JP7729752B2 - Sulfide-based inorganic solid electrolyte materials, solid electrolyte membranes, and all-solid-state lithium-ion batteries - Google Patents
Sulfide-based inorganic solid electrolyte materials, solid electrolyte membranes, and all-solid-state lithium-ion batteriesInfo
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Description
本発明は、硫化物系無機固体電解質材料、固体電解質膜および全固体型リチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a sulfide-based inorganic solid electrolyte material, a solid electrolyte membrane, and an all-solid-state lithium-ion battery.
リチウムイオン電池は、一般的に、携帯電話やノートパソコン等の小型携帯機器の電源として使用されている。また、最近では小型携帯機器以外に、電気自動車や電力貯蔵等の電源としてもリチウムイオン電池は使用され始めている。 Lithium-ion batteries are commonly used as power sources for small portable devices such as mobile phones and laptops. Recently, lithium-ion batteries have also begun to be used as power sources for electric vehicles and power storage, in addition to small portable devices.
現在市販されているリチウムイオン電池には、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されている。一方、電解液を固体電解質に替えて、電池を全固体化したリチウムイオン電池(以下、全固体型リチウムイオン電池とも呼ぶ。)は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。 Currently commercially available lithium-ion batteries use electrolytes containing flammable organic solvents. In contrast, lithium-ion batteries, which replace the electrolyte with a solid electrolyte and make the battery all-solid-state (hereafter referred to as all-solid-state lithium-ion batteries), do not use flammable organic solvents within the battery, which allows for simplified safety devices and is thought to offer superior manufacturing costs and productivity.
近年、このようなリチウムイオン電池の固体電解質材料として、硫化物固体電解質材料を主に含む固体電解質膜が用いられることがある。硫化物系無機固体電解質材料は、例えば原料として硫化リチウム(Li2S)および五硫化リン(P2S5)が主成分として用いられる。 In recent years, solid electrolyte membranes containing primarily sulfide solid electrolyte materials have been used as solid electrolyte materials for such lithium-ion batteries. The sulfide-based inorganic solid electrolyte materials are primarily composed of, for example, lithium sulfide ( Li2S ) and phosphorus pentasulfide ( P2S5 ).
特許文献1(特開2016-27545号公報)には、CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=29.86°±1.00°の位置にピークを有し、Li2y+3PS4(0.1≦y≦0.175)の組成を有することを特徴とする硫化物系固体電解質材料が記載されている。 Patent Document 1 (JP 2016-27545 A) describes a sulfide-based solid electrolyte material characterized by having a peak at 2θ=29.86°±1.00° in X-ray diffraction measurement using CuKα rays and having a composition of Li 2y+3 PS 4 (0.1≦y≦0.175).
しかし、従来の技術では、得られる硫化物系無機固体電解質材料について、製造バッチごとにリチウムイオン伝導性にバラつきがあることが分かった。 However, it was found that the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained using conventional technology varies from production batch to production batch.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ハンドリング性およびリチウムイオン伝導性を維持しつつも、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきが少ない硫化物系無機固体電解質材料、固体電解質膜および全固体型リチウムイオン電池を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a sulfide-based inorganic solid electrolyte material, a solid electrolyte membrane, and an all-solid-state lithium-ion battery that maintain ease of handling and lithium ion conductivity while minimizing variation in lithium ion conductivity between production batches.
本発明者らは、かかる課題を解決するために鋭意検討した。その結果、平滑な金属板に硫化物系無機固体電解質材料をふるいかけた際に、硫化物系無機固体電解質材料が金属板に付着し辛くすることにより、ハンドリング性およびリチウムイオン伝導性を維持しつつも、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきを減らし、高いリチウムイオン伝導性を有する硫化物系無機固体電解質材料を安定的に得られることが可能であることを見出し、本発明に至った。 The inventors conducted extensive research to solve this problem. As a result, they discovered that by sifting a sulfide-based inorganic solid electrolyte material onto a smooth metal plate, it is possible to reduce the variation in lithium ion conductivity between production batches while maintaining handleability and lithium ion conductivity, and to consistently obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material with high lithium ion conductivity, leading to the present invention.
すなわち、本発明によれば、
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定された体積基準の累積度数分布曲線において累積度数が50%であるときの粒子径d50が0.1μm以上100μm以下の硫化物系無機固体電解質材料であって、
以下(方法)に従って測定した付着面積が10%以下である、
硫化物系無機固体電解質材料が提供される。
(方法)
(1)JIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaが0.017μm以上0.023μm以下、最大高さRzが0.14μm以上0.18μm以下、十点平均粗さRzjisが0.12μm以上0.16μm以下であり、縦8cm×横9cmのSUS304プレートを、縦辺を水平面との接線として水平面に対する傾斜が45°となるように設置する。
(2)目開き250μmの篩を用いて、上記SUS304プレート上に硫化物系無機固体電解質材料10gを上記水平面から10cmの高さから、上記SUS304プレート全体に上記硫化物系無機固体電解質材料がかかるようにふるい落とす。
(3)上記SUS304プレートの上端から5cmの高さから、47gのジルコニアボール1個を上記SUS304プレートの上端のみに当たり、上記SUS304プレートの硫化物系無機固体電解質材料が付着した面には当たらないように3回落とす。
(4)衝撃が加わった後の上記SUS304プレートの上記硫化物系無機固体電解質材料が付着した面の面積を測定し、上記SUS304プレートの片面の面積に対する割合(付着面積)を算出する。
That is, according to the present invention,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a particle diameter d50 of 0.1 μm or more and 100 μm or less when a cumulative frequency is 50% in a volume-based cumulative frequency distribution curve measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device,
The adhesion area measured according to the following method is 10% or less.
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material is provided.
(method)
(1) An SUS304 plate having an arithmetic mean roughness Ra of 0.017 μm or more and 0.023 μm or less, a maximum height Rz of 0.14 μm or more and 0.18 μm or less, and a ten-point mean roughness Rzjis of 0.12 μm or more and 0.16 μm or less, measured in accordance with JIS B 0601 (2013), and measuring 8 cm in length and 9 cm in width, is placed so that the vertical side is tangent to the horizontal plane and is inclined at an angle of 45° to the horizontal plane.
(2) Using a sieve with 250 μm openings, 10 g of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is sieved onto the SUS304 plate from a height of 10 cm from the horizontal surface so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material covers the entire SUS304 plate.
(3) A 47 g zirconia ball is dropped three times from a height of 5 cm from the upper end of the SUS304 plate so as to hit only the upper end of the SUS304 plate and not the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached.
(4) After the impact, the area of the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached is measured, and the ratio (attached area) to the area of one side of the SUS304 plate is calculated.
また、本発明によれば、
上記硫化物系無機固体電解質材料を主成分として含む固体電解質膜が提供される。
Further, according to the present invention,
There is provided a solid electrolyte membrane containing the above sulfide-based inorganic solid electrolyte material as a main component.
また、本発明によれば、
正極活物質層を含む正極と、電解質層と、負極活物質層を含む負極とを備えた全固体型リチウムイオン電池であって、
上記正極活物質層、上記電解質層および上記負極活物質層のうち少なくとも一つが、上記硫化物系無機固体電解質材料を含む全固体型リチウムイオン電池が提供される。
Further, according to the present invention,
An all-solid-state lithium ion battery including a positive electrode including a positive electrode active material layer, an electrolyte layer, and a negative electrode including a negative electrode active material layer,
There is provided an all-solid-state lithium ion battery in which at least one of the positive electrode active material layer, the electrolyte layer, and the negative electrode active material layer contains the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
本発明によれば、ハンドリング性およびリチウムイオン伝導性を維持しつつも、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきが少ない硫化物系無機固体電解質材料、固体電解質膜および全固体型リチウムイオン電池を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide a sulfide-based inorganic solid electrolyte material, a solid electrolyte membrane, and an all-solid-state lithium-ion battery that maintain ease of handling and lithium-ion conductivity while exhibiting little variation in lithium-ion conductivity between production batches.
以下に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図は概略図であり、実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。なお、本実施形態では特に断りがなければ、正極材料により形成された層を正極活物質層と呼び、集電体上に正極活物質層を形成させたものを正極と呼ぶ。また、負極材料により形成された層を負極活物質層と呼び、集電体上に負極活物質層を形成させたものを負極と呼ぶ。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The drawings are schematic and do not necessarily correspond to the actual dimensional proportions. In this embodiment, unless otherwise specified, a layer formed from a positive electrode material will be referred to as a positive electrode active material layer, and a positive electrode active material layer formed on a current collector will be referred to as a positive electrode. Furthermore, a layer formed from a negative electrode material will be referred to as a negative electrode active material layer, and a negative electrode active material layer formed on a current collector will be referred to as a negative electrode.
[硫化物系無機固体電解質材料]
はじめに、本実施形態の硫化物系無機固体電解質材料について説明する。
本実施形態の硫化物系無機固体電解質材料は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定された体積基準の累積度数分布曲線において累積度数が50%であるときの粒子径d50が0.1μm以上100μm以下の硫化物系無機固体電解質材料であって、以下(方法)に従って測定した付着面積が10%以下である、硫化物系無機固体電解質材料である。
[Sulfide-based inorganic solid electrolyte material]
First, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material of this embodiment will be described.
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material of the present embodiment is a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a particle diameter d 50 of 0.1 μm or more and 100 μm or less when the cumulative frequency is 50% in a volume-based cumulative frequency distribution curve measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device, and having an adhesion area of 10% or less measured according to the following (method).
(方法)
(1)JIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaが0.017μm以上0.023μm以下、最大高さRzが0.14μm以上0.18μm以下、十点平均粗さRzjisが0.12μm以上0.16μm以下であり、縦8cm×横9cmのSUS304プレートを、縦辺を水平面との接線として水平面に対する傾斜が45°となるように設置する。
(2)目開き250μmの篩を用いて、上記SUS304プレート上に硫化物系無機固体電解質材料10gを上記水平面から10cmの高さから、上記SUS304プレート全体に上記硫化物系無機固体電解質材料がかかるようにふるい落とす。
(3)上記SUS304プレートの上端から5cmの高さから、47gのジルコニアボール1個を上記SUS304プレートの上端のみに当たり、上記SUS304プレートの硫化物系無機固体電解質材料が付着した面には当たらないように3回落とす。
(4)衝撃が加わった後の上記SUS304プレートの上記硫化物系無機固体電解質材料が付着した面の面積を測定し、上記SUS304プレートの片面の面積に対する割合(付着面積)を算出する。
(method)
(1) An SUS304 plate having an arithmetic mean roughness Ra of 0.017 μm or more and 0.023 μm or less, a maximum height Rz of 0.14 μm or more and 0.18 μm or less, and a ten-point mean roughness Rzjis of 0.12 μm or more and 0.16 μm or less, measured in accordance with JIS B 0601 (2013), and measuring 8 cm in length and 9 cm in width, is placed so that the vertical side is tangent to the horizontal plane and is inclined at an angle of 45° to the horizontal plane.
(2) Using a sieve with 250 μm openings, 10 g of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is sieved onto the SUS304 plate from a height of 10 cm from the horizontal surface so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material covers the entire SUS304 plate.
(3) A 47 g zirconia ball is dropped three times from a height of 5 cm from the upper end of the SUS304 plate so as to hit only the upper end of the SUS304 plate and not the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached.
(4) After the impact, the area of the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached is measured, and the ratio (attached area) to the area of one side of the SUS304 plate is calculated.
硫化物系無機固体電解質材料の原料としてはP2S5、Li2S、Li3N等が挙げられる。例えばP2S5は反応性の高い不安定なイオン結晶粉末であるため、Li2Sとともにメカニカルミリング等の処理によりガラス化させた後、熱処理をすることによって結晶化し、安定化する。この安定化した硫化物系無機固体電解質材料の結晶性が、硫化物系無機固体電解質材料を用いて得られる固体電解質膜のリチウムイオン伝導性に影響を与える。この時、硫化物系無機固体電解質材料のメカニカルミリング等によるガラス化が不十分であり、熱処理において目的の結晶相が生成しない場合、得られる固体電解質膜のリチウムイオン伝導性が低下してしまう。
また、従来のメカニカルミリング方法を用いて製造された硫化物系無機固体電解質材料は、反応が不十分な硫化物系無機固体電解質材料が、製造装置から回収された硫化物系無機固体電解質材料中に混入することにより、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性にバラつきが生じることがあった。
Examples of raw materials for sulfide-based inorganic solid electrolyte materials include P2S5 , Li2S , and Li3N . For example , P2S5 is a highly reactive and unstable ionic crystal powder, and is therefore crystallized and stabilized by vitrifying it together with Li2S through a process such as mechanical milling, followed by heat treatment. The crystallinity of this stabilized sulfide-based inorganic solid electrolyte material affects the lithium ion conductivity of a solid electrolyte film obtained using the sulfide-based inorganic solid electrolyte material. In this case, if the vitrification of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material through mechanical milling or the like is insufficient and the desired crystalline phase is not produced during heat treatment, the lithium ion conductivity of the resulting solid electrolyte film will be reduced.
Furthermore, sulfide-based inorganic solid electrolyte materials produced using conventional mechanical milling methods can have variations in lithium ion conductivity between production batches due to insufficient reacted sulfide-based inorganic solid electrolyte material being mixed into the sulfide-based inorganic solid electrolyte material recovered from the production equipment.
本発明者らの検討によれば、硫化物系無機固体電解質材料のSUS304プレートに対する付着面積が10%以下となるように硫化物系無機固体電解質材料を調製すること、すなわち、縦辺を水平面との接線として水平面に対して45°の傾斜を設けて設置した、JIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaが0.017μm以上0.023μm以下、最大高さRzが0.14μm以上0.18μm以下、十点平均粗さRzjisが0.12μm以上0.16μm以下のSUS304プレート上に硫化物系無機固体電解質材料10gを目開き250μmの篩を用いて上記水平面から10cmの高さからふるい落とし、SUS304プレートの上端に、47gのジルコニアボールを上記SUS304プレート上端から5cmの高さから落として衝撃を3度与えた際の付着面積を特定の範囲内となるように製造条件や配合を適切に選択することにより、従来のハンドリング性およびリチウムイオン伝導性を維持しつつも、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきを減らし、高いリチウムイオン伝導性を有する硫化物系無機固体電解質材料を安定的に得られることを見出し、本発明に至った。
この理由は定かではないが、SUS304プレートに対する付着面積が少ないということは、不安定で反応性が高い未反応の原料組成物が少ないということに言い換えることができる。その結果、従来のハンドリング性およびリチウムイオン伝導性を維持しつつも、製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきが少ない硫化物系無機固体電解質材料が提供できるものと考えられる。
According to the study by the present inventors, it is possible to prepare a sulfide-based inorganic solid electrolyte material so that the adhesion area of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material to the SUS304 plate is 10% or less, that is, to set the vertical side as a tangent to the horizontal plane and inclined at 45° with respect to the horizontal plane, as specified in JIS B The present inventors have found that by appropriately selecting production conditions and formulations such that the adhesion area when 10 g of a sulfide-based inorganic solid electrolyte material is sieved onto an SUS304 plate having an arithmetic mean roughness Ra of 0.017 μm to 0.023 μm, a maximum height Rz of 0.14 μm to 0.18 μm, and a ten-point mean roughness Rzjis of 0.12 μm to 0.16 μm, as measured in accordance with ISO 140601 (2013), using a sieve with 250 μm openings from a height of 10 cm from the horizontal surface, and then dropping 47 g of zirconia balls onto the upper end of the SUS304 plate from a height of 5 cm from the upper end of the SUS304 plate to apply impact three times, the variation in lithium ion conductivity between production batches can be reduced while maintaining conventional handleability and lithium ion conductivity, and a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having high lithium ion conductivity can be stably obtained, thereby completing the present invention.
