JP2008103245A - Sulfide based secondary battery - Google Patents

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JP2008103245A JP2006286158A JP2006286158A JP2008103245A JP 2008103245 A JP2008103245 A JP 2008103245A JP 2006286158 A JP2006286158 A JP 2006286158A JP 2006286158 A JP2006286158 A JP 2006286158A JP 2008103245 A JP2008103245 A JP 2008103245A
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信夫 川崎
Takeki Koto
武樹 小藤
Minoru Chiga
実 千賀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfide based secondary battery which traps hydrogen sulfide gas formed by deterioration and breakage of a battery and detoxifies it. <P>SOLUTION: This is the sulfide based secondary battery 1 which contains a sulfur compound in a battery cell 10 to generate the hydrogen sulfide gas by decomposition, and in which the outer peripheral part of the battery cell 10 is covered by a material 31 to trap the hydrogen sulfide gas and detoxify it. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、硫化物系二次電池に関する。   The present invention relates to a sulfide-based secondary battery.

近年、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられるリチウム電池等の二次電池の需要が増加している。
使用される用途が広がるに伴い、二次電池の更なる安全性の向上及び高性能化が要求されている。
In recent years, the demand for secondary batteries such as lithium batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. has increased. .
As the applications used expand, further improvements in safety and performance of secondary batteries are required.

リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。
無機固体電解質は、その性質上一般に不燃で、通常使用される有機溶媒電解質と比較し安全性の高い材料である。そのため、該電解質を用いた高い安全性を備えた全固体リチウム電池の開発が望まれている。
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte.
Inorganic solid electrolytes are generally nonflammable in nature and are safer materials than commonly used organic solvent electrolytes. Therefore, development of an all-solid lithium battery with high safety using the electrolyte is desired.

このため、二次電池については、電池内での短絡や破損に関する安全対策の発明が種々出願されている。
上記のように一般的に、無機物質の部材で構成される全固体二次電池は、短絡や破損に対し安全であると考えられているが、硫化物系の二次電池の場合、電池内部に、水と反応して硫化水素ガスを発生する硫黄化合物を含んでいるため、電池が破損した場合、このような硫黄化合物が空気中の水分と反応して硫化水素ガスを発生する可能性がある。
For this reason, various applications have been filed for secondary batteries with regard to safety measures relating to short circuits and damage within the battery.
As described above, in general, an all-solid-state secondary battery composed of an inorganic material member is considered to be safe against short-circuiting or breakage, but in the case of a sulfide-based secondary battery, the inside of the battery In addition, since sulfur compounds that react with water and generate hydrogen sulfide gas are included, if the battery is damaged, such sulfur compounds may react with moisture in the air to generate hydrogen sulfide gas. is there.

特許文献1には、接着性樹脂により封口された電池であって、外装材に内圧上昇時に開裂する安全弁機構が設けられた薄型電池が開示されている。特許文献1に開示された技術では、短絡等により電池内部でガスが発生した際、脱圧することで、電池が破裂することを防ぐ工夫がなされている。   Patent Document 1 discloses a battery that is sealed with an adhesive resin and is provided with a safety valve mechanism that is opened on the exterior material when the internal pressure increases. In the technique disclosed in Patent Document 1, when gas is generated inside the battery due to a short circuit or the like, the device is devised to prevent the battery from bursting by releasing pressure.

特許文献2には、正極及び負極の少なくとも一方の電極が、シャットダウン機能を持つ多孔性高分子電解質を表面に備えた活物質を含む非水性電解質二次電池が開示されている。この電池においては、電池がショートして電池内部の一部に大電流が流れ、局部的に高温となった場合に、この熱で多孔性高分子電解質が溶解して絶縁膜が形成され、その結果内部抵抗が高くなって、それ以上電流が流れなくなり、発熱が止まり、電池の爆発等を防ぐ技術が採用されている。   Patent Document 2 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery in which at least one of a positive electrode and a negative electrode includes an active material having a porous polymer electrolyte having a shutdown function on its surface. In this battery, when the battery is short-circuited and a large current flows in a part of the battery and becomes locally high in temperature, the porous polymer electrolyte is dissolved by this heat and an insulating film is formed. As a result, the internal resistance is increased, no more current flows, heat generation is stopped, and a technique for preventing battery explosion and the like is employed.

特許文献3には、電池ケースの蓋部材に温度ヒューズを設けた、防爆型二次電池が開示されている。この電池においては、過充填や過放電等により電池の内部温度が上昇したときに、温度ヒューズが作動して通電が遮断され、電池の破裂を防ぐ工夫がなされている。   Patent Document 3 discloses an explosion-proof secondary battery in which a thermal fuse is provided on a lid member of a battery case. In this battery, when the internal temperature of the battery rises due to overfilling, overdischarge, etc., a device is devised to prevent the battery from bursting by operating the thermal fuse to cut off the energization.

特許文献1においては、脱圧により外部に放出されたガスについての対策は講じられておらず、特許文献2及び特許文献3においても、電流の遮断に失敗したときの対策が講じられていない。すなわち、電池内部の硫化物に起因して発生する硫化水素についての安全対策の記載がない。   In Patent Document 1, no measures are taken for the gas released to the outside due to depressurization, and neither Patent Document 2 nor Patent Document 3 takes measures when the current interruption fails. That is, there is no description of safety measures for hydrogen sulfide generated due to sulfide inside the battery.

特開平11−312505号公報JP 11-31505 A 特開2000−58065号公報JP 2000-58065 A 特開2003−257412号公報JP 2003-257212 A

本発明の目的は、電池の劣化や破損により生じる硫化水素ガスをトラップし無害化する硫化物系二次電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a sulfide-based secondary battery that traps and renders harmless hydrogen sulfide gas generated by battery deterioration or breakage.

本発明によれば、以下の硫化物系二次電池が提供される。
1.分解により硫化水素ガスを発生する硫黄化合物を電池セル内に含み、
硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質で、前記電池セルの外周部が覆れている硫化物系二次電池。
According to the present invention, the following sulfide-based secondary battery is provided.
1. The battery cell contains a sulfur compound that generates hydrogen sulfide gas by decomposition,
A sulfide-based secondary battery in which an outer peripheral portion of the battery cell is covered with a substance that traps hydrogen sulfide gas and makes it non-toxic.

2.前記硫化水素ガスを無毒化する物質が、アルカリ性化合物である1の硫化物系二次電池。   2. The sulfide secondary battery according to claim 1, wherein the substance for detoxifying the hydrogen sulfide gas is an alkaline compound.

3.前記電池セルから、前記硫化水素ガスを無毒化する物質の中を通って延出するリードフレームを有し、
前記リードフレームの、少なくとも前記硫化水素ガスを無毒化する物質と接する部分が、前記硫化水素ガスを無毒化する物質と反応しない物質で覆われている1又は2の硫化物系二次電池。
3. A lead frame extending from the battery cell through a substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas;
The sulfide secondary battery according to 1 or 2, wherein at least a portion of the lead frame that is in contact with a substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas is covered with a substance that does not react with the substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas.

