JP7575981B2 - Method for producing solid electrolyte - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte.
近年におけるパソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。従来、このような用途に用いられる電池において可燃性の有機溶媒を含む電解液が用いられていたが、電池を全固体化することで、電池内に可燃性の有機溶媒を用いず、安全装置の簡素化が図れ、製造コスト、生産性に優れることから、電解液を固体電解質層に換えた全固体電池の開発が行われている。 With the rapid spread of information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, the development of batteries to be used as power sources for these devices is becoming increasingly important. Conventionally, batteries used for such purposes have used electrolytes containing flammable organic solvents, but by making the battery all-solid-state, flammable organic solvents are not used in the battery, safety devices can be simplified, and manufacturing costs and productivity are excellent. Therefore, all-solid-state batteries in which the electrolyte is replaced with a solid electrolyte layer are being developed.
この固体電解質には、イオン伝導率が高く、化学的に安定であることが求められている。
イオン伝導率の改善の観点からリチウム原子、リン原子及び硫黄原子を含有する立方晶系アルジロダイト(Argyrodite)型結晶構造を有する化合物を用いることが知られていた(特許文献1)。しかし、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物は水分や酸素との反応性が極めて高いため、超低露点の不活性ガス下で取り扱う必要があるなど、工業的に利用する際の課題を有していた。
This solid electrolyte is required to have high ionic conductivity and be chemically stable.
From the viewpoint of improving ionic conductivity, it has been known to use a compound having a cubic argyrodite-type crystal structure containing lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms (Patent Document 1). However, since compounds having a cubic argyrodite-type crystal structure are highly reactive with moisture and oxygen, they have problems in industrial use, such as the need to handle them under an inert gas with an ultra-low dew point.
このため、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物の化学的安定性を向上させることを目的として、その組成を検討すること(特許文献1)が開示されているが、特許文献1記載の方法では、耐水性が十分ではなく乾燥空気であってもそれに触れることにより、硫化水素(H2S)が発生し、イオン伝導度が低下するという課題があった。
これを改善するため、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物からなる固体電解質を被覆すること(特許文献2)が検討されている。
For this reason, it has been disclosed that the composition of a compound having a cubic argyrodite-type crystal structure has been investigated in order to improve its chemical stability (Patent Document 1). However, the method described in Patent Document 1 has a problem in that the water resistance is insufficient and hydrogen sulfide (H 2 S) is generated when the compound comes into contact with even dry air, resulting in a decrease in ionic conductivity.
In order to improve this, it has been investigated to coat the solid electrolyte with a compound having a cubic argyrodite type crystal structure (Patent Document 2).
本発明者らが検討した結果、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物を被覆することは耐水性の観点からは有効ではあるが、特許文献2に記載のように、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する粉末とP2S5粉末を粉砕混合する方法では、固体同士の反応であり、均質な固体電解質材料を得ることが難しいことが分かった。
また、粉末を長時間粉砕混合するため、その工程に高いエネルギー投下が必要となり、温室効果ガス(GHG)排出量削減の観点から好ましいものではない。
更に粉砕混合による被覆の形成では、その系内で発生するせん断エネルギーによって、固体電解質の表面が非晶化してしまうことがある。このため、次工程として加熱工程が必要となる。しかしこの加熱工程を行うと結晶化の過程で造粒が起こるため、その製造方法の改善が必要であることも分かった。
As a result of the inventors' investigations, it was found that although coating with a compound having a cubic argyrodite-type crystal structure is effective from the viewpoint of water resistance, the method of grinding and mixing a powder having a cubic argyrodite-type crystal structure and a P2S5 powder as described in Patent Document 2 involves a reaction between solids, making it difficult to obtain a homogeneous solid electrolyte material.
In addition, since the powder is pulverized and mixed for a long period of time, the process requires a large amount of energy input, which is not preferable from the viewpoint of reducing greenhouse gas (GHG) emissions.
Furthermore, when forming a coating by grinding and mixing, the surface of the solid electrolyte may become amorphous due to the shear energy generated within the system. For this reason, a heating process is required as the next step. However, this heating process causes granulation during the crystallization process, so it was found that the manufacturing method needs to be improved.
本発明の目的は、造粒及びH2Sの発生が抑えられ、イオン伝導度の低下が抑制された立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物を製造する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing a compound having a cubic argyrodite-type crystal structure in which granulation and generation of H 2 S are suppressed and a decrease in ionic conductivity is suppressed.
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、下記の事項を見出し、本発明を完成するに至った。
1.後記する本発明の実施形態(以下、「本実施形態」と称することがある。)により製造した固体電解質は、水分等に暴露されてもH2Sの発生が抑えられること。
2.非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下に前記の処理を行うことにより、その後の加熱工程を必要としないことから造粒が起こらず粒径が小さいまま保たれ、また非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で処理することにより固液反応となるため均質な固体電解質が得られること。
3.非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で行うため、特別な製造設備は必要なく、また過剰なエネルギー投下を必要とせずに固体電解質が得られること。
As a result of intensive research aimed at solving the above problems, the present inventors have discovered the following and have completed the present invention.
1. A solid electrolyte produced according to an embodiment of the present invention described below (hereinafter, sometimes referred to as "the present embodiment") suppresses the generation of H 2 S even when exposed to moisture or the like.
2. By carrying out the above treatment in the presence of at least one solvent selected from a non-polar solvent and an aprotic solvent, a subsequent heating step is not required, so that granulation does not occur and the particle size is kept small, and further, by carrying out the treatment in at least one solvent selected from a non-polar solvent and an aprotic solvent, a solid-liquid reaction occurs, so that a homogeneous solid electrolyte can be obtained.
3. Since the process is carried out in at least one solvent selected from non-polar solvents and aprotic solvents, no special production equipment is required and a solid electrolyte can be obtained without excessive energy input.
すなわち、本発明は以下の[1]~[13]を提供するものである。
[1] 非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下において、(A)リチウム原子、リン原子及び硫黄原子を含有し、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物及び(B)硫化リンを、粉砕機を用いずに混合する工程と、
前記溶媒を除去する乾燥工程と、
を有する、固体電解質の製造方法。
[2]を非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で行う、[1]に記載の固体電解質の製造方法。
[3] 前記(B)硫化リンが五硫化二リンである、[1]又は[2]に記載の固体電解質の製造方法。
That is, the present invention provides the following [1] to [13].
[1] A process for mixing (A) a sulfide containing lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms and having an argyrodite-type crystal structure and (B) phosphorus sulfide in the presence of at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent without using a grinder;
A drying step for removing the solvent;
The method for producing a solid electrolyte comprising the steps of:
The method for producing a solid electrolyte according to [1], wherein [2] is carried out in at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent.
[3] The method for producing a solid electrolyte according to [1] or [2], wherein the phosphorus sulfide (B) is diphosphorus pentasulfide.
[4] 前記混合工程において加熱を行う、[1]~[3]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[5] 前記混合工程における加熱を100℃未満で行う、[4]に記載の固体電解質の製造方法。
[6] 前記混合工程における(A)硫化物100.0質量部に対する(B)硫化リンの添加量が0.5質量部以上、30.0質量部以下である、[1]~[5]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[4] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [3], wherein heating is carried out in the mixing step.
[5] The method for producing a solid electrolyte according to [4], wherein the heating in the mixing step is carried out at less than 100° C.
[6] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [5], wherein the amount of phosphorus sulfide (B) added per 100.0 parts by mass of the sulfide (A) in the mixing step is 0.5 parts by mass or more and 30.0 parts by mass or less.
[7] 前記非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒が飽和炭化水素、不飽和炭化水素及び芳香族炭化水素からなる群より選ばれる一つ以上である、[1]~[6]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[8] 前記非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒がトルエン、キシレン又はヘプタンである、[1]~[7]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[9] 前記(A)硫化物がさらにハロゲン原子を含有する、[1]~[8]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[7] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [6], wherein the at least one solvent selected from the group consisting of nonpolar solvents and aprotic solvents is at least one selected from the group consisting of saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons.
[8] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [7], wherein the at least one solvent selected from the group consisting of nonpolar solvents and aprotic solvents is toluene, xylene, or heptane.
[9] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [8], wherein the sulfide (A) further contains a halogen atom.
[10] 前記ハロゲン原子が塩素原子又は臭素原子からなる群より選ばれる一つ以上である、[9]に記載の固体電解質の製造方法。
[11] (A)硫化物及び(B)硫化リンを粉砕せず使用する、[1]~[10]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[12] 前記乾燥工程の後に200℃以上への加加熱を行わない、[1]~[11]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[13] 媒体式粉砕機を使用しない[1]~[12]のいずれか1に記載の固体電解質の製造方法。
[10] The method for producing a solid electrolyte according to [9], wherein the halogen atom is at least one selected from the group consisting of a chlorine atom and a bromine atom.
[11] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [10], wherein (A) the sulfide and (B) the phosphorus sulfide are used without being pulverized.
[12] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [11], in which heating to 200° C. or higher is not performed after the drying step.
[13] The method for producing a solid electrolyte according to any one of [1] to [12], which does not use a media-type grinder.
本発明によれば、造粒及びH2Sの発生が抑えられ、イオン伝導度の低下を抑制する立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する化合物を製造する方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a compound having a cubic argyrodite-type crystal structure which suppresses granulation and generation of H 2 S and inhibits a decrease in ionic conductivity.
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の固体電解質の製造方法のあくまで一実施形態であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
また、本明細書においては、リチウムとはリチウム又はリチウムイオンの両方を意味するものとし、技術的に矛盾が生じない限り、適宜解釈されるものとする。
なお、本明細書において、「以上」、「以下」、「~」の数値範囲に係る上限及び下限の数値は任意に組み合わせできる数値であり、また実施例の数値を上限及び下限の数値として用いることもできる。また、好ましいとされている規定は任意に採用することができる。即ち、好ましいとされている一の規定を、好ましいとされている他の一又は複数の規定と組み合わせて採用することができる。好ましいもの同士の組み合わせはより好ましいと言える。
The present embodiment will be described below. Note that the embodiment described below is merely one embodiment of the method for producing a solid electrolyte of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
In addition, in this specification, lithium means both lithium and lithium ions, and should be interpreted appropriately unless a technical contradiction occurs.
In this specification, the upper and lower limit values of the numerical ranges of "greater than or equal to", "less than or equal to", and "to" can be arbitrarily combined, and the numerical values in the examples can also be used as the upper and lower limit values. Furthermore, provisions that are considered to be preferable can be adopted arbitrarily. That is, one provision that is considered to be preferable can be adopted in combination with one or more other provisions that are considered to be preferable. It can be said that a combination of preferred things is more preferable.
〔固体電解質の製造方法〕
本実施形態は、非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下において、(A)リチウム原子、リン原子及び硫黄原子を含有し、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物(以下、(A)硫化物とも記載する。)及び(B)硫化リンを、粉砕機を用いずに混合する工程と、前記溶媒を除去する乾燥工程と、前記溶媒を除去する乾燥工程と、を有する、固体電解質の製造方法である。
[Method for producing solid electrolyte]
The present embodiment is a method for producing a solid electrolyte, comprising the steps of: mixing (A) a sulfide containing lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms and having an argyrodite-type crystal structure (hereinafter also referred to as “(A) sulfide”) and (B) phosphorus sulfide in the presence of at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent, without using a pulverizer; drying the mixture to remove the solvent; and drying the mixture to remove the solvent.
