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(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】
(24)【登録日】2024-03-18
(45)【発行日】2024-03-27
(54)【発明の名称】イオン伝導体およびリチウム電池
(51)【国際特許分類】
H01B 1/06 20060101AFI20240319BHJP
H01B 1/08 20060101ALI20240319BHJP
H01M 10/056 20100101ALI20240319BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20240319BHJP
C01G 25/02 20060101ALI20240319BHJP
【ＦＩ】
H01B1/06 A
H01B1/08
H01M10/056
H01M10/052
C01G25/02
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020014386
(22)【出願日】2020-01-31
(62)【分割の表示】P 2019552304の分割
【原出願日】2019-05-13
(65)【公開番号】P2020119895
(43)【公開日】2020-08-06
【審査請求日】2022-04-26
(31)【優先権主張番号】P 2018094291
(32)【優先日】2018-05-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019009929
(32)【優先日】2019-01-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004547
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001911
【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】獅子原 大介
(72)【発明者】
【氏名】竹内 雄基
(72)【発明者】
【氏名】近藤 彩子
(72)【発明者】
【氏名】彦坂 英昭
(72)【発明者】
【氏名】水谷 秀俊
【審査官】木村 励
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２１９２２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－４９１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－９１７８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０１８２１７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－３２６２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０７９４６６３６（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／００９０１８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｂ １／０６
Ｈ０１Ｂ １／０８
Ｈ０１Ｍ ４／１３
Ｈ０１Ｍ ４／６２
Ｈ０１Ｍ １０／０５６２
Ｈ０１Ｍ １０／０５２
Ｈ０１Ｍ １０／０５６
Ｃ０１Ｇ ２５／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を含むイオン伝導体において、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含み、
前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末の含有量と前記イオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末：前記イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６である、
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項2】
請求項１に記載のイオン伝導体において、前記イオン伝導体の破断面においてＸＰＳ分析を行ったときの前記イオン液体の割合は、９５％以上である、
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載のイオン伝導体において、さらに、バインダを含み、
前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末と前記イオン液体との含有量の合計と前記バインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末＋前記イオン液体：前記バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦６．５である、
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項4】
ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を含むイオン伝導体において、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含み、
さらに、バインダを含み、
前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末と前記イオン液体との含有量の合計と前記バインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末＋前記イオン液体：前記バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦６．５である、
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項5】
請求項１または請求項２に記載のイオン伝導体において、さらに、バインダを含み、
前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末の含有量と前記イオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末：前記イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし７≦Ｘ≦１６であり、
前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末と前記イオン液体との含有量の合計と前記バインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末＋前記イオン液体：前記バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦１１．５である、
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項6】
固体電解質層と、正極と、負極と、を備えるリチウム電池において、前記固体電解質層と、前記正極と、前記負極との少なくとも１つは、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のイオン伝導体を含む、
ことを特徴とするリチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書によって開示される技術は、イオン伝導体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、パソコンや携帯電話等の電子機器の普及、電気自動車の普及、太陽光や風力等の自然エネルギーの利用拡大等に伴い、高性能な電池の需要が高まっている。なかでも、電池要素がすべて固体で構成された全固体リチウムイオン二次電池（以下、「全固体電池」という）の活用が期待されている。全固体電池は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を用いる従来型のリチウムイオン二次電池と比べて、有機電解液の漏洩や発火等のおそれがないため安全であり、また、外装を簡略化することができるため単位質量または単位体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。
【0003】
全固体電池の固体電解質層や電極を構成するイオン伝導体として、例えば、Ｌｉ（リチウム）とＬａ（ランタン）とＺｒ（ジルコニウム）とＯ（酸素）とを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を含むイオン伝導体が知られている。このようなイオン伝導体に含まれるイオン伝導性粉末としては、例えば、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２（以下、「ＬＬＺ」という）や、ＬＬＺに対して、Ｍｇ（マグネシウム）とＡ（Ａは、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）およびＢａ（バリウム）から構成される群より選択される少なくとも一種の元素）との少なくとも一方の元素置換を行ったもの（例えば、ＬＬＺに対してＭｇおよびＳｒの元素置換を行ったもの（以下、「ＬＬＺ－ＭｇＳｒ」という））が知られている（例えば、特許文献１参照）。以下、これらのイオン伝導性粉末を、「ＬＬＺ系イオン伝導性粉末」という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－４０７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、該粉末を加圧成形した成形体（圧粉体）の状態においては、粒子間の接触が点接触であるために粒子間の抵抗が高く、リチウムイオン伝導性が比較的低い。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末を高温で焼成することにより、リチウムイオン伝導性を高くすることはできるが、高温焼成に伴う反りや変形が起こるために電池の大型化が困難であり、また、高温焼成に伴う電極活物質等との反応により高抵抗層が生成されてリチウムイオン伝導性が低下するおそれがある。
