JP2016139461A - Solid electrolyte for electrochemical element and all-solid battery - Google Patents

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恵理奈 横山
Erina YOKOYAMA
恵理奈 横山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte for an electrochemical element, having chemically and structurally high stability and capable of achieving both higher output and higher heat resistance of a battery.SOLUTION: A solid electrolyte for an electrochemical element includes an ion conducting plastic crystal that is a complex of a plastic crystal containing a quaternary phosphonium cation and an ionic salt, a counter anion of the quaternary phosphonium cation being hexafluorophosphate, tetrafluoroborate or thiocyanate, and the ionic salt being a lithium salt, sodium salt, magnesium salt or aluminum salt.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気化学素子用固体電解質及びそれを用いた全固体電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte for an electrochemical device and an all-solid battery using the same.

不燃性又は難燃性の固体電解質を用いた全固体電池(全固体二次電池)は、電池の高耐熱化が可能であり、冷却に必要なモジュールコストを低減できるとともに、高エネルギー密度化が可能である。固体電解質の1つである酸化物系電解質を用いた二次電池では、電解質又は電極活物質粒子間に空隙が存在するため、空隙部をリチウムイオン伝導性物質で充填する方法が提案されている。例えば、特許文献1(特開平11‐7981号公報)には、正極、固体電解質及び負極から構成される二次電池において、上記正極又は負極の少なくとも一方の活物質がポリマーゲルに分散したものであることを特徴とする二次電池が開示されている。特許文献1によれば、電極の分散媒としてポリマーゲルを使用することにより電極と固体電解質との間の接触抵抗を著しく低減する効果があり、また電極反応の均一化に極めて有効であるとされている。   All-solid-state batteries (all-solid-state secondary batteries) using a non-flammable or flame-retardant solid electrolyte can increase the heat resistance of the battery, reduce the module cost required for cooling, and increase the energy density. Is possible. In a secondary battery using an oxide-based electrolyte that is one of solid electrolytes, there is a void between the electrolyte or electrode active material particles, and therefore a method of filling the void with a lithium ion conductive material has been proposed. . For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-7981) discloses a secondary battery composed of a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode in which at least one of the active materials of the positive electrode and the negative electrode is dispersed in a polymer gel. There is disclosed a secondary battery that is characterized. According to Patent Document 1, the use of a polymer gel as a dispersion medium for an electrode has an effect of remarkably reducing the contact resistance between the electrode and the solid electrolyte, and is extremely effective for homogenizing the electrode reaction. ing.

しかしながら、ゲルやポリマー等の有機分子からなる充填材は、高温での分解反応などの化学的安定性が課題であった。さらに、ゲル充填材の種類によっては、電池の駆動温度が100℃以上の高温になると、ゲルの流動性が増加し、電極の構造強度が低下する課題があった。   However, fillers made of organic molecules such as gels and polymers have a problem of chemical stability such as decomposition reaction at high temperature. Furthermore, depending on the type of the gel filler, when the battery driving temperature becomes a high temperature of 100 ° C. or higher, there is a problem that the fluidity of the gel increases and the structural strength of the electrode decreases.

そこで、充填材として有機分子からなる充填材に替えて、柔粘性結晶が注目されている。柔粘性結晶は、固体と液体状態の中間相を示す物質であり、固体状態を維持したまま高イオン伝導性を示す。この状態でリチウム塩等のイオン性塩を添加すると、さらにイオン伝導度が数桁向上することが知られている。電極層内部の空隙に柔粘性結晶を充填することで、電極内部のリチウムイオンの伝導パスが向上し高出力化を実現することができる。また、柔粘性結晶は、有機分子からなる充填材に比べて高温での化学的安定性が高い。特許文献2(国際公開第2008/081811号)には、耐熱性柔粘性結晶を適用した全固体リチウム二次電池が開示されている。   Therefore, plastic crystals have attracted attention as fillers instead of fillers made of organic molecules. The plastic crystal is a substance showing an intermediate phase between a solid state and a liquid state, and exhibits high ionic conductivity while maintaining the solid state. It is known that when an ionic salt such as a lithium salt is added in this state, the ionic conductivity is further improved by several orders of magnitude. By filling the voids inside the electrode layer with the plastic crystal, the lithium ion conduction path inside the electrode is improved and high output can be realized. In addition, plastic crystals have higher chemical stability at high temperatures than fillers made of organic molecules. Patent Document 2 (International Publication No. 2008/081811) discloses an all-solid lithium secondary battery to which a heat-resistant plastic crystal is applied.

特開平11‐7981号公報JP-A-11-7981 国際公開第2008/081811号International Publication No. 2008/081811

上記特許文献2では、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶のDSC(Differential Scanning Calorimetry)測定(相転移温度評価)、伝導性測定及びサイクリックボルタンメトリ測定(電気化学的安定性評価)の評価結果が記載されている。しかしながら、柔粘性結晶自体の物性の評価はなされているが、
柔粘性結晶を適用した全固体電池の高耐熱化及び高出力化については、何ら検討がなされていない。
In the above Patent Document 2, evaluation results of DSC (Differential Scanning Calibration) measurement (phase transition temperature evaluation), conductivity measurement and cyclic voltammetry measurement (electrochemical stability evaluation) of lithium ion conductive plastic crystals are as follows. Have been described. However, although the physical properties of the plastic crystal itself have been evaluated,
No investigation has been made on the improvement in heat resistance and output of an all-solid battery using a plastic crystal.

本発明は、上記事情に鑑み、低温で充填可能であり、化学的・構造的に安定性が高く、電池の高出力化及び高耐熱化を両立することが可能な電気化学素子用固体電解質を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention provides a solid electrolyte for an electrochemical element that can be filled at a low temperature, has high chemical and structural stability, and can achieve both high output and high heat resistance of a battery. The purpose is to provide.

本発明は、上記目的を達成するため、4級ホスホニウムカチオンを含む柔粘性結晶とイオン性塩との複合体であるイオン伝導性柔粘性結晶を含むことを特徴とする電気化学素子用固体電解質を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a solid electrolyte for an electrochemical device comprising an ion conductive plastic crystal that is a complex of a plastic crystal containing a quaternary phosphonium cation and an ionic salt. provide.

また、本発明は、正極と、負極と、上記正極と上記負極とを仕切るセパレータと、を含み、上記正極、上記負極及び上記セパレータの少なくとも1つが、上記イオン伝導性柔粘性結晶を含むことを特徴とする全固体電池を提供する。   Further, the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator that partitions the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode, the negative electrode, and the separator includes the ion conductive plastic crystal. An all-solid battery is provided.

本発明によれば、低温で電極へ充填可能であり、化学的・構造的に安定性が高く、電池の高耐熱化(室温〜150℃未満で使用可能)及び高出力化を両立することが可能な電気化学素子用固体電解質を提供することができる。また、該電気化学素子用固体電解質を用いた全固体電池を提供することができる。   According to the present invention, the electrode can be filled at a low temperature, has high chemical and structural stability, and can achieve both high heat resistance of the battery (can be used at room temperature to less than 150 ° C) and high output. A possible solid electrolyte for an electrochemical device can be provided. Moreover, the all-solid-state battery using this solid electrolyte for electrochemical elements can be provided.

本発明に係る全固体電池の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the all-solid-state battery which concerns on this invention. 図1の正極合材層40の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the positive mix layer 40 of FIG. 図1の負極合材層60の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the negative mix layer 60 of FIG. 図1のセパレータ層50の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the separator layer 50 of FIG.

以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明はこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various modifications by those skilled in the art are within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Changes and modifications are possible. In all the drawings for explaining the present invention, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

<全固体電池>
図1は、本発明に係る全固体電池の一例を模式的に示す断面図である。図1に示すように、全固体電池(以下、単に電池とも称する)100は、電池ケース30に収納された正極70と、負極80と、正極70及び負極80を仕切るセパレータ層50とを含む。正極70は、正極集電体10と、正極集電体10上に設けられた正極合材層40とを有し、負極80は、負極集電体20と、負極集電体20上に設けられた負極合材層60とを有する。
<All solid battery>
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of an all-solid battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, an all-solid battery (hereinafter also simply referred to as a battery) 100 includes a positive electrode 70 housed in a battery case 30, a negative electrode 80, and a separator layer 50 that partitions the positive electrode 70 and the negative electrode 80. The positive electrode 70 includes the positive electrode current collector 10 and the positive electrode mixture layer 40 provided on the positive electrode current collector 10, and the negative electrode 80 is provided on the negative electrode current collector 20 and the negative electrode current collector 20. And the negative electrode composite material layer 60 thus obtained.

