JP2011081915A - Solid electrolyte, solid electrolyte film containing solid electrolyte and all solid lithium secondary battery using the solid electrolyte - Google Patents

Solid electrolyte, solid electrolyte film containing solid electrolyte and all solid lithium secondary battery using the solid electrolyte Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte, a solid electrolyte film containing the solid electrolyte, and an all solid lithium secondary battery using the solid electrolyte. <P>SOLUTION: The solid electrolyte containing a first solid electrolyte and a spacer, includes a second solid electrolyte with a higher hardness than that of the first solid electrolyte and having ion conductivity as the spacer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質、当該固体電解質を含む固体電解質膜及び当該固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte, a solid electrolyte membrane containing the solid electrolyte, and an all-solid lithium secondary battery using the solid electrolyte.

二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池のことである。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。   The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. A battery that can be stored (charged). Among secondary batteries, lithium secondary batteries are widely used as power sources for notebook personal computers, mobile phones, and the like because of their high energy density.

リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では(1)式の反応が進行する。
Li → C + Li + e (1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、(1)式で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C 6 ) is used as the negative electrode active material, the reaction of the formula (1) proceeds at the negative electrode during discharge.
C 6 Li → C 6 + Li + + e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated in the formula (1) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.

また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)を用いた場合、放電時において、正極では(2)式の反応が進行する。
Li0.4CoO + 0.6Li + 0.6e → LiCoO (2)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(1)及び式(2)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(CLi)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)が再生するため、再放電が可能となる。
Further, when lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the formula (2) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 0.4 CoO 2 + 0.6 Li + + 0.6e → LiCoO 2 (2)
At the time of charging, the reverse reactions of the above formulas (1) and (2) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (C 6 Li) into which lithium has entered by graphite intercalation is present in the positive electrode. Since lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.

図4(a)は、従来の全固体リチウム二次電池の一部であって、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質24からなる固体電解質層21と、当該固体電解質層21を一対の正極及び負極で挟持した積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。通常、正極は、正極活物質25、及び、必要であれば固体電解質24を混合した正極活物質層22を、また負極は、負極活物質26、及び、必要であれば固体電解質24を混合した負極活物質層23を、それぞれ有している。
図4(b)は、上記積層体に対して、積層方向に略垂直に拘束圧を付与した後の断面模式図である。図4(b)の破線楕円中に示すように、従来技術の全固体リチウム二次電池においては、特に電解質層に硬度の低い固体電解質のみを用いた場合に、電解質層が破損し、対向する電極、即ち正極と負極が、拘束圧等により接触して短絡するおそれがあった。
FIG. 4A shows a part of a conventional all-solid lithium secondary battery, which includes a solid electrolyte layer 21 made of a solid electrolyte 24 having lithium ion conductivity, and the solid electrolyte layer 21 as a pair of a positive electrode and a negative electrode. It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about the laminated body pinched | interposed by. Usually, the positive electrode has a positive electrode active material 25 and a positive electrode active material layer 22 mixed with a solid electrolyte 24 if necessary, and the negative electrode has a negative electrode active material 26 and, if necessary, a solid electrolyte 24 mixed. Each has a negative electrode active material layer 23.
FIG. 4B is a schematic cross-sectional view after applying a restraining pressure substantially perpendicular to the stacking direction to the stacked body. As shown in the broken line ellipse in FIG. 4B, in the all-solid lithium secondary battery of the prior art, when only the solid electrolyte with low hardness is used for the electrolyte layer, the electrolyte layer is damaged and opposed. There was a possibility that the electrodes, that is, the positive electrode and the negative electrode might come into contact with each other due to restraint pressure and short circuit.

このような電解質層の破損を未然に防ぎ、短絡を防止するための技術は、これまでにも開発されている。特許文献1には、固体電解質及びスペーサを含む電解質層と、前記電解質層を対向して挟持する第1の層及び第2の層を具備する固体電解質シートの技術が開示されている。   Techniques for preventing such breakage of the electrolyte layer and preventing a short circuit have been developed so far. Patent Document 1 discloses a technique of a solid electrolyte sheet that includes an electrolyte layer including a solid electrolyte and a spacer, and a first layer and a second layer that sandwich the electrolyte layer facing each other.

