JP2013030440A - Solid electrolyte and lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、硫化物系固体電解質を含む固体電解質およびその固体電解質を含むリチウム電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte including a sulfide-based solid electrolyte and a lithium battery including the solid electrolyte.
近年、携帯電話、ノートパソコン、タブレットパソコンなどの情報電子機器の高性能化に伴い、1回の充電でこれらの情報電子機器を長時間駆動させるための高性能な蓄電池が望まれている。また、温室効果ガスの削減、ガソリン価格の高騰などのために、ハイブリッド自動車や電気自動車が急速に普及し、これらに搭載されたモーターを駆動させるための高出力かつ高容量の蓄電池が望まれている。このような要求を満たす電池として、現在、リチウム電池が主に使用されている。 2. Description of the Related Art In recent years, as information electronic devices such as mobile phones, notebook personal computers, and tablet personal computers have been improved in performance, high-performance storage batteries for driving these information electronic devices for a long time with a single charge are desired. In addition, hybrid vehicles and electric vehicles are rapidly spreading due to the reduction of greenhouse gases and rising gasoline prices, and high output and high capacity storage batteries for driving the motors mounted on these vehicles are desired. Yes. Currently, lithium batteries are mainly used as batteries that satisfy such requirements.
現在、リチウム電池の電解質として、イオン導電性が高いこと、電位窓が広いこと、安価なことなどを理由に、可燃性の有機溶媒が使用されている。しかし、リチウム電池のエネルギー密度は非常に高いため、リチウム電池の安全性をより高めるために、難燃性の材料をリチウム電池の電解質として使用することが望ましい。このような難燃性の材料として無機固体電解質が注目されている。 Currently, flammable organic solvents are used as electrolytes for lithium batteries because of their high ionic conductivity, wide potential window, and low cost. However, since the energy density of the lithium battery is very high, it is desirable to use a flame retardant material as the electrolyte of the lithium battery in order to further improve the safety of the lithium battery. Inorganic solid electrolytes are attracting attention as such flame-retardant materials.
無機固体電解質として、窒化物、酸化物、硫化物などの非晶質、または結晶質の無機系電解質がある。硫化物系ガラス固体電解質として、硫化リチウム、二硫化ゲルマニウム、およびヨウ化リチウムの3成分系ガラス状固体電解質(特許文献1)や、一般式Li2−Xで表されるリチウムイオン伝導性硫化物ガラスに、リン酸リチウムを存在させた固体電解質(特許文献2)が知られている。これらのイオン伝導度は10-4S/cmレベルである。さらに、非晶質ではなく、結晶質として高いイオン伝導性を目指してSiS4やPO4、PS4、PN4四面体を基本構造とする結晶物質が探索され、Li2S−GeS2−Ga2S3系固体電解質でイオン伝導度10-5〜10-4S/cmが報告されている(特許文献3)。 Inorganic solid electrolytes include amorphous or crystalline inorganic electrolytes such as nitrides, oxides, and sulfides. As a sulfide-based glass solid electrolyte, a three-component glassy solid electrolyte of lithium sulfide, germanium disulfide and lithium iodide (Patent Document 1), or a lithium ion conductive sulfide represented by the general formula Li 2 -X A solid electrolyte (Patent Document 2) in which lithium phosphate is present in glass is known. These ionic conductivities are at the 10 −4 S / cm level. Furthermore, a crystalline material having a basic structure of SiS 4 , PO 4 , PS 4 , and PN 4 tetrahedrons is searched for aiming at high ion conductivity as a crystalline material, not amorphous, and Li 2 S—GeS 2 —Ga. An ion conductivity of 10 −5 to 10 −4 S / cm has been reported for a 2 S 3 solid electrolyte (Patent Document 3).
固体電解質の中で、リチウムイオン導電率が非常に高い固体電解質として、硫化物系チオリシコン(thio-LISICON : LIthium SuperIonic CONductor)と呼ばれる硫化物系固体電解質が知られている。その中でもLi3.25Ge0.25P0.75S4のイオン伝導度は、2.2×10-3S/cmであり、硫化物系チオリシコンの中でも最も高い(たとえば、非特許文献1参照)。また、電解質の安定性を向上させるためにリチウム以外の金属元素を含まない硫化物系チオリシコンとして、Li−P−S系およびLi−P−S−O系の硫化物系固体電解質が報告されている(たとえば、非特許文献2および3参照)。
Among solid electrolytes, a sulfide solid electrolyte called thio-LISICON (LIthium SuperIonic CONductor) is known as a solid electrolyte having a very high lithium ion conductivity. Among them, the ion conductivity of Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 is 2.2 × 10 −3 S / cm, which is the highest among the sulfide-based thiolysicons (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, Li-PS-based and Li-PS-O-based sulfide-based solid electrolytes have been reported as sulfide-based thiolysicons that do not contain metal elements other than lithium in order to improve electrolyte stability. (For example, see Non-Patent
しかしながら、これらの硫化物系固体電解質の導電率は、現在使用されている可燃性の有機溶媒の導電率に比べればまだ低い。本発明は、電解質の安定性を向上させるためにリチウム以外の金属元素を含まないLi−P−S系およびLi−P−S−O系の硫化物系固体電解質の中で、高い導電性を有する可能性がある新たな固体電解質を開発することを目的とする。 However, the conductivity of these sulfide-based solid electrolytes is still lower than the conductivity of combustible organic solvents currently used. The present invention has high conductivity among Li-PS-based and Li-PS-O-based sulfide-based solid electrolytes containing no metal element other than lithium in order to improve the stability of the electrolyte. The aim is to develop new solid electrolytes that may have.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の構成を採用した。
(1)請求項1の発明の固体電解質は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzで示される硫化物系固体電解質を含み、0.01≦x≦1.42であり、かつ0.01≦z≦1.55である。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載の固体電解質であって、さらに、0.02≦x≦1.11であり、かつ0.20≦z≦1.20である。
(3)請求項3の発明は、請求項2に記載の固体電解質であって、さらに、0.03≦x≦0.09であり、かつ0.25≦z≦1.00である。
(4)請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質であって、硫化物系固体電解質が、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、12.9°、14.4°、15.2°、18.0°、20.5〜22.0°、24.2°、25.0°、28.0°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有する。
(5)請求項5の発明の固体電解質は、組成式Li3+5xP1-xS4で示される硫化物系固体電解質を含み、0.06≦x≦0.08であり、硫化物系固体電解質が、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、13.3°、14.75°、15.3°、18.0°、21.0〜21.7°、24.2°、25.4°、28.4°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有する。
(6)請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質であって、Li2Sおよびγ−Li3PS4を含まない。
(7)請求項7の発明のリチウム電池は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質を含む。
The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.
