(57)【要約】【課題】リチウムイオン伝導性に優れる硫化物系のリチウムイオン電池用固体電解質材料を提供する。【解決手段】本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料は、構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを含んでいる。そして、本実施形態の固体電解質材料は、上記Ｐの含有量に対する上記Ｌｉの含有量のモル比（Ｌｉ／Ｐ）が３．０を超えて３．６以下であり、上記Ｐの含有量に対する上記Ｓの含有量のモル比（Ｓ／Ｐ）が、３．５以上４．５以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを含み、
前記Ｐの含有量に対する前記Ｌｉの含有量のモル比（Ｌｉ／Ｐ）が３．０を超えて３．６以下であり、前記Ｐの含有量に対する前記Ｓの含有量のモル比（Ｓ／Ｐ）が、３．５以上４．５以下である、リチウムイオン電池用固体電解質材料。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料において、
線源としてＣｕＫα線を用いたＸ線回折により得られるスペクトルにおいて、
回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内に回折ピークを有し、
回折角２θ＝２５〜２７°、４４〜４６°および５２〜５５°の範囲内に回折ピークを有さない、リチウムイオン電池用固体電解質材料。
【請求項３】
請求項１に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料において、
原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化し、得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより得られる、リチウムイオン電池用固体電解質材料。
【請求項４】
請求項３に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料において、
前記混合物Ａ中の前記Ｌｉ２Ｓ、前記Ｐ２Ｓ５および前記Ｌｉ３Ｎの合計を１００モル％としたとき、
前記Ｌｉ２Ｓの含有量が６５モル％以上７４モル％以下であり、
前記Ｐ２Ｓ５の含有量が２２モル％以上２５モル％以下であり、
前記Ｌｉ３Ｎの含有量が１モル％以上１３モル％以下である、リチウムイオン電池用固体電解質材料。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか一項に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料を含む、リチウムイオン電池用固体電解質。
【請求項６】
正極活物質層を含む正極と、電解質層と、負極活物質層を含む負極とを備えた、リチウムイオン電池であって、
前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層のうち少なくとも一つが、請求項１乃至４いずれか一項に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料を含む、リチウムイオン電池。
【請求項７】
請求項１に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法であって、
Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化する工程と、
得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより、前記混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する工程と、
を含み、
前記混合物Ａ中の前記Ｌｉ２Ｓ、前記Ｐ２Ｓ５および前記Ｌｉ３Ｎの合計を１００モル％としたとき、
前記Ｌｉ２Ｓの含有量が６５モル％以上７４モル％以下であり、
前記Ｐ２Ｓ５の含有量が２２モル％以上２５モル％以下であり、
前記Ｌｉ３Ｎの含有量が１モル％以上１３モル％以下である、リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法において、
前記混合物Ａをガラス化する前記工程では、
前記混合物Ａをメカニカルミリング処理することによりガラス化する、リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載のリチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法において、
ガラス状態の前記混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する前記工程では、
不活性ガス雰囲気下において、前記混合物Ｂを１８０℃以上３００℃以下で、かつ、０．５時間以上３時間以下加熱する、リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池用固体電解質材料、リチウムイオン電池用固体電解質、リチウムイオン電池およびリチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、一般的に、携帯電話やノートパソコンなどの小型携帯機器の電源として使用されている。また、最近では小型携帯機器以外に、電気自動車や電力貯蔵などの電源としてもリチウムイオン電池は使用され始めている。
【０００３】
現在市販されているリチウムイオン電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されている。一方、電解液を固体電解質に変えて、電池を全固体化したリチウムイオン電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。このような固体電解質に用いられる固体電解質材料としては、硫化物系の材料が知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
硫化物系の固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性が高いため、電池の高出力化を図る上で有用であり、従来から種々の研究がなされている。硫化物系の固体電解質としては、例えば、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系の固体電解質材料が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００５／１１９７０６号パンフレット
