JP7797056B2 - Iron-containing lithium polysulfide - Google Patents
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Description
本発明は、鉄含有多硫化リチウム及びその製造方法に関する。 The present invention relates to iron-containing lithium polysulfide and a method for producing the same.
近年の携帯電子機器、ハイブリッド車等の高性能化により、それに用いられる二次電池(特にリチウムイオン二次電池)は益々高容量化が求められるようになっている。現行のリチウムイオン二次電池では負極に比べて正極の高容量化が遅れており、最近盛んに研究開発されている高容量型のLi(Ni,Mn,Co)O2系材料でも250~300mAh/g程度である。 Due to the recent advances in performance of portable electronic devices, hybrid vehicles, etc., secondary batteries (especially lithium-ion secondary batteries) used in these devices are increasingly required to have higher capacities. Current lithium-ion secondary batteries have lagged behind in increasing the capacity of their positive electrodes compared to their negative electrodes, and even the high-capacity Li(Ni, Mn, Co) O2 -based materials that have been actively researched and developed recently only have a capacity of around 250-300 mAh/g.
一方、硫黄は理論容量が約1670mAh/gと高く、高容量電極材料の有望な候補の一つである。しかしながら、硫黄単体はリチウムを含有していないので、負極にリチウム又はリチウムを含む合金等を用いなければならず、負極の選択幅が狭いという欠点がある。 On the other hand, sulfur has a high theoretical capacity of approximately 1670 mAh/g, making it a promising candidate for a high-capacity electrode material. However, because elemental sulfur does not contain lithium, lithium or an alloy containing lithium must be used for the negative electrode, which has the disadvantage of limiting the range of options for the negative electrode.
これに対して、硫化リチウムはリチウムを含有しているので、負極に黒鉛やシリコン等の合金類を用いることができ、負極の選択幅が飛躍的に広がるとともに、金属リチウム使用によるデンドライト生成が引き起こす短絡等の危険性を回避できる。しかしながら、硫化リチウムは、電気伝導性に乏しい(例えば、下記非特許文献1参照)。In contrast, because lithium sulfide contains lithium, alloys such as graphite and silicon can be used for the anode, dramatically expanding the range of anode options and avoiding the risk of short circuits caused by dendrite formation when using metallic lithium. However, lithium sulfide has poor electrical conductivity (see, for example, Non-Patent Document 1 below).
電気伝導性を改善する方法として、Li挿入及び脱離反応の際に硫黄原子が遊離しないよう異種元素との結合を形成する方法が考えられる。そのためには、異種元素を硫化リチウムに導入した化合物を作製する必要がある。添加する異種元素としては、絶縁性の硫化リチウムに導電性を付与することのできる遷移金属元素が適しており、例えば、特許文献1及び2に記載の、LixFeySz等の化合物等が挙げられる。このような遷移金属元素の導入による硫黄元素の遊離抑制、及び導電性付与により、硫化リチウムの利用率向上を図ることができる。また、典型元素を導入し、硫黄及び遷移金属と典型元素の間に結合を形成して骨格構造を安定化させる方法も考えられる。複数の異種元素(遷移金属元素、典型元素)を導入した硫化リチウム複合体の例として、リチウム-鉄-リン-硫黄-炭素複合体がある(例えば、特許文献3参照)。 One possible method for improving electrical conductivity is to form bonds with heteroelements so that sulfur atoms are not liberated during Li insertion and desorption reactions. To achieve this, it is necessary to prepare a compound in which a heteroelement is incorporated into lithium sulfide. Suitable heteroelements to be added are transition metal elements that can impart electrical conductivity to insulating lithium sulfide, and examples of such compounds include Li x Fe y S z , as described in Patent Documents 1 and 2. The introduction of such transition metal elements can suppress the liberation of sulfur elements and impart electrical conductivity, thereby improving the utilization rate of lithium sulfide. Another possible method is to introduce a typical element and form bonds between sulfur and the transition metal and the typical element to stabilize the framework structure. An example of a lithium sulfide composite incorporating multiple heteroelements (transition metal elements, typical elements) is a lithium-iron-phosphorus-sulfur-carbon composite (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、上記した従来の硫化物においても、電気伝導度の点では十分とは言えず、電池の出力特性の向上を目的に、電気伝導度及びエネルギー密度をさらに向上させ、結果として、容量及びレート特性を向上させることが求められている。However, even the conventional sulfides mentioned above do not have sufficient electrical conductivity, and there is a need to further improve electrical conductivity and energy density, thereby improving the capacity and rate characteristics, in order to improve the output characteristics of batteries.
本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、リチウムイオン二次電池用正極活物質として有用な硫化リチウムを主成分とする化合物において、硫化リチウムの利用率が高く、高容量を有し、更に、良好なレート特性を有する、優れた充放電特性を有する新規な材料を提供することである。 The present invention was made in consideration of the current state of the prior art described above, and its main purpose is to provide a novel material that is a compound primarily composed of lithium sulfide and is useful as a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, and that has a high utilization rate of lithium sulfide, a high capacity, good rate characteristics, and excellent charge/discharge characteristics.
本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、硫化リチウム(Li2S)を主相として含み、粉末X線回折によって得られたLi2Sの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から算出される結晶子サイズが50nm以下であり、且つ、Li含有量が50~70原子%、Fe含有量が2~12原子%、S含有量が20~40原子%、C含有量が0~5原子%、ハロゲン含有量が0~0.8原子%である鉄含有多硫化リチウムは、硫化リチウムの利用率が向上して高容量の材料となり、さらに、不純物量が少なく電気伝導度が向上しつつ、硫黄と鉄の結合が形成されることによって遊離硫黄が大幅に減少するために、レート特性も向上することを見出した。鉄含有多硫化リチウムは、例えば、リチウム含有化合物、鉄含有化合物、及び硫黄含有化合物を含む混合物に対して、直流パルス電流を通電して通電焼結処理によって加熱反応させた後、得られた生成物を第一メカニカルミリング処理した後、さらに、所定の金属硫化物と第二メカニカルミリング処理することにより得られる。この方法によれば、原子レベルでの反応が適度に進行した硫化リチウムと硫化鉄との混合物が形成されるのみならず、鉄硫化物も少量含まれることとなり、結果として、電気伝導度を向上させ、容量及びレート特性を改善することができる。本発明は、これらの知見に基づいて更に研究を重ねた結果、完成されたものである。即ち、本発明は、以下構成を包含する。 The present inventors have conducted extensive research to achieve the above-mentioned object. As a result, they have found that an iron-containing lithium polysulfide containing lithium sulfide (Li 2 S) as a main phase, having a crystallite size of 50 nm or less as calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of Li 2 S obtained by powder X-ray diffraction, and having a Li content of 50 to 70 atomic %, an Fe content of 2 to 12 atomic %, an S content of 20 to 40 atomic %, a C content of 0 to 5 atomic %, and a halogen content of 0 to 0.8 atomic % improves the utilization of lithium sulfide, resulting in a high-capacity material. Furthermore, the amount of impurities is low, improving electrical conductivity, and the rate characteristics are also improved due to the formation of bonds between sulfur and iron, which significantly reduces free sulfur. Iron-containing lithium polysulfide can be obtained, for example, by passing a DC pulse current through a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound to heat and react through an electric current sintering process, then subjecting the resulting product to a first mechanical milling process, followed by a second mechanical milling process with a predetermined metal sulfide. This method not only produces a mixture of lithium sulfide and iron sulfide in which the reaction at the atomic level has progressed appropriately, but also contains a small amount of iron sulfide, resulting in improved electrical conductivity and improved capacity and rate characteristics. The present invention was completed as a result of further research based on these findings. That is, the present invention includes the following configurations.
項1.リチウム、鉄及び硫黄を構成元素として含む鉄含有多硫化リチウムであって、
硫化リチウム(Li2S)を主相として含み、
粉末X線回折によって得られたLi2Sの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から算出される結晶子サイズが50nm以下であり、且つ、
前記鉄含有多硫化リチウムの総量を100原子%として、Li含有量が50~70原子%、Fe含有量が2~12原子%、S含有量が20~40原子%、C含有量が0~5原子%、ハロゲン含有量が0~0.8原子%である、鉄含有多硫化リチウム。
Item 1. Iron-containing lithium polysulfide containing lithium, iron, and sulfur as constituent elements,
It contains lithium sulfide (Li 2 S) as a main phase,
The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of Li 2 S obtained by powder X-ray diffraction is 50 nm or less, and
The iron-containing lithium polysulfide has a Li content of 50 to 70 atomic %, an Fe content of 2 to 12 atomic %, an S content of 20 to 40 atomic %, a C content of 0 to 5 atomic %, and a halogen content of 0 to 0.8 atomic %, where the total amount of the iron-containing lithium polysulfide is 100 atomic %.
項2.前記鉄含有多硫化リチウムを基準として、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比が70モル%以上である、項1に記載の鉄含有多硫化リチウム。 Item 2. The iron-containing lithium polysulfide according to Item 1, wherein the abundance ratio of lithium sulfide (Li 2 S) is 70 mol % or more based on the iron-containing lithium polysulfide as estimated by Rietveld analysis.
項3.さらに、硫化鉄(FeS)相を有する、項1又は2に記載の鉄含有多硫化リチウム。Item 3. The iron-containing lithium polysulfide according to Item 1 or 2, further comprising an iron sulfide (FeS) phase.
項4.25℃における電気伝導度が10-3~10-6S/cmである、項1~3のいずれか1項に記載の鉄含有多硫化リチウム。 Item 4. The iron-containing lithium polysulfide according to any one of Items 1 to 3, having an electrical conductivity of 10 −3 to 10 −6 S/cm at 25° C.
項5.リチウムイオン二次電池用である、請求項1~4のいずれか1項に記載の鉄含有多硫化リチウム。Item 5. The iron-containing lithium polysulfide according to any one of claims 1 to 4, which is for use in a lithium ion secondary battery.
項6.リチウムイオン二次電池の正極活物質用である、項1~5のいずれか1項に記載の鉄含有多硫化リチウム。Item 6. The iron-containing lithium polysulfide described in any one of Items 1 to 5, which is used as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.
項7.項1~6のいずれか1項に記載の鉄含有多硫化リチウムの製造方法であって、
(3)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;前記混合物の加熱処理物;又は前記混合物の加熱生成物のメカニカルミリング処理物と、電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とを、メカニカルミリング処理する工程
を備える、製造方法。
Item 7. A method for producing the iron-containing lithium polysulfide according to any one of Items 1 to 6, comprising:
(3) A manufacturing method comprising a step of mechanically milling a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound; a heat-treated product of the mixture; or a mechanically milled product of the heat-treated product of the mixture, together with a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more.
項8.前記工程(3)の前に、さらに、
(2)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;又は前記混合物の加熱処理物を、メカニカルミリング処理する工程
を備える、項7に記載の製造方法。
Item 8. Before the step (3),
(2) The method according to item 7, further comprising a step of subjecting a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, or a heat-treated product of the mixture, to mechanical milling.
項9.前記工程(2)の前に、さらに、
(1)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物を加熱する工程
を備える、項8に記載の製造方法。
Item 9. Before the step (2),
(1) The method according to item 8, comprising a step of heating a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound.
項10.前記工程(1)が、前記混合物に対して、直流パルス電流を通電して該混合物を加熱反応させる工程である、項9に記載の製造方法。Item 10. The manufacturing method described in Item 9, wherein step (1) is a step of passing a direct current pulse current through the mixture to heat and react the mixture.
項11.前記工程(1)~(3)を、非酸化性雰囲気下において行う、項7~10のいずれか1項に記載の製造方法。Item 11. The manufacturing method described in any one of Items 7 to 10, wherein steps (1) to (3) are carried out in a non-oxidizing atmosphere.
項12.項1~6のいずれか1項に記載の鉄含有多硫化リチウムを含むリチウムイオン二次電池用正極活物質。Item 12. A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising the iron-containing lithium polysulfide described in any one of items 1 to 6.
項13.項12に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を構成要素とするリチウムイオン二次電池。Item 13. A lithium ion secondary battery comprising the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery described in Item 12 as a constituent element.
項14.項13に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質と、リチウムイオン伝導性固体電解質とを、構成要素として含む、全固体リチウムイオン二次電池。Item 14. An all-solid-state lithium ion secondary battery comprising, as components, the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to Item 13 and a lithium ion conductive solid electrolyte.
本発明の鉄含有多硫化リチウムは、結晶子サイズが50nm以下という微細化された粒子であり、硫化リチウム(Li2S)を主相として含み、添加元素を特定の組成の範囲内に調整しており不純物量が少ないことも相まって、硫化リチウムの利用率が高く、硫化リチウムが本来有する高容量の特性を充分に発揮することができるとともに、電気伝導度が向上し、レート特性に優れた正極活物質となる。 The iron-containing lithium polysulfide of the present invention is a fine particle having a crystallite size of 50 nm or less, contains lithium sulfide (Li 2 S) as a main phase, and has additive elements adjusted within a specific composition range, resulting in a small amount of impurities. This, combined with the above, results in a high utilization rate of lithium sulfide, fully exhibiting the high capacity characteristics inherent to lithium sulfide, and improving electrical conductivity, resulting in a positive electrode active material with excellent rate characteristics.
このため、本発明の鉄含有多硫化リチウムは、非水電解質リチウムイオン二次電池、全固体型リチウムイオン二次電池等のリチウム二次電池用の正極活物質として有用性の高い物質である。 For this reason, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is a highly useful substance as a positive electrode active material for lithium secondary batteries such as non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries and all-solid-state lithium ion secondary batteries.
また、本発明の製造方法によれば、この様な優れた性能を有する複合体を、比較的容易に製造できる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, composites with such excellent performance can be produced relatively easily.
本明細書において、数値範囲を「A~B」で表示する場合、A以上B以下を意味する。 In this specification, when a numerical range is expressed as "A to B," it means A or greater and B or less.
また、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する。 In addition, "containing" includes all of "comprise," "consist essentially of," and "consist only of."
