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特開2024-99631硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質、全固体電池、及び硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024099631
(43)【公開日】2024-07-25
(54)【発明の名称】硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質、全固体電池、及び硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法
(51)【国際特許分類】
H01B 1/06 20060101AFI20240718BHJP
H01M 10/0562 20100101ALI20240718BHJP
H01B 1/10 20060101ALI20240718BHJP
H01M 10/052 20100101ALN20240718BHJP
H01M 10/054 20100101ALN20240718BHJP
【ＦＩ】
H01B1/06 A
H01M10/0562
H01B1/10
H01M10/052
H01M10/054
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024066451
(22)【出願日】2024-04-17
(62)【分割の表示】P 2024042110の分割
【原出願日】2019-08-30
(31)【優先権主張番号】P 2018161831
(32)【優先日】2018-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2018232775
(32)【優先日】2018-12-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019045347
(32)【優先日】2019-03-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019103611
(32)【優先日】2019-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】507151526
【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ
(72)【発明者】
【氏名】福嶋 晃弘
(72)【発明者】
【氏名】西井 克弥
(72)【発明者】
【氏名】佐久間 諒
(72)【発明者】
【氏名】掛谷 忠司
(72)【発明者】
【氏名】越智 龍也
【テーマコード（参考）】
5G301
5H029
【Ｆターム（参考）】
5G301CA03
5G301CA04
5G301CA05
5G301CA06
5G301CA08
5G301CA12
5G301CA16
5G301CA17
5G301CA19
5G301CA25
5G301CA28
5G301CA30
5G301CD01
5G301CE02
5H029AJ12
5H029AJ14
5H029AK01
5H029AK02
5H029AK03
5H029AL01
5H029AL02
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL08
5H029AL11
5H029AL12
5H029AM12
5H029AM16
(57)【要約】 （修正有）
【課題】硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる硫化物固体電解質の製造方法、その製造に用いる原料化合物の選択方法及び当該硫化物固体電解質を備えた全固体電池並びに熱的安定性の向上した硫化物固体電解質、その製造方法及び当該硫化物固体電解質を備えた全固体電池を提供する。
【解決手段】硫化物固体電解質は、構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【選択図】なし
【解決手段】硫化物固体電解質は、構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質、全固体電池、及び硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法に関する。
【0002】
リチウムイオン非水電解質二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、電気的に隔離された一対の電極を有する電極体、及び電極間に介在する非水電解質を備え、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。
【0003】
近年、非水電解質二次電池の非水電解質として、硫化物固体電解質が着目されており、種々の研究がなされている。
【0004】
特許文献１には、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、及びＬｉ3Ｎを出発原料として、７５Ｌｉ2Ｓ－２５Ｐ2Ｓ5－ｙＬｉ3Ｎの組成を有する硫化物固体電解質を製造することが記載されている。
特許文献２には、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、及びＬｉ3Ｎからなる原料組成物を用いて、硫化物固体電解質を製造することが記載されている。
特許文献２には、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、及びＬｉ3Ｎからなる原料組成物を用いて、硫化物固体電解質を製造することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１８－０４１６７１
【特許文献2】特開２０１５－０１１８９８
【特許文献3】特開２０１８－１５６７３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１には、硫化物固体電解質がＮを含有することで、硫化物固体電解質の大気安定性（耐水性）を向上できることが記載されている。しかしながら、硫化物固体電解質の原料としてＬｉ3Ｎを使用すると、Ｎが系外に排出される問題があった。
【0007】
特許文献２には、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉＩ、及びＬｉＢｒを含有する原料組成物を非晶質化して熱処理することで高Ｌｉイオン伝導相が析出することが記載されている。しかし、熱処理温度が高すぎると、低Ｌｉイオン伝導相が析出してしまう問題があった。
特許文献３には、Ｌｉ3Ｎの添加により高Ｌｉイオン伝導相の生成する温度と低Ｌｉイオン伝導相の生成する温度との差を大きくできることが記載されているものの、その差は最大でも３０℃程度と小さく、更なる改善が求められていた。
特許文献３には、Ｌｉ3Ｎの添加により高Ｌｉイオン伝導相の生成する温度と低Ｌｉイオン伝導相の生成する温度との差を大きくできることが記載されているものの、その差は最大でも３０℃程度と小さく、更なる改善が求められていた。
【0008】
本発明は上述の事情に基づいてなされたものであり、本発明の一態様の課題は、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法、及び当該硫化物固体電解質を備えた全固体電池を提供することにある。
本発明の他の一態様の課題は、熱的安定性の向上した硫化物固体電解質を得ること、その製造方法、及び当該硫化物固体電解質を備えた全固体電池を提供することにある。
本発明の他の一態様の課題は、熱的安定性の向上した硫化物固体電解質を得ること、その製造方法、及び当該硫化物固体電解質を備えた全固体電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、硫化物固体電解質の製造方法であって、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物を準備することと、上記組成物を反応させて中間体を得ることと、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得ることと、を備え、上記組成物がＮ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を含む、硫化物固体電解質の製造方法である。Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【0010】
本発明の他の一態様は、硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法であって、
上記原料化合物の候補として、Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含有する候補材料を選定することと、第一原理計算を用いて、上記候補材料の内部におけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出することと、を備え、上記ＥNdefectが、４．００ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択する、原料化合物の選択方法である。
上記原料化合物の候補として、Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含有する候補材料を選定することと、第一原理計算を用いて、上記候補材料の内部におけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出することと、を備え、上記ＥNdefectが、４．００ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択する、原料化合物の選択方法である。
【0011】
本発明の他の一態様は、構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質である。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【発明の効果】
【0012】
本発明の一態様の硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法、及び硫化物固体電解質によれば、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。
本発明の他の一態様の硫化物固体電解質によれば、熱的安定性の向上した硫化物固体電解質を得ることができる。
本発明の他の一態様の硫化物固体電解質によれば、熱的安定性の向上した硫化物固体電解質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
はじめに、本明細書によって開示される硫化物固体電解質の製造方法の概要について説明する。
【0015】
本発明の一態様に係る硫化物固体電解質の製造方法は、硫化物固体電解質の製造方法であって、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物を準備することと、上記組成物を反応させて中間体を得ることと、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得ることと、を備え、上記組成物がＮ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を含む、硫化物固体電解質の製造方法である。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉ からなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【0016】
本発明において、「組成物」とは、二種以上の化合物を混合してなる混合物を意味する。「原料化合物」とは、上記組成物を構成する特定の化合物を意味する。
【0017】
発明者らは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素Ａと、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素Ｍと、Ｎとを含有する原料化合物を用いることで、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できることを見出し、本発明に至った。
【0018】
当該硫化物固体電解質の製造方法によれば、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。このため、硫化物固体電解質中に含まれるＮの含有量の制御が容易になる。この理由については定かではないが、以下の理由が推測される。
特許文献１及び特許文献３に開示されたＬｉ3Ｎを用いた硫化物固体電解質の製造方法では、Ｌｉ3ＮのＮの欠陥生成エネルギーが小さく、Ｎ2ガスが生成しやすい。
これに対し、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を用いる当該硫化物固体電解質の製造方法では、Ｎの欠陥生成エネルギーが大きく、硫化物固体電解質の合成過程でＮの欠陥が生成しにくいために、Ｎ2ガスが生成しにくい。このため、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。
なお、元素Ｍはいずれも後述する第一原理計算によって算出される、ＬｉαＭβＮで表される化合物（α及びβは、元素Ｍの種類に応じて、化学量論比を与える数値である）におけるＮの欠陥生成エネルギーが４．００ｅＶ以上である元素である。Ｎの欠陥生成エネルギーの定義は後述する。
特許文献１及び特許文献３に開示されたＬｉ3Ｎを用いた硫化物固体電解質の製造方法では、Ｌｉ3ＮのＮの欠陥生成エネルギーが小さく、Ｎ2ガスが生成しやすい。
これに対し、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を用いる当該硫化物固体電解質の製造方法では、Ｎの欠陥生成エネルギーが大きく、硫化物固体電解質の合成過程でＮの欠陥が生成しにくいために、Ｎ2ガスが生成しにくい。このため、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。
なお、元素Ｍはいずれも後述する第一原理計算によって算出される、ＬｉαＭβＮで表される化合物（α及びβは、元素Ｍの種類に応じて、化学量論比を与える数値である）におけるＮの欠陥生成エネルギーが４．００ｅＶ以上である元素である。Ｎの欠陥生成エネルギーの定義は後述する。
【0019】
上記Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物は、Ｌｉ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有することが好ましい。
【0020】
これによれば、当該製造方法によって製造される硫化物固体電解質を備えた全固体電池の質量エネルギー密度を高めることができる。これは、Ｌｉはアルカリ金属元素の中で最も原子量が小さく、イオンサイズも小さいことによる。
【0021】
上記Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物は、元素Ｍの窒化物と元素Ａの窒化物とを反応させることで得てもよく、工業的に製造され、販売されているものを使用してもよい。
【0022】
元素Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐからなる群より選択される１つの元素であると好ましい。これらの元素は、後述する第一原理計算によって算出されるＮの欠陥生成エネルギーが、４．１０ｅＶ以上となる元素である。
【0023】
これにより、硫化物固体電解質の製造過程における、Ｎの系外への排出をより確実に抑制することができる。
【0024】
元素Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂからなる群より選択される少なくとも１つの元素であるとより好ましい。これらの元素は、後述する第一原理計算によって算出されるＮの欠陥生成エネルギーが、４．３５ｅＶ以上となる元素である。
【0025】
これにより、硫化物固体電解質の製造過程における、Ｎの系外への排出をさらに確実に抑制することができる。
【0026】
上記組成物は、硫化リチウム、硫化リン、並びに上記Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を含むと好ましい。これらの化合物は取り扱いが容易であることから、硫化物固体電解質の製造性を高めることができる。
【0027】
上記組成物は、上記元素ＡがＬｉを含有し、上記組成物におけるＰに対するＬｉの含有割合がモル比で２．３０以上４．２０以下であり、上記組成物におけるＰに対するＮの含有割合がモル比で０．０１００以上１．２０以下であると好ましい。また、上記元素ＡがＬｉを含有し、上記組成物におけるＰに対するＬｉの含有割合がモル比で２．７７以上３．３８以下であり、上記組成物におけるＰに対するＮの含有割合がモル比で０．２８０以上０．６５０以下であるとより好ましい。これにより、大気安定性に優れ、２５℃におけるイオン伝導度が高い硫化物固体電解質を提供できる。
【0028】
上記組成物が、元素Ｘを含有すると好ましい。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。
【0029】
Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、及び元素Ｘを含有する硫化物固体電解質は、イオン伝導度の高い準安定相（以下、ＨＩＣＰ（Ｈｉｇｈ Ｉｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ）ともいう）が生成することが知られている（特許文献２）。また、このような硫化物固体電解質がＮを含有することで、ＨＩＣＰが析出する熱処理温度と、ＨＩＣＰがイオン伝導度の低い別の相（以下、ＬＩＣＰ（Ｌｏｗ Ｉｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ）ともいう）に相転移する熱処理温度との差が広がることが知られている（特許文献３）。しかしながら、特許文献３ではＬｉ３Ｎを用いて硫化物固体電解質を製造しているため、硫化物固体電解質の製造過程で系外にＮが排出され、ＨＩＣＰが安定な熱処理温度領域を広げる効果を十分に得られなかった。
これに対し、当該硫化物固体電解質の製造方法では、Ｎの系外への排出が抑制される。このため、ＨＩＣＰの熱的安定性が向上する効果を十分に発揮することができる。
これに対し、当該硫化物固体電解質の製造方法では、Ｎの系外への排出が抑制される。このため、ＨＩＣＰの熱的安定性が向上する効果を十分に発揮することができる。
【0030】
上記組成物は、上記組成物におけるＰに対するＬｉの含有割合がモル比で３．１０以上４．２０以下であり、上記組成物におけるＰに対するＮの含有割合がモル比で０．０６００以上０．７５０以下であり、上記組成物におけるＰに対するＸの含有割合がモル比で０．１８０以上１．３０以下であると好ましい。
【0031】
これにより、ＨＩＣＰの熱的安定性が高い硫化物固体電解質を提供することができる。
【0032】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質は、当該硫化物固体電解質の製造方法により製造された硫化物固体電解質である。このような硫化物固体電解質であれば、硫化物固体電解質の製造過程における系外へのＮの排出が抑制されるので、Ｎを含むことによる種々の効果を十分に発揮することができる。
【0033】
本発明の他の一態様に係る全固体電池は、当該硫化物固体電解質の製造方法によって製造された硫化物固体電解質を含む。このような全固体電池であれば、硫化物固体電解質の製造過程における系外へのＮの排出が抑制されるので、Ｎを含むことによる種々の効果を十分に発揮することができる。
【0034】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法は、硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法であって、上記原料化合物の候補として、Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含有する候補材料を選定することと、第一原理計算を用いて、上記候補材料の内部におけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出することと、を備え、上記ＥNdefectが、４．００ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択する、原料化合物の選択方法である。
なお、候補材料の結晶構造においてＮの占有サイトが複数存在する場合、それぞれのＮの占有サイトごとにＥNdefectを算出し、最も値が低いものを当該候補材料のＥNdefectとして用いる。
なお、候補材料の結晶構造においてＮの占有サイトが複数存在する場合、それぞれのＮの占有サイトごとにＥNdefectを算出し、最も値が低いものを当該候補材料のＥNdefectとして用いる。
【0035】
当該選択方法によって選択された原料化合物は、Ｎの欠陥生成エネルギーが大きく、硫化物固体電解質の合成過程でＮの欠陥が生成しにくいために、Ｎ2ガスが生成しにくい。このため、上記原料化合物を用いて硫化物固体電解質を製造すると、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。
【0036】
上記ＥNdefectが４．１０ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択することが好ましい。
【0037】
これによれば、硫化物固体電解質の製造過程におけるＮの系外への排出をより確実に抑制することができる。
【0038】
上記ＥNdefectが４．３５ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択することがより好ましい。
【0039】
これによれば、硫化物固体電解質の製造過程におけるＮの系外への排出をさらに確実に抑制することができる。
【0040】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質の製造方法は、当該硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法により選択された原料化合物を含む組成物を準備することと、上記組成物を反応させて中間体を得ることと、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得ることと、を備える硫化物固体電解質の製造方法である。
【0041】
これによれば、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制できる。このため、硫化物固体電解質中に含まれるＮの含有量の制御が容易になる。
【0042】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質は、当該製造方法により製造された硫化物固体電解質である。このような硫化物固体電解質であれば、硫化物固体電解質の製造過程における系外へのＮの排出が抑制されるので、Ｎを含むことによる種々の効果を十分に発揮することができる。
【0043】
本発明の他の一態様に係る全固体電池は、当該選択方法により選択された原料化合物を用いて製造された硫化物固体電解質を含む。このような硫化物固体電解質であれば、製造過程における系外へのＮの排出が抑制されるので、Ｎを含むことによる種々の効果を十分に発揮することができる。
【0044】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質は、構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質である。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【0045】
このような硫化物固体電解質であれば、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｘのみからなる硫化物固体電解質に比べ、ＨＩＣＰの熱的安定性を高めることができる。
【0046】
元素Ｍが、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂからなる群より選択される少なくとも１つの元素であることが好ましい。
【0047】
これによれば、ＨＩＣＰの熱的安定性をより高めることができる。
【0048】
上記結晶構造が、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において、２θ＝２０．２°±０．５°、２３．６°±０．５°に回折ピークを有することが好ましい。
【0049】
当該硫化物固体電解質が上記結晶構造を有することで、良好なＬｉイオン伝導度が得られる。
【0050】
本発明の他の一態様に係る全固体電池は、構成元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質を含む全固体電池である。
【0051】
全固体電池を非水電解液電池と比べた際の利点の一つに、作動温度の上限が極めて高いことが挙げられる。固体電解質の熱的安定性が高いために、このような利点が得られる。
ところが、特許文献２、及び特許文献３には、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｂｒ及びＩを含有する硫化物固体電解質は、加熱温度が高いと、高Ｌｉイオン伝導相が低Ｌｉイオン伝導相に相転移することが記載されている。つまり、このような硫化物固体電解質を備えた全固体電池の作動温度は、高Ｌｉイオン伝導相の相転移温度によって制限されていた。
これに対し、当該硫化物固体電解質は、元素Ｍを含まない従来の硫化物固体電解質に比べてＨＩＣＰの熱的安定性が高い。このため、本発明の硫化物固体電解質を備えた全固体電池は、電池の作動温度の上限を高くできる全固体電池の利点を十分に享受することができる。
ところが、特許文献２、及び特許文献３には、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｂｒ及びＩを含有する硫化物固体電解質は、加熱温度が高いと、高Ｌｉイオン伝導相が低Ｌｉイオン伝導相に相転移することが記載されている。つまり、このような硫化物固体電解質を備えた全固体電池の作動温度は、高Ｌｉイオン伝導相の相転移温度によって制限されていた。
