JP2000340257A - Lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery

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JP2000340257A
JP2000340257A JP11307717A JP30771799A JP2000340257A JP 2000340257 A JP2000340257 A JP 2000340257A JP 11307717 A JP11307717 A JP 11307717A JP 30771799 A JP30771799 A JP 30771799A JP 2000340257 A JP2000340257 A JP 2000340257A
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lithium
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進啓 太田
Seisaku Yamanaka
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium secondary battery restraining a short circuit caused by a generation of dendrite from a negative electrode, having a high energy density, and providing an excellent charging/discharging characteristic. SOLUTION: A lithium secondary battery has an electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode made of a material containing lithium. The electrolyte layer is made of an inorganic solid electrolyte, and the positive electrode contains an organic macromolecules. The electrolyte layer preferably contains at least one type selected from a group comprising oxygen, sulfur, nitrogen, sulfide, and oxynitride. The conductivity of lithium ion of organic electrolyte of the positive electrode is preferably lower than that of the inorganic solid electrolyte of the electrolyte layer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高容量、高安全性
のリチウム二次電池に関するものである。特に、負極か
らのデンドライトの発生による短絡が抑制でき、エネル
ギー密度が高く、充放電サイクル特性に優れたリチウム
二次電池に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high capacity, high safety lithium secondary battery. In particular, the present invention relates to a lithium secondary battery capable of suppressing a short circuit due to generation of dendrite from a negative electrode, having a high energy density, and having excellent charge / discharge cycle characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】有機電解液を使用したリチウムイオン二
次電池の実用化が進展している。その特徴とするところ
は、他の電池と比較して、単位体積あるいは単位重量当
りのエネルギー出力が高いことである。特に、移動体通
信、ノートパソコン、さらには電気自動車用電源とし
て、実用化・開発が進められている。
2. Description of the Related Art Practical use of lithium ion secondary batteries using an organic electrolyte is progressing. The feature is that the energy output per unit volume or unit weight is higher than other batteries. In particular, practical application and development are being promoted as power supplies for mobile communications, notebook computers, and even electric vehicles.

【0003】このようなリチウム二次電池には、多孔質
ポリマーセパレータに有機電解液を含浸させた有機電解
液型や、有機電解液を多量に含んだゲル状ポリマーを使
用するゲルポリマー型がある。
[0003] Such lithium secondary batteries include an organic electrolyte type in which a porous polymer separator is impregnated with an organic electrolyte, and a gel polymer type in which a gel polymer containing a large amount of an organic electrolyte is used. .

【0004】しかし、有機電解液型、ゲルポリマー型の
いずれも有機電解液を多量に使用しており、その有機電
解液に起因する問題がある。すなわち、耐電圧性や電極
物質、特に通常負極に用いられる炭素に対する不安定
性、ガスの発生がある。また、これら有機電解液は基本
的に可燃性物質であり、何らかの原因による昇温・衝撃
により短絡して爆発する危険性を有している。
However, both the organic electrolytic solution type and the gel polymer type use a large amount of the organic electrolytic solution, and there is a problem caused by the organic electrolytic solution. That is, there are voltage resistance, instability with respect to electrode materials, particularly carbon, which is usually used for a negative electrode, and generation of gas. In addition, these organic electrolytes are basically flammable substances, and have a risk of explosion due to short-circuit due to temperature rise or impact due to some cause.

【0005】さらに、有機電解液型、ゲルポリマー型の
電池では、エネルギー密度を上げることが大きな技術課
題となっている。現状は、300Wh/1程度が限界で、400Wh
/1以上に向上させることが切望されている。その有効な
手段として、負極にリチウム金属を使用することが検討
されている。
[0005] Further, in the battery of the organic electrolyte type and the gel polymer type, increasing the energy density is a major technical problem. At present, about 300Wh / 1 is the limit, 400Wh
It is eager to improve to more than / 1 /. The use of lithium metal for the negative electrode has been studied as an effective means.

【0006】しかし、リチウム含有材料を負極とする場
合、充放電に利用されるリチウム金属の厚みおよび充放
電時の負極形状変化が与える電解質層への影響がある。
特に、数100サイクル以上の高サイクルでこの影響が出
てくる。また、リチウム金属は空気中の水分と反応しや
すく、成膜工程において大気を遮断するための装置が必
要となる。
However, when a lithium-containing material is used as the negative electrode, the thickness of the lithium metal used for charging and discharging and the change in the shape of the negative electrode during charging and discharging affect the electrolyte layer.
In particular, this effect appears in high cycles of several hundred cycles or more. Further, lithium metal easily reacts with moisture in the air, so that a device for shutting off the atmosphere in the film formation process is required.

【0007】さらに、有機電解液を含むリチウム電池で
は、充放電を繰り返すうちに、リチウム金属表面にデン
ドライト状リチウム金属が成長し、これが電極間の内部
短絡の原因となり、爆発等を引き起こす可能性がある。
Further, in a lithium battery containing an organic electrolyte, during repeated charging and discharging, dendrite-like lithium metal grows on the surface of the lithium metal, which may cause an internal short circuit between the electrodes and cause an explosion. is there.

【0008】この危険性を抑える手法として、次の技術
が提案されている。 1:負極となるリチウム金属を表面処理して化合物層を
形成する。化合物層には、ポリマー膜、フッ化物膜、炭
酸化合物膜、酸化物膜などが挙げられる。
The following technique has been proposed as a technique for suppressing this danger. 1: A compound layer is formed by surface-treating lithium metal to be a negative electrode. The compound layer includes a polymer film, a fluoride film, a carbonate compound film, an oxide film, and the like.

【0009】2:爆発の原因となる有機電解液を含有し
ない全固体型電池とする。例えば、有機高分子、無機結
晶などを電解質に用いる。
2: An all-solid-state battery that does not contain an organic electrolyte that may cause an explosion. For example, an organic polymer, an inorganic crystal, or the like is used for the electrolyte.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の各技術
においては次のような問題があった。 1-1:リチウム金属を表面処理する技術においては、電
池を構成する前に処理を施すものと、電池を構成する際
に電解液中および正極材料中の化合物と自然発生的に反
応させて化合物層を形成するものが知られている。
However, each of the above techniques has the following problems. 1-1: In the technology of surface treatment of lithium metal, a treatment is performed before forming a battery, and a compound is formed by spontaneously reacting with a compound in an electrolytic solution and a cathode material when forming a battery. What forms a layer is known.

【0011】1-2:前者においては、酸処理やプラズマ
処理で、リチウムのフッ化物や炭酸化物あるいは酸化物
層が形成され、それらが充放電時のリチウムのデンドラ
イトの成長を抑える効果を有しているとされる。しか
し、充放電時に界面での空孔の生成や、化合物層の剥
離、および化合物層のクラックやピンホールへの集中的
なリチウム金属の成長が起きる問題がある。
1-2: In the former, an acid treatment or a plasma treatment forms a lithium fluoride, carbonate, or oxide layer, which has the effect of suppressing the growth of lithium dendrites during charge and discharge. It is said that. However, there is a problem that vacancies are generated at the interface during charge / discharge, the compound layer is separated, and cracks in the compound layer and intensive growth of lithium metal on pinholes occur.

【0012】1-3:後者に関しては、有機電解液中のリ
チウム金属と反応して、化合物層を形成する物質が添加
されているため、リチウム金属が電解液と接している限
りは、絶えず界面に化合物層を形成する。そのため、剥
離等の問題は回避される可能性は高くなるが、不可避的
に含有される有機電解液中の不純物成分の影響で、リチ
ウム金属表面に形成される化合物層は不均一なものとな
り、リチウム金属のデンドライトの成長を抑える効果は
薄いものとなっている。
1-3: Regarding the latter, since a substance which forms a compound layer by reacting with lithium metal in the organic electrolyte is added, as long as the lithium metal is in contact with the electrolyte, the interface is constantly maintained. To form a compound layer. For this reason, the problem such as peeling is more likely to be avoided, but the compound layer formed on the lithium metal surface becomes non-uniform due to the influence of impurity components in the unavoidably contained organic electrolyte solution, The effect of suppressing the growth of lithium metal dendrite is thin.

【0013】2-1:全固体型は電解質が固体であるた
め、電極と電解質との接触に問題があり、この接触面積
の低下などによりインピーダンスが高くなり、取り出せ
る電流値を大きくできない。
2-1: In the all solid type, since the electrolyte is solid, there is a problem in contact between the electrode and the electrolyte. The impedance is increased due to a decrease in the contact area, and the current value which can be taken out cannot be increased.

【0014】2-2:固体電解質の取り扱いが困難で利用
形態に制限がある。固体電解質の材質としては、硫化物
系、酸化物系、窒化物系およびこれらの混合系である酸
窒化物系、酸硫化物系が考えられる。しかし、硫化物を
含有する化合物は高いリチウムイオン伝導性を有してい
るが、高い吸湿性および加水分解性の欠点も同時に有し
ている。そのため、電解質層の成膜後の取り扱いが難し
く、電池に組み上げる際、運搬には不活性雰囲気に封入
する必要があり、かつグローブボックス等の設備が必要
となる等、生産性、コスト上で問題となる。
2-2: It is difficult to handle the solid electrolyte, and there is a limit in the form of use. As the material of the solid electrolyte, a sulfide-based material, an oxide-based material, a nitride-based material, and an oxynitride-based material or an oxysulfide-based material, which is a mixture thereof, can be considered. However, compounds containing sulfide have high lithium ion conductivity, but also have disadvantages of high hygroscopicity and hydrolyzability. Therefore, it is difficult to handle the electrolyte layer after film formation, and when assembling it into a battery, it is necessary to enclose it in an inert atmosphere for transportation, and equipment such as a glove box is required. Becomes

【0015】2-3:リチウムイオン伝導性固体電解質の
利用の検討は主として、バルク状の焼結体もしくは粉末
状であり、利用形態に限界があり、全体のイオン伝導性
も低くなり、電池の性能も低いものとなる。一方、薄膜
の電解質を使用した場合、ピンホール及びクラックの形
成を抑制するのが困難である。特に、有機電解液を含む
正極を使用した際、正極よりの電解液がピンホール及び
クラックをに沿って負極表面に進入し、負極との反応に
よりデンドライトがピンホールやクラック個所に集中的
に成長して、電極間で短絡が起きる問題が生じる。加え
て、充放電の際、負極が体積変化を起こすが、単位面積
当たりの電流容量を高くすると、その際の歪による応力
に抗しきれず、電解質層が破壊されやすくなる。
2-3: Examination of the use of a lithium ion conductive solid electrolyte is mainly in the form of a bulk sintered body or powder, which has a limit in the form of use, lowers the overall ionic conductivity, The performance is also low. On the other hand, when a thin-film electrolyte is used, it is difficult to suppress the formation of pinholes and cracks. In particular, when a positive electrode containing an organic electrolyte is used, the electrolytic solution from the positive electrode enters the negative electrode surface along the pinholes and cracks, and dendrites grow intensively at the pinholes and cracks due to the reaction with the negative electrode. As a result, there is a problem that a short circuit occurs between the electrodes. In addition, the volume of the negative electrode changes during charging and discharging. However, if the current capacity per unit area is increased, the negative electrode cannot fully withstand the stress due to the strain at that time, and the electrolyte layer is easily broken.

【0016】従って、本発明の主目的は、負極からのデ
ンドライトの発生による短絡を抑制し、エネルギー密度
が高く、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池
を提供することにある。
Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a lithium secondary battery which suppresses a short circuit due to generation of dendrites from a negative electrode, has a high energy density, and has excellent charge / discharge cycle characteristics.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質層が無
機固体電解質で構成し、正極が有機高分子を含有してい
ることで上記目的を達成する。すなわち、充放電時にお
いてリチウム金属上でのデンドライトの成長を防止する
と共に、有機電解液と負極との反応を抑制し、過充電時
においても、電池内部の温度上昇を抑えて、爆発を回避
できる。以下、電解質層、正極、負極、電池構成の各々
について詳細に説明する。これらの各条件は単独で又は
組み合わせて利用することができる。
According to the present invention, the above object is achieved in that the electrolyte layer is composed of an inorganic solid electrolyte and the positive electrode contains an organic polymer. That is, while charging and discharging, the dendrite growth on the lithium metal is prevented, the reaction between the organic electrolyte and the negative electrode is suppressed, and even during overcharging, the temperature rise inside the battery is suppressed, and an explosion can be avoided. . Hereinafter, each of the electrolyte layer, the positive electrode, the negative electrode, and the battery configuration will be described in detail. These conditions can be used alone or in combination.

【0018】(電解質層) <材質>電解質層には、無機系固体電解質であることが
有効である。これは、無機固体電解質では、リチウム金
属との界面においてリチウム金属と傾斜組成的界面層を
形成するからである。すなわち、有機ポリマーではリチ
ウム金属と有機ポリマー層とは明確な界面を持っている
のに対し、無機固体電解質では、リチウム金属とリチウ
ム含有無機化合物の混じった層を界面に形成して、剥離
するのを防いでいる。
(Electrolyte Layer) <Material> It is effective that the electrolyte layer is an inorganic solid electrolyte. This is because the inorganic solid electrolyte forms a graded compositional interface layer with lithium metal at the interface with lithium metal. In other words, while an organic polymer has a clear interface between lithium metal and an organic polymer layer, an inorganic solid electrolyte forms a layer containing a mixture of lithium metal and a lithium-containing inorganic compound at the interface and peels off. Is preventing.

【0019】無機固体電解質の具体例としては、硫化物
系、酸化物系、窒化物系およびこれらの混合系である酸
窒化物系、酸硫化物系が考えられる。ここでの硫化物と
しては、LiS、及びLiSとSiS、GeS、GaS
の化合物などが挙げられる。また、酸窒化物としては、
LiPO4−XN2X/3、LiSiO4−XN2X/3、Li
GeO4−XN2X/3(0<X<4)、LiBO3−XN
2X/3(0<X<3)などが挙げられる。
Specific examples of the inorganic solid electrolyte include sulfides, oxides, nitrides, and oxynitrides and oxysulfides which are a mixture thereof. Examples of the sulfide include Li 2 S and a compound of Li 2 S and SiS 2 , GeS 2 , and Ga 2 S 3 . Also, as the oxynitride,
Li 3 PO 4-X N 2X / 3, Li 4 SiO 4-X N 2X / 3, Li
4 GeO 4-X N 2X / 3 (0 <X <4), Li 3 BO 3-X N
2X / 3 (0 <X <3).

