JP2009193803A - All-solid lithium secondary battery - Google Patents

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靖 土田
Kazunori Takada
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid lithium secondary battery in which resistance against lithium ion conduction is made small and output is improved by suppressing formation of a space charge layer at the interface of the negative electrode layer side of a sulfide based solid electrolyte layer. <P>SOLUTION: In the all-solid lithium secondary battery, an electrochemically stable sulfide-based solid electrolyte layer is formed against the negative electrode layer on the negative electrode layer. Between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, an Li ion conductor modified layer which is electrochemically stable and has no electron conductivity against the negative electrode layer is provided, and problems are solved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくして出力を向上させた全固体リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an all-solid lithium secondary battery in which a resistance to lithium ion conduction is reduced and output is improved by suppressing formation of a space charge layer at a negative electrode layer side interface of a sulfide-based solid electrolyte layer.

近年におけるパソコン、ビデオカメラ及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として優れた二次電池、例えば、リチウム二次電池の開発が重要視されている。また、上記情報関連機器や通信関連機器以外の分野としては、例えば自動車産業界においても、低公害車としての電気自動車やハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量のリチウム二次電池の開発が進められている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, the development of secondary batteries that are excellent as power sources, such as lithium secondary batteries, has been regarded as important. In fields other than the information-related equipment and communication-related equipment, for example, in the automobile industry, the development of high-power and high-capacity lithium secondary batteries for electric vehicles and hybrid vehicles as low-emission vehicles has been promoted. ing.

しかし、現在市販されているリチウム二次電池は、可燃性の有機溶剤を溶媒とする有機電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。   However, the lithium secondary batteries currently on the market use an organic electrolyte that uses a flammable organic solvent as a solvent.・ Improved materials are necessary.

これに対し、液体電解質を固体電解質に変えて、電池を全固体化した、全固体リチウム二次電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。   In contrast, an all-solid lithium secondary battery in which the liquid electrolyte is changed to a solid electrolyte to make the battery all solid does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified and manufactured. It is considered to be excellent in cost and productivity.

しかしながら、固体電解質としてシリコン、ゲルマニウムなどの遷移金属を含んだLiS・SiS・LiPOガラス電解質あるいはLiS・GeS・P系の結晶性硫化物リチウムイオン伝導体等を用いた場合、低電流密度による充電時においては、電子伝導性をもつカーボン電極表面で電解質中に含まれる遷移金属であるシリコン、ゲルマニウム等が電気化学的に還元され、電池の充放電に使われるリチウムイオンの電気化学的還元、酸化反応を阻害し、充放電効率を悪くしていた。この反応を継続して行わせると、その表面では固体電解質に存在するシリコンやゲルマニウムが還元され、その結果,電子伝導性を有した樹枝状のリチウムシリコン合金あるいはリチウムゲルマニウム合金となって析出成長し、最後には正極と負極を短絡させるという問題があった。 However, a Li 2 S · SiS 2 · LiPO 4 glass electrolyte containing a transition metal such as silicon or germanium as a solid electrolyte or a Li 2 S · GeS 2 · P 2 S 5 based crystalline sulfide lithium ion conductor, etc. When used at the time of charging at a low current density, silicon, germanium, etc., which are transition metals contained in the electrolyte, are electrochemically reduced on the surface of the carbon electrode having electron conductivity and used for charging and discharging the battery. It inhibited the electrochemical reduction and oxidation reaction of lithium ions, and deteriorated the charge / discharge efficiency. When this reaction is continued, silicon and germanium present in the solid electrolyte are reduced on the surface, and as a result, dendritic lithium silicon alloy or lithium germanium alloy having electron conductivity is deposited and grown. Finally, there was a problem that the positive electrode and the negative electrode were short-circuited.

このような問題を解決するために、例えば、特許文献1においては、第1の硫化物系固体電解質とリチウム金属負極との間に、遷移金属を含まない第2の固体電解質層を設けた全固体リチウム二次電池を開示している。これは、遷移金属を含まない第2の固体電解質層により第1の硫化物系固体電解質の還元を防止するものである。しかしながら、このような場合には、第1の硫化物系固体電解質とリチウム金属負極との反応を、より確実に防止する必要があるため、硫化物系固体電解質とリチウム金属負極との界面全面を、遷移金属を含まない第2の固体電解質層により被覆したり、遷移金属を含まない第2の固体電解質層の膜厚をより厚くしたりする必要があった。このため、リチウムイオン伝導度が低下してしまうという問題等があった。   In order to solve such a problem, for example, in Patent Document 1, an entire second solid electrolyte layer that does not contain a transition metal is provided between the first sulfide-based solid electrolyte and the lithium metal negative electrode. A solid lithium secondary battery is disclosed. This prevents the first sulfide-based solid electrolyte from being reduced by the second solid electrolyte layer that does not contain a transition metal. However, in such a case, it is necessary to more reliably prevent the reaction between the first sulfide-based solid electrolyte and the lithium metal negative electrode. Therefore, the entire interface between the sulfide-based solid electrolyte and the lithium metal negative electrode is covered. It was necessary to coat with a second solid electrolyte layer not containing a transition metal, or to increase the thickness of the second solid electrolyte layer not containing a transition metal. For this reason, there existed a problem that lithium ion conductivity fell.

そこで、例えば、非特許文献1においては、金属リチウムを負極に用いた場合にも還元をうけることがなく、負極層に対して電気化学的に安定なLiS−P−S固体電解質材料を用いた全固体リチウム二次電池を開示している。しかしながら、LiS−P−S固体電解質材料と金属リチウム界面に、固体電解質材料と負極層との間の化学ポテンシャル差により、Liイオンの移動が起こり、空間電荷層が形成され、これにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗が高くなるという問題があった。 Thus, for example, in Non-Patent Document 1, a Li 2 S—P—S solid electrolyte material that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer without being reduced even when metallic lithium is used for the negative electrode is used. The all-solid lithium secondary battery used is disclosed. However, the Li 2 migration occurs due to the chemical potential difference between the solid electrolyte material and the negative electrode layer at the Li 2 S—P—S solid electrolyte material and the metal lithium interface, and a space charge layer is formed. There has been a problem that resistance to lithium ion conduction is increased.

また、非特許文献1においては、正極層と固体電解質層との間にLiNbOを介在させることにより、正極層と固体電解質層との間の空間電荷層の形成を防止して、高出力化させることを開示している。しかしながら、LiNbO等の酸化物系のLiイオン伝導体は、還元に弱く、負極層への修飾層として使用できないという問題があった。 In Non-Patent Document 1, the formation of a space charge layer between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is prevented by interposing LiNbO 3 between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer, thereby increasing the output. Disclosed. However, oxide-based Li ion conductors such as LiNbO 3 are vulnerable to reduction and cannot be used as a modification layer for the negative electrode layer.

特開2004−206942号公報JP 2004-206942 A 特開2005−353309号公報JP 2005-353309 A 特開2001−52733号公報JP 2001-52733 A 「Solid State Ionics 177(2006)2753−2757」"Solid State Ionics 177 (2006) 2753-2757" 「Electrochemistry communications 9(2007)1486−1490」"Electrochemistry communications 9 (2007) 1486-1490"

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた全固体リチウム二次電池を提供することを主目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and by suppressing the formation of a space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer, the resistance to lithium ion conduction is reduced, and the output An object of the present invention is to provide an all-solid lithium secondary battery with improved resistance.

