JP7618959B2 - Oxide-based solid electrolyte powder for use in lithium-ion secondary batteries, its manufacturing method, solid electrolyte layer, and lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン二次電池に用いられる酸化物系固体電解質粉末、その製造方法、固体電解質層、及びリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to an oxide-based solid electrolyte powder for use in lithium-ion secondary batteries, a method for producing the same, a solid electrolyte layer, and a lithium-ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、携帯電話やノート型パソコン等の携帯型電子機器に広く用いられている。
近年、このような携帯型電子機器や車載用のリチウムイオン二次電池として小型化・軽量化が求められ、単位質量あたりの放電容量、サイクル特性、レート特性、及び電池としての安定性等の更なる性能向上が望まれている。
Lithium ion secondary batteries are widely used in portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers.
In recent years, there has been a demand for smaller and lighter lithium ion secondary batteries for such portable electronic devices and in-vehicle use, and further improvements in performance, such as discharge capacity per unit mass, cycle characteristics, rate characteristics, and stability as a battery, are desired.
従来、リチウムイオン二次電池においては液体の電解質が使用されてきたが、安全性の向上や高速充放電が期待できる点から、固体電解質をリチウムイオン二次電池の電解質として用いる全固体型リチウムイオン二次電池が注目されている。 Lithium-ion secondary batteries have traditionally used liquid electrolytes, but all-solid-state lithium-ion secondary batteries, which use solid electrolytes as the electrolyte, are attracting attention because of the potential for improved safety and high-speed charging and discharging.
かかるリチウムイオン二次電池においては、これまでにリチウムイオン伝導性を高める方法が研究されている。例えば特許文献1には、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)と、フッ化物とを固相反応法により混合し、リチウムイオン伝導度が向上したリチウムイオン伝導性固体電解質を製造する方法が開示されている。 Methods for improving the lithium ion conductivity of such lithium ion secondary batteries have been studied so far. For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a lithium ion conductive solid electrolyte with improved lithium ion conductivity by mixing lithium niobate (LiNbO 3 ) and a fluoride by a solid-state reaction method.
特許文献1では、リチウムイオン伝導性を高めるべく、固相反応法によって固体電解質にフッ素を導入している。しかしながら、固相反応法によりフッ素を導入すると、固体電解質中にフッ素が均一に分散されることになる。そのため、固体電解質の表面のみならず内部にまでイオン伝導性の低いLiFが形成されてしまい、固体電解質そのもののイオン伝導性が低下してしまう懸念があった。また、固相反応法によるフッ素の導入はメカニカルミリング法等によるため、簡易的ではあるものの一度に製造できる固体電解質の量に限界があり、生産性が悪いという問題もあった。 In Patent Document 1, fluorine is introduced into a solid electrolyte by a solid-state reaction method in order to increase lithium ion conductivity. However, when fluorine is introduced by a solid-state reaction method, fluorine is uniformly dispersed in the solid electrolyte. As a result, LiF with low ion conductivity is formed not only on the surface of the solid electrolyte but also inside it, and there is a concern that the ion conductivity of the solid electrolyte itself will decrease. In addition, since the introduction of fluorine by the solid-state reaction method is performed by a mechanical milling method or the like, although it is simple, there is a limit to the amount of solid electrolyte that can be produced at one time, and there is also a problem of poor productivity.
そこで本発明は、電池特性が向上するリチウムイオン二次電池用の酸化物系固体電解質粉末を提供することを目的とする。具体的には、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面におけるリチウムイオンの伝導経路を確保することにより、リチウムイオン伝導性を向上することを目的とする。 The present invention aims to provide an oxide-based solid electrolyte powder for lithium-ion secondary batteries that improves battery characteristics. Specifically, the present invention aims to improve lithium ion conductivity by ensuring a conduction path for lithium ions on the surfaces of particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder.
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化され、かつ、当該粉末全体におけるフッ素の含有量を特定範囲以下とすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of extensive research, the inventors discovered that the above problems can be solved by highly fluorinating the surfaces of particles contained in an oxide-based solid electrolyte powder and by controlling the fluorine content in the entire powder to within a specific range, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明は、下記[1]~[6]に関するものである。
[1]
リチウムイオン二次電池に用いられる酸化物系固体電解質粉末であって、
前記酸化物系固体電解質粉末は、表面がフッ素化された層を有する粒子を含み、
前記フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量が95質量%以上であり、
前記酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素の含有量が10質量%以下である、
酸化物系固体電解質粉末。
[2]
前記粒子の平均粒径が0.1~100μmである、前記[1]に記載の酸化物系固体電解質粉末。
[3]
前記フッ素化された層の厚みが1~50nmである、前記[1]または[2]に記載の酸化物系固体電解質粉末。
[4]
酸化物系固体電解質の粒子にフッ素元素を含む気体を接触させることにより、表面がフッ素化された層を有する粒子を含む酸化物系固体電解質粉末を製造する方法であって、
前記フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量が95質量%以上であり、
前記酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素の含有量が10質量%以下である、
酸化物系固体電解質粉末を製造する方法。
[5]
前記[1]~[3]のいずれか1項に記載の酸化物系固体電解質粉末を含む、固体電解質層。
[6]
前記[5]に記載の固体電解質層と、正極と、負極と、を含む、リチウムイオン二次電池。
That is, the present invention relates to the following [1] to [6].
[1]
An oxide-based solid electrolyte powder for use in a lithium-ion secondary battery,
The oxide-based solid electrolyte powder includes particles having a fluorinated layer on the surface,
the fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer is 95% by mass or more,
The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is 10 mass% or less.
Oxide solid electrolyte powder.
[2]
The oxide-based solid electrolyte powder according to [1] above, wherein the particles have an average particle size of 0.1 to 100 μm.
[3]
The oxide-based solid electrolyte powder according to the above [1] or [2], wherein the fluorinated layer has a thickness of 1 to 50 nm.
[4]
A method for producing an oxide-based solid electrolyte powder including particles having a fluorinated layer on the surface thereof by contacting particles of an oxide-based solid electrolyte with a gas containing elemental fluorine, comprising the steps of:
the fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer is 95% by mass or more,
The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is 10 mass% or less.
A method for producing an oxide-based solid electrolyte powder.
[5]
A solid electrolyte layer comprising the oxide-based solid electrolyte powder according to any one of [1] to [3] above.