【0020】特に、イオウを含有することで、リチウム
金属の表面において、傾斜組成層を形成しやすくなる。
これにより、充放電時における負極でのリチウム金属の
析出・溶解の際に、リチウム金属と固体電解質層との界
面に隙間ができて有機電解液が浸入して固体電解質層が
剥離するのを防ぐことができる。
In particular, the inclusion of sulfur facilitates the formation of a gradient composition layer on the surface of lithium metal.
This prevents a gap from being formed at the interface between the lithium metal and the solid electrolyte layer during the deposition and dissolution of the lithium metal at the negative electrode during charge and discharge, and prevents the solid electrolyte layer from peeling due to intrusion of the organic electrolyte solution. be able to.

【0021】さらに、イオウに加えて、酸素と窒素の少
なくとも一方を含有することにより、その効果は強めら
れることも判明した。これは、酸素または窒素がリチウ
ム金属との反応性が高く、より強固に無機固体電解質層
とリチウム金属とを結合するためである。また、10−3
〜10−2S/cmという高いイオン伝導度が実現できる。
これは、構成する元素間の極性および歪導入の効果に起
因するものと考えられる。また、これらの材質、特に、
酸硫化物系の欠点である高い吸湿性を抑制する効果があ
る。
It has also been found that the effect is enhanced by containing at least one of oxygen and nitrogen in addition to sulfur. This is because oxygen or nitrogen has high reactivity with the lithium metal and more strongly bonds the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal. Also, 10 -3
A high ionic conductivity of 1010 −2 S / cm can be realized.
This is considered to be caused by the polarity between the constituent elements and the effect of introducing strain. In addition, these materials, especially,
It has the effect of suppressing the high hygroscopicity, which is a drawback of oxysulfides.

【0022】これらの無機電解質層中のリチウム元素含
有量は、30原子%以上で65原子%以下であることが望ま
しい。30原子%未満ではイオン伝導度が低くなり、高抵
抗化する。また、無機固体電解質層とリチウム金属層と
の密着性が低下する。一方、65原子%を超える組成で
は、無機固体電解質層とリチウム金属層との密着性は向
上するが、無機固体電解質層が多結晶化および多孔質化
して、緻密な無機固体電解質の連続膜の形成が困難にな
る。その上、電子伝導性が発現し、電池を構成した際に
内部短絡を引き起こし、電池性能を低下させる。従っ
て、電解質層は非晶質体であることが好ましい。
It is desirable that the lithium element content in these inorganic electrolyte layers is not less than 30 atomic% and not more than 65 atomic%. If it is less than 30 atomic%, the ionic conductivity becomes low and the resistance becomes high. Further, the adhesion between the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal layer is reduced. On the other hand, when the composition exceeds 65 atomic%, the adhesion between the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal layer is improved, but the inorganic solid electrolyte layer is polycrystallized and becomes porous, so that a dense inorganic solid electrolyte continuous film is formed. It becomes difficult to form. In addition, electron conductivity develops and causes an internal short circuit when a battery is constructed, thereby lowering battery performance. Therefore, the electrolyte layer is preferably an amorphous body.

【0023】無機固体電解質のリチウム以外の含有成分
では、リン、ケイ素、ホウ素、アルミニウム、ゲルマニ
ウムおよびガリウムよりなる群から選ばれた1種類以上
の元素(以下、これらの元素を「添加元素」と称する)
を含有し、かつイオウを含有していることが好適であ
る。無機固体電解質は非晶質体であることが有効である
が、「添加元素」は、イオウを介してネットワーク構造
を構成して、この非晶質骨格を形成することが可能であ
り、かつリチウムイオンが伝導するのに最適な大きさの
サイトを供給することができる。また、「添加元素」
は、非晶質骨格の末端のイオウ原子を、正電荷であるリ
チウムイオンを捕捉するのに最適な強度の負電荷に帯電
させることができる。すなわち、この負電荷の末端イオ
ウ原子は、正電荷のリチウムイオンを適度に緩やかに捕
捉し、不必要に強固に固定することなく、リチウムイオ
ンの伝導を助ける働きをする。
In the inorganic solid electrolyte, other than lithium, one or more elements selected from the group consisting of phosphorus, silicon, boron, aluminum, germanium and gallium (hereinafter, these elements are referred to as "additional elements") )
, And preferably contains sulfur. It is effective that the inorganic solid electrolyte is an amorphous body, but the “additional element” can form a network structure through sulfur to form this amorphous skeleton, and Sites of optimal size for the conduction of ions can be provided. Also, "additive element"
Can charge a terminal sulfur atom of an amorphous skeleton to a negative charge having an optimum intensity for capturing a positively charged lithium ion. In other words, the negatively charged terminal sulfur atoms function to moderately and slowly capture the positively charged lithium ions, and serve to assist the conduction of lithium ions without being unnecessarily firmly fixed.

【0024】さらに、無機固体電解質のリチウム以外の
含有成分としては、「添加元素」およびイオウに加えて
酸素および窒素の少なくとも一方が挙げられる。酸素ま
たは窒素の含有により、さらに高いリチウムイオン伝導
性を発揮することが可能となる。これは、酸素原子また
は窒素原子が含有されることにより、形成される非晶質
骨格の隙間を広げる効果がもたらされ、リチウムイオン
が移動する妨げを軽減しているためと推定される。
Further, as a content component other than lithium of the inorganic solid electrolyte, at least one of oxygen and nitrogen in addition to the "additional element" and sulfur is exemplified. The inclusion of oxygen or nitrogen makes it possible to exhibit higher lithium ion conductivity. This is presumably because the inclusion of oxygen atoms or nitrogen atoms has the effect of widening the gaps between the formed amorphous skeletons, thereby reducing the hindrance of lithium ion migration.

【0025】加えて、無機固体電解質に「添加元素」を
含有していることの効果として、無機固体電解質層とリ
チウム金属との密着性の向上がある。無機固体電解質が
「添加元素」を含有することで、リチウム金属との親和
性を一層向上させる性能を有する。すでに記載している
様に、リチウム、イオウ、酸素、窒素の含有が、リチウ
ム金属と無機固体電解質層との密着性を改善するが、
「添加元素」以外の他元素を含有した場合、逆に、無機
固体電解質層とリチウム金属との親和性を阻害し、剥離
しやすくなる傾向を示す。
In addition, the effect of containing the "additional element" in the inorganic solid electrolyte is to improve the adhesion between the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal. When the inorganic solid electrolyte contains the “additional element”, the inorganic solid electrolyte has a performance of further improving the affinity with lithium metal. As already described, the inclusion of lithium, sulfur, oxygen, and nitrogen improves the adhesion between lithium metal and the inorganic solid electrolyte layer,
Conversely, when an element other than the "additional element" is contained, the affinity between the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal is impaired, which tends to facilitate peeling.

【0026】<イオン伝導度>電解質層の構成材料は、
そのイオン伝導度が重要である。すなわち、従来の技術
では、いずれもリチウム金属の表面に形成される化合物
層のイオン伝導度は、室温において10−7S/cm以下と極
めて低かった。そのため、不可避的に存在するピンホー
ルやクラックを介して、たとえこの化合物層が数nm(ナ
ノメートル)程度の薄膜であっても、10−3S/cm台のイ
オン伝導度を有する有機電解液がリチウム金属と化合物
層との界面に浸入し、リチウムイオンの流れは高イオン
伝導性の有機電解液の方に傾く。そのため、リチウム金
属と化合物層との界面が侵食を受けることにより、化合
物層の剥離が起きやすくなり、被覆効果が薄いものにな
っていることが判明した。
<Ionic conductivity> The constituent material of the electrolyte layer is as follows:
Its ionic conductivity is important. That is, in the conventional techniques, the ionic conductivity of the compound layer formed on the surface of lithium metal was extremely low at room temperature, ie, 10 −7 S / cm or less. Therefore, even though this compound layer is a thin film of several nm (nanometers) through an unavoidable pinhole or crack, an organic electrolyte having an ion conductivity of the order of 10 −3 S / cm. Penetrate into the interface between the lithium metal and the compound layer, and the flow of lithium ions leans toward the organic electrolyte having high ionic conductivity. Therefore, it was found that the interface between the lithium metal and the compound layer was eroded, so that the compound layer was easily peeled off, and the coating effect was thin.

【0027】これに対して、本発明では高イオン伝導性
の電解質層を形成することで、リチウムイオンの流れが
主として電解質層を通ることとし、上記の問題を解消し
ている。このような電解質層のリチウムイオン伝導度は
25℃において10−5S/cm以上が好ましい。電解質層(薄
膜)中にピンホールやクラックが存在しても、電解液中
に不可避的に不純物として含有される炭酸ガスイオン、
酸素ガス、水分子またはフッ素イオンと、ピンホールや
クラック中のリチウム金属とが反応して、リチウム金属
表面に炭酸リチウム、酸化リチウム、フッ化リチウム等
の低イオン伝導性の層を形成する。そのため、ピンホー
ルやクラックは低イオン伝導層で保護されてデンドライ
トの成長を抑制すると共に、リチウムイオンは主として
電解質層を通ることとなる。さらに好ましくは、固体電
解質層のイオン伝導度を有機電解液のイオン伝導度の10
%以上にあたる5×10−4S/cm以上(25℃)とする。よ
り一層好ましいリチウムイオン伝導度(25℃)は1×10
−3S/cm以上である。
On the other hand, in the present invention, by forming an electrolyte layer having high ion conductivity, the flow of lithium ions is mainly passed through the electrolyte layer, and the above-mentioned problem is solved. The lithium ion conductivity of such an electrolyte layer is
It is preferably at least 10 −5 S / cm at 25 ° C. Even if pinholes or cracks are present in the electrolyte layer (thin film), carbon dioxide ions inevitably contained as impurities in the electrolyte,
Oxygen gas, water molecules or fluorine ions react with lithium metal in pinholes and cracks to form a low ion conductive layer of lithium carbonate, lithium oxide, lithium fluoride, or the like on the surface of the lithium metal. Therefore, pinholes and cracks are protected by the low ion conductive layer to suppress dendrite growth, and lithium ions mainly pass through the electrolyte layer. More preferably, the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is set to 10 times the ionic conductivity of the organic electrolyte.
% 5 × 10 −4 S / cm or more (at 25 ° C.). An even more preferable lithium ion conductivity (25 ° C.) is 1 × 10
−3 S / cm or more.

【0028】また、リチウム金属と低イオン伝導性化合
物を効果的に形成するために、次の少なくとも一つの条
件を組み合わせることも好ましい。
In order to effectively form the lithium ion and the low ion conductive compound, it is preferable to combine at least one of the following conditions.

【0029】炭酸ガス、ハロゲン化物、アニオン重合
性有機モノマー、あるいはリチウムと化合物を形成する
有機分子をあらかじめ有機電解液中に積極的に含有させ
ておく。
Carbon dioxide, a halide, an anionic polymerizable organic monomer, or an organic molecule which forms a compound with lithium is positively contained in the organic electrolyte in advance.

【0030】有機電解液の電解塩(溶質)にフッ素化
合物を溶出し易いイミド系有機リチウム等を使用する。
As an electrolytic salt (solute) of the organic electrolytic solution, an imide-based organic lithium or the like which can easily elute a fluorine compound is used.

【0031】正極材料にイオウ化合物を有機電解液中
に溶出するジスルフィド系有機材料などを使用する。
As the positive electrode material, a disulfide-based organic material or the like which elutes a sulfur compound into an organic electrolyte is used.

【0032】<2層構造>上記の無機固体電解質層は2
層構造とすることで、さらにその取り扱いが容易にな
る。電解質層の材質として、硫化物を含有するリチウム
イオン伝導性化合物は高いリチウムイオン伝導性を有し
ているが、高い吸湿性および加水分解性の欠点も同時に
有している。一方、酸化物を含有するリチウムイオン伝
導性化合物は、大気に対する化学的安定性を有している
が、イオン伝導性が低い化合物や、負極のリチウム金属
に対して化学的に不安定な化合物となっている。そこ
で、電解質層を負極側層と正極側層の2層とし、負極側
層は硫化物(硫化リチウムや硫化ケイ素)を含有するリ
チウムイオン伝導性化合物の薄膜とすると共に、正極側
層は酸化物を含有するリチウムイオン伝導性化合物の薄
膜とすれば、大気に対して安定で、高イオン伝導性の電
解質層を形成することが可能となる。
<Two-layer structure> The above-mentioned inorganic solid electrolyte layer
With the layer structure, the handling is further facilitated. As a material for the electrolyte layer, a sulfide-containing lithium ion conductive compound has high lithium ion conductivity, but also has disadvantages of high hygroscopicity and hydrolyzability. On the other hand, a lithium ion conductive compound containing an oxide has chemical stability to the atmosphere but has a low ion conductivity and a compound chemically unstable to lithium metal of the negative electrode. Has become. Therefore, the electrolyte layer is composed of two layers, a negative electrode side layer and a positive electrode side layer. The negative electrode side layer is a thin film of a lithium ion conductive compound containing sulfide (lithium sulfide or silicon sulfide), and the positive electrode side layer is an oxide. When a thin film of a lithium ion conductive compound containing is used, it is possible to form an electrolyte layer that is stable to the atmosphere and has high ion conductivity.

【0033】正極側層は、大気中では水分との反応を防
ぐ保護膜として働き、電池に構成した際には有機電解液
中に溶解する。また、溶解した正極側層の構成元素は電
解質中のピンホールやクラック中でリチウム金属と反応
して低イオン伝導層を形成し、デンドライトの集中的成
長を抑制する。
The positive electrode side layer functions as a protective film for preventing the reaction with moisture in the air, and dissolves in the organic electrolyte when the battery is constructed. Further, the dissolved constituent elements of the positive electrode side layer react with lithium metal in pinholes and cracks in the electrolyte to form a low ionic conductive layer, thereby suppressing intensive growth of dendrites.

