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JP7707928B2 - Solid electrolyte member and method for producing the same - Google Patents
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JP7707928B2 - Solid electrolyte member and method for producing the same - Google Patents

Solid electrolyte member and method for producing the same

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JP7707928B2 JP2022001291A JP2022001291A JP7707928B2 JP 7707928 B2 JP7707928 B2 JP 7707928B2 JP 2022001291 A JP2022001291 A JP 2022001291A JP 2022001291 A JP2022001291 A JP 2022001291A JP 7707928 B2 JP7707928 B2 JP 7707928B2
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Description

本発明は、固体電解質部材及び固体電解質部材の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte member and a method for manufacturing a solid electrolyte member.

リチウム電池の固体電解質として、硫化物系の固体電解質が知られている。特許文献1には、リチウム、リン及び硫黄を有するイオン伝導体と、ハロゲン化リチウムとから構成されるガラスセラミックスからなる硫化物固体電解質材料で、Al、ZrO、TiO、SiOの少なくとも1種を含有するものが記載されている。また、特許文献2には、質量基準で100ppm以上1000ppm以下のアルミニウムを含有し、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質が記載されている。 Sulfide-based solid electrolytes are known as solid electrolytes for lithium batteries. Patent Document 1 describes a sulfide solid electrolyte material made of glass ceramics composed of an ion conductor containing lithium, phosphorus, and sulfur and a lithium halide, and containing at least one of Al 2 O 3 , ZrO 3 , TiO 2 , and SiO 2. Patent Document 2 describes a solid electrolyte containing 100 ppm to 1000 ppm of aluminum by mass and having lithium ion conductivity.

特開2015-76316号公報JP 2015-76316 A 国際公開第2020/105604号International Publication No. 2020/105604

リチウム、リン及び硫黄を有する固体電解質部材は、電池性能の劣化を抑制することが求められている。 Solid electrolyte materials containing lithium, phosphorus, and sulfur are required to suppress deterioration of battery performance.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電池性能の劣化を抑制可能な固体電解質部材及び固体電解質部材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and aims to provide a solid electrolyte member and a method for manufacturing a solid electrolyte member that can suppress deterioration of battery performance.

本発明は、以下の条件を満たすことを特徴とする固体電解質部材及び固体電解質部材の製造方法を提供する。 The present invention provides a solid electrolyte member and a method for manufacturing a solid electrolyte member that satisfy the following conditions:

<1> Li、P、及びSを含む固体電解質部材であって、ICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy:ICP-AES)により測定されるLiの含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下であり、蛍光X線分析法(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、前記固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である固体電解質部材。 <1> A solid electrolyte member containing Li, P, and S, in which the Li content measured by ICP atomic emission spectroscopy (ICP-AES) is 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and the Li content measured by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) is 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member. A solid electrolyte member in which the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and when the solid electrolyte member is classified into particle sizes of less than 5 μm, particle sizes of 5 μm or more and less than 100 μm, and particle sizes of 100 μm or more, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member.

<2>Li、Si、P、及びSを含む固体電解質部材であって、ICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy:ICP-AES)により測定されるLiの含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下であり、蛍光X線分析法(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、前記固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である固体電解質部材。 <2> A solid electrolyte member containing Li, Si, P, and S, in which the Li content measured by ICP atomic emission spectroscopy (ICP-AES) is 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and the Li content measured by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) is 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member. A solid electrolyte member in which the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and when the solid electrolyte member is classified into particle sizes of less than 5 μm, particle sizes of 5 μm or more and less than 100 μm, and particle sizes of 100 μm or more, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member.

<3>好ましくは、平均結晶子径が、50nm以上であり、かつ、導電率が4mS/cm以上である固体電解質部材。 <3> Preferably, the solid electrolyte member has an average crystallite diameter of 50 nm or more and a conductivity of 4 mS/cm or more.

<4>好ましくは、空間群P4nmcの結晶構造を持ち、CuKα線を用いたX線回折測定で測定すると、結晶ピークとして以下の式(A)から式(E)のピークが検出され、式(D)のピークより高角側に、結晶ピークとして式(F)のピークが検出されないか、又は、式(E)のピークの回折強度をIとし式(F)のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iが0.50未満となるような、式(F)のピークが検出される固体電解質部材。
2θ=17.38°±0.50°・・・(A)
2θ=20.18°±0.50°・・・(B)
2θ=20.44°±0.50°・・・(C)
2θ=26.96°±0.50°・・・(D)
2θ=29.58°±0.50°・・・(E)
2θ=27.33°±0.50°・・・(F)
<4> Preferably, a solid electrolyte member has a crystal structure of space group P42nmc , and when measured by X-ray diffraction measurement using CuKα radiation, peaks of the following formulas (A) to (E) are detected as crystal peaks, and a peak of formula (F) is not detected as a crystal peak on the higher angle side of the peak of formula (D), or a peak of formula (F) is detected such that, when the diffraction intensity of the peak of formula ( E ) is IA and the diffraction intensity of the peak of formula (F) is IB, the ratio IB / IA is less than 0.50.
2θ=17.38°±0.50°...(A)
2θ=20.18°±0.50°...(B)
2θ=20.44°±0.50°...(C)
2θ=26.96°±0.50°...(D)
2θ=29.58°±0.50°...(E)
2θ=27.33°±0.50°...(F)

<5>好ましくは、Argyrodite型の結晶構造を有する固体電解質部材。 <5> Preferably, the solid electrolyte member has an Argyrodite-type crystal structure.

<6>本開示に係る固体電解質部材の製造方法であって、前記固体電解質部材の製造方法原料の集合物を準備する準備ステップと、前記出発原料の集合物を加熱して前記固体電解質部材を生成する生成ステップと、を含み、前記準備ステップにおいては、生成した前記出発原料の集合物をX線回折法で測定した場合に、結晶性物質の結晶ピークが検出できるように、前記出発原料を混合して前記出発原料の集合物を生成する固体電解質部材の製造方法。 <6> A method for manufacturing a solid electrolyte member according to the present disclosure, comprising a preparation step of preparing an assembly of manufacturing raw materials for the solid electrolyte member, and a production step of heating the assembly of starting raw materials to produce the solid electrolyte member, in which in the preparation step, the starting raw materials are mixed to produce the assembly of starting raw materials such that a crystal peak of a crystalline substance can be detected when the produced assembly of starting raw materials is measured by X-ray diffraction.

本発明によれば、電池性能の劣化を抑制できる。 The present invention can suppress the deterioration of battery performance.

図1は、本実施形態に係る固体電解質部材の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a solid electrolyte member according to the present embodiment. 図2は、固体電解質部材を生成する設備の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a facility for producing a solid electrolyte member. 図3は、各例のXRDスペクトルを示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the XRD spectrum of each example. 図4は、サイクル寿命の測定結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the cycle life.

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態(以下、実施形態という)により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as embodiments). Furthermore, the components in the following embodiments include those that a person skilled in the art can easily imagine, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the components disclosed in the following embodiments can be combined as appropriate.

(第1実施形態)
(固体電解質部材)
第1実施形態に係る固体電解質部材は、硫化物系の固体電解質である。第1実施形態に係る固体電解質部材は、Li、P、及びSを含むリチウムイオン伝導体であって、例えばリチウム電池などに用いられる。さらに言えば、第1実施形態に係る固体電解質部材は、いわゆるLGPS型の結晶構造を有する。具体的には、第1実施形態に係る固体電解質部材は、化学式がLiで表されるものである。ここで、a、b、c、dは、0より大きい数字である。また、元素Mは、AlとSiを除く13族、14族及び15族の少なくとも1種の元素である。本実施形態では、元素Mは、Ge及びSnの少なくとも1種であることが好ましい。第1実施形態に係る固体電解質部材は、1種類の元素Mを含むが、複数種類の元素Mを含んでもよい。
このように、第1実施形態に係る固体電解質部材は、リチウム、元素M、リン、及び硫黄を含んだ固体電解質であるが、それに限られず、リチウム、元素M、及びリン以外の成分を含んだ硫化物系の固体電解質であってもよい。また、固体電解質部材は、LGPS型の結晶構造を持つものに限られず、Liであることにも限られない。固体電解質部材の組成の他の例については、後述する。
First Embodiment
(Solid electrolyte member)
The solid electrolyte member according to the first embodiment is a sulfide-based solid electrolyte. The solid electrolyte member according to the first embodiment is a lithium ion conductor containing Li, P, and S, and is used in, for example, lithium batteries. More specifically, the solid electrolyte member according to the first embodiment has a so-called LGPS-type crystal structure. Specifically, the solid electrolyte member according to the first embodiment is represented by the chemical formula Li a M b P c S d . Here, a, b, c, and d are numbers greater than 0. The element M is at least one element of Group 13, Group 14, and Group 15 except Al and Si. In this embodiment, the element M is preferably at least one of Ge and Sn. The solid electrolyte member according to the first embodiment includes one type of element M, but may include multiple types of elements M.
Thus, the solid electrolyte member according to the first embodiment is a solid electrolyte containing lithium, element M, phosphorus, and sulfur, but is not limited thereto, and may be a sulfide-based solid electrolyte containing components other than lithium, element M, and phosphorus. The solid electrolyte member is not limited to one having an LGPS-type crystal structure, and is not limited to Li a M b P c S d . Other examples of the composition of the solid electrolyte member will be described later.

第1実施形態に係る固体電解質部材は、Liの含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下であり、10.0質量%以上15.0質量%以下であることがより好ましく、10.7質量%以上12.8質量%以下であることがさらに好ましい。Liの合計含有量がこの範囲となることで、適切な導電性を付与できる。なお、Liの含有量は、ICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy:ICP-AES)により測定できる。 In the solid electrolyte member according to the first embodiment, the Li content is, by mass, 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less, more preferably 10.0% by mass or more and 15.0% by mass or less, and even more preferably 10.7% by mass or more and 12.8% by mass or less, based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member. By setting the total Li content within this range, appropriate conductivity can be imparted. The Li content can be measured by ICP atomic emission spectroscopy (ICP-AES).

