RU2851659C1 - Method for producing solid electrolyte of lgps type - Google Patents
Method for producing solid electrolyte of lgps typeInfo
- Publication number
- RU2851659C1 RU2851659C1 RU2023120454A RU2023120454A RU2851659C1 RU 2851659 C1 RU2851659 C1 RU 2851659C1 RU 2023120454 A RU2023120454 A RU 2023120454A RU 2023120454 A RU2023120454 A RU 2023120454A RU 2851659 C1 RU2851659 C1 RU 2851659C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystals
- solid electrolyte
- lgps
- solid
- particle diameter
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
[0001][0001]
Настоящее изобретение относится к способу получения твердого электролита на основе LGPS. Твердые электролиты на основе LGPS относятся к твердым электролитам с конкретной кристаллической структурой, содержащей Li, Р и S, но настоящее изобретение относится к твердому электролиту, содержащему Li, Sn, Р и S.The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte based on LGPS. Solid electrolytes based on LGPS refer to solid electrolytes with a specific crystal structure containing Li, P, and S, but the present invention relates to a solid electrolyte containing Li, Sn, P, and S.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
[0002][0002]
В последнее время увеличился спрос на литий-ионные перезаряжаемые аккумуляторы в таких областях применения, как портативные информационные терминалы, портативное электронное оборудование, электромобили, гибридные электромобили и стационарные системы накопления энергии. Однако в настоящее время в качестве электролитического раствора в литиево-ионных перезаряжаемых аккумуляторах используют легковоспламеняющийся органический растворитель, при этом для предотвращения утечки органического растворителя необходим прочный внешний корпус. Кроме того, например, в случае портативных персональных компьютеров необходимо одновременно использовать конструкцию, предотвращающую опасность утечки электролитического раствора. Таким образом, существует ограничение в отношении конструкций устройств.Recently, demand for lithium-ion rechargeable batteries has increased in applications such as portable information terminals, portable electronic equipment, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and stationary energy storage systems. However, lithium-ion rechargeable batteries currently use a flammable organic solvent as the electrolyte solution, requiring a robust outer casing to prevent organic solvent leakage. Furthermore, in the case of portable personal computers, for example, a design must be employed that prevents the risk of electrolyte leakage. This limits the design of these devices.
[0003][0003]
Более того, диапазон применения таких аккумуляторов был распространен на подвижные объекты, такие как транспортные средства и самолеты, при этом для стационарных литиево-ионных перезаряжаемых аккумуляторов необходима высокая емкость. При таких обстоятельствах большее значение, чем раньше, уделяется безопасности, при этом усилия концентрируются на разработке полностью твердотельного литиево-ионного перезаряжаемого аккумулятора, в котором не используют никакие токсичные вещества, в частности, органические растворители.Moreover, the application range of such batteries has expanded to include mobile applications such as vehicles and aircraft, while stationary lithium-ion rechargeable batteries require high capacity. Under these circumstances, safety is becoming a higher priority than before, with efforts focused on developing a fully solid-state lithium-ion rechargeable battery that does not use any toxic substances, including organic solvents.
[0004][0004]
Например, было изучено применение оксида, фосфатного соединения, органического полимера, сульфида или т.п. в качестве твердого электролита в полностью твердотельном литиево-ионном перезаряжаемом аккумуляторе.For example, the use of oxide, phosphate compound, organic polymer, sulfide, etc. as a solid electrolyte in a fully solid-state lithium-ion rechargeable battery has been studied.
Среди таких твердых электролитов сульфид характеризуется тем, что он имеет высокую ионную проводимость, является относительно мягким, а также легко образует границу раздела между твердыми веществами. Сульфид является стабильным в отношении активных материалов и был разработан в качестве практичного твердого электролита.Among such solid electrolytes, sulfide is characterized by high ionic conductivity, is relatively soft, and readily forms an interface between solids. Sulfide is stable with respect to active materials and has been developed as a practical solid electrolyte.
[0005][0005]
Среди сульфидных твердых электролитов существует твердый электролит на основе LGPS, имеющий конкретную кристаллическую структуру (патентный документ 1). Среди сульфидных твердых электролитов LGPS имеет довольно высокую ионную проводимость и может стабильно работать в диапазоне от низкой температуры -30°С до высокой температуры 100°С и, следовательно, можно уверенно ожидать его практического применения.Among sulfide solid electrolytes, there is a solid electrolyte based on LGPS, which has a specific crystalline structure (Patent Document 1). Among sulfide solid electrolytes, LGPS has relatively high ionic conductivity and can operate stably in a range from low temperatures of -30°C to high temperatures of 100°C, making it a promising candidate for practical application.
[0006][0006]
Успешно продвигается разработка составов для твердых электролитов на основе LGPS без применения дорогостоящего Ge. Поскольку твердый электролит на основе LGPS, содержащий Sn, обладает хорошей ионной проводимостью и имеет низкую стоимость, его практическое применение является весьма ожидаемым (непатентные документы 1 и 2).The development of solid electrolyte compositions based on LGPS, without the use of expensive Ge, is progressing well. Since the solid electrolyte based on LGPS, containing Sn, exhibits good ionic conductivity and is low in cost, its practical application is highly anticipated (non-patent documents 1 and 2).
[0007][0007]
Для решения проблем, включающих получение высокой плотности энергии и высокой выходной мощности аккумуляторов, в которых используют твердый электролит, требуется снизить сопротивление на границе раздела между слоем твердого электролита и электродом. Поскольку предполагается, что снижение сопротивления на границе раздела между твердым электролитом и электродом можно осуществить путем применения микрочастиц твердого электролита, требуется твердый электролит с малым диаметром частиц.To address the challenges of achieving high energy density and high power output in batteries using solid electrolytes, it is necessary to reduce the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode. Since it is assumed that the interface resistance can be reduced by using microparticles of solid electrolyte, a solid electrolyte with a small particle diameter is required.
Примеры общих способов получения микрочастиц твердого электролита включают способы измельчения, в которых после синтеза крупных частиц используют шаровую мельницу, струйную мельницу или т.п. Однако такие способы измельчения не подходят для увеличения размера из-за проблем, связанных с технологическими процессами. Кроме того, известно, что Li10SnP2S12, который является одним из Sn-содержащих твердых электролитов на основе LGPS, разлагается при воздействии энергии измельчения или т.п. (непатентный документ 3). По этой причине желательно получить твердый электролит, имеющий малый диаметр частиц, без проведения измельчения и т.д.Examples of common methods for producing solid electrolyte microparticles include milling methods in which a ball mill, jet mill, or the like is used after synthesizing large particles . However, such milling methods are not suitable for increasing particle size due to process-related issues. Furthermore, Li10SnP2S12 , which is one of the Sn-containing solid electrolytes based on LGPS, is known to decompose when exposed to milling energy or the like (Non-patent document 3). For this reason , it is desirable to obtain a solid electrolyte with a small particle diameter without milling or the like.
ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИSTATE OF THE ART DOCUMENTS
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫPATENT DOCUMENTS
[0008][0008]
Патентный документ 1: WO 2018/173939Patent Document 1: WO 2018/173939
НЕПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫNON-PATENT DOCUMENTS
[0009][0009]
Непатентный документ 1: Journal of Power Sources 396 (2018) 824-830Non-Patent Document 1: Journal of Power Sources 396 (2018) 824–830
Непатентный документ 2: J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15694-15697Non-Patent Document 2: J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15694–15697
Непатентный документ 3: Nano Energy Volume 67, January 2020, 104252Non-Patent Document 3: Nano Energy Volume 67, January 2020, 104252
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМPROBLEMS SOLVED BY THE PRESENT INVENTION
[0010][0010]
При описанных выше обстоятельствах проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается в обеспечении способа получения твердого электролита на основе LGPS, который содержит Sn и имеет малый диаметр частиц, без проведения измельчения и т.д.Under the above circumstances, the problem solved by the present invention is to provide a method for producing a solid electrolyte based on LGPS, which contains Sn and has a small particle diameter, without carrying out grinding, etc.
СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ УКАЗАННЫХ ПРОБЛЕМWAYS TO SOLVE THESE PROBLEMS
[0011][0011]
Авторы настоящего изобретения неустанно проводили исследования для решения описанной выше проблемы и неожиданно обнаружили, что при смешивании кристаллов Li3PS4, имеющих конкретный средний диаметр частиц, с кристаллами, состоящими из Li, Sn и S, подвергаемыми прокаливанию, можно получить мелкие частицы твердого электролита на основе LGPS, содержащего Sn, без проведения измельчения и т.д.The present inventors tirelessly conducted research to solve the above-described problem and unexpectedly discovered that by mixing Li3PS4 crystals having a specific average particle diameter with crystals consisting of Li, Sn , and S subjected to calcination, fine particles of an Sn-containing LGPS-based solid electrolyte can be obtained without grinding, etc.
[0012][0012]
В частности, настоящее изобретение описано ниже.In particular, the present invention is described below.
1. Способ получения твердого электролита на основе LGPS, включающий:1. A method for producing a solid electrolyte based on LGPS, comprising:
стадию, на которой кристаллы Li3PS4 со средним диаметром (D50) частиц от 0,1 до 5 мкм смешивают с кристаллами, состоящими из Li, Sn и S, средний диаметр которых составляет от 0,1 до 5 мкм, с получением предшественника; иa step in which Li 3 PS 4 crystals with an average particle diameter (D50) of 0.1 to 5 μm are mixed with crystals consisting of Li, Sn and S, the average diameter of which is from 0.1 to 5 μm, to obtain a precursor; and
стадию, на которой указанный предшественник подвергают термической обработке при температуре от 300 до 700°С.a stage in which said precursor is subjected to heat treatment at a temperature of 300 to 700°C.
2. Способ по п. 1, в котором полученный твердый электролит на основе LGPS имеет средний диаметр (D50) частиц от 0,5 до 5 мкм.2. The method according to claim 1, wherein the obtained solid electrolyte based on LGPS has an average particle diameter (D50) of 0.5 to 5 μm.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором твердый электролит на основе LGPS имеет пики при по меньшей мере 2θ=20,18°±0,50°, 20,44°±0,50°, 26,96°±0,50° и 29,58°±0,50° при дифракции рентгеновских лучей (CuKα: λ=1,5405 Å).3. The method according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte based on LGPS has peaks at at least 2θ=20.18°±0.50°, 20.44°±0.50°, 26.96°±0.50° and 29.58°±0.50° in X-ray diffraction (CuKα: λ=1.5405 Å).
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором кристаллы Li3PS4 представляют собой β-Li3PS4.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the Li 3 PS 4 crystals are β-Li 3 PS 4 .
