(57)【要約】【課題】電解液を用いない固体電解質において、高いイオン伝導度を有し、全固体リチウムイオン二次電池に好適な固体電解質及びその製造方法を提供する。【解決手段】有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物を含有し、空孔率が２０ｖｏｌ％以下である固体電解質。好ましくは、リチウムイオン伝導性の無機物はＬｉ１＋ｘ＋ｙ（Ａｌ，Ｇａ）ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である結晶を含むことを特徴とする。本発明の固体電解質は有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物とを、溶媒が添加されず混練することにより製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物を含有し、空孔率が２０ｖｏｌ％以下である固体電解質。
【請求項２】
前記リチウムイオン伝導性の無機物はＬｉ１＋ｘ＋ｙ（Ａｌ，Ｇａ）ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質。
【請求項３】
前記リチウムイオン伝導性の無機物はガラスセラミックスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質。
【請求項４】
前記リチウムイオン伝導性の無機物は、１×１０−４Ｓ／ｃｍ以上のイオン伝導度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項５】
イオン伝導度が５×１０−５Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項６】
リチウムイオン伝導性の無機物と、有機物とに溶媒が添加されず混練してなる請求項１から５のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項７】
２００℃以下、湿度４０％以下の雰囲気でリチウムイオン伝導性の無機物の粉体と、有機物とを混練してなる請求項１から６のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項８】
電解液を含まないことを特徴とする請求項１から７のいずれかにに記載の固体電解質。
【請求項９】
厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１０】
前記リチウム伝導性の無機物は、ｍｏｌ％表示で、
Ｌｉ２Ｏ：１２〜１８％、および
Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：５〜１０％、および
ＴｉＯ２＋ＧｅＯ２：３５〜４５％、および
ＳｉＯ２：１〜１０％、および
Ｐ２Ｏ５：３０〜４０％
の各成分を含有するガラスセラミックスの粉体であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１１】
前記結晶はイオン伝導を阻害する空孔または結晶粒界を含まない結晶であることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質。
【請求項１２】
リチウムイオン伝導性を有する無機物の含有率が、５０〜９９ｖｏｌ％である請求項１から１１のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１３】
有機物の融点が６０℃以下であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１４】
有機物の粘度が１００℃で２０００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１５】
有機物の含有率が１〜５０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１６】
前記リチウムイオン伝導性の無機物の粉体は平均粒径が５０μｍ以下である事を特徴とする請求項７から１５のいずれかに記載の固体電解質。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の固体電解質を備えるリチウムイオン二次電池。
【請求項１８】
有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物とを、溶媒が添加されず混練することを特徴とする固体電解質の製造方法。
【請求項１９】
２００℃以下、湿度４０％以下の雰囲気で混練することを特徴とする請求項１８に記載の固体電解質の製造方法。
【請求項２０】