上記目的を達成するために、本発明においては、負極層上に上記負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層が形成された全固体リチウム二次電池であって、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との間に上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を有することを特徴とする全固体リチウム二次電池を提供する。   To achieve the above object, the present invention provides an all-solid lithium secondary battery in which a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer is formed on the negative electrode layer, An all solid lithium secondary battery comprising a Li ion conductor modification layer that is electrochemically stable and non-electron-conductive with respect to the negative electrode layer between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer I will provide a.

本発明によれば、上述したLiイオン伝導体修飾層を設けることにより、化学ポテンシャル差による負極層近傍の硫化物系固体電解質層中から負極層へのLiイオンの移動に伴うLiイオンの欠損を抑制して、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することができる。これにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができる。   According to the present invention, by providing the above-described Li ion conductor modification layer, the loss of Li ions accompanying the movement of Li ions from the sulfide-based solid electrolyte layer near the negative electrode layer to the negative electrode layer due to the chemical potential difference is eliminated. It is possible to suppress the formation of the space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer. This can reduce the resistance to lithium ion conduction and improve the output.

上記発明においては、上記負極層が0.5V(vsLi/Li)以下の酸化還元電位を有することが好ましい。負極層がこのような酸化還元電位を有すると、空間電荷層がより形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗も上昇する。従って、このような場合に、本発明はその優れた効果を特に発揮することができるからである。また、このような酸化還元電位を有することにより、より高出力化させることができるからである。 In the above invention, the negative electrode layer preferably has an oxidation-reduction potential of 0.5 V (vsLi / Li + ) or less. When the negative electrode layer has such a redox potential, the space charge layer is more easily formed and the resistance to lithium ion conduction is also increased. Therefore, in such a case, the present invention can particularly exhibit its excellent effect. Further, by having such a redox potential, higher output can be achieved.

上記発明においては、上記負極層が、金属Li、黒鉛、Si、およびSnからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することが好ましい。負極層が金属Li、黒鉛、Si、およびSnからなる群より選ばれる少なくとも一種を有すると、空間電荷層がより形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗も上昇する。従って、このような場合に、本発明はその優れた効果を特に発揮することができるからである。また、このような負極層を有することにより、より確実に全固体リチウム二次電池を高出力化することができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said negative electrode layer has at least 1 type chosen from the group which consists of metal Li, graphite, Si, and Sn. When the negative electrode layer has at least one selected from the group consisting of metal Li, graphite, Si, and Sn, the space charge layer is more easily formed and the resistance to lithium ion conduction is also increased. Therefore, in such a case, the present invention can particularly exhibit its excellent effect. Also, by having such a negative electrode layer, it is possible to increase the output of the all solid lithium secondary battery more reliably.

上記発明においては、上記硫化物系固体電解質層が、遷移金属元素を有していないことが好ましい。負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層とすることができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said sulfide type solid electrolyte layer does not have a transition metal element. This is because a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer can be obtained.

上記発明においては、上記硫化物系固体電解質層がLiとSとを有しており、かつP、B、およびOからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することが好ましい。より確実に負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層とすることができるからである。さらに、より高出力な全固体リチウム二次電池を得ることができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said sulfide type solid electrolyte layer has Li and S, and has at least 1 type chosen from the group which consists of P, B, and O. This is because a sulfide-based solid electrolyte layer that is more electrochemically stable with respect to the negative electrode layer can be obtained. Furthermore, it is because an all-solid lithium secondary battery with higher output can be obtained.

上記発明においては、上記Liイオン伝導体修飾層がLiN、LiCl、およびLiFからなる群より選ばれる少なくとも一種からなることが好ましい。硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制する効果が高いからである。 In the above invention, the Li-ion conductor modifying layer is Li 3 N, LiCl, and is preferably made of at least one selected from the group consisting of LiF. This is because the effect of suppressing the formation of the space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer is high.

本発明においては、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた全固体リチウム二次電池を得ることができるという効果を奏する。   In the present invention, an all-solid lithium secondary battery with reduced resistance to lithium ion conduction and improved output by suppressing formation of a space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer is provided. There is an effect that it can be obtained.

本発明の全固体リチウム二次電池について、以下詳細に説明する。   The all solid lithium secondary battery of the present invention will be described in detail below.

本発明の全固体リチウム二次電池は、負極層上に上記負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層が形成された全固体リチウム二次電池であって、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との間に上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を有することを特徴とするものである。   The all solid lithium secondary battery of the present invention is an all solid lithium secondary battery in which a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer is formed on the negative electrode layer, and the negative electrode layer And a lithium ion conductor modification layer that is electrochemically stable and has no electron conductivity with respect to the negative electrode layer.

本発明によれば、Liイオン伝導体修飾層が形成されていることにより、化学ポテンシャル差による負極層近傍の硫化物系固体電解質層中のLiイオン濃度の上昇を抑制して、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することができる。これにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができる。これは、以下のような理由によるものと推定することができる。   According to the present invention, since the Li ion conductor modified layer is formed, an increase in the Li ion concentration in the sulfide solid electrolyte layer near the negative electrode layer due to the chemical potential difference is suppressed, and the sulfide solid Formation of the space charge layer at the negative electrode layer side interface of the electrolyte layer can be suppressed. This can reduce the resistance to lithium ion conduction and improve the output. This can be presumed to be due to the following reasons.

すなわち、通常、出力を向上させるために、上記負極層および上記硫化物系固体電解質層として、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との電位差が大きくなるようなものがそれぞれ用いられる。このように上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との電位差が大きい場合は、通常、固体(負極層)−固体(硫化物系固体電解質層)の界面で、その電位差または化学ポテンシャルの差によりリチウムが移動するなどして、負極層近傍の硫化物系固体電解質層中に空間電荷層が形成される。このため、リチウムの移動が困難となりリチウムイオン伝導に対する抵抗が高くなってしまう。また、電子−イオン混合伝導体(例えば、正極活物質、負極活物質等)とイオン伝導体(例えば、硫化物系固体電解質)との界面ではショットキー型の接合となるため、硫化物系固体電解質層側の空間電荷層が大きく発達する。   That is, in order to improve the output, those having a large potential difference between the negative electrode layer and the sulfide solid electrolyte layer are usually used as the negative electrode layer and the sulfide solid electrolyte layer. When the potential difference between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer is large as described above, the potential difference or chemical potential difference is usually at the solid (negative electrode layer) -solid (sulfide-based solid electrolyte layer) interface. As a result of lithium movement, a space charge layer is formed in the sulfide-based solid electrolyte layer near the negative electrode layer. For this reason, movement of lithium becomes difficult and resistance to lithium ion conduction is increased. In addition, since a Schottky type junction is formed at the interface between the electron-ion mixed conductor (for example, positive electrode active material, negative electrode active material, etc.) and the ion conductor (for example, sulfide-based solid electrolyte), sulfide-based solid The space charge layer on the electrolyte layer side is greatly developed.

本発明においては、このような負極層と硫化物系固体電解質層との間に上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を形成する。上記Liイオン伝導体修飾層は、上記化学ポテンシャル差によるLiイオンの移動を抑制することにより、上記空間電荷層の形成を抑えることができる。また、上述したようなショットキー型の接合が形成されないため、硫化物系固体電解質層側の空間電荷層が大きく発達するようなことが無い。このため、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、これにより出力を向上させることができるのである。   In the present invention, a Li ion conductor modification layer that is electrochemically stable and has no electronic conductivity with respect to the negative electrode layer is formed between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer. The Li ion conductor modified layer can suppress the formation of the space charge layer by suppressing the movement of Li ions due to the chemical potential difference. In addition, since the Schottky junction as described above is not formed, the space charge layer on the sulfide solid electrolyte layer side does not develop greatly. For this reason, the resistance to lithium ion conduction can be reduced, thereby improving the output.