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором стадию термической обработки проводят в атмосфере инертного газа.5. The method according to any one of paragraphs 1-4, in which the heat treatment step is carried out in an inert gas atmosphere.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором твердый электролит на основе LGPS содержит октаэдр О, состоящий из Li и S, тетраэдр T1, состоящий из S и по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из Р и Sn, и тетраэдр Т2, состоящий из Р и S, и имеет преимущественно кристаллическую структуру, в которой тетраэдр T1 и октаэдр О имеют общее ребро, а тетраэдр Т2 и октаэдр О имеют общую вершину.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid electrolyte based on LGPS comprises an octahedron O consisting of Li and S, a tetrahedron T 1 consisting of S and at least one element selected from the group consisting of P and Sn, and a tetrahedron T 2 consisting of P and S, and has a predominantly crystalline structure in which the tetrahedron T 1 and the octahedron O have a common edge, and the tetrahedron T 2 and the octahedron O have a common vertex.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором кристаллы, состоящие из Li, Sn и S, имеют состав Li4SnS4.7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the crystals consisting of Li, Sn and S have the composition Li 4 SnS 4 .
ПОЛЕЗНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯBENEFICIAL EFFECT OF THE INVENTION
[0013][0013]
Согласно настоящему изобретению может быть обеспечен способ получения твердого электролита на основе LGPS, имеющего малый диаметр частиц. Кроме того, согласно настоящему изобретению может быть обеспечено формованное изделие, полученное путем нагревания и формования твердого электролита на основе LGPS, и полностью твердотельный аккумулятор, содержащий твердый электролит на основе LGPS.The present invention provides a method for producing a solid electrolyte based on LGPS having a small particle diameter. Furthermore, the present invention provides a molded article obtained by heating and molding the solid electrolyte based on LGPS, and a fully solid-state battery comprising the solid electrolyte based on LGPS.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHIC MATERIALS
[0014][0014]
На фиг. 1 представлено схематическое изображение, демонстрирующее кристаллическую структуру твердого электролита на основе LGPS согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 1 is a schematic diagram showing the crystal structure of a solid electrolyte based on LGPS according to one embodiment of the present invention.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение в поперечном срезе полностью твердотельного аккумулятора согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a solid-state battery according to one embodiment of the present invention.
На фиг. 3 представлен график, демонстрирующий результаты измерения рентгеновской дифракции твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, сравнительных примерах 1-2 и эталонном примере 1.Fig. 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurements of the solid electrolytes based on LGPS obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1.
На фиг. 4 представлен график, демонстрирующий результаты измерения ионной проводимости твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, сравнительных примерах 1-2 и эталонном примере 1.Fig. 4 is a graph showing the results of measuring the ionic conductivity of the solid electrolytes based on LGPS obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1.
На фиг. 5 представлен график, демонстрирующий результаты спектроскопии комбинационного рассеяния твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, сравнительных примерах 1-2 и эталонном примере 1.Fig. 5 is a graph showing the results of Raman spectroscopy of the solid electrolytes based on LGPS obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1.
ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯEMBODIMENT FOR CARRYING OUT THE PRESENT INVENTION
[0015][0015]
Далее подробно описан способ получения твердого электролита на основе LGPS согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что материалы, составы и т.д., описанные ниже, не ограничивают настоящее изобретение и могут быть модифицированы различным образом в пределах сущности настоящего изобретения.The method for producing a solid electrolyte based on LGPS according to the present invention is described in detail below. It should be noted that the materials, compositions, etc. described below do not limit the present invention and can be modified in various ways within the scope of the present invention.
[0016][0016]
Способ получения твердого электролита на основе LGPSMethod for producing solid electrolyte based on LGPS
Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения предложенный способ получения твердого электролита на основе LGPS включает: стадию, на которой кристаллы Li3PS4 со средним диаметром (D50) частиц от 0,1 до 5 мкм смешивают с кристаллами, состоящими из Li, Sn и S, средний диаметр которых составляет от 0,1 до 5 мкм, с получением предшественника; и стадию, на которой указанный предшественник подвергают термической обработке при температуре от 300 до 700°С.According to one embodiment of the present invention, the proposed method for producing a solid electrolyte based on LGPS includes: a stage in which Li 3 PS 4 crystals with an average particle diameter (D50) of 0.1 to 5 μm are mixed with crystals consisting of Li, Sn and S, the average diameter of which is from 0.1 to 5 μm, to obtain a precursor; and a stage in which said precursor is subjected to heat treatment at a temperature of 300 to 700°C.
Средний диаметр (D50) частиц кристаллов Li3PS4 предпочтительно составляет от 0,1 до 4 мкм и более предпочтительно от 0,1 до 2,5 мкм.The average particle diameter (D50) of the Li 3 PS 4 crystals is preferably from 0.1 to 4 μm, and more preferably from 0.1 to 2.5 μm.
Средний диаметр (D50) частиц кристаллов, состоящих из Li, Sn и S (предпочтительно кристаллов с составом Li4SnS4), предпочтительно составляет от 0,1 до 3 мкм и более предпочтительно от 0,1 до 1,5 мкм.The average particle diameter (D50) of the crystals consisting of Li, Sn and S (preferably crystals with the composition Li 4 SnS 4 ) is preferably from 0.1 to 3 μm and more preferably from 0.1 to 1.5 μm.
Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита на основе LGPS предпочтительно составляет от 0,5 до 5 мкм, более предпочтительно от 0,1 до 4 мкм, и особенно предпочтительно от 0,1 до 2,5 мкм.The average particle diameter (D50) of the obtained solid electrolyte based on LGPS is preferably from 0.5 to 5 μm, more preferably from 0.1 to 4 μm, and particularly preferably from 0.1 to 2.5 μm.
Согласно настоящему изобретению средний диаметр (D50) частиц каждого из описанных выше исходных материалов и продукта можно измерять с помощью способа, описанного далее в разделе Примеры.According to the present invention, the average particle diameter (D50) of each of the above-described raw materials and product can be measured using the method described below in the Examples section.
[0017][0017]
При дифракции рентгеновских лучей (CuKα: λ=1,5405 Å) твердый электролит на основе LGPS предпочтительно имеет пики при по меньшей мере 2θ=20,18°±0,50°, 20,44°±0,50°, 26,96°±0,50° и 29,58°±0,50°. Более предпочтительно, указанный электролит имеет пики при 2θ=17,38±0,50°, 20,18°±0,50°, 20,44°±0,50°, 23,56±0,50°, 26,96°±0,50°, 29,07±0,50°, 29,58°±0,50° и 31,71±0,50°.In X-ray diffraction (CuKα: λ=1.5405 Å), the LGPS-based solid electrolyte preferably has peaks at at least 2θ=20.18°±0.50°, 20.44°±0.50°, 26.96°±0.50°, and 29.58°±0.50°. More preferably, said electrolyte has peaks at 2θ=17.38±0.50°, 20.18°±0.50°, 20.44°±0.50°, 23.56±0.50°, 26.96°±0.50°, 29.07±0.50°, 29.58°±0.50° and 31.71±0.50°.
Кроме того, применительно к твердому электролиту на основе LGPS, когда интенсивность дифракции пика при 2θ=29,58°±0,50° обозначают как IA, и интенсивность дифракции пика при 2θ=27,33°±0,50° обозначают как IB, IB/IA предпочтительно составляет менее 0,50. Более предпочтительно, IB/IA составляет менее 0,40. Это связано тем, что пик кристаллов LGPS соответствует IA, а кристаллическая фаза, имеющая низкую ионную проводимость, соответствует IB.In addition, with respect to the LGPS-based solid electrolyte, when the diffraction intensity of the peak at 2θ=29.58°±0.50° is denoted as I A , and the diffraction intensity of the peak at 2θ=27.33°±0.50° is denoted as I B , I B /I A is preferably less than 0.50. More preferably, I B /I A is less than 0.40. This is because the peak of the LGPS crystals corresponds to I A , and the crystalline phase having low ionic conductivity corresponds to I B .
Кроме того, предпочтительно, что твердый электролит на основе LGPS содержит октаэдр О, состоящий из Li и S, тетраэдр T1, состоящий из S и по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из Р и Sn, и тетраэдр Т2, состоящий из Р и S, и имеет преимущественно кристаллическую структуру, в которой тетраэдр T1 и октаэдр О имеют общее ребро, а тетраэдр Т2 и октаэдр О имеют общую вершину, как показано на фиг. 1.In addition, it is preferable that the solid electrolyte based on LGPS contains an octahedron O consisting of Li and S, a tetrahedron T 1 consisting of S and at least one element selected from the group consisting of P and Sn, and a tetrahedron T 2 consisting of P and S, and has a predominantly crystalline structure in which the tetrahedron T 1 and the octahedron O have a common edge, and the tetrahedron T 2 and the octahedron O have a common vertex, as shown in Fig. 1.
[0018][0018]
В качестве стандартного способа получения твердого электролита на основе LGPS, после синтеза ионного проводника с применением Li2S, P2S5 и MxSy (например, GeS2) в качестве исходных материалов применяют способ механического помола с помощью вибрационной мельницы или планетарной шаровой мельницы (WO 2011/118801) или способ плавления-закалки, описанный в WO 2014/196442. Однако в случае способа механического помола, сложно увеличить масштаб до уровня промышленного производства, а осуществление способа плавления-закалки без воздействия атмосферы существенно ограничено вследствие контроля состава атмосферы. Следует отметить, что твердый электролит на основе LGPS и исходные материалы для его получения обладают свойством, состоящим в том, что они взаимодействуют в атмосфере с влагой или кислородом, что приводит к изменению их качества. В этом отношении, согласно способу получения, предложенному в настоящем изобретении, отсутствует необходимость в стадии аморфизации. Микрочастицы кристаллов Li3PS4 и микрочастицы кристаллов, состоящих из Li, Sn и S, используют в качестве исходных материалов и смешивают в присутствии твердой фазы или растворителя с получением предшественника, а затем осуществляют термическую обработку с получением, тем самым, твердого электролита на основе LGPS, имеющего малый диаметр частиц. Кроме того, важно использовать в качестве исходных материалов кристаллы Li3PS4, поскольку, тем самым, можно подавлять улетучивание/разложение предшественника во время термической обработки. Если в предшественнике присутствует P2S5 (его можно определить путем измерения способом спектроскопии комбинационного рассеяния), образование побочных продуктов и количество непрореагировавших исходных материалов увеличивается на стадии термической обработки вследствие высокой летучести/склонности к разложению P2S5, и по этой причине невозможно с легкостью получить стабильный и высококачественный твердый электролит на основе LGPS.As a standard method for producing a solid electrolyte based on LGPS, after synthesizing an ionic conductor using Li2S , P2S5 , and MxSy (e.g., GeS2 ) as starting materials , a mechanical milling method using a vibration mill or a planetary ball mill (WO 2011/118801) or a melting-quenching method described in WO 2014/196442 is used. However, in the case of the mechanical milling method, it is difficult to scale up to the industrial production level, and the implementation of the melting-quenching method without exposure to the atmosphere is significantly limited due to the control of the atmosphere composition. It should be noted that the solid electrolyte based on LGPS and the starting materials for producing it have the property that they interact in an atmosphere with moisture or oxygen, which leads to a change in their quality. In this regard, according to the production method proposed in the present invention, there is no need for an amorphization step. Li3PS4 crystal microparticles and crystal microparticles composed of Li, Sn , and S are used as raw materials and mixed in the presence of a solid phase or solvent to obtain a precursor, and then heat-treated to thereby obtain an LGPS-based solid electrolyte having a small particle diameter. In addition, it is important to use Li3PS4 crystals as raw materials because the volatilization/decomposition of the precursor during heat treatment can be suppressed. If P2S5 is present in the precursor (it can be measured by Raman spectroscopy), the formation of by-products and the amount of unreacted raw materials increase during the heat treatment step due to the high volatility/decomposition tendency of P2S5 , and for this reason, a stable and high-quality LGPS-based solid electrolyte cannot be easily obtained.