Although the reason for this is unclear, a small adhesion area to the SUS304 plate can be interpreted as a small amount of unstable and highly reactive unreacted raw material composition. As a result, it is believed that a sulfide-based inorganic solid electrolyte material can be provided that maintains the conventional handleability and lithium ion conductivity while exhibiting little variation in lithium ion conductivity between production batches.
ここで、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、上記(方法)に従って測定した付着面積の上限値が10%以下であり、8%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましい。付着面積が上記上限値以下であることにより、硫化物系無機固体電解質材料中の未反応の原料組成物をより少なくすることができる。
また、付着面積の下限値は特に限定されないが、例えば、0%以上である。
Here, in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the upper limit of the adhesion area measured according to the above (method) is 10% or less, more preferably 8% or less, and even more preferably 5% or less. By having the adhesion area be the above upper limit or less, it is possible to further reduce the amount of unreacted raw material composition in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the adhesion area is not particularly limited, but is, for example, 0% or more.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を、上述した付着面積とするには、
(i)硫化物系無機固体電解質材料の原料配合割合
(ii)製造方法
以上の2点を適切に選択することが好ましい。ここで、(i)原料配合割合としては、後述する当該硫化物系無機固体電解質材料中のPの含有量に対するLiの含有量のモル比(Li/P)およびPの含有量に対するSの含有量のモル比(S/P)を後述の範囲とすることが好ましい。
また、(ii)製造方法としては、内壁面が表面粗さの小さい平滑面である装置を用いることが好ましい。このような内壁面が平滑面である装置の例として、後述する装置10が挙げられる。
In order for the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment to have the above-described adhesion area,
It is preferable to appropriately select the following two points: (i) raw material blending ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, and (ii) manufacturing method. Here, as for (i) raw material blending ratio, it is preferable that the molar ratio of the Li content to the P content (Li/P) and the molar ratio of the S content to the P content (S/P) in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, which will be described later, are within the ranges described later.
In addition, in the (ii) manufacturing method, it is preferable to use an apparatus whose inner wall surface is a smooth surface with little surface roughness. An example of such an apparatus whose inner wall surface is a smooth surface is apparatus 10 described below.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定された体積基準の累積度数分布曲線において累積度数が50%であるときの粒子径d50が、0.1μm以上100μm以下であり、好ましくは2μm以上50μm以下、より好ましくは3μm以上25μm以下である。
硫化物系無機固体電解質材料の粒子径d50を上記範囲内とすることにより、良好なハンドリング性を維持すると共に、得られる固体電解質膜のリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment has a particle diameter d 50 at a cumulative frequency of 50% in a volume-based cumulative frequency distribution curve measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device of 0.1 μm or more and 100 μm or less, preferably 2 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 25 μm or less.
By setting the particle diameter d50 of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material within the above range, good handling properties can be maintained and the lithium ion conductivity of the resulting solid electrolyte membrane can be further improved.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、構成元素としてLi、PおよびSを含む粉末状の硫化物系無機固体電解質材料であることが好ましい。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is preferably a powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing Li, P, and S as constituent elements.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性、電気化学的安定性、水分や空気中での安定性および取り扱い性等をより一層向上させる観点から、当該硫化物系無機固体電解質材料中のPの含有量に対するLiの含有量のモル比(Li/P)が好ましくは1.0以上10.0以下であり、より好ましくは1.5以上5.0以下であり、さらに好ましくは1.8以上4.5以下であり、さらにより好ましくは2.0以上4.4以下であり、特に好ましくは2.3以上4.3以下である。
また、Pの含有量に対するSの含有量のモル比(S/P)が好ましくは1.0以上10.0以下であり、より好ましくは2.5以上6.0以下であり、さらに好ましくは3.0以上5.0以下であり、さらにより好ましくは3.5以上4.8以下であり、特に好ましくは3.7以上4.5以下である。
ここで、本実施形態の固体電解質材料中のLi、P、およびSの含有量は、例えば、ICP発光分光分析により求めることができる。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, from the viewpoint of further improving lithium ion conductivity, electrochemical stability, stability in moisture and air, ease of handling, and the like, the molar ratio of the Li content to the P content in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material (Li/P) is preferably 1.0 or more and 10.0 or less, more preferably 1.5 or more and 5.0 or less, even more preferably 1.8 or more and 4.5 or less, still more preferably 2.0 or more and 4.4 or less, and particularly preferably 2.3 or more and 4.3 or less.
The molar ratio of the S content to the P content (S/P) is preferably 1.0 or more and 10.0 or less, more preferably 2.5 or more and 6.0 or less, even more preferably 3.0 or more and 5.0 or less, still more preferably 3.5 or more and 4.8 or less, and particularly preferably 3.7 or more and 4.5 or less.
Here, the contents of Li, P, and S in the solid electrolyte material of this embodiment can be determined by, for example, ICP emission spectroscopy.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料において、27.0℃、印加電圧10mV、測定周波数域0.1Hz~7MHzの測定条件における交流インピーダンス法による、硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度の下限値が、好ましくは1.0×10-4S・cm-1以上、より好ましくは2.2×10-4S・cm-1以上、さらに好ましくは2.5×10-4S・cm-1以上、特に好ましくは2.8×10-4S・cm-1以上である。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度が上記下限値以上であると、より一層電池特性に優れた全固体型リチウムイオン電池を得ることができる。
また、硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度の上限値は特に限定されないが、例えば、3.0×10-3S・cm-1以下である。
In the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the lower limit of the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, as measured by an AC impedance method under the measurement conditions of 27.0°C, an applied voltage of 10 mV, and a measurement frequency range of 0.1 Hz to 7 MHz, is preferably 1.0 × 10 -4 S·cm -1 or more, more preferably 2.2 × 10 -4 S·cm -1 or more, still more preferably 2.5 × 10 -4 S·cm -1 or more, and particularly preferably 2.8 × 10 -4 S·cm -1 or more.
When the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is equal to or higher than the above lower limit, an all-solid-state lithium ion battery with even more excellent battery characteristics can be obtained.
The upper limit of the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is not particularly limited, but is, for example, 3.0×10 −3 S·cm −1 or less.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができる。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may be, for example, in the form of particles.
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、例えば、全固体型リチウムイオン電池を構成する固体電解質層に用いられる。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を適用した全固体型リチウムイオン電池の例としては、正極層と、固体電解質層と、負極層とがこの順番に積層されたものが挙げられる。この場合、固体電解質層が硫化物系無機固体電解質材料により構成されたものである。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is used, for example, in a solid electrolyte layer that constitutes an all-solid-state lithium ion battery.
An example of an all-solid-state lithium ion battery using the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is one in which a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer are stacked in this order, where the solid electrolyte layer is made of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
[硫化物系無機固体電解質材料の製造方法]
次に、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法について説明する。
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法は、従来の硫化物系無機固体電解質材料の製造方法とは異なるものである。SUS304プレートに対する付着面積が上記範囲内にある本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、硫化物系無機固体電解質材料の組成比率や、原料である無機組成物をガラス化すること等の製造条件を高度に制御することが重要である。
より具体的には、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料は、以下の(A)および(B)の工程を含む製造方法により得ることができる。また、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法は、以下の(C)の工程をさらに含んでもよい。
[Method for producing sulfide-based inorganic solid electrolyte material]
Next, a method for producing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment will be described.
The method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment is different from conventional methods for producing sulfide-based inorganic solid electrolyte materials. For the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, which has an adhesion area to the SUS304 plate within the above range, it is important to highly control the production conditions, such as the composition ratio of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material and the vitrification of the inorganic composition as a raw material.
More specifically, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment can be obtained by a production method including the following steps (A) and (B): The production method for the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment may further include the following step (C).
工程(A):原料である2種以上の無機化合物を含む無機組成物を準備する工程
工程(B):無機組成物を機械的処理することにより、原料である無機化合物同士を化学反応させながら無機組成物をガラス化する工程
工程(C):得られた硫化物系無機固体電解質材料を粉砕、分級、または造粒する工程
Step (A): A step of preparing an inorganic composition containing two or more inorganic compounds as raw materials. Step (B): A step of mechanically treating the inorganic composition to chemically react the inorganic compounds as raw materials and vitrify the inorganic composition. Step (C): A step of pulverizing, classifying, or granulating the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
以下、各工程について詳細に説明する。 Each process is explained in detail below.
(無機組成物を準備する工程(A))
はじめに、原料である2種以上の無機化合物を含む無機組成物を準備する。
無機化合物としては機械的処理により互いに化学反応して、構成元素としてLi、P、およびSを含む硫化物系無機固体電解質材料を生成する化合物を2種以上用いる。これらの無機化合物は、生成させる硫化物系無機固体電解質材料に応じて適宜選択することができ、例えば、硫化リチウム、硫化リン、窒化リチウム等を用いることができる。
(Step (A) of Preparing Inorganic Composition)
First, an inorganic composition containing two or more inorganic compounds as raw materials is prepared.
The inorganic compounds used are two or more compounds that chemically react with each other by mechanical treatment to produce a sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing, as constituent elements, Li, P, and S. These inorganic compounds can be appropriately selected depending on the sulfide-based inorganic solid electrolyte material to be produced, and examples that can be used include lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium nitride.
上記無機組成物は、例えば、生成させる硫化物系無機固体電解質材料が所望の組成比になるように、原料である2種以上の無機化合物を所定のモル比で混合することにより得ることができる。
2種以上の無機化合物を混合する方法としては各無機化合物を均一に混合できる混合方法であれば特に限定されないが、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、打撃粉砕装置、ミキサー(パグミキサー、リボンミキサー、タンブラーミキサー、ドラムミキサー、V型混合器等)、気流粉砕機等を用いて混合することができる。
各無機化合物を混合するときの攪拌速度や処理時間、温度、反応圧力、混合物に加えられる重力加速度等の混合条件は、混合物の処理量によって適宜決定することができる。
The inorganic composition can be obtained, for example, by mixing two or more inorganic compounds as raw materials in a predetermined molar ratio so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material to be produced has a desired composition ratio.
The method for mixing two or more inorganic compounds is not particularly limited as long as it is a mixing method that can uniformly mix the inorganic compounds. For example, mixing can be performed using a mortar, a ball mill, a bead mill, a vibration mill, an impact mill, a mixer (a pug mixer, a ribbon mixer, a tumbler mixer, a drum mixer, a V-type mixer, etc.), an airflow mill, etc.
The mixing conditions, such as the stirring speed, treatment time, temperature, reaction pressure, and gravitational acceleration applied to the mixture when mixing the inorganic compounds, can be appropriately determined depending on the amount of the mixture to be treated.
原料として用いる硫化リチウムとしては特に限定されず、市販されている硫化リチウムを使用してもよいし、例えば、水酸化リチウムと硫化水素との反応により得られる硫化リチウムを使用してもよい。高純度な硫化物系無機固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない硫化リチウムを使用することが好ましい。
ここで、本実施形態において、硫化リチウムには多硫化リチウムも含まれる。
The lithium sulfide used as a raw material is not particularly limited, and commercially available lithium sulfide may be used, or lithium sulfide obtained by, for example, reacting lithium hydroxide with hydrogen sulfide may be used. From the viewpoint of obtaining a high-purity sulfide-based inorganic solid electrolyte material and from the viewpoint of suppressing side reactions, it is preferable to use lithium sulfide with few impurities.
In this embodiment, lithium sulfide also includes lithium polysulfide.
原料として用いる硫化リンとしては特に限定されず、市販されている硫化リン(例えば、P2S5、P4S3、P4S7、P4S5等)を使用することができる。高純度な硫化物系無機固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない硫化リンを使用することが好ましい。また、硫化リンに代えて、相当するモル比の単体リン(P)および単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)および単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 The phosphorus sulfide used as a raw material is not particularly limited , and commercially available phosphorus sulfides (e.g., P2S5 , P4S3 , P4S7 , P4S5 , etc.) can be used. From the viewpoint of obtaining a high-purity sulfide-based inorganic solid electrolyte material and from the viewpoint of suppressing side reactions, it is preferable to use phosphorus sulfide with few impurities. Furthermore, instead of phosphorus sulfide, elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) can also be used in a corresponding molar ratio. The elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and commercially available.
原料である無機化合物としては窒化リチウムを用いてもよい。ここで、窒化リチウム中の窒素はN2として系内に排出されるため、原料である無機化合物として窒化リチウムを利用することで、構成元素としてLi、P、およびSを含む硫化物系無機固体電解質材料に対し、Li組成のみを増加させることが可能となる。
本実施形態の窒化リチウムとしては特に限定されず、市販されている窒化リチウム(例えば、Li3N等)を使用してもよいし、例えば、金属リチウム(例えば、Li箔)と窒素ガスとの反応により得られる窒化リチウムを使用してもよい。高純度な固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ない窒化リチウムを使用することが好ましい。
Lithium nitride may be used as the inorganic compound raw material. Here, since nitrogen in lithium nitride is discharged into the system as N2 , by using lithium nitride as the inorganic compound raw material, it becomes possible to increase only the Li composition in a sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing Li, P, and S as constituent elements.
The lithium nitride of the present embodiment is not particularly limited, and may be commercially available lithium nitride (e.g., Li 3 N, etc.), or may be lithium nitride obtained by reacting metallic lithium (e.g., Li foil) with nitrogen gas. From the viewpoint of obtaining a high-purity solid electrolyte material and suppressing side reactions, it is preferable to use lithium nitride with few impurities.
(無機組成物をガラス化する工程(B))
つづいて、無機組成物を機械的処理することにより、原料である無機化合物同士を化学反応させながら無機組成物をガラス化する。
ここで、機械的処理は、原料である2種以上の無機化合物を機械的に衝突させることにより、化学反応させながら無機組成物をガラス化させることができるものであり、例えば、メカノケミカル処理等が挙げられる。
(Step (B) of vitrifying the inorganic composition)
Next, the inorganic composition is mechanically treated to cause a chemical reaction between the inorganic compounds that are raw materials, thereby vitrifying the inorganic composition.
Here, the mechanical treatment is a process in which two or more types of inorganic compounds, which are raw materials, are mechanically collided with each other to cause a chemical reaction and thereby vitrify the inorganic composition, and examples of such a process include mechanochemical treatment.
ここで、メカノケミカル処理とは、混合対象に、せん断力、衝突力または遠心力のような機械的エネルギーを加えつつガラス化する方法である。メカノケミカル処理によるガラス化をおこなう装置としては、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル、ロールミル等の粉砕・分散機や、削岩機や振動ドリル、インパクトドライバ等で代表される回転、押出しおよび打撃を組み合わせた機構からなる打撃粉砕装置等が挙げられる。これらの中でも、回転、押出しおよび打撃を組み合わせた機構からなる打撃粉砕装置として、本願の課題を解決する観点から、後述する装置10を用いることが好ましい。 Mechanochemical processing is a method of vitrifying a mixture by applying mechanical energy such as shear force, impact force, or centrifugal force. Examples of equipment for vitrification through mechanochemical processing include grinding and dispersing machines such as ball mills, bead mills, vibration mills, turbo mills, mechanofusion machines, disc mills, and roll mills, as well as impact crushing devices that combine rotation, extrusion, and impact mechanisms, such as jackhammers, vibration drills, and impact drivers. Among these, from the perspective of solving the problems of the present application, it is preferable to use device 10, described below, as an impact crushing device that combines rotation, extrusion, and impact mechanisms.