なお、ICP発光分光分析法を用いてLiの含有量を測定する際には、以下の条件を適用してよい。
・測定装置:SPS3100(SIIナノテクノロジー社製)
・波長範囲:160nm~770nm
・RF出力:1.4kW
When the Li content is measured using ICP emission spectrometry, the following conditions may be applied.
Measurement device: SPS3100 (manufactured by SII Nano Technology)
Wavelength range: 160 nm to 770 nm
RF output: 1.4 kW

第1実施形態に係る固体電解質部材は、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm以下であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。すなわち、固体電解質部材は、Al元素の含有量と、Zr元素の含有量と、Ti元素の含有量と、Si元素の含有量と、W元素の含有量との合計値が、固体電解質部材に含まれる全ての元素の含有量の合計値に対して、上記数値範囲となることが好ましい。固体電解質部材は、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量がこの範囲となることで、不純物が少なく高純度なものとなり、不純物が反応して生成される副生成物の量を抑制して、電池性能の劣化を適切に抑制できる。なお、Al、Zr、Ti、Si、及びWの含有量は、蛍光X線分析法(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)により測定できる。また、ここでの電池性能とは、例えばサイクル寿命である。 In the solid electrolyte member according to the first embodiment, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W is 100 ppm or less, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of the elements contained in the solid electrolyte member, on a mass basis. That is, the total value of the content of the Al element, the content of the Zr element, the content of the Ti element, the content of the Si element, and the content of the W element is preferably within the above numerical range with respect to the total content of all elements contained in the solid electrolyte member. By having the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W within this range, the solid electrolyte member has a high purity with few impurities, and the amount of by-products generated by the reaction of the impurities is suppressed, so that the deterioration of the battery performance can be appropriately suppressed. The contents of Al, Zr, Ti, Si, and W can be measured by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). Battery performance here refers, for example, to cycle life.

より詳しくは、蛍光X線分析法を用いる場合には、蛍光X線分析法で測定した蛍光X線の強度スペクトルにおけるピーク強度に基づいて、対象となる元素の含有量を算出してよい。具体的には、蛍光X線の強度スペクトルにおける、対象となる元素のピーク強度に基づいて、固体電解質部材に含まれる全ての元素のうちでLiを除いた元素の合計含有量に対する、対象となる元素の含有量を算出する。そして、次の式(1)を用いて、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量(Liも含めた全元素の合計含有量)に対する、対象となる元素の含有量を算出する。 More specifically, when X-ray fluorescence analysis is used, the content of the target element may be calculated based on the peak intensity in the intensity spectrum of fluorescent X-rays measured by X-ray fluorescence analysis. Specifically, the content of the target element relative to the total content of all elements contained in the solid electrolyte member excluding Li is calculated based on the peak intensity of the target element in the intensity spectrum of fluorescent X-rays. Then, the content of the target element relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member (the total content of all elements including Li) is calculated using the following formula (1).

A=A・(100-ALi) ・・・(1) A=A 0・(100-A Li )...(1)

ここで、Aは、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対する、対象となる元素の含有量(質量%)である。また、Aは、蛍光X線の強度スペクトルにおけるピーク強度に基づいて算出した、固体電解質部材に含まれる全ての元素のうちでLiを除いた元素の合計含有量に対する、対象となる元素の含有量(質量%)である。また、ALiは、ICP発光分光分析法を用いて算出したLiの含有量(質量%)である。固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対するAl、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量は、Al、Zr、Ti、Si、及びWのそれぞれについてAを算出して、それぞれのAを合計して算出される。 Here, A is the content (mass%) of the target element relative to the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. A 0 is the content (mass%) of the target element relative to the total content of all elements contained in the solid electrolyte member excluding Li, calculated based on the peak intensity in the fluorescent X-ray intensity spectrum. A Li is the content (mass%) of Li calculated using ICP atomic emission spectroscopy. The total content of Al, Zr, Ti, Si, and W relative to the total content of the elements contained in the solid electrolyte member is calculated by calculating A for each of Al, Zr, Ti, Si, and W, and adding up the respective A's.

なお、蛍光X線分析法を用いる場合には、以下の条件を適用してよい。
・測定装置:M4 TORNADO (Bruker社製)
・励起X線:ポリキャピラリーX線光学系Rh管
・出力:50kV、200μA
・X線径:20μm
When fluorescent X-ray analysis is used, the following conditions may be applied.
Measurement device: M4 TORNADO (manufactured by Bruker)
Excitation X-ray: Polycapillary X-ray optical system Rh tube Output: 50 kV, 200 μA
・X-ray diameter: 20 μm

また、第1実施形態に係る固体電解質部材は、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。すなわち、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が5μm未満となるものを第1固体電解質部材とすると、第1固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、第1固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。同様に、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が5μm以上100μm未満となるものを第2固体電解質部材とすると、第2固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、第2固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。また、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が100μm以上となるものを第3固体電解質部材とすると、第3固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、第3固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。固体電解質部材は、分級したそれぞれにおいて、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量がこの範囲となることで、不純物が少なく高純度なものとなり、不純物が反応して生成される副生成物の量を抑制して、電池性能の劣化を適切に抑制できる。 In addition, when the solid electrolyte member according to the first embodiment is classified into a particle size of less than 5 μm, a particle size of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle size of 100 μm or more, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence analysis in each classified solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, by mass. That is, if the solid electrolyte member according to the present embodiment has a particle size of less than 5 μm, the first solid electrolyte member has a total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the first solid electrolyte member, less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of elements contained in the first solid electrolyte member, by mass. Similarly, if the second solid electrolyte member has a particle diameter of 5 μm or more and less than 100 μm, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the second solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of elements contained in the second solid electrolyte member, based on mass. Also, if the third solid electrolyte member has a particle diameter of 100 μm or more in the solid electrolyte member according to the present embodiment, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the third solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on mass. By ensuring that the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W in each of the classified solid electrolyte components falls within this range, the solid electrolyte components have a high purity and few impurities, and the amount of by-products generated by the reaction of the impurities is reduced, making it possible to appropriately suppress deterioration of battery performance.

なお、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上への分級は、SUS製あるいはナイロン製メッシュの篩を用いて行ってよい。例えば、粒子径5μm未満の粒子はナイロンメッシュ(tantore製 #508/585-5 目開き5μm)で分級してよい。また、粒子径5μm以上100μm未満の粒子はJIS規格(JIS Z8801-1)対応の公称目開き100μmのSUS製篩で分級してよい。そして、粒子径5μm未満の粒子、及び5μm以上100μm未満の粒子として分級されずに残った粒子を、粒子径100μ以上の粒子として扱ってよい。また、粒子径は、粒子径分布測定装置、例えばレーザ回折散乱式粒子径分布測定装置LA―960(堀場製作所社製)を用いて測定してよい。 Classification into particle diameters of less than 5 μm, 5 μm to less than 100 μm, and 100 μm or more may be performed using a sieve made of SUS or nylon mesh. For example, particles with a particle diameter of less than 5 μm may be classified using a nylon mesh (Tantore #508/585-5, mesh size 5 μm). Particles with a particle diameter of 5 μm to less than 100 μm may be classified using a SUS sieve with a nominal mesh size of 100 μm that conforms to the JIS standard (JIS Z8801-1). Particles that remain unclassified as particles with a particle diameter of less than 5 μm and particles with a particle diameter of 5 μm to less than 100 μm may be treated as particles with a particle diameter of 100 μm or more. Particle diameters may be measured using a particle diameter distribution measuring device, for example, a laser diffraction scattering type particle diameter distribution measuring device LA-960 (manufactured by Horiba, Ltd.).

また、第1実施形態に係る固体電解質部材は、平均結晶子径が、50nm以上であることが好ましく、60nm以上500nm以下であることがより好ましく、70nm以上500nm以下であることが更に好ましい。固体電解質部材は、平均結晶子径がこの範囲となることで、結晶成長が進んだ材料となって、電池性能を向上させることができる。さらに言えば、固体電解質部材は、このように結晶成長が進んだ状態においては、不純物の反応により副生成物が生成されやすいが、上記のように不純物の量が少ないため、電池性能を向上させつつ、電池性能の劣化を抑制できる。なお、平均結晶子径は、X線回折法により測定でき、より詳しくは、CuKαを線源とし、かつ回折角2θの測定範囲を10°以上60°以下とする粉末X線回折測定により測定できる。粉末X線回折測定の結果、横軸が2θ、縦軸が測定範囲内の全ピークのうち最大のピーク強度を1としたときの相対強度であるX線回折スペクトルが得られる。そして、X線回折スペクトルにおいて、ピークの回折角、および得られた半値幅を、Scherrerの式である次の式(2)に代入することで、平均結晶子径が測定できる。ただし、Dが結晶子サイズ(平均結晶子径)であり、KがScherrer定数であり、Bがピークの半値幅である。 In addition, the solid electrolyte member according to the first embodiment preferably has an average crystallite diameter of 50 nm or more, more preferably 60 nm or more and 500 nm or less, and even more preferably 70 nm or more and 500 nm or less. When the average crystallite diameter of the solid electrolyte member is in this range, the solid electrolyte member becomes a material in which crystal growth has progressed, and the battery performance can be improved. Furthermore, in a state in which crystal growth has progressed in this way, the solid electrolyte member is prone to by-products being generated by reaction of impurities, but since the amount of impurities is small as described above, the battery performance can be improved while suppressing deterioration of the battery performance. The average crystallite diameter can be measured by X-ray diffraction method, and more specifically, it can be measured by powder X-ray diffraction measurement using CuKα as a radiation source and with a measurement range of the diffraction angle 2θ of 10° to 60°. As a result of the powder X-ray diffraction measurement, an X-ray diffraction spectrum is obtained, in which the horizontal axis is 2θ and the vertical axis is the relative intensity when the maximum peak intensity of all peaks in the measurement range is set to 1. The average crystallite diameter can be measured by substituting the diffraction angle of the peak and the half-width obtained in the X-ray diffraction spectrum into the following formula (2), which is the Scherrer formula, where D is the crystallite size (average crystallite diameter), K is the Scherrer constant, and B is the half-width of the peak.

D=Kλ/Bcosθ ・・・(2) D=Kλ/Bcosθ...(2)

また、第1実施形態に係る固体電解質部材は、導電率が、1mS/cm以上であることが好ましく、3mS/cm以上であることがよりに好ましく、4mS/cm以上であることが更に好ましい。導電率がこの数値範囲となることで、固体電解質部材としての電池性能を適切に保つことができる。 The solid electrolyte member according to the first embodiment preferably has a conductivity of 1 mS/cm or more, more preferably 3 mS/cm or more, and even more preferably 4 mS/cm or more. By having the conductivity in this range, the battery performance of the solid electrolyte member can be appropriately maintained.

