特許 6554149 硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末およびそれを含む固体電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6554149

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末およびそれを含む固体電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0562 20100101AFI20190722BHJP

   H01M 10/056 20100101ALI20190722BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20190722BHJP

   H01M 4/13 20100101ALI20190722BHJP

   H01B 1/06 20060101ALI20190722BHJP

   H01B 1/08 20060101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/0562

   H01M10/056

   H01M4/62 Z

   H01M4/13

   H01B1/06 A

   H01B1/08

【請求項の数】6

【外国語出願】

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-149175(P2017-149175)

(22)【出願日】2017年8月1日

(65)【公開番号】特開2018-73805(P2018-73805A)

(43)【公開日】2018年5月10日

【審査請求日】2017年12月1日

(31)【優先権主張番号】105124401

(32)【優先日】2016年8月2日

(33)【優先権主張国】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】390023582

【氏名又は名称】財團法人工業技術研究院

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】特許業務法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廖 世傑

(72)【発明者】

【氏名】柯 冠宇

(72)【発明者】

【氏名】林 秀芬

(72)【発明者】

【氏名】陳 金銘

【審査官】 松村 駿一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０３５３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１３６４４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／０３１０２２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／０５６２

Ｈ０１Ｍ １０／０５６

Ｈ０１Ｍ ４／６２

Ｈ０１Ｍ ４／１３

Ｈ０１Ｂ １／０６

Ｈ０１Ｂ １／０８

Ｈ０１Ｍ ６／１８

Ｈ０１Ｍ １２／０６

Ｈ０１Ｍ １２／０８

Ｈ０１Ｇ １１／５６

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化物固体電解質粉末の重量に対して、硫黄の量が２ｗｔ％〜３ｗｔ％である硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末。

【請求項2】

前記硫黄が、硫黄元素（Ｓ）である請求項１記載の硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末。

【請求項3】

前記硫黄が、前記酸化物固体電解質の結晶中に分布されている請求項１記載の硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末。

【請求項4】

正極層、
負極層、および
前記正極層と前記負極層との間に配置され、請求項１に記載の硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末を含む固体電解質層
を含む固体電池。

【請求項5】

前記固体電解質層が、さらに、接着剤または有機固体電解質を含む請求項４記載の固体電池。

【請求項6】

前記正極層および前記負極層の少なくとも１つが、前記硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末を含む請求項４記載の固体電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０１６年８月２日に出願された台湾特許出願番号第１０５１２４４０１号を基礎とし、および、その優先権を主張するものであり、その開示は全て参照によって本明細書中に組み込まれる。

【0002】

本発明は、硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末およびそれを含む固体電池に関する。

【背景技術】

【0003】

現在、大部分の工業用リチウム電池は、有機電解液を使用している。しかしながら、このタイプの電池に関する安全性の問題により、固体電解質材料の開発が急務である。従来の電解液が固体電解質に置き換えられた後、電池の構造設計はより柔軟なものとなった。エネルギー密度は、市場におけるリチウム電池のエネルギー密度に対する要求を満たすように効果的に向上され得る。しかしながら、固体電解質におけるリチウムイオンの移動速度は、結晶粒界閉塞という制限により、これ以上向上され得ない。この結果、固体電解質のリチウムイオン伝導率は低く、実際の要求に応えることができない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

よって、向上されたリチウムイオン伝導率を有する固体電解質が、実際の応用において用いられ得る固体電解質として必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施形態は、硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末であって、硫黄の量が、酸化物固体電解質粉末の重量に対して、１ｗｔ％〜５ｗｔ％である硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を提供する。

【0006】

本発明の別の一実施形態は、正極層、負極層、および正極層と負極層との間に配置された固体電解質層を備える固体電池であって、固体電解質層が、上述の硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を含む固体電池を提供する。

【0007】

詳細な説明が添付の図面を参照して以下の実施形態で説明される。

【0008】

添付の図面を参照してなされた以下の詳細な説明および実施例によって、本発明はより完全に理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の例示的な実施形態による固体電池の断面図である。

