JP2009181874A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of an all-solid lithium ion secondary battery in which, when a current collector is fixed on a solid electrode, the current collector is adhered to the electrode sufficiently and is not likely to peel off even after a battery manufacturing is completed. <P>SOLUTION: The lithium ion secondary battery is provided with a positive electrode and a negative electrode on both sides of a solid electrolyte and current collectors provided on the outer sides of the positive electrode and the negative electrode respectively, and at least one current collector is made of a material containing a viscoelastic body. The current collector is a composite material made of a conductive inorganic material and a resin. The current collector may be laminated by coating a slurry containing a current collector material, and may be laminated by pasting green sheets made by drying the slurry containing the current collector material. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、全固体リチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to an all solid lithium ion secondary battery.

従来リチウムイオン二次電池における電解質としては、一般に非水系の電解液をセパレータと称される微多孔膜に含浸させた電解質が使用されていたが、漏液や発火のおそれがあるため、近年このような液体が中心の電解質に代わり、電解質に無機の固体電解質を用いた全固体電池が提案されている。全固体電池は、電解液など可燃性の有機溶剤を用いないため、液漏れや発火のおそれがないため、安全性に優れている。しかし、全固体電池の場合、正極、電解質、負極のすべてが固体であるため、それぞれの接触界面がとり難く、界面抵抗が高くなってしまうという問題がある。この場合、電極―電解質界面でのリチウムイオン伝導性が充分に高くないため、いまだ実用に供されていない。   Conventionally, as an electrolyte in a lithium ion secondary battery, an electrolyte obtained by impregnating a microporous membrane called a separator with a non-aqueous electrolyte solution has been used. An all-solid battery using an inorganic solid electrolyte as an electrolyte instead of such a liquid-based electrolyte has been proposed. All solid state batteries are excellent in safety because they do not use flammable organic solvents such as electrolytes and therefore do not leak or ignite. However, in the case of an all-solid-state battery, since all of the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode are solid, there is a problem that the contact interface is difficult to take and the interface resistance is increased. In this case, since the lithium ion conductivity at the electrode-electrolyte interface is not sufficiently high, it has not been put into practical use yet.

このような全固体電池を効率的に製造する方法として、固体電解質、正極および負極を特定の組成の粉体を主成分として含有するスラリーからそれぞれグリーンシートとして作成し、これら固体電解質グリーンシート、正極用グリーンシートおよび負極用グリーンシートの3者を貼り合わせることによりリチウムイオン二次電池用積層体を得ることが考えられる。   As a method for efficiently producing such an all-solid battery, a solid electrolyte, a positive electrode, and a negative electrode are each prepared as a green sheet from a slurry containing a powder having a specific composition as a main component. It is conceivable to obtain a laminate for a lithium ion secondary battery by bonding together a green sheet for a battery and a green sheet for a negative electrode.

この場合、固体電解質、正極、負極の各グリーンシートを貼り合わせた状態で一括焼成するか、または固体電解質、正極、負極それぞれのグリーンシートをそれぞれ別個に焼成し、これら焼成した固体電解質、正極、負極を貼り合わせて積層体とすることによりリチウムイオン二次電池用全固体積層体を作成することができる。   In this case, the solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode are baked together with the green sheets bonded together, or the solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode are individually baked, and the baked solid electrolyte, positive electrode, An all-solid laminate for a lithium ion secondary battery can be prepared by laminating the negative electrode to form a laminate.

従来のリチウムイオン二次電池は固体電解質、正極および負極からなる積層体の正極にアルミ箔を貼り付けて正極集電体を形成し、負極に銅箔を貼り付け負極集電体を形成して作成するが、上記のような全固体積層体の場合問題となるのは、アルミ箔や銅箔のような金属箔は焼成した正極、焼成した負極とは接着することが困難で、また接着しても金属箔と積層体との間に微小な間隙が生じることを免れ難く、そのため電子伝導性が劣り、さらに電池の充放電に伴う積層体の膨張収縮に伴い金属箔が剥離しやすく、良好な電池を長期にわたり維持することができないという問題がある。   A conventional lithium ion secondary battery has a positive electrode current collector formed by attaching an aluminum foil to a positive electrode of a laminate composed of a solid electrolyte, a positive electrode and a negative electrode, and a negative electrode current collector formed by attaching a copper foil to the negative electrode. However, in the case of an all-solid laminate as described above, the problem is that metal foils such as aluminum foil and copper foil are difficult to adhere to and adhere to the fired positive electrode and the fired negative electrode. However, it is difficult to avoid the formation of a minute gap between the metal foil and the laminate, so that the electronic conductivity is inferior, and the metal foil is easily peeled off due to the expansion and contraction of the laminate accompanying charging / discharging of the battery. There is a problem that a long battery cannot be maintained for a long time.

また粉体を成形・プレスして焼結したものを研削、研磨してなる固体電解質やガラスセラミックスのバルク体を研削、研磨してなる固体電解質にグリーンシートを焼成してなる正極、負極を貼り合わせて全固体電池とする場合にも、同様に金属箔からなる集電体は接着しにくいという問題が生じる。   Also, the positive electrode and negative electrode formed by firing a green sheet on the solid electrolyte obtained by grinding and polishing a solid electrolyte obtained by grinding and polishing a powder that has been molded, pressed and sintered, and then polished. Similarly, when an all-solid battery is used, there is a problem that a current collector made of a metal foil is difficult to adhere.

本発明は、上記全固体電池を実現する際の問題点にかんがみなされたものであって、電極をグリーンシートで作成し、これらのグリーンシートを焼成してなるもの等固体からなる電極に集電体を取り付ける場合に、集電体が電極に良好に接着し、電池作成後も剥離するおそれがない全固体型リチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。   The present invention has been considered in view of the problems in realizing the above all-solid-state battery, and the current is collected on a solid electrode such as an electrode formed with a green sheet and fired from the green sheet. An object of the present invention is to provide an all-solid-state lithium ion secondary battery in which a current collector adheres well to an electrode when the body is attached and there is no possibility of peeling after the battery is produced.

上記本発明の目的を達成するため、本発明者は、研究と実験を重ねた結果、
集電体の少なくとも一つが粘弾性体を含む材料で形成し、この粘弾性体を含む材料を好ましくは導電性無機材料と樹脂の複合材によって構成することによって、集電体が電極に良好に接着し、電池作成後も剥離するおそれがないことを見出し、本発明に到達した。
In order to achieve the above object of the present invention, the present inventor has conducted research and experiment,
When at least one of the current collectors is formed of a material containing a viscoelastic body, and the material containing the viscoelastic body is preferably composed of a composite material of a conductive inorganic material and a resin, the current collector can be satisfactorily used as an electrode. The present inventors have found that there is no risk of adhesion and peeling even after the battery is produced.

上記目的を達成する本発明は次の構成を有するものである。
構成1
固体電解質の両側に正極と負極を備え、該正極と該負極の外側にそれぞれ集電体を備えるリチウムイオン二次電池において、該集電体の少なくとも一つが粘弾性体を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
構成2
該集電体は導電性無機材料と樹脂の複合材であることを特徴とする構成1のリチウムイオン二次電池。
構成3
該集電体が多孔性であることを特徴とした請求項1または2記載のリチウムイオン二次電池。
構成4
該粘弾性体のJIS K 6253のタイプAデュロメータ硬さ試験による硬さが90未満であることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
構成5
該複合材の導電性無機材料が炭素材料を含むことを特徴とする構成2のリチウムイオン二次電池。
構成6
該複合材の導電性無機材料が金属粉末を含むことを特徴とする構成2のリチウムイオン二次電池。
構成7
該複合材の導電性無機材料が金属酸化物を含むことを特徴とする構成2のリチウムイオン二次電池。
構成8
該複合材の導電性無機材料が繊維状物質を含むことを特徴とする構成5〜7のいずれかのリチウムイオン二次電池。
構成9
該固体電解質はLi1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶を含有することを特徴とする構成1〜8のいずれかのリチウムイオン二次電池。
The present invention that achieves the above object has the following configuration.
Configuration 1
In a lithium ion secondary battery including a positive electrode and a negative electrode on both sides of a solid electrolyte, and a current collector on each of the positive electrode and the negative electrode, at least one of the current collectors includes a viscoelastic body. Lithium ion secondary battery.
Configuration 2
2. The lithium ion secondary battery according to Configuration 1, wherein the current collector is a composite material of a conductive inorganic material and a resin.
Configuration 3
The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the current collector is porous.
Configuration 4
The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the viscoelastic body has a hardness of less than 90 according to a JIS K 6253 type A durometer hardness test.
Configuration 5
The lithium ion secondary battery according to Configuration 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material includes a carbon material.
Configuration 6
The lithium ion secondary battery according to Configuration 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material contains a metal powder.
Configuration 7
The lithium ion secondary battery according to Configuration 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material includes a metal oxide.
Configuration 8
The lithium ion secondary battery according to any one of configurations 5 to 7, wherein the conductive inorganic material of the composite material includes a fibrous substance.
Configuration 9
The solid electrolyte is Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, one or more selected from M = Al and Ga). The lithium ion secondary battery according to any one of Configurations 1 to 8, wherein

