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JP2018166088A - Ion conductive solid electrolyte and all solid alkali metal ion secondary battery - Google Patents

Ion conductive solid electrolyte and all solid alkali metal ion secondary battery Download PDF

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JP2018166088A
JP2018166088A JP2017063690A JP2017063690A JP2018166088A JP 2018166088 A JP2018166088 A JP 2018166088A JP 2017063690 A JP2017063690 A JP 2017063690A JP 2017063690 A JP2017063690 A JP 2017063690A JP 2018166088 A JP2018166088 A JP 2018166088A
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alkali metal
solid electrolyte
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Atsushi Kadota
敦志 門田
辰哉 阿部
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辰哉 阿部
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Abstract

【課題】熱安定性の高いイオン導電性固体電解質を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のイオン導電性固体電解質は、化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩とイミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩とを含有することを特徴とするイオン導電性固体電解質。
[化1]

Figure 2018166088

(式中、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を表す。Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を表す。式中、nは2〜20の整数を表す。Mはリチウムもしくはナトリウムを表す。)
【選択図】なしAn object of the present invention is to provide an ion conductive solid electrolyte having high thermal stability.
The ion conductive solid electrolyte of the present invention contains a PO alkali metal salt represented by the chemical formula (1) and a non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure. An ion conductive solid electrolyte.
[Chemical 1]
Figure 2018166088

(In the formula, X represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms. Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. In the formula, n represents an integer of 2 to 20. M is lithium or sodium. Represents.)
[Selection figure] None

Description

本発明は、イオン導電性固体電解質と全固体アルカリ金属イオン二次電池に関する。   The present invention relates to an ion conductive solid electrolyte and an all solid alkali metal ion secondary battery.

従来から知られているイオン導電性材料としては、無機材料を用いた無機固体電解質または有機高分子を用いた高分子固体電解質等の固体電解質、水または非水溶媒を用いた液状電解質が挙げられる。固体電解質は液状電解質のような流動性ないので、部外への漏れがなく、信頼性やデバイスの小型化に対して液状電解質に比べ有利である。
例えば、P−O系アルカリ金属塩と、イミド構造を含むアニオンを有するアルカリ金属塩と、グライムとを混合した電解質が提案されており、混合する組成によっては固体電解質が得られるとしている(特許文献1参照)。また、グライムとアルカリ金属塩とを混合すると、グライムのエーテル構造の酸素部分がアルカリ金属イオンに配位して錯体を形成することで熱安定性が向上するという提案がなされている(特許文献2参照)。
Conventionally known ion conductive materials include solid electrolytes such as inorganic solid electrolytes using inorganic materials or polymer solid electrolytes using organic polymers, and liquid electrolytes using water or non-aqueous solvents. . Since the solid electrolyte is not fluid like the liquid electrolyte, there is no leakage to the outside, and it is more advantageous than the liquid electrolyte in terms of reliability and device miniaturization.
For example, an electrolyte obtained by mixing a PO-based alkali metal salt, an alkali metal salt having an anion containing an imide structure, and glyme has been proposed, and a solid electrolyte can be obtained depending on the composition to be mixed (Patent Literature). 1). Moreover, when glyme and an alkali metal salt are mixed, the oxygen part of the ether structure of glyme is coordinated to an alkali metal ion to form a complex, and a proposal has been made that thermal stability is improved (Patent Document 2). reference).

特開2015−2153号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-2153 特開2010−73489号公報JP 2010-73489 A

しかしながら、特許文献1に記載されている固体電解質は、電池などの蓄電デバイスへの応用が期待されているものの、グライムは揮発性の高い有機溶媒であり、現状ではまだ熱安定性が不十分である。また、特許文献2に記載されている固体電解質では、熱重量測定において、100℃において重量減少が認められていることから熱安定性としてはまだ不十分である。したがって、より熱安定性の高い固体電解質が望まれている。   However, although the solid electrolyte described in Patent Document 1 is expected to be applied to an electricity storage device such as a battery, glyme is a highly volatile organic solvent and is still insufficient in thermal stability at present. is there. Further, the solid electrolyte described in Patent Document 2 is still insufficient in terms of thermal stability because a weight reduction is recognized at 100 ° C. in thermogravimetry. Therefore, a solid electrolyte with higher thermal stability is desired.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱安定性の高いイオン導電性固体電解質を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an ion conductive solid electrolyte having high thermal stability.

本発明者らは、イオン導電性固体電解質が特定なP−O系アルカリ金属塩とイミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩とを含有する場合、高い熱安定性を実現することができることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors achieve high thermal stability when the ion conductive solid electrolyte contains a specific PO alkali metal salt and a non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure. I found that I can do it.
That is, in order to solve the above problems, the following means are provided.

[1] 化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩と
イミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩と
を含有することを特徴とするイオン導電性固体電解質。

Figure 2018166088
(式中、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を表す。Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を表す。式中、nは2〜20の整数を表す。Mはリチウムもしくはナトリウムを表す。)
[2] さらに、グライムを前記非P−O系アルカリ金属塩に対して0.2モル当量未満含有することを特徴とする[1]に記載のイオン導電性固体電解質。
[3] 前記イミド構造を含むアニオンは、窒素に2つのスルホニル基が結合したスルホニルイミドアニオンまたは窒素に1つのスルホニル基と1つのカルボニル基が結合したスルホニルカルボニルイミドアニオンであることを特徴とする[1]または[2]に記載のイオン導電性固体電解質。
[4] [1]〜[3]のいずれかに記載のイオン導電性固体電解質を用いた全固体アルカリ金属イオン二次電池。 [1] An ion conductive solid electrolyte characterized by containing a PO alkali metal salt represented by the chemical formula (1) and a non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure.
Figure 2018166088
(In the formula, X represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms. Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. In the formula, n represents an integer of 2 to 20. M is lithium or sodium. Represents.)
[2] The ion conductive solid electrolyte according to [1], further comprising less than 0.2 molar equivalent of glyme with respect to the non-PO alkali metal salt.
[3] The anion containing the imide structure is a sulfonylimide anion in which two sulfonyl groups are bonded to nitrogen or a sulfonylcarbonylimide anion in which one sulfonyl group and one carbonyl group are bonded to nitrogen. The ion conductive solid electrolyte according to [1] or [2].
[4] An all-solid alkali metal ion secondary battery using the ion conductive solid electrolyte according to any one of [1] to [3].

本発明にかかるイオン導電性固体電解質によれば、特定なP−O系アルカリ金属塩とイミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩とを含有することで、高い熱安定性を実現することができる。
特に本発明の一実施形態のイオン導電性固体電解質によれば、特定P−O系アルカリ金属塩は、固体状態での高いイオン導電性を有するため、少量のグライムを添加することで、熱安定性を確保しつつ、イオン導電性の向上を図ることができる。
According to the ion conductive solid electrolyte according to the present invention, by containing a specific PO-based alkali metal salt and a non-PO-based alkali metal salt having an anion containing an imide structure, high thermal stability is achieved. Can be realized.
In particular, according to the ionic conductive solid electrolyte of one embodiment of the present invention, the specific PO-based alkali metal salt has high ionic conductivity in the solid state, so that it is thermally stable by adding a small amount of glyme. The ion conductivity can be improved while securing the properties.

本発明の一実施形態に係る全固体アルカリ金属イオン二次電池の要部を拡大した断面模式図である。It is the cross-sectional schematic diagram which expanded the principal part of the all-solid-state alkali metal ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.

[イオン導電性固体電解質]
本発明の一実施形態に係るイオン導電性固体電解質は、化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩とイミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩とを含有する。
[Ion conductive solid electrolyte]
An ion conductive solid electrolyte according to an embodiment of the present invention contains a PO alkali metal salt represented by the chemical formula (1) and a non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure. .

Figure 2018166088
(式中、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を示す。Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を示す。式中、nは2〜20の整数を示す。Mはリチウムもしくはナトリウムを示す。)
Figure 2018166088
(In the formula, X represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms. Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. In the formula, n represents an integer of 2 to 20. M represents lithium or sodium. Is shown.)

また、リチウムイオン導電性固体電解質は、グライムを含まず、または、熱安定性の低下をしない程度の少量のグライムを含んでも良い。例えば、非P−O系アルカリ金属塩に対して0.2モル当量未満含有することが好ましい。グライムを非P−O系アルカリ金属塩に対して0.2モル当量未満含有することで、熱安定性を確保しつつ、イオン導電性の向上を図ることができる。
化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩は、固体状態での高いイオン導電性を有するため、グライムの添加を必須としない。そのため、多量のグライム添加による熱安定性の低下を防ぐことができる。
Further, the lithium ion conductive solid electrolyte may not contain glyme or may contain a small amount of glyme so as not to lower the thermal stability. For example, it is preferable to contain less than 0.2 molar equivalents with respect to the non-PO-based alkali metal salt. By containing less than 0.2 molar equivalent of glyme with respect to the non-PO-based alkali metal salt, ion conductivity can be improved while ensuring thermal stability.
The PO-based alkali metal salt represented by the chemical formula (1) has high ionic conductivity in a solid state, and therefore does not require addition of glyme. Therefore, a decrease in thermal stability due to the addition of a large amount of glyme can be prevented.