(1) The solid electrolyte of the invention of
(2) The invention according to
(3) The invention according to
(4) The invention of
(5) The solid electrolyte of the invention of
(6) The invention of
(7) A lithium battery according to a seventh aspect of the invention includes the solid electrolyte according to any one of the first to sixth aspects.
本発明によれば、Li−P−S系およびLi−P−S−O系の硫化物系固体電解質を含む導電率の高い固体電解質を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid electrolyte with high electroconductivity containing the sulfide type solid electrolyte of a Li-PS system and a Li-PS-O system can be obtained.
本発明者は、鋭意検討した結果、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzで示される硫化物系固体電解質を含み、0.01≦x≦1.42であり、かつ0.01≦z≦1.55である固体電解質の導電率、および組成式Li3+5xP1-xS4で示される硫化物系固体電解質を含み、0.06≦x≦0.08であり、その硫化物系固体電解質が、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、13.3°、14.75°、15.3°、18.0°、21.0〜21.7°、24.2°、25.4°、28.4°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有する固体電解質の導電率が高いことを見出し、本発明に想到した。以下、本発明の詳細について説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。 As a result of intensive studies, the inventor includes a sulfide-based solid electrolyte represented by a composition formula Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z , and 0.01 ≦ x ≦ 1.42. Including a conductivity of a solid electrolyte satisfying 0.01 ≦ z ≦ 1.55 and a sulfide-based solid electrolyte represented by a composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4 , and 0.06 ≦ x ≦ 0.08 In the powder X-ray diffraction measurement by Cu-Kα ray having an X-ray wavelength of 1.5418 Å, the sulfide-based solid electrolyte is at least 13.3 °, 14.75 °, 15.3 °, 18. The conductivity of the solid electrolyte having characteristic peaks in the vicinity of diffraction angles (2θ) of 0 °, 21.0 to 21.7 °, 24.2 °, 25.4 °, 28.4 °, 30.6 ° I found it high and came up with the present invention. Hereinafter, although the detail of this invention is demonstrated, this invention is not limited to the following embodiment.
(硫化物系固体電解質)
図1のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図を参照して本発明の硫化物系固体電解質を説明する。図1の「●」の点は、後述の実施例の組成を示し、「■」の点は、後述の比較例の組成を示し、「▲」の点は、上述の非特許文献3に記載のLi−P−S−O系の硫化物系固体電解質の組成を示す。
(Sulfide-based solid electrolyte)
The sulfide-based solid electrolyte of the present invention will be described with reference to the ternary composition diagram of the Li 2 S—P 2 S 5 —P 2 O 5 system in FIG. In FIG. 1, “●” indicates the composition of Examples described later, “■” indicates the composition of Comparative Examples described later, and “▲” indicates the composition of
本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4-zOzで示され、0.01≦x≦1.42であり、かつ0.01≦z≦1.55であることが好ましい。xの値が0.01よりも小さいと、硫化物系固体電解質中に含まれるLi7PS6およびγ−Li3PS4の割合が高くなり、固体電解質の導電率が小さくなる場合があり、xの値が、1.55よりも大きいと、硫化物系固体電解質中に含まれるLi2Sの割合が高くなり、固体電解質の導電率が小さくなる場合がある。また、zの値が0.01よりも小さくなると、硫化物系固体電解質中に含まれるLi7PS6、β−Li3PS4およびγ−Li3PS4の割合が高くなり、固体電解質の導電率が小さくなる場合があり、zの値が1.55よりも大きくなると、硫化物系固体電解質中に含まれるLi7PS6の割合が高くなり、固体電解質の導電率が小さくなる場合がある。xおよびzの値が、0.01≦x≦1.42、かつ0.01≦z≦1.55の範囲内であると、硫化物系固体電解質中に含まれる後述の新規相(PN:New Phase)の割合が高くなり、固体電解質の導電率が高くなる。 The sulfide-based solid electrolyte of the present invention is represented by Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z , 0.01 ≦ x ≦ 1.42, and 0.01 ≦ z ≦ 1.55. It is preferable that When the value of x is smaller than 0.01, the ratio of Li 7 PS 6 and γ-Li 3 PS 4 contained in the sulfide-based solid electrolyte is increased, and the conductivity of the solid electrolyte may be decreased, If the value of x is larger than 1.55, the proportion of Li 2 S contained in the sulfide-based solid electrolyte increases, and the conductivity of the solid electrolyte may decrease. When the value of z is smaller than 0.01, the ratio of Li 7 PS 6 , β-Li 3 PS 4 and γ-Li 3 PS 4 contained in the sulfide-based solid electrolyte increases, and the solid electrolyte In some cases, the electrical conductivity decreases, and when the value of z is greater than 1.55, the ratio of Li 7 PS 6 contained in the sulfide-based solid electrolyte increases, and the electrical conductivity of the solid electrolyte may decrease. is there. When the values of x and z are within the range of 0.01 ≦ x ≦ 1.42 and 0.01 ≦ z ≦ 1.55, a new phase (PN: described later) contained in the sulfide-based solid electrolyte is included. The ratio of (New Phase) increases and the conductivity of the solid electrolyte increases.
図1のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図において、0.01≦x≦1.42、かつ0.01≦z≦1.55の範囲は、符号A,B,C,Dで示す線分で囲まれる範囲である。 In the ternary composition diagram of the Li 2 S—P 2 S 5 —P 2 O 5 system in FIG. 1, the ranges of 0.01 ≦ x ≦ 1.42 and 0.01 ≦ z ≦ 1.55 , B, C, and D.
本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4-zOzで示した場合、0.02≦x≦1.11であり、かつ0.20≦z≦1.20であることがさらに好ましい。xおよびzの値が、0.02≦x≦1.11、かつ0.20≦z≦1.20であると、Li2Sおよびγ−Li3PS4の割合が低くなるとともに硫化物系固体電解質中に含まれる後述の新規相(PN)の割合がさらに高くなり、固体電解質の導電率が高くなる。図1のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図において、0.02≦x≦1.11、かつ0.20≦z≦1.20の範囲は、符号E,F,G,Hで示す線分で囲まれる範囲である。 When the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is represented by Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z , 0.02 ≦ x ≦ 1.11 and 0.20 ≦ z ≦ 1. More preferably, it is 20. When the values of x and z are 0.02 ≦ x ≦ 1.11 and 0.20 ≦ z ≦ 1.20, the ratio of Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 decreases and the sulfide system The ratio of the below-mentioned novel phase (PN) contained in the solid electrolyte is further increased, and the conductivity of the solid electrolyte is increased. In the ternary composition diagram of the Li 2 S—P 2 S 5 —P 2 O 5 system in FIG. 1, the ranges of 0.02 ≦ x ≦ 1.11 and 0.20 ≦ z ≦ 1.20 , F, G, and H.