本発明によれば、固体電解質の両側に正極と負極を備え、該正極と該負極の外側にそれぞれ集電体を備えるリチウムイオン二次電池において、該集電体の少なくとも一つが粘弾性体を含むことにより、集電体と電極との間の密着性が向上し、集電体と電極との間に微小間隙が生じることが少ないので高い電子伝導性を得ることができる。またできあがった電池においては、集電体は充分な弾性を有しているので、電池の充放電に伴う積層体の膨張収縮が繰り返されても集電体が電極から剥離するおそれがなく、良好な電池を長期にわたり維持することができる。   According to the present invention, in a lithium ion secondary battery including a positive electrode and a negative electrode on both sides of a solid electrolyte, and a current collector on each of the positive electrode and the negative electrode, at least one of the current collectors includes a viscoelastic body. By including, the adhesion between the current collector and the electrode is improved, and a small gap is hardly generated between the current collector and the electrode, so that high electron conductivity can be obtained. Also, in the completed battery, the current collector has sufficient elasticity, so that the current collector is not likely to peel from the electrode even if the laminate is repeatedly expanded and contracted due to charging / discharging of the battery. A long battery can be maintained for a long time.

また本発明によれば、集電体は導電性無機材料と樹脂の複合材であるので、この集電体材料を含むスラリーを電極上に塗布するかまたはこの集電体材料を含むスラリーを乾燥させてなるグリーンシートを電極上に貼り合わせて積層することにより、簡単な方法で電池を作成することができる。   According to the present invention, since the current collector is a composite material of a conductive inorganic material and a resin, the slurry containing the current collector material is applied onto the electrode or the slurry containing the current collector material is dried. A battery can be produced by a simple method by laminating the laminated green sheets on the electrodes.

また本発明によれば、集電体材料が多孔性であることにより、この孔が集電体材料にクッション性を付与し、集電体材料の弾性を高める効果がある。   Further, according to the present invention, since the current collector material is porous, this hole has an effect of imparting cushioning properties to the current collector material and increasing the elasticity of the current collector material.

また本発明によれば、導電性無機材料が繊維状物質を含んでいるので、この繊維状物質が集電体材料にクッション性を付与し、集電体材料の弾性を高める効果がある。   According to the present invention, since the conductive inorganic material contains a fibrous substance, the fibrous substance has an effect of imparting cushioning properties to the current collector material and increasing the elasticity of the current collector material.

以下本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明が適用されるリチウムイオン二次電池において集電体が取り付けられる積層体としては、リチウムイオン伝導性を有する無機粉体もしくは熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体またはその両方が含まれるグリーンシートを熱処理することで得られる固体電解質の両面に正極活物質を含むグリーンシートを熱処理して得られる正極および負極活物質を含むグリーンシートを熱処理して得られる負極を備えるもの、あるいはこのような無機粉体からなる固体電解質のグリーンシート、正極グリーンシートおよび負極グリーンシートを貼り合わせた後に一括焼成して形成したものが挙げられるが、本発明は、これに限らず、粉体を成形・プレスして焼結したものを研削、研磨したものやガラスセラミックスのバルク体を研削、研磨してなる固体電解質の両面に正極活物質を含むグリーンシートを熱処理して得られる正極および負極活物質を含むグリーンシートを熱処理して得られる負極を備えるもの等にも適用することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The laminated body to which the current collector is attached in the lithium ion secondary battery to which the present invention is applied includes an inorganic powder having lithium ion conductivity, an inorganic powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment, or both A negative electrode obtained by heat-treating a positive electrode obtained by heat-treating a green sheet containing a positive electrode active material on both sides of a solid electrolyte obtained by heat-treating the green sheet containing Alternatively, the solid electrolyte green sheet, the positive electrode green sheet, and the negative electrode green sheet made of such inorganic powders may be bonded together and then fired at one time. However, the present invention is not limited to this. Molded, pressed and sintered products that have been ground and polished, and glass ceramic bulk materials It can be applied to a positive electrode obtained by heat-treating a green sheet containing a positive electrode active material on both sides of a solid electrolyte obtained by cutting and polishing, and a negative electrode obtained by heat-treating a green sheet containing a negative electrode active material. it can.

固体電解質は、好ましくはリチウムイオン伝導性を有する無機粉体または熱処理することによりリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体またはその両方が含まれるグリーンシートを焼成することにより得られる。   The solid electrolyte is preferably obtained by firing an inorganic powder having lithium ion conductivity or a green sheet containing inorganic powder exhibiting lithium ion conductivity or both by heat treatment.

固体電解質は、内部に気孔が存在するとその部分はイオン伝導経路が存在しないため、固体電解質自体のイオン伝導度が低くなってしまう。電池として使用した場合、伝導度が高い方がリチウムイオンの移動速度が速くなるため高出力の電池が得られる。そこで、固体電解質中の気孔率は低い方が好ましく、20vol%以下であることが好ましい。気孔率を20vol%以下とするには、固体電解質はグリーンシートであることが好適である。   If there are pores inside the solid electrolyte, there is no ion conduction path in that portion, so the ionic conductivity of the solid electrolyte itself is low. When used as a battery, the higher the conductivity, the faster the lithium ion transfer speed, and thus a high output battery can be obtained. Accordingly, the porosity in the solid electrolyte is preferably low, and is preferably 20 vol% or less. In order to make the porosity 20 vol% or less, the solid electrolyte is preferably a green sheet.

本明細書において、「グリーンシート」とは、薄板状に成形したガラス粉末、結晶(セラミックス、ガラスセラミックス)の粉末の未焼成体を指し、ガラス粉末、結晶(セラミックスまたはガラスセラミックス)粉末と、有機結合剤、可塑剤、溶剤などの混合スラリーをドクターブレードやカレンダ法等により薄板状に成形したものいう。   In the present specification, the “green sheet” refers to a green body of glass powder and crystal (ceramics, glass ceramics) molded into a thin plate, and includes glass powder, crystal (ceramics or glass ceramics) powder, organic A mixed slurry of a binder, a plasticizer, a solvent and the like is formed into a thin plate shape by a doctor blade, a calendar method or the like.

また、グリーンシートは、均一な厚みに形成することにより、焼成時、均一にグリーンシートが加熱されるため、焼結も材料中で均一に進み、その結果として緻密で気孔率が20vol%以下と非常に少ない薄板状の固体電解質を得ることができる。そこで、焼成前のグリーンシートの厚みの変化は、焼成前のグリーンシートの厚みの分布の平均値に対して+10%から−10%の範囲であると好ましい。さらに、原料を十分混合することにより、グリーンシートの組成を均一にし、焼成前にロールプレスや一軸、等方加圧などにより加圧し、緻密化しておくことにより、焼成後も緻密で気孔率の少ない固体電解質を得ることができ、これによってイオン伝導度が高く、高出力の固体電解質を得ることができる。そこで原料の混合は、例えばボールミルで少なくとも1時間以上行なうことが望ましい。   In addition, since the green sheet is formed to have a uniform thickness, the green sheet is uniformly heated at the time of firing. Therefore, the sintering proceeds uniformly in the material, and as a result, the porosity is 20 vol% or less. A very small number of thin plate-like solid electrolytes can be obtained. Therefore, the change in the thickness of the green sheet before firing is preferably in the range of + 10% to −10% with respect to the average value of the thickness distribution of the green sheet before firing. Furthermore, by thoroughly mixing the raw materials, the composition of the green sheet is made uniform, and it is pressed by a roll press, uniaxial, isotropic pressure, etc. before firing, and is densified, so that it has a dense and porosity after firing. A small amount of solid electrolyte can be obtained, whereby a high output solid electrolyte with high ionic conductivity can be obtained. Therefore, it is desirable to mix the raw materials for at least 1 hour, for example, with a ball mill.

