(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モリブデン及び硫黄を含むシェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物に、リチウムイオンが導入されて構成された、非晶質構造を有する材料を含み、
前記材料の電子伝導度は、真空又はアルゴン雰囲気において、２０℃で３．７×１０−７Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする固体電解質。
【請求項２】
モリブデン及び硫黄を含むシェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物に、リチウムイオンが導入されて構成された、非晶質構造を有する材料を含む固体電解質の製造方法であって、
前記配位化合物をブチルリチウム／ヘキサン混合液に浸漬することにより、前記配位化合物に前記リチウムイオンを導入する工程を備えていることを特徴とする固体電解質の製造方法。
【請求項３】
モリブデン及び硫黄を含むシェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物に、リチウムイオンが導入されて構成された、非晶質構造を有する材料を含む固体電解質の製造方法であって、
前記配位化合物をナフタレン／リチウム／テトラヒドロフラン混合液に浸漬することにより、前記配位化合物に前記リチウムイオンを導入する工程を備えていることを特徴とする固体電解質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質及びその製造方法に関し、特に、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電子機器等に用いられるリチウムイオン電池に利用可能な固体電解質及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の低減を目的として、自動車において、モータで駆動する電気自動車や、モータとエンジンとを組み合わせて駆動するハイブリッド自動車等の研究開発が活発に行われている。このような自動車には、車体の軽量化のみならず、モータの高出力化及び小型化、さらには電池の改良が求められる。特に、電池の改良には、エネルギー密度の向上はもちろんのこと、安全性の向上が重要である。このことは、自動車のみならず、携帯電話、デジタルカメラ及びパソコン等の電子機器も同様である。
【０００３】
例えば、現在ではリチウムイオン電池が主流となりつつあるが、このリチウムイオン電池では、非水系電解質溶液が、正極と負極との間にセパレータと共に含有されており、この非水系電解質溶液は、耐熱性が低くて、摂氏数百度程度で分解する。このため、電池が発熱して発火するという懸念がある。
【０００４】
そこで、上記のような非水系電解質溶液に代わる、耐熱性が高く且つイオン伝導性を有する固体電解質の研究開発も進められている。
【０００５】
このような固体電解質として、特許文献１には、非晶質Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ガラスセラミックス及びＬｉＡｌＴｉＰＯｘが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、Ｌｉイオン伝導性に優れた固体電解質材料として、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５の他に、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２及びＬｉ２ＳＡｌ２Ｓ３等が開示されている。さらに、結晶構造が安定なシェブレル相化合物であるＭｏ６Ｓ８を正極活物質として用いることが開示されている。
【０００７】
また、非特許文献１には、オキソニウムイオンを含む（Ｈ３Ｏ）２Ｍｏ６Ｃｌ１４・６Ｈ２Ｏが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−４０２８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８２８１５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】F.W.Koknat、外３名，“CONVENIENT SYNTHESIS OF THE HEXANUCLEAR MOLYBDENUM(II) HALIDES Mo6Cl12 AND Mo6Br12・2H2O”，（英国），INORG.NUCL.CHEM.LETTERS，Pergamon Press Ltd.，１９８０年，第１６巻，ｐ．３０７−３１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１に記載のモリブデン塩化物クラスターの骨格を有する材料は、その結晶構造が層状の構造であるため、その層間をプロトン及びＬｉイオンが通過できることが知られている。このため、それは、高いイオン伝導性を有する良好な固体電解質を得るための材料として期待できる。また、特許文献２に記載の正極活物質として用いられたシェブレル相化合物は、Ｍｏ６の八面体構造を基本構造とした層状構造を有しており、上記と同様に高いイオン伝導性を有する。このため、シェブレル相化合物は、優れた固体電解質としても利用可能であると考えられる。
【００１１】
但し、優れた固体電解質であるためには、イオン伝導性を有する他に、固体電解質内における電子の通過を抑制できる、すなわち、電子伝導性が小さいことが必要である。