これに対し、当該硫化物固体電解質は、元素Ｍを含まない従来の硫化物固体電解質に比べてＨＩＣＰの熱的安定性が高い。このため、本発明の硫化物固体電解質を備えた全固体電池は、電池の作動温度の上限を高くできる全固体電池の利点を十分に享受することができる。
【0052】
本発明の他の一態様に係る硫化物固体電解質は、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含み、結晶性を有する硫化物固体電解質である。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【0053】
このような硫化物固体電解質であれば、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制することで、大気安定性等を高めることができる。
【0054】
元素Ｍが、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂからなる群より選択される少なくとも１つの元素であることが好ましい。
【0055】
これによれば、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出をより確実に抑制することで、大気安定性等をより高めることができる。
【0056】
以下、本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法、硫化物固体電解質、全固体電池、及び硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法について詳述する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【0057】
＜硫化物固体電解質の製造方法＞
［実施形態］
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法は、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物を準備する準備工程と、上記組成物を反応させて中間体を得る反応工程と、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得る加熱工程と、を備え、上記組成物はＮ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を含む。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。
本実施形態では、元素ＡとしてＬｉを含有する場合を例に、当該硫化物固体電解質の製造方法について説明する。図１は、本実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法の一例を示すフローチャートであり、以下、これに沿って説明する。
［実施形態］
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法は、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物を準備する準備工程と、上記組成物を反応させて中間体を得る反応工程と、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得る加熱工程と、を備え、上記組成物はＮ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を含む。ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。
本実施形態では、元素ＡとしてＬｉを含有する場合を例に、当該硫化物固体電解質の製造方法について説明する。図１は、本実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法の一例を示すフローチャートであり、以下、これに沿って説明する。
【0058】
（準備工程）
本工程では、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｍを含む組成物が準備される。
上記組成物は、Ｎ、Ｌｉ、及び元素Ｍを含有する１種以上の原料化合物（以下、Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物とも記載する）と、Ｌｉ、Ｐ、及びＳを含む１種以上の原料化合物との混合物であることが好ましい。
本工程では、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｍを含む組成物が準備される。
上記組成物は、Ｎ、Ｌｉ、及び元素Ｍを含有する１種以上の原料化合物（以下、Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物とも記載する）と、Ｌｉ、Ｐ、及びＳを含む１種以上の原料化合物との混合物であることが好ましい。
【0059】
図１においては、まず、Ｌｉ3Ｎと元素Ｍの窒化物とを準備し、乳鉢等で混合する。次に、混合した上記原料化合物のペレットを製造する。次に、上記ペレットを熱処理することで、Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物を製造する。
【0060】
なお、Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物を準備する手段はこれに限定されず、他の方法で作製してもよい。例えば、Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物の原料は、Ｎ、Ｌｉ、元素Ｍのいずれかを含む２種以上の化合物であればよい。Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物はメカニカルミリングによって作製してもよい。Ｍ－Ｎ含有化合物として、工業的に製造され、販売されているものを準備してもよい。
【0061】
Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物としては、元素Ｍのリチウム複合窒化物が好適に使用される。元素Ｍのリチウム複合窒化物としては、例えば、Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ、Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ、Ｌｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎ、Ｌｉ9/5Ｓｉ3/10Ｎ、Ｌｉ7/4Ｐ1/4Ｎ、ＬｉＭｇＮ、ＬｉＨｆ1/2Ｎ、Ｌｉ3/2Ｓｃ1/2Ｎ、ＬｉＺｒ1/2Ｎ、Ｌｉ5/3Ｔｉ1/3Ｎ、Ｌｉ4/3Ｔａ1/3Ｎ、Ｌｉ7/4Ｔａ1/4Ｎ、Ｌｉ7/4Ｎｂ1/4Ｎ、ＬｉＣ1/2Ｎ等のリチウム複合窒化物等が挙げられる。これらの中でも、入手が容易であることから、Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ、Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ、及びＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎが好ましい。また、Ｌｉ2Ｓの析出を抑制する観点からはＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎが特に好ましく、ＨＩＣＰの熱的安定性を向上させる観点からはＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎ及びＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎが特に好ましい。硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制する観点からは、Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ及びＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎが特に好ましい。
【0062】
元素Ｍを含む原料化合物としては、元素Ｍの酸化物、元素Ｍの硫化物、元素Ｍの窒化物、元素ＭとＬｉとの合金等が挙げられる。元素Ｍの硫化物としては、例えば、Ａｌ2Ｓ3、ＳｉＳ2等が挙げられる。元素Ｍの窒化物としては、例えば、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ｍｇ3Ｎ2等が挙げられる。元素Ｍを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0063】
当該製造方法における元素Ｍは、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素であればよく、特に限定されない。これらの中でも、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出をより確実に抑制する観点から、元素ＭはＡｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐのいずれかであることが好ましく、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂのいずれかであることがより好ましい。また、入手が容易であることから、元素ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｂのいずれかであることがさらに好ましい。特に、元素ＭはＡｌであってもよい。
【0064】
Ｎを含む原料化合物としては、例えば、Ｌｉ3Ｎ、ＰＮ、Ｐ3Ｎ5、Ｓ4Ｎ4、Ｓ2Ｎ2、Ｓ4Ｎ2等が挙げられる。これらの中でも、Ｌｉ3Ｎが好ましい。Ｎを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0065】
Ｌｉを含む原料化合物（Ｌｉ化合物とも記載する）としては、例えば、Ｌｉ2Ｓ、Ｌｉ2Ｏ、Ｌｉ3Ｎ、Ｌｉ2ＣＯ3、金属リチウム等が挙げられる。これらの中でも、Ｌｉ2Ｓが好ましい。Ｌｉを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0066】
Ｐを含む原料化合物（Ｐ化合物とも記載する）としては、例えば、Ｐ2Ｓ3、Ｐ2Ｓ5、Ｐ2Ｏ5、Ｐ3Ｎ5、単体リン等が挙げられる。これらの中でも、Ｐ2Ｓ3及びＰ2Ｓ5が好ましく、Ｐ2Ｓ5が特に好ましい。Ｐを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0067】
Ｓを含む原料化合物としては、例えば、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ3、Ｐ2Ｓ5、元素Ｍの硫化物、単体硫黄等が挙げられる。Ｓを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0068】
上記組成物は、Ｌｉ化合物、Ｐ化合物、及びＬｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物を含むことが好ましく、上記Ｌｉ化合物及び上記Ｐ化合物の少なくとも一方がＳを含有するとより好ましい。Ｌｉ化合物、Ｐ化合物、及びＬｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物として、硫化リチウム、硫化リン、及び一般式ＬｉαＭβＮ（α及びβは、元素Ｍの種類に応じて、化学量論比を与える数値である）で表される化合物を含有するとさらに好ましい。
【0069】
硫化物固体電解質は、Ｌｉの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはイオン伝導度が低下する虞がある。また、Ｎの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＮを含有することによる大気安定性向上等の効果を十分に発揮できない虞がある。
これらの観点から、上記組成物は、混合状態での元素比率が、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
２．３０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０１００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．２０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．１２
０．０２００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．１１
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとさらに好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．００
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．９００
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとよりさらに好ましい。
２．６０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．４０
０．１９０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７１０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすと特に好ましい。
２．７７ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．３８
０．２８０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．６５０
これらの観点から、上記組成物は、混合状態での元素比率が、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
２．３０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０１００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．２０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．１２
０．０２００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．１１
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとさらに好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．００
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．９００
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとよりさらに好ましい。
２．６０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．４０
０．１９０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７１０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすと特に好ましい。
２．７７ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．３８
０．２８０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．６５０
【0070】
また、上記組成物は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｍの各元素のモル比が一般式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮ（但し、０＜ｚ≦４０、０．５０≦ｙ≦０．７５、α及びβは、元素Ｍの種類に応じて、化学量論比を与える数値である）を満たすと好ましい。これによれば、大気安定性と２５℃におけるイオン伝導度に優れた硫化物固体電解質を製造することができる。なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、及びＬｉαＭβＮからなることを特定するものではない。
【0071】
上記一般式におけるｚは０超４０以下であると好ましく、１以上３０以下であるとより好ましい。上記一般式におけるｚが上記範囲であることで、大気安定性とイオン伝導度に優れた硫化物固体電解質を製造することができる。さらに、１≦ｚ≦３０であることで、２５℃におけるイオン伝導度を高めた硫化物固体電解質を製造することができる。１０≦ｚ≦４０であることで、大気に不安定ないわゆる架橋硫黄Ｐ2Ｓ7
4-（Ｓ3Ｐ－Ｓ－ＰＳ3）が減少し、水と反応しやすいＬｉ2Ｓを実質的に含有しない、大気安定性に優れた硫化物固体電解質を製造することができる。
【0072】
上記一般式におけるｙは０．５０以上０．７５以下であると好ましく、０．６７以上０．７０以下であるとより好ましい。上記組成物におけるＬｉ2Ｓ及びＰ2Ｓ5の含有割合が上記範囲であることで、２５℃におけるイオン伝導度を高めた硫化物固体電解質を製造することができる。
【0073】
上記一般式におけるα及びβは、元素Ｍの種類に応じて、化学量論比を与える数値である。α及びβの値は特に限定されないが、例えば、０．８０≦α≦３．０、０．１０≦β≦１．２であってもよい。
【0074】
（反応工程）
本工程では、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｍを含む組成物に対してメカニカルミリングを行うことで上記組成物を反応させ、中間体を得る。
なお、中間体を得る手段はこれに限定されず、他の方法で得てもよい。例えば、図１において、メカニカルミリングに代えて、溶融急冷法等をおこなってもよい。
本工程では、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及び元素Ｍを含む組成物に対してメカニカルミリングを行うことで上記組成物を反応させ、中間体を得る。
なお、中間体を得る手段はこれに限定されず、他の方法で得てもよい。例えば、図１において、メカニカルミリングに代えて、溶融急冷法等をおこなってもよい。
【0075】
メカニカルミリングは、乾式、湿式のいずれであってもよいが、原料化合物をより均一に混合できるため、湿式であると好ましい。メカニカルミリングとしては、例えば、容器駆動型ミル、媒体撹拌ミル、高速回転粉砕機によるミリング、ローラーミル、ジェットミル等が挙げられる。容器駆動型ミルとしては、例えば、回転ミル、振動ミル、遊星ミル等が挙げられる。媒体撹拌ミルとしては、例えば、アトライター、ビーズミル等が挙げられる。高速回転粉砕機によるミリングとしては、例えば、ハンマーミル、ピンミル等が挙げられる。これらの中でも、容器駆動型ミルが好ましく、特に遊星ミルが好ましい。
【0076】
反応工程で得る中間体は、結晶構造を有しても差し支えないが、いわゆる硫化物ガラスであることが好ましい。「硫化物ガラス」とは、アモルファス構造を含む硫化物固体電解質を意味する。中間体が硫化物ガラスであると、Ｌｉ2Ｓ等の大気安定性の低い結晶相が少なく、Ｎ、元素Ｍ等が高分散した硫化物固体電解質を得ることができる。
【0077】
（熱処理工程）
本工程では、中間体を結晶化温度以上の温度で熱処理することにより、硫化物固体電解質が製造される。熱処理は、減圧雰囲気下で行ってもよく、不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。結晶化温度は、示差走査熱計（ＤＳＣ）による測定で求めることができる。例えば、Ｌｉ7Ｐ3Ｓ11結晶構造を得るためには、熱処理温度が２５０℃以上４００℃以下であることが好ましく、β－Ｌｉ3ＰＳ4結晶構造を得るためには、熱処理温度が２００℃以上４００℃以下であることが好ましい。また、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°及び２９．８°±０．５°に回折ピークを有する第一の結晶構造を得るためには、熱処理温度が２５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。これは、５００℃のような高温で熱処理した場合、安定相であるＬｉ4Ｐ2Ｓ6に相転移してしまう可能性があるためである。
本工程では、中間体を結晶化温度以上の温度で熱処理することにより、硫化物固体電解質が製造される。熱処理は、減圧雰囲気下で行ってもよく、不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。結晶化温度は、示差走査熱計（ＤＳＣ）による測定で求めることができる。例えば、Ｌｉ7Ｐ3Ｓ11結晶構造を得るためには、熱処理温度が２５０℃以上４００℃以下であることが好ましく、β－Ｌｉ3ＰＳ4結晶構造を得るためには、熱処理温度が２００℃以上４００℃以下であることが好ましい。また、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°及び２９．８°±０．５°に回折ピークを有する第一の結晶構造を得るためには、熱処理温度が２５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。これは、５００℃のような高温で熱処理した場合、安定相であるＬｉ4Ｐ2Ｓ6に相転移してしまう可能性があるためである。
【0078】
［変形例］
本発明に係る硫化物固体電解質の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。
本発明に係る硫化物固体電解質の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。
【0079】
上記実施形態では、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5系の硫化物固体電解質を例に説明したが、ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質や、アルジロダイト型の硫化物固体電解質を、当該製造方法によって製造してもよい。
ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12等が挙げられる。Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１４．４°±０．５°、２０．１°±０．５°、２０．４°±０．５°、２６．９°±０．５°、２９．５°±０．５°、４７．３°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
アルジロダイト型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌ等が挙げられる。Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌの結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１５．６°±０．５°、２５．５°±０．５°、３０．０°±０．５°、３１．４°±０．５°、４５．０°±０．５°、５２．５°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12等が挙げられる。Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１４．４°±０．５°、２０．１°±０．５°、２０．４°±０．５°、２６．９°±０．５°、２９．５°±０．５°、４７．３°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
アルジロダイト型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌ等が挙げられる。Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌの結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１５．６°±０．５°、２５．５°±０．５°、３０．０°±０．５°、３１．４°±０．５°、４５．０°±０．５°、５２．５°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0080】
［変形例１］
変形例１として、ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造する態様について説明する。
上記準備工程における上記組成物にＧｅを含む原料化合物を加えることで、ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造することができる。Ｇｅを含む原料化合物としては、例えば、ＧｅＳ2等が挙げられる。ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造する場合、上記組成物は、元素比率がモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
５．０１ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ５．６１
０．００５１ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．４１
上記組成物における元素の含有割合を上記範囲とすることで、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12の結晶相を有し、２５℃におけるイオン伝導度の高い硫化物固体電解質を製造することができる。
変形例１として、ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造する態様について説明する。