【特許文献２】特開２０１２−４３６５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述した硫化物系の固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性に優れているものの、電解液に比べたらまだまだ低く、リチウムイオン電池用固体電解質材料としては十分に満足するものではなかった。
【０００７】
そこで、本発明では、リチウムイオン伝導性に優れる硫化物系のリチウムイオン電池用固体電解質材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、リチウムイオン伝導性に優れる、硫化物系のリチウムイオン電池用固体電解質材料を提供するため、固体電解質材料の製造に用いる原料の種類、それらの配合割合、製造条件などについて鋭意検討した。その結果、構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを特定の割合で含む硫化物系の材料がリチウムイオン伝導性に優れることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、
構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを含み、
上記Ｐの含有量に対する上記Ｌｉの含有量のモル比（Ｌｉ／Ｐ）が３．０を超えて３．６以下であり、上記Ｐの含有量に対する上記Ｓの含有量のモル比（Ｓ／Ｐ）が、３．５以上４．５以下である、リチウムイオン電池用固体電解質材料が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、
上記リチウムイオン電池用固体電解質材料を含む、リチウムイオン電池用固体電解質が提供される。
【００１１】
さらに、本発明によれば、
正極活物質層を含む正極と、電解質層と、負極活物質層を含む負極とを備えた、リチウムイオン電池であって、
上記正極活物質層、上記電解質層および上記負極活物質層のうち少なくとも一つが、上記リチウムイオン電池用固体電解質材料を含む、リチウムイオン電池が提供される。
【００１２】
さらに、本発明によれば、
上記リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法であって、
Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化する工程と、
得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより、上記混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する工程と、
を含み、
上記混合物Ａ中の上記Ｌｉ２Ｓ、上記Ｐ２Ｓ５および上記Ｌｉ３Ｎの合計を１００モル％としたとき、
上記Ｌｉ２Ｓの含有量が６５モル％以上７４モル％以下であり、
上記Ｐ２Ｓ５の含有量が２２モル％以上２５モル％以下であり、
上記Ｌｉ３Ｎの含有量が１モル％以上１３モル％以下である、リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、リチウムイオン伝導性に優れる硫化物系のリチウムイオン電池用固体電解質材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例および比較例で得られた固体電解質材料のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
［リチウムイオン電池用固体電解質材料］
はじめに、本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料について説明する。
本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料（以下、固体電解質材料とも呼ぶ。）は、構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを含んでいる。そして、本実施形態の固体電解質材料は、上記Ｐの含有量に対する上記Ｌｉの含有量のモル比（Ｌｉ／Ｐ）が３．０を超えて３．６以下であり、好ましくは３．１以上３．５以下であり、より好ましくは３．２以上３．４以下であり、特に好ましくは３．３である。また、上記Ｐの含有量に対する上記Ｓの含有量のモル比（Ｓ／Ｐ）が、３．５以上４．５以下であり、好ましくは３．８以上４．２以下であり、より好ましくは３．９以上４．１以下であり、特に好ましくは４．０である。
ここで、本実施形態の固体電解質材料中のＬｉ、Ｐ、およびＳの含有量は、例えば、ＩＣＰ発光分光分析により求めることができる。
【００１７】
Ｌｉ／Ｐのモル比およびＳ／Ｐのモル比を上記範囲内とすることにより、優れたリチウムイオン伝導性を得ることができる。この理由については必ずしも明らかではないが、以下の理由が推察される。
固体電解質材料のイオン伝導度を向上させるためには、化合物の安定性を維持しつつ、リチウムイオンが容易にホッピングするような構造に変化させることが重要である。例えば、安定なオルト組成化合物のＬｉ３ＰＳ４のＬｉ組成を増加または減少させることが重要な因子である。Ｌｉ組成を増加または減少させる一般的な手法としては、Ｌｉ２Ｓ混合量を変化させる手法が挙げられる。しかし、この手法ではＬｉ組成だけでなく、Ｓ組成も変化してしまうためＰ−Ｓの結合状態が変わってしまい目的の効果が得られにくい。
本実施形態では、後述するように、Ｌｉ３ＰＳ４のＬｉ組成を増加させる手法として、Ｌｉ３Ｎを利用する手法を採用している。Ｌｉ３Ｎ中のＮはＮ２として系内に排出されるため、Ｌｉ３Ｎを利用することで、Ｌｉ３ＰＳ４に対し、Ｌｉ組成のみを増加させることが可能となる。こうすることにより、Ｌｉ／Ｐのモル比およびＳ／Ｐのモル比を今までにない上記範囲内にすることができる。Ｌｉ／Ｐのモル比およびＳ／Ｐのモル比が上記範囲内であると、化合物の安定性とＬｉ組成とが高度にバランスされ、その結果、高いイオン伝導度の発現につながったと考えられる。
【００１８】
本実施形態の固体電解質材料は、線源としてＣｕＫα線を用いたＸ線回折分析をしたとき、回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内に回折ピークを有し、回折角２θ＝２５〜２７°、４４〜４６°および５２〜５５°の範囲内に回折ピークを有さない回折スペクトルを示すのが好ましい。