特開2007−273436号公報JP 2007-273436 A

特許文献1に開示された固体電解質シートに関する技術は、スペーサを電解質層に追加することによるイオン伝導性の低下については、全く考察がされていない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、固体電解質、当該固体電解質を含む固体電解質膜及び当該固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池を提供することを目的とする。
In the technique relating to the solid electrolyte sheet disclosed in Patent Document 1, no consideration is given to the decrease in ion conductivity caused by adding a spacer to the electrolyte layer.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a solid electrolyte, a solid electrolyte membrane containing the solid electrolyte, and an all-solid lithium secondary battery using the solid electrolyte.

本発明の固体電解質は、第1の固体電解質及びスペーサを含む固体電解質であって、前記スペーサとして、硬度が前記第1の固体電解質の硬度よりも高く、且つ、イオン伝導性を有する第2の固体電解質を有することを特徴とする。   The solid electrolyte of the present invention is a solid electrolyte including a first solid electrolyte and a spacer, and the spacer has a hardness higher than that of the first solid electrolyte and has an ionic conductivity. It has a solid electrolyte.

このような構成の固体電解質は、前記第1の固体電解質の硬度よりも高い硬度を有する前記第2の固体電解質をスペーサとして有することにより、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、電池外部から付与された拘束圧によって当該固体電解質層が破損することなく、当該固体電解質層の膜厚を保持することができる。また、このような構成の固体電解質は、前記第2の固体電解質がイオン伝導性を有することにより、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、イオン伝導性を有しない従来のスペーサを有する固体電解質層を採用した場合と比較して、高いイオン伝導性を維持することができる。   The solid electrolyte having such a configuration is used in a solid electrolyte layer in an all-solid lithium secondary battery by having the second solid electrolyte having a hardness higher than that of the first solid electrolyte as a spacer. In this case, the thickness of the solid electrolyte layer can be maintained without damaging the solid electrolyte layer due to the restraining pressure applied from the outside of the battery. In addition, the solid electrolyte having such a configuration has ion conductivity when used in the solid electrolyte layer in the all-solid lithium secondary battery because the second solid electrolyte has ion conductivity. Compared with the case where a solid electrolyte layer having a conventional spacer that is not used is employed, high ion conductivity can be maintained.

本発明の固体電解質は、前記第1の固体電解質が硫化物系固体電解質であり、且つ、前記第2の固体電解質が酸化物系固体電解質であることが好ましい。   In the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the first solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte, and the second solid electrolyte is an oxide-based solid electrolyte.

このような構成の固体電解質は、前記第1の固体電解質として硫化物系固体電解質を採用することにより、高いリチウムイオン伝導性を発揮することができる。また、このような構成の固体電解質は、前記第2の固体電解質として、硫化物系固体電解質よりも高い硬度を有する酸化物系固体電解質を採用することにより、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、電解質層の破損を未然に防ぐことができる。   The solid electrolyte having such a configuration can exhibit high lithium ion conductivity by employing a sulfide-based solid electrolyte as the first solid electrolyte. The solid electrolyte having such a configuration employs an oxide solid electrolyte having a hardness higher than that of the sulfide solid electrolyte as the second solid electrolyte, so that the solid electrolyte in the all-solid lithium secondary battery can be obtained. When used in the electrolyte layer, breakage of the electrolyte layer can be prevented in advance.

本発明の固体電解質は、前記第1の固体電解質と前記第2の固体電解質との合計の含有量を100体積%とした時の、前記第1の固体電解質の含有割合が40〜99体積%であることが好ましい。   In the solid electrolyte of the present invention, when the total content of the first solid electrolyte and the second solid electrolyte is 100% by volume, the content ratio of the first solid electrolyte is 40 to 99% by volume. It is preferable that

このような構成の固体電解質は、前記第1の固体電解質と前記第2の固体電解質とを適切な含有割合で含むために、高いイオン伝導性と、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際の当該固体電解質層の破損防止の効果を、効率よく両立することができる。   Since the solid electrolyte having such a configuration includes the first solid electrolyte and the second solid electrolyte in an appropriate content ratio, the solid electrolyte layer in the all-solid lithium secondary battery has high ion conductivity. The effect of preventing breakage of the solid electrolyte layer when used inside can be efficiently achieved.