上記準備工程における上記組成物にＧｅを含む原料化合物を加えることで、ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造することができる。Ｇｅを含む原料化合物としては、例えば、ＧｅＳ2等が挙げられる。ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質を製造する場合、上記組成物は、元素比率がモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
５．０１ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ５．６１
０．００５１ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．４１
上記組成物における元素の含有割合を上記範囲とすることで、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12の結晶相を有し、２５℃におけるイオン伝導度の高い硫化物固体電解質を製造することができる。
【0081】
［変形例２］
変形例２として、構成元素としてＬｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質を製造する態様について説明する。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。
変形例２として、構成元素としてＬｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶構造を有する硫化物固体電解質を製造する態様について説明する。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素である。
【0082】
変形例２では、上記組成物に元素Ｘを含む原料化合物を加えることで、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有し、結晶性を有する硫化物固体電解質を製造する。これによれば、ＨＩＣＰを有し、且つＨＩＣＰの熱的安定性の向上した硫化物固体電解質を製造することができる。
【0083】
元素Ｘを含む原料化合物としては、例えば、ハロゲン化リチウム、ハロゲン化硫黄、ハロゲン化リン、ＭηＸσ（但し、η＝１又は２であり、σ＝１乃至１０の整数である。）で表される元素Ｍのハロゲン化物等が挙げられる。
ハロゲン化リチウムとしては、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ等が挙げられる。
ハロゲン化硫黄としては、例えば、ＳＣｌ2、Ｓ2Ｃｌ2、ＳＢｒ2、Ｓ2Ｂｒ2、ＳＩ2、Ｓ2Ｉ2等が挙げられる。
ハロゲン化リンとしては、例えば、ＰＣｌ3、ＰＣｌ5、ＰＯＣｌ3、ＰＢｒ3、ＰＢｒ5、ＰＯＢｒ3、ＰＩ3、ＰＣＩ4、Ｐ2Ｉ4等が挙げられる。
上記元素Ｍのハロゲン化物としては、例えば、ＡｌＢｒ3、ＢＢｒ3、ＡｌＣｌ3、ＡｌＢｒ3、ＡｌＩ3、ＳｉＣｌ3、ＳｉＣｌ4、ＳｉＢｒ4、ＳｉＩ4、ＳｉＢｒＩ3、ＳｉＢｒ2Ｉ2、ＳｉＢｒ3Ｉ、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3等が挙げられる。
これらの中でも、ハロゲン化リチウム及びハロゲン化リンが好ましく、ハロゲン化リチウムがより好ましい。ハロゲン化リチウムとしては、ＬｉＢｒ及びＬｉＩが好ましい。
元素Ｘを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。また、上記組成物は元素Ｘとして１種を単独で含有してもよく、２種以上を含有してもよい。特に、２５℃におけるイオン伝導度を高める観点から、元素ＸとしてＢｒ又はＩを単独で含有することが好ましく、Ｂｒを単独で含有することがより好ましい。また、ＢｒとＩとを同時に含有することも好ましい。
ハロゲン化リチウムとしては、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ等が挙げられる。
ハロゲン化硫黄としては、例えば、ＳＣｌ2、Ｓ2Ｃｌ2、ＳＢｒ2、Ｓ2Ｂｒ2、ＳＩ2、Ｓ2Ｉ2等が挙げられる。
ハロゲン化リンとしては、例えば、ＰＣｌ3、ＰＣｌ5、ＰＯＣｌ3、ＰＢｒ3、ＰＢｒ5、ＰＯＢｒ3、ＰＩ3、ＰＣＩ4、Ｐ2Ｉ4等が挙げられる。
上記元素Ｍのハロゲン化物としては、例えば、ＡｌＢｒ3、ＢＢｒ3、ＡｌＣｌ3、ＡｌＢｒ3、ＡｌＩ3、ＳｉＣｌ3、ＳｉＣｌ4、ＳｉＢｒ4、ＳｉＩ4、ＳｉＢｒＩ3、ＳｉＢｒ2Ｉ2、ＳｉＢｒ3Ｉ、ＢＣｌ3、ＢＢｒ3、ＢＩ3等が挙げられる。
これらの中でも、ハロゲン化リチウム及びハロゲン化リンが好ましく、ハロゲン化リチウムがより好ましい。ハロゲン化リチウムとしては、ＬｉＢｒ及びＬｉＩが好ましい。
元素Ｘを含む原料化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。また、上記組成物は元素Ｘとして１種を単独で含有してもよく、２種以上を含有してもよい。特に、２５℃におけるイオン伝導度を高める観点から、元素ＸとしてＢｒ又はＩを単独で含有することが好ましく、Ｂｒを単独で含有することがより好ましい。また、ＢｒとＩとを同時に含有することも好ましい。
【0084】
変形例２において、上記組成物がＢｒ及びＩを同時に含有する場合、上記組成物におけるＢｒとＩとの合計量に対するＢｒの含有量は、１ｍｏｌ％以上９９ｍｏｌ％以下であると好ましく、５ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下であるとより好ましい。
【0085】
硫化物固体電解質は、Ｌｉの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＨＩＣＰが析出しない虞がある。また、Ｎの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＮを含有することによる効果を十分に発揮できない虞がある。また、元素Ｘの含有量が多い場合には、硫化物固体電解質中にハロゲン化リチウムの結晶相が残存してイオン伝導度を低下させることがあり、少ない場合には元素Ｘを含有することによる効果を十分に発揮できない虞がある。
これらの観点から、変形例２の準備工程における組成物は、混合状態での元素比率が、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
３．１０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７５０
０．１８０ ≦ Ｘ／Ｐ ≦ １．３０
また、上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、上記Ｘ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
３．１０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．９０
０．０９００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７５０
０．１８０ ≦ Ｘ／Ｐ ≦ １．００
これらの観点から、変形例２の準備工程における組成物は、混合状態での元素比率が、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
３．１０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７５０
０．１８０ ≦ Ｘ／Ｐ ≦ １．３０
また、上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、上記Ｘ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
３．１０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．９０
０．０９００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７５０
０．１８０ ≦ Ｘ／Ｐ ≦ １．００
【0086】
上記組成物は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍの各元素のモル比が、一般式（１００－ｚ）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚＬｉＸ（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦ｚ≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）を満たすことが好ましく、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦ｚ≦３０であるとより好ましい。これにより、ＨＩＣＰの熱的安定性を向上できる。
また、上記組成物、元素Ｘとして２種類の元素Ｘ1及びＸ2を含む場合、上記一般式は、（１００－ｚ1－ｚ2）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦（ｚ1＋ｚ2）≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表すこともでき、この場合、ｘ、ｙ、ｚ1及びｚ2は、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦（ｚ1＋ｚ2）≦３０であると好ましい。
なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍ、元素Ｘの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉαＭβＮ、及びＬｉＸからなることを特定するものではない。
また、上記組成物、元素Ｘとして２種類の元素Ｘ1及びＸ2を含む場合、上記一般式は、（１００－ｚ1－ｚ2）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦（ｚ1＋ｚ2）≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表すこともでき、この場合、ｘ、ｙ、ｚ1及びｚ2は、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦（ｚ1＋ｚ2）≦３０であると好ましい。
なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍ、元素Ｘの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉαＭβＮ、及びＬｉＸからなることを特定するものではない。
【0087】
上記一般式において、元素ＭがＡｌ、Ｂのいずれかである場合、α＝２／３、β＝１／２であってもよい。この場合、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦ｚ≦４０であると好ましく、０．６０≦ｘ≦０．７５、０．０５０≦ｙ≦０．４０、１０≦ｚ≦３０であるとより好ましく、０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１５≦ｚ≦２５であるとさらに好ましい。
【0088】
変形例２の反応工程において使用する原料は、Ｌｉ化合物、Ｐ化合物、ハロゲン化合物、及びＬｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物を含むことが好ましく、上記Ｌｉ化合物及び上記Ｐ化合物の少なくとも一方がＳ元素を含有するとより好ましい。また、上記Ｌｉ化合物、上記Ｐ化合物、上記ハロゲン化化合物、及び上記Ｌｉ－Ｍ－Ｎ含有化合物として、硫化リチウム、硫化リン、ハロゲン化リチウム、及び一般式ＬｉαＭβＮ（α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表される化合物を含有するとさらに好ましい。
【0089】
変形例２の熱処理工程では、中間体を結晶化温度以上の温度で熱処理することで硫化物固体電解質を製造する。熱処理は、減圧雰囲気下で行ってもよく、不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。結晶化温度は、示差走査熱計（ＤＳＣ）による測定で求めることができる。
【0090】
変形例２では、ＨＩＣＰを有する硫化物固体電解質を製造する。ＨＩＣＰは、ＬＩＣＰ及び特定結晶構造Ｃの何れかに相転移した後、さらにβ－Ｌｉ3ＰＳ4に相転移するものと推測される。これらの結晶相のうち、ＨＩＣＰが最もイオン伝導度が高い。
したがって、変形例２における熱処理工程では、熱処理温度の下限はＨＩＣＰの生成温度ＴH以上であると好ましい。また、熱処理温度の上限は、β－Ｌｉ3ＰＳ4の生成温度Ｔβ以下であると好ましく、ＬＩＣＰの生成温度ＴL又は特定結晶構造Ｃの生成温度ＴC以下であるとより好ましい。ＴH、ＴL、ＴC及びＴβは、ＸＲＤ測定で求めることができる。
変形例２で製造される硫化物固体電解質は、Ｔβ－ＴHが、Ｔβ－ＴH≧４０℃であると好ましく、Ｔβ－ＴH≧５０℃であるとより好ましく、Ｔβ－ＴH≧６０℃であるとさらに好ましく、Ｔβ－ＴH≧７０℃であると特に好ましい。
したがって、変形例２における熱処理工程では、熱処理温度の下限はＨＩＣＰの生成温度ＴH以上であると好ましい。また、熱処理温度の上限は、β－Ｌｉ3ＰＳ4の生成温度Ｔβ以下であると好ましく、ＬＩＣＰの生成温度ＴL又は特定結晶構造Ｃの生成温度ＴC以下であるとより好ましい。ＴH、ＴL、ＴC及びＴβは、ＸＲＤ測定で求めることができる。
変形例２で製造される硫化物固体電解質は、Ｔβ－ＴHが、Ｔβ－ＴH≧４０℃であると好ましく、Ｔβ－ＴH≧５０℃であるとより好ましく、Ｔβ－ＴH≧６０℃であるとさらに好ましく、Ｔβ－ＴH≧７０℃であると特に好ましい。
【0091】
変形例２で製造される硫化物固体電解質は、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が広い。つまり、熱処理工程において、熱処理温度が意図した温度からずれても、製造される硫化物固体電解質のイオン伝導度が低下する虞が少ない。したがって、変形例２の態様によれば、熱処理工程において厳密な温度管理を必要としなくてもイオン伝導度が高い硫化物固体電解質を製造できる利点がある。
【0092】
なお、「ＨＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２０．２°±０．５°、２３．６°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。この結晶構造は、特許文献２等に記載された結晶相であり、Ｌｉイオン伝導度が高い結晶相である。「ＬＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２１．０°±０．５°、２８．０°±０．５°に回折ピークを有する結晶相である。この結晶構造は、特許文献２等に記載された結晶相であり、Ｌｉイオン伝導度が低い結晶相である。「特定結晶構造Ｃ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、２４．９°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「β－Ｌｉ3ＰＳ4」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、１８．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．９°±０．５°、３１．２°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。
【0093】
本明細書におけるＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定は、以下の手順により行う。気密性のＸ線回折測定用試料ホルダーに、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気下で、測定に供する固体電解質粉末を充填する。Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ社の「ＭｉｎｉＦｌｅｘ ＩＩ」）を用いて、粉末Ｘ線回折測定を行う。線源はＣｕＫα線、管電圧は３０ｋＶ、管電流は１５ｍＡとし、回折Ｘ線は厚み３０μｍのＫβフィルターを通し高速一次元検出器（型番：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ ２）にて検出する。サンプリング幅は０．０１°、スキャンスピードは５°／ｍｉｎ、発散スリット幅は０．６２５°、受光スリット幅は１３ｍｍ（ＯＰＥＮ）、散乱スリット幅は８ｍｍとする。
【0094】
＜原料化合物の選択方法＞
本発明の硫化物固体電解質の製造方法によれば、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を用いることで、硫化物固体電解質の製造過程でＮが系外に放出されることを抑制できる。
このような効果が得られる元素Ａ及び元素Ｍを選択するにあたり、本発明者らは第一原理計算を用いた。
以下、本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法について説明する。
本発明の硫化物固体電解質の製造方法によれば、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を用いることで、硫化物固体電解質の製造過程でＮが系外に放出されることを抑制できる。
このような効果が得られる元素Ａ及び元素Ｍを選択するにあたり、本発明者らは第一原理計算を用いた。
以下、本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造に用いる原料化合物の選択方法について説明する。
【0095】
本実施形態では、（１）乃至（３）に示す手順によって、原料化合物を選択する。
（１）Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含有し、上記元素Ａ´及び上記元素Ｍ´の第一近接原子がＮである候補材料を選定する。
（２）第一原理計算を用いて、上記候補材料の内部におけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する。
（３）上記ＥNdefectが４．００ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択する。
（１）Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含有し、上記元素Ａ´及び上記元素Ｍ´の第一近接原子がＮである候補材料を選定する。
（２）第一原理計算を用いて、上記候補材料の内部におけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する。
（３）上記ＥNdefectが４．００ｅＶ以上である場合に、上記候補材料を上記原料化合物として選択する。
【0096】
第一原理計算とは、非経験的に物性の予測を行う計算方法であり、原子番号と空間座標が既知の原子を含むモデルの全エネルギーと、電子のエネルギーバンド構造を計算することができる手法である。原子に働く力を計算することで構造最適化が可能になり、また、格子定数、０Ｋ時の安定構造及びバンドギャップ等が計算できる。計算方法には、大きく分けると、「波動関数理論」系と「密度汎関数理論」系の二種類が存在する。本願明細書において用いた計算方法は、密度汎関数理論に基づくものである。
【0097】
Ｎの欠陥生成エネルギーＥNdefectとは、結晶構造中からＮを脱離して欠陥を生成させるために必要なエネルギー値である。
Ｎの欠陥生成エネルギーとは、欠陥を含まない結晶構造の全エネルギーＥperfectと、Ｎ欠陥を含む結晶構造の全エネルギーＥNvacancyと、Ｎ原子の化学ポテンシャルμNとを用いて算出される値であり、以下の式（１）によって定義される。
ＥNdefect ＝ （ ＥNvacancy ＋ μN ） － Ｅperfect 式（１）
即ち、Ｎの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する手順は次のとおりである。
（ａ）候補材料の組成、及び結晶構造を得る。
（ｂ）欠陥として脱離させるＮ原子の化学ポテンシャルμNを計算する。
（ｃ）欠陥を含まない結晶構造の全エネルギーＥperfectを構造最適化計算によって算出する。
（ｄ）Ｎ欠陥を含む結晶構造の全エネルギーＥNvacancyを構造最適化計算によって算出する。
（ｅ）式（１）に従ってＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する。
候補材料の結晶構造においてＮの占有サイトが複数存在する場合、それぞれのＮの占有サイトごとにＥNdefectを算出し、最も値が低いものを当該候補材料のＥNdefectとして用いる。
候補材料の組成、及び結晶構造は、公知の刊行物やデータベース等から入手できるものから任意で選択できる。候補材料は、Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含む化合物であれば特に限定されないが、常温常圧下で安定な化合物であることが好ましい。
Ｎの欠陥生成エネルギーとは、欠陥を含まない結晶構造の全エネルギーＥperfectと、Ｎ欠陥を含む結晶構造の全エネルギーＥNvacancyと、Ｎ原子の化学ポテンシャルμNとを用いて算出される値であり、以下の式（１）によって定義される。
ＥNdefect ＝ （ ＥNvacancy ＋ μN ） － Ｅperfect 式（１）
即ち、Ｎの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する手順は次のとおりである。
（ａ）候補材料の組成、及び結晶構造を得る。
（ｂ）欠陥として脱離させるＮ原子の化学ポテンシャルμNを計算する。
（ｃ）欠陥を含まない結晶構造の全エネルギーＥperfectを構造最適化計算によって算出する。
（ｄ）Ｎ欠陥を含む結晶構造の全エネルギーＥNvacancyを構造最適化計算によって算出する。
（ｅ）式（１）に従ってＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを算出する。
候補材料の結晶構造においてＮの占有サイトが複数存在する場合、それぞれのＮの占有サイトごとにＥNdefectを算出し、最も値が低いものを当該候補材料のＥNdefectとして用いる。
候補材料の組成、及び結晶構造は、公知の刊行物やデータベース等から入手できるものから任意で選択できる。候補材料は、Ｎ、元素Ａ´、及び元素Ｍ´を含む化合物であれば特に限定されないが、常温常圧下で安定な化合物であることが好ましい。
【0098】
本実施形態において、元素Ａ´は金属元素である。元素Ｍ´は周期表の第２族から第１５族のいずれかに属する窒素以外の元素であって、元素Ａ´とは異なる元素である。Ｎは窒素元素である。
元素Ａ´は特に限定されないが、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、アルミニウム元素のいずれかであると好ましく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌから選択される少なくとも１種であるとより好ましく、Ｌｉであるとよりさらに好ましい。これにより、当該硫化物固体電解質を電池として作動させることが容易になる。
元素Ａ´は特に限定されないが、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、アルミニウム元素のいずれかであると好ましく、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌから選択される少なくとも１種であるとより好ましく、Ｌｉであるとよりさらに好ましい。これにより、当該硫化物固体電解質を電池として作動させることが容易になる。
【0099】
本実施形態では、ＬｉαＭ´βＮ（α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表される候補材料、及びＬｉ3Ｎについて、Ｎの欠陥生成エネルギーを算出した。すなわち、元素Ａ´としてＬｉを選択した。元素Ｍ´としては、Ｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃを評価した。
第一原理計算にあたっては、計算ソフトウェア Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ－ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ （ＶＡＳＰ）を用いた。計算条件は次のとおりである。ｋ点はｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎの値が１０００程度となるように設定した。ｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎはモデル中の原子数とａ、ｂ、ｃ軸方向のｋ点との積である。
平面波基底関数のカットオフエネルギー ：５２０ｅＶ
交換相関相互作用の近似法 ：ＧＧＡ＋Ｕ
擬ポテンシャル ：ＰＡＷ（ＰＢＥｓｏｌ）
ｋ点 ：ｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ≒１０００
ＳＣＦ計算の収束条件 ：１０-4ｅＶ
各原子サイトの占有率（Ｏｃｃ．） ：１
３ｄ軌道が最外殻軌道であり、安定とされる価数のカチオンの状態で３ｄ軌道が閉殻でなく、３ｄ軌道に電子が存在する遷移金属元素であるＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む材料の第一原理計算については、表１に示したハバードのＵeff値を計算条件として使用した。これによりｄ軌道における電子の局在化効果を計算に反映した。表１に示したハバードのＵeff値は、結晶構造データベースＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ（ｈｔｔｐｓ：／／ｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｊｅｃｔ．ｏｒｇ／＃ｓｅａｒｃｈ／ｍａｔｅｒｉａｌｓ）において実施された第一原理計算の計算条件より引用したものである（２０１９年８月２２日時点）。データベースにおいて、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む材料を検索することでＵeff値を取得した。
