JP6678405B2

JP6678405B2 - リチウム固体電解質

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Inventors: 了次菅野; 井上　裕樹; 裕樹井上
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Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
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Description

本発明は、イオン伝導性が良好なリチウム固体電解質およびその固体電解質を含むリチウム電池に関する。

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。

現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。

全固体リチウム電池に用いられる固体電解質材料として、硫化物固体電解質材料が知られている。例えば、非特許文献１においては、Ｌｉ_{（４−ｘ）}Ｇｅ_{（１−ｘ）}Ｐ_ｘＳ_４の組成を有するＬｉイオン伝導体（硫化物固体電解質材料）が開示されている。また、特許文献１においては、Ｘ線回折測定において特定のピークを有する結晶相の割合が高いＬｉＧｅＰＳ系の硫化物固体電解質材料が開示されている。さらに、非特許文献２には、ＬｉＧｅＰＳ系の硫化物固体電解質材料が開示されている。

国際公開第２０１１／１１８８０１号

Ryoji Kanno et al., "Lithium Ionic Conductor Thio-LISICON The Li2S-GeS2-P2S5 System", Journal of The Electrochemical Society, 148 (7) A742-A746 (2001) Noriaki Kamaya et al., "A lithium superionic conductor", Nature Materials, Advanced online publication, 31 July 2011, DOI:10.1038/NMAT3066

電池の高出力化の観点から、イオン伝導性が良好な固体電解質材料が求められている。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、Ｌｉイオン伝導性が良好な硫化物固体電解質材料を提供することを目的とする。

非特許文献１および特許文献１は、Ｌｉ_{（４−ｘ）}Ｇｅ_{（１−ｘ）}Ｐ_ｘＳ_４の組成について、検討している。非特許文献２は、１２ｍＳｃｍ^−１という電解液に匹敵するほどの高いイオン導電率を示すＬｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２（ＬＧＰＳ）について検討しており、これはＬｉ_３．３５Ｇｅ_０．３５Ｐ_０．６５Ｓ_４の組成で見つかった系である。これらの硫化物固体電解質材料は、Ｌｉ_４ＧｅＳ_４とＬｉ_３ＰＳ_４の固溶系であり、Ｌｉ含有分が比較的多い組成を有する。本発明では、Ｌｉ含有分が従来技術より少ない組成を有する、Ｌｉイオン伝導性が良好な硫化物固体電解質材料を提供することを目的とする。

さらに本発明は、上記の硫化物固体電解質材料を含むリチウム電池を提供することも目的とする。

上記課題を解決するために、本発明により、以下の手段が提供される。

［１］組成式（Ｌｉ_２Ｓ）_ｘ（ＭＳ_２）_ｙ（Ｐ_２Ｓ_５）_ｚで示される硫化物系固体電解質を含み、前記Ｍは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも１種であり、
０．５３≦ｘ≦０．７４、０．１３≦ｙ≦０．３７、０．０４≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、固体電解質。

［２］前記硫化物系固体電解質の少なくとも一部が、Ｘ線波長１．５４１８オングストロームのＣｕ−Ｋα線による粉末Ｘ線回折測定において、少なくとも、１５．９°、１８．３°、２５．９°、３０．４°、３１．８°、４０．３°、４１．３°、４５．５°、４８．４°の回折角（２θ）付近に特徴的ピークを有する、［１］に記載の固体電解質。

［３］［１］または［２］に記載の固体電解質を含むリチウム電池。

本発明によれば、Ｌｉ含有分が従来技術より少なく、安定性の低いハロゲン元素を含まない組成を有する、Ｌｉイオン伝導性が良好且つ電気化学的安定性に優れた硫化物固体電解質材料が提供される。また、その硫化物固体電解質材料は、室温で安定したアルジロダイト型構造を含む。また、その硫化物固体電解質材料を含むリチウム電池も提供される。

図１は、本発明の硫化物系固体電解質の組成の範囲を示すＬｉ₂Ｓ−ＭＳ₂−Ｐ₂Ｓ₅系の三元組成図である。図２は、本発明のアルジロダイト相を含む固体電解質（実施例および参照例）のＸ線回折図形である。図３は、本発明の硫化物系固体電解質材料の製造方法の一例を示す説明図である。図４は、本発明のリチウム電池の断面を示す概略図である。図５は、本発明の硫化物系固体電解質の組成の範囲を示すＬｉ₂Ｓ−ＭＳ₂（（Ｓｎ，Ｓｉ）Ｓ_２）−Ｐ₂Ｓ₅系の三元組成図である。図６は、本発明の硫化物系固体電解質のＸ線回折図形である。図７は、本発明のＳｎ，Ｓｉを含む硫化物系固体電解質材料のＸ線回折測定およびＬｉイオン伝導度の測定結果である。