【0006】
なお、このような課題は、全固体電池の固体電解質層や電極に用いられるイオン伝導体に限らず、リチウムイオン伝導性を有するイオン伝導体一般に共通の課題である。
【0007】
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
【0009】
（１）本明細書に開示されるイオン伝導体は、ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を含むイオン伝導体において、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含み、２５℃におけるリチウムイオン伝導率が１．０×１０－５Ｓ／ｃｍ以上である。本イオン伝導体は、ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末（ＬＬＺ系イオン伝導性粉末）に加えて、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでいる。そのため、高温焼成を行うことなく、加圧成形された成形体の状態において、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界にイオン液体が介在して該粒界におけるリチウムイオン伝導性が向上し、その結果、１．０×１０－５Ｓ／ｃｍ以上という高いリチウムイオン伝導性を発揮することができる。
【0010】
（２）上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末の含有量と前記イオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末：前記イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、イオン液体の含有割合が過大となってイオン液体の染み出しが発生することを抑制しつつ、イオン液体の存在によりＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界におけるリチウムイオン伝導性を向上させてイオン伝導体のリチウムイオン伝導性を向上させることができる。
【0011】
（３）上記イオン伝導体において、前記イオン伝導体の破断面においてＸＰＳ分析を行ったときの前記イオン液体の割合は、９５％以上である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界にイオン液体を良好に存在させることができ、イオン液体の存在によりＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界におけるリチウムイオン伝導性を効果的に向上させてイオン伝導体のリチウムイオン伝導性を効果的に向上させることができる。
【0012】
（４）上記イオン伝導体において、さらに、バインダを含み、前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末と前記イオン液体との含有量の合計と前記バインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末＋前記イオン液体：前記バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦６．５である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、イオン伝導体の成形性を向上させつつ、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制することができる。
【0013】
（５）上記イオン伝導体において、さらに、バインダを含み、前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末の含有量と前記イオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末：前記イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし７≦Ｘ≦１６であり、前記イオン伝導体における前記イオン伝導性粉末と前記イオン液体との含有量の合計と前記バインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、前記イオン伝導性粉末＋前記イオン液体：前記バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦１１．５である構成としてもよい。本イオン伝導体によれば、イオン伝導体の成形性を向上させつつ、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制することができる。
【0014】
（６）また、本明細書に開示されるリチウム電池は、固体電解質層と、正極と、負極と、を備え、固体電解質層と正極と負極との少なくとも１つは、上記イオン伝導体を含む。本リチウム電池によれば、固体電解質層と正極と負極との少なくとも１つのリチウムイオン伝導性を向上させることができ、ひいては、リチウム電池の電気的性能を向上させることができる。
【0015】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、イオン伝導体、イオン伝導体を含むリチウム電池、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池１０２の断面構成を概略的に示す説明図である。
【図2】第１の性能評価結果を示す説明図である。
【図3】第１の性能評価結果を示す説明図である。
【図4】第２の性能評価結果を示す説明図である。
【図5】第２の性能評価結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
Ａ．実施形態：
Ａ－１．全固体電池１０２の構成：
（全体構成）
図１は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池（以下、「全固体電池」という）１０２の断面構成を概略的に示す説明図である。図１には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向という。
Ａ－１．全固体電池１０２の構成：
（全体構成）
図１は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池（以下、「全固体電池」という）１０２の断面構成を概略的に示す説明図である。図１には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向という。
【0018】
全固体電池１０２は、電池本体１１０と、電池本体１１０の一方側（上側）に配置された正極側集電部材１５４と、電池本体１１０の他方側（下側）に配置された負極側集電部材１５６とを備える。正極側集電部材１５４および負極側集電部材１５６は、導電性を有する略平板形状部材であり、例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン)、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、これらの合金から選択される導電性金属材料、炭素材料等によって形成されている。以下の説明では、正極側集電部材１５４と負極側集電部材１５６とを、まとめて集電部材ともいう。
【0019】
（電池本体１１０の構成）
電池本体１１０は、電池要素がすべて固体で構成されたリチウムイオン二次電池本体である。なお、本明細書において、電池要素がすべて固体で構成されているとは、すべての電池要素の骨格が固体で構成されていることを意味し、例えば該骨格中に液体が含浸した形態等を排除するものではない。電池本体１１０は、正極１１４と、負極１１６と、正極１１４と負極１１６との間に配置された固体電解質層１１２とを備える。以下の説明では、正極１１４と負極１１６とを、まとめて電極ともいう。電池本体１１０は、特許請求の範囲におけるリチウム電池に相当する。
電池本体１１０は、電池要素がすべて固体で構成されたリチウムイオン二次電池本体である。なお、本明細書において、電池要素がすべて固体で構成されているとは、すべての電池要素の骨格が固体で構成されていることを意味し、例えば該骨格中に液体が含浸した形態等を排除するものではない。電池本体１１０は、正極１１４と、負極１１６と、正極１１４と負極１１６との間に配置された固体電解質層１１２とを備える。以下の説明では、正極１１４と負極１１６とを、まとめて電極ともいう。電池本体１１０は、特許請求の範囲におけるリチウム電池に相当する。
【0020】
（固体電解質層１１２の構成）