第一原理計算にあたっては、計算ソフトウェア Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ－ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ （ＶＡＳＰ）を用いた。計算条件は次のとおりである。ｋ点はｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎの値が１０００程度となるように設定した。ｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎはモデル中の原子数とａ、ｂ、ｃ軸方向のｋ点との積である。
平面波基底関数のカットオフエネルギー ：５２０ｅＶ
交換相関相互作用の近似法 ：ＧＧＡ＋Ｕ
擬ポテンシャル ：ＰＡＷ（ＰＢＥｓｏｌ）
ｋ点 ：ｋ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ≒１０００
ＳＣＦ計算の収束条件 ：１０-4ｅＶ
各原子サイトの占有率（Ｏｃｃ．） ：１
３ｄ軌道が最外殻軌道であり、安定とされる価数のカチオンの状態で３ｄ軌道が閉殻でなく、３ｄ軌道に電子が存在する遷移金属元素であるＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む材料の第一原理計算については、表１に示したハバードのＵeff値を計算条件として使用した。これによりｄ軌道における電子の局在化効果を計算に反映した。表１に示したハバードのＵeff値は、結晶構造データベースＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ（ｈｔｔｐｓ：／／ｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｊｅｃｔ．ｏｒｇ／＃ｓｅａｒｃｈ／ｍａｔｅｒｉａｌｓ）において実施された第一原理計算の計算条件より引用したものである（２０１９年８月２２日時点）。データベースにおいて、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む材料を検索することでＵeff値を取得した。
【0100】
【表1】
【0101】
また、上記手順（ｄ）では、Ｎ欠陥同士の相互作用を低減させるために、総原子数が２００を越えない範囲で格子定数ａ、ｂ、ｃがいずれも１０Å程度となるよう計算モデルセルを設計した。表２に、一部の候補材料の計算に用いた格子定数を示す。
【0102】
【表2】
【0103】
表３に、元素Ｍ´、各候補材料の化学組成およびＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectを示す。
【0104】
【表3】
【0105】
表３から、Ｎ欠陥が生成しやすいＬｉ3ＮにおけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectが２．９４ｅＶであることが分かる。
また、Ｖ、Ｙ、Ｇａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの各元素は、ＬｉαＭ´βＮにおけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectが３．８８ｅＶ以下と小さいことがわかる。このため、元素Ｍ´としてＶ、Ｙ、Ｇａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかを含む候補材料では、Ｎ欠陥が生成しやすく、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制する本発明の効果が得られない、又は効果が小さいことが予測される。
一方、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素は、ＬｉαＭ´βＮにおけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectが４．００ｅＶ以上と大きいことが分かる。したがって元素Ｍ´としてＡｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉのいずれかを含む候補材料であれば、Ｎ欠陥が生成しにくく、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制する本発明の効果が発揮される可能性が極めて高いことが予測される。
また、Ｖ、Ｙ、Ｇａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの各元素は、ＬｉαＭ´βＮにおけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectが３．８８ｅＶ以下と小さいことがわかる。このため、元素Ｍ´としてＶ、Ｙ、Ｇａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかを含む候補材料では、Ｎ欠陥が生成しやすく、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制する本発明の効果が得られない、又は効果が小さいことが予測される。
一方、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素は、ＬｉαＭ´βＮにおけるＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectが４．００ｅＶ以上と大きいことが分かる。したがって元素Ｍ´としてＡｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆ、Ｃ、Ｐ、Ｚｒ、Ｔｉのいずれかを含む候補材料であれば、Ｎ欠陥が生成しにくく、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出を抑制する本発明の効果が発揮される可能性が極めて高いことが予測される。
【0106】
候補材料は、Ｎの欠陥生成エネルギーＥNdefectの値が大きいほどよりＮ欠陥が生成しにくく、硫化物固体電解質の製造工程におけるＮの系外への排出をさらに抑制できることが予測される。このため、本実施形態では、候補材料のＮの欠陥生成エネルギーＥNdefectは、４．００ｅＶ以上であり、４．１０ｅＶ以上であると好ましく、４．２０ｅＶ以上であるとより好ましく、４．３０ｅＶ以上であるとさらに好ましく、４．３５ｅＶ以上であると特に好ましい。
【0107】
本実施形態では、元素Ａ´としてＬｉを含む場合について計算した。すなわち、ＬｉαＭ´βＮをモデルとして第一原理計算を行った。しかし、本発明はこれに限定されない。元素Ａ´は金属元素であればよく、例えば、元素Ａ´として、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのいずれかを含む候補材料を選定し、第一原理計算を用いて原料化合物を選択してもよい。
【0108】
＜硫化物固体電解質＞
［実施形態１］
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質は、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物であって、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を準備することと、上記組成物を反応させて中間体を得ることと、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得ることと、を備える製造方法によって製造される。以下、元素ＡとしてＬｉを含有する場合を例に、当該硫化物固体電解質について説明する。
［実施形態１］
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質は、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含む組成物であって、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物を準備することと、上記組成物を反応させて中間体を得ることと、上記中間体を加熱して硫化物固体電解質を得ることと、を備える製造方法によって製造される。以下、元素ＡとしてＬｉを含有する場合を例に、当該硫化物固体電解質について説明する。
【0109】
当該硫化物固体電解質は、結晶構造を有する。「結晶構造を有する」とは、Ｘ線回折測定において、Ｘ線回折パターンに上記硫化物固体電解質の結晶構造由来のピークが観測されることを意味する。当該硫化物固体電解質には非晶部が含まれていてもよい。
【0110】
当該硫化物固体電解質が有する上記結晶構造としては、例えばＨＩＣＰ、ＬＧＰＳ型、アルジロダイト型、Ｌｉ7Ｐ3Ｓ11およびＴｈｉｏ－ＬＩＳＩＣＯＮ系などが挙げられる。これらの中でも上記結晶構造としては、リチウムイオン伝導性の観点からはＨＩＣＰ、ＬＧＰＳ型、アルジロダイト型、及びＬｉ7Ｐ3Ｓ11が好ましく、これらの中でもＬｉに対する安定性が高いことからＬｉ7Ｐ3Ｓ11がより好ましい。大気に対する安定性の観点からはＬｉ4Ｐ2Ｓ6若しくはβ－Ｌｉ3ＰＳ4の結晶相を有する結晶構造又はＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°及び２９．８°±０．５°に回折ピークを有する第一の結晶構造を含むことが好ましく、これらの中でもリチウムイオン伝導度性が高いことからＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°及び２９．８°±０．５°に回折ピークを有する第一の結晶構造であることがより好ましい。
【0111】
上記第一の結晶構造は上記Ｘ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．８°±０．５°及び３０．９°±０．５°に回折ピークを有する特定結晶構造Ａ又は上記Ｘ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°及び２９．８°±０．５°に回折ピークを有し、３０．９°±０．５°に回折ピークを有さない特定結晶構造Ｂを含んでもよい。上記構成により、当該固体電解質を備えた全固体電池の初回クーロン効率を高めることができる硫化物固体電解質が得られる。
【0112】
上記第一の結晶構造における上記回折ピークは、上記２θの範囲が、±０．３°の範囲内にあってもよく、±０．１°の範囲内にあってもよい。
【0113】
上記Ｌｉ7Ｐ3Ｓ11の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．８°±０．５°、１８．５°±０．５°、２３．７°±０．５°、２９．６°±０．５°、３０．０°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0114】
上記ＬＧＰＳ型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12等が挙げられる。Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１４．４°±０．５°、２０．１°±０．５°、２０．４°±０．５°、２６．９°±０．５°、２９．５°±０．５°、４７．３°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0115】
上記アルジロダイト型の硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌ等が挙げられる。Ｌｉ6ＰＳ5Ｃｌの結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１５．６°±０．５°、２５．５°±０．５°、３０．０°±０．５°、３１．４°±０．５°、４５．０°±０．５°、５２．５°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0116】
上記Ｌｉ4Ｐ2Ｓ6の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１６．９°±０．５°、２７．１°±０．５°、３２．１°±０．５°、３２．５°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0117】
上記β－Ｌｉ3ＰＳ4の結晶相を有する結晶構造は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、１８．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．９°±０．５°、３１．２°±０．５°の位置に回折ピークを有する。
【0118】
当該硫化物固体電解質は、いわゆるオルト組成のアニオン構造を主成分として含有することが好ましい。例えば、当該硫化物固体電解質がＬｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5系固体電解質である場合、ＰＳ4
3-構造を主成分として含有することが好ましい。ここで、「主成分」とは、特定の成分が全成分中に占める割合が、５０ｍｏｌ％以上であることを意味する。
【0119】
当該硫化物固体電解質がオルト組成のアニオン構造を主成分として含有する場合、当該硫化物固体電解質を構成する全アニオン構造に対するオルト組成のアニオン構造の含有量は５０ｍｏｌ％以上１００ｍｏｌ％未満であり、６０ｍｏｌ％以上１００ｍｏｌ％未満が好ましく、７０ｍｏｌ％以上１００ｍｏｌ％未満がより好ましく、８０ｍｏｌ％以上１００ｍｏｌ％未満がさらに好ましく、９０ｍｏｌ％以上１００ｍｏｌ％未満が特に好ましい。
【0120】
当該硫化物固体電解質は、架橋硫黄を実質的に含有しないことが好ましい。架橋硫黄は水と反応して硫化水素を生じるため、架橋硫黄を実質的に含有しないことで大気安定性を向上できる。例えば、当該硫化物固体電解質がＬｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5系固体電解質である場合、Ｓ3Ｐ－Ｓ－ＰＳ3構造を実質的に含有しないことが好ましい。
架橋硫黄を実質的に含有しないことは、励起波長５３２ｎｍのレーザでラマン分光スペクトルを測定した際に、架橋硫黄構造に対応するピークが検出されないことによって確認できる。例えば、Ｓ3Ｐ－Ｓ－ＰＳ3構造を実質的に含有しないことは、励起波長５３２ｎｍのレーザでラマン分光スペクトルを測定した際に、４０２ｃｍ-1にピークが検出されないことによって確認できる。
なお、当該硫化物固体電解質は、少量の架橋硫黄を含有しても差し支えない。この場合、ラマン分光スペクトル測定における、オルト組成のアニオン構造に帰属されるピークの強度ＩOに対する、架橋硫黄に帰属されるピークの強度ＩPの比ＩP／ＩOが、０．７以下であると好ましく、０．５以下であるとより好ましく、０．３５以下であるとさらに好ましい。例えば、当該硫化物固体電解質がＬｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5系固体電解質である場合、ＰＳ4 3-構造由来の４１７ｃｍ-1におけるピーク強度が上記ＩOに相当し、Ｓ3ＰＳ－ＰＳ3構造由来の４０２ｃｍ-1におけるピーク強度が上記ＩPに相当する。
架橋硫黄を実質的に含有しないことは、励起波長５３２ｎｍのレーザでラマン分光スペクトルを測定した際に、架橋硫黄構造に対応するピークが検出されないことによって確認できる。例えば、Ｓ3Ｐ－Ｓ－ＰＳ3構造を実質的に含有しないことは、励起波長５３２ｎｍのレーザでラマン分光スペクトルを測定した際に、４０２ｃｍ-1にピークが検出されないことによって確認できる。
なお、当該硫化物固体電解質は、少量の架橋硫黄を含有しても差し支えない。この場合、ラマン分光スペクトル測定における、オルト組成のアニオン構造に帰属されるピークの強度ＩOに対する、架橋硫黄に帰属されるピークの強度ＩPの比ＩP／ＩOが、０．７以下であると好ましく、０．５以下であるとより好ましく、０．３５以下であるとさらに好ましい。例えば、当該硫化物固体電解質がＬｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5系固体電解質である場合、ＰＳ4 3-構造由来の４１７ｃｍ-1におけるピーク強度が上記ＩOに相当し、Ｓ3ＰＳ－ＰＳ3構造由来の４０２ｃｍ-1におけるピーク強度が上記ＩPに相当する。
【0121】
当該硫化物固体電解質は、Ｌｉ2Ｓを実質的に含有しないことが好ましい。Ｌｉ2Ｓは水と反応して硫化水素を生じるため、Ｌｉ2Ｓを実質的に含有しないことで大気安定性を向上できる。ここで、「Ｌｉ2Ｓを実質的に含有しない」とは、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において、２θ＝２７．０±０．５°、３１．２±０．５°、４４．８±０．５°、５３．１±０．５°に回折ピークを有する結晶構造を含まないことを意味する。
【0122】
硫化物固体電解質は、Ｌｉの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはイオン伝導度が低下する虞がある。また、Ｎの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＮを含有することによる大気安定性向上等の効果を十分に発揮できない虞がある。
これらの観点から、当該硫化物固体電解質は、元素比率がそれぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
２．３０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０１００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．２０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．１２
０．０２００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．１１
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとさらに好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．００
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．９００
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとよりさらに好ましい。
２．６０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．４０
０．１９０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７１０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすと特に好ましい。
２．７７ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．３８
０．２８０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．６５０
これらの観点から、当該硫化物固体電解質は、元素比率がそれぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
２．３０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．２０
０．０１００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．２０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．１２
０．０２００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ １．１１
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとさらに好ましい。
２．３６ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ４．００
０．０６００ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．９００
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとよりさらに好ましい。
２．６０ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．４０
０．１９０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．７１０
上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすと特に好ましい。
２．７７ ≦ Ｌｉ／Ｐ ≦ ３．３８
０．２８０ ≦ Ｎ／Ｐ ≦ ０．６５０
【0123】
当該硫化物固体電解質としては、一般式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮ（但し、０＜ｚ≦４０、０．５０≦ｙ≦０．７５、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表される組成を有することが好ましい。当該硫化物固体電解質が、上記一般式で表される組成を有することで、大気安定性と２５℃におけるイオン伝導度を向上できる。なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、及びＬｉαＭβＮからなることを特定するものではない。
【0124】
当該硫化物固体電解質の２５℃におけるイオン伝導度の下限としては、０．４×１０-3Ｓ／ｃｍが好ましく、１．０×１０-3Ｓ／ｃｍがより好ましく、１．５×１０-3Ｓ／ｃｍがさらに好ましい。当該硫化物固体電解質の２５℃におけるイオン伝導度が上記範囲であることで、全固体電池のレート特性を向上できる。
【0125】
なお、当該硫化物固体電解質の２５℃におけるイオン伝導度は、以下の方法で交流インピーダンスを測定して求める。露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気下で、内径１０ｍｍの粉体成型器に試料粉末を１２０ｍｇ投入したのちに、油圧プレスをもちいて試料面積あたりの圧力５０ＭＰａ以下で一軸加圧成形する。圧力解放後に、試料の上面および下面に集電体としてＳＵＳ３１６Ｌ粉末を投入したのちに、ペレット面積あたりの圧力３６０ＭＰａで、５分間一軸加圧成形することによりイオン伝導度測定用ペレットを得る。このイオン伝導度測定用ペレットを宝泉社製ＨＳセル内に挿入して交流インピーダンス測定を行う。測定条件は、印加電圧振幅２０ｍＶ、周波数範囲１ＭＨｚから１００ｍＨｚ、測定温度２５℃とする。
【0126】
このように、当該硫化物固体電解質は、全固体電池の固体電解質として好適に使用できる。
【0127】
［実施形態２］
本発明の他の実施形態に係る硫化物固体電解質は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有する。元素Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
本発明の他の実施形態に係る硫化物固体電解質は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有する。元素Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉからなる群より選択される少なくとも１つの元素を示す。
【0128】
当該硫化物固体電解質は、元素ＭとしてＡｌ、Ｂ、Ｓｉから成る群より選択される１種を含有してもよく、元素ＭとしてＡｌを含有してもよい。
【0129】
当該硫化物固体電解質は、Ｌｉの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＨＩＣＰが析出しない虞がある。また、Ｎの含有量が多い場合にはＬｉ2Ｓが析出するために大気安定性が低下し、少ない場合にはＮを含有することによる効果を十分に発揮できない虞がある。また、元素Ｘの含有量が多い場合には、硫化物固体電解質中にハロゲン化リチウムの結晶相が残存してイオン伝導度を低下させることがあり、少ない場合には元素Ｘを含有することによる効果を十分に発揮できない虞がある。
これらの事情から、当該硫化物固体電解質は、上記Ｐに対する上記Ｌｉの含有割合Ｌｉ／Ｐ、上記Ｐに対する上記Ｎの含有割合Ｎ／Ｐ、及び上記Ｐに対する上記Ｘの含有割合Ｘ／Ｐが、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
３．１０ ＜ Ｌｉ／Ｐ ＜ ４．２０
０．０６００ ＜ Ｎ／Ｐ ＜ ０．７５０
０．１８０ ＜ Ｘ／Ｐ ＜ １．３０
また、上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐ、及び上記Ｘ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
３．１０ ＜ Ｌｉ／Ｐ ＜ ３．９０
０．０９００ ＜ Ｎ／Ｐ ＜ ０．７５０
０．１８０ ＜ Ｘ／Ｐ ＜ １．００
これらの事情から、当該硫化物固体電解質は、上記Ｐに対する上記Ｌｉの含有割合Ｌｉ／Ｐ、上記Ｐに対する上記Ｎの含有割合Ｎ／Ｐ、及び上記Ｐに対する上記Ｘの含有割合Ｘ／Ｐが、それぞれモル比で以下の式を同時に満たすことが好ましい。
３．１０ ＜ Ｌｉ／Ｐ ＜ ４．２０
０．０６００ ＜ Ｎ／Ｐ ＜ ０．７５０
０．１８０ ＜ Ｘ／Ｐ ＜ １．３０
また、上記Ｌｉ／Ｐ、上記Ｎ／Ｐ、及び上記Ｘ／Ｐは、それぞれ以下の式を同時に満たすとより好ましい。
３．１０ ＜ Ｌｉ／Ｐ ＜ ３．９０
０．０９００ ＜ Ｎ／Ｐ ＜ ０．７５０
０．１８０ ＜ Ｘ／Ｐ ＜ １．００
【0130】