ここで、「回折角２θ＝２５〜２７°、４４〜４６°および５２〜５５°の範囲内に回折ピークを有さない」とは、本実施形態の固体電解質材料の原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの結晶回折ピークが消失していることを意味する。また「回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内に回折ピークを有し、」とは、原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎとは異なる新たな結晶構造が生成していることを意味している。詳細は後述するが、原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化することにより、回折角２θ＝２５〜２７°、４４〜４６°および５２〜５５°の範囲内の原料由来の結晶回折ピークは消失し、得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱処理することにより、回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内に回折ピークが現れるからである。
したがって、回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内の回折ピークは、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎが規則構造を構成したために現れた新規の回折ピークであると推測される。なお、ガラス状態の混合物を加熱処理して結晶化させることにより得られる化合物は、一般的に、結晶化ガラスと呼ばれている。
本実施形態の固体電解質材料は、こうした構造を有することにより、より一層リチウムイオン伝導性を向上させることができる。
【００１９】
本実施形態の固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができる。本実施形態の粒子状の固体電解質材料は特に限定されないが、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径ｄ５０が、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。
固体電解質材料の平均粒子径ｄ５０を上記範囲内とすることにより、良好なハンドリング性を維持すると共に、リチウムイオン伝導性をより一層向上させることができる。
【００２０】
［リチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法］
つづいて、本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料の製造方法について説明する。
本実施形態の固体電解質材料は、例えば、原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを特定の割合で含む混合物Ａをガラス化し、得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱（熱処理とも呼ぶ）することにより得ることができる。より具体的には、本実施形態の固体電解質材料は、以下の（１）および（２）の工程を含む製造方法により得ることができる。
【００２１】
（１）Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを特定の割合で含む混合物Ａをガラス化する工程
（２）得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより、前記混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する工程
以下、各工程について説明する。
【００２２】
＜混合物Ａをガラス化する工程＞
はじめに、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを特定の割合で含む混合物Ａを調製する。ここで、混合物Ａ中のＬｉ２Ｓの含有量が好ましくは６５モル％以上７４モル％以下、より好ましくは７０モル％以上７２モル％以下であり、Ｐ２Ｓ５の含有量が好ましくは２２モル％以上２５モル％以下、より好ましくは２３モル％以上２５モル％以下であり、Ｌｉ３Ｎの含有量が好ましくは１モル％以上１３モル％以下、より好ましくは４モル％以上６モル％以下となるように、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを混合する。こうした混合モル比で混合することにより、構成元素として、Ｌｉ、Ｐ、およびＳを特定の割合で含む本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。ここで、上記混合モル比が、通常はそのまま反応モル比となる。また、本実施形態の混合モル比は、例えば、ＩＣＰ発光分光分析により求めることができるが、通常は仕込みの重量比から算出できる。
【００２３】
つぎに、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを上記割合で含む混合物Ａをガラス化する。
Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化する方法としては、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化できる方法であれば特に限定されないが、例えば、メカノケミカル処理および溶融急冷法などによりおこなうことができる。
これらの中でも、メカノケミカル処理によりおこなうことが好ましい。常温での処理が可能であり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。また、メカノケミカル処理は、乾式メカノケミカル処理であっても、湿式メカノケミカル処理であってもよい。
メカノケミカル処理を用いると、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを微粒子状に粉砕しながら混合することができるため、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの接触面積を大きくすることができる。それにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの反応を促進することができるため、より一層効率良く本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
【００２４】