(P−O系アルカリ金属塩)
P−O系アルカリ金属塩は、ホスホン酸系アルカリ金属塩、リン酸系アルカリ金属塩、ホスフィン酸系アルカリ金属塩のうちの1種以上である。本発明の一実施形態にかかる化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩(以下、「本発明のP−O系アルカリ金属塩」とも言うことがある)は、ホスホン酸系アルカリ金属塩である。
化学式(1)において、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を示す。炭素数1〜20のアルキレン基としては、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、へプチレン基およびオクタレン基等のような炭素数1〜20の直鎖アルキレン基が挙げられる。また、メチルメチレン基;メチルエチレン基;1−メチルプロピレン基、2−メチルプロピレン基、3−メチルプロピレン基;1−メチルブチレン基、2−メチルブチレン基、3−メチルブチレン基、4−メチルブチレン基;1−メチルペンチレン基、2−メチルペンチレン基、3−メチルペンチレン基、4−メチルペンチレン基、5−メチルペンチレン基;1−メチルヘキシレン基、2−メチルヘキシレン基、3−メチルヘキシレン基、4−メチルヘキシレン基、5−メチルヘキシレン基、6−メチルヘキシレン基などのような、メチル基の分岐構造を有する炭素数2〜20のアルキレン基が挙げられる。
Xは、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、へプチレン基およびオクタレン基等のような炭素数1〜20の直鎖アルキレン基であることが好ましく、炭素数2〜9の直鎖アルキレン基であることがより好ましい。
Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を示す。炭素数2〜3のアルキレン基としては、例えば、エチレン基、プロピレン基、メチルエチレン基が挙げられる。エチレン基であることが好ましい。
nは2〜20の整数を示す。2〜15の整数であることが好ましく、2〜10の整数であることがより好ましく、5〜8であることが更に好ましい。
Mはリチウムもしくはナトリウムを示す。リチウムであることが好ましい。
(PO alkali metal salt)
The PO alkali metal salt is at least one of a phosphonic acid alkali metal salt, a phosphoric acid alkali metal salt, and a phosphinic acid alkali metal salt. The PO alkali metal salt represented by the chemical formula (1) according to one embodiment of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the PO alkali metal salt of the present invention”) is a phosphonic acid alkali. It is a metal salt.
In the chemical formula (1), X represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the alkylene group having 1 to 20 carbon atoms include linear alkylene having 1 to 20 carbon atoms such as methylene group, ethylene group, propylene group, butylene group, pentylene group, hexylene group, heptylene group, and octalene group. Groups. In addition, methylmethylene group; methylethylene group; 1-methylpropylene group, 2-methylpropylene group, 3-methylpropylene group; 1-methylbutylene group, 2-methylbutylene group, 3-methylbutylene group, 4-methylbutylene Group: 1-methylpentylene group, 2-methylpentylene group, 3-methylpentylene group, 4-methylpentylene group, 5-methylpentylene group; 1-methylhexylene group, 2-methylhexylene group And an alkylene group having 2 to 20 carbon atoms having a branched structure of a methyl group, such as 3-methylhexylene group, 4-methylhexylene group, 5-methylhexylene group, 6-methylhexylene group and the like. It is done.
X is preferably a linear alkylene group having 1 to 20 carbon atoms such as a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a pentylene group, a hexylene group, a heptylene group and an octalene group, More preferably, it is a linear alkylene group of ˜9.
Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. Examples of the alkylene group having 2 to 3 carbon atoms include an ethylene group, a propylene group, and a methylethylene group. An ethylene group is preferred.
n shows the integer of 2-20. It is preferably an integer of 2 to 15, more preferably an integer of 2 to 10, and still more preferably 5 to 8.
M represents lithium or sodium. Lithium is preferred.

(非P−O系アルカリ金属塩)
本発明にかかるイミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩(以下、「本発明の非P−O系アルカリ金属塩」ともいうことがある。)は、イミド構造を含むアニオンを有しP−O系アルカリ金属塩とは異なるものであればよい。すなわち、本発明の非P−O系アルカリ金属塩は、ホスホン酸系アルカリ金属塩、リン酸系アルカリ金属塩、ホスフィン酸系アルカリ金属塩とは異なるものである。
本発明にかかるイミド構造を含むアニオンは、窒素に2つのスルホニル基が結合したスルホニルイミドアニオンまたは窒素に1つのスルホニル基と1つのカルボニル基が結合したスルホニルカルボニルイミドアニオンであることが好ましい。スルホニルイミドアニオンがより好ましい。
スルホニルイミドアニオンとしては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン(TFSI) やビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドアニオン(BETI)、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン(FSI)、フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルイミドアニオン(FTA)、4,4,5,5,−テトラフルオロ−1,3,2−ジチアゾリン−1,1,3,3−テトラオキシドアニオン(CTFSI)等が挙げられる。
スルホニルカルボニルイミドアニオンとしては、例えば、2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミドアニオン(TSAC)等が挙げられる。イミド構造を含むアニオンは、有機アニオンであることが好ましい。
本発明の非P−O系アルカリ金属塩は、上述したアニオンと対をなすカチオンとしてアルカリ金属イオンを有している。アルカリ金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムなどが好ましく、リチウムがより好ましい。このアルカリ金属は、本発明のP−O系アルカリ金属塩に含まれるものと同種のものであることが好ましい。
アニオンとカチオンの組み合わせとしては、例えば、LiTFSI、NaTFSI、LiFSI、NaFSIが好ましく、LiTFSIがより好ましい。
(Non-PO alkali metal salt)
The non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as “non-PO alkali metal salt of the present invention”) is an anion containing an imide structure. It may be different from the P—O-based alkali metal salt. That is, the non-PO-based alkali metal salt of the present invention is different from phosphonic acid-based alkali metal salts, phosphoric acid-based alkali metal salts, and phosphinic acid-based alkali metal salts.
The anion containing an imide structure according to the present invention is preferably a sulfonylimide anion in which two sulfonyl groups are bonded to nitrogen or a sulfonylcarbonylimide anion in which one sulfonyl group and one carbonyl group are bonded to nitrogen. A sulfonylimide anion is more preferred.
Examples of the sulfonylimide anion include bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (TFSI), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide anion (BETI), bis (fluorosulfonyl) imide anion (FSI), and fluorosulfonyltrifluoromethanesulfonylimide. Anion (FTA), 4,4,5,5, -tetrafluoro-1,3,2-dithiazoline-1,1,3,3-tetraoxide anion (CTFSI) and the like can be mentioned.
Examples of the sulfonylcarbonylimide anion include 2,2,2-trifluoro-N- (trifluoromethylsulfonyl) acetamide anion (TSAC). The anion containing an imide structure is preferably an organic anion.
The non-PO-based alkali metal salt of the present invention has an alkali metal ion as a cation paired with the above-described anion. As the alkali metal, for example, lithium, sodium, potassium and the like are preferable, and lithium is more preferable. This alkali metal is preferably the same type as that contained in the PO alkali metal salt of the present invention.
As a combination of an anion and a cation, for example, LiTFSI, NaTFSI, LiFSI, and NaFSI are preferable, and LiTFSI is more preferable.

(グライム)
グライムは、直鎖状の対称グリコールジエーテルの総称であり、例えば、R−O(CHCHO)−Rで表されるものとしてもよい。
(Glime)
Glyme is a general term for linear symmetric glycol diethers and may be represented by, for example, R—O (CH 2 CH 2 O) n —R.

ここで、Rは、フッ素置換されていてもよい炭素数1〜9のアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、およびハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである。nは1〜5である。   Here, R is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, and a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. is there. n is 1-5.

上記式中のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基等が挙げられる。これらのアルキル基は、任意の位置がフッ素で置換されていてもよい。アルキル基の数が9を超えると、グライムの極性が弱くなるため、アルカリ金属塩の溶解性が低下する傾向がある。そのため、アルキル基の炭素数は少ない方が好ましく、好ましくはメチル基およびエチル基であり、最も好ましくはメチル基である。   Examples of the alkyl group in the above formula include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, pentyl group, isopentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, and nonyl group. These alkyl groups may be substituted at any position with fluorine. When the number of alkyl groups exceeds 9, the polarity of glyme becomes weak, so that the solubility of the alkali metal salt tends to decrease. For this reason, the alkyl group preferably has a smaller number of carbon atoms, preferably a methyl group or an ethyl group, and most preferably a methyl group.

ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基としては、特に制限はないが、2−クロロフェニル基、3−クロロフェニル基、4−クロロフェニル基、2,4−ジクロロフェニル基、2−ブロモフェニル基、3−ブロモフェニル基、4−ブロモフェニル基、2,4−ジブロモフェニル基、2−ヨードフェニル基、3−ヨードフェニル基、4−ヨードフェニル基、2,4−ヨードフェニル基等が挙げられる。   The phenyl group which may be substituted with a halogen atom is not particularly limited, but 2-chlorophenyl group, 3-chlorophenyl group, 4-chlorophenyl group, 2,4-dichlorophenyl group, 2-bromophenyl group, 3- Examples include bromophenyl group, 4-bromophenyl group, 2,4-dibromophenyl group, 2-iodophenyl group, 3-iodophenyl group, 4-iodophenyl group, 2,4-iodophenyl group and the like.

ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基としては、特に制限はないが、2−クロロシクロヘキシル基、3−クロロシクロヘキシル基、4−クロロシクロヘキシル基、2,4−ジクロロシクロヘキシル基、2−ブロモシクロヘキシル基、3−ブロモシクロヘキシル基、4−ブロモシクロヘキシル基、2,4−ジブロモシクロヘキシル基、2−ヨードシクロヘキシル基、3−ヨードシクロヘキシル基、4−ヨードシクロヘキシル基、2,4−ジヨードシクロヘキシル基等が挙げられる。   The cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom is not particularly limited, but 2-chlorocyclohexyl group, 3-chlorocyclohexyl group, 4-chlorocyclohexyl group, 2,4-dichlorocyclohexyl group, 2-bromocyclohexyl group. Group, 3-bromocyclohexyl group, 4-bromocyclohexyl group, 2,4-dibromocyclohexyl group, 2-iodocyclohexyl group, 3-iodocyclohexyl group, 4-iodocyclohexyl group, 2,4-diiodocyclohexyl group and the like. Can be mentioned.

エチレンオキシド単位の繰り返し数を表わすnについては、1〜7が好ましく、より好ましくは2〜8、最も好ましくは4〜6である。   About n showing the repeating number of an ethylene oxide unit, 1-7 are preferable, More preferably, it is 2-8, Most preferably, it is 4-6.

グライムは1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。   A glyme may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.

(イオン導電性固体電解質の組成)
本発明の一実施形態のイオン導電性固体電解質において、本発明のP−O系アルカリ金属塩及び本発明の非P−O系アルカリ金属塩の割合は、特に限定されるものではない。本発明の非P−O系アルカリ金属塩に対して本発明のP−O系アルカリ金属塩を0.5〜4.0モル当量含むものが好ましく、1.0〜3.0モル当量含むものがより好ましく、1.5〜2.5モル当量含むものがさらに好ましい。
0.5モル当量を下回ると、イオン導電性に必要なアルカリ金属が少ないため所望のイオン導電性を確保することが出来ない。また、4.0モル当量を越えると、濃度が高すぎてイオン解離できないP−O系アルカリ金属塩が生じるため、それが抵抗となり所望のイオン導電性を確保することが出来ない。
(Composition of ion conductive solid electrolyte)
In the ion conductive solid electrolyte of one embodiment of the present invention, the ratio of the PO alkali metal salt of the present invention and the non-PO alkali metal salt of the present invention is not particularly limited. What contains 0.5-4.0 molar equivalent of the PO alkali metal salt of this invention with respect to the non-PO alkaline metal salt of this invention is preferable, and contains 1.0-3.0 molar equivalent Are more preferable, and those containing 1.5 to 2.5 molar equivalents are more preferable.
If it is less than 0.5 molar equivalent, the desired ionic conductivity cannot be ensured because there are few alkali metals required for ionic conductivity. On the other hand, if it exceeds 4.0 molar equivalents, a P—O-based alkali metal salt that is too high in concentration and cannot be ionically dissociated is produced, so that it becomes a resistance and the desired ionic conductivity cannot be ensured.

本発明の一実施形態のP−O系アルカリ金属塩は、固体状態での高いイオン導電性を有するため、イオン導電性固体電解質においてグライムが含まなくても(グライム・フリー)、高いイオン導電性を有することができる。グライム・フリーの本実施形態のイオン導電性固体電解質は、グライム添加による熱安定性の低下を防ぎ、高いイオン導電性と高い熱安定性を同時に実現することができる。   The PO-based alkali metal salt according to an embodiment of the present invention has high ionic conductivity in a solid state. Therefore, even if glyme is not included in the ionic conductive solid electrolyte (glyme-free), high ionic conductivity is obtained. Can have. The glyme-free ionic conductive solid electrolyte of this embodiment can prevent a decrease in thermal stability due to the addition of glyme, and can simultaneously realize high ionic conductivity and high thermal stability.

本発明のその他の実施形態のイオン導電性固体電解質において、本発明のP−O系アルカリ金属塩及び本発明の非P−O系アルカリ金属塩の割合は特に限定されるものではない。本発明の非P−O系アルカリ金属塩に対して本発明のP−O系アルカリ金属塩を0.5〜4.0モル当量含むものが好ましく、1.0〜3.0モル当量含むものがより好ましく、1.5〜2.5モル当量含むものがさらに好ましい。グライムを含んでもよい。グライムを前記非P−O系アルカリ金属塩に対して0.2モル当量未満含有することが好ましい。0.15モル当量以下含有することがより好ましく、0.10モル当量以下含有することがさらに好ましく、0.05モル当量以下含有することが特に好ましい。例えば、グライムを前記非P−O系アルカリ金属塩に対して0.001〜0.18モル当量、好ましく0.01〜0.15モル当量、より好ましく0.01〜0.10モル当量、さらに好ましく0.01〜0.50モル当量含有する。
0.2モル当量以上含有すると、グライム添加による熱安定性の低下が大きくなり、所望の熱安定性を得ることが困難となる。また、グライムは液体であるため、0.2モル当量以上含有すると流動性が発現し、固体状態の維持が困難となる。
本発明のP−O系アルカリ金属塩は、固体状態での高いイオン導電性を有するため、イオン導電性固体電解質において多量のグライムが含まなくても、高いイオン導電性を有することができる。上記のように、固体電解質の熱安定性に影響しない程度の少量グライムを含有する本実施形態のイオン導電性固体電解質は、熱安定性を確保しつつ、イオン導電性の向上を図ることができる。
In the ion conductive solid electrolyte of the other embodiment of the present invention, the ratio of the PO alkali metal salt of the present invention and the non-PO alkali metal salt of the present invention is not particularly limited. What contains 0.5-4.0 molar equivalent of the PO alkali metal salt of this invention with respect to the non-PO alkaline metal salt of this invention is preferable, and contains 1.0-3.0 molar equivalent Are more preferable, and those containing 1.5 to 2.5 molar equivalents are more preferable. May contain glyme. It is preferable to contain less than 0.2 molar equivalent of glyme with respect to the non-PO alkali metal salt. More preferably, it is contained in an amount of 0.15 molar equivalent or less, more preferably 0.10 molar equivalent or less, and particularly preferably 0.05 molar equivalent or less. For example, 0.001 to 0.18 molar equivalent, preferably 0.01 to 0.15 molar equivalent, more preferably 0.01 to 0.10 molar equivalent of glyme with respect to the non-PO-based alkali metal salt, It preferably contains 0.01 to 0.50 molar equivalent.
When the content is 0.2 molar equivalent or more, the decrease in thermal stability due to the addition of glyme becomes large, and it becomes difficult to obtain desired thermal stability. Moreover, since glyme is liquid, when it contains 0.2 molar equivalent or more, fluidity | liquidity will express and it will become difficult to maintain a solid state.
Since the PO-based alkali metal salt of the present invention has high ionic conductivity in the solid state, it can have high ionic conductivity even if the ionic conductive solid electrolyte does not contain a large amount of glyme. As described above, the ionic conductive solid electrolyte of this embodiment containing a small amount of glyme that does not affect the thermal stability of the solid electrolyte can improve the ionic conductivity while ensuring the thermal stability. .

(イオン導電性固体電解質の製造方法)
本発明の一実施形態のイオン導電性固体電解質の製法としては、例えば、本発明のP−O系アルカリ金属塩と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩とを含む原料を混合して得られたものとしてもよい。特に混合方法等に制限はない。混合の際は、水の混入を防ぐために露点−80℃以下の大気下あるいは不活性ガス雰囲気下、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の雰囲気下で混合することが好ましい。より好ましくはアルゴンガス雰囲気下である。混合する際の温度は20〜80℃が好ましい。また、必要に応じてアルカリ金属塩を溶解させるために、スターラー等を用いて攪拌してもよい。
また、例えば、本発明のP−O系アルカリ金属塩に代えて、アルカリ金属が導入されていない、対応するP−O系アルカリ金属化合物を用いてもよい。この場合、対応するP−O系アルカリ金属化合物にアルカリ金属を導入して本発明のP−O系アルカリ金属塩とするため、アルカリ金属化合物を原料に追加することが好ましい。アルカリ金属化合物としては、例えば、n−ブチルリチウムなどを好適に用いることができる。こうしたものは、対応するP−O系アルカリ金属化合物と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩と、アルカリ金属化合物とを混合して得られたものとしてもよい。また、対応するP−O系アルカリ金属化合物と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩とを混合して得られたものに、アルカリ金属化合物を加えてアルカリ金属を導入して得られたものとしてもよい。
(Method for producing ion conductive solid electrolyte)
As a method for producing an ion conductive solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, for example, a raw material containing the PO alkali metal salt of the present invention and the non-PO alkali metal salt of the present invention is mixed. It may be obtained. There is no restriction | limiting in particular in a mixing method. When mixing, it is preferable to mix in an atmosphere with a dew point of −80 ° C. or lower or an inert gas atmosphere, for example, an atmosphere of nitrogen gas, helium gas, argon gas, or the like, in order to prevent mixing of water. More preferably, it is in an argon gas atmosphere. The temperature during mixing is preferably 20 to 80 ° C. Moreover, you may stir using a stirrer etc. in order to dissolve an alkali metal salt as needed.
For example, instead of the PO alkali metal salt of the present invention, a corresponding PO alkali metal compound into which no alkali metal is introduced may be used. In this case, it is preferable to add the alkali metal compound to the raw material in order to introduce the alkali metal into the corresponding PO-based alkali metal compound to obtain the PO-based alkali metal salt of the present invention. As an alkali metal compound, n-butyllithium etc. can be used conveniently, for example. Such a thing may be obtained by mixing a corresponding PO-based alkali metal compound, a non-PO-based alkali metal salt of the present invention, and an alkali metal compound. Moreover, it was obtained by introducing an alkali metal by adding an alkali metal compound to a product obtained by mixing the corresponding PO alkali metal compound and the non-PO alkali metal salt of the present invention. It may be a thing.