当該硫化物固体電解質は、一般式（１００－ｚ）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚＬｉＸ（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦ｚ≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表される組成を有することが好ましく、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦ｚ≦３０であるとより好ましい。当該硫化物固体電解質が、上記一般式で表される組成を有することで、ＨＩＣＰの熱的安定性を向上できる。
また、当該硫化物固体電解質が、元素Ｘとして２種類の元素Ｘ１及びＸ２を含む場合、上記一般式は、（１００－ｚ1－ｚ2）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦（ｚ1＋ｚ2）≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表すこともでき、この場合のｘ、ｙ、ｚ1及びｚ2は、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦（ｚ1＋ｚ2）≦３０であると好ましい。
なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍ、元素Ｘの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉαＭβＮ、及びＬｉＸからなることを特定するものではない。
また、当該硫化物固体電解質が、元素Ｘとして２種類の元素Ｘ１及びＸ２を含む場合、上記一般式は、（１００－ｚ1－ｚ2）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2（但し、０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦（ｚ1＋ｚ2）≦４０、α及びβは元素Ｍの種類に応じて化学量論比を与える数値である）で表すこともでき、この場合のｘ、ｙ、ｚ1及びｚ2は、それぞれ０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１０≦（ｚ1＋ｚ2）≦３０であると好ましい。
なお、上記一般式は、Ｌｉ、Ｓ、Ｐ、Ｎ、元素Ｍ、元素Ｘの含有割合を示したものであり、上記組成物が、Ｌｉ2Ｓ、Ｐ2Ｓ5、ＬｉαＭβＮ、及びＬｉＸからなることを特定するものではない。
【0131】
上記一般式において、元素ＭがＡｌ、Ｂ、Ｓｃのいずれかである場合、α＝２／３、β＝１／２であってもよい。この場合、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ０．５０≦ｘ≦０．８０、０＜ｙ≦０．５０、５≦ｚ≦４０であると好ましく、０．６０≦ｘ≦０．７５、０．０５０≦ｙ≦０．４０、１０≦ｚ≦３０であるとより好ましく、０．６７≦ｘ≦０．７３、０．１０≦ｙ≦０．３０、１５≦ｚ≦２５であるとさらに好ましい。
【0132】
当該硫化物固体電解質は元素ＸとしてＢｒ又はＩを単独で含有することが好ましく、Ｂｒを単独で含有することがより好ましい。また、ＢｒとＩとを同時に含有することも好ましい。
当該硫化物固体電解質がＢｒ及びＩを同時に含有する場合、当該硫化物固体電解質に含まれるＢｒとＩとの合計量に対するＢｒの含有量は、１ｍｏｌ％以上９９ｍｏｌ％以下が好ましく、５ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下がより好ましい。
当該硫化物固体電解質がＢｒ及びＩを同時に含有する場合、当該硫化物固体電解質に含まれるＢｒとＩとの合計量に対するＢｒの含有量は、１ｍｏｌ％以上９９ｍｏｌ％以下が好ましく、５ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下がより好ましい。
【0133】
当該硫化物固体電解質は、ＨＩＣＰを含むことが好ましい。即ち、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２０．２°±０．５°、２３．６°±０．５°に回折ピークを有する結晶構造を含むことが好ましい。
【0134】
当該硫化物固体電解質は、ＬＩＣＰを含まないことが好ましい。即ち、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２１．０°±０．５°、２８．０°±０．５°に回折ピークを有する結晶構造を含まないことが好ましい。
当該硫化物固体電解質は、少量のＬＩＣＰを含んでも差し支えない。この場合、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定における２θ＝２０．２°±０．５°の回折ピーク強度ＩHに対する、２θ＝２１．０°±０．５°の回折ピーク強度ＩLの、回折ピーク強度比ＩL／ＩHは、０＜ＩL／ＩH＜３．２であると好ましく、０＜ＩL／ＩH＜２．５であるとより好ましく、０＜ＩL／ＩH＜２．０であるとさらに好ましく、０＜ＩL／ＩH＜１．０であるとよりさらに好ましい。回折ピーク強度比ＩL／ＩHは、当該硫化物固体電解質に含まれるＨＩＣＰと、ＬＩＣＰとの存在比率を示す。つまり、回折ピーク強度比ＩL／ＩHが小さいことは、ＨＩＣＰに対して、ＬＩＣＰの量が相対的に少ないことを示す。
当該硫化物固体電解質は、少量のＬＩＣＰを含んでも差し支えない。この場合、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定における２θ＝２０．２°±０．５°の回折ピーク強度ＩHに対する、２θ＝２１．０°±０．５°の回折ピーク強度ＩLの、回折ピーク強度比ＩL／ＩHは、０＜ＩL／ＩH＜３．２であると好ましく、０＜ＩL／ＩH＜２．５であるとより好ましく、０＜ＩL／ＩH＜２．０であるとさらに好ましく、０＜ＩL／ＩH＜１．０であるとよりさらに好ましい。回折ピーク強度比ＩL／ＩHは、当該硫化物固体電解質に含まれるＨＩＣＰと、ＬＩＣＰとの存在比率を示す。つまり、回折ピーク強度比ＩL／ＩHが小さいことは、ＨＩＣＰに対して、ＬＩＣＰの量が相対的に少ないことを示す。
【0135】
実施形態２の当該硫化物固体電解質の２５℃におけるイオン伝導度は２．０×１０-3Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、２．５×１０-3Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましく、３．０×１０-3Ｓ／ｃｍ以上であることがさらに好ましく、４．０×１０-3Ｓ／ｃｍ以上であると特に好ましい。上記構成により、当該硫化物固体電解質を備える全固体電池の高率放電性能を向上できる。
【0136】
＜全固体電池＞
当該全固体電池は、負極層と、固体電解質層と、正極層とを備える。図２は、本発明の一実施形態における全固体電池を示す模式的断面図である。二次電池である全固体電池１０は、負極層１と、正極層２とが固体電解質層３を介して配置される。負極層１は、負極基材層４及び負極合剤層５を有し、負極基材層４が負極層１の最外層となる。正極層２は、正極基材層７及び正極合剤層６を有し、正極基材層７が正極層２の最外層となる。図２に示す全固体電池１０においては、正極基材層７上に、正極合剤層６、固体電解質層３、負極合剤層５及び負極基材層４がこの順で積層されている。
当該全固体電池は、負極層と、固体電解質層と、正極層とを備える。図２は、本発明の一実施形態における全固体電池を示す模式的断面図である。二次電池である全固体電池１０は、負極層１と、正極層２とが固体電解質層３を介して配置される。負極層１は、負極基材層４及び負極合剤層５を有し、負極基材層４が負極層１の最外層となる。正極層２は、正極基材層７及び正極合剤層６を有し、正極基材層７が正極層２の最外層となる。図２に示す全固体電池１０においては、正極基材層７上に、正極合剤層６、固体電解質層３、負極合剤層５及び負極基材層４がこの順で積層されている。
【0137】
当該全固体電池は、負極層１、固体電解質層３、正極層２又はこれらの組み合わせが当該硫化物固体電解質を含有する。当該全固体電池は、負極層１、固体電解質層３、正極層２又はこれらの組み合わせが当該硫化物固体電解質を含有するので、初回クーロン効率が優れる。当該硫化物固体電解質は耐還元性に優れるため、負極層１及び／又は固体電解質層３が当該硫化物固体電解質を含有することが好ましい。上記構成により、本発明の効果がより一層優れたものとなる。
【0138】
当該全固体電池は、当該硫化物固体電解質以外のその他の固体電解質を併せて用いるようにしてもよい。その他の固体電解質としては、当該硫化物固体電解質以外の硫化物固体電解質であってもよいし、酸化物系固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、擬似固体電解質であってもよい。
【0139】
当該硫化物固体電解質以外の硫化物固体電解質としては、Ｌｉイオン伝導性が高いことが好ましく、例えばＬｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－ＬｉＩ、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－ＬｉＣｌ、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－ＬｉＢｒ、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－Ｌｉ2Ｏ、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－Ｌｉ2Ｏ－ＬｉＩ、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－Ｌｉ3Ｎ、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－ＬｉＩ、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－ＬｉＢｒ、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－ＬｉＣｌ、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－Ｂ2Ｓ3－ＬｉＩ、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－Ｐ2Ｓ5－ＬｉＩ、Ｌｉ2Ｓ－Ｂ2Ｓ3、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5－ＺmＳ2n（ただし、ｍ、ｎは正の数、Ｚは、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｇａのいずれかである。）、Ｌｉ2Ｓ－ＧｅＳ2、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－Ｌｉ3ＰＯ4、Ｌｉ2Ｓ－ＳｉＳ2－ＬｉδＸＯε（ただし、δ、εは正の数、Ｘは、Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかである。）、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12等を挙げることができる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が良好な観点から、Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5や、Ｌｉ10ＧｅＰ2Ｓ12等が好ましい。Ｌｉ2Ｓ－Ｐ2Ｓ5としては、ｘＬｉ2Ｓ・（１００－ｘ）Ｐ2Ｓ5（７０≦ｘ≦８０）が好ましい。
【0140】
［負極層］
負極層１は、負極基材層４と、この負極基材層４の表面に積層される負極合剤層５とを備える。負極層１は負極基材層４と負極合剤層５との間に図示しない中間層を有していてもよい。
負極層１は、負極基材層４と、この負極基材層４の表面に積層される負極合剤層５とを備える。負極層１は負極基材層４と負極合剤層５との間に図示しない中間層を有していてもよい。
【0141】
（負極基材層）
負極基材層４は導電性を有する層である。負極基材層４の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
負極基材層４は導電性を有する層である。負極基材層４の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
【0142】
負極基材層４の平均厚さの下限としては、３μｍが好ましく、５μｍがより好ましく、８μｍがさらに好ましい。負極基材層４の平均厚さの上限としては、２００μｍが好ましく、１００μｍがより好ましく、５０μｍがさらに好ましい。負極基材層４の平均厚さを上記下限以上とすることで、負極基材層４の強度を十分に高くできるため、負極層１を良好に形成できる。負極基材層４の平均厚さを上記上限以下とすることで、他の構成要素の体積を十分に確保できる。
【0143】
（負極合剤層）
負極合剤層５は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成することができる。負極合剤は、負極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む負極混合物又は負極複合体を含有してもよい。負極合剤は、必要に応じて、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。
負極合剤層５は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成することができる。負極合剤は、負極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む負極混合物又は負極複合体を含有してもよい。負極合剤は、必要に応じて、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。
【0144】
〈負極活物質〉
負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。具体的な負極活物質としては、例えば、金属リチウム；Ｓｉ、Ｓｎ等の金属又は半金属；Ｓｉ酸化物、Ｓｎ酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物；ポリリン酸化合物；黒鉛（グラファイト）、非黒鉛質炭素（易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素）等の炭素材料；チタン酸リチウム等のリチウム金属複合酸化物等が挙げられる。
負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。具体的な負極活物質としては、例えば、金属リチウム；Ｓｉ、Ｓｎ等の金属又は半金属；Ｓｉ酸化物、Ｓｎ酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物；ポリリン酸化合物；黒鉛（グラファイト）、非黒鉛質炭素（易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素）等の炭素材料；チタン酸リチウム等のリチウム金属複合酸化物等が挙げられる。
【0145】
負極合剤における負極活物質の含有量の下限としては、１０質量％が好ましく、１５質量％がより好ましい。負極活物質の含有量の上限としては、６０質量％が好ましく、７０質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましく、９０質量％が特に好ましく、９５質量％であってもよい。負極活物質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。
【0146】
〈負極混合物又は負極複合体〉
上記負極混合物とは、負極活物質及び当該硫化物固体電解質をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、負極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物は、粒子状の負極活物質及び粒子状の当該硫化物固体電解質を混合して得ることができる。
上記負極複合体としては、負極活物質及び当該硫化物固体電解質間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、負極活物質及び当該硫化物固体電解質を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に負極活物質及び当該硫化物固体電解質が存在しているものであり、例えば、負極活物質及び当該硫化物固体電解質が凝集状態を形成しているもの、負極活物質の表面の少なくとも一部に当該硫化物固体電解質含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。
上記負極混合物又は負極複合体は、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
負極合剤が含有する負極活物質及び当該硫化物固体電解質が、負極混合物又は負極複合体を構成することで、イオン伝導度を向上できる。
上記負極混合物とは、負極活物質及び当該硫化物固体電解質をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、負極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物は、粒子状の負極活物質及び粒子状の当該硫化物固体電解質を混合して得ることができる。
上記負極複合体としては、負極活物質及び当該硫化物固体電解質間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、負極活物質及び当該硫化物固体電解質を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に負極活物質及び当該硫化物固体電解質が存在しているものであり、例えば、負極活物質及び当該硫化物固体電解質が凝集状態を形成しているもの、負極活物質の表面の少なくとも一部に当該硫化物固体電解質含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。
上記負極混合物又は負極複合体は、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
負極合剤が含有する負極活物質及び当該硫化物固体電解質が、負極混合物又は負極複合体を構成することで、イオン伝導度を向上できる。
【0147】
負極合剤が固体電解質を含有する場合、負極合剤における固体電解質の含有量の下限としては、５質量％であってもよく、１０質量％が好ましい。負極合剤における固体電解質の含有量の上限は、９０質量％が好ましく、８５質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましく、７５質量％が特に好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。負極合剤は、当該硫化物固体電解質を含有してもよく、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
【0148】
〈その他の任意の成分〉
上記導電剤としては、特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックスなどが挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。上記負極合剤における導電剤の含有量としては、例えば０．５質量％以上３０質量％以下とすることができる。上記負極合剤は、導電剤を含有しなくてもよい。
上記導電剤としては、特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックスなどが挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。上記負極合剤における導電剤の含有量としては、例えば０．５質量％以上３０質量％以下とすることができる。上記負極合剤は、導電剤を含有しなくてもよい。
【0149】
上記バインダー（結着剤）としては、特に限定されない。例えばフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアクリル酸等の熱可塑性樹脂；エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム等のエラストマー；多糖類高分子などが挙げられる。
【0150】
上記フィラーとしては、特に限定されない。フィラーの主成分としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、炭素などが挙げられる。
【0151】
負極合剤層５の平均厚さの下限としては、３０μｍが好ましく、６０μｍがより好ましい。負極合剤層５の平均厚さの上限としては、１０００μｍが好ましく、５００μｍがより好ましく、２００μｍがさらに好ましい。負極合剤層５の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。負極合剤層５の平均厚さを上記上限以下とすることで、レート特性に優れ、活物質利用率の高い負極を備える全固体電池を得ることができる。
【0152】
（中間層）
上記中間層は、負極基材層４の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで負極基材層４と負極合剤層５との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。
上記中間層は、負極基材層４の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで負極基材層４と負極合剤層５との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。
【0153】
［正極層］
正極層２は、正極基材層７と、この正極基材層７の表面に積層される正極合剤層６とを備える。正極層２は、負極層１と同様、正極基材層７と正極合剤層６との間に中間層を有していてもよい。この中間層は負極層１の中間層と同様の構成とすることができる。
正極層２は、正極基材層７と、この正極基材層７の表面に積層される正極合剤層６とを備える。正極層２は、負極層１と同様、正極基材層７と正極合剤層６との間に中間層を有していてもよい。この中間層は負極層１の中間層と同様の構成とすることができる。
【0154】
（正極基材層）
正極基材層７は、負極基材層４と同様の構成とすることができる。正極基材層７の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金、並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
正極基材層７は、負極基材層４と同様の構成とすることができる。正極基材層７の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金、並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
【0155】
正極基材層７の平均厚さの下限としては、３μｍが好ましく、５μｍがより好ましい。正極基材層７の平均厚さの上限としては、２００μｍが好ましく、１００μｍがより好ましく、５０μｍがさらに好ましい。正極基材層７の平均厚さが上記下限以上とすることで、正極基材層７の強度を十分に高くできるため、正極層２を良好に形成できる。正極基材層７の平均厚さを上記上限以下とすることで、他の構成要素の体積を十分に確保できる。
【0156】
（正極合剤層）
正極合剤層６は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成することができる。正極合剤は、正極活物質と固体電解質とを含む正極混合物又は正極複合体を含有してもよい。上記固体電解質として、当該硫化物固体電解質を用いてもよい。正極合剤層６を形成する正極合剤は、負極合剤と同様、必要に応じて、固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。なお、正極合剤層は固体電解質を含まない形態であってもよい。
正極合剤層６は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成することができる。正極合剤は、正極活物質と固体電解質とを含む正極混合物又は正極複合体を含有してもよい。上記固体電解質として、当該硫化物固体電解質を用いてもよい。正極合剤層６を形成する正極合剤は、負極合剤と同様、必要に応じて、固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。なお、正極合剤層は固体電解質を含まない形態であってもよい。
【0157】
〈正極活物質〉
正極合剤層６に含まれる正極活物質としては、全固体電池に通常用いられる公知のものが使用できる。上記正極活物質としては、例えばＬｉxＭeＯy（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表す）で表される複合酸化物（層状のα－ＮａＦｅＯ2型結晶構造を有するＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎＯ3、ＬｉxＮｉαＣｏ(1-α)Ｏ2、ＬｉxＮｉαＭｎβＣｏ(1-α-β)Ｏ2等、スピネル型結晶構造を有するＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＮｉαＭｎ(2-α)Ｏ4等）、ＬｉwＭｅx（ＡＯy）z（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表し、Ａは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖ等を表す）で表されるポリアニオン化合物（ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＮｉＰＯ4、ＬｉＣｏＰＯ4、Ｌｉ3Ｖ2（ＰＯ4）3、Ｌｉ2ＭｎＳｉＯ4、Ｌｉ2ＣｏＰＯ4Ｆ等）が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは、他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極活物質層においては、これら化合物の１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