以下、本発明の硫化物固体電解質材料、およびこれを含んでなるリチウム電池について、詳細に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

本発明者は、鋭意検討した結果、組成式（Ｌｉ_２Ｓ）_ｘ（ＭＳ_２）_ｙ（Ｐ_２Ｓ_５）_ｚで示される硫化物系固体電解質を含み、前記Ｍは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも１種であり、
０．５３≦ｘ≦０．７４、０．１３≦ｙ≦０．３７、０．０４≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、固体電解質のイオン導電率が高いことを見出し、本発明に想到した。

（硫化物系固体電解質）
図１のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２−Ｐ_２Ｓ_５系の三元組成図を参照して本発明の硫化物系固体電解質を説明する。図１の「●」の点は、後述の実施例の組成を示し、「■」の点は、後述の比較例の組成を示し、「▲」の点は、上述の先行技術文献等に記載された硫化物系固体電解質の組成を示す。なお、Ｌｉ_４ＧｅＳ_４とＬｉ_３ＰＳ_４を結ぶ鎖線が、Ｌｉ_４ＧｅＳ_４−Ｌｉ_３ＰＳ_４固溶系のラインであり、従来報告されている硫化物系固体電解質の組成は、このラインより上方にあり、Ｌｉ含有量が比較的多いことが示されている。

本発明の硫化物系固体電解質は、（Ｌｉ_２Ｓ）_ｘ（ＭＳ_２）_ｙ（Ｐ_２Ｓ_５）_ｚで示される組成を含み、前記Ｍは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも１種であり、
０．５３≦ｘ≦０．７４、０．１３≦ｙ≦０．３７、０．０４≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。固体電解質の組成が上記の範囲内であると、イオン導電率の優れた固体電解質が得られる。

図１のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２−Ｐ_２Ｓ_５系の三元組成図において、０．５３≦ｘ≦０．７４、０．１３≦ｙ≦０．３７、０．０４≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である範囲は、符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで示す線分で囲まれる範囲である。先行技術として、Ｌｉ_４ＧｅＳ_４−Ｌｉ_３ＰＳ_４固溶系のラインより上の組成が知られているが、本発明の固体電解質はこのラインより下方の組成範囲を有しており、Ｌｉ含有量を従来技術より少なくすることができる。

組成に含まれるＭは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも１種である。先行技術として、実際にＧｅを採用したものが報告されているが、本発明によればＭはＧｅに限定されない。Ｇｅは、比較的高価であるので、Ｇｅ以外の元素を選択できることは、コスト的に有利である。さらに、本発明の組成は、ハロゲン元素を含んでいない。ハロゲン元素は安定性が低いので、これを含まないことにより、本発明の固体電解質の安定性は向上する。

上記の組成範囲にある固体電解質は、アルジロダイト型相を高い割合で含む。アルジロダイト型相は、先行技術として知られる高イオン導電性Ｌｉ_７ＰＳ_６で見られる相である。特定の理論に拘束されることを望むものではないが、固体電解質がアルジロダイト型相を高い割合で含むことが、その固体電解質の高イオン導電性に寄与するものと考えられる。

アルジロダイト型相は、Ｘ線回折測定において、特徴的なピークを示す。図２は、本発明の硫化物固体電解質材料と、先行技術のアルジロダイト型硫化物固体電解質材料とを対比するＸ線回折スペクトルである。両者は類似のピークを示しており、本発明の硫化物固体電解質材料はアルジロダイト型相を高い割合で含んでいる。
より具体的には、本発明の硫化物固体電解質材料の少なくとも一部は、Ｘ線波長１．５４１８オングストロームのＣｕ−Ｋα線による粉末Ｘ線回折測定において、少なくとも、１５．９°、１８．３°、２５．９°、３０．４°、３１．８°、４０．３°、４１．３°、４５．５°、４８．４°の回折角（２θ）付近に特徴的ピークを有する。本発明の硫化物固体電解質材料の少なくとも一部は、その特徴的ピークの回折角（２θ）から、アルジロダイト型相を高い割合で含んでいる。また、先行技術として知られるＬｉ_７ＰＳ_６で見られるアルジロダイト型相は、２１０℃以上で確認されたものであるが、本発明の硫化物固体電解質材料で見られるアルジロダイト型結晶構造は、室温で確認されたものである。すなわち、本発明で見られるアルジロダイト型相は、室温で安定している。