固体電解質層１１２は、略平板形状の部材であり、固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０２を含んでいる。固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成については、後に詳述する。
固体電解質層１１２は、略平板形状の部材であり、固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０２を含んでいる。固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成については、後に詳述する。
【0021】
（正極１１４の構成）
正極１１４は、略平板形状の部材であり、正極活物質２１４を含んでいる。正極活物質２１４としては、例えば、Ｓ（硫黄）、ＴｉＳ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４等が用いられる。また、正極１１４は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０４を含んでいる。正極１１４は、さらに電子伝導助剤（例えば、導電性カーボン、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀））を含んでいてもよい。
正極１１４は、略平板形状の部材であり、正極活物質２１４を含んでいる。正極活物質２１４としては、例えば、Ｓ（硫黄）、ＴｉＳ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４等が用いられる。また、正極１１４は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０４を含んでいる。正極１１４は、さらに電子伝導助剤（例えば、導電性カーボン、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀））を含んでいてもよい。
【0022】
（負極１１６の構成）
負極１１６は、略平板形状の部材であり、負極活物質２１６を含んでいる。負極活物質２１６としては、例えば、Ｌｉ金属、Ｌｉ－Ａｌ合金、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、カーボン、Ｓｉ（ケイ素）、ＳｉＯ等が用いられる。また、負極１１６は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０６を含んでいる。負極１１６は、さらに電子伝導助剤（例えば、導電性カーボン、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｇ）を含んでいてもよい。
負極１１６は、略平板形状の部材であり、負極活物質２１６を含んでいる。負極活物質２１６としては、例えば、Ｌｉ金属、Ｌｉ－Ａｌ合金、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、カーボン、Ｓｉ（ケイ素）、ＳｉＯ等が用いられる。また、負極１１６は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体２０６を含んでいる。負極１１６は、さらに電子伝導助剤（例えば、導電性カーボン、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｇ）を含んでいてもよい。
【0023】
Ａ－２．リチウムイオン伝導体の構成：
次に、固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成について説明する。なお、正極１１４に含まれるリチウムイオン伝導体２０４および負極１１６に含まれるリチウムイオン伝導体２０６の構成は、固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成と同様であるため、説明を省略する。
次に、固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成について説明する。なお、正極１１４に含まれるリチウムイオン伝導体２０４および負極１１６に含まれるリチウムイオン伝導体２０６の構成は、固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２の構成と同様であるため、説明を省略する。
【0024】
本実施形態において、固体電解質層１１２に含まれるリチウムイオン伝導体２０２は、ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を含んでいる。このようなイオン伝導性粉末としては、例えば、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２（以下、「ＬＬＺ」という）や、ＬＬＺに対して、ＭｇとＡ（Ａは、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから構成される群より選択される少なくとも一種の元素）との少なくとも一方の元素置換を行ったもの（例えば、ＬＬＺに対してＭｇおよびＳｒの元素置換を行ったもの（以下、「ＬＬＺ－ＭｇＳｒ」という））が挙げられる。以下、ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末を、「ＬＬＺ系イオン伝導性粉末」という。
【0025】
また、本実施形態において、リチウムイオン伝導体２０２は、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでいる。リチウムイオン伝導性を有するイオン液体は、例えば、リチウム塩を溶解させたイオン液体である。なお、イオン液体は、カチオンおよびアニオンのみからなり、常温で液体の物質である。
【0026】
上記リチウム塩としては、例えば、４フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ３））、リチウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２）（以下、「Ｌｉ－ＴＦＳＩ」という）、リチウム ビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２）等が用いられる。
【0027】
また、上記イオン液体としては、カチオンとして、
ブチルトリメチルアンモニウム、トリメチルプロピルアンモニウム等のアンモニウム系、
１－エチル－３メチルイミダゾリウム、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム系、
１－ブチル－１－メチルピペリジニウム、１－メチル－１－プロピルピペリジニウム等のピペリジニウム系、
１－ブチル－４－メチルピリジニウム、１－エチルピリジニウム等のピリジニウム系、
１－ブチル－１－メチルピロリジニウム、１－メチル－１－プロピルピロリジニウム等のピロリジニウム系、
トリメチルスルホニウム、トリエチルスルホニウム等のスルホニウム系、
ホスホニウム系、
モルホリニウム系、
等を有するものが用いられる。
ブチルトリメチルアンモニウム、トリメチルプロピルアンモニウム等のアンモニウム系、
１－エチル－３メチルイミダゾリウム、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム系、
１－ブチル－１－メチルピペリジニウム、１－メチル－１－プロピルピペリジニウム等のピペリジニウム系、
１－ブチル－４－メチルピリジニウム、１－エチルピリジニウム等のピリジニウム系、
１－ブチル－１－メチルピロリジニウム、１－メチル－１－プロピルピロリジニウム等のピロリジニウム系、
トリメチルスルホニウム、トリエチルスルホニウム等のスルホニウム系、
ホスホニウム系、
モルホリニウム系、
等を有するものが用いられる。
【0028】
また、上記イオン液体としては、アニオンとして、
Ｃｌ－、Ｂｒ－等のハロゲン化物系、
ＢＦ４ －等のホウ素化物系、
（ＮＣ）２Ｎ－、
（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、（ＦＳＯ２）２Ｎ－等のアミン系、
ＣＨ３ＳＯ４ －、
ＣＦ３ＳＯ３ －等のスルファート、スルホナート系、
ＰＦ６ －等のリン酸系、
等を有するものが用いられる。
Ｃｌ－、Ｂｒ－等のハロゲン化物系、
ＢＦ４ －等のホウ素化物系、
（ＮＣ）２Ｎ－、
（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、（ＦＳＯ２）２Ｎ－等のアミン系、
ＣＨ３ＳＯ４ －、
ＣＦ３ＳＯ３ －等のスルファート、スルホナート系、
ＰＦ６ －等のリン酸系、
等を有するものが用いられる。
【0029】
より具体的には、上記イオン液体として、ブチルトリメチルアンモニウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、トリメチルプロピルアンモニウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム ビス（フルオロスルホニル）イミド（以下、「ＥＭＩ－ＦＳＩ」という）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、１－メチル－１－プロピルピロリジニウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド等が用いられる。
【0030】