本発明の好ましい実施態様である薄板状の固体電解質は、電池として使用した場合、薄い方がリチウムイオンの移動距離が短いため高出力の電池が得られ、また単位体積当りの電極面積が広く確保できるため高容量の電池が得られる。そこで、固体電解質として用いる電解質層の厚みは500μm以下が好ましく、400μm以下がより好ましく、300μm以下が最も好ましい。   When used as a battery, the thin plate-like solid electrolyte which is a preferred embodiment of the present invention provides a high output battery because the lithium ion has a shorter migration distance, and ensures a large electrode area per unit volume. Therefore, a high capacity battery can be obtained. Therefore, the thickness of the electrolyte layer used as the solid electrolyte is preferably 500 μm or less, more preferably 400 μm or less, and most preferably 300 μm or less.

リチウムイオン二次電池の充放電時におけるリチウムイオンの移動性は、電解質のリチウムイオン伝導度およびリチウムイオン輸率に依存する。したがって、本発明の固体電解質にはリチウムイオン伝導性の高い物質を用いることが好ましい。   The mobility of lithium ions during charging and discharging of a lithium ion secondary battery depends on the lithium ion conductivity and lithium ion transport number of the electrolyte. Therefore, it is preferable to use a substance having high lithium ion conductivity for the solid electrolyte of the present invention.

リチウムイオン伝導性の粉体または熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する粉体の熱処理後のイオン伝導度は、1×10−4S・cm−1以上であることが好ましく、5×10−4S・cm−1以上であることがより好ましく、1×10−3S・cm−1以上であることが最も好ましい。 The ion conductivity after heat treatment of the lithium ion conductive powder or the powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment is preferably 1 × 10 −4 S · cm −1 or more, and 5 × 10 5. It is more preferably −4 S · cm −1 or more, and most preferably 1 × 10 −3 S · cm −1 or more.

本発明において使用するリチウムイオン伝導性の無機粉体は、リチウムイオン伝導性の結晶(セラミックまたはガラスセラミックス)粉体またはこれらの混合物の粉体を含有する無機物質の粉体である。また熱処理することによりリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体は熱処理によりガラスセラミックスとなるガラス粉体である。   The lithium ion conductive inorganic powder used in the present invention is a powder of an inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal (ceramic or glass ceramic) powder or a mixture thereof. The inorganic powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment is glass powder that becomes glass ceramics by heat treatment.

ここで、リチウムイオン伝導性とはリチウムイオン伝導度が25℃において1×10−8S・cm-1以上の値を示すことを言う。 Here, lithium ion conductivity means that the lithium ion conductivity exhibits a value of 1 × 10 −8 S · cm −1 or more at 25 ° C.

リチウムイオン伝導性を有する無機粉体もしくは熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体の平均粒径を3μm以下、最大粒径を15μm以下とすることが好ましい。これによって、緻密で空孔が少なくしたがってイオン伝導度が高い固体電解質を得ることができる。   The average particle size of the inorganic powder having lithium ion conductivity or the inorganic powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment is preferably 3 μm or less and the maximum particle size is preferably 15 μm or less. This makes it possible to obtain a solid electrolyte that is dense and has few vacancies and thus high ionic conductivity.

高いリチウムイオン伝導性を得るためにリチウムイオン伝導性の無機粉体はリチウム、シリコン、リン、チタンを主成分として含有することが好ましい。   In order to obtain high lithium ion conductivity, the lithium ion conductive inorganic powder preferably contains lithium, silicon, phosphorus, and titanium as main components.

固体電解質中にこれらの結晶を多く含むことにより、より高い伝導度が得られるため、固体電解質中に50wt%以上のリチウムイオン伝導性の結晶を含むことが好ましい。   Since a higher conductivity can be obtained by including many of these crystals in the solid electrolyte, it is preferable that 50 wt% or more of lithium ion conductive crystals be included in the solid electrolyte.

また、固体電解質を得るための成形体に含まれるリチウムイオン伝導性の無機粉体中においてもこれらの結晶を多く含むことにより、より高い伝導度が得られるため、リチウムイオン伝導性の無機粉体中に50wt%以上のリチウムイオン伝導性の結晶を含むことが好ましい。   In addition, since lithium ion conductive inorganic powder contained in a molded body for obtaining a solid electrolyte contains a large amount of these crystals, higher conductivity can be obtained. It is preferable to contain lithium ion conductive crystals in an amount of 50 wt% or more.

ここで、使用できるリチウムイオン伝導性の結晶としては、イオン伝導を阻害する結晶粒界を含まない結晶であるとイオン伝導の点で有利であり、LiN、LISICON類、La0.55Li0.35TiOなどのリチウムイオン伝導性を有するペロブスカイト構造を有する結晶や、NASICON型構造を有するLiTi12や、これら結晶を析出させたガラスセラミックスを用いることができる。好ましいリチウムイオン伝導性の結晶は、Li1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)である。特にNASICON型構造を有する結晶を析出させたガラスセラミックスは、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しないため、イオン伝導性が高くかつ化学的な安定性に優れるため、より好ましい。 Here, as a lithium ion conductive crystal that can be used, a crystal that does not include a grain boundary that inhibits ion conduction is advantageous in terms of ion conduction, and LiN, LISICON, La 0.55 Li 0. Crystals having a perovskite structure having lithium ion conductivity such as 35 TiO 3, LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON type structure, and glass ceramics on which these crystals are deposited can be used. A preferable lithium ion conductive crystal is Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0). , 0 ≦ z ≦ 0.6, M = one or more selected from Al and Ga). In particular, glass ceramics on which crystals having a NASICON type structure are deposited are more preferable because they have almost no vacancies or crystal grain boundaries that hinder ion conduction, and thus have high ion conductivity and excellent chemical stability.

固体電解質中にはこのガラスセラミックスを多く含むことにより高い伝導率が得られるため、固体電解質中に80wt%以上のリチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを含むことが好ましい。より好ましくは85wt%以上、最も好ましくは90wt%以上である。   Since a high conductivity can be obtained by containing a large amount of this glass ceramic in the solid electrolyte, it is preferable that 80 wt% or more of lithium ion conductive glass ceramic is contained in the solid electrolyte. More preferably, it is 85 wt% or more, and most preferably 90 wt% or more.

ここで、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界とは、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質全体の伝導度を該無機物質中のリチウムイオン伝導性結晶そのものの伝導度に対し、1/10以下へ減少させる空孔や結晶粒界等のイオン伝導性阻害物質をさす。   Here, the vacancies and grain boundaries that hinder ion conduction refer to the conductivity of the entire inorganic substance including lithium ion conductive crystals with respect to the conductivity of the lithium ion conductive crystal itself in the inorganic substance. Ion conductivity-inhibiting substances such as vacancies and grain boundaries that decrease to 10 or less.

ここで、ガラスセラミックスとは、ガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、非晶質固体と結晶からなる材料をいう。また、ガラスセラミックスとは、結晶の粒子間や結晶中に空孔がほとんどなければガラス相すべてを結晶相に相転移させた材料、すなわち、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものを含む。一般にいわれるセラミックスや焼結体はその製造工程上、結晶の粒子間や結晶中の空孔や結晶粒界の存在が避けられず、ガラスセラミックスとは区別することができる。特にイオン伝導に関しては、セラミックスの場合は空孔や結晶粒界の存在により、結晶粒子自体の伝導度よりもかなり低い値となってしまう。ガラスセラミックスは結晶化工程の制御により結晶間の伝導度の低下を抑えることができ、結晶粒子と同程度の伝導度を保つことができる。   Here, the glass ceramic is a material obtained by precipitating a crystal phase in a glass phase by heat-treating glass, and means a material composed of an amorphous solid and a crystal. Glass ceramics is a material in which all of the glass phase is phase-transformed into a crystal phase when there are almost no vacancies between crystal grains or in the crystal, that is, the crystal content (crystallinity) in the material is 100% by mass. Including In general, ceramics and sintered bodies referred to in the production process cannot avoid the presence of pores or crystal grain boundaries between crystal grains, or crystals, and can be distinguished from glass ceramics. In particular, with regard to ionic conduction, in the case of ceramics, due to the presence of vacancies and crystal grain boundaries, the value is considerably lower than the conductivity of the crystal grains themselves. Glass ceramics can suppress a decrease in conductivity between crystals by controlling the crystallization process, and can maintain the same conductivity as crystal grains.