本発明の固体電解質の製造方法を説明する。本発明の固体電解質材料の製造方法は、Ｌｉ元素、Ｍ元素（Ｍは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも一種である）、Ｐ元素およびＳ元素を粉砕混合、成形して、原料組成物を調製する原料組成物調製工程と、上記原料組成物を加熱することにより、固体電解質材料を得る加熱工程と、を有する。

図３は、本発明の固体電解質材料の製造方法の一例を示す説明図である。図３における固体電解質材料の製造方法では、まず、Ｌｉ_２Ｓ、Ｐ_２Ｓ_５およびＭＳ_２を振動ミル等により粉砕混合し、ペレット成形することにより、原料組成物を作製する。次に、原料組成物を真空で加熱し、固相反応により固体電解質材料を得る。

粉砕混合には、メカニカルミリングを用いてもよい。メカニカルミリングは、試料を、機械的エネルギーを付与しながら粉砕する方法である。このようなメカニカルミリングとしては、例えば、振動ミル、ボールミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等を挙げることができる。中でも振動ミル、ボールミルが好ましい。一例である振動ミルの条件は、対象物を粉砕混合させることができるものであれば特に限定されるものではない。振動ミルの振動振幅は、例えば５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内、中でも６ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることが好ましい。振動ミルの振動周波数は、例えば５００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの範囲内、中でも１０００ｒｐｍ〜１８００ｒｐｍの範囲内であることが好ましい。振動ミルの試料の充填率は、例えば１体積％〜８０体積％の範囲内、中でも５体積％〜６０体積％の範囲内、特に１０体積％〜５０体積％の範囲内であることが好ましい。また、振動ミルには、振動子（例えばアルミナ製振動子）を用いることが好ましい。

加熱工程における加熱温度は、出発原料に応じて適宜調整可能であるが、おおよそ５００℃〜９００℃の範囲内であることが好ましい。また、加熱時間とは、昇温時間と保持時間を含んだものであり、それぞれの時間を所望の固体電解質材料が得られるように適宜調整することが好ましい。例えば、それぞれ３０分間〜１０時間の範囲内としてもよい。さらに、加熱後に、室温まで冷却される際には、所望の固体電解質材料が得られるように、自然冷却を採用してもよいし、またはアニーリングをおこなってもよい。

これらの一連の工程は、空気中の水分によって原料組成物、得られた固体電解質材料が劣化することを防止するために、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で作業することが好ましい。

本発明の硫化物固体電解質材料は、イオン伝導性が高いことが好ましく、２５℃における硫化物固体電解質材料のイオン伝導度は、７．５×１０^−６Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１．０×１０^−５Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましい。また、本発明の硫化物固体電解質材料の形状は特に限定されるものではないが、例えば粉末状を挙げることができる。さらに、粉末状の硫化物固体電解質材料の平均粒径は、例えば０．１μｍ〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。

本発明の硫化物固体電解質材料は、高いイオン伝導性を有するものであるので、イオン伝導性を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、本発明の硫化物固体電解質材料は、電池に用いられるものであることが好ましい。電池の高出力化に大きく寄与することができるからである。

図４を参照して本発明のリチウム電池を説明する。図４は、本発明の一実施形態におけるリチウム電池の断面を示す概略図である。本発明の一実施形態のリチウム電池１は、本発明の固体電解質２、負極３、正極４、集電体５および絶縁部６を含む。負極３に使用する材料は、従来からリチウム電池の負極として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、負極３に使用する材料として、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｃなどを使用することができる。正極４に使用する材料は、従来からリチウム電池の正極として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、正極４に使用する材料として、ＬｉＣｏＯ₂、ＴｉＳ、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄などを使用することができる。集電体５および絶縁部６に使用する材料は、従来からリチウム電池の集電体および絶縁部として使用されていた材料であればとくに限定されない。たとえば、集電体５に使用する材料として、ステンレス鋼などを使用することができ、絶縁部６に使用する材料として、たとえば、ポリカーボネートなどを使用することができる。なお、上述の本発明の一実施形態におけるリチウム電池１はバルク型のリチウム電池であるが、本発明のリチウム電池は、薄膜で構成されるリチウム電池であってもよい。