本発明において、「リチウムイオン二次電池」とは、負極材料として金属リチウムを用いた「金属リチウム二次電池」も包含する概念である。また、本発明において、「リチウムイオン二次電池」とは、非水電解液を使用した「非水リチウムイオン二次電池」と固体電解質を使用した「全固体リチウムイオン二次電池」の双方を意味する。In this invention, the term "lithium ion secondary battery" is a concept that also encompasses "metal lithium secondary batteries" that use metallic lithium as the negative electrode material. Furthermore, in this invention, "lithium ion secondary battery" refers to both "nonaqueous lithium ion secondary batteries" that use a nonaqueous electrolyte and "all-solid-state lithium ion secondary batteries" that use a solid electrolyte.
1.鉄含有多硫化リチウム
本発明の鉄含有多硫化リチウムは、リチウム、鉄及び硫黄を構成元素として含む鉄含有多硫化リチウムであって、硫化リチウム(Li2S)を主相として含み、粉末X線回折によって得られたLi2Sの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から算出される結晶子サイズが50nm以下であり、且つ、前記鉄含有多硫化リチウムの総量を100原子%として、Li含有量が50~70原子%、Fe含有量が2~12原子%、S含有量が20~40原子%、C含有量が0~5原子%、ハロゲン含有量が0~0.8原子%である。このような本発明の鉄含有多硫化リチウムは、硫化リチウムの利用率が高く、硫化リチウムが本来有する高容量の特性を充分に発揮することができるとともに、電気伝導度が向上し、優れたレート特性を有する正極活物質となる材料であり、リチウムイオン二次電池の正極活物質用途として特に有用である。 1. Iron-Containing Lithium Polysulfide The iron-containing lithium polysulfide of the present invention is an iron-containing lithium polysulfide containing lithium, iron, and sulfur as constituent elements, and contains lithium sulfide (Li 2 S) as a major phase. The crystallite size, calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of Li 2 S obtained by powder X-ray diffraction, is 50 nm or less. The total amount of the iron-containing lithium polysulfide is taken as 100 atomic %, and the Li content is 50 to 70 atomic %, the Fe content is 2 to 12 atomic %, the S content is 20 to 40 atomic %, the C content is 0 to 5 atomic %, and the halogen content is 0 to 0.8 atomic %. This iron-containing lithium polysulfide of the present invention has a high lithium sulfide utilization rate, can fully exhibit the high capacity properties inherent to lithium sulfide, and has improved electrical conductivity. It is a material that serves as a positive electrode active material with excellent rate characteristics, and is particularly useful as a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries.
このような本発明の鉄含有多硫化リチウムによれば、例えば、電流印加0.13mA/cm2での初期放電容量の値を100%とした場合に、電流印加1.3mA/cm2での初期放電容量の値を60~95%、好ましくは70~90%とすることが可能である。本明細書においては、このような特性を示すことを、「優れたレート特性を有する」ということがある。 With such iron-containing lithium polysulfide of the present invention, for example, when the initial discharge capacity at an applied current of 0.13 mA/ cm2 is taken as 100%, the initial discharge capacity at an applied current of 1.3 mA/ cm2 can be set to 60 to 95%, preferably 70 to 90%. In this specification, the presence of such characteristics is sometimes referred to as "having excellent rate characteristics."
本発明の鉄含有多硫化リチウムは、粉末X線回折測定において、主相が硫化リチウムからなる。硫化リチウム相の存在量は、本発明の鉄含有多硫化リチウム全体を基準(100モル%)として70モル%以上が好ましく、80モル%以上がより好ましく、85モル%以上がさらに好ましい。なお、硫化リチウム相の存在量の上限値は、特に制限されるわけではないが、通常、100モル%である。また、本発明の鉄含有多硫化リチウムは、硫化リチウムの結晶相以外に他の結晶が30モル%まで(特に20モル%まで、さらには15モル%まで)なら含まれていてもよく、この程度の含有量であれば充放電特性に与える影響は限定的である。特に、本発明の鉄含有多硫化リチウムに少量(0.1~15モル%、好ましくは0.5~10モル%)の硫化鉄(FeS)相が含まれる場合には、容量及びレート特性をさらに向上させることも可能である。なお、複合体中における存在量については、通常のX回折データのRietveld解析法等を用いて見積もる。Rietveld法については、下記の非特許文献(F. Izumi and T. Ikeda, Mater Sci. Forum, 321-324, 198 (2000).)に詳細な記述がある。In powder X-ray diffraction analysis, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is found to have a primary phase of lithium sulfide. The amount of lithium sulfide phase present is preferably 70 mol% or more, more preferably 80 mol% or more, and even more preferably 85 mol% or more, based on the total amount of the iron-containing lithium polysulfide of the present invention (100 mol%). The upper limit of the amount of lithium sulfide phase present is not particularly limited, but is typically 100 mol%. Furthermore, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention may contain up to 30 mol% (particularly up to 20 mol%, and even more preferably up to 15 mol%) of other crystals in addition to the lithium sulfide crystal phase. At this level of content, the impact on charge/discharge characteristics is limited. In particular, when the iron-containing lithium polysulfide of the present invention contains a small amount (0.1 to 15 mol%, preferably 0.5 to 10 mol%) of iron sulfide (FeS) phase, it is possible to further improve capacity and rate characteristics. The amount present in the composite is estimated using conventional Rietveld analysis of X-ray diffraction data. The Rietveld method is described in detail in the following non-patent document (F. Izumi and T. Ikeda, Mater Sci. Forum, 321-324, 198 (2000)).
この様な本発明の鉄含有多硫化リチウムでは、鉄原子は硫化リチウム結晶格子内に配置してFe-S結合を形成し、Feを含むうえに不純物量が低減されているために内部まで導電性が付与されており、電極利用率(特に正極利用率)が高く、硫化リチウムが本来有する高容量の特性をより十分に発揮することができる。また、後述する本発明の製造方法を採用する場合には。準安定相である鉄含有多硫化リチウムが形成され、これがメカニカルミリング法により微細化されてサブミクロンの粒子となり、本来準安定相である鉄含有多硫化リチウムを安定化させることも可能である。 In this type of iron-containing lithium polysulfide of the present invention, iron atoms are arranged within the lithium sulfide crystal lattice to form Fe-S bonds, and since it contains Fe and the amount of impurities is reduced, conductivity is imparted to the interior, resulting in high electrode utilization (particularly positive electrode utilization), and the high capacity characteristics inherent to lithium sulfide can be more fully utilized. Furthermore, when the manufacturing method of the present invention described below is adopted, a metastable phase of iron-containing lithium polysulfide is formed, which can be refined into submicron particles by mechanical milling, thereby stabilizing the inherent metastable phase of iron-containing lithium polysulfide.
上記した特徴を有する本発明の鉄含有多硫化リチウムは、添加元素である鉄原子が硫化リチウム結晶格子内に配置してFe-S結合を形成していることが好ましく、これにより、遊離硫黄の存在がさらに抑制されやすいうえに良好な導電性が付与されており、優れた容量及びレート特性を発揮しやすい。 In the iron-containing lithium polysulfide of the present invention having the above-mentioned characteristics, it is preferable that the added element, iron atoms, are arranged within the lithium sulfide crystal lattice to form Fe-S bonds, which further suppresses the presence of free sulfur and provides good electrical conductivity, making it easier to exhibit excellent capacity and rate characteristics.
また、本発明の鉄含有多硫化リチウムは、鉄原子が硫化リチウム結晶格子内に導入された準安定相が安定化されていることが好ましい。本発明の鉄含有多硫化リチウムは、準安定相である鉄含有多硫化リチウムが安定的に存在するため、サブミクロン以下の結晶子からなることが好ましい。より具体的には、本発明の鉄含有多硫化リチウムの結晶子サイズは、50nm以下が好ましく、40nm以下(特に1~30nm)がより好ましい。後述の製造方法のように、メカニカルミリング処理を含む製造方法により本発明の鉄含有多硫化リチウムが製造された場合には、メカニカルミリング処理により、結晶子を微細化することが可能である。なお、本発明の鉄含有多硫化リチウムの結晶子サイズは、粉末X線回折測定において主相として観測される硫化リチウムのピークの最高強度を示す(111)面に基づく回折ピークの半価幅から、Scherrerの式に基づいて算出される値である。Furthermore, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention preferably has a stabilized metastable phase in which iron atoms are incorporated into the lithium sulfide crystal lattice. Because the metastable phase of iron-containing lithium polysulfide is stable, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention preferably consists of submicron or smaller crystallites. More specifically, the crystallite size of the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is preferably 50 nm or less, and more preferably 40 nm or less (particularly 1 to 30 nm). When the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is produced by a manufacturing method including mechanical milling, as described below, the crystallites can be refined by mechanical milling. The crystallite size of the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is a value calculated using Scherrer's formula from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane, which exhibits the highest intensity of the peak of lithium sulfide observed as the main phase in powder X-ray diffraction measurement.
さらに、本発明の鉄含有多硫化リチウムにおける各元素の存在割合については、特に限定的ではないが、遊離硫黄が生じない程度にFe-S結合が形成できるだけのFe量が存在し、含有Li量から見積もられる理論容量が600mAh/g以上であるだけのLi量が存在し、導電性を確保できるだけのFe量が存在することが好ましい。また、炭素等をはじめとする不純物量が多すぎると、容量もサイクル特性もレート特性も劣化する。このような観点から、形成される本発明の硫化リチウム-鉄-炭素複合体の総量を100原子%として、Li含有量は50~70原子%(特に51~60原子%)、Fe含有量は2~12原子%(特に4~11原子%)、S含有量は20~40原子%(特に30~39原子%)、C含有量は0~5原子%(特に0~3原子%)、ハロゲン含有量は0~0.8原子%(特に0~0.5原子%)であることが好ましい。なかでも、炭素及びハロゲンを含まない(C含有量及びハロゲン含有量がともに0原子%である)ことが特に好ましい。Furthermore, while the proportions of each element present in the iron-containing lithium polysulfide of the present invention are not particularly limited, it is preferable that the amount of Fe present is sufficient to form Fe-S bonds without generating free sulfur, that the amount of Li present is sufficient to provide a theoretical capacity of 600 mAh/g or more as estimated from the amount of Li present, and that the amount of Fe present is sufficient to ensure electrical conductivity. Furthermore, excessive amounts of impurities, such as carbon, can degrade the capacity, cycle characteristics, and rate characteristics. From this perspective, it is preferable that, based on the total amount of the lithium sulfide-iron-carbon composite of the present invention formed, the Li content be 50 to 70 atomic % (particularly 51 to 60 atomic %), the Fe content be 2 to 12 atomic % (particularly 4 to 11 atomic %), the S content be 20 to 40 atomic % (particularly 30 to 39 atomic %), the C content be 0 to 5 atomic % (particularly 0 to 3 atomic %), and the halogen content be 0 to 0.8 atomic % (particularly 0 to 0.5 atomic %), assuming that the total amount of the lithium sulfide-iron-carbon composite of the present invention formed is 100 atomic %. Among these, it is particularly preferable that the material contains no carbon or halogen (the carbon content and halogen content are both 0 atomic %).
なお、Li量を理論容量が600mAh/g以上となる量とした理由については、酸化物系の高容量材料Li(Ni,Mn,Co)O2が最大値として300mAh/g×4V=1200Wh/kgのエネルギー密度を有するため、それと同程度の硫黄系材料(電圧2V)として600mAh/g以上あれば十分と判断したことによる。 The reason why the amount of Li was set to an amount that would result in a theoretical capacity of 600 mAh/g or more is that the oxide-based high-capacity material Li(Ni, Mn, Co) O2 has a maximum energy density of 300 mAh/g × 4 V = 1200 Wh/kg, and it was determined that a sulfur-based material (voltage 2 V) with an energy density of 600 mAh/g or more would be sufficient.
以上のような本発明の鉄含有多硫化リチウムは、電気伝導度を向上させることができ、具体的には、本発明の鉄含有多硫化リチウムの電気伝導度は、25℃において、10-3~10-6S/cm、好ましくは10-3~3×10-6S/cmとすることができる。本発明の鉄含有多硫化リチウムの電気伝導度は、粉末を300MPaで加圧成形し、電圧印加時の電流を測定することにより測定する。 The iron-containing lithium polysulfide of the present invention as described above can have improved electrical conductivity, and specifically, the electrical conductivity of the iron-containing lithium polysulfide of the present invention can be set to 10 −3 to 10 −6 S/cm, preferably 10 −3 to 3×10 −6 S/cm, at 25° C. The electrical conductivity of the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is measured by compacting the powder at 300 MPa and measuring the current when a voltage is applied.
2.鉄含有多硫化リチウムの製造方法
本発明の鉄含有多硫化リチウムは、特に制限されないが、
(3)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;前記混合物の加熱処理物;又は前記混合物の加熱生成物のメカニカルミリング処理物と、電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とを、メカニカルミリング処理する工程
を備える製造方法によって得ることができる。この方法によれば、所定の金属硫化物とメカニカルミリング処理することによって、粒子が微細化されて、鉄原子が硫化リチウム相内に取り込まれた準安定相が安定化されつつ、電気伝導度を特に向上させることができる。 2. Method for Producing Iron-Containing Lithium Polysulfide The iron-containing lithium polysulfide of the present invention is not particularly limited, but may be produced by
(3) The lithium-containing compound can be obtained by a production method including a step of mechanically milling a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound; a heat-treated product of the mixture; or a mechanically milled product of the heat-treated product of the mixture, and a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more. According to this method, by performing mechanical milling with the predetermined metal sulfide, the particles are refined, and a metastable phase in which iron atoms are incorporated into the lithium sulfide phase is stabilized, while the electrical conductivity can be particularly improved.