以下、本発明の全固体リチウム二次電池について、図を用いて説明する。
図1は、本発明における全固体リチウム二次電池の一例を模式的に示す概略断面図である。図1に示される全固体リチウム二次電池は、負極層1、負極層1上に形成された負極層1に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層2、硫化物系固体電解質層2を負極層1と挟持するように設置された正極層3、および負極層1と硫化物系固体電解質層2との間に負極層1に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層4、を有するものである。通常、これらを挟持するように負極層1上に負極集電体5と、正極層3上に正極集電体6とが設けられており、さらに、側面を覆うように絶縁(電池ケース)部7が配されている。
Hereinafter, the all solid lithium secondary battery of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of an all-solid lithium secondary battery in the present invention. An all solid lithium secondary battery shown in FIG. 1 includes a negative electrode layer 1, a sulfide solid electrolyte layer 2 that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer 1 formed on the negative electrode layer 1, and a sulfide solid electrolyte. The positive electrode layer 3 disposed so as to sandwich the layer 2 with the negative electrode layer 1 and the negative electrode layer 1 between the negative electrode layer 1 and the sulfide-based solid electrolyte layer 2 are electrochemically stable and electronically conductive. The Li ion conductor modification layer 4 is not included. Usually, a negative electrode current collector 5 is provided on the negative electrode layer 1 and a positive electrode current collector 6 is provided on the positive electrode layer 3 so as to sandwich them, and further, an insulating (battery case) portion is provided so as to cover the side surface. 7 is arranged.

このような本発明の全固体リチウム二次電池においては、少なくとも、上記Liイオン伝導体修飾層、上記負極層、および上記硫化物系固体電解質を有するものであれば特に限定されるものではない。通常は、上述したように、正極層、正極集電体、負極集電体、電池ケース等を有する。   The all solid lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it has at least the Li ion conductor modified layer, the negative electrode layer, and the sulfide solid electrolyte. Usually, as described above, it has a positive electrode layer, a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, a battery case, and the like.

以下、本発明の全固体リチウム二次電池について、構成ごとに詳細に説明する。   Hereinafter, the all solid lithium secondary battery of the present invention will be described in detail for each configuration.

1.Liイオン伝導体修飾層
まず、本発明に用いられるLiイオン伝導体修飾層について説明する。本発明におけるLiイオン伝導体修飾層は、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との間に形成され、上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないことを特徴とするものである。
1. Li ion conductor modification layer First, the Li ion conductor modification layer used in the present invention will be described. The Li ion conductor modified layer in the present invention is formed between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, and is characterized by being electrochemically stable with respect to the negative electrode layer and having no electron conductivity. To do.

本発明においては、上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との間に形成することにより、上述したように、上記Liイオン伝導体修飾層が、上記化学ポテンシャル差によるLiイオンの移動を抑制することにより、上記空間電荷層の形成を抑えることができる。また、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との界面にショットキー型の接合が形成されないため、硫化物系固体電解質層側の空間電荷層が大きく発達するようなことが無い。このため、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができるのである。   In the present invention, a Li ion conductor modified layer that is electrochemically stable and has no electron conductivity with respect to the negative electrode layer is formed between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, thereby As described above, the Li ion conductor modification layer can suppress the formation of the space charge layer by suppressing the movement of Li ions due to the chemical potential difference. In addition, since no Schottky junction is formed at the interface between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, the space charge layer on the sulfide-based solid electrolyte layer side does not develop greatly. For this reason, the resistance to lithium ion conduction can be reduced and the output can be improved.

本発明において、Liイオン伝導体修飾層は、上記負極層に対して電気化学的に安定であることを特徴とするものであるが、上記Liイオン伝導体修飾層が、負極層に対して電気化学的に安定とは、具体的には、上記Liイオン伝導体修飾層が還元分解しないこと(負極の電位で電子を受け取らないこと)を言う。上記還元分解の有無については、サイクリックボルタンメトリーで、還元電流の有無を調べることにより確認することができる。   In the present invention, the Li ion conductor modified layer is characterized in that it is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer. Specifically, “chemically stable” means that the Li ion conductor modification layer does not undergo reductive decomposition (does not accept electrons at the potential of the negative electrode). The presence or absence of the above reductive decomposition can be confirmed by examining the presence or absence of a reducing current by cyclic voltammetry.

また、本発明においては、上記Liイオン伝導体修飾層が、上記電子伝導性のないことを特徴とするものであるが、具体的には、上記Liイオン伝導体修飾層の導電率が10−6S/cm以下、中でも10−15S/cm〜10−7S/cmの範囲内であることが好ましい。であることが好ましい。より確実に、上記化学ポテンシャル差によるLiイオンの移動を困難にし、空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができるからである。 In the present invention, the Li ion conductor modified layer is characterized by having no electron conductivity. Specifically, the Li ion conductor modified layer has a conductivity of 10 −. It is preferably 6 S / cm or less, more preferably in the range of 10 −15 S / cm to 10 −7 S / cm. It is preferable that This is because the resistance to lithium ion conduction can be reduced and the output can be improved by making the movement of Li ions more difficult due to the chemical potential difference and suppressing the formation of the space charge layer.

このような、上記Liイオン伝導体修飾層に用いられる材料としては、上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性がなく、上記空間電荷層の形成を抑制することが可能なものであれば良く、特に限定されるものではない。具体的には、LiN、LiCl、およびLiFからなる群より選ばれる少なくとも一種からなることが好ましい。硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を効果的に抑制することができるからである。本発明においては、特にLiNであることが好ましい。 Such materials used for the Li ion conductor modification layer are those that are electrochemically stable and non-electron conductive with respect to the negative electrode layer, and can suppress the formation of the space charge layer. There is no particular limitation as long as it is. Specifically, it is preferably made of at least one selected from the group consisting of Li 3 N, LiCl, and LiF. This is because the formation of the space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer can be effectively suppressed. In the present invention, Li 3 N is particularly preferable.

上記Liイオン伝導体修飾層の膜厚としては、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができる膜厚であれば、特に限定されるものではない。   As the film thickness of the Li ion conductor modified layer, by suppressing the formation of the space charge layer, the resistance to lithium ion conduction is reduced, and a desired all-solid lithium secondary battery with improved output is obtained. The film thickness is not particularly limited as long as the film thickness can be reduced.

この膜厚は、上記負極層、および上記硫化物系固体電解質層の化学ポテンシャル差、上記Liイオン伝導体修飾層のLiイオン伝導度等により決定することが好ましく、例えば、100nm以下、中でも50nm以下、特に30nm以下の範囲であることが好ましい。なお、下限としては、1nm以上とすることができる。上記範囲より大きいと、Liイオン伝導体修飾層自体のLiイオンの伝導抵抗が大きくなり、出力を向上させることができなくおそれがある。一方、上記範囲より小さいと、トンネル電流が流れる可能性があり、上記空間電荷層の形成を抑制して、出力を向上させることができないおそれがあるからである。   This film thickness is preferably determined by the chemical potential difference between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, the Li ion conductivity of the Li ion conductor modification layer, and the like, for example, 100 nm or less, especially 50 nm or less. In particular, a range of 30 nm or less is preferable. In addition, as a minimum, it can be 1 nm or more. If it is larger than the above range, the Li ion conduction resistance of the Li ion conductor modification layer itself becomes large, and the output may not be improved. On the other hand, if it is smaller than the above range, a tunnel current may flow, and the formation of the space charge layer may be suppressed, and the output may not be improved.