本発明の固体電解質膜は、上記固体電解質を含むことを特徴とする。   The solid electrolyte membrane of the present invention is characterized by containing the solid electrolyte.

本発明の全固体リチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極及び当該負極との間に介在する固体電解質層とを有する全固体リチウム二次電池であって、前記固体電解質層が、上記固体電解質を含むことを特徴とする。   An all solid lithium secondary battery of the present invention is an all solid lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the solid electrolyte layer is The solid electrolyte is included.

このような構成の全固体リチウム二次電池は、上記固体電解質を前記固体電解質層中に含むことにより、優れた発電性能と、前記固体電解質層の破損防止の効果を、同時に発揮することができる。   By including the solid electrolyte in the solid electrolyte layer, the all solid lithium secondary battery having such a configuration can simultaneously exhibit excellent power generation performance and the effect of preventing damage to the solid electrolyte layer. .

本発明によれば、前記第1の固体電解質の硬度よりも高い硬度を有する前記第2の固体電解質をスペーサとして有することにより、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、電池外部から付与された拘束圧によって当該電解質層が破損することなく、当該電解質層の膜厚を保持することができる。また、本発明によれば、前記第2の固体電解質がイオン伝導性を有することにより、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、イオン伝導性を有しない従来のスペーサを有する固体電解質層を採用した場合と比較して、高いイオン伝導性を維持することができる。   According to the present invention, when the second solid electrolyte having a hardness higher than that of the first solid electrolyte is used as a spacer, the second solid electrolyte is used in the solid electrolyte layer in the all-solid lithium secondary battery. In addition, the thickness of the electrolyte layer can be maintained without damaging the electrolyte layer due to the restraining pressure applied from the outside of the battery. In addition, according to the present invention, the second solid electrolyte has ionic conductivity, so that when the second solid electrolyte is used in a solid electrolyte layer in an all-solid lithium secondary battery, it does not have ionic conductivity. Compared to the case where a solid electrolyte layer having a spacer is employed, high ion conductivity can be maintained.

本発明に係る全固体リチウム二次電池の一部である積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about the laminated body which is a part of all the solid lithium secondary battery which concerns on this invention. 縦軸にリチウム伝導度を、横軸に硫化物系固体電解質と酸化物系固体電解質との合計の含有量を100体積%とした時の、硫化物系固体電解質の体積比をとったグラフである。A graph in which the vertical axis represents lithium conductivity, and the horizontal axis represents the volume ratio of the sulfide-based solid electrolyte when the total content of the sulfide-based solid electrolyte and the oxide-based solid electrolyte is 100% by volume. is there. 実施例において用いた、固体電解質のペレットを成形するための拘束冶具の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the restraining jig for shape | molding the pellet of a solid electrolyte used in the Example. 従来の全固体リチウム二次電池の一部である積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about the laminated body which is a part of the conventional all-solid-state lithium secondary battery.

1.固体電解質
本発明の固体電解質は、第1の固体電解質及びスペーサを含む固体電解質であって、前記スペーサとして、硬度が前記第1の固体電解質の硬度よりも高く、且つ、イオン伝導性を有する第2の固体電解質を有することを特徴とする。
1. Solid electrolyte The solid electrolyte of the present invention is a solid electrolyte including a first solid electrolyte and a spacer, and the spacer has a hardness higher than that of the first solid electrolyte and has ion conductivity. It has 2 solid electrolytes, It is characterized by the above-mentioned.

本発明でいう「硬度」とは、機械的強度のことを指す。したがって、いわゆるモース硬度やビッカース硬度等の、一般的に硬度(いわゆるひっかき強度)として知られるもののみではなく、破壊強度(破壊エネルギー)やせん断応力、降伏応力等も、本発明でいう「硬度」に含まれる。
本発明でいう「スペーサ」とは、後述するように、本発明に係る固体電解質が全固体リチウム二次電池中の固体電解質層に使用された場合に、当該電池中の正極及び負極に挟持されて固体電解質層が潰れないように、正極及び負極の間隔を保ち、固体電解質層の厚みを保持する役割を有するものを指す。
“Hardness” in the present invention refers to mechanical strength. Therefore, not only what is generally known as hardness (so-called scratch strength), such as so-called Mohs hardness and Vickers hardness, but also fracture strength (fracture energy), shear stress, yield stress, etc. are referred to as “hardness” in the present invention. include.
As described later, the “spacer” in the present invention is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode in the battery when the solid electrolyte according to the present invention is used for the solid electrolyte layer in the all-solid lithium secondary battery. In order to prevent the solid electrolyte layer from being crushed, the distance between the positive electrode and the negative electrode is maintained and the thickness of the solid electrolyte layer is maintained.