また、メカノケミカル処理は不活性雰囲気下でおこなうことが好ましい。これにより、無機組成物と、水蒸気や酸素等との反応を抑制することができる。
また、不活性雰囲気下とは、真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下のことである。上記不活性雰囲気下では、水分の接触を避けるために露点が-50℃以下であることが好ましく、-60℃以下であることがより好ましい。上記不活性ガス雰囲気下とは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスの雰囲気下のことである。これらの不活性ガスは、製品への不純物の混入を防止するために、高純度である程好ましい。混合系への不活性ガスの導入方法としては、混合系内が不活性ガス雰囲気で満たされる方法であれば特に限定されないが、不活性ガスをパージする方法、不活性ガスを一定量導入し続ける方法等が挙げられる。
The mechanochemical treatment is preferably carried out in an inert atmosphere, which can prevent the inorganic composition from reacting with water vapor, oxygen, etc.
Furthermore, "under an inert atmosphere" refers to a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere. In the inert atmosphere, the dew point is preferably -50°C or lower, more preferably -60°C or lower, to avoid contact with moisture. The inert gas atmosphere refers to an atmosphere of an inert gas such as argon gas, helium gas, or nitrogen gas. The higher the purity of these inert gases, the more preferable they are to prevent impurities from being mixed into the product. The method for introducing the inert gas into the mixed system is not particularly limited as long as the mixed system is filled with an inert gas atmosphere, but examples include a method of purging the inert gas and a method of continuously introducing a constant amount of inert gas.
また、無機組成物をガラス化するときに、ヘキサン、トルエン、またはキシレン等の非プロトン性有機溶媒を添加して、溶媒に各原料を分散させた状態でガラス化してもよい。 Also, when vitrifying the inorganic composition, an aprotic organic solvent such as hexane, toluene, or xylene may be added, and the raw materials may be dispersed in the solvent before vitrification.
無機組成物をガラス化するときの回転速度や処理時間、温度、反応圧力、無機組成物に加えられる重力加速度等の混合条件は、無機組成物の種類や処理量によって適宜決定することができる。一般的には、回転速度が速いほど、ガラスの生成速度は速くなり、処理時間が長いほどガラスヘの転化率は高くなる。
通常は、線源としてCuKα線を用いたX線回折分析をしたとき、無機組成物の回折ピークが消失または低下していたら、無機組成物はガラス化され、所望の硫化物系無機固体電解質材料が得られていると判断することができる。
The mixing conditions for vitrifying the inorganic composition, such as the rotation speed, treatment time, temperature, reaction pressure, and gravitational acceleration applied to the inorganic composition, can be appropriately determined depending on the type and treatment amount of the inorganic composition. Generally, the faster the rotation speed, the faster the glass production rate, and the longer the treatment time, the higher the conversion rate to glass.
Generally, when X-ray diffraction analysis is performed using CuKα radiation as a radiation source, if the diffraction peak of the inorganic composition disappears or decreases, it can be determined that the inorganic composition has been vitrified and a desired sulfide-based inorganic solid electrolyte material has been obtained.
(装置10)
ここで、このような硫化物系無機固体電解質材料の製造に好ましく用いられる装置10について、図面を用いて説明する。
(Device 10)
Here, an apparatus 10 preferably used for producing such a sulfide-based inorganic solid electrolyte material will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を製造するための装置10を示す図である。図2は、図1に示した粉砕部200の回転テーブル212及び複数のボール214の上面図である。図3は、図2のA-A´断面図である。装置10は、複数種の無機化合物(A1)から無機材料(A)を製造する。図1において、図1の上方に向かう方向は、鉛直方向において上方に向かう方向であり、図1の下方に向かう方向は、鉛直方向において下方に向かう方向である。図2では、説明のため、押圧部216を示していない。図3における黒矢印は、複数種の無機化合物(A1)の流れを示している。図3における白矢印は、不活性ガスの流れを示している。 Figure 1 is a diagram showing an apparatus 10 for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment. Figure 2 is a top view of the turntable 212 and multiple balls 214 of the grinding section 200 shown in Figure 1. Figure 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A' in Figure 2. The apparatus 10 produces an inorganic material (A) from multiple inorganic compounds (A1). In Figure 1, the upward direction in Figure 1 corresponds to the upward direction in the vertical direction, and the downward direction in Figure 1 corresponds to the downward direction in the vertical direction. For ease of explanation, the pressing section 216 is not shown in Figure 2. The black arrows in Figure 3 indicate the flow of multiple inorganic compounds (A1). The white arrows in Figure 3 indicate the flow of an inert gas.
図1を用いて、装置10の概要を説明する。装置10は、送風部100、粉砕部200、第1回収部300及び系Sを備えている。送風部100は、不活性ガスを送る。粉砕部200は、複数種の無機化合物(A1)を、機械的エネルギーによってガラス化することと、ガラス化された複数種の無機化合物(A1)を、送風部100から送られた不活性ガスによって吹き上げることと、を繰り返す。第1回収部300には、不活性ガスによって吹き上げられた複数種の無機化合物(A1)の少なくとも一部が入り込む。第1回収部300は、複数種の無機化合物(A1)の当該少なくとも一部を粉砕部200に向けて戻す。系S(例えば、後述する配管Pa、バッファタンク110、配管Pb、配管Pc及び配管Pi)は、送風部100から粉砕部200及び第1回収部300を経由して送風部100にかけて不活性ガスを循環させる。 An overview of the apparatus 10 will be described using Figure 1. The apparatus 10 includes a blower 100, a pulverizer 200, a first recovery unit 300, and a system S. The blower 100 supplies an inert gas. The pulverizer 200 repeatedly vitrifies a plurality of inorganic compounds (A1) using mechanical energy and then blows the vitrified inorganic compounds (A1) upward with the inert gas supplied from the blower 100. At least a portion of the inorganic compounds (A1) blown upward by the inert gas enters the first recovery unit 300. The first recovery unit 300 returns the at least a portion of the inorganic compounds (A1) toward the pulverizer 200. The system S (e.g., piping Pa, buffer tank 110, piping Pb, piping Pc, and piping Pi, which will be described later) circulates the inert gas from the blower 100 to the blower 100 via the pulverizer 200 and the first recovery unit 300.
このとき、粉砕部200の装置内壁面を算術平均粗さRaが小さい平滑面とすることにより、上述の(方法)によって得られる付着面積が10%以下である硫化物系無機固体電解質材料を得ることが可能である。
この理由は定かではないが、粉砕部200の装置内壁面を算術平均粗さRaが小さい平滑面とすることにより、未反応の原料組成物および硫化物系無機固体電解質材料の装置内壁面への付着および堆積を防止し、粉砕部200に未反応の原料組成物および硫化物系無機固体電解質材料を投入しやすくなったと考えられる。その結果、未反応の原料組成物および硫化物系無機固体電解質材料のメカノケミカル処理が進みやすくなり、原料組成物が未反応のまま回収されることを防止できるものと考えられる。
具体的には、粉砕部200の装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaの上限値が0.02μmであることが好ましく、0.015μmがさらに好ましく、0.01μmがより好ましく、0.005μmが特に好ましい。
また、粉砕部200の装置内壁面の算術平均粗さRaの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.001μm以上であり、0.003μm以上である。
In this case, by making the inner wall surface of the pulverization section 200 a smooth surface with a small arithmetic mean roughness Ra, it is possible to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material with an adhesion area of 10% or less obtained by the above-mentioned (method).
The reason for this is not clear, but it is thought that by making the inner wall surface of the pulverizing section 200 a smooth surface with a small arithmetic mean roughness Ra, adhesion and deposition of the unreacted raw material composition and sulfide-based inorganic solid electrolyte material to the inner wall surface of the apparatus is prevented, making it easier to introduce the unreacted raw material composition and sulfide-based inorganic solid electrolyte material into the pulverizing section 200. As a result, it is thought that the mechanochemical treatment of the unreacted raw material composition and sulfide-based inorganic solid electrolyte material progresses more easily, making it possible to prevent the raw material composition from being recovered in an unreacted state.
Specifically, the upper limit of the arithmetic mean roughness Ra of the inner wall surface of the crushing section 200 measured in accordance with JIS B 0601 (2013) is preferably 0.02 μm, more preferably 0.015 μm, even more preferably 0.01 μm, and particularly preferably 0.005 μm.
The lower limit of the arithmetic mean roughness Ra of the inner wall surface of the crushing section 200 is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.001 μm or more, or 0.003 μm or more.
このように装置内壁面の算術平均粗さRaを小さくするためには、装置内壁面に用いられる金属プレート表面部に公知の研磨処理を行うことで得られる。公知の研磨処理としては、例えば、バフ研磨である。 In order to reduce the arithmetic mean roughness Ra of the device's inner wall surface, a known polishing process can be performed on the surface of the metal plate used for the device's inner wall surface. An example of a known polishing process is buffing.
また、装置10において、粉砕部200の装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した最大高さRzの上限値が0.16μmであることが好ましく、0.13μmがさらに好ましく、0.10μmがより好ましく、0.05μmが特に好ましい。粉砕部200の装置内壁面の最大高さRzを上記上限値以下とすることで、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。
また、粉砕部200の装置内壁面の最大高さRzの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.01μm以上であり、0.03μm以上である。
In the apparatus 10, the upper limit of the maximum height Rz of the inner wall surface of the pulverizing section 200 measured in accordance with JIS B 0601 (2013) is preferably 0.16 μm, more preferably 0.13 μm, even more preferably 0.10 μm, and particularly preferably 0.05 μm. By setting the maximum height Rz of the inner wall surface of the pulverizing section 200 to the above upper limit or less, it is possible to further reduce the variation in lithium ion conductivity between production batches of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the maximum height Rz of the inner wall surface of the crushing section 200 is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.01 μm or more, or 0.03 μm or more.
また、装置10において、粉砕部200の装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した十点平均粗さRzjisの上限値が0.14μmであることが好ましく、0.10μmがさらに好ましく、0.07μmがより好ましく、0.04μmが特に好ましい。粉砕部200の装置内壁面の十点平均粗さRzjisを上記上限値以下とすることで、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。
また、粉砕部200の装置内壁面の十点平均粗さRzjisの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.01μm以上であり、0.03μm以上である。
In the apparatus 10, the upper limit of the ten-point mean roughness Rzjis of the inner wall surface of the pulverizing section 200 measured in accordance with JIS B 0601 (2013) is preferably 0.14 μm, more preferably 0.10 μm, even more preferably 0.07 μm, and particularly preferably 0.04 μm. By setting the ten-point mean roughness Rzjis of the inner wall surface of the pulverizing section 200 to the above upper limit or less, it is possible to further reduce the variation in lithium ion conductivity between production batches of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the ten-point average roughness Rzjis of the inner wall surface of the crushing section 200 is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.01 μm or more, or 0.03 μm or more.
以下、図1を用いて、装置10の構造をさらに詳細に説明する。 The structure of the device 10 is explained in more detail below using Figure 1.
装置10は、送風部100、バッファタンク110、粉砕部200、第1回収部300、第1収容部310、第2回収部400、第2収容部410、減圧部500、配管Pa、複数の配管Pb(第5配管)、配管Pc(第2配管)、配管Pd(第6配管)、配管Pe(第1配管)、配管Pf(第3配管)、配管Pg、配管Ph(第4配管)、配管Pi、配管Pj、配管Pk、配管Pl、配管Pm、配管Pn、配管Po、バルブVa1、複数のバルブVb1(第5バルブ)、バルブVc1、バルブVc2(第2バルブ)、バルブVc3、バルブVd1(第6バルブ)、バルブVe1(第1バルブ)、バルブVe2、バルブVf1(第3バルブ)、バルブVg1、バルブVh1、バルブVh2、バルブVi1、バルブVi2、バルブVj1、バルブVk1、バルブVl1、バルブVm1、バルブVn1、バルブVo1、ラインLe(第1ライン)、ラインLh(第2ライン)及び排気ダクトDを備えている。 The device 10 includes a blower section 100, a buffer tank 110, a pulverizer section 200, a first recovery section 300, a first storage section 310, a second recovery section 400, a second storage section 410, a pressure reduction section 500, a pipe Pa, multiple pipes Pb (fifth pipe), a pipe Pc (second pipe), a pipe Pd (sixth pipe), a pipe Pe (first pipe), a pipe Pf (third pipe), a pipe Pg, a pipe Ph (fourth pipe), a pipe Pi, a pipe Pj, a pipe Pk, a pipe Pl, a pipe Pm, a pipe Pn, a pipe Po, a valve Va1, and multiple valves Vb. 1 (fifth valve), valve Vc1, valve Vc2 (second valve), valve Vc3, valve Vd1 (sixth valve), valve Ve1 (first valve), valve Ve2, valve Vf1 (third valve), valve Vg1, valve Vh1, valve Vh2, valve Vi1, valve Vi2, valve Vj1, valve Vk1, valve Vl1, valve Vm1, valve Vn1, valve Vo1, line Le (first line), line Lh (second line), and exhaust duct D.
配管Paは、送風部100のガス出口104と、バッファタンク110のガス入口112と、に通じている。バルブVa1は、配管Paに設けられている。 Pipe Pa connects the gas outlet 104 of the blower 100 and the gas inlet 112 of the buffer tank 110. Valve Va1 is provided on pipe Pa.
複数の配管Pbの各々は、バッファタンク110の複数のガス出口114の各々と、粉砕部200の複数のガス入口202の各々と、に通じている。複数のバルブVb1の各々は、複数の配管Pbの各々に設けられている。一例において、粉砕部200の回転テーブル212(詳細は後述する。)の上方から見て、複数の配管Pbは、回転テーブル212の周りに配置されており、具体的には、回転テーブル212の中心(後述する回転軸R)に関して回転対称に配置されている。 Each of the multiple pipes Pb is connected to each of the multiple gas outlets 114 of the buffer tank 110 and each of the multiple gas inlets 202 of the pulverization section 200. Each of the multiple valves Vb1 is provided on each of the multiple pipes Pb. In one example, when viewed from above the turntable 212 of the pulverization section 200 (details will be described later), the multiple pipes Pb are arranged around the turntable 212, and more specifically, are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the turntable 212 (rotation axis R, described later).
配管Pcは、粉砕部200の材料排出管206と、第1回収部300の吸引口302と、に通じている。バルブVc1、バルブVc2及びバルブVc3は、配管Pcに設けられており、粉砕部200の材料排出管206から第1回収部300の吸引口302にかけて、バルブVc1、バルブVc2及びバルブVc3の順に並んでいる。 Pipe Pc connects the material discharge pipe 206 of the pulverizing section 200 and the suction port 302 of the first recovery section 300. Valves Vc1, Vc2, and Vc3 are provided on pipe Pc and are arranged in this order from the material discharge pipe 206 of the pulverizing section 200 to the suction port 302 of the first recovery section 300.
配管Pdは、粉砕部200の材料供給管204と、第1回収部300の材料排出口304と、に通じている。バルブVd1は、配管Pdに設けられている。 Pipe Pd is connected to the material supply pipe 204 of the grinding section 200 and the material discharge port 304 of the first recovery section 300. Valve Vd1 is provided on pipe Pd.
配管Peは、第1収容部310と、第1回収部300の材料供給口308と、に通じている。バルブVe1及びバルブVe2は、配管Peに設けられており、第1収容部310から第1回収部300の材料供給口308にかけて、バルブVe1及びバルブVe2の順に並んでいる。また、バルブVe1は、第1収容部310とともに配管Peに対して着脱可能に取り付けられている。言い換えると、バルブVe1を配管Peから取り外した場合において、第1収容部310及びバルブVe1は、一体にすることができる。さらに配管Peは、バルブVe1とバルブVe2との間においてラインLeと接続されている。配管Peの内部は、ラインLeを介して、真空又は不活性ガスに置換可能になっている。すなわち、ラインLeは、配管Peの内部を減圧することができるとともに、配管Peに不活性ガスを導入することができる。 Pipe Pe connects the first storage unit 310 and the material supply port 308 of the first recovery unit 300. Valves Ve1 and Ve2 are provided on pipe Pe, and are arranged in this order from the first storage unit 310 to the material supply port 308 of the first recovery unit 300. Valve Ve1 and valve Ve2 are also detachably attached to pipe Pe along with the first storage unit 310. In other words, when valve Ve1 is removed from pipe Pe, the first storage unit 310 and valve Ve1 can be integrated. Pipe Pe is also connected to line Le between valves Ve1 and Ve2. The interior of pipe Pe can be evacuated or replaced with an inert gas via line Le. In other words, line Le can reduce the pressure inside pipe Pe and introduce an inert gas into pipe Pe.