[6]
A lithium ion secondary battery comprising the solid electrolyte layer according to [5] above, a positive electrode, and a negative electrode.
本発明に係る酸化物系固体電解質粉末によれば、当該粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化されていることにより、粒子表面におけるリチウムイオンの伝導経路を確保することができ、リチウムイオン二次電池における電池特性を向上することができる。
また、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化されることにより粒子表面が安定化し、撥水性が向上することも考えられる。その結果、加水分解耐性が向上し、ハンドリングが容易となる。
According to the oxide-based solid electrolyte powder of the present invention, the surfaces of the particles contained in the powder are highly fluorinated, so that a conduction path for lithium ions can be secured on the particle surfaces, and the battery characteristics of a lithium ion secondary battery can be improved.
In addition, it is believed that the high concentration of fluorination on the surfaces of particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder stabilizes the particle surfaces and improves water repellency, which results in improved hydrolysis resistance and easier handling.
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施できる。また、数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。 The present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified as desired without departing from the gist of the present invention. In addition, the use of "~" to indicate a numerical range means that the numerical values before and after it are included as the lower and upper limits.
<酸化物系固体電解質粉末>
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末は、リチウムイオン二次電池に用いられる。かかる粉末は、表面がフッ素化された層を有する粒子を含み、当該フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量が95質量%以上であり、酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素の含有量が10質量%以下であることを特徴とする。
本発明において、「フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量」とは、フッ素化された層の表面から2nmの深さにおける、粒子構成成分(後述する粒子を構成する成分)を除いたフッ素の含有割合をいう。「粒子構成成分を除く」とは、粒子からフッ素化された層へ拡散または移動される粒子構成成分を除く意味である。
<Oxide-based solid electrolyte powder>
The oxide-based solid electrolyte powder according to the present embodiment is used in a lithium-ion secondary battery. The powder contains particles having a fluorinated layer on the surface, and the fluorine on the outermost surface of the fluorinated layer is The oxide-based solid electrolyte powder is characterized in that the content of is 95 mass % or more, and the fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is 10 mass % or less.
In the present invention, the "fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer" refers to the fluorine content at a depth of 2 nm from the surface of the fluorinated layer, excluding particle constituents (components that constitute particles, which will be described later). The term "excluding particle constituents" means excluding particle constituents that are diffused or transferred from the particles to the fluorinated layer.
本発明においては、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化されていることにより、該粒子同士の界面の抵抗(以下、粒界抵抗ともいう)を低減できる。その結果、該粒子の表面におけるリチウムイオンの伝導経路を確保することができ、リチウムイオン伝導性を向上できる。 In the present invention, the surfaces of the particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder are highly fluorinated, thereby reducing the resistance at the interface between the particles (hereinafter also referred to as grain boundary resistance). As a result, the conduction path of lithium ions on the surface of the particles can be secured, and lithium ion conductivity can be improved.
酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化されていることにより、粒界抵抗を低減できる理由については明らかではないが、以下のように推測される。
すなわち、固体電解質粉末に含まれる粒子の表面同士で形成される粒子界面が、フッ素ガスやフッ化水素ガス等により選択的かつ高濃度にフッ素化されることにより、粒界部分が低融点化される。そのため、固体電解質粉末に対して熱処理を行い、シート状の固体電解質層を形成する際に、固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が容易に溶解することで、粒子同士の密着性が良好となる。その結果、粒界抵抗が低減されリチウムイオン伝導性が向上するものと推察される。
あるいは、フッ素化により粒子表面が安定化されつつ、電気陰性度の大きなフッ素の存在に伴って粒子表面が分極し、リチウムイオンとの相互作用により、電解質界面における粒界抵抗が小さくなることで、良好なリチウムイオン伝導経路が形成される可能性も考えられる。
The reason why the grain boundary resistance can be reduced by fluorinating the surfaces of particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder to a high concentration is not clear, but is presumed to be as follows.
That is, the particle interface formed between the surfaces of the particles contained in the solid electrolyte powder is selectively and highly fluorinated with fluorine gas, hydrogen fluoride gas, or the like, thereby lowering the melting point of the grain boundary portion. Therefore, when the solid electrolyte powder is heat-treated to form a sheet-shaped solid electrolyte layer, the surfaces of the particles contained in the solid electrolyte powder are easily dissolved, improving the adhesion between the particles. As a result, it is presumed that the grain boundary resistance is reduced and the lithium ion conductivity is improved.
Alternatively, it is possible that the particle surface is stabilized by fluorination, while the presence of fluorine, which has a high electronegativity, polarizes the particle surface, and the interaction with lithium ions reduces the grain boundary resistance at the electrolyte interface, resulting in the formation of an excellent lithium ion conduction path.
また、加水分解耐性の向上については、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面が高濃度にフッ素化されることにより、該粒子表面が安定化する結果、加水分解耐性が向上するものと推察される。 In addition, it is presumed that the hydrolysis resistance is improved because the surfaces of the particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder are highly fluorinated, stabilizing the particle surfaces.
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末は、表面がフッ素化された層を有する酸化物系固体電解質の粒子を含む。当該粒子は、酸化物系であれば特に限定されず、酸素(O)を含有し、かつリチウムイオン伝導性を有するものを好適に用いることができる。例えば、リチウムを含むペロブスカイト型酸化物、リチウムを含むガーネット型酸化物、リン酸リチウム(Li3PO4)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、NASICON構造のLAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦1))、NASICON構造のLATP(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦1))、NASICON構造のLZP(Li1+4xZr2―x(PO4)3(0≦x≦0.4、LZPの一部の金属元素が別の金属元素で置き換わっていてもよく、別の金属元素をドーピングしていてもよい。別の金属元素としては、Na、Sr、Ca、Mg、La、Y、Sc、Ce、In、Al、Ge、Ti、Vなどが挙げられる。)等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数種を用いてもよい。 The oxide-based solid electrolyte powder according to the present embodiment includes oxide-based solid electrolyte particles having a fluorinated surface layer. The particles are not particularly limited as long as they are oxide-based, and those containing oxygen (O) and having lithium ion conductivity can be suitably used. For example, perovskite-type oxides containing lithium, garnet-type oxides containing lithium, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), LAGP with a NASICON structure (Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦1)), LATP with a NASICON structure (Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦1)), LZP with a NASICON structure (Li 1+4x Zr 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦1)), etc. (0≦x≦0.4, some of the metal elements in LZP may be replaced with other metal elements, or other metal elements may be doped. Examples of other metal elements include Na, Sr, Ca, Mg, La, Y, Sc, Ce, In, Al, Ge, Ti, and V.) These may be used alone or in combination.