本発明によれば、電池の老朽化、短絡、場合によっては電池が破損した際、発生する硫化水素ガスをトラップして無毒化する安全設計がなされている硫化物系二次電池が提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the battery is aged, short-circuited, or when the battery is damaged, it is possible to provide a sulfide-based secondary battery that is designed to be safe by trapping generated hydrogen sulfide gas and detoxifying it.

本発明の硫化物系二次電池は、硫化リチウム、五硫化二リン等の水と反応して硫化水素ガスを発生する硫黄化合物を原料とする材料を電池セル内に含む。さらに、本発明の電池は、硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質で、電池セルの外周部が覆われている。   The sulfide-based secondary battery of the present invention includes, in the battery cell, a material made from a sulfur compound that generates hydrogen sulfide gas by reacting with water, such as lithium sulfide or diphosphorus pentasulfide. Furthermore, the battery of the present invention covers the outer periphery of the battery cell with a substance that traps and detoxifies hydrogen sulfide gas.

図1は、本発明の一実施形態に係る硫化物系二次電池を示す断面図である。
図1に示すように、硫化物系二次電池1は、電池セル10と、電池セル10を覆う外装材30と、電池セル10と外装材30との間に設けられる硫化水素ガスの無毒化物質31と、を備えて構成されている。
電池セル10は、負極12と、正極13と、負極12及び正極13間に挟持された固体電解質14と、リードフレーム(電極端子部分)15,16と、内装材20を備えて構成されている。リードフレーム15,16は、それぞれ一端が集電体(図示せず)を介して負極12及び正極13に連結し、他端が外装材30の外部に延びている。内装材20は、負極12、正極13及び固体電解質14を包んでいる。
内装材20及び外装材30は、その端部が、例えば、熱融着性の封止材を介して熱圧着されて、封止されている。
尚、外装材30と内装材20の間に支柱を設けたりして補強してよい。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a sulfide-based secondary battery according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the sulfide-based secondary battery 1 includes a battery cell 10, an exterior material 30 that covers the battery cell 10, and hydrogen sulfide gas that is provided between the battery cell 10 and the exterior material 30. And a substance 31.
The battery cell 10 includes a negative electrode 12, a positive electrode 13, a solid electrolyte 14 sandwiched between the negative electrode 12 and the positive electrode 13, lead frames (electrode terminal portions) 15 and 16, and an interior material 20. . One end of each of the lead frames 15 and 16 is connected to the negative electrode 12 and the positive electrode 13 via a current collector (not shown), and the other end extends to the outside of the exterior member 30. The interior material 20 encloses the negative electrode 12, the positive electrode 13, and the solid electrolyte 14.
The end portions of the interior material 20 and the exterior material 30 are sealed by thermocompression bonding, for example, via a heat-fusible sealing material.
In addition, you may reinforce by providing a support | pillar between the exterior material 30 and the interior material 20. FIG.

本発明の硫化物系二次電池は、好ましくはリードフレーム15,16が、無毒化物質と反応しない物質で覆われている。
図2は、リードフレームをコーティングした硫化物系二次電池の概略図である。リードフレーム15,16は、集電体19から、内装材20、外装材30を通って外へ延出している。無毒化物質31により浸食されることを防ぐために、内装材20の外側にあってかつ外装材30の内側にあるリードフレーム15,16の部分(無毒化物質31に晒される部分)は、コーティング18されている。
リードフレーム15,16をコーティングする物質として、好適には、ポリスチレン、あるいはポリプロピレン、ポリエチレン等の耐薬品性に優れるポリオレフィン樹脂が挙げられる。しかしながら、上記に限らず、種々の合成樹脂やコート材を用いることができる。
In the sulfide-based secondary battery of the present invention, the lead frames 15 and 16 are preferably covered with a substance that does not react with the detoxifying substance.
FIG. 2 is a schematic view of a sulfide-based secondary battery coated with a lead frame. The lead frames 15 and 16 extend from the current collector 19 through the interior material 20 and the exterior material 30 to the outside. In order to prevent erosion by the detoxifying substance 31, the portions of the lead frames 15, 16 (exposed to the detoxifying substance 31) outside the interior material 20 and inside the exterior material 30 are coated 18. Has been.
The material for coating the lead frames 15 and 16 is preferably a polyolefin resin having excellent chemical resistance such as polystyrene, polypropylene, or polyethylene. However, not limited to the above, various synthetic resins and coating materials can be used.

尚、図1及び図2に示す実施形態では、内装材20の封止部を含んで全体を硫化水素無毒化層で覆い、その外側に外装材30を設けているが、図3のように固体電解質14や電極12,13部分の外側のみを硫化水無毒化層31で覆ってもよい。用途によっては、図4のように片側のみを覆う態様も採用できる。   In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the entire interior including the sealing portion of the interior material 20 is covered with a hydrogen sulfide detoxification layer, and the exterior material 30 is provided on the outside thereof, as shown in FIG. Only the outside of the solid electrolyte 14 and the electrodes 12 and 13 may be covered with the sulfurized water detoxification layer 31. Depending on the application, a mode of covering only one side as shown in FIG. 4 may be employed.

上記の実施形態は単一の二次電池であるが、電池セルの外部に硫化水素ガスをトラップして無毒化できる構造であれば、並列、直列電池、これを一体化した電池モジュールであっても本発明を適用することは可能である。   The above embodiment is a single secondary battery, but if it has a structure capable of detoxifying hydrogen sulfide gas outside the battery cell, it is a parallel, series battery, or a battery module in which this is integrated. It is also possible to apply the present invention.

硫化水素と反応して化学的又は物理的(吸着等)に硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質として、アルカリ性物質を例示できる。硫化水素ガスは、水に溶けると弱酸性を示すため、アルカリ性物質に吸収させることができる。
アルカリ性物質は水溶液、スラリー、ゲル、粉体として使用できる。
An alkaline substance can be exemplified as a substance that reacts with hydrogen sulfide to trap hydrogen sulfide gas chemically or physically (such as adsorption) to detoxify it. Since hydrogen sulfide gas is weakly acidic when dissolved in water, it can be absorbed by an alkaline substance.
The alkaline substance can be used as an aqueous solution, slurry, gel, or powder.