なお本明細書において、固体電解質とは、窒素雰囲気下25℃で固体を維持する電解質を意味する。本実施形態における固体電解質は、リチウム元素、硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素を含み、リチウム元素に起因するイオン伝導度を有する固体電解質である。 In this specification, a solid electrolyte refers to an electrolyte that remains solid at 25°C under a nitrogen atmosphere. The solid electrolyte in this embodiment is a solid electrolyte that contains lithium, sulfur, phosphorus, and halogen elements and has ionic conductivity due to the lithium element.
当該製造方法により、H2Sの発生の原因の一つである、固体電解質に残存するLi2Sを比較的水分等に安定なLi3PS4等とすることができるため、イオン伝導度の低下を抑制しつつ耐水性の改善が図れ、H2Sの発生が抑制されると考えられる。
また、当該製造方法は、非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下、好ましくは非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で行うため、固体の(A)硫化物と固体の(B)硫化リンの反応ではなく、(B)硫化リンの一部又はすべてが非プロトン性溶媒に溶解しているため、(A)硫化物の表面だけでなく、(A)硫化物の細孔にも容易に入り込み粉砕機を用いずに反応することができると考えられる。
(A)硫化物と(B)硫化リンとの反応により生成した化合物が(A)硫化物の表面や細孔内の壁面にも形成されることにより、イオン伝導度の低下を抑制しつつ、耐水性が改善され、H2Sの発生が抑えられた、立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質とすることができると考えられる。
This manufacturing method can convert the Li 2 S remaining in the solid electrolyte, which is one of the causes of the generation of H 2 S, into Li 3 PS 4 , etc., which is relatively stable to moisture, etc., so that it is possible to improve water resistance while suppressing a decrease in ionic conductivity, and it is believed that the generation of H 2 S is suppressed.
In addition, since the production method is carried out in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents, preferably in at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents, it is not a reaction between solid (A) sulfide and solid (B) phosphorus sulfide, but rather a reaction in which part or all of the phosphorus (B) sulfide is dissolved in the aprotic solvent. This is considered to allow the phosphorus (B) sulfide to easily penetrate not only the surface of (A) sulfide but also into the pores of (A) sulfide, enabling the reaction to take place without the use of a grinder.
It is believed that the compound produced by the reaction between (A) sulfide and (B) phosphorus sulfide is also formed on the surface of (A) sulfide and on the wall surfaces inside the pores, thereby making it possible to obtain a solid electrolyte having a cubic argyrodite-type crystal structure in which the decrease in ionic conductivity is suppressed, water resistance is improved, and generation of H2S is suppressed.
更に、固体同士の反応では固体同士が接触しなければ反応が進行しないため、均質な固体電解質を得ることは難しく、反応時間を長くしても均質な固体電解質とすることは困難であった。これに対し本実施形態では固液反応となるため、短時間で均質な固体電解質を得ることができる。
加えて非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で製造を行うことにより、固体電解質の非晶化を最小限に抑えることができるため、その工程の後に加熱工程を必要としないため、加熱による造粒が起こらず、簡易な製造設備で実施でき、また製造時の投下エネルギー量も抑えられるため好ましい。
Furthermore, in a solid-solid reaction, the reaction does not proceed unless the solids come into contact with each other, so it is difficult to obtain a homogeneous solid electrolyte, and it is difficult to obtain a homogeneous solid electrolyte even if the reaction time is extended. In contrast, in this embodiment, a solid-liquid reaction is performed, so a homogeneous solid electrolyte can be obtained in a short time.
In addition, by carrying out the production in at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent, amorphization of the solid electrolyte can be minimized, and therefore a heating step is not required after that step. This is preferable because granulation due to heating does not occur, the production can be carried out with simple production equipment, and the amount of energy input during production can be reduced.
<溶媒>
本実施形態の溶媒は、非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒である。本実施形態の溶媒は、本実施形態の原料である(B)硫化リンを溶解するものであることが固体電解質を均質にかつ簡便に製造する観点から好ましく、混合工程を必要とせず取り扱いの容易性の観点からは1種のみを用いることが好ましく、2種以上の溶解性の異なる溶媒を適宜選択することにより、溶解性を容易に調整できる観点からは2種以上を組み合わせて用いることも好ましい。
<Solvent>
The solvent of the present embodiment is at least one solvent selected from a non-polar solvent and an aprotic solvent. The solvent of the present embodiment is preferably one that dissolves phosphorus sulfide (B), which is the raw material of the present embodiment, from the viewpoint of homogeneously and easily producing a solid electrolyte, and it is preferable to use only one solvent from the viewpoint of ease of handling without requiring a mixing step, and it is also preferable to use two or more solvents in combination from the viewpoint of easily adjusting the solubility by appropriately selecting two or more solvents having different solubility.
本実施形態の非極性溶媒及び非プロトン性溶媒は、容易に供与されるプロトン(H+)を持たない溶媒であり、副反応を抑える観点からは非極性溶媒であることが好ましく、(B)硫化リン酸や無機塩等を溶解する観点からは非プロトン性極性溶媒であることが好ましい。
本発明の非極性溶媒は、極性を持たないか、低極性の溶媒を意味し、炭素原子及び水素原子からなる溶媒であり、入手の容易性及び溶解性から固体電解質を均質にかつ簡便に製造する観点から飽和炭化水素、不飽和炭化水素及び芳香族炭化水素であることが好ましい。
The nonpolar solvent and aprotic solvent in this embodiment are solvents that do not have a proton (H + ) that is easily donated, and from the viewpoint of suppressing side reactions, a nonpolar solvent is preferable, and from the viewpoint of dissolving (B) phosphoric acid sulfide, inorganic salts, etc., an aprotic polar solvent is preferable.
The non-polar solvent of the present invention means a solvent having no polarity or low polarity, and is a solvent consisting of carbon atoms and hydrogen atoms. From the viewpoint of homogeneous and simple production of a solid electrolyte in terms of ease of availability and solubility, it is preferable that the non-polar solvent is a saturated hydrocarbon, an unsaturated hydrocarbon, or an aromatic hydrocarbon.
飽和炭化水素は前記理由により、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、2-エチルヘキサン、デカン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリン、IPソルベント1016(出光興産株式会社製)又はIPソルベント1620(出光興産株式会社製)が好ましい。
不飽和炭化水素は前記理由により、ヘキセン、シクロヘキセン又はヘプテンが好ましい。
芳香族炭化水素は前記理由により、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、イプゾール100(出光興産株式会社製)又はイプゾール150(出光興産株式会社製)が好ましい。
For the reasons mentioned above, the saturated hydrocarbon is preferably pentane, hexane, heptane, octane, 2-ethylhexane, decane, cyclohexane, methylcyclohexane, decalin, IP Solvent 1016 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.) or IP Solvent 1620 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.).
For the reasons mentioned above, the unsaturated hydrocarbon is preferably hexene, cyclohexene or heptene.
For the reasons mentioned above, the aromatic hydrocarbon is preferably benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, tetrahydronaphthalene, IPZOL 100 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.) or IPZOL 150 (manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.).
前記非極性溶媒の中でも、溶質の溶解度、沸点、有毒性及び入手容易性の点から、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン又はキシレンがより好ましく、ヘプタントルエン又はキシレンが更に好ましく、トルエンがより更に好ましい。 Among the non-polar solvents, in terms of the solubility of the solute, boiling point, toxicity, and availability, hexane, heptane, cyclohexane, benzene, toluene, or xylene is more preferred, heptane, toluene, or xylene is even more preferred, and toluene is even more preferred.
実施形態の非プロトン性極性溶媒は、ヘテロ原子を有する溶媒であり、(B)硫化リン酸や無機塩等を溶解する観点から、エーテル系、ケトン系、エステル系、ニトリル系、アミド系、ジオキソラン系及びスルホラン系の溶媒が好ましい。 The aprotic polar solvent of the embodiment is a solvent having a heteroatom, and from the viewpoint of dissolving (B) phosphoric acid sulfide, inorganic salts, etc., ether-based, ketone-based, ester-based, nitrile-based, amide-based, dioxolane-based, and sulfolane-based solvents are preferred.
本実施形態は非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の存在下で行うが、(A)硫化物及び(B)硫化リンの混合工程を非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で行うことが好ましい。
混合工程を非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒中で行うとは、混合工程の初期において、(B)硫化リンすべてが非プロトン性溶媒に溶解しているか、又は一部が溶解しており、固形分の(A)硫化物がすべて溶媒中にある状態であることが好ましい。
This embodiment is carried out in the presence of at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent, and it is preferable that the mixing step of (A) the sulfide and (B) the phosphorus sulfide is carried out in at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent.
The mixing step being carried out in at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent preferably means that, at the initial stage of the mixing step, all of the phosphorus sulfide (B) is dissolved in the aprotic solvent or a portion of the phosphorus sulfide is dissolved therein, and the solid sulfide (A) is entirely present in the solvent.
また、本実施形態は(A)硫化物及び(B)硫化リンの混合工程を非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の存在下で行うため、過剰な(B)硫化リンや副生成物等の不要な化合物を除去することができ、イオン伝導度の低下を抑制できる点で好ましい。 In addition, in this embodiment, the mixing step of (A) sulfide and (B) phosphorus sulfide is carried out in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents, so that excess (B) phosphorus sulfide and unnecessary compounds such as by-products can be removed, and a decrease in ionic conductivity can be suppressed, which is preferable.
本実施形態の非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の使用量は、均質でイオン伝導度の低下が抑制された固体電解質を得る観点から、(A)硫化物1 gに対して、1 mL(ミリリットル、以下ミリリットルとしてmLを用いる。)以上とすることが好ましく、5 mL以上とすることがより好ましく、8 mL以上とすることが更に好ましく、簡易な製造設備で実施できることから40 mL以下とすることが好ましく、30 mL以下とすることがより好ましく、25 mL以下とすることが更に好ましい。 In this embodiment, the amount of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents is preferably 1 mL (milliliters, hereinafter, mL is used as milliliters) or more per 1 g of sulfide (A) from the viewpoint of obtaining a homogeneous solid electrolyte in which the decrease in ionic conductivity is suppressed, more preferably 5 mL or more, and even more preferably 8 mL or more, and is preferably 40 mL or less, more preferably 30 mL or less, and even more preferably 25 mL or less, since the production can be carried out with simple production equipment.
<(A)硫化物>
本実施形態に用いられる(A)硫化物は、例えば、Li6PS5X、Li7-xPS6-xXx(X=Cl,Br,I、x=0.0~1.8)等のアルジロダイト型結晶構造(特開2011-096630号公報、特開2013-211171号公報等)を有するものであるが、より高いイオン伝導度を得る観点から、主結晶として有するものであることが好ましい。本明細書において、「主結晶として有する」とは、結晶構造のうち対象となる結晶構造の割合が80%以上であることを意味し、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。
これらのアルジロダイト系結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=15.3°、17.7°、31.1°、44.9°、47.7°付近に現れる。
<(A) Sulfide>
The sulfide (A) used in this embodiment has an argyrodite-type crystal structure (JP 2011-096630 A, JP 2013-211171 A, etc.), such as Li 6 PS 5 X, Li 7-x PS 6-x X x (X = Cl, Br, I, x = 0.0 to 1.8), but from the viewpoint of obtaining higher ionic conductivity, it is preferable that it has it as the main crystal. In this specification, "having it as the main crystal" means that the proportion of the target crystal structure in the crystal structure is 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.
