本发明涉及离子传导体的制造方法。
背景技术：
近年来，在便携信息终端、便携电子设备、电动汽车、混合动力电动汽车、进而定置型蓄电系统等的用途中，锂离子二次电池的需求增加。然而，现状下的锂离子二次电池作为电解液使用可燃性的有机溶剂，为了有机溶剂不泄露需要牢固的外装。另外，在便携型的个人电脑等中，需要采取为了应对万一电解液漏出时的风险所具备的结构等，还出现了对设备结构的制约。
此外，其用途扩展到汽车、飞机等移动体，在定置型的锂离子二次电池中要求大的容量。在这样的状况下，存在安全性比以往更受重视的倾向，致力于开发不使用有机溶剂等有害物质的全固体锂离子二次电池。
作为全固体锂离子二次电池中的固体电解质，研究了使用氧化物、磷酸化合物、有机高分子、硫化物等。
然而，氧化物、磷酸化合物具有其颗粒坚硬的特性。因此，在使用这些材料成型为固体电解质层时，一般需要在600℃以上的高温进行烧结，耗费工夫。此外，在作为固体电解质层的材料使用氧化物、磷酸化合物的情况下，还存在与电极活性物质之间的界面电阻变大的缺点。关于有机高分子，存在室温下的锂离子传导率低、温度降低则传导性急剧降低的缺点。
关于新的锂离子传导性固体电解质，2007年报道了作为配位氢化物固体电解质的libh4的高温相具有高的锂离子传导性(非专利文献1)。libh4的密度小，在将其用作固体电解质的情况下能够制作轻的电池。另外，libh4在高温(例如，约200℃)下也稳定，因此还能够制作耐热性电池。
libh4在低于相转变温度115℃时，存在锂离子传导率大幅降低的问题。因此，为了得到在低于相转变温度115℃时也具有高的锂离子传导性的固体电解质，提出了libh4和碱金属化合物组合而成的固体电解质。例如，在2009年报道了通过在libh4中加入lii而得到的固溶体在室温也能够保持高温相(非专利文献2和专利文献1)。另外，由该固溶体构成的配位氢化物固体电解质对金属锂稳定，负极能够使用金属锂，因此能够制作高容量的全固体电池(专利文献2和专利文献3)。
在此，关于通过在libh4中加入lii得到的固溶体，有通过利用行星式球磨机的机械铣削或利用高温的熔融混合以少量的规模制造的报道，但存在行星式球磨机难以使装置大型化、在利用高温的熔融混合中libh4在300℃左右缓慢放出氢而逐渐分解的问题(非专利文献3)。
另外，例如专利文献1中记载的离子传导体中，作为碱金属化合物使用水含量低(低于50ppm)、较为昂贵的化合物，从成本的观点上还有改善的余地。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5187703号公报
专利文献2：国际公开第2015－030052号
专利文献3：国际公开第2015－030053号
非专利文献
非专利文献1：appliedphysicsletters(2007)91、p.224103
非专利文献2：journaloftheamericanchemicalsociety(2009)、131、p.894－895
非专利文献3：chemicalreviews(2007)107、p.4111－4132
技术实现要素：
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于提供适于大量制造离子传导性等各种特性优异的离子传导体的制造方法。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的发明人为了实现上述技术问题，反复深入研究，结果获得如下预料之外的见解：通过使用溶剂将libh4和卤化锂混合，并在特定的温度范围内除去该溶剂，与利用现有的熔融混合法或机械铣削法得到的离子传导体同样，能够得到离子传导性等各种特性优异的离子传导体。而且，发现如果是该方法，还能够应用于大量制造。本发明是基于上述见解完成的。
即，本发明具有以下记载的特征。
[1]一种离子传导体的制造方法，其包括：
使用溶剂将libh4和下述式(1)所示的卤化锂混合的步骤；和在60℃～280℃将上述溶剂除去的步骤，
lix(1)
式(1)中，x表示选自卤素原子中的1种。
[2]如[1]所述的离子传导体的制造方法，其中，上述离子传导体在x射线衍射(cukα：
[3]如[1]或[2]所述的离子传导体的制造方法，其中，上述溶剂为醚系溶剂。
[4]如[3]所述的离子传导体的制造方法，其中，上述醚系溶剂选自四氢呋喃、2－甲基四氢呋喃和环戊基甲基醚。