配管Pfは、配管PcのうちバルブVc1とバルブVc2との間(すなわち、粉砕部200とバルブVc2との間)に位置する部分と、第2回収部400の吸引口402と、に通じている。バルブVf1は、配管Pfに設けられている。 The pipe Pf communicates with the portion of the pipe Pc located between the valves Vc1 and Vc2 (i.e., between the crushing section 200 and the valve Vc2) and with the suction port 402 of the second recovery section 400. The valve Vf1 is provided on the pipe Pf.
配管Pgは、配管PcのうちバルブVc2とバルブVc3との間に位置する部分と、第2回収部400のガス排出管406と、に通じている。バルブVg1は、配管Pgに設けられている。 Pipe Pg is connected to the portion of pipe Pc located between valves Vc2 and Vc3 and to the gas exhaust pipe 406 of the second recovery section 400. Valve Vg1 is provided on pipe Pg.
配管Phは、第2収容部410と、第2回収部400の材料排出口404と、に通じている。バルブVh1及びバルブVh2は、配管Phに設けられており、第2収容部410から第2回収部400の材料排出口404にかけて、バルブVh1及びバルブVh2の順に並んでいる。さらに配管Phは、バルブVh1とバルブVh2との間において、ラインLhと接続されている。配管Phの内部は、ラインLhを介して、真空又は不活性ガスに置換可能になっている。すなわち、ラインLhは、配管Phの内部を減圧することができるとともに、配管Phに不活性ガスを導入することができる。 The pipe Ph connects the second storage unit 410 and the material discharge port 404 of the second recovery unit 400. Valves Vh1 and Vh2 are provided on the pipe Ph, and are arranged in this order from the second storage unit 410 to the material discharge port 404 of the second recovery unit 400. Furthermore, the pipe Ph is connected to a line Lh between valves Vh1 and Vh2. The inside of the pipe Ph can be evacuated or replaced with an inert gas via the line Lh. In other words, the line Lh can reduce the pressure inside the pipe Ph and introduce an inert gas into the pipe Ph.
配管Piは、第1回収部300のガス排出口306と、送風部100のガス入口102と、に通じている。バルブVi1及びバルブVi2は、配管Piに設けられており、第1回収部300のガス排出口306から送風部100のガス入口102にかけて、バルブVi1及びバルブVi2の順に並んでいる。 Pipe Pi connects the gas exhaust port 306 of the first recovery section 300 and the gas inlet 102 of the blower section 100. Valves Vi1 and Vi2 are provided on pipe Pi, and are arranged in this order from the gas exhaust port 306 of the first recovery section 300 to the gas inlet 102 of the blower section 100.
配管Pjは、配管Piのうち第1回収部300のガス排出口306と、バルブVi1と、の間に位置する部分と、配管Piのうち送風部100のガス入口102と、バルブVi2と、の間に位置する部分と、に通じている。バルブVj1は、配管Pjに設けられている。 The pipe Pj is connected to a portion of the pipe Pi located between the gas outlet 306 of the first recovery section 300 and the valve Vi1, and to a portion of the pipe Pi located between the gas inlet 102 of the blower section 100 and the valve Vi2. The valve Vj1 is provided on the pipe Pj.
配管Pkは、バッファタンク110の調整口116と、排気ダクトDと、に通じている。バルブVk1は、配管Pkに設けられている。 The pipe Pk is connected to the adjustment port 116 of the buffer tank 110 and the exhaust duct D. The valve Vk1 is provided on the pipe Pk.
配管Plは、粉砕部200のガス排出口208と、減圧部500と、に通じている。バルブVl1は、配管Plに設けられている。 Pipe Pl connects the gas exhaust port 208 of the grinding section 200 and the pressure reduction section 500. Valve Vl1 is provided on pipe Pl.
配管Pmは、減圧部500と、排気ダクトDと、に通じている。バルブVm1は、配管Pmに設けられている。 Pipe Pm is connected to pressure reduction section 500 and exhaust duct D. Valve Vm1 is provided on pipe Pm.
配管Pnは、配管Plのうち粉砕部200のガス排出口208と、バルブVl1と、の間に位置する部分と、排気ダクトDと、に通じている。バルブVn1は、配管Pnに設けられている。 Pipe Pn is connected to the portion of pipe Pl located between the gas exhaust port 208 of the grinding section 200 and valve Vl1, and to exhaust duct D. Valve Vn1 is provided on pipe Pn.
配管Poは、配管Piから分岐して排気ダクトDに通じている。具体的には、配管Piは、配管PjのうちバルブVi2と送風部100のガス入口102との間に位置する端部と接続する部分を有している。配管Poは、配管Piのうち、配管Piの当該部分と、送風部100のガス入口102と、の間に位置する部分と、排気ダクトDと、に通じている。バルブVo1は、配管Poに設けられている。 Pipe Po branches off from pipe Pi and leads to exhaust duct D. Specifically, pipe Pi has a portion that connects to the end of pipe Pj located between valve Vi2 and the gas inlet 102 of the blower 100. Pipe Po leads to the portion of pipe Pi located between that portion of pipe Pi and the gas inlet 102 of the blower 100, and to exhaust duct D. Valve Vo1 is provided on pipe Po.
送風部100は、配管Pj内のガスを送風部100のガス入口102から吸引する。また、送風部100は、送風部100のガス入口102から吸引されたガスを、送風部100のガス出口104から排出する。このようにして、送風部100は、配管Paを経由してバッファタンク110にガスを送る。また、送風部100のモータの回転数はインバーター106によって変更可能になっており、送風部100から送られるガスの流量は、モータの回転数に応じて、任意に変更可能となっている。 The blower 100 draws in gas from the pipe Pj through the gas inlet 102 of the blower 100. The blower 100 also discharges the gas drawn in through the gas inlet 102 of the blower 100 from the gas outlet 104 of the blower 100. In this way, the blower 100 sends gas to the buffer tank 110 via the pipe Pa. The rotation speed of the motor of the blower 100 can be changed by the inverter 106, and the flow rate of gas sent from the blower 100 can be changed as desired depending on the rotation speed of the motor.
バッファタンク110のガス入口112には、送風部100から配管Paを経由して送られたガスが入り込む。バッファタンク110内に入り込んだガスは、バッファタンク110の複数のガス出口114を通過して、複数の配管Pbを経由して粉砕部200に送られる。バッファタンク110内におけるガスの圧力は、バルブVk1によって調節されている。 Gas sent from the blower section 100 via piping Pa enters the gas inlet 112 of the buffer tank 110. The gas that enters the buffer tank 110 passes through multiple gas outlets 114 of the buffer tank 110 and is sent to the grinding section 200 via multiple piping Pb. The gas pressure inside the buffer tank 110 is regulated by valve Vk1.
粉砕部200の複数のガス入口202には、バッファタンク110から複数の配管Pbを経由して送られたガスが入り込む。粉砕部200の材料供給管204には、第1収容部310から配管Pe、第1回収部300、配管Pdを経由して送られた材料が入り込む。粉砕部200の材料排出管206からは、粉砕部200内の材料の少なくとも一部及びガスの少なくとも一部が排出される。粉砕部200の内部の圧力は、減圧部500によって減少させることができる。また、粉砕部200の内部のガスは、配管Pnを経由して排気ダクトDに排出させることができる。 Gas sent from the buffer tank 110 via multiple pipes Pb enters the multiple gas inlets 202 of the pulverizing section 200. Material sent from the first storage section 310 via pipe Pe, the first recovery section 300, and pipe Pd enters the material supply pipe 204 of the pulverizing section 200. At least a portion of the material and at least a portion of the gas inside the pulverizing section 200 are discharged from the material discharge pipe 206 of the pulverizing section 200. The pressure inside the pulverizing section 200 can be reduced by the pressure reduction section 500. In addition, gas inside the pulverizing section 200 can be discharged to the exhaust duct D via pipe Pn.
第1回収部300は、配管Pc内の材料及びガスを第1回収部300の吸引口302から吸引する。また、第1回収部300は、第1回収部300の吸引口302から吸引された材料を、第1回収部300の材料排出口304から排出する。このようにして、第1回収部300は、配管Pdを経由して粉砕部200に材料を送る。また、第1回収部300は、第1回収部300の吸引口302から吸引されたガスを、第1回収部300のガス排出口306から排出する。このようにして、第1回収部300は、配管Piを経由して送風部100にガスを送る。第1回収部300は、例えば、集塵機である。 The first recovery unit 300 sucks in the material and gas in the pipe Pc through the suction port 302 of the first recovery unit 300. The first recovery unit 300 also discharges the material sucked in through the suction port 302 of the first recovery unit 300 from the material discharge port 304 of the first recovery unit 300. In this way, the first recovery unit 300 sends the material to the grinding unit 200 via the pipe Pd. The first recovery unit 300 also discharges the gas sucked in through the suction port 302 of the first recovery unit 300 from the gas discharge port 306 of the first recovery unit 300. In this way, the first recovery unit 300 sends the gas to the blower unit 100 via the pipe Pi. The first recovery unit 300 is, for example, a dust collector.
第2回収部400は、配管Pc及び配管Pf内の材料及びガスを第2回収部400の吸引口402から吸引する。また、第2回収部400は、第2回収部400の吸引口402から吸引された材料を、第2回収部400の材料排出口404から排出する。このようにして、第2回収部400は、配管Phを経由して第2収容部410に材料を送る。また、第2回収部400は、第2回収部400の吸引口402から吸引されたガスを、第2回収部400のガス排出管406から排出する。第2回収部400は、例えば、サイクロン集塵機である。 The second recovery unit 400 sucks in the material and gas in the pipes Pc and Pf through the suction port 402 of the second recovery unit 400. The second recovery unit 400 also discharges the material sucked in through the suction port 402 of the second recovery unit 400 from the material discharge port 404 of the second recovery unit 400. In this way, the second recovery unit 400 sends the material to the second storage unit 410 via the pipe Ph. The second recovery unit 400 also discharges the gas sucked in through the suction port 402 of the second recovery unit 400 from the gas discharge pipe 406 of the second recovery unit 400. The second recovery unit 400 is, for example, a cyclone dust collector.
ここで、装置10において、粉体が通過しうる部分の装置内壁面においても、装置内壁面を算術平均粗さの小さい平滑面とすることが好ましい。上記構成を採用することにより、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。なお、粉体が通過しうる部分とは、例えば、第1回収部、第2回収部、第1収容部、第2収容部、第1配管、第2配管、第3配管、第4配管、第5配管および第6配管等が挙げられる。
具体的には、第1回収部、第2回収部、第1収容部、第2収容部、第1配管、第2配管、第3配管、第4配管、第5配管および第6配管から選択される1部または2部以上の部分における装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaの上限値が0.02μmであることが好ましく、0.015μmがさらに好ましく、0.01μmがより好ましく、0.005μmが特に好ましい。上記算術平均粗さRaを上記上限値以下とすることで、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。
また、上記算術平均粗さRaの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.001μm以上であり、0.003μm以上である。
Here, in the device 10, it is preferable that the inner wall surfaces of the device in the portion through which the powder can pass are smooth surfaces with a small arithmetic mean roughness. By adopting the above configuration, it is possible to further reduce the variation in lithium ion conductivity for each production batch of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material. Note that, examples of the portion through which the powder can pass include the first recovery section, the second recovery section, the first storage section, the second storage section, the first pipe, the second pipe, the third pipe, the fourth pipe, the fifth pipe, and the sixth pipe.
Specifically, the upper limit of the arithmetic mean roughness Ra of the inner wall surface of the apparatus in one or more parts selected from the first recovery section, the second recovery section, the first storage section, the second storage section, the first pipe, the second pipe, the third pipe, the fourth pipe, the fifth pipe, and the sixth pipe, as measured according to JIS B 0601 (2013), is preferably 0.02 μm, more preferably 0.015 μm, even more preferably 0.01 μm, and particularly preferably 0.005 μm. By setting the arithmetic mean roughness Ra to the upper limit or less, it is possible to further reduce the variation in lithium ion conductivity between production batches of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the arithmetic mean roughness Ra is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.001 μm or more, or 0.003 μm or more.
装置10において、第1回収部、第2回収部、第1収容部、第2収容部、第1配管、第2配管、第3配管、第4配管、第5配管および第6配管から選択される1部または2部以上の部分における装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した最大高さRzの上限値が0.16μmであることが好ましく、0.13μmがさらに好ましく、0.10μmがより好ましく、0.05μmが特に好ましい。上記最大高さRzを上記上限値以下とすることで、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。
また、上記最大高さRzの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.01μm以上であり、0.03μm以上である。
In the apparatus 10, the upper limit of the maximum height Rz measured according to JIS B 0601 (2013) of the inner wall surface of the apparatus in one or more parts selected from the first recovery section, the second recovery section, the first storage section, the second storage section, the first pipe, the second pipe, the third pipe, the fourth pipe, the fifth pipe, and the sixth pipe is preferably 0.16 μm, more preferably 0.13 μm, even more preferably 0.10 μm, and particularly preferably 0.05 μm. By setting the maximum height Rz to the upper limit or less, it is possible to further reduce variation in lithium ion conductivity between production batches of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the maximum height Rz is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.01 μm or more, or 0.03 μm or more.
装置10において、第1回収部、第2回収部、第1収容部、第2収容部、第1配管、第2配管、第3配管、第4配管、第5配管および第6配管から選択される1部または2部以上の部分における装置内壁面のJIS B 0601(2013)に従って測定した十点平均粗さRzjisの上限値が0.14μmであることが好ましく、0.10μmがさらに好ましく、0.07μmがより好ましく、0.04μmが特に好ましい。上記十点平均粗さRzjisを上記上限値以下とすることで、得られる硫化物系無機固体電解質材料の製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきをより低減させることが可能である。
また、上記十点平均粗さRzjisの下限値は特に限定されないが、例えば、0μm以上であり、0.01μm以上であり、0.03μm以上である。
In the apparatus 10, the upper limit of the ten-point average roughness Rzjis measured according to JIS B 0601 (2013) of the inner wall surface of the apparatus in one or more parts selected from the first recovery section, the second recovery section, the first storage section, the second storage section, the first pipe, the second pipe, the third pipe, the fourth pipe, the fifth pipe, and the sixth pipe is preferably 0.14 μm, more preferably 0.10 μm, even more preferably 0.07 μm, and particularly preferably 0.04 μm. By setting the ten-point average roughness Rzjis to the upper limit or less, it is possible to further reduce variation in lithium ion conductivity between production batches of the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The lower limit of the ten-point average roughness Rzjis is not particularly limited, but is, for example, 0 μm or more, 0.01 μm or more, or 0.03 μm or more.
次に、図2及び図3を用いて、粉砕部200の構造を説明する。 Next, the structure of the crushing section 200 will be explained using Figures 2 and 3.
粉砕部200は、回転テーブル212、複数のボール214及び押圧部216を有している。図2に示す例において、複数のボール214の数は7つとなっている。ただし、複数のボール214の数は図2に示す例に限定されない。 The crushing section 200 has a rotating table 212, a plurality of balls 214, and a pressing section 216. In the example shown in Figure 2, the number of balls 214 is seven. However, the number of balls 214 is not limited to the example shown in Figure 2.