【0034】保護膜となる正極側層は、リンを含有し、
さらに酸素と窒素の少なくとも一方を含むリチウムイオ
ン伝導体であることが有効である。すなわち、リン酸化
合物もしくはリン酸窒化合物が好適な材料となる。
The positive electrode side layer serving as a protective film contains phosphorus,
Further, a lithium ion conductor containing at least one of oxygen and nitrogen is effective. That is, a phosphoric acid compound or a phosphate nitrogen compound is a suitable material.

【0035】この正極側層のLi成分は、30原子%以上50
原子%以下の割合であることが有効である。30原子%未
満では、溶解時に溶け残る可能性が高くなる。また、50
原子%を超える組成では吸湿性が出現し、保護膜として
の役割を果たさなくなる。
The Li component of the positive electrode side layer is 30 atomic% or more and 50 atomic% or more.
It is effective that the ratio is at most atomic%. If it is less than 30 atomic%, the possibility of remaining undissolved during dissolution increases. Also, 50
If the composition exceeds atomic%, hygroscopicity appears, and the composition does not serve as a protective film.

【0036】正極側層の厚さは薄い方が好ましい。ただ
し、薄すぎると硫化物を含有する負極側層を大気から遮
断する効果が少なくなるので、10nm以上または負極側層
の厚みの1%以上が好適である。逆に正極側層が厚すぎ
ると、高イオン伝導性を維持することが困難になった
り、溶解が困難になる。そのため、25μm以下もしくは
負極側層の厚みの50%以下が好適である。特に、負極側
層は硫化物を含有するリチウムイオン伝導性化合物の薄
膜とし、正極側層は酸化物を含有するリチウムイオン伝
導性化合物の薄膜とした場合、正極側層の厚さは0.1μ
m以上2μm以下が電池特性の点で好適である。
The thickness of the positive electrode side layer is preferably thin. However, if the thickness is too small, the effect of shielding the sulfide-containing negative electrode side layer from the atmosphere is reduced. Therefore, 10 nm or more or 1% or more of the thickness of the negative electrode side layer is preferable. Conversely, if the positive electrode side layer is too thick, it will be difficult to maintain high ionic conductivity or it will be difficult to dissolve. Therefore, the thickness is preferably 25 μm or less or 50% or less of the thickness of the negative electrode side layer. In particular, when the negative electrode side layer is a thin film of a lithium ion conductive compound containing a sulfide and the positive electrode side layer is a thin film of a lithium ion conductive compound containing an oxide, the thickness of the positive electrode side layer is 0.1 μm.
m or more and 2 μm or less is preferable in terms of battery characteristics.

【0037】<厚み>電解質層の全体の厚みは、50nm以
上で50μm以下とすることが好ましい。厚みが50μmを
超える場合、被覆効果はさらに高くなるが、イオン伝導
性が悪くなり、電池性能を低下させる。加えて、膜を形
成するに要する時間、エネルギーが大きくなりすぎ、実
用的ではない。特に、電解質層のイオン伝導の抵抗が高
くなり、出力電流を大きくとれない問題が生じる。ま
た、厚みが50nm未満の場合、電子伝導性の成分が大きく
なり、自己放電しやすくなる問題が生じる。加えて、薄
膜の電解質にピンホールの形成を抑制するのが困難にな
り、有機電解液を含む正極を使用した場合、正極よりの
電解液がピンホールを通して負極表面に進入して、負極
との反応によりデンドライトの形成を起こさせる問題が
生じる。
<Thickness> The total thickness of the electrolyte layer is preferably 50 nm or more and 50 μm or less. When the thickness exceeds 50 μm, the coating effect is further enhanced, but the ionic conductivity is deteriorated and the battery performance is reduced. In addition, the time and energy required to form the film are too large, which is not practical. In particular, the ion conduction resistance of the electrolyte layer is increased, and a problem arises in that the output current cannot be increased. If the thickness is less than 50 nm, the electron-conductive component becomes large, causing a problem that self-discharge is likely to occur. In addition, it becomes difficult to suppress the formation of pinholes in the electrolyte of the thin film, and when a positive electrode containing an organic electrolyte is used, the electrolyte from the positive electrode penetrates the negative electrode surface through the pinholes and contacts the negative electrode. The reaction causes the problem of dendrite formation.

【0038】特に、前記2層構造とした場合の好ましい
電解質層の全体の厚みは2μm以上22μm以下である。
厚みが2μm未満の場合、薄膜の電解質にピンホール及
びクラックの形成を抑制するのが困難になる。すなわ
ち、有機電解液を含む陽極を使用した場合、陽極からの
電解液がピンホール及びクラックを通して負極表面に浸
入して、負極との反応によりピンホール及びクラックを
通してデンドライトを形成し、電極間で短絡が起きる。
加えて、充放電の際、負極が体積変化を起こすが、単位
面積当たりの電流容量を高くすると、その際の歪による
応力に抗しきれず、電解質層が破壊されやすくなる。一
方、厚みが22μmを超える場合、電解質層のイオン伝導
の抵抗が高くなり、単位面積当たりの電流密度を大きく
とれず効率が悪くなる問題が生じる。
In particular, in the case of the two-layer structure, a preferable total thickness of the electrolyte layer is 2 μm or more and 22 μm or less.
When the thickness is less than 2 μm, it is difficult to suppress the formation of pinholes and cracks in the electrolyte of the thin film. In other words, when an anode containing an organic electrolyte is used, the electrolyte from the anode penetrates into the negative electrode surface through pinholes and cracks, and forms dendrites through the pinholes and cracks by reaction with the negative electrode, and short-circuits between the electrodes. Happens.
In addition, the volume of the negative electrode changes during charging and discharging. However, if the current capacity per unit area is increased, the negative electrode cannot fully withstand the stress due to the strain at that time, and the electrolyte layer is easily broken. On the other hand, if the thickness exceeds 22 μm, the ion conduction resistance of the electrolyte layer becomes high, and a current density per unit area cannot be increased, resulting in a problem that efficiency is deteriorated.

【0039】(正極) <材質>(Positive electrode) <Material>

【0040】正極の材質には、有機高分子のバインダ中
に活物質を含有したものが好適である。バインダとして
は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートあ
るいはジメチルカーボネート等の有機溶媒を含有してい
るポリアクリロニトリル系高分子、ポリエチレンオキサ
イド系高分子およびポリフッ化ビニリデン系高分子より
なる群から選択された少なくとも一種が好適である。ま
た、活物質には、LixCoO、LixMnO、LixNiO
(0<X<1)の少なくとも一種が好適である。さら
に、電子導電性を付与するために炭素粉末を混合するこ
とが望ましい。
As the material of the positive electrode, a material containing an active material in a binder of an organic polymer is preferable. As the binder, at least one selected from the group consisting of a polyacrylonitrile-based polymer, a polyethylene oxide-based polymer, and a polyvinylidene fluoride-based polymer containing an organic solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, or dimethyl carbonate is preferable. It is. The active materials include LixCoO 2 , LixMn 2 O 4 , LixNiO 2
At least one of (0 <X <1) is preferable. Further, it is desirable to mix a carbon powder in order to impart electronic conductivity.

【0041】その他、正極材質中の有機高分子が、イオ
ン伝導性および電子伝導性の両方を有するポリアニリン
含有のジスルフィド系高分子あるいはポリピロール系高
分子であっても良い。
In addition, the organic polymer in the positive electrode material may be a polyaniline-containing disulfide polymer or polypyrrole polymer having both ionic conductivity and electron conductivity.

【0042】有機高分子に上記の何れを用いた場合も、
LiPF、LiCFSOの内の何れかのリチウム塩を含有さ
せることが重要である。これにより、電解質層と正極と
の良好な接触がえられ、固体電解質における問題となっ
ていた正極との界面の抵抗を大幅に低減できるため、出
力電流を大きくとることが可能となる。さらに従来より
問題となっていたガスの発生および充電の際の過電圧印
加や充電状態での放置による電池性能低下が大きく低減
する。
When any of the above is used as the organic polymer,
It is important to contain any lithium salt of LiPF 6 and LiCF 3 SO 3 . As a result, good contact between the electrolyte layer and the positive electrode can be obtained, and the resistance at the interface with the positive electrode, which has been a problem in the solid electrolyte, can be significantly reduced. Therefore, a large output current can be obtained. Further, the generation of gas and the deterioration of battery performance due to application of an overvoltage during charging and leaving the battery in a charged state, which have been a problem in the past, are greatly reduced.

【0043】さらに、正極中に、リチウムイオン伝導性
の固体電解質粉末を添加することにより、一層有機電解
液成分量を低減でき、有機電解液に起因する問題点を少
なくすることが可能となる。この固体電解質としては、
上記に示している高イオン伝導性材料であることが好ま
しいが、10−3S/cm以上のイオン伝導度を有している
材料であれば良い。
Further, by adding a lithium ion conductive solid electrolyte powder to the positive electrode, the amount of the organic electrolyte component can be further reduced, and the problems caused by the organic electrolyte can be reduced. As this solid electrolyte,
It is preferable to use the high ion conductive material described above, but any material having an ion conductivity of 10 −3 S / cm or more may be used.

【0044】<正極中の有機電解液>電池の性能上の実
用的な見地から、有機電解液を完全に除去することは困
難である。しかし、主に正極中の活物質の周りに限定し
て有機電解液を含有させ、リチウム金属を負極として、
無機系リチウムイオン伝導性薄膜を負極上に形成して、
これらを合わせて高性能の電池とすることは可能であ
る。この型のリチウム二次電池の利点として、有機電解
液量の削減、負極への金属リチウムのデンドライト成長
の抑制、負極表面の被覆効果による正極との接触の抑制
および電解液との反応抑制がある。
<Organic Electrolyte in Positive Electrode> It is difficult to completely remove the organic electrolyte from the practical viewpoint of battery performance. However, the organic electrolyte is contained mainly around the active material in the positive electrode, and lithium metal is used as the negative electrode.
Forming an inorganic lithium ion conductive thin film on the negative electrode,
These can be combined into a high-performance battery. The advantages of this type of lithium secondary battery include a reduction in the amount of organic electrolyte, suppression of dendritic growth of metallic lithium on the anode, suppression of contact with the cathode due to the effect of covering the anode surface, and suppression of reaction with the electrolyte. .

【0045】有機電解液が原因となるガスの発生するメ
カニズムに関しては未だ不明な点もあるが、有機電解液
を含有する場合において、本発明の電池構成にすること
で、有機電解液の含有量を従来の10%以下と大幅に低減
できる。また、充電状態で放置しておいても、従来のよ
うに電解液が分解劣化して、電池特性が大きく低下する
現象も極力抑えられることも判明した。
Although there are still some unclear points regarding the mechanism of generation of gas caused by the organic electrolyte, the content of the organic electrolyte can be improved by using the battery of the present invention when the organic electrolyte is contained. Can be greatly reduced to 10% or less of the conventional one. Further, it has been found that even when the battery is left in a charged state, the phenomenon that the electrolytic solution is decomposed and deteriorated as in the related art and the battery characteristics are greatly reduced can be suppressed as much as possible.

【0046】固体電解質薄膜にピンホールやクラックが
生成した場合、その部位に沿って、充電時に、リチウム
金属が集中的に成長して、内部短絡を起こしやすい。そ
こで、正極中に含有する有機電解液を調製することによ
り、これらピンホール、クラックが存在しても、安定し
た充放電特性および安全性を達成できる手法を以下に説
明する。
When pinholes or cracks are formed in the solid electrolyte thin film, lithium metal is intensively grown along the site during charging, and an internal short circuit is likely to occur. Therefore, a method for preparing stable organic charge / discharge characteristics and safety even in the presence of these pinholes and cracks by preparing an organic electrolyte solution contained in the positive electrode will be described below.

【0047】第一に、有機電解液のイオン伝導度を固体
電解質薄膜のそれ以下に抑える。これは、ピンホール、
クラックが存在し、有機電解液がそれらの内部に浸透し
ていき、イオン伝導経路を形成しても、主としてイオン
伝導度の高い固体電解質薄膜層を通してLiイオンが伝達
されるため、ピンホール、クラックヘのLiイオンの供給
が抑えられ、金属リチウムの成長が抑制される。最初か
らリチウムイオン伝導度が、無機固体電解質のそれより
も低い有機電解液を用いることはもちろん、正極の有機
電解液が負極のリチウム含有材料と接触することによ
り、接触部近傍において有機電解液のイオン伝導度を無
機固体電解質のイオン伝導度より低下させるものでもよ
い。
First, the ionic conductivity of the organic electrolytic solution is suppressed to less than that of the solid electrolyte thin film. This is a pinhole,
Even if cracks are present and the organic electrolyte penetrates into them and forms an ion conduction path, Li ions are mainly transmitted through the solid electrolyte thin film layer having high ionic conductivity. Supply of Li ions is suppressed, and the growth of metallic lithium is suppressed. From the beginning, of course, the organic electrolyte of the lithium ion conductivity is lower than that of the inorganic solid electrolyte, and the organic electrolyte of the positive electrode comes into contact with the lithium-containing material of the negative electrode. The ion conductivity may be lower than that of the inorganic solid electrolyte.

【0048】有機電解液のイオン伝導度を低下させる方
法には種々考えられる。例えば、電解質成分の溶質の量
を減少させること、あるいはスルフォラン(Sulfolan
e;Tetrahydrothiophene1,1-dioxide)系溶媒の様に粘
性が高く、イオン導電性を高くできない溶媒を使用する
ことがある。
There are various methods for reducing the ionic conductivity of the organic electrolyte. For example, reducing the amount of solute in the electrolyte component, or Sulfolan
e; Tetrahydrothiophene1,1-dioxide) Solvents with high viscosity and high ionic conductivity, such as solvents, may be used.