(固体電解質部材の製造方法)
次に、本実施形態に係る固体電解質部材の製造方法について説明する。ただし、以下の製造方法は一例であり、以下の説明に限られず、任意の方法で本実施形態に係る固体電解質部材を製造してよい。
(Method for manufacturing solid electrolyte member)
Next, a method for producing the solid electrolyte member according to the present embodiment will be described. However, the following method is merely an example, and the present embodiment may be produced by any method without being limited to the following description.

図1は、本実施形態に係る固体電解質部材の製造方法を示すフローチャートである。図1に示すように、本実施形態の製造方法においては、最初に、準備ステップにおいて、固体電解質部材の出発原料Aの集合物を準備する(ステップS10;準備ステップ)。
出発原料Aは、固体電解質部材を構成する元素を含んだ各原料であり、ここでの出発原料Aの集合物とは、各原料(各出発原料A)の化学的な変化を伴わずに、各原料の粉末を混合(撹拌)したものを指す。ここでは、各原料が均質になるように混合されることが好ましい。このように、出発原料Aは、1種類の原料を指し、出発原料Aの集合物とは、それぞれの出発原料Aを混合した集合体を指す。また、出発原料Aの集合物は、固体電解質部材を生成する工程の途中に生成される中間生成物ではなく、固体電解質部材を生成する工程を開始する前の状態の原料の集合体を指す。さらに言えば、ここでの出発原料Aの集合物とは、後述の炉10内に収納する前の状態の原料を指す。
本製造方法では、単体硫黄及びLi、P、Mのいずれかを含んだ原料を出発原料とする。
1 is a flowchart showing a method for producing a solid electrolyte member according to the present embodiment. As shown in FIG 1, in the production method of the present embodiment, first, in a preparation step, an aggregate of starting materials A of the solid electrolyte member is prepared (step S10; preparation step).
The starting material A is each of the raw materials containing the elements constituting the solid electrolyte member, and the aggregate of the starting material A here refers to a mixture (stirring) of the powders of each raw material without chemical changes of each raw material (each starting raw material A). Here, it is preferable that each raw material is mixed to be homogeneous. Thus, the starting material A refers to one type of raw material, and the aggregate of the starting material A refers to an aggregate of each starting raw material A mixed together. In addition, the aggregate of the starting material A refers to an aggregate of raw materials in a state before the process of producing the solid electrolyte member is started, not an intermediate product produced during the process of producing the solid electrolyte member. Furthermore, the aggregate of the starting material A here refers to raw materials in a state before being stored in the furnace 10 described below.
In this production method, a raw material containing elemental sulfur and any one of Li, P, and M is used as a starting material.

(単体硫黄)
単体硫黄は、不可避的不純物を除き硫黄以外の元素が含まれない硫黄を指す。以降においても、特に断りがない限り、各原料には、不可避的不純物が含まれていてよい。
(elemental sulfur)
Elemental sulfur refers to sulfur that does not contain any elements other than sulfur, except for inevitable impurities. Hereinafter, unless otherwise specified, each raw material may contain inevitable impurities.

(S原料、Li原料、P原料、M原料)
出発原料Aは、固体電解質部材を構成する元素を含んだ原料なので、本実施形態では、硫黄を含むS原料と、リチウムを含むLi原料と、リンを含むP原料と、元素Mを含むM原料と、を含んでいるといえる。
(S raw material, Li raw material, P raw material, M raw material)
The starting material A is a material containing elements constituting the solid electrolyte member, and therefore in this embodiment, it can be said to contain an S material containing sulfur, a Li material containing lithium, a P material containing phosphorus, and an M material containing the element M.

(S原料)
S原料は、上述のように、単体硫黄である。
(S raw material)
The S raw material is elemental sulfur, as described above.

(Li原料)
Li原料は、単体リチウム、リチウムと元素Mの化合物、リチウムとリンの化合物、及び、リチウムと元素Mとリンの化合物、リチウムと硫黄の化合物(硫化リチウム)、リチウムと元素Mと硫黄の化合物(例えばLiGeS、LiSnSなど)、リチウムとリンと硫黄の化合物(例えばLiPS)、及び、リチウムと元素Mとリンと硫黄の化合物の、少なくとも1つとなる。なお、Li原料が、リチウムと他の元素との化合物である場合、Li原料は、他の元素の原料を兼ねることになり、例えばLi原料がリチウムとリンの化合物である場合、リチウムとリンの化合物が、Li原料であってP原料であるということができる。
(Li raw material)
The Li raw material is at least one of elemental lithium, a compound of lithium and element M, a compound of lithium and phosphorus, a compound of lithium, element M and phosphorus, a compound of lithium and sulfur (lithium sulfide), a compound of lithium, element M and sulfur (e.g. Li4GeS4 , Li4SnS4 , etc.), a compound of lithium, phosphorus and sulfur (e.g. Li3PS4 ), and a compound of lithium, element M, phosphorus and sulfur. When the Li raw material is a compound of lithium and another element, the Li raw material also serves as the raw material of the other element. For example, when the Li raw material is a compound of lithium and phosphorus, the compound of lithium and phosphorus can be said to be the Li raw material and the P raw material.

(P原料)
P原料は、リンの単体、リチウムとリンの化合物、元素Mとリンの化合物、及び、リチウムと元素Mとリンの化合物、リンと硫黄の化合物(硫化リン)、リチウムとリンと硫黄の化合物(例えばLiPS)、元素Mとリンと硫黄の化合物、及び、リチウムと元素Mとリンと硫黄の化合物の、少なくとも1つとなる。
(P raw material)
The P raw material is at least one of phosphorus, a compound of lithium and phosphorus, a compound of element M and phosphorus, a compound of lithium, element M and phosphorus, a compound of phosphorus and sulfur (phosphorus sulfide), a compound of lithium, phosphorus and sulfur (e.g., Li3PS4 ), a compound of element M, phosphorus and sulfur, and a compound of lithium, element M, phosphorus and sulfur.

(M原料)
M原料は、元素Mの単体、リチウムと元素Mとの化合物、元素Mとリンの化合物、及び、リチウムと元素Mとリンの化合物、元素Mと硫黄の化合物(例えばGeS、GeS、SnS、SnSなど)、リチウムと元素Mと硫黄の化合物、元素Mとリンと硫黄の化合物(例えばGeP、Snなど)、及び、リチウムと元素Mとリンと硫黄の化合物の、少なくとも1つとなる。
(M raw material)
The M raw material is at least one of the following: a simple substance of element M, a compound of lithium and element M, a compound of element M and phosphorus, a compound of lithium, element M and phosphorus, a compound of element M and sulfur (e.g., GeS, GeS2 , SnS, SnS2 , etc.), a compound of lithium, element M and sulfur, a compound of element M and phosphorus and sulfur (e.g., GeP, Sn3P4 , etc. ), and a compound of lithium, element M, phosphorus and sulfur.

(混合方法)
次に、各原料の混合方法について説明する。準備ステップにおいては、各原料(単体硫黄、Li原料、P原料、M原料)を製造される固体電解質部材の組成となるような重量比で秤量して、出発原料Aとして、それぞれの出発原料Aを混合して出発原料Aの集合物とする。
本実施形態においては、単体硫黄と、Li原料と、P原料と、M原料を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で秤量して混合するが、それに限られず、例えば窒素などの不活性ガス雰囲気中で混合してもよい。また、本実施形態においては、混合した単体硫黄と、Li原料と、P原料と、M原料とを、押し固めてペレット状に成形するが、ペレット状に成形されることに限られない。
(Mixing method)
Next, a method for mixing the raw materials will be described. In the preparation step, the raw materials (elemental sulfur, Li raw material, P raw material, and M raw material) are weighed out in a weight ratio that will be the composition of the solid electrolyte member to be manufactured, and are used as starting raw materials A. The starting raw materials A are mixed together to form an aggregate of the starting raw materials A.
In this embodiment, the elemental sulfur, the Li raw material, the P raw material, and the M raw material are weighed and mixed in a glove box in an argon atmosphere, but the present invention is not limited thereto, and the elements may be mixed in an inert gas atmosphere such as nitrogen. In addition, in this embodiment, the mixed elemental sulfur, the Li raw material, the P raw material, and the M raw material are pressed and molded into a pellet shape, but the present invention is not limited thereto.

準備ステップにおいては、出発原料Aとして秤量した各原料(単体硫黄、Li原料、P原料、M原料)を混合して、出発原料Aの集合物とする。ここでの混合は、各原料が均一に分散する程度の撹拌を言い、メカニカルミリング法のような各原料の機械的、化学的変化を伴わない。従って、本製造方法で生成された出発原料Aの集合物を、CuKα線を用いたX線回折法で測定した場合、出発原料Aを構成する結晶性物質の結晶ピークが検出され、かつ、それ以外の結晶ピークが検出されない。
また、単体硫黄と、Li原料、P原料、及びM原料として、例えばLiS、単体P、金属Sn(単体Sn)を使用した場合には、本製造方法で生成された出発原料Aの集合物を、CuKα線を用いたX線回折法で測定すると、結晶ピークとして以下の式(3)から式(11)のピークが検出される。なお、ここでの結晶ピークとは、強度が閾値以上のピークを指し、ここでの閾値は、例えば測定結果の最大ピーク強度を1とした場合の相対強度0.05である。
In the preparation step, the raw materials (elemental sulfur, Li raw material, P raw material, M raw material) weighed as starting material A are mixed to form an aggregate of starting material A. The mixing here refers to stirring to the extent that each raw material is uniformly dispersed, and does not involve mechanical or chemical changes of each raw material as in the mechanical milling method. Therefore, when the aggregate of starting material A produced by this manufacturing method is measured by X-ray diffraction using CuKα radiation, the crystal peak of the crystalline substance constituting starting material A is detected, and no other crystal peaks are detected.
In addition, when elemental sulfur, Li raw material, P raw material, and M raw material are, for example, Li 2 S, elemental P, and metal Sn (elemental Sn), when the aggregate of starting material A produced by this production method is measured by X-ray diffraction using CuKα radiation, the peaks of the following formulas (3) to (11) are detected as crystal peaks. Note that the crystal peak here refers to a peak whose intensity is equal to or greater than a threshold value, and the threshold value here is, for example, a relative intensity of 0.05 when the maximum peak intensity of the measurement result is set to 1.