また、ガラスセラミックス以外で、イオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しない材料として、上記結晶の単結晶が挙げられるが、製造が難しくコストが高いため、リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを用いるのが最も好ましい。   In addition to glass ceramics, examples of materials that have almost no vacancies or crystal grain boundaries that impede ion conduction include single crystals of the above crystals, but they are difficult to manufacture and expensive, so lithium ion conductive glass ceramics can be used. Most preferably it is used.

固体電解質層に含有させるリチウムイオン伝導性を有する無機粉体もしくは熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体は、リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスまたはその母ガラスを粉砕したものを使用することが好ましい。このリチウムイオン伝導性の無機粉体は、固体電解質中に均一に分散されていることが固体電解質のイオン伝導性、及び機械的強度の点で好ましい。分散性を良好にするため、また固体電解質の厚さを所望のものとするために、前記無機粉体の粒径は、平均で3μm以下が好ましく、2μm以下がより好ましく、1μm以下が最も好ましい。   Inorganic powder with lithium ion conductivity to be included in the solid electrolyte layer or inorganic powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment is obtained by pulverizing lithium ion conductive glass ceramics or its mother glass. It is preferable. The lithium ion conductive inorganic powder is preferably dispersed uniformly in the solid electrolyte from the viewpoint of the ionic conductivity and mechanical strength of the solid electrolyte. In order to improve the dispersibility and to obtain a desired thickness of the solid electrolyte, the average particle size of the inorganic powder is preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less, and most preferably 1 μm or less. .

前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスとして好ましいものは、母ガラスが酸化物基準のmol%で、
LiO 10〜25%、および
Alおよび/またはGa 0.5〜15%、および
TiOおよび/またはGeO 25〜50%、および
SiO 0〜15%、および
26〜40%
の各成分を含有する組成であり、このガラスを熱処理して結晶化させ、その際の主結晶相がLi1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)である。
What is preferable as the lithium ion conductive glass ceramic is that the mother glass is mol% based on oxide,
Li 2 O 10~25%, and Al 2 O 3 and / or Ga 2 O 3 0.5~15%, and TiO 2 and / or GeO 2 25 to 50%, and SiO 2 0 to 15%, and P 2 O 5 26-40%
The glass is crystallized by heat treatment, and the main crystal phase at that time is Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (However, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, one or more selected from M = Al and Ga).

上述の系の場合、溶融ガラスをキャストして容易にガラスを得ることができ、このガラスを熱処理して得られた上記結晶相をもつガラスセラミックスは高いリチウムイオン伝導性を有する。   In the case of the above-mentioned system, glass can be easily obtained by casting molten glass, and glass ceramics having the crystal phase obtained by heat-treating this glass have high lithium ion conductivity.

また、上記の組成以外にも、類似の結晶構造を有するガラスセラミックスであれば、ガラスセラミックスの製造の際、その融点を下げるかまたはガラスの安定性を上げるために、イオン伝導性を下げない範囲で他の原料を微量添加することも可能である。   In addition to the above composition, if the glass ceramic has a similar crystal structure, the range in which the ion conductivity is not lowered in order to lower the melting point or increase the stability of the glass during the production of the glass ceramic. It is also possible to add a small amount of other raw materials.

熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体としては、たとえば、酸化物基準のmol%で、LiO 10〜25%、およびAlおよび/またはGa 0.5〜15%、およびTiOおよび/またはGeO 25〜50%、およびSiO 0〜15%、およびP 26〜40%の各成分を含有するものが好ましい。 Examples of the inorganic powder exhibiting lithium ion conductivity by heat treatment include, for example, mol% based on oxide, Li 2 O 10 to 25%, and Al 2 O 3 and / or Ga 2 O 3 0.5. Those containing -15% and TiO 2 and / or GeO 2 25-50%, SiO 2 0-15%, and P 2 O 5 26-40% are preferred.

ガラスセラミックスの組成には、LiO以外のNaOやKOなどのアルカリ金属は、出来る限り含まないことが望ましい。これら成分がガラスセラミックス中に存在するとアルカリイオンの混合効果により、Liイオンの伝導を阻害して伝導度を下げることになる。 It is desirable that the glass ceramic composition does not contain alkali metals such as Na 2 O and K 2 O other than Li 2 O as much as possible. When these components are present in the glass ceramics, the conductivity of the lithium ions is inhibited by the effect of mixing alkali ions, thereby lowering the conductivity.

また、ガラスセラミックスの組成に硫黄を添加すると、リチウムイオン伝導性は少し向上するが、化学的耐久性や安定性が悪くなるため、出来る限り含有しない方が望ましい。   Further, when sulfur is added to the composition of the glass ceramic, the lithium ion conductivity is slightly improved, but the chemical durability and stability are deteriorated.

ガラスセラミックスの組成には、環境や人体に対して害を与える可能性のあるPb、As、Cd、Hgなどの成分もできる限り含有しないほうが望ましい。   It is desirable that the glass ceramic composition does not contain as much as possible components such as Pb, As, Cd, and Hg that may cause harm to the environment and the human body.

リチウムイオン伝導性の無機粉体すなわち高いリチウムイオン伝導度と化学的安定性を有する結晶(セラミックスもしくはガラスセラミックス)の粉体または熱処理によりこのようなリチウムイオン伝導性を発現するガラス粉体またはこれらの粉体の混合物を、有機系のバインダーや必要に応じて分散剤等とともに溶剤を用いて混合し、ドクターブレード法などの簡易な作製方法により、グリーンシートを作製する。作製したグリーンシートを任意の形状に加工し、好ましくはロールプレスや一軸、等方加圧等により加圧した後焼成して有機バインダーの有機成分を除去することにより、薄板状あるいは任意の形状の全固体電解質が得られる。   Lithium ion conductive inorganic powder, that is, a crystal powder (ceramics or glass ceramic) having high lithium ion conductivity and chemical stability, or glass powder exhibiting such lithium ion conductivity by heat treatment The powder mixture is mixed using a solvent together with an organic binder and, if necessary, a dispersant, and a green sheet is produced by a simple production method such as a doctor blade method. The produced green sheet is processed into an arbitrary shape, preferably pressed by a roll press, uniaxial, isotropic pressure, etc. and then baked to remove the organic component of the organic binder, thereby forming a thin plate shape or an arbitrary shape. An all-solid electrolyte is obtained.

グリーンシートの成形時に用いる有機バインダーは、ドクターブレード用の成形助剤として市販されているバインダーを用いることができる。また、ドクターブレード用以外にもラバープレス、押し出し成形などに一般に用いられている成形助剤を用いることができる。具体的には、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチルメタアクリレート、ビニル系の共重合物等を用いることができる。これらのバインダーの他に、粒子の分散性を高めるための分散剤や、乾燥時の泡抜きを良好にするための界面活性剤などを適量添加すると、より好ましい。   As the organic binder used for forming the green sheet, a commercially available binder can be used as a forming aid for a doctor blade. In addition to the doctor blade, a molding aid generally used for rubber press, extrusion molding or the like can be used. Specifically, acrylic resin, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, methacrylic resin, urethane resin, butyl methacrylate, vinyl copolymer and the like can be used. In addition to these binders, it is more preferable to add an appropriate amount of a dispersant for enhancing the dispersibility of the particles, a surfactant for improving foam removal during drying, or the like.