なお、本発明の製造方法は、工程(3)の前に、さらに、
(2)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;又は前記混合物の加熱処理物を、メカニカルミリング処理する工程
を備えることが好ましい。これにより、上記工程(3)の前に、粒子が微細化されて、鉄原子が硫化リチウム相内に取り込まれた準安定相が安定化され、電気伝導度を向上させやすい。
In addition, the production method of the present invention further includes the steps of:
(2) It is preferable to include a step of subjecting a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, or a heat-treated product of the mixture, to mechanical milling, whereby the particles are refined prior to the step (3), and the metastable phase in which iron atoms are incorporated into the lithium sulfide phase is stabilized, making it easier to improve electrical conductivity.
また、本発明の製造方法は、工程(2)の前に、さらに、
(1)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物を加熱する工程
を備えることが好ましい。これにより、加熱によって適度に反応を進行させ、続く工程(2)及び(3)によって、電気伝導度をさらに向上させやすい。
以下、この方法について具体的に説明する。
In addition, the production method of the present invention further includes, before the step (2),
It is preferable to include a step (1) of heating a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, whereby the reaction can be moderately promoted by heating, and the electrical conductivity can be easily further improved by the subsequent steps (2) and (3).
This method will be specifically described below.
(2-1)原料粉末
本発明では、原料として、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を用いる。
(2-1) Raw Material Powders In the present invention, a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound are used as raw materials.
リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物の各化合物の種類については特に限定的ではなく、リチウム、鉄及び硫黄の各元素を一種類ずつ含む3種類又はそれ以上の種類の化合物を混合して用いることもでき、あるいは、リチウム、鉄及び硫黄の内の2種類又はそれ以上の元素を同時に含む化合物を原料の一部として用いることもできる。 There are no particular limitations on the types of lithium-containing compounds, iron-containing compounds, and sulfur-containing compounds; a mixture of three or more compounds containing one type each of lithium, iron, and sulfur can be used, or a compound containing two or more of lithium, iron, and sulfur simultaneously can be used as part of the raw material.
これらの原料化合物は、リチウム及び鉄以外の金属元素や、炭素元素を含まない化合物であることが好ましい。また、原料化合物中に含まれるリチウム、鉄及び硫黄の各元素以外の元素については、熱処理により離脱又は揮発していくものが好ましい。These raw material compounds preferably do not contain any metal elements other than lithium and iron, or any carbon element. Furthermore, it is preferable that the elements contained in the raw material compounds other than lithium, iron, and sulfur are eliminated or volatilized by heat treatment.
この様な原料化合物の具体例としては、例えば、リチウム含有化合物として、硫化リチウム(Li2S)、水酸化リチウム(LiOH)等を例示でき、鉄含有化合物として、金属鉄(Fe)、硫化鉄(FeS、FeS2等)、硫酸鉄(FeSO4)等を例示でき、硫黄含有化合物として、硫黄(S)、硫化リチウム(Li2S)、硫化鉄(FeS、FeS2等)等を例示できる。この中で、特に生成物である本発明の鉄含有多硫化リチウムの構成元素のみからなり、最小限の原料数で反応させることのできる硫化リチウム(Li2S)、及び硫化鉄(FeS、FeS2)の組み合わせが好ましい。 Specific examples of such raw material compounds include lithium-containing compounds such as lithium sulfide (Li 2 S) and lithium hydroxide (LiOH), iron-containing compounds such as metallic iron (Fe), iron sulfide (FeS, FeS 2 , etc.), and iron sulfate (FeSO 4 ), and sulfur-containing compounds such as sulfur (S), lithium sulfide (Li 2 S), and iron sulfide (FeS, FeS 2 , etc.). Among these, a combination of lithium sulfide (Li 2 S) and iron sulfide (FeS, FeS 2 ) is particularly preferred, as it consists only of the constituent elements of the iron-containing lithium polysulfide product of the present invention and can be reacted with a minimum number of raw materials.
これら原料化合物の形状については特に限定はないが、平均粒径0.1~100μm程度の粉末状であることが好ましい。ただし、メカニカルミリング工程があるため、原料化合物のサイズには特に限定はなく、粒径の大きな原料化合物を使用することもできるし、必要に応じて乳鉢等で粉砕することにより、平均粒径を制御することもできる。なお、原料化合物の平均粒径は、乾式のレーザー回折・散乱法による粒度分布測定で、累積度数分布が50%となる値により求める。There are no particular restrictions on the shape of these raw material compounds, but a powder with an average particle size of approximately 0.1 to 100 μm is preferred. However, because a mechanical milling process is involved, there are no particular restrictions on the size of the raw material compounds; raw material compounds with larger particle sizes can be used, and the average particle size can be controlled, if necessary, by grinding them in a mortar or other device. The average particle size of the raw material compounds is determined by measuring the particle size distribution using a dry laser diffraction/scattering method, and finding the value at which the cumulative frequency distribution reaches 50%.
リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物からなる原料の混合割合については、特に限定的ではないが、最終生成物である本発明の鉄含有多硫化リチウムにおいて、遊離硫黄が生じない程度にFe-S結合が形成しやすいだけのFe量が存在し、Li量から見積もられる理論容量が600mAh/g程度以上となりやすいだけのLi量が存在し、導電性を確保し容量及びレート特性を劣化しにくいだけのFeが存在することが好ましい。このような観点から、原料の混合割合については、Li含有量は50~70原子%(特に51~60原子%)、Fe含有量は2~12原子%(特に4~11原子%)、S含有量は20~40原子%(特に30~39原子%)、C含有量は0~5原子%(特に0~3原子%)、ハロゲン含有量が0~0.8原子%(特に0~0.5原子%)となるように調整することが好ましい。原料化合物の混合比率については、原料化合物に含まれる各元素の比率が、目的とする本発明の鉄含有多硫化リチウム中の各元素の比率と同一となるように調整することができる。While there are no particular limitations on the blending ratios of the raw materials consisting of lithium-containing compounds, iron-containing compounds, and sulfur-containing compounds, it is preferable that the final product, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention, contains a sufficient amount of Fe to facilitate the formation of Fe-S bonds without generating free sulfur, a sufficient amount of Li to ensure a theoretical capacity estimated from the amount of Li of approximately 600 mAh/g or greater, and a sufficient amount of Fe to ensure electrical conductivity and prevent degradation of capacity and rate characteristics. From these perspectives, it is preferable to adjust the blending ratios of the raw materials so that the Li content is 50 to 70 atomic % (particularly 51 to 60 atomic %), the Fe content is 2 to 12 atomic % (particularly 4 to 11 atomic %), the S content is 20 to 40 atomic % (particularly 30 to 39 atomic %), the C content is 0 to 5 atomic % (particularly 0 to 3 atomic %), and the halogen content is 0 to 0.8 atomic % (particularly 0 to 0.5 atomic %). The mixing ratio of the raw material compounds can be adjusted so that the ratio of each element contained in the raw material compounds is the same as the ratio of each element in the target iron-containing lithium polysulfide of the present invention.
なお、Li量を理論容量が600mAh/g以上となる量とした理由については、酸化物系の高容量材料Li(Ni,Mn,Co)O2が最大値として300mAh/g×4V=1200Wh/kgのエネルギー密度を有するため、それと同程度の硫黄系材料(電圧2V)として600mAh/g以上あれば十分と判断したことによる。 The reason why the amount of Li was set to an amount that would result in a theoretical capacity of 600 mAh/g or more is that the oxide-based high-capacity material Li(Ni, Mn, Co) O2 has a maximum energy density of 300 mAh/g × 4 V = 1200 Wh/kg, and it was determined that a sulfur-based material (voltage 2 V) with an energy density of 600 mAh/g or more would be sufficient.
(2-2)工程(1)
工程(1)を採用する場合、まず、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物に対して、加熱処理を施すことが好ましい。加熱方法は特に制限されるわけではないが、加熱反応によって原子レベルでの反応が適度に進行した硫化リチウムと硫化鉄の混合物を得やすい観点から、通電焼結を行うことが好ましい。
(2-2) Process (1)
When the step (1) is adopted, it is preferable to first subject a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound to a heat treatment. Although the heating method is not particularly limited, it is preferable to perform electric sintering from the viewpoint that a mixture of lithium sulfide and iron sulfide in which the reaction at the atomic level has progressed appropriately by the heating reaction can be easily obtained.
工程(1)において通電焼結を行う場合、具体的には、上記した原料混合物を、導電性を有する型(導電性容器)に充填し、該導電性を有する型(導電性容器)に、好ましくは直流パルス電流を通電すること(放電プラズマ焼結法、パルス通電焼結法、プラズマ活性化焼結法等と呼ばれる方法)により、ジュール熱による導電性を有する型(導電性容器)の加熱が起こり、導電性を有する型(導電性容器)内の原料混合物が加熱されて、各元素が拡散移動し、原子レベルで各元素が相互に混合した中間体を好適に作製することができる。When electric sintering is performed in step (1), specifically, the raw material mixture described above is filled into a conductive mold (conductive container), and a current, preferably a direct current pulse, is passed through the conductive mold (conductive container) (a method known as spark plasma sintering, pulsed electric current sintering, plasma activated sintering, etc.). This causes the conductive mold (conductive container) to heat due to Joule heat, heating the raw material mixture within the conductive mold (conductive container). This causes the elements to diffuse and migrate, resulting in the production of an intermediate in which the elements are mixed together at the atomic level.
この通電焼結処理の際の雰囲気は、非酸化性雰囲気下とすることが好ましい。また、常圧下に通電焼結処理を施してもよいが、加圧下に通電焼結処理を施すことが好ましい。It is preferable that the atmosphere during this electric sintering process be a non-oxidizing atmosphere. Furthermore, electric sintering can be performed under normal pressure, but it is preferable to perform the electric sintering process under pressure.
具体的な方法としては、導電性を有する容器に原料とするリチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む原料混合物を充填し、好ましくは非酸化性雰囲気下において、加圧しながらパルス状のON-OFF直流電流を通電することが好ましい。 A specific method involves filling a conductive container with a raw material mixture containing the raw materials, i.e., lithium-containing compound, iron-containing compound, and sulfur-containing compound, and then passing a pulsed ON-OFF direct current through it while applying pressure, preferably in a non-oxidizing atmosphere.
導電性を有する型(導電性容器)の材質としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、炭素、鉄、酸化鉄、アルミニウム、タングステンカーバイド等から形成されているものの他、炭素及び/又は酸化鉄に窒化珪素を混合した混合物等から形成されているものも好適に使用できる。 The material of the conductive mold (conductive container) is not particularly limited as long as it is conductive, and materials made from carbon, iron, iron oxide, aluminum, tungsten carbide, etc., as well as mixtures of carbon and/or iron oxide with silicon nitride, etc., can also be suitably used.
通電焼結処理は、硫化物の酸化をより抑制するため、例えば、Ar、N2等の不活性ガス雰囲気下、H2等の還元性雰囲気下等で行うことが好ましい。また、酸素濃度が十分に低い減圧状態、例えば、酸素分圧が、20Pa以下(特に1~20Pa)の減圧下とすることもできる。 In order to further suppress oxidation of sulfides, the electric sintering treatment is preferably carried out in an inert gas atmosphere such as Ar or N 2 or in a reducing atmosphere such as H 2. Alternatively, the sintering treatment can be carried out under a reduced pressure state with a sufficiently low oxygen concentration, for example, a reduced pressure of 20 Pa or less (particularly 1 to 20 Pa).
具体的な処理としては、導電性を有する型(導電性容器)として十分な密閉状態を確保できる容器を用いる場合には、該容器内を非酸化性雰囲気とすることができる。また、導電性を有する型(導電性容器)は完全な密閉状態でなくてもよく、不完全な密閉状態の容器を用いる場合には、該容器を反応室内に収容して、該反応室内を非酸化性雰囲気とすることができる。これにより、上記した原料混合物の加熱反応を非酸化性雰囲気下で行うことが可能である。この場合、例えば、反応室内を0.01MPa以上(特に0.05~0.2MPa)の不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気等とすることが好ましい。 Specific processing involves using a container that can ensure a sufficiently sealed state as the conductive mold (conductive container), and creating a non-oxidizing atmosphere within the container. Furthermore, the conductive mold (conductive container) does not need to be completely sealed; when an incompletely sealed container is used, the container can be placed within a reaction chamber, creating a non-oxidizing atmosphere within the reaction chamber. This allows the heating reaction of the raw material mixture described above to occur in a non-oxidizing atmosphere. In this case, it is preferable to create an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere of 0.01 MPa or higher (particularly 0.05 to 0.2 MPa) within the reaction chamber.
導電性容器に上記した原料混合物を充填した状態で直流パルス電流を印加することにより、ジュール熱による導電性容器の加熱が起こり、容器内の原料が加熱されて出発原料同士が反応して、各原子が相互に混合した中間体が形成され得る。この方法では、30分以下という短時間で目的とする中間体を製造できるので、揮発し易いLiやS等の欠損が少なく、原料混合比に近い組成比の中間体を得ることができる。By applying a DC pulse current to a conductive container filled with the above-mentioned raw material mixture, the container is heated by Joule heat, which heats the raw materials inside the container and causes the starting materials to react with each other, forming an intermediate in which the atoms are mixed together. This method can produce the desired intermediate in a short time of less than 30 minutes, resulting in little loss of easily volatile elements such as Li and S, and an intermediate with a composition close to the raw material mixture ratio can be obtained.
通電焼結工程での加熱温度は、通常、各構成元素をより十分に相互拡散させて原子レベルで相互に混合しやすくするとともに、遷移金属及び典型元素と結合しない硫黄(遊離硫黄)を低減しやすく高容量としやすいとともに、Li、S等の元素の揮発による欠損を抑制しやすく高容量としやすい観点から、400~1200℃が好ましく、500~1100℃がより好ましい。上記した加熱温度範囲に保持する時間については、Li、S等の元素の揮発による欠損を抑制しやすく高容量としやすい観点から、0~30分が好ましく、上記した温度範囲に到達すれば、直ちに通電を停止して(つまり、上記した加熱温度における保持時間を0として)放冷することもできる。 The heating temperature during the electric current sintering process is typically preferably 400 to 1200°C, more preferably 500 to 1100°C, from the viewpoints of more fully interdiffusing the constituent elements and facilitating their intermixing at the atomic level, reducing sulfur not bonded to transition metals and typical elements (free sulfur), achieving high capacity, and suppressing losses due to volatilization of elements such as Li and S, thereby facilitating high capacity. The time for holding within the above heating temperature range is preferably 0 to 30 minutes, from the viewpoints of suppressing losses due to volatilization of elements such as Li and S, thereby facilitating high capacity. Once the temperature range is reached, the current can be immediately stopped (i.e., the holding time at the above heating temperature is set to 0) and the material can be allowed to cool.