固体電解質を押出成形または射出成形する工程を有する請求項１８または１９に記載の固体電解質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン伝導性固体電解質に関し、特に全固体リチウムイオン二次電池に好適な固体電解質及びリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体が中心の電解質に替わり、高分子で構成されたポリマー電解質を用いたリチウムイオン二次電池（ゲルポリマー電池）が注目されるようになってきた。
このゲルポリマー電池は、ポリマー中に液体の電解液を含浸させたゲル状の電解質を使用しており、ポリマー中に電解液が保持されるため、漏液がしにくく、電池の安全性が向上し、また電池の形状にも自由性があること等の利点があった。
しかし、このゲルポリマー電解質は依然として電解液を用いているため、危険性を完全に排除したものとは言えない。従ってより高い安全性の為には電解液を全く使用しない電池が望まれている。
この電解液を全く使用しない全固体電池に用いられる全固体電解質は、電解液を用いた電解質よりもリチウムイオンの伝導度が低いため、電解質の厚みを薄くすることが試みられている。そして有機物にイオン伝導性の無機物の粉体を添加することにより機械的強度とイオン伝導度を補うことが提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載のリチウム二次電池においては、イオン伝導性の無機物質を含有する薄膜状固体電解質からなるリチウムイオン二次電池が提案されている。この文献においては、リチウムイオン伝導性の無機物質粉末をバインダーとともに溶媒中に分散したものをスラリーとして調製し、溶媒を乾燥、除去することにより薄膜状の固体電解質を得ている。    
しかしながら、この様な製造方法によって作成された固体電解質は空孔が比較的多く、イオン伝導度の観点において改良の余地がある。
【特許文献１】特開２００４−１８５８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は電解液を用いない固体電解質において、高いイオン伝導度を有し、全固体リチウムイオン二次電池に好適な固体電解質及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は有機物にイオン伝導性の無機物の粉体を添加した全固体電解質において、固体電解質中の空孔率を特定の値以下にすることにより、イオン伝導度が高くなり、リチウムイオン二次電池に好適な固体電解質が得られることを見いだし、さらに固体電解質中の空孔率を一定の値以下にするための製造方法を見いだした。
すなわち、本発明の好適な態様は以下の構成で表わす事ができる。
（構成１）
有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物を含有し、空孔率が２０ｖｏｌ％以下である固体電解質。
（構成２）
前記リチウムイオン伝導性の無機物はＬｉ１＋ｘ＋ｙ（Ａｌ，Ｇａ）ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である結晶を含むことを特徴とする構成１に記載の固体電解質。
（構成３）
前記リチウムイオン伝導性の無機物はガラスセラミックスであることを特徴とする構成１又は２に記載の固体電解質。
（構成４）
前記リチウムイオン伝導性の無機物は、１×１０−４Ｓ／ｃｍ以上のイオン伝導度を有することを特徴とする構成１から３のいずれかに記載の固体電解質。
（構成５）
イオン伝導度が５×１０−５Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする構成１から４のいずれかに記載の固体電解質。
（構成６）
リチウムイオン伝導性の無機物と、有機物とに溶媒が添加されず混練してなる構成１から５のいずれかに記載の固体電解質。
（構成７）
２００℃以下、湿度４０％以下の雰囲気でリチウムイオン伝導性の無機物の粉体と、有機物とを混練してなる構成１から６のいずれかに記載の固体電解質。
（構成８）
電解液を含まないことを特徴とする構成１から７のいずれかにに記載の固体電解質。
（構成９）
厚みが１５０μｍ以下であることを特徴とする構成１から８のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１０）
前記リチウム伝導性の無機物は、ｍｏｌ％表示で、
Ｌｉ２Ｏ：１２〜１８％、および
Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：５〜１０％、および
ＴｉＯ２＋ＧｅＯ２：３５〜４５％、および
ＳｉＯ２：１〜１０％、および
Ｐ２Ｏ５：３０〜４０％
の各成分を含有するガラスセラミックスの粉体であることを特徴とする構成１から９のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１１）
前記結晶はイオン伝導を阻害する空孔または結晶粒界を含まない結晶であることを特徴とする構成２に記載の固体電解質。
（構成１２）