正極合剤層６に含まれる正極活物質としては、全固体電池に通常用いられる公知のものが使用できる。上記正極活物質としては、例えばＬｉxＭeＯy（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表す）で表される複合酸化物（層状のα－ＮａＦｅＯ2型結晶構造を有するＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎＯ3、ＬｉxＮｉαＣｏ(1-α)Ｏ2、ＬｉxＮｉαＭｎβＣｏ(1-α-β)Ｏ2等、スピネル型結晶構造を有するＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＮｉαＭｎ(2-α)Ｏ4等）、ＬｉwＭｅx（ＡＯy）z（Ｍｅは少なくとも一種の遷移金属を表し、Ａは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖ等を表す）で表されるポリアニオン化合物（ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＮｉＰＯ4、ＬｉＣｏＰＯ4、Ｌｉ3Ｖ2（ＰＯ4）3、Ｌｉ2ＭｎＳｉＯ4、Ｌｉ2ＣｏＰＯ4Ｆ等）が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは、他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極活物質層においては、これら化合物の１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【0158】
正極活物質としては、Ｌｉ－Ａｌ、Ｌｉ－Ｉｎ、Ｌｉ－Ｓｎ、Ｌｉ－Ｐｂ、Ｌｉ－Ｂｉ、Ｌｉ－Ｇａ、Ｌｉ－Ｓｒ、Ｌｉ－Ｓｉ、Ｌｉ－Ｚｎ、Ｌｉ－Ｃｄ、Ｌｉ－Ｃａ、Ｌｉ－Ｂａ等のリチウム合金や上記一般式で表される化合物以外のＭｎＯ2、ＦｅＯ2、ＴｉＯ2、Ｖ2Ｏ5、Ｖ6Ｏ13、ＴｉＳ2等の、酸化還元電位が負極材料よりも貴な材料を用いることができる。
【0159】
正極合剤における正極活物質の含有量の下限としては、１０質量％が好ましく、１５質量％がより好ましい。正極活物質の含有量の上限としては、６０質量％が好ましく、７０質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましく、９０質量％が特に好ましく、９５質量％であってもよい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。
【0160】
〈正極混合物又は正極複合体〉
上記正極混合物は、負極の場合と同様、正極活物質及び固体電解質等をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、正極活物質と固体電解質等との混合物は、粒子状の正極活物質及び粒子状の固体電解質等を混合して得ることができる。
上記正極複合体も、負極の場合と同様、正極活物質及び固体電解質等間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、正極活物質及び固体電解質等を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に正極活物質及び固体電解質等が存在しているものであり、例えば、正極活物質及び固体電解質等が凝集状態を形成しているもの、正極活物質の表面の少なくとも一部に固体電解質等含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。
上記正極混合物又は正極複合体は、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
正極合剤が含有する正極活物質及び固体電解質等が、正極混合物又は正極複合体を構成することで、イオン伝導度を向上できる。
上記正極混合物は、負極の場合と同様、正極活物質及び固体電解質等をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、正極活物質と固体電解質等との混合物は、粒子状の正極活物質及び粒子状の固体電解質等を混合して得ることができる。
上記正極複合体も、負極の場合と同様、正極活物質及び固体電解質等間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、正極活物質及び固体電解質等を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に正極活物質及び固体電解質等が存在しているものであり、例えば、正極活物質及び固体電解質等が凝集状態を形成しているもの、正極活物質の表面の少なくとも一部に固体電解質等含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。
上記正極混合物又は正極複合体は、当該硫化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
正極合剤が含有する正極活物質及び固体電解質等が、正極混合物又は正極複合体を構成することで、イオン伝導度を向上できる。
【0161】
正極合剤が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、５質量％であってもよく、１０質量％が好ましい。正極合剤における固体電解質の含有量の上限は、９０質量％が好ましく、８５質量％がより好ましく、８０質量％がさらに好ましく、７５質量％が特に好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。
【0162】
正極合剤層６の平均厚さの下限としては、３０μｍが好ましく、６０μｍがより好ましい。正極合剤層６の平均厚さの上限としては、１０００μｍが好ましく、５００μｍがより好ましく、２００μｍがさらに好ましい。正極合剤層６の平均厚さが上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。正極合剤層６の平均厚さを上記上限以下とすることで、高率放電性能に優れ、活物質利用率の高い負極を備える全固体電池を得ることができる。
【0163】
［固体電解質層］
固体電解質層３は、固体電解質層用電解質を含有する。固体電解質層用電解質としては、上述の当該硫化物固体電解質以外にも、例えば酸化物系固体電解質、その他の硫化物固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、擬似固体電解質などを挙げることができる。これらの中では、イオン伝導度が良好であり、界面形成が容易であるなどの観点から硫化物固体電解質が好ましく、当該硫化物固体電解質がより好ましい。固体電解質層３が、当該硫化物固体電解質を含有することで、固体電解質層が高いイオン伝導度を発現できるため、全固体電池の内部抵抗を低減できる。
固体電解質層３は、固体電解質層用電解質を含有する。固体電解質層用電解質としては、上述の当該硫化物固体電解質以外にも、例えば酸化物系固体電解質、その他の硫化物固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、擬似固体電解質などを挙げることができる。これらの中では、イオン伝導度が良好であり、界面形成が容易であるなどの観点から硫化物固体電解質が好ましく、当該硫化物固体電解質がより好ましい。固体電解質層３が、当該硫化物固体電解質を含有することで、固体電解質層が高いイオン伝導度を発現できるため、全固体電池の内部抵抗を低減できる。
【0164】
当該全固体電池に含まれる固体電解質の合計量に対する、当該硫化物固体電解質の含有量は、５０質量％以上１００質量％以下が好ましく、７０質量％以上１００質量％以下がより好ましく、８０質量％以上１００質量％以下がさらに好ましく、９０質量％以上１００質量％以下がよりさらに好ましい。特に、当該全固体電池に含まれる固体電解質が当該硫化物固体電解質のみから構成されることが好ましい。
特に、元素Ｘを含有する当該硫化物固体電解質は熱的安定性が高いため、当該全固体電池の構成を上記のようにすることで、電池の作動温度の上限を高くできる全固体電池の利点を十分に享受することができる。
特に、元素Ｘを含有する当該硫化物固体電解質は熱的安定性が高いため、当該全固体電池の構成を上記のようにすることで、電池の作動温度の上限を高くできる全固体電池の利点を十分に享受することができる。
【0165】
固体電解質層用電解質は、結晶構造を有してもよく、結晶構造を有さない非晶質であってもよい。固体電解質層用電解質には、Ｌｉ3ＰＯ4等の酸化物やハロゲン、ハロゲン化合物等を添加してもよい。
【0166】
固体電解質層３の平均厚さとしては、１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、３μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。固体電解質層３の平均厚さを上記の範囲とすることで、全固体電池のエネルギー密度を高めつつ、正極と負極とを確実に絶縁することが可能となる。
【0167】
＜全固体電池の製造方法＞
当該全固体電池の製造方法は、例えば硫化物固体電解質作製工程と、負極合剤作製工程と、固体電解質層用電解質作製工程と、正極合剤作製工程と、負極層、固体電解質層及び正極層を積層する積層工程とを主に備える。
当該全固体電池の製造方法は、例えば硫化物固体電解質作製工程と、負極合剤作製工程と、固体電解質層用電解質作製工程と、正極合剤作製工程と、負極層、固体電解質層及び正極層を積層する積層工程とを主に備える。
【0168】
（硫化物固体電解質作製工程）
本工程では、例えば、当該硫化物固体電解質の製造方法によって、硫化物固体電解質を作製する。
本工程では、例えば、当該硫化物固体電解質の製造方法によって、硫化物固体電解質を作製する。
【0169】
（負極合剤作製工程）
本工程では、負極層を形成するための負極合剤が作製される。負極合剤が、負極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて負極活物質と、当該硫化物固体電解質とを混合し、負極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。
本工程では、負極層を形成するための負極合剤が作製される。負極合剤が、負極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて負極活物質と、当該硫化物固体電解質とを混合し、負極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。
【0170】
（固体電解質層用電解質作製工程）
本工程では、固体電解質層を形成するための上記固体電解質層用電解質が作製される。本工程では、固体電解質層用電解質の所定の材料をメカニカルミリング法により処理して得ることができる。溶融急冷法により固体電解質層用電解質の所定の材料を溶融温度以上に加熱して所定の比率で両者を溶融混合し、急冷することにより固体電解質層用電解質を作製してもよい。その他の固体電解質層用電解質の合成方法としては、例えば減圧封入して焼成する固相法、溶解析出などの液相法、気相法（ＰＬＤ）、メカニカルミリング後にアルゴン雰囲気下で焼成することなどが挙げられる。なお、固体電解質層用電解質が当該硫化物固体電解質である場合は、固体電解質層用電解質の作製工程では、上述の硫化物固体電解質作製工程が行われる。
本工程では、固体電解質層を形成するための上記固体電解質層用電解質が作製される。本工程では、固体電解質層用電解質の所定の材料をメカニカルミリング法により処理して得ることができる。溶融急冷法により固体電解質層用電解質の所定の材料を溶融温度以上に加熱して所定の比率で両者を溶融混合し、急冷することにより固体電解質層用電解質を作製してもよい。その他の固体電解質層用電解質の合成方法としては、例えば減圧封入して焼成する固相法、溶解析出などの液相法、気相法（ＰＬＤ）、メカニカルミリング後にアルゴン雰囲気下で焼成することなどが挙げられる。なお、固体電解質層用電解質が当該硫化物固体電解質である場合は、固体電解質層用電解質の作製工程では、上述の硫化物固体電解質作製工程が行われる。
【0171】
（正極合剤作製工程）
本工程では、正極層を形成するための正極合剤が作製される。正極合剤の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、正極活物質の圧縮成形、正極合剤の所定の材料のメカニカルミリング処理、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング等が挙げられる。正極合剤が、正極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて正極活物質と、当該硫化物固体電解質とを混合し、正極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。
本工程では、正極層を形成するための正極合剤が作製される。正極合剤の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、正極活物質の圧縮成形、正極合剤の所定の材料のメカニカルミリング処理、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング等が挙げられる。正極合剤が、正極活物質と当該硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて正極活物質と、当該硫化物固体電解質とを混合し、正極活物質と当該硫化物固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。
【0172】
（積層工程）
本工程は、負極基材層及び負極合剤層を有する負極層、固体電解質層、並びに正極基材層及び正極合剤層を有する正極層が積層される。本工程では、負極層、固体電解質層、及び正極層を順次形成してもよいし、この逆であってもよく、各層の形成の順序は特に問わない。上記負極層は、負極基材及び負極合剤を加圧成型することにより形成され、上記固体電解質層は、固体電解質層用電解質を加圧成型することにより形成され、上記正極層は、正極基材及び正極合剤を加圧成型することにより形成される。
本工程は、負極基材層及び負極合剤層を有する負極層、固体電解質層、並びに正極基材層及び正極合剤層を有する正極層が積層される。本工程では、負極層、固体電解質層、及び正極層を順次形成してもよいし、この逆であってもよく、各層の形成の順序は特に問わない。上記負極層は、負極基材及び負極合剤を加圧成型することにより形成され、上記固体電解質層は、固体電解質層用電解質を加圧成型することにより形成され、上記正極層は、正極基材及び正極合剤を加圧成型することにより形成される。
【0173】
負極基材、負極合剤、固体電解質層用電解質、正極基材及び正極合剤を一度に加圧成型することにより、負極層、固体電解質層及び正極層が積層されてもよい。正極層、負極層、又はこれらの層を予め成形し、固体電解質層と加圧成型して積層してもよい。
【0174】
＜その他の実施形態＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。
【0175】
上記実施形態では、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物として、Ｎ、Ｌｉ、及び元素Ｍのみを含有する原料化合物を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｎ、元素Ａ、及び元素Ｍを含有する原料化合物は、本発明の課題解決に差し支えない範囲で、さらに他の元素を含有してもよい。
【0176】
本発明に係る全固体電池の構成については特に限定されるものではなく、例えば中間層や接着層のように、負極層、正極層及び固体電解質層以外のその他の層を備えていてもよい。
【実施例0177】
以下、実証実験によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【0178】
まず、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、及び比較例３から本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法の、系外へのＮの排出を抑制する効果を示す。
［実施例１］
以下の処理により、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＡｌを含む組成物を準備した。
（反応工程）
上記組成物を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行い、中間体を得た。
（熱処理工程）
上記中間体を２時間熱処理して硫化物固体電解質を得た。この熱処理は、結晶化温度以上であって、結晶化温度より１００℃以上とならない温度にて行った。結晶化温度はＤＳＣを測定することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
上記合成手順で作製した組成物を試料ａ、中間体を試料ｂ、硫化物固体電解質を試料ｃとした。
［実施例１］
以下の処理により、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＡｌを含む組成物を準備した。
（反応工程）
上記組成物を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行い、中間体を得た。
（熱処理工程）
上記中間体を２時間熱処理して硫化物固体電解質を得た。この熱処理は、結晶化温度以上であって、結晶化温度より１００℃以上とならない温度にて行った。結晶化温度はＤＳＣを測定することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
上記合成手順で作製した組成物を試料ａ、中間体を試料ｂ、硫化物固体電解質を試料ｃとした。
【0179】
［実施例２］
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＢＮをモル比で１．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、８００℃で１０分熱処理してＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＢを含む組成物を準備した。
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＢＮをモル比で１．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、８００℃で１０分熱処理してＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＢを含む組成物を準備した。
【0180】
［比較例１］
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、５６．８Ｌｉ2Ｓ・２７．０Ｐ2Ｓ5・１６．２Ｌｉ3Ｎを合成した。
（準備工程）
露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、及びＬｉ3Ｎをモル比で５６．８：２７．０：１６．２となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、及びＮを含む組成物を準備した。
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、５６．８Ｌｉ2Ｓ・２７．０Ｐ2Ｓ5・１６．２Ｌｉ3Ｎを合成した。
（準備工程）
露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、及びＬｉ3Ｎをモル比で５６．８：２７．０：１６．２となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、及びＮを含む組成物を準備した。
【0181】
［比較例２］
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｌｉ3Ｎ、及びＡｌＮをモル比で５６：２４：１０：１０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＡｌを含む組成物を準備した。
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
（準備工程）
露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｌｉ3Ｎ、及びＡｌＮをモル比で５６：２４：１０：１０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＡｌを含む組成物を準備した。
【0182】
［比較例３］
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ7/4Ｖ1/4Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＶＮをモル比で３：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１０時間熱処理してＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎを作製した。作製したＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＶを含む組成物を準備した。
準備工程を以下のとおり変更したこと以外は実施例１と同様にして、８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・２０Ｌｉ7/4Ｖ1/4Ｎを合成した。
（準備工程）
Ｌｉ3Ｎ及びＶＮをモル比で３：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１０時間熱処理してＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎを作製した。作製したＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ7/4Ｖ1/4Ｎをモル比で５６：２４：２０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合し、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、及びＶを含む組成物を準備した。
【0183】
［評価］
（１）ＸＲＤ
以下の方法にてＸ線回折測定を行った。気密性のＸ線回折測定用試料ホルダーを用い、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気下で実施例及び比較例の硫化物固体電解質粉末を充填した。Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ社製「ｍｉｎｉＦｌｅｘ ＩＩ」）を用いて粉末Ｘ線回折測定を行った。線源はＣｕＫα線、管電圧は３０ｋＶ、管電流は１５ｍＡとし、回折Ｘ線は厚み３０μｍのＫβフィルターを通し高速一次元検出器（型番：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２）にて検出した。サンプリング幅は０．０１°、スキャンスピードは５°／分、発散スリット幅は０．６２５°、受光スリット幅は１３ｍｍ（ＯＰＥＮ）、散乱スリット幅は８ｍｍとした。
（１）ＸＲＤ
以下の方法にてＸ線回折測定を行った。気密性のＸ線回折測定用試料ホルダーを用い、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気下で実施例及び比較例の硫化物固体電解質粉末を充填した。Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ社製「ｍｉｎｉＦｌｅｘ ＩＩ」）を用いて粉末Ｘ線回折測定を行った。線源はＣｕＫα線、管電圧は３０ｋＶ、管電流は１５ｍＡとし、回折Ｘ線は厚み３０μｍのＫβフィルターを通し高速一次元検出器（型番：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２）にて検出した。サンプリング幅は０．０１°、スキャンスピードは５°／分、発散スリット幅は０．６２５°、受光スリット幅は１３ｍｍ（ＯＰＥＮ）、散乱スリット幅は８ｍｍとした。
【0184】
（２）イオン伝導度（σ）
イオン伝導度（σ25）は、２５℃におけるイオン伝導度を、（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ）社製「ＶＭＰ－３００」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定して求めた。また、一部の実施例及び比較例については、－３０℃、－２０℃、－１０℃、０℃、５０℃の各温度におけるイオン伝導度も測定し、アレニウス式により活性化エネルギー（Ｅa）を算出した。
イオン伝導度（σ25）は、２５℃におけるイオン伝導度を、（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ）社製「ＶＭＰ－３００」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定して求めた。また、一部の実施例及び比較例については、－３０℃、－２０℃、－１０℃、０℃、５０℃の各温度におけるイオン伝導度も測定し、アレニウス式により活性化エネルギー（Ｅa）を算出した。
【0185】
表４に実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、及び比較例３のＸＲＤパターン及び２５℃におけるイオン伝導度（σ25）を示す。表４に示すように、全ての実施例及び比較例の硫化物固体電解質は、ＸＲＤスペクトルでピークが観測され、特定結晶構造Ａを有することが確認された。なお、特定結晶構造Ａとは、Ｘ線回折測定において２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．８°±０．５°及び３０．９°±０．５°に回折ピークを有する結晶構造である。また、実施例１、実施例２、及び比較例３の硫化物固体電解質は、同程度のイオン伝導度を示すことが確認された。
よって、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、及び比較例３は、類似の構造を有すると言える。
よって、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、及び比較例３は、類似の構造を有すると言える。
【0186】
【表4】