[5]如[1]～[4]中任一项所述的离子传导体的制造方法，其中，卤化锂的水的含量为50ppm以上且低于70000ppm。
[6]如[1]～[5]中任一项所述的离子传导体的制造方法，其中，卤化锂的水的含量为50～26000ppm。
[7]一种全固体电池用固体电解质，其包含通过下述方法得到的离子传导体，该方法包括：
使用溶剂将libh4和下述式(1)所示的卤化锂混合的步骤；和将上述溶剂在60℃～280℃除去的步骤，
lix(1)
式(1)中，x表示选自卤素原子中的1种。
[8]一种使用了[7]所述的全固体电池用固体电解质的全固体电池。
发明的效果
利用本发明，能够提供适于大量制造离子传导性等各种特性优异的离子传导体的制造方法。
附图说明
图1是表示实施例1～4和比较例1中得到的离子传导体的x射线衍射图谱的图。
图2是表示实施例1～4和比较例1中得到的离子传导体的离子传导率的图。
图3是表示实施例5～8和比较例2中得到的离子传导体的x射线衍射图谱的图。
图4是表示实施例5～8和比较例2中得到的离子传导体的离子传导率的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。此外，以下说明的材料、构成等并不限定本发明，能够在本发明的宗旨的范围内进行各种改变。
1.离子传导体的制造方法
根据本发明的1个实施方式，提供一种离子传导体的制造方法，其包括：使用溶剂将libh4和下述式(1)所示的卤化锂混合的步骤；和在60℃～280℃将该溶剂除去的步骤，
lix(1)
(式(1)中，x表示选自卤素原子中的1种。)。
作为现有的离子传导体的制造方法，进行在原料中使用libh4和碱金属化合物的、利用行星式球磨机的机械铣削法或日本专利第5187703号公报中记载的熔融混合法。但是，在机械铣削法时，难以进行工业规模的大型化，在熔融混合法时，有可能发生由加热到300℃以上的温度造成的libh4的分解以及产生氢气。相对于此，根据本发明的制造方法，由于libh4和卤化锂的混合中使用了溶剂，所以能够大量合成均匀的混合物。此外，根据本发明的制造方法，不需要熔融混合那样的高的温度，溶剂的除去也能够在60℃～280℃的范围实施，因此既能够抑制libh4的分解，又能够抑制氢的产生。
作为本发明的制造方法中使用的libh4，能够使用通常市售的产品。其纯度优选为90％以上，更优选为95％以上。这是由于纯度在上述范围的化合物作为离子传导体的性能高的缘故。另外，既可以使用以固体的状态市售的libh4，也可以使用以溶解在thf等溶剂中的溶液的状态市售的libh4。此外，在溶液的情况下，以除了溶剂以外的纯度计，优选为90％以上，更优选为95％以上。
卤化锂(lix)的x如上所述为卤素原子，选自碘原子、溴原子、氟原子和氯原子等。x优选为碘原子。卤化锂既可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。
libh4与卤化锂的混合比没有特别限定，在以摩尔比计，设为libh4﹕lix＝x﹕(1－x)时，x优选为0.50～0.98，更优选0.65～0.90。
作为溶剂，没有特别限定，能够使用各种有机溶剂。作为这样的有机溶剂，可以列举例如四氢呋喃或二乙醚等的醚系溶剂、n,n－二甲基甲酰胺或n,n－二甲基乙酰胺等的酰胺系溶剂等。其中，优选醚系溶剂。醚系溶剂能够使用原料稳定且原料的溶解度高的溶剂，能够列举例如二甲醚、二乙醚、二丁醚、二乙二醇二甲基醚、四氢呋喃、2－甲基四氢呋喃、1,2－二甲氧基乙烷、三乙二醇二甲基醚、环戊基甲基醚、甲基叔丁基醚、二噁烷等。其中，更优选四氢呋喃、2－甲基四氢呋喃，环戊基甲基醚。
混合方法没有特别限定，能够使用一般的混合方法。此外，在混合时只要一个基质溶解即可，另一个基质为不完全溶解的浆料状态也可以。优选全部基质溶解在溶剂中成为均匀的状态，经过这样的状态，能够制造离子传导率更为良好的离子传导体。
决定溶液混合方法中的基质浓度时，基质完全溶解在得到均匀的离子传导体的方面非常重要，但如果浓度过小，则所除去的溶剂增加，因此效率不高。因此，如果为醚系溶剂，则基质浓度优选为1wt％～60wt％，更优选为10wt％～55wt％，更加优选为20wt％～50wt％。
溶液混合时的温度没有特别限定，虽然也没有必要进行加热，但为了提高基质的溶解度或溶解速度也可以进行加热。在进行加热的情况下，在溶剂的沸点以下进行就够了。但是，在使用高压釜等设为加压状态，只要到200℃为止则也可以施加热。如果为其以下的温度，则能够充分抑制libh4的分解。