2θ=23.06±0.50・・・(3)
2θ=25.83±0.50・・・(4)
2θ=27.00±0.50・・・(5)
2θ=27.71±0.50・・・(6)
2θ=30.63±0.50・・・(7)
2θ=32.01±0.50・・・(9)
2θ=44.81±0.50・・・(10)
2θ=44.89±0.50・・・(11)
2θ=23.06±0.50...(3)
2θ=25.83±0.50...(4)
2θ=27.00±0.50...(5)
2θ=27.71±0.50...(6)
2θ=30.63±0.50...(7)
2θ=32.01±0.50...(9)
2θ=44.81±0.50...(10)
2θ=44.89±0.50...(11)

準備ステップでは、各原料の混合条件を、混合時間を10分間以下とし、せん断方向に印加される単位面積当たりの荷重の上限を、0.1N/mm以下とすることで、生成された出発原料Aで各原料の結晶ピークを適切に検出可能にしている。 In the preparation step, the mixing conditions for each raw material are set to a mixing time of 10 minutes or less and an upper limit of the load per unit area applied in the shear direction of 0.1 N/ mm2 or less, thereby enabling the crystal peaks of each raw material to be properly detected in the generated starting material A.

図1に示すように、準備ステップで出発原料Aの集合物を準備したら、出発原料Aの集合物を加熱して、固体電解質部材を生成する生成ステップを実行する(ステップS12;生成ステップ)。すなわち、生成ステップの前においては、出発原料Aに含まれている単体硫黄、Li原料、P原料、及びM原料同士は、化学反応によって互いに結合していないが、生成ステップにおいて、化学反応によって結合し、化学式がLiで表される固体電解質部材が生成される。
具体的には、生成ステップにおいては、出発原料Aを温度T1まで加熱して、温度T1で所定の保持時間保持することで、固体電解質部材を生成する。
温度T1は、400℃以上1000℃以下であることが好ましく、500℃以上600℃以下であることがより好ましく、500℃以上560℃以下であることが更に好ましい。温度T1をこの数値範囲とすることで、液化した単体硫黄がS以外の原料と化学反応によって結合し、固体電解質部材を適切に生成できる。
また、温度T1での保持時間は、1時間以上72時間以下であることが好ましく、1時間以上24時間以下であることがより好ましく、1時間以上12時間以下であることが更に好ましい。保持時間をこの数値範囲とすることで、各原料を適切に反応させて、固体電解質部材を適切に生成できる。
1 , after preparing an assembly of starting material A in the preparation step, a production step is performed in which the assembly of starting material A is heated to produce a solid electrolyte member (step S12; production step). That is, before the production step, elemental sulfur, Li raw material, P raw material, and M raw material contained in starting material A are not bonded to each other by chemical reaction, but in the production step, they are bonded to each other by chemical reaction to produce a solid electrolyte member represented by the chemical formula Li a M b P c S d .
Specifically, in the production step, the starting material A is heated to a temperature T1 and is maintained at the temperature T1 for a predetermined period of time to produce the solid electrolyte member.
The temperature T1 is preferably 400° C. or more and 1000° C. or less, more preferably 500° C. or more and 600° C. or less, and even more preferably 500° C. or more and 560° C. or less. By setting the temperature T1 within this numerical range, the liquefied elemental sulfur is bonded with raw materials other than S through a chemical reaction, and the solid electrolyte member can be appropriately produced.
The holding time at temperature T1 is preferably 1 hour or more and 72 hours or less, more preferably 1 hour or more and 24 hours or less, and even more preferably 1 hour or more and 12 hours or less. By setting the holding time within this range, the raw materials can be appropriately reacted to appropriately produce the solid electrolyte member.

図2は、固体電解質部材を生成する設備の模式図である。図2に示すように、炉10は、出発原料Aを加熱して固体電解質部材を生成するための炉である。炉10は、加熱部12が設けられている。加熱部12は、炉10内を加熱する熱源である。なお、図2の構造は一例であり、固体電解質部材を生成する設備は、図2の構造に限られない。 Figure 2 is a schematic diagram of equipment for producing a solid electrolyte member. As shown in Figure 2, a furnace 10 is a furnace for heating starting material A to produce a solid electrolyte member. The furnace 10 is provided with a heating section 12. The heating section 12 is a heat source for heating the inside of the furnace 10. Note that the structure in Figure 2 is an example, and the equipment for producing a solid electrolyte member is not limited to the structure in Figure 2.

生成ステップにおいては、所定のガス雰囲気中で、炉10内に出発原料Aを収納して、炉10を密閉する。そして、出発原料Aが収納された炉10内を加熱部12で加熱して温度T1に到達させ、温度T1のまま所定の保持時間、保持する。なお、炉10内に充填されるガスは、任意のものであってよく、アルゴンなどの不活性ガス(希ガス)であってもよいし、硫化水素であってもよい。なお、炉を密閉することは必須でなく、例えば炉を密封せず、所定のガスを供給しながら加熱してもよい。例えば100mL/minでアルゴンを供給しながら加熱してもよい。
出発原料A中の単体硫黄は、温度T1に到達するまでに溶融して液化し、液化した硫黄と他の原料との固液反応により、固体電解質部材が生成される。
In the generation step, the starting material A is stored in the furnace 10 in a predetermined gas atmosphere, and the furnace 10 is sealed. Then, the inside of the furnace 10 in which the starting material A is stored is heated by the heating unit 12 to reach a temperature T1, and the temperature is maintained at T1 for a predetermined holding time. The gas filled in the furnace 10 may be any gas, and may be an inert gas (rare gas) such as argon, or hydrogen sulfide. It is not essential to seal the furnace, and for example, the furnace may be heated while supplying a predetermined gas without sealing it. For example, the furnace may be heated while supplying argon at 100 mL/min.
The elemental sulfur in the starting material A melts and liquefies before the temperature reaches T1, and a solid electrolyte member is produced by a solid-liquid reaction between the liquefied sulfur and the other raw materials.

このように、本製造方法では、出発原料Aを炉10内に収納したら、出発原料Aを炉10内から取り出すことなく、固体電解質部材を生成させる。言い換えれば、本製造方法では、出発原料Aから生成されたLi、P、及び元素Mの硫化物(中間生成物)を炉10内に保持したまま、すなわち炉10から外部に取り出さずに、固体電解質部材を生成する。すなわち、出発原料Aから生成されたLi、P、及び元素Mの硫化物(中間生成物)は、大気中に晒されずに、所定のガス雰囲気中の炉10内で密閉されたまま反応して、固体電解質部材となる。 In this way, in this manufacturing method, once the starting material A is stored in the furnace 10, the solid electrolyte member is generated without removing the starting material A from the furnace 10. In other words, in this manufacturing method, the sulfides (intermediate products) of Li, P, and element M generated from the starting material A are generated while being kept in the furnace 10, i.e., without being removed from the furnace 10 to the outside. That is, the sulfides (intermediate products) of Li, P, and element M generated from the starting material A react while being sealed in the furnace 10 in a predetermined gas atmosphere without being exposed to the air, to become the solid electrolyte member.

なお、本実施形態では、生成ステップにおいて、温度T1での一段階の加熱しか行わなかったが、複数段階での加熱を行ってもよい。この場合例えば、温度T1で加熱する前に、温度T2で所定時間加熱して、単体硫黄を溶融させる工程を実行してもよい。温度T2で加熱する工程を設けることで、単体硫黄を確実に液化させた状態で、温度T1での焼成を行うことが可能となり、固体電解質部材を適切に生成できる。ここでの温度T2は、温度T1より低く、単体硫黄の融点より高い温度であり、例えば115℃以上150℃以下である。 In this embodiment, only one stage of heating at temperature T1 is performed in the production step, but multiple stages of heating may be performed. In this case, for example, a process of heating at temperature T2 for a predetermined time to melt the elemental sulfur may be performed before heating at temperature T1. By providing a process of heating at temperature T2, it is possible to perform firing at temperature T1 in a state in which the elemental sulfur is reliably liquefied, and the solid electrolyte member can be appropriately produced. Temperature T2 here is lower than temperature T1 and higher than the melting point of elemental sulfur, for example, 115°C or higher and 150°C or lower.

(効果)
ここで、固体電解質部材は、Li、P、及びSなどの組成とは別に、Al、Zr、Ti、Si、及びWなどの不純物が含まれている場合、これらの不純物が反応することで、副生成物が生成される可能性がある。副生成物が形成されると、固体電解質部材の電池特性が劣化するおそれがある。なお、ここでの電池性能とは、上述のように、例えばサイクル寿命である。それに対し、本実施形態に係る固体電解質部材は、Li、P、及びSを含むものであって、ICP発光分光分析法により測定されるLiの含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下である。また、本実施形態に係る固体電解質部材は、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である。また、本実施形態に係る固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である。そのため、本実施形態に係る固体電解質部材は、全体及び粒子径サイズに関わらず、不純物の含有量を少なくして、電池性能の劣化を好適に抑制できる。さらに言えば、表面近傍に存在する不純物ほど、反応しやすいが、本実施形態に係る固体電解質部材は、表面近傍に存在する不純物の比率が高くなる傾向にある粒子径の小さい固体電解質部材に対しても、不純物量も少なくしているため、電池性能の劣化を好適に抑制できる。
(effect)
Here, when the solid electrolyte member contains impurities such as Al, Zr, Ti, Si, and W in addition to the composition of Li, P, and S, these impurities may react to generate by-products. When by-products are formed, the battery characteristics of the solid electrolyte member may deteriorate. Note that the battery performance here is, for example, cycle life, as described above. In contrast, the solid electrolyte member according to the present embodiment contains Li, P, and S, and the content of Li measured by ICP emission spectroscopy is 8.1 mass% or more and 17.9 mass% or less based on the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. In addition, the solid electrolyte member according to the present embodiment has a total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by fluorescent X-ray analysis that is less than 100 ppm based on the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. In addition, when the solid electrolyte member according to the present embodiment is classified into a particle size of less than 5 μm, a particle size of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle size of 100 μm or more, the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W in each classified solid electrolyte member measured by fluorescent X-ray analysis is less than 100 ppm by mass with respect to the total content of elements contained in the solid electrolyte member. Therefore, the solid electrolyte member according to the present embodiment can reduce the content of impurities regardless of the whole and particle size, and can suitably suppress deterioration of battery performance. Furthermore, the more reactive the impurities are near the surface, but the solid electrolyte member according to the present embodiment has a reduced amount of impurities even for a solid electrolyte member with a small particle size in which the ratio of impurities near the surface tends to be high, and therefore can suitably suppress deterioration of battery performance.