【0049】第二に、有機電解液がリチウム金属と接触
した際に、還元され分解する有機溶媒を含む有機電解液
を使用する。これは還元により分解され、一部気体化
し、ピンホール、クラック内でLiイオン伝導経路を遮断
する効果、およびイオン伝導度を低下させる効果によ
る。具体的には、カルボン酸エステル類を有機溶媒にす
るとこの効果は高く、ぎ酸メチル等が適用される。
Second, an organic electrolyte containing an organic solvent that is reduced and decomposed when the organic electrolyte comes into contact with lithium metal is used. This is due to the effect of being decomposed by reduction and partially gasifying, blocking the Li ion conduction path in pinholes and cracks, and reducing the ion conductivity. Specifically, when a carboxylic acid ester is used as an organic solvent, this effect is high, and methyl formate or the like is used.

【0050】第三に、有機電解液がリチウム金属と接触
した際に、有機電解液中の有機溶媒が、リチウム金属の
触媒作用もしくは重合開始作用により重合して、固体化
または高粘性化して、Liイオン伝導度を低下させ、且つ
生成した重合体、高粘性体の機械的作用で、リチウム金
属の成長を抑えることが挙げられる。ここでは、例え固
体電解質薄膜の剥離が起きても、有機電解液が浸出して
行き、リチウム金属表面をこれら重合体、高粘性体が絶
えずピンホールやクラック個所を被覆することになるの
で、極めて安全な電池を構成することが可能となる。
Third, when the organic electrolytic solution comes into contact with lithium metal, the organic solvent in the organic electrolytic solution is polymerized by the catalytic action or polymerization initiation action of lithium metal, and solidifies or becomes highly viscous. Lowering the Li ion conductivity and suppressing the growth of lithium metal by the mechanical action of the produced polymer or high-viscosity material. Here, even if the solid electrolyte thin film is peeled off, the organic electrolyte solution leaches out, and these polymers and high-viscosity materials constantly cover the pinholes and cracks on the lithium metal surface. It is possible to construct a safe battery.

【0051】リチウム金属との接触により固体化、高粘
性化する有機溶媒として、スチレン類、アクリロニトリ
ル類、アクリル酸メチル類、ブタジェン類、イソプレン
類、等のオレフィン結合を有しているアニオン重合モノ
マーを使用するか、あるいは含有させたものを使用す
る。また、ニトリル基を有しているアセトニトリルの様
に同様にリチウム金属の作用により重合固化、粘調化す
る溶媒を一部または全部に使用することでも可能であ
る。
As an organic solvent which solidifies and becomes highly viscous upon contact with lithium metal, an anionic polymerizable monomer having an olefin bond such as styrenes, acrylonitriles, methyl acrylates, butadienes, isoprenes and the like can be used. Use or use what is included. It is also possible to use a solvent which solidifies and vitrifies by the action of lithium metal, like acetonitrile having a nitrile group.

【0052】(負極) <材質>負極に用いるリチウム含有材料は、リチウム金
属自体はもちろんリチウム合金も含まれる。リチウム合
金の具体例としては、In、Ti、Zn、Bi、Sn等との合金が
挙げられる。
(Negative Electrode) <Material> The lithium-containing material used for the negative electrode includes not only lithium metal itself but also a lithium alloy. Specific examples of the lithium alloy include alloys with In, Ti, Zn, Bi, Sn, and the like.

【0053】また、このリチウム含有材料の表面に、リ
チウムと合金または金属間化合物を形成する金属、たと
えばAl、In、Bi、Zn、Pbなどの金属薄膜を形成しても良
い。この金属薄膜とリチウム含有材料とからなる負極を
用いることで、充放電時のリチウム金属の移動が円滑に
なり、リチウム金属の利用厚みが増加する。また、充放
電時の負極の変形が均一になり、電解質層への歪を低減
できる。これは、電解質層と接する界面の安定化がなさ
れているためと考えられる。リチウム金属の円滑移動や
電解質層への歪低減という効果は、負極が多層または傾
斜構造になっていれば発現される。さらに、Al、In、B
i、Zn、Pbなどは比較的大気に対して安定であり、これ
が電解質層成膜時の基板となる負極を覆っているため、
生産の安定化・工程の簡略化が可能となる。
Further, on the surface of the lithium-containing material, a metal thin film such as Al, In, Bi, Zn, or Pb which forms an alloy or an intermetallic compound with lithium may be formed. By using the negative electrode made of the metal thin film and the lithium-containing material, the movement of the lithium metal during charging and discharging is smooth, and the thickness of the lithium metal used is increased. In addition, the deformation of the negative electrode during charge and discharge becomes uniform, and strain on the electrolyte layer can be reduced. This is probably because the interface in contact with the electrolyte layer was stabilized. The effect of smooth movement of lithium metal and reduction of distortion to the electrolyte layer is exhibited if the negative electrode has a multilayer or inclined structure. Furthermore, Al, In, B
Since i, Zn, Pb, etc. are relatively stable to the atmosphere, and this covers the negative electrode serving as a substrate when forming the electrolyte layer,
It is possible to stabilize production and simplify the process.

【0054】上記のリチウム含有材料は、電解質層を形
成するときに、何らの前処理を行わずにそのまま使用し
ても良い。ただし、一般的にリチウムを含有する金属の
表面には薄い酸化物層が形成されていることが多く、こ
の酸化物層を一旦除去し、窒化物層または硫化物層を形
成する方が好ましい。これにより、電解質層を直接リチ
ウム合金材料状に形成し、リチウム含有金属と固体電解
質層とのインピーダンスをより低減することができる。
酸化物層の除去手段としてはアルゴンプラズマ処理があ
る。また、窒化物あるいは硫化物の形成手法としては、
窒素ガス雰囲気中あるいは硫化水素雰囲気中で、高周波
プラズマにリチウム含有材料の表面をさらすことが挙げ
られるが、これに限定されるものでない。また、成膜後
に、リチウム金属の融点温度以上に加熱しても、リチウ
ム金属表面の酸化物層の除去、硫化物層の形成は可能で
ある。
The above-mentioned lithium-containing material may be used without any pretreatment when forming the electrolyte layer. However, in general, a thin oxide layer is often formed on the surface of a metal containing lithium, and it is more preferable to remove this oxide layer once and form a nitride layer or a sulfide layer. Thereby, the electrolyte layer can be directly formed into a lithium alloy material, and the impedance between the lithium-containing metal and the solid electrolyte layer can be further reduced.
As a means for removing the oxide layer, there is an argon plasma treatment. In addition, as a method of forming nitride or sulfide,
Exposing the surface of the lithium-containing material to high-frequency plasma in a nitrogen gas atmosphere or a hydrogen sulfide atmosphere includes, but is not limited to. Further, even if the film is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of lithium metal after film formation, removal of the oxide layer on the surface of the lithium metal and formation of the sulfide layer are possible.

【0055】<表面粗さ>負極の表面粗さ(Rmax)も電
池の性能に大きく影響を与える。Rmax値で0.01以上5μ
m以下が好ましい。Rmaxが0.01μm未満の場合では、電解
質層との良好な接合が得られず、剥離しやすくなる。ま
た、充放電の際、円滑なリチウム金属の析出、イオン化
が行われないことがある。これは、電解質との密着性と
関係しているものと思われる。一方、Rmaxが5μmを超
えると、ピンホールの無い緻密な電解質層を形成するの
が困難になるので好ましくない。
<Surface Roughness> The surface roughness (Rmax) of the negative electrode also greatly affects the performance of the battery. Rmax value of 0.01 or more and 5μ
m or less is preferable. When Rmax is less than 0.01 μm, good bonding with the electrolyte layer cannot be obtained, and peeling tends to occur. In addition, during charge and discharge, smooth deposition and ionization of lithium metal may not be performed. This seems to be related to the adhesion to the electrolyte. On the other hand, if Rmax exceeds 5 μm, it is difficult to form a dense electrolyte layer without pinholes, which is not preferable.

【0056】(電池の形状・構造)以上のような正負極
および電解質層を具える電池は、正極と負極との間に電
解質層を挟み込んだ積層構造とし、この積層体を電池ケ
ースに収納して封口することで構成される。より詳細に
説明すると、まず負極集電体と負極を接合し、負極とな
るリチウム含有材料上に、有機電解液を含まない無機系
の固体電解質薄膜を形成して、負極と電解質の接合体を
作製する。さらに、正極集電体(例えば銅あるいはアル
ミ箔)上に、有機高分子を含有する正極材料を形成して
正極とする。これらの接合体と正極とを合体して、リチ
ウム二次電池を作製する。これにより、負極および正極
と電解質層との接触抵抗を低減でき、良好な充放電特性
を得ることが可能となる。このように積層したボタン型
電池の他、負極、電解質層、正極を積層して巻くことに
よって円筒状にしたものでも良い。
(Battery Shape / Structure) A battery having the above-described positive and negative electrodes and an electrolyte layer has a laminated structure in which an electrolyte layer is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, and this laminate is housed in a battery case. It is composed by closing. More specifically, first, the negative electrode current collector and the negative electrode are joined, and an inorganic solid electrolyte thin film containing no organic electrolyte is formed on the lithium-containing material to be the negative electrode, and the joined body of the negative electrode and the electrolyte is formed. Make it. Further, a positive electrode material containing an organic polymer is formed on a positive electrode current collector (for example, copper or aluminum foil) to obtain a positive electrode. These junctions and the positive electrode are combined to produce a lithium secondary battery. Thereby, the contact resistance between the negative electrode and the positive electrode and the electrolyte layer can be reduced, and good charge / discharge characteristics can be obtained. In addition to the button-type battery stacked in this way, a negative electrode, an electrolyte layer, and a positive electrode may be stacked and wound into a cylindrical shape.

【0057】また、正極と固体電解質層との間にセパレ
ータを設けても良い。セパレータの材質としては、リチ
ウムイオンが移動できる細孔を有し、有機電解液に不溶
で安定したものを用いる。例えば、ポリプロピレン、ポ
リエチレン、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂などから形成
された不織布や多孔質材が利用できる。その他、細孔を
有する金属酸化物フィルムなどでも良い。
Further, a separator may be provided between the positive electrode and the solid electrolyte layer. As the material of the separator, a material which has pores through which lithium ions can move and which is insoluble and stable in the organic electrolyte solution is used. For example, a nonwoven fabric or a porous material formed from polypropylene, polyethylene, a fluorine resin, a polyamide resin, or the like can be used. In addition, a metal oxide film having pores may be used.

【0058】なお、負極に最初からリチウム含有材料を
設けておく必要はなく、負極の集電体上に、直接に無機
固体電解質層を形成した構造であっても充分にリチウム
二次電池の性能を発揮する。すなわち、正極中には充分
なリチウム成分を含有しており、充電時に負極集電体と
無機固体電解質層の間にリチウム金属を蓄えることが可
能となる。
It is not necessary to provide a lithium-containing material in the negative electrode from the beginning. Even if the structure has an inorganic solid electrolyte layer formed directly on the current collector of the negative electrode, the performance of the lithium secondary battery can be sufficiently improved. Demonstrate. That is, a sufficient lithium component is contained in the positive electrode, and lithium metal can be stored between the negative electrode current collector and the inorganic solid electrolyte layer during charging.

【0059】[0059]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 (実施例1-1)集電体となる厚み100μm、100mm×50mm
の銅箔に、厚みが50μmで同じサイズのリチウム金属箔
を貼り合わせた。貼り合わせる手法としては、双ロール
により圧延しても良い。この場合、ロールの表面精度
は、目的とするリチウムの表面粗さを達成できる程度ま
で、平滑であることが必要である。また、リチウム金属
の融点近傍まで昇温させることでも良好な接合が得られ
る。このリチウム金属の表面精度は、STM(走査型トン
ネル顕微鏡)で計測して、Rmax=0.1μmであった。
Embodiments of the present invention will be described below. (Example 1-1) 100 μm thick, 100 mm × 50 mm serving as a current collector
And a lithium metal foil having a thickness of 50 μm and the same size was bonded to the copper foil. As a method of bonding, rolling may be performed by twin rolls. In this case, the surface accuracy of the roll needs to be smooth enough to achieve the target surface roughness of lithium. Also, good bonding can be obtained by raising the temperature to around the melting point of lithium metal. The surface accuracy of this lithium metal was Rmax = 0.1 μm as measured by an STM (scanning tunneling microscope).

【0060】このリチウム金属上に、RFマグネトロン
スパッタ法により、LiS-SiS-Li SiOの混合物を
ターゲットにして、窒素ガス雰囲気中にて、固体電解質
薄膜を形成した。厚みは10μmであり、薄膜の組成は、
EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)分析の結
果、モル比率で、Li(0.42)・Si(0.13)・N(0.01)・O(0.0
1)・S(0.43)であることが分かった。また、X線回折で
は、ハローパターンのみで非晶質状態であった。
On this lithium metal, an RF magnetron
Li by sputtering2S-SiS2-Li 4SiO4A mixture of
The target is a solid electrolyte in a nitrogen gas atmosphere.
A thin film was formed. The thickness is 10 μm, and the composition of the thin film is
EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) analysis results
As a result, in molar ratio, Li (0.42) ・ Si (0.13) ・ N (0.01) ・ O (0.0
1) · S (0.43) Also, by X-ray diffraction
Was amorphous only in the halo pattern.

【0061】エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカ
ーボネート(PC)の混合液を加熱してポリアクリロニトリ
ル(PAN)を高濃度に溶解させたものを冷却し、LiPF
溶解しているEC、PC混合液を多量に含有するPANを作製
する。このPAN中に、活物質となるLiCoO粒子および電
子伝導性を付与する炭素粒子を混合し、100μm厚のア
ルミ箔上に厚み300μmに塗布して、正極を作製する。
A mixture of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) is heated to cool polyacrylonitrile (PAN) at a high concentration, and the mixture is cooled to form a mixture of EC and PC in which LiPF 6 is dissolved. A PAN containing a large amount of is prepared. In this PAN, LiCoO 2 particles serving as an active material and carbon particles for imparting electron conductivity are mixed, and applied on an aluminum foil having a thickness of 100 μm to a thickness of 300 μm to prepare a positive electrode.