リチウムイオン伝導性を有する無機物の含有率が、５０〜９９ｖｏｌ％である構成１から１１のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１３）
有機物の融点が６０℃以下であることを特徴とする構成１から１２のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１４）
有機物の粘度が１００℃で２０００Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする構成１から１３のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１５）
有機物の含有率が１〜５０ｖｏｌ％であることを特徴とする構成１から１４のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１６）
前記リチウムイオン伝導性の無機物の粉体は平均粒径が５０μｍ以下である事を特徴とする構成７から１５のいずれかに記載の固体電解質。
（構成１７）
構成１から１６のいずれかに記載の固体電解質を備えるリチウムイオン二次電池。
（構成１８）
有機物と、リチウムイオン伝導性の無機物とを、溶媒が添加されず混練することを特徴とする固体電解質の製造方法。
（構成１９）
２００℃以下、湿度４０％以下の雰囲気で混練することを特徴とする構成１８に記載の固体電解質の製造方法。
（構成２０）
固体電解質を押出成形または射出成形する工程を有する構成１８または１９に記載の固体電解質の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高いイオン伝導度を有するリチウムイオン伝導性の全固体電解質を容易に得ることができる。
また、本発明の固体電解質はリチウムイオン二次電池用途に好適であり、電解液を用いなくても電池容量も高く、また充放電サイクル特性も良好で、長期的に安定して使用することができるリチウムイオン二次電池を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の固体電解質は有機物とリチウムイオン伝導性の無機物を含有し、空孔率を２０ｖｏｌ％以下とすることにより、高いイオン伝導度を実現している。固体電解質は、内部に空孔が存在するとその部分はイオン伝導経路が存在しないため、固体電解質自体のイオン伝導度が低くなってしまう。電池として使用した場合、伝導度が高い方がリチウムイオンの移動速度が速くなるため高出力の電池が得られる。そこで固体電解質中の空孔率は低い方が好ましい。空孔率は１３ｖｏｌ％以下であることがより好ましく、９ｖｏｌ％以下であることが最も好ましい。また、空孔率の下限については、０ｖｏｌ％であれば理論上最も高いイオン伝導度が実現できるが、実際の製造でこの値を実現するのは困難であるか又は多大なコストを要する。空孔が存在しても空孔率の下限が０．４ｖｏｌ％では理論値に非常に近いイオン伝導度を実現でき、１ｖｏｌ％であっても理論値に近いイオン伝導度が得られる。
上述の構成とすることにより、本発明の固体電解質は電解液を含まずとも高いイオン伝導度を実現することが可能となる。
ここでの空孔率は、次式で表わされる。
空孔率（ｖｏｌ％）＝（Ｄ−ｄ）÷Ｄ×１００
Ｄは固体電解質の理論密度であり、ｄは固体電解質の嵩密度である。
固体電解質の理論密度は、有機物と無機物それぞれの理論密度から固体電解質の組成に応じて算出する。作製された固体電解質の嵩密度は、取得した固体電解質の見かけの体積を算出し、重量を測定することにより求める。
【０００８】
本発明において使用するリチウムイオン伝導性の無機物としては、ガラス、セラミックス、ガラスセラミックス等を使用することができ、これらを粉砕し粉体としたものが好適である。
この無機物の粉体は均一に分散されていることが固体電解質のイオン伝導性、及び機械的強度の点で好ましい。分散性を良好にするため、また固体電解質の厚さを所望のものとするために、無機物の粉体の平均粒径は、５０μｍ以下が好ましく、４０μｍ以下がより好ましく、３０μｍ以下が最も好ましい。一方、平均粒径が０．１μｍ未満では各々の粒子が凝集し、均一に分散することができない為、無機粉体の平均粒径は０．１μｍ以上が好ましく、０．２μｍ以上がより好ましい。
【０００９】