以下、実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。なお、下記の実施例は本発明を限定するものではない。

（Ｌｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（ＧｅＳ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系試料の作製）
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、出発原料のＬｉ₂Ｓ、ＭＳ₂（ＧｅＳ₂）およびＰ₂Ｓ₅を秤量し、振動ミルを使用して混合試料を作製した。その試料をペレッターに入れ、一軸プレス機を用いてそのペレッターに２０ＭＰａの圧力を印加して、φ１３ｍｍのペレットを成形した。カーボンコートした石英管にこのペレットを真空封入した。そして、ペレットを入れた石英管を６時間で７００℃まで昇温（昇温速度１．８９℃／分）させた後、８時間保持し、その後自然冷却した。合成した試料の組成を表１に示す。図１のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（ＧｅＳ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系の三元組成図を参照すると、「●」の点は、実施例の組成を示し、「■」の点は、比較例の組成を示し、「▲」の点は、上述の先行技術文献等に記載された硫化物系固体電解質の組成を示す。

（粉末Ｘ線回折測定）
作製した試料に含まれる結晶を同定するために、粉末Ｘ線回折装置Ulima-IV（株式会社リガク製）およびSmart Lab（株式会社リガク製）を使用して、粉末Ｘ線回折測定を行った。粉末Ｘ線回折測定には、Ｘ線波長１．５４１８オングストロームのＣｕ−Ｋα線を使用した。１０〜１００°の範囲の回折角（２θ）で粉末Ｘ線回折測定を行った。

（導電率の測定）
粉砕した試料を常温用セルに入れた後、５ＭＰａの圧力を常温用セルに適用してペレットを作製した。そのペレットの両面に金粉末を分散させた後、１５ＭＰａの圧力をペレットに適用してペレットの両面に電極を形成して測定用試料を作製した。測定用試料の導電率の測定には、インピーダンス・ゲインフェーズアナライザーSolatron1260（ソーラトロン社製）を使用した。１Ｈｚ〜１０ＭＨｚの測定範囲、２５℃の測定温度、５０〜１００ｍＶの交流電圧および２秒の積算時間の条件で交流インピーダンス測定を行い、試料の導電率を測定した。

（熱安定性の測定）
試料の熱安定性を調べるために、差動型示差熱天秤Thermo Plus EVO II TG8120（株式会社リガク製）を使用して、示差熱測定を行った。ベースとなる組成として、表１のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（ＧｅＳ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系の組成の中で、後述するＸ線回折測定の結果でアルジロダイト型相の特徴的ピークが明瞭に識別できたＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）を採用した。固体電解質材料を得るための条件として、加熱工程において、３時間で８７０℃または５３０℃まで昇温させた後、３時間保持した点を除いて、上記のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（ＧｅＳ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系試料の作製と同じ条件とした。熱安定性測定用の試料調整は、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。１０ｍｇの粉砕した試料をＳＵＳパンに詰め、１０ＭＰａで密封して測定用試料を作製した。また、Ａｌ₂Ｏ₃をＳＵＳパンに詰め、１０ＭＰａで密封して参照試料を作製した。昇温速度を５℃〜２０℃／分として室温から９００℃まで測定用の試料を昇温させることによって示差熱測定を行った。

（Ｌｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（(Ｓｎ，Ｓｉ) Ｓ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系試料の作製）
表１の組成では、組成物中の元素ＭとしてＧｅを用いた。この元素Ｍとして、Ｇｅに代えてＳｎ，Ｓｉを用いて、試料を作製した。ベースとなる組成として、表１のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（ＧｅＳ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系の組成の中で、後述するＸ線回折測定の結果で、アルジロダイト型相の特徴的ピークが明瞭に識別できたＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）を採用した。試料の作製手順は、出発原料のＧｅ分を、Ｓｎ、Ｓｉに変更した以外は、上述のとおりとした。Ｓｎ、Ｓｉの含有量が、組成式でＬｉ_{３．４５−４α＋β}（Ｓｎ_{０．０９＋α} Ｓｉ_{０．３６＋β}）Ｐ_{０．５５−β}Ｓ_４であって、β＝０．２または０．３、α＝０〜０．４の範囲となるように調整した。図５のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（（Ｓｎ，Ｓｉ）Ｓ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系の三元組成図を参照すると、「◇」の点はβ＝０．２のライン上の組成であり、特に「◆」の点はα＝０．４の組成を示す。「▽」の点はβ＝０．３のライン上の組成であり、特に「▼」の点はα＝０．４の組成を示す。「☆」の点は、Ｌｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）の組成を示す。