上述したように、従来技術の全固体リチウム二次電池においては、電解質層に硫化物系固体電解質等の硬度の低い固体電解質のみを用いた場合に、電解質層が破損し、対向する電極、即ち正極と負極が、拘束圧等により接触して短絡するおそれがあった。
発明者らは、鋭意努力の結果、第1の固体電解質の硬度よりも高い硬度を有する第2の固体電解質をスペーサとして利用し、第1の固体電解質と第2の固体電解質を混合した固体電解質を全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いることにより、電池外部から付与された拘束圧によって当該固体電解質層が破損することなく、当該固体電解質層の膜厚を保持することができることを見出した。また、発明者らは、第1の固体電解質と第2の固体電解質がいずれもイオン伝導性を有していることにより、これら2種類の固体電解質を混合した固体電解質が全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、イオン伝導性を有しない従来のガラススペーサやプラスチックスペーサを有する固体電解質層を採用した場合と比較して、高いイオン伝導性を維持することができることを見出した。
As described above, in the all-solid lithium secondary battery of the prior art, when only a solid electrolyte having a low hardness such as a sulfide-based solid electrolyte is used for the electrolyte layer, the electrolyte layer is damaged, that is, the opposite electrode, There is a possibility that the positive electrode and the negative electrode are brought into contact with each other by a restraining pressure and short-circuited.
As a result of diligent efforts, the inventors have used, as a spacer, a second solid electrolyte having a hardness higher than that of the first solid electrolyte, and a solid electrolyte in which the first solid electrolyte and the second solid electrolyte are mixed. Can be used in the solid electrolyte layer in the all-solid-state lithium secondary battery, so that the thickness of the solid electrolyte layer can be maintained without damaging the solid electrolyte layer due to the restraining pressure applied from the outside of the battery. I found. The inventors have also found that the first solid electrolyte and the second solid electrolyte both have ionic conductivity, so that the solid electrolyte obtained by mixing these two kinds of solid electrolytes is an all-solid lithium secondary battery. When used in a solid electrolyte layer, it can maintain high ionic conductivity compared to the case of adopting a solid electrolyte layer having a conventional glass spacer or plastic spacer that does not have ionic conductivity. I found.

本発明で使用されるスペーサは、第1の固体電解質よりも高い硬度を有し、且つ、イオン伝導性を有する固体電解質であれば特に限定されない。スペーサと第1の固体電解質との硬度の差も特に限定されないが、当該硬度を上述した機械的強度のいずれかの単位で表現した際に、1オーダー以上の差があることが好ましい。具体的には、第1の固体電解質の破壊強度が10MPa未満のオーダーである一方、スペーサの破壊強度が100MPa以上のオーダーであるという場合が例示できる。
具体的には、電解質層の膜厚を十分に保持できるという観点から、本発明で使用されるスペーサとして、第2の固体電解質の破壊強度が100MPa以上であることが特に好ましい。なお、この場合、破壊強度測定試験としては、微小圧縮試験機での評価にて、測定粒子径5μmの粒子に対する破壊強度を測定する試験法を採用する。
破壊強度測定試験の具体例は、以下の通りである。まず、微小圧縮試験機ステージ上に粉末試料を用意する。次に、粒子サイズ測定により、粒子径が略5μmの粒子を選ぶ。続いて、選んだ当該粒子上にダイヤモンド圧盤を降下させ、破壊に至るまで粒子を圧縮する。粒子が破壊されたときの試験力を、その粒子の破壊強度とし、数個の粒子、通常は5個程度の粒子の破壊強度について平均をとったものを、その粉末試料の破壊強度とする。
The spacer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte having higher hardness than the first solid electrolyte and having ion conductivity. The difference in hardness between the spacer and the first solid electrolyte is not particularly limited, but it is preferable that there is a difference of one order or more when the hardness is expressed in any unit of the mechanical strength described above. Specifically, the case where the fracture strength of the first solid electrolyte is on the order of less than 10 MPa while the fracture strength of the spacer is on the order of 100 MPa or more can be exemplified.
Specifically, from the viewpoint that the thickness of the electrolyte layer can be sufficiently maintained, it is particularly preferable that the fracture strength of the second solid electrolyte is 100 MPa or more as the spacer used in the present invention. In this case, as the breaking strength measurement test, a test method for measuring the breaking strength with respect to particles having a measured particle diameter of 5 μm is adopted by evaluation with a micro compression tester.
Specific examples of the fracture strength measurement test are as follows. First, a powder sample is prepared on a micro compression tester stage. Next, particles having a particle diameter of approximately 5 μm are selected by measuring the particle size. Subsequently, the diamond platen is lowered over the selected particles and the particles are compressed until failure. The test force when the particles are broken is the breaking strength of the particles, and the average of the breaking strength of several particles, usually about five, is the breaking strength of the powder sample.