リチウムイオン伝導性の無機物はＬｉＮ、ＬＩＳＩＣＯＮ類、Ｌａ０．５５Ｌｉ０．３５ＴｉＯ３などのリチウムイオン伝導性を有するペロブスカイト構造を有する結晶や、ＮＡＳＩＣＯＮ型構造を有するＬｉＴｉ２Ｐ３Ｏ１２を用いることができる。イオン伝導度や化学的安定性が有利であることからＬｉ１＋ｘ＋ｙ（Ａｌ，Ｇａ）ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２である結晶を有する無機物が特に好ましい。ここで前記の結晶は伝導度の観点から０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１が好ましく、０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．６がより好ましく、０．１≦ｘ≦０．３、０．１≦ｙ≦０．４が最も好ましい。特に母ガラスがＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２−ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５系の組成であり、このガラスを熱処理して前記結晶を析出させたリチウムイオン伝導性のガラスセラミックスは、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しないため、イオン伝導性が高くかつ化学的な安定性に優れるので、より好ましい。このガラスセラミックスは１×１０−４Ｓ・ｃｍ−１以上のイオン伝導度を有する。
【００１０】
ここで、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界とは、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質全体の伝導度を該無機物質中のリチウムイオン伝導性結晶そのものの伝導度に対し、１／１０以下へ減少させる空孔や結晶粒界等のイオン伝導性阻害物質をさす。
ここで、ガラスセラミックスとは、ガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、非晶質固体と結晶からなる材料をいう。また、ガラスセラミックスとは、結晶の粒子間や結晶中に空孔がほとんどなければガラス相すべてを結晶相に相転移させた材料、すなわち、材料中の結晶量（結晶化度）が１００質量％のものを含む。一般にいわれるセラミックスや焼結体はその製造工程上、結晶の粒子間や結晶中の空孔や結晶粒界の存在が避けられず、ガラスセラミックスとは区別することができる。特にイオン伝導に関しては、セラミックスの場合は空孔や結晶粒界の存在により、結晶粒子自体の伝導度よりもかなり低い値となってしまう。ガラスセラミックスは結晶化工程の制御により結晶間の伝導度の低下を抑えることができ、結晶粒子と同程度の伝導度を保つことができる。
また、ガラスセラミックス以外で、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しない材料として、上記結晶の単結晶が挙げられるが、製造が難しくコストが高いため、リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを用いるのが最も好ましい。
【００１１】
ここで、上述した本発明に好適なリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスについて説明する。このガラスセラミックスは母ガラスがＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２−ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５系の組成であり、このガラスを熱処理してＬｉ１＋ｘ＋ｙ（Ａｌ，Ｇａ）ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の結晶を析出させたものである。このガラスセラミックスを構成する各々の成分のｍｏｌ％で表わされる組成比と効果については下記の通りである。
【００１２】
Ｌｉ２Ｏ成分はＬｉ＋イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに有用な成分である。良好な伝導率を得るためには含有量の下限は１２％であることが好ましく、１３％であることがより好ましく、１４％であることが最も好ましい。上限は１８％であることが好ましく、１７％であることがより好ましく、１６％であることが最も好ましい。
【００１３】
Ａｌ２Ｏ３成分は、母ガラスの熱的な安定を高めることができると同時に、Ａｌ３＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率向上にも効果がある。この効果を得るためには、含有量の下限が５％であることが好ましく、５．５％であることがより好ましく、６％であることが最も好ましい。しかし含有量が１０％を超えると、かえってガラスの熱的な安定性が悪くなりガラスセラミックスの伝導率も低下してしまうため、含有量の上限は１０％とするのが好ましい。尚、より好ましい含有量の上限は９．５％であり、最も好ましい含有量の上限は９％である。
【００１４】
ＴｉＯ２成分はガラスの形成に寄与し，また前記結晶相の構成成分でもあり，ガラスにおいても前記結晶においても有用な成分である。ガラス化するために少なくともどちらかを含まなければならないが、前記の結晶相が主相としてガラスから析出し高い伝導率を得るためには、含有量の下限が３５％であることが好ましく、３６％であることがより好ましく、３７％であることが最も好ましい。また含有量の上限は４５％であることが好ましく、４３％であることがより好ましく、４２％であることが最も好ましい。