また、本実施形態に係る固体電解質部材は、平均結晶子径が、50nm以上であり、かつ、導電率が4mS/cm以上であることが好ましい。本実施形態に係る固体電解質部材は、平均結晶子径が50nm以上であることで、電池性能を適切に向上させることができる。さらにいえば、このように結晶成長が進んだ状態においては、不純物の反応により副生成物が生成されやすいが、本実施形態に係る固体電解質部材は、上記のように不純物の量が少ないため、電池性能を向上させつつ、電池性能の劣化を抑制できる。 In addition, the solid electrolyte member according to this embodiment preferably has an average crystallite diameter of 50 nm or more and a conductivity of 4 mS/cm or more. The solid electrolyte member according to this embodiment can appropriately improve battery performance by having an average crystallite diameter of 50 nm or more. Furthermore, in such a state where crystal growth has progressed, by-products are likely to be generated by reactions of impurities, but the solid electrolyte member according to this embodiment has a small amount of impurities as described above, and therefore can improve battery performance while suppressing deterioration of battery performance.

また、本実施形態に係る固体電解質部材は、LGPS型の結晶構造を有することが好ましい。LGPS型であることで、リチウム電池などに好適に用いることができる。 In addition, the solid electrolyte member according to this embodiment preferably has an LGPS-type crystal structure. Being an LGPS-type, it can be suitably used in lithium batteries, etc.

また、本実施形態に係る固体電解質部材は、空間群P4nmcの結晶構造を持ち、CuKα線を用いたX線回折法で測定した場合、以下の式(12)から式(16)のピークが検出されることが好ましい。また、本実施形態に係る固体電解質部材は、CuKα線を用いたX線回折法で測定した場合、式(15)のピークより高角側に、結晶ピークとして式(17)のピークが検出されないか、又は、式(16)のピークの回折強度をIとし式(17)のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iが0.50未満となるような、式(17)のピークが検出されることが好ましい。すなわち、本実施形態に係る固体電解質部材は、いわゆるLGPS型の、Li(より好ましくはLi10GeP12)であることが好ましい。なお、回折強度とは、X線回折法で測定された波形のピーク高さを指す。 In addition, the solid electrolyte member according to the present embodiment has a crystal structure of space group P4 2 nmc, and when measured by an X-ray diffraction method using CuKα radiation, it is preferable that the peaks of the following formulas (12) to (16) are detected. In addition, when the solid electrolyte member according to the present embodiment is measured by an X-ray diffraction method using CuKα radiation, it is preferable that the peak of formula (17) is not detected as a crystal peak on the high-angle side of the peak of formula (15), or that the peak of formula (17) is detected such that I B /I A is less than 0.50 when the diffraction intensity of the peak of formula (16) is I A and the diffraction intensity of the peak of formula (17) is I B. That is, the solid electrolyte member according to the present embodiment is preferably Li a M b P c S d (more preferably Li 10 GeP 2 S 12 ) of the so-called LGPS type. The diffraction intensity refers to the peak height of the waveform measured by the X-ray diffraction method.

2θ=17.38°±0.50°・・・(12)
2θ=20.18°±0.50°・・・(13)
2θ=20.44°±0.50°・・・(14)
2θ=26.96°±0.50°・・・(15)
2θ=29.58°±0.50°・・・(16)
2θ=27.33°±0.50°・・・(17)
2θ=17.38°±0.50°...(12)
2θ=20.18°±0.50°...(13)
2θ=20.44°±0.50°...(14)
2θ=26.96°±0.50°...(15)
2θ=29.58°±0.50°...(16)
2θ=27.33°±0.50°...(17)

また、本実施形態に係る固体電解質部材の製造方法は、Li、P、及びSを含む出発原料の集合物を準備する準備ステップと、出発原料の集合物を加熱して固体電解質部材を生成する生成ステップとを含むことが好ましい。準備ステップにおいては、生成した出発原料の集合物をX線回折法で測定した場合に、結晶性物質の結晶ピークが検出できるように、出発原料を混合して出発原料の集合物を生成することが好ましい。本製造方法によると、固液反応で固体電解質部材を製造するため、結晶が残る程度の混合で適切に固体電解質部材を製造できる。そのため、本製造方法によると、混合工程を簡略化して、短時間で多くの固体電解質部材を製造することを可能としつつ、メカニカルミリングを不要として、製造工程時の不純物の混入を抑制して、電池性能の劣化を抑制できる。 In addition, the method for producing a solid electrolyte member according to this embodiment preferably includes a preparation step of preparing an assembly of starting materials containing Li, P, and S, and a production step of heating the assembly of starting materials to produce a solid electrolyte member. In the preparation step, it is preferable to mix the starting materials to produce an assembly of starting materials so that a crystal peak of a crystalline substance can be detected when the produced assembly of starting materials is measured by X-ray diffraction. According to this production method, since the solid electrolyte member is produced by a solid-liquid reaction, the solid electrolyte member can be appropriately produced by mixing to the extent that crystals remain. Therefore, according to this production method, the mixing process is simplified, making it possible to produce many solid electrolyte members in a short time, while eliminating the need for mechanical milling, suppressing the inclusion of impurities during the production process, and suppressing deterioration of battery performance.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第1実施形態に係る固体電解質部材は、Li、P、及びSを主成分とし、実質的にはSiを含まないものであるのに対し、第2実施形態に係る固体電解質部材は、Siも含む点で、第1実施形態とは異なる。第2実施形態において第1実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The solid electrolyte member according to the first embodiment is mainly composed of Li, P, and S and does not substantially contain Si, whereas the solid electrolyte member according to the second embodiment is different from the first embodiment in that it also contains Si. Descriptions of the configurations of the second embodiment common to the first embodiment will be omitted.

第2実施形態に係る固体電解質部材は、Li、Si、P、及びSを含むものであり、言い換えれば、元素Mとして、少なくともSiを含む。第2実施形態においては、元素Mとして、Siのみを含んでもよいし、Siに加えて、AlとSiを除いた13族、14族及び15族の少なくとも1種の元素を含んでもよい。さらに言えば、第2実施形態においては、元素Mとして、Siに加えて、Ge及びSnの少なくとも1種を含んでもよい。 The solid electrolyte member according to the second embodiment contains Li, Si, P, and S, in other words, contains at least Si as element M. In the second embodiment, element M may contain only Si, or may contain, in addition to Si, at least one element of Group 13, Group 14, and Group 15 excluding Al and Si. Furthermore, in the second embodiment, element M may contain, in addition to Si, at least one of Ge and Sn.

第2実施形態に係る固体電解質部材は、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm以下であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。すなわち、固体電解質部材は、Al元素の含有量と、Zr元素の含有量と、Ti元素の含有量と、W元素の含有量との合計値が、固体電解質部材に含まれる全ての元素の含有量の合計値に対して、上記数値範囲となることが好ましい。固体電解質部材は、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量がこの範囲となることで、不純物が少なく高純度なものとなり、不純物が反応して生成される副生成物の量を抑制して、電池性能の劣化を適切に抑制できる。なお、Al、Zr、Ti、及びWの含有量は、蛍光X線分析法により測定できる。 In the solid electrolyte member according to the second embodiment, the total content of Al, Zr, Ti, and W is 100 ppm or less, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of the elements contained in the solid electrolyte member, on a mass basis. In other words, the total value of the content of Al, the content of Zr, the content of Ti, and the content of W is preferably within the above numerical range relative to the total content of all elements contained in the solid electrolyte member. By having the total content of Al, Zr, Ti, and W within this range, the solid electrolyte member has a high purity with few impurities, and the amount of by-products generated by the reaction of the impurities is suppressed, thereby appropriately suppressing deterioration of the battery performance. The contents of Al, Zr, Ti, and W can be measured by fluorescent X-ray analysis.

また、第2実施形態に係る固体電解質部材は、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。すなわち、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が5μm未満となるものを第1固体電解質部材とすると、第1固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、第1固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。同様に、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が5μm以上100μm未満となるものを第2固体電解質部材とすると、第2固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、第2固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。また、本実施形態に係る固体電解質部材のうちで、粒子径が100μm以上となるものを第3固体電解質部材とすると、第3固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、第3固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、80ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることが更に好ましい。 In addition, when the solid electrolyte member according to the second embodiment is classified into a particle size of less than 5 μm, a particle size of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle size of 100 μm or more, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis in each classified solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, based on mass. That is, if the solid electrolyte member according to the present embodiment has a particle size of less than 5 μm as the first solid electrolyte member, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the first solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on mass, based on the total content of elements contained in the first solid electrolyte member. Similarly, if the second solid electrolyte member has a particle diameter of 5 μm or more and less than 100 μm, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the second solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on the total content of elements contained in the second solid electrolyte member, based on mass. Also, if the third solid electrolyte member has a particle diameter of 100 μm or more in the solid electrolyte member according to this embodiment, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis in the third solid electrolyte member is less than 100 ppm, preferably 80 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less, based on mass.

以上説明したように、第2実施形態に係る固体電解質部材は、Li、Si、P、及びSを含むものであって、ICP発光分光分析法により測定されるLiの含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下である。また、第2実施形態に係る固体電解質部材は、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である。また、第2実施形態に係る固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である。そのため、第2実施形態に係る固体電解質部材は、全体及び粒子径サイズに関わらず、不純物の含有量を少なくして、電池性能の劣化を好適に抑制できる。 As described above, the solid electrolyte member according to the second embodiment contains Li, Si, P, and S, and the Li content measured by ICP atomic emission spectroscopy is 8.1% by mass or more and 17.9% by mass or less with respect to the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. In addition, the solid electrolyte member according to the second embodiment has a total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis, which is less than 100 ppm by mass with respect to the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. In addition, when the solid electrolyte member according to the second embodiment is classified into a particle diameter of less than 5 μm, a particle diameter of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle diameter of 100 μm or more, in each classified solid electrolyte member, the total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence analysis is less than 100 ppm by mass with respect to the total content of the elements contained in the solid electrolyte member. Therefore, the solid electrolyte member according to the second embodiment can reduce the impurity content, regardless of the overall and particle size, and can effectively suppress deterioration of battery performance.

なお、第2実施形態の固体電解質部材の製造方法は、M原料としてSiを含む原料を用いる点以外は、第1実施形態の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 The manufacturing method for the solid electrolyte member of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, except that a raw material containing Si is used as the M raw material, so a description thereof will be omitted.

(他の例)
以上の説明では、固体電解質部材は、化学式がLiで表されるものであったが、組成はそれに限られない。以下、固体電解質部材の変形例を説明する。なお、以降で説明する変形例は、第1実施形態の固体電解質部材、及び第2実施形態の固体電解質部材の両方に適用可能である。
(Other examples)
In the above description, the solid electrolyte member has a chemical formula of Li a M b P c S d , but the composition is not limited thereto. Modifications of the solid electrolyte member will be described below. The modifications described below are applicable to both the solid electrolyte member of the first embodiment and the solid electrolyte member of the second embodiment.