【0187】
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各試料に関して、ＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、試料中のＬｉ、Ｂ、Ａｌ、及びＰの含有量を求めた。また、実施例１、実施例２、及び比較例１乃至比較例３の各試料に関して、酸素・窒素・水素分析装置を用いて、試料中のＮの含有量を求めた。この分析結果から、試料中のＮの含有割合の変化率を算出した。表５に分析結果を示す。なお、表中、「変化なし」は、試料ａに対するＮの含有割合の変化率が±５質量％以下であったことを表す。
【0188】
【表5】
【0189】
表５から、実施例１及び実施例２では、試料ａ、試料ｂ、及び試料ｃにおけるＮの含有割合がほとんど変化しないことが分かる。つまり、実施例１及び実施例２では、Ｎの含有率が、反応工程、熱処理工程の各工程を経てもほとんど変化せず、系外へのＮの排出が抑制されたことが分かる。
一方、比較例１、比較例２及び比較例３では、試料ａ、試料ｂ、及び試料ｃにおけるＮの含有割合が試料ａ、試料ｂ、試料ｃの順に小さくなることが分かる。つまり、比較例１、比較例２及び比較例３では、Ｎの含有率が、反応工程、熱処理工程の各工程を経るごとに減少し、系外へＮが排出されてしまうことが分かる。
以上より、第一原理計算を用いてＮの排出抑制効果を予測して選定された、Ａｌ、及びＢについて、実際に効果が得られることが実証された。さらに、第一原理計算を用いてＮの排出抑制効果が得られないことが予測されたＶについて、実際に効果が得られないことも実証された。
一方、比較例１、比較例２及び比較例３では、試料ａ、試料ｂ、及び試料ｃにおけるＮの含有割合が試料ａ、試料ｂ、試料ｃの順に小さくなることが分かる。つまり、比較例１、比較例２及び比較例３では、Ｎの含有率が、反応工程、熱処理工程の各工程を経るごとに減少し、系外へＮが排出されてしまうことが分かる。
以上より、第一原理計算を用いてＮの排出抑制効果を予測して選定された、Ａｌ、及びＢについて、実際に効果が得られることが実証された。さらに、第一原理計算を用いてＮの排出抑制効果が得られないことが予測されたＶについて、実際に効果が得られないことも実証された。
【0190】
次に、実施例３乃至実施例２０、及び比較例４乃至比較例８から、本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の熱的安定性を向上させる効果を示す。
［実施例３］
以下の処理により、組成式８５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩで表される硫化物固体電解質を合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、ＬｉＢｒ（９９．９９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、ＬｉＩ（９９．９９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で４７．６：２０．４：１０：５：１７となるように秤量したのちに、乳鉢で混合した。この混合試料を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行った。２４５℃で２時間熱処理して実施例３の硫化物固体電解質を得た。この熱処理温度は、結晶化温度以上であって、結晶化温度より１００℃以上とならないように設定した。結晶化温度は、ミリング処理後の試料の一部を取り出し、ＤＳＣ測定に供することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
［実施例３］
以下の処理により、組成式８５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩで表される硫化物固体電解質を合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎは、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであることを確認した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、ＬｉＢｒ（９９．９９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、ＬｉＩ（９９．９９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で４７．６：２０．４：１０：５：１７となるように秤量したのちに、乳鉢で混合した。この混合試料を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行った。２４５℃で２時間熱処理して実施例３の硫化物固体電解質を得た。この熱処理温度は、結晶化温度以上であって、結晶化温度より１００℃以上とならないように設定した。結晶化温度は、ミリング処理後の試料の一部を取り出し、ＤＳＣ測定に供することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
【0191】
［比較例４、比較例５］
硫化物固体電解質の組成を、８５（０．７５Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩ、８５（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩに変更し、熱処理温度をいずれも２２５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、比較例４及び比較例５の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を、８５（０．７５Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩ、８５（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１０ＬｉＢｒ・５ＬｉＩに変更し、熱処理温度をいずれも２２５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、比較例４及び比較例５の硫化物固体電解質を合成した。
【0192】
［実施例４乃至実施例７、比較例６］
硫化物固体電解質の組成を８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．７０（０．６７Ｌｉ2Ｓ・０．３３Ｐ2Ｓ5）・０．３０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．６９７５Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０３５Ｌｉ3Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５５℃、２７５℃、２７０℃、２７０℃、２５０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例４乃至実施例７、及び比較例６の硫化物固体電解質を合成した。
なお、実施例４の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２５５℃とした試料に加えて、熱処理温度を２１５℃、２３０℃、２７５℃、２９０℃、３１０℃とした試料も合成した。実施例５の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７５℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３５℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。実施例６の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３０℃、２７０℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。実施例７の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３０℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。また、比較例６の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２５０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２１０℃、及び２３０℃とした試料も合成した。
各熱処理温度で合成した硫化物固体電解質は、熱処理温度が低い順に、それぞれ実施例４－１乃至実施例４－６、実施例５－１乃至実施例５－５、実施例６－１乃至実施例６－５、実施例７－１乃至実施例７－５、及び比較例６－１乃至比較例６－３とする。
硫化物固体電解質の組成を８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．７０（０．６７Ｌｉ2Ｓ・０．３３Ｐ2Ｓ5）・０．３０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．６９７５Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０３５Ｌｉ3Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５５℃、２７５℃、２７０℃、２７０℃、２５０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例４乃至実施例７、及び比較例６の硫化物固体電解質を合成した。
なお、実施例４の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２５５℃とした試料に加えて、熱処理温度を２１５℃、２３０℃、２７５℃、２９０℃、３１０℃とした試料も合成した。実施例５の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７５℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３５℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。実施例６の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３０℃、２７０℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。実施例７の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２７０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２３０℃、２９０℃、３１０℃、３３０℃とした試料も合成した。また、比較例６の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２５０℃とした試料に加えて、熱処理温度を２１０℃、及び２３０℃とした試料も合成した。
各熱処理温度で合成した硫化物固体電解質は、熱処理温度が低い順に、それぞれ実施例４－１乃至実施例４－６、実施例５－１乃至実施例５－５、実施例６－１乃至実施例６－５、実施例７－１乃至実施例７－５、及び比較例６－１乃至比較例６－３とする。
【0193】
［実施例８、比較例７］
硫化物固体電解質の組成を７５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ、７５（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２１５℃、１９５℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例８及び比較例７の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を７５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ、７５（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２１５℃、１９５℃としたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例８及び比較例７の硫化物固体電解質を合成した。
【0194】
［実施例９乃至実施例１１、比較例８］
硫化物固体電解質の組成を９０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＢｒ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・２０ＬｉＢｒ、７０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・３０ＬｉＢｒ、９０（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１０ＬｉＢｒに変更し、熱処理温度をそれぞれ２６５℃、２５０℃、２４０℃、２２５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例９、実施例１０、実施例１１及び比較例８の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を９０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＢｒ、８０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・２０ＬｉＢｒ、７０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・３０ＬｉＢｒ、９０（０．７２Ｌｉ2Ｓ・０．２５Ｐ2Ｓ5・０．０２０Ｌｉ3Ｎ）・１０ＬｉＢｒに変更し、熱処理温度をそれぞれ２６５℃、２５０℃、２４０℃、２２５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例９、実施例１０、実施例１１及び比較例８の硫化物固体電解質を合成した。
【0195】
［実施例１２、実施例１３］
硫化物固体電解質の組成を９０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・２０ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５５℃、２４０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１２、実施例１３の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を９０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・１０ＬｉＩ、８０（０．８０（０．７Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎ）・２０ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５５℃、２４０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１２、実施例１３の硫化物固体電解質を合成した。
【0196】
［実施例１４乃至実施例１７］
硫化物固体電解質の組成を８０（０．９７（０．７４５Ｌｉ2Ｓ・０．２５５Ｐ2Ｓ5）・０．０３Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．９５（０．７４Ｌｉ2Ｓ・０．２６Ｐ2Ｓ5）・０．０５Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．９０（０．７３Ｌｉ2Ｓ・０．２７Ｐ2Ｓ5）・０．１０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８５（０．７１５Ｌｉ2Ｓ・０．２８５Ｐ2Ｓ5）・０．１５Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１４乃至実施例１７の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を８０（０．９７（０．７４５Ｌｉ2Ｓ・０．２５５Ｐ2Ｓ5）・０．０３Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．９５（０．７４Ｌｉ2Ｓ・０．２６Ｐ2Ｓ5）・０．０５Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．９０（０．７３Ｌｉ2Ｓ・０．２７Ｐ2Ｓ5）・０．１０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩ、８０（０．８５（０．７１５Ｌｉ2Ｓ・０．２８５Ｐ2Ｓ5）・０．１５Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１２ＬｉＢｒ・８ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２５０℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１４乃至実施例１７の硫化物固体電解質を合成した。
【0197】
［実施例１８乃至実施例２０］
硫化物固体電解質の組成を７５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ、７０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１７ＬｉＢｒ・１３ＬｉＩ、６５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・２０ＬｉＢｒ・１５ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２３０℃、１９５℃、１８５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１８乃至実施例２０の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成を７５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ、７０（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・１７ＬｉＢｒ・１３ＬｉＩ、６５（０．８０（０．７０Ｌｉ2Ｓ・０．３０Ｐ2Ｓ5）・０．２０Ｌｉ3/2Ｂ1/2Ｎ）・２０ＬｉＢｒ・１５ＬｉＩに変更し、熱処理温度をそれぞれ２３０℃、１９５℃、１８５℃としたこと以外は、実施例３と同様にして、実施例１８乃至実施例２０の硫化物固体電解質を合成した。
【0198】
実施例３乃至実施例２０の硫化物固体電解質は、一般式（１００－ｚ1－ｚ2）｛（１－ｙ）［ｘＬｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5］・ｙＬｉαＭβＮ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2で表される。比較例５乃至比較例７の硫化物固体電解質は、一般式（１００－ｚ1－ｚ2）｛（ｘ－１．５ｙ）Ｌｉ2Ｓ・（１－ｘ）Ｐ2Ｓ5・ｙＬｉ3Ｎ｝・ｚ1ＬｉＸ1・ｚ2ＬｉＸ2で表される。
【0199】
表６乃至表１２に、実施例３乃至実施例２０、及び比較例４乃至比較例８のＸＲＤパターンから同定された結晶構造を示す。表１３に、実施例４－１乃至実施例４－６、実施例５－１乃至実施例５－５、実施例６－１乃至実施例６－５、実施例７－１乃至実施例７－５、及び比較例６－１乃至比較例６－３のＸＲＤパターンから同定された結晶構造を示す。
なお、表中、「ＨＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２０．２°±０．５°、２３．６°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「ＬＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２１．０°±０．５°、２８．０°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「特定結晶構造Ｃ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、２４．９°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「β－Ｌｉ3ＰＳ4」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、１８．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．９°±０．５°、３１．２°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「Ｕｎｋｎｏｗｎ」は、結晶相が帰属不明なピークを表す。
また、図３に実施例４－１乃至実施例４－６のＸＲＤパターンを示す。図４に比較例６－１乃至比較例６－３のＸＲＤパターンを示す。
なお、表中、「ＨＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２０．２°±０．５°、２３．６°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「ＬＩＣＰ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２１．０°±０．５°、２８．０°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「特定結晶構造Ｃ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、２４．９°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「β－Ｌｉ3ＰＳ4」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝１７．５°±０．５°、１８．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．９°±０．５°、３１．２°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「Ｕｎｋｎｏｗｎ」は、結晶相が帰属不明なピークを表す。
また、図３に実施例４－１乃至実施例４－６のＸＲＤパターンを示す。図４に比較例６－１乃至比較例６－３のＸＲＤパターンを示す。
【0200】
表６乃至表１２に、実施例３乃至実施例２０、及び比較例４乃至比較例８の２５℃におけるイオン伝導度（σ25）と、活性化エネルギー（Ｅa）を示す。表１３に、実施例４－１乃至実施例４－６、実施例５－１乃至実施例５－５、実施例６－１乃至実施例６－５、実施例７－１乃至実施例７－５、及び比較例６－１乃至比較例６－３の２５℃におけるイオン伝導度（σ25）と、活性化エネルギー（Ｅa）を示す。
【0201】
（３）ＤＳＣ
以下の方法にてＤＳＣ測定を行った。ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
以下の方法にてＤＳＣ測定を行った。ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
【0202】
【0203】
【表6】
【0204】
【表7】
【0205】
【表8】
【0206】
【表9】
【0207】
【表10】
【0208】
【表11】
【0209】
【表12】
【0210】
【表13】
【0211】
表６から、比較例４及び比較例５の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２２５℃とした場合にＬＩＣＰが生成し、２５℃におけるイオン伝導度が低下することが分かる。一方で、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｂｒ、Ｉ、及びＡｌを含有する実施例３の硫化物固体電解質は、比較例４及び比較例５の硫化物固体電解質よりも高い温度で熱処理したにも関わらず、ＬＩＣＰが生成せず、高いイオン伝導度を示すことが分かる。つまり、実施例３の硫化物固体電解質では、比較例４及び比較例５の硫化物固体電解質よりもイオン伝導度が低下する熱処理温度の下限が上昇していることが理解できる。
【0212】
表７から、実施例４乃至実施例７の硫化物固体電解質は、比較例６の硫化物固体電解質よりも高い温度で熱処理したにも関わらず、ＬＩＣＰが生成せず高いイオン伝導度を示すことが分かる。つまり、実施例４乃至実施例７の硫化物固体電解質では、比較例６の硫化物固体電解質よりもイオン伝導度が低下する熱処理温度の下限が上昇していることが理解できる。
【0213】
表８から、実施例８の硫化物固体電解質は、比較例７の硫化物固体電解質よりも高い温度で熱処理したにも関わらず、より高いイオン伝導度を示すことが分かる。つまり、実施例８の硫化物固体電解質は、比較例７の硫化物固体電解質よりもイオン伝導度が低下する熱処理温度の下限が上昇していることが理解できる。これは、実施例８の硫化物固体電解質では、ＨＩＣＰのＬＩＣＰへの相転移が抑制されたためと考えられる。
【0214】
表９から、実施例９乃至実施例１１の硫化物固体電解質は、いずれも比較例８の硫化物固体電解質よりも高い温度で熱処理したにも関わらず、より高いイオン伝導度を示すことが分かる。また、当該硫化物固体電解質が、元素ＸとしてＢｒのみを含有する場合においても、硫化物固体電解質の高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性を向上する本発明の効果が得られることが分かる。
また、Ｂｒの含有量が同一である実施例９及び比較例８を対比すると、比較例８ではＨＩＣＰ及びＬＩＣＰのいずれも生成しなかったのに対し、実施例９ではＨＩＣＰが生成したことが分かる。つまり、硫化物固体電解質がＬｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有する場合には、元素Ｍを含まない場合に比して、より少ない元素Ｘの含有量でＨＩＣＰを生成できる効果が認められた。
