JP6121110B2 - Solid electrolyte particles and composition thereof - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムを伝導種としない硫化物系固体電解質粒子、その組成物及びそれを用いた電池に関する。 The present invention relates to a sulfide-based solid electrolyte particle that does not use lithium as a conductive species, a composition thereof, and a battery using the same.
近年、携帯情報末端、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる二次電池等の需要が増加している。
ここで、高容量の二次電池としてリチウムイオン電池がある。該リチウムイオン電池は、有機溶媒を含む電解液であるため、液漏れの心配や発火の危険性がある。
In recent years, demand for secondary batteries used in portable information terminals, portable electronic devices, small household electric power storage devices, motor-driven motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like has increased.
Here, there is a lithium ion battery as a high-capacity secondary battery. Since the lithium ion battery is an electrolytic solution containing an organic solvent, there is a risk of liquid leakage or fire.
このような問題に対し、従来硫化物系固体電解質の研究が種々行われており、イオン伝導度が高い硫化物系固体電解質が開発された(特許文献1)。
しかし、特許文献1に記載の硫化物系固体電解質は、リチウムを必須成分としているため、今後、リチウムイオン電池の需要増加に伴い、原料であるリチウム源が不足する恐れがある。
In order to solve such a problem, various studies have been conducted on sulfide-based solid electrolytes, and sulfide-based solid electrolytes having high ionic conductivity have been developed (Patent Document 1).
However, since the sulfide-based solid electrolyte described in Patent Document 1 contains lithium as an essential component, there is a risk that the lithium source as a raw material will be insufficient with an increase in demand for lithium ion batteries.
そのため、原料が豊富なナトリウムを伝導種とするナトリウム系の固体電解質が開発された(特許文献2)。また、特許文献2に記載のナトリウム系の固体電解質を用いて製造したナトリウム電池が開発された(非特許文献1)。
しかし、非特許文献1に記載のナトリウム電池は電池性能が低いという欠点があった。
Therefore, a sodium-based solid electrolyte using sodium, which is abundant in raw materials, as a conductive species has been developed (Patent Document 2). Further, a sodium battery manufactured using a sodium-based solid electrolyte described in Patent Document 2 has been developed (Non-Patent Document 1).
However, the sodium battery described in Non-Patent Document 1 has a drawback of low battery performance.
電池性能が高くリチウムを伝導種としない電池を製造することができる固体電解質粒子を得ることを課題とする。 It is an object to obtain solid electrolyte particles having high battery performance and capable of producing a battery that does not use lithium as a conductive species.
本発明によれば、以下の固体電解質粒子等が提供される。
1.ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムから選択される少なくとも1つの成分と、リンと硫黄とを含み、レーザー回折式粒度分布測定方法により測定される体積基準平均粒子径が0.01μm以上50μm以下である固体電解質粒子。
2.前記少なくとも1つの成分がナトリウムである1に記載の固体電解質粒子。
3.前記体積基準平均粒子径が0.1μm以上10μm以下であり、90%以上の粒子の体積基準粒子径が20μm以下である1又は2に記載の固体電解質粒子。
4.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子を含む組成物。
5.ニトリル化合物を含む4に記載の組成物。
6.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を含む電解質層。
7.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を含む電極層。
8.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を含む電池。
9.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を用いて製造した電解質層。
10.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を用いて製造した電極層。
11.1〜3のいずれかに記載の固体電解質粒子、及び/又は4又は5に記載の組成物を用いて製造した電池。
According to the present invention, the following solid electrolyte particles and the like are provided.
1. A volume that includes at least one component selected from sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, and radium, and phosphorus and sulfur, and is measured by a laser diffraction particle size distribution measurement method. Solid electrolyte particles having a standard average particle size of 0.01 μm or more and 50 μm or less.
2. 2. The solid electrolyte particle according to 1, wherein the at least one component is sodium.
3. 3. The solid electrolyte particle according to 1 or 2, wherein the volume reference average particle diameter is 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the volume reference particle diameter of 90% or more of the particles is 20 μm or less.
The composition containing the solid electrolyte particle in any one of 4.1-3.
5). 5. The composition according to 4, comprising a nitrile compound.
6. An electrolyte layer comprising the solid electrolyte particles according to any one of 1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
7. An electrode layer comprising the solid electrolyte particles according to any one of 1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
A battery comprising the solid electrolyte particles according to any one of 8.1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
An electrolyte layer produced using the solid electrolyte particles according to any one of 9.1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
10. An electrode layer produced using the solid electrolyte particles according to any one of 10.1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
11. A battery produced using the solid electrolyte particles according to any one of 11.1 to 3 and / or the composition according to 4 or 5.
電池性能が高くリチウムを伝導種としない電池を製造することができる固体電解質粒子を得ることができた。 Solid electrolyte particles capable of producing a battery having high battery performance and not using lithium as a conductive species could be obtained.
[固体電解質粒子]
(1)固体電解質
本発明の固体電解質粒子は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムから選択される少なくとも1つの成分と、リンと、硫黄とを含む。
好ましくは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウムであり、より好ましくは、ナトリウム、カリウムであり、さらに好ましくは、ナトリウムである。
[Solid electrolyte particles]
(1) Solid electrolyte The solid electrolyte particles of the present invention comprise at least one component selected from sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium and radium, phosphorus, and sulfur. Including.
Preferred are sodium, potassium, rubidium, cesium, francium and beryllium, more preferred are sodium and potassium, and still more preferred is sodium.
その他の元素として、Ge、Si、Al、Ga、Al、B、Inを含むことができる。
また、ハロゲン元素として、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素を含んでもよく、ハロゲン元素を含む場合には、好ましくは、塩素、臭素、ヨウ素であり、さらに好ましくは、塩素、臭素である。
As other elements, Ge, Si, Al, Ga, Al, B, and In can be included.
Further, fluorine, chlorine, bromine and iodine may be included as the halogen element. When the halogen element is included, chlorine, bromine and iodine are preferable, and chlorine and bromine are more preferable.
式(1)で表わされる固体電解質が好ましい。
LaMbPcSdXe…(1)
Lは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウムである。
Lは、好ましくはナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウムであり、より好ましくはナトリウム、カリウムであり、さらに好ましくはナトリウムである。
A solid electrolyte represented by the formula (1) is preferable.
L a M b P c S d X e ... (1)
L is sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, or radium.
L is preferably sodium, potassium, rubidium, cesium, francium or beryllium, more preferably sodium or potassium, still more preferably sodium.
MはB,Al,Si,Ge、Ga、In,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb,Bi、又はこれらの組合せである。好ましくは、B、Si,Ge,Al、さらに好ましくは、Ge、Si、Bである。 M is B, Al, Si, Ge, Ga, In, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb, Bi, or a combination thereof. B, Si, Ge, and Al are preferable, and Ge, Si, and B are more preferable.
Xはハロゲン元素であり、ハロゲン元素の組合せであってもよく、好ましくは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素であり、より好ましくは、塩素、臭素、ヨウ素であり、さらに好ましくは、塩素、臭素である。 X is a halogen element, and may be a combination of halogen elements, preferably fluorine, chlorine, bromine, iodine, more preferably chlorine, bromine, iodine, and still more preferably chlorine, bromine. is there.
0.1<a≦15であり、好ましくは0.2≦a≦13であり、より好ましくは0.3≦a≦12である。
0.1≦b≦3であり、好ましくは0.2≦b≦3であり、より好ましくは0.2≦b≦2であり、最も好ましくはbが0である。
0.5<c≦5であり、好ましくは0.5≦c≦4であり、より好ましくは0.8≦c≦4であり、最も好ましくはcが1である。
0<d≦15であり、好ましくは1≦d≦15であり、より好ましくは1≦d≦13であり、最も好ましくは0.5≦d≦12である。
0≦e≦3であり、好ましくは0≦e≦2であり、より好ましくは0≦e≦2である。
又は、0.1<e≦3であることが好ましく、0.1≦e≦2であることがより好ましく、0.2≦e≦2であることがさらに好ましい。
0.1 <a ≦ 15, preferably 0.2 ≦ a ≦ 13, and more preferably 0.3 ≦ a ≦ 12.
0.1 ≦ b ≦ 3, preferably 0.2 ≦ b ≦ 3, more preferably 0.2 ≦ b ≦ 2, and most preferably b is 0.
0.5 <c ≦ 5, preferably 0.5 ≦ c ≦ 4, more preferably 0.8 ≦ c ≦ 4, and most preferably c is 1.
0 <d ≦ 15, preferably 1 ≦ d ≦ 15, more preferably 1 ≦ d ≦ 13, and most preferably 0.5 ≦ d ≦ 12.
0 ≦ e ≦ 3, preferably 0 ≦ e ≦ 2, more preferably 0 ≦ e ≦ 2.
Alternatively, 0.1 <e ≦ 3 is preferable, 0.1 ≦ e ≦ 2 is more preferable, and 0.2 ≦ e ≦ 2 is still more preferable.
固体電解質は、結晶化していても非晶質であってもよい。結晶が非晶質よりイオン伝導度が高い場合には、結晶化することにより、電解質層や電極層のイオン伝導度を高くすることができ、非晶質の場合には、結晶よりも柔らかいため、固体電解質同士の接触状態や活物質や導電助剤との接触状態を良くすることができる。
ここで、結晶構造として、Na3PS4結晶構造が好ましい。イオン伝導度を高くすることができるからである。
The solid electrolyte may be crystallized or amorphous. If the crystal has higher ionic conductivity than amorphous, the ionic conductivity of the electrolyte layer and electrode layer can be increased by crystallization. If amorphous, the crystal is softer than the crystal. The contact state between the solid electrolytes and the contact state with the active material and the conductive auxiliary agent can be improved.
Here, the crystal structure is preferably a Na 3 PS 4 crystal structure. This is because the ionic conductivity can be increased.
(2)固体電解質の製法
以下、固体電解質の製造方法を例示するが、固体電解質は、下記製造方法により製造された固体電解質に限定されないことはいうまでもない。
(2) Manufacturing method of solid electrolyte Hereinafter, the manufacturing method of a solid electrolyte is illustrated, However, it cannot be overemphasized that a solid electrolyte is not limited to the solid electrolyte manufactured by the following manufacturing method.
