JP7058051B2 - Power storage device - Google Patents
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Description
本願は蓄電デバイスを開示するものである。 The present application discloses a power storage device.
特許文献1には蓄電デバイス材料として、希土類金属硫化物の焼結体(Ln2S3)からなる光誘電材料が開示されている。特許文献2には化学式a(BaxSr1-x)TiO3-bBi(M0.5Ti0.5)O3-cBi0.5(NayK1-y)0.5TiO3で表されるペロブスカイト型酸化物からなる誘電体セラミック組成物が開示されている。
Patent Document 1 discloses a photoelectric material made of a sintered body of a rare earth metal sulfide (Ln 2 S 3 ) as a power storage device material. In
希土類金属は希少であり高価なものであるため、安価で手に入る新たな誘電体材料が求められている。また、蓄電デバイスの静電容量を高めるために、高い比誘電率を有する誘電体材料も求められている。安価な材料としてはリチウム含有硫化物が挙げられるが、リチウム含有硫化物は比誘電率が小さいことが知られていた。 Since rare earth metals are rare and expensive, there is a demand for new dielectric materials that can be obtained at low cost. Further, in order to increase the capacitance of the power storage device, a dielectric material having a high relative permittivity is also required. Examples of inexpensive materials include lithium-containing sulfides, but it has been known that lithium-containing sulfides have a small relative permittivity.
そこで、本願では安価な誘電体材料を有する蓄電デバイスにおいて、静電容量を向上させることを課題とする。 Therefore, in the present application, it is an object to improve the capacitance in a power storage device having an inexpensive dielectric material.
本発明者は、鋭意検討の結果、LGPS系の結晶構造を有する単結晶誘電体において、特定の方位に非常に大きな比誘電率が発現されることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of diligent studies, the present inventor has found that a single crystal dielectric having an LGPS-based crystal structure exhibits a very large relative permittivity in a specific orientation, and has completed the present invention.
すなわち、本願は上記課題を解決する1つの手段として、二つの電極の間に誘電体を配した蓄電デバイスであって、誘電体はLi4-xM1-xPxS4-yOy(0<x<1、0≦y≦2、MはSi、Sn、又はGeである)で表される組成を有し、誘電体は正方晶の結晶構造を有し、且つ、上記結晶構造は空間群P42/nmc(137)に属する対称性を有し、二つの電極の電極面は誘電体の[001]結晶格子面の垂直方向に対して電圧を印加可能な位置にそれぞれ配置される、蓄電デバイスを開示する。 That is, the present application is a power storage device in which a dielectric is arranged between two electrodes as one means for solving the above-mentioned problems, and the dielectric is Li 4-x M 1-x P x S 4-y Oy . It has a composition represented by (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 2, M is Si, Sn, or Ge), the dielectric has a square crystal structure, and the above crystal structure. Has symmetry belonging to the space group P4 2 / nmc (137), and the electrode planes of the two electrodes are arranged at positions where a voltage can be applied in the direction perpendicular to the [001] crystal lattice plane of the dielectric. Disclose the power storage device.
本開示によれば、静電容量の高い蓄電デバイスを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a power storage device having a high capacitance.
<蓄電デバイス>
本開示の蓄電デバイス1つの実施形態である蓄電デバイス10の概略図を図1に示した。図1に示したとおり、蓄電デバイス10は二つの電極1a、1bの間に誘電体2を配している。
<Power storage device>
FIG. 1 shows a schematic diagram of the
(電極1a、1b)
電極1a、1bは、蓄電デバイスに用いられる公知の材料から構成することができる。金属集電体として用いられる金属板を誘電体に貼り付けて電極とすることや、金属粉末を誘電体2に塗布して電極とすることもできる。好ましくは、金属粉末を誘電体2に塗布して電極とすることである。また、電極1a、1bに用いられる金属としては公知の金属材料を用いることができる。例えば、AuやCu、Alやカーボン等が挙げられる。好ましくはAuである。
(Electrodes 1a, 1b)
The
(誘電体2)
誘電体2はLi4-xM1-xPxS4-yOy(0<x<1、0≦y≦2、MはSi、Sn、又はGeである)で表される組成を有する。好ましいMはGeである。また、誘電体2は正方晶の結晶構造を有し、且つ、上記結晶構造は空間群P42/nmc(137)に属する対称性を有する。誘電体2の結晶系や空間群等はX線回折装置によって測定することができる。
(Dielectric 2)
Dielectric 2 has a composition represented by Li 4-x M 1-x P x S 4-y Oy (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 2, M is Si, Sn, or Ge). Have. The preferred M is Ge. Further, the dielectric 2 has a tetragonal crystal structure, and the crystal structure has symmetry belonging to the space group P42 / nmc (137). The crystal system, space group, etc. of the dielectric 2 can be measured by an X-ray diffractometer.