具体的には、上記Liイオン伝導体修飾層の膜厚は、通常、上記負極層、および上記硫化物系固体電解質層の化学ポテンシャル差と、上記Liイオン伝導体修飾層のLiイオン伝導度とにより決定することができる。例えば、上記負極層が金属Li、上記硫化物系固体電解質層がLi11、上記Liイオン伝導体修飾層がLiNの場合は、100nm以下、中でも、1nm〜30nmの範囲内であることが好ましい。また、例えば、上記負極層に金属Li、黒鉛、および硫化物系固体電解質層からなる負極用合剤を用い、上記硫化物系固体電解質層がLi11、上記Liイオン伝導体修飾層がLiNの場合は、30nm以下、中でも、1nm〜30nmの範囲内であることが好ましい。 Specifically, the film thickness of the Li ion conductor modified layer is usually the difference in chemical potential between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, and the Li ion conductivity of the Li ion conductor modified layer. Can be determined. For example, when the negative electrode layer is metal Li, the sulfide-based solid electrolyte layer is Li 7 P 3 S 11 , and the Li ion conductor modification layer is Li 3 N, it is within 100 nm or less, particularly in the range of 1 nm to 30 nm. It is preferable that Further, for example, a negative electrode mixture composed of metal Li, graphite, and a sulfide-based solid electrolyte layer is used for the anode layer, and the sulfide-based solid electrolyte layer is modified with Li 7 P 3 S 11 and the Li ion conductor. When the layer is Li 3 N, it is preferably 30 nm or less, and more preferably in the range of 1 nm to 30 nm.

本発明において、上記Liイオン伝導体修飾層の膜厚は電子顕微鏡を用いた画像解析に基づいて測定された値を用いることができる。   In the present invention, a value measured based on image analysis using an electron microscope can be used as the film thickness of the Li ion conductor modification layer.

本発明において、上記Liイオン伝導体修飾層は、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との界面に形成されるものであるが、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができるものであれば、上記界面に部分的に形成されたものであっても良く、界面全面に形成されたものでも良い。通常は、上記Liイオン伝導体修飾層は界面により多く形成されている方が好ましく、特に、界面全面に形成されることが好ましい。界面全面で上記空間電荷層の形成を抑制することが可能となり、よりリチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができるからである。   In the present invention, the Li ion conductor modification layer is formed at the interface between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, but by suppressing the formation of the space charge layer, lithium ions are formed. As long as the desired all-solid lithium secondary battery with reduced resistance to conduction and improved output can be obtained, it may be partially formed on the interface, or formed on the entire interface. It may be what was done. Usually, it is preferable that the Li ion conductor modification layer is formed more on the interface, and it is particularly preferable that the Li ion conductor modification layer be formed on the entire interface. This is because the formation of the space charge layer can be suppressed over the entire interface, and the resistance to lithium ion conduction can be further reduced and the output can be improved.

2.負極層
次に、本発明における負極層について説明する。本発明における負極層は、後述するような、負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層上に形成されるものである。
2. Next, the negative electrode layer in the present invention will be described. The negative electrode layer in the present invention is formed on a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer as described later.

本発明における、上記負極層は、通常、起電力を高いものとするために、上記硫化物系固体電解質層との電位差が大きくなるようなものが用いられる。このように上記負極層と上記硫化物系固体電解質層におけるLiイオンの電気化学ポテンシャルの差が大きい場合は、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との界面において、上述したような空間電荷層が形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗が上昇してしまう。本発明においては、このような負極層を用いた場合でも、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との界面に、上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を有することにより、上記空間電荷層の形成を抑制して、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、これにより出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができるのである。   In the present invention, the negative electrode layer is usually one having a large potential difference from the sulfide-based solid electrolyte layer in order to increase the electromotive force. Thus, when the difference in electrochemical potential of Li ions between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer is large, the space charge as described above is formed at the interface between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer. A layer is easily formed, and resistance to lithium ion conduction is increased. In the present invention, even when such a negative electrode layer is used, Li at the interface between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer and has no electron conductivity. By having the ion conductor modification layer, the formation of the space charge layer is suppressed, the resistance to lithium ion conduction is reduced, and thereby a desired all-solid lithium secondary battery with improved output can be obtained. It is.

本発明に用いられる上記負極層としては、負極層としての機能を有するものであれば、特に限定されるものではないが、通常は、上述したように、起電力を高いものとするために、上記硫化物系固体電解質層との電位差が大きくなるような酸化還元電位を有するものが用いられる。具体的には、上記負極層が0.5V(vsLi/Li)以下の酸化還元電位を有することが好ましい。負極層がこのような酸化還元電位を有すると、空間電荷層がより形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗も上昇する。従って、このような場合に、本発明はその優れた効果を特に発揮することができるからである。また、上記負極層と上記硫化物系固体電解質層の電位差を大きくすることにより、全固体リチウム二次電池の起電力を上昇させることができるからである。 The negative electrode layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has a function as a negative electrode layer. Usually, as described above, in order to increase the electromotive force, A material having an oxidation-reduction potential that increases the potential difference from the sulfide-based solid electrolyte layer is used. Specifically, the negative electrode layer preferably has an oxidation-reduction potential of 0.5 V (vsLi / Li + ) or less. When the negative electrode layer has such a redox potential, the space charge layer is more easily formed and the resistance to lithium ion conduction is also increased. Therefore, in such a case, the present invention can particularly exhibit its excellent effect. Further, the electromotive force of the all-solid lithium secondary battery can be increased by increasing the potential difference between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer.

本発明においては、上記負極層が負極材料として、金属Li、黒鉛、Si、およびSnからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することが好ましい。中でも、金属Li、および黒鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種を有することが好ましい。より確実に、上記負極層が0.5V(vsLi/Li)以下の酸化還元電位を有するものとすることができ、空間電荷層がより形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗も上昇するこのような場合に、本発明はその優れた効果を特に発揮することができるからである。また、全固体リチウム二次電池をさらに高出力化させることができるからである。 In the present invention, the negative electrode layer preferably has at least one selected from the group consisting of metals Li, graphite, Si, and Sn as a negative electrode material. Among these, it is preferable to have at least one selected from the group consisting of metal Li and graphite. More reliably, the negative electrode layer can have an oxidation-reduction potential of 0.5 V (vsLi / Li + ) or less, the space charge layer is more easily formed, and the resistance to lithium ion conduction is also increased. In this case, the present invention can particularly exhibit its excellent effect. Further, this is because the all-solid lithium secondary battery can be further increased in output.

また、上記負極層としては、負極材料のみからなるものであっても良く、負極材料と固体電解質材料とを混合した負極用合剤等からなるものであっても良い。また、本発明における上記負極層中には、導電性を向上させるために、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等の導電助剤を含有していても良い。なお、上記負極材料を2種以上混合したものを用いて負極層を形成しても良い。   In addition, the negative electrode layer may be composed of only the negative electrode material, or may be composed of a negative electrode mixture in which the negative electrode material and the solid electrolyte material are mixed. Moreover, in the said negative electrode layer in this invention, in order to improve electroconductivity, you may contain conductive support agents, such as acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. In addition, you may form a negative electrode layer using what mixed the said negative electrode material 2 or more types.