また、リチウム伝導性を阻害せず、電子伝導性を上げたければ、他の無機粉体や有機物を加えても問題はない。無機粉体として誘電性の高い絶縁性の結晶またはガラスを少量加えることにより効果が得られることがある。例えばBaTiO、SrTiO、Nb、LaTiO等が挙げられる。 If it is desired to increase the electron conductivity without impeding the lithium conductivity, there is no problem even if other inorganic powders or organic substances are added. The effect may be obtained by adding a small amount of highly dielectric insulating crystal or glass as the inorganic powder. For example BaTiO 3, SrTiO 3, Nb 2 O 5, LaTiO 3 , and the like.

有機物は、焼成時に除去されるため、成型時のスラリーの粘度調整などに使用しても問題はない。   Since the organic matter is removed during firing, there is no problem even if it is used for adjusting the viscosity of the slurry during molding.

当グリーンシートの成形には、簡易なドクターブレード、ロールコーター、ダイコーターを用いることができる。また粘性を調製すれば、混練・押し出しなどの汎用の装置を用いることができるため、様々な形状の固体電解質を效率よく安価に製造することができる。   A simple doctor blade, roll coater or die coater can be used for forming the green sheet. If the viscosity is adjusted, a general-purpose apparatus such as kneading / extrusion can be used, so that various shapes of solid electrolyte can be produced efficiently and inexpensively.

こうして作成した固体電解質グリーンシートを1200℃以下の温度で焼成することが好ましい。   The solid electrolyte green sheet thus prepared is preferably fired at a temperature of 1200 ° C. or lower.

焼成して得られるシート状の固体電解質は、成形したグリーンシートの形状がそのまま得られるため、任意の形状への加工が容易であり、したがって薄い膜や任意の形状の固体電解質あるいはこの固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池の製造が可能になる。   The sheet-shaped solid electrolyte obtained by firing can be easily processed into an arbitrary shape because the shape of the formed green sheet can be obtained as it is. Therefore, a thin film, a solid electrolyte of an arbitrary shape, or this solid electrolyte can be used. The used all-solid lithium ion secondary battery can be manufactured.

また、焼成後の固体電解質は有機物を含まないため、耐熱性および化学的耐久性にすぐれ、また安全性や環境に対しても害を及ぼすことが少ない。   Moreover, since the solid electrolyte after firing does not contain organic substances, it has excellent heat resistance and chemical durability, and is less harmful to safety and the environment.

なお、薄板状固体電解質の体積はグリーンシート時の65容積%以上とすることが好ましい。これによって焼成によるグリーンシートの収縮等の変形を最小限にとどめることができる。   The volume of the thin plate-like solid electrolyte is preferably 65% by volume or more of the green sheet. As a result, deformation such as shrinkage of the green sheet due to firing can be minimized.

リチウムイオン伝導性を有する無機粉体もしくは熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体の熱処理後のイオン伝導度は、室温で1×10−4S・cm−1以上であることが好ましい。 The ion conductivity after heat treatment of the inorganic powder having lithium ion conductivity or the inorganic powder exhibiting lithium ion conductivity by heat treatment is 1 × 10 −4 S · cm −1 or more at room temperature. preferable.

リチウムイオン伝導性を有する無機粉体もしくは熱処理することでリチウムイオン伝導性を発現する無機粉体またはその双方が含まれるグリーンシートの熱処理後のイオン伝導度は5×10−5S−1cm以上であることが好ましい。 The ion conductivity after heat treatment of an inorganic powder having lithium ion conductivity or an inorganic powder that exhibits lithium ion conductivity by heat treatment, or both, is 5 × 10 −5 S −1 cm or more. It is preferable that

本発明のリチウムイオン二次電池を作成するためのLiイオンの吸蔵、放出が可能な遷移金属化合物を用いることができ、例えば、マンガン、コバルト、ニッケル、バナジウム、ニオブ、モリブデン、チタン、鉄、リン、アルミニウム、クロムから選ばれる少なくとも1種を含む遷移金属酸化物等を使用することができる。
正極グリーンシートに含まれる活物質の含有量の下限値は、少ないと焼成後に単位体積当りの電池容量が少なくなってしまうため、40w%以上であることが好ましく、50wt%以上であることがより好ましく、60wt%以上であることが最も好ましい。
A transition metal compound capable of occluding and releasing Li ions for producing the lithium ion secondary battery of the present invention can be used. For example, manganese, cobalt, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, titanium, iron, phosphorus , Transition metal oxides containing at least one selected from aluminum and chromium can be used.
The lower limit of the content of the active material contained in the positive electrode green sheet is preferably 40% by weight or more and more preferably 50% by weight or more because if the amount is small, the battery capacity per unit volume is reduced after firing. Preferably, it is most preferably 60 wt% or more.

また、正極グリーンシートに含まれる活物質の含有量は、多すぎると可とう性が無くなり取り扱いがむずかしくなるため、97wt%であることが好ましく、94wt%であることがより好ましく、90wt%以下であることが最も好ましい。   In addition, the content of the active material contained in the positive electrode green sheet is preferably 97 wt%, more preferably 94 wt%, and more preferably 90 wt% or less because if it is too much, the flexibility is lost and handling becomes difficult. Most preferably it is.

前記の活物質の含有量を有する正極グリーンシートを得るため、また良好に塗布できるスラリーを調製するためには、正極活物質粉体、無機物粉体、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して正極活物質の量は10wt%以上とすることが好ましく、15wt%以上とすることがより好ましく、20wt%以上とすることが最も好ましい。   In order to obtain a positive electrode green sheet having the active material content and to prepare a slurry that can be satisfactorily applied, a mixture comprising positive electrode active material powder, inorganic powder, organic binder, plasticizer, solvent, etc. The amount of the positive electrode active material is preferably 10 wt% or more, more preferably 15 wt% or more, and most preferably 20 wt% or more with respect to the amount of slurry.

また、前記活物質の含有量の上限値は、良好に塗布できるスラリーを調製するためには、混合スラリーの量に対して90wt%以下とすることが好ましく、85wt%以下とすることがより好ましく、80wt%以下とすることが最も好ましい。   In order to prepare a slurry that can be satisfactorily applied, the upper limit value of the content of the active material is preferably 90 wt% or less, more preferably 85 wt% or less with respect to the amount of the mixed slurry. 80 wt% or less is most preferable.

また、正極活物質の電子伝導性が低い場合、電子伝導助剤を添加することにより、電子伝導性を付与することができる。電子伝導助剤としては、微粒子や纎維状の炭素材や金属を用いることができる。用いることができる金属は、チタンやニッケル、クロム、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属や白金、金、ロジウムなどの貴金属を用いることができる。   Moreover, when the electron conductivity of a positive electrode active material is low, electron conductivity can be provided by adding an electron conduction auxiliary agent. As the electron conduction aid, fine particles, fibrous carbon materials and metals can be used. As the metal that can be used, metals such as titanium, nickel, chromium, iron, stainless steel, and aluminum, and noble metals such as platinum, gold, and rhodium can be used.

アルミニウム、シリコン、スズなどLiイオンの吸蔵、放出が可能な合金、チタンやバナジウム、クロム、ニオブ、シリコンなどの金属酸化物、の材料を使用することができる。   Materials such as alloys capable of occluding and releasing Li ions such as aluminum, silicon, and tin, and metal oxides such as titanium, vanadium, chromium, niobium, and silicon can be used.

負極グリーンシートに含まれる活物質の含有量の下限値は、少ないと単位体積当りの電池容量が少なくなってしまうため、40w%以上であることが好ましく、50wt%以上であることがより好ましく、60wt%以上であることが最も好ましい。   The lower limit of the content of the active material contained in the negative electrode green sheet is preferably 40% by weight or more, more preferably 50% by weight or more, since the battery capacity per unit volume decreases if the content is small. Most preferably, it is 60 wt% or more.

また、負極グリーンシートに含まれる活物質の含有量の下限値は、上記の理由と良好に塗布できるスラリーを調製するためには、負極活物質粉体、無機物粉体、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して負極活物質の量は10wt%以上とすることが好ましく、15wt%以上とすることがより好ましく、20wt%以上とすることが最も好ましい。   In addition, the lower limit of the content of the active material contained in the negative electrode green sheet is the negative electrode active material powder, inorganic powder, organic binder, plasticizer, The amount of the negative electrode active material is preferably 10 wt% or more, more preferably 15 wt% or more, and most preferably 20 wt% or more with respect to the amount of the mixed slurry composed of a solvent or the like.