Diffraction peaks of these argyrodite-based crystal structures appear, for example, at 2θ=15.3°, 17.7°, 31.1°, 44.9°, and 47.7°.
また、アルジロダイト系結晶構造として、以下のものも挙げられる。
上記のLi7PS6の構造骨格を有し、Pの一部をSiで置換してなる組成式Li7-xP1-ySiyS6及びLi7+xP1-ySiyS6(xは-0.6~0.6、yは0.1~0.6)で示される結晶構造は、立方晶又は斜方晶、好ましくは立方晶で、CuKα線を用いたX線回折測定において、主に2θ=15.5°、18.0°、25.0°、30.0°、31.4°、45.3°、47.0°、及び52.0°の位置に現れるピークを有する。
Further, the following argyrodite-based crystal structure is also included.
The crystal structure represented by the composition formula Li 7 -x P 1-y Si y S 6 and Li 7+x P 1-y Si y S 6 (x is −0.6 to 0.6, y is 0.1 to 0.6), which has the structural skeleton of Li 7 PS 6 and in which a portion of P is replaced by Si, is a cubic or orthorhombic crystal, preferably a cubic crystal, and has peaks that appear mainly at 2θ=15.5°, 18.0°, 25.0°, 30.0°, 31.4°, 45.3°, 47.0°, and 52.0° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation.
上記の組成式Li7-x-2yPS6-x-yClx(0.8≦x≦1.7、0<y≦-0.25x+0.5)で示される結晶構造は、好ましくは立方晶で、CuKα線を用いたX線回折測定において、主に2θ=15.5°、18.0°、25.0°、30.0°、31.4°、45.3°、47.0°、及び52.0°の位置に現れるピークを有する。
上記の組成式Li7-xPS6-xHax(HaはClもしくはBr、xが好ましくは0.2~1.8)で示される結晶構造は、好ましくは立方晶で、CuKα線を用いたX線回折測定において、主に2θ=15.5°、18.0°、25.0°、30.0°、31.4°、45.3°、47.0°、及び52.0°の位置に現れるピークを有する。
なお、これらのピーク位置については、±0.5°の範囲内で前後していてもよい。
The crystal structure represented by the above composition formula Li7 -x- 2yPS6-x-yClx ( 0.8≦x≦1.7, 0<y≦−0.25x+0.5) is preferably a cubic crystal, and has peaks appearing mainly at 2θ=15.5°, 18.0°, 25.0°, 30.0°, 31.4°, 45.3°, 47.0°, and 52.0° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation.
The crystal structure represented by the above composition formula Li7 - xPS6 -xHax ( Ha is Cl or Br, and x is preferably 0.2 to 1.8) is preferably a cubic crystal, and has peaks appearing mainly at 2θ=15.5°, 18.0°, 25.0°, 30.0°, 31.4°, 45.3°, 47.0°, and 52.0° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation.
The positions of these peaks may vary within a range of ±0.5°.
本実施形態に用いられる(A)硫化物は、より高いイオン伝導度を得る観点から、結晶性Li3PS4(β-Li3PS4)を含まないものであることが好ましい。結晶性Li3PS4(β-Li3PS4)を含まないものであるか否かは、結晶性Li3PS4に見られる2θ=17.5°、26.1°の回折ピークの有無により確認でき、本明細書では、当該回折ピークを有しないか、有している場合であってもアルジロダイト型結晶構造の回折ピークに比べて極めて小さいピークが検出される程度であれば、結晶性Li3PS4(β-Li3PS4)を含まないものであるとする。 From the viewpoint of obtaining a higher ionic conductivity, the sulfide (A) used in this embodiment is preferably one that does not contain crystalline Li 3 PS 4 (β-Li 3 PS 4 ). Whether or not it does not contain crystalline Li 3 PS 4 (β-Li 3 PS 4 ) can be confirmed by the presence or absence of diffraction peaks at 2θ = 17.5 ° and 26.1 ° seen in crystalline Li 3 PS 4 , and in this specification, it is considered not to contain crystalline Li 3 PS 4 (β-Li 3 PS 4 ) if it does not have such diffraction peaks, or if it does have such diffraction peaks, if a peak that is extremely small compared to the diffraction peak of the argyrodite type crystal structure is detected.
本実施形態に用いられる(A)硫化物の形状としては、特に制限はないが、本実施形態で製造される固体電解質の要求される形状に合わせればよく、例えば、粒子状を挙げることができる。粒子状の固体電解質の平均粒径(D50)は、製造される固体電解質の粒径が要求される粒径となるため、0.01 μm以上であることが好ましく、0.03 μm以上であることがより好ましく、50 μm以下であることが更に好ましく、0.05 μm以上であることがより更に好ましく、0.1 μm以上であることがより更に好ましく、イオン伝導度の低下が抑制できることから100 μm以下であることが好ましく、50 μm以下であることよりが好ましく、10 μm以下であることが更に好ましく、3 μm以下であることがより更に好ましい。 The shape of the sulfide (A) used in this embodiment is not particularly limited, but may be in accordance with the required shape of the solid electrolyte produced in this embodiment, and may be, for example, particulate. The average particle size ( D50 ) of the particulate solid electrolyte is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.03 μm or more, more preferably 50 μm or less, even more preferably 0.05 μm or more, and even more preferably 0.1 μm or more, and is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, more preferably 10 μm or less, and even more preferably 3 μm or less, because the particle size of the solid electrolyte produced is the required particle size.
((A)硫化物の製造方法)
以下(A)硫化物の製造の好ましい態様について説明する。
本実施形態に用いられる(A)硫化物は、例えば、硫化リチウム、硫化リン、ハロゲン化リチウムのような硫化物の出発原料を溶媒中で混合粉砕し、得られた原料混合物を加熱することにより仮焼物とし、仮焼物を焼成することにより、(A)硫化物が得られる。
また、原料混合物を溶媒中で加熱して仮焼し、得られた仮焼物を焼成することにより、(A)硫化物が得られる。
((A) Method for producing sulfide)
A preferred embodiment of the production of (A) the sulfide will be described below.
The (A) sulfide used in the present embodiment is obtained by mixing and grinding sulfide starting materials, such as lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium halide, in a solvent, heating the resulting raw material mixture to form a calcined product, and firing the calcined product.
Alternatively, the raw material mixture is heated in a solvent to calcinate, and the resulting calcined product is fired to obtain the sulfide (A).
溶媒としては、有機溶媒を用いることができ、好ましくは非極性溶媒、極性溶媒又はこれらの混合溶媒が使用できる。非極性溶媒、又は、非極性溶媒を主成分とする溶媒、例えば、有機溶媒全体の95質量%以上が非極性溶媒であることが好ましい。 As the solvent, an organic solvent can be used, and preferably a non-polar solvent, a polar solvent, or a mixture of these. It is preferable to use a non-polar solvent or a solvent mainly composed of a non-polar solvent, for example, 95% by mass or more of the total organic solvent is a non-polar solvent.
非極性溶媒としては、炭化水素系溶媒が好ましい。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、トリデカン、シクロヘキサン、デカリン等が挙げられる。
不飽和炭化水素としては、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、エチルベンゼン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、トルエン又はキシレンが好ましい。
The non-polar solvent is preferably a hydrocarbon solvent, and as the hydrocarbon solvent, a saturated hydrocarbon, an unsaturated hydrocarbon, or an aromatic hydrocarbon can be used.
Examples of saturated hydrocarbons include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, tridecane, cyclohexane, and decalin.
Examples of unsaturated hydrocarbons include hexene, heptene, and cyclohexene.
Examples of aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, ethylbenzene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene.
Of these, toluene or xylene is preferred.
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質量ppm以下が好ましく、特に30質量ppm以下であることが好ましい。 It is preferable that the hydrocarbon solvent is dehydrated in advance. Specifically, the water content is preferably 100 ppm by mass or less, and more preferably 30 ppm by mass or less.
一実施形態では、有機溶媒がニトリル化合物及びエーテル化合物の少なくとも一方を含むことが好ましい。
エーテル化合物としては、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等が挙げられる。
ニトリル化合物としては、R(CN)nで表されるニトリル化合物が好ましい。式中、Rは、炭素数が1以上10以下のアルキル基、又は環形成炭素数が6以上18以下の芳香環を有する基である。nは、1又は2である。
In one embodiment, the organic solvent preferably contains at least one of a nitrile compound and an ether compound.
Examples of the ether compounds include tetrahydrofuran and diethyl ether.
The nitrile compound is preferably a nitrile compound represented by R(CN) n , where R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a group having an aromatic ring having 6 to 18 ring carbon atoms, and n is 1 or 2.
例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、3-クロロプロピオニトリル、ベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ターシャリーブチロニトリル、イソブチロニトリル、シクロヘキシルニトリル、カプロニトリル、イソカプロニトリル、マロノニトリル、フマルニトリルが挙げられる。好ましくはプロピオニトリル、イソカプロニトリル、イソブチロニトリルである。
例えば、ニトリル化合物はトルエンと共沸するため、乾燥時にトルエンとともに処理物から除去しやすいため好ましい。
有機溶媒に含まれるニトリル化合物及びエーテル化合物の量は、0.01~5質量%であることが好ましく、さらに、0.1~3質量%であることが好ましく、特に0.3~1質量%であることが好ましい。
Examples of the nitrile include acetonitrile, propionitrile, 3-chloropropionitrile, benzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, tertiary butyronitrile, isobutyronitrile, cyclohexylnitrile, capronitrile, isocapronitrile, malononitrile, and fumaronitrile. Preferred are propionitrile, isocapronitrile, and isobutyronitrile.
For example, nitrile compounds are preferred because they form an azeotrope with toluene and are therefore easily removed from the treated product together with toluene during drying.
The amount of the nitrile compound and the ether compound contained in the organic solvent is preferably from 0.01 to 5% by mass, more preferably from 0.1 to 3% by mass, and particularly preferably from 0.3 to 1% by mass.
混合粉砕には、例えば、遊星型ボールミル、振動ミル、転動ミル、ビーズミル、ボールミル等の粉砕機や、一軸混錬機、多軸混錬機等の混練機を使用できる。 For mixing and grinding, grinders such as planetary ball mills, vibration mills, tumbling mills, bead mills, and ball mills, and kneaders such as single-shaft kneaders and multi-shaft kneaders can be used.
混合粉砕後の処理物から溶媒を除去して得られる原料混合物は、主に微粒結晶により形成されている。原料を混合粉砕することにより、原料の微粒化が進行し、各原料の微粒結晶からなる原料混合物が得られる。 The raw material mixture obtained by removing the solvent from the processed product after mixing and grinding is mainly composed of fine crystals. By mixing and grinding the raw materials, the raw materials are further atomized, and a raw material mixture consisting of fine crystals of each raw material is obtained.
原料混合物を仮焼することにより、仮焼物が得られる。一実施形態では、上記のように溶媒を除去して原料混合物を得て、仮焼することから、粉体状の仮焼物が得られる。仮焼における加熱温度及び時間は、仮焼物の組成等を考慮して、適宜調整することができる。例えば、加熱温度は150℃~300℃が好ましく、さらに160℃~280℃が好ましく、特に170℃~250℃が好ましい。加熱時間は0.1~8時間が好ましく、さらに、0.2~6時間が好ましく、特に0.25~4時間が好ましい。 The raw material mixture is calcined to obtain a calcined product. In one embodiment, the raw material mixture is obtained by removing the solvent as described above, and then calcined to obtain a powdered calcined product. The heating temperature and time in the calcination can be appropriately adjusted in consideration of the composition of the calcined product. For example, the heating temperature is preferably 150°C to 300°C, more preferably 160°C to 280°C, and particularly preferably 170°C to 250°C. The heating time is preferably 0.1 to 8 hours, more preferably 0.2 to 6 hours, and particularly preferably 0.25 to 4 hours.