上記負極層の膜厚としては、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができる膜厚であれば、特に限定されるものではない。   As the film thickness of the negative electrode layer, a film thickness capable of obtaining a desired all-solid lithium secondary battery with reduced resistance to lithium ion conduction and improved output by suppressing the formation of the space charge layer. If it is, it will not specifically limit.

本発明において、上記負極層の膜厚は電子顕微鏡を用いた画像解析に基づいて測定された値を用いることができる。   In the present invention, the film thickness of the negative electrode layer may be a value measured based on image analysis using an electron microscope.

3.硫化物系固体電解質層
次に、本発明における硫化物系固体電解質層について説明する。本発明における硫化物系固体電解質層は、上記負極層上に形成され、負極層に対して電気化学的に安定であることを特徴とするものである。
3. Sulfide-based solid electrolyte layer Next, the sulfide-based solid electrolyte layer in the present invention will be described. The sulfide-based solid electrolyte layer in the present invention is formed on the negative electrode layer and is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer.

本発明における、上記硫化物系固体電解質層は、上記負極層に対して電気化学的に安定であることにより、上述したように低い酸化還元電位を有する負極層を用いた場合であっても、上記硫化物系固体電解質層と上記負極層との反応による合金等の形成、および上記合金等による短絡を抑制することができる。   In the present invention, the sulfide-based solid electrolyte layer is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer, so that even when the negative electrode layer having a low redox potential as described above is used, Formation of an alloy or the like due to a reaction between the sulfide-based solid electrolyte layer and the negative electrode layer, and a short circuit due to the alloy or the like can be suppressed.

このように、上記硫化物系固体電解質層は、上記負極層に対して電気化学的に安定であるものである。しかしながら、このような上記硫化物系固体電解質層と上記負極層との界面においては、上述したような空間電荷層が形成されやすく、リチウムイオン伝導に対する抵抗が上昇してしまう。本発明においては、上記硫化物系固体電解質層と上記負極層との界面に、上記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を有することにより、上記空間電荷層の形成を抑制して、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、これにより出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができるのである。   Thus, the sulfide solid electrolyte layer is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer. However, the space charge layer as described above is easily formed at the interface between the sulfide-based solid electrolyte layer and the negative electrode layer, and the resistance to lithium ion conduction increases. In the present invention, at the interface between the sulfide-based solid electrolyte layer and the negative electrode layer, there is a Li ion conductor modified layer that is electrochemically stable and has no electronic conductivity with respect to the negative electrode layer. It is possible to obtain a desired all-solid lithium secondary battery in which the formation of the space charge layer is suppressed and the resistance to lithium ion conduction is reduced, thereby improving the output.

本発明においては、上記硫化物系固体電解質層は、上記負極層に対して電気化学的に安定であることを特徴とするものであるが、上記硫化物系固体電解質層が、負極層に対して電気化学的に安定であるとは、具体的には、上記硫化物系電解質層が還元分解しないこと(負極の電位で電子を受け取らないこと)を言う。上記還元分解の有無については、サイクリックボルタンメトリーで、還元電流の有無を調べることにより確認することができる。   In the present invention, the sulfide-based solid electrolyte layer is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer. The sulfide-based solid electrolyte layer is Specifically, being electrochemically stable means that the sulfide-based electrolyte layer does not undergo reductive decomposition (does not accept electrons at the potential of the negative electrode). The presence or absence of the above reductive decomposition can be confirmed by examining the presence or absence of a reducing current by cyclic voltammetry.

本発明における上記硫化物系固体電解質層としては、硫化物系固体電解質層としての機能を有し、上記負極層上に形成され、負極層に対して電気化学的に安定であれば特に限定されるものではない。   The sulfide-based solid electrolyte layer in the present invention is not particularly limited as long as it has a function as a sulfide-based solid electrolyte layer, is formed on the negative electrode layer, and is electrochemically stable with respect to the negative electrode layer. It is not something.

具体的には、上記硫化物系固体電解質層は、遷移金属元素を有していないことが好ましい。遷移金属元素を有さないことにより、負極層に対して電気化学的により安定な硫化物系固体電解質層とすることができるからである。このような硫化物系固体電解質層に用いられる硫化物系固体電解質材料としては、少なくとも、Li(リチウム)とS(硫黄)を有していればよく、必要に応じてP(リン)、B(ホウ素)、O(酸素)等の元素を有していても良い。具体的には、Li11、LiS、LiPO−LiS−B系、80LiS−20P等を挙げることができる。中でも、LiとSとを有しており、かつP、B、およびOからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することが好ましい。より確実に負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層とすることができるからである。さらに、イオン伝導度が向上するなどして、より高出力な全固体リチウム二次電池を得ることができるからである。このような材料としては、Li11、80LiS−20P、LiPO−LiS−B系等を挙げることができる。 Specifically, the sulfide-based solid electrolyte layer preferably does not have a transition metal element. This is because by not having a transition metal element, a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically more stable with respect to the negative electrode layer can be obtained. The sulfide-based solid electrolyte material used for such a sulfide-based solid electrolyte layer only needs to have at least Li (lithium) and S (sulfur), and if necessary, P (phosphorus), B You may have elements, such as (boron) and O (oxygen). Specifically, mention may be made of Li 7 P 3 S 11, Li 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-B 2 S 3 type, 80Li 2 S-20P 2 S 5 or the like. Among them, it is preferable to have Li and S and to have at least one selected from the group consisting of P, B, and O. This is because a sulfide-based solid electrolyte layer that is more electrochemically stable with respect to the negative electrode layer can be obtained. Furthermore, because the ion conductivity is improved, a higher-power all-solid lithium secondary battery can be obtained. Examples of such a material include Li 7 P 3 S 11 , 80Li 2 S-20P 2 S 5 , Li 3 PO 4 —Li 2 S—B 2 S 3 system, and the like.

上記硫化物系固体電解質層の膜厚としては、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができる膜厚であれば、特に限定されるものではない。   Regarding the film thickness of the sulfide-based solid electrolyte layer, by suppressing the formation of the space charge layer, the resistance to lithium ion conduction is reduced, and a desired all-solid lithium secondary battery with improved output is obtained. The film thickness is not particularly limited as long as the film thickness can be reduced.

本発明において、上記硫化物系固体電解質層の膜厚は電子顕微鏡を用いた画像解析に基づいて測定された値を用いることができる。   In the present invention, the film thickness of the sulfide-based solid electrolyte layer may be a value measured based on image analysis using an electron microscope.