電池全体の安定性を考慮すると、粉体や顆粒状の固形物が好ましい。アルカリ水溶液を用いる場合は、吸水性高分子化合物に含浸させてゲルとして用いることが好ましい。また、スラリー状やゲル状としたアルカリ性物質を、通気性を有するマイクロカプセル等に封入して用いることができる。さらに、粉体状のアルカリ性物質を用いる場合、該アルカリ物質と反応しない樹脂と混合し、成形してシート状物として用いることもできる。例えば、図1に示す外装材30と内装材20の間に前記シート状物を挟む態様を用いることができる。この場合、前記シート状物を中間層とする多層シートも採用できる。
アルカリ性物質は強アルカリ性でも弱アルカリ性でもよいが、取扱いの安全性を考えると弱アルカリ性物質が好ましい。強アルカリ性化合物として、周期律表第Ia族の水酸化物が挙げられ、NaOH,KOHを例示できる。弱アルカリ性化合物として、周期律表第IIa族の水酸化物が挙げられ、Ca(OH)、Mg(OH)を例示できる。
In consideration of the stability of the whole battery, a powder or granular solid is preferable. When using an alkaline aqueous solution, it is preferable to impregnate a water-absorbing polymer compound and use it as a gel. Further, a slurry-like or gel-like alkaline substance can be used by being enclosed in a microcapsule having air permeability. Further, when a powdery alkaline substance is used, it can be mixed with a resin that does not react with the alkaline substance, molded, and used as a sheet. For example, a mode in which the sheet-like material is sandwiched between the exterior material 30 and the interior material 20 shown in FIG. 1 can be used. In this case, a multilayer sheet having the sheet-like material as an intermediate layer can also be employed.
The alkaline substance may be strong alkaline or weak alkaline, but a weak alkaline substance is preferable in view of safety in handling. Examples of strong alkaline compounds include Group Ia hydroxides of the Periodic Table, and examples include NaOH and KOH. Examples of weak alkaline compounds include Group IIa hydroxides of the Periodic Table, and examples include Ca (OH) 2 and Mg (OH) 2 .

さらに、上記の化学吸着の他、物理吸着として、活性炭やシリカゲル等、ガス体を吸着するものが利用できる   Furthermore, in addition to the above-mentioned chemical adsorption, those that adsorb gas bodies such as activated carbon and silica gel can be used as physical adsorption.

本発明に使用される外装材、内装材として、防湿性シートを使用できる。   A moisture-proof sheet can be used as the exterior material and interior material used in the present invention.

外装材には、気密性を高めるための金属箔層と強度を維持するための樹脂層(高分子膜層)から構成される防湿性多層フィルムが使用できる。金属箔材料は、軽量かつ柔軟であり化学的に安定であれば特に限定されないが、アルミニウムは物性及び価格の面から有利である。高分子膜材料としては、ナイロン等のポリアミド樹脂、ポリエチエンテレフタレート、あるいはポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂が可能であるが、ポリエチレンテレフタレートやナイロン樹脂が機械的強度の点から有利である。   As the exterior material, a moisture-proof multilayer film composed of a metal foil layer for enhancing airtightness and a resin layer (polymer film layer) for maintaining strength can be used. The metal foil material is not particularly limited as long as it is lightweight and flexible and chemically stable, but aluminum is advantageous from the viewpoint of physical properties and cost. The polymer film material may be polyamide resin such as nylon, polyethylene terephthalate, or polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, but polyethylene terephthalate or nylon resin is advantageous in terms of mechanical strength.

また、熱融着により封止することが最適であるため、防湿性多層フィルムの電池内部側は熱融着樹脂層であることが望ましいが、接着性の樹脂を用いて封止することも可能である。熱融着樹脂としては、ポリエチレン,ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂や、ナイロン等のポリアミド樹脂、酢酸ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂等が使用可能であり、特に限定されない。   In addition, since it is optimal to seal by heat sealing, it is desirable that the inside of the battery of the moisture-proof multilayer film is a heat sealing resin layer, but it is also possible to seal using an adhesive resin It is. As the heat sealing resin, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyamide resins such as nylon, vinyl acetate resins, acrylic resins, epoxy resins, and the like can be used, and are not particularly limited.

このような熱融着樹脂層,金属箔層から構成される防湿性多層フィルムとしては、汎用ラミネート樹脂が利用できる。   A general-purpose laminate resin can be used as the moisture-proof multilayer film composed of such a heat-sealing resin layer and a metal foil layer.

本発明の硫化物系二次電池で使用するリチウムイオン伝導性固体電解質を構成する物質は、硫化物あるいは硫化物が配合された物質であれば特に限定されず、有機化合物、無機化合物、あるいは有機・無機両化合物からなる材料を用いることができ、リチウムイオン電池分野で公知のものが使用できる。
特に、硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が他の無機化合物より高いことが知られており、特開平4−202024等に記載の無機固体電解質を使用できる。具体的には、LiSとSiS、GeS、P、Bの組合せから成る無機固体電解質に、適宜、LiPOやハロゲン、ハロゲン化合物を添加した無機固体電解質を用いることができる。
The substance constituting the lithium ion conductive solid electrolyte used in the sulfide-based secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a substance containing sulfide or sulfide, and is an organic compound, an inorganic compound, or an organic compound. A material composed of both inorganic compounds can be used, and those known in the lithium ion battery field can be used.
In particular, sulfide-based inorganic solid electrolytes are known to have higher ionic conductivity than other inorganic compounds, and inorganic solid electrolytes described in JP-A-4-202024 can be used. Specifically, an inorganic solid electrolyte in which Li 3 PO 4 , a halogen, and a halogen compound are appropriately added to an inorganic solid electrolyte composed of a combination of Li 2 S and SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , B 2 S 3. Can be used.

リチウムイオン伝導性が高いことから、硫化リチウムと五硫化二燐、又は硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄、さらには硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び/又は単体硫黄から生成するリチウムイオン伝導性無機固体電解質を使用することが好ましい。以下、好ましい固体電解質について説明する。
リチウムイオン伝導性無機固体電解質は、硫化リチウムと、五硫化二燐(P)及び/又は、単体燐及び単体硫黄から製造することができる。具体的には、これらの原料を溶融反応させた後、急冷することにより製造できる。また、これらの原料をメカニカルミリング法(以下、MM法と示すことがある。)により処理して得られる硫化物ガラス、あるいはこれを加熱処理したものである。
Since lithium ion conductivity is high, lithium ion conduction generated from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide, or lithium sulfide and simple phosphorus and simple sulfur, as well as lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or simple sulfur It is preferable to use a conductive inorganic solid electrolyte. Hereinafter, a preferable solid electrolyte will be described.
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte can be produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and / or simple phosphorus and simple sulfur. Specifically, it can be produced by melting these raw materials and then rapidly cooling them. In addition, sulfide glass obtained by treating these raw materials by a mechanical milling method (hereinafter, sometimes referred to as MM method), or a heat-treated product thereof.

硫化リチウムは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、以下に説明するように高純度のものが好ましい。
硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が好ましくは0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が好ましくは0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、後記する溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)である。即ち、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物であり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について下記の熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度のリチウムイオン伝導性無機固体電解質を得ることができないおそれがある。
As lithium sulfide, those commercially available without limitation can be used, but those having high purity are preferable as described below.
Lithium sulfide preferably has a total content of lithium salts of sulfur oxides of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a content of lithium N-methylaminobutyrate is preferably 0. .15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method described later is a glassy electrolyte (fully amorphous). That is, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte is a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of this crystallized product is low. Furthermore, even if the crystallized product is subjected to the following heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte having high ion conductivity cannot be obtained.