誘電体2は粒界を含まない単結晶であることが好ましい。また、誘電体2の室温における格子定数は8.5≦a≦8.9、12.3≦c≦13.0であることが好ましい。 The dielectric 2 is preferably a single crystal that does not contain grain boundaries. Further, the lattice constant of the dielectric 2 at room temperature is preferably 8.5 ≦ a ≦ 8.9 and 12.3 ≦ c ≦ 13.0.
誘電体2の作製方法は特に限定されず、公知の方法により作製できる。例えば、J. Am. Ceram. Soc., 1-9 (2015)に開示されている。 The method for producing the dielectric 2 is not particularly limited, and the dielectric 2 can be produced by a known method. For example, J. Am. Ceram. Soc. , 1-9 (2015).
(蓄電デバイス10)
蓄電デバイス10は二つの電極1a、1bの間に誘電体2を配することにより作製される。ただし、二つの電極1a、1bの電極面は誘電体2の[001]結晶格子面の垂直方向に対して電圧を印加可能な位置にそれぞれ配置される必要がある。
誘電体2の結晶格子面は例えば単結晶X線回折装置によって決定することができる。
(Power storage device 10)
The
The crystal lattice plane of the dielectric 2 can be determined by, for example, a single crystal X-ray diffractometer.
蓄電デバイス10は二つの電極1a、1bと誘電体2とを上記のように配することにより、静電容量が向上する。これは誘電体2の[001]結晶格子面の垂直方向に対して電圧を印加することにより、誘電体2が特異的に高い比誘電率を示すためである。
この理由は[001]方向に特異的にリチウムイオンが変位しやすいためと考えられる。
By arranging the two
The reason for this is considered to be that the lithium ions are likely to be displaced specifically in the [001] direction.
ここで、二つの電極1a、1bの間の距離、すなわち誘電体2の厚み(図1のd)は特に限定されないが、上限は500μm以下であることが好ましく、150μm以下であることがより好ましく、100μm以下であることがさらに好ましく、10μm以下であることが特に好ましく、1μm以下であることが最も好ましく、下限は100nmであることが好ましい。
Here, the distance between the two
以下、本開示の蓄電デバイスについて実施例を用いて説明する。 Hereinafter, the power storage device of the present disclosure will be described with reference to examples.
(誘電体の作製)
Li2S(フルウチ化学株式会社製)、Ge(株式会社高純度化学研究所製)、P(株式会社高純度化学研究所製)、S(株式会社高純度化学研究所製)をLi3.15Ge0.15P0.85S4の組成になるようにグローブボックス内で混合し、ペレット化して石英管の中に封入した。石英管に封入した原料を50℃/hの昇温速度で400℃まで加熱し、400℃を保持したまま8時間加熱した。次に、50℃/hの昇温速度で670℃まで加熱し、670℃を保持したまま1時間加熱した。そして1℃/hの降温速度で580℃まで徐冷し、580℃になったところで遠心分離した。遠心分離した石英管をグローブボックス内で開封し、mmオーダーの単結晶を得た。
(Making a dielectric)
Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), Ge (manufactured by High Purity Chemical Research Institute Co., Ltd.), P (manufactured by High Purity Chemical Research Institute Co., Ltd.), S (manufactured by High Purity Chemical Research Institute Co., Ltd.) Li 3. It was mixed in a glove box to have a composition of 15 Ge 0.15 P 0.85 S4 , pelleted and encapsulated in a quartz tube. The raw material sealed in the quartz tube was heated to 400 ° C. at a heating rate of 50 ° C./h, and heated for 8 hours while maintaining 400 ° C. Next, it was heated to 670 ° C. at a heating rate of 50 ° C./h, and heated for 1 hour while maintaining 670 ° C. Then, it was slowly cooled to 580 ° C. at a temperature lowering rate of 1 ° C./h, and when it reached 580 ° C., it was centrifuged. The centrifugally separated quartz tube was opened in a glove box to obtain a single crystal on the order of mm.
(誘電体の同定)
上記により得られた単結晶をグローブボックス内で石英キャピラリーに封入し、単結晶X線回折装置(Rigaku R-axis rapid)を用いてX線回折図形を測定した。得られたX線回折図形から、上記単結晶が正方晶を有し、かつ、空間群P42/nmc(137)に属する対称性を有するものであることが分かった。また、格子定数はa=8.6640(2)Å、c=12.5830(5)Åであった。また、単結晶の結晶方位を決定した。
(Identification of dielectric)
The single crystal obtained above was enclosed in a quartz capillary in a glove box, and an X-ray diffraction pattern was measured using a single crystal X-ray diffractometer (Rigaku R-axis rapid). From the obtained X-ray diffraction pattern, it was found that the single crystal had a tetragonal crystal and had a symmetry belonging to the space group P42 / nmc (137). The lattice constants were a = 8.6640 (2) Å and c = 12.5383 (5) Å. In addition, the crystal orientation of the single crystal was determined.