(i)原料
下記式(3)で表わされる化合物と、硫化燐、硫黄と燐、硫化燐と硫黄、又は硫化燐と硫黄と燐と、を原料とする。
LyS…(3)
Lは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウムである。
Lは、好ましくはナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウムであり、より好ましくはナトリウム、カリウムであり、さらに好ましくはナトリウムである。
尚、Sは硫黄を意味する。
(I) Raw material The raw material is a compound represented by the following formula (3) and phosphorus sulfide, sulfur and phosphorus, phosphorus sulfide and sulfur, or phosphorus sulfide and sulfur and phosphorus.
L y S (3)
L is sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, or radium.
L is preferably sodium, potassium, rubidium, cesium, francium or beryllium, more preferably sodium or potassium, still more preferably sodium.
In addition, S means sulfur.
yは0.5以上3以下であり、好ましくは0.7以上2.5以下、より好ましくは1以上2以下であり、さらに好ましくは2である。
例えば、Na2S(硫化ナトリウム),K2S,Rb2S、BeS,MgS、CaS,SrS、BaS等を用いることができる。これらは2種以上混合して使用してもよい。
ガラス転移温度を低減する化合物(ガラス化促進剤)を添加してもよい。ガラス化促進剤の例としては、Na3PO4、Na4SiO4、Na4GeO4、Na3BO3、Na3AlO3、Na3CaO3、Na3InO3等の無機化合物が挙げられる。
y is 0.5 or more and 3 or less, preferably 0.7 or more and 2.5 or less, more preferably 1 or more and 2 or less, and even more preferably 2.
For example, Na 2 S (sodium sulfide), K 2 S, Rb 2 S, BeS, MgS, CaS, SrS, BaS, or the like can be used. You may use these in mixture of 2 or more types.
A compound that reduces the glass transition temperature (vitrification accelerator) may be added. Examples of the vitrification promoter include inorganic compounds such as Na 3 PO 4 , Na 4 SiO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 3 BO 3 , Na 3 AlO 3 , Na 3 CaO 3 , and Na 3 InO 3. .
さらに、下記式(2)で表わされる化合物を原料としてもよい。
MwXx…(2)
Mは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb,Bi又はこれらの組合せである。
Mは、好ましくは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、燐又はこれらの組合せであり、より好ましくは、ナトリウム、カリウム、燐又はこれらの組合せであり、さらに好ましくはナトリウム、燐又はこれらの組合せである。
wは0.5以上5以下、好ましくは0.5以上4以下、さらに好ましくは以上3以下であり、最も好ましくは1である。
Furthermore, a compound represented by the following formula (2) may be used as a raw material.
M w X x (2)
M is sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, radium, B, Al, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb, Bi Or a combination of these.
M is preferably sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, radium, phosphorus or combinations thereof, more preferably sodium, potassium, phosphorus or combinations thereof. More preferably sodium, phosphorus or a combination thereof.
w is 0.5 or more and 5 or less, preferably 0.5 or more and 4 or less, more preferably 3 or less, and most preferably 1.
Xはハロゲン元素、ハロゲン元素の組合せであってもよく、好ましくは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素であり、より好ましくは塩素、臭素、ヨウ素であり、さらに好ましくは塩素、臭素である。
xは1以上10以下の整数から選ばれる任意の整数であり、好ましくは0.5以上6以下の整数から選ばれる任意の整数であり、より好ましくは1以上5以下の整数から選ばれる任意の整数であり、最も好ましくは、1又は3である。
X may be a halogen element or a combination of halogen elements, preferably fluorine, chlorine, bromine or iodine, more preferably chlorine, bromine or iodine, still more preferably chlorine or bromine.
x is an arbitrary integer selected from an integer of 1 to 10, preferably an integer of 0.5 to 6, more preferably an integer of 1 to 5 It is an integer, most preferably 1 or 3.
例えば、ハロゲン化ナトリウム(NaI,NaBr,NaCl,NaF等),ハロゲン化燐(PBr3,PCl3、PCl5、P2Cl4、PI3、P2I4,PF5、PF3等)AlF3,AlBr3,AlI3,AlCl3,SiF4,SiCl4,SiCl3,Si2Cl6,SiBr4,SiBrCl3,SiBr2Cl2,SiI4,POCl3,POBr3,SF2,SF4,SF6,S2F10,SCl2,S2Cl2,S2Br2,GeF4,GeCl4,GeBr4,GeI4,GeF2,GeCl2,GeBr2,GeI2,AsF3,AsCl3,AsBr3,AsI3,AsF5,SeF4,SeF6,SeCl2,SeCl4,Se2Br2,SeBr4,SnF4,SnCl4,SnBr4,SnI4,SnF2,SnCl2,SnBr2,SnI2,SbF3,SbCl3,SbBr3,SbI3,SbF5,SbCl5,PbF4,PbCl4,PbF2,PbCl2,PbBr2,PbI2,BiF3,BiCl3,BiBr3,BiI3,TeF4,Te2F10,TeF6,TeCl2,TeCl4,TeBr2,TeBr4,TeI4、等が挙げられ、好ましくは、ハロゲン化ナトリウム(NaI,NaBr,NaCl,NaF等),ハロゲン化燐(PBr3,PCl3、PCl5、P2Cl4,、PI3、P2I4,PF5,、PF3等)であり、さらに好ましくは、NaBr,NaCl、PBr3、PCl3である。
For example, sodium halide (NaI, NaBr, NaCl, NaF, etc.), phosphorus halide (PBr 3 , PCl 3 , PCl 5 , P 2 Cl 4 , PI 3 , P 2 I 4 , PF 5 , PF 3 etc.) AlF 3 , AlBr 3 , AlI 3 , AlCl 3 , SiF 4 , SiCl 4 , SiCl 3 , Si 2 Cl 6 , SiBr 4 , SiBrCl 3 , SiBr 2 Cl 2 , SiI 4 , POCl 3 , POBr 3 F, SF 2 S 4 , SF 6 , S 2 F 10 , SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2 , GeF 4 , GeCl 4 , GeBr 4 , GeI 4 , GeF 2 , GeCl 2 , GeBr 2 , GeI 2 , AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 , AsI 3 , AsF 5 , SeF 4 , SeF 6 , SeCl 2 , SeCl 4 , Se 2 Br 2, SeBr 4, SnF 4 , SnCl 4, SnBr 4, SnI 4, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2, SbF 3, SbCl 3, SbBr 3, SbI 3, SbF 5, SbCl 5, PbF 4 , PbCl 4, PbF 2, PbCl 2, PbBr 2, PbI 2, BiF 3, BiCl 3, BiBr 3, BiI 3, TeF 4, Te 2
(ii)非晶質の製造方法
以下、原料として硫化ナトリウムと五硫化二リンを用いた固体電解質(ガラス)の製造方法について説明する。
硫化ナトリウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、例えば60:40〜90:10、好ましくは65:35〜85:15又は70:30〜90:10であり、より好ましくは67:33〜83:17又は72:28〜88:12であり、さらに好ましくは67:33〜80:20又は74:26〜86:14である。特に好ましくは、70:30〜80:20又は75:25〜85:15である。最も好ましくは、硫化ナトリウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、72:28〜78:22、又は77:23〜83:17である。
上記原料を用いて、以下の方法で固体電解質(ガラス)を製造できる。
(Ii) Amorphous Production Method Hereinafter, a method for producing a solid electrolyte (glass) using sodium sulfide and diphosphorus pentasulfide as raw materials will be described.
The ratio (molar ratio) of sodium sulfide to diphosphorus pentasulfide is, for example, 60:40 to 90:10, preferably 65:35 to 85:15 or 70:30 to 90:10, and more preferably 67:33. It is -83: 17 or 72: 28-88: 12, More preferably, it is 67: 33-80: 20 or 74: 26-86: 14. Most preferably, it is 70: 30-80: 20 or 75: 25-85: 15. Most preferably, the ratio (molar ratio) between sodium sulfide and diphosphorus pentasulfide is 72:28 to 78:22, or 77:23 to 83:17.
A solid electrolyte (glass) can be produced by the following method using the above raw materials.
(ア)溶融急冷法
溶融急冷法は、P2S5とNa2Sとを所定量混合し、所定温度で反応させた後、急速に冷却することにより固体電解質(ガラス)を得る方法である。
例えば、乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは10〜10000K/secである。
(A) Melting and quenching method The melting and quenching method is a method in which a predetermined amount of P 2 S 5 and Na 2 S are mixed, reacted at a predetermined temperature, and then rapidly cooled to obtain a solid electrolyte (glass). .
For example, a mixture of pellets in a mortar is placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, the solid electrolyte (glass) is obtained by putting it in ice and quenching.
The reaction temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
The reaction time is preferably 0.1 hour to 12 hours, more preferably 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 10 to 10,000 K / sec.
(イ)メカニカルミリング法(MM法)
MM法は、P2S5とLi2Sとを所定量混合し、機械的なエネルギーを与えることにより固体電解質(ガラス)を得る方法である。
機械的なエネルギーを与える方法は特に問わないが、例えば、各種ボールミルを例示することができる。
例えば、P2S5とNa2Sとを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応させることができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成の固体電解質(ガラス)を得ることができるという利点がある。
また、MM法では固体電解質(ガラス)の製造と同時に、微粉末化できるという利点もある。
MM法には、回転ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等種々の形式を用いることができる。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
また、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。
また、MM処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
MM処理時の原料温度が、60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
(B) Mechanical milling method (MM method)
The MM method is a method of obtaining a solid electrolyte (glass) by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S and applying mechanical energy.
A method for applying mechanical energy is not particularly limited, and various ball mills can be exemplified.
For example, a solid electrolyte (glass) can be obtained by mixing P 2 S 5 and Na 2 S in a predetermined amount in a mortar and reacting them for a predetermined time using, for example, various ball mills.
The MM method using the above raw materials can be reacted at room temperature. Therefore, there is an advantage that a solid electrolyte (glass) having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of the raw material.