【００１５】
ＳｉＯ２成分は、母ガラスの溶融性および熱的な安定性を高めることができると同時に、Ｓｉ４＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率の向上にも寄与する。この効果を十分に得るためには含有量の下限は１％であることが好ましく、２％であることがより好ましく、３％であることが最も好ましい。しかしその含有量が１０％を超えると、かえって伝導率が低下してしまうため、含有量の上限は１０％とすることが好ましく、８％とすることがより好ましく、７％とすることが最も好ましい。
【００１６】
Ｐ２Ｏ５成分はガラスの形成に有用な成分であり，また前記結晶相の構成成分でもある。含有量が３０％未満であるとガラス化しにくくなるので、含有量の下限は３０％であることが好ましく、３２％であることがより好ましく、３３％であることが最も好ましい。また含有量が４０％を越えると前記結晶相がガラスから析出しにくく、所望の特性が得られにくくなるため、含有量の上限は４０％とすることが好ましく、３９％とすることがより好ましく、３８％とすることが最も好ましい。
上述の組成の場合、溶融ガラスをキャストして容易にガラスを得ることができ、このガラスを熱処理して得られた上記結晶相をもつガラスセラミックスは高いリチウムイオン伝導性を有する。
【００１７】
また、上記の組成以外にも、類似の結晶構造を有するガラスセラミックスであれば、Ａｌ２Ｏ３をＧａ２Ｏ３、ＴｉＯ２をＧｅＯ２に一部または全部置換することも可能である。さらに、ガラスセラミックスの製造の際、その融点を下げるかまたはガラスの安定性を上げるために、イオン伝導性を下げない範囲で他の原料を微量添加することも可能である。
【００１８】
ガラスセラミックスの組成には、Ｌｉ２Ｏ以外のＮａ２ＯやＫ２Ｏなどのアルカリ金属は、出来る限り含まないことが望ましい。これら成分がガラスセラミックス中に存在するとアルカリイオンの混合效果により、Ｌｉイオンの伝導を阻害して伝導度を下げ易くなる。
また、ガラスセラミックスの組成に硫黄を添加すると、リチウムイオン伝導性は少し向上するが、化学的耐久性や安定性が悪くなるため、出来る限り含有しない方が望ましい。
ガラスセラミックスの組成には、環境や人体に対して害を与える可能性のあるＰｂ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｈｇなどの成分もできる限り含有しないほうが望ましい。
【００１９】
リチウムイオン二次電池の充放電時におけるリチウムイオンの移動性は、電解質のリチウムイオン伝導度およびリチウムイオン輸率に依存する。したがって、本発明の固体電解質にはリチウムイオン伝導性の高い物質を用いることが好ましい。
リチウムイオン伝導性の無機物のイオン伝導度は、１×１０−４Ｓ・ｃｍ−１以上であることが好ましく、５×１０−４Ｓ・ｃｍ−１以上であることがより好ましく、１×１０−３Ｓ・ｃｍ−１以上であることが最も好ましい。
【００２０】
本発明の固体電解質は５×１０−５Ｓ／ｃｍ以上のリチウムイオン伝導度を有する。また、総合的な観点においてより好ましい態様によれば８×１０−５Ｓ／ｃｍ以上のリチウムイオン伝導度を有し、最も好ましい態様によれば１×１０−４Ｓ／ｃｍ以上のリチウムイオン伝導度を有する。
【００２１】
本発明の好ましい実施態様である固体電解質は、電池として使用した場合、薄い方がリチウムイオンの移動距離が短いため高出力の電池が得られ、また単位体積当りの電極面積が広く確保できるため高容量の電池が得られる。そこで、固体電解質として用いる電解質層の厚みの上限は１５０μｍ以下が好ましく、１２０μｍ以下がより好ましく、９０μｍ以下が最も好ましい。ただし、１０μｍ未満では、曲げ強度、引っ張り強度が大幅に低下するため、１０μｍ以上が好ましく、１４μｍ以上がより好ましく、１８μｍ以上が最も好ましい。
【００２２】
本発明の固体電解質中にはリチウムイオン伝導性を有する無機物を多く含むことにより高い伝導率が得られるため、固体電解質中に対するリチウムイオン伝導性を有する無機物の含有率が５０ｖｏｌ％以上である事が好ましく、５５ｖｏｌ％以上である事がより好ましく、６０ｖｏｌ％以上である事が最も好ましい。また、曲げ強度、引っ張り強度の観点から固体電解質中に対するリチウムイオン伝導性を有する無機物の含有率は９９ｖｏｌ％以下である事が好ましく、９５ｖｏｌ％以下である事がより好ましく、９０ｖｏｌ％以下である事が最も好ましい。
【００２３】