原料粉末を加圧する際の圧力としては、原料化合物同士の接触を強くしやすく加熱時の原子相互拡散を十分にしやすく、原料化合物における原子相互間の反応を十分としやすい観点から、例えば、5~60MPaが好ましく、10~50MPaがより好ましい。なお、生成物の融点が低い組成の場合は、無加圧(大気圧)で加熱することも可能である。この観点から、生成物の融点が低い組成の場合も考慮すると、原料粉末を加圧する際の圧力は、0.1~60MPa、好ましくは0.1~50MPaとすることも可能である。 The pressure to be applied when pressing the raw material powder is preferably, for example, 5 to 60 MPa, and more preferably 10 to 50 MPa, from the viewpoints of making it easier to strengthen contact between the raw material compounds, making it easier to facilitate sufficient atomic interdiffusion during heating, and making it easier to ensure sufficient reaction between atoms in the raw material compounds. Note that if the product has a composition with a low melting point, it may be possible to heat without applying pressure (atmospheric pressure). From this perspective, and taking into account the case where the product has a composition with a low melting point, the pressure to be applied when pressing the raw material powder may be 0.1 to 60 MPa, preferably 0.1 to 50 MPa.
通電焼結を行う装置としては、原料混合物を加熱、冷却、加圧等することが可能であり、放電に必要な電流を印加できるものであれば特に限定されない。例えば、市販の通電焼結装置(放電プラズマ焼結装置)を使用できる。このような通電焼結装置及びその原理は、例えば、特開平10-251070号公報等に開示されている。 The equipment used for electric current sintering is not particularly limited, as long as it is capable of heating, cooling, pressurizing, etc. the raw material mixture and can apply the current necessary for discharge. For example, a commercially available electric current sintering device (spark plasma sintering device) can be used. Such electric current sintering devices and their principles are disclosed, for example, in JP 10-251070 A.
以下に通電焼結装置の模式図を示した図1を参考にしながら、通電焼結を行う場合の具体例を説明する。なお、通電焼結装置は、以下に説明する装置のみに限られない。 Below, we will explain a specific example of electric sintering, with reference to Figure 1, which shows a schematic diagram of an electric sintering apparatus. Note that the electric sintering apparatus is not limited to the apparatus described below.
図1に示す通電焼結装置1においては、試料2が装填される焼結ダイ(電子伝導性容器)3と上下一対のパンチ4及び5とを有する。パンチ4及び5は、それぞれパンチ電極6及び7に支持されており、このパンチ電極6及び7を介して、焼結ダイ3に装填された試料2に必要に応じて加圧しながらパルス電流を供給することができる。焼結ダイ3の素材は限定されず、例えば、黒鉛等の炭素材料が挙げられる。 The electric current sintering apparatus 1 shown in Figure 1 has a sintering die (electronically conductive container) 3 into which a sample 2 is loaded, and a pair of upper and lower punches 4 and 5. The punches 4 and 5 are supported by punch electrodes 6 and 7, respectively, and pulse current can be supplied to the sample 2 loaded into the sintering die 3 via these punch electrodes 6 and 7 while applying pressure as necessary. The material of the sintering die 3 is not limited, and examples include carbon materials such as graphite.
図1に示す通電焼結装置では、上記した導電性容器3、通電用パンチ4及び5、パンチ電極6及び7を含む通電部は、水冷真空チャンバー8に収容されており、チャンバー内は、雰囲気制御機構15による所定の雰囲気に調整することができる。したがって、雰囲気制御機構15を利用して、チャンバー内を非酸化性雰囲気に調整することが好ましい。 In the electric sintering apparatus shown in Figure 1, the electric current section, including the conductive container 3, electric current punches 4 and 5, and punch electrodes 6 and 7, is housed in a water-cooled vacuum chamber 8, and the atmosphere inside the chamber can be adjusted to a predetermined atmosphere by an atmosphere control mechanism 15. Therefore, it is preferable to use the atmosphere control mechanism 15 to adjust the atmosphere inside the chamber to a non-oxidizing atmosphere.
制御装置12は、加圧機構13、パルス電源11、雰囲気制御機構15、水冷却機構16及び10、並びに温度計測装置17を駆動制御する。制御装置12は加圧機構13を駆動し、パンチ電極6及び7が所定の圧力で原料混合物を加圧するよう構成されている。 The control device 12 drives and controls the pressure mechanism 13, pulse power supply 11, atmosphere control mechanism 15, water cooling mechanisms 16 and 10, and temperature measurement device 17. The control device 12 drives the pressure mechanism 13 so that the punch electrodes 6 and 7 pressurize the raw material mixture at a predetermined pressure.
加熱のために印加するパルス電流は、例えばパルス幅2~3ミリ秒程度で、周期は3~300Hz程度のパルス状の(ON-OFFをスイッチングする)直流電流を用いることができる。具体的な電流値は導電性を有する型(導電性容器)の種類、大きさ等により異なるが、上記した温度範囲となるように、具体的な電流値を決めることが好ましい。例えば、内径15mmの黒鉛型材を用いた場合には200~1000A、内径100mmの黒鉛型材を用いた場合には1000~8000Aが好ましい。通電焼結処理時は、型材温度をモニターしながら電流値を増減させ、所定の温度を管理できるように電流値を制御することが好ましい。The pulse current applied for heating can be, for example, a pulsed (ON-OFF switching) DC current with a pulse width of approximately 2-3 milliseconds and a frequency of approximately 3-300 Hz. The specific current value varies depending on the type and size of the conductive mold (conductive container), but it is preferable to determine the specific current value so that the temperature range described above is achieved. For example, when using a graphite mold with an inner diameter of 15 mm, a current of 200-1000 A is preferable, and when using a graphite mold with an inner diameter of 100 mm, a current of 1000-8000 A is preferable. During the electric sintering process, it is preferable to increase or decrease the current value while monitoring the mold temperature, thereby controlling the current value so that the desired temperature can be maintained.
原料混合物を加圧した状態とするためには、例えば、上記した導電性容器3に充填した原料混合物をパンチ電極6及び7を介して加圧することができる。 To pressurize the raw material mixture, for example, the raw material mixture filled in the conductive container 3 described above can be pressurized via punch electrodes 6 and 7.
(2-3)工程(2)
工程(2)を採用する場合、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;又は前記混合物の加熱処理物を、メカニカルミリング処理を施し、混合、粉砕及び反応させる。
(2-3) Process (2)
When the step (2) is employed, a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, or a heat-treated product of the mixture, is subjected to a mechanical milling treatment to mix, pulverize, and react with each other.
なお、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物を使用する場合は、各原料粉末を混合した後にメカニカルミリング処理を施すことができ、また、前記混合物の加熱処理物を使用する場合は、上記した工程(1)で得られた生成物を使用することができる。 When using a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, the raw material powders can be mixed and then subjected to mechanical milling. When using a heat-treated product of the mixture, the product obtained in step (1) above can be used.
メカニカルミリング法は、機械的エネルギーを付与しながら原料を摩砕混合し反応させる方法であり、この方法によれば、原料に機械的な衝撃や摩擦を与えて摩砕混合することによって、原料に含まれる各化合物が激しく接触して微細化されるため、準安定相が得られやすい。本発明では、上記したメカニカルミリング処理により、熱処理だけでは作製が困難な準安定鉄含有多硫化リチウムを形成しつつ、微細化して安定的に存在させることができる。Mechanical milling is a method in which raw materials are milled and mixed while mechanical energy is applied, causing a reaction. This method mills and mixes the raw materials by subjecting them to mechanical impact and friction, which causes the compounds contained in the raw materials to come into vigorous contact and become finer, making it easier to obtain a metastable phase. In the present invention, the mechanical milling process described above forms metastable iron-containing lithium polysulfide, which is difficult to produce by heat treatment alone, while also finely pulverizing it so that it exists stably.
メカニカルミリング装置としては、例えば、ボールミル、振動ミル、ターボミル、ディスクミル等を用いることができ、中でもボールミルが好ましい。 Mechanical milling devices that can be used include, for example, ball mills, vibration mills, turbo mills, and disc mills, with ball mills being preferred.
メカニカルミリング処理は、硫化物の酸化を抑制しやすいため、非酸化性雰囲気下、例えば、Ar、N2等の不活性ガス雰囲気下、H2等の還元性雰囲気下等で行うことが好ましい。また、酸素濃度が十分に低い減圧状態、例えば、酸素分圧が、20Pa以下(特に1~20Pa)の減圧下とすることもできる。 Since mechanical milling is easy to suppress oxidation of sulfides, it is preferable to perform it in a non-oxidizing atmosphere, for example, in an inert gas atmosphere such as Ar or N 2 , or in a reducing atmosphere such as H 2. In addition, it can also be performed under a reduced pressure state with a sufficiently low oxygen concentration, for example, a reduced pressure of 20 Pa or less (particularly 1 to 20 Pa).
メカニカルミリングを行う際の回転数については、硫黄の揮発が生じにくくし、目的とする硫黄の含有比率が高い複合体を形成しやすくするため、200~600rpmが好ましく、250~550rpmがより好ましい。 The rotation speed during mechanical milling is preferably 200 to 600 rpm, more preferably 250 to 550 rpm, to prevent sulfur from volatilizing and facilitate the formation of a composite with the desired high sulfur content.
メカニカルミリングを行う際の温度については、硫黄の揮発が生じにくくし、目的とする硫黄の含有比率が高い複合体を形成しやすくするため、200℃以下が好ましく、20~100℃がより好ましい。 The temperature during mechanical milling is preferably 200°C or less, more preferably 20 to 100°C, to prevent sulfur from volatilizing and facilitate the formation of a composite with the desired high sulfur content.
メカニカルミリング時間については、特に限定的ではないが、得られる複合体の結晶子サイズが、50nm以下となるまでメカニカルミリング処理を行うことが好ましい。 There is no particular limitation on the mechanical milling time, but it is preferable to perform the mechanical milling process until the crystallite size of the resulting composite is 50 nm or less.
(2-4)第二メカニカルミリング工程(工程(3))
工程(3)では、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;前記混合物の加熱処理物;又は前記混合物の加熱生成物のメカニカルミリング処理物と、電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とを、メカニカルミリング処理を施し、混合、粉砕及び反応させることで、本発明の鉄含有多硫化リチウムを得ることができる。
(2-4) Second mechanical milling step (step (3))
In step (3), a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound; a heat-treated product of the mixture; or a mechanically milled product of the heat-treated mixture, and a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more are subjected to mechanical milling, followed by mixing, pulverization, and reaction, thereby obtaining the iron-containing lithium polysulfide of the present invention.
なお、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物を使用する場合は、各原料粉末を混合した後に電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とメカニカルミリング処理を施すことができ、また、前記混合物の加熱処理物を使用する場合は、上記した工程(1)で得られた生成物と電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とを使用することができ、また、前記混合物の加熱生成物のメカニカルミリング処理物を使用する場合は、上記した工程(2)で得られた生成物を使用することができる。 When using a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, the raw material powders can be mixed and then subjected to mechanical milling with a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more. When using a heat-treated product of the mixture, the product obtained in the above-mentioned step (1) and a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more can be used. When using a mechanically milled product of the heat-treated product of the mixture, the product obtained in the above-mentioned step (2) can be used.
なお、上記した工程(1)や工程(2)を採用する場合において、当該生成物中に、電気伝導度が10-3S/cm以上の金属硫化物を、後述する添加量程度に既に含んでいる場合は新たに金属硫化物を加えなくてもよい。本発明では、原料として、硫化鉄等の電気伝導度の高い硫化物を使用している場合であっても、工程(2)のミリング工程においてX線回折スペクトルにおけるピークが消失する、つまり、当該硫化物相が同定できないほどにまでメカニカルミリングを施すような場合や、工程(2)のミリング工程の結果当該硫化物相の含有量が少なくなる場合は、別途、金属硫化物の添加が必要である。 In addition, when the above-described steps (1) and (2) are employed, if the product already contains a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more in the amount to be added described below, it is not necessary to add a new metal sulfide. In the present invention, even when a sulfide having a high electrical conductivity such as iron sulfide is used as a raw material, if the peak in the X-ray diffraction spectrum disappears in the milling step of step (2), that is, if mechanical milling is performed to the extent that the sulfide phase cannot be identified, or if the content of the sulfide phase decreases as a result of the milling step of step (2), it is necessary to add a metal sulfide separately.
使用できる金属硫化物の電気伝導度は、特に制限されるわけではないが、硫化リチウムの利用率を向上させやすく、硫化リチウムが本来有する高容量の特性を充分に発揮させやすく、優れたレート特性を有しやすい観点から、103~10-3S/cmが好ましく、103~10-2S/cmがより好ましい。金属硫化物の電気伝導度は、粉末を300MPa程度で圧粉成型し、電圧印加時の電流量を測定することにより測定する。 The electrical conductivity of the usable metal sulfide is not particularly limited, but from the viewpoints of easily improving the utilization rate of lithium sulfide, easily allowing the high capacity characteristics inherent to lithium sulfide to be fully exhibited, and easily providing excellent rate characteristics, it is preferably 10 to 10 S/cm, and more preferably 10 to 10 S/cm. The electrical conductivity of the metal sulfide is measured by compacting the powder at about 300 MPa and measuring the amount of current when a voltage is applied.