リチウムを含むペロブスカイト型酸化物は、ペロブスカイト型結晶構造を持つABO3で表される酸化物であり、Aサイトが、La、Sr、Ba、Na、Ca及びNdよりなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Liを含み、Bサイトが、Ti、Ta、Cr、Fe、Co、Ga及びNbよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。具体的には、ペロブスカイト型酸化物として、チタン酸リチウムランタンLi3xLa2/3-xTiO3(0≦x≦1/6、LLTOとも呼ばれる)、ニオブ酸リチウムランタン(LixLa(1-x)/3NbO3)(0≦x≦1)、等が挙げられる。なお、チタン酸リチウムランタンを構成する元素の一部が別の元素に置き換わっていてもよく、別の元素をドーピングしていてもよい。別の元素としては、Na、K、Rb、Ag、Tl、Mg、Sr、Ca、Ba、Nb、Ta、W、Ru、Cr、Mn、Fe、Co、Al、Ga、Si、Ge、Zr、Hf、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Y、Eu、Tb等が挙げられ、具体的には、La(2/3)-xSrxLixTiO3、LixLa2/3Ti1-xAlxO3等が挙げられる。 The perovskite oxide containing lithium is an oxide having a perovskite crystal structure and represented by ABO 3 , and the A site preferably contains at least one element selected from the group consisting of La, Sr, Ba, Na, Ca, and Nd, and Li, and the B site preferably contains at least one element selected from the group consisting of Ti, Ta, Cr, Fe, Co, Ga, and Nb. Specifically, examples of the perovskite oxide include lithium lanthanum titanate Li 3x La 2/3-x TiO 3 (0≦x≦1/6, also called LLTO), lithium lanthanum niobate (Li x La (1-x)/3 NbO 3 ) (0≦x≦1), and the like. Note that some of the elements constituting lithium lanthanum titanate may be replaced with other elements, or other elements may be doped. Other elements include Na, K, Rb, Ag, Tl, Mg, Sr, Ca, Ba, Nb, Ta, W, Ru, Cr, Mn, Fe, Co, Al, Ga, Si, Ge, Zr, Hf, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Y, Eu, Tb , and more specifically, La (2/3)-xSrxLixTiO3 , LixLa2 / 3Ti1 - xAlxO3 , and the like .
ガーネット型酸化物としては、例えば、Li7La3Zr2O12、Li5La3Nb2O12、Li5La3Ta2O12、及びLi6La2BaTa2O12等が挙げられる。 Examples of garnet - type oxides include Li7La3Zr2O12 , Li5La3Nb2O12 , Li5La3Ta2O12 , and Li6La2BaTa2O12 .
本発明における酸化物系固体電解質では、結晶材料だけではなく、アモルファスの材料にも適用できる。このようなアモルファス材料としてLi4SiO4、Li3PO4、Li3BO3、SiO2、B2O3等と複合化されていてもよい。 The oxide-based solid electrolyte of the present invention can be applied not only to crystalline materials but also to amorphous materials, which may be composited with Li4SiO4 , Li3PO4 , Li3BO3 , SiO2 , B2O3 , etc.
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の形状は、一次粒子であってもよいし、一次粒子が凝集してなる二次粒子であってもよいし、または一次粒子及び二次粒子の組み合わせであってもよい。粒子形状が一次粒子である場合はその一次粒子の表面がフッ素化されていてもよく、粒子形状が二次粒子である場合は、一次粒子が凝集して形成される二次粒子の表面がフッ素化されていてもよい。本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末は、二次粒子を含み、該二次粒子の表面がフッ素化されていることが、本発明の効果の観点から好ましい。
このように、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の表面がフッ素化された層で覆われることにより、リチウムイオンの伝導経路の形成によるリチウムイオン伝導性の向上が図られ、リチウムイオン二次電池の電池特性が改善されて良好なものとなる。
The shape of the particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder according to this embodiment may be a primary particle, a secondary particle formed by agglomeration of primary particles, or a combination of primary particles and secondary particles. When the particle shape is a primary particle, the surface of the primary particle may be fluorinated, and when the particle shape is a secondary particle, the surface of the secondary particle formed by agglomeration of primary particles may be fluorinated. From the viewpoint of the effects of the present invention, it is preferable that the oxide-based solid electrolyte powder according to this embodiment contains secondary particles, and the surface of the secondary particles is fluorinated.
In this manner, the surfaces of the particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder are covered with a fluorinated layer, thereby improving the lithium ion conductivity by forming a conduction path for the lithium ions, and improving the battery characteristics of the lithium ion secondary battery.
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末において、上記フッ素化された層は、その最表面のフッ素の含有量が95質量%以上である。最表面のフッ素の含有量が95質量%以上であることにより、粒子表面が高濃度にフッ素化されることになり、リチウムイオン伝導性が向上する。最表面のフッ素の含有量は97質量%以上がより好ましい。
フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量は、以下の方法で測定する。すなわち、透過型電子顕微鏡(TEM)による元素マッピング、またはESCA(X線光電子分光法)による粒子表面から粒内方向への深度元素プロファイル分析により、フッ素化された層の表面から2nmの深さにおける、粒子構成成分を除いたフッ素の含有割合を測定する。
In the oxide-based solid electrolyte powder according to this embodiment, the fluorinated layer has a fluorine content of 95% by mass or more at the outermost surface. When the fluorine content of the outermost surface is 95% by mass or more, the particle surface is fluorinated at a high concentration, and lithium ion conductivity is improved. The fluorine content of the outermost surface is more preferably 97% by mass or more.
The fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer is measured by the following method: the fluorine content, excluding particle constituents, at a depth of 2 nm from the surface of the fluorinated layer is measured by element mapping using a transmission electron microscope (TEM) or by depth element profile analysis from the particle surface to the inside of the grain using ESCA (X-ray photoelectron spectroscopy).