本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4-zOzで示した場合、0.03≦x≦0.09であり、かつ0.25≦z≦1.00であることがさらに好ましい。xおよびzの値が、0.03≦x≦0.09、かつ0.25≦z≦1.00であると、Li2Sおよびγ−Li3PS4の割合が低くなるとともに硫化物系固体電解質中に含まれる後述の新規相(PN)の割合がさらに高くなり、固体電解質の導電率が高くなる。図1のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図において、0.03≦x≦0.09、かつ0.25≦z≦1.00の範囲は、符号I,J,K,Lで示す線分で囲まれる範囲である。 When the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is expressed as Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z , 0.03 ≦ x ≦ 0.09 and 0.25 ≦ z ≦ 1. More preferably, it is 00. When the values of x and z are 0.03 ≦ x ≦ 0.09 and 0.25 ≦ z ≦ 1.00, the ratio of Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 decreases and the sulfide system The ratio of the below-mentioned novel phase (PN) contained in the solid electrolyte is further increased, and the conductivity of the solid electrolyte is increased. In the ternary composition diagram of the Li 2 S—P 2 S 5 —P 2 O 5 system in FIG. 1, the ranges of 0.03 ≦ x ≦ 0.09 and 0.25 ≦ z ≦ 1.00 are represented by the symbol I , J, K, and L.
導電率がおよそ1×10-4S/cm以上と上述の非特許文献3に記載のLi−P−S−O系の硫化物系固体電解質(導電率の最大値は7.3×10-5S/cm)よりも導電率が高いことから、本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4-zOzで示し、x=0.07である場合、0.20≦z≦1.00であることが好ましく、z=50である場合、0.03≦x≦0.07であることが好ましい。 The conductivity is about 1 × 10 −4 S / cm or more and the Li—P—S—O-based sulfide solid electrolyte described in Non-Patent Document 3 (the maximum value of the conductivity is 7.3 × 10 − 5 S / cm), the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is represented by Li 3 + 5x P 1-x S 4-z O z , and when x = 0.07, It is preferable that 0.20 ≦ z ≦ 1.00. When z = 50, 0.03 ≦ x ≦ 0.07 is preferable.
Li2Sおよびγ−Li3PS4の割合が低く、硫化物系固体電解質の導電率を高くすることができるので、本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4-zOzで示し、x=0.07である場合、0.40≦z≦0.60であることがさらに好ましい。 Since the ratio of Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 is low and the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte can be increased, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention has Li 3 + 5x P 1-x S. It is shown in 4-z O z, if an x = 0.07, further preferably 0.40 ≦ z ≦ 0.60.
新規相(PN)は、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、12.9°、14.4°、15.2°、18.0°、20.5〜22.0°、24.2°、25.0°、28.0°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有する。したがって、本発明の硫化物系固体電解質は、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、上記の特徴的ピークを有する。新規層(PN)は、その特徴的ピークの回折角(2θ)から、Li3.33Ge0.33P0.66S4と同様な結晶構造を有していると推測される。 The new phase (PN) is at least 12.9 °, 14.4 °, 15.2 °, 18.0 °, 20 in the powder X-ray diffraction measurement by Cu-Kα ray having an X-ray wavelength of 1.5418 Å. It has characteristic peaks in the vicinity of diffraction angles (2θ) of 0.5 to 22.0 °, 24.2 °, 25.0 °, 28.0 °, and 30.6 °. Therefore, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention has the above-mentioned characteristic peak in powder X-ray diffraction measurement with Cu-Kα rays having an X-ray wavelength of 1.5418 angstroms. The new layer (PN) is presumed to have a crystal structure similar to Li 3.33 Ge 0.33 P 0.66 S 4 from the diffraction angle (2θ) of its characteristic peak.
また、本発明の他の硫化物系固体電解質は、P2O5を含まず、Li3+5xP1-xS4で示され、0.06≦x≦0.08であり、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、13.3°、14.75°、15.3°、18.0°、21.0〜21.7°、24.2°、25.4°、28.4°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有することが好ましい。すなわち、本発明の硫化物系固体電解質は、Li3+5xP1-xS4で示され、0.06≦x≦0.08であり、上記新規層(PN)を含むことが好ましい。xの値が、0.06≦x≦0.08であると、硫化物系固体電解質中に含まれる新規相(PN)の割合がさらに高くなり、固体電解質の導電率が高くなる。なお、図1のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図において、0.06≦x≦0.08の範囲は、符号M,Nで示す線分の間の範囲である。 Further, another sulfide-based solid electrolyte of the present invention does not contain P 2 O 5 , is represented by Li 3 + 5x P 1-x S 4 , 0.06 ≦ x ≦ 0.08, and X-ray In powder X-ray diffraction measurement using Cu—Kα ray at a wavelength of 1.5418 angstrom, at least 13.3 °, 14.75 °, 15.3 °, 18.0 °, 21.0 to 21.7 °, 24 It is preferable to have characteristic peaks in the vicinity of diffraction angles (2θ) of .2 °, 25.4 °, 28.4 °, and 30.6 °. That is, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention is represented by Li 3 + 5x P 1-x S 4 , 0.06 ≦ x ≦ 0.08, and preferably includes the novel layer (PN). When the value of x is 0.06 ≦ x ≦ 0.08, the ratio of the new phase (PN) contained in the sulfide-based solid electrolyte is further increased, and the conductivity of the solid electrolyte is increased. In the ternary composition diagram of the Li 2 S—P 2 S 5 —P 2 O 5 system in FIG. 1, the range of 0.06 ≦ x ≦ 0.08 is between the line segments indicated by the symbols M and N. It is a range.
本発明の硫化物系固体電解質は、Li2Sおよびγ−Li3PS4を含まないことが好ましい。すなわち、本発明の硫化物系固体電解質は、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、Li2Sおよびγ−Li3PS4が検出されないことが好ましい。硫化物系固体電解質にLi2Sおよびγ−Li3PS4が含まれると固体電解質の導電率が低下する場合があるからである。 The sulfide-based solid electrolyte of the present invention preferably does not contain Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 . That is, in the sulfide-based solid electrolyte of the present invention, it is preferable that Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 are not detected in powder X-ray diffraction measurement with Cu-Kα rays having an X-ray wavelength of 1.5418 angstroms. This is because if the sulfide-based solid electrolyte contains Li 2 S and γ-Li 3 PS 4 , the conductivity of the solid electrolyte may be reduced.
上述の硫化物系固体電解質に起因する高い導電率が阻害されなければ、本発明の固体電解質は、上述の硫化物系固体電解質以外に他の固体電解質を含んでもよい。 The solid electrolyte of the present invention may include other solid electrolytes in addition to the above-described sulfide-based solid electrolyte as long as the high conductivity due to the above-described sulfide-based solid electrolyte is not inhibited.