また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウム電池のサイクル性能を低下させることがない。
このように、高イオン伝導性電解質を得るためには、不純物が低減された硫化リチウムを用いる必要がある。
Further, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, the deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium battery.
Thus, in order to obtain a high ion conductive electrolyte, it is necessary to use lithium sulfide with reduced impurities.

高イオン伝導性電解質の製造に用いられる硫化リチウムの製造法としては、少なくとも上記不純物を低減できる方法であれば特に制限はない。
例えば、次の方法で製造された硫化リチウムを精製することにより得ることもできる。
The method for producing lithium sulfide used for producing the high ion conductive electrolyte is not particularly limited as long as it is a method that can reduce at least the impurities.
For example, it can also be obtained by purifying lithium sulfide produced by the following method.

以下の製造法の中では、特にa又はbの方法が好ましい。
a.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを0〜150℃で反応させて水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を150〜200℃で脱硫化水素化する方法(特開平7−330312号公報)。
b.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを150〜200℃で反応させ、直接硫化リチウムを生成する方法(特開平7−330312号公報)。
c.水酸化リチウムとガス状硫黄源を130〜445℃の温度で反応させる方法(特開平9−283156号公報)。
Among the following production methods, the method a or b is particularly preferable.
a. A method in which lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 0 to 150 ° C. in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized at 150 to 200 ° C. -330312).
b. A method of directly producing lithium sulfide by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide at 150 to 200 ° C. in an aprotic organic solvent (Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312).
c. A method of reacting lithium hydroxide and a gaseous sulfur source at a temperature of 130 to 445 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 9-283156).

上記のようにして得られた硫化リチウムの精製方法としては、特に制限はない。好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号等に記載の方法が挙げられる。
具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。洗浄に用いる有機溶媒は、非プロトン性極性溶媒であることが好ましく、さらに、硫化リチウム製造に使用する非プロトン性有機溶媒と洗浄に用いる非プロトン性極性有機溶媒とが同一であることがより好ましい。
There is no restriction | limiting in particular as a purification method of the lithium sulfide obtained as mentioned above. As a preferable purification method, for example, the method described in International Publication No. WO2005 / 40039 and the like can be mentioned.
Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent. The organic solvent used for washing is preferably an aprotic polar solvent, and more preferably, the aprotic organic solvent used for lithium sulfide production and the aprotic polar organic solvent used for washing are the same. .

洗浄に好ましく用いられる非プロトン性極性有機溶媒としては、例えば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機硫黄化合物、環式有機リン化合物等の非プロトン性の極性有機化合物が挙げられ、単独溶媒、又は混合溶媒として好適に使用することができる。特に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)は、良好な溶媒に選択される。
洗浄に使用する有機溶媒の量は特に限定されず、また、洗浄の回数も特に限定されないが、2回以上であることが好ましい。洗浄は、窒素、アルゴン等の不活性ガス下で行うことが好ましい。
洗浄された硫化リチウムを、洗浄に使用した有機溶媒の沸点以上の温度で、窒素等の不活性ガス気流下、常圧又は減圧下で、5分以上、好ましくは約2〜3時間以上乾燥することにより、本発明で好適に用いられる硫化リチウムを得ることができる。
Examples of the aprotic polar organic solvent preferably used for washing include aprotic polar organic compounds such as amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, Or it can use suitably as a mixed solvent. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is selected as a good solvent.
The amount of the organic solvent used for washing is not particularly limited, and the number of times of washing is not particularly limited, but is preferably 2 or more. Cleaning is preferably performed under an inert gas such as nitrogen or argon.
The washed lithium sulfide is dried at a temperature equal to or higher than the boiling point of the organic solvent used for washing for 5 minutes or more, preferably about 2 to 3 hours or more under an inert gas stream such as nitrogen under normal pressure or reduced pressure. Thus, lithium sulfide suitably used in the present invention can be obtained.

は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、Pに代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.

本発明において、固体電解質としては、ガラス状固体電解質及び結晶成分を含有する固体電解質(ガラスセラミック状固体電解質)の両方が使用できる。必要とする特性に合わせて種類を選定すればよい。また、両方を使用してもよい。   In the present invention, as the solid electrolyte, both a glassy solid electrolyte and a solid electrolyte containing a crystal component (glass ceramic solid electrolyte) can be used. The type should be selected according to the required characteristics. Both may be used.

上記硫化リチウムと、五硫化二燐又は単体燐及び単体硫黄の混合モル比は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。
特に好ましくは、LiS:P=68:32〜74:26(モル比)程度である。
The mixing molar ratio of the lithium sulfide to diphosphorus pentasulfide or simple phosphorus and simple sulfur is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 75:25.
Particularly preferably, it is about Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32 to 74:26 (molar ratio).

ガラス状電解質である硫化物ガラスの製造方法としては、例えば、溶融急冷法やメカニカルミリング法が挙げられる。
溶融急冷法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、ペレット状にしたものをカーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物ガラスが得られる。
この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は1〜10000K/sec程度、好ましくは1〜1000K/secである。
Examples of the method for producing a sulfide glass that is a glassy electrolyte include a melt quenching method and a mechanical milling method.
In the case of the melt quenching method, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar, and the pellets are placed in a carbon-coated quartz tube and sealed in a vacuum. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass is put into ice and quenched to obtain a sulfide glass.
The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C. Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours. The quenching temperature of the reaction product is usually 10 ° C. or lower, preferably 0 ° C. or lower, and the cooling rate is about 1 to 10,000 K / sec, preferably 1 to 1000 K / sec.

MM法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて所定時間反応させることにより、硫化物ガラスが得られる。
上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス状電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス状電解質を得ることができるという利点がある。また、MM法では、ガラス状電解質の製造と同時に、ガラス状電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は種々の形式の粉砕法を用いることができるが、遊星型ボールミルを使用するのが特に好ましい。遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転し、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
In the case of the MM method, sulfide glass is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting for a predetermined time by a mechanical milling method.
The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glassy electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a raw material is not thermally decomposed and a glassy electrolyte having a charged composition can be obtained. Further, the MM method has an advantage that the glassy electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glassy electrolyte.
Although various types of pulverization methods can be used for the MM method, it is particularly preferable to use a planetary ball mill. The planetary ball mill can efficiently generate very high impact energy by rotating the platform while the pot rotates.

