JP2001155777A - Lithium battery - Google Patents

Lithium battery

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JP2001155777A
JP2001155777A JP33671699A JP33671699A JP2001155777A JP 2001155777 A JP2001155777 A JP 2001155777A JP 33671699 A JP33671699 A JP 33671699A JP 33671699 A JP33671699 A JP 33671699A JP 2001155777 A JP2001155777 A JP 2001155777A
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俊彦 上村
Makoto Osaki
誠 大崎
Hiromitsu Mishima
洋光 三島
Shinji Umagome
伸二 馬込
Toru Hara
亨 原
Nobuyuki Kitahara
暢之 北原
Hisashi Higuchi
永 樋口
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium battery which can improve the lithium ion conductivity and increase the current density of the electrolyte, and to solve the problem that an organic solvent or a lithium salt as carrier of the lithium ion must be included. SOLUTION: A lithium ion battery including a solid electrolyte layer inserted between a pair of electrodes, characterized in that the electrodes and the solid electrolyte layer comprise a non-protonic solvent.

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】本発明はリチウム電池に関す
る。
[0001] The present invention relates to a lithium battery.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】リチ
ウムイオン電池はエネルギー密度が高く、自己放電が少
なく、長期保存に対応できるなどの特性を生かし、携帯
電話やノートパソコンなどに広く用いられている。これ
らリチウムイオン電池は、正極活物質としてコバルト酸
リチウム(LiCoO2)やマンガン酸リチウム(Li
Mn24)が一般的に用いられ、負極活物質には、コー
クスや炭素繊維などの炭素材料が用いられている。
2. Description of the Related Art Lithium-ion batteries are widely used in mobile phones, notebook computers, etc., taking advantage of their characteristics such as high energy density, low self-discharge and long-term storage. . These lithium ion batteries use lithium cobaltate (LiCoO 2 ) or lithium manganate (Li) as a positive electrode active material.
Mn 2 O 4 ) is generally used, and a carbon material such as coke or carbon fiber is used as the negative electrode active material.

【0003】一般的にリチウムイオン電池は、前述の正
極活物質や負極活物質とアセチレンブラックや黒鉛など
の導電剤とポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリテ
トラフルオロエチレン(PTFE)などの結着剤と共に
アルミ箔もしくは銅箔に塗付され、ポリプロピレン製ま
たはポリエチレン製もしくはそれらの組み合わせである
セパレータを介してスパイラル状に巻き取られて電槽缶
内に挿入され、さらに有機系電解液を注入して封口され
た構造になっている。
[0003] In general, a lithium ion battery includes the above-mentioned positive electrode active material or negative electrode active material, a conductive agent such as acetylene black or graphite, and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). Coated on aluminum foil or copper foil, spirally wound through a separator made of polypropylene or polyethylene or a combination of them, inserted into a battery case, sealed with an organic electrolyte solution The structure has been.

【0004】これら有機系電解液の構成要素は非プロト
ン性溶媒と電解質塩であり、非プロトン性溶媒としては
プロピレンカーボネート(PC)、ジメトキシエタン
(DME)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチル
カーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DE
C)が単独あるいは混合された状態で用いられ、電解質
塩としてはLiClO4、LiAsF6、LiBF4、L
iPF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO22Nなど
が用いられている。
The components of these organic electrolytes are an aprotic solvent and an electrolyte salt, and the aprotic solvents include propylene carbonate (PC), dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC). ), Diethyl carbonate (DE
C) is used alone or in a mixed state, and as electrolyte salts, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , L
iPF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N and the like are used.

【0005】また、近年、携帯電話やノートパソコンな
どの携帯用情報通信端末に代表される各種電子応用機器
の薄型かつ小型化の要求に伴い、前述のような有機系電
解液に代えて、ポリマー電解質を用いたリチウム電池が
注目されている。
[0005] In recent years, with the demand for thinner and smaller electronic equipment such as portable information communication terminals such as mobile phones and notebook personal computers, polymer electrolytes have been used in place of the above-mentioned organic electrolytes. Attention has been paid to lithium batteries using an electrolyte.

【0006】ポリマー電解質は、ポリエチレンオキシド
(PEO)やポリプロピレンオキシド(PPO)に代表
されるドナー型の極性基を有する高分子と電解質塩との
混合剤であり、電解質層を薄膜化することができてエネ
ルギー密度の向上が期待される。あるいは、漏液、腐食
の心配がなく、揮発性の非プロトン性溶媒を用いないた
め、爆発、発火の危険性が少ないなど、電池特性、安全
性の向上が望める。
[0006] The polymer electrolyte is a mixture of a polymer having a donor type polar group represented by polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO) and an electrolyte salt, and can form a thin electrolyte layer. It is expected that the energy density will be improved. Alternatively, since there is no fear of liquid leakage and corrosion and no volatile aprotic solvent is used, there is little danger of explosion and ignition, so that battery characteristics and safety can be improved.

【0007】しかしながら、前述のポリマー電解質は、
有機系電解液と比較してイオン伝導度が低いという問題
があり、ポリマー電解質に有機系電解液を混合したゲル
電解質は、有機系電解液に匹敵するイオン伝導度を有す
ることから、開発が盛んに行われている。
However, the aforementioned polymer electrolyte is
There is a problem that the ionic conductivity is lower than that of the organic electrolyte, and the gel electrolyte in which the organic electrolyte is mixed with the polymer electrolyte has an ionic conductivity comparable to that of the organic electrolyte. It has been done.