作为混合时间，只要是能够确保混合物达到均匀的时间就足够。该时间多受制造规模左右，但例如通过进行0.1～5小时就能够使其充分均匀。
变得均匀后，为了得到离子传导体，需要除去溶剂。溶剂除去在加热干燥或真空干燥下进行，其最适合的温度根据溶剂的种类有所不同。通过施加充分高于沸点的温度，能够缩短溶剂除去时间。除去溶剂时的温度为60～280℃的范围。如果为60℃以上的温度，则能够充分除去离子传导体中的溶剂，也能够抑制对离子传导率的不良影响。另外，如果为280℃以下的温度，则能够充分抑制离子传导体的分解和结晶的变质。溶剂除去温度优选为100～250℃，更优选为150℃～220℃。此外，通过像真空干燥等那样在减压下除去溶剂，能够降低将溶剂除去时的温度，并且缩短所需时间。另外，通过流通水分足够少的氮、氩等不活泼气体，也能够缩短除去溶剂所需要的时间。
也可以为了使如上所述得到的离子传导体的结晶化进行，而进行加热处理。加热温度通常为50～300℃的范围，更优选为60～250℃的范围，特别优选为65～低于200℃。如果为50℃以上的温度，则容易发生结晶化，另一方面，如果为300℃以下的温度，则能够充分抑制离子传导体分解和结晶变质。此外，在本发明的制造方法中，为了除去溶剂而加热时，结晶化同时进行，从而有效率。
加热时间虽然由于与加热温度的关系而略微变化，但通常在0.1～12小时的范围可以充分结晶化。加热时间优选为0.3～6小时，更优选为0.5～4小时。从抑制离子传导体的变质的观点考虑，优选加热时间短。
由于水含量低的碱金属化合物昂贵，所以从成本的观点考虑，希望作为卤化锂使用水含量高的卤化锂。但是，在现有的机械铣削法和日本专利第5187703号公报中记载的熔融混合法中，卤化锂中的水分直接作用于libh4而在进行加热时等存在引起libh4的分解的情况，从而无法使用水含量高的卤化锂。
相对于此，在本发明的制造方法中，通过使用溶剂将libh4和卤化锂混合，能够防止卤化锂中的水分直接作用于libh4，并且在60～280℃的范围除去溶剂时能够将卤化锂中的水分一起除去，因此即使是水含量高的卤化锂也能够没有问题地使用。根据本发明的制造方法的优选方式，即使卤化锂的水含量为50ppm以上，也能够得到具有优异的离子传导性的离子传导体。卤化锂的水含量的上限没有特别限定，但从离子传导性的观点考虑优选低于70000ppm，更优选为26000ppm以下。这样，利用本发明的优选方式，能够大幅削减卤化锂所耗费的成本。
2.离子传导体
根据本发明的另一个实施方式，提供利用上述制造方法能够制造的离子传导体。利用上述制造方法制造的离子传导体具有优异的离子传导性。如上所述，libh4在低于相转变温度115℃时，存在锂离子传导率大幅降低的问题。然而，在本发明的离子传导体中，不易发生这样的锂离子传导率的降低，能够得到在宽的温度范围内优异的离子传导性。另外，利用本发明的优选方式，还具有离子传导率不易随着温度变动(即，低温区域与高温区域的离子传导率之差小)的特性。此外，由于本发明的离子传导体为结晶，所以与玻璃比较，在机械和热学上牢固的方面也是优异的。
根据本发明的制造方法得到的离子传导体在x射线衍射(cukα：
通过本发明的制造方法得到的离子传导体包含锂(li)、硼氢根(bh4－)、卤素原子为主要成分，但也可以包含这些以外的成分。作为其他成分，可以列举例如氧(o)、氮(n)硅(si)、锗(ge)等。
3.全固体电池用固体电解质和全固体电池
根据本发明的另一个实施方式，提供一种全固体电池用固体电解质，其包含通过下述方法得到的离子传导体，该方法包括：
使用溶剂将libh4和下述式(1)所示的卤化锂混合的步骤；和将上述溶剂在60℃～280℃除去的步骤，
lix(1)
(式(1)中，x表示选自卤素原子的1种。)。另外，根据本发明的其他实施方式，提供使用了该全固体电池用固体电解质的全固体电池。
在本说明书中，全固体电池是锂离子负责电传导的全固体电池，特别是全固体锂离子二次电池。全固体电池具有在正极层与负极层之间配置有固体电解质层的结构。在正极层、负极层和固体电解质层的任意1层以上作为固体电解质含有本发明的离子传导体。在电极层中使用的情况下，相比于在负极层，更优选在正极层使用。这是由于正极层更难以发生副反应的缘故。正极层或负极层中含有实施方式涉及的离子传导体的情况下，组合离子传导体与公知的锂离子二次电池用正极活性物质或负极活性物质使用。作为正极层，如果使用活性物质和固体电解质混合得到的块体(bulk)型，则每个单电池的容量变大，故而优选。