4.その他の構成
上記全固体リチウム二次電池において、上述した負極層、硫化物系固体電解質層、Liイオン伝導体修飾層以外の構成、例えば、正極層、正極側Liイオン伝導体修飾層、正極集電体、負極集電体および電池ケース等その他の構成について、以下詳細に説明する。
(1)正極層
本発明に用いられる上記正極層としては、正極層としての機能を有するものであれば特に限定されるものではなく、正極材料のみからなるものであっても良く、正極材料と固体電解質材料とを混合した正極用合剤等からなるものであっても良く、一般的な全固体リチウム二次電池に用いられるものと同様のものを用いることができる。また、導電性を向上させるために、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等の導電助剤を含有していても良い。
4). Other Configurations In the all solid lithium secondary battery, configurations other than the above-described negative electrode layer, sulfide-based solid electrolyte layer, and Li ion conductor modified layer, such as a positive electrode layer, a positive electrode side Li ion conductor modified layer, and a positive electrode collector. Other configurations such as the electric current collector, the negative electrode current collector, and the battery case will be described in detail below.
(1) Positive electrode layer The positive electrode layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has a function as a positive electrode layer, and may be composed of only a positive electrode material. It may be composed of a positive electrode mixture mixed with a solid electrolyte material, and the same materials as those used in a general all solid lithium secondary battery can be used. Moreover, in order to improve electroconductivity, you may contain conductive support agents, such as acetylene black, ketjen black, and carbon fiber.

上記正極層の膜厚としては、特に限定されるものではなく、通常の全固体リチウム二次電池に用いられる正極層の厚さと同様の厚さのものを用いることができる。   The film thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, and a film having a thickness similar to that of the positive electrode layer used in a normal all-solid lithium secondary battery can be used.

(2)正極側Liイオン伝導体修飾層
次に、本発明に用いられる正極側Liイオン伝導体修飾層について説明する。
(2) Positive electrode side Li ion conductor modification layer Next, the positive electrode side Li ion conductor modification layer used for this invention is demonstrated.

本発明においては、上記正極層と上記硫化物系固体電解質層との界面において、空間電荷層が形成され、リチウムイオン伝導に対する抵抗が上昇するのを防止するために、上記正極層と上記硫化物系固体電解質層との界面に、上記正極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のない正極側Liイオン伝導体修飾層を有していても良い。このような正極側Liイオン伝導体修飾層を有することにより、上記正極層と上記硫化物系固体電解質層との界面での空間電荷層の形成を抑制して、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、これにより出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができる。   In the present invention, in order to prevent a space charge layer from being formed at the interface between the positive electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer and increasing resistance to lithium ion conduction, the positive electrode layer and the sulfide are prevented. You may have the positive electrode side Li ion conductor modification layer which is electrochemically stable with respect to the said positive electrode layer, and does not have electronic conductivity in the interface with a system solid electrolyte layer. By having such a positive electrode side Li ion conductor modification layer, formation of a space charge layer at the interface between the positive electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer is suppressed, and resistance to lithium ion conduction is reduced. Thus, a desired all-solid lithium secondary battery with improved output can be obtained.

本発明に用いられる上記正極側Liイオン伝導体修飾層に用いられる材料としては、上記正極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性がなく、上記空間電荷層の形成を抑制することが可能なものであれば良く、特に限定されるものではない。例えば、LiNbO等を挙げることができる。 The material used for the positive electrode side Li ion conductor modification layer used in the present invention is electrochemically stable and non-electron conductive to the positive electrode layer, and suppresses the formation of the space charge layer. It is not particularly limited as long as it is possible. For example, LiNbO 3 can be used.

上記正極側Liイオン伝導体修飾層の膜厚としては、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができる膜厚であれば、特に限定されるものではない。   As the film thickness of the positive electrode side Li ion conductor modification layer, a desired all-solid lithium secondary battery having a reduced resistance to lithium ion conduction and an improved output by suppressing the formation of the space charge layer can be obtained. The film thickness is not particularly limited as long as it can be obtained.

本発明において、上記正極側Liイオン伝導体修飾層は、上記正極層と上記硫化物系固体電解質層との界面に形成されるものであるが、上記空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させた所望の全固体リチウム二次電池を得ることができるものであれば、上記界面に部分的に形成されたものであっても良く、界面全面に形成されたものでも良い。通常は、上記正極側Liイオン伝導体修飾層は界面により多く形成されている方が好ましく、特に、界面全面に形成されることが好ましい。界面全面で上記空間電荷層の形成を抑制することが可能となり、よりリチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができるからである。   In the present invention, the positive electrode side Li ion conductor modification layer is formed at the interface between the positive electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer, but by suppressing the formation of the space charge layer, As long as the desired all-solid lithium secondary battery with reduced resistance to lithium ion conduction and improved output can be obtained, it may be partially formed at the interface, or the entire interface. It may be formed in. Usually, it is preferable that the positive electrode side Li ion conductor modification layer is formed more on the interface, and it is particularly preferable that the positive electrode side Li ion conductor modification layer be formed on the entire interface. This is because the formation of the space charge layer can be suppressed over the entire interface, and the resistance to lithium ion conduction can be further reduced and the output can be improved.

(3)正極集電体
本発明に用いられる正極集電体は、上記正極層の集電を行うものである。上記正極集電体としては、正極集電体としての機能を有するものであれば特に限定されるものではない。上記正極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、およびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。さらに、上記正極集電体は、緻密質集電体であっても良く、多孔質集電体であっても良い。
(3) Positive electrode current collector The positive electrode current collector used in the present invention collects current from the positive electrode layer. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has a function as a positive electrode current collector. The material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. preferable. Furthermore, the positive electrode current collector may be a dense current collector or a porous current collector.

(4)負極集電体
本発明に用いられる負極集電体は、上記負極層の集電を行うものである。上記負極集電体としては、負極集電体としての機能を有するものであれば特に限定されるものではない。上記負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばSUS、銅、ニッケル、およびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。さらに、上記負極集電体は、緻密質集電体であっても良く、多孔質集電体であっても良い。
(4) Negative electrode current collector The negative electrode current collector used in the present invention collects the current from the negative electrode layer. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has a function as a negative electrode current collector. The material for the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include SUS, copper, nickel, and carbon. Among them, SUS is preferable. Furthermore, the negative electrode current collector may be a dense current collector or a porous current collector.

(5)その他の構成
上述した部材以外のその他の構成、例えば、電池ケース等の絶縁部、コイン型電池ケース等の封止に用いられる樹脂等について説明する。
(5) Other Configurations Other configurations other than the above-described members, for example, an insulating part such as a battery case, a resin used for sealing a coin-type battery case, and the like will be described.

上記絶縁部、上記樹脂等に関しては、特に限定されるものではなく、一般的な全固体リチウム二次電池と同様のものを用いることができる。   The insulating part, the resin, and the like are not particularly limited, and those similar to a general all solid lithium secondary battery can be used.

具体的には、上記絶縁部としては、絶縁リング、電池ケース等を挙げることができる。上記電池ケースとしては、一般的には、金属製のものが用いられ、例えばステンレス製のもの等が挙げられる。また、上記電池ケースは、集電体の機能を兼ね備えたものであっても良い。具体的には、SUS(ステンレス鋼)製の電池ケースを用意し、その一部を集電体として用いる場合等を挙げることができる。また、上記樹脂としては、吸水率の低い樹脂が好ましく、例えばエポキシ樹脂等が挙げられる。   Specifically, examples of the insulating part include an insulating ring and a battery case. As the battery case, generally, a metal case is used, for example, a stainless steel case. Further, the battery case may have a current collector function. Specifically, a case where a battery case made of SUS (stainless steel) is prepared and a part of the battery case is used as a current collector can be exemplified. Moreover, as said resin, resin with a low water absorption rate is preferable, for example, an epoxy resin etc. are mentioned.