[0019][0019]
Кристаллы Li3PS4 Li 3 PS 4 crystals
Кристаллы Li3PS4, которые можно применять в настоящем изобретении, могут быть α, β или γ-типа, но более предпочтительным является β-Li3PS4. Это связано с тем, что указанное соединение находится в относительно стабильном состоянии в системе синтеза LGPS.The Li 3 PS 4 crystals that can be used in the present invention may be of the α, β or γ type, but β-Li 3 PS 4 is more preferred. This is because the said compound is in a relatively stable state in the LGPS synthesis system.
В качестве кристаллов Li3PS4 согласно настоящему изобретению можно использовать коммерчески доступный продукт, но, например, можно синтезировать кристаллы Li3PS4 из Li2S и P2S5 в атмосфере инертного газа (например, аргона). Например, Li2S и P2S5 взвешивают таким образом, чтобы молярное соотношение Li2S:P2S5 составляло 1,5:1, после чего Li2S и P2S5 добавляют в указанном порядке к растворителю, такому как тетрагидрофуран, и перемешивают при комнатной температуре в течение примерно от 5 до 15 часов. К полученной смеси добавляют дополнительно Li2S с тем, чтобы состав всех исходных материалов, включая описанные выше вещества, соответствовал молярному соотношению Li2S:P2S5=3:1, и осуществляют перемешивание при комнатной температуре в течение примерно от 5 до 15 часов с получением суспензии. Из полученной суспензии при пониженном давлении удаляют растворитель при температуре примерно от 25 до 70°С. После этого смесь высушивают в вакууме при температуре примерно от 120 до 240°С в течение от 1 до 6 часов с получением, тем самым, β-Li3PS4.As the Li 3 PS 4 crystals according to the present invention, a commercially available product can be used, but, for example, Li 3 PS 4 crystals can be synthesized from Li 2 S and P 2 S 5 in an inert gas atmosphere (e.g., argon). For example, Li 2 S and P 2 S 5 are weighed so that the molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 is 1.5: 1, after which Li 2 S and P 2 S 5 are added in this order to a solvent such as tetrahydrofuran and stirred at room temperature for about 5 to 15 hours. Li 2 S is additionally added to the resulting mixture so that the composition of all the starting materials, including the substances described above, corresponds to the molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 = 3: 1, and stirring is carried out at room temperature for about 5 to 15 hours to obtain a suspension. The solvent is removed from the resulting suspension under reduced pressure at a temperature of approximately 25 to 70°C. The mixture is then dried in vacuum at a temperature of approximately 120 to 240°C for 1 to 6 hours, thereby obtaining β-Li 3 PS 4 .
В качестве кристаллов Li2S можно использовать синтезированный продукт или коммерчески доступный продукт. Чем ниже содержание влаги, тем лучше, поскольку смешивание с влагой ухудшает другие исходные материалы и предшественник. Более предпочтительно, содержание влаги составляет 300 ppm или менее и особенно предпочтительно 50 ppm или менее.The Li2S crystals can be either synthesized or commercially available. The lower the moisture content, the better, as mixing with moisture degrades the other starting materials and the precursor. A moisture content of 300 ppm or less is preferred, and 50 ppm or less is particularly preferred.
[0020][0020]
Получение микрочастиц кристаллов Li3PS4 Obtaining microparticles of Li 3 PS 4 crystals
Одной из характеристик настоящего изобретения является применение в качестве исходных материалов кристаллов Li3PS4, средний диаметр (D50) частиц которых составляет от 0,1 до 5 мкм.One of the characteristics of the present invention is the use of Li 3 PS 4 crystals as starting materials, the average diameter (D50) of the particles of which is from 0.1 to 5 μm.
Способ получения микрочастиц кристаллов Li3PS4, применяемых в настоящем изобретении, не имеет особых ограничений при условии, что средний диаметр (D50) частиц указанных кристаллов Li3PS4 составляет от 0,1 до 5 мкм. Например, в атмосфере инертного газа (например, аргона) Li3PS4 добавляют к растворителю, такому как ацетонитрил, и перемешивают при комнатной температуре с получением суспензии. Из полученной суспензии удаляют при пониженном давлении растворитель при температуре примерно от 25 до 70°С. После этого полученный порошок высушивают под вакуумом при температуре примерно от 120 до 240°С в течение примерно от 1 до 6 часов для удаления координирующего растворителя. После этого смесь охлаждают до комнатной температуры с получением, тем самым, порошка Li3PS4 в виде микрочастиц.The method for producing the microparticles of Li 3 PS 4 crystals used in the present invention is not particularly limited, provided that the average particle diameter (D50) of said Li 3 PS 4 crystals is from 0.1 to 5 μm. For example, in an inert gas atmosphere (e.g., argon), Li 3 PS 4 is added to a solvent such as acetonitrile and stirred at room temperature to obtain a suspension. The solvent is removed from the resulting suspension under reduced pressure at a temperature of about 25 to 70°C. Thereafter, the resulting powder is dried under vacuum at a temperature of about 120 to 240°C for about 1 to 6 hours to remove the coordinating solvent. Thereafter, the mixture is cooled to room temperature, thereby obtaining Li 3 PS 4 powder in the form of microparticles.
[0021][0021]
Кристаллы, состоящие из Li, Sn и SCrystals consisting of Li, Sn and S
Применяемые в настоящем изобретении кристаллы, состоящие из Li, Sn и S, не имеют особых ограничений, при этом их особенно предпочтительные примеры включают кристаллы, имеющие состав Li4SnS4. Следует отметить, что этого достаточно, когда описанные выше конкретные кристаллы имеют описанный выше состав, при этом указанные кристаллы могут состоять из монокристаллической структуры или могут состоять из комбинации различных кристаллических структур. Например, кристаллы, имеющие состав Li4SnS4, могут состоять из комбинации Li4Sn2S6 и Li2S с различными кристаллическими структурами.The crystals used in the present invention, consisting of Li, Sn and S, are not particularly limited, and particularly preferred examples thereof include crystals having the composition Li4SnS4 . It should be noted that it is sufficient when the specific crystals described above have the composition described above, and said crystals may consist of a single-crystal structure or may consist of a combination of different crystal structures. For example , crystals having the composition Li4SnS4 may consist of a combination of Li4Sn2S6 and Li2S with different crystal structures.
Поскольку в настоящем изобретении предпочтительно применять кристаллы с составом Li4SnS4, можно использовать коммерчески доступный продукт, но, например, такие кристаллы можно синтезировать из кристаллов Li2S и кристаллов SnS2 в атмосфере инертного газа (например, аргона). Например, Li2S и SnS2 взвешивают таким образом, чтобы молярное соотношение Li2S:SnS2 составляло 2:1, и перемешивают указанные вещества с применением агатовой ступки. Затем полученную смесь прокаливают при температуре от 350 до 700°С в течение от 1 до 12 часов в атмосфере инертного газа (например, аргона) с получением кристаллов, имеющих состав Li4SnS4.Since the present invention preferably uses crystals with the composition Li 4 SnS 4 , a commercially available product can be used, but, for example, such crystals can be synthesized from Li 2 S crystals and SnS 2 crystals in an inert gas atmosphere (e.g., argon). For example, Li 2 S and SnS 2 are weighed so that the molar ratio of Li 2 S:SnS 2 is 2:1, and these substances are mixed using an agate mortar. Then, the resulting mixture is calcined at a temperature of 350 to 700 °C for 1 to 12 hours in an inert gas atmosphere (e.g., argon) to obtain crystals having the composition Li 4 SnS 4 .
Следует отметить, что даже если часть описанных выше применяемых исходных материалов является аморфной, это не представляет собой проблему.It should be noted that even if some of the above-described starting materials used are amorphous, this does not pose a problem.
Для всех кристаллических исходных материалов важно, чтобы диаметр частиц был небольшим, при этом диаметр частиц предпочтительно составляет от 10 нм до 10 мкм, более предпочтительно от 10 нм до 5 мкм, и еще более предпочтительно от 100 нм до 1 мкм. Следует отметить, что диаметр частиц можно измерять с помощью SEM (сканирующего электронного микроскопа), прибора для измерения распределения частиц по размеру с помощью лазерного рассеяния или аналогичного прибора. При применении мелких частиц во время термической обработки легко протекает реакция, при этом образование побочных продуктов может уменьшиться.For all crystalline starting materials, it is important to have a small particle diameter, with the particle diameter preferably being between 10 nm and 10 μm, more preferably between 10 nm and 5 μm, and even more preferably between 100 nm and 1 μm. It should be noted that particle diameter can be measured using an SEM (scanning electron microscope), a laser scattering particle size distribution instrument, or a similar device. Using small particles during thermal treatment facilitates the reaction and can reduce the formation of byproducts.
[0022][0022]
Получение микрочастиц кристаллов, состоящих из Li, Sn и SObtaining microparticles of crystals consisting of Li, Sn and S
Одной из характеристик настоящего изобретения является применение в качестве исходных материалов кристаллов, состоящих из Li, Sn и S, средний диаметр (D50) частиц которых составляет от 0,1 до 5 мкм.One of the characteristics of the present invention is the use of crystals consisting of Li, Sn and S as starting materials, the average diameter (D50) of the particles of which is from 0.1 to 5 μm.