ここで、メカノケミカル処理とは、混合対象に、せん断力、衝突力または遠心力のような機械的エネルギーを加えつつガラス化する方法である。メカノケミカル処理によるガラス化をおこなう装置としては、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミルなどの粉砕・分散機が挙げられる。これらの中でもボールミルが好ましく、遊星型ボールミルが特に好ましい。遊星型ボールミルでは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転するので、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。そのため、所望の固体電解質材料を効率良く得ることができる。
【００２５】
また、メカノケミカル処理は非活性雰囲気下でおこなうことが好ましい。これにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎと、水蒸気や酸素などとの反応を抑制することができる。
また、上記非活性雰囲気下とは、１〜１０−５Ｐａの真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下のことである。上記非活性雰囲気下では、水分の接触を避けるために露点が−５０℃以下であることが好ましく、−６０℃以下であることがより好ましい。上記不活性ガス雰囲気下とは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガスなどの不活性ガスの雰囲気下のことである。これらの不活性ガスは、製品への不純物の混入を防止するために、高純度である程好ましい。混合系への不活性ガスの導入方法としては、混合系内が不活性ガス雰囲気で満たされる方法であれば特に限定されないが、不活性ガスをパージする方法、不活性ガスを一定量導入し続ける方法などが挙げられる。
【００２６】
また、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化する時に、ヘキサン、トルエン、またはキシレンなどの非プロトン性有機溶媒を添加して、溶媒に各原料を分散させた状態でガラス化してもよい。こうすることにより、より効率良くガラス化することができる。
【００２７】
Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを含む混合物Ａをガラス化するときの回転速度や処理時間、温度、反応圧力、混合物に加えられる重力加速度などの混合条件は、混合物Ａの処理量によって適宜決定することができる。一般的には、回転速度が速いほど、ガラスの生成速度は速くなり、処理時間が長いほどガラスヘの転化率は高くなる。例えば、一般的な遊星型ボールミル機を使用した場合は、回転速度を数十〜数百ｒｐｍとし、０．５時間〜５００時間処理すればよい。通常は、線源としてＣｕＫα線を用いたＸ線回折分析をしたとき、原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの回折ピークが消失していたら、上記混合物Ａはガラス化され、混合物Ｂが得られていると判断することができる。
【００２８】
本実施形態の固体電解質材料は、非晶質性がより高いほどリチウムイオンの伝導性を向上させることができるため、非晶質性がより高いほど好ましい。
【００２９】
（Ｌｉ２Ｓ）
本実施形態のＬｉ２Ｓとしては特に限定されず、市販されているＬｉ２Ｓを使用してもよいし、例えば、水酸化リチウムと硫化水素との反応により得られるＬｉ２Ｓを使用してもよい。高純度な固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ないＬｉ２Ｓを使用することが好ましい。
【００３０】
本実施形態のＬｉ２Ｓのレーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径ｄ５０は、好ましくは平均粒子径ｄ５０が３０μｍ以下であり、より好ましくは２０μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以下である。平均粒子径ｄ５０を上記上限値以下とすることにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの接触面積を大きくすることができる。それにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの反応を促進することができるため、より一層効率良く本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
また、Ｌｉ２Ｓの平均粒子径ｄ５０の下限値は特に限定されないが、取り扱い性の観点から、例えば１μｍ以上である。
【００３１】
（Ｐ２Ｓ５）
本実施形態のＰ２Ｓ５としては特に限定されず、市販されているＰ２Ｓ５を使用することができる。高純度な固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ないＰ２Ｓ５を使用することが好ましい。また、Ｐ２Ｓ５に代えて、相当するモル比の単体リン（Ｐ）および単体硫黄（Ｓ）を用いることもできる。単体リン（Ｐ）および単体硫黄（Ｓ）は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。
【００３２】
本実施形態のＰ２Ｓ５のレーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径ｄ５０は、好ましくは平均粒子径ｄ５０が３０μｍ以下であり、より好ましくは２０μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以下である。平均粒子径ｄ５０を上記上限値以下とすることにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの接触面積を大きくすることができる。それにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの反応を促進することができるため、より一層効率良く本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
また、Ｐ２Ｓ５の平均粒子径ｄ５０の下限値は特に限定されないが、取り扱い性の観点から、例えば１μｍ以上である。
【００３３】
（Ｌｉ３Ｎ）
本実施形態のＬｉ３Ｎとしては特に限定されず、市販されているＬｉ３Ｎを使用してもよいし、例えば、金属リチウム（例えば、Ｌｉ箔）と窒素ガスとの反応により得られるＬｉ３Ｎを使用してもよい。高純度な固体電解質材料を得る観点および副反応を抑制する観点から、不純物の少ないＬｉ３Ｎを使用することが好ましい。
【００３４】