なお、フッ素化された層が後述するフッ化水素ガス(HFガス)により形成される場合は、フッ素化された層の最表面に微量の水素が存在することになる。このとき、フッ素化された層の最表面における水素の含有量は0.1~5質量%であることが好ましく、0.1~3質量%であることがより好ましい。上記範囲であることによって、フッ素化された層の最表面における微量の水素による影響を最小限に抑えることができる。
フッ素化された層の最表面の水素の含有量は、上記フッ素含有量と同様の方法に測定できる。
When the fluorinated layer is formed using hydrogen fluoride gas (HF gas) described later, a small amount of hydrogen will be present on the outermost surface of the fluorinated layer. In this case, the hydrogen content on the outermost surface of the fluorinated layer is preferably 0.1 to 5 mass%, and more preferably 0.1 to 3 mass%. By being in the above range, the influence of the small amount of hydrogen on the outermost surface of the fluorinated layer can be minimized.
The hydrogen content at the outermost surface of the fluorinated layer can be measured in the same manner as the fluorine content described above.
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素含有量は、10質量%以下である。10質量%以下であることにより、粒子内部に存在するフッ素含有量が少なくなり、結晶性の悪化や低イオン伝導性成分の過剰に起因するリチウムイオン伝導性の低下を軽減できる。また、絶縁性であるLiFによる導電性の低下も抑制できる。酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素含有量は、9質量%以下が好ましく、8質量%以下がより好ましい。また、フッ素含有量の合計は0.1質量%以上であることが、粒子の表面にフッ素化された層を形成する上で好ましく、1質量%以上がより好ましく、2質量%以上がさらに好ましい。
なお、フッ素含有量は、後述する実施例に記載のように燃焼法による元素分析の結果から求められる。
The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder according to this embodiment is 10% by mass or less. By being 10% by mass or less, the fluorine content present inside the particles is reduced, and the deterioration of crystallinity and the decrease in lithium ion conductivity caused by the excess of low ion conductive components can be reduced. In addition, the decrease in conductivity due to insulating LiF can also be suppressed. The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is preferably 9% by mass or less, more preferably 8% by mass or less. In addition, the total fluorine content is preferably 0.1% by mass or more in order to form a fluorinated layer on the surface of the particles, more preferably 1% by mass or more, and even more preferably 2% by mass or more.
The fluorine content can be determined from the results of elemental analysis by a combustion method as described in the Examples below.
フッ素化された層の厚みは、本発明の効果がより得られる観点から1nm以上が好ましく、1.25nm以上がより好ましく、1.5nm以上がさらに好ましい。また、フッ素化された層の厚みは、導電性の低下を抑制する点から、50nm以下が好ましく、20nm以下がより好ましく、10nm以下がさらに好ましい。
特に、酸化物系固体電解質粉末に含まれる粒子の形状が二次粒子を含む場合において、二次粒子におけるフッ素化された層の厚みは1nm以上が好ましく、1.25nm以上がより好ましく、1.5nm以上がさらに好ましい。また、フッ素化された層の厚みは、50nm以下が好ましく、20nm以下がより好ましく、10nm以下がさらに好ましい。
なお、フッ素化された層の厚みはX線光電子分光法や粒子断面からの元素マッピング等の分析により求められる。
The thickness of the fluorinated layer is preferably 1 nm or more, more preferably 1.25 nm or more, and even more preferably 1.5 nm or more, from the viewpoint of obtaining the effects of the present invention more effectively. The thickness of the fluorinated layer is preferably 50 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 10 nm or less, from the viewpoint of suppressing a decrease in electrical conductivity.
In particular, when the shape of the particles contained in the oxide-based solid electrolyte powder includes secondary particles, the thickness of the fluorinated layer in the secondary particles is preferably 1 nm or more, more preferably 1.25 nm or more, and even more preferably 1.5 nm or more. The thickness of the fluorinated layer is preferably 50 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 10 nm or less.
The thickness of the fluorinated layer can be determined by analysis such as X-ray photoelectron spectroscopy or element mapping from a particle cross section.
フッ素化された層を有する粒子の平均粒径は、安定した形成の観点から0.1μm以上が好ましく、0.5μm以上がより好ましく、1μm以上がさらに好ましい。また、平均粒径はリチウムイオンの移動し易さの観点から100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。
なお、表面にフッ素化された層を有する粒子の平均粒径とは、フッ素化された層の厚みを含み、粒径分布測定装置により求められる。通常、D50平均粒径(メジアン径:頻度の累積が50%になる粒子径)を採用することができる。
具体的には、酸化物系固体電解質粉末を水中に超音波処理によって充分に分散させ、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置にて粒子の測定を行う。頻度分布および累積体積分布曲線を得ることで体積基準の粒度分布を得、累積体積分布曲線において50%となる点の粒子径をD50平均粒径と定義する。
The average particle size of the particles having a fluorinated layer is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and even more preferably 1 μm or more, from the viewpoint of stable formation, and is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and even more preferably 20 μm or less, from the viewpoint of ease of lithium ion mobility.
The average particle size of the particles having a fluorinated layer on the surface includes the thickness of the fluorinated layer, and is determined by a particle size distribution analyzer. Usually, the D50 average particle size (median size: particle size at which the cumulative frequency is 50%) can be used.
Specifically, the oxide-based solid electrolyte powder is thoroughly dispersed in water by ultrasonic treatment, and the particles are measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement device. A frequency distribution and a cumulative volume distribution curve are obtained to obtain a volume-based particle size distribution, and the particle size at the 50% point on the cumulative volume distribution curve is defined as the D50 average particle size.
<酸化物系固体電解質粉末の製造方法>
本実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末の製造方法は、酸化物系固体電解質の粒子にフッ素元素を含む気体を接触させることにより、上記実施形態に係るフッ素化された層を有する酸化物系固体電解質粉末を製造することを特徴とする。すなわち、フッ素化される前の酸化物系固体電解質の粒子をフッ素化可能な気体と接触させることで、粒子表面にフッ素化された層を形成でき、上記実施形態に係る酸化物系固体電解質粉末を製造できる。
<Method of producing oxide-based solid electrolyte powder>
The method for producing an oxide-based solid electrolyte powder according to the present embodiment is characterized in that the oxide-based solid electrolyte powder having a fluorinated layer according to the above embodiment is produced by contacting particles of an oxide-based solid electrolyte with a gas containing elemental fluorine. That is, by contacting particles of an oxide-based solid electrolyte before fluorination with a gas capable of fluorination, a fluorinated layer can be formed on the particle surface, and the oxide-based solid electrolyte powder according to the above embodiment can be produced.