本発明に係る全固体電池100は、正極70、負極80及びセパレータ層50のうちの少なくとも1つが、後述する本発明に係るイオン伝導性柔粘性結晶を含むものである。本発明は、全固体電池として、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池及びアルミニウムイオン電池等を適用することができる。以下の説明では全固体電池100としてリチウムイオン電池を例にして、本発明について詳述する。なお、以下の説明では、全固体電池100を単に「電池」とも称し、正極70及び負極80を単に「電極」とも称し、正極合材層40及び負極合材層を単に「電極合材層」又は「合剤層」とも称する。   In the all solid state battery 100 according to the present invention, at least one of the positive electrode 70, the negative electrode 80, and the separator layer 50 includes an ion conductive plastic crystal according to the present invention described later. The present invention is applicable to lithium ion batteries, sodium ion batteries, magnesium ion batteries, aluminum ion batteries, and the like as all solid state batteries. In the following description, the present invention will be described in detail by taking a lithium ion battery as an example of the all-solid battery 100. In the following description, the all solid state battery 100 is also simply referred to as “battery”, the positive electrode 70 and the negative electrode 80 are also simply referred to as “electrode”, and the positive electrode mixture layer 40 and the negative electrode mixture layer are simply referred to as “electrode mixture layer”. Or it is also called “mixture layer”.

<イオン伝導性柔粘性結晶>
本発明に係るイオン伝導性柔粘性結晶(本実施形態ではリチウムイオン伝導性柔粘性結晶)は、4級ホスホニウムカチオンを含む柔粘性結晶とイオン性塩との複合体である。本発明に係るイオン伝導性柔粘性結晶は、リチウムイオン電池の駆動温度(室温〜150℃未満)で柔粘性結晶状態を有して高イオン伝導性を示す物質であり、さらに上記駆動温度以上の融点を有してリチウムイオン電池の高耐熱化を実現するものである。柔粘性結晶を構成する4級ホスホニウムカチオンとしては、下記式(1)で表されるものが好適である。
<Ion conductive plastic crystal>
The ion conductive plastic crystal according to the present invention (in this embodiment, a lithium ion conductive plastic crystal) is a composite of a plastic crystal containing a quaternary phosphonium cation and an ionic salt. The ion conductive plastic crystal according to the present invention is a substance having a plastic crystal state at a driving temperature of a lithium ion battery (room temperature to less than 150 ° C.) and exhibiting high ion conductivity, and further having a temperature equal to or higher than the driving temperature. It has a melting point and realizes high heat resistance of the lithium ion battery. As the quaternary phosphonium cation constituting the plastic crystal, those represented by the following formula (1) are suitable.

Figure 2016139461
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式(1)において、R〜Rは、それぞれ独立してメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基又はイソブチル基である。 In the formula (1), R A to R D are each independently a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, or an isobutyl group.

本発明に係る4級ホスホニウムカチオンは、融点が高く(150℃以上)、電池を高耐熱化することができる。従来の液系電池は、高温での材料劣化及び安全性の低下の防止のために、電池駆動温度の上限が約80℃と低かった。本発明のように、融点が100℃以上の柔粘性結晶を電解液の代わりとして用いれば、電池駆動温度が高くなるため、高温環境で使用する掘削機や車のエンジンルーム内への設置等、電池用途を拡大することができる。   The quaternary phosphonium cation according to the present invention has a high melting point (150 ° C. or higher) and can increase the heat resistance of the battery. In the conventional liquid battery, the upper limit of battery driving temperature is as low as about 80 ° C. in order to prevent material deterioration and safety deterioration at high temperatures. Like the present invention, if a plastic crystal having a melting point of 100 ° C. or higher is used instead of the electrolyte, the battery driving temperature becomes high, so that it is installed in an engine room of an excavator or a car used in a high temperature environment, etc. Battery applications can be expanded.

4級ホスホニウムカチオンとして、より具体的には下記式(2)〜(4)が好適である。   More specifically, as the quaternary phosphonium cation, the following formulas (2) to (4) are preferable.

Figure 2016139461
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柔粘性結晶は、4級ホスホニウムカチオンの対アニオンを更に含み、イオン性の結晶を構成する。対アニオンとしては、柔粘性結晶がリチウムイオン電池の使用温度(室温〜150℃未満)で柔粘性結晶状態を示し、該柔粘性結晶の融点が電池の使用温度以上のものとなるものであれば特に限定は無い。例えば、ヘキサフルオロホスファート、テトラフルオロボレート、チオシアネート、ビスフルオロスルホニルアミド及びビストリフルオロメタンスルホニルアミド、トリフルオロスルホニルイミド(TFSI‐)、フルオロスルホニルイミド(FSI‐)及びビスパーフルオロエチルスルホニルイミド(BETI‐)等、公知のアニオンを組み合わせることができる。一般的に体積が小さいアニオンほど融点が高くなる傾向があり、この観点でヘキサフルオロホスファート、テトラフルオロボレート及びチオシアネート等のアニオンがより好ましい。なお、アニオンの体積は、下記式(8)によって算出することができる。柔粘性結晶状態であるか否かは、DSC測定によって調べることができる。また、本発明において「室温」は25℃とする。   The plastic crystal further contains a counter anion of a quaternary phosphonium cation and constitutes an ionic crystal. As the counter anion, the plastic crystal exhibits a plastic crystal state at the use temperature of the lithium ion battery (room temperature to less than 150 ° C.), and the melting point of the plastic crystal is higher than the use temperature of the battery. There is no particular limitation. For example, hexafluorophosphate, tetrafluoroborate, thiocyanate, bisfluorosulfonylamide and bistrifluoromethanesulfonylamide, trifluorosulfonylimide (TFSI-), fluorosulfonylimide (FSI-) and bisperfluoroethylsulfonylimide (BETI- ) And the like can be combined with known anions. In general, an anion having a smaller volume tends to have a higher melting point. In this respect, anions such as hexafluorophosphate, tetrafluoroborate, and thiocyanate are more preferable. The volume of the anion can be calculated by the following formula (8). Whether or not it is a plastic crystal state can be examined by DSC measurement. In the present invention, “room temperature” is 25 ° C.

アニオンの体積=(アニオンのファンデルワールス半径)×3.14 式(8) Volume of anion = (Van der Waals radius of anion) 2 × 3.14 Formula (8)

ヘキサフルオロホスファート、テトラフルオロボレート及びチオシアネートの化学式は、それぞれ下記式(5)〜(7)である。   The chemical formulas of hexafluorophosphate, tetrafluoroborate and thiocyanate are the following formulas (5) to (7), respectively.

Figure 2016139461
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Figure 2016139461
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4級ホスホニウムカチオンと対アニオンの好ましい組み合わせは、式(2)と式(5)、式(2)と式(6)、式(3)と式(7)及び式(4)と式(7)である。なお、4級ホスホニウムカチオン及び対アニオンは、それぞれ上述したものを少なくとも1種類含んでいればよく、2種類以上を含んでいてもよい。   Preferred combinations of the quaternary phosphonium cation and the counter anion include formula (2) and formula (5), formula (2) and formula (6), formula (3) and formula (7), formula (4) and formula (7 ). In addition, the quaternary phosphonium cation and the counter anion need only contain at least one of those described above, and may contain two or more.

本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶は、上記柔粘性結晶と、イオン性塩(本実施形態ではリチウム塩)との複合体である。なお、本実施形態ではイオン性塩としてリチウム塩を用いるが、電気化学素子の電解質内部を移動するイオン伝導体によって他の塩を選択することができる。リチウム塩以外のイオン性塩として、例えばナトリウム塩、マグネシウム塩又はアルミニウム塩を用いることができる。   The lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention is a composite of the plastic crystal and an ionic salt (lithium salt in the present embodiment). In this embodiment, a lithium salt is used as the ionic salt, but other salts can be selected depending on the ionic conductor moving inside the electrolyte of the electrochemical element. As an ionic salt other than the lithium salt, for example, a sodium salt, a magnesium salt, or an aluminum salt can be used.

リチウム塩の添加濃度は、0.1mol%〜20mol%が好ましく、0.5mol%〜15mol%がより好ましく、1〜10mol%が特に好ましい。0.1mol%未満ではリチウムイオン伝導性が低く、電池出力が低下する。また、20mol%よりも大きいと、リチウム添加による融点の低下が著しく、電池の耐熱性が低下する。なお、本発明においてリチウム塩の添加濃度は、下記式(9)によって算出したものである。   The concentration of the lithium salt added is preferably 0.1 mol% to 20 mol%, more preferably 0.5 mol% to 15 mol%, and particularly preferably 1 to 10 mol%. If it is less than 0.1 mol%, the lithium ion conductivity is low, and the battery output decreases. On the other hand, if it exceeds 20 mol%, the melting point is remarkably lowered by the addition of lithium, and the heat resistance of the battery is lowered. In the present invention, the addition concentration of the lithium salt is calculated by the following formula (9).

リチウム塩の添加濃度(mol%)=リチウム塩の物質量(mol)/(柔粘性結晶の物質量(mol)+リチウム塩の物質量(mol)) 式(9) Lithium salt addition concentration (mol%) = Lithium salt substance amount (mol) / (Plastic crystal substance quantity (mol) + lithium salt substance amount (mol)) Formula (9)

リチウム塩の具体例としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiCFSO、LiCFCO、LiBOB、LiAsF、LiSbF及びリチウムトリフルオロメタンスルホニルイミドで代表されるリチウムのイミド塩等がある。本発明では、これらの塩を単独又は複数組み合わせて使用することができる。本実施形態に係る電池100が有する正極70及び負極80上で分解しなければ、これ以外のリチウム塩を用いてもよい。 Specific examples of the lithium salt, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiBOB, LiAsF 6, LiSbF 6 and imide salt such as lithium represented by lithium trifluoromethanesulfonyl imide is there. In the present invention, these salts can be used alone or in combination. Other lithium salts may be used as long as they do not decompose on the positive electrode 70 and the negative electrode 80 of the battery 100 according to this embodiment.