このような電気伝導度を有する金属硫化物としては、特に制限されるわけではないが、例えば、鉄含有多硫化リチウム(Li2FeS2等;ただし、工程(1)及び(2)の生成物とは異なる)、硫化鉄(FeS、FeS2等)、硫化モリブデン(MoS2、Mo6S8等)、硫化銅(CuS等)等が挙げられる。これらの金属硫化物は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 Metal sulfides having such electrical conductivity are not particularly limited, but examples thereof include iron-containing lithium polysulfides ( Li2FeS2 , etc.; however, different from the products of steps (1) and (2)), iron sulfides (FeS, FeS2 , etc.), molybdenum sulfides ( MoS2 , Mo6S8 , etc.), copper sulfides (CuS, etc.), etc. These metal sulfides can be used alone or in combination of two or more.
工程(3)において、上記した金属硫化物の添加量は、特に制限されるわけではないが、硫化リチウムの利用率を向上させやすく、硫化リチウムが本来有する高容量の特性を充分に発揮させやすく、優れたレート特性を有しやすい観点から、工程(2)で得られた中間体と、上記した金属硫化物との合計量を100質量%として、上記した金属硫化物が3~25質量%、好ましくは5~20質量%となるように添加することができる。In step (3), the amount of the metal sulfide added is not particularly limited. However, from the viewpoint of easily improving the utilization rate of lithium sulfide, easily fully demonstrating the high capacity characteristics inherent to lithium sulfide, and easily achieving excellent rate characteristics, the metal sulfide can be added in an amount of 3 to 25% by mass, preferably 5 to 20% by mass, of the total amount of the intermediate obtained in step (2) and the metal sulfide, taken as 100% by mass.
メカニカルミリング装置としては、例えば、ボールミル、振動ミル、ターボミル、ディスクミル等を用いることができ、中でもボールミルが好ましい。 Mechanical milling devices that can be used include, for example, ball mills, vibration mills, turbo mills, and disc mills, with ball mills being preferred.
メカニカルミリング処理は、硫化物の酸化を抑制しやすいため、非酸化性雰囲気下、例えば、Ar、N2等の不活性ガス雰囲気下、H2等の還元性雰囲気下等で行うことが好ましい。また、酸素濃度が十分に低い減圧状態、例えば、酸素分圧が、20Pa以下(特に1~20Pa)の減圧下とすることもできる。 Since mechanical milling is easy to suppress oxidation of sulfides, it is preferable to perform it in a non-oxidizing atmosphere, for example, in an inert gas atmosphere such as Ar or N 2 , or in a reducing atmosphere such as H 2. In addition, it can also be performed under a reduced pressure state with a sufficiently low oxygen concentration, for example, a reduced pressure of 20 Pa or less (particularly 1 to 20 Pa).
メカニカルミリングを行う際の回転数については、硫黄の揮発が生じにくくし、目的とする硫黄の含有比率が高い複合体を形成しやすくするため、200~600rpmが好ましく、250~550rpmがより好ましい。 The rotation speed during mechanical milling is preferably 200 to 600 rpm, more preferably 250 to 550 rpm, to prevent sulfur from volatilizing and facilitate the formation of a composite with the desired high sulfur content.
メカニカルミリングを行う際の温度については、硫黄の揮発が生じにくくし、目的とする硫黄の含有比率が高い複合体を形成しやすくするため、100℃以下が好ましく、20~80℃がより好ましい。 The temperature during mechanical milling is preferably 100°C or less, more preferably 20 to 80°C, to prevent sulfur from volatilizing and facilitate the formation of a composite with the desired high sulfur content.
メカニカルミリング時間については、特に限定的ではないが、得られる複合体の結晶子サイズが、50nm以下となるまでメカニカルミリング処理を行うことが好ましい。 There is no particular limitation on the mechanical milling time, but it is preferable to perform the mechanical milling process until the crystallite size of the resulting composite is 50 nm or less.
3.リチウムイオン二次電池
本発明の鉄含有多硫化リチウムは、上記した優れた特性を利用して、リチウム一次電池、リチウムイオン二次電池(金属リチウム二次電池等)等の正極活物質として有効に利用できる。特に、本発明の鉄含有多硫化リチウムは、構造中にリチウムを含有する材料であるため、充電から充放電を行うことができる材料であり、しかも、高容量で、優れたレート特性を有することから、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として有用である。本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として使用するリチウムイオン二次電池は、電解質として非水溶媒系電解液を用いる非水電解質リチウムイオン二次電池であってもよく、或いは、リチウムイオン伝導性の固体電解質を用いる全固体型リチウムイオン二次電池であってもよい。 3. Lithium-ion secondary battery Taking advantage of the excellent properties described above, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention can be effectively used as a positive electrode active material for lithium primary batteries, lithium ion secondary batteries (metal lithium secondary batteries, etc.), and the like. In particular, since the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is a material containing lithium in its structure, it is a material that can be charged and discharged, and furthermore, it has high capacity and excellent rate characteristics, making it useful as a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries. A lithium ion secondary battery using the iron-containing lithium polysulfide of the present invention as a positive electrode active material may be a nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery that uses a nonaqueous solvent-based electrolytic solution as the electrolyte, or may be an all-solid-state lithium ion secondary battery that uses a lithium ion-conductive solid electrolyte.
非水電解質リチウムイオン二次電池及び全固体型リチウムイオン二次電池の構造は、本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として用いること以外は、公知のリチウムイオン二次電池と同様とすることができる。 The structure of non-aqueous electrolyte lithium-ion secondary batteries and all-solid-state lithium-ion secondary batteries can be the same as that of known lithium-ion secondary batteries, except that the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is used as the positive electrode active material.
例えば、非水電解質リチウムイオン二次電池については、上記した本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として使用する他は、基本的な構造は、公知の非水電解質リチウムイオン二次電池と同様とすることができる。 For example, with regard to non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries, the basic structure can be the same as that of known non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries, except that the iron-containing lithium polysulfide of the present invention described above is used as the positive electrode active material.
正極については、上記した本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として用い、導電材とバインダーとを含む正極合剤をAl、Ni、ステンレス、カーボンクロス等の正極集電体に担持させることができる。導電材としては、例えば、黒鉛、コークス類、カーボンブラック、針状カーボン等の炭素材料を用いることができる。For the positive electrode, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention described above can be used as the positive electrode active material, and a positive electrode mixture containing a conductive material and a binder can be supported on a positive electrode current collector such as Al, Ni, stainless steel, or carbon cloth. Examples of conductive materials that can be used include carbon materials such as graphite, cokes, carbon black, and acicular carbon.
負極としては、リチウムを含有する材料とリチウムを含有しない材料共に用いることが可能である。例えば、黒鉛、難焼結性炭素、リチウム金属等の他、スズ、シリコン及びこれらを含む合金や、SiO等も用いることができる。これらの負極活物質についても、必要に応じて、導電材、バインダー等を用いて、Al、Cu、Ni、ステンレス、カーボン等からなる負極集電体に担持させることができる。 Both lithium-containing and lithium-free materials can be used for the negative electrode. For example, graphite, non-sinterable carbon, lithium metal, tin, silicon, alloys containing these, and SiO can also be used. These negative electrode active materials can also be supported on a negative electrode current collector made of Al, Cu, Ni, stainless steel, carbon, etc., using conductive materials, binders, etc., as needed.
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン、芳香族アラミド、無機ガラス等の材質からなり、多孔質膜、不織布、織布等の形態の材料を用いることができる。 Separators can be made of materials such as polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluororesin, nylon, aromatic aramid, and inorganic glass, and can be in the form of porous membranes, nonwoven fabrics, woven fabrics, etc.
非水電解質の溶媒としては、カーボネート化合物、エーテル化合物、ニトリル化合物、含硫黄化合物等の非水溶媒系二次電池の溶媒として公知の溶媒を用いることができる。 As the solvent for the non-aqueous electrolyte, solvents known as solvents for non-aqueous solvent-based secondary batteries, such as carbonate compounds, ether compounds, nitrile compounds, and sulfur-containing compounds, can be used.
また、全固体型リチウムイオン二次電池についても、本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として用いる以外は、公知の全固体型リチウムイオン二次電池と同様の構造とすることができる。 In addition, all-solid-state lithium-ion secondary batteries can have the same structure as known all-solid-state lithium-ion secondary batteries, except that the iron-containing lithium polysulfide of the present invention is used as the positive electrode active material.
この場合、リチウムイオン伝導性固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖及びポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種を含む高分子化合物等のポリマー系固体電解質の他、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質等を用いることができる。In this case, examples of lithium ion conductive solid electrolytes that can be used include polymer-based solid electrolytes such as polyethylene oxide-based polymer compounds and polymer compounds containing at least one of polyorganosiloxane chains and polyoxyalkylene chains, as well as sulfide-based solid electrolytes and oxide-based solid electrolytes.
全固体型リチウムイオン二次電池の正極については、例えば、本発明の鉄含有多硫化リチウムを正極活物質として用い、導電材、バインダー及び固体電解質を含む正極合剤をTi、Al、Ni、ステンレス等の正極集電体に担持させることができる。導電材については、非水溶媒系リチウムイオン二次電池と同様に、例えば、黒鉛、コークス類、カーボンブラック、針状カーボン等の炭素材料を用いることができる。For the positive electrode of an all-solid-state lithium-ion secondary battery, for example, the iron-containing lithium polysulfide of the present invention can be used as the positive electrode active material, and a positive electrode mixture containing a conductive material, a binder, and a solid electrolyte can be supported on a positive electrode current collector made of Ti, Al, Ni, stainless steel, or the like. As with non-aqueous solvent-based lithium-ion secondary batteries, carbon materials such as graphite, cokes, carbon black, and acicular carbon can be used as the conductive material.
負極としては、リチウムを含有する材料とリチウムを含有しない材料共に用いることが可能である。例えば、黒鉛、難焼結性炭素等の他、リチウム金属、スズ、シリコン及びこれらを含む合金等や、SiO等を用いることができる。これらの負極活物質についても、必要に応じて、上記した導電材、バインダー等を用いて、Al、Cu、Ni、ステンレス、カーボン等からなる負極集電体に担持させることができる。 Both lithium-containing and lithium-free materials can be used for the negative electrode. For example, graphite, non-sinterable carbon, lithium metal, tin, silicon, alloys containing these, and SiO can be used. These negative electrode active materials can also be supported on a negative electrode current collector made of Al, Cu, Ni, stainless steel, carbon, etc., using the aforementioned conductive materials and binders, as needed.
非水電解質リチウムイオン二次電池及び全固体型リチウムイオン二次電池の形状についても特に限定はなく、円筒型、角型等のいずれであってもよい。 There are no particular limitations on the shape of non-aqueous electrolyte lithium-ion secondary batteries and all-solid-state lithium-ion secondary batteries, and they may be cylindrical, rectangular, etc.
以下に実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例のみに限定されないことは、言うまでもない。The present invention will be specifically explained below using examples and comparative examples. However, it goes without saying that the present invention is not limited to the following examples.
実施例1
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)を、モル比がLi2S:FeS=4:1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、乳鉢で充分に混合後、内径15mmの黒鉛型材に充填した。 Example 1
Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed in a glove box (dew point: −80°C) under an argon gas atmosphere so that the molar ratio of Li 2 S:FeS was 4:1, and the mixture was thoroughly mixed in a mortar and then filled into a graphite mold having an inner diameter of 15 mm.
次いで、原料を充填した黒鉛型材を通電焼結機に収容した。黒鉛型材及び電極部分を含む通電部分については、真空チャンバー内に収容されており、チャンバー内は、真空(約20Pa)脱気後、高純度アルゴンガス(酸素濃度約0.2ppm)を大気圧まで充填した。The graphite mold filled with the raw materials was then placed in an electric sintering machine. The graphite mold and the electric parts, including the electrode parts, were housed in a vacuum chamber, which was evacuated to a vacuum (approximately 20 Pa) and then filled with high-purity argon gas (oxygen concentration approximately 0.2 ppm) up to atmospheric pressure.
その後、黒鉛型材に充填された原料を約30MPaで加圧しながら約600Aの直流パルス電流(パルス幅2.5ミリ秒、周期28.6Hz)を印加した。黒鉛型材近傍は約200℃/分の昇温速度で加熱され、パルス電流印加開始3分後に600℃に到達した。その後、直ちに電流印加及び加圧を停止して自然放冷した。The raw material packed into the graphite mold was then pressurized at approximately 30 MPa while a DC pulse current of approximately 600 A (pulse width 2.5 milliseconds, frequency 28.6 Hz) was applied. The area around the graphite mold was heated at a temperature increase rate of approximately 200°C/min, reaching 600°C three minutes after the start of pulse current application. The current application and pressure were then immediately stopped, and the material was allowed to cool naturally.
室温(25℃)まで冷却後、黒鉛治具を露点-80℃のアルゴンガス雰囲気のグローブボックスに移し、硫化リチウムと硫化鉄との反応物を型材から取り出し、乳鉢で粉砕した後、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで20時間処理した。After cooling to room temperature (25°C), the graphite jig was transferred to a glove box with an argon gas atmosphere and a dew point of -80°C. The reaction product of lithium sulfide and iron sulfide was removed from the mold and crushed in a mortar. It was then placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere and mechanically milled at 400 rpm for 20 hours using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.
その後、室温(25℃)で、Li2FeS2(市販のLi2SとFeSを1:1モル比で混合後、通電焼結機で1000℃、1分加熱により作製、電気伝導度10-2S/cm(25℃))を、硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li8FeS5):Li2FeS2=6:4(質量比)となるように乳鉢で混合し、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで1時間処理した。 Then, at room temperature (25°C), Li 2 FeS 2 (prepared by mixing commercially available Li 2 S and FeS in a 1:1 molar ratio and then heating in an electric sintering machine at 1000°C for 1 minute, electrical conductivity 10 −2 S/cm (25°C)) was mixed in a mortar with a reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 8 FeS 5 ):Li 2 FeS 2 = 6:4 (mass ratio), placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere, and processed by mechanical milling at 400 rpm for 1 hour using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li52%、Fe11%、S37%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために300MPaで圧粉成型し電圧印加時の電流値を測定することにより測定したところ、4.4×10-4S/cmであり、Li2FeS2と複合化する前(比較例1)のLi8FeS5の電気伝導度である1.1×10-5S/cmと比較して劇的に向上していた。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 52%, Fe 11%, and S 37%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. Furthermore, the electrical conductivity of the obtained sample was measured by compacting it at 300 MPa and measuring the current value when a voltage was applied. The result was 4.4 × 10 −4 S/cm, which was a dramatic improvement over the electrical conductivity of Li 8 FeS 5 (Comparative Example 1) before being composited with Li 2 FeS 2 , which was 1.1 × 10 −5 S/cm.