【0062】固体電解質膜を形成したリチウム金属と、
上記の正極とを接合して電池を作製し、リード線を出し
てアルミラミネート中に封入した。
A lithium metal having a solid electrolyte membrane formed thereon,
A battery was fabricated by joining the above positive electrode, and a lead wire was drawn out and sealed in an aluminum laminate.

【0063】そして、電流値100mAの条件でその充放電
特性を評価した。その結果、充電電圧は4.2V、放電電圧
3.0Vでの容量は0.5Ah(アンペア時)であった。また、エ
ネルギー密度は、490Wh(ワット時)/l(リットル)であっ
た。
The charge / discharge characteristics were evaluated under the condition of a current value of 100 mA. As a result, the charging voltage is 4.2V and the discharging voltage is
The capacity at 3.0 V was 0.5 Ah (ampere hour). The energy density was 490 Wh (watt hours) / l (liter).

【0064】さらに、同一の条件で1000回のサイクル充
放電を行ったところ、これらの特性の低下は2%に抑え
られ、負極のリチウム金属よりのデンドライト状成長の
痕跡は全く見られなかった。また、ガス等の発生はな
く、極めて良好な安定性を示した。
Further, when the charge and discharge were repeated 1,000 times under the same conditions, the deterioration of these characteristics was suppressed to 2%, and no trace of dendritic growth from the lithium metal of the negative electrode was observed at all. In addition, no gas or the like was generated, and extremely good stability was exhibited.

【0065】正極中の活物質として、LixMnO、Li
xNiOを使用しても、ほぼ同様に結果が得られた。ま
た、正極中の材質として、ポリエチレンオキサイド系高
分子あるいはポリフッ化ビニリデン系高分子を使用して
も、同様に良好な結果が得られた。さらに、電解質とし
ても、LiBF、LiClO、LiCFSOのどれかを含有す
るプロピレンカーボネートあるいはジメチルカーボネー
トでも、同様の結果が得られた。
As the active material in the positive electrode, LixMn 2 O 4 , Li
Almost the same results were obtained using xNiO 2 . Similarly, good results were obtained even when a polyethylene oxide-based polymer or a polyvinylidene fluoride-based polymer was used as the material in the positive electrode. Further, the same results were obtained with propylene carbonate or dimethyl carbonate containing any of LiBF 4 , LiClO 4 and LiCF 3 SO 3 as the electrolyte.

【0066】(実施例1-2)実施例1-1に示した電池構成
において、正極材質として、PAN系材料に代えて、ポリ
アニリン含有のジスルフィド系高分子を使用した。さら
に、この高分子材料に、粒径が0.1μm〜0.5μmの、Li
(0.42)・Si(0.13)・O(0.01)・S(0.44)組成の微粒子を10
体積%混合した。この微粒子は、LiS-SiS-LiSiO
の混合溶融体を、乾燥した窒素ガス雰囲気下、アトマ
イズ法により噴霧急冷凝固させて製造した。正極の厚み
は350μmにした。
(Example 1-2) In the battery configuration shown in Example 1-1, a polyaniline-containing disulfide-based polymer was used as the positive electrode material instead of the PAN-based material. Further, the polymer material has a particle size of 0.1 μm to 0.5 μm, Li
(0.42) ・ Si (0.13) ・ O (0.01) ・ S (0.44)
% By volume. These fine particles are Li 2 S—SiS 2 —Li 4 SiO
The mixed melt of No. 4 was produced by spray quenching and solidification by an atomizing method in a dry nitrogen gas atmosphere. The thickness of the positive electrode was 350 μm.

【0067】この試作した電池の充放電特性を評価し
た。その結果、充電電圧を4.2Vとし、50mA放電により、
3.0Vの放電電圧における容量は0.49Ah(アンペア時)であ
った。また、エネルギー密度は、400Wh(ワット時)/l
(リットル)であった。さらに、同じ条件で1000回のサイ
クル充放電を行ったところ、これらの特性の低下は2%
に抑えられ、負極のリチウム金属よりのデンドライト状
成長の痕跡は全く見られなかった。また、ガス等の発生
はなく、極めて良好な安定性を示した。
The charge / discharge characteristics of this prototype battery were evaluated. As a result, the charging voltage was set to 4.2 V, and 50 mA was discharged.
The capacity at a discharge voltage of 3.0 V was 0.49 Ah (ampere hour). The energy density is 400Wh (watt-hour) / l
(Liter). Furthermore, when the charge / discharge cycle was performed 1000 times under the same conditions, the deterioration of these characteristics was 2%.
And no trace of dendritic growth from the lithium metal of the negative electrode was observed. In addition, no gas or the like was generated, and extremely good stability was exhibited.

【0068】(実施例1-3)実施例1-1で示した電池構成
において、正極、電解質、負極の厚みを各々変えて、そ
の充放電特性を評価した結果を表1に示す。電極層を厚
くすることで単位面積当たりの出力を大きくとることは
可能となるが、その分、充電に要する時間は大きくな
り、実用性にかける。特に、正極の厚みは2μm以上10
00μm以下、負極の厚みは1μm以上200μm以下、電
解質層の厚みは1μm以上50μm以下が適切である。
(Example 1-3) Table 1 shows the results of evaluating the charge / discharge characteristics of the battery configuration shown in Example 1-1 by changing the thicknesses of the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode. By increasing the thickness of the electrode layer, it is possible to increase the output per unit area, but the time required for charging is correspondingly increased, and the practicality is increased. In particular, the thickness of the positive electrode is 2 μm or more and 10
The thickness of the negative electrode is preferably 1 μm or more and 200 μm or less, and the thickness of the electrolyte layer is suitably 1 μm or more and 50 μm or less.

【0069】[0069]

【表1】 [Table 1]

【0070】(実施例1-4)実施例1-1で示した電池構成
において、負極の面粗さを変えて、その充放電特性を評
価した結果を表2に示す。面粗さにより、上部に形成す
る電解質層の膜質に影響を与えることが分かる。すなわ
ち、負極の面粗さが5μmを越えると、電解質層にピン
ホールが生じ、充放電サイクルも300回で短絡してい
る。
(Example 1-4) Table 2 shows the results of evaluating the charge / discharge characteristics of the battery configuration shown in Example 1-1 while changing the surface roughness of the negative electrode. It is understood that the surface roughness affects the film quality of the electrolyte layer formed on the upper portion. That is, when the surface roughness of the negative electrode exceeds 5 μm, pinholes occur in the electrolyte layer, and the charge and discharge cycle is short-circuited 300 times.

【0071】[0071]

【表2】 [Table 2]

【0072】(実施例1-5)実施例1-2で示した電池構成
において、前もって負極のリチウム−インジウム合金の
表面を窒化させて、窒化物層を生成させてから、同様に
固体電解質膜を形成し、電池を作製した。この窒化物層
のTEM(Transmission Electron Microscope)等による
観察・分析から、組成はLiNで、その厚みは約100オン
グストローム程度であることが分かった。この窒化物層
は、固体電解質層を形成する前に、窒素雰囲気中、RFプ
ラズマで表面をさらすことにより得られた。
(Example 1-5) In the battery configuration shown in Example 1-2, the surface of the lithium-indium alloy of the negative electrode was previously nitrided to form a nitride layer, and then the solid electrolyte membrane was similarly formed. Was formed to produce a battery. Observation and analysis of this nitride layer by TEM (Transmission Electron Microscope) and the like revealed that the composition was Li 3 N and its thickness was about 100 Å. This nitride layer was obtained by exposing the surface with RF plasma in a nitrogen atmosphere before forming the solid electrolyte layer.

【0073】この試作した電池の充放電特性を評価し
た。その結果、充電電圧を4.2Vとして、200mA放電と高
い電流値においても、3.0Vまで電圧が低下するまでの容
量は0.49Ah(アンペア時)と高い値を示した。また、エネ
ルギー密度は、400Wh(ワット時)/l(リットル)であっ
た。さらに、この同じ条件で1000回のサイクル充放電を
行ったところ、これらの特性の低下は3%に抑えられ、
負極のリチウム金属よりのデンドライト状成長の痕跡は
全く見られなかった。
The charge / discharge characteristics of this prototype battery were evaluated. As a result, even when the charging voltage was 4.2 V and the current was as high as 200 mA, the capacity until the voltage dropped to 3.0 V was as high as 0.49 Ah (ampere hours). The energy density was 400 Wh (watt hours) / l (liter). Furthermore, when 1000 cycles of charge and discharge were performed under the same conditions, the deterioration of these characteristics was suppressed to 3%,
No trace of dendrite-like growth from lithium metal of the negative electrode was observed.

【0074】(実施例2-1)厚み20μmで100mm×50mmの
銅箔からなる集電体に、厚みが10μmで同じサイズのリ
チウム金属箔(負極)を貼り合わせたものを基材とす
る。このリチウム金属箔面に、硫化物を含有するリチウ
ムイオン伝導性化合物の薄膜を形成し、さらに酸化物を
含有するリチウムイオン伝導性化合物の薄膜を積層し
て、2層構造の電解質層を形成する。電解質層はインラ
イン型RFマグネトロンスパッタ法により形成した。
(Example 2-1) A current collector made of a copper foil having a thickness of 20 μm and 100 mm × 50 mm was bonded to a lithium metal foil (negative electrode) having a thickness of 10 μm and the same size as a base material. On this lithium metal foil surface, a thin film of a lithium ion conductive compound containing a sulfide is formed, and a thin film of a lithium ion conductive compound containing an oxide is further laminated to form an electrolyte layer having a two-layer structure. . The electrolyte layer was formed by an in-line type RF magnetron sputtering method.

【0075】硫化物を含有するリチウムイオン伝導性化
合物の薄膜の形成には、LiS-SiS の混合物をターゲ
ットにして、アルゴンガス雰囲気中にて、固体電解質薄
膜を形成した。厚みは10μmであり、薄膜の組成は、EP
MA(Electron Probe MicroAnalyzer)分析の結果、モ
ル比率で、Li:Si:S=0.42:0.13:0.45であることが
分かった。また、X線回折では、ハローパターンのみで
非晶質状態であった。
Making Li-ion Conductive Containing Sulfide
To form the compound thin film, Li2S-SiS 2Target mixture
The solid electrolyte thin film in an argon gas atmosphere.
A film was formed. The thickness is 10 μm and the composition of the thin film is EP
MA (Electron Probe MicroAnalyzer) analysis results
Li: Si: S = 0.42: 0.13: 0.45
Do you get it. Also, in X-ray diffraction, only the halo pattern
It was in an amorphous state.

【0076】酸化物を含有するリチウムイオン伝導性化
合物薄膜の形成には、硫化物を含有するリチウムイオン
伝導性化合物の薄膜の上にさらに、LiPOをターゲッ
トにして、窒素雰囲気中にて形成したが、その厚みは1
μmであった。
To form a thin film of a lithium ion conductive compound containing an oxide, a thin film of a lithium ion conductive compound containing a sulfide is further formed on a thin film of a lithium ion conductive compound in a nitrogen atmosphere by using Li 3 PO 4 as a target. Formed, but the thickness is 1
μm.

【0077】この負極および電解質層を大気中にて、6
時間放置したが、硫化物層の組成の変化は見られず、極
めて安定であることが判明した。また、イオン伝導性も
硫化物層の高イオン伝導性をほとんど低下させることな
く、良好な性能を示した。
The negative electrode and the electrolyte layer were exposed to air for 6 hours.
After leaving for a while, no change in the composition of the sulfide layer was observed, and it was found that the composition was extremely stable. In addition, the ion conductivity showed good performance without substantially lowering the high ion conductivity of the sulfide layer.

【0078】エチレンカーボネート(EC)とプロピレン
カーボネート(PC)の混合液を加熱してポリアクリロニト
リル(PAN)を高濃度に溶解させたものを冷却して、LiP
Fが溶解しているEC、PCを多量に含有するPANを作製し
た。このPAN中に、活物質となるLiCoO粒子、および電
子伝導性を付与する炭素粒子を混合し、20μm厚のアル
ミ箔(正極集電体)上に300μmの厚みで塗布して陽極
とした。そして、前記負極と電解質層の接合体および陽
極を接合して電池を形成し、その性能をテストした。
A mixture of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) was heated to dissolve a high concentration of polyacrylonitrile (PAN) and cooled to obtain LiP.
EC of F 6 is dissolved to prepare a PAN containing a large amount of your PC. In this PAN, LiCoO 2 particles as an active material and carbon particles for imparting electron conductivity were mixed, and applied on a 20 μm-thick aluminum foil (positive electrode current collector) with a thickness of 300 μm to form an anode. The joined body of the negative electrode and the electrolyte layer and the anode were joined to form a battery, and its performance was tested.

【0079】その結果、充電電圧を4.2Vとして、100mA
放電により、3.0Vまで電圧が低下するまでの容量は0.5A
h(アンペア時)であった。また、エネルギー密度は、4
90Wh(ワット時)/1(リットル)であった。さらに、
この同じ条件で1000回のサイクル充放電を行ったとこ
ろ、これらの特性の低下は2%に抑えられ、負極のリチ
ウム金属よりのデンドライト状成長の痕跡は全く見られ
なかった。また、ガス等の発生はなく、極めて良好な安
定性を示した。
As a result, assuming that the charging voltage is 4.2 V, 100 mA
0.5A capacity until voltage drops to 3.0V by discharge
h (ampere hours). The energy density is 4
It was 90 Wh (watt hours) / 1 (liter). further,
After 1000 cycles of charge and discharge under the same conditions, the deterioration of these characteristics was suppressed to 2%, and no trace of dendrite-like growth from lithium metal of the negative electrode was observed. In addition, no gas or the like was generated, and extremely good stability was exhibited.

【0080】(比較例2-1)実施例2-1において、硫化物
を含有するリチウムイオン伝導性化合物の薄膜の厚みを
0.5μmとし、酸化物を含有するリチウムイオン伝導性
化合物の薄膜の厚みを5μmとしたが、酸化物層が硫化
物層に比較して厚くなりすぎて、イオン伝導性が極めて
悪くなり所期の性能の電池が得られなかった。
(Comparative Example 2-1) In Example 2-1, the thickness of the thin film of the sulfide-containing lithium ion conductive compound was changed.
The thickness of the thin film of the lithium ion conductive compound containing an oxide was set to 0.5 μm, and the thickness of the thin film of the lithium ion conductive compound containing the oxide was set to 5 μm. A battery with performance was not obtained.