本発明に係るイオン伝導性柔粘性結晶は、イオン性塩と柔粘性結晶との複合体であり、この複合体は、イオン性塩と柔粘性結晶とが分子レベル又は分子レベルに近い状態で混合した状態のものである。複合体の作製方法に限定は無いが、例えばイオン性塩とイオン伝導性柔粘性結晶とを乳鉢混合する方法、イオン性塩とイオン伝導性柔粘性結晶とを有機溶媒に溶解し、再結晶する方法及びイオン性塩とイオン伝導性柔粘性結晶とを柔粘性結晶の融点以上の温度まで加熱し、イオン性塩を溶解し、冷却固化する方法等がある。このような複合状態を構成することで、高いイオン伝導性を発現することができる。   The ion conductive plastic crystal according to the present invention is a complex of an ionic salt and a plastic crystal, and this complex is mixed in a state where the ionic salt and the plastic crystal are at or near the molecular level. It is a thing of the state. There are no limitations on the method of producing the composite, but for example, a method of mixing an ionic salt and an ion conductive plastic crystal in a mortar, and dissolving and recrystallizing the ionic salt and the ion conductive plastic crystal in an organic solvent There are a method, a method in which an ionic salt and an ion conductive plastic crystal are heated to a temperature equal to or higher than a melting point of the plastic crystal, and the ionic salt is dissolved and cooled and solidified. By configuring such a composite state, high ionic conductivity can be expressed.

次に、電池の各構成について説明する。本実施形態では、正極70、負極80及びセパレータ層50の全てが本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を含む態様について説明する。   Next, each configuration of the battery will be described. In the present embodiment, a mode in which all of the positive electrode 70, the negative electrode 80, and the separator layer 50 include the lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention will be described.

<正極集電体10>
正極集電体10は、正極70に電気的に接続されている。正極集電体10としては、厚さが10〜100μmのアルミニウム箔、厚さが10〜100μmで孔径が0.1〜10mmのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル又は発泡金属板等が用いられる。アルミニウムの他に、ステンレスやチタン等の材質も適用可能である。本発明では、材質、形状及び製造方法等に制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。
<Positive electrode current collector 10>
The positive electrode current collector 10 is electrically connected to the positive electrode 70. As the positive electrode current collector 10, an aluminum foil having a thickness of 10 to 100 μm, an aluminum perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a pore diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal, a foamed metal plate, or the like is used. In addition to aluminum, materials such as stainless steel and titanium are also applicable. In the present invention, any current collector can be used without being limited by the material, shape, manufacturing method and the like.

<負極集電体20>
負極集電体20は、負極80に電気的に接続されている。負極集電体20としては、厚さが10〜100μmの銅箔、厚さが10〜100μmで孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル又は発泡金属板等が用いられる。銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケル又はカーボンコートアルミニウム等の材質も適用可能である。本発明では、材質、形状及び造方法等に制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。
<Negative electrode current collector 20>
The negative electrode current collector 20 is electrically connected to the negative electrode 80. As the negative electrode current collector 20, a copper foil having a thickness of 10 to 100 μm, a copper perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a pore diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal, a foam metal plate, or the like is used. In addition to copper, materials such as stainless steel, titanium, nickel, or carbon-coated aluminum are also applicable. In the present invention, any current collector can be used without being limited by the material, shape, manufacturing method, and the like.

<正極合材層40>
図2は図1の正極合材層40の部分拡大図である。図2に示すように、正極合材層40は、正極活物質(以下、単に「活物質」とも称する。)41、上記リチウムイオン伝導性柔粘性結晶42、任意の正極導電剤43及び任意のバインダ44を有する。正極導電剤43及びバインダ44に限定はなく、公知のものを用いることができる。
<Positive electrode mixture layer 40>
FIG. 2 is a partially enlarged view of the positive electrode mixture layer 40 of FIG. As shown in FIG. 2, the positive electrode mixture layer 40 includes a positive electrode active material (hereinafter also simply referred to as “active material”) 41, the lithium ion conductive plastic crystal 42, an optional positive electrode conductive agent 43, and an optional positive electrode conductive agent 43. A binder 44 is included. There is no limitation in the positive electrode conductive agent 43 and the binder 44, and a well-known thing can be used.

本実施形態では、電極内部(正極合材層40の内部)の空隙にリチウムイオン伝導性柔粘性結晶42を充填し、電池の高出力化を実現している。   In this embodiment, the lithium ion conductive plastic crystal 42 is filled in the voids inside the electrode (inside the positive electrode mixture layer 40), thereby realizing high output of the battery.

正極活物質41の好ましい例としては、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiMnO、LiMn、LiMnO、LiMn12、LiMn2−x(ただし、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、Tiからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x=0.01〜0.2)、LiMnMO(ただし、M=Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種)、Li1−xMn(ただし、A=Mg、B、Al、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、Caからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x=0.01〜0.1)、LiNi1−x(ただし、M=Co、Fe、Gaからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x=0.01〜0.2)、LiFeO、Fe(SO、LiCo1−x(ただし、M=Ni、Fe、Mnからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x=0.01〜0.2)、LiNi1−x(ただし、M=Mn、Fe、Co、Al、Ga、Ca、Mgからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO、FeF、LiFePO及びLiMnPO等が挙げられる。正極活物質41として、上記の材料が1種単独又は2種以上含まれていてもよい。正極活物質41は、充電過程においてリチウムイオンが脱離し、放電過程において後述する負極合材層60中の負極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入される。 Preferred examples of the positive electrode active material 41 include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , LiMn 2−x M x O 2 (however, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, at least one selected from the group consisting of Ti, x = 0.01 to 0.2), Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co , At least one selected from the group consisting of Ni, Cu, Zn), Li 1-x A x Mn 2 O 4 (where A = Mg, B, Al, Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Ca) At least one selected from the group consisting of x = 0.01 to 0.1), LiNi 1-x M x O 2 (however, at least one selected from the group consisting of M = Co, Fe, Ga) Yes, = 0.01~0.2), LiFeO 2, Fe 2 (SO 4) 3, LiCo 1-x M x O 2 ( provided that at least one selected from the group consisting of M = Ni, Fe, Mn , X = 0.01 to 0.2), LiNi 1-x M x O 2 (where M = Mn, Fe, Co, Al, Ga, Ca, Mg, at least one selected from the group consisting of x = 0.01-0.2), Fe (MoO 4 ) 3 , FeF 3 , LiFePO 4, LiMnPO 4 and the like. As the positive electrode active material 41, the above materials may be contained singly or in combination of two or more. In the positive electrode active material 41, lithium ions are desorbed in the charging process, and lithium ions desorbed from the negative electrode active material in the negative electrode mixture layer 60 described later are inserted in the discharging process.

正極活物質41の粒径は、正極合材層40の厚さ以下になるように通常は調整される。正極活物質41の粉末中に合材層厚さより大きいサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級や風流分級等により粗粒を除去し、正極合材層40の厚さ以下の粒子を作製することが好ましい。   The particle diameter of the positive electrode active material 41 is usually adjusted so as to be equal to or less than the thickness of the positive electrode mixture layer 40. When there are coarse particles having a size larger than the thickness of the composite material layer in the powder of the positive electrode active material 41, the coarse particles are previously removed by sieving classification, wind classification, or the like to produce particles having a thickness equal to or less than the thickness of the positive electrode composite material layer 40. It is preferable to do.

また、正極活物質41は、一般に酸化物系であるために電気抵抗が高いので、電気伝導性を補うための炭素粉末からなる正極導電剤43を利用する。正極活物質41及び正極導電剤43はともに通常は粉末であるので、粉末にバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に正極集電体10へ接着させることができる。   Moreover, since the positive electrode active material 41 is generally an oxide type and has high electric resistance, a positive electrode conductive agent 43 made of carbon powder for supplementing electric conductivity is used. Since both the positive electrode active material 41 and the positive electrode conductive agent 43 are usually powders, a binder can be mixed with the powders, and the powders can be bonded together and simultaneously bonded to the positive electrode current collector 10.

正極導電剤43の好ましい例としては、アセチレンブラック、カーボンブラック及び黒鉛又は非晶質炭素等の炭素材料等が挙げられる。正極バインダ44の好ましい例としては、スチレン‐ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド及びこれらの混合物等が挙げられる。特にイミド系バインダは熱的に安定であり、電池駆動温度が100℃以上になる場合バインダとして適している。また、加熱や紫外線照射等により架橋する反応基を有するバインダも好適に用いられる。反応基としては、ビニレン基、ヒドロキシル基、エポキシ基、アリル基、カルボニル基又は上記反応基の一部を異種元素で置換した反応基が好適である。   Preferable examples of the positive electrode conductive agent 43 include acetylene black, carbon black, and carbon materials such as graphite or amorphous carbon. Preferable examples of the positive electrode binder 44 include styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide, and a mixture thereof. In particular, an imide-based binder is thermally stable and is suitable as a binder when the battery driving temperature is 100 ° C. or higher. In addition, a binder having a reactive group that crosslinks by heating, ultraviolet irradiation, or the like is also preferably used. As the reactive group, a vinylene group, a hydroxyl group, an epoxy group, an allyl group, a carbonyl group, or a reactive group obtained by substituting a part of the reactive group with a different element is preferable.