本発明の固体電解質に含有される有機物は、ポリエチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレン、ポリプロピレンオキサイド、ポリテトラフルエチレン、ポリエチレングリコール、ポリアルキレングリコール、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレンなどの高分子材料やこれらを構造単位として有する高分子材料を用いることができる。また、ＬｉＴＦＳｉ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６等のリチウム塩等を添加し、リチウムイオン伝導性を付加させた高分子材料を用いると固体電解質としてのイオン伝導性も高くなるため、より好ましい。
【００２４】
イオン伝導性は有機物の融点以上で著しく高くなる。そのため、本発明の固体電解質を電池として使用した場合、有機物の融点以上で高い容量と出力を示す。そのため、有機物の融点は６０℃以下であることが好ましく、５５℃以下であることがより好ましく、５０℃以下であることが最も好ましい。
【００２５】
本発明の固体電解質に含有される有機物はリチウム伝導性の無機物と均一に混練されることが高イオン伝導性を得る為に好ましい。無機物と混練するのに、有機物の粘性が低いほど粘性が低くなり、無機物と均一な混練がなされる。そのため、有機物の粘度は摂氏１００℃で２０００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましく、１６００Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましく、１２００Ｐａ・ｓ以下であることが最も好ましい。ただし、１００Ｐａ・ｓ未満では無機粉体の沈降が生じ均一な混練ができないため、有機物の粘度の下限は１００Ｐａ・ｓが好ましく、１５０Ｐａ・ｓがより好ましく２００Ｐａ・ｓが最も好ましい。
【００２６】
本発明の固体電解質に曲げ強度、引っ張り強度を付与するために有機物の含有率は高いほうが好ましいが、高イオン伝導性はリチウムイオン伝導性を有する無機物を多く含むことで得られる。これより、有機物は固体電解質を形成可能な含有量、かつ、含有量が低いほど好ましいことが言える。そのため、有機物の含有量は５０ｖｏｌ％以下であることが好ましく、４５ｖｏｌ％以下であることがより好ましく、４０ｖｏｌ％以下であることが最も好ましい。ただし、１ｖｏｌ％未満では固体電解質の形状を維持することが困難であるため、１ｖｏｌ％以上が好ましく、３ｗｔ％以上がより好ましく５ｖｏｌ％以上が最も好ましい。
【００２７】
本発明の固体電解質の製造方法について説明する。
本発明の固体電解質は上述のリチウムイオン伝導性の無機物、及び有機物を溶媒を添加せず混練することにより製造することが出来る。溶媒を添加して混練する場合、乾燥時の溶媒の揮発に起因して固体電解質中に空孔が多く生ずるが、溶媒を添加せず混練することにより、空孔が少なく密度の高い固体電解質を得る事ができる。
混練を行う雰囲気の温度は高温であると固体電解質の均質化の点で好ましいが、過度に高温であると有機物が分解してしまい、高イオン伝導性な固体電解質が得られないため、混練を行う雰囲気の温度は２００℃以下であることが有機物の分解温度の観点で好ましく、より好ましくは１８０℃以下、最も好ましくは１５０℃以下である。温度の下限は均一混練の観点で、６０℃が好ましく、９０℃がより好ましく、１１０℃が最も好ましい。  また、混練を行う雰囲気の湿度は湿度４０％以下であることが電極材と組み合わせて電池を作製する際の脱水が容易である観点で好ましく、より好ましくは２０％以下、最も好ましくは１０％以下である。
より均一な混練を行う為には複数軸の混練機や真空攪拌脱泡機などを用いることが好ましい。
混練後、使用形態に合わせ成形をする。成形は押出、射出、等の方法を用いることが出来るが前記の２方式が好ましく、薄膜化の観点からは押出法で一定の厚みに成形後、ヒートロールプレスを用いるのが最も好ましい。
【００２８】
本発明の固体電解質はイオン伝導度が高い為、電解液を含まず漏液の危険のない全固体電池用途として使用する事が出来、リチウムイオン二次電池用途に好適である。
また、有機物がリチウムイオン伝導性の無機物に介在しバインダーとして機能するため可撓性を有する。そのため本発明の固体電解質を使用することによりフレキシブルなリチウムイオン二次電池の作成も可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明に係る固体電解質ならびにこれを用いたリチウムイオン二次電池およびリチウム電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【００３０】
［実施例１］