Further, the MM method has an advantage that it can be finely powdered simultaneously with the production of the solid electrolyte (glass).
Various types such as a rotating ball mill, a rolling ball mill, a vibrating ball mill, and a planetary ball mill can be used for the MM method.
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
The balls of the ball mill may be used by mixing balls having different diameters.
Moreover, you may adjust the temperature in the mill in the case of MM processing.
It is preferable that the raw material temperature during the MM treatment be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower.
(ウ)固相法
固相法は、原料を混合し所定温度で加熱することにより固体電解質(ガラス)を得る方法である。具体的には、P2S5とNa2Sとを所定量乳鉢にて混合し、100〜900℃の温度で加熱することにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
(C) Solid phase method The solid phase method is a method of obtaining a solid electrolyte (glass) by mixing raw materials and heating at a predetermined temperature. Specifically, a predetermined amount of P 2 S 5 and Na 2 S are mixed in a mortar and heated at a temperature of 100 to 900 ° C., whereby a solid electrolyte (glass) is obtained.
(エ)湿式メカニカルミリング法(湿式MM法)
原料を炭化水素系溶媒中でメカニカルミリング処理して製造する方法である。
(D) Wet mechanical milling method (wet MM method)
In this method, the raw material is manufactured by mechanical milling in a hydrocarbon solvent.
炭化水素系溶媒としては、飽和炭化水素、不飽和炭化水素又は芳香族炭化水素が使用できる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
炭化水素系溶媒としては、トルエン、キシレンが好ましい。
As the hydrocarbon solvent, saturated hydrocarbon, unsaturated hydrocarbon, or aromatic hydrocarbon can be used.
Examples of the saturated hydrocarbon include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, and cyclohexane.
Examples of the unsaturated hydrocarbon include hexene, heptene, cyclohexene and the like.
Aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, decalin, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and the like.
As the hydrocarbon solvent, toluene and xylene are preferable.
炭化水素系溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましい。具体的には、水分含有量として100重量ppm以下が好ましく、特に30重量ppm以下が好ましい。 The hydrocarbon solvent is preferably dehydrated in advance. Specifically, the water content is preferably 100 ppm by weight or less, particularly preferably 30 ppm by weight or less.
尚、必要に応じて炭化水素系溶媒に他の溶媒を添加してもよい。具体的には、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類等、ジクロロメタン、クロロベンゼン、フッ化ヘプタン、フッ化ベンゼン2,3‐ジハイドロパーフルオロペンタン、1,1,2,2,3,3,4‐ヘプタフルオロシクロペンタン等のフッ素系化合物等のハロゲン化炭化水素が挙げられる。 In addition, you may add another solvent to a hydrocarbon type solvent as needed. Specifically, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as ethanol and butanol, esters such as ethyl acetate, dichloromethane, chlorobenzene, heptane fluoride, fluorinated benzene 2,3- Halogenated hydrocarbons such as fluorine-based compounds such as dihydroperfluoropentane and 1,1,2,2,3,3,4-heptafluorocyclopentane.
炭化水素系溶媒の量は、原料が、溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は0.01Kg以上1Kg以下程度となる。 The amount of the hydrocarbon-based solvent is preferably such that the raw material becomes a solution or slurry by the addition of the solvent. Usually, the amount of the raw material (total amount) added to 1 liter of solvent is about 0.01 kg to 1 kg.
メカニカルミリング処理には、種々の形式の粉砕法を用いることができる。遊星型ボールミル、ビーズミルが好ましい。 Various types of grinding methods can be used for the mechanical milling treatment. A planetary ball mill and a bead mill are preferred.
メカニカルミリング処理の回転速度及び回転時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス状電解質の生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラス状電解質ヘの原料の転化率は高くなる。
例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を250回転/分以上300回転/分以下とし、5分以上50時間以下処理すればよい。
The rotation speed and rotation time of the mechanical milling treatment are not particularly limited, but the higher the rotation speed, the higher the glassy electrolyte generation rate, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material into the glassy electrolyte.
For example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be 250 rpm / min to 300 rpm / min, and the treatment may be 5 minutes to 50 hours.
この方法では、炭化系水素溶媒の存在下でメカニカルミリング処理するため、処理時間を短縮できる。室温から200℃まで必要に応じて加熱してもよい。 In this method, since the mechanical milling process is performed in the presence of the hydrocarbon solvent, the processing time can be shortened. You may heat from room temperature to 200 degreeC as needed.
(オ)スラリー法
原料に、炭化水素系溶媒中で力学的なエネルギーを与える力学的なエネルギー供与手段と、原料を、炭化水素系溶媒中で接触させる接触手段と、前記力学的なエネルギー供与手段と前記接触手段を連結する連結手段と、前記連結手段を通して、原料及び/又は原料の反応物を前記力学的なエネルギー供与手段と接触手段との間を循環させる循環手段とを備える製造装置を用いて固体電解質を製造する方法である。炭化水素系溶媒は、上記と同様のものが使用できる。
(E) Slurry method Mechanical energy supply means for imparting dynamic energy to the raw material in a hydrocarbon solvent, contact means for bringing the raw material into contact with the hydrocarbon solvent, and the dynamic energy supply means And a connecting means for connecting the contacting means, and a circulating means for circulating the raw material and / or reactants of the raw material between the mechanical energy supply means and the contacting means through the connecting means. This is a method for producing a solid electrolyte. As the hydrocarbon solvent, the same solvents as described above can be used.
図1は、この方法で使用できる製造装置の一例を示す図である。
この装置1を用いて、固体電解質を製造するときは、炭化水素系溶媒と原料を、粉砕機10と温度保持槽20にそれぞれ供給する。ヒータ30には温水(HW)が入り排出される(RHW)。ヒータ30により粉砕機10内の温度を保ちながら、原料を炭化水素系溶媒中で粉砕しつつ反応させて固体電解質を合成する。オイルバス40により温度保持槽20内の温度を保ちながら、原料を炭化水素系溶媒中で反応させて固体電解質を合成する。温度保持槽20内の温度は温度計(Th)で測定する。このとき、撹拌翼24をモータ(M)により回転させて反応系を撹拌し、原料と溶媒からなるスラリーが沈殿しないようにする。冷却管26には冷却水(CW)が入り排出される(RCW)。冷却管26は、容器22内の気化した溶媒を冷却して液化し、容器22内に戻す。粉砕機10と温度保持槽20で固体電解質を合成する間、ポンプ54により、反応中の原料は連結管50,52を通って、粉砕機10と温度保持槽20の間を循環する。粉砕機10に送り込まれる原料と溶媒の温度は、粉砕機10前の第2の連結管に設けられた温度計(Th)で測定する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a manufacturing apparatus that can be used in this method.
When manufacturing a solid electrolyte using this apparatus 1, a hydrocarbon solvent and a raw material are supplied to the pulverizer 10 and the
粉砕機10として、例えば、回転ミル(転動ミル)、揺動ミル、振動ミル、ビーズミルを挙げることができる。原料を細かく粉砕できる点でビーズミルが好ましい。粉砕機がボールを含むとき、ボールはジルコニウム製、強化アルミナ製、アルミナ製が好ましい。 Examples of the pulverizer 10 include a rotary mill (rolling mill), a swing mill, a vibration mill, and a bead mill. A bead mill is preferable in that the raw material can be finely pulverized. When the pulverizer includes balls, the balls are preferably made of zirconium, reinforced alumina, or alumina.
また、粉砕機10から温度保持槽20へのボールの混合を防ぐため、必要に応じて粉砕機10又は第1の連結管50にボールと原料及び溶媒を分離するフィルタを設けてもよい。
Moreover, in order to prevent mixing of the ball | bowl from the
粉砕機での粉砕温度は、通常20℃以上80℃以下、好ましくは20℃以上60℃以下である。容器22内の反応温度は、通常60℃以上300℃以下、好ましくは80℃以上200℃以下である。 The pulverization temperature in the pulverizer is usually 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. The reaction temperature in the container 22 is usually 60 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
炭化系水素溶媒の量は、原料が、溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、溶媒1kgに対する原料(合計量)の添加量は0.03Kg以上1Kg以下程度となる。 The amount of the hydrocarbon-based solvent is preferably such that the raw material becomes a solution or slurry by the addition of the solvent. Usually, the amount of raw material (total amount) added to 1 kg of solvent is about 0.03 kg to 1 kg.
(カ)改良スラリー法
原料を炭化水素系溶媒中で接触させて製造する方法である。炭化水素系溶媒は、上記と同様のものが使用できる。
(F) Improved slurry method
In this method, the raw material is contacted in a hydrocarbon solvent. As the hydrocarbon solvent, the same solvents as described above can be used.
炭化水素系溶媒の量は、原料が、溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は0.001Kg以上1Kg以下程度となる。 The amount of the hydrocarbon-based solvent is preferably such that the raw material becomes a solution or slurry by the addition of the solvent. Usually, the addition amount of the raw material (total amount) with respect to 1 liter of solvent is about 0.001 kg to 1 kg.
原料を炭化水素系溶媒中で接触させる方法は、特に限定されない。例えば、撹拌装置を有する容器内で、原料と炭化水素系溶媒の混合物を撹拌させる方法が挙げられる。接触時に撹拌することが好ましい。
接触(反応)工程時の温度は、通常、50℃以上300℃以下であり、好ましくは60℃以上250℃以下であり、より好ましくは70℃以上200℃以下である。
また、接触工程時の時間は、通常、5分以上200時間以下、好ましくは、10分以上100時間以下である。
尚、温度や時間は、いくつかの条件をステップにして組み合わせてもよい。例えば、接触開始から1時間は100℃で接触させ、1時間後10時間の間は150℃で加熱するなどである。
The method for contacting the raw material in the hydrocarbon solvent is not particularly limited. For example, the method of stirring the mixture of a raw material and a hydrocarbon-type solvent in the container which has a stirring apparatus is mentioned. It is preferable to stir at the time of contact.
The temperature during the contact (reaction) step is usually 50 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, more preferably 70 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
Moreover, the time at the time of a contact process is 5 minutes or more and 200 hours or less normally, Preferably, they are 10 minutes or more and 100 hours or less.