正極70の製造方法については特に限定は無いが、正極活物質41、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶42の原料であるリチウム塩及び柔粘性結晶、正極導電剤43、正極バインダ44及び有機溶媒を混合した正極スラリーを公知の技術で攪拌し、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法及びスクリーン印刷等によって正極集電体10へ付着させた後、有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、正極70を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の正極合材層40を正極集電体10に積層化させることも可能である。あるいは、正極活物質41と、正極導電剤43と、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶42の原料であるリチウム塩及び柔粘性結晶とを公知の技術で攪拌し、加圧によりペレット状に成型したものを正極合材層40とすることも可能である。ペレット電極では、ペレットの構造強度に応じてバインダを添加することも可能である。   There is no particular limitation on the method for manufacturing the positive electrode 70, but the positive electrode active material 41, lithium salt and plastic crystal as raw materials for the lithium ion conductive plastic crystal 42, the positive electrode conductive agent 43, the positive electrode binder 44, and an organic solvent are mixed. The positive electrode slurry is agitated by a known technique, adhered to the positive electrode current collector 10 by a doctor blade method, dipping method, spray method, screen printing, etc., and then the organic solvent is dried and pressure-molded by a roll press. Thus, the positive electrode 70 can be manufactured. In addition, a plurality of positive electrode mixture layers 40 can be laminated on the positive electrode current collector 10 by performing a plurality of times from application to drying. Alternatively, a positive electrode active material 41, a positive electrode conductive agent 43, and a lithium salt and a plastic crystal, which are raw materials for the lithium ion conductive plastic crystal 42, are stirred by a known technique and molded into a pellet by pressurization. Can also be used as the positive electrode mixture layer 40. In the pellet electrode, a binder can be added according to the structural strength of the pellet.

正極合材層40中に含まれるリチウムイオン伝導性柔粘性結晶42の含有量は、10〜90質量%であることが好ましい。リチウムイオン伝導性柔粘性結晶42の含有量が10質量%未満であると、イオン伝導パスが少なくなり高抵抗化する。一方、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶42の含有量が90質量%より大きいと、活物質量が少なくなり電池100のエネルギー密度が小さくなる。また、電子伝導パスが形成できず、高抵抗化する。   The content of the lithium ion conductive plastic crystal 42 contained in the positive electrode mixture layer 40 is preferably 10 to 90% by mass. When the content of the lithium ion conductive plastic crystal 42 is less than 10% by mass, the ion conduction path is reduced and the resistance is increased. On the other hand, when the content of the lithium ion conductive plastic crystal 42 is larger than 90% by mass, the amount of the active material is decreased and the energy density of the battery 100 is decreased. Further, an electron conduction path cannot be formed, and the resistance is increased.

正極空隙率は、0.01〜20%の範囲が好ましく、0.01〜10%がより好ましく、0.01〜1%が特に好ましい。下限値については、低ければ低いほど低抵抗化するが、0.01%であれば実用上十分である。正極空隙率が1%より大きくなると、リチウムイオン拡散が阻害される。なお、電極空隙率は、水銀ポロシメータによって測定することができる。   The positive electrode porosity is preferably in the range of 0.01 to 20%, more preferably 0.01 to 10%, and particularly preferably 0.01 to 1%. As for the lower limit, the lower the resistance, the lower the resistance, but 0.01% is practically sufficient. When the positive electrode porosity is higher than 1%, lithium ion diffusion is inhibited. The electrode porosity can be measured with a mercury porosimeter.

正極活物質41として、本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶と複合化された活物質を用いてペレットを作製しても良い。複合化方法としては、公知技術を用いることができるが、具体的には、乳鉢混合、メカニカルミリング、有機溶媒で希釈したリチウムイオン伝導性柔粘性結晶に活物質を添加し乾燥する方法及びスパッタにより活物質表面にリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を被覆する方法等が挙げられる。   As the positive electrode active material 41, a pellet may be produced using an active material combined with the lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention. As a composite method, known techniques can be used. Specifically, mortar mixing, mechanical milling, a method of adding an active material to lithium ion conductive plastic crystals diluted with an organic solvent and drying, and sputtering. Examples thereof include a method of coating the active material surface with a lithium ion conductive plastic crystal.

<負極合材層60>
図3は図1の負極合材層60の部分拡大図である。図3に示すように、負極合材層60は、負極活物質61、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶62、負極導電剤63及び任意のバインダ64を有する。負極導電剤63及びバインダ64に限定はなく、公知のものを用いることができる。
<Negative electrode mixture layer 60>
FIG. 3 is a partially enlarged view of the negative electrode mixture layer 60 of FIG. As shown in FIG. 3, the negative electrode mixture layer 60 includes a negative electrode active material 61, a lithium ion conductive plastic crystal 62, a negative electrode conductive agent 63, and an optional binder 64. There is no limitation in the negative electrode conductive agent 63 and the binder 64, A well-known thing can be used.

負極活物質61の好ましい例としては、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能な炭素材料、シリコン系材料Si、SiO、スズ系材料、チタン酸リチウム(置換元素有り又は置換元素無し)、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウムと金属(例えば、スズ、アルミニウム、アンチモン等)との合金が挙げられる。上記炭素材料としては、天然黒鉛や、天然黒鉛に乾式のCVD(Chemical Vapor Deposition)法もしくは湿式のスプレー法によって被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂材料もしくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成により製造される人造黒鉛、難黒鉛化炭素材等が挙げられる。負極活物質61として上記の材料が1種単独又は2種以上含まれていてもよい。   Preferred examples of the negative electrode active material 61 include carbon materials capable of reversibly inserting and desorbing lithium ions, silicon-based materials Si, SiO, tin-based materials, lithium titanate (with or without substitution elements), lithium vanadium. Examples of the composite oxide include an alloy of lithium and a metal (for example, tin, aluminum, antimony, etc.). Examples of the carbon material include natural graphite, a composite carbonaceous material in which a film is formed on natural graphite by a dry CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a wet spray method, a resin material such as epoxy or phenol, or petroleum or coal. Examples thereof include artificial graphite and non-graphitizable carbon material produced by firing using a pitch-based material as a raw material. As the negative electrode active material 61, the above materials may be contained singly or in combination of two or more.

負極活物質61の粒径は、負極合材層60の厚さ以下になるように通常は調整される。負極活物質61の粉末中に合材層厚さより大きいサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級や風流分級等により粗粒を除去し、負極合材層60の厚さ以下の粒子を作製することが好ましい。   The particle size of the negative electrode active material 61 is normally adjusted so as to be equal to or less than the thickness of the negative electrode mixture layer 60. When there are coarse particles having a size larger than the thickness of the composite material layer in the powder of the negative electrode active material 61, the coarse particles are removed in advance by sieving classification, wind classification, etc., and particles having a thickness equal to or less than the thickness of the negative electrode composite material layer 60 are produced. It is preferable to do.

負極導電剤63の好ましい例として、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛又は非晶質炭素等の炭素材料等が挙げられる。負極バインダ64の好ましい例として、スチレン‐ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド及びこれらの混合物等が挙げられる。特にイミド系バインダは熱的に安定であり、電池駆動温度が100℃以上になる場合バインダとして適している。また、加熱や紫外線照射等により架橋する反応基を有するバインダも好適に用いられる。反応基としては、ビニレン基、ヒドロキシル基、エポキシ基、アリル基、カルボニル基及び上記反応基の一部を異種元素で置換した反応基等が好適である。   Preferable examples of the negative electrode conductive agent 63 include carbon materials such as acetylene black, carbon black, graphite, or amorphous carbon. Preferable examples of the negative electrode binder 64 include styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide, and a mixture thereof. In particular, an imide-based binder is thermally stable and is suitable as a binder when the battery driving temperature is 100 ° C. or higher. In addition, a binder having a reactive group that crosslinks by heating, ultraviolet irradiation, or the like is also preferably used. As the reactive group, a vinylene group, a hydroxyl group, an epoxy group, an allyl group, a carbonyl group, a reactive group obtained by substituting a part of the reactive group with a different element, and the like are preferable.

負極80の製造方法については特に限定は無いが、負極活物質61、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶62の原料であるリチウム塩及び柔粘性結晶、負極導電剤63、負極バインダ64及び有機溶媒を混合した負極スラリーを公知の技術で攪拌し、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法及びスクリーン印刷法等によって負極集電体20へ付着させた後、有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形し、負極80を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の負極合材層60を負極集電体20に積層化させることも可能である。あるいは、負極活物質61と、負極導電剤63と、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶62の原料であるリチウム塩及び柔粘性結晶とを公知の技術で攪拌し、加圧によりペレット状に成型したものを負極合材層60とすることも可能である。ペレット電極では、ペレットの構造強度に応じてバインダを添加することも可能である。   Although there is no particular limitation on the manufacturing method of the negative electrode 80, the negative electrode active material 61, the lithium salt and plastic crystal that are raw materials of the lithium ion conductive plastic crystal 62, the negative electrode conductive agent 63, the negative electrode binder 64, and an organic solvent are mixed. The negative electrode slurry was agitated by a known technique and adhered to the negative electrode current collector 20 by a doctor blade method, a dipping method, a spray method, a screen printing method, etc., and then the organic solvent was dried and pressure-molded by a roll press. The negative electrode 80 can be produced. In addition, a plurality of negative electrode mixture layers 60 can be laminated on the negative electrode current collector 20 by performing a plurality of times from application to drying. Alternatively, a negative electrode active material 61, a negative electrode conductive agent 63, and a lithium salt and a plastic crystal, which are raw materials for the lithium ion conductive plastic crystal 62, are agitated by a known technique and molded into a pellet by pressurization. Can be used as the negative electrode mixture layer 60. In the pellet electrode, a binder can be added according to the structural strength of the pellet.