MM法の回転速度及び回転時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス状電解質の生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラス質状電解質ヘの原料の転化率は高くなる。
このようにして得られた電解質は、ガラス状電解質であり、通常、イオン伝導度は1.0×10−5〜8.0×10−4(S/cm)程度である。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
以上、溶融急冷法及びMM法による硫化物ガラスの具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
Although the rotation speed and rotation time of the MM method are not particularly limited, the faster the rotation speed, the faster the glassy electrolyte production rate, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material into the glassy electrolyte.
The electrolyte thus obtained is a glassy electrolyte and usually has an ionic conductivity of about 1.0 × 10 −5 to 8.0 × 10 −4 (S / cm).
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Although specific examples of the sulfide glass by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.

その後、得られた硫化物ガラスを所定の温度で熱処理することにより、結晶成分を含有する固体電解質が生成する。
このような固体電解質を生成させる熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは、195℃〜335℃、特に好ましくは、200℃〜330℃である。190℃より低いと高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、340℃より高いとイオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
熱処理時間は、190℃以上220℃以下の温度の場合は、3〜240時間が好ましく、特に4〜230時間が好ましい。また、220℃より高く340℃以下の温度の場合は、0.1〜240時間が好ましく、特に0.2〜235時間が好ましく、さらに、0.3〜230時間が好ましい。熱処理時間が0.1時間より短いと、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、240時間より長いと、イオン伝導性の低い結晶が生じるとなる恐れがある。
Thereafter, the obtained sulfide glass is heat-treated at a predetermined temperature to produce a solid electrolyte containing a crystal component.
The heat treatment temperature for producing such a solid electrolyte is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C. When the temperature is lower than 190 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 340 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
In the case of a temperature of 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours. Moreover, in the case of the temperature higher than 220 degreeC and 340 degrees C or less, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are especially preferable, Furthermore, 0.3 to 230 hours are preferable. If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity, and if it is longer than 240 hours, a crystal with low ion conductivity may be formed.

このようにして得られた、結晶成分を含有するリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、通常、イオン伝導度は、7.0×10−4〜5.0×10−3(S/cm)程度である。
このリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有することが好ましい。このような結晶構造を有する固体電解質が、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte containing the crystal component thus obtained usually has an ionic conductivity of about 7.0 × 10 −4 to 5.0 × 10 −3 (S / cm). It is.
This lithium ion conductive inorganic solid electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184), It is preferable to have diffraction peaks at 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg. A solid electrolyte having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.

本発明で使用するリチウムイオン伝導性固体物質としては、特に、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含有する固体電解質であって、下記(1)及び(2)の条件を満たすことものが好ましい。
(1)固体電解質の固体31P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmに、結晶に起因するピークを有する。
(2)固体電解質に占める(1)のピークを生じる結晶の比率(xc)が60mol%〜100mol%である。
The lithium ion conductive solid material used in the present invention is a solid electrolyte containing a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element and a sulfur (S) element, and the following (1) and (2) It is preferable to satisfy the following condition.
(1) The solid 31 P-NMR spectrum of the solid electrolyte has peaks due to crystals at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm.
(2) The ratio (xc) of crystals that produce the peak (1) in the solid electrolyte is 60 mol% to 100 mol%.

条件(1)の2つのピークは、高イオン伝導性結晶成分が固体電解質に存在する場合に観測されるものである。具体的には、結晶中のP 4−とPS 3−に起因するピークである。 The two peaks of condition (1) are observed when a high ion conductive crystal component is present in the solid electrolyte. Specifically, it is a peak caused by P 2 S 7 4- and PS 4 3- in the crystal.

条件(2)は、固体電解質中に占める上記結晶の比率xcを規定するものである。固体電解質中において高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上、具体的には60mol%以上存在すると、リチウムイオンが高イオン伝導性の結晶を主に移動するようになる。従って、固体電解質中の非結晶部分(ガラス部分)や、高イオン伝導性を示さない結晶格子(例えば、P 4−)を移動する場合に比べて、リチウムイオン伝導度が向上する。比率xcは65mol%〜100mol%であることが好ましい。上記結晶の比率xcは、原料である硫化物ガラスの熱処理時間及び温度を調整することにより制御できる。 Condition (2) defines the ratio xc of the crystal in the solid electrolyte. When a high ion conductive crystal component is present in a predetermined amount or more, specifically 60 mol% or more in the solid electrolyte, lithium ions move mainly through the high ion conductive crystal. Therefore, the lithium ion conductivity is improved as compared with the case of moving a non-crystalline portion (glass portion) in the solid electrolyte or a crystal lattice (for example, P 2 S 6 4− ) that does not exhibit high ion conductivity. The ratio xc is preferably 65 mol% to 100 mol%. The crystal ratio xc can be controlled by adjusting the heat treatment time and temperature of the sulfide glass as a raw material.

尚、固体31P−NMRスペクトルの測定は、例えば、日本電子株式会社製のJNM−CMXP302NMR装置を使用して、観測核を31P、観測周波数を121.339MHz、測定温度を室温、測定法をMAS法として行なう。
比率xcの測定方法は、固体31P−NMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出する。詳細は特願2005−356889を参照すればよい。
The solid 31 P-NMR spectrum can be measured, for example, using a JNM-CMXP302 NMR apparatus manufactured by JEOL Ltd., with an observation nucleus of 31 P, an observation frequency of 121.339 MHz, a measurement temperature of room temperature, and a measurement method. Performed as MAS method.
The method of measuring the ratio xc is to calculate the resonance line observed at 70 to 120 ppm in a solid 31 P-NMR spectrum into a Gaussian curve using a nonlinear least square method and calculate from the area ratio of each curve. For details, refer to Japanese Patent Application No. 2005-356889.

この固体電解質では、固体Li−NMR法で測定される室温(25℃)におけるスピン−格子緩和時間T1Liが400ms以下であることが好ましい。緩和時間T1Liは、ガラス状態又は結晶状態とガラス状態を含む固体電解質内における分子運動性の指標となり、T1Liが短いと分子運動性が高くなる。従って、放電時におけるリチウムイオンの拡散がし易いため、イオン伝導度が高くなる。本発明においては、上述したように、高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上含むため、T1Liを400ms以下にできる。T1Liは、好ましくは350ms以下である。 In this solid electrolyte, the spin-lattice relaxation time T 1Li at room temperature (25 ° C.) measured by a solid 7 Li-NMR method is preferably 400 ms or less. The relaxation time T 1Li is an index of molecular mobility in a solid electrolyte including a glass state or a crystalline state and a glass state, and when T 1Li is short, the molecular mobility increases. Accordingly, since lithium ions are easily diffused during discharge, the ion conductivity is increased. In the present invention, as described above, since a high ion conductive crystal component is contained in a predetermined amount or more, T 1Li can be 400 ms or less. T 1Li is preferably 350 ms or less.