Note that the temperature and time may be combined using several conditions as steps. For example, contact is made at 100 ° C. for 1 hour from the start of contact, and heating is carried out at 150 ° C. for 10 hours after 1 hour.
接触工程は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で実施することが好ましい。不活性ガスの露点は−20℃以下が好ましく、特に好ましくは−40℃以下である。圧力は、通常、常圧〜100MPaであり、好ましくは常圧〜20MPaである。 The contacting step is preferably carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. The dew point of the inert gas is preferably −20 ° C. or less, particularly preferably −40 ° C. or less. The pressure is usually normal pressure to 100 MPa, preferably normal pressure to 20 MPa.
(iii)結晶化方法
固体電解質(ガラスセラミックス)は、上記固体電解質(ガラス)(硫化物ガラス)を加熱処理することにより得られる。加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。
加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。
雰囲気は、空気中であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
さらに、溶媒中(例えば、炭化水素系有機溶媒、炭化水素系有機溶媒は上記と同様である。)で加熱してもよい。
加熱温度は、好ましくは、固体電解質(ガラス)のガラス転移温度(Tg)以上、電解質前駆体1の結晶化温度(Tc)+100℃以下であることが好ましい。加熱温度が固体電解質(ガラス)のTg未満の場合、製造時間が非常に長くなるおそれがある。一方、(Tc+100℃)を超えると、得られる固体電解質(ガラスセラミックス)中に不純物等が含まれる場合があり、イオン伝導度が低下するおそれがある。
加熱温度は、より好ましくは、(Tg+5℃)以上、(Tc+90℃)以下、さらに好ましくは、(Tg+10℃)以上、(Tc+80℃)以下である。
例えば、加熱温度は、150℃以上360℃以下であり、好ましくは160℃以上350℃以下であり、より好ましくは180℃以上310℃以下であり、さらに好ましくは180℃以上290℃以下であり、特に好ましくは190℃以上270℃以下である。また、熱物性中に2つの温度ピークがある場合は低温側のピーク温度をこの場合のTcとし、低温側のTcと高温側の第二結晶化ピークと(Tc2)の間で熱処理することが好ましい。
(Iii) Crystallization method A solid electrolyte (glass ceramic) can be obtained by heat-treating the solid electrolyte (glass) (sulfide glass). Heating is preferably performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower, more preferably in an environment with a dew point of −60 ° C. or lower.
The pressure at the time of heating may be a normal pressure or a reduced pressure.
The atmosphere may be in the air or an inert atmosphere.
Furthermore, you may heat in a solvent (For example, a hydrocarbon type organic solvent and a hydrocarbon type organic solvent are the same as the above).
The heating temperature is preferably not less than the glass transition temperature (Tg) of the solid electrolyte (glass) and not more than the crystallization temperature (Tc) of the electrolyte precursor 1 + 100 ° C. or less. If the heating temperature is lower than the Tg of the solid electrolyte (glass), the production time may be very long. On the other hand, when it exceeds (Tc + 100 ° C.), impurities or the like may be contained in the obtained solid electrolyte (glass ceramic), and the ionic conductivity may be lowered.
The heating temperature is more preferably (Tg + 5 ° C.) or more and (Tc + 90 ° C.) or less, and further preferably (Tg + 10 ° C.) or more and (Tc + 80 ° C.) or less.
For example, the heating temperature is 150 ° C. or higher and 360 ° C. or lower, preferably 160 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or higher and 310 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or higher and 290 ° C. or lower, Especially preferably, it is 190 degreeC or more and 270 degrees C or less. Further, when there are two temperature peaks in the thermophysical property, the peak temperature on the low temperature side is defined as Tc in this case, and heat treatment is performed between Tc on the low temperature side and the second crystallization peak on the high temperature side (Tc2). preferable.
固体電解質(ガラス)の結晶化温度は、熱重量測定装置(メトラートレド社製TGA/DSC1)を使用し、固体電解質(ガラス)約20mgを10℃/分で測定する。尚、結晶化温度等は昇温速度等により変化することあり、熱処理する昇温速度に近い速度での測定でのTcを基準に選ぶ必要がある。 The crystallization temperature of the solid electrolyte (glass) is measured using a thermogravimetric apparatus (TGA / DSC1 manufactured by METTLER TOLEDO) and about 20 mg of the solid electrolyte (glass) at 10 ° C./min. It should be noted that the crystallization temperature or the like may change depending on the temperature rising rate or the like, and should be selected based on Tc measured at a rate close to the temperature rising rate for heat treatment.
加熱時間は、0.005分以上、10時間以下が好ましい。さらに好ましくは、0.005分以上、5時間以下であり、特に好ましくは、0.01分以上、3時間以下である。0.005分未満だと本発明の電解質に電解質前駆体が多く含まれることになり、イオン伝導度が低くなるおそれがある。10時間を越えると、本発明の固体電解質中に不純物等が発生する場合があり、イオン伝導度が低下するおそれがある。 The heating time is preferably 0.005 minutes or more and 10 hours or less. More preferably, it is 0.005 minutes or more and 5 hours or less, and particularly preferably 0.01 minutes or more and 3 hours or less. If it is less than 0.005 minutes, the electrolyte of the present invention contains a large amount of an electrolyte precursor, and the ionic conductivity may be lowered. If it exceeds 10 hours, impurities or the like may be generated in the solid electrolyte of the present invention, and the ionic conductivity may be lowered.
(3)平均粒子径
本発明の固体電解質粒子は、レーザー回折式粒度分布測定方法により測定される体積基準平均粒子径が0.01μm以上50μm以下である。
体積基準平均粒子径が0.01μm以上であれば、ハンドリング容易になり、体積基準平均粒子径が50μm以下であれば、この電解質粒子を用いて製造した電解質層と電極層の空孔を減らすことができるとともに、電極層での電極活物質とより多く接触することができる。エネルギー密度と出力密度を向上させた全固体電池を得ることができる。
(3) Average particle diameter The solid electrolyte particles of the present invention have a volume-based average particle diameter of 0.01 μm or more and 50 μm or less measured by a laser diffraction particle size distribution measuring method.
If the volume-based average particle diameter is 0.01 μm or more, handling becomes easy, and if the volume-based average particle diameter is 50 μm or less, the pores in the electrolyte layer and the electrode layer manufactured using the electrolyte particles are reduced. And more contact with the electrode active material in the electrode layer. An all-solid battery with improved energy density and power density can be obtained.
体積基準平均粒子径が0.05μm以上20μm以下であることが好ましく、体積基準平均粒子径が0.1μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。
また、体積基準平均粒子径は、2.5μm以下が好ましく、0.5μm以下が特に好ましい。体積基準平均粒子径がこのように小さいと、固体電解質粒子を含むスラリーを用いて層を形成するとき、均一の層を形成できる。
The volume-based average particle diameter is preferably 0.05 μm or more and 20 μm or less, and the volume-based average particle diameter is more preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
Further, the volume-based average particle diameter is preferably 2.5 μm or less, particularly preferably 0.5 μm or less. When the volume-based average particle diameter is so small, a uniform layer can be formed when the layer is formed using a slurry containing solid electrolyte particles.
レーザー回折式粒度分布測定方法により測定される90%の粒子の体積基準粒子径(Dp90)が100μm以下であることが好ましく、40μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることがさらに好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。 The volume reference particle diameter (Dp90) of 90 % of the particles measured by the laser diffraction particle size distribution measuring method is preferably 100 μm or less, more preferably 40 μm or less, and even more preferably 20 μm or less, Particularly preferably, it is 5 μm or less.
レーザー回折式粒度分布測定方法は、組成物を乾燥せずに粒度分布を測定することができ、組成物中の粒子群にレーザーを照射してその散乱光を解析することで粒度分布を測定することができる。
レーザー回折式粒度分布測定装置がMalvern Instruments Ltd社製マスターサイザー2000である場合の測定例は以下の通りである。
The laser diffraction particle size distribution measurement method can measure the particle size distribution without drying the composition, and measures the particle size distribution by irradiating a particle group in the composition with laser and analyzing the scattered light. be able to.
A measurement example in the case where the laser diffraction particle size distribution measuring device is a master sizer 2000 manufactured by Malvern Instruments Ltd. is as follows.
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン(和光純薬製、製品名:特級)110mlを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を6%添加する。ここで、トルエンに分散剤を添加するのは、固体電解質含有組成物内の「凝集している固体電解質粒子」を一次粒子にする(分散させる)ためではなく、測定する固体電解質含有組成物内の固体電解質粒子が凝集しないようにするためである。 First, 110 ml of dehydrated toluene (Wako Pure Chemicals, product name: special grade) was placed in the dispersion tank of the apparatus, and 6% of dehydrated tertiary butyl alcohol (Wako Pure Chemicals, special grade) was added as a dispersant. Added. Here, the addition of a dispersant to toluene is not to make the “aggregated solid electrolyte particles” in the solid electrolyte-containing composition primary particles (disperse), but in the solid electrolyte-containing composition to be measured. This is to prevent the solid electrolyte particles from aggregating.
上記混合物を十分混合した後、固体電解質含有組成物を添加して粒子径を測定する。固体電解質含有組成物の添加量は、マスターサイザー2000で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内(10〜20%)に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなるおそれがある。また、この範囲より少ないとSN比が悪くなり、正確な測定ができないおそれがある。マスターサイザー2000では、固体電解質含有組成物の添加量に基き、レーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度に入る添加量を見つけるとよい。
固体電解質含有組成物の添加量は組成物の濃度によって最適量は異なるが、概ね10μL〜200μL程度である。
After sufficiently mixing the mixture, the solid electrolyte-containing composition is added and the particle size is measured. The amount of the solid electrolyte-containing composition added is adjusted so that the laser scattering intensity corresponding to the particle concentration falls within the specified range (10 to 20%) on the operation screen specified by Mastersizer 2000. If this range is exceeded, multiple scattering may occur, and an accurate particle size distribution may not be obtained. On the other hand, when the amount is less than this range, the SN ratio is deteriorated, and there is a possibility that accurate measurement cannot be performed. In Mastersizer 2000, the laser scattering intensity is displayed on the basis of the addition amount of the solid electrolyte-containing composition. Therefore, it is preferable to find the addition amount that falls within the laser scattering intensity.