Способ получения микрочастиц кристаллов, состоящих из Li, Sn и S, которые можно использовать в настоящем изобретении, не имеет особых ограничений при условии, что указанные кристаллы имеют средний диаметр (D50) частиц от 0,1 до 5 мкм. Например, в атмосфере инертного газа (например, аргона) Li4SnS4 добавляют к метанолу и перемешивают при комнатной температуре в течение примерно от 3 до 8 часов. Полученную суспензию фильтруют с применением мембранного фильтра с получением однородного раствора Li4SnS4. Полученный однородный раствор Li4SnS4 смешивают с ацетонитрилом с получением однородного метанол-ацетонитрильного раствора. Из полученного однородного раствора при температуре примерно от 30 до 70°С удаляют метанол при пониженном давлении для осаждения Li4SnS4 в ацетонитриле. После этого поддерживают указанные условия (при пониженном давлении, примерно от 30 до 70°С) и удаляют ацетонитрил. Для удаления координирующего растворителя полученный порошок высушивают под вакуумом при температуре примерно от 120 до 240°С в течение примерно от 1 до 6 часов. После этого указанный порошок охлаждают до комнатной температуры с получением, тем самым, порошка Li4SnS4 в виде микрочастиц.The method for producing microparticles of crystals consisting of Li, Sn and S, which can be used in the present invention, has no particular limitations, provided that said crystals have an average particle diameter (D50) of from 0.1 to 5 μm. For example, in an inert gas atmosphere (e.g., argon), Li 4 SnS 4 is added to methanol and stirred at room temperature for about 3 to 8 hours. The resulting suspension is filtered using a membrane filter to obtain a homogeneous solution of Li 4 SnS 4 . The resulting homogeneous solution of Li 4 SnS 4 is mixed with acetonitrile to obtain a homogeneous methanol-acetonitrile solution. Methanol is removed from the resulting homogeneous solution at a temperature of about 30 to 70°C under reduced pressure to precipitate Li 4 SnS 4 in acetonitrile. Thereafter, the specified conditions are maintained (under reduced pressure, about 30 to 70°C) and acetonitrile is removed. To remove the coordinating solvent, the resulting powder is dried under vacuum at a temperature of approximately 120 to 240°C for approximately 1 to 6 hours. The powder is then cooled to room temperature, thereby obtaining Li 4 SnS 4 powder in the form of microparticles.
[0023][0023]
Стадия синтеза предшественникаPrecursor synthesis stage
На стадии синтеза предшественника кристаллы Li3PS4 в виде микрочастиц смешивают с микрочастицами кристаллов, состоящих из Li, Sn и S, с получением предшественника. Молярное соотношение указанных веществ можно регулировать таким образом, чтобы обеспечивать конкретное соотношение элементов, составляющих описанную выше кристаллическую структуру. Например, в случае Li10SnP2S12 смешивание осуществляют при молярном соотношении Li3PS4:Li4SnS4=2:1.In the precursor synthesis stage, Li 3 PS 4 crystals in the form of microparticles are mixed with microparticles of crystals consisting of Li, Sn, and S to form the precursor. The molar ratio of these substances can be adjusted to ensure a specific ratio of the elements making up the crystal structure described above. For example, in the case of Li 10 SnP 2 S 12 , mixing is carried out at a molar ratio of Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 2:1.
Способ смешивания можно осуществлять в присутствии твердой фазы или растворителя. Следует отметить, что способ смешивания с применением растворителя подходит для случая крупномасштабного синтеза, поскольку при этом можно обеспечить равномерное смешивание. При применении растворителя предпочтительно использовать растворитель, который не взаимодействует с исходными материалами или полученным предшественником. Примеры растворителя включают растворитель на основе простого эфира, растворитель на основе сложного эфира, растворитель на основе углеводорода и растворитель на основе нитрила. Конкретные примеры растворителя включают тетрагидрофуран, циклопентилметиловый эфир, диизопропиловый эфир, диэтиловый эфир, диметиловый эфир, диоксан, метилацетат, этилацетат, бутилацетат и ацетонитрил. Для предотвращения ухудшения состава исходных материалов предпочтительно заранее удалять кислород и влагу, содержащиеся в растворителе. В частности, в отношении содержания влаги, оно предпочтительно составляет 100 ppm или менее, и более предпочтительно 50 ppm или менее. Смешивание предпочтительно проводят в атмосфере инертного газа. В качестве инертного газа можно использовать азот, гелий, аргон или т.п., при этом путем удаления из инертного газа кислорода и влаги можно предотвратить ухудшение состава исходных материалов. Концентрация кислорода и влаги в инертном газе каждого предпочтительно составляет 1000 ppm или менее, более предпочтительно 100 ppm или менее, и особенно предпочтительно 10 ppm или менее.The mixing method can be carried out in the presence of a solid phase or a solvent. It should be noted that the mixing method using a solvent is suitable for large-scale synthesis, since uniform mixing can be ensured. When using a solvent, it is preferable to use a solvent that does not react with the starting materials or the obtained precursor. Examples of the solvent include an ether-based solvent, an ester-based solvent, a hydrocarbon-based solvent, and a nitrile-based solvent. Specific examples of the solvent include tetrahydrofuran, cyclopentyl methyl ether, diisopropyl ether, diethyl ether, dimethyl ether, dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and acetonitrile. To prevent deterioration of the composition of the starting materials, it is preferable to remove oxygen and moisture contained in the solvent in advance. In particular, with respect to the moisture content, it is preferably 100 ppm or less, and more preferably 50 ppm or less. Mixing is preferably carried out in an inert gas atmosphere. Nitrogen, helium, argon, or the like can be used as the inert gas. By removing oxygen and moisture from the inert gas, deterioration of the starting material composition can be prevented. The oxygen and moisture concentrations in the inert gas are each preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.
[0024][0024]
Во время смешивания вещество может быть в состоянии однородно диспергированной суспензии, но более предпочтительно часть исходных материалов (независимо от типа) находится в растворенном состоянии. В случае суспензии ее предпочтительно разрушают путем перемешивания с целью дробления агрегированных частиц. Кроме того, можно также использовать гомогенизатор или ультразвуковой диспергатор.During mixing, the substance may be in a uniformly dispersed suspension, but it is more preferable for some of the starting materials (regardless of type) to be dissolved. If a suspension is present, it is preferably broken up by stirring to break up aggregated particles. A homogenizer or ultrasonic disperser can also be used.
В случае смешивания в присутствии твердой фазы можно использовать смешивание с помощью ступки, толчейной машины, шаровой мельницы или аналогичных устройств. При применении указанных способов кристаллы обычно не подвергаются аморфизации. Что касается смешивания, синтез предпочтительно осуществляют под вакуумом или в атмосфере инертного газа, и условия синтеза являются такими же, как и условия в случае применении растворителя.When mixing in the presence of a solid phase, mixing can be performed using a mortar, a pounder, a ball mill, or similar devices. These methods typically prevent the crystals from becoming amorphous. Regarding mixing, the synthesis is preferably performed under vacuum or an inert gas atmosphere, and the synthesis conditions are the same as those used when using a solvent.
Что касается температуры смешивания, нагревание не требуется, но в случае применения растворителя можно осуществлять нагревание для увеличения растворимости или скорости растворения веществ. При применении нагревания достаточно проводить его при температуре, соответствующей температуре кипения растворителя или ниже. Однако нагревание также можно осуществлять под давлением с помощью автоклава или подобного устройства. Следует отметить, что при выполнении смешивания при высокой температуре реакция протекает до того, как исходные материалы перемешаются в достаточной степени, и при этом легко образуются побочные продукты. По этой причине смешивание предпочтительно осуществляют при температуре, близкой к комнатной.Heating is not required for mixing temperature, but if a solvent is used, heating can be used to increase solubility or the rate of dissolution of the substances. When heating is used, it is sufficient to do so at a temperature corresponding to the boiling point of the solvent or below. However, heating can also be performed under pressure using an autoclave or similar device. It should be noted that when mixing at high temperatures, the reaction proceeds before the starting materials are sufficiently mixed, and byproducts easily form. For this reason, mixing is preferably performed at close to room temperature.
[0025][0025]
Что касается времени смешивания, этого достаточно, когда можно обеспечить время, необходимое для получения однородной смеси. Указанное время часто зависит от масштаба производства, но, например, однородную смесь можно получить путем перемешивания в течение от 0,1 до 24 часов.As for mixing time, it's sufficient when the time required to obtain a homogeneous mixture can be achieved. The specified time often depends on the production scale, but, for example, a homogeneous mixture can be achieved by mixing for anywhere from 0.1 to 24 hours.
[0026][0026]
При применении растворителя предшественник получают путем удаления растворителя. Растворитель удаляют с помощью сушки нагретым воздухом или вакуумной сушки, при этом оптимальная температура сушки меняется в зависимости от типа растворителя. Время для удаления растворителя можно сократить при применении температуры, значительно превышающей температуру кипения. Температура для удаления растворителя предпочтительно составляет от 60 до 280°С и более предпочтительно от 100 до 250°С. При удалении растворителя при пониженном давлении, как в случае вакуумной сушки или аналогичного способа, температуру во время удаления растворителя можно понизить, при этом необходимое время можно быть сокращено. Кроме того, время, необходимое для удаления растворителя, также можно сократить путем пропускания инертного газа, такого как азот и аргон, в котором содержание влаги является относительно низким. Следует отметить, что стадию термической обработки, описанную ниже, и удаление растворителя можно осуществлять одновременно.When using a solvent, the precursor is obtained by removing the solvent. The solvent is removed by hot air drying or vacuum drying, with the optimal drying temperature varying depending on the type of solvent. The time for solvent removal can be reduced by using a temperature significantly above the boiling point. The temperature for solvent removal is preferably from 60 to 280°C, and more preferably from 100 to 250°C. When removing the solvent under reduced pressure, as in the case of vacuum drying or a similar method, the temperature during solvent removal can be lowered, thereby reducing the required time. In addition, the time required for solvent removal can also be reduced by passing an inert gas, such as nitrogen or argon, in which the moisture content is relatively low. It should be noted that the thermal treatment step described below and the solvent removal can be performed simultaneously.