(第1変形例)
第1変形例で説明するように、固体電解質部材は、化学式がLiHaで表されるものであってもよい。ここで、a、b、c、d、eは、0より大きい数字である。また、元素Haは、ハロゲン元素であり、より好ましくは、F、Cl、Br、及びIの少なくとも1種の元素である。
(First Modification)
As described in the first modified example, the solid electrolyte member may have a chemical formula represented by Li a M b P c S d Ha e , where a, b, c, d, and e are numbers greater than 0. The element Ha is a halogen element, and more preferably at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I.

第1変形例の固体電解質部材は、CuKα線を用いたX線回折法で測定した場合、以下の式(18)から式(19)の位置にピークが検出されることが好ましい。 When the solid electrolyte member of the first modified example is measured by an X-ray diffraction method using CuKα radiation, it is preferable that a peak is detected at the position of the following formula (18) to formula (19).

2θ=26.96°±0.50°・・・(18)
2θ=29.58°±0.50°・・・(19)
2θ=26.96°±0.50°...(18)
2θ=29.58°±0.50°...(19)

また、第1変形例の固体電解質部材は、CuKα線を用いたX線回折法で測定した場合に、式(18)のピークより高角側に、以下の式(20)の位置にピークが検出されてもよいし、されなくてもよい。すなわち、第1変形例では、式(20)の位置にピークが検出される固体電解質部材を製造してもよいし、式(20)の位置にピークが検出されない固体電解質部材を製造してもよい。 In addition, when the solid electrolyte member of the first modified example is measured by an X-ray diffraction method using CuKα radiation, a peak may or may not be detected at the position of the following formula (20) on the higher angle side of the peak of formula (18). That is, in the first modified example, a solid electrolyte member may be manufactured in which a peak is detected at the position of formula (20), or a solid electrolyte member may be manufactured in which a peak is not detected at the position of formula (20).

2θ=27.33°±0.50°・・・(20) 2θ=27.33°±0.50°...(20)

ここで、第1変形例の固体電解質部材の、CuKα線を用いたX線回折測定における式(19)の位置のピークの回折強度をIとし、CuKα線を用いたX線回折測定における式(20)の位置の開設強度をIとした際に、I/Iの値は、0.50未満であることが好ましい。 Here, when the diffraction intensity of the peak at the position of formula (19) in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation of the solid electrolyte member of the first modified example is I A and the diffraction intensity at the position of formula (20) in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation is I B , it is preferable that the value of I B /I A is less than 0.50.

(第2変形例)
第2変形例で説明するように、固体電解質部材は、化学式がLiHaで表されるものである。ここで、a、b、c、d、e、fは、0より大きい数字である。
元素Haは、ハロゲン元素であり、より好ましくは、F、Cl、Br、及びIの少なくとも1種の元素である。
元素Xは、S以外の16族の元素であり、より好ましくは、O、Se、Teの少なくとも1種の元素である。
(Second Modification)
As described in the second modified example, the solid electrolyte member has a chemical formula represented by LiaMbPcXdSeHaf , where a, b , c , d, e , and f are numbers greater than 0.
The element Ha is a halogen element, and more preferably at least one of F, Cl, Br, and I.
The element X is a Group 16 element other than S, and more preferably at least one element selected from the group consisting of O, Se, and Te.

第2変形例の固体電解質部材は、第1変形例の固体電解質部材と同様に、式(14)の位置にピークが検出されることが好ましい。また、第2変形例で製造される固体電解質部材は、第1変形例の固体電解質部材と同様に、式(19)の位置にピークが検出されてもよいし、されなくてもよい第2変形例の固体電解質部材は、第2実施形態の固体電解質部材と同様に、I/Iの値が、0.50未満であることが好ましい。 In the solid electrolyte member of the second modification, a peak is preferably detected at the position of formula (14) as in the solid electrolyte member of the first modification. In addition, in the solid electrolyte member manufactured in the second modification, a peak may or may not be detected at the position of formula (19) as in the solid electrolyte member of the first modification. In the solid electrolyte member of the second modification, a value of I B /I A is preferably less than 0.50 as in the solid electrolyte member of the second embodiment.

なお、第2変形例においては、本実施形態の固体電解質部材に対して、元素Haと元素Xが導入されたものであったが、元素Haが導入されずに元素Xが導入されるものであってもよい。すなわち、固体電解質部材は、Liで表されるものであってもよい。この場合、a、b、c、d、eは、0より大きい数字である。 In the second modification, the element Ha and the element X are introduced into the solid electrolyte member of the present embodiment, but the element X may be introduced without the element Ha being introduced. That is, the solid electrolyte member may be expressed as Li a M b P c X d S e . In this case, a, b, c, d, and e are numbers greater than 0.

(第3変形例)
第3変形例の固体電解質部材は、Argyrodite型結晶構造の結晶相を有する。第3変形例の固体電解質部材は、化学式がLiHaで表されるものである。ここで、a、b、c、dは、0より大きい数字である。
元素Haは、ハロゲン元素であり、より好ましくは、F、Cl、Br、及びIの少なくとも1種の元素である。
(Third Modification)
The solid electrolyte member of the third modification has a crystal phase of an Argyrodite crystal structure. The solid electrolyte member of the third modification has a chemical formula represented by Li a P b S c Ha d , where a, b, c, and d are numbers greater than 0.
The element Ha is a halogen element, and more preferably at least one of F, Cl, Br, and I.

(第4変形例)
第4変形例の固体電解質部材は、Argyrodite型結晶構造の結晶相を有する。第4変形例の固体電解質部材は、化学式がLiHaで表されるものである。ここで、a、b、c、d、eは、0より大きい数字である。
元素Haは、ハロゲン元素であり、より好ましくは、F、Cl、Br、及びIの少なくとも1種の元素である。
元素Xは、S以外の16族の元素であり、より好ましくは、O、Se、Teの少なくとも1種の元素である。
(Fourth Modification)
The solid electrolyte member of the fourth modification has a crystal phase of an Argyrodite crystal structure. The solid electrolyte member of the fourth modification has a chemical formula represented by Li a P b X c S d Ha e , where a, b, c, d, and e are numbers greater than 0.
The element Ha is a halogen element, and more preferably at least one of F, Cl, Br, and I.
The element X is a Group 16 element other than S, and more preferably at least one element selected from the group consisting of O, Se, and Te.

(第5変形例)
第5変形例の固体電解質部材は、化学式がLiで表されるものである。ここで、a、b、cは、0より大きい数字である。
(Fifth Modification)
The solid electrolyte member of the fifth modification has a chemical formula represented by Li a M b Sc , where a, b, and c are numbers greater than 0.

第5変形例においては、本実施形態の固体電解質部材に対して、Pを除いたものであったが、それに対して元素Xが導入されるものであってもよい。すなわち、固体電解質部材は、Liで表されるものであってもよい。この場合、a、b、c、dは、0より大きい数字であり、元素Xは、S以外の16族の元素であり、より好ましくは、O、Se、Teの少なくとも1種の元素である。 In the fifth modification, P is removed from the solid electrolyte member of the present embodiment, but an element X may be introduced therein. That is, the solid electrolyte member may be expressed as Li a M b X c S d . In this case, a, b, c, and d are numbers greater than 0, and the element X is an element of Group 16 other than S, and more preferably at least one element selected from O, Se, and Te.

(実施例)
次に、実施例について説明する。表1は、各例の原料の配合量を示している。
(Example)
Next, examples will be described. Table 1 shows the amounts of raw materials used in each example.

(実施例1)
実施例1においては、出発原料に単体硫黄、Li原料として硫化リチウムを用い、P原料として単体リン、M原料として金属スズを用いた。アルゴン雰囲気で露点が-70℃以下のグローブボックス内で、単体硫黄と硫化リチウムと、単体リンと、金属スズと、を、所望の組成となるように秤量し、色が均一となる程度にSUS製乳鉢で5分混合してペレット状に成形した。ここでは、単体硫黄を0.71g、硫化リチウムを0.72g、単体リンを0.20g、金属スズを0.37g、混合した。そして、カーボン製焼成容器に入れたペレットを炉内に設置し、アルゴン雰囲気で炉内を560℃で加熱して保持した。ここでの保持時間は、6時間とした。その後、1℃/minで冷却して、固体電解質部材を得た。
Example 1
In Example 1, elemental sulfur was used as the starting material, lithium sulfide was used as the Li raw material, elemental phosphorus was used as the P raw material, and metal tin was used as the M raw material. In a glove box with an argon atmosphere and a dew point of -70°C or less, elemental sulfur, lithium sulfide, elemental phosphorus, and metal tin were weighed to obtain a desired composition, and mixed in a SUS mortar for 5 minutes to a degree that the color was uniform, and formed into a pellet shape. Here, 0.71 g of elemental sulfur, 0.72 g of lithium sulfide, 0.20 g of elemental phosphorus, and 0.37 g of metal tin were mixed. Then, the pellets placed in a carbon sintering container were placed in a furnace, and the inside of the furnace was heated and held at 560°C in an argon atmosphere. The holding time here was 6 hours. After that, the solid electrolyte member was obtained by cooling at 1°C/min.

(実施例2)
実施例2においては、出発原料に単体硫黄、Li原料として硫化リチウムを用い、P原料として単体リン、M原料として金属ケイ素を用いた。アルゴン雰囲気で露点が-70℃以下のグローブボックス内で、単体硫黄と硫化リチウムと、単体リンと、金属スズと、を、所望の組成となるように秤量し、色が均一となる程度にSUS製乳鉢で5分混合してペレット状に成形した。ここでは、単体硫黄を0.83g、硫化リチウムを0.84g、単体リンを0.23g、金属ケイ素を0.10g、混合した。そして、カーボン製焼成容器に入れたペレットを炉内に設置し、アルゴン雰囲気で炉内を560℃で加熱して保持した。ここでの保持時間は、6時間とした。その後、1℃/minで冷却して、固体電解質部材を得た。
Example 2
In Example 2, elemental sulfur was used as the starting material, lithium sulfide was used as the Li raw material, elemental phosphorus was used as the P raw material, and metal silicon was used as the M raw material. In a glove box with an argon atmosphere and a dew point of -70°C or less, elemental sulfur, lithium sulfide, elemental phosphorus, and metal tin were weighed to obtain a desired composition, mixed in a SUS mortar for 5 minutes to a degree that the color was uniform, and formed into a pellet shape. Here, 0.83 g of elemental sulfur, 0.84 g of lithium sulfide, 0.23 g of elemental phosphorus, and 0.10 g of metal silicon were mixed. Then, the pellets placed in a carbon sintering container were placed in a furnace, and the inside of the furnace was heated and held at 560°C in an argon atmosphere. The holding time here was 6 hours. After that, the mixture was cooled at 1°C/min to obtain a solid electrolyte member.