回転テーブル212は、回転軸Rの周りに回転可能になっている。回転テーブル212の回転軸Rは、回転テーブル212の高さ方向(厚さ方向)に沿って回転テーブル212の中心を通過している。回転テーブル212の高さ方向(厚さ方向)は、鉛直方向に沿っている。複数のボール214は、回転テーブル212の回転軸Rの周りに配置されており、具体的には、回転軸Rに関して回転対称に配置されている。複数のボール214は、回転テーブル212の回転とともに回転する。また、複数のボール214の各々は、回転テーブル212の回転とともに回転する回転軸R1を回転軸として回転可能になっている。各ボール214の回転軸R1は、ボール214の高さ方向(厚さ方向)に沿ってボール214の中心を通過している。ボール214の高さ方向(厚さ方向)は、鉛直方向に沿っている。押圧部216は、回転テーブル212の反対側から複数のボール214を回転テーブル212に向けて押圧する。 The turntable 212 is rotatable around a rotation axis R. The rotation axis R of the turntable 212 passes through the center of the turntable 212 along the height direction (thickness direction) of the turntable 212. The height direction (thickness direction) of the turntable 212 is aligned with the vertical direction. The multiple balls 214 are arranged around the rotation axis R of the turntable 212, and more specifically, are arranged rotationally symmetrically with respect to the rotation axis R. The multiple balls 214 rotate with the rotation of the turntable 212. Each of the multiple balls 214 is rotatable around a rotation axis R1 that rotates with the rotation of the turntable 212. The rotation axis R1 of each ball 214 passes through the center of the ball 214 along the height direction (thickness direction) of the ball 214. The height direction (thickness direction) of the ball 214 is aligned with the vertical direction. The pressing unit 216 presses the multiple balls 214 toward the turntable 212 from the opposite side of the turntable 212.
次に、図1から図4を用いて、装置10によって、複数種の無機化合物(A1)から無機材料(A)を製造する方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for producing inorganic material (A) from multiple types of inorganic compounds (A1) using apparatus 10 will be described using Figures 1 to 4.
バルブVe1及びバルブVe2を閉じて、第1収容部310に複数種の無機化合物(A1)を収容する。具体的には、まず、第1収容部310をバルブVe1とともに配管Peから取り外す。次いで、第1収容部310に複数種の無機化合物(A1)を収容する。複数種の無機化合物(A1)の収容は不活性ガスでコントロールされた雰囲気(例えばグローブボックス内)で実施する。次いで、バルブVe1が閉じた状態で第1収容部310及びバルブVe1を配管Peに取り付ける。この場合、第1収容部310及びバルブVe1が大気に曝されても、バルブVe1が閉じていることで、第1収容部310内の複数種の無機化合物(A1)は、大気(空気)に暴露されないようにすることができる。また、第1収納部310を取り付けの際、配管Pe内に入り込んだ大気は、配管Peに接続されたラインLeで不活性ガスに置換することができる。これによって、無機化合物(A1)が配管Peを通過する際、無機化合物(A1)が大気(空気)に暴露されないようにすることができる。次いで、バルブVe1、バルブVe2及びバルブVd1を開いて、複数種の無機化合物(A1)を、第1収容部310から配管Pe、第1回収部300及び配管Pdを経由して粉砕部200に送る。すなわち、第1収容部310は、粉砕部200に供給される複数種の無機化合物(A1)を収容している。 Valves Ve1 and Ve2 are closed, and multiple inorganic compounds (A1) are stored in the first storage unit 310. Specifically, first, the first storage unit 310 and valve Ve1 are removed from the pipe Pe. Next, multiple inorganic compounds (A1) are stored in the first storage unit 310. The multiple inorganic compounds (A1) are stored in an inert gas-controlled atmosphere (e.g., in a glove box). Next, with valve Ve1 closed, the first storage unit 310 and valve Ve1 are attached to the pipe Pe. In this case, even if the first storage unit 310 and valve Ve1 are exposed to the atmosphere, the closed valve Ve1 prevents the multiple inorganic compounds (A1) in the first storage unit 310 from being exposed to the atmosphere (air). Furthermore, any atmosphere that enters the pipe Pe when the first storage unit 310 is attached can be replaced with an inert gas via line Le connected to the pipe Pe. This prevents the inorganic compound (A1) from being exposed to the atmosphere (air) as it passes through pipe Pe. Next, valves Ve1, Ve2, and Vd1 are opened to send the multiple inorganic compounds (A1) from the first storage unit 310 to the crushing unit 200 via pipe Pe, first recovery unit 300, and pipe Pd. That is, the first storage unit 310 stores the multiple inorganic compounds (A1) to be supplied to the crushing unit 200.
さらに、バルブVe1、バルブVe2、バルブVf1、バルブVg1、バルブVh1、バルブVh2、バルブVj1、バルブVl1、バルブVm1、バルブVn1及びバルブVo1を閉じ、バルブVa1、バルブVb1、バルブVc1、バルブVc2、バルブVc3、バルブVd1、バルブVi1及びバルブVi2を開いて、配管PiのうちバルブVi1とバルブVi2との間に位置する部分に不活性ガスを供給する。次いで、バッファタンク110の内部の圧力をバルブVk1によって調節しながら、送風部100を動作させる。これによって、系S、すなわち、送風部100から配管Pa、バッファタンク110、配管Pb、粉砕部200、配管Pc、第1回収部300及び配管Piを経由して送風部100にかけての系は、不活性ガスを循環させ、かつ外部から閉じている(すなわち、系Sは、大気(空気)に暴露されていない。)。 Furthermore, valves Ve1, Ve2, Vf1, Vg1, Vh1, Vh2, Vj1, Vl1, Vm1, Vn1, and Vo1 are closed, and valves Va1, Vb1, Vc1, Vc2, Vc3, Vd1, Vi1, and Vi2 are opened to supply inert gas to the portion of pipe Pi located between valves Vi1 and Vi2. Next, the blower unit 100 is operated while adjusting the pressure inside the buffer tank 110 with valve Vk1. As a result, system S, i.e., the system from blower unit 100 through pipe Pa, buffer tank 110, pipe Pb, grinding unit 200, pipe Pc, first recovery unit 300, and pipe Pi to blower unit 100, circulates inert gas and is closed from the outside (i.e., system S is not exposed to the atmosphere (air)).
配管PiのうちバルブVi1とバルブVi2との間に位置する部分への不活性ガスの供給は、第1収容部310から粉砕部200へ複数種の無機化合物(A1)を供給する前又は供給した後に行ってもよいし、又は第1収容部310から粉砕部200へ複数種の無機化合物(A1)を供給しながら行ってもよい。また、不活性ガスが供給される位置は、配管PiのうちバルブVi1とバルブVi2との間に位置する部分でなくてもよく、系Sのうちのいずれかの部分であってもよい。さらに、不活性ガスは、系Sのうちの複数の部分(配管PiのうちバルブVi1とバルブVi2との間に位置する部分を含む。)に供給されてもよい。 The supply of inert gas to the portion of the pipe Pi located between valves Vi1 and Vi2 may be carried out before or after the supply of multiple types of inorganic compounds (A1) from the first storage unit 310 to the pulverization unit 200, or may be carried out while the multiple types of inorganic compounds (A1) are being supplied from the first storage unit 310 to the pulverization unit 200. Furthermore, the position to which the inert gas is supplied does not have to be the portion of the pipe Pi located between valves Vi1 and Vi2, but may be any portion of the system S. Furthermore, the inert gas may be supplied to multiple portions of the system S (including the portion of the pipe Pi located between valves Vi1 and Vi2).
装置10に導入される不活性ガスは、例えば窒素ガスである。窒素ガスは、例えば、窒素ボンベから窒素精製装置を経由して供給される。この例において、窒素ガスの不純物濃度(例えば、水分濃度又は酸素濃度)を低くすることができる。例えば、窒素ガスの水分濃度は、400ppm以下、好ましくは40ppm以下、さらに好ましくは2ppm以下にすることができ、窒素ガスの酸素濃度は、400ppm以下、好ましくは40ppm以下、さらに好ましくは2ppm以下にすることができる。ただし、不活性ガスは、窒素ガスと異なるガスであってもよく、例えば、アルゴンガスであってもよい。 The inert gas introduced into the apparatus 10 is, for example, nitrogen gas. The nitrogen gas is supplied, for example, from a nitrogen cylinder via a nitrogen purification device. In this example, the impurity concentration (e.g., moisture concentration or oxygen concentration) of the nitrogen gas can be reduced. For example, the moisture concentration of the nitrogen gas can be reduced to 400 ppm or less, preferably 40 ppm or less, and more preferably 2 ppm or less, and the oxygen concentration of the nitrogen gas can be reduced to 400 ppm or less, preferably 40 ppm or less, and more preferably 2 ppm or less. However, the inert gas may be a gas other than nitrogen gas, such as argon gas.
さらに、粉砕部200を動作させる。具体的には、回転テーブル212を回転軸Rの周りに回転させ、各ボール214を回転軸R1の周りに回転させ、押圧部216によって複数のボール214を回転テーブル212に向けて押圧する。粉砕部200の動作は、第1収容部310から粉砕部200へ複数種の無機化合物(A1)を供給する前又は供給した後に開始してもよいし、又は第1収容部310から粉砕部200へ複数種の無機化合物(A1)を供給しながら開始してもよい。粉砕部200は、以下のようにして、複数種の無機化合物(A1)を、機械的エネルギーによってガラス化することと、ガラス化された複数種の無機化合物(A1)を、送風部100から送られた不活性ガスによって吹き上げることと、を繰り返す。 Furthermore, the pulverizing unit 200 is operated. Specifically, the turntable 212 is rotated around the rotation axis R, each ball 214 is rotated around the rotation axis R1, and the pressing unit 216 presses the multiple balls 214 toward the turntable 212. The operation of the pulverizing unit 200 may be initiated before or after the multiple inorganic compounds (A1) are supplied from the first storage unit 310 to the pulverizing unit 200, or may be initiated while the multiple inorganic compounds (A1) are being supplied from the first storage unit 310 to the pulverizing unit 200. The pulverizing unit 200 repeatedly vitrifies the multiple inorganic compounds (A1) using mechanical energy and blows up the vitrified multiple inorganic compounds (A1) using the inert gas sent from the blower unit 100, as follows.
まず、図3において材料供給管204から回転テーブル212に向けて延びる黒矢印で示すように、第1収容部310から供給された複数種の無機化合物(A1)は、材料供給管204を経由して、回転テーブル212の中心又はその周辺(回転軸R及びその周辺)上に到達する。 First, as shown by the black arrows extending from the material supply pipe 204 toward the turntable 212 in Figure 3, multiple types of inorganic compounds (A1) supplied from the first container 310 travel through the material supply pipe 204 and reach the center of the turntable 212 or its periphery (rotation axis R and its periphery).
その後、図3において回転テーブル212の中心(回転軸R)の周辺から両側に向けて延びる2本の黒矢印で示すように、複数種の無機化合物(A1)は、回転テーブル212の回転によって生じる遠心力によって回転テーブル212の中心(回転軸R)からボール214に向けて移動し、回転テーブル212とボール214の間の隙間に入り込む。回転テーブル212とボール214の間の隙間に入り込んだ複数種の無機化合物(A1)は、機械的エネルギーによってガラス化される。具体的には、回転テーブル212とボール214の間の隙間に入り込んだ複数種の無機化合物(A1)には、ボール214の回転と、押圧部216による回転テーブル212へのボール214の押圧と、によって、せん断応力及び圧縮応力が加えられる。当該せん断応力及び当該圧縮応力によって、複数種の無機化合物(A1)はガラス化される。すなわち、複数種の無機化合物(A1)に対して、メカニカルミリングが施されている。 3 , as indicated by the two black arrows extending in both directions from the periphery of the center (rotation axis R) of the turntable 212, the multiple inorganic compounds (A1) move from the center (rotation axis R) of the turntable 212 toward the balls 214 due to centrifugal force generated by the rotation of the turntable 212, and enter the gap between the turntable 212 and the balls 214. The multiple inorganic compounds (A1) that have entered the gap between the turntable 212 and the balls 214 are vitrified by mechanical energy. Specifically, shear stress and compressive stress are applied to the multiple inorganic compounds (A1) that have entered the gap between the turntable 212 and the balls 214 due to the rotation of the balls 214 and the pressing of the balls 214 against the turntable 212 by the pressing unit 216. The multiple inorganic compounds (A1) are vitrified by this shear stress and compressive stress. In other words, the multiple inorganic compounds (A1) are subjected to mechanical milling.
図3において回転テーブル212、複数のボール214及び押圧部216の両側に位置する2本の白矢印で示すように、回転テーブル212の外側では、粉砕部200の下方から上方に向けて不活性ガスの流れが生じている。この流れは、送風部100から粉砕部200のガス入口202を経由して送られた不活性ガスによって生じている。図3において複数のボール214及び押圧部216の両側に位置する2本の黒矢印で示すように、ガラス化された複数種の無機化合物(A1)は、不活性ガスによって吹き上げられる。この時送風部100のモータの回転数はインバーター106によって低く抑えられており、これによって送風部100から粉砕部200に送られる不活性ガスの流量を低く抑え、無機化合物(A1)がなるべく材料排出管206から出ていかないようにする。 As shown by the two white arrows on either side of the turntable 212, the balls 214, and the pressing unit 216 in Figure 3, a flow of inert gas is generated outside the turntable 212 from below to above the pulverizing unit 200. This flow is caused by inert gas sent from the blower unit 100 via the gas inlet 202 of the pulverizing unit 200. As shown by the two black arrows on either side of the balls 214 and the pressing unit 216 in Figure 3, the vitrified inorganic compounds (A1) are blown upward by the inert gas. At this time, the rotation speed of the motor of the blower unit 100 is kept low by the inverter 106, which keeps the flow rate of inert gas sent from the blower unit 100 to the pulverizing unit 200 low and minimizes the inorganic compounds (A1) from escaping through the material discharge pipe 206.
図3において押圧部216上において回転テーブル212の外側から回転テーブル212の中心に向けて延びる2本の黒矢印で示すように、不活性ガスによって吹き上げられた複数種の無機化合物(A1)の一部は、押圧部216の上方において回転テーブル212の外側から回転テーブル212の中心に向けて移動する。この複数種の無機化合物(A1)は、材料供給管204から供給された複数種の無機化合物(A1)と同様にして、回転テーブル212の中心又はその周辺(回転軸R及びその周辺)上に到達する。その後、複数種の無機化合物(A1)は、上述した態様と同様の態様によって、メカニカルミリングを施される。 As shown by the two black arrows extending from the outside of the turntable 212 toward the center of the turntable 212 above the pressing unit 216 in Figure 3, some of the multiple inorganic compounds (A1) blown up by the inert gas move from the outside of the turntable 212 toward the center of the turntable 212 above the pressing unit 216. Similar to the multiple inorganic compounds (A1) supplied from the material supply pipe 204, these multiple inorganic compounds (A1) reach the center of the turntable 212 or its vicinity (rotation axis R and its vicinity). The multiple inorganic compounds (A1) are then subjected to mechanical milling in a manner similar to that described above.
図3において押圧部216の上方において押圧部216の上方に向けて延びる2本の黒矢印で示すように、不活性ガスによって吹き上げられた複数種の無機化合物(A1)の他の一部は、回転テーブル212に戻らずに材料排出管206内に入り込むことがある。例えば、粒子径の小さい複数種の無機化合物(A1)は、回転テーブル212に戻らずに材料排出管206内に入り込みやすい。材料排出管206に入り込んだ複数種の無機化合物(A1)は、配管Pcを経由して第1回収部300に送られ、第1回収部300から配管Pdを経由して粉砕部200の材料供給管204に送られ、回転テーブル212に戻る。したがって、材料排出管206に入り込んだ複数種の無機化合物(A1)であっても、粉砕部200によって再びメカニカルミリングを施すことができる。 As shown by the two black arrows extending above the pressing unit 216 in FIG. 3 , some of the inorganic compounds (A1) blown up by the inert gas may enter the material discharge pipe 206 without returning to the turntable 212. For example, inorganic compounds (A1) with small particle sizes tend to enter the material discharge pipe 206 without returning to the turntable 212. The inorganic compounds (A1) that enter the material discharge pipe 206 are sent to the first recovery unit 300 via pipe Pc, and from the first recovery unit 300 are sent to the material supply pipe 204 of the milling unit 200 via pipe Pd, returning to the turntable 212. Therefore, even the inorganic compounds (A1) that enter the material discharge pipe 206 can be mechanically milled again by the milling unit 200.