【0081】実施例2-1における構造において、酸化物
を含有するリチウムイオン伝導性化合物の薄膜をチタン
酸リチウム系非晶質として、1.8μmの厚みで形成し
て、他の部分は実施例2-1と同じ構造の電池を作製し
て、その性能をテストしたが、良好な結果が得られた。
In the structure of Example 2-1, a thin film of a lithium ion conductive compound containing an oxide was formed as a lithium titanate-based amorphous to a thickness of 1.8 μm, and the other parts were the same as those of Example 2. A battery having the same structure as that of -1 was produced and its performance was tested, and good results were obtained.

【0082】(実施例2-3)(Example 2-3)

【0083】実施例2-1において、酸化物を含有するリ
チウムイオン伝導性化合物の薄膜をリン酸リチウム系非
晶質として、硫化物層および酸化物層の厚みを種々変え
て電池を作製して、その性能をテストした結果を表3に
示す。表中の「電池特性」における◎は1000サイクル以
上においても安定である事、○は500サイクル以上でも
安定である事、×は500サイクル未満で5%以上の性能
低下を示す。
In Example 2-1, a battery was manufactured by changing the thickness of the sulfide layer and the oxide layer variously by changing the thin film of the oxide-containing lithium ion conductive compound to lithium phosphate-based amorphous. Table 3 shows the results of testing the performance. In the “Battery Characteristics” in the table, ◎ indicates that the property was stable even at 1000 cycles or more, ○ indicates that the property was stable even at 500 cycles or more, and x indicates that the performance was reduced by 5% or more at less than 500 cycles.

【0084】[0084]

【表3】 [Table 3]

【0085】(実施例2-4)双ロールにより圧延して、
厚さ50μmのリチウム金属箔に、厚さ5μmのインジウ
ム金属箔を積層した負極を作製した。分析の結果、この
2層の金属の界面は相互に拡散がおき、組成は傾斜的に
なっていたが、表面はインジウム単体であった。
(Example 2-4) Rolling by twin rolls
A negative electrode was produced by laminating a 5 μm thick indium metal foil on a 50 μm thick lithium metal foil. As a result of the analysis, the interface between the two metals was diffused with each other and the composition was graded, but the surface was indium alone.

【0086】これを基材として実施例1に記載の方法で
電解質層を形成して電池を作製し、1mA/cm(ミリアン
ペア/平方センチメートル)の条件で充放電実験を行っ
た。その電流容量は20mAh/cm(ミリアンペア・時/平
方センチメートル)となり、陽極中に存在していたリチ
ウムイオンも含めてほとんどすべてのリチウム金属が充
放電に使用された。さらに、同一の条件で充放電のサイ
クルを1000サイクルまで行ったが、充放電の曲線に大き
な変化はなく、安定していた。また、デンドライト等の
発生も見られなかった。
Using this as a substrate, an electrolyte layer was formed by the method described in Example 1 to produce a battery, and a charge / discharge experiment was performed under the conditions of 1 mA / cm 2 (milliampere / square centimeter). The current capacity was 20 mAh / cm 2 (milliamp-hour / square centimeter), and almost all lithium metal was used for charging and discharging, including lithium ions present in the anode. Further, the charge / discharge cycle was performed up to 1000 cycles under the same conditions, but the charge / discharge curve was stable with no significant change. Also, generation of dendrites and the like was not observed.

【0087】(実施例3-1)厚み20μmで100mm×50mmの
フェライト系ステンレス箔(負極集電体)に、厚みが10
μmで同じサイズのリチウム金属箔(負極)を貼り合わ
せた。貼り合わせる手法としては、ロールにより圧延し
た。
Example 3-1 A ferrite-based stainless steel foil (negative electrode current collector) having a thickness of 20 μm and a size of 100 mm × 50 mm was coated with a thickness of 10 mm.
A lithium metal foil (negative electrode) of the same size with a thickness of μm was bonded. Rolling was performed using a roll as a bonding method.

【0088】このリチウム金属箔上に、レーザアブレー
ション法により、LiS-SiS-LiSi0の混合物をタ
ーゲットにして、アルゴンガス雰囲気中にて、固体電解
質薄膜を形成した。厚みは10μmであり、薄膜の組成
は、EPMA分析の結果、モル比率で、Li:Si:O:S=0.4
2:0.13:0.02:0.43であることがわかった。また、X線
回折では、ハローパターンのみで非晶質状態であった。
さらに、固体電解質薄膜のリチウムイオン伝導度は1×
10−3S/cm(室温:以下同じ)であった。
[0088] On the lithium metal foil, by laser ablation, with a mixture of Li 2 S-SiS 2 -Li 4 Si0 4 to the target, in argon gas atmosphere to form a solid electrolyte thin film. The thickness was 10 μm, and the composition of the thin film was Li: Si: O: S = 0.4 in molar ratio as a result of EPMA analysis.
It turned out to be 2: 0.13: 0.02: 0.43. In the X-ray diffraction, only the halo pattern was in an amorphous state.
Furthermore, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte thin film is 1 ×
It was 10 −3 S / cm (room temperature: the same applies hereinafter).

【0089】フッ化ビニリデンモノマー、アセトニトリ
ル、LiPF、LiCoO粒子、および導電助材の炭素粒子
を混合し、重合開始剤(酸素添加トリイソブチルホウ
素)を混合して、20μm厚のアルミ箔(正極集電体)上
に厚み100μmに塗布して重合させ、ゲル状の正極を作
製する。この正極中の有機電解液におけるリチウムイオ
ン伝導度は5×10−2S/cmであった。
A vinylidene fluoride monomer, acetonitrile, LiPF 6 , LiCoO 2 particles, and carbon particles of a conductive additive were mixed, and a polymerization initiator (oxygenated triisobutylboron) was mixed. A current collector) is coated to a thickness of 100 μm and polymerized to produce a gelled positive electrode. The lithium ion conductivity of the organic electrolyte in the positive electrode was 5 × 10 −2 S / cm.

【0090】固体電解質膜を形成したリチウム金属箔
と、上記の陽極とを接合して電池を作製し、リード線を
出してアルミラミネート中に封入した。
A battery was fabricated by joining the lithium metal foil on which the solid electrolyte membrane was formed and the above-mentioned anode, and a lead wire was taken out and sealed in an aluminum laminate.

【0091】その充放電特性の評価およびクラック試験
を実施した。クラック試験とは、一旦作製した電池を折
り曲げて、固体電解質層にクラックを生じさせて、充放
電特性の変化を見るものである。
The charge and discharge characteristics were evaluated and a crack test was performed. In the crack test, a battery once produced is bent to cause a crack in the solid electrolyte layer, and a change in charge / discharge characteristics is observed.

【0092】その結果、通常動作の充放電曲線では、従
来、固体電解質薄膜中のピンホールに起因する弱い内部
リークが原因と思われる電流効率の低下(80%)か見ら
れたが、本実施例の電池では、ほぼ100%の電流効率と
なった。一方、クラック試験では、内部短絡は見られ
ず、電流効率の低下も殆ど見られなかった。比較のため
に、有機溶媒にプロピレンカーボネートとジメチルカー
ポネートの混合溶媒を使用し、同様に電池を作製して、
クラック試験を行なったが、充電時に電圧上昇が殆ど無
く、充電できず、内部短絡が起きているものと思われ
た。
As a result, in the charge / discharge curve of the normal operation, a decrease in current efficiency (80%) which was considered to be caused by weak internal leak caused by pinholes in the solid electrolyte thin film was conventionally observed. The example battery had nearly 100% current efficiency. On the other hand, in the crack test, no internal short circuit was observed, and almost no decrease in current efficiency was observed. For comparison, using a mixed solvent of propylene carbonate and dimethyl carbonate as the organic solvent, similarly prepared a battery,
A crack test was performed, but it was considered that there was almost no voltage rise during charging, charging was impossible, and an internal short circuit occurred.

【0093】正極中の活物質として、LixMnO、LixN
iOを使用しても、ほぼ同様に結果が得られた。また、
正極中の材質として、ポリエチレンオキサイド系高分
子、あるいはポリアクリロニトリル系高分子を使用して
も、同様に良好な結果が得られた。更に、電解質として
も、LiBF、LiClO、LiCFSOのいずれにおいても
良好な結果が得られた。
As the active material in the positive electrode, LixMn 2 O 4 , LixN
Almost the same results were obtained using iO 2 . Also,
Similarly, good results were obtained when a polyethylene oxide polymer or a polyacrylonitrile polymer was used as the material in the positive electrode. Further, good results were obtained with any of LiBF 4 , LiClO 4 and LiCF 3 SO 3 as the electrolyte.

【0094】(実施例3-2)実施例3-1に示した電池構成
において、アセトニトリルに変えて、アクリロニトリル
を含有するN,N-ジメチルホルムアミド溶媒(DMF)を使
用した。この溶媒を使用した有機電解液のリチウムイオ
ン伝導度は2×10−2S/cmであった。
(Example 3-2) In the battery configuration shown in Example 3-1, an N, N-dimethylformamide solvent (DMF) containing acrylonitrile was used instead of acetonitrile. The lithium ion conductivity of the organic electrolyte using this solvent was 2 × 10 −2 S / cm.

【0095】その結果は、実施例3-1と同様の良好な特
性が得られた。また、この結果は、スチレン、アクリル
酸エステル、メタクリロニトリル、メタアクリル酸エス
テル、ブタジェン誘導体、イソプレン誘導体を用いても
同様であった。
As a result, the same good characteristics as in Example 3-1 were obtained. The same results were obtained when styrene, acrylate, methacrylonitrile, methacrylate, butadiene derivative and isoprene derivative were used.

【0096】(実施例3-3)実施例3-1で示した電池構成
において、有機電解液の溶質量を通常の25%に低減させ
た有機電解液を作製して、実施例3-1と同様にリチウム
電池を作製した。上記溶質量の低減により、リチウムイ
オン伝導度は5×10−4S/cmにまで下がった。
(Example 3-3) In the battery configuration shown in Example 3-1, an organic electrolyte solution was prepared in which the dissolved mass of the organic electrolyte solution was reduced to 25% of the ordinary amount. In the same manner as in the above, a lithium battery was produced. Due to the above reduction in the dissolved mass, the lithium ion conductivity was lowered to 5 × 10 −4 S / cm.

【0097】この電池の充放電特性およびクラック試験
を実施したが、充放電曲線では電流密度も95%以上が得
られた。また、クラック試験でも、電流密度の若干の低
下は見られたが、ほぼ特性を維持した。さらに、500回
のサイクル特性でも、従来は充放電による固体電解質薄
膜層の亀裂と思われる理由で、電流密度の低下等が見ら
れたが、本実施例の構成の電池では、殆ど性能の低下は
見られず、良好なサイクル特性を示した。
A charge / discharge characteristic and a crack test of this battery were performed. According to the charge / discharge curve, a current density of 95% or more was obtained. In the crack test, the current density was slightly reduced, but the characteristics were almost maintained. Further, even with the cycle characteristics of 500 times, the current density was decreased due to the cracks of the solid electrolyte thin film layer caused by the charge and discharge in the past, but the performance of the battery of the configuration of the present example was almost decreased. Was not observed, indicating good cycle characteristics.

【0098】(実施例3-4)実施例3-1に示した電池構成
において、負極と正極の間にセパレータを設け、アセト
ニトリルに変えて、メチルスルフォランを使用して、同
様にリチウム電池を作製した。この溶媒を使用した有機
電解液のセパレータ中のリチウムイオン伝導度は7×10
−4S/cmであった。その結果は、実施例1と同様の良好
な特性が得られ、サイクル特性も良好な結果を示した。
(Example 3-4) In the battery configuration shown in Example 3-1, a separator was provided between the negative electrode and the positive electrode, and methylsulfolane was used instead of acetonitrile. Produced. The lithium ion conductivity in the separator of the organic electrolyte using this solvent is 7 × 10
-4 S / cm. As a result, the same good characteristics as in Example 1 were obtained, and the cycle characteristics also showed good results.

【0099】(実施例3-5)実施例3-1で示した電池構成
において、アセトニトリルに変えて、ぎ酸メチルを使用
して、同様にリチウム電池を作製した。この溶媒を使用
した有機電解液のリチウムイオン伝導度は1×10−3S/
cmであった。その結果は、実施例3-1と同様の良好な特
性が得られ、サイクル特性も良好な結果を示した。
Example 3-5 A lithium battery was fabricated in the same manner as in Example 3-1 except that methyl formate was used instead of acetonitrile. The lithium ion conductivity of the organic electrolyte using this solvent is 1 × 10 −3 S /
cm. As a result, good characteristics similar to those in Example 3-1 were obtained, and the cycle characteristics also showed good results.

【0100】(実施例4-1)1インチ径のニッケル金属
よりなる集電体上に、厚さ200μm(ミクロンメート
ル)のリチウム金属を張り合わせて、負極とした。RFマ
グネトロンスパッタ法により、LiS、PS、LiPO
の混合物をターゲットにして、この負極上に固体電解
質薄膜を形成した。分析の結果、固体電解質膜は、組成
がリチウム34原子%、リン14原子%、イオウ51原子%、
酸素1原子%からなる非晶質であることが判明した。ま
た、この薄膜の厚さは、800nm(ナノメートル)であっ
た。
Example 4-1 A 200 μm (micron meter) thick lithium metal was laminated on a current collector made of nickel metal having a diameter of 1 inch to form a negative electrode. Li 2 S, P 2 S 5 , Li 3 PO by RF magnetron sputtering
Using the mixture of No. 4 as a target, a solid electrolyte thin film was formed on the negative electrode. As a result of the analysis, the solid electrolyte membrane was composed of 34 atom% of lithium, 14 atom% of phosphorus, 51 atom% of sulfur,
It turned out to be amorphous consisting of 1 atomic% of oxygen. The thickness of this thin film was 800 nm (nanometer).