正極70の場合と同様に、負極合材層60中に含まれるリチウムイオン伝導性柔粘性結晶62の含有量は、10〜90質量%であることが好ましい。また、負極空隙率は、0.01〜20%の範囲が好ましく、0.01〜10%がより好ましく、0.01〜1%が特に好ましい。上記範囲の技術的意義は、上述した正極70の場合と同様である。   As in the case of the positive electrode 70, the content of the lithium ion conductive plastic crystal 62 contained in the negative electrode mixture layer 60 is preferably 10 to 90% by mass. The negative electrode porosity is preferably in the range of 0.01 to 20%, more preferably 0.01 to 10%, and particularly preferably 0.01 to 1%. The technical significance of the above range is the same as that of the positive electrode 70 described above.

負極活物質61として、本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶と複合化された活物質を用いてペレットを作製しても良い。複合化方法としては、公知技術を用いることができるが、具体的には、乳鉢混合、メカニカルミリング、有機溶媒で希釈したリチウムイオン伝導性柔粘性結晶に活物質を添加し乾燥する方法及びスパッタにより活物質表面にリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を被覆する方法等が挙げられる。   As the negative electrode active material 61, a pellet may be produced using an active material combined with the lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention. As a composite method, known techniques can be used. Specifically, mortar mixing, mechanical milling, a method of adding an active material to lithium ion conductive plastic crystals diluted with an organic solvent and drying, and sputtering. Examples thereof include a method of coating the active material surface with a lithium ion conductive plastic crystal.

<セパレータ層50>
図4は図1のセパレータ層50の部分拡大図である。図4に示すように、セパレータ層50は、固体電解質51、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶52及び任意のバインダ53を有する。
<Separator layer 50>
FIG. 4 is a partially enlarged view of the separator layer 50 of FIG. As shown in FIG. 4, the separator layer 50 includes a solid electrolyte 51, a lithium ion conductive plastic crystal 52, and an optional binder 53.

固体電解質51は、リチウムイオンを伝導する固体材料であれば特に限定はないが、安全性の観点から不燃性の無機固体電解質を含むことが望ましい。具体的には、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO、LiAlGe(PO、Li3.40.6Si0.4及びLi等で代表される酸化物ガラス、Li0.34La0.51TiO2.94等で代表されるペロブスカイト型酸化物、LiLaZrOに代表されるガーネット型酸化物などが使用できる。酸化物伝導体の中に、LiCl、LiI等のハロゲン化リチウムが含まれていてもよい。また、硫化物系の無機固体電解質も好適に用いることができる。また、ポリマー電解質シートであってもよい。以上の固体電解質を単独あるいは2つ以上を組み合わせて使用することができる。 The solid electrolyte 51 is not particularly limited as long as it is a solid material that conducts lithium ions, but it is preferable that the solid electrolyte 51 includes a nonflammable inorganic solid electrolyte from the viewpoint of safety. Specifically, Li 1.4 Al 0.4 Ti 1.6 ( PO 4) 3, LiAlGe (PO 4) 3, Li 3.4 V 0.6 Si 0.4 O 4 and Li 2 P 2 O An oxide glass represented by 6 or the like, a perovskite oxide represented by Li 0.34 La 0.51 TiO 2.94 or a garnet oxide represented by LiLaZrO 2 can be used. The oxide conductor may contain lithium halides such as LiCl and LiI. A sulfide-based inorganic solid electrolyte can also be suitably used. Further, it may be a polymer electrolyte sheet. These solid electrolytes can be used alone or in combination of two or more.

リチウムイオン伝導性柔粘性結晶52単独で十分な機械的強度が保たれる場合、固体電解質51を用いずに、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶52単独でセパレータ層50を形成することができる。リチウムイオン伝導性柔粘性結晶からなるセパレータ層を形成する方法としては、ペレット化あるいはシート化したリチウム伝導性柔粘性結晶を積層する方法、溶媒と混合したリチウム伝導性柔粘性結晶を電極合材層上に塗布し溶媒を留去する方法等が好適である。   When sufficient mechanical strength is maintained with the lithium ion conductive plastic crystal 52 alone, the separator layer 50 can be formed with the lithium ion conductive plastic crystal 52 alone without using the solid electrolyte 51. As a method for forming a separator layer made of lithium ion conductive plastic crystals, a method of stacking pelletized or sheet-formed lithium conductive plastic crystals, a lithium conductive plastic crystal mixed with a solvent, and an electrode mixture layer A method of applying the solution on the top and distilling off the solvent is suitable.

また、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶52とバインダ53との複合体をセパレータ層50とすることもができる。バインダは公知のものを使用することができるが、具体的には、スチレン‐ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド及びこれらの混合物等を使用することができる。   Further, a composite of the lithium ion conductive plastic crystal 52 and the binder 53 can be used as the separator layer 50. As the binder, known ones can be used, and specifically, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose and polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide, and a mixture thereof can be used.

正負極の短絡を防止するために、セパレータ層の内部に短絡防止層を設けることもできる。仮に電池が柔粘性結晶の融点以上に加熱された場合にも、短絡遮断層が存在することで、正負極の直接接触を抑制でき、電池の安全性を確保できる。短絡防止層の材料としては、厚み20〜100μmのポリエチレンやポリプロピレン等からなるポリオレフィン系高分子シート、ポリオレフィン系高分子と4フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートを溶着させた2層構造、ポリアミド系繊維シート及びガラス繊維シート等を使用することが可能である。特に100℃以上の高温では、耐熱性のガラス繊維シートが好ましい。電池温度が高くなったときに短絡防止層が収縮しないように、短絡防止層の表面にセラミックス及びバインダの混合物を薄層状に形成してもよい。該短絡防止層は、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶に応じて自由に選択することができ、短絡防止層の内部にリチウムイオン柔粘性結晶が浸透させやすい組み合わせを好適に用いることができる。   In order to prevent the positive and negative electrodes from being short-circuited, a short-circuit prevention layer can be provided inside the separator layer. Even when the battery is heated above the melting point of the plastic crystal, the presence of the short-circuit blocking layer can suppress the direct contact between the positive and negative electrodes, thereby ensuring the safety of the battery. As a material for the short-circuit prevention layer, a polyolefin polymer sheet made of polyethylene or polypropylene having a thickness of 20 to 100 μm, a two-layer structure in which a polyolefin polymer and a fluorine polymer sheet typified by tetrafluoropolyethylene are welded. Polyamide fiber sheets and glass fiber sheets can be used. Particularly at a high temperature of 100 ° C. or higher, a heat-resistant glass fiber sheet is preferable. A mixture of ceramics and a binder may be formed in a thin layer on the surface of the short-circuit prevention layer so that the short-circuit prevention layer does not shrink when the battery temperature increases. The short-circuit prevention layer can be freely selected according to the lithium ion conductive plastic crystal, and a combination in which the lithium ion plastic crystal can easily penetrate into the short-circuit prevention layer can be suitably used.

<電極形状>
集電箔への正極及び負極合材層の付着形態としては、電池の用途や形状により適宜選択可能だが、集電箔の全面を被覆するように合材層が存在しても良いし、集電箔の四方に合材層が存在しない部位(以下、余白とする)を残しても良い。集電箔に付着させた電極合材層に、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶からなるセパレータ層を形成する方法としては、ペレット化あるいはシート化したリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を積層する方法、溶媒と混合したリチウム伝導性柔粘性結晶を電極合材層上に塗布し溶媒を留去する方法などが好適である。電極内にリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を充填する方法として、加熱、真空脱法、加圧等の方法を適用してよい。上述した本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶は、200℃で確実に融解し、充填することができる。
<Electrode shape>
The form of the positive and negative electrode mixture layers attached to the current collector foil can be appropriately selected depending on the use and shape of the battery. However, a mixture layer may be present so as to cover the entire surface of the current collector foil. You may leave the site | part (henceforth a blank space) in which the compound-material layer does not exist on the four sides of electric foil. As a method of forming a separator layer made of lithium ion conductive plastic crystals on the electrode mixture layer adhered to the current collector foil, a method of laminating pelletized or sheeted lithium ion conductive plastic crystals, a solvent, A method of applying a lithium conductive plastic crystal mixed with the above to the electrode mixture layer and distilling off the solvent is suitable. As a method for filling the electrode with the lithium ion conductive plastic crystal, a method such as heating, vacuum evacuation, or pressurization may be applied. The lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention described above can be reliably melted and filled at 200 ° C.