【００１２】
上記文献には、電子伝導性に関しての記載はないが、特に、Ｍｏ６Ｓ８等のシェブレル相化合物は、ユニット間のＭｏ−Ｓ結合により高い電子伝導性を有することが知られている。このため、Ｍｏ６Ｓ８等のシェブレル相化合物は、高いイオン伝導性を有するにもかかわらず、固体電解質として利用することは困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子伝導性が小さい良好な固体電解質を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体電解質をシェブレル相化合物にピリジンを配位させた配位化合物を含む構成とする。
【００１５】
具体的に、本発明に係る固体電解質は、モリブデン及び硫黄を含むシェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物に、リチウムイオンが導入されて構成された、非晶質構造を有する材料を含み、該材料の電子伝導度は、真空又はアルゴン雰囲気において、２０℃で３．７×１０−７Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明者の実験・研究によれば、シェブレル相化合物にピリジンを配位することにより、その電子伝導性を低減することが可能となる。さらに、そのような配位化合物にリチウムイオンを導入することにより、リチウムイオンの伝導性を有し且つ電子伝導性が低い固体電解質を得ることができる。このような固体電解質は、例えばリチウムイオン電池に利用することができ、その場合、非水系液体電解質を用いる場合と異なり、セパレータを設ける必要が無くなる。さらに、非水系液体電解質よりも耐熱性が高いため、発熱及び発火を防ぐことができる。
【００１８】
本発明の固体電解質の製造方法は、モリブデン及び硫黄を含むシェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物に、リチウムイオンが導入されて構成された、非晶質構造を有する材料を含む固体電解質の製造方法であって、配位化合物をブチルリチウム／ヘキサン混合液に浸漬することにより、配位化合物にリチウムイオンを導入する工程を備えていることを特徴とする。また、その工程の代わりに、配位化合物をナフタレン／リチウム／テトラヒドロフラン混合液に浸漬することにより、配位化合物にリチウムイオンを導入する工程を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体電解質及びその製造方法によると、電子伝導性が低い良好な固体電解質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】シェブレル相化合物にピリジンが配位された配位化合物の結晶格子を示す図である。
【図２】本発明の実施例１及び実施例２に係る化合物のＸ線回折法による分析結果を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施例１に係る化合物の赤外分光法による分析結果を示す図であり、（ｂ）は本発明の実施例２に係る化合物の赤外分光法による分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものでない。
【００２２】
本発明に係る固体電解質は、モリブデン（Ｍｏ）及び硫黄（Ｓ）を含むシェブレル相化合物にピリジン（ｐｙ）が配位された配位化合物に、リチウム（Ｌｉ）イオンが導入されて構成された材料を含むことを特徴とする。
【００２３】
本明細書において、シェブレル相化合物とは、ＭｘＭｏ６Ｓ８（Ｍは金属元素であり、ｘ≧０である。）で示される化合物をいう。すなわち、Ｍｏ６Ｓ８もシェブレル相化合物といい、Ｍｏ６Ｓ８に例えばＬｉイオンが導入されたＬｉｘＭｏ６Ｓ８もシェブレル相化合物という。また、本明細書において、これらのシェブレル相化合物に、配位子としてｐｙが配位した化合物を配位化合物という。
【００２４】
シェブレル相化合物は、Ｍｏ６により構成された八面体を基本構造とし、この構造同士が規則的に結合して安定的な結晶構造を示す。このような規則的に結合した基本構造同士の間にはイオン伝導パスが形成されており、本発明ではＬｉイオンが導入されているため、特にＬｉイオンの伝導性が高い固体電解質を得ることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る固体電解質では、シェブレル相化合物にピリジンが配位されており、これにより、電子伝導性に起因するシェブレル相化合物のＭｏ−Ｓ結合を低減することによって電子伝導性を低減できる。このため、ピリジンの配位数を増加することにより、電子伝導性をより低減することができる。
【００２６】
具体的に、図１に示すように、１分子のシェブレル相化合物当たりＭｏ原子を６つ含み、これらの全てにピリジンが配位結合することにより、電子伝導性を０に極めて近い値にまで低減することができる。なお、このとき、シェブレル相化合物の安定な結晶構造は崩れて非晶質構造となる。
【００２７】
本発明に係る固体電解質の製造方法は、上記のようにピリジン（ｐｙ）が配位され、且つ、リチウムが導入された配位化合物を合成できれば、特にその方法は限られない。
【００２８】