原料を混合する際には、例えば、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エタノール、メタノール、アセトン、N−メチルピロリドンなどの溶媒を用いてもよい。   When mixing the raw materials, for example, a solvent such as acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethanol, methanol, acetone, or N-methylpyrrolidone may be used.

本発明のその他の実施形態のイオン導電性固体電解質の製法としては、例えば、本発明のP−O系アルカリ金属塩と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩と、一定少量のグライムと、を含む原料を混合して得られたものとしてもよい。また、例えば、本発明のP−O系アルカリ金属塩であるホスホン酸系アルカリ金属塩に代えて、アルカリ金属が導入されていない、ホスホン酸系化合物を用いてもよい。この場合、ホスホン酸系化合物にアルカリ金属を導入してホスホン酸系アルカリ金属塩とするため、アルカリ金属化合物を原料に追加することが好ましい。アルカリ金属化合物としては、例えば、n−ブチルリチウムなどを好適に用いることができる。こうしたものは、本発明のP−O系化合物と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩と、一定少量のグライムと、アルカリ金属化合物とを混合して得られたものとしてもよい。また、本発明のP―O系化合物と、本発明の非P−O系アルカリ金属塩と、一定少量のグライムとを混合して得られたものに、アルカリ金属化合物を加えてアルカリ金属を導入して得られたものとしてもよい。   Examples of the method for producing an ion conductive solid electrolyte according to another embodiment of the present invention include, for example, the PO alkali metal salt of the present invention, the non-PO alkali metal salt of the present invention, and a small amount of glyme. It is good also as what was obtained by mixing the raw material containing these. Further, for example, a phosphonic acid compound into which no alkali metal is introduced may be used instead of the phosphonic acid alkali metal salt which is the PO alkali metal salt of the present invention. In this case, since an alkali metal is introduced into the phosphonic acid compound to obtain a phosphonic acid alkali metal salt, it is preferable to add the alkali metal compound to the raw material. As an alkali metal compound, n-butyllithium etc. can be used conveniently, for example. Such a thing may be obtained by mixing the PO compound of the present invention, the non-PO alkali metal salt of the present invention, a certain small amount of glyme, and an alkali metal compound. In addition, an alkali metal compound is introduced by adding an alkali metal compound to a product obtained by mixing a PO compound of the present invention, a non-PO alkali metal salt of the present invention, and a small amount of glyme. It is good also as what was obtained.

(イオン導電性固体電解質層の形成)
本発明のそれぞれの実施形態のイオン導電性固体電解質から、イオン導電性固体電解質層を形成する方法は特に限定されない。
(Formation of ion conductive solid electrolyte layer)
The method for forming the ion conductive solid electrolyte layer from the ion conductive solid electrolyte of each embodiment of the present invention is not particularly limited.

例えば、電極間に積層される電解質層またはその一部(電解質層厚さの半分程度の電解質膜)を準備する方法がある。この場合には、イオン導電性固体電解質を含む溶液(例えば、アセトニトリルの溶液)を、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリプロピレンフィルムなど適当なフィルム上に塗布し、不活性雰囲気下で加熱乾燥、あるいは真空乾燥機(真空オーブン)することによって製造される。   For example, there is a method of preparing an electrolyte layer laminated between electrodes or a part thereof (an electrolyte membrane having about half the thickness of the electrolyte layer). In this case, a solution containing an ionic conductive solid electrolyte (for example, a solution of acetonitrile) is applied on a suitable film such as a polyethylene terephthalate (PET) film or a polypropylene film, and is heated and dried in an inert atmosphere or vacuum. Manufactured by drying (vacuum oven).

あるいは、セパレーターに、例えば、イオン導電性固体電解質を含む溶液を含浸させ、加熱乾燥、あるいは真空乾燥機(真空オーブン)することによって製造される。   Alternatively, the separator is manufactured by, for example, impregnating a solution containing an ion conductive solid electrolyte, and drying by heating or vacuum drying (vacuum oven).

乾燥の条件は溶液に応じて決定され、一義的に規定できないが、例えば、通常は30〜110℃で0.5〜15時間である。また、アセトニトリルのような揮発性の溶媒を使用する場合、加熱乾燥の前に、自然乾燥させて溶媒を揮発されることが好ましい。   The drying conditions are determined according to the solution and cannot be uniquely defined. For example, the drying conditions are usually 30 to 110 ° C. and 0.5 to 15 hours. When a volatile solvent such as acetonitrile is used, it is preferable that the solvent is volatilized by natural drying before heat drying.

(イオン導電性)
本発明のイオン導電性固体電解質において、高い熱安定性と高いイオン導電性が同時に発現することができる。こうした効果が得られる理由は、まだ未解明であるが、以下のように推察される。
本発明のP−O系アルカリ金属塩と本発明の非P−O系アルカリ金属塩とからなるイオン導電性固体電解質において、アルカリ金属イオンが以下のように伝導すると考えられる。
ステップ(1):イミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩がアルカリ金属イオンとイミド構造を含むアニオンに解離する。
ステップ(2):生じたアルカリ金属イオンがエチレンオキシド(本発明のP−O系アルカリ金属塩中に存在)に移動する。
ステップ(3):エチレンオキシドのセグメント運動によってアルカリ金属イオンが伝導する。
このようなイオン導電性固体電解質のイオン導電性は、P−O系アルカリ金属塩の末端基に依存する。ここでは、本発明の非P−O系アルカリ金属塩はLiTFSIであり、P−O系アルカリ金属塩はホスホン酸系リチウム塩(化学式(1)において、Yはエチレン、nは4の整数、Mはリチウムを示す。)である場合を例として説明する。
TFSIアニオンの1つのスルホニル基が、ホスホン酸系リチウム塩のLiカチオンと相互作用(配位結合)することで、この複合塩構造が安定化される。この相互作用により、TFSIアニオンの負電荷密度が分散され低下する為に、TFSIアニオンからエチレンオキサイドへのLiの移動性(解離性)が向上する。
(A)末端がメチル基、かつXの炭素数が1〜3の場合
例えば、化学式(2)に示すように、ステップ(1)、(2)は生じるものの、TFSIアニオンとエチレンオキシドの距離が近すぎて一度解離したリチウムイオン(Li)がTFSIアニオンと再結合してしまう。その結果、Liのイオン伝導度が低下する。
(Ion conductivity)
In the ionic conductive solid electrolyte of the present invention, high thermal stability and high ionic conductivity can be exhibited simultaneously. The reason why such an effect is obtained is still unclear, but is presumed as follows.
In the ion conductive solid electrolyte composed of the PO alkali metal salt of the present invention and the non-PO alkali metal salt of the present invention, it is considered that the alkali metal ions are conducted as follows.
Step (1): A non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure dissociates into an alkali metal ion and an anion containing an imide structure.
Step (2): The generated alkali metal ions move to ethylene oxide (present in the PO-based alkali metal salt of the present invention).
Step (3): Alkali metal ions are conducted by the segmental motion of ethylene oxide.
The ionic conductivity of such an ionic conductive solid electrolyte depends on the terminal group of the PO alkali metal salt. Here, the non-PO alkali metal salt of the present invention is LiTFSI, the PO alkali metal salt is a phosphonic acid lithium salt (in the chemical formula (1), Y is ethylene, n is an integer of 4, M Represents lithium as an example.
One sulfonyl group of the TFSI anion interacts with the Li + cation of the phosphonic acid lithium salt (coordination bond), thereby stabilizing the composite salt structure. Due to this interaction, the negative charge density of the TFSI anion is dispersed and lowered, so that the mobility (dissociation) of Li + from the TFSI anion to ethylene oxide is improved.
(A) When the terminal is a methyl group and X has 1 to 3 carbon atoms For example, as shown in chemical formula (2), although steps (1) and (2) occur, the distance between the TFSI anion and ethylene oxide is short. The lithium ions (Li + ) once dissociated too much recombine with the TFSI anion. As a result, the ionic conductivity of Li + decreases.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

(B)末端がOH基の場合(本発明のP−O系アルカリ金属塩)
例えば、化学式(3)に示すように、Xの炭素数が1〜3のようにTFSIアニオンとエチレンオキサイドの距離が近すぎる場合でも、末端OH基のプロトンがTFSIアニオンと水素結合を形成するため、Liイオンを押し出す形となり、LiとTFSIアニオンとの再結合がブロックされる。末端メチル基の場合に比べて、本発明の非P−O系アルカリ金属塩としてのLiTFSIの解離度が向上する。その結果、末端メチル基の場合に比べてイオン伝導に寄与するLiイオン量が増加する。
(B) When terminal is OH group (PO alkali metal salt of the present invention)
For example, as shown in chemical formula (3), even when the distance between the TFSI anion and ethylene oxide is too close, such as when the carbon number of X is 1 to 3, the terminal OH group protons form hydrogen bonds with the TFSI anion. Li + ions are extruded, and recombination between Li + and TFSI anions is blocked. Compared with the terminal methyl group, the degree of dissociation of LiTFSI as the non-PO alkali metal salt of the present invention is improved. As a result, the amount of Li + ions contributing to ionic conduction is increased compared to the case of the terminal methyl group.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

[全固体アルカリ金属イオン二次電池]
図1は、本発明の一実施形態に係る全固体アルカリ金属イオン二次電池の要部を拡大した断面模式図である。図1に示すように、全固体アルカリ金属イオン二次電池10は、第1電極層1と第2電極層2と固体電解質層3とを有する積層体4を備える。第1電極層1と第2電極層2は、一対の電極をなす。
[All-solid alkali metal ion secondary battery]
FIG. 1 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part of an all solid alkali metal ion secondary battery according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the all-solid alkali metal ion secondary battery 10 includes a laminate 4 having a first electrode layer 1, a second electrode layer 2, and a solid electrolyte layer 3. The first electrode layer 1 and the second electrode layer 2 form a pair of electrodes.