本実施形態のＬｉ３Ｎのレーザー回折散乱式粒度分布測定法による重量基準粒度分布における平均粒子径ｄ５０は、好ましくは平均粒子径ｄ５０が３０μｍ以下であり、より好ましくは２０μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以下である。平均粒子径ｄ５０を上記上限値以下とすることにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの接触面積を大きくすることができる。それにより、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎの反応を促進することができるため、より一層効率良く本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
また、Ｌｉ３Ｎの平均粒子径ｄ５０の下限値は特に限定されないが、取り扱い性の観点から、例えば１μｍ以上である。
【００３５】
＜混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する工程＞
つづいて、得られたガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより、上記混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化する工程について説明する。
本実施形態の固体電解質材料の製造方法では、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎを特定の割合で含むガラス状態の混合物Ｂを加熱することにより、混合物Ｂの少なくとも一部を結晶化させ、本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
【００３６】
上記混合物Ｂを加熱する際の温度としては特に限定されないが、例えば、結晶化温度以上の温度であることが好ましい。結晶化温度以上の温度であれば、結晶化に伴う発熱による悪影響を防止できるからである。なお、結晶化温度は、示差熱分析（ＤＴＡ）により決定することができる。熱処理の温度の上限は、特に限定されないが、結晶化温度＋１００℃であることが好ましく、結晶化温度＋５０℃であることがより好ましい。熱処理の温度が高すぎると、リチウムイオン伝導度が低下する場合があるからである。また、熱処理の温度は、具体的には１８０℃以上３００℃以下の範囲内であることが好ましく、１８０℃以上２５０℃以下の範囲内であることがより好ましい。
【００３７】
上記混合物Ｂを加熱する時間は、所望の固体電解質材料が得られる時間であれば特に限定されるものではないが、例えば、１分間以上２４時間以下の範囲内であり、好ましくは０．５時間以上３時間以下である。加熱の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる。なお、このような加熱する際の温度、時間などの条件は、本実施形態の固体電解質材料の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
【００３８】
また、上記混合物Ｂの加熱は、例えば、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、固体電解質材料の劣化（例えば、酸化）を防止することができる。
上記混合物Ｂを加熱する時の不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガスなどが挙げられる。これらの不活性ガスは、製品への不純物の混入を防止するために、高純度である程好ましく、また、水分の接触を避けるために、露点が−５０℃以下であることが好ましく、−６０℃以下であることが特に好ましい。混合系への不活性ガスの導入方法としては、混合系内が不活性ガス雰囲気で満たされる方法であれば特に限定されないが、不活性ガスをパージする方法、不活性ガスを一定量導入し続ける方法などが挙げられる。
【００３９】
このような製造方法により、本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
【００４０】
＜粉砕、分級、または造粒する工程＞
本実施形態の固体電解質材料の製造方法では、必要に応じて、得られた固体電解質材料を粉砕、分級、または造粒する工程をさらにおこなってもよい。例えば、粉砕により微粒子化し、その後、分級操作や造粒操作によって粒子径を調整することにより、所望の粒子径を有する固体電解質材料を得ることができる。上記粉砕方法としては特に限定されず、乳鉢、回転ミル、コーヒーミルなど公知の粉砕方法を用いることができる。また、上記分級方法としては特に限定されず、篩など公知の方法を用いることができる。
これらの粉砕または分級は、空気中の水分との接触を防ぐことができる点から、不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で行うことが好ましい。
また、粉砕、分級、または造粒する工程は、上記（１）の工程の前に、原料であるＬｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５およびＬｉ３Ｎに対しておこなってもよいし、上記（１）の工程の後に、上記混合物Ｂに対しておこなってもよい。
【００４１】
本実施形態の固体電解質材料を得るためには、上記の各工程を適切に調整することが重要である。ただし、本実施形態の固体電解質材料の製造方法は、上記のような方法には限定されず、種々の条件を適切に調整することにより、本実施形態の固体電解質材料を得ることができる。
【００４２】
本実施形態の固体電解質材料は、少なくとも５Ｖ〜−５Ｖの範囲で分解が起こらず、室温において１０−３Ｓｃｍ−１台という、高いリチウムイオン伝導性を示す。したがって、本実施形態の固体電解質材料は、リチウムイオン電池用固体電解質として極めて有用である。
また、上記の特性を有する本実施形態の固体電解質材料を使用したリチウムイオン電池は、安全性および充放電サイクル特性が優れている。
【００４３】
本実施形態の固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、本実施形態の固体電解質材料は、リチウムイオン電池に用いられるものであることが好ましい。さらに、本実施形態の固体電解質材料をリチウムイオン電池に用いる場合、正極に用いてもよいし、負極に用いてもよいし、固体電解質層に用いてもよい。
【００４４】
［リチウムイオン電池用固体電解質］
つぎに、本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質について説明する。本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質（以下、固体電解質とも呼ぶ。）は、本実施形態の固体電解質材料を主成分として含んでいる。