例えば、Ｍｏ６Ｓ８で示されるシェブレル相化合物の合成は、ＭｏＣｌ１２等のＭｏを含む化合物と、ＮａＳＨ等のＳを含む化合物とを反応させることにより可能となる。また、上記のような化合物を用いてシェブレル相化合物を合成する際に、又は合成した後にピリジンをシェブレル相化合物に常法により配位させる。これにより、Ｍｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（０＜ｙ≦６）が生成されるが、この合成に用いる材料により他の分子が含まれていてもよく、例えば（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｘ≧０、０＜ｙ≦６）が合成されてもよい。このようにすると、シェブレル相化合物のユニット間の結合を無くして、隙間構造を形成することにより、電子伝導性を低減できると考えられる。なお、Ｍｏ６Ｓ８に配位されるｐｙの分子数は特に限定されないが、その数が多いほど固体電解質の電子伝導性を低減できる。
【００２９】
この後に、Ｌｉイオンを導入して（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉｚＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｘ≧０、０＜ｙ≦６、ｚ＞０）を生成する。Ｌｉイオンの導入方法は特に限定されないが、例えばブチルリチウム溶液等のリチウムを含む溶液に上記のように合成した化合物を浸漬することにより、リチウムイオンを化合物に導入できる。
【００３０】
このようにして得られた材料を用いて、本発明に係る固体電解質を製造することができる。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明に係る固体電解質及びその製造方法について詳細に説明するための実施例を示す。本実施例では、固体電解質を構成する材料として（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙを製造し、その材料におけるピリジンの配位数と電子伝導性の関係について検討した。まず、ｐｙの配位数が異なる２種類（低ｐｙ数及び高ｐｙ数）の（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙの製造方法について、それぞれ実施例１及び実施例２として説明する。なお、本実施例で示す化学式中のｘ、ｙ、ｚは、特に定めていない場合、ｘ≧０、ｙ＞０、ｚ＞０である。
【００３２】
（実施例１）
＜Ｍｏ６Ｃｌ１２の合成方法＞
アルゴン雰囲気のドライボックス中で、１．０９３ｇ（４ｍｍｏｌ）のＭｏ６Ｃｌ５（シグマアルドリッチ社製）と、１．７２７ｇ（１８ｍｍｏｌ）の金属Ｍｏ粉末（レアメタリック社製）とをメノウ乳鉢を用いて混合した。これに、予め粉砕した０．１９５ｇ（３．３ｍｍｏｌ）のＮａＣｌ（マナック社製）をさらに加えて混合し、混合物を石英管（φ＝１５ｍｍ）に真空封入した。これを電気炉に入れ、６〜８時間かけて７２０℃まで加熱し、１２時間焼成した。その後、石英管中の焼成物を取り出し、大気中においてメノウ乳鉢を用いて磨り潰した。これを１０ｍｌのエタノール（ナカライテスク社製）に溶かし、２０時間激しく撹拌した。撹拌した後に、その溶液をテフロン（登録商標，以下同じ。）フィルタにより濾過し、濾液に１５ｍｌの３６％濃塩酸（ナカライテスク社製）を加えた。これにより、溶液中に白い沈殿物が生じ、これをブフナー漏斗を用いて濾過することによって除去した。続いて、得られた濾液を撹拌しながらヒーター（ホットプレート）で加熱して濃縮した。その濾液中に沈殿が５ｍｌ程度生じた後に、その濾液を水冷し放置することにより、黄色針状結晶を得た。この結晶を濃塩酸を用いて洗浄した後に、大気中で乾燥することにより、（Ｈ３Ｏ）２［Ｍｏ６Ｃｌ１４］６Ｈ２Ｏを得た。得られた（Ｈ３Ｏ）２［Ｍｏ６Ｃｌ１４］６Ｈ２Ｏをパイレックス（登録商標）管に入れ、真空ラインを用いて３００℃で２時間加熱することによりＭｏ６Ｃｌ１２を得た。
【００３３】
＜ＮａＳＨの合成方法＞
次に、ＮａＳＨ（Ｈ２Ｏ）ｘ（シグマアルドリッチ社製）を１２０℃で３時間真空乾燥することにより、ＮａＳＨを得た。
【００３４】
＜（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（低ｐｙ数：以下、ｙ〜２と示す。）の製造方法＞
次に、アルゴン雰囲気のドライボックス中で、上記のようにして得られた１．０ｇ（１ｍｍｏｌ）のＭｏ６Ｃｌ１２と、０．６７ｇ（１２ｍｍｏｌ）のＮａＳＨとを５０ｍｌのナスフラスコに入れた。さらに、その中に０．４１ｇ（６ｍｍｏｌ）のＮａＯＥｔ（東京化成工業社製）を入れた。ここに、１５ｍｌのエタノールと４ｍｌのピリジン（片山化学工業社製）をさらに加えた後に、ナスフラスコに冷却管を取り付けた。ナスフラスコ及び冷却管内をアルゴン雰囲気で密封した状態で大気中にそれらを取り出し、２日間還流を行った。還流後のナスフラスコ内の混合液をテフロンフィルタを用いて濾過し、これにより得られた固体を三角フラスコに入れた。ここに、３０ｍｌのメタノール（ナカライテスク社製）を加えて２日間撹拌した後に、その溶液を濾過して、得られた生成物を真空乾燥することにより、約１．０ｇの（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）を得た。
【００３５】
次に、６０ｍｇの（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）に２ｍｌのブチルリチウム／ヘキサン溶液（関東化学社製）を加え、これを１日放置した。その後、その溶液をテフロンフィルタを用いて濾過することにより、（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）を得た。
【００３６】
（実施例２）