なお、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２は、高温焼成を行うことにより形成された焼結体ではない。そのため、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２は、炭化水素を含んでいる。より具体的には、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２を構成するイオン液体は、炭化水素を含んでいる。なお、リチウムイオン伝導体２０２（イオン液体）が炭化水素を含んでいることは、ＮＭＲ（核磁気共鳴）、ＧＣ－ＭＳ（ガスクロマトグラフィー質量分析法）、ＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）等の方法の内の１つまたは複数の組合せにより特定することができる。
【0031】
このように、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末に加えて、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでおり、加圧成形された成形体の状態において高いリチウムイオン伝導性（２５℃におけるリチウムイオン伝導率が１．０×１０－５Ｓ／ｃｍ以上）を発揮する。本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２がこのような高いリチウムイオン伝導性を有する理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。
【0032】
ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、他の酸化物系リチウムイオン伝導体や酸化物系以外のリチウムイオン伝導体（例えば、硫化物系リチウムイオン伝導体）と比較して硬いため、該粉末を加圧成形した成形体（圧粉体）の状態においては、粒子間の接触が点接触となって粒子間の抵抗が高くなり、リチウムイオン伝導性が比較的低い。また、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末を高温で焼成することにより、リチウムイオン伝導性を高くすることはできるが、高温焼成に伴い反りや変形が起こるために電池の大型化が困難であり、また、高温焼成に伴う電極活物質等との反応により高抵抗層が生成されてリチウムイオン伝導性が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末に加えて、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでいる。そのため、加圧成形された成形体の状態において、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界にイオン液体が介在して該粒界におけるリチウムイオン伝導性が向上し、その結果、リチウムイオン伝導体２０２のリチウムイオン伝導性が向上したものと考えられる。
【0033】
なお、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２において、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６であることが好ましい。このような構成とすれば、イオン液体の含有割合が過大となってイオン液体の染み出しが発生することを抑制しつつ、イオン液体の存在によりＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界におけるリチウムイオン伝導性を向上させてリチウムイオン伝導体２０２のリチウムイオン伝導性を向上させることができる。
【0034】
また、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２の破断面において、ＸＰＳ分析を行ったときのイオン液体の割合は、９５％以上であることが好ましい。リチウムイオン伝導体２０２の破断面においてイオン液体の割合が９５％以上と非常に高い状態は、破断前にＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界にイオン液体が良好に存在しており、破断面を形成した瞬間に、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の表面をイオン液体が覆ったことにより形成されるものと考えられる。そのため、このような構成とすれば、イオン液体の存在によりＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒界におけるリチウムイオン伝導性を効果的に向上させてリチウムイオン伝導体２０２のリチウムイオン伝導性を効果的に向上させることができる。
【0035】
また、本実施形態のリチウムイオン伝導体２０２は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体に加えて、さらにバインダを含んでいてもよい。リチウムイオン伝導体２０２がバインダを含むと、成形性を向上させることができる。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）の共重合体（以下、「ＰＶＤＦ－ＨＦＰ」という）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリアミド、シリコーン（ポリシロキサン）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等が用いられる。
【0036】
リチウムイオン伝導体２０２がバインダを含む場合において、リチウムイオン伝導体２０２におけるＬＬＺ系イオン伝導性粉末とイオン液体との含有量の合計とバインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末＋イオン液体：バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦６．５であることが好ましい。リチウムイオン伝導体２０２がバインダを含むと、成形性を向上させることができる一方で、バインダの存在に起因してリチウムイオン伝導性が低下するおそれがある。しかし、このような構成とすれば、リチウムイオン伝導体２０２の成形性を向上させつつ、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制することができる。
【0037】
また、リチウムイオン伝導体２０２がバインダを含む場合において、リチウムイオン伝導体２０２におけるＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし７≦Ｘ≦１６であり、かつ、リチウムイオン伝導体２０２におけるＬＬＺ系イオン伝導性粉末とイオン液体との含有量の合計とバインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末＋イオン液体：バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦１１．５であることが好ましい。このような構成とすれば、リチウムイオン伝導体２０２の成形性を向上させつつ、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制することができる。
【0038】
なお、リチウムイオン伝導体２０２の組成（ＬＬＺ系イオン伝導性粉末、イオン液体、（バインダを含有する場合には）バインダの含有割合（ｖｏｌ％））は、以下のように特定することができる。すなわち、対象物（例えば、リチウムイオン伝導体２０２から構成される固体電解質層１１２）を各物質が固定された状態を得るために、液体窒素等で凍結させ、もしくは、４官能性のエポキシ系等樹脂にて埋め込み固めた後、切断して切断面を露出させ、この切断面を研磨して研磨面を得る。この研磨面において無作為に選択した５０００倍の視野を対象に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の元素（例えば、ＬＬＺ－ＭｇＳｒの場合には、Ｌａ，Ｚｒ）と、イオン液体の元素（例えば、ＥＭＩ－ＦＳＩを含む場合には、Ｓ）と、バインダの元素（例えば、ＰＶＤＦの場合には、Ｆ）の分布を特定したり、反射電子像のコントラストを画像解析したりすることにより、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末、イオン液体、（バインダを含有する場合には）バインダの面積割合を特定し、これをＬＬＺ系イオン伝導性粉末、イオン液体、（バインダを含有する場合には）バインダの体積割合とみなして、それらの体積割合を特定する。
【0039】
Ａ－３．全固体電池１０２の製造方法：
次に、本実施形態の全固体電池１０２の製造方法の一例を説明する。はじめに、固体電解質層１１２を作製する。具体的には、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末と、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体とを準備し、両者を所定の割合で混合して複合粉末を得る。得られた複合粉末を所定の圧力で加圧成形する、または、得られた複合粉末をバインダを用いてシート状に成形した後、所定の圧力で加圧成形する。これにより、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とリチウムイオン伝導性を有するイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体２０２から構成された固体電解質層１１２が作製される。