そして、本実施形態の固体電解質は特に限定されないが、本実施形態の固体電解質材料以外の成分として、例えば、本発明の目的を損なわない範囲内で、上述した本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含んでもよい。
【００４５】
（上述した本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料）
本実施形態の固体電解質は本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含んでいてもよい。本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料としては、イオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、一般的にリチウムイオン電池に用いられるものを用いることができる。例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料などを挙げることができる。これらの中でも、硫化物固体電解質材料が好ましい。これにより、出力特性に優れた全固体リチウムイオン電池とすることができる。硫化物固体電解質材料としては、例えば、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５材料、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２材料、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２材料、Ｌｉ２Ｓ−Ａｌ２Ｓ３材料などが挙げられる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が優れている点から、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５材料が好ましい。
【００４６】
［リチウムイオン電池］
本実施形態のリチウムイオン電池は、例えば、正極活物質層を含む正極と、電解質層と、負極活物質層を含む負極とを備えている。そして、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記電解質層の少なくとも一つが、本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料を含有する。また、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記電解質層のすべてが、本実施形態のリチウムイオン電池用固体電解質材料を含有していることが好ましい。なお、本実施形態では特に断りがなければ、正極活物質を含む層を正極活物質層と呼び、集電体上に正極活物質層を形成させたものを正極と呼ぶ。また、負極活物質を含む層を負極活物質層と呼び、集電体上に負極活物質層を形成させたものを負極と呼ぶ。
本実施形態のリチウムイオン電池は、一般的に公知の方法に準じて製造される。例えば、本実施形態の正極、固体電解質層またはセパレーター、および負極を重ねたものを、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状に形成し、必要に応じて、非水電解液を封入することにより作製される。
【００４７】
（リチウムイオン電池用正極）
本実施形態のリチウムイオン電池用正極は特に限定されず、リチウムイオン電池に一般的に用いられているものを使用することができる。本実施形態の正極は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、正極活物質を含む正極活物質層をアルミ箔などの集電体の表面に形成することにより得ることができる。
【００４８】
本実施形態のリチウムイオン電池用正極の厚みや密度は、電池の使用用途などに応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
【００４９】
本実施形態の正極活物質としては特に限定されず一般的に公知のものを使用することができる。例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などの複合酸化物；ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子；Ｌｉ２Ｓなどの硫化物を用いることができる。
【００５０】
本実施形態の正極は特に限定されないが、本実施形態の正極活物質以外の成分として、例えば、バインダー、増粘剤、導電助剤、固体電解質材料などから選択される１種以上の材料を含んでもよい。以下、各材料について説明する。
【００５１】
＜バインダー＞
本実施形態の正極は、正極活物質同士および正極活物質と集電体とを結着させる役割をもつバインダーを含んでもよい。
本実施形態のバインダーはリチウムイオン電池に使用可能な通常のバインダーであれば特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン・ブタジエン系ゴム、ポリイミドなどが挙げられる。これらのバインダーは一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００５２】
＜増粘剤＞
本実施形態の正極は、塗布に適したスラリーの流動性を確保する点から、増粘剤を含んでもよい。本実施形態の増粘剤としてはリチウムイオン電池に使用可能な通常の増粘剤であれば特に限定されないが、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系ポリマーおよびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩、ポリカルボン酸、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコールなどの水溶性ポリマーなどが挙げられる。これらの増粘剤は一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００５３】
＜導電助剤＞
本実施形態の正極は、正極の導電性を向上させる観点から、導電助剤を含んでもよい。本実施形態の導電助剤としてはリチウムイオン電池に使用可能な通常の導電助剤であれば特に限定されないが、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラックなどのカーボンブラック、気相法炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。
【００５４】
＜固体電解質材料＞