【0101】なお、この非晶質薄膜のリチウムイオン伝
導度は7×10−4S/cmであった。イオン伝導度は、アル
カリイオンを含まないガラス基板上にくし型の金電極を
形成し、その上に同薄膜を形成して、複素インピーダン
ス法により測定した。
The lithium ion conductivity of this amorphous thin film was 7 × 10 −4 S / cm. The ionic conductivity was measured by forming a comb-shaped gold electrode on a glass substrate containing no alkali ions, forming the same thin film thereon, and using the complex impedance method.

【0102】活物質となるLiCoO粒子、電子伝導性を
付与する炭素粒子、およびポリフッ化ビニリデンを有機
溶媒と共に混合し、アルミニウム箔上に塗布して、正極
とした。活物質層の厚みは80μmで、3.5mAh(ミリアン
ペア・時)/cm(平方センチメートル)の容量密度
で、総容量は17.2mAhであった。
LiCoO 2 particles as an active material, carbon particles for imparting electron conductivity, and polyvinylidene fluoride were mixed together with an organic solvent, and coated on an aluminum foil to obtain a positive electrode. The thickness of the active material layer was 80 μm, the capacity density was 3.5 mAh (milliamp-hour) / cm 2 (square centimeter), and the total capacity was 17.2 mAh.

【0103】露点−60℃以下のアルゴンガス雰囲気下、
固体電解質薄膜を形成した負極、セパレータ(多孔質ポ
リマーフィルム)および正極を、ステンレス製密封容器
中に重ねて設置し、さらにエチレンカーボネートとプロ
ピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として1モル%
のLiPFを溶解させた有機電解液を滴下して、リチウム
二次電池を作製した。
Under an argon gas atmosphere having a dew point of −60 ° C. or less,
The negative electrode, the separator (porous polymer film), and the positive electrode each having the solid electrolyte thin film formed thereon are placed in a stainless steel sealed container so as to be stacked, and further added to a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate as an electrolytic salt at 1 mol%.
An organic electrolyte solution in which LiPF 6 was dissolved was dropped to prepare a lithium secondary battery.

【0104】充放電のサイクル実験は、8.6mAの定電流
条件で、充電4.2V、放電3.0Vの間で行った。そのサイク
ル寿命の結果を表4に示すが、500サイクル後において
も、内部短絡は起こさず、容量の低下も見られなかっ
た。
The charge / discharge cycle experiment was carried out between a charge of 4.2 V and a discharge of 3.0 V under a constant current condition of 8.6 mA. The results of the cycle life are shown in Table 4. Even after 500 cycles, no internal short circuit occurred and no reduction in capacity was observed.

【0105】[0105]

【表4】 [Table 4]

【0106】(実施例4-2〜実施例4-10)実施例4-1と同
様の構成で、無機固体電解質の組成およびイオン伝導特
性を変えた実験を行い、実施例4-1と同様の条件でこの
電池のサイクル特性を調査した。なお、無機固体電解質
薄膜中への窒素原子添加および含有量調整に対しては、
RFマグネトロンスパッタ法における導入ガス中の窒素ガ
ス濃度を調整して行った。その結果を表4に示す。
(Examples 4-2 to 4-10) Experiments were conducted with the same configuration as in Example 4-1 and changing the composition and ionic conduction characteristics of the inorganic solid electrolyte. The cycle characteristics of this battery were investigated under the following conditions. In addition, for the addition of nitrogen atoms and adjustment of the content in the inorganic solid electrolyte thin film,
The adjustment was performed by adjusting the nitrogen gas concentration in the introduced gas in the RF magnetron sputtering method. Table 4 shows the results.

【0107】(比較例4-1〜比較例4-5)比較実験とし
て、実施例4-1と同様の構成で、固体電解質層を形成し
ていないリチウム金属を負極とした場合についても、同
様の構成で充放電実験を行った。その結果を表4の比較
例4-1に示す。充放電の当初から電流効率は90数%台と
低く、また、78サイクルを越えた時点から、微小な内部
短絡が原因と考えられる電圧降下が見られるようにな
り、容量もさらに大幅に低下した。
(Comparative Example 4-1 to Comparative Example 4-5) As a comparative experiment, the same configuration as in Example 4-1 was used except that a lithium metal having no solid electrolyte layer was used as a negative electrode. A charge / discharge experiment was performed with the configuration described above. The results are shown in Comparative Example 4-1 of Table 4. From the beginning of charging and discharging, the current efficiency was as low as 90% or more, and after 78 cycles, a voltage drop caused by a small internal short circuit began to be seen, and the capacity further decreased significantly .

【0108】その他、無機固体電解質の組成およびイオ
ン伝導特性の異なる電池についても同様の実験を行い、
その電池のサイクル特性を調査した。その結果を、同様
に表4に示す。比較例4-2〜4-5もサイクル特性の低いこ
とがわかる。
In addition, similar experiments were conducted for batteries having different compositions of the inorganic solid electrolyte and ionic conduction characteristics.
The cycle characteristics of the battery were investigated. The results are similarly shown in Table 4. It can be seen that Comparative Examples 4-2 to 4-5 also have low cycle characteristics.

【0109】(実施例4-11〜実施例4-15)実施例4-1と
同様の構成、および無機固体電解質組成において、無機
固体電解質薄膜の膜厚のみを変えた実験を行い、その電
池のサイクル特性を調査した。それらの結果を表5に示
す。固体電解質層の厚みが50nm〜50μmまでの範囲であ
れば、何れの場合も、500サイクル後においても内部短
絡は起こさず、容量の低下も見られなかった。
(Examples 4-11 to 4-15) An experiment was conducted by changing the thickness of the inorganic solid electrolyte thin film in the same configuration and the inorganic solid electrolyte composition as in Example 4-1. Was investigated for cycle characteristics. Table 5 shows the results. As long as the thickness of the solid electrolyte layer was in the range from 50 nm to 50 μm, no internal short-circuit occurred even after 500 cycles, and no reduction in capacity was observed.

【0110】[0110]

【表5】 [Table 5]

【0111】(比較例4-6〜比較例4-8)実施例4-1と同
様の構成で、実施例4-11〜15と無機固体電解質層の厚み
のみを変えて同様の実験を行い、その電池のサイクル特
性を調査した。その結果を表5に示す。比較例8の厚み
が60μmの場合においては、充放電サイクルの当初か
ら、電流効率は95%程度と不十分なものであったが、50
0サイクル後も、その性能に変化はなかった。
(Comparative Example 4-6 to Comparative Example 4-8) The same experiment as in Example 4-1 was performed, except that the thickness of the inorganic solid electrolyte layer was changed except for the thickness of the inorganic solid electrolyte layer. The cycle characteristics of the battery were investigated. Table 5 shows the results. When the thickness of Comparative Example 8 was 60 μm, the current efficiency was insufficient at about 95% from the beginning of the charge / discharge cycle.
There was no change in its performance after 0 cycles.

【0112】(実施例4-16〜実施例4-18)無機固体電解
質層を2層構造にして、その非晶質無機固体電解質層の
正極側層の組成を変えて、無機固体電解質の大気下での
安定性を調査した。さらに、実施例4-1で説明した電池
と同様の構成で、電池特性も調査した。負極側の無機固
体電解質層の組成は、実施例4-7と同じ組成とした。な
お、正極側層、負極側層の各厚みは、50nmと1μmであ
る。それらの結果を表6に示す。何れの場合も、極めて
高い安定性を示している。また、電池特性も所期の電池
性能を示し、500サイクル後においても内部短絡は起こ
さず、容量の低下も見られなかった。
(Examples 4-16 to 4-18) The inorganic solid electrolyte layer was formed into a two-layer structure, and the composition of the positive electrode side layer of the amorphous inorganic solid electrolyte layer was changed. The stability under was investigated. Further, with the same configuration as the battery described in Example 4-1, the battery characteristics were also investigated. The composition of the inorganic solid electrolyte layer on the negative electrode side was the same as that of Example 4-7. The thicknesses of the positive electrode side layer and the negative electrode side layer are 50 nm and 1 μm, respectively. Table 6 shows the results. In each case, extremely high stability is shown. Also, the battery characteristics showed the expected battery performance, no internal short circuit occurred even after 500 cycles, and no reduction in capacity was observed.

【0113】[0113]

【表6】 [Table 6]

【0114】(比較例4-9〜比較例4-10)無機固体電解
質層を2層構造にして、非晶質無機固体電解質層におけ
る正極側層の組成を実施例4-16〜18とは変えて、無機固
体電解質の大気下での安定性を調査した。さらに、実施
例4-1で説明した電池と同様の構成で電池特性も調査し
た。負極側の無機固体電解質の組成は、実施例4-7と同
じ組成とした。それらの結果を表6に示す。それらの何
れの場合も、極めて不安定になり、電池特性も大幅に低
下した。
(Comparative Examples 4-9 to 4-10) The inorganic solid electrolyte layer was made into a two-layer structure, and the composition of the positive electrode side layer in the amorphous inorganic solid electrolyte layer was the same as in Examples 4-16 to 18-18. Alternately, the stability of the inorganic solid electrolyte in air was investigated. Further, the battery characteristics were also investigated with the same configuration as the battery described in Example 4-1. The composition of the inorganic solid electrolyte on the negative electrode side was the same as that of Example 4-7. Table 6 shows the results. In each of these cases, it became extremely unstable, and the battery characteristics were significantly reduced.

【0115】(実施例4-19〜実施例4-20)2層の無機固
体電解質層における正極側固体電解質層の膜厚を変え
て、無機固体電解質の大気下での安定性を調査した。さ
らに、実施例4-16と同様の構成で、その電池特性を調査
した。負極側の無機固体電解質の組成は、実施例4-7と
同じ組成とした。その結果を表7に示す。それらの何れ
の場合も、極めて高い安定性を示した。また、電池特性
も所期の電池性能を示し、500サイクル後においても内
部短絡は起こさず、容量の低下も見られなかった。
(Examples 4-19 to 4-20) The stability of the inorganic solid electrolyte in the air was investigated by changing the thickness of the solid electrolyte layer on the positive electrode side in the two inorganic solid electrolyte layers. Further, with the same configuration as in Example 4-16, the battery characteristics were examined. The composition of the inorganic solid electrolyte on the negative electrode side was the same as that of Example 4-7. Table 7 shows the results. In each of these cases, extremely high stability was exhibited. Also, the battery characteristics showed the expected battery performance, no internal short circuit occurred even after 500 cycles, and no reduction in capacity was observed.

【0116】[0116]

【表7】 [Table 7]

【0117】(比較例4-11〜比較例4-12)比較例とし
て、無機固体電解質層を2層構造にして、実施例4-19〜
20とは非晶質無機固体電解質層の正極側の厚みを変え
て、無機固体電解質の大気下での安定性を調査した。さ
らに、実施例4-16と同様の構成で、電池特性も調査し
た。負極側の無機固体電解質層の組成は、実施例4-7と
同じ組成とした。それらの結果を表7に示す。それらの
何れの場合も、極めて不安定になり、電池性能も大幅に
低下した。
(Comparative Examples 4-11 to 4-12) As comparative examples, the inorganic solid electrolyte layer was formed into a two-layer structure, and
The stability of the inorganic solid electrolyte in the air was investigated by changing the thickness of the amorphous inorganic solid electrolyte layer on the positive electrode side from 20. Further, with the same configuration as in Example 4-16, the battery characteristics were also investigated. The composition of the inorganic solid electrolyte layer on the negative electrode side was the same as that of Example 4-7. Table 7 shows the results. In each of these cases, it became extremely unstable, and the battery performance was significantly reduced.

【0118】(実施例4-21)負極のリチウム金属表面
を、RFマグネトロンスパッタ装置内で、一旦、アルゴン
ガス雰囲気中でプレスパッタして、リチウム金属表面上
に不可避的にある酸化物層を除去した。その後、その表
面上に無機固体電解質薄膜を形成した。この電解質層の
組成は、Li:39.4原子%、P:0.3原子%、B:16.0原子
%、S:43.3原子%、O:1.1原子%、膜厚は2.5μmであ
る。その負極を使用して、実施例1と同様の構成で、リ
チウム二次電池を作製して、その電池のサイクル特性を
調査した。サイクル試験は17.2mAの定電流条件で行った
が、500サイクル後においても、内部短絡は起こさず、
容量の低下も見られなかった。
(Example 4-21) The lithium metal surface of the negative electrode was once pre-sputtered in an argon gas atmosphere in an RF magnetron sputtering apparatus to remove an oxide layer inevitably on the lithium metal surface. did. Thereafter, an inorganic solid electrolyte thin film was formed on the surface. The composition of the electrolyte layer is as follows: Li: 39.4 at%, P: 0.3 at%, B: 16.0 at%, S: 43.3 at%, O: 1.1 at%, and the film thickness is 2.5 μm. Using the negative electrode, a lithium secondary battery was manufactured in the same configuration as in Example 1, and the cycle characteristics of the battery were investigated. The cycle test was performed under the constant current condition of 17.2 mA, but even after 500 cycles, no internal short circuit occurred.
No decrease in capacity was observed.

【0119】(実施例4-22)負極のリチウム金属表面
を、RFマグネトロンスパッタ装置内で、一旦、HSを含
む雰囲気中でプレスパッタして、その表面上に不可避的
に存在する酸化物層を取り除くと同時に、硫化リチウム
層を形成した。その後、その表面上に無機固体電解質薄
膜を形成した。この電解質層の組成は、Li:38.2原子
%、P:12.2原子%、S:48.6原子%、O:1.0原子%、膜
厚は10μmである。その負極を使用して、実施例4-1と同
様の構成で、リチウム二次電池を作製して、その電池の
サイクル特性を調査した。サイクル試験は、17.2mAの定
電流条件で行ったが、500サイクル後においても、内部
短絡は起こさず、容量の低下も見られなかった。
(Example 4-22) The lithium metal surface of the negative electrode was once pre-sputtered in an RF magnetron sputtering apparatus in an atmosphere containing H 2 S, and an oxide unavoidably present on the surface was pre-sputtered. At the same time as removing the layer, a lithium sulfide layer was formed. Thereafter, an inorganic solid electrolyte thin film was formed on the surface. The composition of this electrolyte layer is as follows: Li: 38.2 at%, P: 12.2 at%, S: 48.6 at%, O: 1.0 at%, and film thickness: 10 μm. Using the negative electrode, a lithium secondary battery was fabricated in the same configuration as in Example 4-1 and the cycle characteristics of the battery were investigated. The cycle test was performed under a constant current condition of 17.2 mA. However, even after 500 cycles, no internal short circuit occurred and no reduction in capacity was observed.