原料としてｈ３ＰＯ４、Ａｌ（ＰＯ３）３、Ｌｉ２ＣＯ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２を使用し、これらを酸化物換算のｍｏｌ％でＰ２Ｏ５を３１．５％、Ａｌ２Ｏ３を８．５％、Ｌｉ２Ｏを１５．０％、ＴｉＯ２を４１．０％、ＳｉＯ２を４．０％といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中１５００℃でガラス融液を撹拌しながら３時間加熱熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状のガラスを得、このガラスを９７０℃で１０時間の熱処理により結晶化を行うことにより、目的のガラスセラミックスを得た。析出した結晶相は粉末Ｘ線回折法により、Ｌｉ１＋ｘ＋ｙＡｌｘＴｉ２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２（０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）が主結晶相であることが確認された。得られたガラスセラミックスのフレークをジェットミルにより粉砕後、分級することで平均粒径１５μｍ、最大粒径４２μｍのガラスセラミックスの粉末を得た。  
ここで、有機物として分子量８５万で融点４３℃のポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合体と上記で得られたガラスセラミックス、リチウム塩として過塩素酸リチウム（ＬｉＣＬＯ４）をｖｏｌ％比で３０：６５：５に調合し、湿度１％に管理された室内で、二軸式の混練機で溶媒を添加せずに１２０℃で３時間混練し、押出成形法で厚み２ｍｍの薄い板状にし、ロールプレスにより８８μｍまで薄く延ばすことで、フレキシブルな固体電解質が得られた。なお、この有機物の１００℃での粘度は８５０Ｐａ・ｓであった。また、この固体電解質のイオン伝導度は１．３×１０−４Ｓｃｍ−１で、真比重、嵩比重より求めた空孔率は１４ｖｏｌ％であった。空孔率を算出する際の、固体電解質の形状は１００ｍｍ×１００ｍｍ×８８ｍｍとした。
【００３１】
［比較例１］
実施例１とそれぞれ同じ有機物（ＰＥＯ）とガラスセラミックス、リチウム塩（ＬｉＣＬＯ４）を実施例１とおなじくｖｏｌ％比で３０：６５：５としてアセトニトリルに３５ｖｏｌ％投入し、アセトニトリル懸濁液を調整した。この液をキャスティング法で成膜し、真空乾燥させて固体電解質を得た。この固体電解質のイオン伝導度は５．１×１０−５Ｓｃｍ−１であり、空孔率は３４ｖｏｌ％であった。
図１に示されたＳＥＭ像から比較例１で得られた固体電解質よりも実施例１のほうが空孔が少ないことが確認できる。
【００３２】
［実施例２］
分子量６０万の融点４１℃のポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合体と実施例１と同じガラスセラミックスとリチウム塩（ＬｉＣｌＯ４）を、ｖｏｌ％比で３０：６５：５に調合し、湿度１％に管理された室内で、二軸式の混練機で溶媒を添加せずに１２０℃で３時間混練し、押出成形法で厚み２ｍｍの薄い板状にし、ロールプレスにより７３μｍまで薄く延ばすことで、フレキシブルな固体電解質が得られた。なお、この有機物の１００℃での粘度は７２０Ｐａ・ｓであった。また、この固体電解質のイオン伝導度は２．１×１０−４Ｓｃｍ−１で、真比重、嵩比重より求めた空孔率は１１ｖｏｌ％であった。有機物に分子量の小さいＰＥＯを用いたことでガラスセラミックスとの混練がより均一化されたために、空孔率が低減し、イオン伝導度、曲げ強度および引っ張り強度が高い固体電解質が得られた。
【００３３】
［実施例３］
ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合物とリチウム塩（ＬｉＣｌＯ４）が溶解されたアセトニトリル溶液を調整し，  ＬｉＣｏＯ２を正極活物質、アセチレンブラックを導電助剤として添加し、アセトニトリル懸濁液を調整する。このアセトニトリル懸濁液をＡｌ箔にキャスティング法で成膜し、真空乾燥させることで正極集電体を備えた正極とする。
次に、ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合物とリチウム塩（ＬｉＣｌＯ４）が溶解されたアセトニトリル溶液を調整し、黒鉛（Ｃ６）を負極活物質として添加しアセトニトリル懸濁液を調整する。このアセトニトリル懸濁液をＣｕ箔にキャスティング法で成膜し、真空乾燥させることで負極集電体を備えた負極とする。
ここで得られた正極・負極で、実施例１で得られた固体電解質を挿み、ロールプレスすし、正極および負極にリード線を取り付けてリチウムイオン二次電池を組み立てた。  
組み立てたリチウムイオン二次電池は、平均放電電圧３．７Ｖで駆動することができた
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の固体電解質のＳＥＭ像である。
【図２】比較例１の固体電解質のＳＥＭ像である。
【図１】
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【図２】
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