フッ素化可能な気体とは、フッ素元素を含む気体であり、例えばフッ素ガス(F2ガス)、フッ化水素ガス(HFガス)、BF3ガス、NF3ガス、PF5ガス、SiF4ガス、SF6ガス等が挙げられる。これらフッ素元素を含む気体は単独で用いても、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。本発明におけるフッ素化された層には、これらのガス構成成分を含有してもよい。 The fluorinable gas is a gas containing fluorine element, such as fluorine gas ( F2 gas), hydrogen fluoride gas (HF gas), BF3 gas, NF3 gas, PF5 gas, SiF4 gas, SF6 gas, etc. These fluorine element-containing gases may be used alone or may be mixed with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas. The fluorinated layer in the present invention may contain these gas components.
これらの中でも、純粋にフッ素のみを反応させるという意味において他の元素を含まないことから、フッ素ガス(F2ガス)またはフッ化水素ガス(HFガス)が好ましい。粒子とF2ガスまたはHFガスとの接触によりフッ素化された層が形成された場合、固体電解質中には、フッ素原子又は水素原子のみしか含有されないので、かかるガスの接触によりフッ素化された層が形成されたと判断できる。特に、フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量をより高濃度にできるという観点から、フッ素ガスが好ましい。 Among these, fluorine gas ( F2 gas) or hydrogen fluoride gas (HF gas) is preferred because it does not contain other elements in the sense that it reacts only with fluorine. When a fluorinated layer is formed by contact between the particles and F2 gas or HF gas, it can be determined that the fluorinated layer is formed by contact with such gas, since only fluorine atoms or hydrogen atoms are contained in the solid electrolyte. In particular, fluorine gas is preferred from the viewpoint of being able to make the fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer more concentrated.
混合ガスを用いる場合、フッ素元素を含む気体の濃度は、反応の制御のしやすさ及び経済的な観点から、混合ガス全体に対して0.01体積%以上が好ましく、0.1体積%以上がより好ましい。また、フッ素元素を含む気体の濃度は、50体積%以下が好ましく、35体積%以下がより好ましく、20体積%以下がさらに好ましい。 When a mixed gas is used, the concentration of the gas containing elemental fluorine is preferably 0.01% by volume or more, and more preferably 0.1% by volume or more, based on the total mixed gas from the viewpoints of ease of reaction control and economy. The concentration of the gas containing elemental fluorine is preferably 50% by volume or less, more preferably 35% by volume or less, and even more preferably 20% by volume or less.
酸化物系固体電解質の粒子とフッ素元素を含む気体とを接触させる時間は、10秒以上が好ましく、1分以上がより好ましく、また、240分以下が好ましく、150分以下がより好ましい。かかる範囲にすることで、粒子の表面に濃度を制御したフッ素化された層を精度よく形成できる。 The time for contacting the oxide-based solid electrolyte particles with the gas containing elemental fluorine is preferably 10 seconds or more, more preferably 1 minute or more, and is preferably 240 minutes or less, more preferably 150 minutes or less. By keeping the time within this range, a fluorinated layer with a controlled concentration can be formed with high precision on the surface of the particles.
酸化物系固体電解質の粒子とフッ素元素を含む気体とを接触させる温度は、10~150℃の範囲で温度制御しながら行うことが好ましい。粒子表面におけるフッ素濃度を高めたい場合には、温度を上げることで粒子表面とフッ素との反応性が上がり高濃度で所望のフッ素を含む層を形成することもできる。これにより、確実にかつ効率よく、フッ素化された層を形成できる。 It is preferable to control the temperature at which the oxide-based solid electrolyte particles are brought into contact with the gas containing elemental fluorine within the range of 10 to 150°C. If it is desired to increase the fluorine concentration on the particle surface, the temperature can be raised to increase the reactivity between the particle surface and fluorine, thereby forming a layer containing the desired fluorine at a high concentration. This allows the fluorinated layer to be formed reliably and efficiently.
フッ素元素を含む気体との接触は、加圧しながら行ってもよく、その圧力は、安全性を高める観点及び過剰なフッ素化を抑制する観点から、0.6MPa(ゲージ圧)以下が好ましく、0.3MPa以下がより好ましい。 Contact with the gas containing elemental fluorine may be performed under pressure, and the pressure is preferably 0.6 MPa (gauge pressure) or less, more preferably 0.3 MPa or less, from the viewpoints of increasing safety and suppressing excessive fluorination.
フッ素元素を含む気体との接触は、流通式又はバッチ式が好ましい。
流通式の場合は、反応容器内に粒子を静置した状態で入れ、所定の濃度のフッ素を含む気体を開放型の反応容器内に連続的に供給して、粒子とフッ素を含む気体とを接触させる方法が好ましい。
バッチ式の場合は、所定の濃度とされたフッ素元素を含む気体雰囲気の密閉された反応容器内に粒子を収容して、粒子とフッ素元素を含む気体とを接触させる方法が好ましい。
The contact with the gas containing elemental fluorine is preferably carried out in a flow manner or a batch manner.
In the case of the flow-through type, a method is preferred in which the particles are placed in a reaction vessel in a stationary state, and a gas containing fluorine at a predetermined concentration is continuously supplied into an open reaction vessel to bring the particles into contact with the gas containing fluorine.
In the case of the batch type, a method is preferred in which the particles are placed in a sealed reaction vessel in an atmosphere of a gas containing elemental fluorine at a prescribed concentration and the particles are brought into contact with the gas containing elemental fluorine.
流通式で行う場合、粒子に対して均一にフッ素元素を含む気体を接触させる観点から、反応容器として粒子を置き流動させる流動床を備えるものや、管状炉などのキルンを用いることもできる。流動床を備える場合には、フッ素化する処理時間の短縮化および過剰なフッ素化を抑制し、より均一なフッ素化を実現できるので特に好ましい。
バッチ式で行う場合、粒子に対して均一にフッ素元素を含む気体を接触させるために、粒子を撹拌混合しながら行うこともできる。
When the flow-type reaction is carried out, from the viewpoint of uniformly contacting the particles with a gas containing elemental fluorine, a reaction vessel equipped with a fluidized bed in which the particles are placed and fluidized, or a kiln such as a tubular furnace, can also be used. The use of a fluidized bed is particularly preferred, since it can shorten the fluorination treatment time and suppress excessive fluorination, thereby realizing more uniform fluorination.
When the batch method is used, the particles may be stirred and mixed in order to bring the gas containing elemental fluorine into contact with the particles uniformly.