5.その他
(1)全固体リチウム二次電池の製造方法
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法としては、上記の全固体リチウム二次電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。例えば、硫化物系固体電解質材料をプレス成形して硫化物系固体電解質層を形成する硫化物系固体電解質層形成工程を行う。次に、負極集電体上に負極材料を圧着して負極層を形成して負極層形成工程を行う。さらに上記負極層を用いて所定のガス(例えば窒素ガス、塩素ガス、フッ素ガス等)を所定の時間フローして、負極層上にLiイオン伝導体修飾層を形成するLiイオン伝導体修飾層形成工程を行う。
5. Others (1) Manufacturing method of all-solid lithium secondary battery The manufacturing method of the all-solid lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the all-solid lithium secondary battery. is not. For example, a sulfide-based solid electrolyte layer forming step of forming a sulfide-based solid electrolyte layer by press-molding a sulfide-based solid electrolyte material is performed. Next, a negative electrode material is pressure-bonded onto the negative electrode current collector to form a negative electrode layer, and a negative electrode layer forming step is performed. Furthermore, a Li ion conductor modification layer is formed by forming a Li ion conductor modification layer on the negative electrode layer by flowing a predetermined gas (for example, nitrogen gas, chlorine gas, fluorine gas, etc.) for a predetermined time using the negative electrode layer. Perform the process.

次に、正極集電体上に、正極材料および固体電解質材料からなる正極用合剤もしくは、正極材料のみを設置した後プレス成形して正極層を形成する正極層形成工程を行う。次に、上記硫化物系固体電解質層上に、上記負極層を上記Liイオン伝導体修飾層が上記硫化物系固体電解質層に接するように設置し、さらに、上記硫化物系固体電解質層を上記負極層と挟持するように上記正極層を設置する。さらに、これを例えばコイン型の電池ケース中に設置した後、樹脂パッキンにより封止することにより電池セルを形成する電池セル形成工程を行うことにより、上述した所望の全固体リチウム二次電池を得る方法等を挙げることができる。   Next, a positive electrode layer forming step is performed in which a positive electrode mixture composed of a positive electrode material and a solid electrolyte material or only the positive electrode material is placed on the positive electrode current collector and then press-molded to form a positive electrode layer. Next, the negative electrode layer is placed on the sulfide-based solid electrolyte layer so that the Li ion conductor modification layer is in contact with the sulfide-based solid electrolyte layer, and the sulfide-based solid electrolyte layer is further The positive electrode layer is placed so as to be sandwiched between the negative electrode layer. Furthermore, after installing this in, for example, a coin-type battery case, the desired all-solid lithium secondary battery described above is obtained by performing a battery cell forming step of forming a battery cell by sealing with a resin packing. The method etc. can be mentioned.

なお、上記硫化物系固体電解質層形成工程、上記負極層形成工程、上記Liイオン伝導体修飾層形成工程、上記正極層形成工程、上記電池セル形成工程は、上述した所望の全固体リチウム二次電池を得ることができれば、各工程を同時に行ったり、各工程の順番を変更したりするなどしても良い。また、上述した所望の全固体リチウム二次電池を得ることができれば、上述した工程以外のその他工程を有していても良い。   The sulfide-based solid electrolyte layer forming step, the negative electrode layer forming step, the Li ion conductor modification layer forming step, the positive electrode layer forming step, and the battery cell forming step are the desired all-solid lithium secondary described above. As long as a battery can be obtained, each process may be performed simultaneously or the order of each process may be changed. Moreover, as long as the desired all-solid lithium secondary battery described above can be obtained, other processes other than the processes described above may be included.

(2)用途
本発明の全固体リチウム二次電池の用途としては、特に限定されるものではないが、例えば、自動車用の全固体リチウム二次電池等として、用いることができる。
(2) Use Although it does not specifically limit as a use of the all-solid-state lithium secondary battery of this invention, For example, it can use as an all-solid-state lithium secondary battery for motor vehicles, etc.

(3)形状
本発明の全固体リチウム二次電池の形状は、コイン型、ラミネート型、円筒型、角型等を挙げることができ、中でも角型、ラミネート型が好ましく、特にラミネート型が好ましい。
(3) Shape Examples of the shape of the all solid lithium secondary battery of the present invention include a coin shape, a laminate shape, a cylindrical shape, and a square shape, among which a square shape and a laminate shape are preferable, and a laminate type is particularly preferable.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

[実施例1]
(評価セル形成)
まず、露点−70℃以下のグローボックス中で1週間以上乾燥させた集電体としてのSUS板上に、同様に乾燥させた金属Liを圧着して負極層を形成し、乾燥窒素を5分間フロー(室温)して窒素中で処理し、負極層上にLiイオン伝導体修飾層(LiN)を形成した。
[Example 1]
(Evaluation cell formation)
First, on the SUS plate as a current collector dried in a glow box having a dew point of −70 ° C. or less for one week or more, a similarly dried metal Li is pressure-bonded to form a negative electrode layer, and dry nitrogen is added for 5 minutes. It was treated with flow (room temperature) to nitrogen and formed Li ion conductor modifying layer (Li 3 N) on the negative electrode layer.

硫化物系固体電解質材料として、Li11を用い、プレス成形してLi11ペレットを形成した。 Li 7 P 3 S 11 was used as a sulfide-based solid electrolyte material, and press-molded to form Li 7 P 3 S 11 pellets.

得られた負極集電体(SUS)、負極層(金属Li)、およびLiイオン伝導体修飾層(LiN)からなるものを負極電極体として、2つの負極電極体により、Li11ペレットをLiイオン伝導体修飾層と硫化物系固体電解質が接するように挟持して、対称セルを形成して評価セルとした。 Using the obtained negative electrode current collector (SUS), negative electrode layer (metal Li), and Li ion conductor modified layer (Li 3 N) as a negative electrode body, two negative electrode bodies were used to form Li 7 P 3. The S 11 pellet was sandwiched so that the Li ion conductor modified layer and the sulfide-based solid electrolyte were in contact with each other to form a symmetric cell to obtain an evaluation cell.

[実施例2]
窒素中での処理時間を10分にした以外は実施例1と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。
[Example 2]
A symmetric cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 1 except that the treatment time in nitrogen was changed to 10 minutes.

[実施例3]
窒素中での処理時間を30分にした以外は実施例1と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。
[Example 3]
A symmetrical cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 1 except that the treatment time in nitrogen was 30 minutes.

[実施例4]
黒鉛180mgと金属Li3.8mgとを混合し、Ar中、200℃で16時間熱処理し、金属Liを黒鉛にインターカレートした。その後、N中、200℃で8時間熱処理し、窒化Li被膜を形成した。得られた粉末の3.4mgと硫化物系固体電解質材料3.4mgとを混合した後、露点−70℃以下のグローボックス中で1週間以上乾燥させた集電体としてのSUS板上に設置してプレス成形して負極電極体とした。
[Example 4]
180 mg of graphite and 3.8 mg of metal Li were mixed and heat-treated at 200 ° C. for 16 hours in Ar to intercalate metal Li into graphite. Thereafter, heat treatment was performed at 200 ° C. for 8 hours in N 2 to form a Li nitride film. After mixing 3.4 mg of the obtained powder and 3.4 mg of the sulfide-based solid electrolyte material, it was placed on a SUS plate as a current collector that was dried in a glow box with a dew point of −70 ° C. or lower for one week or longer. Then, it was press-molded to obtain a negative electrode body.

このような負極電極体を用いたこと以外は、実施例1と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。   A symmetric cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 1 except that such a negative electrode body was used.

[実施例5]
金属Li量を12mgとした以外は、実施例4と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。
[Example 5]
A symmetrical cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 4 except that the amount of metal Li was 12 mg.