また、Ｂｒの含有量が同一である実施例９及び比較例８を対比すると、比較例８ではＨＩＣＰ及びＬＩＣＰのいずれも生成しなかったのに対し、実施例９ではＨＩＣＰが生成したことが分かる。つまり、硫化物固体電解質がＬｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有する場合には、元素Ｍを含まない場合に比して、より少ない元素Ｘの含有量でＨＩＣＰを生成できる効果が認められた。
【0215】
表１０から、当該硫化物固体電解質が、元素ＸとしてＩのみを含有する場合においても、ＨＩＣＰを含む硫化物固体電解質が得られることが分かる。
【0216】
表１１から、実施例６及び実施例１５乃至実施例１７の硫化物固体電解質は、比較例６の硫化物固体電解質以上の温度で熱処理したにも関わらず、ＨＩＣＰの存在が認められ、高いイオン伝導度を示すことが分かる。つまり、これらの実施例の硫化物固体電解質では、比較例６の硫化物固体電解質よりもイオン伝導度が低下する熱処理温度の下限が上昇していることが理解できる。
また、図６から、実施例６及び実施例１４乃至実施例１７の硫化物固体電解質は、比較例６の硫化物固体電解質と比較して、ＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークと、β－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとの温度差が大きくなることが分かる。例えば、比較例６ではＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークとβ－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとは、それぞれ１９０℃付近と２６０℃付近に観測されたのに対し、実施例１４では、それぞれ１９０℃付近と２８０℃付近に観測される。このことから、実施例の硫化物固体電解質では、ＨＩＣＰが安定に存在する温度範囲が広がり、高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性が向上することが理解できる。
なお、図６におけるＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークとは、概ね１８０℃から２２０℃の範囲に観測されたピークを示す。図６におけるβ－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとは、実施例６、実施例１４乃至実施例１６、及び比較例６において、それぞれ３４５℃付近、２８０℃付近、３００℃付近、３１０℃付近、３３５℃付近、及び２６０℃付近に観測されたピークを示す。
以上より、当該硫化物固体電解質のＰに対するＮの含有割合Ｎ／Ｐが、０．０６０、０．１０、０．２１、０．３１、０．４２となる場合であっても、高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性が向上する効果が得られることが分かる。
また、図６から、実施例６及び実施例１４乃至実施例１７の硫化物固体電解質は、比較例６の硫化物固体電解質と比較して、ＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークと、β－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとの温度差が大きくなることが分かる。例えば、比較例６ではＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークとβ－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとは、それぞれ１９０℃付近と２６０℃付近に観測されたのに対し、実施例１４では、それぞれ１９０℃付近と２８０℃付近に観測される。このことから、実施例の硫化物固体電解質では、ＨＩＣＰが安定に存在する温度範囲が広がり、高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性が向上することが理解できる。
なお、図６におけるＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークとは、概ね１８０℃から２２０℃の範囲に観測されたピークを示す。図６におけるβ－Ｌｉ3ＰＳ4由来の結晶化ピークとは、実施例６、実施例１４乃至実施例１６、及び比較例６において、それぞれ３４５℃付近、２８０℃付近、３００℃付近、３１０℃付近、３３５℃付近、及び２６０℃付近に観測されたピークを示す。
以上より、当該硫化物固体電解質のＰに対するＮの含有割合Ｎ／Ｐが、０．０６０、０．１０、０．２１、０．３１、０．４２となる場合であっても、高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性が向上する効果が得られることが分かる。
【0217】
表１２から、当該硫化物固体電解質のＰに対する元素Ｘの含有割合Ｘ／Ｐが、０．５２、０．７０、０．９０、１．１２となる場合であっても、ＨＩＣＰを含む硫化物固体電解質が得られることが分かる。
【0218】
表１３に示す比較例６－１乃至比較例６－３から、比較例６の硫化物固体電解質は、熱処理温度を２５０℃以上とすると、ＨＩＣＰがＬＩＣＰ及びβ－Ｌｉ3ＰＳ4に相転移することが分かる。また、これに伴って２５℃におけるイオン伝導度も著しく低下することが分かる。
一方で、実施例４－１乃至実施例４－６から、実施例４の硫化物固体電解質では、熱処理温度を２９０℃まで高めてもＨＩＣＰが存在し、高いイオン伝導度を維持できることが分かる。
また、実施例５－１乃至実施例５－５から、実施例５の硫化物固体電解質においても、広い温度範囲でＨＩＣＰが存在し、高いイオン伝導度を維持できることが分かる。
さらに、実施例６－１乃至実施例６－５、及び実施例７－１乃至実施例７－５から、元素ＭとしてＡｌに代えてＢ及びＳｉを含有する場合であっても、広い温度範囲で高いイオン伝導度を維持できる本発明の効果が得られることが分かる。
つまり、表１３から、実施例４乃至実施例７の硫化物固体電解質では、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が広がることが理解できる。
また、表１３の実施例６及び実施例７と実施例４及び実施例５との対比から、当該硫化物固体電解質が元素ＭとしてＳｉ及びＢのいずれかを含む場合に、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が少なくとも８０℃の範囲に亘って存在し、特に優れた高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性を示すことが分かる。なお、図５の実施例６及び実施例７のＤＳＣ曲線における２１０℃付近のピークは、ＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークである。したがって、実施例６及び実施例７では、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が１００℃の範囲に亘って存在することも推測できる。このような結果が得られた理由は定かでは無いが、例えば、Ｓｉ及びＢのいずれかとＮとの結合エネルギーの強さが、本発明の効果を発揮するのに適した値であったことが考えられる。
一方で、実施例４－１乃至実施例４－６から、実施例４の硫化物固体電解質では、熱処理温度を２９０℃まで高めてもＨＩＣＰが存在し、高いイオン伝導度を維持できることが分かる。
また、実施例５－１乃至実施例５－５から、実施例５の硫化物固体電解質においても、広い温度範囲でＨＩＣＰが存在し、高いイオン伝導度を維持できることが分かる。
さらに、実施例６－１乃至実施例６－５、及び実施例７－１乃至実施例７－５から、元素ＭとしてＡｌに代えてＢ及びＳｉを含有する場合であっても、広い温度範囲で高いイオン伝導度を維持できる本発明の効果が得られることが分かる。
つまり、表１３から、実施例４乃至実施例７の硫化物固体電解質では、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が広がることが理解できる。
また、表１３の実施例６及び実施例７と実施例４及び実施例５との対比から、当該硫化物固体電解質が元素ＭとしてＳｉ及びＢのいずれかを含む場合に、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が少なくとも８０℃の範囲に亘って存在し、特に優れた高Ｌｉイオン伝導相の熱的安定性を示すことが分かる。なお、図５の実施例６及び実施例７のＤＳＣ曲線における２１０℃付近のピークは、ＨＩＣＰ由来と推測される結晶化ピークである。したがって、実施例６及び実施例７では、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が１００℃の範囲に亘って存在することも推測できる。このような結果が得られた理由は定かでは無いが、例えば、Ｓｉ及びＢのいずれかとＮとの結合エネルギーの強さが、本発明の効果を発揮するのに適した値であったことが考えられる。
【0219】
表６乃至表１３から明らかなように、実施例の硫化物固体電解質は、イオン伝導度が低下する熱処理温度の下限が上昇し、イオン伝導度が低下しない熱処理温度範囲が広がることが確認された。つまり、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、元素Ｘ、及び元素Ｍを含有する硫化物固体電解質は、ＨＩＣＰの熱的安定性に優れていた。これは、製造工程における系外へのＮの排出が抑制されたために、硫化物固体電解質がＮを含むことによる熱的安定性向上効果が十分に発揮されたためと考えられる。
【0220】
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法は、Ｎの系外への排出を抑制できることに加え、Ｌｉ2Ｓの析出を抑制できることが示唆されている。Ｌｉ2Ｓの析出を抑制できると、硫化物固体電解質の大気安定性を向上できるため好ましい。
【0221】
すなわち、実施例２１乃至実施例４１比較例９、及び比較例１０から、本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法は、Ｌｉ2Ｓの析出を抑制できることが示唆される。
【0222】
［実施例２１］
以下の処理により、組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮがＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであり、ｚ＝１、ｙ＝０．７０である硫化物固体電解質、即ち９９（０．７Ｌｉ2Ｓ・０．３Ｐ2Ｓ5）・１Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で６９．３：２９．７：１．０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合した。この混合試料を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行った。２時間熱処理して実施例１の硫化物固体電解質を得た。この熱処理は、結晶化温度以上であって、結晶化温度プラス１００℃以下の温度にて行った。結晶化温度はＤＳＣを測定することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
以下の処理により、組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮがＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎであり、ｚ＝１、ｙ＝０．７０である硫化物固体電解質、即ち９９（０．７Ｌｉ2Ｓ・０．３Ｐ2Ｓ5）・１Ｌｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＡｌＮをモル比で１．２：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した。次に、７５０℃で１時間熱処理してＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎを作製した。
次に、露点－５０℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でＬｉ2Ｓ（９９．９８％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｐ2Ｓ5（９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）及びＬｉ3/2Ａｌ1/2Ｎをモル比で６９．３：２９．７：１．０となるように秤量したのちに、乳鉢で混合した。この混合試料を、直径４ｍｍのジルコニアボールが１６０ｇ入った密閉式の８０ｍＬジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製、型番Ｐｒｅｍｉｕｍ ｌｉｎｅ Ｐ－７）によって公転回転数５１０ｒｐｍで４５時間のミリング処理を行った。２時間熱処理して実施例１の硫化物固体電解質を得た。この熱処理は、結晶化温度以上であって、結晶化温度プラス１００℃以下の温度にて行った。結晶化温度はＤＳＣを測定することにより求めた。ＤＳＣ測定は、以下の条件にて行った。即ち、ＤＳＣ装置（リガク社製、Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌｕｓ ＤＳＣ８２３０）を用い、ＳＵＳ製密閉パンを用い、室温から４００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温した。
【0223】
［実施例２２乃至実施例２９］
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるｚの値を、５、７、１０、１５、２０、２５、３０、４０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例２２乃至実施例２９の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるｚの値を、５、７、１０、１５、２０、２５、３０、４０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例２２乃至実施例２９の硫化物固体電解質を合成した。
【0224】
［実施例３０乃至実施例３２］
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおいて、ｙ＝０．６７とし、ｚの値を２０、２５、３０にそれぞれ変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３０乃至実施例３２の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおいて、ｙ＝０．６７とし、ｚの値を２０、２５、３０にそれぞれ変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３０乃至実施例３２の硫化物固体電解質を合成した。
【0225】
［実施例３３乃至実施例３６］
Ｌｉ3Ｎ及びＢＮをモル比で１．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した後、８００℃で１０分間熱処理してＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎについて、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎであることを確認した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎに変更し、ｚの値を１、１０、２０、３０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３３乃至実施例３６の硫化物固体電解質を合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＢＮをモル比で１．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した後、８００℃で１０分間熱処理してＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎを作製した。作製したＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎについて、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎであることを確認した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ3/2Ｂ1/2Ｎに変更し、ｚの値を１、１０、２０、３０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３３乃至実施例３６の硫化物固体電解質を合成した。
【0226】
［実施例３７乃至実施例４１］
Ｌｉ3Ｎ及びＳｉ3Ｎ4をモル比で５．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した後、８００℃で１０分間熱処理してＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎを作製した。
作製したＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎについて、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ５／３Ｓｉ1/3Ｎであることを確認した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎに変更し、ｚの値を１．５、１５、２０、３０、４５に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３７乃至実施例４１の硫化物固体電解質を合成した。
Ｌｉ3Ｎ及びＳｉ3Ｎ4をモル比で５．１：１となるように秤量し、乳鉢で混合した後ペレット化した後、８００℃で１０分間熱処理してＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎを作製した。
作製したＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎについて、ＸＲＤ測定によって主相がＬｉ５／３Ｓｉ1/3Ｎであることを確認した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ5/3Ｓｉ1/3Ｎに変更し、ｚの値を１．５、１５、２０、３０、４５に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、実施例３７乃至実施例４１の硫化物固体電解質を合成した。
【0227】
［比較例９］
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ3Ｎに変更し、ｚの値を２０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、比較例９の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおけるＬｉαＭβＮをＬｉ3Ｎに変更し、ｚの値を２０に変更したこと以外は実施例２１と同様にして、比較例９の硫化物固体電解質を合成した。
【0228】
［比較例１０］
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおいて、ｙ＝０．６８とし、ｚの値を１６に変更したこと以外は比較例９と同様にして、比較例１０の硫化物固体電解質を合成した。
硫化物固体電解質の組成式（１００－ｚ）（ｙＬｉ2Ｓ・（１－ｙ）Ｐ2Ｓ5）・ｚＬｉαＭβＮにおいて、ｙ＝０．６８とし、ｚの値を１６に変更したこと以外は比較例９と同様にして、比較例１０の硫化物固体電解質を合成した。
【0229】
［評価］
（１）ＸＲＤ、イオン伝導度（σ）
上述の方法でＸ線回折測定を行った。また、２５℃におけるイオン伝導度（σ25）を、（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ）社製「ＶＭＰ－３００」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定して求めた。
（１）ＸＲＤ、イオン伝導度（σ）
上述の方法でＸ線回折測定を行った。また、２５℃におけるイオン伝導度（σ25）を、（Ｂｉｏ－Ｌｏｇｉｃ）社製「ＶＭＰ－３００」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定して求めた。
【0230】
（２）ラマン分光分析
以下の方法にてラマンスペクトルを測定した。レーザラマン分光光度計（堀場製作所社製「ＬａｂＲＡＭ ＨＲ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ」）を用い、励起レーザ波長５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザ）、グレーティング６００ｇｒ／ｍｍの条件において、１００ｃｍ-1から１８００ｃｍ-1の波数範囲でラマン分光測定を行った。
以下の方法にてラマンスペクトルを測定した。レーザラマン分光光度計（堀場製作所社製「ＬａｂＲＡＭ ＨＲ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ」）を用い、励起レーザ波長５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザ）、グレーティング６００ｇｒ／ｍｍの条件において、１００ｃｍ-1から１８００ｃｍ-1の波数範囲でラマン分光測定を行った。
【0231】
表１４に実施例２１乃至実施例４１、比較例９、及び比較例１０の２５℃におけるイオン伝導度と、ＸＲＤパターンから同定された結晶構造、及びラマンスペクトルを示す。なお、表中、「特定結晶構造Ａ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．８°±０．５°、３０．９°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「特定結晶構造Ｂ」は、ＣｕＫα線を用いるＸ線回折測定において２θ＝２θ＝１７．９°±０．５°、１９．１°±０．５°、２９．１°±０．５°、２９．８°±０．５°に回折ピークを有する結晶相を表す。「－」は測定を実施していないことを表す。
【0232】
【表14】
【0233】
比較例９の硫化物固体電解質では、Ｌｉ2Ｓの結晶構造由来のピークのみが観測された。この結果から、Ｌｉ3Ｎを使用するとＬｉ2Ｓが析出しやすいことが分かる。
このような結果が得られた理由は定かでは無いが、Ｌｉ3Ｎと他の原料化合物とが劇的に反応してＬｉ2Ｓを析出するためと考えられる。
このような結果が得られた理由は定かでは無いが、Ｌｉ3Ｎと他の原料化合物とが劇的に反応してＬｉ2Ｓを析出するためと考えられる。
【0234】
実施例２１乃至実施例３５、実施例３７乃至実施例４０では、Ｌｉ2Ｓのピークが認められなかった。中でも、ｚ＝２０、ｙ＝０．７０である実施例（実施例２６、３５、３９、及び比較例９）の比較から、実施例の硫化物固体電解質ではＬｉ2Ｓの析出が抑制されたことが確認された。
【0235】
また、実施例２７乃至実施例２９、実施例３２、実施例３９、及び実施例４０の硫化物固体電解質は、いずれも比較例１０の硫化物固体電解質に比べてＰに対するＬｉの含有割合Ｌｉ／Ｐが高いにも関わらず、Ｌｉ2Ｓのピークが観測されなかった。特に、実施例２９はＰに対するＬｉの含有割合が４．００であり、比較例９及び比較例１０よりも高い値であるにも関わらず、Ｌｉ2Ｓのピークが観測されなかった。実施例２６及び実施例３５の硫化物固体電解質は、比較例１０の硫化物固体電解質と、Ｌｉ／Ｐが略同一であるにも関わらず、Ｌｉ2Ｓのピークが観測されなかった。
実施例３２の硫化物固体電解質は、比較例１０とｙの値が略同一であり、Ｌｉ／Ｐも同一であるにも関わらず、Ｌｉ2Ｓのピークが観測されなかった。
硫化物固体電解質では、Ｌｉの含有量が多い場合にＬｉ2Ｓが析出する傾向があるところ、上記のような結果が得られたことから、実施例の硫化物固体電解質の製造方法では、Ｌｉ2Ｓの析出が抑制されることが示唆された。
実施例３２の硫化物固体電解質は、比較例１０とｙの値が略同一であり、Ｌｉ／Ｐも同一であるにも関わらず、Ｌｉ2Ｓのピークが観測されなかった。
硫化物固体電解質では、Ｌｉの含有量が多い場合にＬｉ2Ｓが析出する傾向があるところ、上記のような結果が得られたことから、実施例の硫化物固体電解質の製造方法では、Ｌｉ2Ｓの析出が抑制されることが示唆された。
【0236】
すなわち、実施例２８、実施例２９、実施例３６、実施例４０及び実施例４１の比較から、元素ＭとしてＡｌを含む場合に、Ｌｉ2Ｓの析出抑制が顕著であることが示唆された。
【0237】
以上のことから、実施例の硫化物固体電解質の製造方法では、Ｌｉ2Ｓの析出が抑制されることが示唆された。当該硫化物固体電解質が元素Ｍを含むことでＬｉ2Ｓの析出が抑制できる理由としては、以下のことが考えられる。Ｎを含む硫化物系固体電解質の出発材料としてＬｉ3Ｎを用いる場合には、Ｌｉ3ＮとＰ2Ｓ5とが劇的に反応してＮ2が放出され、Ｌｉ2Ｓが析出する。これは、Ｌｉ3ＮのＮの欠陥生成エネルギーが小さいためと考えられる。これに対し本願発明では、ＬｉαＭβＮのＮの欠陥生成エネルギーが、Ｌｉ3ＮのＮの欠陥生成エネルギーよりも大きいため、硫化物系固体電解質の合成過程で反応が緩やかに進行し、Ｎ2の放出と、Ｌｉ2Ｓの析出とが抑制される。
【0238】
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0239】
本発明に係る硫化物固体電解質を備えた全固体電池は、例えばＨＥＶ用のリチウムイオン全固体電池として好適に用いられる。
【符号の説明】
【0240】
１ 負極層
２ 正極層
３ 固体電解質層
４ 負極基材層
５ 負極合剤層
６ 正極合剤層
７ 正極基材層
１０ 全固体電池
２ 正極層
３ 固体電解質層
４ 負極基材層
５ 負極合剤層
６ 正極合剤層
７ 正極基材層
１０ 全固体電池
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】