<固体電解質層>
本実施形態に係る固体電解質層は、上記酸化物系固体電解質粉末を含み、リチウムイオン二次電池に用いられる。また、必要に応じてバインダーを含んでいてもよい。
固体電解質層における上記固体電解質粉末の含有量は特に制限されるものではなく、目的とする電池の性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、固体電解質層全体を100質量%として、固体電解質粉末の含有量を80質量%以上とすることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。
<Solid electrolyte layer>
The solid electrolyte layer according to the present embodiment contains the oxide-based solid electrolyte powder and is used in a lithium-ion secondary battery. In addition, the solid electrolyte layer may contain a binder as necessary.
The content of the solid electrolyte powder in the solid electrolyte layer is not particularly limited and may be appropriately determined depending on the performance of the target battery. For example, the content of the solid electrolyte powder is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more, based on 100% by mass of the entire solid electrolyte layer.
固体電解質層に含有しうるバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。固体電解質層におけるバインダーの含有量は従来と同様とすればよい。 Examples of binders that can be contained in the solid electrolyte layer include butadiene rubber (BR), acrylate butadiene rubber (ABR), styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. The content of the binder in the solid electrolyte layer may be the same as in the past.
固体電解質層の厚みは、特に制限されるものではなく、目的とする電池の性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、10μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましい。固体電解質層の厚みを10μm以上とすることで、機械的な強度が上がり、振動や曲げなどの応力に強く、高い信頼性をもった固体電解質層を得ることができる。
また、固体電解質層の厚みは、200μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましい。固体電解質層の厚みを200μm以下と薄くすることで、正負極間のイオン伝導性を高めることができるとともに、電池のエネルギー密度を高めることもできる。
The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited and may be appropriately determined according to the performance of the intended battery. For example, it is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more. By making the thickness of the solid electrolyte layer 10 μm or more, the mechanical strength is increased, and it is possible to obtain a solid electrolyte layer that is resistant to stresses such as vibration and bending and has high reliability.
The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 200 μm or less, and more preferably 100 μm or less. By making the thickness of the solid electrolyte layer as thin as 200 μm or less, it is possible to increase the ionic conductivity between the positive and negative electrodes and also to increase the energy density of the battery.
固体電解質層を形成する方法は特に限定されるものではない。例えば、上記した固体電解質層を構成する成分を溶媒に分散あるいは溶解させてスラリーとし、層状(シート状)に塗工し、乾燥させ、任意にプレスすることで固体電解質層を形成できる。必要に応じて、熱をかけて脱バインダー処理を行ってもよい。当該スラリーの塗工量等を調整することで、固体電解質層の厚みを容易に調整することができる。
なお、上記したような湿式成形ではなく、固体電解質層を形成する対象(正極、負極等)の表面において、固体電解質粉末等を乾式でプレス成形することによって固体電解質層を形成してもよい。あるいは、他の基材に固体電解質層を形成し、これを、固体電解質層を形成する対象の表面に転写してもよい。固体電解質層を形成する対象の表面に強固な固体電解質層を工業的に安定して形成可能である観点から、溶媒を用いた湿式成形によって、対象の表面に固体電解質層を形成することが好ましい。
The method for forming the solid electrolyte layer is not particularly limited. For example, the components constituting the solid electrolyte layer are dispersed or dissolved in a solvent to form a slurry, which is then coated in a layer (sheet), dried, and optionally pressed to form the solid electrolyte layer. If necessary, a binder removal treatment may be performed by applying heat. The thickness of the solid electrolyte layer can be easily adjusted by adjusting the coating amount of the slurry.
Instead of the wet molding as described above, the solid electrolyte layer may be formed by dry press molding of a solid electrolyte powder or the like on the surface of the object (positive electrode, negative electrode, etc.) on which the solid electrolyte layer is to be formed. Alternatively, the solid electrolyte layer may be formed on another substrate, which is then transferred to the surface of the object on which the solid electrolyte layer is to be formed. From the viewpoint of being able to industrially stably form a strong solid electrolyte layer on the surface of the object on which the solid electrolyte layer is to be formed, it is preferable to form the solid electrolyte layer on the surface of the object by wet molding using a solvent.
<リチウムイオン二次電池>
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、上記固体電解質層と、正極と、負極とを含むものである。正極、及び負極は従来公知の物が用いられる。以下に具体例を示すが、これらに限定されるものではない。
<Lithium-ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery according to this embodiment includes the above-mentioned solid electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode. The positive electrode and the negative electrode may be conventionally known. Specific examples are shown below, but are not limited thereto.
(正極)
正極は、少なくとも正極集電体および正極活物質を含有する。
(Positive electrode)
The positive electrode contains at least a positive electrode current collector and a positive electrode active material.
正極集電体は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。これらは、耐電解液性、耐酸化性に優れており好ましい。 The positive electrode current collector may be any conductive plate material, such as a thin metal plate (metal foil) made of aluminum or an alloy thereof, stainless steel, or the like. These are preferred because they have excellent electrolyte resistance and oxidation resistance.
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 -)のドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知の正極活物質を使用できる。上記正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、ニッケルマンガン酸リチウム、Li(NixCoyMnzMa)O2(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1であり、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crから選択される少なくとも一種)で表される複合金属酸化物、LiaMb(PO4)c(1≦a≦4、1≦b≦2、1≦c≦3であり、MはFe,V,Co,Mn,Ni,VOから選択される少なくとも一種)で表されるポリアニオンオリビン型正極、等が挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly absorb and release lithium ions, remove and insert (intercalate) lithium ions, or dope and dedope a counter anion (e.g., PF 6 − ) of the lithium ions, and any known positive electrode active material can be used. Examples of the positive electrode active material include lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ), lithium nickel oxide ( LiNiO2 ), lithium manganese oxide ( LiMnO2 ), lithium nickel manganese oxide, a composite metal oxide represented by Li(Ni x Co y Mn z M a ) O2 (x+y+z+a=1, 0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦a≦1, and M is at least one selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr), and a polyanion olivine type positive electrode represented by Li a M b ( PO4 ) c (1≦a≦4, 1≦b≦2, 1≦c≦3, and M is at least one selected from Fe, V, Co, Mn, Ni, and VO).