【図2】交流（ＡＣ）インピーダンス解析のための試験ユニットの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下の開示は、提供される主題の種々の技術的特徴を実施するために、多くの種々の実施形態または実施例を提供する。本開示を簡略化するために、複数の要素および複数の配置の具体例が以下に記載される。これらはもちろん、単に例示を目的とするものであり、これらに限定することは意図されていない。例えば、下記の開示における第２の特徴の上方、または上への第１の特徴の形成は、第１および第２の特徴が直接的に接触するように形成される実施形態を含んでいてもよく、そしてまた、第１および第２の特徴のあいだに追加の特徴が形成されて、第１および第２の特徴が直接的に接触しなくてもよい実施形態を含んでいてもよい。さらに、本開示では、様々な実施例において、参照符号および／または字句が繰り返され得る。この繰り返しは、簡潔性および明確性を目的とするものであり、それ自体で、記載される様々な実施形態および／または構成との間の関係を規定するものではない。

【0011】

一実施形態において、本発明は、硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を提供する。いくつかの実施形態において、硫黄は、硫黄元素（Ｓ）であってもよく、および、酸化物固体電解質の結晶中に分布させられ得る。いくつかの実施形態において、酸化物固体電解質は、リチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）を含む。硫黄元素の半径と酸素の半径とが同様であるため、酸化物固体電解質中に添加された硫黄は、部分的に酸素と置換され、硫黄ドープ酸化物固体電解質を形成し得る。

【0012】

一実施形態において、本発明により提供される硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末中の硫黄の量は、酸化物固体電荷質粉末の重量に対して、１ｗｔ％〜５ｗｔ％であり得る。１ｗｔ％〜５ｗｔ％の量である硫黄を用いて形成された硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末は、良好なリチウムイオン伝導率を有し得ることが留意されるべきである。この結果は、酸化物固体電解質の格子定数に関連し得る。酸化物固体電解質が適切な量の硫黄を用いてドープされるとき、酸化物固体電解質の格子定数が変化し、これによって、酸化物固体電解質中のリチウムイオンの拡散速度が増大し、および、酸化物固体電解質のリチウムイオン伝導率が向上される。

【0013】

逆に、硫黄の量が低過ぎる（即ち、１ｗｔ％より低い）場合、硫黄の量が、酸化物固体電解質の格子定数を変化させるために十分でない可能性がある。従って、結晶粒界中でのリチウムイオンの移動速度およびリチウムイオン伝導率が増大され得ない。硫黄の量が高過ぎる（即ち、５ｗｔ％より高い）場合、他の結晶構造が現れる可能性があり、これは、酸化物固体電解質の結晶粒界中でのリチウムイオンの移動経路を妨げ、および、移動速度を低下させ得る。

【0014】

いくつかの実施形態において、本発明の硫黄ドープ酸化物固体電解質を形成するため、固体焼結法が、酸化物固体電解質中に硫黄元素をドープするために用いられ得る。具体的には、原料が、化学用量（Chemical dosages）にしたがって準備され、そして設計量の硫黄元素に加えられ得る。種々の酸化物固体電解質に応じて、原料の選択は、要求にしたがって調整され得る。例えば、酸化物固体電解質がリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）である場合、原料は、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）、水酸化ランタン（Ｌａ（ＯＨ）₃）、および二酸化チタン（ＴｉＯ₂）であり得る。水が前述の原料に添加された後、スラリーである前駆体を得るため、機械摩砕法が全ての原料を均一に混合するために用いられ得る。機械的摩砕法としては、例えば、ボールミル（ball grinding）法、振動摩砕（vibration grinding）法、タービン摩砕（turbine grinding）法、機械的溶融（mechanical melting）法、プレート式摩砕（plate-type grinding）法、または他の適切な摩砕方法が挙げられる。次いで、スラリーである前述の前駆体が、乾燥粉末である前駆体を得るために乾燥される。高温焼結プロセスが常圧で硫黄元素を含む硫黄元素含有の粉末の前駆体に直接的に適用されると、ＳＯ₂が生成され得、および、硫黄の損失が生じる可能性があることに留意されるべきである。従って、本発明の一実施形態においては、硫黄元素含有の乾燥粉末である前駆体に対して、最初に、水素とアルゴンとの混合ガス、窒素、またはアルゴンなどの保護雰囲気下、および６００℃〜９００℃の温度で、予備焼結プロセスが適用される。硫黄元素は、予備焼結プロセスのあいだに酸化物固体電解質の結晶中にドープされる。次いで、硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を得るために、予備焼結された粉末に対して、常圧で、および１０００℃〜１３００℃の温度で固体焼結プロセスが適用される。このとき、固体焼結された粉末は、ペロブスカイト型結晶相を形成し、これによって、本発明の硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末が得られる。しかしながら、その使用における要求に応じて、得られた固体電解質粉末は、所望の粒径を得るために更に摩砕されてもよい。