Although the optimum amount of the solid electrolyte-containing composition varies depending on the concentration of the composition, it is generally about 10 μL to 200 μL.
[組成物]
本発明の組成物は、上記の固体電解質粒子を含む。さらに溶媒及び/又はニトリル化合物を含むことができる。
[Composition]
The composition of this invention contains said solid electrolyte particle. Furthermore, a solvent and / or a nitrile compound can be included.
本発明の組成物は、上記の体積基準平均粒子径を有する固体電解質粒子を含むため、これを用いて製造した電池の性能が向上する。また、溶媒を含んだスラリー(組成物)の状態を保ち易く、扱いやすい。 Since the composition of this invention contains the solid electrolyte particle which has said volume reference | standard average particle diameter, the performance of the battery manufactured using this improves. Moreover, it is easy to maintain the state of the slurry (composition) containing the solvent, and it is easy to handle.
本発明の固体電解質粒子を含む組成物では、沈降容積分率が、好ましくは20%以上95%以下であり、より好ましくは30%以上90%以下であり、さらに好ましくは50%以上90%以下であり、最も好ましくは50%以上80%以下である。 In the composition containing the solid electrolyte particles of the present invention, the sedimentation volume fraction is preferably 20% or more and 95% or less, more preferably 30% or more and 90% or less, and further preferably 50% or more and 90% or less. And most preferably 50% or more and 80% or less.
上記沈降容積分率は、「固体電解質粒子が沈降した容積/全スラリー容積×100」で表わされ、一次粒子の凝集状態に関係する指標である。沈降容積分率が20%未満の場合、粉砕エネルギーが凝集体の再粉砕に使われるために、微粒化が十分に行われないおそれがあるほか、固体電解質粒子を含む組成物をバーコート法等により塗布する場合に、一部にしか固体電解質膜を形成する事ができず、均一な膜を形成することができないおそれがある。一方、沈降容積分率が95%超の場合、組成物を乾燥して固体電解質粉体を得る時や固体電解質膜を得る場合に、溶媒の乾燥が十分に行われなくなるおそれがある。
沈降容積分率は、後述する実施例に記載の方法で評価できる。
The sedimentation volume fraction is expressed by “volume of solid electrolyte particles settled / total slurry volume × 100”, and is an index related to the aggregation state of primary particles. If the sedimentation volume fraction is less than 20%, the pulverization energy is used to re-agglomerate the agglomerates, so there is a risk that the atomization will not be sufficiently performed. When the coating is applied, the solid electrolyte membrane can be formed only in part, and there is a possibility that a uniform membrane cannot be formed. On the other hand, when the sedimentation volume fraction exceeds 95%, the solvent may not be sufficiently dried when the composition is dried to obtain a solid electrolyte powder or a solid electrolyte membrane.
The sedimentation volume fraction can be evaluated by the method described in Examples described later.
(1)溶媒
溶媒は好ましくは有機溶媒であり、より好ましくは固体電解質と反応性の少ない炭化水素系有機溶媒である。
炭化水素系有機溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン、デカリン等が挙げられる。塗布形成後の乾燥工程を考慮した場合、沸点が低いヘキサン、トルエン及びキシレンが好適に使用できる。
また、溶媒はニトリル化合物であってもよい。ニトリル化合物については後述する。
(1) Solvent The solvent is preferably an organic solvent, more preferably a hydrocarbon-based organic solvent that is less reactive with the solid electrolyte.
Examples of the hydrocarbon organic solvent include hexane, heptane, cyclohexane, toluene, xylene, decalin and the like. In consideration of the drying process after the formation of the coating, hexane, toluene and xylene having a low boiling point can be preferably used.
The solvent may be a nitrile compound. The nitrile compound will be described later.
本発明の組成物は、好ましくは固体電解質粒子と溶媒を5:95〜50:50(重量比)で含み、より好ましくは5:95〜5:30(重量比)で含む。
固体電解質粒子の含有量が少ない5:95(重量比)未満では、後述する製造方法において、固体電解質の粉砕量が少ないために製造の効率が悪くなるおそれがあり、50:50超では、組成物スラリーの粘度が増大して、移送等の点で取扱いにくくなるおそれがある。
The composition of the present invention preferably contains solid electrolyte particles and a solvent in a ratio of 5:95 to 50:50 (weight ratio), more preferably 5:95 to 5:30 (weight ratio).
If the solid electrolyte particle content is less than 5:95 (weight ratio), in the production method described later, the amount of pulverization of the solid electrolyte may be small, and the production efficiency may be deteriorated. There is a risk that the viscosity of the product slurry will increase and it will be difficult to handle in terms of transfer and the like.
(2)ニトリル化合物
本発明の組成物は、溶媒としてニトリル化合物を含むことができ、また、溶媒がニトリル化合物でない場合には、好ましくはさらにニトリル化合物を含む。ニトリル化合物を含むと固体電解質粒子がよく分散する。
(2) Nitrile Compound The composition of the present invention can contain a nitrile compound as a solvent. When the solvent is not a nitrile compound, it preferably further contains a nitrile compound. When the nitrile compound is included, the solid electrolyte particles are well dispersed.
ニトリル化合物は、例えば下記式で表わされる化合物である。
R−CN
(式中、Rは、炭素数が1以上10以下のアルキル基、環形成炭素数が3以上10以下のシクロアルキル基、又は環形成炭素数が6以上18以下の芳香族環を有する基であり、好ましくは分岐した構造を有する炭素数3以上6以下のアルキル基であり、より好ましくは分岐した構造を有する炭素数3以上5以下のアルキル基である。)
A nitrile compound is a compound represented, for example by a following formula.
R-CN
(In the formula, R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 ring carbon atoms, or a group having an aromatic ring having 6 to 18 ring carbon atoms. Yes, preferably an alkyl group having 3 to 6 carbon atoms having a branched structure, and more preferably an alkyl group having 3 to 5 carbon atoms having a branched structure.
上記ニトリル化合物としては、例えばアセトニトリル、ベンゾニトリル、ターシャルブチロニトリル、イソブチロニトリル等が挙げられ、好ましくはイソブチロニトリルである。 Examples of the nitrile compound include acetonitrile, benzonitrile, tertiary butyronitrile, isobutyronitrile, and the like, preferably isobutyronitrile.
溶媒(ニトリル化合物ではない)とニトリル化合物を含む場合、好ましくはニトリル化合物と溶媒を0.1:99.9〜50:50(重量比)で含み、より好ましくは1:99〜30:70(重量比)で含み、さらに好ましくは3:97〜15:85(重量比)で含む。
ニトリル化合物の含有量が少ない0.1:99.9(重量比)未満では、固体電解質粒子の分散効果が低くなるおそれがあり、ニトリル化合物の含有量が多い50:50超では、固体電解質粒子の分散効果が向上しないおそれがある。
When a solvent (not a nitrile compound) and a nitrile compound are included, the nitrile compound and the solvent are preferably included at 0.1: 99.9 to 50:50 (weight ratio), more preferably 1:99 to 30:70 ( (Weight ratio), more preferably 3:97 to 15:85 (weight ratio).
If the content of the nitrile compound is small and less than 0.1: 99.9 (weight ratio), the dispersion effect of the solid electrolyte particles may be reduced. If the content of the nitrile compound is large and more than 50:50, the solid electrolyte particles There is a possibility that the dispersion effect of the material is not improved.
[製造方法]
本発明の固体電解質粒子及び本発明の組成物の製造方法は特に問わないが、例えば、粒径が大きな固体電解質粒子を、溶媒を含む組成物中で粉砕することで製造することができる。また、粒径が大きな固体電解質粒子を、ニトリル化合物と溶媒を含む組成物中で粉砕することで製造することができる。
また、粒径が大きな固体電解質粒子に溶媒を添加せずに粉砕することにより製造することもできる。
[Production method]
Although the manufacturing method of the solid electrolyte particle of this invention and the composition of this invention is not ask | required in particular, For example, it can manufacture by grind | pulverizing the solid electrolyte particle with a large particle size in the composition containing a solvent. Moreover, it can manufacture by grind | pulverizing the solid electrolyte particle with a large particle size in the composition containing a nitrile compound and a solvent.
Moreover, it can also manufacture by grind | pulverizing a solid electrolyte particle with a large particle size, without adding a solvent.
粉砕する固体電解質粒子の組成及び構造、ニトリル化合物、溶媒、並びにこれらの混合比(重量比)は、上記と同様である。
尚、特にニトリル化合物の溶媒に対する含有量が少ない、ニトリル化合物:溶媒=0.1:99.9(重量比)未満の場合、分散中の固体電解質粒子の凝集を防止できないおそれがあり、固体電解質粒子の微粒化ができないおそれがある。
The composition and structure of the solid electrolyte particles to be pulverized, the nitrile compound, the solvent, and the mixing ratio (weight ratio) thereof are the same as described above.
In particular, when the content of the nitrile compound with respect to the solvent is small, and the nitrile compound: solvent = less than 0.1: 99.9 (weight ratio), the aggregation of the solid electrolyte particles during dispersion may not be prevented, and the solid electrolyte There is a possibility that the particles cannot be atomized.
固体電解質粒子の粉砕方法は特に制限されないが、例えば粉砕機を用いて固体電解質粒子を粉砕する。
上記粉砕機としては、好ましくはボールミル、ビーズミル、ウォータジェットミル、ホモジナイザー等であり、より好ましくはボールミル、ビーズミル等の反応容器の内部にボール又はビーズを備える装置である。
The method for pulverizing the solid electrolyte particles is not particularly limited. For example, the solid electrolyte particles are pulverized using a pulverizer.
The pulverizer is preferably a ball mill, a bead mill, a water jet mill, a homogenizer, or the like, and more preferably an apparatus including balls or beads inside a reaction vessel such as a ball mill or a bead mill.