第1電極層1はそれぞれ第1外部端子5に接続され、第2電極層2はそれぞれ第2外部端子6に接続されている。第1外部端子5と第2外部端子6は、外部との電気的な接点である。   Each first electrode layer 1 is connected to a first external terminal 5, and each second electrode layer 2 is connected to a second external terminal 6. The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are electrical contacts with the outside.

(積層体)
積層体4は、第1電極層1と第2電極層2と固体電解質層3とを有する。第1電極層1と、第2電極層2は、いずれか一方が正極層として機能し、他方が負極層として機能する。電極層の正負は、外部端子にいずれの極性を繋ぐかによって変化する。以下、理解を容易にするために、第1電極層1を正極層1とし、第2電極層2を負極層2とする。
(Laminate)
The stacked body 4 includes a first electrode layer 1, a second electrode layer 2, and a solid electrolyte layer 3. One of the first electrode layer 1 and the second electrode layer 2 functions as a positive electrode layer, and the other functions as a negative electrode layer. The polarity of the electrode layer varies depending on which polarity is connected to the external terminal. Hereinafter, in order to facilitate understanding, the first electrode layer 1 is referred to as a positive electrode layer 1, and the second electrode layer 2 is referred to as a negative electrode layer 2.

積層体4において正極層1と負極層2は、固体電解質層3を介して交互に積層されている。正極層1と負極層2の間で固体電解質層3を介したアルカリ金属イオンの授受により、全固体アルカリ金属イオン二次電池10の充放電が行われる。   In the laminate 4, the positive electrode layers 1 and the negative electrode layers 2 are alternately laminated via the solid electrolyte layers 3. The charging / discharging of the all-solid alkali metal ion secondary battery 10 is performed by the exchange of alkali metal ions between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2 through the solid electrolyte layer 3.

(正極層および負極層)
正極層1は、正極集電体層1Aと、正極活物質を含む正極活物質層1Bとを有する。負極層2は、負極集電体層2Aと、負極活物質を含む負極活物質層2Bとを有する。
(Positive electrode layer and negative electrode layer)
The positive electrode layer 1 includes a positive electrode current collector layer 1A and a positive electrode active material layer 1B containing a positive electrode active material. The negative electrode layer 2 includes a negative electrode current collector layer 2A and a negative electrode active material layer 2B containing a negative electrode active material.

(集電体層)
正極集電体層1A及び負極集電体層2Aは、導電率が高いことが好ましい。そのため、正極集電体層1A及び負極集電体層2Aは、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケル等の低抵抗金属を含むことが好ましい。これらの低抵抗金属の中でも、アルミニウムや銅は正極活物質、負極活物質及び固体電解質と反応しにくい。そのため、アルミニウムや銅を含む正極集電体層1A及び負極集電体層2Aを用いると、全固体アルカリ金属イオン二次電池10の内部抵抗を長期間にわたって低減することができる。正極集電体層1Aと負極集電体層2Aの組成は、同一でもよいし、異なってもよい。
正極集電体層1A及び負極集電体層2Aは、それぞれ後述する正極活物質及び負極活物質を含んでもよい。それぞれの集電体層に含まれる活物質の含有比は、集電体として機能する限り特に限定はされない。例えば、低抵抗金属/正極活物質、または低抵抗金属/負極活物質が体積比率で90/10から70/30の範囲であることが好ましい。
正極集電体層1A及び負極集電体層2Aがそれぞれ正極活物質及び負極活物質を含むことにより、正極集電体層1Aと正極活物質層1B及び負極集電体層2Aと負極活物質層2Bとの密着性が向上する。
(Current collector layer)
The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A preferably have high electrical conductivity. Therefore, the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A preferably contain a low-resistance metal such as silver, palladium, gold, platinum, aluminum, copper, or nickel. Among these low resistance metals, aluminum and copper hardly react with the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the solid electrolyte. Therefore, when the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A containing aluminum or copper are used, the internal resistance of the all-solid alkali metal ion secondary battery 10 can be reduced over a long period of time. The composition of the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A may be the same or different.
The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A may each include a positive electrode active material and a negative electrode active material described later. The content ratio of the active material contained in each current collector layer is not particularly limited as long as it functions as a current collector. For example, the volume ratio of the low resistance metal / positive electrode active material or the low resistance metal / negative electrode active material is preferably 90/10 to 70/30.
The positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A contain a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively, so that the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B, the negative electrode current collector layer 2A, and the negative electrode active material Adhesion with the layer 2B is improved.

(正極活物質層)
正極活物質層1Bは、正極集電体層1Aの片面または両面に形成される。正極活物質層1Bは、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
正極活物質層1Bに用いる正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンとリチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF )とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を用いることができる。
例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMna2(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
正極活物質層1Bにおける正極活物質の構成比率は、質量比で80%以上90%以下であることが好ましい。また正極活物質層1Bにおける正極用導電助剤の構成比率は、質量比で0.5%以上10%以下であることが好ましく、正極活物質層1Bにおけるバインダーの構成比率は、質量比で0.5%以上10%以下であることが好ましい。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer 1B is formed on one side or both sides of the positive electrode current collector layer 1A. The positive electrode active material layer 1 </ b> B is mainly composed of a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a necessary amount of positive electrode conductive additive.
The positive electrode active material used for the positive electrode active material layer 1B includes lithium ion insertion and extraction, lithium ion desorption and insertion (intercalation), or counter ions (for example, PF 6 ) of lithium ions and lithium ions. An electrode active material capable of reversibly proceeding doping and dedoping can be used.
For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and the general formula: LiNi x Co y Mn z M a2 (x + y + z + a = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ a ≦ 1, and M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr) Oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMPO 4 (where M is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, Zr, or VO) shown), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12) , LiNi x Co y Al z O 2 ( composite metal oxide such as 0.9 <x + y + z < 1.1) can be mentioned.
The constituent ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 1B is preferably 80% or more and 90% or less by mass ratio. The constituent ratio of the positive electrode conductive additive in the positive electrode active material layer 1B is preferably 0.5% to 10% by mass ratio, and the constituent ratio of the binder in the positive electrode active material layer 1B is 0 by mass ratio. It is preferably 5% or more and 10% or less.

正極用バインダーは、活物質同士を結合すると共に、活物質と正極集電体1Aとを結合する。バインダーは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエーテルスルホン(PESU)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。
また、上記の他に、バインダーとして、例えば、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFPTFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムを用いてもよい。
また、バインダーとして電子導電性の導電性高分子やイオン導電性の導電性高分子を用いてもよい。電子導電性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電材の機能も発揮するので導電材を添加しなくてもよい。イオン導電性の導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等の高分子化合物にリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。
The positive electrode binder bonds the active materials to each other and bonds the active material to the positive electrode current collector 1A. The binder is not particularly limited as long as the above-described bonding is possible. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulfone (PESU), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer ( FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) ), A fluororesin such as polyvinyl fluoride (PVF).
In addition to the above, as the binder, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFPPTFE-based) Fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride Ride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluoro rubber (VDF-PFMVE-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluoro rubber It may be used vinylidene fluoride-based fluorine rubbers such as rubber (VDF-CTFE-based fluorine rubber).
Further, as the binder, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder also functions as a conductive material, it is not necessary to add a conductive material. Examples of the ion conductive conductive polymer include a compound obtained by combining a polymer compound such as polyethylene oxide and polypropylene oxide with a lithium salt or an alkali metal salt mainly composed of lithium.

正極用導電助剤は、正極活物質層1Bの導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。   The conductive auxiliary agent for positive electrode is not particularly limited as long as it improves the conductivity of the positive electrode active material layer 1B, and a known conductive auxiliary agent can be used. Examples thereof include carbon-based materials such as graphite and carbon black, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, and iron, and conductive oxides such as ITO.

(負極活物質層)
負極活物質層2Bは、負極活物質を有し、必要に応じて負極バインダーと負極用導電助剤とをさらに有する。
負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出可能な化合物であればよく、公知のリチウム二次電池用の負極活物質を使用できる。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウムと化合することのできる金属、SiO(0<x<2)、二酸化スズ等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(LiTi12)等を含む粒子が挙げられる。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 2B includes a negative electrode active material, and further includes a negative electrode binder and a negative electrode conductive additive as necessary.
The negative electrode active material should just be a compound which can occlude / release lithium ion, and can use the well-known negative electrode active material for lithium secondary batteries. Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as metallic lithium, graphite capable of occluding and releasing lithium ions (natural graphite, artificial graphite), carbon nanotubes, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and low-temperature calcined carbon. Metals that can be combined with lithium such as aluminum, silicon and tin, amorphous compounds mainly composed of oxides such as SiO x (0 <x <2) and tin dioxide, lithium titanate (Li 4 Ti 5 And particles containing O 12 ) and the like.