<電池形状>
リチウムイオン電池100は、正極合材層40と、セパレータ層50と、負極合材層60とを積層した単セルを複数積層したバイポーラ型とすることもできる。具体的には、電極合材層と接触するセパレータ層50の面積を、集電箔の余白面積よりも小さく、電極合材層よりも大きくすることで、単セル間の液短絡を抑制し、より高エネルギー密度な電池構成にすることができる。加熱や圧力等によるセパレータ層50の変形に伴う液短絡を抑制するため、余白部分に封止構造を適用することもできる。封止構造や材料は特に制限されないが、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等の高耐熱材料を用いた粘着シール及びパッキン等及び公知のシール材を適用できる。
<Battery shape>
The lithium ion battery 100 may be of a bipolar type in which a plurality of single cells in which the positive electrode mixture layer 40, the separator layer 50, and the negative electrode mixture layer 60 are stacked are stacked. Specifically, the area of the separator layer 50 in contact with the electrode mixture layer is smaller than the blank area of the current collector foil, and larger than the electrode mixture layer, thereby suppressing a liquid short circuit between single cells, A battery configuration having a higher energy density can be obtained. In order to suppress a liquid short circuit accompanying deformation of the separator layer 50 due to heating, pressure, or the like, a sealing structure can be applied to the blank portion. The sealing structure and material are not particularly limited, but an adhesive seal and packing using a high heat-resistant material such as silicone rubber, fluororubber, polyetheretherketone, polytetrafluoroethylene, and a known sealing material can be applied.

また、絶縁性基板上に複数の単セルを形成し、単セル間に導電ネットワークを形成し、平面型バイポーラセルを形成することもできる。絶縁基板上への単セル形成方法としては、特に限定はなく、公知の技術を適用することができる。導電ネットワークの形成方法としては、スクリーン印刷や溶媒に電子電導性材料を分散させた溶液を塗布後乾燥する方法の他に、導電性金属箔や電子伝導性テープ等で単セル間を接続する方法を適用することができる。   A planar bipolar cell can also be formed by forming a plurality of single cells on an insulating substrate and forming a conductive network between the single cells. A method for forming a single cell on an insulating substrate is not particularly limited, and a known technique can be applied. As a method for forming a conductive network, in addition to screen printing and a method in which a solution in which an electronic conductive material is dispersed in a solvent is applied and then dried, a method of connecting single cells with a conductive metal foil, an electronic conductive tape, or the like Can be applied.

電極とセパレータ層の剥離による抵抗増加を抑制するため、セル作製時に加熱工程を含んでいても良い。また、電池外に加熱機構を設け、イオン伝導性柔粘性結晶を加熱により変形させて電極とセパレータ層の接合性を向上させることもできる。加熱機構としては公知の技術を適用できるが、具体的には線状・面状発熱体で電池外部を覆う方法、加熱浴を設ける方法等が挙げられる。上記加熱機構を設けることにより、黒鉛やシリコン系活物質等、充放電時に体積変化を伴う活物質を適用した際に、電極層/セパレータ層間の界面接合性が低下した場合でも、電池を解体することなく該界面を修復することができる。   In order to suppress an increase in resistance due to peeling of the electrode and the separator layer, a heating step may be included at the time of manufacturing the cell. In addition, a heating mechanism can be provided outside the battery, and the ion-conductive plastic crystal can be deformed by heating to improve the bondability between the electrode and the separator layer. A known technique can be applied as the heating mechanism, and specific examples include a method of covering the outside of the battery with a linear / planar heating element, a method of providing a heating bath, and the like. By providing the heating mechanism, the battery is dismantled even when the interfacial bondability between the electrode layer / separator layer decreases when an active material that changes in volume during charge / discharge, such as graphite or a silicon-based active material, is applied. The interface can be repaired without any problems.

電極合材層とセパレータ層の剥離を抑制するために、全固体電池に加圧機構を導入することもできる。加圧方法は、電池形状により最適な方法が選択できる。例えばラミネートパック型や角型の電池では、電極積層方向に固定板を設置し、固定板をねじ等で固定する方法、または、ばね等の加圧器具を用いる方法を適用することができる。   In order to suppress peeling of the electrode mixture layer and the separator layer, a pressurizing mechanism can be introduced into the all solid state battery. As the pressing method, an optimum method can be selected depending on the battery shape. For example, in a laminate pack type or square type battery, a method of setting a fixing plate in the electrode stacking direction and fixing the fixing plate with a screw or the like, or a method using a pressurizing device such as a spring can be applied.

<電池ケース30>
電池ケース30は、正極集電体10、負極集電体20、正極合材層40、セパレータ層50及び負極合材層60を収容する。電池ケース30の形状は、正極合材層40、セパレータ層50及び負極合材層60で構成される電極群の形状に合わせ、円筒形、偏平長円形状、扁平楕円形状及び角形等の形状を選択してもよい。電池ケース30の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼及びニッケルメッキ鋼製等、非水電解質に対して耐食性のある材料から選択される。
<Battery case 30>
The battery case 30 accommodates the positive electrode current collector 10, the negative electrode current collector 20, the positive electrode mixture layer 40, the separator layer 50, and the negative electrode mixture layer 60. The shape of the battery case 30 is a cylindrical shape, a flat oval shape, a flat oval shape, a square shape, or the like according to the shape of the electrode group composed of the positive electrode mixture layer 40, the separator layer 50, and the negative electrode mixture layer 60. You may choose. The material of the battery case 30 is selected from materials that are corrosion resistant to the nonaqueous electrolyte, such as aluminum, stainless steel, and nickel-plated steel.

以下、実施例に基いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to these.

本実施例では、正極、負極及びセパレータに本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を含むリチウムイオン電池を作製し、電気化学特性(初回放電容量)を評価した。正極及び負極をペレット電極とした。   In this example, a lithium ion battery including the lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention in a positive electrode, a negative electrode, and a separator was produced, and electrochemical characteristics (initial discharge capacity) were evaluated. The positive electrode and the negative electrode were used as pellet electrodes.

<リチウムイオン伝導性柔粘性結晶の作製>
リチウム塩としてLiPFと、柔粘性結晶として式(2)で表される4級ホスホニウムカチオンと式(5)で表されるヘキサフルオロホスファートとを含む結晶をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で乳鉢を用いて混合し、耐熱容器に密閉し、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶の融点以上の温度で加熱した。液体状態で攪拌し、空冷した後、グローブボックス内で開封し、混合物を乳鉢で粉砕した。作製した混合物をリチウムイオン伝導性柔粘性結晶として用いた。リチウム塩の添加濃度は5mol%とした。リチウムイオン伝導性柔粘性結晶の組成とリチウム塩の添加濃度を後述する表1に記載する。
<Preparation of lithium ion conductive plastic crystal>
A mortar is placed in a glove box in an argon atmosphere using LiPF 6 as a lithium salt, a quaternary phosphonium cation represented by the formula (2) as a plastic crystal, and a hexafluorophosphate represented by the formula (5). The mixture was mixed, sealed in a heat-resistant container, and heated at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive plastic crystal. The mixture was stirred in a liquid state and air-cooled, then opened in a glove box, and the mixture was pulverized in a mortar. The prepared mixture was used as a lithium ion conductive plastic crystal. The addition concentration of the lithium salt was 5 mol%. The composition of the lithium ion conductive plastic crystal and the addition concentration of the lithium salt are shown in Table 1 described later.

<正極の作製>
コバルト酸リチウム、上記リチウムイオン伝導性柔粘性結晶及びアセチレンブラックを30:50:20(質量%)の割合で量り取り、乳鉢で均一になるよう混合した。混合物を0.1g秤量し、ダイスを用いて1MPaの圧力でプレスし、正極ペレットを作製した。上記の作業はすべてアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<Preparation of positive electrode>
Lithium cobaltate, the above lithium ion conductive plastic crystal and acetylene black were weighed at a ratio of 30:50:20 (mass%) and mixed in a mortar to be uniform. 0.1 g of the mixture was weighed and pressed with a die at a pressure of 1 MPa to produce a positive electrode pellet. All the above operations were performed in a glove box in an argon atmosphere.

<セパレータ層の作製>
上記リチウムイオン伝導性柔粘性結晶を0.1g秤量し、ダイスを用いて1MPaの圧力でプレスし、ペレットを作製した。上記の作業はアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<Preparation of separator layer>
0.1 g of the lithium ion conductive plastic crystal was weighed and pressed with a die at a pressure of 1 MPa to produce a pellet. The above operation was performed in a glove box in an argon atmosphere.

<負極の作製>
チタン酸リチウム、上記リチウムイオン伝導性柔粘性結晶及びアセチレンブラックを30:50:20(質量%)の割合で量り取り、乳鉢で均一になるよう混合した。混合物を0.1g秤量し、ダイスを用いて1MPaの圧力でプレスし、負極ペレットを作製した。上記の作業はすべてアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<Production of negative electrode>
Lithium titanate, the above lithium ion conductive plastic crystal, and acetylene black were weighed in a ratio of 30:50:20 (mass%) and mixed uniformly in a mortar. 0.1 g of the mixture was weighed and pressed with a die at a pressure of 1 MPa to prepare a negative electrode pellet. All the above operations were performed in a glove box in an argon atmosphere.