【0008】このようなゲル電解質を用いた場合、固体
電解質層と電極層の電気的な接触を理想的に保つことが
困難であり、例えば特開平7−326383号公報で
は、高分子化合物に電解質塩と溶媒を混合してモノマー
組成物を重合させたものを正極活物質層に積層してモノ
マー組成物の一部を正極活物質層に含浸させ、正極活物
質層に含浸させたモノマー組成物と正極活物質の表面に
積層したモノマー組成物を重合して正極活物質層に密着
して高分子固体電解質を積層状態に作製することによっ
て正極活物質層と高分子固体電解質とを十分に密着させ
ることが提案されている。
[0008] When such a gel electrolyte is used, it is difficult to keep the electrical contact between the solid electrolyte layer and the electrode layer ideally. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. A monomer composition obtained by polymerizing a monomer composition by mixing a salt and a solvent is laminated on the positive electrode active material layer, a part of the monomer composition is impregnated in the positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer is impregnated. The positive electrode active material layer and the polymer solid electrolyte are sufficiently adhered to each other by polymerizing the monomer composition laminated on the surface of the positive electrode active material and forming a polymer solid electrolyte in close contact with the positive electrode active material layer. It has been proposed to do so.

【0009】また、特開平8−111233号公報で
は、正極酸化物表面にポリエーテル、ポリチオエーテ
ル、またはポリアクリレートの主鎖の両端または一端が
化学結合した正極と固体電解質との界面の抵抗、および
正極活物質粒子同士の界面抵抗を低減させることが提案
されている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI 8-111233, the resistance of the interface between the positive electrode and the solid electrolyte in which both ends or one end of the main chain of polyether, polythioether or polyacrylate are chemically bonded to the surface of the positive electrode oxide, and It has been proposed to reduce the interface resistance between the positive electrode active material particles.

【0010】また、特開平8−315855号公報で
は、重合可能な官能基を有する有機化合物と有機溶媒と
リチウム塩との混合物を両電極間に挟み、その後に重合
を完結させることにより、電解質と電極との間における
界面の生成を防止し、固体電解質と電極との剥離を防ぐ
ことなどが提案されている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-315855, a mixture of an organic compound having a polymerizable functional group, an organic solvent, and a lithium salt is sandwiched between both electrodes, and thereafter, the polymerization is completed. Proposals have been made to prevent the generation of an interface between the electrode and the electrode and to prevent separation of the solid electrolyte and the electrode.

【0011】また、特開平3−37971号公報では、
有機高分子固体電解質中にLiI、Li−β−Al
23、Li3N、LiI−Al23などの無機固体電解
質を分散させ、イオン伝導度を向上させると共に、柔軟
性を有し、耐電圧のある信頼性の高い薄型電池が提案さ
れている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-37971,
LiI, Li-β-Al in organic polymer solid electrolyte
Inorganic solid electrolytes such as 2 O 3 , Li 3 N, and LiI-Al 2 O 3 are dispersed to improve ionic conductivity and have flexibility, withstand voltage, and a highly reliable thin battery has been proposed. ing.

【0012】また、特開平9−50816号公報では、
溶質と電解質塩を混合させた高分子電解質中に、Li2
CO3、CoCO3、NiCO3、MgCO3などの金属炭
酸化物を分散させることにより、機械的性質、加工性が
優れるとともに、負極との界面における化学的安定性の
高い複合固体電解質が提案されている。
[0012] In Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-50816,
Li 2 in the polymer electrolyte mixed with solute and electrolyte salt
CO 3, CoCO 3, NiCO 3 , by dispersing the metal carbonate such as MgCO 3, mechanical properties, together with the workability is excellent, and high chemical stability composite solid electrolyte have been proposed in the interface with the anode I have.

【0013】しかしながら、これらの方法では依然とし
て電解質のリチウムイオン伝導度が低く電流密度が小さ
くなってしまう問題があり、主たるリチウムイオン伝導
体である有機溶媒およびリチウム塩を多く含ませる必要
があった。
However, these methods still have a problem that the lithium ion conductivity of the electrolyte is low and the current density is low, and it is necessary to contain a large amount of the main lithium ion conductor, that is, the organic solvent and the lithium salt.

【0014】さらには、固体電解質に無機化合物を用い
た固体電解質電池の開発も進められている。例えば特開
平8−148180号公報では、正極活物質として遷移
金属酸化物および遷移金属硫化物からなる化合物を正極
とし、Li2Sを含むリチウムイオン電導性のガラス固
体電解質およびリチウムと合金化する金属を負極とする
全固体リチウム電池で負極におけるデンドライドの発生
や活物質の脱落がなく、充放電サイクル寿命に優れるこ
とが提案されている。ただし、この提案は、正極および
固体電解質に硫化物系の化合物を含むため、水分との反
応性に富むなどの問題がある。
Further, the development of a solid electrolyte battery using an inorganic compound for the solid electrolyte is also in progress. For example, in JP-A-8-148180, a compound comprising a transition metal oxide and a transition metal sulfide as a positive electrode active material is used as a positive electrode, a lithium ion conductive glass solid electrolyte containing Li 2 S, and a metal alloyed with lithium. It has been proposed that an all-solid lithium battery having a negative electrode as a negative electrode does not generate dendrites or drop off an active material in the negative electrode, and has an excellent charge / discharge cycle life. However, in this proposal, since the positive electrode and the solid electrolyte contain a sulfide-based compound, there are problems such as high reactivity with moisture.