全固体电池通过将上述各层成型并叠层而制作，但关于各层的成型方法和叠层方法没有特别限定。例如有：通过将使固体电解质和/或电极活性物质分散在溶剂中制成浆料状的物质利用刮刀、旋涂等涂布，将其压延来制膜的方法；利用真空蒸镀法、离子镀法、溅射法、激光消融法等进行成膜和叠层的气相法；利用热压或不加温的冷压将粉末成型，将其叠层的压制法等。实施方式涉及的离子传导体比较柔软，因此特别优选利用压制进行成型和叠层来制作电池。另外，正极层也能够使用溶胶凝胶法成膜。
实施例
以下，利用实施例更详细地说明本发明，但本发明的内容不限定于此。
(实施例1)
在氩气氛下的手套箱内，在三口烧瓶中量取lii(aldrich公司制、纯度99.9％)，再添加libh4的10％thf溶液(lockwoodlithium公司制、productno.401653)使得libh4﹕lii＝0.75﹕0.25的摩尔比[设为libh4﹕lii＝x﹕(1－x)时，x＝0.75]，进行混合。溶液混合在50℃进行1小时，由此得到充分均匀的溶液。
将所得到的溶液在真空下一边以流速5cc/min流通氩，一边在150℃干燥3小时，由此得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例2)
除了将干燥时的温度设为200℃以外，与实施例1同样操作，得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例3)
除了将干燥时的温度设为250℃以外，与实施例1同样操作，得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例4)
除了将干燥时的温度设为280℃以外，与实施例1同样操作，得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(比较例1)
在氩气氛下的手套箱内，将libh4(aldrich公司制、纯度90％)和lii(aldrich公司制、纯度99.9％)以libh4﹕lii＝0.75﹕0.25的摩尔比[设为libh4﹕lii＝x﹕(1－x)时，x＝0.75]混合，将该混合物转移到钼容器后，使用高压釜加热到320℃进行熔融混合。然后，将该熔融混合物冷却到室温，得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
＜x射线衍射测定＞
关于实施例1～4和比较例1中得到的离子传导体的粉末，在ar气氛下以室温实施x射线衍射测定(panalytical公司制x‘pert3powder、cukα：
在实施例1～4和比较例1中，至少在2θ＝23.5±0.3deg、24.9±0.3deg、26.7±0.3deg、34.6±0.5deg和40.9±0.5deg观测到衍射峰，显示为归属于0.75libh4－0.25lii结晶的峰。
＜离子传导率测定＞
将实施例1～4和比较例1中得到的离子传导体供于单螺杆成型(240mpa)，得到厚度约1mm、直径8mm的盘。在从室温到150℃的温度范围中，进行通过以10℃间隔利用锂电极的四端子法的交流阻抗测定(si1260impedance/gain―phaseanalyzer)，计算离子传导率。具体而言，将如上所述得到的盘作为样品，放入设定为25℃的恒温槽保持30分钟后测定离子传导率，接着，将恒温槽从30℃到150℃，每隔10℃升温，在各温度重复同样的操作。结束150℃的测定后，将恒温槽从140℃到30℃每隔10℃降温，在各温度保持40分钟后，测定离子传导率。接着，将恒温槽降温到25℃，保持40分钟后，测定离子传导率。测定频率范围为0.1hz～1mhz，振幅设为50mv。
图2表示对实施例1～4和比较例1的离子传导体的150℃和从150℃降温时的各温度的锂离子传导率的测定结果。
接着，对使用具有50ppm以上的水含量的卤化锂的情况，如下所述制造离子传导体。
＜卤化锂中的水含量测定法＞
卤化锂中的水含量的测定使用metrohm公司制卡尔-费歇尔水分计(型号851/1)、搅拌器(型号801)、自动进样器(型号874)和专用的密闭瓶进行。滴定试剂选择水分测定用新卡尔-费歇尔试剂hydranal-coulomatag-oven(林纯药工业制)。