粉砕する固体電解質粒子の平均粒径は、ビーズミル等で効率的に粉砕可能な粒径が、通常、用いるビーズ等の径の10分の1以下であることから、ビーズ等のボールの径の10分の1以下であることが好ましい。従って、一般的にビーズミル等では1mm〜0.1mmの径のビーズ等が使用されるため、粉砕する固体電解質粒子の平均粒径は好ましくは100μm以下である。
尚、ビーズミル等での粉砕は、必要に応じて粒径の異なるビーズ等を併用した多段式粉砕を用いることが好ましい。
The average particle diameter of the solid electrolyte particles to be pulverized is 10% or less of the diameter of the ball such as beads because the particle diameter that can be efficiently pulverized by a bead mill or the like is usually one tenth or less of the diameter of the beads to be used. It is preferable that it is 1 or less. Accordingly, since beads having a diameter of 1 mm to 0.1 mm are generally used in a bead mill or the like, the average particle diameter of the solid electrolyte particles to be pulverized is preferably 100 μm or less.
In addition, it is preferable to use the multistage grinding | pulverization which uses together the bead etc. from which a particle size differs as needed for the grinding | pulverization by a bead mill.
本発明の固体電解質粒子は、電解質層に好適に用いることができ、活物質と混合して電極層(正極層及び/又は負極層)に好適に用いることもできる。
本発明の電解質微粒子を用いることにより、電解質層及び電極層を非常に薄くすることができ、電解質層自体のイオン伝導性を高めることができる。例えば本発明の電解質微粒子を含む電解質層及び電極層の膜厚は、10μm以下とすることができる。
The solid electrolyte particles of the present invention can be suitably used for an electrolyte layer, and can also be suitably used for an electrode layer (positive electrode layer and / or negative electrode layer) by mixing with an active material.
By using the electrolyte fine particles of the present invention, the electrolyte layer and the electrode layer can be made very thin, and the ionic conductivity of the electrolyte layer itself can be increased. For example, the thickness of the electrolyte layer and electrode layer containing the electrolyte fine particles of the present invention can be 10 μm or less.
[電解質層]
本発明の電解質層は、上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を含む、または、上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を用いて製造する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer of the present invention includes the solid electrolyte particles and / or the composition described above, or is manufactured using the solid electrolyte particles and / or the composition described above.
電解質層の厚さは1〜500μmの範囲であることが好ましい。より好ましくは、3〜300μmである。特に好ましくは、5〜100μmである。 The thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 1 to 500 μm. More preferably, it is 3-300 micrometers. Most preferably, it is 5-100 micrometers.
本発明の電解質層は、本発明の組成物を用いて製造することができ、例えば本発明の組成物を静電スクリーン印刷又は静電スプレー印刷して乾燥することによって製造できる。 The electrolyte layer of the present invention can be produced by using the composition of the present invention, and for example, can be produced by drying the composition of the present invention by electrostatic screen printing or electrostatic spray printing.
電解質層の製造に用いる組成物は、さらにバインダーを含んでもよい。
バインダーは、特に問わないが、例えば、フッ化ビニリデン系が好適であり、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリシロキ酸、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。
The composition used for manufacturing the electrolyte layer may further contain a binder.
The binder is not particularly limited, but for example, vinylidene fluoride is suitable, and polyvinylidene fluoride, polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polysiloxy acid, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer Examples include coalescence.
[電極層]
本発明の電極層は、上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を含む、又は上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を用いて製造する。
[Electrode layer]
The electrode layer of the present invention includes the above-described solid electrolyte particles and / or composition, or is manufactured using the above-described solid electrolyte particles and / or composition.
電極層の厚さは、電池の形状や用途に応じて適宜調整すればよく、1μm〜500μmであることが好ましい。より好ましくは、10〜300μmである。特に好ましくは、20〜150μmである。 What is necessary is just to adjust the thickness of an electrode layer suitably according to the shape and use of a battery, and it is preferable that they are 1 micrometer-500 micrometers. More preferably, it is 10-300 micrometers. Especially preferably, it is 20-150 micrometers.
(1)正極層
活物質が正極活物質である場合、ナトリウムイオンをドープかつ脱ドープすることができる化合物であればよく、無機化合物が好ましく用いることができる。
硫化物系では、硫黄(S)、硫化チタン(TiS2),硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS,FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が挙げられる。好ましくは、TiS2である。
酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)等が挙げられる。
(1) Positive electrode layer When the active material is a positive electrode active material, any compound that can dope and dedope sodium ions may be used, and an inorganic compound is preferably used.
Examples of the sulfide system include sulfur (S), titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like. It is done. TiS 2 is preferable.
Examples of the oxide system include bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), and vanadium oxide (V 6 O 13 ).
ナトリウム無機化合物では、NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2及びNaCoO2等のNaM1aO2で表される酸化物、Na0.44Mn1−aM1aO2で表される酸化物、Na0.7Mn1−aM1aO2.05で表される酸化物(M1は1種以上の遷移金属元素、0≦a<1)、Na6Fe2Si12O30及びNa2Fe5Si12O30等のNabM2cSi12O30で表される酸化物(M2は1種以上の遷移金属元素、2≦b≦6、2≦c≦5)、Na2Fe2Si6O18及びNa2MnFeSi6O18等のNadM3eSi6O18で表される酸化物(M3は1種以上の遷移金属元素、3≦d≦6、1≦e≦2)、Na2FeSiO6等のNafM4gSi2O6で表される酸化物(M4は遷移金属元素、Mg及びAlからなる群より選ばれる1種以上の元素、1≦f≦2、1≦g≦2)、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3等のリン酸塩;NaFeBO4、Na3Fe2(BO4)3等のホウ酸塩;Na3FeF6及びNa2MnF6等のNahM5F6で表されるフッ化物(M5は1種以上の遷移金属元素、2≦h≦3)等が挙げられる。
有機ジスルフィド化合物及びカーボンスルフィド化合物等を挙げることができる。
The inorganic sodium compound, NaFeO 2, NaMnO 2, NaNiO 2 and NaCoO oxide represented by NaM a O 2, such as 2, oxide represented by Na 0.44 Mn 1-a M1 a O 2, Na 0 .7 Mn 1-a M1 oxide represented by a O 2.05 (M1 is one or more transition metal elements, 0 ≦ a <1), Na 6 Fe 2 Si 12
Examples thereof include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
正極活物質は、上記の硫化物系と酸化物系を混合して用いることも可能である。また、上記硫化物系及び酸化物系の他に、セレン化ニオブ(NbSe3)も使用することができる。
正極活物質は、必要に応じて表面を酸化物、硫化物等でコート処理した正極活物質も好適に使用できる。
正極活物質の形状としては、粒子形状を挙げることができ、真球状叉は楕円球状であることが好ましい。また、粒子状である場合は、その平均粒径は、0.1〜100μmの範囲内であることが好ましい。この範囲を逸脱すると稠密な正極層が得られない場合がある。
より好ましくは、1〜50μmの範囲、特に好ましくは、1〜25μmの範囲である。
The positive electrode active material can be used by mixing the sulfide system and the oxide system. In addition to the above sulfides and oxides, niobium selenide (NbSe 3 ) can also be used.
As the positive electrode active material, a positive electrode active material whose surface is coated with an oxide, sulfide or the like can be suitably used as necessary.
Examples of the shape of the positive electrode active material include a particle shape, and are preferably spherical or elliptical. Moreover, when it is a particulate form, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1-100 micrometers. If it deviates from this range, a dense positive electrode layer may not be obtained.
More preferably, it is the range of 1-50 micrometers, Most preferably, it is the range of 1-25 micrometers.
正極層は、正極活物質と固体電解質との合材であることが好ましく、正極活物質の含有量は、50〜90重量%の範囲であることが好ましく、60〜80重量%の範囲内であることがより好ましい。 The positive electrode layer is preferably a mixture of a positive electrode active material and a solid electrolyte, and the content of the positive electrode active material is preferably in the range of 50 to 90% by weight, and in the range of 60 to 80% by weight. More preferably.
正極層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって適宜選択すればよいが、通常、1μm〜200μmの範囲であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode layer may be appropriately selected depending on the kind of the all-solid battery intended, but it is usually preferably in the range of 1 μm to 200 μm.
正極層に用いる固体電解質は、上記の固体電解質粒子のうちナトリウムイオン固体電解質ガラス、ナトリウムイオン固体電解質ガラスセラミック又はその混合物が好ましく、加圧・加熱し電池を成形する前は、ガラスである方がよい。 The solid electrolyte used for the positive electrode layer is preferably sodium ion solid electrolyte glass, sodium ion solid electrolyte glass ceramic or a mixture thereof among the above solid electrolyte particles, and is preferably glass before being pressed and heated to form a battery. Good.
また、正極層には、導電性物質を含有させてもよい。導電性物質としては、炭素材料、金属粉末、金属化合物等が挙げられ、好ましくは炭素材料が挙げられる。 Further, the positive electrode layer may contain a conductive substance. Examples of the conductive substance include a carbon material, a metal powder, a metal compound, and the like, and preferably a carbon material.
(2)負極層
活物質が負極活物質である場合、当該負極活物質は、ナトリウムイオンの挿入脱離が可能な電池分野において公知の負極活物質を使用できる。
具体的には、ナトリウム金属、ナトリウム合金、又は炭素材料を用いることができる。
ナトリウム合金としては、Na−Sn、Na−Zn、Na−Al等を挙げることができる。
炭素材料としては、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
(2) Negative electrode layer When the active material is a negative electrode active material, a negative electrode active material known in the field of batteries capable of inserting and releasing sodium ions can be used as the negative electrode active material.
Specifically, sodium metal, a sodium alloy, or a carbon material can be used.
Examples of the sodium alloy include Na—Sn, Na—Zn, and Na—Al.
Carbon materials include artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon fiber, vapor-phase growth Examples include carbon fiber, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or it may be a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
負極層は、負極活物質と固体電解質との合材であることが好ましく、負極活物質の含有量は、50〜90重量%の範囲であることが好ましく、60〜80重量%の範囲内であることがより好ましい。 The negative electrode layer is preferably a mixture of a negative electrode active material and a solid electrolyte, and the content of the negative electrode active material is preferably in the range of 50 to 90% by weight, and in the range of 60 to 80% by weight. More preferably.