<評価セルの作製>
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、正極ペレット、セパレータ層及び負極ペレットをステンレス製の2極式セル内部に積層し、四隅を固定し密閉した。セルを恒温槽に設置し、200℃で1時間加熱した。
<Production of evaluation cell>
In a glove box in an argon atmosphere, a positive electrode pellet, a separator layer, and a negative electrode pellet were laminated inside a stainless steel bipolar cell, and the four corners were fixed and sealed. The cell was installed in a thermostat and heated at 200 ° C. for 1 hour.

<電気化学特性の評価>
100℃に設定した恒温槽にセルを設置し、充放電レート0.01Cで4.2〜2.5Vの電圧範囲で充放電を行い、初回放電容量を測定した。なお、充放電電流はLCOの設計容量に対して0.01Cになるよう設定した。測定結果を後述する表2に記載する。
<Evaluation of electrochemical characteristics>
The cell was installed in the thermostat set to 100 degreeC, charge / discharge was performed in the voltage range of 4.2-2.5V by the charge / discharge rate 0.01C, and the first time discharge capacity was measured. The charge / discharge current was set to 0.01 C with respect to the LCO design capacity. The measurement results are shown in Table 2 described later.

リチウム塩をLiBFとし、柔粘性結晶を式(2)で表される4級ホスホニウムカチオンと式(6)で表されるテトラフルオロボレートとを含む結晶としたこと以外は実施例1と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。 Except that the lithium salt was LiBF 4 and the plastic crystal was a crystal containing a quaternary phosphonium cation represented by the formula (2) and a tetrafluoroborate represented by the formula (6), the same as in Example 1. Lithium ion batteries were fabricated and their electrochemical properties were evaluated. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

リチウム塩をLiSCNとし、柔粘性結晶を式(3)で表される4級ホスホニウムカチオンと式(7)で表されるチオシアネートとを含む結晶としたこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。   Except that the lithium salt was LiSCN and the plastic crystal was a crystal containing a quaternary phosphonium cation represented by the formula (3) and a thiocyanate represented by the formula (7), the lithium ion was the same as in Example 1. The battery was fabricated and the electrochemical characteristics were evaluated. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

リチウム塩をLiSCNとし、柔粘性結晶を式(4)で表される4級ホスホニウムカチオンと式(7)で表されるチオシアネートとを含む結晶としたこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。   Except that the lithium salt was LiSCN and the plastic crystal was a crystal containing a quaternary phosphonium cation represented by the formula (4) and a thiocyanate represented by the formula (7), the lithium ion was the same as in Example 1. The battery was fabricated and the electrochemical characteristics were evaluated. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

リチウム塩の添加濃度を0.05mol%としたこと以外は、実施例4と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。   A lithium ion battery was prepared and electrochemical characteristics were evaluated in the same manner as in Example 4 except that the addition concentration of the lithium salt was 0.05 mol%. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

リチウム塩の添加濃度を10mol%としたこと以外は、実施例4と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。   A lithium ion battery was prepared and electrochemical characteristics were evaluated in the same manner as in Example 4 except that the addition concentration of the lithium salt was 10 mol%. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

本実施例では、正極及び負極を塗布型の電極としたリチウムイオン電池を作製し、電気化学特性(初回放電容量)を評価した。   In this example, a lithium ion battery using a positive electrode and a negative electrode as coating-type electrodes was produced, and electrochemical characteristics (initial discharge capacity) were evaluated.

<正極の作製>
コバルト酸リチウム(LiCoO(以下、「LCO」と称する))が90質量%、アセチレンブラック(以下、「AB」と称する)が5質量%及びイミドバインダが5質量%の固形分比になるように、平均粒子径10μmのLCO、AB及びNMP(N‐メチルピロリドン)に溶解させたイミドバインダをめのう乳鉢内で混合してスラリーを作製した。その後、直径20mmφに打ち抜いた厚み20μmのカーボンコートアルミニウム箔上に直径10mmΦとなるようにスラリーを塗工した。塗工後の電極を、温度を80℃に保った乾燥機内に静置してNMPを留去し、正極合材層の密度が約0.6cm/cmの正極を得た。
<Preparation of positive electrode>
Lithium cobaltate (LiCoO 2 (hereinafter referred to as “LCO”)) is 90% by mass, acetylene black (hereinafter referred to as “AB”) is 5% by mass, and the imide binder is 5% by mass. Then, an imide binder dissolved in LCO, AB and NMP (N-methylpyrrolidone) having an average particle diameter of 10 μm was mixed in an agate mortar to prepare a slurry. Thereafter, a slurry was coated on a carbon-coated aluminum foil having a thickness of 20 μm punched to a diameter of 20 mmφ so as to have a diameter of 10 mmΦ. The coated electrode was allowed to stand in a drier maintained at a temperature of 80 ° C., and NMP was distilled off to obtain a positive electrode having a positive electrode mixture layer density of about 0.6 cm / cm 3 .

<負極の作製>
チタン酸リチウム(LiTi12(以下、「LTO」と称する)が90.6質量%、ABが4.7質量%及びイミドバインダが4.7質量%の固形分比になるように、平均粒子径20μmのLTO、AB粉末及びNMPに溶解させたイミドバインダをめのう乳鉢内で混合してスラリーを作製した。その後、直径20mmφに打ち抜いた厚み20μmのカーボンコートアルミニウム箔上に直径10mmΦとなるようにスラリーを塗工した。塗工後の電極を、温度を80℃に保った乾燥機内に静置してNMPを留去し、合材層の密度が約0.8cm/cmの負極を得た。
<Production of negative electrode>
Average so that lithium titanate (LiTi 4 O 12 (hereinafter referred to as “LTO”) has a solid content ratio of 90.6% by mass, AB is 4.7% by mass, and imide binder is 4.7% by mass. A slurry was prepared by mixing an imide binder dissolved in LTO, AB powder and NMP having a particle diameter of 20 μm in an agate mortar, and then punched to a diameter of 20 mmφ on a carbon-coated aluminum foil having a thickness of 20 μm so as to have a diameter of 10 mmΦ. The coated electrode was allowed to stand in a dryer maintained at a temperature of 80 ° C. to distill off NMP, and a negative electrode having a composite layer density of about 0.8 cm / cm 3 was obtained. Obtained.

<セパレータ層の作製>
リチウムイオン伝導性柔粘性結晶を0.1g秤量し、ダイスを用いてプレスし、直径15mmΦのペレットを作製した。リチウムイオン伝導性柔粘性結晶は、リチウム塩としてLiPFと、柔粘性結晶として式(2)で表される4級ホスホニウムカチオンと式(5)で表されるヘキサフルオロホスファートとを含む結晶との複合体を用いた。リチウム塩の添加濃度は5mol%とした。上記の作業はアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<Preparation of separator layer>
0.1 g of lithium ion conductive plastic crystal was weighed and pressed with a die to produce pellets with a diameter of 15 mmΦ. The lithium ion conductive plastic crystal is a crystal containing LiPF 6 as a lithium salt, a quaternary phosphonium cation represented by the formula (2) as a plastic crystal, and a hexafluorophosphate represented by the formula (5). The complex of was used. The addition concentration of the lithium salt was 5 mol%. The above operation was performed in a glove box in an argon atmosphere.

<評価セルの作製>
作製した正極、直径15mmΦのガラス繊維及びリチウムイオン伝導性柔粘性結晶からなるセパレータ層、直径15mmΦのガラス繊維及び負極を下方からこの順番で積層し、セルの四隅をかしめ密閉した。セルを200℃で1時間加熱して柔粘性結晶とリチウム塩を複合体化させ、2極式セルを得た。
<Production of evaluation cell>
The prepared positive electrode, a glass fiber with a diameter of 15 mmΦ and a separator layer made of lithium ion conductive plastic crystal, a glass fiber with a diameter of 15 mmΦ and a negative electrode were laminated in this order from below, and the four corners of the cell were caulked and sealed. The cell was heated at 200 ° C. for 1 hour to complex the plastic crystal and the lithium salt to obtain a bipolar cell.

<電気化学特性の評価>
100℃に設定した恒温槽にセルを設置し、充放電レート0.01Cで4.2〜2.5Vの電圧範囲で充放電を行い、初回放電容量を測定した。なお、充放電電流はLCOの設計容量に対して0.01Cになるよう設定した。
<Evaluation of electrochemical characteristics>
The cell was installed in the thermostat set to 100 degreeC, charge / discharge was performed in the voltage range of 4.2-2.5V by the charge / discharge rate 0.01C, and the first time discharge capacity was measured. The charge / discharge current was set to 0.01 C with respect to the LCO design capacity.