[0027][0027]
Стадия термической обработкиHeat treatment stage
В способе получения согласно настоящему изобретению предшественник, полученный на стадии синтеза предшественника, подвергают термической обработке с получением, тем самым, твердого электролита на основе LGPS, имеющего малый диаметр частиц. Температура термической обработки составляет от 300 до 700°С, предпочтительно от 350 до 650°С и особенно предпочтительно от 450 до 600°С. Если температура ниже указанного диапазона, образование требуемых кристаллов протекает с трудом, а если температура выше указанного диапазона, образуются другие кристаллы, отличные от требуемых кристаллов.In the production method according to the present invention, the precursor obtained in the precursor synthesis step is subjected to heat treatment, thereby obtaining a solid electrolyte based on LGPS having a small particle diameter. The heat treatment temperature is from 300 to 700°C, preferably from 350 to 650°C, and particularly preferably from 450 to 600°C. If the temperature is below the specified range, the formation of the desired crystals is difficult, and if the temperature is above the specified range, crystals other than the desired crystals are formed.
[0028][0028]
Время термической обработки несколько меняется в зависимости от температуры термической обработки, но обычно кристаллизация протекает в достаточной степени, если время термической обработки составляет от 0,1 до 24 часов. Не является предпочтительным проведение термической обработки при высокой температуре в течение продолжительного периода времени, превышающего приведенный выше диапазон, поскольку существует опасность изменения качества твердого электролита на основе LGPS.The heat treatment time varies slightly depending on the heat treatment temperature, but crystallization generally proceeds sufficiently if the heat treatment time is between 0.1 and 24 hours. It is not preferable to conduct heat treatment at high temperatures for extended periods exceeding the above range, as there is a risk of altering the quality of the LGPS-based solid electrolyte.
Термическую обработку можно проводить под вакуумом или в атмосфере инертного газа, но предпочтительно проводить ее в атмосфере инертного газа. В качестве инертного газа можно использовать азот, гелий, аргон или т.п., при этом среди них предпочтительным является аргон. Содержание кислорода и влаги предпочтительно является низким, и условия термической обработки являются такими же, как условия во время смешивания на стадии синтеза предшественника.Heat treatment can be carried out under vacuum or in an inert gas atmosphere, but is preferably carried out under an inert gas atmosphere. Nitrogen, helium, argon, or similar gases can be used as inert gases, with argon being preferred. Oxygen and moisture content are preferably low, and heat treatment conditions are the same as those used during mixing in the precursor synthesis stage.
[0029][0029]
Твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению, полученный описанным выше способом, можно формовать с получением требуемого формованного изделия различными способами и можно использовать для различных применений, включая полностью твердотельные аккумуляторы, описанные ниже. Способ формования не имеет особых ограничений. Например, можно использовать способ, аналогичный способу формования соответствующих слоев, составляющих полностью твердотельный аккумулятор, описанный ниже применительно к полностью твердотельному аккумулятору.The LGPS-based solid electrolyte according to the present invention, obtained by the method described above, can be molded to the desired molded article using various methods and can be used for various applications, including the all-solid-state batteries described below. The molding method is not particularly limited. For example, a method similar to the method for molding the corresponding layers constituting the all-solid-state battery described below for the all-solid-state battery can be used.
[0030][0030]
Полностью твердотельный аккумуляторAll-solid-state battery
Твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению можно использовать, например, в качестве твердого электролита для полностью твердотельных аккумуляторов. Кроме того, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, предложен полностью твердотельный аккумулятор, содержащий описанный выше твердый электролит для полностью твердотельных аккумуляторов.The LGPS-based solid electrolyte according to the present invention can be used, for example, as a solid electrolyte for all-solid-state batteries. Furthermore, according to another embodiment of the present invention, an all-solid-state battery is provided containing the above-described solid electrolyte for all-solid-state batteries.
[0031][0031]
В этом отношении «полностью твердотельный аккумулятор» представляет собой полностью твердотельный литиево-ионный перезаряжаемый аккумулятор. На фиг. 2 представлено схематическое изображение в поперечном срезе полностью твердотельного аккумулятора согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Полностью твердотельный аккумулятор 10 имеет конструкцию, в которой слой 2 твердого электролита расположен между слоем 1 положительного электрода и слоем 3 отрицательного электрода. Полностью твердотельный аккумулятор 10 можно использовать в различных устройствах, включая мобильные телефоны, персональные компьютеры и автомобили.In this regard, an "all-solid-state battery" is an all-solid-state lithium-ion rechargeable battery. Fig. 2 shows a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention. All-solid-state battery 10 has a structure in which a solid electrolyte layer 2 is located between a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 3. All-solid-state battery 10 can be used in a variety of devices, including mobile phones, personal computers, and automobiles.
Твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению, может присутствовать в качестве твердого электролита в по меньшей мере одном слое, выбранном из слоя 1 положительного электрода, слоя 3 отрицательного электрода и слоя 2 твердого электролита. В случае, когда твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению содержится в слое 1 положительного электрода или в слое 3 отрицательного электрода, твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению используют в комбинации с общеизвестным активным материалом положительного электрода или активным материалом отрицательного электрода для литиево-ионных перезаряжаемых аккумуляторов. Количественное содержание твердого электролита на основе LGPS согласно настоящему изобретению, которое содержится в слое 1 положительного электрода или в слое 3 отрицательного электрода, не имеет особых ограничений.The LGPS-based solid electrolyte according to the present invention may be present as a solid electrolyte in at least one layer selected from positive electrode layer 1, negative electrode layer 3, and solid electrolyte layer 2. In the case where the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention is contained in positive electrode layer 1 or in negative electrode layer 3, the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention is used in combination with a generally known positive electrode active material or negative electrode active material for lithium-ion rechargeable batteries. The quantitative content of the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention, which is contained in positive electrode layer 1 or in negative electrode layer 3, is not particularly limited.
В случае, когда твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению содержится в слое 2 твердого электролита, слой 2 твердого электролита может состоять только из твердого электролита на основе LGPS согласно настоящему изобретению, при этом, в случае необходимости, можно подходящим образом использовать в комбинации твердый оксидный электролит (например, Li7La3Zr2O12), твердый сульфидный электролит (например, Li2S-P2S5), другие комплексные гидридные твердые электролиты (например, LiBH4 и 3LiBH4-LiI) и т.д.In the case where the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention is contained in the solid electrolyte layer 2, the solid electrolyte layer 2 may be composed only of the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention, and, if necessary, a solid oxide electrolyte (for example, Li7La3Zr2O12 ), a solid sulfide electrolyte (for example, Li2SP2S5 ) , other complex hydride solid electrolytes (for example, LiBH4 and 3LiBH4 -LiI) , etc. may be suitably used in combination .
[0032][0032]
Полностью твердотельный аккумулятор получают путем формования и послойного нанесения описанных выше слоев, при этом способ формования и способ послойного нанесения соответствующих слоев не имеют особых ограничений.A fully solid-state battery is obtained by molding and layer-by-layer deposition of the layers described above, and the molding method and the layer-by-layer deposition method of the corresponding layers are not particularly limited.
Примеры таких способов включают: способ, в котором твердый электролит и/или активный материал электрода диспергируют в растворителе с получением смеси, подобной суспензии, которую наносят с помощью ножевого устройства, способом центрифугирования или аналогичным способом и подвергают вальцеванию с получением пленки; газофазный способ, в котором формование пленки и послойное нанесение осуществляют с применением способа вакуумного осаждения, способа ионного осаждения, способа напыления, способа лазерного выжигания или т.п.; и способ прессования, в котором путем горячего прессования или холодного прессования (без нагревания) получают порошок и осуществляют послойное нанесение.Examples of such methods include: a method in which a solid electrolyte and/or an active electrode material are dispersed in a solvent to form a suspension-like mixture, which is applied using a knife device, a centrifugal method, or the like, and subjected to rolling to form a film; a gas-phase method in which film formation and layer-by-layer application are carried out using a vacuum deposition method, an ion plating method, a sputtering method, a laser burning method, or the like; and a pressing method in which powder is obtained by hot pressing or cold pressing (without heating) and layer-by-layer application is carried out.
[0033][0033]
Поскольку твердый электролит на основе LGPS согласно настоящему изобретению является относительно мягким, особенно предпочтительно получать полностью твердотельный аккумулятор посредством формования соответствующих слоев способом прессования и послойного нанесения слоев. В качестве способа прессования, существуют горячее прессование, при котором осуществляют нагревание, и холодное прессование, при котором нагревание не используют, но формование слоев можно осуществить в достаточной степени даже способом холодного прессования.Since the LGPS-based solid electrolyte according to the present invention is relatively soft, it is particularly preferable to produce a fully solid-state battery by forming the corresponding layers using a pressing method and applying the layers layer by layer. Pressing methods include hot pressing, which involves heating, and cold pressing, which does not use heating. However, even cold pressing can achieve sufficient layer formation.
Следует отметить, что настоящее изобретение включает формованное изделие, полученное путем нагревания и формования твердого электролита на основе LGPS согласно настоящему изобретению. Формованное изделие используют надлежащим образом в качестве полностью твердотельного аккумулятора. Кроме того, настоящее изобретение включает способ получения полностью твердотельного аккумулятора, включающий стадию нагревания и формования твердого электролита на основе LGPS согласно настоящему изобретению.It should be noted that the present invention includes a molded article obtained by heating and molding a solid electrolyte based on LGPS according to the present invention. The molded article is suitably used as an all-solid-state battery. Furthermore, the present invention includes a method for producing an all-solid-state battery, comprising the step of heating and molding a solid electrolyte based on LGPS according to the present invention.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
[0034][0034]
Далее варианты реализации настоящего изобретения будут более подробно описаны с помощью примеров, но указанные варианты реализации не ограничены приведенными примерами.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail using examples, but the said embodiments are not limited to the given examples.
[0035][0035]
Способ измерения среднего диаметра частицMethod for measuring average particle diameter
Средние диаметры частиц Li3PS4 и кристаллов с составом Li4SnS4, применяемых в качестве исходных материалов, и средние диаметры частиц полученных твердых электролитов измеряли описанным ниже способом.The average particle diameters of Li 3 PS 4 and crystals with the composition Li 4 SnS 4 used as starting materials and the average particle diameters of the obtained solid electrolytes were measured in the manner described below.
Отбирали небольшое количество каждого из описанных выше исходных материалов или твердых электролитов, добавляли полученный из них порошок к ацетонитрилу в качестве дисперсионной среды и осуществляли диспергирование в течение 3 минут с применением ультразвукового гомогенизатора (UH-50, произведенный компанией SMT Co., Ltd.). Далее для определения среднего диаметра (D50) частиц измеряли распределение частиц по размеру с применением устройства для измерения распределения частиц по размеру на основе лазерного рассеяния/дифракции (Misrotrac MT3000EXII, произведенный компанией Nikkiso Co., Ltd.).A small amount of each of the above-described raw materials or solid electrolytes was taken, the resulting powder was added to acetonitrile as a dispersion medium, and dispersed for 3 minutes using an ultrasonic homogenizer (UH-50, manufactured by SMT Co., Ltd.). Next, the particle size distribution was measured using a laser scattering/diffraction-based particle size distribution measuring device (Misrotrac MT3000EXII, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) to determine the average particle diameter (D50).