尚、Liのスピン−格子緩和時間T1Liは、例えば以下のようにして求めることができる。
日本電子株式会社製のJNM−CMXP302NMR装置を使用して、下記の条件で測定すると0−1ppmの範囲にピークがあるLi−NMRスペクトルが得られる。
・NMR測定条件
観測核 :Li
観測周波数:116.489MHz
測定温度 :室温(25℃)
測定法 :飽和回復法(パルス系列:特願2005−356889の図7参照)
90°パルス幅:4μs
マジック角回転の回転数:6000Hz
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:5s
積算回数:64回
The spin-lattice relaxation time T 1Li of 7 Li can be obtained, for example, as follows.
When a JNM-CMXP302 NMR apparatus manufactured by JEOL Ltd. is used and measured under the following conditions, a 7 Li-NMR spectrum having a peak in the range of 0-1 ppm is obtained.
NMR measurement conditions Observation nucleus: 7 Li
Observation frequency: 116.489 MHz
Measurement temperature: Room temperature (25 ° C)
Measurement method: Saturation recovery method (Pulse sequence: see FIG. 7 of Japanese Patent Application No. 2005-356889)
90 ° pulse width: 4μs
Magic angle rotation speed: 6000Hz
Wait time until the next pulse application after FID measurement: 5s
Integration count: 64 times

化学シフトは、外部基準としてLiBr(化学シフト−2.04ppm)を用いて決定する。
上記図7のτを変化させて測定を行った時に得られるこのピークの強度の変化を非線形最小二乗法を用いて、以下の式に最適化することによりT1Liを決定する。

M(τ)=M(∞)(1−e−τ/T1Li

M(τ):τのときのピーク強度
The chemical shift is determined using LiBr (chemical shift -2.04 ppm) as an external reference.
T 1 Li is determined by optimizing the change in the intensity of this peak obtained when measurement is performed while changing τ in FIG. 7 using the nonlinear least square method.

M (τ) = M (∞) (1-e −τ / T1Li )

M (τ): Peak intensity at τ

この固体電解質は、少なくとも10V以上の分解電圧を持つ。また、リチウムイオン輸率が1であるという特性を保持しつつ、室温において10−3S/cm台という極めて高いリチウムイオン伝導性を示す。従って、リチウム電池の固体電解質用の材料として極めて適している。また、耐熱性の優れた固体電解質である。 This solid electrolyte has a decomposition voltage of at least 10V or more. In addition, while maintaining the characteristic that the lithium ion transport number is 1, it exhibits extremely high lithium ion conductivity of 10 −3 S / cm level at room temperature. Therefore, it is extremely suitable as a material for a solid electrolyte of a lithium battery. Moreover, it is a solid electrolyte excellent in heat resistance.

硫化物系二次電池を構成する電解質層は、例えば、粒子状のリチウムイオン伝導性固体物質を、ブラスト法やエアロゾルデポジション法にて製膜することで製造できる。また、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)又は溶射法等でもリチウムイオン伝導性固体物質の製膜が可能である。   The electrolyte layer constituting the sulfide-based secondary battery can be manufactured, for example, by forming a particulate lithium ion conductive solid material by a blast method or an aerosol deposition method. Also, a lithium ion conductive solid material can be formed by a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method (CVD), a thermal spraying method, or the like.

更に、固体電解質と溶媒やバインダー(結着材や高分子化合物等)を混合させた溶液を塗布、塗工した後、溶媒を除去し成膜化する方法もある。又、固体電解質自体や固体電解質とバインダー(結着材や高分子化合物等)や支持体(固体電解質層の強度を補強させたり、固体電解質自体の短絡を防ぐための材料や化合物等)を混合・組合せた電解質を加圧プレスすることで成膜することも可能である。
簡便な装置や室温条件下、固体電解質の状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、上述のブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
電解質の膜厚は、1〜500μmであり、より好ましくは1〜50μmであり、更に好ましくは1〜30μmである。
Further, there is a method in which a solution in which a solid electrolyte is mixed with a solvent and a binder (such as a binder and a polymer compound) is applied and applied, and then the solvent is removed to form a film. Also, the solid electrolyte itself, solid electrolyte and binder (binder, polymer compound, etc.) and support (materials and compounds to reinforce the strength of the solid electrolyte layer and prevent short circuit of the solid electrolyte itself) are mixed -It is also possible to form a film by pressing the combined electrolyte under pressure.
The blasting method and the aerosol deposition method described above are preferable because a film can be formed in a temperature range that does not change the state of the solid electrolyte under a simple apparatus and room temperature conditions.
The thickness of the electrolyte is 1 to 500 μm, more preferably 1 to 50 μm, and still more preferably 1 to 30 μm.

本発明の二次電池では集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。   In the secondary battery of the present invention, as a current collector, a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof. The body can be used.

固体二次電池の部材である固体状の電極材料(極材)においては、電子伝導性に加えてイオン伝導度を向上させるため、極材の粒子同士が密着し、粒子間の接合点や面を多く存在させ、イオン伝導パスをより多く確保することが重要である。そのため、例えば、電解質等のイオン伝導活物質を混合し、極材とする方法が用いられる。また、極材粒子間の隙間に生じる空間(単位体積における空間体積と極材粒子の体積の割合:空隙率)が少ない程、極材層が密に詰まっており、イオン伝導度は高くなる。   In a solid electrode material (electrode material) that is a member of a solid secondary battery, in order to improve ion conductivity in addition to electron conductivity, the particles of the electrode material are in close contact with each other, and the junction points and surfaces between the particles It is important to secure a larger number of ion conduction paths. Therefore, for example, a method of mixing an ion conductive active material such as an electrolyte to obtain an electrode material is used. In addition, the smaller the space generated in the gap between the polar material particles (the ratio of the volume of the polar material particles to the volume of the polar material particles: the porosity), the denser the polar material layer is and the higher the ionic conductivity.

本発明で使用できる電極は、上記極材(正極材又は負極材)を集電体の少なくとも一部に膜状に形成することで作製できる。製膜方法としては、上述した電池用部材の製造と同様、ブラスト法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法又は溶射法等が挙げられる。このような方法により製膜することで、極材層の空隙率をより小さくすることができ、イオン伝導度を向上させることができる。
また、固体電解質層の製造法で記載されている他の同様の方法で電極層を製作することが可能である。
尚、簡便な装置や室温条件下、電解質の結晶状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
The electrode that can be used in the present invention can be produced by forming the above-mentioned electrode material (positive electrode material or negative electrode material) in a film shape on at least a part of the current collector. Examples of the film forming method include a blast method, an aerosol deposition method, a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a thermal spray method, as in the production of the battery member described above. By forming a film by such a method, the porosity of the electrode material layer can be further reduced, and the ionic conductivity can be improved.
Moreover, it is possible to manufacture an electrode layer by the other similar method described in the manufacturing method of a solid electrolyte layer.
The blasting method and the aerosol deposition method are preferred because a film can be formed in a temperature range that does not change the crystal state of the electrolyte under a simple apparatus and room temperature conditions.