仮焼で使用する加熱装置は特に限定はない。例えば、FMミキサ、ナウタミキサ等の剪断式の乾燥機、ハースキルン等の静置式の炉、ロータリーキルン等の回転式の炉が挙げられる。なお、仮焼前に乾燥を行ってよく、乾燥と仮焼を同時に行ってもよい。仮焼の雰囲気は特に限定しないが、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下が好ましい。 There are no particular limitations on the heating device used in the calcination. Examples include shear-type dryers such as FM mixers and Nauta mixers, stationary furnaces such as hearth kilns, and rotary furnaces such as rotary kilns. Drying may be performed before calcination, or drying and calcination may be performed simultaneously. There are no particular limitations on the atmosphere in which the calcination is performed, but an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon is preferred.
仮焼物を焼成することにより、(A)硫化物が得られる。焼成における加熱温度及び時間は、仮焼物の組成等を考慮して、適宜調整することができる。例えば、アルジロダイト型固体電解質の場合、加熱温度は300℃~470℃が好ましく、300℃を超えて460℃以下がより好ましく、より320℃~450℃が好ましく、さらに350℃~440℃が好ましく、特に380℃~430℃が好ましい。
加熱時間は1~360分が好ましく、さらに、5~120分が好ましく、特に10~60分が好ましい。
加熱時の雰囲気は特に限定しないが、好ましくは硫化水素気流下ではなく、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下である。焼成工程には、静置式のハースキルン、回転式のロータリーキルン等の焼成炉を用いることができる。
The calcined product is calcined to obtain the sulfide (A). The heating temperature and time in the calcination can be appropriately adjusted in consideration of the composition of the calcined product, etc. For example, in the case of an argyrodite-type solid electrolyte, the heating temperature is preferably 300°C to 470°C, more preferably more than 300°C to 460°C or less, even more preferably 320°C to 450°C, still more preferably 350°C to 440°C, and particularly preferably 380°C to 430°C.
The heating time is preferably from 1 to 360 minutes, more preferably from 5 to 120 minutes, and particularly preferably from 10 to 60 minutes.
The atmosphere during heating is not particularly limited, but is preferably not a hydrogen sulfide gas flow but an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon, etc. In the firing step, a firing furnace such as a stationary hearth kiln or a rotary kiln can be used.
原料混合物を溶媒中で仮焼する場合、仮焼に用いる溶媒としては、上述した非極性溶媒、極性溶媒又はこれらの混合溶媒が使用できる。原料混合物が溶媒に分散されたスラリーに対して加熱を行う。仮焼に用いる溶媒としては、原料の混合等で用いた溶媒と、同じものを用いてもよいし、異なるものを用いてもよい。同じものを用いる場合は、溶媒を除去する工程が不要であるため好ましい。 When the raw material mixture is calcined in a solvent, the above-mentioned non-polar solvent, polar solvent, or a mixture of these can be used as the solvent for calcination. Heat is applied to the slurry in which the raw material mixture is dispersed in the solvent. The solvent used for calcination may be the same as or different from the solvent used for mixing the raw materials. When the same solvent is used, it is preferable because a step of removing the solvent is not required.
仮焼における加熱温度及び時間は、原料の組成等を考慮して、適宜調整することができる。例えば、加熱温度は150℃~300℃が好ましく、160℃~280℃がより好ましく、さらに170℃~270℃が好ましく、特に180℃~260℃が好ましい。上記の温度範囲とすることにより、PS4構造が形成され、ハロゲンが結晶中に取り込まれやすくなる。第一実施形態と同様に本実施形態でも、微粒結晶の原料混合物を溶液中で仮焼することから、比較的低温でPS4構造を含む結晶を形成することが可能となる。
加熱時間は10分~6時間が好ましく、さらに、10分~3時間が好ましく、特に30分~2時間が好ましい。
仮焼で使用する加熱装置は特に限定はないが、加熱温度が使用する溶媒の沸点を超える場合は、オートクレーブを使用することが好ましい。
The heating temperature and time in the calcination can be appropriately adjusted in consideration of the composition of the raw material. For example, the heating temperature is preferably 150°C to 300°C, more preferably 160°C to 280°C, further preferably 170°C to 270°C, and particularly preferably 180°C to 260°C. By setting the temperature within the above range, the PS4 structure is formed, and halogen is easily incorporated into the crystal. As in the first embodiment, in this embodiment, the raw material mixture of fine crystals is calcined in a solution, so that it is possible to form crystals containing the PS4 structure at a relatively low temperature.
The heating time is preferably from 10 minutes to 6 hours, more preferably from 10 minutes to 3 hours, and particularly preferably from 30 minutes to 2 hours.
There are no particular limitations on the heating device used in the calcination, but when the heating temperature exceeds the boiling point of the solvent used, it is preferable to use an autoclave.
仮焼に用いたスラリーから溶媒を除去して仮焼物を回収する。溶媒除去の方法は特に限定されないが、常圧下又は減圧下にて溶媒を留去することができる。また、より生産性を上げるために、ろ過を併用することも可能である。
仮焼物を焼成することにより、(A)硫化物が得られる。
The solvent is removed from the slurry used in the calcination to recover the calcined product. The method for removing the solvent is not particularly limited, but the solvent can be distilled off under normal pressure or reduced pressure. In order to further increase productivity, filtration can also be used in combination.
The calcined product is fired to obtain the sulfide (A).
<(B)硫化リン>
本実施形態の(B)硫化リンは、(A)硫化物の原料として用いた硫化リチウム(Li2S);三硫化二リン(P2S3)、五硫化二リン(P2S5)等の硫化リン等と同様のものを用いることができるが、イオン伝導度の低下が抑制された固体電解質が得られるため、五硫化二リン(P2S5)であることが好ましい。
<(B) Phosphorus Sulfide>
The phosphorus sulfide (B) of this embodiment can be the same as the phosphorus sulfides used as the raw material of the sulfide (A), such as lithium sulfide (Li 2 S); diphosphorus trisulfide (P 2 S 3 ), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), etc., but diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) is preferred because it provides a solid electrolyte in which the decrease in ionic conductivity is suppressed.
本実施形態では非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の存在下で行うため、(B)硫化リンの形状は特に制限はないが、簡易な製造設備で実施できることから平均粒径(D50)は10 cm以下とすることが好ましく、8 cm以下とすることがより好ましく、5 cm以下とすることが更に好ましい。
本実施形態では非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の存在下で行うため、(B)硫化リンを粉砕せずに行うことが簡易な製造工程の観点からは好ましい。
In this embodiment, since the process is carried out in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents, the shape of the phosphorus sulfide (B) is not particularly limited. However, since the process can be carried out using simple production equipment, the average particle size ( D50 ) is preferably 10 cm or less, more preferably 8 cm or less, and even more preferably 5 cm or less.
In this embodiment, since the reaction is carried out in the presence of at least one solvent selected from a nonpolar solvent and an aprotic solvent, it is preferable from the viewpoint of a simple production process to carry out the reaction without pulverizing the phosphorus sulfide (B).
((A)硫化物及び(B)硫化リンの使用量)
本実施形態の(A)硫化物の使用量は、使用する製造設備により適宜決定すればよい。
本実施形態の(B)硫化リンの使用量は、(A)硫化物の量及び(A)硫化物に含まれるS2-の量により決定することが好ましく、均質でイオン伝導度の低下が抑制された固体電解質が得られるため、(A)硫化物100.0質量部に対して、0.5 質量部以上とすることが好ましく、1.0 質量部以上とすることがより好ましく、2.0質量部以上とすることが更に好ましく、未反応の(B)硫化リンの残存量を減らす観点から30.0 質量部以下とすることが好ましく、20.0 質量部以下とすることがより好ましく、15.0 質量部以下とすることが更に好ましい。
(Amount of (A) Sulfide and (B) Phosphorus Sulfide Used)
The amount of the sulfide (A) used in this embodiment may be appropriately determined depending on the production equipment used.
The amount of phosphorus sulfide (B) used in this embodiment is preferably determined based on the amount of sulfide (A) and the amount of S2- contained in the sulfide (A). In order to obtain a homogeneous solid electrolyte in which a decrease in ion conductivity is suppressed, the amount is preferably 0.5 parts by mass or more, more preferably 1.0 parts by mass or more, and even more preferably 2.0 parts by mass or more, relative to 100.0 parts by mass of sulfide (A). In order to reduce the amount of unreacted phosphorus sulfide (B) remaining, the amount is preferably 30.0 parts by mass or less, more preferably 20.0 parts by mass or less, and even more preferably 15.0 parts by mass or less.
<混合する工程>
本実施形態の非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下に(A)硫化物及び(B)硫化リンを混合する方法には特に制限はなく、非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒存在下に(A)硫化物及び(B)硫化リンを混合できる装置に、非プロトン性溶媒存在下に(A)硫化物及び(B)硫化リンを投入して混合すればよい。
<Mixing step>
There is no particular limitation on the method for mixing (A) sulfide and (B) phosphorus sulfide in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents in this embodiment, and the (A) sulfide and (B) phosphorus sulfide may be mixed in the presence of an aprotic solvent by introducing them into an apparatus capable of mixing (A) sulfide and (B) phosphorus sulfide in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents.
本実施形態において、前記(A)硫化物の製造方法における処理に用い得るものとして例示した粉砕機を使用すると、その後結晶化等の工程が必要となるため、粉砕機を用いないことを要する。「粉砕機を用いず」とは文字通り、「粉砕機」を用いないことを意味する、「粉砕機」は前記(A)硫化物の製造方法における処理に用い得るものとして例示した、粉砕機である。 In this embodiment, if a pulverizer exemplified as a pulverizer that can be used in the process in the sulfide manufacturing method (A) is used, a subsequent process such as crystallization will be required, and therefore it is necessary not to use a pulverizer. "Without using a pulverizer" literally means that a "pulverizer" is not used, and the "pulverizer" is a pulverizer exemplified as a pulverizer that can be used in the process in the sulfide manufacturing method (A).
本実施形態において、前記混合できる装置としては、例えば槽内に撹拌翼を備える機械撹拌式混合機が挙げられる。
下記混合機も「粉砕」自体は生じ得るが、「粉砕」の処理が主ではなく、「混合」の処理が主であるため、混合機を用いても問題ない。
機械撹拌式混合機は、高速撹拌型混合機、双腕型混合機等が挙げられ、原料含有物と錯化剤との混合物中の原料の均一性を高め、所定の平均粒径及び比表面積とともに、より高いイオン伝導度を得る観点から、高速撹拌型混合機が好ましく用いられる。また、高速撹拌型混合機としては、垂直軸回転型混合機、水平軸回転型混合機等が挙げられ、どちらのタイプの混合機を用いてもよい。
In this embodiment, the device capable of mixing is, for example, a mechanical stirring mixer equipped with a stirring blade in a tank.
Although the mixer described below may also cause "pulverization," there is no problem in using the mixer since the main process is "mixing" and not "pulverization."