得られた試料のX線回折パターンは、図2に示す通り、主相として低結晶性硫化リチウム(Li2S)由来のピークが認められ、それ以外に硫化鉄(FeS)由来のピークが認められた。つまり、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は96モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は4モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から見積もった結晶子サイズは20nmであった。以上から、本手法により、主相が硫化リチウムであり、その結晶子サイズが50nm以下である鉄含有多硫化リチウムが作製できた。 As shown in Figure 2, the X-ray diffraction pattern of the obtained sample showed a peak derived from low-crystalline lithium sulfide (Li 2 S) as the main phase, and also a peak derived from iron sulfide (FeS). That is, the abundance ratio of lithium sulfide (Li 2 S) estimated by Rietveld analysis was 96 mol%, and the abundance ratio of iron sulfide (FeS) was 4 mol%. In addition, the crystallite size estimated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 20 nm. From the above, this method made it possible to produce an iron-containing lithium polysulfide whose main phase was lithium sulfide and whose crystallite size was 50 nm or less.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図3に示すとおり、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)の場合で520mAh/g、0.25mA/cm2の場合で500mAh/g、0.64mA/cm2の場合で480mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)の場合で450mAh/gであった。つまり、高電流密度(1.3mA/cm2)における初回放電容量は、低電流密度(0.13mA/cm2)における初回放電容量の86%という高い値を示し、容量及びレート特性に優れた正極活物質が得られたことが理解できる。 As shown in Figure 3, the initial (first cycle) discharge curve shows that the initial discharge capacity was 520 mAh/g when the discharge current density was low (0.13 mA/cm 2 ), 500 mAh/g when it was 0.25 mA/cm 2 , 480 mAh/g when it was 0.64 mA/cm 2 , and 450 mAh/g when it was high current density (1.3 mA/cm 2 ). In other words, the initial discharge capacity at high current density (1.3 mA/cm 2 ) was as high as 86% of the initial discharge capacity at low current density (0.13 mA/cm 2 ), and it can be seen that a positive electrode active material with excellent capacity and rate characteristics was obtained.
実施例2
硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li8FeS5)と、Li2FeS2とのメカニカルミリング時間を2時間とする他は、実施例1と同様に、鉄含有多硫化リチウムを得た。 Example 2
An iron-containing lithium polysulfide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mechanical milling time of the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 8 FeS 5 ) and Li 2 FeS 2 was set to 2 hours.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li52%、Fe11%、S37%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加時の電流値を測定することにより測定したところ、4.0×10-4S/cmであり、Li2FeS2と複合化する前(比較例1)のLi8FeS5の電気伝導度である1.1×10-5S/cmと比較して劇的に向上していた。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 52%, Fe 11%, and S 37%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. Furthermore, to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value when a voltage was applied was measured. The result was 4.0 × 10 −4 S/cm, which was a dramatic improvement over the electrical conductivity of Li 8 FeS 5 (Comparative Example 1) before being composited with Li 2 FeS 2 , which was 1.1 × 10 −5 S/cm.
得られた試料のX線回折パターンは、図2に示す通り、主相として低結晶性硫化リチウム(Li2S)由来のピークが認められ、それ以外に硫化鉄(FeS)由来のピークが認められた。つまり、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は91モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は9モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から見積もった結晶子サイズは18nmであった。以上から、本手法により、主相が硫化リチウムであり、その結晶子サイズが50nm以下である鉄含有多硫化リチウムが作製できた。 As shown in Figure 2, the X-ray diffraction pattern of the obtained sample showed a peak derived from low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) as the main phase, and also a peak derived from iron sulfide (FeS). That is, the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) estimated by Rietveld analysis was 91 mol%, and the abundance ratio of iron sulfide (FeS) was 9 mol%. In addition, the crystallite size estimated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 18 nm. From the above, this method made it possible to produce iron-containing lithium polysulfide whose main phase was lithium sulfide and whose crystallite size was 50 nm or less.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図3に示すとおり、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)の場合で510mAh/g、0.25mA/cm2の場合で500mAh/g、0.64mA/cm2の場合で480mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)の場合で450mAh/gであった。つまり、高電流密度(1.3mA/cm2)における初回放電容量は、低電流密度(0.13mA/cm2)における初回放電容量の88%という高い値を示し、容量及びレート特性に優れた正極活物質が得られたことが理解できる。 As shown in Figure 3, the initial (first cycle) discharge curve shows that the initial discharge capacity was 510 mAh/g when the discharge current density was low (0.13 mA/cm 2 ), 500 mAh/g when it was 0.25 mA/cm 2 , 480 mAh/g when it was 0.64 mA/cm 2 , and 450 mAh/g when it was high current density (1.3 mA/cm 2 ). In other words, the initial discharge capacity at high current density (1.3 mA/cm 2 ) was as high as 88% of the initial discharge capacity at low current density (0.13 mA/cm 2 ), and it can be seen that a positive electrode active material with excellent capacity and rate characteristics was obtained.
比較例1
硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li8FeS5)に対して、Li2FeS2を添加せず、また、その後のメカニカルミリング処理を行わなかったこと以外は実施例1と同様に、鉄含有多硫化リチウムを得た。具体的には、以下のとおり、鉄含有多硫化リチウムを得た。 Comparative Example 1
An iron-containing lithium polysulfide was obtained in the same manner as in Example 1 , except that Li2FeS2 was not added to the reaction product ( Li8FeS5 ) of lithium sulfide and iron sulfide, and the subsequent mechanical milling treatment was not performed. Specifically, the iron-containing lithium polysulfide was obtained as follows.
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)を、モル比がLi2S:FeS=4:1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、乳鉢で充分に混合後、内径15mmの黒鉛型材に充填した。 Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed in a glove box (dew point: −80°C) under an argon gas atmosphere so that the molar ratio of Li 2 S:FeS was 4:1, and the mixture was thoroughly mixed in a mortar and then filled into a graphite mold having an inner diameter of 15 mm.
次いで、原料を充填した黒鉛型材を通電焼結機に収容した。黒鉛型材及び電極部分を含む通電部分については、真空チャンバー内に収容されており、チャンバー内は、真空(約20Pa)脱気後、高純度アルゴンガス(酸素濃度約0.2ppm)を大気圧まで充填した。The graphite mold filled with the raw materials was then placed in an electric sintering machine. The graphite mold and the electric parts, including the electrode parts, were housed in a vacuum chamber, which was evacuated to a vacuum (approximately 20 Pa) and then filled with high-purity argon gas (oxygen concentration approximately 0.2 ppm) up to atmospheric pressure.
その後、黒鉛型材に充填された原料を約30MPaで加圧しながら約600Aの直流パルス電流(パルス幅2.5ミリ秒、周期28.6Hz)を印加した。黒鉛型材近傍は約200℃/分の昇温速度で加熱され、パルス電流印加開始3分後に600℃に到達した。その後、直ちに電流印加及び加圧を停止して自然放冷した。The raw material packed into the graphite mold was then pressurized at approximately 30 MPa while a DC pulse current of approximately 600 A (pulse width 2.5 milliseconds, frequency 28.6 Hz) was applied. The area around the graphite mold was heated at a temperature increase rate of approximately 200°C/min, reaching 600°C three minutes after the start of pulse current application. The current application and pressure were then immediately stopped, and the material was allowed to cool naturally.
室温(25℃)まで冷却後、黒鉛治具を露点-80℃のアルゴンガス雰囲気のグローブボックスに移し、硫化リチウムと硫化鉄との反応物を型材から取り出し、乳鉢で粉砕した後、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで20時間処理した。After cooling to room temperature (25°C), the graphite jig was transferred to a glove box with an argon gas atmosphere and a dew point of -80°C. The reaction product of lithium sulfide and iron sulfide was removed from the mold and crushed in a mortar. It was then placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere and mechanically milled at 400 rpm for 20 hours using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li57%、Fe7%、S36%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、1.1×10-5S/cmと実施例1~2と比較して低い値であった。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 57%, Fe 7%, and S 36%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. In order to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value was measured by applying a voltage, resulting in a value of 1.1 × 10 -5 S/cm, which was lower than that of Examples 1 and 2.
得られた試料のX線回折パターンは、図2に示す通り、主相として低結晶性硫化リチウム(Li2S)由来のピークからなり、それ以外にピークは認められなかった。つまり、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は100モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から見積もった結晶子サイズは26nmであった。 As shown in Figure 2, the X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of peaks derived from low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) as the main phase, and no other peaks were observed. That is, the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) estimated by Rietveld analysis was 100 mol%. In addition, the crystallite size estimated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 26 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回放電曲線は図3に示すとおり、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)の場合で490mAh/g、0.25mA/cm2の場合で430mAh/g、0.64mA/cm2の場合で280mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)の場合で140mAh/gであった。つまり、高電流密度(1.3mA/cm2)における初回放電容量は、低電流密度(0.13mA/cm2)における初回放電容量の28%しか得られず、特にレート特性に優れた正極活物質は得られなかった。 As shown in Figure 3, the initial discharge curve shows that the initial discharge capacity was 490 mAh/g when the discharge current density was low (0.13 mA/cm 2 ), 430 mAh/g when it was 0.25 mA/cm 2 , 280 mAh/g when it was 0.64 mA/cm 2 , and 140 mAh/g when it was high current density (1.3 mA/cm 2 ). In other words, the initial discharge capacity at high current density (1.3 mA/cm 2 ) was only 28% of the initial discharge capacity at low current density (0.13 mA/cm 2 ), and a positive electrode active material with particularly excellent rate characteristics was not obtained.
比較例2
硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li8FeS5)とLi2FeS2とのメカニカルミリング時間を0時間とする(硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li8FeS5)とLi2FeS2とを混合するが、メカニカルミリング処理を行わない)こと以外は実施例1と同様に、鉄含有多硫化リチウムを得た。 Comparative Example 2
An iron-containing lithium polysulfide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mechanical milling time of the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 8 FeS 5 ) and Li 2 FeS 2 was set to 0 hours (the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 8 FeS 5 ) and Li 2 FeS 2 were mixed, but mechanical milling was not performed).
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li52%、Fe11%、S37%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、1.0×10-5S/cmと実施例1~2と比較して低い値であった。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 52%, Fe 11%, and S 37%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. In order to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value was measured by applying a voltage, resulting in a value of 1.0 × 10 -5 S/cm, which was lower than that of Examples 1 and 2.
得られた試料のX線回折パターンは、図2に示す通り、低結晶性硫化リチウム(Li2S)及び低結晶性Li2FeS2からなるものであった。つまり、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は86モル%、Li2FeS2の存在比は14モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から見積もった結晶子サイズは26nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) and low-crystalline Li2FeS2 , as shown in Figure 2. That is, the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) estimated by Rietveld analysis was 86 mol%, and the abundance ratio of Li2FeS2 was 14 mol%. In addition, the crystallite size estimated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 26 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、初期電圧から1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted on this battery by starting charging with a constant current measurement within the range from the initial voltage to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図3に示すとおり、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)の場合で470mAh/g、0.25mA/cm2の場合で410mAh/g、0.64mA/cm2の場合で380mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)の場合で250mAh/gであった。つまり、高電流密度(1.3mA/cm2)における初回放電容量は、低電流密度(0.13mA/cm2)における初回放電容量の54%しか得られず、特にレート特性に優れた正極活物質は得られなかった。 As shown in Figure 3, the initial (first cycle) discharge curves show that the initial discharge capacity was 470 mAh/g when the discharge current density was low (0.13 mA/cm 2 ), 410 mAh/g when it was 0.25 mA/cm 2 , 380 mAh/g when it was 0.64 mA/cm 2 , and 250 mAh/g when it was high current density (1.3 mA/cm 2 ). In other words, the initial discharge capacity at high current density (1.3 mA/cm 2 ) was only 54% of the initial discharge capacity at low current density (0.13 mA/cm 2 ), and a positive electrode active material with particularly excellent rate characteristics was not obtained.
実施例3
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)を、モル比がLi2S:FeS=5:1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、乳鉢で充分に混合後、内径15mmの黒鉛型材に充填した。 Example 3
Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed in a glove box (dew point: −80°C) in an argon gas atmosphere so that the molar ratio of Li 2 S:FeS was 5:1, and the mixture was thoroughly mixed in a mortar and then filled into a graphite mold having an inner diameter of 15 mm.
次いで、原料を充填した黒鉛型材を通電焼結機に収容した。黒鉛型材及び電極部分を含む通電部分については、真空チャンバー内に収容されており、チャンバー内は、真空(約20Pa)脱気後、高純度アルゴンガス(酸素濃度約0.2ppm)を大気圧まで充填した。The graphite mold filled with the raw materials was then placed in an electric sintering machine. The graphite mold and the electric parts, including the electrode parts, were housed in a vacuum chamber, which was evacuated to a vacuum (approximately 20 Pa) and then filled with high-purity argon gas (oxygen concentration approximately 0.2 ppm) up to atmospheric pressure.