正極材としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が使用できる。好ましくは、TiSが使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V13)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe)が使用できる。
As a positive electrode material, what is used as a positive electrode active material in the battery field | area can be used. For example, in the sulfide system, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like can be used. Preferably, TiS 2 can be used.
In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like can be used. It is also possible to use a mixture of these. Preferably, lithium cobaltate can be used.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ) can be used.

導電助剤として、電子が正極活物質内で円滑に移動するようにするための電気的に導電性を有す物質を適宜添加してもよい。前記、電気的に導電性を有する物質としては特に限定しないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブのような導電性物質又はポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールのような導電性高分子を単独又は混合して用いることができる。   As the conductive auxiliary agent, a substance having electrical conductivity for allowing electrons to move smoothly in the positive electrode active material may be appropriately added. The electrically conductive substance is not particularly limited, but a conductive substance such as acetylene black, carbon black and carbon nanotube or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene and polypyrrole may be used alone or in combination. Can be used.

負極材としては、電池分野において負極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素や、これらの金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材としてもちいることができる。
更に、極材に電解質層で使用する固体電解物質を混合して使用してもよい。
As a negative electrode material, what is used as a negative electrode active material in the battery field | area can be used. For example, carbon materials, specifically artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon Examples include fibers, vapor grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or it may be a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
In addition, metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or an alloy combined with these metals themselves, other elements, or compounds can be used as the negative electrode material.
Furthermore, you may mix and use the solid electrolyte material used for an electrolyte layer with an pole material.

本発明の硫化物系二次電池は、上述した電池用部材及び/又は電極各部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
また、本発明の二次電池は薄型化が可能であるため、積層して高出力を得ることができる。さらに、高度の集積が可能である。
The sulfide-based secondary battery of the present invention can be manufactured by bonding and joining the above-described battery members and / or electrode members. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity.
In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
In addition, since the secondary battery of the present invention can be thinned, it can be stacked to obtain a high output. Furthermore, a high degree of integration is possible.

[製造例1]
(1)硫化リチウム(LiS)の製造
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
[Production Example 1]
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) In a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) ) And heated to 300 rpm and 130 ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. did. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.

尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.

(3)ガラス状固体電解質の製造
上記のようにして製造したLiSとP(アルドリッチ製)を70対30のモル比に調製した混合物を約1gと粒径10mmΦのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末である硫化物系ガラス(固体電解質)を得た。
(3) Manufacture of glassy solid electrolyte Alumina balls having a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) prepared as described above in a molar ratio of 70:30 to about 1 g and a particle diameter of 10 mmΦ 10 pieces are put in a 45 mL alumina container, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) is used in nitrogen, at room temperature (25 ° C.) at a rotation speed of 370 rpm, and mechanical milling for 20 hours. As a result, a sulfide-based glass (solid electrolyte) that was a white-yellow powder was obtained.

(4)結晶化固体電解質の製造
上記(3)で製造した硫化物系ガラスの粉末を、窒素中にて300℃で2時間焼成処理を行い、硫化物系結晶化ガラスを得た。なお、この硫化物系結晶化ガラスのイオン伝導度は、2.0×10−3S/cmであった。
(5)三層ペレットの作製
負極活性物質として、カーボングラファイト(TIMCAL製、SFG−15)を用い、又正極活性物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)を用いて、以下のようにして三層ペレットを作製した。
三層ペレットには、リチウムイオン伝導性固体電解質(上記(4)の硫化物系結晶化ガラスの粉末)とカーボングラファイトとを1:1の質量比で混合し、負極材とした。また、コバルト酸リチウムとリチウムイオン伝導性固体電解質(上記(4)の硫化物系結晶化ガラスの粉末)を8:5の質量比で混合したものを正極材料とした。
ペレットの作製は、市販のペレット成形機を用い、負極材、固体電解質である(4)の硫化物系結晶化ガラス(150mg)、正極材(20mg)を順次ペレット成形機の中に入れ、順次20t/cmの圧力を掛け、正極,固体電解質及び負極の三層のペレットを作製した。
(4) Production of Crystallized Solid Electrolyte The sulfide-based glass powder produced in (3) above was baked at 300 ° C. for 2 hours in nitrogen to obtain a sulfide-based crystallized glass. In addition, the ionic conductivity of this sulfide type crystallized glass was 2.0 * 10 < -3 > S / cm.
(5) Preparation of three-layer pellet Three-layer pellet using carbon graphite (manufactured by TIMCAL, SFG-15) as the negative electrode active material and lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as the positive electrode active material. Was made.
In the three-layer pellet, a lithium ion conductive solid electrolyte (the powder of the sulfide-based crystallized glass of (4) above) and carbon graphite were mixed at a mass ratio of 1: 1 to obtain a negative electrode material. Moreover, what mixed lithium cobaltate and lithium ion conductive solid electrolyte (the powder of the sulfide type crystallized glass of said (4)) by the mass ratio of 8: 5 was used as positive electrode material.
For the production of the pellets, a commercially available pellet molding machine was used, and the negative electrode material, the sulfide crystallized glass (150 mg) of the solid electrolyte (150 mg), and the positive electrode material (20 mg) were sequentially placed in the pellet molding machine. A pressure of 20 t / cm 2 was applied to produce a three-layer pellet of a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode.

[実施例1]
(1)ラミネート電池(電池セル)の製造
図5(a)はラミネート電池(電池セル)の分解断面図である。20はポリエチレンテレフタレート層(12μm)/アルミニウム箔層(7μm)/ポリプロピレン層(PP)(70μm)で構成された防湿性多層フィルム(内側はPP層)、12は負極、13は正極、14は固体電解質層、15,16はSUS製の電極端子、17は熱融着封止材のポリエチレン片である。尚、負極12,正極13,固体電解質層14は、上記(5)で三層ペレットとして製造したものを使用した。電極端子15,16と各電極材12,13の間に、厚さ0.3mmで10mmφのペレットと同形のSUS製の集電体(図示せず)を挿入し、集電体と電極端子15,16は溶接により接合した。
図5(a)の構成において、防湿性多層フィルム20の周囲を熱プレスし、ポリエチレン片17を熱融解させ多層フィルム20で集電体、負極12、正極13、固体電解質層14全体を封止し、ラミネート電池10を製造した(図5(b))。封止の過程では、フィルムと電池の間に気体部が残らないように、脱圧しながら封止した。
このラミネート電池10の初期充放電効率は、82%であり、作動電位は、3.3Vであった。
[Example 1]
(1) Production of Laminated Battery (Battery Cell) FIG. 5A is an exploded sectional view of a laminated battery (battery cell). 20 is a moisture-proof multilayer film (inside PP layer) composed of a polyethylene terephthalate layer (12 μm) / aluminum foil layer (7 μm) / polypropylene layer (PP) (70 μm), 12 is a negative electrode, 13 is a positive electrode, and 14 is a solid Electrolyte layers, 15 and 16 are electrode terminals made of SUS, and 17 is a polyethylene piece of a heat-sealing sealant. In addition, the negative electrode 12, the positive electrode 13, and the solid electrolyte layer 14 used what was manufactured as a three-layer pellet by said (5). A SUS current collector (not shown) having a thickness of 0.3 mm and the same shape as a 10 mmφ pellet is inserted between the electrode terminals 15 and 16 and the electrode materials 12 and 13. 16 were joined by welding.
In the configuration of FIG. 5A, the periphery of the moisture-proof multilayer film 20 is hot-pressed, and the polyethylene piece 17 is thermally melted to seal the current collector, the negative electrode 12, the positive electrode 13, and the entire solid electrolyte layer 14 with the multilayer film 20. Thus, a laminated battery 10 was manufactured (FIG. 5B). In the sealing process, sealing was performed while depressurizing so that no gas portion remained between the film and the battery.
The laminate battery 10 had an initial charge / discharge efficiency of 82% and an operating potential of 3.3V.