本実施形態の正極は上述した本実施形態の固体電解質材料を含んでいてもよいし、本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料を含んでいてもよい。本実施形態の固体電解質材料とは異なる種類の固体電解質材料としては、イオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、一般的に全固体リチウムイオン電池に用いられるものを用いることができる。例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料などを挙げることができる。これらの中でも、硫化物固体電解質材料が好ましい。これにより、出力特性に優れた全固体リチウムイオン電池とすることができる。硫化物固体電解質材料としては、例えば、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５材料、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２材料、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２材料、Ｌｉ２Ｓ−Ａｌ２Ｓ３材料などが挙げられる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が優れている点から、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５材料が好ましい。
【００５５】
本実施形態のリチウムイオン電池用正極中の各種材料の配合割合は、電池の使用用途などに応じて、適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
【００５６】
（リチウムイオン電池用負極）
本実施形態のリチウムイオン電池用負極は特に限定されず、リチウムイオン電池に一般的に用いられているものを使用することができる。本実施形態の負極は特に限定されないが、一般的に公知の方法に準じて製造することができる。例えば、負極活物質を含む負極活物質層を銅などの集電体の表面に形成することにより得ることができる。
【００５７】
本実施形態のリチウムイオン電池用負極の厚みや密度は、電池の使用用途などに応じて適宜決定されるため特に限定されず、一般的に公知の情報に準じて設定することができる。
【００５８】
本実施形態の負極活物質としては、リチウムイオン電池の負極に使用可能な通常の負極活物質であれば特に限定されないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料；リチウム金属、リチウム合金などのリチウム系金属；シリコン、スズなどの金属；ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロールなどの導電性ポリマーなどが挙げられる。
【００５９】
本実施形態の負極は特に限定されないが、本実施形態の負極活物質以外の成分として、例えば、バインダー、増粘剤、導電助剤、固体電解質材料などから選択される１種以上の材料を含んでもよい。これらの材料としては、とくに限定はされないが、例えば、上述した正極に用いる材料と同様のものを挙げることができる。
【００６０】
（電解質層）
次に、本実施形態の電解質層について説明する。本実施形態の電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。
本実施形態の電解質層とは、セパレーターに非水電解液を含浸させたものや、固体電解質を含む固体電解質層が挙げられる。
【００６１】
＜セパレーター＞
本実施形態のセパレーターとしては正極と負極を電気的に絶縁させ、リチウムイオンを透過する機能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、多孔性膜を用いることができる。
【００６２】
多孔性膜としては微多孔性高分子フィルムが好適に使用され、材質としてポリオレフィン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステルなどが挙げられる。特に、多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましく、具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルムなどが挙げられる。
【００６３】
＜非水電解液＞
本実施形態の非水電解液とは、電解質を溶媒に溶解させたものである。
上記電解質としては、公知のリチウム塩がいずれも使用でき、活物質の種類に応じて選択すればよい。例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）４、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＨ３ ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、低級脂肪酸カルボン酸リチウムなどが挙げられる。
【００６４】
上記電解質を溶解する溶媒としては、電解質を溶解させる液体として通常用いられるものであれば特に限定されず、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）などのカーボネート類；γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類；トリメトキシメタン、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、２−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類；ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類；１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソランなどのオキソラン類；アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミドなどの含窒素類；ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの有機酸エステル類；リン酸トリエステルやジグライム類；トリグライム類；スルホラン、メチルスルホランなどのスルホラン類；３−メチル−２−オキサゾリジノンなどのオキサゾリジノン類；１，３−プロパンスルトン、１，４−ブタンスルトン、ナフタスルトンなどのスルトン類；などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００６５】