【0015】また、特開平5−299101号公報で
は、リチウムイオン電導性に優れるLi1+(4-n)xTi
2-x(PO43を焼結させたものを固体電解質に用いる
ことによって高率放電特性に優れるリチウム電池を提案
している。しかし、このように酸化物無機固体電解質を
用いた全固体リチウム電池においても、従来の非水溶媒
を電解液として用いた二次電池と比較して、エネルギー
密度、放電電流密度に劣るなどの問題があり、実用化に
は至っていない。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-299101, Li 1+ (4-n) M x Ti having excellent lithium ion conductivity is disclosed.
A lithium battery excellent in high-rate discharge characteristics has been proposed by using a sintered 2-x (PO 4 ) 3 as a solid electrolyte. However, even in the case of an all-solid lithium battery using an oxide inorganic solid electrolyte as described above, there are problems such as inferior energy density and discharge current density as compared with a conventional secondary battery using a non-aqueous solvent as an electrolyte. And it has not been put to practical use.

【0016】無機固体電解質のリチウムイオン伝導度が
向上しても、電池としての特性が向上しない原因とし
て、粒子−粒子間の界面抵抗、電極−固体電解質間の界
面抵抗が考えられる。材料各々では、十分な特性を有し
ていても、界面抵抗が高いために十分な特性が得られな
い。
Even if the lithium ion conductivity of the inorganic solid electrolyte is improved, the characteristics of the battery are not improved because of the interfacial resistance between particles and the interfacial resistance between the electrode and the solid electrolyte. Even if each material has sufficient characteristics, sufficient characteristics cannot be obtained due to high interface resistance.

【0017】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、電解質のリチウムイオン伝導
度が低くて電流密度が小さく、例えばリチウムイオン伝
導体である有機溶媒やリチウム塩を含ませる必要がある
という従来の問題点を解消したリチウム電池を提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and has a low lithium ion conductivity of an electrolyte and a low current density. For example, an organic solvent or a lithium salt which is a lithium ion conductor is used. An object of the present invention is to provide a lithium battery that has solved the conventional problem that it needs to be included.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係る発明のリチウム電池では、一対の電
極間に固体電解質層を挟持してなるリチウム電池であっ
て、前記電極および固体電解質層が非プロトン性溶媒を
含んでいることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a lithium battery having a solid electrolyte layer sandwiched between a pair of electrodes. The solid electrolyte layer contains an aprotic solvent.

【0019】上記リチウム電池では、前記電極が電極活
物質と固体電解質から成り、前記固体電解質層がこの固
体電解質と同一材料から成ることが望ましい。
In the above-mentioned lithium battery, it is preferable that the electrode is made of an electrode active material and a solid electrolyte, and the solid electrolyte layer is made of the same material as the solid electrolyte.

【0020】上記リチウム電池では、前記固体電解質層
がリチウムイオン伝導性を有する酸化物系結晶化ガラス
から成ることが望ましい。
In the above lithium battery, it is preferable that the solid electrolyte layer is made of an oxide crystallized glass having lithium ion conductivity.

【0021】上記リチウム電池では、前記非プロトン性
溶媒が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネートのうちのいずれか一種または
複数種から成ることが望ましい。
In the above-mentioned lithium battery, it is preferable that the aprotic solvent comprises one or more of propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate.

【0022】上記リチウム電池では、前記電極の活物質
がLi1+xMn2-x4(0≦x≦0.2)、LiMn2-y
Mey4(Me=Ni、Cr、Cu、Zn、0<y≦
0.6)、Li4Ti512、およびLi4Mn512より
なる群から選択される少なくとも1種からなることが望
ましい。
In the above lithium battery, the active material of the electrode is Li 1 + x Mn 2-x O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2), LiMn 2-y
Me y O 4 (Me = Ni, Cr, Cu, Zn, 0 <y ≦
0.6), Li 4 Ti 5 O 12 and at least one selected from the group consisting of Li 4 Mn 5 O 12 .

【0023】従来の有機系電解液は、非プロトン性溶媒
に電解質塩を溶解させることによって電解質にリチウム
イオン電導性を付与するものであるが、本発明では、電
解質塩を含まない非プロトン性溶媒を含ませるだけで電
池特性が向上するものであり、従来にない伝導機構によ
ってリチウムイオンが移動しているものと思われる。
The conventional organic electrolyte solution imparts lithium ion conductivity to the electrolyte by dissolving the electrolyte salt in an aprotic solvent. In the present invention, an aprotic solvent containing no electrolyte salt is used. Only improves the battery characteristics, and it is considered that lithium ions move by an unconventional conduction mechanism.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明のリチウム電池の実
施形態について説明する。図1は、本発明に係るリチウ
ム電池の構成例を示す断面図である。図1において、1
はパッケージ、2は一対の電極、2aは正極、2bは負
極、3は固体電解質層、4は正極集電体、5は負極集電
体である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the lithium battery of the present invention will be described. FIG. 1 is a sectional view showing a configuration example of the lithium battery according to the present invention. In FIG. 1, 1
Denotes a package, 2 denotes a pair of electrodes, 2a denotes a positive electrode, 2b denotes a negative electrode, 3 denotes a solid electrolyte layer, 4 denotes a positive electrode current collector, and 5 denotes a negative electrode current collector.

【0025】パッケージ1は、気密性を保持できれば材
質には限定されず、例えばアルミニウム製ラミネート
材、ニッケル、アルミニウムなどの金属、あるいはシュ
リンクケースなどを用いることができる。
The material of the package 1 is not limited as long as it can maintain airtightness. For example, an aluminum laminate, a metal such as nickel or aluminum, or a shrink case can be used.

【0026】正極集電体4または負極集電体5は、正極
2aまたは負極2bの集電ために設けられ、例えばアル
ミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)など
の金属箔を用いることができる。
The positive electrode current collector 4 or the negative electrode current collector 5 is provided for collecting the current of the positive electrode 2a or the negative electrode 2b, and uses a metal foil such as aluminum (Al), nickel (Ni), copper (Cu). be able to.