［評価］
（Ｘ線回折測定）
実施例２で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定を行った。その結果を図２に示す。図２の上方のラインは、実施例２のＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３をＣｕＫα線により測定したＸＲＤパターンであり、図２の下方のラインは、対照となるＬｉ_７ＰＳ_６を測定したＸＲＤパターンである。図２に示されるように、実施例２では、ほぼ単一相の硫化物固体電解質材料が得られた。この相の回折図形は、対照となるＬｉ_７ＰＳ_６の高温相のものと類似しおり、アルジロダイト（Argyrodite）構造であることが示唆された。ピークの位置は、２θ＝１５．９°、１８．３°、２５．９°、３０．４°、３１．８°、４０．３°、４１．３°、４５．５°、４８．４°であった。これらのピークが、Ｌｉイオン伝導性の高いアルジロダイト相のピークであると考えられる。なお、上述したピークの位置は、±０．５０°（中でも±０．３０°）の範囲内で前後していても良い。

次に、実施例１〜４で得られた硫化物固体電解質材料、および比較例２２〜２６で得られた比較用サンプルを用いて、Ｘ線回折測定（ＣｕＫα線使用）を行った。その結果を図６に示す。図６に示されるように、アルジロダイト型相がＬｉ_４．１Ｇｅ_２．６Ｐ_０．７Ｓ_９（実施例４）組成でも観測された。一方で、Ｌｉ_４．１Ｇｅ_２．６Ｐ_０．７Ｓ_９（実施例４）系では原料である硫化ゲルマニウムに帰属可能な反射が観測された。その他の実施例の組成でも既知の相に帰属可能な反射が観測された。一例として、Ｌｉ_５ＧｅＰＳ_７（実施例１）は、Ｌｉ_４ＧｅＳ_４−Ｌｉ_３ＰＳ_４固溶系上に存在する高イオン導電相ＬＧＰＳに比較的近い組成であり、Ｌｉ_３ＰＳ_４に帰属可能な反射が観測された。また、実施例の試料にはいくつかの未知の反射もみられた。一例として、Ｌｉ_５．５Ｇｅ_１．５Ｐ_０．５Ｓ_７（実施例３）系では、２５°付近と４５°付近に強い未知の反射が観測され、アルジロダイト相やＬＧＰＳ相とは別の新規相の存在が示唆された。
一方で、比較例２２〜２６の試料では、アルジロダイト型相、ＬＧＰＳ相のピークは見られず、その他の既知の不純物に帰属可能な反射が多数観測された。本発明の組成範囲内の固体電解質材料は、アルジロダイト型相、ＬＧＰＳ相、および／または、未知の相を含んでおり、これらの相を含むことが優れたイオン伝導性などの性能に寄与するものと考えられる。

（Ｌｉイオン伝導度の測定）
実施例１〜４で得られた硫化物固体電解質材料、および比較例２２〜２４で得られた比較用サンプルを用いて、２５℃でのＬｉイオン伝導度を測定した。固体電解質の導電率の測定結果を表２に示す。

Ｌｉ_５ＧｅＰＳ_７系（実施例１）が最も高いイオン導電率、６．６×１０^−５Ｓｃｍ^−１を示し、次いでＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３系（実施例２）が２．１×１０^−５Ｓｃｍ^−１を示した。実施例１ではＬＧＰＳ相（Ｌｉ_３ＰＳ_４）が高イオン導電性に寄与していると考えられる。アルジロダイト相を含むＬｉ_４．１Ｇｅ_２．６Ｐ_０．７Ｓ_９系（実施例４）は７．５×１０^−６Ｓｃｍ^−１のイオン導電率を示した。不純物として絶縁性の硫化ゲルマニウムを含むため、アルジロダイト相がほぼ単一相で得られた実施例２に比べて低いイオン導電率となったと考えられる。Ｌｉ_５．５Ｇｅ_１．５Ｐ_０．５Ｓ_７系（実施例３）は１．５×１０^−５Ｓｃｍ^−１のイオン導電率を示した。粉末X線回折図形より、実施例３は既知の物質に加え、未知の反射が複数観測され、複雑な系であることが示唆されたが、比較的高いイオン導電性を示した。比較例の組成は比較的低いイオン導電性（＜１０^−７Ｓｃｍ^−１）を示した。これは実施例に比べて不純物が多いためであると考えられる。