【0015】

一実施形態において、本発明はまた、図１に示されるように、正極層１０２、負極層１０４、および正極層と負極層との間に配置された固体電解質層１０６を備える固体電池１００を提供する。いくつかの実施形態において、正極層１０２は、固体電池に用いられる公知の正極活物質を含んでいてもよい。例えば、リチウム含有酸化物などである。いくつかの実施形態において、負極層１０４は、固体電池に用いられる公知の負極活物質を含んでいてもよい。例えば、カーボン活物質、酸化物活物質、または、例えばリチウム含有金属活物質などの金属活物質などである。いくつかの実施形態において、固体電解質層１０６は、前述の硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を含み、これは、正極層１０２と負極層１０４との間のキャリア（例えば、リチウムイオンなど）を移動させるための媒介物として作用する。他の実施形態において、固体電解質層１０６は、さらに、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの接着剤、または、例えばポリオキシエチレン（ＰＥＯ）、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）もしくはポリシロキサンなどの有機固体電解質を含んでいてもよい。有機／無機複合固体電解質は、接着剤または有機固体電解質を前述の硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末と混合することによって形成される。いくつかの実施形態において、正極層１０２および負極層１０４の少なくとも１つが、前述の硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末を含み得る。前述の有機／無機複合固体電解質は、被覆層を形成するように、正極層１０２上または負極層１０４上にコートされてもよい。その後、負極層１０４または正極層１０２は、被覆層の上に積層され、そして積層方向に沿って圧力が適用されることによって固定される。

【0016】

当該技術分野において知られているように、追加で、図１に示されるように、固体電池がさらに、正極集電体１０８および負極集電体１１０を備えていてもよい。正極集電体１０８および負極集電体１１０の材料、厚さ、形状などは、所望の用途に応じて選択され得る。固体電池の他の詳細な製造工程は、当該技術分野において公知であり、したがって、不要な繰り返しを避けるために重ねて記載することはしない。これらの実施形態は、説明を目的とするためだけのものであり、および、本発明の範囲はこれらに限定されないことに留意すべきである。

【0017】

本発明によって提供される硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末は、リチウム電池の正極層と負極層との間でキャリアを移動させるための媒介物となる液体電解質を使用している、現在最も用いられているリチウム電池における隔離膜および電解液を置換することができる。硫黄元素をドープすることにより、本発明は、酸化物固体電解質中のリチウムイオンの移動速度を増大させ、そのリチウムイオン伝導率を向上させる。これにより、固体電解質が、実際的に使用され得る。

【0018】

本発明により提供される硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末およびその特性を説明するため、実施例および比較例が以下に記載される。

【実施例】

【0019】

酸化物固体電解質の調製
［実施例１］リチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）…硫黄量２．４ｗｔ％
炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）１８．２ｇ、水酸化ランタン（lanthanum hydroxide（Ｌａ（ＯＨ）₃）；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）１２７．９ｇ、および二酸化チタン（titanium dioxide（ＴｉＯ₂）；Ｅｖｏｎｉｋ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）１０５．５ｇが、硫黄元素（Ｓ；Ｓｈｏｗａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ.,Ｌｔｄ.）５．２ｇと混合された。水５００ｇが混合物に添加され、そしてその後、ボールミル法により２４時間、摩砕された。全ての原料が均一に混合された後、スラリーである前駆体が得られた。次に、スラリーである前駆体は、乾燥粉末である前駆体を形成するためにオーブン乾燥された。粉末である前駆体がアルミナ坩堝内に入れられ、そして、水素とアルゴンとが混合された雰囲気下、８００℃で２時間、予備焼結プロセスが行われた。最後に、予備焼結された粉末に対して固体焼結プロセスが常圧下、１２００℃で１２時間行われ、２１３．８ｇの粉末が得られた。粉末は、硫黄ドープリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末であった。