正極には、正極活物質同士を結合すると共に、正極活物質と正極集電体とを結合するバインダーを有してもよい。バインダーは従来公知のものを使用できる。
また、正極は、公知の正極用導電助剤を有してもよく、例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性酸化物が挙げられる。
The positive electrode may contain a binder that binds the positive electrode active materials together and also binds the positive electrode active material to the positive electrode current collector. Any binder known in the art can be used.
The positive electrode may also contain a known conductive assistant for positive electrodes, examples of which include carbon-based materials such as graphite and carbon black, metals such as copper, nickel, stainless steel, and iron, and conductive oxides such as indium tin oxide (ITO).
(負極)
負極は、少なくとも負極集電体および負極活物質を含有する。
(Negative electrode)
The negative electrode contains at least a negative electrode current collector and a negative electrode active material.
負極集電体は、導電性の板材であればよく、例えば、銅やアルミニウム等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。これらは、耐電解液性、耐酸化性に優れており好ましい。 The negative electrode current collector can be any conductive plate material, for example, a thin metal plate (metal foil) of copper, aluminum, etc. These are preferred because they have excellent electrolyte resistance and oxidation resistance.
負極活物質としては、特に制限されず、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な材料を用いればよい。例えば、リチウム金属、炭素系材料、シリコン、シリコン合金、スズ等を用いることができる。
負極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6
-)のドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知の負極活物質を使用できる。上記負極活物質としては、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウムと合金を形成することが出来る金属、酸化シリコン、酸化スズ等の非晶質の酸化物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が挙げられる。
The negative electrode active material is not particularly limited, and may be any material capable of inserting and extracting lithium ions, such as lithium metal, carbon-based materials, silicon, silicon alloys, and tin.
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly absorb and release lithium ions, remove and insert (intercalate) lithium ions, or dope and de-dope a counter anion (e.g., PF 6 - ) of the lithium ions, and known negative electrode active materials can be used. Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, hard carbon, and soft carbon, metals that can form alloys with lithium such as aluminum, silicon, and tin, amorphous oxides such as silicon oxide and tin oxide, and lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ).
その他、負極は、負極活物質同士を結合すると共に、負極活物質と負極集電体とを結合するバインダーを有してもよい。バインダーは従来公知のものを使用できる。
また、負極は、公知の負極用導電助剤を有してもよく、上記正極用導電助剤と同様のものを用いることができる。
In addition, the negative electrode may have a binder that binds the negative electrode active materials together and also binds the negative electrode active material to the negative electrode current collector. Conventionally known binders can be used as the binder.
The negative electrode may contain a known conductive assistant for negative electrodes, and the same conductive assistant for positive electrodes as described above can be used.
上記固体電解質層、正極及び負極等のリチウムイオン二次電池を構成するものは、電池外装体に格納される。電池外装体の材料も、従来公知のものを使用できるが、具体的には、ニッケルメッキを施した鉄、ステンレス、アルミニウムまたはその合金、ニッケル、チタン、樹脂材料、フィルム材料等が挙げられる。 The components that make up the lithium ion secondary battery, such as the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode, are housed in a battery exterior. The material of the battery exterior can be any conventionally known material, but specific examples include nickel-plated iron, stainless steel, aluminum or alloys thereof, nickel, titanium, resin materials, film materials, etc.
リチウムイオン二次電池の形状としては、コイン型、シート状(フィルム状)、折り畳み状、巻回型有底円筒型、ボタン型等が挙げられ、用途に応じて適宜選択できる。 The shape of the lithium ion secondary battery can be selected appropriately according to the application, and includes coin type, sheet type (film type), folded type, wound type, bottomed cylindrical type, button type, etc.
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、良好なリチウムイオン伝導性を実現し得る。 The lithium ion secondary battery according to this embodiment can achieve good lithium ion conductivity.
以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 The present invention will be specifically explained with the following examples, but the present invention is not limited to these.
[例1(実施例)フッ素化処理酸化物系固体電解質粉末]
(Li0.35La0.55TiO3粉末の合成)
炭酸リチウム(Li2CO3)3.87gと酢酸ランタン(La(CH3COO)3・1.5H2O)0.27gを23.88gの水に撹拌しながら溶かし、ここに乳酸チタン水溶液(マツモトファインケミカル社製、オルガチックスTC-315、Ti含量8.3%)11.98gをゆっくりと加えた。得られた水分散液を80℃で24時間乾燥後、メノウ乳鉢を使い粉砕した。その後、アルミナ容器に入れて、700℃で4時間熱処理し、75μmメッシュを通して粉末を合成した。得られた粉末のX線回折装置(Rigaku社、Smart Lab)による測定により、Li0.35La0.55TiO3が形成していることが確認された。
内容積0.3Lのハステロイ製反応器内に上記にて合成したLi0.35La0.55TiO3粉末を3g入れて、F2ガスを20体積%含むN2ガスを用いて、圧力2.5KPa、温度140℃で2時間、Li0.35La0.55TiO3粉末のフッ素化処理を行うことで、粒子表面にフッ素化された層を有するLi0.35La0.55TiO3粉末を得た。
(最表面のフッ素含有量)
ESCA分析(X線光電子分光法)として(アルバック・ファイ社製ESCA5500)を用いて測定し、フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量は100質量%であった。
(粉末中のフッ素含有量)
自動試料燃焼装置(三菱ケミカルアナリテック(ダイヤインスツルメンツ)社製、AQF-100)とイオンクロマトグラフィー(ダイオネクス社製、DX120)とを用いて、フッ素含有量を定量分析したところ、フッ素化された層を有するLi0.35La0.55TiO3粉末全体中のフッ素の含有量は9質量%であった。
(平均粒径)
レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(日機装社製、製品名MT-3300EX)を用いて上記粉末の平均粒径を測定したところ、3μmであった。
[Example 1 (Example): Fluorinated oxide-based solid electrolyte powder]
( Synthesis of Li0.35La0.55TiO3 powder )
3.87 g of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and 0.27 g of lanthanum acetate (La(CH 3 COO) 3 ·1.5H 2 O) were dissolved in 23.88 g of water with stirring, and 11.98 g of titanium lactate aqueous solution (Matsumoto Fine Chemical Co., Ltd., Orgatix TC-315, Ti content 8.3%) was slowly added thereto. The resulting aqueous dispersion was dried at 80°C for 24 hours and then pulverized using an agate mortar. It was then placed in an alumina container and heat-treated at 700°C for 4 hours, and passed through a 75 μm mesh to synthesize powder. The resulting powder was measured using an X-ray diffraction device (Rigaku, Smart Lab) to confirm that Li 0.35 La 0.55 TiO 3 was formed.