[0036][0036]
(Пример 1)(Example 1)
Способ получения β-Li3PS4 Method for producing β-Li 3 PS 4
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали Li2S (произведенный компанией Sigma-Aldrich, чистота: 99,8%) и P2S5 (произведенный компанией Sigma-Aldrich, чистота: 99%) таким образом, чтобы молярное соотношение Li2S:P2S5 составляло 1,5:1. Затем в тетрагидрофуран (произведенный компанией Wako Pure Chemical Industries, Ltd., марка «высокодегидратированный») добавляли в указанном порядке Li2S и P2S5 так, чтобы концентрация (Li2S+P2S5) составляла 10% масс, и осуществляли перемешивание при комнатной температуре в течение 12 часов. Смесь постепенно растворялась, при этом получали почти однородный раствор, содержащий небольшое количество нерастворимого вещества.In a glove box under an argon atmosphere , Li2S (manufactured by Sigma-Aldrich, purity: 99.8%) and P2S5 (manufactured by Sigma-Aldrich, purity: 99%) were weighed so that the molar ratio of Li2S : P2S5 was 1.5:1. Then, Li2S and P2S5 were added to tetrahydrofuran (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., high dehydrated grade) in this order so that the concentration of ( Li2S + P2S5 ) was 10 % by mass, and stirring was carried out at room temperature for 12 hours. The mixture gradually dissolved, and a nearly uniform solution containing a small amount of insoluble matter was obtained.
К полученному раствору добавляли дополнительное количество Li2S таким образом, чтобы состав всех исходных материалов, в том числе описанных выше веществ, соответствовал молярному соотношению Li2S:P2S5=3:1, и перемешивали при комнатной температуре в течение 12 часов с получением суспензии. Из полученной суспензии удаляли при пониженном давлении растворитель при температуре 50°С. После этого смесь высушивали под вакуумом при 180°С в течение 4 часов с получением, тем самым, β-Li3PS4. Описанную последовательность операций выполняли в перчаточном боксе в атмосфере аргона.An additional amount of Li 2 S was added to the resulting solution such that the composition of all starting materials, including the substances described above, corresponded to a molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 = 3:1, and the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The solvent was removed from the resulting suspension under reduced pressure at a temperature of 50°C. The mixture was then dried under vacuum at 180°C for 4 hours, thereby obtaining β-Li 3 PS 4 . This sequence of operations was performed in a glovebox under an argon atmosphere.
Полученный β-Li3PS4 исследовали способом спектроскопии комбинационного рассеяния, описанным далее, и подтверждали пик при 420 см-1, соответствующий PS4 3-. Следует отметить, что весь применяемый сульфидный исходный материал был кристаллическим.The obtained β-Li 3 PS 4 was characterized by Raman spectroscopy as described below, and the peak at 420 cm -1 corresponding to PS 4 3- was confirmed. It should be noted that all the sulfide starting material used was crystalline.
Стадия получения микрочастиц β-Li3PS4 The stage of obtaining β-Li 3 PS 4 microparticles
В перчаточном боксе в атмосфере аргона к ацетонитрилу (произведенному компанией Wako Pure Chemical Industries, Ltd., марка «высокодегидратированный») добавляли β-Li3PS4, синтезированный на описанной выше стадии, таким образом, чтобы его концентрация составляла 6% масс, и осуществляли перемешивание при комнатной температуре с получением суспензии.In a glove box under an argon atmosphere, β- Li3PS4 synthesized in the above step was added to acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., high dehydrated grade ) so that its concentration became 6% by mass, and stirring was performed at room temperature to obtain a suspension.
При пониженном давлении удаляли из полученной суспензии ацетонитрил при температуре 50°С. После этого для удаления координирующего растворителя полученный порошок высушивали под вакуумом при 180°С в течение 4 часов. Удаление растворителя осуществляли при одновременном перемешивании суспензии. После этого указанный порошок охлаждали до комнатной температуры с получением, тем самым, порошка β-Li3PS4 в виде микрочастиц. Средний диаметр (D50) микрочастиц порошка β-Li3PS4 составлял 2,1 мкм.Acetonitrile was removed from the resulting suspension under reduced pressure at 50°C. The resulting powder was then dried under vacuum at 180°C for 4 hours to remove the coordinating solvent. The solvent was removed while the suspension was stirred. The powder was then cooled to room temperature, yielding β-Li 3 PS 4 powder microparticles. The average diameter (D50) of the β-Li 3 PS 4 powder microparticles was 2.1 μm.
[0037][0037]
Способ получения кристаллов, имеющих состав Li4SnS4 Method for obtaining crystals having the composition Li 4 SnS 4
В качестве исходных материалов использовали Li2S (произведенный компанией Sigma-Aldrich, чистота: 99,8%) и SnS2 (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., 99,9%). В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали указанные материалы таким образом, чтобы обеспечить стехиометрическое количество кристаллов с составом Li4SnS4, и перемешивали в течение 15 минут с применением агатовой ступки. 1,0 г полученного порошка и 15 диоксид-циркониевых шариков (ср: 10 мм) помещали в диоксид-циркониевый сосуд объемом 45 мл и герметично закрывали сосуд. Диоксид-циркониевый сосуд прикрепляли к планетарной шаровой мельнице (произведенной компанией Fritsch Japan Co., Ltd.) и выполняли обработку в шаровой мельнице при 500 об/мин. в течение 10 часов. Порошок-предшественник, полученный при обработке в шаровой мельнице, прокаливали при 450°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов, имеющих состав Li4SnS4. Li2S (produced by Sigma-Aldrich, purity: 99.8%) and SnS2 (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., 99.9%) were used as the starting materials. These materials were weighed in a glove box under an argon atmosphere to ensure a stoichiometric amount of crystals with the composition of Li4SnS4 and stirred for 15 minutes using an agate mortar. 1.0 g of the obtained powder and 15 zirconia balls (cf.: 10 mm) were placed in a 45 ml zirconia vessel, and the vessel was hermetically sealed. The zirconia vessel was attached to a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.) and ball milling was performed at 500 rpm for 10 hours. The precursor powder obtained by ball milling was calcined at 450°C for 8 hours, thereby obtaining crystals having the composition Li 4 SnS 4 .
Стадия получения микрочастиц кристаллов, имеющих состав Li4SnS4 В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали 1 г кристаллов с составом Li4SnS4, синтезированных на описанной выше стадии получения. Далее взвешенные кристаллы с составом Li4SnS4 добавляли к 10 мл метанола (произведенного компанией Wako Pure Chemical Industries, Ltd., марка «высокодегидратированный», температура кипения: 64°С) и осуществляли перемешивание при комнатной температуре в течение 6 часов. Смесь постепенно растворялась, при этом получали суспензию, содержащую нерастворимое вещество. Полученную суспензию фильтровали через мембранный фильтр (ПТФЭ, размер пор: 1,0 мкм) с получением однородного раствора кристаллов, имеющих состав Li4SnS4.The step of obtaining microparticles of crystals with the composition Li 4 SnS 4 In a glove box under an argon atmosphere, 1 g of crystals with the composition Li 4 SnS 4 , synthesized in the above-described step of obtaining, was weighed. Then, the weighed crystals with the composition Li 4 SnS 4 were added to 10 ml of methanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., grade "highly dehydrated", boiling point: 64 °C) and stirred at room temperature for 6 hours. The mixture gradually dissolved, and a suspension containing an insoluble substance was obtained. The resulting suspension was filtered through a membrane filter (PTFE, pore size: 1.0 μm) to obtain a homogeneous solution of crystals with the composition Li 4 SnS 4 .
Гомогенный раствор кристаллов с составом Li4SnS4, полученных, как описано выше, смешивали с 200 мл ацетонитрила (произведенного компанией Wako Pure Chemical Industries, Ltd., марка «высокодегидратированный», температура кипения: 82°С) с получением метанол-ацетонитрильного гомогенного раствора.A homogeneous solution of the crystals with the composition Li4SnS4 obtained as described above was mixed with 200 ml of acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., high dehydrated grade, boiling point: 82°C) to obtain a methanol-acetonitrile homogeneous solution.
Из полученного однородного раствора удаляли при пониженном давлении метанол при температуре 50°С для осаждения в ацетонитриле кристаллов, имеющих состав Li4SnS4. После этого поддерживали указанные условия (при пониженном давлении, 50°С) и удаляли ацетонитрил с получением порошка. Удаление растворителя проводили при одновременном перемешивании гомогенного раствора.Methanol was removed from the resulting homogeneous solution under reduced pressure at 50°C to precipitate crystals of Li 4 SnS 4 composition in acetonitrile. The specified conditions (under reduced pressure, 50°C) were then maintained, and the acetonitrile was removed to obtain a powder. Solvent removal was carried out while simultaneously stirring the homogeneous solution.
Для удаления координирующего растворителя порошок, полученный как описано выше, высушивали под вакуумом при 180°С в течение 4 часов. После этого указанный порошок охлаждали до комнатной температуры с получением, тем самым, порошка кристаллов с составом Li4SnS4 в виде микрочастиц. Средний диаметр (D50) микрочастиц порошка кристаллов с составом Li4SnS4 составлял 1,1 мкм.To remove the coordinating solvent , the powder obtained as described above was dried under vacuum at 180°C for 4 hours. The powder was then cooled to room temperature, thereby obtaining a powder of Li4SnS4 crystals in the form of microparticles. The average diameter ( D50 ) of the Li4SnS4 crystal powder microparticles was 1.1 μm.
[0038][0038]
Синтез Li10SnP2S12 Synthesis of Li 10 SnP 2 S 12
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали описанные выше микрочастицы кристаллов β-Li3PS4 и микрочастицы кристаллов с составом Li4SnS4 таким образом, чтобы молярное соотношение p-Li3PS4:Li4SnS4 составляло 2:1, и осуществляли перемешивание с применением агатовой ступки. Смесь прокаливали в атмосфере аргона при 550°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов Li10SnP2S12 (твердый электролит на основе LGPS). Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 2,1 мкм.In a glove box under an argon atmosphere, the above-described β-Li 3 PS 4 crystal microparticles and Li 4 SnS 4 crystal microparticles were weighed so that the p-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 molar ratio was 2:1, and mixed using an agate mortar. The mixture was calcined under an argon atmosphere at 550°C for 8 hours, thereby obtaining Li 10 SnP 2 S 12 crystals (a solid electrolyte based on LGPS). The average particle diameter (D50) of the resulting solid electrolyte was 2.1 μm.