将卤化锂粉末在氩气氛下的手套箱内向专用瓶中加入100mg，得到测定试样。此外，空白使用手套箱内的氩。
关于测定试样，以样品加热温度200℃、提取时间300秒、提取温度25℃、滴定结束5μg/min.(相对漂移)和终点设定50mv实施分析。测定数据用metrohm公司制解析软件：tiamo(ver2.3)进行解析。使用“利用平行的切线的终点(ep)评价”功能决定滴定分析的终点(ep)。此时，作为切线，使用与滴定前(0～20sec.)和滴定结束后(250～300sec.)的基线一致的切线。从所得到的终点(ep)计算水的重量(μg)，使用下述式a计算卤化锂中的水含量。
{测定试样中的水的重量(μg)－空白中的水的重量(μg)}/卤化锂的重量(g)＝卤化锂中的水含量(ppm)…(式a)
＜用于得到水含量不同的卤化锂的处理(之一)＞
将包含氩和水的混合气体(水含量300ppm)在加入了卤化锂的容器内流通规定时间，由此再制备水含量不同的卤化锂。以下的实施例5使用所得到的水含量290ppm的卤化锂，制造离子传导体。
＜用于得到水含量不同的卤化锂的处理(之二)＞
将水含量2000ppm的lii(和光纯药株式会社制、纯度：97％以上、lot.no.lkm6992)溶解于超纯水中。利用蒸发器(6小时、转速120rpm、热水温度60℃、真空度5hpa)，将多余的水分去除，由此得到lii的3水合物。将lii的3水合物在室温真空干燥(真空度6.7×10－1pa)24小时，由此制备水分量70000ppm的lii。以下的实施例7、8和比较例2使用所得到的水含量70000ppm的卤化锂，制造离子传导体。
(实施例5)
首先，对lii(sigma·aldrich公司制、纯度：99.9％以上、lot.no.mkbt8164v)实施上述处理，由此制造水含量290ppm的碱金属化合物。将其在氩气氛下的手套箱内量取到三口烧瓶，在其中，加入libh4的thf溶液(lockwoodlithium公司制)使得libh4﹕lii＝0.75﹕0.25的摩尔比[设为libh4﹕lii＝x﹕(1－x)时，x＝0.75]，并进行混合。溶液混合在50℃进行1小时，得到充分均匀的溶液。
将所得到的溶液在真空下一边以流速5cc/min流通氩，一边在200℃干燥3小时，由此得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例6)
除了使用水含量2000ppm的lii(和光纯药株式会社制、纯度：97％以上、lot.no.lkm6992)的点、libh4的thf溶液与lii的混合在室温进行30分钟得到充分均匀的溶液以外，与实施例5同样操作得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例7)
通过以规定的比例混合水分量2000ppm的lii和水分量70000ppm的lii，得到水含量10000ppm的lii。除了使用所得到的水含量10000ppm的lii的点以外，与实施例6同样操作得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(实施例8)
通过以规定的比例混合水分量2000ppm的lii和水分量70000ppm的lii，得到水含量25700ppm的lii。除了使用所得到的水含量25700ppm的lii的点以外，与实施例6同样操作得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
(比较例2)
除了使用水含量70000ppm的lii的点以外，与实施例6同样操作得到白色的离子传导体(0.75libh4－0.25lii)。
对实施例5～8和比较例2的离子传导体分别与实施例1～4和比较例1中得到的离子传导体同样地进行x射线衍射测定和离子传导率测定。将实施例5～8和比较例2中得到的离子传导体的x射线衍射图谱表示于图3。另外，将实施例5～8和比较例2中得到的离子传导体的锂离子传导率表示于图4。
此外，实施例5～8和比较例2的离子传导率如下所述。
[表1]
说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子表示的，并不是要限定发明的范围。这些新型的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形也包括在发明的范围和主旨中，并且包括在请求保护的范围所述的发明及其等同的范围中。