【0027】正極2aは、正極活物質紛末からなり、必
要に応じて固体電解質層と同一材料の固体電解質粉末が
混合される。負極2bは、負極活物質粉末からなり、必
要に応じて固体電解質層と同一材料の固体電解質紛末が
混合される。正極または負極活物質と固体電解質粉末を
混合する場合、電極内のリチウムイオン伝導度の向上が
期待されるが、固体電解質粉末の混合量が過多になる
と、電池の充放電反応に寄与する正極もしくは負極活物
質の体積当たりもしくは重量当たりの量が減少し、電池
としてのエネルギー密度が低下する。したがって、電極
における正極もしくは負極活物質の量は、40重量%以
上であることが望ましい。また、この正極2aおよび負
極2bには、必要に応じて導電剤と結着剤が添加され
る。
The positive electrode 2a is made of a powder of a positive electrode active material, and if necessary, a solid electrolyte powder of the same material as the solid electrolyte layer is mixed. The negative electrode 2b is made of a negative electrode active material powder, and a solid electrolyte powder of the same material as the solid electrolyte layer is mixed as needed. When the positive or negative electrode active material and the solid electrolyte powder are mixed, the lithium ion conductivity in the electrode is expected to be improved.However, when the mixing amount of the solid electrolyte powder is excessive, the positive electrode or the positive electrode that contributes to the charge / discharge reaction of the battery is improved. The amount per volume or weight of the negative electrode active material decreases, and the energy density as a battery decreases. Therefore, the amount of the positive electrode or negative electrode active material in the electrode is desirably 40% by weight or more. Further, a conductive agent and a binder are added to the positive electrode 2a and the negative electrode 2b as needed.

【0028】この正極2aおよび負極2bに用いる電極
活物質としては、例えば、リチウムマンガン複合酸化
物、二酸化マンガン、リチウムニッケル複合酸化物、リ
チウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト
複合酸化物、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウム
チタン複合酸化物、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化バナ
ジウム、酸化タングステンなどとそれらの誘動体を用い
ることができる。上述の遷移金属酸化物のうち、特にL
1+xMn2-x4(0≦x≦0.2)、LiMn2 -yMe
y4(Me=Ni、Cr、Cu、Zn、0<y≦0.6
)、Li4Ti512、あるいはLi4Mn512よりな
る群は、充放電中の活物質の体積変化が小さい結晶系が
スピネル系の活物質であり、良好なサイクル特性を示す
ものである。ここで、正極活物質と負極活物質には明確
な区別はなく、2種類の化合物の充放電電位を比較して
貴な電位を示すものを正極に、卑な電位を示すものを負
極にそれぞれ用いて任意の電圧の電池を構成することが
できる。
As the electrode active material used for the positive electrode 2a and the negative electrode 2b, for example, lithium manganese composite oxide, manganese dioxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, lithium vanadium composite oxide Oxides, lithium titanium composite oxides, titanium oxide, niobium oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, and the like, and their inducers can be used. Among the above transition metal oxides, particularly L
i 1 + x Mn 2-x O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2), LiMn 2 -y Me
y O 4 (Me = Ni, Cr, Cu, Zn, 0 <y ≦ 0.6
), Li 4 Ti 5 O 12 , or Li 4 Mn 5 O 12 , a crystalline system in which the volume change of the active material during charging / discharging is small is a spinel-based active material and shows good cycle characteristics. It is. Here, there is no clear distinction between the positive electrode active material and the negative electrode active material, and those showing a noble potential by comparing the charge and discharge potentials of the two compounds are shown as the positive electrode, and those showing the noble potential are shown as the negative electrode. It can be used to form a battery of any voltage.

【0029】固体電解質層3に用いる固体電解質粉末、
正極2aもしくは負極2bに混合する固体電解質粉末と
しては、30LiI−41Li2O−29P25、40
Li2O−35B25−25LiNbO3、25Li2
−25Al23−50SiO2、40Li2O−6Y23
−54SiO2、あるいは65LiNbO2−35SiO
2などの酸化物系非晶質固体電解質やLi1+xxTi2-x
(PO43(ここでMはAl、Sc、Y、La)、Li
1+xTi2-x(PO43、Li0.5-3x0.5+xTiO3(こ
こでRはLa、Pr、Nd、Sm)、Li1+x+yAlx
2-xSiy3 -y12などの酸化物系結晶化ガラスが挙
げられる。固体電解質粉末は、イオン伝導度の観点か
ら、酸化物系結晶化ガラスであることが望ましい。
Solid electrolyte powder used for the solid electrolyte layer 3,
The solid electrolyte powder to be mixed with the positive electrode 2a or the negative electrode 2b, 30LiI-41Li 2 O- 29P 2 O 5, 40
Li 2 O-35B 2 O 5 -25LiNbO 3, 25Li 2 O
-25Al 2 O 3 -50SiO 2, 40Li 2 O-6Y 2 O 3
-54SiO 2 or 65LiNbO 2 -35SiO
2 or an oxide-based amorphous solid electrolyte such as Li 1 + x M x Ti 2-x
(PO 4 ) 3 (where M is Al, Sc, Y, La), Li
1 + x Ti 2-x (PO 4 ) 3 , Li 0.5-3x R 0.5 + x TiO 3 (where R is La, Pr, Nd, Sm), Li 1 + x + y Al x T
An oxide-based crystallized glass such as i 2-x Si y P 3 -y O 12 can be used. The solid electrolyte powder is preferably an oxide crystallized glass from the viewpoint of ionic conductivity.