本明細書において導電率は、Liイオンのイオン導電率である。硫化物系固体電解質のイオン導電率は、たとえば、周知の交流インピーダンス法により測定される。 In this specification, the conductivity is the ionic conductivity of Li ions. The ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte is measured by, for example, a known alternating current impedance method.
本発明の固体電解質は、たとえば、Li2S、P2S5、P2O5、LiPO4などの原料を混合した後、好ましくは650〜1000℃で焼成することによって得られる。650〜1000℃で焼成した後、水などを使用して焼成した試料を急冷してもよい。また、650〜1000℃で焼成した後、焼成した試料を室温までゆっくりと冷却してもよい。650〜1000℃で焼成した試料を500〜800℃でさらにアニールしてもよい。 The solid electrolyte of the present invention can be obtained, for example, by mixing raw materials such as Li 2 S, P 2 S 5 , P 2 O 5 , LiPO 4 and then firing at 650 to 1000 ° C. After firing at 650 to 1000 ° C., the fired sample may be quenched using water or the like. Further, after firing at 650 to 1000 ° C., the fired sample may be slowly cooled to room temperature. A sample fired at 650 to 1000 ° C. may be further annealed at 500 to 800 ° C.
(リチウム電池)
図2を参照して本発明のリチウム電池を説明する。図2は、本発明の一実施形態におけるリチウム電池の断面を示す概略図である。本発明の一実施形態のリチウム電池1は、本発明の固体電解質2、負極3、正極4、集電体5および絶縁部6を含む。負極3に使用する材料は、従来からリチウム電池の負極として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、負極3に使用する材料として、Li、In、Cなどを使用することができる。正極4に使用する材料は、従来からリチウム電池の正極として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、正極4に使用する材料として、LiCoO2、TiS、LiMn2O4などを使用することができる。集電体5および絶縁部6に使用する材料は、従来からリチウム電池の集電体および絶縁部として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、集電体5に使用する材料として、ステンレス鋼などを使用することができ、絶縁部6に使用する材料として、たとえば、ポリカーボネートなどを使用することができる。なお、上述の本発明の一実施形態におけるリチウム電池1はバルク型のリチウム電池であるが、本発明のリチウム電池は、薄膜で構成されるリチウム電池であってもよい。
(Lithium battery)
The lithium battery of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of a lithium battery in one embodiment of the present invention. A
以下、実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。なお、下記の実施例は本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Note that the following examples do not limit the present invention.
(試料の作製)
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、出発原料のLi2S、P2S5およびP2O5を秤量し、メノウ乳鉢を用いて10分間混合して混合試料を作製した。ただし、後述の実施例20および実施例21については、振動ミルを使用して出発原料を混合した。その試料をペレッターに入れ、一軸プレス機を用いてそのペレッターに20MPaの圧力を印加して、φ13mmのペレットを成形した。カーボンコートした石英管にこのペレットを入れ、10Paの内圧にしてその石英管を封止した。そして、ペレットを入れた石英管を5℃/分で615℃、700℃または900℃まで昇温させた後、1時間保持した。そして、上記温度に1時間保持した石英管を水中に投入することによって、焼成したペレットを急冷して試料を作製した。また、一部の試料については、急冷した後、530℃または700℃で1時間のアニール処理を行った。組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおけるxおよびzの値を変えた複数の試料を作製した。
(Sample preparation)
Starting materials Li 2 S, P 2 S 5 and P 2 O 5 were weighed in a glove box in an argon atmosphere and mixed for 10 minutes using an agate mortar to prepare a mixed sample. However, in Example 20 and Example 21 described later, the starting materials were mixed using a vibration mill. The sample was put in a pelleter, and a pressure of 20 MPa was applied to the pelleter using a uniaxial press machine to form a φ13 mm pellet. The pellet was put into a carbon-coated quartz tube, and the quartz tube was sealed at an internal pressure of 10 Pa. Then, the quartz tube containing the pellets was heated to 615 ° C., 700 ° C. or 900 ° C. at 5 ° C./min, and held for 1 hour. And the quartz tube hold | maintained at the said temperature for 1 hour was thrown into water, and the baked pellet was rapidly cooled and the sample was produced. Some samples were quenched and then annealed at 530 ° C. or 700 ° C. for 1 hour. A plurality of samples having different values of x and z in the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z were prepared.
(粉末X線回折測定)
作製した試料に含まれる結晶を同定するために、粉末X線回折装置Ulima-IV(株式会社リガク製)およびSmart Lab(株式会社リガク製)を使用して、粉末X線回折測定を行った。粉末X線回折測定には、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線を使用した。10〜100°の範囲の回折角(2θ)で粉末X線回折測定を行った。
(Powder X-ray diffraction measurement)
In order to identify the crystals contained in the prepared sample, powder X-ray diffraction measurement was performed using a powder X-ray diffraction apparatus Ulima-IV (manufactured by Rigaku Corporation) and Smart Lab (manufactured by Rigaku Corporation). For powder X-ray diffraction measurement, Cu-Kα rays having an X-ray wavelength of 1.5418 angstroms were used. Powder X-ray diffraction measurement was performed at a diffraction angle (2θ) in the range of 10 to 100 °.
(導電率の測定)
粉砕した試料を常温用セルに入れた後、5MPaの圧力を常温用セルに適用してペレットを作製した。そのペレットの両面に金粉末を分散させた後、15MPaの圧力をペレットに適用してペレットの両面に電極を形成して測定用試料を作製した。測定用試料の導電率の測定には、インピーダンス・ゲインフェーズアナライザーSolatron1260(ソーラトロン社製)を使用した。1Hz〜10MHzの測定範囲、25℃の測定温度、50〜100mVの交流電圧および2秒の積算時間の条件で交流インピーダンス測定を行い、試料の導電率を測定した。
(Measurement of conductivity)
After putting the pulverized sample in a room temperature cell, a pressure of 5 MPa was applied to the room temperature cell to produce a pellet. After gold powder was dispersed on both sides of the pellet, a pressure of 15 MPa was applied to the pellet to form electrodes on both sides of the pellet to prepare a measurement sample. An impedance / gain phase analyzer Solatron 1260 (manufactured by Solartron) was used to measure the conductivity of the measurement sample. AC impedance measurement was performed under the conditions of a measurement range of 1 Hz to 10 MHz, a measurement temperature of 25 ° C., an AC voltage of 50 to 100 mV, and an integration time of 2 seconds, and the conductivity of the sample was measured.