(実施例3)
実施例3においては、出発原料に単体硫黄、Li原料として硫化リチウムと塩化リチウムを用い、P原料として単体リン、を用いた。アルゴン雰囲気で露点が-70℃以下のグローブボックス内で、単体硫黄と硫化リチウムと、塩化リチウムと、単体リンと、を、所望の組成となるように秤量し、色が均一となる程度にSUS製乳鉢で5分混合してペレット状に成形した。ここでは、単体硫黄を0.60g、硫化リチウムを0.92g、塩化リチウムを0.28g、単体リンを0.23g、混合した。そして、カーボン製焼成容器に入れたペレットを炉内に設置し、アルゴン雰囲気で炉内を500℃で加熱して保持した。ここでの保持時間は、6時間とした。その後、1℃/minで冷却して、固体電解質部材を得た。
Example 3
In Example 3, elemental sulfur was used as the starting material, lithium sulfide and lithium chloride were used as the Li raw material, and elemental phosphorus was used as the P raw material. In an argon atmosphere, in a glove box with a dew point of -70°C or less, elemental sulfur, lithium sulfide, lithium chloride, and elemental phosphorus were weighed to obtain a desired composition, mixed in a SUS mortar for 5 minutes to a degree that the color was uniform, and formed into a pellet shape. Here, 0.60 g of elemental sulfur, 0.92 g of lithium sulfide, 0.28 g of lithium chloride, and 0.23 g of elemental phosphorus were mixed. Then, the pellets placed in a carbon sintering container were placed in a furnace, and the inside of the furnace was heated and held at 500°C in an argon atmosphere. The holding time here was 6 hours. After that, the mixture was cooled at 1°C/min to obtain a solid electrolyte member.

(比較例1)
比較例1においては、出発原料にLi原料として硫化リチウムを用い、P原料として硫化リンを用い、M原料として硫化スズを用いた。ここでは、硫化リチウムを0.72g、硫化リンを0.70g、硫化スズを0.58g、混合した。また、混合条件は、10mmφの炭化タングステン製メディアを使用したボールミルを使用し、360rpmの条件で24時間混合した後、ペレット状に成形した。そして、アルミナ製焼成容器に入れたペレットを炉内に設置し、アルゴン雰囲気で炉内を560℃で加熱して保持した。ここでの保持時間は、6時間とした。その後、1℃/minで冷却して、固体電解質部材を得た。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, lithium sulfide was used as the Li raw material, phosphorus sulfide was used as the P raw material, and tin sulfide was used as the M raw material. Here, 0.72 g of lithium sulfide, 0.70 g of phosphorus sulfide, and 0.58 g of tin sulfide were mixed. In addition, a ball mill using tungsten carbide media of 10 mmφ was used as the mixing condition, and the mixture was mixed for 24 hours at 360 rpm, and then formed into pellets. Then, the pellets placed in an alumina firing container were placed in a furnace, and the inside of the furnace was heated and held at 560 ° C. in an argon atmosphere. The holding time here was 6 hours. After that, the mixture was cooled at 1 ° C./min to obtain a solid electrolyte member.

(Liの含有量の測定)
各例について、ICP発光分光分析法を用いて、Liの含有量を測定した。前処理として、王水フッ酸を用いて密閉加圧分解した溶液に、硫酸を用いて白煙処理を施し、塩酸及び水を加えた溶液を測定液とした。装置は、SIIナノテクノロジー製誘導結合プラズマ発光分析装置SPS3100を用いた。
(Measurement of Li Content)
The Li content was measured for each example using ICP emission spectrometry. As a pretreatment, a solution was decomposed under pressure using aqua regia hydrofluoric acid, and then treated with sulfuric acid to produce white smoke. Hydrochloric acid and water were added to the solution to obtain a measurement solution. The device used was an inductively coupled plasma emission spectrometer SPS3100 manufactured by SII Nanotechnology.

(Li以外の元素の含有量の測定)
各例について、蛍光X線分析法を用いて、Li以外の元素の含有量を測定した。測定条件は以下とした。
・測定装置:M4 TORNADO (Bruker社製)
・励起X線:ポリキャピラリーX線光学系Rh管
・出力:50kV、200μA
・X線径:20μm
(Measurement of Content of Elements Other Than Li)
For each example, the contents of elements other than Li were measured by fluorescent X-ray analysis under the following measurement conditions.
Measurement device: M4 TORNADO (manufactured by Bruker)
Excitation X-ray: Polycapillary X-ray optical system Rh tube Output: 50 kV, 200 μA
・X-ray diameter: 20 μm

また、各例について、粒子径が5μm未満となる第1固体電解質部材と、粒子径が5μm以上100μm未満となる第2固体電解質部材と、粒子径が100μm以上となる第3固体電解質部材とに分級して、第1固体電解質部材、第2固体電解質部材、及び第3固体電解質部材のそれぞれについて、蛍光X線分析法を用いて、上記条件でLi以外の元素の含有量を測定した。 In addition, each example was classified into a first solid electrolyte member having a particle diameter of less than 5 μm, a second solid electrolyte member having a particle diameter of 5 μm or more and less than 100 μm, and a third solid electrolyte member having a particle diameter of 100 μm or more, and the content of elements other than Li was measured under the above conditions for each of the first solid electrolyte member, the second solid electrolyte member, and the third solid electrolyte member using fluorescent X-ray analysis.

(各元素の含有量の測定結果)
表2に、各元素の含有量の測定結果を示す。
(Measurement results of the content of each element)
Table 2 shows the measurement results of the content of each element.

表2において、ICP結果とは、ICP発光分光分析法を用いて測定された、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対する、Liの含有量(質量%)である。また、XRF結果とは、蛍光X線分析法を用いて測定された、固体電解質部材に含まれる全ての元素のうちでLiを除いた元素の合計含有量に対する、対象となる元素の含有量(質量%)である。また、質量比とは、Liについては、ICP発光分光分析法を用いて測定された、固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対する、Liの含有量(質量%)であり、Li以外の元素については、上述の実施形態の式(1)を用いて算出された値である。 In Table 2, the ICP result is the Li content (mass%) relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member, measured using ICP atomic emission spectroscopy. The XRF result is the content (mass%) of the target element relative to the total content of all elements contained in the solid electrolyte member, excluding Li, measured using X-ray fluorescence spectroscopy. The mass ratio is the Li content (mass%) relative to the total content of elements contained in the solid electrolyte member, measured using ICP atomic emission spectroscopy, for Li, and is the value calculated using formula (1) in the above embodiment for elements other than Li.

表2に示すように、実施例1においては、分級しない固体電解質部材(固体電解質部材全体)において、Alの含有量が40ppm、Siの含有量が19ppmであり、Zr、Ti、Wについては検出されなかったため、Al、Zr、Ti、Si及びWの合計含有量は、100ppm未満であった。
同様に、実施例2においては、分級しない固体電解質部材(固体電解質部材全体)において、Alの含有量が44ppmであり、Zr、Ti、Wについては検出されなかったため、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量は、100ppm未満であった。
同様に、実施例3においては、分級しない固体電解質部材(固体電解質部材全体)において、Alの含有量が52ppm、Siの含有量が25ppmであり、Zr、Ti、Wについては検出されなかったため、Al、Zr、Ti、Si及びWの合計含有量は、100ppm未満であった。
一方、比較例1においては、分級しない固体電解質部材(固体電解質部材全体)において、Alの含有量が978ppm、Siの含有量が459ppm、Wの含有量が214ppmであり、Zr、Tiについては検出されなかったため、Al、Zr、Ti、Si及びWの合計含有量は、100ppm未満の範囲外となった。
As shown in Table 2, in Example 1, in the unclassified solid electrolyte member (the entire solid electrolyte member), the Al content was 40 ppm, the Si content was 19 ppm, and Zr, Ti, and W were not detected, so the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W was less than 100 ppm.
Similarly, in Example 2, in the unclassified solid electrolyte member (the entire solid electrolyte member), the Al content was 44 ppm, and Zr, Ti, and W were not detected, so the total content of Al, Zr, Ti, and W was less than 100 ppm.
Similarly, in Example 3, in the unclassified solid electrolyte member (the entire solid electrolyte member), the Al content was 52 ppm, the Si content was 25 ppm, and Zr, Ti, and W were not detected, so the total content of Al, Zr, Ti, Si, and W was less than 100 ppm.
On the other hand, in Comparative Example 1, in the unclassified solid electrolyte member (the entire solid electrolyte member), the Al content was 978 ppm, the Si content was 459 ppm, and the W content was 214 ppm, and Zr and Ti were not detected, so that the total content of Al, Zr, Ti, Si and W was outside the range of less than 100 ppm.

また、表2に示すように、実施例1においては、分級した第1固体電解質部材、第2固体電解質部材、及び第3固体電解質部材のそれぞれについて、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、100ppm未満となり、比較例1では、分級した第1固体電解質部材、第2固体電解質部材、及び第3固体電解質部材のそれぞれについて、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、100ppm未満の範囲外となった。 Also, as shown in Table 2, in Example 1, the total content of Al, Zr, Ti, and W for each of the classified first solid electrolyte member, second solid electrolyte member, and third solid electrolyte member was less than 100 ppm, and in Comparative Example 1, the total content of Al, Zr, Ti, and W for each of the classified first solid electrolyte member, second solid electrolyte member, and third solid electrolyte member was outside the range of less than 100 ppm.

(平均結晶子径)
また、各例の固体電解質部材について、本実施形態で説明した方法を用いて、平均結晶子径(nm)を測定した。測定結果は表2に示す。
(Average crystallite size)
The average crystallite diameter (nm) of each solid electrolyte member was measured using the method described in this embodiment. The measurement results are shown in Table 2.