負極用導電助剤としては、例えば、カーボンブラック類等のカーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。   Examples of the conductive assistant for the negative electrode include carbon powders such as carbon blacks, carbon nanotubes, carbon materials, fine metal powders such as copper, nickel, stainless steel and iron, a mixture of carbon materials and fine metal powders, and conductive oxides such as ITO. Things.

負極に用いるバインダーは正極と同様のものを使用できる。またこの他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。   The binder used for a negative electrode can use the same thing as a positive electrode. In addition, for example, cellulose, styrene / butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, acrylic resin, or the like may be used as the binder.

負極活物質層2B中の負極活物質、導電材及びバインダーの含有量は特に限定されない。負極活物質層2Bにおける負極活物質の構成比率は、質量比で70%以上98%以下であることが好ましい。また負極活物質層2Bにおける導電材の構成比率は、質量比で1%以上20%以下であることが好ましく、負極活物質層2Bにおけるバインダーの構成比率は、質量比で1%以上10%以下であることが好ましい。
負極活物質とバインダーの含有量を上記範囲とすることにより、得られた負極活物質層2Bにおいて、バインダーの量が少なすぎて強固な負極活物質層を形成できなくなる傾向を抑制できる。また、電気容量に寄与しないバインダーの量が多くなり、十分な体積エネルギー密度を得ることが困難となる傾向も抑制できる。
The contents of the negative electrode active material, the conductive material, and the binder in the negative electrode active material layer 2B are not particularly limited. The constituent ratio of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 2B is preferably 70% or more and 98% or less by mass ratio. The constituent ratio of the conductive material in the negative electrode active material layer 2B is preferably 1% or more and 20% or less by mass ratio, and the constituent ratio of the binder in the negative electrode active material layer 2B is 1% or more and 10% or less by mass ratio. It is preferable that
By making content of a negative electrode active material and a binder into the said range, in the obtained negative electrode active material layer 2B, the tendency for the amount of binders to be too small to form a strong negative electrode active material layer can be suppressed. In addition, the amount of the binder that does not contribute to the electric capacity increases, and the tendency that it is difficult to obtain a sufficient volume energy density can be suppressed.

(固体電解質層)
固体電解質層3は、正極層1と負極層2との間に設けられる。固体電解質層3は、上述のイオン導電性固体電解質を含む。上述のイオン導電性固体電解質を含むことによって、固体電解質層3のアルカリ金属イオン導電性と熱安定性が高くなるので、本実施形態の全固体アルカリ金属イオン二次電池は熱安定性が高くなる。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer 3 is provided between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2. The solid electrolyte layer 3 includes the above-described ion conductive solid electrolyte. By including the above-described ion conductive solid electrolyte, the alkali metal ion conductivity and thermal stability of the solid electrolyte layer 3 are increased, so that the all solid alkali metal ion secondary battery of the present embodiment has high thermal stability. .

(外部端子)
全固体アルカリ金属イオン二次電池10の第1外部端子5及び第2外部端子6は、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズ、ニッケルを用いることができる。第1外部端子5と第2外部端子6)とは同じ材料により構成されていてもよいし、異なる材料により構成されていてもよい。外部端子は、単層でも複数層でもよい。
(External terminal)
The first external terminal 5 and the second external terminal 6 of the all-solid alkali metal ion secondary battery 10 are preferably made of a material having a high conductivity. For example, silver, gold, platinum, aluminum, copper, tin, or nickel can be used. The first external terminal 5 and the second external terminal 6) may be made of the same material, or may be made of different materials. The external terminal may be a single layer or a plurality of layers.

(保護層)
また全固体アルカリ金属イオン二次電池10は、積層体4や端子を電気的、物理的、化学的に保護する保護層を積層体4の外周に有してもよい。保護層を構成する材料としては絶縁性、耐久性、耐湿性に優れ、環境的に安全であることが好ましい。たとえば、ガラスやセラミックス、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を用いるのが好ましい。保護層の材料は1種類だけでも良いし、複数を併用してもよい。また、保護層は単層でもよいが、複数層備えていた方が好ましい。その中でも熱硬化性樹脂とセラミックスの粉末を混合させた有機無機ハイブリットが特に好ましい。
(Protective layer)
In addition, the all-solid-state alkali metal ion secondary battery 10 may have a protective layer on the outer periphery of the laminate 4 for protecting the laminate 4 and the terminals electrically, physically, and chemically. The material constituting the protective layer is preferably excellent in insulation, durability and moisture resistance and environmentally safe. For example, it is preferable to use glass, ceramics, thermosetting resin, or photocurable resin. Only one type of material for the protective layer may be used or a plurality of materials may be used in combination. The protective layer may be a single layer, but it is preferable to provide a plurality of layers. Among these, an organic-inorganic hybrid in which a thermosetting resin and ceramic powder are mixed is particularly preferable.

(全固体アルカリ金属イオン二次電池の製造方法)
まず積層体4を構成する正極集電体層1A、正極活物質層1B、固体電解質層3、負極活物質層2B、及び負極集電体層2Aの各材料をペースト化する。
(Method for producing all-solid alkali metal ion secondary battery)
First, each material of the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B, the solid electrolyte layer 3, the negative electrode active material layer 2B, and the negative electrode current collector layer 2A constituting the laminate 4 is pasted.

ペースト化の方法は、特に限定されない。例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストが得られる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、一般に溶媒、分散剤、バインダーが含まれる。かかる方法により、正極集電体層1A用のペースト、正極活物質層1B用のペースト、固体電解質層3用のペースト、負極活物質層2B用のペースト、及び負極集電体層2A用のペーストを作製する。   The method of pasting is not particularly limited. For example, a paste can be obtained by mixing powder of each material in a vehicle. Here, the vehicle is a general term for the medium in the liquid phase. The vehicle generally includes a solvent, a dispersant, and a binder. By this method, the paste for the positive electrode current collector layer 1A, the paste for the positive electrode active material layer 1B, the paste for the solid electrolyte layer 3, the paste for the negative electrode active material layer 2B, and the paste for the negative electrode current collector layer 2A Is made.

次いで、グリーンシートを作製する。グリーンシートは、作製したペーストをPET(ポリエチレンテレフタラート)などの基材上に所望の順序で塗布し、必要に応じ乾燥させた後、基材を剥離し、得られる。ペーストの塗布方法は、特に限定されない。例えば、スクリーン印刷、塗布、転写、ドクターブレード等の公知の方法を採用することができる。   Next, a green sheet is produced. The green sheet is obtained by applying the prepared paste on a base material such as PET (polyethylene terephthalate) in a desired order, drying it as necessary, and then peeling the base material. The method for applying the paste is not particularly limited. For example, known methods such as screen printing, coating, transfer, doctor blade, etc. can be employed.

作製したそれぞれのグリーンシートは、所望の順序、積層数で積み重ねられる。必要に応じアライメント、切断等を行い、グリーンシート積層体を作製する。並列型または直並列型の電池を作製する場合は、正極層の端面と負極層の端面が一致しないようにアライメントを行い積み重ねるのが好ましい。   The produced green sheets are stacked in the desired order and the number of layers. Alignment, cutting, etc. are performed as necessary to produce a green sheet laminate. When manufacturing a parallel type or series-parallel type battery, it is preferable to align and stack so that the end face of the positive electrode layer does not coincide with the end face of the negative electrode layer.

グリーンシート積層体は、以下に説明する正極ユニット及び負極ユニットを用いて作製してもよい。   You may produce a green sheet laminated body using the positive electrode unit and negative electrode unit which are demonstrated below.

正極ユニットは、固体電解質層3/正極活物質層1B/正極集電体層1A/正極活物質層1Bがこの順で積層されたユニットである。この正極ユニットは、次のようにして作製することができる。まずPETフィルム上に固体電解質層形成用ペーストをドクターブレード法でシート状に形成し、乾燥して固体電解質層3を形成する。次に、形成した固体電解質層3に、正極活物質層1B用ペーストを印刷し乾燥して、正極活物質層1Bを形成する。   The positive electrode unit is a unit in which solid electrolyte layer 3 / positive electrode active material layer 1B / positive electrode current collector layer 1A / positive electrode active material layer 1B are laminated in this order. This positive electrode unit can be manufactured as follows. First, a solid electrolyte layer forming paste is formed into a sheet shape on a PET film by a doctor blade method, and dried to form the solid electrolyte layer 3. Next, the positive electrode active material layer 1B paste is printed on the formed solid electrolyte layer 3 and dried to form the positive electrode active material layer 1B.

次に、形成した正極活物質層1B上に、スクリーン印刷により正極集電体形成用ペーストを印刷し乾燥して、正極集電体層1Aを形成する。次に、形成した正極集電体層1A上に、スクリーン印刷により正極活物質層1B用ペーストを再度印刷し、乾燥して正極活物質層1Bを形成する。そして、PETフィルムを剥離することで正極活物質層ユニットを作製する。   Next, a positive electrode current collector forming paste is printed on the formed positive electrode active material layer 1B by screen printing and dried to form the positive electrode current collector layer 1A. Next, the positive electrode active material layer 1B paste is printed again on the formed positive electrode current collector layer 1A by screen printing and dried to form the positive electrode active material layer 1B. And a positive electrode active material layer unit is produced by peeling a PET film.