高いイオン伝導性と、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際の当該固体電解質層の破損防止の効果を、効率よく両立することができるという観点から、第1の固体電解質と第2の固体電解質との合計の含有量を100体積%とした時の、第1の固体電解質の含有割合が40〜99体積%であることが好ましい。仮に第1の固体電解質の含有割合が40体積%未満である場合には、十分なイオン伝導能を発揮することができない。また、仮に第1の固体電解質の含有割合が99体積%を超える値である場合には、第2の固体電解質の含有割合が少なすぎるため、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いた際に、電池外部から付与された拘束圧によって当該固体電解質層が破損するおそれがある。
なお、第1の固体電解質の当該含有割合は50〜99体積%であることが特に好ましく、60〜99体積%であることが最も好ましい。
From the viewpoint that both the high ion conductivity and the effect of preventing the damage of the solid electrolyte layer when used in the solid electrolyte layer in the all solid lithium secondary battery can be efficiently achieved, the first solid When the total content of the electrolyte and the second solid electrolyte is 100% by volume, the content ratio of the first solid electrolyte is preferably 40 to 99% by volume. If the content ratio of the first solid electrolyte is less than 40% by volume, sufficient ion conductivity cannot be exhibited. In addition, if the content ratio of the first solid electrolyte is a value exceeding 99% by volume, the content ratio of the second solid electrolyte is too small, so that the solid electrolyte layer in the all-solid lithium secondary battery contains When used, the solid electrolyte layer may be damaged by the restraining pressure applied from the outside of the battery.
In addition, it is especially preferable that the said content rate of a 1st solid electrolyte is 50-99 volume%, and it is most preferable that it is 60-99 volume%.

第1の固体電解質と、スペーサとなる第2の固体電解質は、いずれも粉体状であることが好ましい。この場合、第1の固体電解質の平均粒径は0.01〜500μm、第2の固体電解質の平均粒径は0.1〜500μmであることが好ましい。なお、これら固体電解質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される一定量の固体電解質の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   It is preferable that the first solid electrolyte and the second solid electrolyte to be the spacer are both in the form of powder. In this case, the average particle diameter of the first solid electrolyte is preferably 0.01 to 500 μm, and the average particle diameter of the second solid electrolyte is preferably 0.1 to 500 μm. In addition, the average particle diameter of these solid electrolytes can be calculated | required by measuring and averaging the particle diameter of a fixed quantity of solid electrolyte observed, for example with a scanning electron microscope (SEM).

第1の固体電解質が硫化物系固体電解質であり、且つ、第2の固体電解質が酸化物系固体電解質であることが好ましい。このように固体電解質を使い分けることによって、(1)第1の固体電解質として採用した硫化物系固体電解質により、高いリチウムイオン伝導性を発揮することができ、(2)第2の固体電解質として採用した、硫化物系固体電解質よりも一般的に高い硬度を有する酸化物系固体電解質により、全固体リチウム二次電池内の固体電解質層中に用いられた際に、電解質層の破損を効果的に防ぐことができるという、2つの効果を同時に達成することができる。   It is preferable that the first solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte, and the second solid electrolyte is an oxide-based solid electrolyte. By using different solid electrolytes in this way, (1) the sulfide-based solid electrolyte employed as the first solid electrolyte can exhibit high lithium ion conductivity, and (2) employed as the second solid electrolyte. The oxide-based solid electrolyte, which is generally harder than the sulfide-based solid electrolyte, effectively damages the electrolyte layer when used in the solid electrolyte layer in an all-solid lithium secondary battery. Two effects of being able to be prevented can be achieved simultaneously.