また、前記活物質の含有量の上限値は、バインダーや溶剤を用いてスラリー化する必要があるため、混合スラリーの量に対して90wt%以下とすることが好ましく、85wt%以下とすることがより好ましく、80wt%以下とすることが最も好ましい。   Further, the upper limit of the content of the active material needs to be slurried using a binder or a solvent. Therefore, the upper limit is preferably 90 wt% or less, and preferably 85 wt% or less with respect to the amount of the mixed slurry. More preferably, it is most preferable to set it as 80 wt% or less.

また、負極活物質の電子伝導性が低い場合、電子伝導助剤を添加することにより、電子伝導性を付与することができる。電子伝導助剤としては、微粒子や纎維状の炭素材や金属を用いることができる。用いることができる金属は、チタンやニッケル、クロム、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属や白金、金、ロジウムなどの貴金属を用いることができる。   Moreover, when the electronic conductivity of a negative electrode active material is low, electron conductivity can be provided by adding an electron conduction support agent. As the electron conduction aid, fine particles, fibrous carbon materials and metals can be used. As the metal that can be used, metals such as titanium, nickel, chromium, iron, stainless steel, and aluminum, and noble metals such as platinum, gold, and rhodium can be used.

正極グリーンシート及び負極グリーンシートには、リチウムイオン伝導性無機物粉体を添加するとイオン伝導が付与され好ましい。具体的には、前記リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを含むことができる。また、固体電解質グリーンシートに含まれるイオン伝導性無機物と同じものを添加するとより好ましい。このように同じ材料を含むと電解質と電極材に含まれるイオン移動機構が共通することができ、電解質―電極間のイオン移動がスムーズに行え得る。従って、より高出力・高容量の電池が提供できる。   It is preferable to add lithium ion conductive inorganic powder to the positive electrode green sheet and the negative electrode green sheet because ion conduction is imparted. Specifically, the lithium ion conductive glass ceramics can be included. Moreover, it is more preferable to add the same ion conductive inorganic substance contained in the solid electrolyte green sheet. When the same material is included in this way, the ion transfer mechanism included in the electrolyte and the electrode material can be shared, and ion transfer between the electrolyte and the electrode can be performed smoothly. Therefore, a battery with higher output and higher capacity can be provided.

正極グリーンシートの場合、有機バインダーと混合する際のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の下限値は、イオン伝導性を付与させる必要があるため、正極活物質粉体、無機物粉体、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して1wt%以上とすることが好ましく、3wt%以上とすることがより好ましく、5wt%以上とすることが最も好ましい。   In the case of the positive electrode green sheet, the lower limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder when mixed with the organic binder needs to be imparted with ion conductivity, so that the positive electrode active material powder, inorganic powder, organic The amount is preferably 1 wt% or more, more preferably 3 wt% or more, and most preferably 5 wt% or more with respect to the amount of the mixed slurry composed of a binder, a plasticizer, a solvent, and the like.

乾燥後の正極グリーンシート中のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の下限値は前記と同様の理由から、3wt%以上とすることが好ましく、5wt%以上とすることがより好ましく、10wt%以上とすることが最も好ましい。   The lower limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder in the positive electrode green sheet after drying is preferably 3 wt% or more, more preferably 5 wt% or more, for the same reason as described above. Most preferably.

また、リチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の上限値は、多くなりすぎると含まれる活物質の量が少なく電池容量が低下してしまうため、混合スラリーの量に対して50wt%以下とすることが好ましく、40wt%以下とすることがより好ましく、30wt%以下とすることが最も好ましい。   Further, the upper limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder is set to 50 wt% or less with respect to the amount of the mixed slurry because the amount of the active material contained is small and the battery capacity is reduced when the amount is too large. It is preferably 40 wt% or less, more preferably 30 wt% or less.

乾燥後の正極グリーンシート中のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の上限値は前記と同様の理由から、70wt%以下とすることが好ましく、60wt%以下とすることがより好ましく、50wt%以下とすることが最も好ましい。   For the same reason as described above, the upper limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder in the positive electrode green sheet after drying is preferably 70 wt% or less, more preferably 60 wt% or less, and 50 wt%. The following is most preferable.

負極グリーンシートの場合、有機バインダーと混合する際のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の下限値は、イオン伝導性を付与させる必要があるため、負極活物質粉体、無機物粉体、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して1wt%以上とすることが好ましく、3wt%以上とすることがより好ましく、5wt%以上とすることが最も好ましい。   In the case of the negative electrode green sheet, the lower limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder when mixed with the organic binder needs to be imparted with ionic conductivity, so the negative electrode active material powder, inorganic powder, organic The amount is preferably 1 wt% or more, more preferably 3 wt% or more, and most preferably 5 wt% or more with respect to the amount of the mixed slurry composed of a binder, a plasticizer, a solvent, and the like.

乾燥後の負極グリーンシート中のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の下限値は前記と同様の理由から、3wt%以上とすることが好ましく、5wt%以上とすることがより好ましく、10wt%以上とすることが最も好ましい。   The lower limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder in the negative electrode green sheet after drying is preferably 3 wt% or more, more preferably 5 wt% or more, for the same reason as above. Most preferably.

また、リチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の上限値は、多くなりすぎると含まれる活物質の量が少なく電池容量が低下してしまうため、シート形状を維持させるため、混合スラリーの量に対して50wt%以下とすることが好ましく、40wt%以下とすることがより好ましく、30wt%以下とすることが最も好ましい。   In addition, the upper limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder is too large, the amount of active material contained is small and the battery capacity is reduced, so the sheet shape is maintained. On the other hand, it is preferably 50 wt% or less, more preferably 40 wt% or less, and most preferably 30 wt% or less.

乾燥後の負極グリーンシート中のリチウムイオン伝導性無機物粉体の含有量の上限値は前記と同様の理由から、70wt%以下とすることが好ましく、60wt%以下とすることがより好ましく、50wt%以下とすることが最も好ましい。   The upper limit of the content of the lithium ion conductive inorganic powder in the negative electrode green sheet after drying is preferably 70 wt% or less, more preferably 60 wt% or less, for the same reason as described above, and 50 wt%. The following is most preferable.

正極グリーンシートおよび負極グリーンシートは薄板状固体電解質グリーンシートの作成と同様にして形成することができる。   The positive electrode green sheet and the negative electrode green sheet can be formed in the same manner as the production of the thin plate-like solid electrolyte green sheet.

こうして作成された薄板状正極グリーンシートおよび薄板状負極グリーンシートをそれぞれの材質に応じた適正な焼成温度で焼成する。通常正極グリーンシートおよび負極グリーンシートの適正焼成温度は500℃〜1000℃の範囲である。   The thin plate-like positive electrode green sheet and the thin plate-like negative electrode green sheet thus prepared are fired at an appropriate firing temperature corresponding to each material. Usually, the proper firing temperature of the positive electrode green sheet and the negative electrode green sheet is in the range of 500 ° C to 1000 ° C.

こうして作成したそれぞれ焼成ずみの固体電解質、正極および負極を貼り合わせて積層体を形成する。   The fired solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode thus prepared are bonded together to form a laminate.

他の方法として、上記の方法で作成した固体電解質グリーンシートの両側に正極グリーンシートおよび負極グリーンシートを配置し貼り合わせた後一括焼成することにより積層体を作成することもできる。   As another method, it is also possible to prepare a laminate by arranging and laminating a positive electrode green sheet and a negative electrode green sheet on both sides of the solid electrolyte green sheet prepared by the above method and then firing them together.

こうして作成した薄板状固体電解質、正極、負極からなる積層体の正極側および負極側に集電体材料を積層し、集電体を形成する。   A current collector material is laminated on the positive electrode side and the negative electrode side of the laminate composed of the thin plate-shaped solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode thus prepared, thereby forming a current collector.

集電体は、集電体材料を含むスラリーを塗布することにより積層してもよいし、集電体材料を含むスラリーを乾燥させてなるグリーンシートを貼り合わせることにより積層してもよい。   The current collector may be laminated by applying a slurry containing a current collector material, or may be laminated by attaching a green sheet obtained by drying a slurry containing a current collector material.