粉砕部200のメカニカルミリングが行われている間、上述したように、系S、すなわち、送風部100から配管Pa、バッファタンク110、配管Pb、粉砕部200、配管Pc、第1回収部300及び配管Piを経由して送風部100にかけての系は、不活性ガスを循環させ、かつ外部から閉じている。したがって、複数種の無機化合物(A1)と空気との接触を低減することができる。 As described above, while mechanical milling is being performed in the milling section 200, system S, i.e., the system extending from the blower section 100 via piping Pa, buffer tank 110, piping Pb, milling section 200, piping Pc, first recovery section 300, and piping Pi to the blower section 100, circulates inert gas and is closed off from the outside. This reduces contact between the multiple inorganic compounds (A1) and the air.
粉砕部200によって複数種の無機化合物(A1)にメカニカルミリングが施されることで、複数種の無機化合物(A1)はガラス化され、複数種の無機化合物(A1)から無機材料(A)が製造される。 The grinding section 200 mechanically mills the multiple inorganic compounds (A1), vitrifying the multiple inorganic compounds (A1), and producing the inorganic material (A) from the multiple inorganic compounds (A1).
図4は、図3の変形例を示す図である。 Figure 4 shows a modified example of Figure 3.
粉砕部200は、カバー部220をさらに有している。カバー部220は、押圧部216の上方に位置している。図4においてカバー部220に沿って延伸する白矢印で示すように、カバー部220は、複数種の無機化合物(A1)を吹き上げる不活性ガスの流れを、粉砕部200の中心(回転テーブル212の回転軸R)かつ粉砕部200の下方に向けている。この場合、カバー部220が設けられていない場合と比較して、不活性ガスによって吹き上げられて材料排出管206に入り込む複数種の無機化合物(A1)の量を減少させることができ、かつ不活性ガスによって吹き上げられて回転テーブル212に戻る複数種の無機化合物(A1)の量を増加させることができる。したがって、カバー部220が設けられていない場合と比較して、粉砕部200のメカニカルミリングの効率を向上させることができる。 The pulverizing unit 200 further includes a cover unit 220. The cover unit 220 is located above the pressing unit 216. As shown by the white arrows extending along the cover unit 220 in FIG. 4 , the cover unit 220 directs the flow of inert gas blowing up the multiple inorganic compounds (A1) toward the center of the pulverizing unit 200 (the rotation axis R of the turntable 212) and below the pulverizing unit 200. In this case, compared to when the cover unit 220 is not provided, the amount of multiple inorganic compounds (A1) blown up by the inert gas and entering the material discharge pipe 206 can be reduced, and the amount of multiple inorganic compounds (A1) blown up by the inert gas and returning to the turntable 212 can be increased. Therefore, the efficiency of mechanical milling in the pulverizing unit 200 can be improved compared to when the cover unit 220 is not provided.
次に、無機材料(A)を装置10の外部に取り出す方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for removing inorganic material (A) from the device 10 will be described.
バルブVc2を閉じ、バルブVf1及びバルブVg1を開き、送風部100のモータに接続されているインバーター106を制御し送風部100のモータの回転数を上げることで、粉砕部200のガス入口202に送られる不活性ガスの流量を増加させる(この段階において、バルブVh1及びバルブVh2は閉じている。)。粉砕部200のガス入口202に送られる不活性ガスの流量が増加することで、粉砕部200内において不活性ガスによって吹き上げられた無機材料(A)は、回転テーブル212にほとんど又は全く戻ることなく、材料排出管206内に送られる。材料排出管206内に送られた無機材料(A)は、配管Pc及び配管Pfを経由して第2回収部400の吸引口402に入り込む。これによって、無機材料(A)は、第2回収部400によって回収される。次いで、バルブVh1及びバルブVh2を開く。これによって、第2回収部400によって回収された無機材料(A)は、配管Phを経由して第2収容部410に入り込む。次いで、バルブVh1及びバルブVh2を閉じる。次いで、第2収容部410を配管Phから取り外す。この場合、バルブVh1及びバルブVh2が閉じていることで、配管Phの内部が大気(空気)に暴露されないようにすることができる。再び第2収容部410を配管Phに取り付ける際は、配管Ph内に入り込んだ大気は、配管Phに接続されたラインLhで不活性ガスに置換することができる。これによって、無機材料(A)が配管Phを通過する際、無機材料(A)が大気(空気)に暴露されないようにすることができる。 Valve Vc2 is closed, valves Vf1 and Vg1 are opened, and the inverter 106 connected to the motor of the blower unit 100 is controlled to increase the rotation speed of the motor, thereby increasing the flow rate of inert gas sent to the gas inlet 202 of the pulverizer unit 200 (valves Vh1 and Vh2 are closed at this stage). By increasing the flow rate of inert gas sent to the gas inlet 202 of the pulverizer unit 200, the inorganic material (A) blown up by the inert gas within the pulverizer unit 200 is sent into the material discharge pipe 206 with little or no material returning to the turntable 212. The inorganic material (A) sent into the material discharge pipe 206 flows through pipes Pc and Pf into the suction port 402 of the second recovery unit 400. As a result, the inorganic material (A) is recovered by the second recovery unit 400. Next, valves Vh1 and Vh2 are opened. As a result, the inorganic material (A) recovered by the second recovery unit 400 flows into the second storage unit 410 via the pipe Ph. Next, valves Vh1 and Vh2 are closed. Next, the second storage unit 410 is removed from the pipe Ph. In this case, by closing valves Vh1 and Vh2, the interior of the pipe Ph is prevented from being exposed to the atmosphere (air). When the second storage unit 410 is reattached to the pipe Ph, the atmosphere that has entered the pipe Ph can be replaced with an inert gas through line Lh connected to the pipe Ph. This prevents the inorganic material (A) from being exposed to the atmosphere (air) as it passes through the pipe Ph.
次に、減圧部500の動作の一例を説明する。 Next, an example of the operation of the pressure reduction unit 500 will be described.
粉砕部200の内部は、例えば粉砕部200の内部部品(例えば、回転テーブル212、ボール214又は押圧部216)の洗浄によって、大気(気体)に暴露されることがある。この場合、減圧部500によって粉砕部200の内部の圧力を低減することで、粉砕部200の内部の空気を抜くことができる。例えば、複数のバルブVb1、バルブVc1、バルブVd1及びバルブVn1を閉じ、バルブVl1及びバルブVm1を開いて、減圧部500を動作させることができる。 The interior of the pulverization unit 200 may be exposed to the atmosphere (gas), for example, when cleaning the internal components of the pulverization unit 200 (e.g., the turntable 212, ball 214, or pressing unit 216). In this case, the pressure inside the pulverization unit 200 can be reduced using the pressure reduction unit 500 to remove the air from inside the pulverization unit 200. For example, the pressure reduction unit 500 can be operated by closing multiple valves Vb1, Vc1, Vd1, and Vn1 and opening valves Vl1 and Vm1.
このような装置を用いて製造された硫化物系無機固体電解質材料は、装置内壁面に付着することなく回収することができる。そのため、硫化物系無機固体電解質材料中の未反応の原料組成物を少なくすることができ、結果的に製造バッチごとのリチウムイオン伝導性のバラつきが少なく、安定性に優れる硫化物系無機固体電解質材料を製造することができる。 Sulfide-based inorganic solid electrolyte material produced using such an apparatus can be recovered without adhering to the inner wall surfaces of the apparatus. This reduces the amount of unreacted raw material composition in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material, resulting in less variation in lithium ion conductivity between production batches and the production of sulfide-based inorganic solid electrolyte material with excellent stability.
(粉砕、分級、または造粒する工程(C))
本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の製造方法では、必要に応じて、得られた硫化物系無機固体電解質材料を粉砕、分級、または造粒する工程をさらにおこなってもよい。例えば、粉砕により微粒子化し、その後、分級操作や造粒操作によって粒子径を調整することにより、所望の粒子径を有する硫化物系無機固体電解質材料を得ることができる。上記粉砕方法としては特に限定されず、ミキサー、気流粉砕、乳鉢、回転ミル、コーヒーミル等公知の粉砕方法を用いることができる。また、上記分級方法としては特に限定されず、篩等公知の方法を用いることができる。
これらの粉砕または分級は、空気中の水分との接触を防ぐことができる点から、不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で行うことが好ましい。
(Pulverizing, classifying, or granulating step (C))
In the method for producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment, the obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material may further be subjected to a step of pulverizing, classifying, or granulating, if necessary. For example, a sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a desired particle size can be obtained by pulverizing the material to obtain fine particles, and then adjusting the particle size by a classification or granulation operation. The pulverizing method is not particularly limited, and known pulverizing methods such as a mixer, airflow pulverizer, mortar, rotary mill, and coffee mill can be used. The classification method is also not particularly limited, and known methods such as a sieve can be used.
The pulverization or classification is preferably carried out in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere, since this can prevent contact with moisture in the air.
[固体電解質膜]
次に、本実施形態に係る固体電解質膜について説明する。
本実施形態に係る固体電解質膜は、前述した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料を主成分として含む固体電解質膜である。
[Solid electrolyte membrane]
Next, the solid electrolyte membrane according to this embodiment will be described.
The solid electrolyte membrane according to this embodiment is a solid electrolyte membrane containing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment described above as a main component.
本実施形態に係る固体電解質膜は、例えば、全固体型リチウムイオン電池を構成する固体電解質層に用いられる。
本実施形態に係る固体電解質膜を適用した全固体型リチウムイオン電池の例としては、正極層と、固体電解質層と、負極層とがこの順番に積層されたものが挙げられる。この場合、固体電解質層が固体電解質膜により構成されたものである。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment is used, for example, as a solid electrolyte layer constituting an all-solid-state lithium ion battery.
An example of an all-solid-state lithium ion battery using the solid electrolyte membrane according to this embodiment is one in which a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer are stacked in this order, where the solid electrolyte layer is made of a solid electrolyte membrane.
本実施形態に係る固体電解質膜の平均厚みは、好ましくは5μm以上500μm以下であり、より好ましくは10μm以上200μm以下であり、さらに好ましくは20μm以上100μm以下である。上記固体電解質膜の平均厚みが上記下限値以上であると、硫化物系無機固体電解質材料の欠落や、固体電解質膜表面のクラックの発生をより一層抑制できる。また、上記固体電解質膜の平均厚みが上記上限値以下であると、固体電解質膜のインピーダンスをより一層低下させることができる。その結果、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性をより一層向上できる。 The average thickness of the solid electrolyte membrane according to this embodiment is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably 10 μm or more and 200 μm or less, and even more preferably 20 μm or more and 100 μm or less. When the average thickness of the solid electrolyte membrane is equal to or greater than the above-mentioned lower limit, chipping of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material and the occurrence of cracks on the surface of the solid electrolyte membrane can be further suppressed. Furthermore, when the average thickness of the solid electrolyte membrane is equal to or less than the above-mentioned upper limit, the impedance of the solid electrolyte membrane can be further reduced. As a result, the battery characteristics of the resulting all-solid-state lithium-ion battery can be further improved.
本実施形態に係る固体電解質膜は、粉末状の硫化物系無機固体電解質材料の加圧成形体であることが好ましい。すなわち、粒子状の無機固体電解質材料を加圧し、無機固体電解質材料同士のアンカー効果で一定の強度を有する固体電解質膜とすることが好ましい。
加圧成形体とすることにより、無機固体電解質材料同士の結合が起こり、得られる固体電解質膜の強度はより一層高くなる。その結果、無機固体電解質材料の欠落や、無機固体電解質材料表面のクラックの発生をより一層抑制できる。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment is preferably a pressure-molded body of a powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material. That is, it is preferable to pressurize particulate inorganic solid electrolyte material to form a solid electrolyte membrane having a certain strength due to the anchoring effect between the inorganic solid electrolyte material particles.
By forming the inorganic solid electrolyte into a compact, bonding between the inorganic solid electrolyte materials occurs, and the strength of the resulting solid electrolyte membrane is further increased, which further suppresses chipping of the inorganic solid electrolyte material and cracks on the surface of the inorganic solid electrolyte material.
本実施形態に係る固体電解質膜中の上記した本実施形態に係る硫化物系無機固体電解質材料の含有量は、固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、好ましくは98質量%以上、より好ましくは99質量%以上、さらに好ましくは100質量%である。これにより、無機固体電解質材料間の接触性が改善され、固体電解質膜の界面接触抵抗を低下させることができる。その結果、固体電解質膜のリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。そして、このようなリチウムイオン伝導性に優れた固体電解質膜を用いることにより、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性をより一層向上できる。 The content of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to this embodiment in the solid electrolyte membrane according to this embodiment is preferably 98% by mass or more, more preferably 99% by mass or more, and even more preferably 100% by mass, when the entire solid electrolyte membrane is taken as 100% by mass. This improves contact between the inorganic solid electrolyte materials and reduces the interfacial contact resistance of the solid electrolyte membrane. As a result, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte membrane can be further improved. Furthermore, by using such a solid electrolyte membrane with excellent lithium ion conductivity, the battery characteristics of the resulting all-solid-state lithium ion battery can be further improved.
固体電解質膜の平面形状は、特に限定されず、電極層や集電体層の形状に合わせて適宜選択することが可能であるが、例えば、矩形とすることができる。 The planar shape of the solid electrolyte membrane is not particularly limited and can be selected appropriately to match the shapes of the electrode layers and current collector layers, but it can be rectangular, for example.
また、本実施形態に係る固体電解質膜にはバインダー樹脂が含まれてもよいが、バインダー樹脂の含有量は、固体電解質膜の全体を100質量%としたとき、好ましくは0.5質量%未満、より好ましくは0.1質量%以下、さらに好ましくは0.05質量%以下、さらにより好ましくは0.01質量%以下である。また、本実施形態に係る固体電解質膜は、バインダー樹脂を実質的に含まないことがさらにより好ましく、バインダー樹脂を含まないことが最も好ましい。
これにより、固体電解質材料間の接触性が改善され、固体電解質膜の界面接触抵抗を低下させることができる。その結果、固体電解質膜のリチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。そして、このようなリチウムイオン伝導性に優れた固体電解質膜を用いることにより、得られる全固体型リチウムイオン電池の電池特性を向上できる。
なお、「バインダー樹脂を実質的に含まない」とは、本実施形態の効果が損なわれない程度には含有してもよいことを意味する。また、固体電解質層と正極層または負極層との間に粘着性樹脂層を設ける場合、固体電解質層と粘着性樹脂層との界面近傍に存在する粘着性樹脂層由来の粘着性樹脂は、「固体電解質膜中のバインダー樹脂」から除かれる。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment may contain a binder resin, but the content of the binder resin is preferably less than 0.5 mass %, more preferably 0.1 mass % or less, even more preferably 0.05 mass % or less, and even more preferably 0.01 mass % or less, when the entire solid electrolyte membrane is taken as 100 mass %. It is even more preferable that the solid electrolyte membrane according to this embodiment does not substantially contain a binder resin, and most preferably does not contain a binder resin.
This improves the contact between the solid electrolyte materials and reduces the interfacial contact resistance of the solid electrolyte membrane. As a result, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte membrane can be further improved. Furthermore, by using such a solid electrolyte membrane with excellent lithium ion conductivity, the battery characteristics of the resulting all-solid-state lithium ion battery can be improved.