本発明に係る固体電解質に用いることのできる硫化物系固体電解質は、通常全固体リチウム二次電池に用いることができる硫化物系固体電解質であれば、特に限定されない。具体的には、LiS−P、LiS−P、LiS−P−P、LiS−SiS、LiI−LiS−P、LiI−LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、LiPS−LiGeS、Li3.40.6Si0.4、Li3.250.25Ge0.76、Li4−xGe1−x、Li11等を例示することができる。 The sulfide-based solid electrolyte that can be used for the solid electrolyte according to the present invention is not particularly limited as long as it is a sulfide-based solid electrolyte that can be generally used for an all-solid lithium secondary battery. Specifically, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-P 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 3 -P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S- P 2 S 5, LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4, Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4, Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4, Li 4-x Ge 1-x P x S 4, Li 7 P 3 can be exemplified S 11 or the like.

本発明に係る固体電解質に用いることのできる酸化物系固体電解質は、上述した硫化物系固体電解質よりも高い硬度を有するものであれば特に限定されない。化学的に安定であり、したがって硫化物系固体電解質と反応しにくいという観点から、酸化物系固体電解質としては、遷移金属種として第4族元素(Ti、Zr、Hf等)を含むものを用いることが好ましい。
なお、この場合の「化学的に安定」な酸化物系固体電解質としては、例えば、広い電位窓を有する酸化物系固体電解質が例示できる。
The oxide-based solid electrolyte that can be used for the solid electrolyte according to the present invention is not particularly limited as long as it has a higher hardness than the above-described sulfide-based solid electrolyte. From the viewpoint of being chemically stable and thus difficult to react with the sulfide-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte containing a group 4 element (Ti, Zr, Hf, etc.) as a transition metal species is used. It is preferable.
In this case, examples of the “chemically stable” oxide-based solid electrolyte include an oxide-based solid electrolyte having a wide potential window.

上記条件を踏まえて、本発明に係る固体電解質に用いることのできる酸化物系固体電解質としては、具体的には、ガーネット型酸化物系固体電解質が例示できる。
ガーネット型酸化物系固体電解質としては、例えば、Li3+x2−v12で表される酸化物系固体電解質(以下、化合物(I)と称する場合がある)を挙げることができる。ここで、A、G、MおよびBは金属カチオンである。xは、0≦x≦5を満たすことが好ましく、4≦x≦5を満たすことがより好ましい。yは、0≦y≦3を満たすことが好ましく、0≦y≦2を満たすことがより好ましい。zは、0≦z≦3を満たすことが好ましく、1≦z≦3を満たすことがより好ましい。vは、0≦v≦2を満たすことが好ましく、0≦v≦1を満たすことがより好ましい。なお、Oは部分的に、または、完全に二価アニオンおよび/または三価のアニオン、例えばN3−と交換されていても良い。
化合物(I)において、Aは、Ca、Sr、BaおよびMg等のアルカリ土類金属カチオン、または、Zn等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Gは、La、Y、Pr、Nd、Sm、Lu、Eu等の遷移金属カチオンであることが好ましい。また、Mは、Zr、Nb、Ta、Bi、Te、Sb等の遷移金属カチオンを挙げることができる。また、Bは、例えばInであることが好ましい。また、本発明においては、MがZrであることが好ましい。特に、本発明においては、バルクとしてのLiイオン伝導性に優れているという観点から、LiLaZr12を酸化物系固体電解質として用いることが好ましい。
酸化物系固体電解質としては、ガーネット型酸化物系固体電解質の他にも、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO、La0.51Li0.34TiO0.74、LiPO、LiSiO、LiSiO、Li0.5La0.5TiO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等を例示することができる。
Based on the above conditions, a specific example of the oxide-based solid electrolyte that can be used in the solid electrolyte according to the present invention is a garnet-type oxide-based solid electrolyte.
Examples of the garnet-type oxide-based solid electrolyte include an oxide-based solid electrolyte represented by Li 3 + x A y G z M 2 -v B v O 12 (hereinafter sometimes referred to as compound (I)). be able to. Here, A, G, M and B are metal cations. x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 5, and more preferably satisfies 4 ≦ x ≦ 5. y preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 3, and more preferably satisfies 0 ≦ y ≦ 2. z preferably satisfies 0 ≦ z ≦ 3, and more preferably satisfies 1 ≦ z ≦ 3. v preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 2, and more preferably satisfies 0 ≦ v ≦ 1. O may be partially or completely exchanged with a divalent anion and / or a trivalent anion, for example, N 3− .
In compound (I), A is preferably an alkaline earth metal cation such as Ca, Sr, Ba and Mg, or a transition metal cation such as Zn. G is preferably a transition metal cation such as La, Y, Pr, Nd, Sm, Lu, or Eu. Moreover, M can mention transition metal cations, such as Zr, Nb, Ta, Bi, Te, Sb. B is preferably In, for example. In the present invention, M is preferably Zr. In particular, in the present invention, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is preferably used as the oxide solid electrolyte from the viewpoint of excellent Li ion conductivity as a bulk.
As the oxide-based solid electrolyte, in addition to the garnet-type oxide-based solid electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0 .51 Li 0.34 TiO 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 ( PO 4 ) 3 and the like can be exemplified.