【0030】導電剤としては、アセチレンブラック、黒
鉛、ケッチェンブラック、RuO2、Sb23をドープ
したSnO2、あるいはSnO2をドープしたIn23
どが挙げられる。
Examples of the conductive agent include acetylene black, graphite, Ketjen black, RuO 2 , SnO 2 doped with Sb 2 O 3, and SnO 2 doped In 2 O 3 .

【0031】結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン
(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTF
E)、ポリオレフィン類、ポリイミドなどが挙げられ
る。
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTF)
E), polyolefins, polyimides and the like.

【0032】正極2a、負極2b、固体電解質3の形成
方法としては、溶媒に分散させた前記結着剤中に各粉末
を分散させてスラリー化した後、このスラリーを基材フ
ィルム上に塗付乾燥させる。このとき、正極2a、負極
2b、固体電解質3を各々成形して裁断した後に、熱圧
着等で積層する方法、または正極2aもしくは負極2b
を成形した後に乾燥し、その上に固体電解質3を成形し
て乾燥し、さらにその上に負極2bもしくは正極2aを
成形する方法が挙げられる。また、粉末を金型に投入し
てプレス機で加圧成形する方法、もしくは造粒した粉末
をロールプレスで加圧成形してシート状に成形する方法
などもある。
As a method of forming the positive electrode 2a, the negative electrode 2b, and the solid electrolyte 3, each powder is dispersed in the binder dispersed in a solvent to form a slurry, and the slurry is applied on a base film. dry. At this time, the positive electrode 2a, the negative electrode 2b, and the solid electrolyte 3 are formed and cut, and then laminated by thermocompression bonding or the like, or the positive electrode 2a or the negative electrode 2b
Is formed, dried, the solid electrolyte 3 is formed thereon, dried, and then the negative electrode 2b or the positive electrode 2a is formed thereon. Further, there is a method in which the powder is put into a mold and pressed by a press machine, or a method in which the granulated powder is pressed and formed by a roll press to form a sheet.

【0033】ここで、基材フィルムとしては、例えばポ
リエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチ
レン、テトラフルオロエチレンなどの樹脂フィルム、ア
ルミニウム、ステンレス、銅などの金属箔が使用可能で
ある。
Here, as the substrate film, for example, resin films such as polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene and tetrafluoroethylene, and metal foils such as aluminum, stainless steel and copper can be used.

【0034】正極2a−固体電解質3−負極2bに含ま
せる非プロトン性溶媒としては、溶媒の沸点、粘度など
を考慮すれば、プロピレンカーボネート(PC)、エチ
レンカーボネート(EC)、1,2−ジメトキシエタン
(DME)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチ
ルカーボネート(DEC)のいずれか一種または複数種
からなる溶媒が挙げられる。
As the aprotic solvent contained in the positive electrode 2a-solid electrolyte 3-negative electrode 2b, propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), 1,2-dimethoxy Examples of the solvent include one or more of ethane (DME), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC).

【0035】正極2a−固体電解質3−負極2bの積層
体に非プロトン性溶媒を含ませる方法としては、積層体
を非プロトン性溶媒中へディッピングする方法、非プロ
トン性溶媒を直接積層体に含浸する方法などが挙げられ
る。積層体に含ませる非プロトン性溶媒の量は特に限定
されないが、積層体を形成する粉末を程よく濡らす必要
があるため、1cm2当たり、0.1cc以上であるこ
とが望ましい。
As a method of including an aprotic solvent in the laminate of the positive electrode 2a, the solid electrolyte 3 and the negative electrode 2b, a method of dipping the laminate into an aprotic solvent, or a method of directly impregnating the laminate with an aprotic solvent And the like. The amount of the aprotic solvent to be contained in the laminate is not particularly limited, but is preferably 0.1 cc or more per 1 cm 2 because it is necessary to wet the powder forming the laminate moderately.

【0036】また、非プロトン性溶媒を含まない全固体
電池では、リチウムイオンはバルクでの移動のみに頼っ
ているが、本発明のリチウム電池では、粒子と粒子表面
を濡らす非プロトン性溶媒との界面でイオンが移動して
いるものと推測される。
In an all-solid-state battery containing no aprotic solvent, lithium ions rely only on migration in bulk. In the lithium battery of the present invention, however, the lithium ion of the aprotic solvent that wets the particle surface is not used. It is assumed that ions are moving at the interface.

【0037】本発明が適用されるリチウム電池は、一次
電池であっても二次電池であってもよい。電池形状は円
筒型、角型、ボタン型、コイン型および扁平型などに限
定されるものではない。
The lithium battery to which the present invention is applied may be a primary battery or a secondary battery. The battery shape is not limited to a cylindrical type, a square type, a button type, a coin type, a flat type and the like.

【0038】[0038]

【実施例】[実施例1]水酸化リチウムと二酸化マンガ
ンをLiとMnのモル比が1:2となるように混合し、
この混合物を大気中の900℃で15時間加熱焼成する
ことによってリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2
4)を合成し、これを正極活物質とした。次に、水酸
化リチウムと二酸化マンガンをLiとMnのモル比が
4:5となるように混合し、この混合物を大気中の60
0℃で15時間加熱焼成することによってリチウムマン
ガン複合酸化物(Li4Mn512)を合成し、これを負
極活物質とした。
EXAMPLES Example 1 Lithium hydroxide and manganese dioxide were mixed so that the molar ratio of Li and Mn was 1: 2.
This mixture was heated and baked at 900 ° C. in the air for 15 hours to obtain a lithium manganese composite oxide (LiMn 2).
O 4 ) was synthesized and used as a positive electrode active material. Next, lithium hydroxide and manganese dioxide are mixed such that the molar ratio of Li and Mn is 4: 5.
By heating and baking at 0 ° C. for 15 hours, a lithium manganese composite oxide (Li 4 Mn 5 O 12 ) was synthesized and used as a negative electrode active material.

