techne Measurement Co., Ltd.).

(実施例1)
<Ge型LGPS前駆体の製造>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P:GeS=5:1:1のモル比となるように、LiS(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.8%)、P(シグマ・アルドリッチ社製、純度99%)、およびGeS(シグマ・アルドリッチ社製、純度99%)を量り取り、メノウ乳鉢にて予備混合した。
次に、予備混合した原料を45mLのジルコニア製ポットに投入し、更にジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZ」、φ10mm、15個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ社製「P-7」)に取り付け、回転数500rpmで10時間、メカニカルミリングを行い、Ge型LGPS前駆体を得た。
<Ge型LGPS前駆体の焼成>
得られた前駆体を図7に示す加熱容器11を用いて焼成を行った。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でガラス内筒12に0.5gの前駆体を入れて、前駆体が大気に暴露しないように管状炉16に設置した。加熱容器11中のガスを、アルゴンガスから窒素ガス(水分量145ppm)に置換した後、窒素ガス(水分量145ppm)を吹き込みながら、3時間かけて550℃まで昇温し、その後、8時間550℃で焼成することにより、Ge型LGPS固体電解質を得た。
Example 1
<Preparation of Ge-type LGPS precursor>
In a glove box under an argon atmosphere, Li 2 S (Sigma-Aldrich, purity 99.8%), P 2 S 5 (Sigma-Aldrich, purity 99%), and GeS 2 (Sigma-Aldrich, purity 99%) were weighed out and premixed in an agate mortar so that the molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 : GeS 2 = 5:1:1.
Next, the premixed raw materials were put into a 45 mL zirconia pot, and zirconia balls (Nikkato Corporation "YTZ", φ10 mm, 15 pieces) were further put in to completely seal the pot. This pot was attached to a planetary ball mill (Fritsch "P-7") and mechanical milling was performed at a rotation speed of 500 rpm for 10 hours to obtain a Ge-type LGPS precursor.
<Baking of Ge-type LGPS precursor>
The obtained precursor was sintered using a heating vessel 11 shown in Fig. 7. 0.5 g of the precursor was placed in a glass inner cylinder 12 in a glove box under an argon atmosphere, and the glass inner cylinder 12 was placed in a tubular furnace 16 so that the precursor was not exposed to the atmosphere. The gas in the heating vessel 11 was replaced from argon gas to nitrogen gas (water content: 145 ppm), and then the temperature was raised to 550°C over 3 hours while blowing in nitrogen gas (water content: 145 ppm), and then the precursor was sintered at 550°C for 8 hours to obtain a Ge-type LGPS solid electrolyte.

(実施例2)
<Ge型LGPS前駆体の製造>
実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS前駆体を得た。
<Ge型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を203ppmとした以外は、実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS固体電解質を得た。
Example 2
<Preparation of Ge-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 1 was carried out to obtain a Ge-type LGPS precursor.
<Baking of Ge-type LGPS precursor>
A Ge-type LGPS solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the water content of the nitrogen gas was set to 203 ppm.

(実施例3)
<Ge型LGPS前駆体の製造>
実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS前駆体を得た。
<Ge型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を289ppmとした以外は、実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS固体電解質を得た。
Example 3
<Preparation of Ge-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 1 was carried out to obtain a Ge-type LGPS precursor.
<Baking of Ge-type LGPS precursor>
A Ge-type LGPS solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the water content of the nitrogen gas was set to 289 ppm.

(実施例4)
<Ge型LGPS前駆体の製造>
実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS前駆体を得た。
<Ge型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を123ppmとした以外は、実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS固体電解質を得た。
Example 4
<Preparation of Ge-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 1 was carried out to obtain a Ge-type LGPS precursor.
<Baking of Ge-type LGPS precursor>
A Ge-type LGPS solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the water content of the nitrogen gas was set to 123 ppm.

(比較例1)
<Ge型LGPS前駆体の製造>
実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS前駆体を得た。
<Ge型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を23ppmとした以外は、実施例1と同様の操作を行い、Ge型LGPS固体電解質を得た。
(Comparative Example 1)
<Preparation of Ge-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 1 was carried out to obtain a Ge-type LGPS precursor.
<Baking of Ge-type LGPS precursor>
A Ge-type LGPS solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1, except that the moisture content of the nitrogen gas was set to 23 ppm.