その後、黒鉛型材に充填された原料を約30MPaで加圧しながら約600Aの直流パルス電流(パルス幅2.5ミリ秒、周期28.6Hz)を印加した。黒鉛型材近傍は約200℃/分の昇温速度で加熱され、パルス電流印加開始3分後に600℃に到達した。その後、直ちに電流印加及び加圧を停止して自然放冷しLi10FeS6を作製した。 The graphite mold was then filled with raw materials and pressurized at approximately 30 MPa while a DC pulse current of approximately 600 A (pulse width 2.5 ms, cycle 28.6 Hz) was applied. The graphite mold was heated at a temperature increase rate of approximately 200°C/min, and the temperature reached 600°C 3 minutes after the start of pulse current application. The current application and pressure were then immediately stopped, and the mixture was allowed to cool naturally to produce LiFeS6 .
室温(25℃)まで冷却後、黒鉛治具を露点-80℃のアルゴンガス雰囲気のグローブボックスに移し、硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li10FeS6)を型材から取り出し、Li2FeS2(市販のLi2SとFeSを1:1モル比で混合後、通電焼結機で1000℃、1分加熱により作製、電気伝導度10-2S/cm(25℃))を、Li10FeS6:Li2FeS2=8:2(質量比)となるように乳鉢で混合し、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで2時間メカニカルミリング処理して試料を得た。 After cooling to room temperature (25°C), the graphite jig was transferred to a glove box with an argon gas atmosphere and a dew point of -80°C. The reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 10 FeS 6 ) was removed from the mold, and Li 2 FeS 2 (prepared by mixing commercially available Li 2 S and FeS in a 1:1 molar ratio and then heating in an electric sintering machine at 1000°C for 1 minute, with an electrical conductivity of 10 −2 S/cm (25°C)) was mixed in a mortar to give a Li 10 FeS 6 :Li 2 FeS 2 = 8:2 (mass ratio). The mixture was placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere and subjected to mechanical milling at 400 rpm for 2 hours using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd. to obtain a sample.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li56%、Fe8%、S36%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。The atomic percentages of each element in the obtained sample were Li 56%, Fe 8%, and S 36%. The obtained sample did not contain any carbon or halogens.
得られた試料のX線回折パターンは、図4に示す通り、低結晶性硫化リチウム(Li2S)及び硫化鉄(FeS)から成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は94モル%、FeSの存在比は6モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは23nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) and iron sulfide (FeS), as shown in Figure 4. The abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) was 94 mol% and the abundance ratio of FeS was 6 mol% as determined by Rietveld analysis. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 23 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、1.0~3.0Vの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電については0.13mA/cm2、放電については0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge/discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 1.0 to 3.0 V. The current density for charging was 0.13 mA/cm 2 , and for discharging it was 0.13 to 1.3 mA/cm 2 .
初回(1サイクル目)放電曲線は図5に示す通り、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約620mAh/g、0.25mA/cm2において約540mAh/g、0.64mA/cm2において約510mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)において約430mAh/gの放電容量が得られた。すなわち、高電流密度(1.3mA/cm2)での放電容量は低電流密度(0.13mA/cm2)での約70%もの高い値を示し、レート特性に優れた電極材料が得られた。 As shown in Figure 5, the initial discharge curve (first cycle) shows that the initial discharge capacity was approximately 620 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/cm 2 ), approximately 540 mAh/g at 0.25 mA/cm 2 , approximately 510 mAh/g at 0.64 mA/cm 2 , and approximately 430 mAh/g at a high current density (1.3 mA/cm 2 ). That is, the discharge capacity at a high current density (1.3 mA/cm 2 ) was approximately 70% of that at a low current density (0.13 mA/cm 2 ), indicating that an electrode material with excellent rate characteristics was obtained.
比較例3
硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li10FeS6)とLi2FeS2とのメカニカルミリング時間を0時間とする(硫化リチウムと硫化鉄との反応物(Li10FeS6)とLi2FeS2とを混合するが、メカニカルミリング処理を行わない)こと以外は実施例3と全く同様にして試料を作製した。 Comparative Example 3
A sample was prepared in exactly the same manner as in Example 3, except that the mechanical milling time of the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 10 FeS 6 ) and Li 2 FeS 2 was set to 0 hours (the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide (Li 10 FeS 6 ) and Li 2 FeS 2 were mixed, but mechanical milling was not performed).
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、実施例3と同様、Li56%、Fe8%、S36%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 56%, Fe 8%, and S 36%, the same as in Example 3. The obtained sample did not contain carbon or halogens.
得られた試料のX線回折パターンは、図4に示す通り、結晶性硫化リチウム(Li2S)及び結晶性Li2FeS2から成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は87モル%、Li2FeS2の存在比は13モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは106nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of crystalline lithium sulfide ( Li2S ) and crystalline Li2FeS2 , as shown in Figure 4, and the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) determined by Rietveld analysis was 87 mol% and the abundance ratio of Li2FeS2 was 13 mol%. In addition, the crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 106 nm.
得られた複合体粉末を実施例3と同様にして全固体電池に組み上げて充放電試験を行った。初回(1サイクル目)放電曲線は図5に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約150mAh/gの低い放電容量しか得られず、電流密度0.25mA/cm2においては約140mAh/g、0.64mA/cm2においては約130mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)においては約120mAh/gといずれも低い放電容量しか得られず、Li10FeS6にLi2FeS2を混合するのみでは容量及びレート特性の双方に優れた電極材料が得られないことが分かった。 The obtained composite powder was assembled into an all-solid-state battery and subjected to a charge-discharge test in the same manner as in Example 3. The initial (first cycle) discharge curve is shown in Figure 5, and the initial discharge capacity was only a low discharge capacity of about 150 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/ cm2 ) , about 140 mAh/g at a current density of 0.25 mA/ cm2 , about 130 mAh/ g at a current density of 0.64 mA/cm2, and about 120 mAh/ g at a high current density (1.3 mA/ cm2 ). This indicates that an electrode material excellent in both capacity and rate characteristics cannot be obtained by simply mixing Li10FeS6 with Li2FeS2 .
実施例4
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)を、モル比がLi2S:FeS=5:1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、乳鉢で充分に混合後、室温(25℃)で、Mo6S8(MoS2、Mo、CuSをモル比3:3:2で混合した粉をアルゴンガス雰囲気下、1000℃で熱処理することによりCu2Mo6S8を合成し、これを5mol/LのHClに1時間浸漬してCuを溶出させることによりMo6S8を作製)を、硫化リチウムと硫化鉄との反応物:Mo6S8=8:2(質量比)となるように乳鉢で混合し、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで40時間処理した。 Example 4
Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed in a glove box (dew point -80°C) under an argon gas atmosphere so that the molar ratio of Li 2 S:FeS was 5:1. After thorough mixing in a mortar, the mixture was quenched at room temperature (25°C) to produce Mo 6 S 8 (a powder of MoS 2 , Mo, and CuS mixed in a molar ratio of 3:3:2 was heat-treated at 1000°C under an argon gas atmosphere to synthesize Cu 2 Mo 6 S 8 , which was then immersed in 5 mol/L HCl for 1 hour to elute the Cu, producing Mo 6 S 8 ). This was then used to prepare a reaction product of lithium sulfide and iron sulfide: Mo 6 S 8. The mixture was mixed in a mortar so that the mass ratio was 8:2, and the mixture was placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere. The mixture was then processed by mechanical milling at 400 rpm for 40 hours using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li55%、Fe5%、S37%、Mo3%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、3.5×10-4S/cmであり、メカニカルミリング処理を施さない比較例4の電気伝導度である10-8S/cm未満(測定不能)と比較して劇的に向上していた。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 55%, Fe 5%, S 37%, and Mo 3%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. Furthermore, to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and measured by applying a voltage to measure the current value. The result was 3.5 × 10 −4 S/cm, which was dramatically improved compared to the electrical conductivity of Comparative Example 4, which was not subjected to mechanical milling, which was less than 10 −8 S/cm (immeasurable).
得られた試料のX線回折パターンは、図6に示す通り、主相として低結晶性硫化リチウム(Li2S)由来のピークが認められ、それ以外に硫化鉄(FeS)由来のピークが認められなかった。つまり、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は100モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは17nmであった。 As shown in Figure 6, the X-ray diffraction pattern of the obtained sample showed a peak derived from low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) as the main phase, and no other peak derived from iron sulfide (FeS). That is, the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) estimated by Rietveld analysis was 100 mol%. In addition, the crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 17 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図7に示すとおり、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)の場合で520mAh/g、0.25mA/cm2の場合で500mAh/g、0.64mA/cm2の場合で480mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)の場合で420mAh/gであった。つまり、高電流密度(1.3mA/cm2)における初回放電容量は、低電流密度(0.13mA/cm2)における初回放電容量の81%という高い値を示し、容量及びレート特性に優れた正極活物質が得られたことが理解できる。 As shown in Figure 7, the initial discharge capacity was 520 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/cm 2 ), 500 mAh/g at 0.25 mA/cm 2 , 480 mAh/g at 0.64 mA/cm 2 , and 420 mAh/g at a high current density (1.3 mA/cm 2 ). In other words, the initial discharge capacity at a high current density (1.3 mA/cm 2 ) was as high as 81% of the initial discharge capacity at a low current density (0.13 mA/cm 2 ), and it can be seen that a positive electrode active material with excellent capacity and rate characteristics was obtained.
比較例4
硫化リチウムと硫化鉄との反応物とMo6S8とのメカニカルミリング時間を0時間とする(硫化リチウムと硫化鉄との反応物とMo6S8とを混合するが、メカニカルミリング処理を行わない)こと以外は実施例4と全く同様にして試料を作製した。 Comparative Example 4
A sample was prepared in exactly the same manner as in Example 4, except that the mechanical milling time of the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide with Mo 6 S 8 was set to 0 hours (the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide was mixed with Mo 6 S 8 , but mechanical milling was not performed).
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、実施例4と同様、Li55%、Fe5%、S37%、Mo3%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、10-8S/cm未満(測定不能)と実施例4と比較して劇的に低い値であった。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 55%, Fe 5%, S 37%, and Mo 3%, similar to those in Example 4. The obtained sample did not contain carbon or halogens. In order to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value was measured by applying a voltage. The value was less than 10 −8 S/cm (immeasurable), which was dramatically lower than that in Example 4.
得られた試料のX線回折パターンは、図6に示す通り、結晶性硫化リチウム(Li2S)、結晶性Mo6S8及び結晶性硫化鉄(FeS)から成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は82モル%、Mo6S8の存在比は2モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は16モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは80nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of crystalline lithium sulfide ( Li2S ), crystalline Mo6S8 , and crystalline iron sulfide (FeS), as shown in Figure 6. The abundance ratios of lithium sulfide ( Li2S ), Mo6S8 , and FeS were determined by Rietveld analysis to be 82 mol%, 2 mol%, and 16 mol%, respectively. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 80 nm.
得られた複合体粉末を実施例4と同様にして全固体電池に組み上げて充放電試験を行った。初回(1サイクル目)放電曲線は図7に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約110mAh/gの低い放電容量しか得られず、電流密度0.25mA/cm2においては約100mAh/g、0.64mA/cm2においては約90mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)においては約70mAh/gといずれも低い放電容量しか得られなかった。 The obtained composite powder was assembled into an all-solid-state battery and subjected to a charge-discharge test in the same manner as in Example 4. The initial (first cycle) discharge curve is shown in Figure 7, and the initial discharge capacity was only a low discharge capacity of about 110 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/ cm2 ), about 100 mAh/g at a current density of 0.25 mA/ cm2 , about 90 mAh/g at a current density of 0.64 mA/ cm2 , and about 70 mAh/g at a high current density (1.3 mA/ cm2 ).
実施例5
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)をモル比がLi2S:FeS=5:1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、乳鉢で充分に混合後、室温(25℃)で、MoS2((株)高純度化学研究所製、型番:MOI06PB)を、硫化リチウムと硫化鉄との反応物:MoS2=8:2(質量比)となるように乳鉢で混合し、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで20時間行うことにより試料を作製した。 Example 5
Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed in a glove box (dew point -80°C) under an argon gas atmosphere so that the molar ratio of Li 2 S:FeS was 5:1, and then thoroughly mixed in a mortar. MoS 2 (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: MOI06PB) was then mixed in a mortar at room temperature (25°C) so that the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide:MoS 2 was 8:2 (mass ratio). The mixture was placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere and mechanically milled for 20 hours at 400 rpm using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd. to prepare a sample.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li54%、Fe5%、S38%、Mo3%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、3.4×10-3S/cmであり、メカニカルミリング処理を施さない比較例5の電気伝導度である10-8S/cm未満(測定不能)と比較して劇的に向上していた。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 54%, Fe 5%, S 38%, and Mo 3%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. Furthermore, to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and measured by applying a voltage to measure the current value. The result was 3.4 × 10 −3 S/cm, which was dramatically improved compared to the electrical conductivity of Comparative Example 5, which was not subjected to mechanical milling, which was less than 10 −8 S/cm (immeasurable).
得られた試料のX線回折パターンは、図8に示す通り、低結晶性硫化リチウム(Li2S)及び硫化鉄(FeS)から成り、Rietveld解析により見積もられた硫化リチウム(Li2S)の存在比は91モル%、MoS2の存在比は0モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は9モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは19nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample consisted of low-crystalline lithium sulfide ( Li2S ) and iron sulfide (FeS), as shown in Figure 8, and the abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ) estimated by Rietveld analysis was 91 mol%, the abundance ratio of MoS2 was 0 mol%, and the abundance ratio of iron sulfide (FeS) was 9 mol%. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 19 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図9に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約660mAh/g、0.25mA/cm2において約620mAh/g、0.64mA/cm2において約600mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)において約560mAh/gの放電容量が得られた。すなわち、高電流密度(1.3mA/cm2)での放電容量は低電流密度(0.13mA/cm2)での約86%もの高い値を示し、レート特性に優れた電極材料が得られた。 The initial (first cycle) discharge curve is shown in Figure 9, and the initial discharge capacity was approximately 660 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/cm 2 ), approximately 620 mAh/g at 0.25 mA/cm 2 , approximately 600 mAh/g at 0.64 mA/cm 2 , and approximately 560 mAh/g at a high current density (1.3 mA/cm 2 ). That is, the discharge capacity at a high current density (1.3 mA/cm 2 ) was as high as approximately 86% of that at a low current density (0.13 mA/cm 2 ), indicating that an electrode material with excellent rate characteristics was obtained.