＜固体電解質層＞
本実施形態の固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層であり、固体電解質材料を含む固体電解質により形成される層である。固体電解質層に含まれる固体電解質材料は、リチウムイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、本実施形態においては、本実施形態の固体電解質材料であることが好ましい。
本実施形態の固体電解質層における固体電解質材料の含有量は、所望の絶縁性が得られる割合であれば特に限定されるものではないが、例えば、１０体積％以上１００体積％以下の範囲内、中でも、５０体積％以上１００体積％以下の範囲内であることが好ましい。特に、本実施形態においては、固体電解質層が本実施形態の固体電解質材料のみから構成されていることが好ましい。
【００６６】
また、本実施形態の固体電解質層は、バインダーを含有していてもよい。バインダーを含有することにより、可撓性を有する固体電解質層を得ることができる。バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素含有結着材を挙げることができる。固体電解質層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内、中でも、０．１μｍ以上３００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００６７】
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００６８】
以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６９】
［１］測定方法
はじめに、以下の実施例、比較例における測定方法を説明する。
【００７０】
（１）粒度分布
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置（マルバーン社製、マスターサイザー３０００）を用いて、レーザー回折法により、実施例および比較例で得られた固体電解質材料の粒度分布を測定した。測定結果から、各固体電解質材料について、重量基準の累積分布における５０％累積時の粒径（Ｄ５０、平均粒径）をそれぞれ求めた。
【００７１】
（２）ＩＣＰ発光分光分析
ＩＣＰ発光分光分析装置（セイコーインスツルメント社製、ＳＰＳ３０００）を用いて、ＩＣＰ発光分光分析法により測定し、実施例および比較例で得られた固体電解質材料中の各元素の質量％をそれぞれ求め、それに基づいて、各元素のモル比をそれぞれ計算した。
【００７２】
（３）Ｘ線回折分析
Ｘ線回折装置（リガク社製、ＲＩＮＴ２０００）を用いて、Ｘ線回折分析法により、実施例および比較例で得られた固体電解質材料の回折スペクトルをそれぞれ求めた。なお、線源としてＣｕＫα線を用いた。
【００７３】
（４）リチウムイオン伝導度の測定
実施例および比較例で得られた固体電解質材料に対して、交流インピーダンス法によるリチウムイオン伝導度の測定を２７．０℃でおこなった。
リチウムイオン伝導度の測定は日置電機社製、ケミカルインピーダンスメータ３５３２−８０を用い、測定条件は、印加電圧１００ｍＶ、測定周波数域４Ｈｚ〜１ＭＨｚとした。
【００７４】
［２］固体電解質材料の製造
＜実施例１＞
原料には、Ｌｉ２Ｓ（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ製、純度９９．９％)、Ｐ２Ｓ５(関東化学製試薬)を使用した。Ｌｉ３Ｎは、以下の手順で作製した。
まず、アルゴングローブボックス中で、Ｌｉ箔（本城金属社製純度９９．８％、厚さ０．５ｍｍ）をカーボンるつぼに入れ、窒素ガス導入バルブと排出バルブをつけたガラス容器中に密封した。次いで、そのガラス容器を電気炉にセットし、窒素ガス導入バルブから毎分１００ｍｌの流量で窒素を流し入れ、排出バルブから窒素を系外に排出した。電気炉を７０℃で１２時間加熱後、空冷し、アルゴングローブボックス中で反応生成物であるＬｉ３Ｎを取り出したＬｉ３Ｎは、メノウ乳鉢で粉砕後、ステンレス製篩で篩い分けし、７５μｍ以下の粉末を回収し固体電解質材料の原料とした。
つづいて、アルゴングローブボックス中で各原料をＬｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５：Ｌｉ３Ｎ＝７１．１：２３．７：５．３（モル％）になるように精秤し、これら粉末を１０分間メノウ乳鉢で混合した。次いで、混合粉末２ｇを秤量し、φ１０ｍｍのジルコニア製ボール５００ｇとともに、アルミナ製ボールミルポット（内容積４００ｍL）に入れ、９５ｒｐｍで２００〜３００時間混合粉砕した。混合粉砕後の粉末はカーボンボートに入れアルゴン気流中で１８０℃、１時間加熱処理し、平均粒子径ｄ５０が１０μｍの固体電解質材料１を得た。
【００７５】
（物性）
実施例１で得られた固体電解質材料１のＸ線回折スペクトルを図１に示す。加熱処理することにより、回折角２θ＝２８〜３２°の範囲内に回折ピークが発生した。また、回折角２θ＝２５〜２７°、４４〜４６°および５２〜５５°の範囲内に回折ピークは見られなかった。
また、得られた固体電解質材料１のＬｉ／Ｐのモル比は３．３であり、Ｓ／Ｐのモル比は４．０であった。
また、リチウムイオン伝導度は１．２×１０−３Ｓ・ｃｍ−１であった。
【００７６】
＜比較例１＞
各原料の割合をＬｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５：Ｌｉ３Ｎ＝７５．０：２５．０：０（モル％）に変えた以外は実施例１と同様にして、平均粒子径ｄ５０が１０μｍの固体電解質材料２を得た。
【００７７】
（物性）
比較例１で得られた固体電解質材料２のＸ線回折スペクトルを図１に示す。
また、得られた固体電解質材料２のＬｉ／Ｐのモル比は３．０であり、Ｓ／Ｐのモル比は４．０であった。
また、リチウムイオン伝導度は４．６×１０−４Ｓ・ｃｍ−１であった。
【００７８】
＜比較例２＞
各原料の割合をＬｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５：Ｌｉ３Ｎ＝６４．３：２１．４：１４．３（モル％）に変えた以外は実施例１と同様にして、平均粒子径ｄ５０が１０μｍの固体電解質材料３を得た。
【００７９】
（物性）
比較例２で得られた固体電解質材料３のＸ線回折スペクトルを図１に示す。
また、得られた固体電解質材料３のＬｉ／Ｐのモル比は４．０であり、Ｓ／Ｐのモル比は４．０であった。
また、リチウムイオン伝導度は１．９×１０−４Ｓ・ｃｍ−１であった。
【図１】
2014049361.tif 000002