(2)ラミネート電池(電池セル)の外装
ラミネート電池10の電極端子15,16の先端の一部を残し、電極端子15,16を溶融PPにて、被覆コート(図示せず)した。その後、図5(c)に示すように、ラミネート電池10全体を覆うように、防湿性多層フィルム30(上記(1)に記載の防湿性多層フィルムと同じもの)を積層し、ポリエチレン片32を用いて、一部の開口部33を残して外周部を熱圧着した。
平均粒径が1mmの顆粒状の水酸化マグネシウムを開口部33より注入し、20全体を覆うように敷き詰め、残りの開口部33をポリエチレン片32を用いた熱融着で封止し(図5(d))、硫化物系二次電池1を製造した。
(2) Exterior of Laminate Battery (Battery Cell) The electrode terminals 15 and 16 were covered and coated (not shown) with molten PP, leaving part of the ends of the electrode terminals 15 and 16 of the laminate battery 10. Then, as shown in FIG.5 (c), the moisture-proof multilayer film 30 (the same thing as the moisture-proof multilayer film as described in said (1)) is laminated | stacked so that the laminated battery 10 whole may be covered, and the polyethylene piece 32 is attached. Using, the outer peripheral portion was subjected to thermocompression bonding while leaving a part of the opening 33.
Granular magnesium hydroxide having an average particle diameter of 1 mm is injected from the opening 33, spread over the whole 20 and the remaining opening 33 is sealed by heat fusion using a polyethylene piece 32 (FIG. 5). (D)), a sulfide-based secondary battery 1 was manufactured.

(3)電池の評価
(2)で作成した電池に対し、電池の安全性を確認する手法である釘刺し試験を行った。釘が刺さった時点より10分経過しても、電池より1m離した位置に設置した硫化水素検知器は反応しなかった。
尚、釘刺し試験はUL(Underwriters Laboratories Inc.)規格に基づく安全性試験である。
硫化水素検知器はコスモス式ガス検知器XS−2000を使用した。
(3) Battery Evaluation A nail penetration test, which is a technique for confirming battery safety, was performed on the battery prepared in (2). Even after 10 minutes from the time when the nail was pierced, the hydrogen sulfide detector installed at a position 1 m away from the battery did not react.
The nail penetration test is a safety test based on the UL (Underwriters Laboratories Inc.) standard.
As the hydrogen sulfide detector, a cosmos gas detector XS-2000 was used.

[実施例2]
強度を保つため、図3に示すように、内装材20の圧着部と同じ位置で、外装材30を圧着した他は実施例1(1),(2)と同様にして電池を製造した。
この製造した電池について、実施例1(3)と同様の釘刺試験を行ったが、同様の結果が得られた。
[Example 2]
In order to maintain the strength, as shown in FIG. 3, a battery was manufactured in the same manner as in Examples 1 (1) and (2) except that the exterior material 30 was crimped at the same position as the crimping portion of the interior material 20.
The manufactured battery was subjected to a nail penetration test similar to that in Example 1 (3), but similar results were obtained.

[比較例1]
実施例1(1)で製造した、図5(b)に示す外装のないラミネート電池について、実施例1(3)と同様の釘刺し試験を行った。
その結果、釘が刺さった直後に硫化水素検知器のアラームが鳴り始めた。
[Comparative Example 1]
The same nail penetration test as in Example 1 (3) was performed on the laminate battery without exterior as shown in FIG. 5B manufactured in Example 1 (1).
As a result, the hydrogen sulfide detector alarm started to sound immediately after the nail was pierced.

本発明の硫化物系二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。   The sulfide-based secondary battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like.

本発明の一実施形態に係る硫化物系二次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sulfide type secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. リードフレームをコーティングした硫化物系二次電池の概略図である。It is the schematic of the sulfide type secondary battery which coated the lead frame. 本発明の他の実施形態に係る硫化物系二次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sulfide type secondary battery which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る硫化物系二次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sulfide type secondary battery which concerns on other embodiment of this invention. 実施例1の硫化物系二次電池の製造方法を示す図である。3 is a diagram showing a method for manufacturing the sulfide-based secondary battery of Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 硫化物系二次電池
10 電池セル、ラミネート電池
12 負極
13 正極
14 固体電解質
15,16 リードフレーム
17 ポリエチレン片
18 リードフレームのコーティング
19 集電体
20 内装材
30 外装材
31 無毒化物質
32 ポリエチレン片
33 開口部
34 水酸化マグネシウムのスラリー液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sulfide secondary battery 10 Battery cell, laminated battery 12 Negative electrode 13 Positive electrode 14 Solid electrolyte 15, 16 Lead frame 17 Polyethylene piece 18 Lead frame coating 19 Current collector 20 Interior material 30 Exterior material 31 Detoxification substance 32 Polyethylene piece 33 Opening 34 Magnesium hydroxide slurry

Claims (3)

分解により硫化水素ガスを発生する硫黄化合物を電池セル内に含み、
硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質で、前記電池セルの外周部が覆れている硫化物系二次電池。
The battery cell contains a sulfur compound that generates hydrogen sulfide gas by decomposition,
A sulfide-based secondary battery in which an outer peripheral portion of the battery cell is covered with a substance that traps hydrogen sulfide gas and makes it non-toxic.
前記硫化水素ガスを無毒化する物質が、アルカリ性化合物である請求項1記載の硫化物系二次電池。   The sulfide-based secondary battery according to claim 1, wherein the substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas is an alkaline compound. 前記電池セルから、前記硫化水素ガスを無毒化する物質の中を通って延出するリードフレームを有し、
前記リードフレームの、少なくとも前記硫化水素ガスを無毒化する物質と接する部分が、前記硫化水素ガスを無毒化する物質と反応しない物質で覆われている請求項1又は2記載の硫化物系二次電池。
A lead frame extending from the battery cell through a substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas;
3. The sulfide-based secondary according to claim 1, wherein at least a portion of the lead frame in contact with a substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas is covered with a substance that does not react with the substance that detoxifies the hydrogen sulfide gas. battery.
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