本発明に係る固体電解質のリチウムイオン伝導度は、1.0×10−7S/cm以上であるのが好ましく、1.0×10−6S/cm以上であるのが特に好ましい。なお、これらのイオン伝導度は、冶具等によってペレット状に成形された固体電解質の、インピーダンス測定(測定条件:電圧振幅30mV、測定周波数0.1MHz〜1MHz、測定温度25℃、拘束圧6N)により測定される値とする。 The lithium ion conductivity of the solid electrolyte according to the present invention is preferably 1.0 × 10 −7 S / cm or more, and particularly preferably 1.0 × 10 −6 S / cm or more. These ionic conductivities are determined by impedance measurement (measurement conditions: voltage amplitude of 30 mV, measurement frequency of 0.1 MHz to 1 MHz, measurement temperature of 25 ° C., constraint pressure of 6 N) of the solid electrolyte formed into a pellet shape with a jig or the like. The value to be measured.

2.固体電解質膜
本発明の固体電解質膜は、上記固体電解質を含むことを特徴とする。
本発明の固体電解質膜は、上記固体電解質のみからなることが好ましいが、他の成分、例えば、リチウムイオン伝導性を有する他の固体電解質や、膜成形のためのバインダー等が含まれていてもよい。
本発明の固体電解質膜は、上記固体電解質等の原料を、常法を用いて成形することにより得られる。
2. Solid electrolyte membrane The solid electrolyte membrane of the present invention is characterized by containing the solid electrolyte.
The solid electrolyte membrane of the present invention is preferably composed only of the solid electrolyte, but may contain other components, for example, other solid electrolytes having lithium ion conductivity, binders for membrane formation, and the like. Good.
The solid electrolyte membrane of the present invention can be obtained by molding a raw material such as the above solid electrolyte using a conventional method.

3.全固体リチウム二次電池
本発明の全固体リチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極及び当該負極との間に介在する固体電解質層とを有する全固体リチウム二次電池であって、前記固体電解質層が、本発明に係る固体電解質を含むことを特徴とする。
3. All solid lithium secondary battery The all solid lithium secondary battery of the present invention is an all solid lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer includes the solid electrolyte according to the present invention.