次に、本実施形態の全固体電池１０２の製造方法の一例を説明する。はじめに、固体電解質層１１２を作製する。具体的には、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末と、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体とを準備し、両者を所定の割合で混合して複合粉末を得る。得られた複合粉末を所定の圧力で加圧成形する、または、得られた複合粉末をバインダを用いてシート状に成形した後、所定の圧力で加圧成形する。これにより、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とリチウムイオン伝導性を有するイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体２０２から構成された固体電解質層１１２が作製される。
【0040】
次に、正極１１４および負極１１６を作製する。具体的には、正極活物質２１４の粉末と上述した複合粉末と必要により電子伝導助剤の粉末、バインダ、有機溶剤とを所定の割合で混合し、成形することにより正極１１４を作製する。また、負極活物質２１６の粉末と上述した複合粉末と必要により電子伝導助剤の粉末、バインダ、有機溶剤とを混合し、成形することにより負極１１６を作製する。
【0041】
次に、正極側集電部材１５４と、正極１１４と、固体電解質層１１２と、負極１１６と、負極側集電部材１５６とをこの順に積層して加圧することにより一体化する。以上の工程により、上述した構成の全固体電池１０２が製造される。
【0042】
Ａ－４．ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の好ましい態様：
上述したように、本実施形態におけるリチウムイオン伝導体は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末（ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末）を含んでいる。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末としては、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ（カルシウム）、Ｔｉ、Ｖ（バナジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｓｒ、Ｙ（イットリウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂａ（バリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｂｉ（ビスマス）およびランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含むものを採用することが好ましい。このような構成とすれば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が良好なリチウムイオン伝導率を示す。
上述したように、本実施形態におけるリチウムイオン伝導体は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末（ＬｉとＬａとＺｒとＯとを少なくとも含有するガーネット型構造もしくはガーネット型類似構造を有するイオン伝導性粉末）を含んでいる。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末としては、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ（カルシウム）、Ｔｉ、Ｖ（バナジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｓｒ、Ｙ（イットリウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂａ（バリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｂｉ（ビスマス）およびランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含むものを採用することが好ましい。このような構成とすれば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が良好なリチウムイオン伝導率を示す。
【0043】
また、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末として、Ｍｇと元素Ａ（Ａは、Ｃａ、ＳｒおよびＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素）との少なくとも一方を含み、含有される各元素がモル比で下記の式（１）～（３）を満たすものを採用することが好ましい。なお、Ｍｇおよび元素Ａは、比較的埋蔵量が多く安価であるため、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の置換元素としてＭｇおよび／または元素Ａを用いれば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の安定的な供給が期待できると共にコストを低減することができる。
（１）１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３
（２）０≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．５
（３）０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７
（１）１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３
（２）０≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．５
（３）０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７
【0044】
また、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末としては、Ｍｇと元素Ａとの両方を含み、含有される各元素がモル比で下記の式（１´）～（３´）を満たすものを採用することがより好ましい。
（１´）２．０≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦２．５
（２´）０．０１≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１４
（３´）０．０４≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１７
（１´）２．０≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦２．５
（２´）０．０１≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１４
（３´）０．０４≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１７
【0045】
上述の事項を換言すると、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、次の（ａ）～（ｃ）のいずれかを満たすことが好ましく、これらの中でも（ｃ）を満たすことがより好ましく、（ｄ）を満たすことがさらに好ましいと言える。
（ａ）Ｍｇを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／Ｌａ≦３、かつ、０≦Ｍｇ／Ｌａ≦０．５ を満たす。
（ｂ）元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３、かつ、０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７ を満たす。
（ｃ）Ｍｇおよび元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３、０≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．５、かつ０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７ を満たす。
（ｄ）Ｍｇおよび元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、２．０≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦２．５、０．０１≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１４、かつ０．０４≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１７ を満たす。
（ａ）Ｍｇを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／Ｌａ≦３、かつ、０≦Ｍｇ／Ｌａ≦０．５ を満たす。
（ｂ）元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３、かつ、０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７ を満たす。