[比較例1]
リチウムイオン伝導性柔粘性結晶に代えて、柔粘性結晶のみ(リチウム塩との複合体にしないもの)としたこと以外は、実施例4と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。
[Comparative Example 1]
Preparation of lithium ion battery and evaluation of electrochemical characteristics were conducted in the same manner as in Example 4 except that instead of lithium ion conductive plastic crystal, only plastic crystal was used (not a composite with lithium salt). went. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

[参考例]
正極のLCO、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶及びABの割合を50:5:45(質量%)とし、負極のチタン酸リチウム、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶及びABの割合を50:5:45(質量%)としたこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。なお、本明細書において「参考例」とは、本発明に係るリチウムイオン伝導性柔粘性結晶を用いているので公知のものではないが、リチウムイオン伝導性柔粘性結晶の電極含有量が本発明の好ましい範囲内にないものである。
[Reference example]
The ratio of LCO, lithium ion conductive plastic crystal and AB in the positive electrode was 50: 5: 45 (mass%), and the ratio of lithium titanate, lithium ion conductive plastic crystal and AB in the negative electrode was 50: 5: 45. A lithium ion battery was prepared and the electrochemical characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except that (mass%) was used. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below. In the present specification, the “reference example” is not known because the lithium ion conductive plastic crystal according to the present invention is used, but the electrode content of the lithium ion conductive plastic crystal is the present invention. It is not in the preferable range.

[比較例2]
評価セルを作製時に、セルを200℃で1時間加熱しなかったこと以外は実施例7と同様にリチウムイオン電池の作製と電気化学特性の評価を行った。リチウムイオン電池の構成を後述する表1に、初回放電容量の測定結果を後述する表2に併記する。
[Comparative Example 2]
A lithium ion battery was prepared and its electrochemical characteristics were evaluated in the same manner as in Example 7 except that the cell was not heated at 200 ° C. for 1 hour when the evaluation cell was prepared. The configuration of the lithium ion battery is shown in Table 1 below, and the measurement result of the initial discharge capacity is shown in Table 2 below.

Figure 2016139461
Figure 2016139461

Figure 2016139461
Figure 2016139461

表2に示すように、本発明に係る実施例1〜7のリチウムイオン電池は、全て100℃において高い初回放電容量(95mAhg−1以上)を実現している。これは、電極内に十分なイオン伝導パスが形成され、電極内界面抵抗が低減した効果と考えられる。 As shown in Table 2, all of the lithium ion batteries of Examples 1 to 7 according to the present invention achieve a high initial discharge capacity (95 mAhg −1 or more) at 100 ° C. This is considered to be the effect that a sufficient ion conduction path is formed in the electrode and the interfacial interface resistance is reduced.

一方、柔粘性結晶にリチウム塩を複合化していない比較例1及びリチウムイオン伝導性柔粘性結晶の含有量が本発明の好ましい範囲内に無い参考例は、初期抵抗が大きく、充電ができなかった。これは、電極内に十分なイオン伝導パスが形成されなかったためであると考えられる。また、200℃で加熱していない比較例2の初回放電容量は非常に低い値を示した。これは、柔粘性結晶とリチウム塩とが複合化されず、やはり電極内に十分なイオン伝導パスが形成されなかったためであると考えられる。   On the other hand, Comparative Example 1 in which the lithium salt was not combined with the plastic crystal and the reference example in which the content of the lithium ion conductive plastic crystal was not within the preferred range of the present invention had a large initial resistance and could not be charged. . This is presumably because a sufficient ion conduction path was not formed in the electrode. Further, the initial discharge capacity of Comparative Example 2 which was not heated at 200 ° C. showed a very low value. This is presumably because the plastic crystal and the lithium salt were not combined, and a sufficient ion conduction path was not formed in the electrode.

以上説明したとおり、本発明によれば、低温で電極へ充填可能であり、化学的・構造的に安定性が高く、電池の高耐熱化(室温〜150℃未満で使用可能)及び高出力化を両立することが可能な電気化学素子用固体電解質を提供することができること及び該電気化学素子用固体電解質を用いた全固体電池を提供することができることが実証された。   As described above, according to the present invention, the electrode can be filled at a low temperature, the chemical and structural stability is high, the battery has a high heat resistance (can be used at room temperature to less than 150 ° C.), and has a high output. It has been demonstrated that a solid electrolyte for an electrochemical element capable of satisfying both of the above can be provided and an all-solid battery using the solid electrolyte for an electrochemical element can be provided.

なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。   Note that the above-described embodiments have been specifically described in order to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to having all the configurations described. For example, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, a part of the configuration of each embodiment can be deleted, replaced with another configuration, or added with another configuration.

10…正極集電体、20…負極集電体、30…電池ケース、40…正極合材層、41…正極活物質、42…リチウムイオン伝導性柔粘性結晶、43…正極導電剤、44…正極バインダ、50…セパレータ層、51…固体電解質粒子、52…リチウムイオン伝導性柔粘性結晶、53…電解質バインダ、60…負極合材層、61…負極活物質、62…リチウムイオン伝導性柔粘性結晶、63…負極導電剤、64…負極バインダ、70…正極、80…負極、100…全固体二次電池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Positive electrode collector, 20 ... Negative electrode collector, 30 ... Battery case, 40 ... Positive electrode compound layer, 41 ... Positive electrode active material, 42 ... Lithium ion conductive plastic crystal, 43 ... Positive electrode conductive agent, 44 ... Positive electrode binder, 50 ... separator layer, 51 ... solid electrolyte particles, 52 ... lithium ion conductive plastic crystal, 53 ... electrolyte binder, 60 ... negative electrode composite layer, 61 ... negative electrode active material, 62 ... lithium ion conductive plastic viscosity Crystal 63, negative electrode conductive agent, 64 ... negative electrode binder, 70 ... positive electrode, 80 ... negative electrode, 100 ... all solid state secondary battery.

Claims (10)

4級ホスホニウムカチオンを含む柔粘性結晶とイオン性塩との複合体であるイオン伝導性柔粘性結晶を含むことを特徴とする電気化学素子用固体電解質。   A solid electrolyte for an electrochemical device, comprising an ion conductive plastic crystal that is a complex of a plastic crystal containing a quaternary phosphonium cation and an ionic salt. 前記4級ホスホニウムカチオンが下記式(1)で表されることを特徴とする請求項1記載の電気化学素子用固体電解質。
Figure 2016139461
(式(1)において、R〜Rは、それぞれ独立してメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基又はイソブチル基である。)
The solid electrolyte for an electrochemical element according to claim 1, wherein the quaternary phosphonium cation is represented by the following formula (1).
Figure 2016139461
(In Formula (1), R A to R D are each independently a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, or an isobutyl group.)
前記4級ホスホニウムカチオンが下記式(2)〜(4)のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の電気化学素子用固体電解質。
Figure 2016139461
Figure 2016139461
Figure 2016139461
The solid electrolyte for an electrochemical device according to claim 1, wherein the quaternary phosphonium cation is any one of the following formulas (2) to (4).
Figure 2016139461
Figure 2016139461
Figure 2016139461
さらに、前記柔粘性結晶が前記4級ホスホニウムカチオンの対アニオンとしてヘキサフルオロホスファート、テトラフルオロボレート又はチオシアネートを含むことを特徴とする請求項1記載の電気化学素子用固体電解質。   The solid electrolyte for an electrochemical device according to claim 1, wherein the plastic crystal further contains hexafluorophosphate, tetrafluoroborate or thiocyanate as a counter anion of the quaternary phosphonium cation. 前記イオン性塩がリチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩又はアルミニウム塩であることを特徴とする請求項1記載の電気化学素子用固体電解質。   2. The solid electrolyte for an electrochemical element according to claim 1, wherein the ionic salt is a lithium salt, a sodium salt, a magnesium salt or an aluminum salt. 前記イオン性塩の添加量が0.1〜20mol%であることを特徴とする請求項1記載の電気化学素子用固体電解質。   The solid electrolyte for an electrochemical element according to claim 1, wherein the addition amount of the ionic salt is 0.1 to 20 mol%. 正極と、負極と、前記正極と前記負極とを仕切るセパレータと、を含み、
前記正極、前記負極及び前記セパレータのうちの少なくとも1つが、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の前記イオン伝導性柔粘性結晶を含むことを特徴とする全固体電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a separator that partitions the positive electrode and the negative electrode,
An all-solid-state battery, wherein at least one of the positive electrode, the negative electrode, and the separator includes the ion-conductive plastic crystal according to any one of claims 1 to 6.
前記正極及び前記負極は、それぞれ集電体と、前記集電体上に設けられた電極合材層と、を有し、
前記電極合材層は、電極活物質と、前記イオン伝導性柔粘性結晶と、を含み、
前記イオン伝導性柔粘性結晶の含有量が前記電極合材層の10〜90質量%であることを特徴とする請求項7記載の全固体電池。
The positive electrode and the negative electrode each have a current collector and an electrode mixture layer provided on the current collector,
The electrode mixture layer includes an electrode active material and the ion conductive plastic crystal,
The all-solid-state battery according to claim 7, wherein the content of the ion conductive plastic crystal is 10 to 90% by mass of the electrode mixture layer.
前記正極又は前記負極の電極空隙率が0.01〜20%であることを特徴とする請求項7記載の全固体電池。   The all-solid-state battery according to claim 7, wherein an electrode porosity of the positive electrode or the negative electrode is 0.01 to 20%. 前記固体電池は、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池又はアルミニウムイオン電池であることを特徴とする請求項7記載の全固体電池。   8. The all solid state battery according to claim 7, wherein the solid state battery is a lithium ion battery, a sodium ion battery, a magnesium ion battery, or an aluminum ion battery.
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