【0020】

［比較例１］リチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）…硫黄ドープ無し
炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）１８．０ｇ、水酸化ランタン（lanthanum hydroxide（Ｌａ（ＯＨ）₃）；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）１２７．４ｇ、および二酸化チタン（titanium dioxide（ＴｉＯ₂）；Ｅｖｏｎｉｋ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）１０５．１ｇが、硫黄元素を添加すること無しに混合されたこと以外は、実施例１で記載されたものと同じプロセスが繰り返された。最終的に、２１２．５ｇの粉末が得られた。粉末は、硫黄ドープされていないリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末であった。

【0021】

リチウムイオン伝導率試験
リチウムイオン伝導率試験が交流（ＡＣ）インピーダンス解析によって、実施例１および比較例１において得られた粉末に対して行われた。実施例１および比較例１の予備焼結された粉末が、圧縮され、およびタブレットの形状に成型された。次いで、タブレット形状の硫黄ドープされた／硫黄ドープされていないリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末を得るために、タブレットがアルミナ坩堝に入れられ、固体焼結プロセスが、常圧下、１２００℃で１２時間行われた。ＡＣインピーダンス解析が、図２に示される構造を備えたタブレット形状の試験ユニット２００を用いて行われた。タブレット形状の試験ユニット２００は、図２に示されるように、上部カバー２０２、下部カバー２１２、パッド２０４、リチウム金属２０６、隔離膜２０８（電解液を含む）、およびタブレット形状の硫黄ドープされた／硫黄ドープされていないリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末２１０から構成された。ＡＣインピーダンス解析の結果が算出され、そして実施例１および比較例１のリチウムイオン伝導率の結果が表１に示されている。

【0022】

【表1】

【0023】

表１を参照して、実験結果にしたがい、実施例１の２．４ｗｔ％の硫黄でドープされたリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末を、比較例１の硫黄ドープ無しのリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末と比較すると、結晶粒界でのリチウムイオン伝導率（Ｓ／ｃｍ）が、２．９２×１０^-5（Ｓ／ｃｍ）から１．０×１０^-4（Ｓ／ｃｍ）まで増大した。２．４ｗｔ％の硫黄でドープされたリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末の結晶粒界でのリチウムイオン伝導率は、元の硫黄ドープ無しのリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末の結晶粒界でのリチウムイオン伝導率に対して、約３〜４倍増大していた。さらに、総計の結晶リチウムイオン伝導率は、６．４×１０^-5（Ｓ／ｃｍ）から２．８×１０^-4（Ｓ／ｃｍ）まで増大した。２．４ｗｔ％の硫黄でドープされたリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末の総計のリチウムイオン伝導率は、元の硫黄ドープ無しのリチウムランタンチタン酸化物（ＬＬＴＯ）固体電解質粉末の総計のリチウムイオン伝導率に対して、約４〜５倍増大していた。

【0024】

本発明によって提供される硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末においてリチウムイオンの移動速度が向上され、その総計のリチウム伝導率は、元の硫黄ドープされていない酸化物固体電解質粉末のものの４〜５倍へと顕著に増大した。このように、結晶粒界閉塞に起因する低いリチウムイオン伝導率を有する従来の固体電解質の課題が解決された。さらに、本発明において提供される硫黄ドープ酸化物固体電解質粉末は、固体電池に適用され得、および、固体電解質は実際的に使用され得る。

【0025】

本発明の実施形態に対して様々な修正及び変形が行われ得ることは当業者にとって明らかであろう。明細書の記載および実施例は単なる例示として考慮されることを意図するものであり、本開示の真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示される。

【符号の説明】

【0026】

１００ 固体電池
１０２ 正極層
１０４ 負極層
１０６ 固体電解質層
１０８ 正極集電体
１１０ 負極集電体
２００ タブレット形状の試験ユニット
２０２ 上部カバー
２０４ パッド
２０６ リチウム金属
２０８ 隔離膜
２１０ タブレット形状の固体電解質粉末
２１２ 下部カバー

【図1】

【図2】