(熱安定性の測定)
試料の熱安定性を調べるために、差動型示差熱天秤Thermo Plus EVO II TG8120(株式会社リガク製)を使用して、示差熱測定を行った。測定用の試料調整は、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。10mgの粉砕した試料をSUSパンに詰め、10MPaで密封して測定用試料を作製した。また、Al2O3をSUSパンに詰め、10MPaで密封して参照試料を作製した。10℃/分で700℃または900℃まで測定用の試料を昇温した後、10℃/分で室温まで降温させることによって示差熱測定を行った。
(Measurement of thermal stability)
In order to examine the thermal stability of the sample, differential thermal measurement was performed using a differential type differential thermal balance Thermo Plus EVO II TG8120 (manufactured by Rigaku Corporation). Sample preparation for measurement was performed in a glove box in an argon atmosphere. A sample for measurement was prepared by packing 10 mg of the ground sample in a SUS pan and sealing it at 10 MPa. Further, Al 2 O 3 was packed in a SUS pan and sealed at 10 MPa to prepare a reference sample. The sample for measurement was heated up to 700 ° C. or 900 ° C. at 10 ° C./min, and then the temperature was lowered to room temperature at 10 ° C./min.
(サイクリックボルタンメトリー)
試料の電気化学的安定性を調べるために、試料のサイクリックボルタンメトリー(CV)を測定した。CVの測定には、Au電極およびLi電極を使用した。
(Cyclic voltammetry)
To examine the electrochemical stability of the sample, cyclic voltammetry (CV) of the sample was measured. For the measurement of CV, an Au electrode and a Li electrode were used.
結果
(試料の作製)
図3のLi2S−P2S5−P2O5系の三元組成図におけるLine1〜4に沿って実施例および比較例の試料を作製した。Line1は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおいて、xの値を0.07として、zの値を変えたときの線分である。Line2は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおいて、zの値を0.40として、xの値を変えたときの線分である。Line3は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおいて、zの値を0.50として、xの値を変えたときの線分である。Line4は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおいて、zの値を0.80として、xの値を変えたときの線分である。参考例として、上記の非特許文献3に記載の試料を「▲」の点で示す。上記の非特許文献3に記載の作製した試料の組成は、Line5に沿っている。Line5は、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおいて、xの値を0として、zの値を変えたときの線分である。図1と同様に、図3の「●」の点は、実施例の組成を示し、「■」の点は、比較例の組成を示す。また、作製した試料および参考例の所属する三元組成図上のライン、合成温度、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおけるxおよびzの値およびアニール温度を表1に示す。
Results (sample preparation)
Samples of Examples and Comparative Examples were prepared along
(粉末X線回折測定)
Line1に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図4に示す。実施例におけるxの値は0.07であり、zの値は、それぞれ、0.00、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.80および1.00であった。また、図4には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線、γ−Li3PS4のX線回折図形、β−Li3PS4のX線回折図形およびβ−Li3PO4のX線回折図形を示す。
(Powder X-ray diffraction measurement)
FIG. 4 shows the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along
実施例1〜8(z=0.00〜1.00)で、Li7PS6が検出された。実施例1(z=0.00)の場合、β−Li3PS4およびγ−Li3PS4のほかに、12.9°、14.4°、15.2°、18.0°、20.5〜22.0°、24.2°、25.0°、28.0°および30.6°の回折角(2θ)に特徴的ピークを有する新規相が検出された。実施例2(z=0.20)では、β−Li3PS4が検出されなくなり、γ−Li3PS4が主相になった。実施例3および4(z=0.30および0.40)では、γ−Li3PS4はまだ存在していた。実施例5および6(z=0.50および0.60)では、γ−Li3PS4は検出されなくなり、検出された結晶は、新規相およびLi7PS6だけになった。実施例5(z=0.50)では、新規相を単一層とする化合物に最も近い固体電解質が得られた。新規相の特徴的ピークの回折角(2θ)は、zの値が0.40から増加するにしたがって、低角側または高角側にシフトした。新規相の特徴的ピークの回折角(2θ)がもっとも低角側にシフトしたのは、実施例6(z=0.60)であり、もっとも高角側にシフトしたのは、実施例7(z=0.80)であった。実施例5(z=0.50)で、新規相の割合がもっとも高くなった。実施例7および8(z=0.80および1.00)では、新規相の他に、β−Li3PO4が検出された。また、実施例7および8(z=0.80および1.00)では、Li7PS6およびβ−Li3PO4の割合が高くなった。 In Examples 1 to 8 (z = 0.00 to 1.00), Li 7 PS 6 was detected. In the case of Example 1 (z = 0.00), in addition to β-Li 3 PS 4 and γ-Li 3 PS 4 , 12.9 °, 14.4 °, 15.2 °, 18.0 °, A new phase with characteristic peaks at diffraction angles (2θ) of 20.5 to 22.0 °, 24.2 °, 25.0 °, 28.0 ° and 30.6 ° was detected. In Example 2 (z = 0.20), β-Li 3 PS 4 was not detected, and γ-Li 3 PS 4 became the main phase. In Examples 3 and 4 (z = 0.30 and 0.40), γ-Li 3 PS 4 was still present. In Examples 5 and 6 (z = 0.50 and 0.60), γ-Li 3 PS 4 was not detected, and the only crystals detected were the new phase and Li 7 PS 6 . In Example 5 (z = 0.50), the solid electrolyte closest to the compound having a new phase as a single layer was obtained. The diffraction angle (2θ) of the characteristic peak of the new phase shifted to the low angle side or the high angle side as the value of z increased from 0.40. The diffraction angle (2θ) of the characteristic peak of the new phase was shifted to the lowest angle side in Example 6 (z = 0.60), and the diffraction angle (2θ) was shifted to the highest angle side in Example 7 (z = 0.80). In Example 5 (z = 0.50), the ratio of the new phase was the highest. In Examples 7 and 8 (z = 0.80 and 1.00), β-Li 3 PO 4 was detected in addition to the new phase. In Examples 7 and 8 (z = 0.80 and 1.00), the ratio of Li 7 PS 6 and β-Li 3 PO 4 was high.
Line2に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図5に示す。実施例におけるxの値は、それぞれ、0.07および0.105であり、zの値は0.40であった。また、図5には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマークおよびLi7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線を示す。また、Li2Sのもっとも強い特徴的ピークの回折角も示した。
FIG. 5 shows the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along
実施例4および9(x=0.07および0.105)の主相は新規相であった。xの値が増加すると、Li7PS6の割合が増加した。また、実施例9(x=0.105)では、出発原料のLi2Sの特徴的ピークが検出された。これより、酸素量に関わらずxの値がおよそ0.1まで増えると、Li2Sの固溶限界になる可能性がある。 The main phases of Examples 4 and 9 (x = 0.07 and 0.105) were new phases. As the value of x increased, the proportion of Li 7 PS 6 increased. In Example 9 (x = 0.105), a characteristic peak of Li 2 S as a starting material was detected. Therefore, if the value of x increases to about 0.1 regardless of the amount of oxygen, there is a possibility that the solid solution limit of Li 2 S will be reached.