【0120】(実施例4-23)負極のリチウム金属表面
を、RFマグネトロンスパッタ装置内で、一旦、N雰囲
気中でプレスパッタして、その表面上に不可避的に存在
する酸化物層を取り除くと同時に、窒化リチウム層を形
成した。その後、その表面上に無機固体電解質薄膜を形
成した。この電解質層の組成は、Li:42.3原子%、P:0.
3原子%、Si:11.8原子%、S:44.3原子%、O:1.3原子
%、膜厚は1μmである。その負極を使用して、実施例4
-1と同様の構成で、リチウム二次電池を作製して、その
電池のサイクル特性を調査した。サイクル試験は、17.2
mAの定電流条件で行ったが、500サイクル後において
も、内部短絡は起こさず、容量の低下も見られなかっ
た。
(Example 4-23) The lithium metal surface of the negative electrode was once pre-sputtered in an N 2 atmosphere in an RF magnetron sputtering apparatus to remove an oxide layer inevitably existing on the surface. At the same time, a lithium nitride layer was formed. Thereafter, an inorganic solid electrolyte thin film was formed on the surface. The composition of this electrolyte layer is as follows: Li: 42.3 atomic%, P: 0.
3 atomic%, Si: 11.8 atomic%, S: 44.3 atomic%, O: 1.3 atomic%, and the film thickness is 1 μm. Example 4 using the negative electrode
A lithium secondary battery was fabricated with the same configuration as that of -1, and the cycle characteristics of the battery were investigated. The cycle test is 17.2
The test was performed under the constant current condition of mA. However, even after 500 cycles, no internal short circuit occurred and no reduction in capacity was observed.

【0121】[0121]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リチウム金属負極よりのデンドライトの発生による短絡
が抑制でき、エネルギー密度が高く、充放電サイクル特
性に優れた安定性、安全性の高いリチウム二次電池が得
られる。
As described above, according to the present invention,
A short circuit due to generation of dendrites from the lithium metal negative electrode can be suppressed, and a lithium secondary battery having high energy density, excellent charge / discharge cycle characteristics, and high stability and safety can be obtained.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年6月28日(2000.6.2
8)
[Submission date] June 28, 2000 (2006.2.
8)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H003 AA02 AA04 BB02 BB03 BC05 5H014 AA02 EE01 HH01 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK16 AL01 AL12 AM12 DJ09 EJ03 HJ02 HJ04 HJ20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H003 AA02 AA04 BB02 BB03 BC05 5H014 AA02 EE01 HH01 5H029 AJ03 AJ05 AJ12 AK16 AL01 AL12 AM12 DJ09 EJ03 HJ02 HJ04 HJ20

Claims (33)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質層と、正極と、リチウム含有材料
からなる負極とを具えるリチウム二次電池において、 前記電解質層が無機固体電解質からなり、 前記正極が有機高分子を含有していることを特徴とする
リチウム二次電池。
1. A lithium secondary battery including an electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode made of a lithium-containing material, wherein the electrolyte layer is made of an inorganic solid electrolyte, and the positive electrode contains an organic polymer. A rechargeable lithium battery.
【請求項2】 電解質層の25℃におけるリチウムイオン
伝導度が、1×10 S/cm以上であることを特徴とする
請求項1に記載のリチウム二次電池。
2. A lithium ion conductivity at 25 ° C. of the electrolyte layer, 1 × 10 - 5 lithium secondary battery according to claim 1, characterized in that S / cm or more.
【請求項3】 電解質層の25℃におけるリチウムイオン
伝導度が、5×10 S/cm以上であることを特徴とする
請求項1に記載のリチウム二次電池。
3. A lithium ion conductivity at 25 ° C. of the electrolyte layer, 5 × 10 - 4 A rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that S / cm or more.
【請求項4】 電解質層が非晶質体であることを特徴と
する請求項1に記載のリチウム二次電池。
4. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte layer is an amorphous body.
【請求項5】 電解質層の成分が、酸素、窒素、硫化物
および酸窒化物よりなる群から選ばれた少なくとも一種
を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次
電池。
5. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the component of the electrolyte layer includes at least one selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfide, and oxynitride.
【請求項6】 硫化物が、Li2S、及びLi2SとSiS2、Ge
S2、GaSよりなる群から選ばれた少なくとも一種と
の化合物であり、 酸窒化物が、Li3PO4-XN2X/3、Li4SiO4-XN2X/3、Li4GeO
4-X2X/3(0<X<4)およびLi3BO3-XN2X/3(0<X<
3)よりなる群から選ばれた少なくとも一種あることを
特徴とする請求項5に記載のリチウム二次電池。
6. The sulfide is Li 2 S, and Li 2 S and SiS 2 , Ge
A compound of at least one selected from the group consisting of S 2, Ga 2 S 3, oxynitride, Li 3 PO 4-X N 2X / 3, Li 4 SiO 4-X N 2X / 3, Li 4 GeO
4-X N 2X / 3 (0 <X <4) and Li 3 BO 3-X N 2X / 3 (0 <X <
The lithium secondary battery according to claim 5, wherein the lithium secondary battery is at least one selected from the group consisting of (3).
【請求項7】 電解質層が次の成分を含有することを特
徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。 A: 30原子%以上65原子%以下のLi成分 B:リン、ケイ素、ホウ素、ゲルマニウムおよびガリウム
よりなる群から選ばれた一種類以上の元素 C:イオウ
7. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte layer contains the following components. A: Li component of 30 atomic% or more and 65 atomic% or less B: One or more elements selected from the group consisting of phosphorus, silicon, boron, germanium, and gallium C: sulfur
【請求項8】 さらに電解質層が酸素および窒素の少な
くとも一方を含有することを特徴とする請求項7に記載
のリチウム二次電池。
8. The lithium secondary battery according to claim 7, wherein the electrolyte layer further contains at least one of oxygen and nitrogen.
【請求項9】 電解質層の厚みが、50nm以上50μm以下
であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次
電池。
9. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the thickness of the electrolyte layer is 50 nm or more and 50 μm or less.
【請求項10】 電解質層が、正極側層と負極側層の2
層より構成されていることを特徴とする請求項1に記載
のリチウム二次電池。
10. An electrolyte layer comprising a positive electrode side layer and a negative electrode side layer.
The lithium secondary battery according to claim 1, comprising a layer.
【請求項11】 負極側層は硫化物を含有するリチウム
イオン伝導性化合物の薄膜であり、 正極側層は酸化物を含有するリチウムイオン伝導性化合
物の薄膜であることを特徴とする請求項10に記載のリ
チウム二次電池。
11. The negative electrode side layer is a thin film of a lithium ion conductive compound containing a sulfide, and the positive electrode side layer is a thin film of a lithium ion conductive compound containing an oxide. 4. The lithium secondary battery according to 1.
【請求項12】 2層からなる電解質層の厚さが2μm
以上22μm以下で、 正極側層の厚さが0.1μm以上2μm以下であることを特
徴とする請求項10に記載のリチウム二次電池。
12. A two-layer electrolyte layer having a thickness of 2 μm
The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the thickness is not less than 22 µm and the thickness of the positive electrode side layer is not less than 0.1 µm and not more than 2 µm.
【請求項13】 負極側層は硫化リチウム及び硫化ケイ
素を含有し、 正極側層はリン酸化合物、チタン酸化合物の少なくとも
一方を含有することを特徴とする請求項10に記載のリ
チウム二次電池。
13. The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the negative electrode side layer contains lithium sulfide and silicon sulfide, and the positive electrode side layer contains at least one of a phosphate compound and a titanate compound. .
【請求項14】 正極側層が次の成分を含有することを
特徴とする請求項10に記載のリチウム二次電池。 A:30原子%以上50原子%以下のLi成分 B:リン C:酸素および窒素の少なくとも一方
14. The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the positive electrode side layer contains the following components. A: Li component of 30 atomic% or more and 50 atomic% or less B: phosphorus C: at least one of oxygen and nitrogen
【請求項15】 正極側層の厚みが負極側層の厚みの1
%以上50%以下であることを特徴とする請求項10に記
載のリチウム二次電池。
15. The thickness of the positive electrode side layer is one of the thickness of the negative electrode side layer.
The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the content is not less than 50% and not more than 50%.
【請求項16】 正極側層の厚みが10nm以上25μm以下
であることを特徴とする請求項10に記載のリチウム二
次電池。
16. The lithium secondary battery according to claim 10, wherein the thickness of the positive electrode side layer is 10 nm or more and 25 μm or less.
【請求項17】 さらに正極にリチウムイオン伝導性固
体電解質粒子を含み、 この電解質粒子のイオン伝導度が10−3S/cm以上であ
ることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電
池。
17. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode further contains lithium ion conductive solid electrolyte particles, and the ion conductivity of the electrolyte particles is 10 −3 S / cm or more. .
【請求項18】 正極の有機高分子が、ポリアニリン含
有のジスルフィド系高分子であることを特徴とする請求
項1に記載のリチウム二次電池。
18. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the organic polymer of the positive electrode is a polysulfide-containing disulfide polymer.
【請求項19】 正極の有機高分子が、LiPF6およびLiC
F3SO3のいずれかのリチウム塩を含有していることを特
徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
19. The organic polymer of the positive electrode comprises LiPF 6 and LiC
The lithium secondary battery according to claim 1, characterized by containing one of the lithium salt of F 3 SO 3.
【請求項20】 正極が有機電解液を含有していること
を特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池。
20. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode contains an organic electrolyte.
【請求項21】 正極の有機電解液のリチウムイオン伝
導度が、電解質層の無機固体電解質のリチウムイオン伝
導度より低いことを特徴とする請求項21に記載のリチ
ウム二次電池。
21. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the lithium ion conductivity of the organic electrolyte of the positive electrode is lower than the lithium ion conductivity of the inorganic solid electrolyte of the electrolyte layer.
【請求項22】 正極の有機電解液が負極のリチウム含
有材料と接触することにより、接触部近傍において有機
電解液のイオン伝導度を無機固体電解質のイオン伝導度
より低下させることを特徴とする請求項21に記載のリ
チウム二次電池。
22. The method according to claim 20, wherein the organic electrolyte of the positive electrode contacts the lithium-containing material of the negative electrode, so that the ionic conductivity of the organic electrolyte is lower than the ionic conductivity of the inorganic solid electrolyte in the vicinity of the contact portion. Item 21. The lithium secondary battery according to Item 21.
【請求項23】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
負極のリチウム含有材料と接触することにより、接触部
近傍において気体化することを特徴とする請求項21に
記載のリチウム二次電池。
23. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolytic solution of the positive electrode contacts the lithium-containing material of the negative electrode to gasify in the vicinity of the contact portion.
【請求項24】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
負極のリチウム含有材料と接触することにより、接触部
近傍において固体化することを特徴とする請求項21に
記載のリチウム二次電池。
24. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolyte of the positive electrode contacts the lithium-containing material of the negative electrode, thereby solidifying in the vicinity of the contact portion.
【請求項25】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
負極のリチウム含有材料と接触することにより、接触部
近傍において有機電解液の粘性が高くなることを特徴と
する請求項21に記載のリチウム二次電池。
25. The method according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolyte of the positive electrode comes into contact with the lithium-containing material of the negative electrode, thereby increasing the viscosity of the organic electrolyte near the contact portion. Lithium secondary battery.
【請求項26】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
スルフォラン系化合物を含有していることを特徴とする
請求項21に記載のリチウム二次電池。
26. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolyte of the positive electrode contains a sulfolane compound.
【請求項27】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
鎖状カルボン酸エステル類を含有することを特徴とする
請求項21に記載のリチウム二次電池。
27. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolyte of the positive electrode contains a chain carboxylic acid ester.
【請求項28】 正極の有機電解液中の有機溶媒成分が
ニトリル基を有する化合物及びオレフィン結合を有して
いる化合物の少なくとも一種類を含有することを特徴と
する請求項21に記載のリチウム二次電池。
28. The lithium secondary battery according to claim 21, wherein the organic solvent component in the organic electrolyte of the positive electrode contains at least one of a compound having a nitrile group and a compound having an olefin bond. Next battery.
【請求項29】 負極の表面粗さが、Rmax値で0.01以上
5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のリ
チウム二次電池。
29. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode has a surface roughness of 0.01 to 5 μm in Rmax value.
【請求項30】 負極の電解質層側に、リチウムと合金
または金属間化合物を形成する金属層が形成され、 この負極が多層または傾斜組成であることを特徴とする
請求項1に記載のリチウム二次電池。
30. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein a metal layer forming an alloy or an intermetallic compound with lithium is formed on the electrolyte layer side of the negative electrode, and the negative electrode has a multilayer or gradient composition. Next battery.
【請求項31】 負極の表面には酸化物層がなく、その
表面に硫化物層または窒化物層を有することを特徴とす
る請求項1に記載のリチウム二次電池。
31. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode has no oxide layer on the surface and has a sulfide layer or a nitride layer on the surface.
【請求項32】 負極の表面には、酸化物層を介するこ
となく直接電解質層が形成されていることを特徴とする
請求項1に記載のリチウム二次電池。
32. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein an electrolyte layer is formed directly on the surface of the negative electrode without an intervening oxide layer.
【請求項33】 正負極の各々に集電体を具え、リチウ
ム含有材料を負極には設けず、負極の集電体上に、直接
に電解質層を形成したことを特徴とする請求項1に記載
のリチウム二次電池。
33. The method according to claim 1, wherein a current collector is provided on each of the positive and negative electrodes, and an electrolyte layer is formed directly on the current collector of the negative electrode without providing a lithium-containing material on the negative electrode. The lithium secondary battery according to the above.
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