(実施例5)
<Sn型LGPS前駆体の製造>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P:SnS=5:1:1のモル比となるように、LiS(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.8%)、P(シグマ・アルドリッチ社製、純度99%)、およびSnS(高純度化学社製)を量り取り、メノウ乳鉢にて予備混合した。
次に、予備混合した原料を45mLのジルコニア製ポットに投入し、更にジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZ」、φ10mm、15個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ社製「P-7」)に取り付け、回転数800rpmで10時間、メカニカルミリングを行い、Sn型LGPS前駆体を得た。
<Sn型LGPS前駆体の焼成>
得られた前駆体を図7に示す加熱容器11を用いて焼成を行った。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でガラス内筒12に0.5gの前駆体を入れて、前駆体が大気に暴露しないように管状炉16に設置した。加熱容器11中のガスを、アルゴンガスから窒素ガス(水分量145ppm)に置換した後、窒素ガス(水分量145ppm)を吹き込みながら、3時間かけて550℃まで昇温し、その後、8時間550℃で焼成することにより、Sn型LGPS固体電解質を得た。
Example 5
<Preparation of Sn-type LGPS precursor>
In a glove box under an argon atmosphere, Li 2 S (Sigma-Aldrich, purity 99.8%), P 2 S 5 (Sigma-Aldrich, purity 99%), and SnS 2 (Kojundo Chemical Co., Ltd.) were weighed out and premixed in an agate mortar so that the molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 :SnS 2 = 5:1:1.
Next, the premixed raw materials were put into a 45 mL zirconia pot, and zirconia balls (Nikkato Corporation "YTZ", φ10 mm, 15 pieces) were further put in to completely seal the pot. This pot was attached to a planetary ball mill (Fritsch "P-7") and mechanical milling was performed at a rotation speed of 800 rpm for 10 hours to obtain a Sn-type LGPS precursor.
<Firing of Sn-type LGPS precursor>
The obtained precursor was sintered using a heating vessel 11 shown in Fig. 7. 0.5 g of the precursor was placed in a glass inner cylinder 12 in a glove box under an argon atmosphere, and the glass inner cylinder 12 was placed in a tubular furnace 16 so that the precursor was not exposed to the atmosphere. The gas in the heating vessel 11 was replaced from argon gas to nitrogen gas (water content: 145 ppm), and then the temperature was raised to 550°C over 3 hours while blowing in nitrogen gas (water content: 145 ppm), and then the precursor was sintered at 550°C for 8 hours to obtain a Sn-type LGPS solid electrolyte.

(実施例6)
<Sn型LGPS前駆体の製造>
実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS前駆体を得た。
<Sn型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を203ppmとした以外は、実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS固体電解質を得た。
Example 6
<Preparation of Sn-type LGPS precursor>
The same procedure as in Example 5 was carried out to obtain a Sn-type LGPS precursor.
<Firing of Sn-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 5 was carried out except that the moisture content of the nitrogen gas was set to 203 ppm, to obtain a Sn-type LGPS solid electrolyte.

(実施例7)
<Sn型LGPS前駆体の製造>
実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS前駆体を得た。
<Sn型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を289ppmとした以外は、実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS固体電解質を得た。
(Example 7)
<Preparation of Sn-type LGPS precursor>
The same procedure as in Example 5 was carried out to obtain a Sn-type LGPS precursor.
<Firing of Sn-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 5 was carried out except that the water content of the nitrogen gas was set to 289 ppm, to obtain a Sn-type LGPS solid electrolyte.

(実施例8)
<Sn型LGPS前駆体の製造>
実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS前駆体を得た。
<Sn型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を123ppmとした以外は、実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS固体電解質を得た。
(Example 8)
<Preparation of Sn-type LGPS precursor>
The same procedure as in Example 5 was carried out to obtain a Sn-type LGPS precursor.
<Firing of Sn-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 5 was carried out except that the water content of the nitrogen gas was set to 123 ppm, to obtain a Sn-type LGPS solid electrolyte.

(比較例2)
<Sn型LGPS前駆体の製造>
実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS前駆体を得た。
<Sn型LGPS前駆体の焼成>
窒素ガスの水分量を23ppmとした以外は、実施例5と同様の操作を行い、Sn型LGPS固体電解質を得た。
(Comparative Example 2)
<Preparation of Sn-type LGPS precursor>
The same procedure as in Example 5 was carried out to obtain a Sn-type LGPS precursor.
<Firing of Sn-type LGPS precursor>
The same operation as in Example 5 was carried out except that the moisture content of the nitrogen gas was set to 23 ppm, to obtain a Sn-type LGPS solid electrolyte.