Examples of the mechanical stirring mixer include a high-speed stirring mixer and a double-arm mixer, and the high-speed stirring mixer is preferably used from the viewpoint of increasing the uniformity of the raw material in the mixture of the raw material content and the complexing agent, and obtaining a higher ion conductivity together with a predetermined average particle size and specific surface area. Also, examples of the high-speed stirring mixer include a vertical shaft rotary mixer and a horizontal shaft rotary mixer, and either type of mixer may be used.
機械撹拌式混合機において用いられる撹拌翼の形状としては、ブレード型、アーム型、リボン型、多段ブレード型、二連アーム型、ショベル型、二軸羽型、フラット羽根型、C型羽根型等が挙げられ、原料含有物中の原料の均一性を高め、所定の平均粒径及び比表面積とともに、より高いイオン伝導度を得る観点から、ショベル型、フラット羽根型、C型羽根型等が好ましい。 The shapes of the impellers used in mechanically stirred mixers include blade type, arm type, ribbon type, multi-stage blade type, double arm type, shovel type, double-shaft blade type, flat blade type, C-shaped blade type, etc., and from the viewpoint of increasing the uniformity of the raw material in the raw material content and obtaining a higher ionic conductivity along with a specified average particle size and specific surface area, the shovel type, flat blade type, C-shaped blade type, etc. are preferred.
なお本実施形態は、非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒の存在下で行うため、特許文献2のようにボールミルのような媒体式粉砕機を使用しないことが好ましい。これにより、(A)硫化物の非晶化を抑制することができ、その後のアルジロダイト型の結晶型とすることを目的とした200℃以上への加熱工程を必要としないので結果として造粒を抑えることができる。 In addition, since this embodiment is carried out in the presence of at least one solvent selected from nonpolar solvents and aprotic solvents, it is preferable not to use a media-type grinding machine such as a ball mill as in Patent Document 2. This makes it possible to suppress the amorphization of (A) sulfide, and does not require a subsequent heating step to 200°C or higher for the purpose of converting it to an argyrodite-type crystal form, thereby suppressing granulation.
本実施形態において混合する工程は、特に制限はなく、外部から加熱や冷却のような温度を調整せず行ってもよいが、工程時間を短縮し、イオン伝導度の低下が抑制された固体電解質を得る観点からは加熱してもよく、100℃未満で行うことが好ましく、90℃未満で行うことがより好ましく、85℃未満で行うことが更に好ましく、非プロトン性溶媒の溶解度を保つことができるため、-20℃以上で行うことが好ましく、0℃以上で行うことがより好ましく、加熱せずに行うことが更に好ましい。 In this embodiment, the mixing process is not particularly limited, and may be performed without adjusting the temperature from the outside, such as by heating or cooling, but from the viewpoint of shortening the process time and obtaining a solid electrolyte with suppressed decrease in ionic conductivity, heating may be performed, and it is preferable to perform the process at less than 100°C, more preferably less than 90°C, and even more preferably less than 85°C. In order to maintain the solubility of the aprotic solvent, it is preferable to perform the process at -20°C or higher, more preferably 0°C or higher, and even more preferably to perform the process without heating.
なお、特許文献1に記載の方法でもボールミル粉砕器で粉砕混合して得た混合粉末を200℃で2時間加熱しているが、これは粉砕混合により崩れた結晶構造を再度アルジロダイト構造とするために行っており、本実施形態のように混合する工程の時間を短縮するための加熱とは異なっている。このため、引用文献1ではアルジロダイド構造への結晶転移が起きるのに十分な200℃と高温となっており、本実施形態の100℃未満とは大きく異なっている。 In the method described in Patent Document 1, the mixed powder obtained by grinding and mixing in a ball mill is also heated at 200°C for 2 hours, but this is done to restore the crystal structure that has been destroyed by grinding and mixing to an argyrodite structure, and is different from heating to shorten the time of the mixing process as in this embodiment. For this reason, the temperature in Patent Document 1 is 200°C, which is high enough to cause a crystal transition to an argyrodite structure, and is significantly different from the less than 100°C used in this embodiment.
本実施形態の混合する工程を行う時間は、(B)硫化リンの消費量を基準に決定すればよく、特に制限はないが、例えば1時間以上が好ましく、3時間以上がより好ましく、5時間以上が更に好ましい。
製造効率の観点からは24時間以下が好ましく、18時間以下がより好ましく、12時間以下が更に好ましく、10時間以下がより更に好ましい。
イオン伝導度の低下を抑制する観点からは120時間以下が好ましく、100時間以下がより好ましく、80時間以下が更に好ましい。
The time for performing the mixing step in this embodiment may be determined based on the consumption amount of phosphorus sulfide (B) and is not particularly limited. For example, the time is preferably 1 hour or more, more preferably 3 hours or more, and even more preferably 5 hours or more.
From the viewpoint of production efficiency, the reaction time is preferably 24 hours or less, more preferably 18 hours or less, even more preferably 12 hours or less, and even more preferably 10 hours or less.
From the viewpoint of suppressing a decrease in ion conductivity, the time is preferably 120 hours or less, more preferably 100 hours or less, and even more preferably 80 hours or less.
本実施形態の混合工程は、不活性ガス雰囲気中でドライルームレベルの高露点(例えば、露点-60~-20℃)で行うことが好ましい。
大気圧で行ってもよいが、非プロトン性溶媒等の沸点が低い化合物を使用する場合には、オートクレーブ中等で加圧しながら行うことも好ましい。
The mixing step of the present embodiment is preferably carried out in an inert gas atmosphere at a high dew point (eg, a dew point of −60 to −20° C.) at the dry room level.
The reaction may be carried out at atmospheric pressure, but when a compound having a low boiling point such as an aprotic solvent is used, it is also preferable to carry out the reaction under pressure in an autoclave or the like.
<乾燥工程>
本実施形態では、(A)硫化物及び(B)硫化リンを混合する工程後に、さらに乾燥工程を要する。
本実施形態で使用する非極性溶媒及び非プロトン性溶媒から選ばれる少なくとも1種の溶媒を除去する乾燥工程を行うことにより、不純物が少なくなり、イオン伝導度の向上が期待できる。一方、固体電解質が、乾燥により凝集体が形成しやすくなる場合は後記する乾燥温度及び乾燥時間を適宜調整することが好ましい。
<Drying process>
In this embodiment, a drying step is further required after the step of mixing (A) the sulfide and (B) the phosphorus sulfide.
By carrying out a drying step to remove at least one solvent selected from the nonpolar solvent and the aprotic solvent used in this embodiment, impurities are reduced, and improvement in ionic conductivity can be expected. On the other hand, when the solid electrolyte is prone to forming aggregates by drying, it is preferable to appropriately adjust the drying temperature and drying time described later.
乾燥は、加熱せずに行っても、乾燥時間削減の観点から加熱してもよく、50℃以上で行うことが好ましく、70℃以上で行うことが好ましく、90℃以上で行うことが好ましく、造粒やイオン伝導度の低下の抑制の観点からは150℃以下であることが好ましく、150℃以下であることがより好ましく、120℃以下であることが更に好ましい。
乾燥時間は、非プロトン性溶媒の残留量により決定すればよく、特に制限はないが、例えば1分間以上が好ましく、10分以上がより好ましく、30分以上が更に好ましく、1時間以上がより更に好ましい。また、乾燥時間の上限は特に制限されるものではないが、24時間以下が好ましく、12時間以下がより好ましく、6時間以下が更に好ましく、3時間以下がより更に好ましい。
Drying may be performed without heating or with heating from the viewpoint of reducing drying time, and is preferably performed at 50° C. or higher, more preferably 70° C. or higher, and preferably 90° C. or higher. From the viewpoint of suppressing granulation and a decrease in ion conductivity, the temperature is preferably 150° C. or lower, more preferably 150° C. or lower, and even more preferably 120° C. or lower.
The drying time may be determined depending on the amount of the aprotic solvent remaining, and is not particularly limited, but is preferably 1 minute or more, more preferably 10 minutes or more, even more preferably 30 minutes or more, and even more preferably 1 hour or more. The upper limit of the drying time is not particularly limited, but is preferably 24 hours or less, more preferably 12 hours or less, even more preferably 6 hours or less, and even more preferably 3 hours or less.
また、乾燥は、溶媒を伴う前駆体、混合物を、ガラスフィルター等を用いたろ過、デカンテーションによる固液分離、また遠心分離機等を用いた固液分離により行ってもよい。本実施形態においては、固液分離を行った後、上記の温度条件による乾燥を行ってもよい。
固液分離は、具体的には、溶媒を伴う前駆体、混合物を容器に移し、前駆体、混合物が沈殿した後に、上澄みとなる溶媒を除去するデカンテーション、また例えばポアサイズが10~200μm程度、好ましくは20~150μmのガラスフィルターを用いたろ過が容易である。
なお、乾燥工程の後に加熱を行わないことが固体電解質の造粒の抑制の観点から好ましい。
The drying may be performed by filtering the precursor or mixture containing the solvent using a glass filter or the like, by solid-liquid separation using decantation, or by solid-liquid separation using a centrifuge, etc. In this embodiment, after the solid-liquid separation, drying may be performed under the above-mentioned temperature conditions.
Specifically, the solid-liquid separation can be easily carried out by decantation, in which the precursor or mixture accompanied with the solvent is transferred to a container, and the solvent that becomes the supernatant is removed after the precursor or mixture is precipitated, or by filtration using, for example, a glass filter having a pore size of about 10 to 200 μm, preferably 20 to 150 μm.
From the viewpoint of suppressing granulation of the solid electrolyte, it is preferable not to carry out heating after the drying step.
<固体電解質>
本実施形態の固体電解質は、(A)硫化物に対し、Li2S等の含有量が減少し、(A)硫化物の成分が(B)硫化リンと反応した化合物の含有量が、使用した(B)硫化リンの量に依存して増加した組成となっている。
また、本実施形態の固体電解質の結晶構造は、前記のアルジロダイト型結晶構造を有するものであるが、より高いイオン伝導度を得る観点から、主結晶として有するものであることが好ましい。本明細書において、「主結晶として有する」とは、結晶構造のうち対象となる結晶構造の割合が80%以上であることを意味し、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。
<Solid electrolyte>
The solid electrolyte of the present embodiment has a composition in which the content of Li 2 S and the like is reduced relative to the content of the sulfide (A), and the content of a compound in which a component of the sulfide (A) reacts with phosphorus sulfide (B) is increased depending on the amount of phosphorus sulfide (B) used.
The crystal structure of the solid electrolyte of this embodiment has the above-mentioned argyrodite-type crystal structure, but from the viewpoint of obtaining higher ionic conductivity, it is preferable that the crystal structure has the argyrodite-type crystal structure as the main crystal. In this specification, "having the argyrodite-type crystal structure as the main crystal" means that the proportion of the target crystal structure in the crystal structure is 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.
A)硫化物の成分が(B)硫化リンと反応した化合物がより多く存在する固体電解質表層部は、非晶性固体電解質となっていてもよい。この非晶固体電解質の存在により全固体電池を製造する際に固体電解質同士が、加圧圧着等で熱融着しやすくなり好ましい。 The surface layer of the solid electrolyte, in which a larger amount of the compound in which (A) the sulfide component reacts with (B) phosphorus sulfide is present, may be an amorphous solid electrolyte. The presence of this amorphous solid electrolyte is preferable because it makes it easier for the solid electrolytes to be thermally fused together by pressure bonding or the like when manufacturing an all-solid-state battery.