集電体は粘弾性体を含むものであり、この粘弾性体の硬度はJIS K6253のタイプAデュロメータ硬さ試験による硬さが90以上では集電体に充分な弾性を付与することができず、電極との剥離が生じてしまう。   The current collector includes a viscoelastic body. If the hardness of the viscoelastic body is 90 or more according to the JIS K6253 type A durometer hardness test, the current collector cannot provide sufficient elasticity. , Peeling from the electrode occurs.

そのため、前記試験による硬さの上限が90未満であることが好ましく、より好ましくは85以下、最も好ましくは80以下である。下限は導電性無機材料と樹脂が複合材として維持されていれば前記試験による硬さの制限はない。
集電体は導電性無機材料と樹脂の複合材からなるものである。
Therefore, it is preferable that the upper limit of the hardness by the said test is less than 90, More preferably, it is 85 or less, Most preferably, it is 80 or less. As long as the conductive inorganic material and the resin are maintained as a composite material, the lower limit is not limited by the above test.
The current collector is made of a composite material of a conductive inorganic material and a resin.

具体的には導電性の無機材料の粉末材料や繊維材料がポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー、合成ゴム類などのバインダーで結着されている構成が例示される。   Specifically, a conductive inorganic material powder material or fiber material is bound with a binder such as a fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene or polyvinylidene fluoride, a polyolefin polymer such as polyethylene or polypropylene, or a synthetic rubber. The configuration is exemplified.

この複合材は集電体に充分なクッション性を付与するために多孔性であることが好ましい。   This composite material is preferably porous in order to impart sufficient cushioning properties to the current collector.

複合材中の導電性無機材料は炭素材料を含むことができる。炭素材料としてはたとえばカーボンナノファイバーが好適である。   The conductive inorganic material in the composite material can include a carbon material. For example, carbon nanofibers are suitable as the carbon material.

複合材中の導電性無機材料は金属粉末を含むことができる。正極用集電体材料としてはたとえばアルミ粉末が好適である。また負極用集電体材料としてはたとえば銅粉末が好適である。   The conductive inorganic material in the composite can include a metal powder. As the current collector material for the positive electrode, for example, aluminum powder is suitable. As the negative electrode current collector material, for example, copper powder is suitable.

複合材中の導電性無機材料は金属酸化物粉末を含むことができる。正極用集電体材料としてはたとえば酸化ニッケル粉末が好適である。また負極用集電体材料としてはたとえば酸化スズ粉末が好適である。   The conductive inorganic material in the composite material can include a metal oxide powder. For example, nickel oxide powder is suitable as the positive electrode current collector material. As the negative electrode current collector material, for example, tin oxide powder is suitable.

複合材中の導電性無機材料は繊維状物質を含むことが好ましい。これによって、この繊維状物質が集電体材料にクッション性を付与し、集電体材料の弾性を高める効果がある。   The conductive inorganic material in the composite material preferably contains a fibrous substance. Accordingly, this fibrous substance has an effect of imparting cushioning properties to the current collector material and increasing the elasticity of the current collector material.

複合材中の樹脂は導電性無機材料のバインダーや溶剤等として機能するものであって、この樹脂を1種または2種以上混合し溶解して液状とし、この溶解液に導電性無機材料を添加して集電体形成用のスラリーを作成する。この樹脂としては、たとえばポリフッ化ビニリデンが好適である。   The resin in the composite material functions as a binder or solvent for the conductive inorganic material, and one or two or more of these resins are mixed and dissolved to form a liquid, and the conductive inorganic material is added to the solution. Thus, a slurry for forming a current collector is prepared. As this resin, for example, polyvinylidene fluoride is suitable.

複合材中の導電性材料の含有率の上限は複合材の状態を維持するために、98%以下が好ましく、より好ましくは95%以下、もっとも好ましくは92%以下である。下限は高い導電性を得るために、30%wt以上が好ましく、より好ましくは35wt%以上、もっとも好ましくは40wt%以上である。   In order to maintain the state of the composite material, the upper limit of the content of the conductive material in the composite material is preferably 98% or less, more preferably 95% or less, and most preferably 92% or less. In order to obtain high conductivity, the lower limit is preferably 30% by weight or more, more preferably 35% by weight or more, and most preferably 40% by weight or more.

この複合材を含むスラリーを積層体に塗布しまたはこのスラリーから作成したグリーンシートを積層体に貼り付け、正極側に正極リード、負極側に負極リードをそれぞれ接続してリチウムイオン二次電池を完成する。   A slurry containing this composite material is applied to the laminate, or a green sheet made from this slurry is attached to the laminate, and a positive electrode lead is connected to the positive electrode side and a negative electrode lead is connected to the negative electrode side to complete a lithium ion secondary battery. To do.

本発明の集電体の厚みは容易かつ緻密に成膜できる点から上限が40μm以下が好ましく、より好ましくは35μm以下、もっとも好ましくは30μm以下である。また、充放電時の剥離および断裂を抑制する点から下限は0.5μm以上が好ましく、より好ましくは1μm以上、最も好ましくは3μm以上である。   The upper limit of the thickness of the current collector of the present invention is preferably 40 μm or less, more preferably 35 μm or less, and most preferably 30 μm or less from the viewpoint of easy and dense film formation. Further, the lower limit is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and most preferably 3 μm or more from the viewpoint of suppressing peeling and tearing during charging and discharging.

酸化物ガラス粉末の作製
原料としてHPO、Al(PO、LiCO、SiO、TiOを使用し、これらを酸化物換算のmol%でPを35.0%、Alを7.5%、LiOを15.0%、TiOを38.0%、SiOを4.5%といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中1500℃の温度で撹拌しながら3時間加熱・熔解してガラス融液を得た。その後、ガラス融液をポットに取り付けた白金製のパイプから加熱しながら室温の流水中に滴下させることにより急冷し、酸化物ガラスを得た。
Production of Oxide Glass Powder H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , and TiO 2 are used as raw materials, and these are 35. P 2 O 5 in mol% in terms of oxide. 0%, Al 2 O 3 7.5%, Li 2 O 15.0%, TiO 2 38.0%, SiO 2 4.5% and so forth were weighed and mixed uniformly. Later, it was put into a platinum pot and heated and melted for 3 hours while stirring at a temperature of 1500 ° C. in an electric furnace to obtain a glass melt. Then, the glass melt was rapidly cooled by dropping it into running water at room temperature while heating from a platinum pipe attached to the pot, to obtain an oxide glass.

このガラスを1000℃の電気炉にて結晶化を行い、リチウムイオン伝導度の測定を行ったところ、室温にて1.3×10-3Scm-1であった。また、析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)が主結晶相であることが確認された。 When this glass was crystallized in an electric furnace at 1000 ° C. and the lithium ion conductivity was measured, it was 1.3 × 10 −3 Scm −1 at room temperature. Further, the precipitated crystal phase is Li 1 + x + y Al x Ti 2−x Si y P 3−y O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6) by the powder X-ray diffraction method. Phase was confirmed.

酸化物ガラスをジェットミルにて粉砕後、エタノールを溶媒としたボールミルに入れ、湿式粉砕を行い、平均粒径0.5μm、最大粒径1μmの酸化物ガラス粉末を得た。   The oxide glass was pulverized with a jet mill, then placed in a ball mill using ethanol as a solvent, and wet pulverized to obtain an oxide glass powder having an average particle size of 0.5 μm and a maximum particle size of 1 μm.

固体電解質グリーンシートの作製
平均粒径0.5μmの酸化物ガラスを、アクリル系のバインダー、分散剤、消泡剤とともに水を溶剤として、分散・混合して電解質スラリーを調製した。スラリーは減圧して泡抜きをした後、ドクターブレードを用いて成形、乾燥させて厚み30μmの電解質グリーンシートを作製した。
Preparation of Solid Electrolyte Green Sheet An oxide slurry having an average particle size of 0.5 μm was prepared by dispersing and mixing together with an acrylic binder, a dispersant, and an antifoaming agent using water as a solvent. The slurry was depressurized to remove bubbles, and then shaped using a doctor blade and dried to prepare an electrolyte green sheet having a thickness of 30 μm.