負極層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって適宜選択すればよいが、通常、1μm〜200μmの範囲であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode layer may be appropriately selected depending on the kind of the all-solid battery intended, but it is usually preferably in the range of 1 μm to 200 μm.
負極層に用いる固体電解質は、上記の固体電解質粒子のうちナトリウムイオン固体電解質ガラス、ナトリウムイオン固体電解質ガラスセラミック又はその混合物が好ましく、加圧・加熱し電池を成形する場合には、ガラスである方がよい。 The solid electrolyte used for the negative electrode layer is preferably sodium ion solid electrolyte glass, sodium ion solid electrolyte glass ceramic or a mixture thereof among the above solid electrolyte particles, and is a glass in the case of forming a battery by pressurization and heating. Is good.
正極層と負極層は、さらにバインダーを含んでもよい。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、又はポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。 The positive electrode layer and the negative electrode layer may further contain a binder. As the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, Natural butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.
[電池]
本発明の電池は、上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を含む、又は上記の固体電解質粒子及び/又は組成物を用いて製造する、又は上記電解質層及び電極層の少なくとも1つを備える。
上記電解質層以外の電解質層は公知の電解質層(ポリマー電解質、非水系電解質等)を用いることができる。また、上記電極層以外の電極層は公知の電極層を用いることができ、例えば、上記活物質と電解質との合材を用いた電極がある。
[battery]
The battery of the present invention includes the solid electrolyte particles and / or the composition described above, or is produced using the solid electrolyte particles and / or the composition described above, or includes at least one of the electrolyte layer and the electrode layer.
As the electrolyte layer other than the electrolyte layer, a known electrolyte layer (polymer electrolyte, non-aqueous electrolyte, etc.) can be used. Moreover, a well-known electrode layer can be used for electrode layers other than the said electrode layer, for example, there exists an electrode using the compound material of the said active material and electrolyte.
実施例1
[固体電解質ガラス粗粒子1の製造]
Na2S(高純度化学研究所製)とP2S5(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。Na2S 25.72g(75モル%)とP2S5 24.288g(25モル%)を10mmφアルミナボールが175個入った500mlアルミナ製容器に入れ、さらに脱水トルエン(和光純薬社製)68mlを加え密閉した。上記の計量、添加、密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用した器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去した。また、脱水トルエンはカールフィッシャー法による水分測定で8.4ppmであった。
密閉したアルミナ製容器を、遊星型ボールミル(レッチェ社製PM400)にて室温下、290rpmで、18時間メカニカルミリング処理することで白黄色の粉末スラリー(クリーム状)を得た。
これをろ過・風乾後、160℃で2時間チューブヒータにより乾燥し、固体電解質ガラス粗粒子1(粉体)を得た。
Example 1
[Production of solid electrolyte glass coarse particles 1]
Na 2 S (manufactured by High Purity Chemical Laboratory) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were used as starting materials. Na 2 S 25.72 g (75 mol%) and P 2 S 5 24.288 g (25 mol%) are put in a 500 ml alumina container containing 175 10 mmφ alumina balls, and dehydrated toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 68 ml was added and sealed. The above weighing, addition and sealing operations were all carried out in the glove box, and all the used instruments were dehydrated in advance with a dryer. In addition, dehydrated toluene was 8.4 ppm as measured by the Karl Fischer method.
The sealed alumina container was mechanically milled at 290 rpm at room temperature with a planetary ball mill (PM400 manufactured by Lecce) for 18 hours to obtain a white-yellow powder slurry (cream).
This was filtered and air-dried, and then dried with a tube heater at 160 ° C. for 2 hours to obtain solid electrolyte glass coarse particles 1 (powder).
この操作を20回行い、800gの固体電解質ガラス粗粒子1を得た。
体積基準平均径は、110μmであった。体積基準平均径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(Malvern Instruments Ltd製、型番:マスターサイザー2000)で測定した。
この粉体のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行った結果、非晶質に由来するハローパターン以外にピークが観測されず固体電解質ガラスであることが確認された。
This operation was performed 20 times to obtain 800 g of solid electrolyte glass coarse particles 1.
The volume standard average diameter was 110 μm. The volume standard average diameter was measured with a laser diffraction type particle size distribution analyzer (manufactured by Malvern Instruments Ltd., model number: Mastersizer 2000).
As a result of X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54184) of this powder, no peak was observed other than the halo pattern derived from amorphous, and it was confirmed that the powder was solid electrolyte glass.
[固体電解質ガラスセラミック粗粒子1の製造]
上記固体電解質ガラス粗粒子(粉体)をグローボックス内、アルゴン雰囲気下でSUS製チューブに密閉し、280℃で2時間の加熱処理を行った。処理後の粉体のX線回折測定の結果、立方晶Na3PS4構造であることが確認され、固体電解質ガラスセラミック粗粒子1であることが判った。
体積基準平均径は、137μmであった。
この固体電解質ガラスセラミック粗粒子1のイオン伝導度は、2×10−4 S/cmであった。
[Production of solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1]
The solid electrolyte glass coarse particles (powder) were sealed in a SUS tube in a glow box under an argon atmosphere, and heat-treated at 280 ° C. for 2 hours. As a result of X-ray diffraction measurement of the treated powder, it was confirmed that the powder had a cubic Na 3 PS 4 structure, and it was found to be solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1.
The volume standard average diameter was 137 μm.
The ionic conductivity of the solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1 was 2 × 10 −4 S / cm.
尚、イオン伝導度の測定は、以下の方法で行った。
固体電解質を錠剤成形機に充填し、4〜6MPaの圧力を加えて成形体を得た。次いで、電極としてカーボンと固体電解質を重量比1:1で混合した合材を成形体の両面に配置し、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、伝導度測定用の成形体(直径10mm、厚み1mm)を作成した。この成形体について、交流インピーダンス測定によりイオン伝導度測定を実施した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
In addition, the measurement of ion conductivity was performed with the following method.
The solid electrolyte was filled in a tablet molding machine, and a molded body was obtained by applying a pressure of 4 to 6 MPa. Next, a mixture obtained by mixing carbon and a solid electrolyte at a weight ratio of 1: 1 as an electrode is placed on both sides of the molded body, and pressure is applied again with a tablet molding machine, thereby forming a molded body for conductivity measurement (
尚、上記の計量及び密閉作業は、すべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去して用いた。
得られた粗粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、原料Na2Sのピークは観測されず、固体電解質ガラスセラミックのXRDパターンであった。
The above weighing and sealing operations were all carried out in the glove box, and all the equipment used was previously used after removing moisture with a dryer.
As a result of X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54184) of the obtained coarse particles, the peak of the raw material Na 2 S was not observed, and it was an XRD pattern of the solid electrolyte glass ceramic.
[固体電解質粒子1の製造]
アシザワファインテック社製ビーズミルLMZ015に攪拌機付容器を連結し、得られた上記固体電解質ガラスセラミック粗粒子1を含むスラリーを、ポンプにより循環する方法で粉砕した。
具体的には、ビーズミルに0.5φZrO2ビーズを440g仕込み、攪拌機付容器に無水トルエン溶媒1031.9g、イソブチロニトリル102.1g、固体電解質ガラスセラミック粗粒子1を126.0gからなるスラリーを仕込んだ。スラリーを200mL/minで循環しながら、ミルの翼先端速度10m/srpmで2時間処理し、固体電解質粒子を含むスラリーを回収した。次に、ビーズミルのZrO2ビーズを0.1φZrO2ビーズに入れ換え、この回収した固体電解質粒子を含むスラリーを上記方法と同様にして再度処理し、固体電解質粒子1を含むスラリー得た。
[Production of solid electrolyte particles 1]
A container with a stirrer was connected to a bead mill LMZ015 manufactured by Ashizawa Finetech, and the resulting slurry containing the solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1 was pulverized by a method of circulating with a pump.
Specifically, 440 g of 0.5φZrO 2 beads are charged in a bead mill, and a slurry composed of 1031.9 g of anhydrous toluene solvent, 102.1 g of isobutyronitrile, and 126.0 g of solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1 is placed in a vessel equipped with a stirrer. Prepared. While circulating the slurry at 200 mL / min, the slurry was treated at a blade tip speed of 10 m / s rpm for 2 hours, and the slurry containing the solid electrolyte particles was recovered. Next, the ZrO 2 beads of the bead mill were replaced with 0.1φZrO 2 beads, and the recovered slurry containing the solid electrolyte particles was treated again in the same manner as described above to obtain a slurry containing the solid electrolyte particles 1.
得られた固体電解質粒子1の粒径を、上記のレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した結果、体積基準平均粒子径0.13μmであり、体積基準粒子径0.29μm以下の粒子が90%であった。
また、得られた固体電解質粒子1を含むスラリーをよく攪拌した後、24時間静置し、沈降容積分率(固体電解質粒子1が沈降した容積/全スラリー容積×100)を測定したところ、82%であった。加えて、得られたスラリーを用いてドクターブレード法にて、塗布膜(膜厚 70μm)を形成したところ、目視で均一な膜が得られた。結果を表1に示す。
As a result of measuring the particle size of the obtained solid electrolyte particles 1 with the laser diffraction particle size distribution measuring apparatus, the volume standard average particle size is 0.13 μm, and the volume standard particle size is 0.29 μm or less of 90%. Met.
Further, after the slurry containing the solid electrolyte particles 1 thus obtained was well stirred, the slurry was allowed to stand for 24 hours, and the sedimentation volume fraction (volume of solid electrolyte particles 1 sedimented / total slurry volume × 100) was measured. %Met. In addition, when a coating film (film thickness 70 μm) was formed by the doctor blade method using the obtained slurry, a uniform film was obtained visually. The results are shown in Table 1.