負極ユニットは、固体電解質層3/負極活物質層2B/負極集電体層2A/負極活物質層2Bがこの順に積層されたユニットである。この負極ユニットは、上記の正極ユニットと同様の手順にて、固体電解質層3、負極活物質層2B、負極集電体層2A、および負極活物質層2Bを形成することによって作製することができる。   The negative electrode unit is a unit in which solid electrolyte layer 3 / negative electrode active material layer 2B / negative electrode current collector layer 2A / negative electrode active material layer 2B are laminated in this order. This negative electrode unit can be produced by forming the solid electrolyte layer 3, the negative electrode active material layer 2B, the negative electrode current collector layer 2A, and the negative electrode active material layer 2B in the same procedure as the above positive electrode unit. .

正極ユニットと負極ユニットを積層してグリーンシート積層体を作製する。この際、正極ユニットの固体電解質層3と負極ユニットの負極活物質層2B、もしくは正極ユニットの正極活物質層1Bと負極ユニットの固体電解質層3とが接するように積層する。これによって、正極活物質層1B/正極集電体層1A/正極活物質層1B/固体電解質層3/負極活物質層2B/負極集電体層2A/負極活物質層2B/固体電解質層3がこの順で積層されているグリーンシート積層体が得られる。正極ユニットの正極集電体層1Aが一の端面にのみ延出し、負極ユニットの負極集電体層2Aが他の面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねる。作製されたグリーンシート積層体の両面には、所定厚みの固体電解質層3用シートをさらに積み重ねてもよい。   A positive electrode unit and a negative electrode unit are laminated to produce a green sheet laminate. At this time, lamination is performed so that the solid electrolyte layer 3 of the positive electrode unit and the negative electrode active material layer 2B of the negative electrode unit, or the positive electrode active material layer 1B of the positive electrode unit and the solid electrolyte layer 3 of the negative electrode unit are in contact. Thus, positive electrode active material layer 1B / positive electrode current collector layer 1A / positive electrode active material layer 1B / solid electrolyte layer 3 / negative electrode active material layer 2B / negative electrode current collector layer 2A / negative electrode active material layer 2B / solid electrolyte layer 3 Is obtained in this order. Each unit is shifted and stacked so that the positive electrode current collector layer 1A of the positive electrode unit extends only to one end surface and the negative electrode current collector layer 2A of the negative electrode unit extends only to the other surface. Sheets for the solid electrolyte layer 3 having a predetermined thickness may be further stacked on both surfaces of the produced green sheet laminate.

作製したグリーンシート積層体を一括して圧着する。圧着は加熱しながら行う。加熱温度は、例えば、40〜95℃とする。   The produced green sheet laminate is pressure bonded together. Crimping is performed while heating. The heating temperature is, for example, 40 to 95 ° C.

(端子形成)
得られた積層体に第1外部端子5と第2外部端子6をつける。第1外部端子5及び第2外部端子6は、正極集電体層1Aと負極集電体層2Aにそれぞれ電気的に接触するよう形成する。例えば、積層体の側面から露出した正極集電体層1Aと負極集電体層2Aに対しスパッタ法、ディッピング法、スプレーコート法等の公知の方法を用いることにより形成できる。所定の部分にのみ形成する場合は、例えばテープにてマスキング等を施して形成する。
(Terminal formation)
The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are attached to the obtained laminate. The first external terminal 5 and the second external terminal 6 are formed so as to be in electrical contact with the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A, respectively. For example, the positive electrode current collector layer 1A and the negative electrode current collector layer 2A exposed from the side surface of the laminate can be formed by using a known method such as a sputtering method, a dipping method, or a spray coating method. When forming only in a predetermined part, it forms by masking etc. with a tape, for example.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。   The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the configurations and combinations of the embodiments in the embodiments are examples, and the addition and the omission of the configurations are within the scope not departing from the gist of the present invention. , Substitutions, and other changes are possible.

以下に示す手順により、実施例1〜17および比較例1〜7のイオン導電性固体電解質を作製し、イオン導電性評価を行った。また、熱安定性評価を行った。   According to the procedure shown below, the ion conductive solid electrolytes of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 7 were produced, and the ion conductivity was evaluated. Moreover, thermal stability evaluation was performed.

なお、実施例1〜17、比較例1に用いた化合物について、表1に示した。具体的には、化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩化合物としては、化合物No.と、化学式(1)のX、YおよびMにそれぞれ該当する構造式およびnを記載した。   The compounds used in Examples 1 to 17 and Comparative Example 1 are shown in Table 1. Specifically, as the PO-based alkali metal salt compound represented by the chemical formula (1), Compound No. And the structural formula and n corresponding to X, Y and M in chemical formula (1), respectively.

Figure 2018166088
〔化学式(1)において、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を示す。Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を示す。式中、nは2〜20の整数を示す。Mはリチウムもしくはナトリウムを示す。〕
Figure 2018166088
[In chemical formula (1), X shows a C1-C20 alkylene group. Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. In formula, n shows the integer of 2-20. M represents lithium or sodium. ]

比較例2に用いた化合物No.15については、表1に示した。具体的には、上記化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩化合物の末端基がHO基ではなく、メチル基の場合、化学式(1)のX、YおよびMにそれぞれ該当する構造式およびnを記載した。   Compound No. used in Comparative Example 2 15 is shown in Table 1. Specifically, when the terminal group of the PO-based alkali metal salt compound represented by the chemical formula (1) is not a HO group but a methyl group, it corresponds to X, Y, and M in the chemical formula (1), respectively. The structural formula and n are listed.

また、比較例3〜7に用いた化合物について、表1に示した。具体的には、化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩化合物としては、化合物No.と、化学式(1)のX、YおよびMにそれぞれ該当する構造式およびnを記載した。   The compounds used in Comparative Examples 3 to 7 are shown in Table 1. Specifically, as the PO-based alkali metal salt compound represented by the chemical formula (1), Compound No. And the structural formula and n corresponding to X, Y and M in chemical formula (1), respectively.

Figure 2018166088
〔化学式(1)において、Xは、炭素数2、6、もしくは22のアルキレン基を示す。Yは、炭素数1、2、もしくは4のアルキレン基を示す。式中、nは1、6、もしくは22の整数を示す。Mはリチウムを示す。〕
Figure 2018166088
[In the chemical formula (1), X represents an alkylene group having 2, 6, or 22 carbon atoms. Y represents an alkylene group having 1, 2, or 4 carbon atoms. In the formula, n represents an integer of 1, 6, or 22. M represents lithium. ]

「本発明のP−O系アルカリ金属塩化合物の合成」
(合成例1)
化合物No.1の合成方法を以下に示す。
“Synthesis of PO Alkali Metal Salt Compound of the Present Invention”
(Synthesis Example 1)
Compound No. The synthesis method 1 is shown below.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

(合成例2〜13)
化合物No.1と同様の方法で化合物No.2〜13を合成した。それぞれの構造は表1に示す。
(Synthesis Examples 2 to 13)
Compound No. In the same manner as in Compound 1, 2 to 13 were synthesized. Each structure is shown in Table 1.

(合成例14)
LiOHの代わりにNaOHを用いたこと以外は、化合物No.1と同様の方法で化合物No.14を合成した。その構造は表1に示す。
(Synthesis Example 14)
Compound No. 1 was used except that NaOH was used instead of LiOH. In the same manner as in Compound 1, 14 was synthesized. The structure is shown in Table 1.

(合成例15)
化合物No.15の合成方法を以下に示す。
(Synthesis Example 15)
Compound No. The 15 synthesis methods are shown below.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

(合成例16〜20)
化合物No.1と同様の方法で化合物No.16〜20を合成した。それぞれの構造は表1に示す。
(Synthesis Examples 16 to 20)
Compound No. In the same manner as in Compound 1, 16-20 were synthesized. Each structure is shown in Table 1.

(実施例1)
<イオン導電性固体電解質の作製>
本発明のP−O系アルカリ金属塩としては、合成例1で得られた化合物No.1を使用し、本発明の非P−O系アルカリ金属塩としては、以下の化学式(6)で示すリチウム塩(以下LiTFSIと称する)を使用した。
Example 1
<Preparation of ionic conductive solid electrolyte>
As the PO-based alkali metal salt of the present invention, the compound No. 1 obtained in Synthesis Example 1 was used. 1 was used, and the non-PO-based alkali metal salt of the present invention was a lithium salt represented by the following chemical formula (6) (hereinafter referred to as LiTFSI).

Figure 2018166088
Figure 2018166088

グローブボックス内で、合成例1で得られた化合物No.1とLiTFSIとのモル比が1:0.5となるよう混合した。本実施例のイオン導電性固体電解質を作製した。   In the glove box, the compound No. obtained in Synthesis Example 1 was obtained. 1 and LiTFSI were mixed so that the molar ratio was 1: 0.5. An ion conductive solid electrolyte of this example was produced.