次に実施例により、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
1.測定方法
1-1.(A)硫化物及び固体電解質の結晶構造
試料の粉末を、直径20 mm、深さ0.2 mmの溝にガラスで摺り切り試料とした。この試料を、XRD用カプトンフィルムで空気に触れさせずに測定した。
株式会社BRUKERの粉末X線回折測定装置D2 PHASERを用いて以下の条件にて実施した。
The present invention will now be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples in any way.
1. Measurement method 1-1. (A) Crystal structure of sulfide and solid electrolyte A sample powder was cut into a groove 20 mm in diameter and 0.2 mm deep with glass to prepare a sample. This sample was measured with a Kapton film for XRD without exposing it to air.
The powder X-ray diffraction measurement was performed under the following conditions using a D2 PHASER powder X-ray diffraction measurement device manufactured by BRUKER Corporation.
管電圧:30 kV
管電流:10 mA
X線波長:Cu-Kα線(1.5418 Å)
光学系:集中法
スリット構成:ソーラースリット4°、発散スリット1 mm、Kβフィルター(Ni板)使用
Tube voltage: 30 kV
Tube current: 10 mA
X-ray wavelength: Cu-Kα ray (1.5418 Å)
Optical system: focusing method Slit configuration: Soller slit 4°, divergence slit 1 mm, Kβ filter (Ni plate) used
検出器:半導体検出器
測定範囲:2θ=10-60deg
ステップ幅、スキャンスピード:0.05deg、0.05deg/sec
1-2.(A)硫化物及び固体電解質の化学組成
ICP分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)により、組成分析を行った。
Detector: Semiconductor detector Measurement range: 2θ=10-60 deg
Step width, scan speed: 0.05 deg, 0.05 deg/sec
1-2. (A) Chemical Composition of Sulfide and Solid Electrolyte Composition analysis was performed by ICP analysis (inductively coupled plasma atomic emission spectrometry).
1-3.固体電解質のイオン伝導度
固体電解質から、直径10 mm(断面積S:0.785 cm2)、高さ(L)0.1~0.3 cmの円形ペレットを成形して試料とした。その試料の上下から電極端子を取り、25℃において交流インピーダンス法により測定し(周波数範囲:5MHz~0.5Hz、振幅:10mV)、Cole-Coleプロットを得た。高周波側領域に観測される円弧の右端付近で、-Z’’(Ω)が最小となる点での実数部Z’(Ω)を電解質のバルク抵抗R(Ω)とし、以下式に従い、イオン伝導度σ(S/cm)を計算した。
1-3. Ionic Conductivity of Solid Electrolyte A circular pellet with a diameter of 10 mm (cross-sectional area S: 0.785 cm2 ) and a height (L) of 0.1 to 0.3 cm was molded from the solid electrolyte to prepare a sample. Electrode terminals were attached to the top and bottom of the sample, and measurements were made at 25°C by an AC impedance method (frequency range: 5 MHz to 0.5 Hz, amplitude: 10 mV) to obtain a Cole-Cole plot. The real part Z' (Ω) at the point where -Z'' (Ω) is minimum near the right end of the arc observed in the high frequency region was taken as the bulk resistance R (Ω) of the electrolyte, and the ionic conductivity σ (S/cm) was calculated according to the following formula:
1-4.固体電解質の暴露試験(H2S発生量)
まず、曝露試験で用いる試験装置(曝露試験装置1)について、図1を用いて説明する。
曝露試験装置1は、窒素を加湿するフラスコ10と、加湿した窒素と加湿しない窒素とを混合するスタティックミキサー20と、混合した窒素の水分を測定する露点計30(VAISALA社製M170/DMT152)と、測定試料を設置する二重反応管40と、二重反応管40から排出される窒素の水分を測定する露点計50と、排出された窒素中に含まれる硫化水素濃度を測定する硫化水素計測器60(AMI社製 Model3000RS)とを、主な構成要素とし、これらを管(図示せず)にて接続した構成としてある。フラスコ10の温度は冷却槽11により10 ℃に設定されている。
なお、各構成要素を接続する菅には直径6 mmのテフロン(登録商標)チューブを使用した。本図では管の表記を省略し、代わりに窒素の流れを矢印で示してある。
1-4. Exposure test of solid electrolyte (amount of H2S generated)
First, a test apparatus (exposure test apparatus 1) used in the exposure test will be described with reference to FIG.
The exposure test apparatus 1 mainly comprises a flask 10 for humidifying nitrogen, a static mixer 20 for mixing humidified nitrogen and non-humidified nitrogen, a dew point meter 30 (M170/DMT152 manufactured by VAISALA) for measuring the moisture content of the mixed nitrogen, a double reaction tube 40 in which a measurement sample is placed, a dew point meter 50 for measuring the moisture content of the nitrogen discharged from the double reaction tube 40, and a hydrogen sulfide meter 60 (Model 3000RS manufactured by AMI) for measuring the hydrogen sulfide concentration contained in the discharged nitrogen, and is configured to be connected by pipes (not shown). The temperature of the flask 10 is set to 10° C. by a cooling tank 11.
The components were connected to each other using Teflon tubes with a diameter of 6 mm. In this figure, the tubes are omitted, and instead the flow of nitrogen is indicated by arrows.
評価の手順は以下のとおりとした。
露点を-80℃とした窒素グローボックス内で、粉末試料(固体電解質)41を約1.5g秤量し、石英ウール42で挟むように反応管40内部に設置し密封した。評価は室温(20℃)で行った。
窒素源(図示せず)から0.02 MPaで窒素を装置1内に供給した。供給された窒素は、二又分岐管BPを通過して、一部はフラスコ10に供給され加湿される。その他は加湿しない窒素としてスタティックミキサー20に直接供給される。なお、窒素のフラスコ10への供給量はニードルバルブVで調整される。
The evaluation procedure was as follows.
About 1.5 g of powder sample (solid electrolyte) 41 was weighed out in a nitrogen glove box with a dew point of −80° C., and placed and sealed inside reaction tube 40 so as to be sandwiched between quartz wool 42. Evaluation was performed at room temperature (20° C.).
Nitrogen was supplied from a nitrogen source (not shown) at 0.02 MPa into the apparatus 1. The supplied nitrogen passed through a bifurcated branch pipe BP, and a portion of the nitrogen was supplied to the flask 10 and humidified. The remaining portion was supplied directly to the static mixer 20 as unhumidified nitrogen. The amount of nitrogen supplied to the flask 10 was adjusted by a needle valve V.
加湿しない窒素及び加湿した窒素の流量を、ニードルバルブ付きフローメーターFMで調整することにより露点を制御する。具体的に、加湿しない窒素の流量を800mL/min、加湿した窒素の流量を10~30 mL/minで、スタティックミキサー20に供給し、混合して、露点計30にて混合ガス(加湿しない窒素及び加湿した窒素の混合物)の露点を確認した。 The dew point is controlled by adjusting the flow rate of the non-humidified nitrogen and the humidified nitrogen with a flow meter FM equipped with a needle valve. Specifically, the non-humidified nitrogen is supplied to the static mixer 20 at a flow rate of 800 mL/min and the humidified nitrogen is supplied at a flow rate of 10 to 30 mL/min, and mixed. The dew point of the mixed gas (mixture of non-humidified nitrogen and humidified nitrogen) is confirmed with the dew point meter 30.
露点を-30℃に調整した後、三方コック43を回転して、混合ガスを反応管40内部に表1に示す時間流通させた。試料41を通過した混合ガスに含まれる硫化水素量を、硫化水素計測器60で測定した。なお、硫化水素量は15秒間隔で記録し、1分間当たりの発生量(mL/min)として測定した。また、参考のため曝露後の混合ガスの露点を露点計50で測定した。
なお、測定後の窒素から硫化水素を除去するため、アルカリトラップ70を通過させた。
After adjusting the dew point to -30°C, the three-way cock 43 was rotated to circulate the mixed gas inside the reaction tube 40 for the time shown in Table 1. The amount of hydrogen sulfide contained in the mixed gas that passed through the sample 41 was measured with a hydrogen sulfide meter 60. The amount of hydrogen sulfide was recorded at 15-second intervals and measured as the amount generated per minute (mL/min). For reference, the dew point of the mixed gas after exposure was also measured with a dew point meter 50.
In order to remove hydrogen sulfide from the nitrogen after measurement, the nitrogen was passed through an alkali trap 70.
1-5.平均粒径
平均粒径(D50)は、粒子径分布積算曲線を描いた時に粒子径の最も小さい粒子から順次積算して全体の50%に達するところの粒子径であり、例えば以下のようにして測定される。レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(HORIBA製、LA-950V2モデルLA-950W2)で測定した。
脱水処理されたトルエン(和光純薬製、特級)とターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を93.8:6.2の質量比で混合したものを分散媒として用いた。装置のフローセル内に分散媒を50 mL注入し、循環させた後、測定対象を添加して超音波処理した後、粒子径分布を測定した。なお、測定対象の添加量は、装置で規定されている測定画面で、粒子濃度に対応する赤色光透過率(R)が80~90%、青色光透過率(B)が70~90%に収まるように調整した。また、演算条件には、測定対象の屈折率の値として2.16を、分散媒の屈折率の値として1.49をそれぞれ用いた。分布形態の設定において、反復回数を15回に固定して粒径演算を行った。
1-5. Average particle size The average particle size (D50) is the particle size at which the particle size distribution cumulative curve is drawn and accumulated from the smallest particle size to reach 50% of the total, and is measured, for example, as follows: It was measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution analyzer (HORIBA, LA-950V2 model LA-950W2).
A mixture of dehydrated toluene (Wako Pure Chemical Industries, special grade) and tertiary butyl alcohol (Wako Pure Chemical Industries, special grade) in a mass ratio of 93.8:6.2 was used as the dispersion medium. 50 mL of the dispersion medium was injected into the flow cell of the device and circulated, and then the measurement target was added and ultrasonicated, and the particle size distribution was measured. The amount of the measurement target was adjusted so that the red light transmittance (R) corresponding to the particle concentration was 80 to 90% and the blue light transmittance (B) was 70 to 90% on the measurement screen specified by the device. In addition, the calculation conditions used 2.16 as the refractive index of the measurement target and 1.49 as the refractive index of the dispersion medium. In the distribution form setting, the number of repetitions was fixed at 15 times, and the particle size calculation was performed.
1-6.BET比表面積
ガス吸着量測定装置(AUTOSORB6(シスメックス(株)製))を用いて窒素法で測定した。
1-7.残留溶媒量
ガスクロマトグラフ(Agilent社製の6890型)で測定した。
1-6. BET specific surface area: This was measured by a nitrogen method using a gas adsorption measurement device (AUTOSORB6 (manufactured by Sysmex Corporation)).
1-7. Residual Solvent Amount The residual solvent amount was measured using a gas chromatograph (Model 6890 manufactured by Agilent).