<リチウムイオン伝導度の測定>
実施例1~8及び比較例1~2で得られたLGPS型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。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。
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。リチウムイオン伝導度の測定結果を図3(Ge型LGPS固体電解質)、図4(Sn型LGPS固体電解質)に示す。
図3(Ge型LGPS固体電解質)より、窒素ガス中の水分量が少ない比較例1に比べて、窒素ガス中の水分量が多い実施例1~4では高いイオン伝導度を示している。これは、窒素ガス中の水分が固体電解質表面と反応し、構造中に酸素が取り込まれることによって、結晶中に存在するLiイオンが通過するトンネルのサイズが、より伝導しやすいサイズに変化したためであると考えられる。
また、図4(Sn型LGPS固体電解質)においても、図3(Ge型LGPS固体電解質)と同様のイオン伝導度の挙動を示している。
<Measurement of lithium ion conductivity>
The LGPS-type solid electrolytes obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to uniaxial molding (420 MPa) to obtain disks with a thickness of about 1 mm and a diameter of 10 mm. Using an all-solid-state battery evaluation cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.), AC impedance measurements were performed by the four-terminal method (Solartron's "SI1260 IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER") at room temperature (25°C) to calculate the lithium ion conductivity.
Specifically, the sample was placed in a thermostatic chamber set at 25° C. and held for 30 minutes, and then the lithium ion conductivity was measured. The measurement frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz, and the amplitude was 50 mV. The measurement results of the lithium ion conductivity are shown in FIG. 3 (Ge-type LGPS solid electrolyte) and FIG. 4 (Sn-type LGPS solid electrolyte).
3 (Ge-type LGPS solid electrolyte), Examples 1 to 4, in which the amount of water in the nitrogen gas is large, show high ionic conductivity compared to Comparative Example 1, in which the amount of water in the nitrogen gas is small. This is believed to be because the water in the nitrogen gas reacts with the surface of the solid electrolyte, and oxygen is taken into the structure, changing the size of the tunnel through which the Li ions present in the crystal pass to a size that is more conductive.
FIG. 4 (Sn-type LGPS solid electrolyte) also shows the same behavior of ion conductivity as FIG. 3 (Ge-type LGPS solid electrolyte).

<X線回折の測定>
実施例1~8及び比較例1~2で得られたLGPS型固体電解質について、Ar雰囲気下、室温(25℃)にて、X線回折測定(PANalytical社製「X’Pert3 Powder」、CuKα:λ=1.5405Å)を実施した。
図5、図6のX線回折測定の結果に示したとおり、実施例1~8、比較例1~2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°に回折ピークが観測され、このパターンはICSDデータベースのLi10GeP12と一致し、LGPS型の結晶構造を持つことが確認できた。
<X-ray diffraction measurement>
For the LGPS-type solid electrolytes obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2, X-ray diffraction measurements (PANalytical's "X'Pert3 Powder", CuKα: λ=1.5405 Å) were carried out in an Ar atmosphere at room temperature (25° C.).
As shown in the results of X-ray diffraction measurements in Figures 5 and 6, in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2, diffraction peaks were observed at least at 2θ = 20.18° ± 0.50°, 20.44° ± 0.50°, 26.96° ± 0.50°, and 29.58° ± 0.50°, and this pattern matched Li 10 GeP 2 S 12 in the ICSD database, confirming that the material had an LGPS-type crystal structure.

1 正極層
2 固体電解質層
3 負極層
10 全固体電池
11 加熱容器
12 ガラス内筒
13 ガラス外筒
14 LGPS型固体電解質前駆体
15 熱電対
16 管状炉

Reference Signs List 1: Positive electrode layer 2: Solid electrolyte layer 3: Negative electrode layer 10: All-solid-state battery 11: Heating vessel 12: Glass inner cylinder 13: Glass outer cylinder 14: LGPS-type solid electrolyte precursor 15: Thermocouple 16: Tubular furnace

Claims (5)

LGPS型固体電解質前駆体を、水分を100ppmより多く300ppm以下の範囲で含んだ窒素ガス雰囲気下で焼成する工程を含むことを特徴とする、LGPS型固体電解質の製造方法。 A method for producing an LGPS-type solid electrolyte, comprising the step of sintering an LGPS-type solid electrolyte precursor in a nitrogen gas atmosphere containing moisture in the range of more than 100 ppm and not more than 300 ppm. 前記LGPS型固体電解質が、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、請求項1に記載のLGPS型固体電解質の製造方法。 The method for producing an LGPS-type solid electrolyte according to claim 1, wherein 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). 前記焼成における温度が、200℃~700℃である、請求項1または2に記載のLGPS型固体電解質の製造方法。 The method for producing an LGPS-type solid electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the temperature during the sintering is 200°C to 700°C. 前記LGPS型固体電解質が、Geを含み、かつ、25℃において3.2mS/cm以上のイオン伝導度を有する、請求項1から3のいずれかに記載のLGPS型固体電解質の製造方法。 The method for producing an LGPS-type solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the LGPS-type solid electrolyte contains Ge and has an ionic conductivity of 3.2 mS/cm or more at 25°C. 前記LGPS型固体電解質が、Snを含み、かつ、25℃において2.8mS/cm以上のイオン伝導度を有する、請求項1から3のいずれかに記載のLGPS型固体電解質の製造方法。
4. The method for producing an LGPS type solid electrolyte according to claim 1, wherein the LGPS type solid electrolyte contains Sn and has an ionic conductivity of 2.8 mS/cm or more at 25° C.
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