正極グリーンシートの作製
正極活物質として、市販(本荘ケミカル製)のマンガン酸リチウムを用いた。平均粒子径0.9μmに粉砕したマンガン酸リチウム粉末と平均粒径0.5μmの酸化物ガラスを75:25wt%の割合で秤量し、アクリル系のバインダー、分散剤とともに水を溶剤として、分散・混合して正極スラリーを調製した。スラリーは減圧して泡抜きをした後、ドクターブレードを用いて成形、乾燥させて厚み20μmの正極グリーンシートを作製した。
Production of Positive Electrode Green Sheet As a positive electrode active material, commercially available lithium manganate (manufactured by Honjo Chemical) was used. Lithium manganate powder ground to an average particle size of 0.9μm and oxide glass with an average particle size of 0.5μm are weighed in a ratio of 75: 25wt%, and dispersed and mixed using an acrylic binder and dispersant as a solvent with water. A positive electrode slurry was prepared. The slurry was decompressed to remove bubbles, and then shaped using a doctor blade and dried to produce a positive electrode green sheet having a thickness of 20 μm.

負極グリーンシートの作製
負極活物質として、市販(石原産業製)のチタン酸リチウムを500℃にてアニールを行ってから用いた。平均粒径5μmのチタン酸リチウム粉末と平均粒径0.5μmの酸化物ガラスを80:20wt%の割合で秤量し、アクリル系のバインダー、分散剤とともに水を溶剤として、分散・混合して負極スラリーを調製した。スラリーは減圧して泡抜きをした後、連続式のロールコーターを用いて成形、乾燥させて厚み25μmの負極グリーンシートを作製した。
Production of Negative Electrode Green Sheet Commercially available (Ishihara Sangyo) lithium titanate was used after annealing at 500 ° C. as a negative electrode active material. Negative electrode slurry by weighing lithium titanate powder with an average particle size of 5 μm and oxide glass with an average particle size of 0.5 μm at a ratio of 80:20 wt%, and dispersing and mixing with an acrylic binder and dispersant in water as a solvent. Was prepared. The slurry was decompressed to remove bubbles, and then shaped and dried using a continuous roll coater to prepare a negative electrode green sheet having a thickness of 25 μm.

電極・電解質積層体の作製
前記で作製した正極20mm角に切断、負極グリーンシートを25mm角に切断した。電解質グリーンシート2枚を重ね合わせ、加熱したロールプレスにて貼り合わせた。貼り合わせたグリーンシート積層体を25mmに切断した。これらの切断した各グリーンシートをCIP(冷間等方圧加圧)を用いて室温にてプレスし、緻密化させた。作製した積層体を、アルミナ製のセッターに挟み、電気炉内にて400℃に加熱し、積層体内のバインダーや分散剤などの有機物を除去した。その後、900℃に急昇温を行い、5分間保持し、冷却することにより、正極、電解質、負極の積層焼結体を作製した。
Production of electrode / electrolyte laminate The positive electrode produced in the above was cut into 20 mm squares, and the negative electrode green sheet was cut into 25 mm squares. Two electrolyte green sheets were superposed and bonded together by a heated roll press. The laminated green sheet laminate was cut to 25 mm. Each of the cut green sheets was pressed at room temperature using CIP (cold isostatic pressing) to be densified. The produced laminate was sandwiched between alumina setters and heated to 400 ° C. in an electric furnace to remove organic substances such as binder and dispersant in the laminate. Thereafter, the temperature was rapidly raised to 900 ° C., held for 5 minutes, and cooled to prepare a laminated sintered body of the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode.

全固体リチウムイオン二次電池の作製
上記で作製した積層体の正極側に、アルミ粉末(平均粒径1μm)、バインダーとしてポリ弗化ビニリデン(Pvdf)、N−メチルピロリドン(NMP)からなるスラリーを塗布して100℃でNMPを揮発、除去して正極集電体を形成した。正極集電体の厚みは5μmであった。また、NMP揮発後の気孔率は18%であった。
Production of an all-solid-state lithium ion secondary battery On the positive electrode side of the laminate produced above, a slurry made of aluminum powder (average particle size 1 μm) and polyvinylidene fluoride (Pvdf) and N-methylpyrrolidone (NMP) as a binder After coating, NMP was volatilized and removed at 100 ° C. to form a positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode current collector was 5 μm. Moreover, the porosity after NMP volatilization was 18%.

その後、負極側に炭素粉末(平均粒径1.5μm)、バインダーとしてPvdf、NMPからなるスラリーを塗布して100℃にてNMPを揮発、除去して負極集電体を形成した。負極集電体の厚みは7μmであった。また、NMP揮発後の気孔率は15%であった。   Thereafter, a slurry composed of carbon powder (average particle size 1.5 μm) and Pvdf and NMP as a binder was applied to the negative electrode side, and NMP was volatilized and removed at 100 ° C. to form a negative electrode current collector. The thickness of the negative electrode current collector was 7 μm. The porosity after NMP volatilization was 15%.

集電体を付与した積層焼結体を容器、蓋からなるステンレス容器に、正極終電体が容器、負極集電体が密着するように封入した。容器と蓋は電気的に絶縁してある。   The laminated sintered body provided with the current collector was sealed in a stainless steel container composed of a container and a lid so that the positive electrode current collector was in close contact with the container and the negative electrode current collector. The container and the lid are electrically insulated.

サイクル試験
上記で作製した電池を60℃、1/6Cで20回充放電させた。20サイクル後の放電容量は初期放電容量の80%を得た。
Cycle test The battery produced above was charged and discharged 20 times at 60 ° C. and 1 / 6C. The discharge capacity after 20 cycles was 80% of the initial discharge capacity.

比較例Comparative example

実施例1と同様に積層焼結体を作製した。正極にアルミニウムの薄膜、負極に銅の薄膜を蒸着法で形成した。これを実施例1と同様のステンレス容器に封入したのち、60℃、1/6で20回の充放電試験をおこなったが、5サイクル目には初期放電容量の10%となり、6サイクル目以降はほぼ充放電容量0となった。試験後に容器を解体したところ、焼結体の正極側に欠けやクラックが観察された。   A laminated sintered body was produced in the same manner as in Example 1. An aluminum thin film was formed on the positive electrode and a copper thin film was formed on the negative electrode by vapor deposition. After this was sealed in the same stainless steel container as in Example 1, 20 charge / discharge tests were conducted at 60 ° C. and 1/6. However, the 5th cycle was 10% of the initial discharge capacity, and the 6th cycle and thereafter. The charge / discharge capacity was almost zero. When the container was disassembled after the test, chips and cracks were observed on the positive electrode side of the sintered body.

Claims (9)

固体電解質の両側に正極と負極を備え、該正極と該負極の外側にそれぞれ集電体を備えるリチウムイオン二次電池において、該集電体の少なくとも一つが粘弾性体を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。   In a lithium ion secondary battery including a positive electrode and a negative electrode on both sides of a solid electrolyte, and a current collector on each of the positive electrode and the negative electrode, at least one of the current collectors includes a viscoelastic body. Lithium ion secondary battery. 該集電体は導電性無機材料と樹脂の複合材であることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池。   2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the current collector is a composite material of a conductive inorganic material and a resin. 該集電体が多孔性であることを特徴とした請求項1または2記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the current collector is porous. 該粘弾性体のJIS K 6253のタイプAデュロメータ硬さ試験による硬さが90未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the viscoelastic body has a hardness of less than 90 according to a JIS K 6253 type A durometer hardness test. 該複合材の導電性無機材料が炭素材料を含むことを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material includes a carbon material. 該複合材の導電性無機材料が金属粉末を含むことを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material contains a metal powder. 該複合材の導電性無機材料が金属酸化物を含むことを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein the conductive inorganic material of the composite material contains a metal oxide. 該複合材の導電性無機材料が繊維状物質を含むことを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池   The lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the conductive inorganic material of the composite material includes a fibrous substance. 該固体電解質はLi1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶を含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。 The solid electrolyte is Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the lithium ion secondary battery includes one or more crystals selected from 0.6, M = Al, and Ga.
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