Line3に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図6に示す。実施例におけるxの値は、それぞれ、0.03、0.05、0.07および0.08であり、zの値は0.50であった。また、図6には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線およびγ−Li3PS4のX線回折図形を示す。
FIG. 6 shows the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along
全ての実施例10、11および5(x=0.03、0.05および0.07)で、主相は新規相であった。また、全ての実施例10、11および5(x=0.03、0.05、および0.07)で、Li7PS6は検出された。実施例10(x=0.03)では、γ−Li3PS4の割合は高かったが、xの値が0.03から増加するにしたがって、γ−Li3PS4の割合は減少した。xの値が0.03から0.05へ増えると、新規相の特徴的ピークの回折角(2θ)は高角側にシフトした。これより、xの値が0.03から0.05へ増えると、新規相の格子は縮小したことがわかる。しかし、xの値が0.05から0.07へ増えても、新規相の特徴的ピークの回折角(2θ)は変わらなかった。また、xの値が0.05から0.07へ増えると、Li7PS6およびγ−Li3PS4の割合は減少した。 In all Examples 10, 11 and 5 (x = 0.03, 0.05 and 0.07), the main phase was a new phase. Li 7 PS 6 was detected in all Examples 10, 11 and 5 (x = 0.03, 0.05, and 0.07). In Example 10 (x = 0.03), the proportion of γ-Li 3 PS 4 was high, but the proportion of γ-Li 3 PS 4 decreased as the value of x increased from 0.03. As the value of x increased from 0.03 to 0.05, the diffraction angle (2θ) of the characteristic peak of the new phase shifted to the higher angle side. From this, it can be seen that when the value of x increases from 0.03 to 0.05, the lattice of the new phase is reduced. However, even when the value of x increased from 0.05 to 0.07, the diffraction angle (2θ) of the characteristic peak of the new phase did not change. Further, when the value of x increased from 0.05 to 0.07, the ratio of Li 7 PS 6 and γ-Li 3 PS 4 decreased.
Line4に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図7に示す。実施例および比較例のxの値は、それぞれ、0.03、0.05、0.07、0.09および0.333であり、zの値は0.80であった。また、図7には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線、γ−Li3PS4のX線回折図形およびβ−Li3PO4のX線回折図形を示す。
FIG. 7 shows the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along
全ての実施例12、13、7および14(x=0.03、0.05、0.07および0.09)および比較例1(x=0.333)でLi7PS6およびβ−Li3PO4が検出された。実施例12、13、7および14(x=0.03、0.05、0.07および0.09)で、主相は新規相であった。実施例12、13、14(x=0.03、0.05および0.09)では、γ−Li3PS4が検出された。実施例14(x=0.09)および比較例1(x=0.333)では、出発原料であるLi2Sが検出された。これより、Line4上では、xの値が0.07よりも大きく0.09以下である範囲内にLi2Sの固溶限界が存在すると推測される。 Li 7 PS 6 and β-Li in all Examples 12, 13, 7 and 14 (x = 0.03, 0.05, 0.07 and 0.09) and Comparative Example 1 (x = 0.333) 3 PO 4 was detected. In Examples 12, 13, 7 and 14 (x = 0.03, 0.05, 0.07 and 0.09), the main phase was a new phase. In Examples 12, 13, and 14 (x = 0.03, 0.05, and 0.09), γ-Li 3 PS 4 was detected. In Example 14 (x = 0.09) and Comparative Example 1 (x = 0.333), Li 2 S as a starting material was detected. From this, it is surmised that the solid solution limit of Li 2 S exists in the range where the value of x is larger than 0.07 and 0.09 or less on Line4.
Line1に沿った組成の900℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図8に示す。実施例におけるxの値は0.07であり、zの値は、それぞれ、0.20、0.40および0.80であった。また、図8には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線およびβ−Li3PS4のX線回折図形を示す。
FIG. 8 shows the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide solid electrolyte of composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 900 ° C. with the composition along
全ての実施例15〜17(z=0.20、0.40および0.80)の主相は新規相であった。実施例16(z=0.40)では、β−Li3PS4の割合が高かった、実施例15および17(z=0.20および0.80)では、β−Li3PS4の割合が非常に小さかった。zの値が増加するにしたがって、Li7PS6の割合は小さくなり、zの値が0.80になると(実施例17)、Li7PS6は検出されなくなった。zの値が0.40から0.80に増えると、新規相の特徴的ピークの回折角(2θ)は高角側にシフトした。 The main phase of all Examples 15-17 (z = 0.20, 0.40 and 0.80) was a novel phase. In Example 16 (z = 0.40), the proportion of β-Li 3 PS 4 was high. In Examples 15 and 17 (z = 0.20 and 0.80), the proportion of β-Li 3 PS 4 Was very small. As the value of z increased, the proportion of Li 7 PS 6 decreased, and when the value of z reached 0.80 (Example 17), Li 7 PS 6 was not detected. As the value of z increased from 0.40 to 0.80, the diffraction angle (2θ) of the characteristic peak of the new phase shifted to the higher angle side.
xの値は0.07であり、zの値は0.40である場合の組成の900℃で合成し、530℃または700℃でアニールした組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図9に示す。また、図9には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線およびβ−Li3PS4のX線回折図形を示す。さらに、アニール処理の前の同じ組成の硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果と比較できるようにするため、同組成の900℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4の硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果も示した。 The compositional formula Li 3 + 5x P 1-x S 4− was synthesized at 900 ° C. and annealed at 530 ° C. or 700 ° C. when x was 0.07 and z was 0.40. the results of the z O z powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte shown in Fig. FIG. 9 also shows a rhombus mark indicating the diffraction angle of the characteristic peak of the novel phase, the characteristic peak of Li 7 PS 6 , so that the crystal identified by powder X-ray diffraction measurement can be recognized. bars having a diffraction angle and an X-ray diffraction pattern of β-Li 3 PS 4. Furthermore, in order to be able to compare with the result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte having the same composition before the annealing treatment, the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S of the same composition synthesized at 900 ° C. The result of the powder X-ray diffraction measurement of the sulfide type solid electrolyte of No. 4 was also shown.