2-1. 硫化リチウムの合成
500 mLのセパラブルフラスコ(アンカー撹拌翼装備)に、窒素気流下で水酸化リチウム無水物(本荘ケミカル(株)製、粒子径範囲:0.1mm 以上1.5 mm以下、水分量:1質量%以下)200 gを投入、60 rpmで撹拌しながら、オイルバスを用いて200 ℃に昇温し、保持した。また、セパラブルフラスコの上部をリボンヒーターで100 ℃に保持した。窒素を硫化水素((株)巴商会製)に切り替えて、500 mL/分の流量で供給しながら、水酸化リチウムと硫化水素との反応を行った。反応の進行により発生した水分はコンデンサーにより凝縮して回収し、6 時間の反応を行ったところで144 mLの水が回収され、更に3 時間継続したが、水の発生はなかった。
2-1. Synthesis of lithium sulfide In a 500 mL separable flask (equipped with an anchor stirring blade), 200 g of lithium hydroxide anhydride (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd., particle size range: 0.1 mm to 1.5 mm, moisture content: 1 mass% or less) was charged under nitrogen gas flow, and the temperature was raised to 200 ° C. using an oil bath while stirring at 60 rpm, and the temperature was maintained at 200 ° C. The upper part of the separable flask was maintained at 100 ° C. using a ribbon heater. The nitrogen was switched to hydrogen sulfide (manufactured by Tomoe Shokai Co., Ltd.) and the reaction between lithium hydroxide and hydrogen sulfide was carried out while supplying it at a flow rate of 500 mL / min. The moisture generated by the progress of the reaction was condensed and collected by a condenser, and 144 mL of water was collected after 6 hours of reaction, and no water was generated even though the reaction was continued for another 3 hours.
次いで、温度を200 ℃に保持したまま、硫化水素を窒素に切り替え、20 分間窒素を通気し、フラスコ内の硫化水素を窒素に置換した。
得られた硫化リチウム(Li2S)粉体を電位差滴定により測定したところ、硫化リチウムの含有量(純度)は99.1質量%であり、比表面積は7 m2/gとなった。
Next, while maintaining the temperature at 200° C., the hydrogen sulfide was replaced with nitrogen, and nitrogen was passed through for 20 minutes to replace the hydrogen sulfide in the flask with nitrogen.
The obtained lithium sulfide (Li 2 S) powder was measured by potentiometric titration, and the lithium sulfide content (purity) was found to be 99.1 mass % and the specific surface area was 7 m 2 /g.
2-2.硫化物(A-1)の調製
(A)粉砕工程
上記2-1で得たLi2Sを、窒素雰囲気下にて、定量供給機を有するピンミル(ホソカワミクロン株式会社製 100UPZ)にて粉砕した。投入速度は80 g/min、円板の回転速度は18000 rpmとした。
同様に、P2S5(サーモフォス製)、LiBr(本荘ケミカル社製)及びLiCl(本荘ケミカル社製)を、それぞれ、ピンミルにて粉砕した。P2S5の投入速度は140 g/min、LiBrの投入速度は230 g/min、LiClの投入速度は250g/minとした。円板の回転速度はいずれも18000 rpmとした。
2-2. Preparation of sulfide (A-1) (A) Pulverization step The Li 2 S obtained in 2-1 above was pulverized in a pin mill (100UPZ, manufactured by Hosokawa Micron Corporation) equipped with a constant-volume feeder under a nitrogen atmosphere. The feeding rate was 80 g/min, and the disk rotation speed was 18,000 rpm.
Similarly, P2S5 (manufactured by Thermophos), LiBr (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.), and LiCl (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) were each pulverized in a pin mill. The injection rate of P2S5 was 140 g/min, that of LiBr was 230 g/min, and that of LiCl was 250 g / min. The rotation speed of the disk was 18,000 rpm in each case.
(B)原料混合物の調製
窒素雰囲気のグローブボックス内にて、上記(A)で粉砕した各化合物を、モル比がLi2S:P2S5:LiBr:LiCl=47.5:12.5:15.0:25.0であり、合計110 gとなるように計量したものを、ガラス容器に投入し、容器を振盪することにより粗混合した。
粗混合した原料110 gを、窒素雰囲気下で、脱水トルエン(和光純薬製)1140 mLと脱水イソブチロニトリル(キシダ化学製)7 mLとの混合溶媒中に分散させ、約10質量%のスラリーとした。スラリーを窒素雰囲気に保ったまま、ビーズミル(LMZ015、アシザワ・ファインテック社製)を用いて混合粉砕した。具体的に、粉砕媒体には直径0.5 mmのジルコニアビーズ456 gを使用し、周速12 m/s、流量500 mL/minの条件でビーズミルを稼働させ、スラリーをミル内に投入し、1 時間循環運転した。処理後のスラリーを窒素置換したシュレンク瓶に入れた後、減圧乾燥して原料混合物を調製した。
(B) Preparation of raw material mixture In a glove box under a nitrogen atmosphere, the compounds pulverized in (A) above were weighed out so that the molar ratio of Li2S : P2S5 :LiBr:LiCl was 47.5:12.5:15.0:25.0, and the total amount was 110 g . The compounds were then placed in a glass container and roughly mixed by shaking the container.
110 g of the crudely mixed raw material was dispersed in a mixed solvent of 1140 mL of dehydrated toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 7 mL of dehydrated isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical Industries, Ltd.) under a nitrogen atmosphere to obtain a slurry of about 10% by mass. The slurry was mixed and ground using a bead mill (LMZ015, manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd.) while maintaining the slurry in a nitrogen atmosphere. Specifically, 456 g of zirconia beads having a diameter of 0.5 mm were used as the grinding medium, and the bead mill was operated under conditions of a peripheral speed of 12 m/s and a flow rate of 500 mL/min, the slurry was put into the mill, and circulated for 1 hour. The treated slurry was placed in a nitrogen-substituted Schlenk flask, and then dried under reduced pressure to prepare a raw material mixture.
(C)仮焼工程
上記(B)で得た原料混合物30gを、エチルベンゼン(和光純薬社製)300 mLに分散させてスラリーとした。このスラリーを、撹拌機及び加熱用オイルバスを具備したオートクレーブ(容量1000 mL、SUS316製)に投入し、回転数200 rpmで撹拌しながら、200 ℃で2 時間加熱処理した。処理後、減圧乾燥して溶媒を留去して、仮焼物を得た。
(C) Calcination Step 30 g of the raw material mixture obtained in (B) above was dispersed in 300 mL of ethylbenzene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to prepare a slurry. This slurry was placed in an autoclave (capacity 1000 mL, made of SUS316) equipped with a stirrer and a heating oil bath, and heat-treated at 200° C. for 2 hours while stirring at a rotation speed of 200 rpm. After the treatment, the mixture was dried under reduced pressure to remove the solvent, and a calcined product was obtained.
(D)焼成工程
上記(C)で得た仮焼物を、窒素雰囲気下のグローブボックス内の電気炉(F-1404-A、東京硝子器械株式会社製)で加熱した。具体的には、電気炉内にAl2O3製の匣鉢(999-60S、東京硝子器械株式会社製)を入れ、室温から380 ℃まで1 時間で昇温し380 ℃で1 時間以上保持した。その後、電気炉の扉を開け、素早く仮焼物を匣鉢に注ぎ入れたのち、扉を直ちに閉じ、1時間加熱した。その後、匣鉢を電気炉より取り出し、徐冷することによりアルジロダイト型固体電解質((A)硫化物)を得た。
(D) Firing step The calcined product obtained in (C) above was heated in an electric furnace (F-1404-A, manufactured by Tokyo Glass Machinery Co., Ltd.) in a glove box under a nitrogen atmosphere. Specifically, an Al 2 O 3 sagger (999-60S, manufactured by Tokyo Glass Machinery Co., Ltd.) was placed in the electric furnace, and the temperature was raised from room temperature to 380°C in 1 hour and maintained at 380°C for 1 hour or more. Thereafter, the door of the electric furnace was opened, and the calcined product was quickly poured into the sagger, after which the door was immediately closed and heated for 1 hour. Thereafter, the sagger was removed from the electric furnace and slowly cooled to obtain an argyrodite-type solid electrolyte (sulfide (A)).
(E)微粒子化工程
得られたアルジロダイト型固体電解質を、窒素雰囲気下で、脱水トルエン(和光純薬製)と脱水イソブチロニトリル(キシダ化学製)との混合溶媒中に分散させ、約8質量%のスラリーとした。スラリーを窒素雰囲気に保ったまま、ビーズミル(LMZ015、アシザワ・ファインテック社製)を用いて混合粉砕した。処理後のスラリーを窒素置換したシュレンク瓶に入れた後、減圧乾燥して微粒子化アルジロダイト型固体電解質(硫化物(A-1))を得た。
(E) Microparticulation step The obtained argyrodite-type solid electrolyte was dispersed in a mixed solvent of dehydrated toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and dehydrated isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical Industries, Ltd.) under a nitrogen atmosphere to obtain a slurry of about 8% by mass. The slurry was mixed and pulverized using a bead mill (LMZ015, manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd.) while maintaining the nitrogen atmosphere. The treated slurry was placed in a nitrogen-substituted Schlenk flask and then dried under reduced pressure to obtain a microparticulated argyrodite-type solid electrolyte (sulfide (A-1)).
X線回折(XRD)測定の結果、XRDパターンには、2θ=25.5±1.0deg及び29.9±1.0deg等にアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。
d50は1.7 μmであった。また、イオン伝導度は4.9 mS/cmであった。
As a result of X-ray diffraction (XRD) measurement, peaks derived from an argyrodite-type crystal structure were observed at 2θ=25.5±1.0 deg and 29.9±1.0 deg in the XRD pattern.
The d50 was 1.7 μm, and the ionic conductivity was 4.9 mS/cm.
2-3.硫化物(A-2)の調製
(E)微粒子化工程にて、粉砕条件を変更した以外は製造例1と同様にして微粒子化アルジロダイト型固体電解質(硫化物(A-2))を得た。
X線回折(XRD)測定の結果、XRDパターンには、2θ=25.5±1.0deg及び29.9±1.0deg等にアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。
d50は0.6 μmであった。また、イオン伝導度は4.6 mS/cmであった。
2-3. Preparation of Sulfide (A-2) A finely divided argyrodite-type solid electrolyte (sulfide (A-2)) was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the grinding conditions were changed in the (E) fine particle forming step.
As a result of X-ray diffraction (XRD) measurement, peaks derived from an argyrodite-type crystal structure were observed at 2θ=25.5±1.0 deg and 29.9±1.0 deg in the XRD pattern.
The d50 was 0.6 μm, and the ionic conductivity was 4.6 mS/cm.
(実施例1~3)
窒素雰囲気下にて、2-2で得たアルジロダイト型固体電解質(硫化物(A-1))と、P2S5(サーモフォス製)とを表1の条件で50 mLのシュレンク瓶に秤量した。窒素雰囲気を保ったまま、トルエン(富士フィルム和光純薬社製、水分量10ppm以下)20 mLを投入して混合物を得た。なお、表1中、P2S5の添加量は硫化物A-1又は硫化物A-2を100質量部とした際の添加量である。
(Examples 1 to 3)
Under a nitrogen atmosphere, the argyrodite-type solid electrolyte (sulfide (A-1)) obtained in 2-2 and P 2 S 5 (manufactured by Thermophos) were weighed into a 50 mL Schlenk flask under the conditions shown in Table 1. While maintaining the nitrogen atmosphere, 20 mL of toluene (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., moisture content 10 ppm or less) was added to obtain a mixture. In Table 1, the amount of P 2 S 5 added is the amount added when sulfide A-1 or sulfide A-2 is 100 parts by mass.