【0039】このLiMn24に、固体電解質粉末とし
てLi1+x+yAlxTi2-xSiy3- y12を体積比で
8:2の割合になるように混合し、この混合粉末に対し
てアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVd
F)を重量比で82:8:10の割合になるように混合
した。なお、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)はあら
かじめN−メチルピロリドンに溶解させたものを用い
た。さらに、この混合物にポリフッ化ビニリデン(PV
dF)を12g添加して混合することによってスラリー
化した。このスラリーをアルミニウム(Al)上にドク
ターブレード法で塗付した後に、ポリフッ化ビニリデン
(PVdF)を乾燥してシート状に成形した。
This LiMn 2 O 4 was mixed with Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3- y O 12 as a solid electrolyte powder in a volume ratio of 8: 2. Acetylene black and polyvinylidene fluoride (PVd
F) was mixed at a ratio of 82: 8: 10 by weight. The polyvinylidene fluoride (PVdF) used was previously dissolved in N-methylpyrrolidone. Furthermore, polyvinylidene fluoride (PV
A slurry was formed by adding and mixing 12 g of dF). After this slurry was applied on aluminum (Al) by a doctor blade method, polyvinylidene fluoride (PVdF) was dried to form a sheet.

【0040】また、固体電解質紛末Li1+x+yAlxTi
2-xSiy3-y12にポリフッ化ビニリデン(PVd
F)を重量比で9:1の割合になるように混合した。な
お、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)は前述と同様
に、あらかじめN−メチルピロリドン(NMP)に溶解
させたものを用いた。さらに、この混合物にN−メチル
ピロリドン(NMP)を約15g添加して混合すること
によってスラリー化した。このスラリーをドクターブレ
ード法で前述の正極上に塗付して積層し、乾燥すること
により、正極2aと固体電解質3の積層体を得た。
Further, the solid electrolyte powder Li 1 + x + y Al x Ti
2-x Si y P 3-y O 12 with polyvinylidene fluoride (PVd
F) was mixed at a weight ratio of 9: 1. As described above, polyvinylidene fluoride (PVdF) used was previously dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP). Further, about 15 g of N-methylpyrrolidone (NMP) was added to this mixture and mixed to form a slurry. The slurry was applied on the above-described positive electrode by a doctor blade method, laminated, and dried to obtain a laminate of the positive electrode 2a and the solid electrolyte 3.

【0041】さらに、Li4Mn512を正極活物質であ
るLiMn24と同様にスラリー化し、前記積層体の固
体電解質側に塗付して積層して乾燥することによって、
正極2a−固体電解質3−負極2bの積層体を得た。得
られた積層体の厚みは約200μmであった。
Further, Li 4 Mn 5 O 12 is slurried in the same manner as LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, applied to the solid electrolyte side of the laminate, laminated, and dried.
A laminate of the positive electrode 2a, the solid electrolyte 3, and the negative electrode 2b was obtained. The thickness of the obtained laminate was about 200 μm.

【0042】得られた積層体に対し、プロピレンカーボ
ネート(PC)を含浸させて積層体の正極2aに正極集
電体4を接合すると共に、同様に負極2bに負極集電体
5を接合してパッケージ1のアルミ製ラミネートに装着
した。アルミ製ラミネートは35mm×35mmのサイ
ズに切断したものを2枚準備し、前記集電体を接合した
積層体を挟み、アルミ製ラミネートの外周部を熱圧着す
ることにより、図1に示した35mm×35mmの角型
リチウム電池を組み立てた。
The obtained laminate is impregnated with propylene carbonate (PC) to bond the positive electrode current collector 4 to the positive electrode 2a of the laminate, and similarly, to bond the negative electrode current collector 5 to the negative electrode 2b. The package 1 was mounted on an aluminum laminate. The aluminum laminate was prepared by cutting two pieces having a size of 35 mm × 35 mm, sandwiching the laminate in which the current collectors were joined, and thermocompression-bonding the outer periphery of the aluminum laminate to obtain the 35 mm laminate shown in FIG. A × 35 mm square lithium battery was assembled.

【0043】[実施例2]正極活物質および負極活物質
の合成方法、正極2a−固体電解質3−負極2bの成形
方法は、実施例1と同様に行った。得られた正極2a−
固体電解質3−負極2bの厚みは、約220μmであっ
た。得られた前記積層体に対し、プロピレンカーボネー
ト(PC)と1,2−ジメトキシエタン(DME)の混
合溶媒(PC:DME=1:1容積比)を含浸させ、以
下、実施例と同様に角型リチウム電池を組み立てた。
Example 2 The method of synthesizing the positive electrode active material and the negative electrode active material, and the method of forming the positive electrode 2a, the solid electrolyte 3 and the negative electrode 2b were the same as in Example 1. The obtained positive electrode 2a-
The thickness of the solid electrolyte 3-negative electrode 2b was about 220 μm. The obtained laminated body was impregnated with a mixed solvent of propylene carbonate (PC) and 1,2-dimethoxyethane (DME) (PC: DME = 1: 1 by volume), and thereafter, corners were formed in the same manner as in the example. -Type lithium battery was assembled.

【0044】[比較例1]従来のリチウムイオン電池の
特性を確認する目的で以下の比較実験を行なった。
[Comparative Example 1] The following comparative experiment was conducted in order to confirm the characteristics of a conventional lithium ion battery.