アニール処理を行うことにより、実施例18および19(アニール温度=530℃および700℃)の主相はβ−Li3PS4になり、新規相の割合は著しく減少した。 By performing the annealing treatment, the main phase of Examples 18 and 19 (annealing temperatures = 530 ° C. and 700 ° C.) became β-Li 3 PS 4 , and the ratio of the new phase was significantly reduced.
xの値は0.07であり、zの値は0.00である場合の組成の615℃または700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOz、すなわち、xの値は0.07である場合の組成の615℃または700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4の硫化物系固体電解質の粉末X線回折測定の結果を図10に示す。また、図10には、粉末X線回折測定によって同定された結晶を認識できるようにするために、新規相の特徴的ピークの回折角を示す菱形のマーク、Li7PS6の特徴的ピークの回折角を示す棒線およびγ−Li3PS4のX線回折図形を示す。 The composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 615 ° C. or 700 ° C. of the composition when the value of x is 0.07 and the value of z is 0.00, that is, FIG. 10 shows the results of powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte of composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4 synthesized at 615 ° C. or 700 ° C. in the case where the value of x is 0.07. Shown in FIG. 10 also shows a rhombus mark indicating the diffraction angle of the characteristic peak of the novel phase, the characteristic peak of Li 7 PS 6 , so that the crystal identified by powder X-ray diffraction measurement can be recognized. bars having a diffraction angle and an X-ray diffraction pattern of γ-Li 3 PS 4.
実施例20および21(合成温度615℃および700℃)では、Li7PS6およびγ−Li3PS4のほかに、13.3°、14.75°、15.3°、18.0°、21.0〜21.7°、24.2°、25.4°、28.4°および30.6°の回折角(2θ)に特徴的ピークを有する新規相が検出された。 In Examples 20 and 21 (synthesis temperatures 615 ° C. and 700 ° C.), in addition to Li 7 PS 6 and γ-Li 3 PS 4 , 13.3 °, 14.75 °, 15.3 °, 18.0 ° Novel phases with characteristic peaks at diffraction angles (2θ) of 21.0-21.7 °, 24.2 °, 25.4 °, 28.4 ° and 30.6 ° were detected.
以上の結果をまとめた、作製した試料および参考例の所属する三元組成図上のライン、合成温度、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおけるxおよびzの値および検出された結晶を表2に示す。 Summarizing the above results, the prepared sample and the line on the ternary composition diagram to which the reference example belongs, the synthesis temperature, the values of x and z in the composition formula Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z and The detected crystals are shown in Table 2.
(導電率の測定)
Line1に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率の測定結果を図11に示す。導電率は、導電率の低いγ−Li3PS4相が存在する、0.00以上、0.30以下のzの値の範囲(実施例1〜3)では、6.0×10-5S/cm以下と低かった。しかし、zの値が0.40以上になり、主相が新規相に変化すると、導電率は9.1×10-5S/cm以上になった(実施例4〜8)。Line1に沿った組成の700℃で合成した硫化物系固体電解質の導電率の中でもっとも最も高い導電率は、zの値が0.80である場合の2.1×10-4S/cmであった(実施例7)。実施例7(z=0.80)は、実施例4および6(z=0.40および0.60)に比べてLi7PS6とγ−Li3PS4とが多く存在した。それでも実施例7(z=0.80)の導電率が高いのは、実施例7(z=0.80)の新規相の格子サイズが、実施例4および6(z=0.40および0.60)の格子サイズに比べても小さく、実施例7(z=0.80)の新規相の格子サイズがイオン導電に適しているためであると考えられる。
(Measurement of conductivity)
FIG. 11 shows the measurement results of the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4-z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along Line 1 . The conductivity is 6.0 × 10 −5 in the range of z value of 0.00 or more and 0.30 or less (Examples 1 to 3) in which a low-conductivity γ-Li 3 PS 4 phase exists. It was as low as S / cm or less. However, when the value of z became 0.40 or more and the main phase changed to a new phase, the conductivity became 9.1 × 10 −5 S / cm or more (Examples 4 to 8). The highest conductivity among sulfide-based solid electrolytes synthesized at 700 ° C. with a composition along
Line2に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率の測定結果を図12に示す。導電率は、実施例4(x=0.07)では、2.1×10-4S/cmであり、実施例9(x=0.105)では、4.92×10-5S/cmであった。実施例9(x=0.105)の導電率が低いのは、Li7PS6の割合が増加したためと出発原料のLi2Sが残っていたためであると推測される。
FIG. 12 shows the measurement results of the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4-z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along
Line3に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率の測定結果を図13に示す。導電率は、実施例10(x=0.03)では、1.06×10-4S/cmであり、実施例11(x=0.05)では、1.35×10-4S/cmであり、実施例5(x=0.07)では、9.11×10-5S/cmであった。このように、zの値が0.50である場合に、ほぼ10-4S/cmオーダーの導電率が得られたのは、主相が新規相であることと関連すると考えられる。 FIG. 13 shows the measurement results of the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along Line 3 . The conductivity is 1.06 × 10 −4 S / cm in Example 10 (x = 0.03), and 1.35 × 10 −4 S / cm in Example 11 (x = 0.05). cm, and in Example 5 (x = 0.07), it was 9.11 × 10 −5 S / cm. Thus, when the value of z is 0.50, the conductivity of the order of about 10 −4 S / cm is considered to be related to the fact that the main phase is a new phase.
Line4に沿った組成の700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率の測定結果を図14に示す。導電率は、実施例7(x=0.07)の2.1×10-4S/cmが、もっとも高かった。しかし、導電率は、実施例12〜14(x=0.03、0.05および0.09)および比較例1(x=0.333)では、10-5S/cmオーダーであり、低かった。これは、実施例7(x=0.07)では、新規相の割合が高く、実施例12〜14(x=0.03、0.05および0.09)および比較例1(x=0.333)では、Li7PS6、γ−Li3PS4、Li2Sなどの導電率が低い結晶の割合が高かったためであると考えられる。 FIG. 14 shows the measurement results of the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. with the composition along Line 4 . The conductivity was highest at 2.1 × 10 −4 S / cm in Example 7 (x = 0.07). However, in Examples 12 to 14 (x = 0.03, 0.05 and 0.09) and Comparative Example 1 (x = 0.333), the conductivity is on the order of 10 −5 S / cm, which is low. It was. This is because in Example 7 (x = 0.07), the ratio of the new phase is high, and Examples 12-14 (x = 0.03, 0.05 and 0.09) and Comparative Example 1 (x = 0). .333) is considered to be due to the high proportion of crystals with low conductivity such as Li 7 PS 6 , γ-Li 3 PS 4 , and Li 2 S.
700℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率と粉末X線回折測定によって同定された結晶との関係をまとめる。Li7PS6はほぼ全ての組成で検出された。xの値が0.90以上になると、Li2Sは固溶限界を超えて、硫化物系固体電解質中にLi2S検出され、導電率が大きく減少した。zの値が0.80以上になると、β−Li3PO4が検出されたが、この結晶は、0.80≦z≦1.00では導電率に影響をあまり与えなかった。また、導電率は、γ−Li3PS4の増加にしがたい減少した。 The relationship between the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 700 ° C. and the crystals identified by powder X-ray diffraction measurement will be summarized. Li 7 PS 6 was detected in almost all compositions. When the value of x is 0.90 or more, Li 2 S exceed solubility limit, is Li 2 S detected in the sulfide-based solid electrolyte, the conductivity decreased greatly. When the value of z was 0.80 or more, β-Li 3 PO 4 was detected, but this crystal did not significantly affect the conductivity when 0.80 ≦ z ≦ 1.00. Also, the conductivity decreased in a manner that was difficult to increase with γ-Li 3 PS 4 .
Line1に沿った組成の900℃で合成した組成式Li3+5xP1-xS4-zOzの硫化物系固体電解質の導電率の測定結果を図15に示す。導電率は、実施例15(z=0.20)では、1.24×10-4S/cmであり、実施例16(z=0.40)では、2.64×10-4S/cmであり、実施例17(z=0.80)では、4.14×10-5S/cmであった。zの値が0.20から0.40へ増加すると、導電率が増加したのは、Li7PS6の割合が低いためと、導電率の高いβ−Li3PS4の割合が高いためであると考えられる。実施例17(z=0.80)では、ほぼ新規相の単一相に近い硫化物系固体電解質が得られたにも関わらず導電率が低いのは、新規相の格子が著しく小さいためであると考えられる。 FIG. 15 shows the measurement results of the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte of the composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4−z O z synthesized at 900 ° C. along the line 1 . The conductivity is 1.24 × 10 −4 S / cm in Example 15 (z = 0.20), and 2.64 × 10 −4 S / cm in Example 16 (z = 0.40). cm, and in Example 17 (z = 0.80), it was 4.14 × 10 −5 S / cm. When the value of z increased from 0.20 to 0.40, the conductivity increased because the ratio of Li 7 PS 6 was low and the ratio of β-Li 3 PS 4 having a high conductivity was high. It is believed that there is. In Example 17 (z = 0.80), the conductivity was low despite the fact that a sulfide-based solid electrolyte almost similar to the single phase of the new phase was obtained because the lattice of the new phase was extremely small. It is believed that there is.
xの値は0.07であり、zの値は0.40である場合の900℃で合成し、530℃でアニールした実施例18の導電率は、2.30×10-4S/cmであり、700℃でアニールした実施例19の導電率は、1.14×10-4S/cmであった。これらの値は、アニール前の実施例16の導電率である2.64×10-4S/cmよりも小さかった。したがって、硫化物系固体電解質の導電率は、アニール処理により低下した。この結果から、これより新規相の導電率は、β−Li3PS4の導電率よりも高いことがわかった。 The value of x was 0.07 and the conductivity of Example 18 synthesized at 900 ° C. and annealed at 530 ° C. when the value of z was 0.40 was 2.30 × 10 −4 S / cm. The conductivity of Example 19 annealed at 700 ° C. was 1.14 × 10 −4 S / cm. These values were smaller than 2.64 × 10 −4 S / cm, which is the conductivity of Example 16 before annealing. Therefore, the conductivity of the sulfide-based solid electrolyte was lowered by the annealing treatment. From this result, it was found that the conductivity of the new phase was higher than that of β-Li 3 PS 4 .
参考例の導電率の最高値は、参考例4の7.3×10-5S/cmである。 The maximum value of the conductivity of the reference example is 7.3 × 10 −5 S / cm of the reference example 4.
以上の結果をまとめた、作製した試料および参考例の所属する三元組成図上のライン、合成温度、組成式Li3+5xP1-xS4-zOzにおけるxおよびzの値および導電率を表3に示す。 Summarizing the above results, the prepared sample and the line on the ternary composition diagram to which the reference example belongs, the synthesis temperature, the values of x and z in the composition formula Li 3 + 5x P 1−x S 4−z O z and The conductivity is shown in Table 3.
また、導電率と検出した結晶とをまとめて表4に示す。 Table 4 shows the conductivity and the detected crystals.
(熱安定性の測定)
xの値が0.07であり、zの値が0.40である、900℃で合成した実施例16の示差熱測定の結果(DTA曲線)を図16に示す。昇温過程で500℃付近および600℃付近に吸熱ピークが、降温過程で560℃付近に発熱ピークが観測された。
(Measurement of thermal stability)
FIG. 16 shows the result of differential thermal measurement (DTA curve) of Example 16 synthesized at 900 ° C. in which the value of x is 0.07 and the value of z is 0.40. Endothermic peaks were observed around 500 ° C. and 600 ° C. during the temperature rising process, and exothermic peaks were observed around 560 ° C. during the temperature lowering process.
(サイクリックボルタンメトリー)
xの値が0.07であり、zの値が0.50である、700℃で合成した実施例5のCV測定結果を図17に示す。測定した電位範囲でリチウムの溶解・析出(Li→Li++e-、Li++e-→Li)以外の酸化・還元ピークは観測されなかった。このことからこの新規相は、高い電気化学的安定性を有し、電位窓が広い物質であることがわかった。
(Cyclic voltammetry)
FIG. 17 shows the CV measurement result of Example 5 synthesized at 700 ° C. in which the value of x is 0.07 and the value of z is 0.50. No oxidation / reduction peaks other than lithium dissolution / precipitation (Li → Li + + e − , Li + + e − → Li) were observed in the measured potential range. This indicates that this new phase is a substance having high electrochemical stability and a wide potential window.
1 リチウム電池
2 固体電解質
3 負極
4 正極
5 集電体
6 絶縁部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
0.01≦x≦1.42であり、かつ0.01≦z≦1.55である固体電解質。 A sulfide-based solid electrolyte represented by a composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4-z O z ,
Solid electrolyte in which 0.01 ≦ x ≦ 1.42 and 0.01 ≦ z ≦ 1.55.
0.06≦x≦0.08であり、
前記硫化物系固体電解質が、X線波長1.5418オングストロームのCu−Kα線による粉末X線回折測定において、少なくとも、13.3°、14.75°、15.3°、18.0°、21.0〜21.7°、24.2°、25.4°、28.4°、30.6°の回折角(2θ)付近に特徴的ピークを有する固体電解質。 A sulfide-based solid electrolyte represented by a composition formula Li 3 + 5x P 1-x S 4 ;
0.06 ≦ x ≦ 0.08,
The sulfide-based solid electrolyte has at least 13.3 °, 14.75 °, 15.3 °, 18.0 ° in powder X-ray diffraction measurement with Cu-Kα rays having an X-ray wavelength of 1.5418 angstroms, A solid electrolyte having characteristic peaks in the vicinity of diffraction angles (2θ) of 21.0 to 21.7 °, 24.2 °, 25.4 °, 28.4 °, 30.6 °.
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