（ｃ）Ｍｇおよび元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、１．３３≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦３、０≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．５、かつ０≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．６７ を満たす。
（ｄ）Ｍｇおよび元素Ａを含み、各元素の含有量がモル比で、２．０≦Ｌｉ／（Ｌａ＋Ａ）≦２．５、０．０１≦Ｍｇ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１４、かつ０．０４≦Ａ／（Ｌａ＋Ａ）≦０．１７ を満たす。
【0046】
ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、上記（ａ）を満たすとき、すなわち、Ｌｉ、Ｌａ、ＺｒおよびＭｇを、モル比で上記式（１）および（２）を満たすように含むとき、良好なリチウムイオン伝導率を示す。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末がＭｇを含有すると、Ｌｉのイオン半径とＭｇのイオン半径とは近いので、ＬＬＺ結晶相においてＬｉが配置されているＬｉサイトにＭｇが配置されやすく、ＬｉがＭｇに置換されることで、ＬｉとＭｇとの電荷の違いにより結晶構造内のＬｉサイトに空孔が生じてＬｉイオンが動きやすくなり、その結果、リチウムイオン伝導率が向上すると考えられる。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末において、Ｌａと元素Ａとの和に対するＬｉのモル比が１．３３未満または３を超えると、ガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末だけでなく、別の金属酸化物が形成されやすくなる。別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末におけるＭｇの含有量が多くなるほどＬｉサイトにＭｇが配置され、Ｌｉサイトに空孔が生じ、リチウムイオン伝導率が向上するが、Ｌａと元素Ａとの和に対するＭｇのモル比が０．５を超えると、Ｍｇを含有する別の金属酸化物が形成されやすくなる。このＭｇを含有する別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末の含有量が小さくなる。Ｍｇを含有する別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、Ｌａと元素Ａとの和に対するＭｇのモル比が０．５を超えると、リチウムイオン伝導率が低下する。
【0047】
ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、上記（ｂ）を満たすとき、すなわち、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒおよび元素Ａを、モル比で上記式（１）および（３）を満たすように含むとき、良好なリチウムイオン伝導率を示す。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が元素Ａを含有すると、Ｌａのイオン半径と元素Ａのイオン半径とが近いので、ＬＬＺ結晶相においてＬａが配置されているＬａサイトに元素Ａが配置されやすく、Ｌａが元素Ａに置換されることで、格子ひずみが生じ、かつＬａと元素Ａとの電荷の違いにより自由なＬｉイオンが増加し、リチウムイオン伝導率が向上すると考えられる。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末において、Ｌａと元素Ａとの和に対するＬｉのモル比が１．３３未満または３を超えると、ガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末だけでなく、別の金属酸化物が形成されやすくなる。別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末における元素Ａの含有量が多くなるほどＬａサイトに元素Ａが配置され、格子ひずみが大きくなり、かつＬａと元素Ａとの電荷の違いにより自由なＬｉイオンが増加し、リチウムイオン伝導率が向上するが、Ｌａと元素Ａとの和に対する元素Ａのモル比が０．６７を超えると、元素Ａを含有する別の金属酸化物が形成されやすくなる。この元素Ａを含有する別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また元素Ａを含有する別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。
【0048】
上記元素Ａは、Ｃａ、ＳｒおよびＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素である。Ｃａ、ＳｒおよびＢａは、周期律表における第２族元素であり、２価の陽イオンになりやすく、いずれもイオン半径が近いという共通の性質を有する。Ｃａ、ＳｒおよびＢａは、いずれもＬａとイオン半径が近いので、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末におけるＬａサイトに配置されているＬａと置換されやすい。ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が、これらの元素Ａの中でもＳｒを含有することが、焼結により容易に形成されることができ、高いリチウムイオン伝導率が得られる点で好ましい。
【0049】
ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、上記（ｃ）を満たすとき、すなわち、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｍｇおよび元素Ａを、モル比で上記式（１）～（３）を満たすように含むとき、焼結により容易に形成されることができ、リチウムイオン伝導率がより一層向上する。また、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が、上記（ｄ）を満たすとき、すなわち、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｍｇおよび元素Ａを、モル比で上記式（１´）～（３´）を満たすように含むとき、リチウムイオン伝導率がより一層向上する。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末におけるＬｉサイトのＬｉがＭｇに置換され、また、ＬａサイトのＬａが元素Ａに置換されることで、Ｌｉサイトに空孔が生じ、かつ自由なＬｉイオンが増加し、リチウムイオン伝導率がより一層良好になると考えられる。さらに、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末が、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ、ＭｇおよびＳｒを上記式（１）～（３）を満たすように、特に上記式（１´）～（３´）を満たすように含むことが、高いリチウムイオン伝導率が得られ、また、高い相対密度を有するリチウムイオン伝導体が得られる点から好ましい。
【0050】
なお、上記（ａ）～（ｄ）のいずれの場合においても、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末は、Ｚｒを、モル比で以下の式（４）を満たすように含むことが好ましい。Ｚｒを該範囲で含有することにより、ガーネット型結晶構造またはガーネット型類似の結晶構造を有するイオン伝導性粉末が得られやすくなる。
（４）０．３３≦Ｚｒ／（Ｌａ＋Ａ）≦１
（４）０．３３≦Ｚｒ／（Ｌａ＋Ａ）≦１
【0051】
Ａ－５．性能評価：
全固体電池１０２の各層（固体電解質層１１２、正極１１４、負極１１６）に含まれるリチウムイオン伝導体２０２、２０４、２０６について、リチウムイオン伝導性に関する性能評価を行った。図２および図３は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（具体的には、上述したＬＬＺ－ＭｇＳｒ）とイオン液体（具体的には、上述したＬｉ－ＴＦＳＩを溶解させたＥＭＩ－ＦＳＩ（以下、「ＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）」という））とから構成されたリチウムイオン伝導体についての性能評価（以下、「第１の性能評価」という）の結果を示す説明図である。また、図４および図５は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（同）とイオン液体（同）とバインダ（具体的には、上述したＰＶＤＦ－ＨＦＰ）とから構成されたリチウムイオン伝導体についての性能評価（以下、「第２の性能評価」という）の結果を示す説明図である。
全固体電池１０２の各層（固体電解質層１１２、正極１１４、負極１１６）に含まれるリチウムイオン伝導体２０２、２０４、２０６について、リチウムイオン伝導性に関する性能評価を行った。図２および図３は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（具体的には、上述したＬＬＺ－ＭｇＳｒ）とイオン液体（具体的には、上述したＬｉ－ＴＦＳＩを溶解させたＥＭＩ－ＦＳＩ（以下、「ＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）」という））とから構成されたリチウムイオン伝導体についての性能評価（以下、「第１の性能評価」という）の結果を示す説明図である。また、図４および図５は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（同）とイオン液体（同）とバインダ（具体的には、上述したＰＶＤＦ－ＨＦＰ）とから構成されたリチウムイオン伝導体についての性能評価（以下、「第２の性能評価」という）の結果を示す説明図である。