比較例5
硫化リチウムと硫化鉄との反応物とMoS2とのメカニカルミリング処理時間を0時間とする(硫化リチウムと硫化鉄との反応物とMoS2とを混合するが、メカニカルミリング処理を行わない)こと以外は実施例5と全く同様にして試料を作製した。 Comparative Example 5
A sample was prepared in exactly the same manner as in Example 5, except that the mechanical milling treatment time of MoS2 with the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide was set to 0 hours (the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide and MoS2 were mixed, but mechanical milling treatment was not performed).
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、実施例5と同様、Li54%、Fe5%、S38%、Mo3%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、10-8S/cm未満(測定不能)と実施例5と比較して劇的に低い値であった。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 54%, Fe 5%, S 38%, and Mo 3%, similar to those in Example 5. The obtained sample did not contain carbon or halogens. In order to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value was measured by applying a voltage. The value was less than 10 −8 S/cm (immeasurable), which was dramatically lower than that in Example 5.
得られた試料のX線回折パターンは、図8に示す通り、結晶性硫化リチウム(Li2S)、硫化鉄(FeS)及びMoS2から成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は77モル%、Mo6S8の存在比は8モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は15モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは84nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample was composed of crystalline lithium sulfide ( Li2S ), iron sulfide (FeS), and MoS2, as shown in Figure 8. The abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ), Mo6S8 , and iron sulfide (FeS) determined by Rietveld analysis was 77 mol%, 8 mol%, and 15 mol%, respectively. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 84 nm.
得られた複合体粉末を実施例5と同様にして全固体電池に組み上げて充放電試験を行った。結果は図9に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約3mAh/gの低い放電容量しか得られず、電流密度0.25mA/cm2においても約3mAh/g、0.64mA/cm2においても約2mAh/g、高電流密度(1.3mA/cm2)においても約2mAh/gといずれも低い放電容量しか得られず、MoS2を混合するのみでは容量及びレート特性の双方に優れた電極材料が得られないことが分かった。 The obtained composite powder was assembled into an all-solid-state battery in the same manner as in Example 5, and a charge-discharge test was performed. The results are shown in Figure 9, and the initial discharge capacity was only low, about 3 mAh/g, at a low discharge current density (0.13 mA/cm 2 ), about 3 mAh/g at a current density of 0.25 mA/cm 2 , about 2 mAh/g at a current density of 0.64 mA/cm 2 , and about 2 mAh/g at a high current density (1.3 mA/cm 2 ). This indicates that an electrode material excellent in both capacity and rate characteristics cannot be obtained by simply mixing MoS 2 .
実施例6
市販の硫化リチウム(Li2S)((株)高純度化学研究所製、型番:LII06PB)と硫化鉄(FeS)(Alfa Aesar製、型番:14024)をモル比がLi2S:FeS=5:1で秤量し、乳鉢で充分に混合後、室温(25℃)で、CuS((株)富士フイルム和光純薬製、型番:034-04462)を、硫化リチウムと硫化鉄との反応物:CuS=8:2(質量比)となるように乳鉢で混合し、アルゴンガス雰囲気下でジルコニア製ポットに入れ、フリッチュ・ジャパン株式会社(株)製の遊星ボールミル(型式P-7)を用い、メカニカルミリング法により、400rpmで40時間行うことにより試料を作製した。 Example 6
Commercially available lithium sulfide (Li 2 S) (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., model number: LII06PB) and iron sulfide (FeS) (manufactured by Alfa Aesar, model number: 14024) were weighed out in a molar ratio of Li 2 S:FeS = 5:1 and thoroughly mixed in a mortar. Then, at room temperature (25°C), CuS (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., model number: 034-04462) was added to the mortar to achieve a mass ratio of lithium sulfide and iron sulfide reactant:CuS = 8:2. The mixture was placed in a zirconia pot under an argon gas atmosphere and subjected to mechanical milling at 400 rpm for 40 hours using a planetary ball mill (model P-7) manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd. to prepare a sample.
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、Li54%、Fe5%、S37%、Cu4%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、1.6×10-6S/cmであり、メカニカルミリング処理を施さない比較例6の電気伝導度である10-8S/cm未満(測定不能)と比較して劇的に向上していた。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 54%, Fe 5%, S 37%, and Cu 4%. The obtained sample did not contain carbon or halogens. Furthermore, to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and measured by applying a voltage to measure the current value. The result was 1.6 × 10 −6 S/cm, which was dramatically improved compared to the electrical conductivity of Comparative Example 6, which was not subjected to mechanical milling, which was less than 10 −8 S/cm (immeasurable).
得られた試料のX線回折パターンは、図10に示す通り、低結晶性硫化リチウム(Li2S)から成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は100モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは23nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample was composed of low-crystalline lithium sulfide (Li 2 S), and the abundance ratio of lithium sulfide (Li 2 S) determined by Rietveld analysis was 100 mol % as shown in Figure 10. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 23 nm.
得られた鉄含有多硫化リチウムを正極活物質に用い、負極にインジウム金属、電解質にアルジロダイト型硫化物系固体電解質を用いて全固体リチウムイオン二次電池を組み上げ、充放電試験を行った。 An all-solid-state lithium-ion secondary battery was assembled using the obtained iron-containing lithium polysulfide as the positive electrode active material, indium metal as the negative electrode, and an argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte as the electrolyte, and charge/discharge tests were conducted.
正極については、上記した鉄含有多硫化リチウムと、アルジロダイト型硫化物系固体電解質と、アセチレンブラックとを、質量比4:5:1で混合して正極合材として用い、正極合材/アルジロダイト型硫化物系固体電解質/リチウムインジウム箔を加圧成型することにより直径10mmのペレット電池を作製した。これを、3.0Vから1.0Vまでの範囲内での定電流測定で充電開始により充放電試験を行った。なお、電流密度は、充電においては0.13mA/cm2とし、放電においては0.13~1.3mA/cm2とした。 For the positive electrode, the above-mentioned iron-containing lithium polysulfide, argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte, and acetylene black were mixed in a mass ratio of 4:5:1 to form a positive electrode composite. A 10 mm diameter pellet battery was fabricated by pressure molding the positive electrode composite/argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte/lithium indium foil. A charge-discharge test was conducted with this battery, starting with constant current measurement within the range of 3.0 V to 1.0 V. The current density was 0.13 mA/ cm² for charging and 0.13 to 1.3 mA/ cm² for discharging.
初回(1サイクル目)放電曲線は図11に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約550mAh/g、0.25mA/cm2において約490mAh/g、0.64mA/cm2において約450mAh/g、1.3mA/cm2において約380mAh/gの放電容量が得られた。すなわち、高電流密度(1.3mA/cm2)での放電容量は低電流密度(0.13mA/cm2)での約70%もの高い値を示し、レート特性に優れた電極材料が得られた。 The initial (first cycle) discharge curve is shown in Figure 11, and the initial discharge capacity was approximately 550 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/cm 2 ), approximately 490 mAh/g at 0.25 mA/cm 2 , approximately 450 mAh/g at 0.64 mA/cm 2 , and approximately 380 mAh/g at 1.3 mA/cm 2 . In other words, the discharge capacity at a high current density (1.3 mA/cm 2 ) was as high as approximately 70% of that at a low current density (0.13 mA/cm 2 ), indicating that an electrode material with excellent rate characteristics was obtained.
比較例6
硫化リチウムと硫化鉄との反応物とCuSとのメカニカルミリング処理時間を0時間(硫化リチウムと硫化鉄との反応物とCuSとを混合するが、メカニカルミリング処理を行わない)とする以外は実施例6と全く同様にして試料を作製した。 Comparative Example 6
A sample was prepared in exactly the same manner as in Example 6, except that the mechanical milling treatment time of CuS with the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide was set to 0 hours (the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide and CuS were mixed, but mechanical milling treatment was not performed).
得られた試料の各元素の比率(原子%)は、実施例6と同様、Li54%、Fe5%、S37%、Cu4%であった。なお、得られた試料には、炭素やハロゲンは含まれていなかった。また、得られた試料の電気伝導度を測定するために粉末を300MPaで圧粉成型し、電圧印加で電流値を測定することにより測定したところ、10-8S/cm未満(測定不能)と実施例6と比較して劇的に低い値であった。 The ratios (atomic %) of each element in the obtained sample were Li 54%, Fe 5%, S 37%, and Cu 4%, similar to those in Example 6. The obtained sample did not contain carbon or halogens. In order to measure the electrical conductivity of the obtained sample, the powder was compacted at 300 MPa and the current value was measured by applying a voltage. The value was less than 10 −8 S/cm (immeasurable), which was dramatically lower than that in Example 6.
得られた試料のX線回折パターンは、図10に示す通り、結晶性硫化リチウム(Li2S)、硫化鉄(FeS)及びCuSから成り、Rietveld解析から求めた硫化リチウム(Li2S)の存在比は73モル%、CuSの存在比は12モル%、硫化鉄(FeS)の存在比は15モル%であった。また、硫化リチウムの(111)面に基づく回折ピークの半値幅から算出される結晶子サイズは86nmであった。 The X-ray diffraction pattern of the obtained sample was composed of crystalline lithium sulfide ( Li2S ), iron sulfide (FeS), and CuS, as shown in Figure 10. The abundance ratio of lithium sulfide ( Li2S ), CuS, and iron sulfide (FeS) determined by Rietveld analysis was 73 mol%, 12 mol%, and 15 mol%, respectively. The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of lithium sulfide was 86 nm.
得られた複合体粉末を実施例6と同様にして全固体電池に組み上げて充放電試験を行った。結果は図11に示す通りで、初回放電容量は、放電電流密度が低電流密度(0.13mA/cm2)において約7mAh/gの低い放電容量しか得られず、電流密度0.25mA/cm2においても約4mAh/g、0.64mA/cm2においても約3mAh/g、1.3mA/cm2においても約3mAh/gといずれも低い放電容量しか得られなかった。すなわち、硫化リチウムと硫化鉄との反応物にCuSを混合するのみでは、容量にもレート特性にも優れた電極材料が得られないことが分かった。 The obtained composite powder was assembled into an all-solid-state battery in the same manner as in Example 6, and a charge-discharge test was conducted. The results are shown in Figure 11. The initial discharge capacity was only a low discharge capacity of about 7 mAh/g at a low discharge current density (0.13 mA/ cm2 ), and was also low at a current density of about 4 mAh/g at 0.25 mA/cm2, about 3 mAh/g at 0.64 mA/ cm2 , and about 3 mAh/g at 1.3 mA/ cm2 . In other words, it was found that simply mixing CuS with the reaction product of lithium sulfide and iron sulfide does not result in an electrode material with excellent capacity or rate characteristics.
1 通電焼結装置
2 試料
3 ダイ(導電性容器)
4、5 通電用パンチ
6,7 パンチ電極
8 水冷真空チャンバー
9 冷却水路
10、16 水冷却機構
11 焼結用電源
12 制御装置
13 加圧機構
14 位置計測機構
15 雰囲気制御機構
17 温度計測装置
1 Electric current sintering apparatus 2 Sample 3 Die (conductive container)
4, 5: Current-carrying punches 6, 7: Punch electrode 8: Water-cooled vacuum chamber 9: Cooling water passages 10, 16: Water cooling mechanism 11: Sintering power source 12: Control device 13: Pressurizing mechanism 14: Position measurement mechanism 15: Atmosphere control mechanism 17: Temperature measurement device
Claims (12)
硫化リチウム(Li2S)を主相として含み、
粉末X線回折によって得られたLi2Sの(111)面に基づく回折ピークの半価幅から算出される結晶子サイズが23nm以下であり、且つ、
前記鉄含有多硫化リチウムの総量を100原子%として、Li含有量が50~70原子%、Fe含有量が2~12原子%、S含有量が20~40原子%、C含有量が0~5原子%、ハロゲン含有量が0~0.8原子%である、リチウムイオン二次電池の正極活物質用鉄含有多硫化リチウム。 An iron-containing lithium polysulfide for use as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, the iron-containing lithium polysulfide containing lithium, iron, and sulfur as constituent elements,
It contains lithium sulfide (Li 2 S) as a main phase,
The crystallite size calculated from the half-width of the diffraction peak based on the (111) plane of Li 2 S obtained by powder X-ray diffraction is 23 nm or less, and
The iron-containing lithium polysulfide for use as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery has a Li content of 50 to 70 atomic %, an Fe content of 2 to 12 atomic %, an S content of 20 to 40 atomic %, a C content of 0 to 5 atomic %, and a halogen content of 0 to 0.8 atomic %, where the total amount of the iron-containing lithium polysulfide is taken as 100 atomic %.
(3)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;前記混合物の加熱処理物;又は前記混合物の加熱生成物のメカニカルミリング処理物と、電気伝導度が10-3S/cm以上である金属硫化物とを、メカニカルミリング処理する工程
を備える、製造方法。 A method for producing the iron-containing lithium polysulfide for use as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4 , comprising the steps of:
(3) A manufacturing method comprising a step of mechanically milling a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound; a heat-treated product of the mixture; or a mechanically milled product of the heat-treated product of the mixture, together with a metal sulfide having an electrical conductivity of 10 −3 S/cm or more.
(2)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物;又は前記混合物の加熱処理物を、メカニカルミリング処理する工程
を備える、請求項5に記載の製造方法。 Before the step (3),
(2) The manufacturing method according to claim 5 , further comprising a step of subjecting a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound, or a heat-treated product of the mixture, to mechanical milling.
(1)リチウム含有化合物、鉄含有化合物及び硫黄含有化合物を含む混合物を加熱する工程
を備える、請求項6に記載の製造方法。 Before the step (2),
The method of claim 6 , comprising the step of: (1) heating a mixture containing a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a sulfur-containing compound.
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