【0045】正極活物質および負極活物質の合成方法
は、実施例と同様に行った。また、正極および負極に
は、固体電解質粉末は混合せず、電極活物質、アセチレ
ンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の構成
にし、その混合比は、重量比で82:8:10であっ
た。正極、負極の作製法は、実施例と同様に行った。得
られた正極および負極は、厚み約30μm、塗付重量約
0.048gであった。
The method for synthesizing the positive electrode active material and the negative electrode active material was the same as in the example. Further, the solid electrolyte powder was not mixed with the positive electrode and the negative electrode, and the electrode active material, acetylene black, and polyvinylidene fluoride (PVdF) were used. The mixing ratio was 82: 8: 10 by weight. The method for producing the positive electrode and the negative electrode was performed in the same manner as in the example. The obtained positive electrode and negative electrode had a thickness of about 30 μm and a coating weight of about 0.048 g.

【0046】得られた正極および負極にLiClO4
濃度1M/lとなるように溶解したプロピレンカーボネ
ート(PC)とジメトキシエタン(DME)の混合溶媒
(PC:DME=1:1容積比)を電解液として0.3
ccづつ滴下して含浸させた。さらにセパレータとして
ポリプロピレン製の不織布を選択し、これに前述と同じ
混合溶媒を含浸させた。
The resulting positive and negative electrodes were electrolyzed with a mixed solvent of propylene carbonate (PC) and dimethoxyethane (DME) (PC: DME = 1: 1 by volume) in which LiClO 4 was dissolved at a concentration of 1 M / l. 0.3 as liquid
It was impregnated dropwise by cc. Further, a nonwoven fabric made of polypropylene was selected as a separator, and this was impregnated with the same mixed solvent as described above.

【0047】電解液を含浸させた正極および負極をセパ
レータを介して重ね合わせ、正極−電解質層−負極の積
層体を形成した。
The positive electrode and the negative electrode impregnated with the electrolytic solution were overlapped with a separator interposed therebetween to form a positive electrode-electrolyte layer-negative electrode laminate.

【0048】以下、実施例1と同様に角型リチウム電池
を組み立てた。
Thereafter, a prismatic lithium battery was assembled in the same manner as in Example 1.

【0049】[比較例2]正極活物質および負極活物質の
合成方法、正極−固体電解質−負極の成形方法は、実施
例1と同様に行った。得られた正極−固体電解質−負極
の厚みは、約180μmであった。さらに積層体の充填
率の向上、および粉末の接触面積を向上させる目的でロ
ール加圧を行なった。得られた前記積層体に対して非プ
ロトン性溶媒の含浸は行なわず、実施例と同様に角型リ
チウム電池を組み立てた。 (評価)かくして得られた評価用の角型リチウム電池を
用いて、ポテンショスタットで酸化還元反応を確認し
た。図2に実施例1に係わる酸化還元反応の結果を示
し、図3に実施例2に係わる酸化還元反応の結果を示
し、図4に比較例1に係わる酸化還元反応の結果を示
し、図5に比較例2に係わる酸化還元反応の結果を示
す。測定条件は、電圧の掃引速度を10-1mV/sec
とし、電圧範囲は実施例1、実施例2および比較例1に
おいては0〜1.5Vとし、比較例2においては、0〜
5Vとした。
Comparative Example 2 A method for synthesizing a positive electrode active material and a negative electrode active material and a method for forming a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode were the same as those in Example 1. The thickness of the obtained positive electrode-solid electrolyte-negative electrode was about 180 m. Further, roll pressing was performed for the purpose of improving the filling rate of the laminate and the contact area of the powder. The obtained laminate was not impregnated with an aprotic solvent, and a prismatic lithium battery was assembled in the same manner as in the example. (Evaluation) Using the thus obtained rectangular lithium battery for evaluation, a redox reaction was confirmed with a potentiostat. FIG. 2 shows the result of the oxidation-reduction reaction according to Example 1, FIG. 3 shows the result of the oxidation-reduction reaction according to Example 2, FIG. 4 shows the result of the oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 1, and FIG. 9 shows the results of the oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 2. The measurement condition is that the voltage sweep speed is 10 -1 mV / sec.
The voltage range is 0 to 1.5 V in Example 1, Example 2 and Comparative Example 1, and 0 to 1.5 V in Comparative Example 2.
5V.

【0050】その結果、実施例1、実施例2において
は、酸化還元に伴う電流が得られ、電解質塩を含む有機
系電解液を用いた比較例1とほぼ同等の電流値が得られ
ていることも確認された。さらに、比較例1に対して電
流値の低下も小さく、本発明によるリチウム電池によれ
ば、サイクル特性も優れる可能性もある。また、比較例
2の全固体電池と比較しても格段に優れていることがわ
かる。
As a result, in Examples 1 and 2, a current associated with oxidation-reduction was obtained, and a current value almost equivalent to that of Comparative Example 1 using an organic electrolytic solution containing an electrolyte salt was obtained. It was also confirmed. Furthermore, the decrease in the current value is smaller than that in Comparative Example 1, and the lithium battery according to the present invention may have excellent cycle characteristics. In addition, it can be seen that, when compared with the all-solid-state battery of Comparative Example 2, it is significantly superior.