【0052】
図２および図３に示すように、第１の性能評価には、６個のサンプル（Ｓ１～Ｓ６）が用いられた。各サンプルは、リチウムイオン伝導体の組成、より具体的には、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体との含有量の体積割合（ｖｏｌ％）が、互いに異なっている。なお、サンプルＳ１のリチウムイオン伝導体は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末のみから構成されており、イオン液体を含んでいない。また、図３のグラフの各プロットに付された数字は、図２に示されたサンプル番号を示している。
【0053】
また、図４および図５に示すように、第２の性能評価には、８個のサンプル（Ｓ１１～Ｓ１８）が用いられた。各サンプルは、リチウムイオン伝導体の組成、より具体的には、図４において「リチウムイオン伝導体の組成１」として示すように、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とバインダとの含有量の体積割合（ｖｏｌ％）が、互いに異なっている。なお、図４において「リチウムイオン伝導体の組成２」として示すように、サンプルＳ１１～Ｓ１４では、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目すると、両者の含有量の体積割合（ｖｏｌ％）は、第１の性能評価に用いられたサンプルＳ３と同一である。同様に、サンプルＳ１５～Ｓ１７では、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目すると、両者の含有量の体積割合（ｖｏｌ％）は、第１の性能評価に用いられたサンプルＳ４と同一である。また、図５のグラフの各プロットに付された数字は、図４に示されたサンプル番号を示している。
【0054】
第１の性能評価および第２の性能評価におけるサンプルの作製方法および評価方法は、以下の通りである。
【0055】
（第１の性能評価）
組成：Ｌｉ６．９５Ｍｇ０．１５Ｌａ２．７５Ｓｒ０．２５Ｚｒ２．０Ｏ１２（ＬＬＺ－ＭｇＳｒ）となるように、Ｌｉ２ＣＯ３、ＭｇＯ、Ｌａ（ＯＨ）３、ＳｒＣＯ３、ＺｒＯ２を秤量した。その際、焼成時のＬｉの揮発を考慮し、元素換算で１５ｍｏｌ％程度過剰になるように、Ｌｉ２ＣＯ３をさらに加えた。この原料をジルコニアボールとともにナイロンポットに投入し、有機溶剤中で１５時間、ボールミルで粉砕混合を行った。粉砕混合後、スラリーを乾燥させ、１１００℃で１０時間、ＭｇＯ板上にて仮焼成を行った。仮焼成後の粉末にバインダを加え、有機溶剤中で１５時間、ボールミルで粉砕混合を行った。粉砕混合後、スラリーを乾燥させ、直径１２ｍｍの金型に投入し、厚さが１．５ｍｍ程度となるようにプレス成形した後、冷間静水等方圧プレス機（ＣＩＰ）を用いて１．５ｔ／ｃｍ２の静水圧を印加することにより、成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、還元雰囲気において１１００℃で４時間焼成することにより焼結体を得た。なお、焼結体のリチウムイオン伝導率は、１．０×１０－３Ｓ／ｃｍであった。この焼結体をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で粉砕し、ＬＬＺ－ＭｇＳｒの粉末を得た。
組成：Ｌｉ６．９５Ｍｇ０．１５Ｌａ２．７５Ｓｒ０．２５Ｚｒ２．０Ｏ１２（ＬＬＺ－ＭｇＳｒ）となるように、Ｌｉ２ＣＯ３、ＭｇＯ、Ｌａ（ＯＨ）３、ＳｒＣＯ３、ＺｒＯ２を秤量した。その際、焼成時のＬｉの揮発を考慮し、元素換算で１５ｍｏｌ％程度過剰になるように、Ｌｉ２ＣＯ３をさらに加えた。この原料をジルコニアボールとともにナイロンポットに投入し、有機溶剤中で１５時間、ボールミルで粉砕混合を行った。粉砕混合後、スラリーを乾燥させ、１１００℃で１０時間、ＭｇＯ板上にて仮焼成を行った。仮焼成後の粉末にバインダを加え、有機溶剤中で１５時間、ボールミルで粉砕混合を行った。粉砕混合後、スラリーを乾燥させ、直径１２ｍｍの金型に投入し、厚さが１．５ｍｍ程度となるようにプレス成形した後、冷間静水等方圧プレス機（ＣＩＰ）を用いて１．５ｔ／ｃｍ２の静水圧を印加することにより、成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、還元雰囲気において１１００℃で４時間焼成することにより焼結体を得た。なお、焼結体のリチウムイオン伝導率は、１．０×１０－３Ｓ／ｃｍであった。この焼結体をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で粉砕し、ＬＬＺ－ＭｇＳｒの粉末を得た。
【0056】
また、イオン液体であるＥＭＩ－ＦＳＩ（和光純薬製）に、リチウム塩であるＬｉ－ＴＦＳＩ（高純度化学製）を０．８ｍｏｌ／ｌ複合し、リチウム塩を溶解させたイオン液体であるＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）を得た。
【0057】
アルゴン雰囲気において、上述の方法により作製されたＬＬＺ－ＭｇＳｒ粉末と、ＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）とを、全量を０．５ｇとして、サンプル毎に定められた体積割合で配合し、乳鉢を用いて混合することにより、ＬＬＺ－ＭｇＳｒとＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）との複合粉末を得た。なお、上述したように、サンプルＳ１では、この複合粉末の代わりにＬＬＺ－ＭｇＳｒ粉末が用いられた。
【0058】
アルゴン雰囲気において、上述した方法により作製された複合粉末（ただし、サンプルＳ１ではＬＬＺ－ＭｇＳｒ粉末、以下同様）を直径１０ｍｍの絶縁性筒に投入し、上下から５００ＭＰａの圧力で加圧成形を行うことより、リチウムイオン伝導体の成形体（圧粉体）を作製した。作製されたリチウムイオン伝導体の成形体を、加圧治具を用いて８Ｎのトルクでネジ固定し、室温（２５℃）でのリチウムイオン伝導率を測定した。
【0059】
（第２の性能評価）
第１の性能評価と同様に、ＬＬＺ－ＭｇＳｒとＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）との複合粉末を作製した。この際の配合比を、サンプルＳ１１～Ｓ１４では第１の性能評価に用いられたサンプルＳ３の配合比と同一とし、サンプルＳ１５～Ｓ１７では第１の性能評価に用いられたサンプルＳ４の配合比と同一とした。また、サンプルＳ１８では図４に示された配合比とした。
第１の性能評価と同様に、ＬＬＺ－ＭｇＳｒとＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）との複合粉末を作製した。この際の配合比を、サンプルＳ１１～Ｓ１４では第１の性能評価に用いられたサンプルＳ３の配合比と同一とし、サンプルＳ１５～Ｓ１７では第１の性能評価に用いられたサンプルＳ４の配合比と同一とした。また、サンプルＳ１８では図４に示された配合比とした。
【0060】
アルゴン雰囲気において、作製されたＬＬＺ－ＭｇＳｒとＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）との複合粉末と、ＰＶＤＦ－ＨＦＰバインダとを、有機溶剤と共に乳鉢にて混合し、アルミニウム箔（厚さ：２０μｍ）の上でアプリケータ（クリアランス：５００μｍ）を用いて成膜し、７０℃で１時間の減圧乾燥を行うことにより、ＬＬＺ－ＭｇＳｒとＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ）とを含むシートを得た。
【0061】
アルゴン雰囲気において、上述した方法により作製されたシートを直径１０ｍｍの絶縁性筒に投入し、上下から５００ＭＰａの圧力で加圧成形を行うことより、リチウムイオン伝導体の成形体を作製した。作製されたリチウムイオン伝導体の成形体を、加圧治具を用いて８Ｎのトルクでネジ固定し、室温（２５℃）でのリチウムイオン伝導率を測定した。
【0062】
（第１の性能評価の結果）
図２および図３に示すように、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（ＬＬＺ－ＭｇＳｒ）のみから構成されたサンプルＳ１のリチウムイオン伝導率は、４．０×１０－６Ｓ／ｃｍと低い値であった。一方、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体（ＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ））とを含むサンプルＳ２～Ｓ５のリチウムイオン伝導率は、いずれも１．７×１０－４Ｓ／ｃｍ以上であり、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末のみから構成されたサンプルＳ１のリチウムイオン伝導率を上回った。ただし、サンプルＳ６は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含んでいるが、イオン液体の添加量が過大であり（１６ｖｏｌ％を超えており）、評価前のプレス時にイオン液体の染み出しが発生したため、想定したイオン液体の含有割合での評価を行うことができなかった。この結果から、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体は、焼成を行うことなく加圧成形するだけで、高いリチウムイオン伝導性を発揮することが確認された。また、リチウムイオン伝導体において、イオン液体の含有割合が過大となってイオン液体の染み出しが発生することを抑制しつつ、高いリチウムイオン伝導性を発揮させるためには、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６であることが好ましいことが確認された。