The phrase "substantially free of binder resin" means that the binder resin may be contained to an extent that does not impair the effects of the present embodiment. In addition, when an adhesive resin layer is provided between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer or the negative electrode layer, the adhesive resin originating from the adhesive resin layer present in the vicinity of the interface between the solid electrolyte layer and the adhesive resin layer is excluded from the "binder resin in the solid electrolyte membrane."
上記バインダー樹脂とは固体電解質材料間を結着させるために、リチウムイオン電池に一般的に使用される結着剤のことをいい、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン・ブタジエン系ゴム、ポリイミド等が挙げられる。 The binder resin mentioned above refers to a binder commonly used in lithium-ion batteries to bind solid electrolyte materials together, and examples include polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, and polyimide.
本実施形態に係る固体電解質膜は、例えば、粉末状の硫化物系無機固体電解質材料を金型のキャビティ表面上または基材表面上に膜状に堆積させ、次いで、膜状に堆積した硫化物系無機固体電解質材料を加圧することにより得ることができる。
上記硫化物系無機固体電解質材料を加圧する方法は特に限定されず、例えば、金型のキャビティ表面上に粉末状の硫化物系無機固体電解質材料を堆積させた場合は金型と押し型によるプレス、粉末状の硫化物系無機固体電解質材料を基材表面上に堆積させた場合は金型と押し型によるプレスやロールプレス、平板プレス等を用いることができる。
硫化物系無機固体電解質材料を加圧する圧力は、例えば、10MPa以上500MPa以下である。
The solid electrolyte membrane according to this embodiment can be obtained, for example, by depositing a powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material in the form of a film on the cavity surface of a mold or on the surface of a substrate, and then pressurizing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material deposited in the form of a film.
The method for pressing the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is not particularly limited. For example, when the powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material is deposited on the cavity surface of a mold, pressing with a mold and a stamping die can be used; when the powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material is deposited on the surface of a substrate, pressing with a mold and a stamping die, roll pressing, flat plate pressing, etc. can be used.
The pressure to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is applied is, for example, 10 MPa or more and 500 MPa or less.
また、必要に応じて、膜状に堆積した硫化物系無機固体電解質材料を加圧するとともに加熱してもよい。加熱加圧を行えば硫化物系無機固体電解質材料同士の融着・結合が起こり、得られる固体電解質膜の強度はより一層高くなる。その結果、硫化物系無機固体電解質材料の欠落や、硫化物系無機固体電解質材料表面のクラックの発生をより一層抑制できる。
硫化物系無機固体電解質材料を加熱する温度は、例えば、40℃以上500℃以下である。
If necessary, the sulfide-based inorganic solid electrolyte material deposited in the form of a film may be heated and pressurized. Heating and pressurizing causes fusion and bonding of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material to each other, further increasing the strength of the resulting solid electrolyte film. As a result, chipping of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material and the occurrence of cracks on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material can be further suppressed.
The temperature to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is heated is, for example, 40°C or higher and 500°C or lower.
[全固体型リチウムイオン電池]
つぎに、本実施形態に係る全固体型リチウムイオン電池600について説明する。図5は、本発明に係る実施形態の全固体型リチウムイオン電池600の構造の一例を模式的に示した断面図である。本実施形態に係る全固体型リチウムイオン電池600はリチウムイオン二次電池であるが、リチウムイオン一次電池であってもよい。
[All-solid-state lithium-ion battery]
Next, an all-solid-state lithium-ion battery 600 according to this embodiment will be described. Fig. 5 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the all-solid-state lithium-ion battery 600 according to an embodiment of the present invention. The all-solid-state lithium-ion battery 600 according to this embodiment is a lithium-ion secondary battery, but may also be a lithium-ion primary battery.
本実施形態に係る全固体型リチウムイオン電池600は、正極層610と、固体電解質層620と、負極層630とがこの順番に積層されてなる。そして、固体電解質層620が、本実施形態に係る固体電解質膜により構成されたものである。
また、実施形態に係る全固体型リチウムイオン電池600は、正極層610と、固体電解質層620と、負極層630とにより構成される単位セルを2つ以上積層させることにより、バイポーラ型リチウムイオン電池とすることもできる。
全固体型リチウムイオン電池600の形状は特に限定されず、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状が挙げられる。
The all-solid-state lithium-ion battery 600 according to this embodiment is formed by laminating, in this order, a positive electrode layer 610, a solid electrolyte layer 620, and a negative electrode layer 630. The solid electrolyte layer 620 is formed from the solid electrolyte membrane according to this embodiment.
Moreover, the all-solid-state lithium-ion battery 600 according to the embodiment can also be made into a bipolar lithium-ion battery by stacking two or more unit cells each composed of a positive electrode layer 610, a solid electrolyte layer 620, and a negative electrode layer 630.
The shape of the all-solid-state lithium ion battery 600 is not particularly limited, and may be a cylindrical shape, a coin shape, a square shape, a film shape, or any other shape.
本実施形態に係る全固体型リチウムイオン電池600は、一般的に公知の方法に準じて製造される。例えば、正極層610と、固体電解質層620と、負極層630とを重ねたものを、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状に形成することにより作製される。 The all-solid-state lithium-ion battery 600 according to this embodiment is manufactured in accordance with a generally known method. For example, it is produced by stacking a positive electrode layer 610, a solid electrolyte layer 620, and a negative electrode layer 630, and forming the stack into a cylindrical, coin-shaped, rectangular, film-shaped, or other arbitrary shape.
正極層610は特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池に一般的に用いられている正極を使用することができる。正極層610は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、正極活物質を含む正極活物質層をアルミ箔等の集電体上に形成することにより得ることができる。
正極活物質層の厚みや密度は、電池の使用用途等に応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The positive electrode layer 610 is not particularly limited, and a positive electrode generally used in all-solid-state lithium-ion batteries can be used. The positive electrode layer 610 is not particularly limited, and can be manufactured according to a generally known method. For example, the positive electrode layer 610 can be obtained by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material on a current collector such as aluminum foil.
The thickness and density of the positive electrode active material layer are not particularly limited and can be determined appropriately depending on the intended use of the battery, and can be set in accordance with generally known information.
上記正極活物質層は正極活物質を含む。
正極活物質としては特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の正極層に使用可能な一般的に公知の正極活物質を用いることができる。例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)、固溶体酸化物(Li2MnO3-LiMO2(M=Co、Ni等))、リチウム-マンガン-ニッケル酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、オリビン型リチウムリン酸化物(LiFePO4)等の複合酸化物;ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子;Li2S、CuS、Li-Cu-S化合物、TiS2、FeS、MoS2、Li-Mo-S化合物、Li-Ti-S化合物、Li-V-S化合物等の硫化物系正極活物質;硫黄を含浸したアセチレンブラック、硫黄を含浸した多孔質炭素、硫黄と炭素の混合粉等の硫黄を活物質とした材料;等を用いることができる。これらの正極活物質は1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
これらの中でも、より高い放電容量密度を有し、かつ、サイクル特性により優れる観点から、硫化物系正極活物質が好ましく、Li-Mo-S化合物、Li-Ti-S化合物、Li-V-S化合物から選択される一種または二種以上がより好ましい。
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material.
The positive electrode active material is not particularly limited, and may be any commonly known positive electrode active material that can be used for the positive electrode layer of an all-solid-state lithium-ion battery. For example, composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), solid solution oxides (Li 2 MnO 3 -LiMO 2 (M=Co, Ni, etc.)), lithium-manganese-nickel oxide (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2), and olivine-type lithium phosphate oxide (LiFePO 4 ); conductive polymers such as polyaniline and polypyrrole; Li 2 S, CuS, Li-Cu-S compounds, TiS 2 , FeS, and MoS 2 . Examples of the positive electrode active materials that can be used include sulfide-based positive electrode active materials such as Li-Mo-S compounds, Li-Ti-S compounds, and Li-V-S compounds; and materials using sulfur as an active material, such as sulfur-impregnated acetylene black, sulfur-impregnated porous carbon, and mixed powder of sulfur and carbon. These positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
Among these, sulfide-based positive electrode active materials are preferred from the viewpoint of having a higher discharge capacity density and having better cycle characteristics, and one or more selected from Li—Mo—S compounds, Li—Ti—S compounds, and Li—V—S compounds are more preferred.
ここで、Li-Mo-S化合物は構成元素としてLi、Mo、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるモリブデン硫化物および硫化リチウムをメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
また、Li-Ti-S化合物は構成元素としてLi、Ti、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるチタン硫化物と硫化リチウムをメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
Li-V-S化合物は構成元素としてLi、V、およびSを含んでいるものであり、通常は原料であるバナジウム硫化物と硫化リチウムをメカノケミカル処理等の混合粉砕することにより得ることができる。
Here, the Li-Mo-S compound contains Li, Mo, and S as constituent elements, and can usually be obtained by mixing and grinding the raw materials molybdenum sulfide and lithium sulfide using a mechanochemical treatment or the like.
In addition, the Li-Ti-S compound contains Li, Ti, and S as constituent elements, and can usually be obtained by mixing and grinding the raw materials titanium sulfide and lithium sulfide using a mechanochemical treatment or the like.
The Li-V-S compound contains Li, V, and S as constituent elements, and can usually be obtained by mixing and grinding the raw materials vanadium sulfide and lithium sulfide using a mechanochemical treatment or the like.
上記正極活物質層は特に限定されないが、正極活物質以外の成分として、例えば、固体電解質材料、バインダー、導電助剤等から選択される一種または二種以上の材料を含んでもよい。
正極活物質層中の各種材料の配合割合は、電池の使用用途等に応じて、適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The positive electrode active material layer is not particularly limited, and may contain, as a component other than the positive electrode active material, one or more materials selected from, for example, a solid electrolyte material, a binder, a conductive additive, and the like.
The blending ratio of the various materials in the positive electrode active material layer is not particularly limited and can be determined appropriately depending on the intended use of the battery, and can be set in accordance with generally known information.
負極層630は特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池に一般的に用いられているものを使用することができる。負極層630は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、負極活物質を含む負極活物質層を銅箔等の集電体上に形成することにより得ることができる。
負極活物質層の厚みや密度は、電池の使用用途等に応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The anode layer 630 is not particularly limited, and any anode layer commonly used in all-solid-state lithium-ion batteries can be used. The anode layer 630 is not particularly limited, and can be manufactured according to a commonly known method. For example, the anode layer 630 can be obtained by forming an anode active material layer containing an anode active material on a current collector such as copper foil.
The thickness and density of the negative electrode active material layer are not particularly limited and can be determined appropriately depending on the intended use of the battery, and can be set in accordance with generally known information.
上記負極活物質層は負極活物質を含む。
負極活物質としては特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の負極層に使用可能な一般的に公知の負極活物質を用いることができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素質材料;スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、ガリウム、ガリウム合金、インジウム、インジウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を主体とした金属系材料;ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー;金属リチウム;リチウムチタン複合酸化物(例えばLi4Ti5O12)等が挙げられる。これらの負極活物質は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material.
The negative electrode active material is not particularly limited, and generally known negative electrode active materials that can be used in the negative electrode layer of all-solid-state lithium-ion batteries can be used. Examples include carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, resin carbon, carbon fiber, activated carbon, hard carbon, and soft carbon; metal-based materials mainly composed of tin, tin alloys, silicon, silicon alloys, gallium, gallium alloys, indium, indium alloys, aluminum, and aluminum alloys; conductive polymers such as polyacene, polyacetylene, and polypyrrole; metallic lithium; and lithium titanium composite oxides (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ). These negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
上記負極活物質層は特に限定されないが、負極活物質以外の成分として、例えば、固体電解質材料、バインダー、導電助剤等から選択される一種または二種以上の材料を含んでもよい。
負極活物質層中の各種材料の配合割合は、電池の使用用途等に応じて、適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
The negative electrode active material layer is not particularly limited, and may contain, as a component other than the negative electrode active material, one or more materials selected from, for example, a solid electrolyte material, a binder, a conductive additive, and the like.
The blending ratio of the various materials in the negative electrode active material layer is not particularly limited and can be determined appropriately depending on the intended use of the battery, and can be set in accordance with generally known information.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 The above describes embodiments of the present invention with reference to the drawings, but these are merely examples of the present invention, and various configurations other than those described above can also be adopted.
以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these.
<評価方法>
はじめに、以下の実施例および比較例における評価方法を説明する。
<Evaluation method>
First, the evaluation methods used in the following examples and comparative examples will be described.
(1)粒子径d50
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マルバーン社製、マスターサイザー3000)を用いて、レーザー回折散乱法により、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料の粒度分布を測定した。測定結果から、各硫化物系無機固体電解質材料について、体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(d50、粒子径)をそれぞれ求めた。
(1) Particle diameter d50
The particle size distribution of the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the examples and comparative examples was measured by a laser diffraction scattering method using a laser diffraction scattering particle size distribution analyzer (Malvern Instruments, Mastersizer 3000). From the measurement results, the particle size ( d50 , particle size) at 50% cumulative volume-based cumulative distribution was determined for each sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
(2)付着面積
実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料について、以下に示すふるいかけ試験を行った。以下、図6に硫化物系無機固体電解質材料740のふるいかけの模式図を、図7にジルコミアボール780により衝撃を与える模式図を示す。以降の説明は、図6および図7を参照して説明する。
JIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaが0.020μm、最大高さRzが0.16μm、十点平均粗さRzjisが0.14μmのSUS304を、縦8cm×横9cmとなるように切断加工し、SUS304プレート710とした。その後、上記SUS304プレートを、水平面720に対する設置角度730が45°となるようにテーブル上に設置した。次いで、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料740 10gを、目開き250μmの篩750を用いて、上記水平面720からの高さ760が10cmとなる位置から、硫化物系無機固体電解質材料740がSUS304プレート710全体にふるいかかるようにふるい落とした。さらに、SUS304プレート710の上端からの高さ770が5cmとなる位置から、47gのジルコニアボール780(ニッカトー社製、直径2.5cmの真球状)を、SUS304プレート710の上端のみに当たり、SUS304プレート710の硫化物系無機固体電解質材料740が付着した面には当たらないように3回落とすことで、SUS304プレート710に衝撃を加えた。最後に、衝撃が加わった後のSUS304プレート710の硫化物系無機固体電解質材料740が付着した面をカメラにて撮影し、その写真を画像処理ソフトPaint.net(v4.2.16)にて粉付着部と未付着部に分離、画像解析ソフトImageJ(1.52a)にて粉付着部の面積を測定し、SUS304プレート710の片面の面積72cm2に対する割合(付着面積)を算出した。
図8に、実施例および比較例の硫化物系無機固体電解質材料を用いたふるいかけ試験後のSUS304プレートの様子および付着面積の算出結果を示す。
(2) Adhesion Area The sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the examples and comparative examples were subjected to the following sieving test. A schematic diagram of sieving a sulfide-based inorganic solid electrolyte material 740 is shown in FIG. 6 , and a schematic diagram of impacting the material with zirconia balls 780 is shown in FIG. 7 . The following description will be made with reference to FIGS. 6 and 7 .
SUS304 having an arithmetic mean roughness Ra of 0.020 μm, a maximum height Rz of 0.16 μm, and a ten-point mean roughness Rzjis of 0.14 μm measured in accordance with JIS B 0601 (2013) was cut to a length of 8 cm and a width of 9 cm to obtain a SUS304 plate 710. The SUS304 plate was then placed on a table so that the installation angle 730 relative to the horizontal plane 720 was 45°. Next, 10 g of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material 740 obtained in the examples and comparative examples was sieved off using a sieve 750 with a mesh size of 250 μm from a position where the height 760 from the horizontal plane 720 was 10 cm, so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material 740 was sieved over the entire SUS304 plate 710. Furthermore, a 47 g zirconia ball 780 (manufactured by Nikkato Corporation, spherical, 2.5 cm in diameter) was dropped three times from a position where the height 770 from the top end of the SUS304 plate 710 was 5 cm, so as to hit only the top end of the SUS304 plate 710 and not the surface of the SUS304 plate 710 to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material 740 was attached, thereby applying an impact to the SUS304 plate 710. Finally, the surface of the SUS304 plate 710 to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material 740 was attached after the impact was photographed with a camera, and the photograph was separated into a powder-adhered portion and an unadhered portion using image processing software Paint.net (v4.2.16), and the area of the powder-adhered portion was measured using image analysis software ImageJ (1.52a), and the ratio (adhered area) to the area of one side of the SUS304 plate 710, 72 cm 2, was calculated.