(蓄電デバイスの作成)
上記単結晶が直方体となるように結晶粒子をグローブボックス内で研磨した。そして、下記表1のとおり、電圧を印加したい方向に垂直な面に均粉末を塗布することで集電体(電極)を成型し、実施例及び比較例に係る蓄電デバイスを得た。なお、電極間の距離(誘電体の厚み)及び電極面の面積(誘電体の電極面の面積)をノギスにより測定した。
(Creation of power storage device)
The crystal particles were polished in a glove box so that the single crystal became a rectangular parallelepiped. Then, as shown in Table 1 below, a current collector (electrode) was molded by applying the uniform powder to a surface perpendicular to the direction in which the voltage was to be applied to obtain a power storage device according to Examples and Comparative Examples. The distance between the electrodes (thickness of the dielectric) and the area of the electrode surface (area of the electrode surface of the dielectric) were measured with a caliper.
(誘電率の測定)
上記により得られた実施例および比較例に係る蓄電デバイスの比誘電率εrをインピーダンス法により測定した。測定にはAgilent製インピーダンスアナライザ(4294A)を用いて、100Hz~100MHzの範囲で測定した。
(Measurement of permittivity)
The relative permittivity εr of the power storage device according to the examples and comparative examples obtained above was measured by the impedance method. An impedance analyzer (4294A) manufactured by Agilent was used for the measurement, and the measurement was performed in the range of 100 Hz to 100 MHz.
これにより、蓄電デバイスの複素静電容量C*=C’-jωC’’が得られる。ここで、C*は複素静電容量であり、C’(F)は実部、C’’(F)は虚部、ω(rad/sec)は角周波数、jは下記式(1)である。 As a result, the complex capacitance C * = C'-jωC "of the power storage device can be obtained. Here, C * is a complex capacitance, C'(F) is a real part, C'' (F) is an imaginary part, ω (rad / sec) is an angular frequency, and j is the following equation (1). be.
そして、下記式(2)で表される関係式から、比誘電率εrを算出した。なお、真空の誘電率ε0は8.854pF/mとして計算した。 Then, the relative permittivity ε r was calculated from the relational expression represented by the following equation (2). The dielectric constant ε 0 of the vacuum was calculated as 8.854 pF / m.
上記の方法で算出した比誘電率εrのCole-Coleプロットを図2に示した。ここで、Cole-Coleプロットの縦軸である複素誘電率の虚部εr’’が最大となったときの、横軸である複素誘電率の実部εr’の値を比誘電率εrとして採用した。 The Core-Cole plot of the relative permittivity εr calculated by the above method is shown in FIG. Here, the value of the real part ε r'of the complex permittivity on the horizontal axis when the imaginary part ε r '' of the complex permittivity on the vertical axis of the Core-Cole plot is maximized is the relative permittivity ε. It was adopted as r .
図2に示したように、実施例に係る蓄電デバイスの比誘電率εrは2727であり、それに対して比較例に係る蓄電デバイスの比誘電率εrは850であった。よって、[001]結晶格子面の垂直方向に電圧を印加することで、蓄電デバイスの比誘電率εrが向上することが分かった。 As shown in FIG. 2, the relative permittivity ε r of the electricity storage device according to the example was 2727, whereas the relative permittivity ε r of the electricity storage device according to the comparative example was 850. Therefore, it was found that the relative permittivity ε r of the power storage device is improved by applying a voltage in the direction perpendicular to the [001] crystal lattice plane.
Claims (1)
前記誘電体はLi4-xM1-xPxS4-yOy(0<x<1、0≦y≦2、MはSi、Sn、又はGeである)で表される組成を有し、
前記誘電体は正方晶の結晶構造を有し、且つ、前記結晶構造は空間群P42/nmc(137)に属する対称性を有し、
前記二つの電極の電極面は前記誘電体の[001]結晶格子面の垂直方向に電圧を印加可能な位置にそれぞれ配置される、
蓄電デバイス。 A power storage device in which a dielectric is placed between two electrodes.
The dielectric has a composition represented by Li 4-x M 1-x P x S 4-y Oy (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 2, M is Si, Sn, or Ge). Have and
The dielectric has a tetragonal crystal structure, and the crystal structure has symmetry belonging to the space group P42 / nmc (137).
The electrode surfaces of the two electrodes are arranged at positions where a voltage can be applied in the direction perpendicular to the [001] crystal lattice surface of the dielectric.
Power storage device.
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