3 g of the Li0.35La0.55TiO3 powder synthesized above was placed in a Hastelloy reactor having an internal volume of 0.3 L, and the Li0.35La0.55TiO3 powder was fluorinated using N2 gas containing 20 volume % of F2 gas at a pressure of 2.5 KPa and a temperature of 140 °C for 2 hours to obtain Li0.35La0.55TiO3 powder having a fluorinated layer on the particle surface.
(Fluorine content at the outermost surface)
ESCA analysis (X-ray photoelectron spectroscopy) was performed using an ESCA5500 (manufactured by ULVAC-PHI, Inc.), and the fluorine content in the outermost surface of the fluorinated layer was found to be 100% by mass.
(Fluorine content in powder)
The fluorine content was quantitatively analyzed using an automatic sample combustion apparatus (Mitsubishi Chemical Analytech (Dia Instruments), AQF-100) and ion chromatography (Dionex, DX120), and the fluorine content in the entire Li0.35La0.55TiO3 powder having a fluorinated layer was found to be 9 mass%.
(Average particle size)
The average particle size of the powder was measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., product name MT-3300EX) and was found to be 3 μm.
[例2(比較例)フッ素未化処理酸化物系固体電解質粉末]
フッ素化未処理のLi0.35La0.55TiO3粉末を用いた。レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(日機装社製、製品名MT-3300EX)を用いて上記粉末の平均粒径を測定したところ、3μmであった。
[Example 2 (Comparative Example) Fluorine-Untreated Oxide-Based Solid Electrolyte Powder]
Unfluorinated Li0.35La0.55TiO3 powder was used. The average particle size of the powder was measured to be 3 μm using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., product name MT-3300EX).
<リチウムイオン伝導率の測定>
例1および例2の酸化物系固体電解質粉末に対して、交流インピーダンス法によるリチウムイオン伝導率の測定を行った。
リチウムイオン伝導度の測定は東陽テクニカ社製、温度可変高周波インピーダンス測定機を用いた。測定は、下記酸化物系固体電解質サンプルにAuを蒸着し、外側からSUS製電極を押し当て、印加電圧20mV、測定温度25℃、測定周波数域100MHz~20Hzの条件で実施した。交流インピーダンス測定により得られたCole-Coleプロットを解析することにより、Liイオンの移動抵抗を求め、測定に供したペレット状サンプルの面積、厚みからLiイオン伝導率を算出した。
ここで、リチウムイオン伝導率測定用の試料としては、プレス装置を用いて、例1および例2の酸化物系固体電解質粉末を30kN、2分間プレスして得られる、ペレット状の酸化物系固体電解質サンプルを用いた。
結果を表1に示す。なお各測定値は計2回の平均値を示す。
<Measurement of lithium ion conductivity>
For the oxide-based solid electrolyte powders of Examples 1 and 2, the lithium ion conductivity was measured by an AC impedance method.
The lithium ion conductivity was measured using a temperature variable high frequency impedance measuring device manufactured by Toyo Corporation. The measurement was performed by depositing Au on the oxide-based solid electrolyte sample described below, pressing a SUS electrode from the outside, and performing the measurement under the conditions of an applied voltage of 20 mV, a measurement temperature of 25°C, and a measurement frequency range of 100 MHz to 20 Hz. The Cole-Cole plot obtained by the AC impedance measurement was analyzed to determine the migration resistance of Li ions, and the Li ion conductivity was calculated from the area and thickness of the pellet-shaped sample used for the measurement.
Here, as the sample for measuring lithium ion conductivity, a pellet-shaped oxide-based solid electrolyte sample obtained by pressing the oxide-based solid electrolyte powders of Examples 1 and 2 at 30 kN for 2 minutes using a pressing device was used.
The results are shown in Table 1. Each measurement value is the average of two measurements.
上記の結果から、例1において、例2のフッ素化された層を有しない酸化物系固体電解質粉末に比べて、リチウムイオンの伝導率を高めることができた。この評価結果は、粒子表面に対してフッ素化処理を実施することにより、粒界抵抗が低減されたためと推察される。 The above results show that the lithium ion conductivity was increased in Example 1 compared to the oxide-based solid electrolyte powder without a fluorinated layer in Example 2. This evaluation result is presumably due to the fact that the grain boundary resistance was reduced by carrying out the fluorination treatment on the particle surface.
Claims (5)
前記酸化物系固体電解質粉末は、表面がフッ素化された層を有する粒子を含み、
前記フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量が95質量%以上であり、
前記酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素の含有量が10質量%以下であり、
前記粒子の平均粒径が0.5~100μmである、
酸化物系固体電解質粉末。 An oxide-based solid electrolyte powder for use in a lithium-ion secondary battery,
The oxide-based solid electrolyte powder includes particles having a fluorinated layer on the surface,
the fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer is 95% by mass or more,
The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is 10 mass% or less,
The average particle size of the particles is 0.5 to 100 μm.
Oxide solid electrolyte powder.
前記酸化物系固体電解質粉末はリチウムイオン二次電池に用いられ、
前記フッ素化された層の最表面におけるフッ素の含有量が95質量%以上であり、
前記酸化物系固体電解質粉末全体におけるフッ素の含有量が10質量%以下であり、
前記粒子の平均粒径が0.5~100μmであり、
前記フッ素元素を含む気体が、F2ガス、HFガス、BF3ガス、NF3ガス、PF5ガス、SiF4ガス、及びSF6ガスからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、
酸化物系固体電解質粉末を製造する方法。 A method for producing an oxide-based solid electrolyte powder including particles having a fluorinated layer on the surface thereof by contacting particles of an oxide-based solid electrolyte with a gas containing elemental fluorine, comprising the steps of:
The oxide-based solid electrolyte powder is used in a lithium-ion secondary battery,
the fluorine content at the outermost surface of the fluorinated layer is 95% by mass or more,
The fluorine content in the entire oxide-based solid electrolyte powder is 10 mass% or less,
The particles have an average particle size of 0.5 to 100 μm;
The gas containing fluorine element includes at least one selected from the group consisting of F2 gas, HF gas, BF3 gas, NF3 gas, PF5 gas, SiF4 gas, and SF6 gas;
A method for producing an oxide-based solid electrolyte powder.
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