FIG. 8 shows the appearance of the SUS304 plate after the sieving test using the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials of the examples and comparative examples, and the calculation results of the adhesion area.
(3)ICP発光分光分析
ICP発光分光分析装置(セイコーインスツルメント社製、SPS3000)を用いて、ICP発光分光分析法により測定し、実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料中の各元素の質量%をそれぞれ求め、それに基づいて、各元素のモル比をそれぞれ計算した。
(3) ICP Optical Emission Spectroscopy Measurement was performed by ICP optical emission spectroscopy using an ICP optical emission spectroscopy analyzer (SPS3000, manufactured by Seiko Instruments Inc.) to determine the mass % of each element in the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the examples and comparative examples, and based on this, the molar ratio of each element was calculated.
(4)リチウムイオン伝導度の測定
実施例および比較例の硫化物系無機固体電解質材料をそれぞれ10バッチ用意し、各バッチにおいて交流インピーダンス法によるリチウムイオン伝導度の測定をおこなった。
リチウムイオン伝導度の測定は、バイオロジック社製のポテンショスタット/ガルバノスタットSP-300を用いた。試料の大きさはφ9.5mm、厚さ1.3mm、測定条件は、印加電圧10mV、測定温度27.0℃、測定周波数域0.1Hz~3MHz、電極はLi箔とした。
ここで、リチウムイオン伝導度測定用の試料としては、プレス装置を用いて、実施例および比較例で得られた粉末状の硫化物系無機固体電解質材料を290℃で2時間アニールした後、270MPa、10分間プレスして得られる厚さ1.3mmの板状の硫化物系無機固体電解質材料を用いた。
その後、実施例および比較例において、測定した硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度の10バッチの平均値を算出した。この10バッチの平均値を、各実施例および比較例における硫化物系無機固体電解質材料のリチウムイオン伝導度とした。
(4) Measurement of Lithium Ion Conductivity Ten batches of each of the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials of the Examples and Comparative Examples were prepared, and the lithium ion conductivity of each batch was measured by the AC impedance method.
The lithium ion conductivity was measured using a potentiostat/galvanostat SP-300 manufactured by Biologic Corp. The sample size was φ9.5 mm, thickness 1.3 mm, and the measurement conditions were an applied voltage of 10 mV, a measurement temperature of 27.0°C, a measurement frequency range of 0.1 Hz to 3 MHz, and a Li foil electrode.
Here, as the sample for measuring lithium ion conductivity, a plate-shaped sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a thickness of 1.3 mm was used, which was obtained by annealing the powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material obtained in the examples and comparative examples at 290°C for 2 hours using a press machine and then pressing it at 270 MPa for 10 minutes.
Thereafter, the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material measured in each of the Examples and Comparative Examples was averaged over 10 batches, and this average was used as the lithium ion conductivity of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material in each of the Examples and Comparative Examples.
(5)リチウムイオン伝導度の安定性の評価
実施例および比較例で得られた硫化物系無機固体電解質材料をそれぞれ10バッチ用意し、各バッチにおいて上記(4)で上述した交流インピーダンス法によるリチウムイオン伝導度の測定をおこなった。
つづいて、実施例および比較例において、測定したリチウムイオン伝導度の10バッチの平均値を算出した。その後、10バッチ中のリチウムイオン伝導度の安定性について、以下の3段階より評価を行った。
A:平均値の0.85倍以下1.15倍以上の測定値が無い
B:平均値の0.85倍以下1.15倍以上の測定値が1~2バッチある
C:平均値の0.85倍以下1.15倍以上の測定値が3バッチ以上ある
(5) Evaluation of Stability of Lithium Ion Conductivity Ten batches of each of the sulfide-based inorganic solid electrolyte materials obtained in the Examples and Comparative Examples were prepared, and the lithium ion conductivity of each batch was measured by the AC impedance method described above in (4).
Next, in each of the Examples and Comparative Examples, the average value of the lithium ion conductivity measured for 10 batches was calculated. Thereafter, the stability of the lithium ion conductivity in the 10 batches was evaluated according to the following three levels.
A: There are no measured values that are 0.85 times or less but 1.15 times or more of the average value. B: There are 1 to 2 batches of measured values that are 0.85 times or less but 1.15 times or more of the average value. C: There are 3 or more batches of measured values that are 0.85 times or less but 1.15 times or more of the average value.
<実施例1>
構成元素としてLi、PおよびSを含む粉末状の硫化物系無機固体電解質材料を以下の手順で作製した。
原料には、Li2S(古河機械金属社製、純度99.9%)、P2S5(関東化学社製)、およびLi3N(古河機械金属社製)をそれぞれ使用した。
つづいて、装置10(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:0.005μm、Rz:0.030μm、Rzjis:0.026μm)に各原料をLi2S:P2S5:Li3N=71.0:23.7:5.3(モル%)になるように投入し、70時間のメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
Example 1
A powdered sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing Li, P, and S as constituent elements was prepared by the following procedure.
The raw materials used were Li 2 S (manufactured by Furukawa Co., Ltd., purity 99.9%), P 2 S 5 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), and Li 3 N (manufactured by Furukawa Co., Ltd.).
Next, the raw materials were charged into the apparatus 10 (measured in accordance with JIS B 0601 (2013) for the inner wall surface of the apparatus: Ra: 0.005 μm, Rz: 0.030 μm, Rzjis: 0.026 μm) so as to give a ratio of Li 2 S:P 2 S 5 :Li 3 N = 71.0:23.7:5.3 (mol %), and mechanical milling was carried out for 70 hours to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例1>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:3.0μm、Rz:18.8μm、Rzjis:17μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 3.0 μm, Rz: 18.8 μm, Rzjis: 17 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例2>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:1.5μm、Rz:7.0μm、Rzjis:6.1μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
<Comparative Example 2>
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 1.5 μm, Rz: 7.0 μm, Rzjis: 6.1 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例3>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:1.0μm、Rz:5.7μm、Rzjis:4.6μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
<Comparative Example 3>
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 1.0 μm, Rz: 5.7 μm, Rzjis: 4.6 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例4>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:0.5μm、Rz:2.4μm、Rzjis:2.1μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
<Comparative Example 4>
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 0.5 μm, Rz: 2.4 μm, Rzjis: 2.1 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例5>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:0.3μm、Rz:1.6μm、Rzjis:1.2μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
Comparative Example 5
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 0.3 μm, Rz: 1.6 μm, Rzjis: 1.2 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例6>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:0.1μm、Rz:0.6μm、Rzjis:0.5μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
<Comparative Example 6>
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 0.1 μm, Rz: 0.6 μm, Rzjis: 0.5 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
<比較例7>
原料は、実施例1と同様のものを用いた。
つづいて、実施例1における装置10を従来の装置(JIS B 0601(2013)に従って測定した装置内壁面のRa:0.05μm、Rz:0.29μm、Rzjis:0.24μm)に変更した以外は、実施例1と同様の条件にてメカニカルミリングを行い、硫化物系無機固体電解質材料を得た。
得られた硫化物系無機固体電解質材料について各評価をおこなった。得られた結果を表1に示す。
Comparative Example 7
The raw materials used were the same as those in Example 1.
Next, mechanical milling was performed under the same conditions as in Example 1, except that the apparatus 10 in Example 1 was changed to a conventional apparatus (Ra: 0.05 μm, Rz: 0.29 μm, Rzjis: 0.24 μm of the apparatus inner wall surface measured in accordance with JIS B 0601 (2013)), to obtain a sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
The obtained sulfide-based inorganic solid electrolyte material was evaluated. The results are shown in Table 1.
10 装置
100 送風部
102 ガス入口
104 ガス出口
106 インバーター
110 バッファタンク
112 ガス入口
114 ガス出口
116 調整口
200 粉砕部
202 ガス入口
204 材料供給管
206 材料排出管
208 ガス排出口
212 回転テーブル
214 ボール
216 押圧部
220 カバー部
300 第1回収部
302 吸引口
304 材料排出口
306 ガス排出口
308 材料供給口
310 第1収容部
400 第2回収部
402 吸引口
404 材料排出口
406 ガス排出管
410 第2収容部
500 減圧部
600 全固体型リチウムイオン電池
610 正極層
620 固体電解質層
630 負極層
710 SUS340プレート
720 水平面
730 設置角度
740 硫化物系無機固体電解質材料
750 篩
760 水平面720からの高さ
770 SUS304プレート710の上端からの高さ
780 ジルコニアボール
D 排気ダクト
Le 第1ライン
Lh 第2ライン
Pa 配管
Pb 第5配管
Pc 第2配管
Pd 第6配管
Pe 第1配管
Pf 第3配管
Pg 配管
Ph 第4配管
Pi 配管
Pj 配管
Pk 配管
Pl 配管
Pm 配管
Pn 配管
Po 配管
S 系
Va1 バルブ
Vb1 第5バルブ
Vc1 バルブ
Vc2 第2バルブ
Vc3 バルブ
Vd1 第6バルブ
Ve1 第1バルブ
Ve2 バルブ
Vf1 第3バルブ
Vg1 バルブ
Vh1 バルブ
Vh2 バルブ
Vi1 バルブ
Vi2 バルブ
Vj1 バルブ
Vk1 バルブ
Vl1 バルブ
Vm1 バルブ
Vn1 バルブ
Vo1 バルブ
10 Apparatus 100 Blower section 102 Gas inlet 104 Gas outlet 106 Inverter 110 Buffer tank 112 Gas inlet 114 Gas outlet 116 Adjustment port 200 Grinding section 202 Gas inlet 204 Material supply pipe 206 Material discharge pipe 208 Gas discharge port 212 Rotary table 214 Ball 216 Pressing section 220 Cover section 300 First recovery section 302 Suction port 304 Material discharge port 306 Gas discharge port 308 Material supply port 310 First storage section 400 Second recovery section 402 Suction port 404 Material discharge port 406 Gas discharge pipe 410 Second storage section 500 Pressure reduction section 600 All-solid-state lithium ion battery 610 Positive electrode layer 620 Solid electrolyte layer 630 Negative electrode layer 710 SUS340 plate 720 Horizontal surface 730 Installation angle 740 Sulfide-based inorganic solid electrolyte material 750 Sieve 760 Height 770 from horizontal surface 720 Height 780 from the upper end of SUS304 plate 710 Zirconia ball D Exhaust duct Le First line Lh Second line Pa Pipe Pb Fifth pipe Pc Second pipe Pd Sixth pipe Pe First pipe Pf Third pipe Pg Pipe Ph Fourth pipe Pi Pipe Pj Pipe Pk Pipe Pl Pipe Pm Pipe Pn Pipe Po Pipe S System Va1 Valve Vb1 Fifth valve Vc1 Valve Vc2 Second valve Vc3 Valve Vd1 Sixth valve Ve1 First valve Ve2 Valve Vf1 Third valve Vg1 Valve Vh1 Valve Vh2 Valve Vi1 Valve Vi2 Valve Vj1 Valve Vk1 Valve Vl1 Valve Vm1 Valve Vn1 Valve Vo1 valve
Claims (6)
以下(方法)に従って測定した付着面積が10%以下である、
硫化物系無機固体電解質材料。
(方法)
(1)JIS B 0601(2013)に従って測定した算術平均粗さRaが0.017μm以上0.023μm以下、最大高さRzが0.14μm以上0.18μm以下、十点平均粗さRzjisが0.12μm以上0.16μm以下であり、縦8cm×横9cmのSUS304プレートを、縦辺を水平面との接線として水平面に対する傾斜が45°となるように設置する。
(2)目開き250μmの篩を用いて、前記SUS304プレート上に硫化物系無機固体電解質材料10gを前記水平面から10cmの高さから、前記SUS304プレート全体に前記硫化物系無機固体電解質材料がかかるようにふるい落とす。
(3)前記SUS304プレートの上端から5cmの高さから、47gのジルコニアボール1個を前記SUS304プレートの上端のみに当たり、前記SUS304プレートの硫化物系無機固体電解質材料が付着した面には当たらないように3回落とす。
(4)衝撃が加わった後の前記SUS304プレートの前記硫化物系無機固体電解質材料が付着した面の面積を測定し、前記SUS304プレートの片面の面積に対する割合(付着面積)を算出する。 A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a particle diameter d50 of 0.1 μm or more and 100 μm or less when a cumulative frequency is 50% in a volume-based cumulative frequency distribution curve measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device,
The adhesion area measured according to the following method is 10% or less.
Sulfide-based inorganic solid electrolyte material.
(method)
(1) An SUS304 plate having an arithmetic mean roughness Ra of 0.017 μm or more and 0.023 μm or less, a maximum height Rz of 0.14 μm or more and 0.18 μm or less, and a ten-point mean roughness Rzjis of 0.12 μm or more and 0.16 μm or less, measured in accordance with JIS B 0601 (2013), and measuring 8 cm in length and 9 cm in width, is placed so that the vertical side is tangent to the horizontal plane and is inclined at an angle of 45° to the horizontal plane.
(2) Using a sieve with 250 μm openings, 10 g of the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is sieved onto the SUS304 plate from a height of 10 cm from the horizontal surface so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is applied to the entire SUS304 plate.
(3) A 47 g zirconia ball is dropped three times from a height of 5 cm from the upper end of the SUS304 plate so as to hit only the upper end of the SUS304 plate and not the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached.
(4) After the impact is applied, the area of the surface of the SUS304 plate to which the sulfide-based inorganic solid electrolyte material is attached is measured, and the ratio (attached area) to the area of one side of the SUS304 plate is calculated.
構成元素として、Li、P、およびSを含む硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 1,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material containing Li, P, and S as constituent elements.
前記硫化物系無機固体電解質材料中の前記Pの含有量に対する前記Liの含有量のモル比(Li/P)が1.0以上10.0以下であり、前記Pの含有量に対する前記Sの含有量のモル比(S/P)が1.0以上10.0以下である硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to claim 2,
The sulfide-based inorganic solid electrolyte material has a molar ratio (Li/P) of the Li content to the P content in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material of 1.0 or more and 10.0 or less, and a molar ratio (S/P) of the S content to the P content in the sulfide-based inorganic solid electrolyte material of 1.0 or more and 10.0 or less.
27.0℃、印加電圧10mV、測定周波数域0.1Hz~7MHzの測定条件における交流インピーダンス法で測定したリチウムイオン伝導度が1.0×10-4S・cm-1以上である、硫化物系無機固体電解質材料。 The sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3,
A sulfide-based inorganic solid electrolyte material having a lithium ion conductivity of 1.0×10 −4 S·cm −1 or more as measured by an AC impedance method under the measurement conditions of 27.0° C., an applied voltage of 10 mV, and a measurement frequency range of 0.1 Hz to 7 MHz.
前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層のうち少なくとも一つが、請求項1~4のいずれか1項に記載の硫化物系無機固体電解質材料を含む全固体型リチウムイオン電池。 An all-solid-state lithium ion battery including a positive electrode including a positive electrode active material layer, an electrolyte layer, and a negative electrode including a negative electrode active material layer,
An all-solid-state lithium ion battery, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the electrolyte layer, and the negative electrode active material layer contains the sulfide-based inorganic solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 4.
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