図２および図３に示すように、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末（ＬＬＺ－ＭｇＳｒ）のみから構成されたサンプルＳ１のリチウムイオン伝導率は、４．０×１０－６Ｓ／ｃｍと低い値であった。一方、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体（ＥＭＩ－ＦＳＩ（ＬｉＴＦＳＩ））とを含むサンプルＳ２～Ｓ５のリチウムイオン伝導率は、いずれも１．７×１０－４Ｓ／ｃｍ以上であり、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末のみから構成されたサンプルＳ１のリチウムイオン伝導率を上回った。ただし、サンプルＳ６は、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含んでいるが、イオン液体の添加量が過大であり（１６ｖｏｌ％を超えており）、評価前のプレス時にイオン液体の染み出しが発生したため、想定したイオン液体の含有割合での評価を行うことができなかった。この結果から、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体は、焼成を行うことなく加圧成形するだけで、高いリチウムイオン伝導性を発揮することが確認された。また、リチウムイオン伝導体において、イオン液体の含有割合が過大となってイオン液体の染み出しが発生することを抑制しつつ、高いリチウムイオン伝導性を発揮させるためには、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６であることが好ましいことが確認された。
【0063】
なお、サンプルＳ３のリチウムイオン伝導体を対象として破断面のＸＰＳ測定を行ったところ、ＬａおよびＺｒのピークは一切確認されなかった。ＸＰＳ測定は、物体の表面の数ｎｍの深さの情報が得られる測定方法であるため、この測定結果から、このリチウムイオン伝導体では、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の粒子がイオン液体によって覆われていることが確認されたと言える。
【0064】
（第２の性能評価の結果）
図４および図５に示すように、サンプルＳ１１～Ｓ１４は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合（図４に示すリチウムイオン伝導体の組成２）は互いに等しい（９７ｖｏｌ％：３ｖｏｌ％）が、バインダの含有割合が互いに異なっている。同様に、サンプルＳ１５～Ｓ１７は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合（図４に示すリチウムイオン伝導体の組成２）は互いに等しい（９３ｖｏｌ％：７ｖｏｌ％）が、バインダの含有割合が互いに異なっている。また、サンプルＳ１８は、バインダの含有割合がサンプルＳ１３，Ｓ１７と等しいが、イオン液体の含有割合がサンプルＳ１３，Ｓ１７より高くなっている。
図４および図５に示すように、サンプルＳ１１～Ｓ１４は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合（図４に示すリチウムイオン伝導体の組成２）は互いに等しい（９７ｖｏｌ％：３ｖｏｌ％）が、バインダの含有割合が互いに異なっている。同様に、サンプルＳ１５～Ｓ１７は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合（図４に示すリチウムイオン伝導体の組成２）は互いに等しい（９３ｖｏｌ％：７ｖｏｌ％）が、バインダの含有割合が互いに異なっている。また、サンプルＳ１８は、バインダの含有割合がサンプルＳ１３，Ｓ１７と等しいが、イオン液体の含有割合がサンプルＳ１３，Ｓ１７より高くなっている。
【0065】
図４および図５に示すように、リチウムイオン伝導体において、バインダの含有割合が高くなると、リチウムイオン伝導性が低下する傾向にある。ここで、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合が互いに等しいサンプルＳ１１～Ｓ１４に注目すると、サンプルＳ１２を基準としたサンプルＳ１３のリチウムイオン伝導率の低下量は、サンプルＳ１１を基準としたサンプルＳ１２のリチウムイオン伝導率の低下量より大きい。同様に、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末およびイオン液体のみに注目したときの両者の含有割合が互いに等しいサンプルＳ１５～Ｓ１７に注目すると、サンプルＳ１６を基準としたサンプルＳ１７のリチウムイオン伝導率の低下量は、サンプルＳ１５を基準としたサンプルＳ１６のリチウムイオン伝導率の低下量より大きい。すなわち、リチウムイオン伝導体におけるバインダの含有割合が６．５ｖｏｌ％から１１．５ｖｏｌ％に増加したことに起因するリチウムイオン伝導率の低下量は、リチウムイオン伝導体におけるバインダの含有割合が２．９ｖｏｌ％から６．５ｖｏｌ％に増加したことに起因するリチウムイオン伝導率の低下量より大きい。この結果から、リチウムイオン伝導体がバインダを含む場合において、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制するためには、リチウムイオン伝導体におけるＬＬＺ系イオン伝導性粉末とイオン液体との含有量の合計とバインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末＋イオン液体：バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦６．５であることが好ましいことが確認された。
【0066】
また、図４および図５に示すように、バインダの含有割合が１１．５ｖｏｌ％以下の範囲において、バインダの含有割合が略同一である（具体的には１１．５ｖｏｌ％である）サンプルＳ１３，Ｓ１７，Ｓ１８を比較すると、図４に示すリチウムイオン伝導体の組成２においてイオン液体の含有割合が７ｖｏｌ％未満であるサンプルＳ１３に比べて、イオン液体の含有割合が７ｖｏｌ％以上であるサンプルＳ１７，Ｓ１８では、リチウムイオン伝導性が高くなっている。なお、上述したように、第１の性能評価の結果から、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし０＜Ｘ≦１６であることが好ましいことが確認されている。これらの結果から、リチウムイオン伝導体がバインダを含む場合において、バインダの存在に起因するリチウムイオン伝導性の低下を抑制するためには、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし７≦Ｘ≦１６であり、かつ、リチウムイオン伝導体におけるＬＬＺ系イオン伝導性粉末とイオン液体との含有量の合計とバインダの含有量との体積割合（ｖｏｌ％）が、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末＋イオン液体：バインダ＝（１００－Ｙ）：Ｙ、ただし０＜Ｙ≦１１．５であることが好ましいことが確認された。なお、サンプルＳ１８ではリチウムイオン伝導性が特に高くなっていることから、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末の含有量とイオン液体の含有量との体積割合（ｖｏｌ％）は、ＬＬＺ系イオン伝導性粉末：イオン液体＝（１００－Ｘ）：Ｘ、ただし１３≦Ｘ≦１６であることがさらに好ましいと言える。
【0067】
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
【0068】
上記実施形態における全固体電池１０２の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、ＬＬＺ系リチウムイオン伝導性粉末とリチウムイオン伝導性を有するイオン液体とを含有するリチウムイオン伝導体が、固体電解質層１１２と正極１１４と負極１１６とのすべてに含まれているが、該リチウムイオン伝導体が、固体電解質層１１２と正極１１４と負極１１６との少なくとも１つに含まれているとしてもよい。
【0069】
また、本明細書に開示される技術は、全固体電池１０２を構成する固体電解質層や電極に限られず、他のリチウム電池（例えば、リチウム空気電池やリチウムフロー電池等）を構成する固体電解質層や電極にも適用可能である。
【符号の説明】
【0070】
１０２：全固体リチウムイオン二次電池 １１０：電池本体 １１２：固体電解質層 １１４：正極 １１６：負極 １５４：正極側集電部材 １５６：負極側集電部材 ２０２：リチウムイオン伝導体 ２０４：リチウムイオン伝導体 ２０６：リチウムイオン伝導体 ２１４：正極活物質 ２１６：負極活物質
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】