[0039][0039]
(Пример 2)(Example 2)
Кристаллы Li10SnP2S12 получали способом, аналогичном способу, описанному в примере 1, за исключением того, что «прокаливание в атмосфере аргона при 550°С в течение 8 часов» в примере 1 заменяли на «обжиг в атмосфере аргона при 550°С в течение 2 часов». Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 2,0 мкм.Li 10 SnP 2 S 12 crystals were obtained by a method similar to that described in Example 1, except that "calcination in an argon atmosphere at 550°C for 8 hours" in Example 1 was replaced by "annealing in an argon atmosphere at 550°C for 2 hours." The average particle diameter (D50) of the resulting solid electrolyte was 2.0 μm.
[0040][0040]
(Пример 3)(Example 3)
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали β-Li3PS4 после стадии получения микрочастиц и кристаллы с составом Li4SnS4 после стадии получения микрочастиц, полученные в примере 1, таким образом, чтобы молярное соотношение β-Li3PS4:Li4SnS4 составляло 2:1. К ацетонитрилу (произведенному компанией Wako Pure Chemical Industries, Ltd., марка «высокодегидратированный»), добавляли взвешенный смешанный порошок таким образом, чтобы его концентрация составляла 5% масс, и перемешивали при комнатной температуре с получением суспензии. При пониженном давлении удаляли из полученной суспензии ацетонитрил при температуре 50°С. После этого для удаления координирующего растворителя полученный порошок высушивали под вакуумом при 180°С в течение 4 часов. Удаление растворителя осуществляли при одновременном перемешивании суспензии. После этого указанный порошок охлаждали до комнатной температуры с получением порошка-предшественника. Указанный предшественник прокаливали в атмосфере аргона при 550°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов Li10SnP2S12. Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 3,6 мкм.In a glove box under an argon atmosphere, β-Li 3 PS 4 from the microparticle preparation step and crystals with the composition Li 4 SnS 4 from the microparticle preparation step obtained in Example 1 were weighed so that the molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 was 2:1. The weighed mixed powder was added to acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., grade "highly dehydrated") so that its concentration was 5% by weight, and stirred at room temperature to obtain a suspension. Under reduced pressure, acetonitrile was removed from the resulting suspension at a temperature of 50°C. After this, to remove the coordinating solvent, the resulting powder was dried under vacuum at 180°C for 4 hours. The solvent was removed while simultaneously stirring the suspension. The powder was then cooled to room temperature to obtain a precursor powder. This precursor was calcined in an argon atmosphere at 550°C for 8 hours, thereby producing Li 10 SnP 2 S 12 crystals. The average particle diameter (D50) of the resulting solid electrolyte was 3.6 μm.
[0041][0041]
(Пример 4)(Example 4)
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали β-Li3PS4 после стадии получения микрочастиц и кристаллы с составом Li4SnS4 после стадии получения микрочастиц, полученные в примере 1, таким образом, чтобы молярное соотношение β-Li3PS4:Li4SnS4 составляло 2,7:1. 600 мг взвешенного порошка-предшественника и 80 г диоксид-циркониевых шариков диаметром 3 мм помещали в бутыль Duran объемом 50 см3 и герметично закрывали. Все описанные выше операции взвешивания, добавления и герметизации проводили в перчаточной камере в атмосфере аргона, при этом все используемые устройства подвергали перед применением удалению воды с помощью осушителя.In a glove box under an argon atmosphere , β- Li3PS4 from the microparticle preparation stage and crystals with the composition Li4SnS4 from the microparticle preparation stage obtained in Example 1 were weighed so that the molar ratio of β- Li3PS4 : Li4SnS4 was 2.7 : 1 . 600 mg of the weighed precursor powder and 80 g of 3 mm diameter zirconium dioxide spheres were placed in a 50 cm3 Duran bottle and hermetically sealed. All of the above weighing, adding, and sealing operations were carried out in a glove box under an argon atmosphere, with all devices used being dehydrated with a desiccant before use.
Используя стойку для шаровой мельницы (произведенную компанией Asahi-rika Co., Ltd., тип AV-1), бутыль вращали при нормальной температуре со скоростью 60 об/мин в течение 1 часа для осуществления перемешивания, а затем собирали порошок. Указанный порошок прокаливали в атмосфере аргона при 550°С в течение 2 часов с получением, тем самым, кристаллов Li9,81Sn0,81P2,19S12. Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 2,3 мкм.Using a ball mill stand (manufactured by Asahi-rika Co., Ltd., type AV-1), the bottle was rotated at normal temperature at 60 rpm for 1 hour to achieve stirring, and then the powder was collected. This powder was calcined in an argon atmosphere at 550 °C for 2 hours to obtain Li9.81Sn0.81P2.19S12 crystals. The average particle diameter ( D50 ) of the obtained solid electrolyte was 2.3 μm.
[0042][0042]
(Сравнительный пример 1)(Comparative example 1)
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали β-Li3PS4 после стадии получения микрочастиц и кристаллы с составом Li4SnSb4 перед стадией получения микрочастиц в примере 1 таким образом, чтобы молярное соотношение β-Li3PS4:Li4SnS4 составляло 2:1, и осуществляли перемешивание с применением агатовой ступки. Смесь прокаливали в атмосфере аргона при температуре 550°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов Li10SnP2S12. Средний диаметр (D50) частиц порошка кристаллов с составом Li4SnS4, который не подвергали стадии получения микрочастиц, составлял 11 мкм. Кроме того, средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 11 мкм.In a glove box under an argon atmosphere, β-Li 3 PS 4 after the step of obtaining microparticles and crystals with the composition Li 4 SnSb 4 before the step of obtaining microparticles in Example 1 were weighed so that the molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 was 2:1, and stirring was carried out using an agate mortar. The mixture was calcined under an argon atmosphere at a temperature of 550 °C for 8 hours, thereby obtaining Li 10 SnP 2 S 12 crystals. The average diameter (D50) of the powder particles of the crystals with the composition Li 4 SnSb 4 , which were not subjected to the step of obtaining microparticles, was 11 μm. In addition, the average diameter (D50) of the particles of the obtained solid electrolyte was 11 μm.
[0043][0043]
(Сравнительный пример 2)(Comparative example 2)
В перчаточной камере в атмосфере аргона взвешивали β-Li3PS4 перед стадией получения микрочастиц и кристаллы с составом Li4SnS4 перед стадией получения микрочастиц в примере 1 таким образом, чтобы молярное соотношение β-Li3PS4:Li4SnS4 составляло 2:1, и осуществляли перемешивание с применением агатовой ступки. Смесь прокаливали в атмосфере аргона при температуре 550°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов Li10SnP2S12. Средний диаметр (D50) частиц порошка β-Li3PS4, который не подвергали стадии получения микрочастиц, составлял 8,0 мкм. Кроме того, средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 6,8 мкм. Следует отметить, что сравнительный пример 2 соответствует рабочему примеру в патентном документе 1 (WO 2018/173939), описанному в разделе [УРОВНЬ ТЕХНИКИ].In a glove box under an argon atmosphere, β-Li 3 PS 4 before the step of obtaining microparticles and crystals with the composition Li 4 SnS 4 before the step of obtaining microparticles in Example 1 were weighed so that the molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 was 2:1, and stirring was carried out using an agate mortar. The mixture was calcined under an argon atmosphere at a temperature of 550 °C for 8 hours, thereby obtaining Li 10 SnP 2 S 12 crystals. The average diameter (D50) of β-Li 3 PS 4 powder particles, which were not subjected to the step of obtaining microparticles, was 8.0 μm. In addition, the average diameter (D50) of the particles of the obtained solid electrolyte was 6.8 μm. It should be noted that Comparative Example 2 corresponds to the working example in Patent Document 1 (WO 2018/173939) described in the [BACKGROUND ART] section.
[0044][0044]
(Эталонный пример 1)(Reference example 1)
При синтезе Li10SnP2S12 исходные материалы взвешивали таким образом, чтобы молярное соотношение Li2S:P2S5:SnS2 составляло 5:1:1, и перемешивали указанные вещества с применением агатовой ступки. Далее полученную смесь помещали в диоксид-циркониевый сосуд объемом 45 мл, затем помещали в него диоксид-циркониевые шарики («YTZ», произведенные компанией Nikkato Corporation, ϕ: 10 мм, количество: 15) и полностью герметично закрывали сосуд. Сосуд прикрепляли к планетарной шаровой мельнице («Р-7», произведенной компанией Fritsch) и осуществляли механический помол при скорости вращения 800 об/мин. в течение 10 часов с получением порошка-предшественника. Указанный предшественник прокаливали в атмосфере аргона при 475°С в течение 8 часов с получением, тем самым, кристаллов Li10SnP2S12. Средний диаметр (D50) частиц полученного твердого электролита составлял 30 мкм.In the synthesis of Li 10 SnP 2 S 12, the starting materials were weighed so that the molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 : SnS 2 was 5:1:1, and mixed using an agate mortar. The resulting mixture was then placed in a 45 mL zirconia vessel, then zirconia balls ("YTZ" manufactured by Nikkato Corporation, ϕ: 10 mm, quantity: 15) were placed into it, and the vessel was completely sealed. The vessel was attached to a planetary ball mill ("P-7" manufactured by Fritsch) and mechanically ground at a rotation speed of 800 rpm for 10 hours to obtain the precursor powder. The said precursor was calcined in an argon atmosphere at 475°C for 8 hours, thereby obtaining Li 10 SnP 2 S 12 crystals. The average particle diameter (D50) of the resulting solid electrolyte was 30 μm.
[0045][0045]
[0046][0046]
Измерение рентгеновской дифракцииX-ray diffraction measurement
Порошки твердых электролитов на основе LGPS, полученные в примерах 1-4, в сравнительных примерах 1-2 и в эталонном примере 1, подвергали измерению рентгеновской дифракции в атмосфере аргона при комнатной температуре (25°С) (прибор «Х'Pert3 Powder», произведенный компанией PANalytical, CuKα: λ=1,5405 Å).The LGPS-based solid electrolyte powders obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1 were subjected to X-ray diffraction measurements in an argon atmosphere at room temperature (25°C) (X'Pert3 Powder instrument manufactured by PANalytical, CuKα: λ=1.5405 Å).
Результаты измерения рентгеновской дифракции твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, сравнительных примерах 1-2 и эталонном примере 1, представлены на фиг. 3.The X-ray diffraction measurement results of the solid electrolytes based on LGPS obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2 and Reference Example 1 are shown in Fig. 3.