＜（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（高ｐｙ数：以下、ｙ〜４と示す。）の製造方法＞
上記の実施例１において合成された１５０ｍｇの（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）を、アルゴン雰囲気のドライボックス中で５０ｍｌのナスフラスコに入れ、そこに５ｍｌのピリジンを加えた。その後、ナスフラスコに冷却管を取り付け、ナスフラスコ及び冷却管内をアルゴン雰囲気で密封した状態で大気中にそれらを取り出し、１０時間還流を行った。その後、室温にまで冷却し、約半日間撹拌した。これにより得られた混合液を濾過することにより、（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜４）を得た。
【００３７】
次に、実施例１と同様に、ブチルリチウム／ヘキサン溶液と反応させることにより、（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜４）を得た。
【００３８】
なお、実施例１及び実施例２では、上記の方法でＬｉイオンを導入したが、１００ｍｇ〜２００ｍｇの（Ｎａ２Ｓ）ｘＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）に１０ｍｌのナフタレン−Ｌｉ／ＴＨＦ溶液を加え、これを１日放置した後に、濾過及び無水ヘキサンによる洗浄を行うことによってＬｉイオンを導入してもよい。ナフタレン−Ｌｉ／ＴＨＦ溶液は、１２８ｍｇ（１ｍｍｏｌ）のナフタレンと、７ｍｇ（１ｍｍｏｌ）のＬｉ金属と、１０ｍｌのＴＨＦとを混合することにより得られる。これらの工程は、アルゴン雰囲気のドライボックス中で行う。
【００３９】
（化合物の分析）
上記のようにして得られた実施例１の（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜２）、及び実施例２の（Ｎａ２Ｓ）ｘＬｉＺＭｏ６Ｓ８（ｐｙ）ｙ（ｙ〜４）の構造を検討するために、それぞれに対してＸ線回折（X-ray diffraction：ＸＲＤ）を行った。その結果を図２に示す。
【００４０】
図２に示すように、ＸＲＤにおいて、実施例１及び実施例２の化合物では鋭いピークが見られなかった。このため、これらの化合物は非晶質構造を有することが確認できた。
【００４１】
次に、実施例１及び実施例２の化合物に対して、赤外分光法（infrared spectroscopy：ＩＲ法）を用いて、構造分析を行った。その結果を図３に示す。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、実施例１の化合物のＩＲスペクトルにおいて、Ｃ＝Ｃ及びＣ＝Ｎの環伸縮による吸収である１３００ｃｍ−１〜１７００ｃｍ−１にピークが見られる。また、図３（ｂ）に示すように、実施例２の化合物も１３００ｃｍ−１〜１７００ｃｍ−１にピークが見られる。これにより、実施例１及び実施例２の化合物の両方にピリジンが配位されていることが確認できた。
【００４３】
（各元素の定量分析）
次に、実施例１及び実施例２の化合物に対して、Ｘ線光電子分光法（X-ray photoelectron spectroscopy：ＸＰＳ法）を用いて、それらの構成元素の定量分析を行った。その結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
0005956246.tif 000002
【００４５】
表１に示すように、実施例１と実施例２を比較すると、実施例２の方が窒素原子（Ｎ）の割合が大きくなっており、ピリジンがより多く配位していることが確認できた。
【００４６】
（電子伝導度の測定）
次に、実施例１及び実施例２の化合物を含む固体電解質の電子伝導性を評価するために、実施例１及び実施例２の化合物の電子伝導度を測定した。この測定のために、まず、それぞれの化合物からなるペレットを白金板で挟み、それらの白金板を直流電源に接続し、直流電流を流した。このときの、実施例１及び実施例２の化合物による直流抵抗を測定して、それぞれの化合物の電子伝導度を評価した。なお、白金板及び実施例１及び実施例２の化合物からなるペレットは、真空又はアルゴン雰囲気下で２０℃の条件下に置いて、測定した。この条件における実施例１及び実施例２の化合物の電子伝導度を表２に示す。
【００４７】
【表２】
0005956246.tif 000003
【００４８】
表２に示すように、真空及びアルゴン雰囲気下で２０℃の条件下では、実施例１の化合物の電子伝導度は、それぞれ３．７×１０−７Ｓ／ｃｍ及び１．１×１０−７Ｓ／ｃｍと極めて低く、固体電解質として用いるのに良好であることが示された。また、ピリジンの配位数をより多くした実施例２の化合物の電子伝導度は、真空及びアルゴン雰囲気下で共に測定限界値の５．０×１０−９Ｓ／ｃｍ以下であり、実施例１の化合物よりもさらに低い値であった。すなわち、実施例２の化合物も固体電解質として用いるのに良好であることが示された。
【００４９】
この結果から、シェブレル相化合物にピリジンを配位することにより、電子伝導度を低減することが可能となり、より良好な固体電解質を得ることができることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車、電子機器等に利用可能なリチウムイオン電池等に用いられる固体電解質に有用である。
【図１】
0005956246.tif 000004
【図３】
0005956246.tif 000005
【図２】
0005956246.tif 000006