（熱安定性の測定）
Ｘ線回折測定の結果で、７００℃で合成したＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）において、アルジロダイト型相の特徴的ピークが明瞭に識別できた。この組成比のまま、合成温度を８７０℃として固体電解質材料を合成した。得られた固体電解質材料を、室温から９００℃まで昇温し、示差熱分析（ＤＴＡ）を行った。その結果、５００℃付近に発熱ピーク、５５０℃付近に吸熱ピークが観測された。昇温速度を５〜２０℃／分で変化させることにより発熱ピークの出現温度が変化した一方、吸熱ピークの温度は変化しなかったので、発熱ピークは相の安定化、吸熱ピークは試料の融解にそれぞれ由来すると考えられる。以上の結果から、アルジロダイト型相は準安定相であると考えられる。

この示唆熱分析結果に基づいて、固体電解質材料を５３０℃で合成し、系の安定相を得ることを試みた。さらに、固体電解質材料の合成条件（加熱温度）ごとに、イオン伝導度を測定した結果を表３に示す。安定相の固体電解質材料は、準安定相の固体電解質材料よりも優れたイオン導電性を有していた。

（Ｌｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（(Ｓｎ，Ｓｉ) Ｓ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系試料の作製）
組成物中の元素ＭとしてＳｎ，Ｓｉを用いて、固体電解質材料を作製した。組成式では、Ｌｉ_{３．４５−４α＋β}（Ｓｎ_{０．０９＋α} Ｓｉ_{０．３６＋β}）Ｐ_{０．５５−β}Ｓ_４であって、β＝０．２または０．３、α＝０〜０．４の範囲となる。図５のＬｉ_２Ｓ−ＭＳ_２（（Ｓｎ，Ｓｉ）Ｓ_２）−Ｐ_２Ｓ_５系の三元組成図を参照すると、「◇」の点はβ＝０．２のライン上の組成であり、特に「◆」の点はα＝０．４の組成を示す。「▽」の点はβ＝０．３のライン上の組成であり、特に「▼」の点はα＝０．４の組成を示す。「☆」の点は、ベースとしたＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）の組成を示す。

作製されたＳｎ，Ｓｉを含む固体電解質材料のＸ線回折測定およびＬｉイオン伝導度の測定を上述した条件と同じ条件で行った。結果を図７に示す。
図７に表示された試料の組成は、以下のとおりである。
・Ｌｉ_{３．０７５}（Ｓｎ_{０．７３５}Ｓｉ_０．８４）Ｐ_{０．５２５}Ｓ_６（図５の「◆」に該当する）
・Ｌｉ_{３．２２５}（Ｓｎ_{０．７３５}Ｓｉ_０．９９）Ｐ_{０．３７５}Ｓ_６（図５の「▼」に該当する）
・ベースとしたＬｉ_１．７５Ｇｅ_０．７５Ｐ_０．２５Ｓ_３（実施例２）（図５の「☆」に該当する）
・アルジロダイト相の参照試料として、Ｌｉ_７ＰＳ_６

Ｘ線回折測定結果から、Ｓｎ，Ｓｉを含む固体電解質材料においても、アルジロダイト相が含まれることが確認された。加えて、固体電解質材料「◆」「▼」は、ベースとなるＧｅ系材料「☆」よりも、Ｌｉ含有量が少ない組成で、アルジロダイト相が形成されていた。また、それらの固体電解質材料のイオン伝導度が、Ｇｅ系材料のイオン伝導度に匹敵することが確認された。

１リチウム電池
２固体電解質
３負極
４正極
５集電体
６絶縁部

Claims

組成式（Ｌｉ_２Ｓ）_ｘ（ＭＳ_２）_ｙ（Ｐ_２Ｓ_５）_ｚで示される硫化物系固体電解質を含み、前記Ｍは、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂからなる群から選択される少なくとも１種であり、
０．５３≦ｘ≦０．７４、０．１３≦ｙ≦０．３７、０．０４≦ｚ≦０．１５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記硫化物系固体電解質の少なくとも一部が、Ｘ線波長１．５４１８オングストロームのＣｕ−Ｋα線による粉末Ｘ線回折測定において、少なくとも、１５．９°、１８．３°、２５．９°、３０．４°、３１．８°、４０．３°、４１．３°、４５．５°、４８．４°の回折角（２θ）付近に特徴的ピークを有する、固体電解質。
請求項１に記載の固体電解質を含むリチウム電池。