[比較例1]
窒素中で処理しなかった以外は、実施例1と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。
[Comparative Example 1]
A symmetrical cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 1 except that the treatment was not performed in nitrogen.

[比較例2]
金属Liを添加しなかった以外は、実施例4と同様にして対称セルを形成して評価セルとした。
[Comparative Example 2]
A symmetric cell was formed as an evaluation cell in the same manner as in Example 4 except that no metal Li was added.

[評価]
(インピーダンス測定)
実施例1〜5、比較例1、および比較例2で得られた評価セルを用いて、インピーダンス測定した。さらに、実施例1〜3、および比較例1においては、測定したインピーダンスの100kHz程度を頂点とした円弧の直径から、界面抵抗を求め、窒化リチウム界面のイオン伝導度の値を用いて、窒化リチウム層の厚さを求めた。また、実施例4、実施例5、および比較例2においては、使用した金属Liの重量からLiがすべて窒化したと仮定し、LiNの体積を算出し、黒鉛の表面積で割ることにより窒化リチウム層の厚さを求めた。得られたインピーダンス(Ω)とLiN厚さ(nm)との関係を図2に示す。
[Evaluation]
(Impedance measurement)
Impedance was measured using the evaluation cells obtained in Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Further, in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the interface resistance is obtained from the diameter of the arc whose apex is about 100 kHz of the measured impedance, and the value of ionic conductivity at the lithium nitride interface is used to obtain lithium nitride. The layer thickness was determined. Further, in Example 4, Example 5, and Comparative Example 2, it was assumed that Li was all nitrided from the weight of the metal Li used, and the volume of Li 3 N was calculated, and nitriding was performed by dividing by the surface area of graphite. The thickness of the lithium layer was determined. FIG. 2 shows the relationship between the obtained impedance (Ω) and Li 3 N thickness (nm).

図2に示すように、圧着させた金属Liを負極層として用いた場合、実施例1、および実施例2の抵抗値は、比較例1よりも大きく低下し、良好な値を示した。また、実施例3は、比較例1と同程度の抵抗値を示した。   As shown in FIG. 2, when the pressed metal Li was used as the negative electrode layer, the resistance values of Example 1 and Example 2 were significantly lower than those of Comparative Example 1 and showed good values. In addition, Example 3 showed a resistance value comparable to that of Comparative Example 1.

また、黒鉛を有する負極層を用いた場合、実施例4は、比較例2より低い抵抗値を示し、良好な値であった。また、実施例5は、比較例2よりも抵抗値が大きくなった。   Moreover, when the negative electrode layer containing graphite was used, Example 4 showed a lower resistance value than Comparative Example 2, and was a good value. Further, the resistance value of Example 5 was larger than that of Comparative Example 2.

いずれの場合においても、LiN膜を形成した場合、LiN膜厚が厚くなるにつれて抵抗値が大きくなる傾向にあった。 In any case, when the Li 3 N film was formed, the resistance value tended to increase as the Li 3 N film thickness increased.

以上の結果から、実施例においては、上記Liイオン伝導体修飾層(LiN膜)により上記負極層と上記硫化物系固体電解質層との間での化学ポテンシャル差によるLiイオンの移動を抑制することを可能とし、硫化物系固体電解質層の負極層側界面での空間電荷層の形成を抑制することにより、リチウムイオン伝導に対する抵抗を小さくし、出力を向上させることができた。 From the above results, in the examples, the Li ion conductor modification layer (Li 3 N film) suppresses the movement of Li ions due to the chemical potential difference between the negative electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer. By suppressing the formation of the space charge layer at the negative electrode layer side interface of the sulfide-based solid electrolyte layer, the resistance to lithium ion conduction can be reduced and the output can be improved.

また、実施例において、圧着させた金属Liを負極層として用いた実施例1、実施例2、および実施例3の場合には、Liイオン伝導体修飾層(LiN膜)の厚さを100nm以下とすることにより、より良好な抵抗値を示すことがわかった。また、黒鉛を有する負極層を用いた実施例4、および実施例5の場合には、Liイオン伝導体修飾層(LiN膜)の厚さを30nm以下とすることにより、より良好な抵抗値を示すことがわかった。 In the examples, in the case of Example 1, Example 2, and Example 3 in which the pressed metal Li was used as the negative electrode layer, the thickness of the Li ion conductor modification layer (Li 3 N film) was changed. It was found that by setting the thickness to 100 nm or less, a better resistance value was exhibited. Further, in the case of Example 4 and Example 5 using the negative electrode layer having graphite, the resistance is further improved by setting the thickness of the Li ion conductor modification layer (Li 3 N film) to 30 nm or less. It was found to show a value.

本発明における全固体リチウム二次電池の一例を模式的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows typically an example of the all-solid-state lithium secondary battery in this invention. 実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5、比較例1、および比較例2のLiN厚さとインピーダンスとの関係を表すグラフである。Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, Example 5 is a graph showing the relationship between the Li 3 N thicknesses and impedances of Comparative Example 1, and Comparative Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 … 負極層
2 … 硫化物系固体電解質層
3 … 正極層
4 … Liイオン伝導体修飾層
5 … 負極集電体
6 … 正極集電体
7 … 絶縁部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Negative electrode layer 2 ... Sulfide type solid electrolyte layer 3 ... Positive electrode layer 4 ... Li ion conductor modification layer 5 ... Negative electrode collector 6 ... Positive electrode collector 7 ... Insulation part

Claims (6)

負極層上に前記負極層に対して電気化学的に安定な硫化物系固体電解質層が形成された全固体リチウム二次電池であって、前記負極層と前記硫化物系固体電解質層との間に前記負極層に対して電気化学的に安定で電子伝導性のないLiイオン伝導体修飾層を有することを特徴とする全固体リチウム二次電池。   An all-solid lithium secondary battery in which a sulfide-based solid electrolyte layer that is electrochemically stable with respect to the negative-electrode layer is formed on the negative-electrode layer, between the negative-electrode layer and the sulfide-based solid electrolyte layer An all-solid-state lithium secondary battery comprising a Li ion conductor modification layer that is electrochemically stable and has no electron conductivity with respect to the negative electrode layer. 前記負極層が0.5V(vsLi/Li)以下の酸化還元電位を有することを特徴とする請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。 The all-solid-state lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode layer has an oxidation-reduction potential of 0.5 V (vsLi / Li + ) or less. 前記負極層が、金属Li、黒鉛、Si、およびSnからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の全固体リチウム二次電池。   3. The all-solid lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode layer has at least one selected from the group consisting of metal Li, graphite, Si, and Sn. 前記硫化物系固体電解質層が、遷移金属元素を有していないことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。   The all-solid-state lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the sulfide-based solid electrolyte layer does not contain a transition metal element. 前記硫化物系固体電解質層がLiとSとを有しており、かつP、B、およびOからなる群より選ばれる少なくとも一種を有することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。   The sulfide type solid electrolyte layer has Li and S, and has at least one selected from the group consisting of P, B, and O. An all-solid lithium secondary battery according to claim 1. 前記Liイオン伝導体修飾層がLiN、LiCl、およびLiFからなる群より選ばれる少なくとも一種からなることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。 The all-solid lithium secondary according to any one of claims 1 to 5, wherein the Li ion conductor modification layer is made of at least one selected from the group consisting of Li 3 N, LiCl, and LiF. battery.
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