尚、上記沈降容積分率は、次のように測定した。
固体電解質粒子1を含むスラリーを攪拌しながら20ml抜き出し、メスシリンダーで全スラリー容積を測定した。スラリーをよく攪拌した後、24時間静置し、固体電解質粒子1が沈降した部分の容積を測定した。それぞれの値を用いて、固体電解質粒子1が沈降した容積/全スラリー容積×100から、沈降容積分率を求めた。全ての操作は、不活性ガス雰囲気下で行い、試料が大気に触れないように実施した。
The sedimentation volume fraction was measured as follows.
While stirring the slurry containing the
実施例2
固体電解質粒子1の製造において、無水トルエン溶媒の仕込み量を1088.6g、及びイソブチロニトリルの仕込み量を45.4gとした他は実施例1と同様にして、固体電解質粒子を含むスラリーを調製し、評価した。
Example 2
In the production of the solid electrolyte particles 1, a slurry containing solid electrolyte particles was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of anhydrous toluene solvent charged was 1088.6 g and the amount of isobutyronitrile charged was 45.4 g. Prepared and evaluated.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は0.32μmであり、体積基準粒子径1.12μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は50%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、目視で均一な膜が得られた。結果を表1に示す。 As a result, the volume-based average particle diameter of the obtained solid electrolyte particles was 0.32 μm, and the volume-based particle diameter of 1.12 μm or less was 90%. Moreover, the sedimentation volume fraction was 50%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a uniform film was obtained visually. The results are shown in Table 1.
実施例3
固体電解質粒子1の製造において、固体電解質ガラスセラミック粗粒子1の代わりに固体電解質ガラス粗粒子1を用いた他は実施例1と同様にして、固体電解質粒子を含むスラリーを調製し、評価した。
Example 3
In the production of the solid electrolyte particles 1, a slurry containing the solid electrolyte particles was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte glass coarse particles 1 were used instead of the solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径0.14μmであり、粒子径0.44μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は79%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、目視で均一な膜が得られた。結果を表1に示す。 As a result, the volume-based average particle diameter of the obtained solid electrolyte particles was 0.14 μm, and 90% of the particles had a particle diameter of 0.44 μm or less. The sedimentation volume fraction was 79%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a uniform film was obtained visually. The results are shown in Table 1.
実施例4
[固体電解質ガラス粗粒子2の製造]
固体電解質ガラス粗粒子1の製造において、Na2Sを29.2gとP2S5(アルドリッチ社製)を20.8gをアルミナ容器に入れ密閉した他は、実施例1と同様にして690gの固体電解質ガラス粗粒子2を得た。原料のモル比は、Na2S:P2S5=80:20(モル比)であった。得られた固体電解質ガラス粗粒子2の体積基準平均粒子径は126μmであり、X線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、原料Na2Sのピークは観測されず、固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。
Example 4
[Production of solid electrolyte glass coarse particles 2]
In the production of the solid electrolyte glass coarse particles 1, 690 g of Na 2 S and 9.2 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were sealed in an alumina container except that 20.8 g was put in an alumina container and sealed. Solid electrolyte glass coarse particles 2 were obtained. The molar ratio of the raw materials was Na 2 S: P 2 S 5 = 80: 20 (molar ratio). The obtained solid electrolyte glass coarse particles 2 had a volume-based average particle diameter of 126 μm and were subjected to X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54181.5). As a result, the peak of the raw material Na 2 S was not observed, and the solid It was a halo pattern resulting from the electrolyte glass.
[固体電解質粒子2の製造]
固体電解質粒子1の製造において、固体電解質ガラスセラミック粗粒子1の代わりに固体電解質ガラス粗粒子2を用いた他は実施例1と同様にして、固体電解質粒子を含むスラリーを調製し、評価した。
[Production of solid electrolyte particles 2]
In the production of the solid electrolyte particles 1, a slurry containing the solid electrolyte particles was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte glass coarse particles 2 were used instead of the solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1.
その結果、得られた固体電解質粒子2の体積基準平均粒子径は0.26μmであり、粒子径0.88μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は78%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、目視で均一な膜が得られた。結果を表1に示す。 As a result, the volume-based average particle size of the obtained solid electrolyte particles 2 was 0.26 μm, and 90% of the particles had a particle size of 0.88 μm or less. The sedimentation volume fraction was 78%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a uniform film was obtained visually. The results are shown in Table 1.
参考例5
固体電解質粒子1の製造において、脱水トルエンの仕込み量を1134.0gとし、イソブチロニトリルを添加しなかった他は実施例1と同様にして、固体電解質粒子を含むスラリーを調製し、評価した。
Reference Example 5
In the production of the solid electrolyte particles 1, a slurry containing solid electrolyte particles was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amount of dehydrated toluene charged was 1134.0 g and no isobutyronitrile was added. .
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は2.60μmであり、粒子径10.0μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は15%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、一部に穴の開いた膜が得られた。結果を表1に示す。 As a result, the volume-based average particle size of the obtained solid electrolyte particles was 2.60 μm, and 90% of the particles had a particle size of 10.0 μm or less. Moreover, the sedimentation volume fraction was 15%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a film having a part of the hole was obtained. The results are shown in Table 1.
参考例6
参考例5において、固体電解質ガラスセラミック粗粒子1の代わりに固体電解質ガラス粗粒子2を用いた他は参考例5と同様にして、固体電解質粒子を含むスラリーを調製し、評価した。
Reference Example 6
Reference Example 5, except for using the solid electrolyte glass grit 2 instead of the solid electrolyte glass ceramics coarse particles 1 in the same manner as in Reference Example 5, to prepare a slurry containing the solid electrolyte particles was evaluated.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は2.75μmであり、粒子径12.0μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は13%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、一部に穴の開いた膜が得られた。結果を表1に
示す。
As a result, the volume-based average particle size of the obtained solid electrolyte particles was 2.75 μm, and 90% of the particles had a particle size of 12.0 μm or less. Moreover, the sedimentation volume fraction was 13%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a film having a part of the hole was obtained. The results are shown in Table 1.
参考例7
ジェットミル(セイシン企業社製子ジェット)を用いて、固体電解質ガラス粗粒子1を粉砕した。
処理条件は、処理量90g/hr、粉砕流体に圧力0.7MPaの窒素を用いた。
Reference Example 7
The solid electrolyte glass coarse particles 1 were pulverized using a jet mill (manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
As processing conditions, nitrogen having a throughput of 90 g / hr and a pressure of 0.7 MPa was used as a grinding fluid.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は1.5μmであり、粒子径8μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は35%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、均一な膜が得られた。 As a result, the volume-based average particle size of the obtained solid electrolyte particles was 1.5 μm, and 90% of the particles had a particle size of 8 μm or less. Moreover, the sedimentation volume fraction was 35%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a uniform film was obtained.
参考例8
固体電解質ガラス粗粒子1を固体電解質ガラス粗粒子2に変更した以外は、参考例7と同様に行った。
Reference Example 8
The same procedure as in Reference Example 7 was performed except that the solid electrolyte glass coarse particles 1 were changed to the solid electrolyte glass coarse particles 2.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は2μmであり、粒子径10μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は30%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、ほぼ均一な膜が得られた。 As a result, the volume-based average particle size of the obtained solid electrolyte particles was 2 μm, and 90% of the particles had a particle size of 10 μm or less. Moreover, the sedimentation volume fraction was 30%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a substantially uniform film was obtained.
参考例9
固体電解質ガラス粗粒子1を固体電解質ガラスセラミック1に変更した以外は、参考例7と同様に行った。
Reference Example 9
The same procedure as in Reference Example 7 was performed except that the solid electrolyte glass coarse particles 1 were changed to the solid electrolyte glass ceramic 1.
その結果、得られた固体電解質粒子の体積基準平均粒子径は1.2μmであり、粒子径7μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は40%であった。実施例1と同様に塗布膜を形成したところ、均一な膜が得られた。 As a result, the volume-based average particle diameter of the obtained solid electrolyte particles was 1.2 μm, and 90% of the particles had a particle diameter of 7 μm or less. The sedimentation volume fraction was 40%. When a coating film was formed in the same manner as in Example 1, a uniform film was obtained.
比較例1
固体電解質ガラスセラミック粗粒子1を13.7gに溶媒として脱水トルエンを123.7g加えて調整したスラリーに直径0.2mmジルコニアビーズ545gを加えてバッチ式ビーズミル(アイメックス社製)を用いて回転数2000rpmで1時間粉砕した。体積基準平均粒子径は、55μm、90μm以下の粒子が90%であった。また、沈降容積分率は5%であった。塗布膜を形成したところ膜に一部に穴ができた。固体電解質層のシートとして使用できない。
Comparative Example 1
To a slurry prepared by adding 123.7 g of dehydrated toluene to 13.7 g of solid electrolyte glass ceramic coarse particles 1 as a solvent, 545 g of 0.2 mm diameter zirconia beads are added, and a rotational speed of 2000 rpm using a batch type bead mill (manufactured by Imex). For 1 hour. The volume-based average particle diameter was 55% and 90% of the particles having a size of 90 μm or less. Moreover, the sedimentation volume fraction was 5%. When the coating film was formed, holes were partially formed in the film. It cannot be used as a sheet for a solid electrolyte layer.
本発明の固体電解質粒子、組成物は、電池の電解質層、電極層に用いることができる。 The solid electrolyte particles and composition of the present invention can be used for an electrolyte layer and an electrode layer of a battery.
1 製造装置
10 粉砕機
20 温度保持槽
22 容器
24 撹拌翼
26 冷却管
30 ヒータ
40 オイルバス
50 第1の連結管
52 第2の連結管
54 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
レーザー回折式粒度分布測定方法により測定される体積基準平均粒子径が0.01μm以上2.5μm以下であり、
レーザー回折式粒度分布測定方法により測定される90%の粒子の体積基準粒子径(Dp90)が5μm以下、である固体電解質粒子。 Containing at least one component selected from sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium and radium, phosphorus and sulfur,
Volume-based average particle diameter of more than 0.01μm, as measured by a laser diffraction particle size distribution measuring method 2.5 [mu] m Ri der below,
Solid electrolyte particles having a volume reference particle diameter (Dp90) of 90% of particles measured by a laser diffraction particle size distribution measuring method of 5 μm or less .
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