(導電率)
また、各例の固体電解質部材について、アルゴン雰囲気中のグローブボックス内においてメノウ乳鉢で粉砕し、SUS製の導電率測定用セルを使用して、Biologic社製ポテンショ/ガルバノスタットSP-300で交流インピーダンス測定を実施して、導電率を測定した。測定条件は、25℃で、1Hz~1MHzの測定範囲とした。それぞれの導電率の測定結果を表2に示す。
(conductivity)
Furthermore, the solid electrolyte member of each example was pulverized in an agate mortar in a glove box in an argon atmosphere, and an AC impedance measurement was carried out with a Biologic Corp. potentio/galvanostat SP-300 using a SUS conductivity measurement cell to measure the conductivity. The measurement conditions were 25° C. and a measurement range of 1 Hz to 1 MHz. The measurement results of each conductivity are shown in Table 2.

(結晶構造)
また、各例の固体電解質部材について、CuKα線を用いてX線回折スペクトルを測定し、結晶構造を確認した。図3は、各例のXRDスペクトルを示すグラフである。表3は2θ=15°~55°で確認された結晶ピークの回折角と相対強度、及び推定される結晶構造の空間群である。結晶ピークは閾値以上の強度を持つピークとし、ここでの閾値は、例えば測定結果の最大ピーク強度を1とした場合の相対強度0.05である。
表3は、実施例1、実施例2がLGPS構造をとることを示す。なお、表3におけるLGPS構造とは、空間群P4nmcの結晶構造を持ち、CuKα線を用いたX線回折測定で測定すると、結晶ピークとして以下の式(A)から式(E)のピークが検出され、式(E)のピークの回折強度をIとし式(F)のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iが0.50未満となる構造を意味する。
2θ=17.38°±0.50°・・・(A)
2θ=20.18°±0.50°・・・(B)
2θ=20.44°±0.50°・・・(C)
2θ=26.96°±0.50°・・・(D)
2θ=29.58°±0.50°・・・(E)
2θ=27.33°±0.50°・・・(F)
また表3は、実施例3がArgyrodite型の結晶構造をとることを示す。
(Crystal Structure)
In addition, the X-ray diffraction spectrum of each solid electrolyte member was measured using CuKα radiation to confirm the crystal structure. FIG. 3 is a graph showing the XRD spectrum of each example. Table 3 shows the diffraction angle and relative intensity of the crystal peak confirmed at 2θ=15° to 55°, and the space group of the estimated crystal structure. The crystal peak is a peak having an intensity equal to or greater than a threshold value, and the threshold value here is, for example, a relative intensity of 0.05 when the maximum peak intensity of the measurement result is 1.
Table 3 shows that Examples 1 and 2 have an LGPS structure. The LGPS structure in Table 3 means a structure having a crystal structure of space group P4 2 nmc, in which, when measured by X-ray diffraction measurement using CuKα radiation, peaks of the following formulas (A) to (E) are detected as crystal peaks, and when the diffraction intensity of the peak of formula (E) is I A and the diffraction intensity of the peak of formula (F) is I B , I B /I A is less than 0.50.
2θ=17.38°±0.50°...(A)
2θ=20.18°±0.50°...(B)
2θ=20.44°±0.50°...(C)
2θ=26.96°±0.50°...(D)
2θ=29.58°±0.50°...(E)
2θ=27.33°±0.50°...(F)
Table 3 also shows that Example 3 has an Argyrodite type crystal structure.

(評価)
図4は、サイクル寿命の測定結果を示すグラフである。以上のようにして得られた固体電解質部材を、成形圧600MPaで直径10mmのペレットに成型した固体電解質部材をセパレータとし、カソードとしてニオブ酸リチウムコーティングしたコバルト酸リチウムを用い、アノードとしてリチウム-インジウム合金を用いて、挟み込んだ全固体リチウム電池を準備した。
また、準備した全固体リチウム電池に対して、1/10C(=15mA/g)の電流で定電流試験を行った。初回の放電電流容量を100%としたときの100サイクルまでの結果を、図4に示す。図4に示すように、実施例1、実施例2及び実施例3では、比較例1に比べて、充放電サイクルを経過したときの劣化を抑制でき、電池性能の劣化を好適に抑制できることが分かる。これはAl、Zr、Ti、Si及びWなどの不純物量が少ないため、不純物に由来する副生成物の生成量が抑制され、電池性能の劣化が抑制されたためと考えられる。実施例2ではSiが含まれるが、この場合のSiは固体電解質結晶を構成しているため副生物を生成せず電池性能を劣化には関与しなかったと考えられる。
(evaluation)
The solid electrolyte member obtained as described above was molded into a pellet having a diameter of 10 mm at a molding pressure of 600 MPa, and the pellet was used as a separator. A lithium cobalt oxide coated with lithium niobate was used as a cathode, and a lithium-indium alloy was used as an anode to prepare an all-solid-state lithium battery.
In addition, a constant current test was performed on the prepared all-solid-state lithium battery at a current of 1/10C (=15mA/g). The results up to 100 cycles when the initial discharge current capacity was 100% are shown in FIG. 4. As shown in FIG. 4, in Example 1, Example 2, and Example 3, it is possible to suppress the deterioration after the charge/discharge cycle compared to Comparative Example 1, and it is possible to suitably suppress the deterioration of the battery performance. This is because the amount of impurities such as Al, Zr, Ti, Si, and W is small, so the amount of by-products derived from the impurities is suppressed, and the deterioration of the battery performance is suppressed. Although Si is included in Example 2, in this case, since Si constitutes the solid electrolyte crystal, it is considered that it does not generate by-products and does not contribute to the deterioration of the battery performance.

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment is not limited to the contents of this embodiment. The above-mentioned components include those that a person skilled in the art can easily imagine, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the above-mentioned components can be combined as appropriate. Furthermore, various omissions, substitutions, or modifications of the components can be made without departing from the spirit of the above-mentioned embodiment.

A 出発原料 A starting material

Claims (6)

Li、P、及びSを含む固体電解質部材であって、ICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy:ICP-AES)により測定されるLiの含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下であり、蛍光X線分析法(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、前記固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、Si、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である、
固体電解質部材。
A solid electrolyte member containing Li, P, and S, wherein the Li content measured by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) is 8.1 mass% or more and 17.9 mass% or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and the Li content measured by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) is 8.1 mass% or more and 17.9 mass% or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member. a total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass with respect to a total content of elements contained in the solid electrolyte member, and when the solid electrolyte member is classified into a particle size of less than 5 μm, a particle size of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle size of 100 μm or more, a total content of Al, Zr, Ti, Si, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass with respect to a total content of elements contained in the solid electrolyte member.
Solid electrolyte material.
Li、Si、P、及びSを含む固体電解質部材であって、ICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy:ICP-AES)により測定されるLiの含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、8.1質量%以上17.9質量%以下であり、蛍光X線分析法(XRF:X-ray fluorescence spectroscopy)により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満であり、前記固体電解質部材を、粒子径が5μm未満、粒子径が5μm以上100μm未満、及び粒子径が100μm以上に分級した場合に、分級したそれぞれの固体電解質部材において、蛍光X線分析法により測定される、Al、Zr、Ti、及びWの合計含有量が、前記固体電解質部材に含まれる元素の合計含有量に対し、質量基準で、100ppm未満である、
固体電解質部材。
A solid electrolyte member containing Li, Si, P, and S, wherein the Li content measured by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) is 8.1 mass% or more and 17.9 mass% or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member, and the Li content measured by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) is 8.1 mass% or more and 17.9 mass% or less based on the total content of elements contained in the solid electrolyte member. a total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass with respect to a total content of elements contained in the solid electrolyte member, and when the solid electrolyte member is classified into a particle size of less than 5 μm, a particle size of 5 μm or more and less than 100 μm, and a particle size of 100 μm or more, a total content of Al, Zr, Ti, and W measured by X-ray fluorescence spectroscopy is less than 100 ppm by mass with respect to a total content of elements contained in the solid electrolyte member.
Solid electrolyte material.
平均結晶子径が、50nm以上であり、かつ、導電率が4mS/cm以上である、請求項1又は請求項2に記載の固体電解質部材。 The solid electrolyte member according to claim 1 or 2, having an average crystallite size of 50 nm or more and an electrical conductivity of 4 mS/cm or more. 空間群P4nmcの結晶構造を持ち、CuKα線を用いたX線回折測定で測定すると、結晶ピークとして以下の式(A)から式(E)のピークが検出され、式(D)のピークより高角側に、結晶ピークとして式(F)のピークが検出されないか、又は、式(E)のピークの回折強度をIとし式(F)のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iが0.50未満となるような、式(F)のピークが検出される、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の固体電解質部材。
2θ=17.38°±0.50°・・・(A)
2θ=20.18°±0.50°・・・(B)
2θ=20.44°±0.50°・・・(C)
2θ=26.96°±0.50°・・・(D)
2θ=29.58°±0.50°・・・(E)
2θ=27.33°±0.50°・・・(F)
4. The solid electrolyte member according to claim 1, wherein the solid electrolyte member has a crystal structure of space group P42nmc , and when measured by X-ray diffraction measurement using CuKα radiation, peaks of the following formulas (A) to (E) are detected as crystal peaks, and a peak of formula (F) is not detected as a crystal peak on the higher angle side than the peak of formula (D ) , or a peak of formula (F) is detected such that IB / IA is less than 0.50, where IA is the diffraction intensity of the peak of formula (E) and IB is the diffraction intensity of the peak of formula (F).
2θ=17.38°±0.50°...(A)
2θ=20.18°±0.50°...(B)
2θ=20.44°±0.50°...(C)
2θ=26.96°±0.50°...(D)
2θ=29.58°±0.50°...(E)
2θ=27.33°±0.50°...(F)
Argyrodite型の結晶構造を有する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の固体電解質部材。 A solid electrolyte member according to any one of claims 1 to 3, having an Argyrodite-type crystal structure. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の固体電解質部材の製造方法であって、 Li、P、及び単体の硫黄を含む出発原料の集合物を準備する準備ステップと、前記出発原料の集合物を加熱して前記固体電解質部材を生成する生成ステップと、を含み、前記準備ステップにおいては、生成した前記出発原料の集合物をX線回折法で測定した場合に、結晶性物質の結晶ピークが検出できるように、前記出発原料を混合して前記出発原料の集合物を生成する、
固体電解質部材の製造方法。
6. A method for producing a solid electrolyte member according to claim 1, comprising: a preparation step of preparing an assembly of starting materials containing Li, P, and elemental sulfur; and a production step of heating the assembly of starting materials to produce the solid electrolyte member, wherein in the preparation step, the starting materials are mixed to produce the assembly of starting materials such that a crystal peak of a crystalline substance can be detected when the produced assembly of starting materials is measured by an X-ray diffraction method.
A method for producing a solid electrolyte member.
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