<イオン伝導度測定>
まず、グローブボックス内でイオン導電性固体電解質の溶液を作製した。具体的には、化合物No.1の化合物0.1gとLiTFSI0.037gとを含有するイオン導電性固体電解質を5mlのアセトニトリルに溶解させた。
<Ion conductivity measurement>
First, an ion conductive solid electrolyte solution was prepared in a glove box. Specifically, Compound No. An ion conductive solid electrolyte containing 0.1 g of compound 1 and 0.037 g of LiTFSI was dissolved in 5 ml of acetonitrile.

次に、イオン伝導度測定用のサンプルを作製した。直径10mm、厚さ30μmのガラスフィルターに前記溶液を十分含浸させ、自然乾燥させてアセトニトリルを揮発させた後、ガラスフィルター内に固体電解質を充填した。さらに、80℃で12時間真空乾燥した。これを直径10mmのステンレス製電極で挟み測定サンプルとした。そのときの固体電解質の膜厚を測定後、25℃においてインピーダンス測定を行った。このインピーダンス測定は、振幅電圧を100mVにして、1MHz−0.1Hzの間で0.5pts/secで行った。得られたCole−Coleプロットより抵抗値(R)を求めた。この値(R)と膜厚t(cm)及び電極面積S(cm)から、次式に従いイオン伝導度σ(Scm−1)を算出した。
σ=1/R × t/S
その結果を表1に示す。
Next, a sample for measuring ionic conductivity was prepared. A glass filter having a diameter of 10 mm and a thickness of 30 μm was sufficiently impregnated with the solution, and was naturally dried to volatilize acetonitrile, and then the glass filter was filled with a solid electrolyte. Furthermore, it vacuum-dried at 80 degreeC for 12 hours. This was sandwiched between stainless steel electrodes having a diameter of 10 mm and used as measurement samples. After measuring the film thickness of the solid electrolyte at that time, impedance measurement was performed at 25 ° C. The impedance measurement was performed at 0.5 pts / sec between 1 MHz and 0.1 Hz with an amplitude voltage of 100 mV. The resistance value (R) was obtained from the obtained Cole-Cole plot. From this value (R), film thickness t (cm), and electrode area S (cm 2 ), ion conductivity σ (Scm −1 ) was calculated according to the following formula.
σ = 1 / R × t / S
The results are shown in Table 1.

<熱安定性評価>
イオン導電性固体電解質の熱安定性の評価は、Seiko Instrument社製 TG/DTA6200を用いた熱重量測定により行った。測定は、昇温速度を10℃/minとして室温から400℃まで昇温させ、5%重量減少する時の温度(℃)を求める方法と、温度を100℃に固定して、10%重量減少するまでの時間を求める方法で行った。その結果を表1に示す。
<Thermal stability evaluation>
The thermal stability of the ion conductive solid electrolyte was evaluated by thermogravimetry using a TG / DTA6200 manufactured by Seiko Instrument. Measurement is performed at a rate of temperature increase of 10 ° C./min from room temperature to 400 ° C. to obtain a temperature (° C.) when the weight decreases by 5%, and the temperature is fixed at 100 ° C. and the weight decreases by 10%. It was done by the method of calculating the time to do. The results are shown in Table 1.

(実施例2〜13)
合成例2〜13で得られた化合物No.2〜13をそれぞれ用いる以外に、実施例1と同様に、実施例2〜13のイオン導電性固体電解質を作製した。
(Examples 2 to 13)
Compound Nos. Obtained in Synthesis Examples 2 to 13 Except using 2 to 13 respectively, in the same manner as in Example 1, ion conductive solid electrolytes of Examples 2 to 13 were produced.

(実施例14)
合成例14で得られた化合物No.14を用い、LiTFSIの代わりに、以下に示すNaTFSIを用いる以外に、実施例1と同様に、本実施例のイオン導電性固体電解質を作製した。
(Example 14)
Compound No. obtained in Synthesis Example 14 14 was used, and in place of LiTFSI, NaTFSI shown below was used, and an ion conductive solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 1.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。それぞれのイオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。   The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results of ionic conductivity and thermal stability evaluation.

(実施例15)
合成例4で得られた化合物No.4を用い、グライムとしてはLiTFSIに対する0.05モル当量の以下に示すトリエチルグリコールジメチルエーテル(以下グライム(G3)と称する)を添加する以外に、実施例1と同様に、本実施例のイオン導電性固体電解質を作製した。
(Example 15)
Compound No. obtained in Synthesis Example 4 4 and the addition of 0.05 mole equivalent of triethyl glycol dimethyl ether shown below (hereinafter referred to as glyme (G3)) to LiTFSI as the glyme. A solid electrolyte was prepared.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。イオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。   The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. The results of ionic conductivity and thermal stability evaluation are shown in Table 1.

(実施例16)
LiTFSIに対する0.1モル当量のグライム(G3)を添加する以外に、実施例15と同様に、本実施例のイオン導電性固体電解質を作製した。
実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。イオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。
(Example 16)
An ion conductive solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 15 except that 0.1 molar equivalent of glyme (G3) with respect to LiTFSI was added.
The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. The results of ionic conductivity and thermal stability evaluation are shown in Table 1.

(実施例17)
LiTFSIに対する0.15モル当量のグライム(G3)を添加する以外に、実施例15と同様に、本実施例のイオン導電性固体電解質を作製した。
実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。イオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。
(Example 17)
An ion conductive solid electrolyte of this example was produced in the same manner as in Example 15 except that 0.15 molar equivalent of glyme (G3) with respect to LiTFSI was added.
The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. The results of ionic conductivity and thermal stability evaluation are shown in Table 1.

(比較例1)
LiTFSIに対する0.2モル当量のグライム(G3)を添加する以外に、実施例15と同様に、本比較例のイオン導電性固体電解質を作製した。
実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。イオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
An ionic conductive solid electrolyte of this comparative example was produced in the same manner as in Example 15 except that 0.2 molar equivalent of glyme (G3) with respect to LiTFSI was added.
The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. The results of ionic conductivity and thermal stability evaluation are shown in Table 1.

(比較例2)
合成例15で得られた化合物No.15を用いる以外に、実施例1と同様に、本比較例のイオン導電性固体電解質を作製した。
実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。イオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Compound No. obtained in Synthesis Example 15 Except for using 15, an ion conductive solid electrolyte of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1.
The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. The results of ionic conductivity and thermal stability evaluation are shown in Table 1.

(比較例3〜7)
合成例16〜20で得られた化合物No.16〜20をそれぞれ用いる以外に、実施例1と同様に、比較例3〜7のイオン導電性固体電解質を作製した。
実施例1と同様の方法で、得られたイオン導電性固体電解質を評価した。それぞれのイオン伝導度及び熱安定性評価の結果を表1に示す。
(Comparative Examples 3 to 7)
Compound Nos. Obtained in Synthesis Examples 16 to 20 Except using 16 to 20 respectively, the ion conductive solid electrolytes of Comparative Examples 3 to 7 were produced in the same manner as in Example 1.
The obtained ion conductive solid electrolyte was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results of ionic conductivity and thermal stability evaluation.

Figure 2018166088
Figure 2018166088

1…正極層、1A…正極集電体層、1B…正極活物質層、2…負極層、2A…負極集電体
層、2B…負極活物質層、3…固体電解質層、4…積層体、5…第1外部端子、6…第2
外部端子、10…全固体アルカリ金属イオン二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer, 1A ... Positive electrode collector layer, 1B ... Positive electrode active material layer, 2 ... Negative electrode layer, 2A ... Negative electrode collector layer, 2B ... Negative electrode active material layer, 3 ... Solid electrolyte layer, 4 ... Laminate 5 ... first external terminal, 6 ... second
External terminal, 10 ... All solid alkali metal ion secondary battery

Claims (4)

化学式(1)で表されるP−O系アルカリ金属塩と
イミド構造を含むアニオンを有する非P−O系アルカリ金属塩と
を含有することを特徴とするイオン導電性固体電解質。
Figure 2018166088
(式中、Xは、炭素数1〜20のアルキレン基を表す。Yは、炭素数2〜3のアルキレン基を表す。式中、nは2〜20の整数を表す。Mはリチウムもしくはナトリウムを表す。)
An ion conductive solid electrolyte comprising a PO alkali metal salt represented by the chemical formula (1) and a non-PO alkali metal salt having an anion containing an imide structure.
Figure 2018166088
(In the formula, X represents an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms. Y represents an alkylene group having 2 to 3 carbon atoms. In the formula, n represents an integer of 2 to 20. M is lithium or sodium. Represents.)
さらに、グライムを前記非P−O系アルカリ金属塩に対して0.2モル当量未満含有することを特徴とする請求項1に記載のイオン導電性固体電解質。   2. The ion conductive solid electrolyte according to claim 1, further comprising less than 0.2 molar equivalent of glyme with respect to the non-PO-based alkali metal salt. 前記イミド構造を含むアニオンは、窒素に2つのスルホニル基が結合したスルホニルイミドアニオンまたは窒素に1つのスルホニル基と1つのカルボニル基が結合したスルホニルカルボニルイミドアニオンであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン導電性固体電解質。   The anion containing the imide structure is a sulfonylimide anion in which two sulfonyl groups are bonded to nitrogen or a sulfonylcarbonylimide anion in which one sulfonyl group and one carbonyl group are bonded to nitrogen. The ion conductive solid electrolyte according to claim 2. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオン導電性固体電解質を用いた全固体アルカリ金属イオン二次電池。   An all solid alkali metal ion secondary battery using the ion conductive solid electrolyte according to claim 1.
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