さらに、窒素雰囲気を保ったまま、スターラーチップを投入して室温(25℃)で72時間撹拌した。その後、室温で1時間真空乾燥して溶媒を除去することにより乾燥粉を得た。得られた乾燥粉を80℃で1時間真空乾燥して、固体電解質-1~3を得た。
得られた固体電解質のイオン伝導度、硫化水素発生量、平均粒径d50および硫化水素発生量の評価結果を表1に示す。また、固体電解質はいずれもアルジロダイト構造を有していることが粉末X線回折測定装置の結果から確認できた。
なお、固体電解質中に残留したトルエンはいずれも0.1重量%未満であった。
Further, while maintaining the nitrogen atmosphere, a stirrer chip was added and the mixture was stirred at room temperature (25°C) for 72 hours. After that, the mixture was vacuum dried at room temperature for 1 hour to remove the solvent, thereby obtaining a dry powder. The obtained dry powder was vacuum dried at 80°C for 1 hour to obtain solid electrolytes-1 to -3.
The evaluation results of the obtained solid electrolytes in terms of ionic conductivity, amount of hydrogen sulfide generated, average particle size d50, and amount of hydrogen sulfide generated are shown in Table 1. In addition, it was confirmed from the results of powder X-ray diffraction measurement that all of the solid electrolytes had an argyrodite structure.
The amount of toluene remaining in the solid electrolyte was less than 0.1% by weight in all cases.
(比較例1)
比較例1として、硫化物(A-1)の結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, the results for sulfide (A-1) are shown in Table 1.
(実施例4及び5)
実施例1の硫化物(A-1)に換え硫化物(A-2)を使用し、五硫化二リンの使用量及び混合時間を表1記載のようにした以外は同様にして固体電解質-4及び5を得た。結果を表1に示す。
得られた固体電解質-4及び5のICP分析及び粒径の測定結果は、硫化物(A-2)と有意な差はみられなかった。
また、固体電解質はいずれもアルジロダイト構造を有していることが粉末X線回折測定装置の結果から確認できた。
(比較例2)
比較例2として、硫化物(A-2)の結果を表1に示す。
(Examples 4 and 5)
Solid electrolytes 4 and 5 were obtained in the same manner as in Example 1, except that sulfide (A-2) was used instead of sulfide (A-1) in Example 1, and the amount of diphosphorus pentasulfide used and the mixing time were as shown in Table 1. The results are shown in Table 1.
The ICP analysis and particle size measurement results of the obtained solid electrolytes 4 and 5 showed no significant difference from the sulfide (A-2).
Moreover, it was confirmed from the results of powder X-ray diffraction measurement that all the solid electrolytes had an argyrodite structure.
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, the results for sulfide (A-2) are shown in Table 1.
(実施例6及び7)
窒素雰囲気下にて、前記硫化物(A-2)と、P2S5(サーモフォス製)とを表1の条件で50 mLの高圧用反応分解容器に秤量した。窒素雰囲気を保ったまま、トルエン(富士フィルム和光純薬社製、水分量10ppm以下)20 mLを投入して混合物を得た。さらに、窒素雰囲気を保ったまま、スターラーチップを投入して密閉し、80 ℃で8 時間撹拌した。その後、室温で1時間真空乾燥して溶媒を除去することにより乾燥粉を得た。得られた乾燥粉を80 ℃で1時間真空乾燥して、固体電解質-6及び7を得た。
得られた固体電解質のイオン伝導度、硫化水素発生量、平均粒径d50および硫化水素発生量の評価結果を表1に示す。
(Examples 6 and 7)
Under a nitrogen atmosphere, the sulfide (A-2) and P 2 S 5 (manufactured by Thermophos) were weighed into a 50 mL high-pressure reaction and decomposition vessel under the conditions shown in Table 1. While maintaining the nitrogen atmosphere, 20 mL of toluene (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., moisture content 10 ppm or less) was added to obtain a mixture. Furthermore, while maintaining the nitrogen atmosphere, a stirrer chip was added, the vessel was sealed, and stirred at 80°C for 8 hours. Thereafter, the mixture was vacuum-dried at room temperature for 1 hour to remove the solvent, thereby obtaining a dry powder. The obtained dry powder was vacuum-dried at 80°C for 1 hour to obtain solid electrolytes-6 and 7.
The evaluation results of the obtained solid electrolyte with respect to ionic conductivity, amount of hydrogen sulfide generated, average particle size d50 and amount of hydrogen sulfide generated are shown in Table 1.
固体電解質中に残留したトルエンはいずれも0.1重量%未満であった。
得られた固体電解質-6及び7のICP分析及び粒径の測定結果は、硫化物(A-2)と有意な差はみられなかった。
また、固体電解質はいずれもアルジロダイト構造を有していることが粉末X線回折測定装置の結果から確認できた。
The amount of toluene remaining in the solid electrolyte was less than 0.1% by weight in all cases.
The ICP analysis and particle size measurement results of the obtained solid electrolytes-6 and 7 showed no significant difference from the sulfide (A-2).
Moreover, it was confirmed from the results of powder X-ray diffraction measurement that all the solid electrolytes had an argyrodite structure.
(比較例3)
前記硫化物(A-1)を0.9445 gと、P2S5(サーモフォス製)を0.0505 gと、直径2mmのジルコニア製ボール26.5 gと、をジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉し、ポット内をアルゴン雰囲気とした。加熱冷却することなく、「粉砕機」として遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P-7)で回転数を100rpmとし、2時間処理(メカニカルミリング)し、粉末を得た。
(Comparative Example 3)
0.9445 g of the sulfide (A-1), 0.0505 g of P 2 S 5 (manufactured by Thermophos), and 26.5 g of zirconia balls having a diameter of 2 mm were placed in a zirconia pot (45 mL), which was completely sealed and the inside of the pot was filled with argon atmosphere. Without heating or cooling, the mixture was treated (mechanical milling) for 2 hours at a rotation speed of 100 rpm in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: model number P-7) as a "pulverizer" to obtain a powder.
得られた粉末をガラス容器に充填し、これを200℃で2時間加熱して、固体電解質-C1を得た。
得られた固体電解質-C1のイオン伝導度、硫化水素発生量、平均粒径d50および硫化水素発生量の評価結果を表1に示す。また、固体電解質-C1はアルジロダイト構造を有していることが粉末X線回折測定装置の結果から確認できた。
The obtained powder was filled into a glass container and heated at 200° C. for 2 hours to obtain a solid electrolyte-C1.
The evaluation results of the obtained solid electrolyte-C1 in terms of ionic conductivity, amount of hydrogen sulfide generated, average particle size d50, and amount of hydrogen sulfide generated are shown in Table 1. In addition, it was confirmed from the results of the powder X-ray diffraction measurement device that the solid electrolyte-C1 has an argyrodite structure.
表1中のP2S5添加量(質量部)は、(A)硫化物100.0質量部に対する(B)硫化リンの添加量(質量部)を表す。
表1中の注1)は、比較例3で記載した「得られた粉末をガラスバイアルの容器に充填し、これを管状電気炉にて200℃で2時間加熱した」ことを意味する。
The amount of P 2 S 5 added (parts by mass) in Table 1 represents the amount of phosphorus sulfide (B) added (parts by mass) relative to 100.0 parts by mass of sulfide (A).
Note 1) in Table 1 means that "the obtained powder was filled into a glass vial container and heated in a tubular electric furnace at 200° C. for 2 hours" as described in Comparative Example 3.
本発明の製造方法により簡便に均質な固体電解質が得られた。また、本発明の製造方法により得られた固体電解質は、前記の混合する工程を行っていない硫化物(比較例1及び2に該当)と比較してH2Sの発生が大幅に低減でき、イオン伝導度の低下の抑制に関しても改善できることが分かった。
比較例3では、前記の特許文献2の製造方法に該当する粉砕機(遊星型ボールミル)を用いる製造方法により固体電解質-C1を得た。しかし固体電解質-C1は、H2S発生量こそ本製造方法により製造した固体電解質と同程度に抑えられるものの、イオン伝導度は大きく低下し、また造粒により粒径が大きくなってしまった。このことから「粉砕機」を用いずに混合する工程を行うことが必要であることが確認された。また、「混合する工程」で「粉砕機」を用いる場合、全固体電池用の固体電解質層に使用するには、粒径を小さくする必要があるため、更に別途の粉砕工程が必要になってしまうことが分かった。
A homogeneous solid electrolyte was easily obtained by the manufacturing method of the present invention. It was also found that the solid electrolyte obtained by the manufacturing method of the present invention can significantly reduce the generation of H2S and can also improve the suppression of the decrease in ionic conductivity, compared to the sulfide not subjected to the above-mentioned mixing step (corresponding to Comparative Examples 1 and 2).
In Comparative Example 3, solid electrolyte-C1 was obtained by a manufacturing method using a pulverizer (planetary ball mill) corresponding to the manufacturing method of Patent Document 2. However, although the amount of H 2 S generated by solid electrolyte-C1 was suppressed to the same level as that of the solid electrolyte manufactured by this manufacturing method, the ion conductivity was significantly reduced and the particle size became large due to granulation. From this, it was confirmed that it is necessary to perform the mixing step without using a "pulverizer". In addition, it was found that when a "pulverizer" is used in the "mixing step", the particle size needs to be reduced in order to be used in a solid electrolyte layer for an all-solid-state battery, and therefore a separate pulverization step is required.
これに対し、本製造法方法により製造した固体電解質はその表面が非晶化することがなかったため、次工程として加熱による結晶化の工程が不要であった。これにより、加熱による造粒が生じないため、さらなる粉砕化工程も不要であった。 In contrast, the surface of the solid electrolyte produced by this manufacturing method did not become amorphous, so there was no need for a subsequent heating step to crystallize it. As a result, no granulation was caused by heating, and no further pulverization step was required.
本実施形態の固体電解質の製造方法によれば、耐水性が改善しH2Sの発生を抑え、イオン伝導度の低下を抑制する立方晶系アルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質を均質にかつ簡便に製造することができる。
本実施形態の製造方法により得られる結晶性固体電解質は、電池に、とりわけ、パソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等に用いられる電池に好適に用いられる。
According to the method for producing a solid electrolyte of the present embodiment, it is possible to uniformly and easily produce a solid electrolyte having a cubic argyrodite-type crystal structure that improves water resistance, suppresses the generation of H2S , and suppresses the decrease in ionic conductivity.
The crystalline solid electrolyte obtained by the manufacturing method of this embodiment is suitable for use in batteries, particularly in batteries used in information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones.
1.曝露試験で用いる試験装置(曝露試験装置)
10.窒素を加湿するフラスコ
11.冷却槽
20.スタティックミキサー
30.露点計
40.測定試料を設置する二重反応管
41.粉末試料
42.石英ウール
43.三方コック
50.二重反応管40から排出される窒素の水分を測定する露点計
60.硫化水素計測器
70.アルカリトラップ
V.ニードルバルブ
1. Test equipment used in exposure tests (exposure test equipment)
10. Flask for humidifying nitrogen 11. Cooling tank 20. Static mixer 30. Dew point meter 40. Double reaction tube for placing the measurement sample 41. Powder sample 42. Quartz wool 43. Three-way cock 50. Dew point meter for measuring the moisture content of the nitrogen discharged from the double reaction tube 40 60. Hydrogen sulfide measuring instrument 70. Alkaline trap V. Needle valve
Claims (13)
(A)リチウム原子、リン原子及び硫黄原子を含有し、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物及び(B)硫化リンを、粉砕機を用いずに混合する工程と、
前記溶媒を除去する乾燥工程と、
を有する、固体電解質の製造方法。 In the presence of at least one solvent selected from a non-polar solvent and an aprotic solvent,
A step of mixing (A) a sulfide containing lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms and having an argyrodite-type crystal structure and (B) phosphorus sulfide without using a grinder;
A drying step for removing the solvent;
The method for producing a solid electrolyte comprising the steps of:
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