Как показано на фиг. 3, в примерах 1-4 пики дифракции наблюдали при по меньшей мере 2θ=20,18°±0,50°, 20,44°±0,50°, 26,96°±0,50° и 29,58°±0,40°, при этом дифракционная кривая соответствовала дифракционной кривой Li10SnP2S12 из базы данных ICSD (база данных структур неорганических кристаллов).As shown in Fig. 3, in Examples 1 to 4, diffraction peaks were observed at least at 2θ=20.18°±0.50°, 20.44°±0.50°, 26.96°±0.50°, and 29.58°±0.40°, and the diffraction curve was consistent with the diffraction curve of Li 10 SnP 2 S 12 from the ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) database.
[0047][0047]
Измерение литий-ионной проводимостиLithium-ion conductivity measurement
Каждый из твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, в сравнительных примерах 1-2 ив эталонном примере 1, подвергали одноосному формованию (240 МПа) с получением диска толщиной примерно 1 мм и диаметром 8 мм. Импеданс по переменному току измеряли четырехполюсным способом, используя In (индиевый) электрод при комнатной температуре (25°С) и с интервалами в 10°С в температурном диапазоне от 30°С до 100°С и до -20°С («SI1260 IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER», произведенный компанией Solartron), после чего рассчитывали литиево-ионную проводимость.Each of the LGPS-based solid electrolytes obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1 was subjected to uniaxial molding (240 MPa) to obtain a disk with a thickness of approximately 1 mm and a diameter of 8 mm. The AC impedance was measured by a four-terminal method using an In (indium) electrode at room temperature (25°C) and at 10°C intervals in the temperature range from 30°C to 100°C and down to -20°C (SI1260 IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER, manufactured by Solartron), and then the lithium-ion conductivity was calculated.
В частности, образец помещали в термостатическую баню с температурой, установленной на уровне 25°С, и выдерживали в течение 30 минут, после чего измеряли литиево-ионную проводимость. Затем температуру термостатической бани повышали от 30°С до 100°С с интервалами в 10°С, и выдерживали указанную баню при каждой температуре в течение 25 минут, а затем измеряли ионную проводимость. После окончания измерения при 100°С температуру термостатической бани понижали от 90°С до 30°С с интервалами в 10°С и выдерживали указанную баню при каждой температуре в течение 40 минут, а затем измеряли литиево-ионную проводимость. Далее измеряли литиево-ионную проводимость образца после выдерживания в термостатической бане, температуру которой устанавливали на уровне 25°С, в течение 40 минут. После этого температуру термостатической бани понижали от 20°С до -20°С с интервалами в 10°С, и выдерживали указанную баню при каждой температуре в течение 40 минут, а затем измеряли литиево- ионную проводимость. Диапазон частот измерений составлял от 0,1 Гц до 1 МГц, и амплитуда составляла 50 мВ. Результаты измерения литиево-ионной проводимости во время понижения температуры представлены на фиг. 4.Specifically, the sample was placed in a thermostatic bath set at 25°C and held for 30 minutes, after which the lithium-ion conductivity was measured. The temperature of the thermostatic bath was then increased from 30°C to 100°C in 10°C intervals and held at each temperature for 25 minutes, after which the ionic conductivity was measured. After completing the measurement at 100°C, the temperature of the thermostatic bath was decreased from 90°C to 30°C in 10°C intervals and held at each temperature for 40 minutes, after which the lithium-ion conductivity was measured. The lithium-ion conductivity of the sample was then measured after being held in a thermostatic bath set at 25°C for 40 minutes. The thermostatic bath temperature was then lowered from 20°C to -20°C in 10°C increments and maintained at each temperature for 40 minutes. The lithium-ion conductivity was then measured. The frequency range of measurements was from 0.1 Hz to 1 MHz, and the amplitude was 50 mV. The results of the lithium-ion conductivity measurements during the temperature reduction are shown in Fig. 4.
В примерах 1-4 успешно получали твердые электролиты, средний диаметр (D50) частиц которых составлял 4 мкм или менее, при этом ионная проводимость сохранялась в диапазоне от 1 мСм/см до 3 мСм/см.In Examples 1-4, solid electrolytes were successfully obtained whose average particle diameter (D50) was 4 μm or less, while the ionic conductivity was maintained in the range from 1 mS/cm to 3 mS/cm.
[0048][0048]
Спектроскопия комбинационного рассеянияRaman spectroscopy
(1) Получение образца(1) Obtaining a sample
Образец для измерения получали, используя в качестве оптического окна воздухонепроницаемую кювету с кварцевым стеклом (ϕ: 60 мм, толщина: 1 мм) в верхней части. В перчаточной камере в атмосфере аргона приклеивали образец к кварцевому стеклу, затем герметично закрывали кювету и убирали из перчаточной камеры и проводили измерения с применением спектроскопии комбинационного рассеяния.The sample for measurement was obtained using an airtight cuvette with a quartz glass top (ϕ: 60 mm, thickness: 1 mm) as an optical window. The sample was bonded to the quartz glass in a glovebox under an argon atmosphere. The cuvette was then sealed and removed from the glovebox, and measurements were performed using Raman spectroscopy.
(2) Условия измерения(2) Measurement conditions
Используя лазерный спектрометр комбинационного рассеяния NRS-5100 (произведенный компанией JASCO Corporation), проводили измерение при длине волны возбуждения 532,15 нм в течение времени экспозиции 5 секунд.Using a NRS-5100 laser Raman spectrometer (manufactured by JASCO Corporation), the measurement was performed at an excitation wavelength of 532.15 nm for an exposure time of 5 seconds.
[0049][0049]
Результаты спектроскопии комбинационного рассеяния твердых электролитов на основе LGPS, полученных в примерах 1-4, сравнительных примерах 1-2 и эталонном примере 1, представлены на фиг. 5. Для каждого образца в примерах 1-4 и сравнительных примерах 1-2 был подтвержден пик при 420 см-1, соответствующий PS4 3-. Спектры комбинационного рассеяния кристаллов Li10SnP2S12 из примеров 1-4 соответствовали спектру Li10SnP2S12, полученному стандартным способом синтеза в эталонном примере 1.The Raman spectroscopy results of the LGPS-based solid electrolytes obtained in Examples 1-4, Comparative Examples 1-2, and Reference Example 1 are shown in Fig. 5. For each sample in Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2 , the peak at 420 cm -1 corresponding to PS43- was confirmed. The Raman spectra of the Li10SnP2S12 crystals of Examples 1-4 matched the spectrum of Li10SnP2S12 obtained by the standard synthesis method in Reference Example 1.
ПОЯСНЕНИЯ БУКВЕННЫХ ИЛИ ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙEXPLANATION OF LETTER OR NUMERIC DESIGNATIONS
[0050][0050]
1 слой положительного электрода1 layer of positive electrode
2 слой твердого электролита2 layer of solid electrolyte
3 слой отрицательного электрода3 layer of negative electrode
10 полностью твердотельный аккумулятор10 all-solid-state battery
Claims (8)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021-065248 | 2021-04-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2851659C1 true RU2851659C1 (en) | 2025-11-26 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1075880A1 (en) * | 1982-04-22 | 1999-11-10 | Институт электрохимии Уральского научного центра АН СССР | METHOD OF MAKING A SOLID ELECTROLYTE FOR A CHEMICAL CURRENT SOURCE |
| JP2017045613A (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | 出光興産株式会社 | Sulfide solid electrolyte and manufacturing method therefor |
| WO2018173939A1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Production method for lgps-based solid electrolyte |
| WO2019044517A1 (en) * | 2017-09-01 | 2019-03-07 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Method for producing lgps-based solid electrolyte |
| RU2702754C1 (en) * | 2018-02-14 | 2019-10-11 | Пролоджиум Текнолоджи Ко., Лтд. | Composite electrode materials |
| RU2704625C1 (en) * | 2018-05-14 | 2019-10-30 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Solid electrolyte, completely solid-state accumulator and method of producing solid electrolyte |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1075880A1 (en) * | 1982-04-22 | 1999-11-10 | Институт электрохимии Уральского научного центра АН СССР | METHOD OF MAKING A SOLID ELECTROLYTE FOR A CHEMICAL CURRENT SOURCE |
| JP2017045613A (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | 出光興産株式会社 | Sulfide solid electrolyte and manufacturing method therefor |
| WO2018173939A1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-09-27 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Production method for lgps-based solid electrolyte |
| WO2019044517A1 (en) * | 2017-09-01 | 2019-03-07 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Method for producing lgps-based solid electrolyte |
| RU2702754C1 (en) * | 2018-02-14 | 2019-10-11 | Пролоджиум Текнолоджи Ко., Лтд. | Composite electrode materials |
| RU2704625C1 (en) * | 2018-05-14 | 2019-10-30 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Solid electrolyte, completely solid-state accumulator and method of producing solid electrolyte |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2766576C2 (en) | Method of producing solid electrolyte based on lgps | |
| RU2751545C2 (en) | METHOD OF PRODUCTION OF A SOLID Li3PS4-CONTAINING ELECTROLYTE | |
| JP7294334B2 (en) | LGPS-based solid electrolyte and manufacturing method | |
| RU2754868C2 (en) | Method for obtaining solid electrolyte based on lgps | |
| JP2020027781A (en) | Method for producing LGPS-based solid electrolyte | |
| JP7513014B2 (en) | Method for producing sulfide-based solid electrolyte | |
| JP7658281B2 (en) | Method for producing sulfide-based solid electrolyte containing Sn | |
| JP2020027780A (en) | Method for producing LGPS-based solid electrolyte | |
| RU2851659C1 (en) | Method for producing solid electrolyte of lgps type | |
| US20240194937A1 (en) | Method for producing lgps-type solid electrolyte | |
| RU2822115C1 (en) | METHOD OF PRODUCING SULPHIDE SOLID ELECTROLYTE CONTAINING Sn | |
| RU2814874C1 (en) | Ion conductor containing licb9h10 high-temperature phase, and method for its production | |
| RU2804507C2 (en) | Method for producing solid sulphide electrolyte | |
| RU2787019C2 (en) | Lgps-based solid electrolyte and its production method | |
| TW202447997A (en) | Method for producing Sn-containing sulfide solid electrolyte and Sn-containing sulfide solid electrolyte | |
| BR112020021583B1 (en) | LGPS-BASED SOLID ELECTROLYTE, ALL-SOLID-STATE BATTERY, AND METHOD FOR PRODUCING LGPS-BASED SOLID ELECTROLYTE |