【0051】本発明のリチウム電池におけるリチウムイ
オンの伝導機構は、粒子表面と非プロピレン性溶媒の界
面がリチウムイオンの伝導機構に起因しているものと推
測される。
The lithium ion conduction mechanism in the lithium battery of the present invention is presumed to be attributable to the lithium ion conduction mechanism at the interface between the particle surface and the non-propylene solvent.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上のように、請求項1に係るリチウム
電池によれば、電極と固体電解質層が非プロトン性溶媒
を含んでいることから、電解質塩を溶解した有機系電解
液を用いたリチウムイオン電池と同等の電気化学特性が
得られるとともに、従来にないリチウムイオンの伝導機
構を示すとともに電解質塩を含んでいないために、過電
圧による電解質塩の分解が起こらず、信頼性の高いリチ
ウム電池が得られる。
As described above, according to the lithium battery of the first aspect, since the electrode and the solid electrolyte layer contain an aprotic solvent, an organic electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved is used. Electrolyte characteristics equivalent to those of lithium-ion batteries can be obtained, and since they exhibit an unprecedented lithium-ion conduction mechanism and do not contain electrolyte salts, they do not cause decomposition of electrolyte salts due to overvoltage, and are highly reliable lithium batteries Is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わるリチウム電池の一実施形態を示
す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of a lithium battery according to the present invention.

【図2】本発明の実施例1に係わる酸化還元反応を示す
グラフである。
FIG. 2 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Example 1 of the present invention.

【図3】本発明の実施例2に係わる酸化還元反応を示す
グラフである。
FIG. 3 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Example 2 of the present invention.

【図4】比較例1に係わる酸化還元反応を示すグラフで
ある。
FIG. 4 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 1.

【図5】比較例2に係わる酸化還元反応を示すグラフで
ある。
FIG. 5 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・パッケージ、2・・・・一対の電極、2a・
・・・正極、2b・・・・負極、3・・・・固体電解質
層、4・・・・正極集電体、5・・・・負極集電体
1 ··· package, 2 ··· pair of electrodes, 2a ·
... Positive electrode, 2b ... Negative electrode, 3 ... Solid electrolyte layer, 4 ... Positive electrode current collector, 5 ... Negative electrode current collector

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬込 伸二 京都府相楽郡精華町光台3丁目5番地 京 セラ株式会社中央研究所内 (72)発明者 原 亨 京都府相楽郡精華町光台3丁目5番地 京 セラ株式会社中央研究所内 (72)発明者 北原 暢之 京都府相楽郡精華町光台3丁目5番地 京 セラ株式会社中央研究所内 (72)発明者 樋口 永 京都府相楽郡精華町光台3丁目5番地 京 セラ株式会社中央研究所内 Fターム(参考) 5H003 AA01 AA10 BB05 BB12 BD03 5H014 AA02 EE10 HH01 5H029 AJ06 AJ07 AJ12 AK02 AK03 AL02 AL03 AM02 AM03 AM11 BJ02 BJ03 DJ16 HJ02  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Shinji Magome 3-5 Koikodai, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto Prefecture Inside the Central Research Laboratories of Kyocera Corporation (72) Inventor Toru Hara 3-cho, Koikadai, Soraku-gun, Kyoto 5 Kyocera Corporation Central Research Laboratory (72) Inventor Nobuyuki Kitahara 3-chome, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto Prefecture 5-5-2 Kyocera Corporation Central Research Laboratory (72) Inventor, Ei Higuchi Seika-cho, Kyoto 3-5-5 Kyocera Corporation Central Research Laboratory F term (reference) 5H003 AA01 AA10 BB05 BB12 BD03 5H014 AA02 EE10 HH01 5H029 AJ06 AJ07 AJ12 AK02 AK03 AL02 AL03 AM02 AM03 AM11 BJ02 BJ03 DJ16 HJ02

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一対の電極間に固体電解質層を挟持して
なるリチウム電池であって、前記電極および固体電解質
層が非プロトン性溶媒を含んでいることを特徴とするリ
チウム電池。
1. A lithium battery having a solid electrolyte layer sandwiched between a pair of electrodes, wherein the electrode and the solid electrolyte layer contain an aprotic solvent.
【請求項2】 前記電極が電極活物質と固体電解質から
成り、前記固体電解質層がこの固体電解質と同一材料か
ら成ることを特徴とする請求項1に記載のリチウム電
池。
2. The lithium battery according to claim 1, wherein the electrode comprises an electrode active material and a solid electrolyte, and the solid electrolyte layer comprises the same material as the solid electrolyte.
【請求項3】 前記固体電解質層がリチウムイオン伝導
性を有する酸化物系結晶化ガラスから成ることを特徴と
する請求項1または請求項2に記載のリチウム電池。
3. The lithium battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer is made of an oxide crystallized glass having lithium ion conductivity.
【請求項4】 前記非プロトン性溶媒が、プロピレンカ
ーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキ
シエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
トのうちのいずれか一種または複数種から成ることを特
徴とする請求項1、請求項2または請求項3に記載のリ
チウム電池。
4. The method according to claim 1, wherein the aprotic solvent comprises one or more of propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. The lithium battery according to claim 2 or 3.
【請求項5】 前記電極の活物質がLi1+xMn2-x4
(0≦x≦0.2)、LiMn2-yMey4(Me=N
i、Cr、Cu、Zn、0<y≦0.6)、Li4Ti5
12、およびLi4Mn512よりなる群から選択される
少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1、請
求項2、請求項3または請求項4に記載のリチウム電
池。
5. The electrode according to claim 1, wherein the active material is Li 1 + x Mn 2-x O 4.
(0 ≦ x ≦ 0.2), LiMn 2-y Me y O 4 (Me = N
i, Cr, Cu, Zn, 0 <y ≦ 0.6), Li 4 Ti 5
O 12, and Li 4 Mn 5 claim 1, characterized in that it consists of at least one from O 12 group consisting of selected, claim 2, lithium battery according to claim 3 or claim 4.
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