本発明でいう「全固体リチウム二次電池」とは、各要素がすべて固体であるリチウム二次電池のことを指す。したがって、例えば、電解質として液体電解質を用いたリチウム二次電池は、本発明には含まれない。
図1(a)は、本発明に係る全固体リチウム二次電池の一部であって、固体電解質層11と、当該固体電解質層11を一対の正極及び負極で挟持した積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。固体電解質14は、少なくとも第1の固体電解質14aと第2の固体電解質14bを含んでいる。通常は正極として、正極活物質15、及び、必要であれば固体電解質14を混合した正極活物質層12を、また、負極として、負極活物質16、及び、必要であれば固体電解質14を混合した負極活物質層13を、それぞれ有している。
図1(b)は、上記積層体に対して、積層方向に略垂直に拘束圧を付与した後の断面模式図である。図1(b)に示すように、本発明に係る全固体リチウム二次電池においては、第2の固体電解質14bが十分な硬度を有しているため、拘束圧により固体電解質層が破損するおそれはない。また、固体電解質14中の第1の固体電解質14aと第2の固体電解質14bがいずれもリチウムイオン伝導性を有しているため、電池全体として高い発電性能を有している。
以下、本発明の全固体リチウム二次電池の構成要素である、正極及び負極、固体電解質層、並びにその他の構成要素(セパレータ等)について、項を分けて説明する。
The “all-solid lithium secondary battery” in the present invention refers to a lithium secondary battery in which each element is all solid. Therefore, for example, a lithium secondary battery using a liquid electrolyte as an electrolyte is not included in the present invention.
FIG. 1A shows a part of an all-solid lithium secondary battery according to the present invention, in which a solid electrolyte layer 11 and a laminate in which the solid electrolyte layer 11 is sandwiched between a pair of positive electrode and negative electrode are stacked in the stacking direction. It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected by. The solid electrolyte 14 includes at least a first solid electrolyte 14a and a second solid electrolyte 14b. Usually, a positive electrode active material 15 and a positive electrode active material layer 12 mixed with a solid electrolyte 14 if necessary are mixed as a positive electrode, and a negative electrode active material 16 and a solid electrolyte 14 as necessary are mixed as a negative electrode. Each negative electrode active material layer 13 is provided.
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view after applying a restraining pressure substantially perpendicular to the stacking direction to the stacked body. As shown in FIG. 1 (b), in the all solid lithium secondary battery according to the present invention, the second solid electrolyte 14b has sufficient hardness, so that the solid electrolyte layer is damaged by the restraining pressure. It is not. In addition, since the first solid electrolyte 14a and the second solid electrolyte 14b in the solid electrolyte 14 both have lithium ion conductivity, the battery as a whole has high power generation performance.
Hereinafter, the positive and negative electrodes, the solid electrolyte layer, and other components (separator and the like), which are components of the all solid lithium secondary battery of the present invention, will be described separately.

3−1.正極及び負極
本発明の全固体リチウム二次電池に用いられる正極の構成は特に限定されないが、具体例としては、正極集電体、及び、少なくとも正極活物質を含有する正極活物質層を有する構成を挙げることができる。本発明の全固体リチウム二次電池に用いられる負極の構成は特に限定されないが、具体例としては、負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する構成を挙げることができる。
3-1. Positive electrode and negative electrode Although the structure of the positive electrode used for the all solid lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, as a specific example, a structure having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material Can be mentioned. The configuration of the negative electrode used in the all solid lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and specific examples include a configuration having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material. Can do.

本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、LiFe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。これらの中でも、本発明においては、LiCoOを正極活物質として用いることが好ましい。 Specific examples of the positive electrode active material used in the present invention include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4. , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. Among these, in the present invention, LiCoO 2 is preferably used as the positive electrode active material.

本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とする全固体リチウム二次電池等の用途等により異なるものであるが、10μm〜250μmの範囲内であるのが好ましく、20μm〜200μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に30μm〜150μmの範囲内であることが最も好ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the all-solid lithium secondary battery or the like, but is preferably in the range of 10 μm to 250 μm, preferably 20 μm to 200 μm. It is particularly preferably within the range, and most preferably within the range of 30 μm to 150 μm.

正極活物質の平均粒径としては、例えば1μm〜50μmの範囲内、中でも1μm〜20μmの範囲内、特に3μm〜5μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   The average particle diameter of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 μm to 50 μm, more preferably in the range of 1 μm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 μm to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Because. The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by measuring and averaging the particle diameter of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).

正極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material included in the positive electrode active material layer used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. For example, carbon black such as acetylene black and ketjen black Etc. Moreover, although content of the electrically conductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1 mass%-10 mass% normally.

本発明において用いられる正極活物質層が有する結着材としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層における結着材の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。   Examples of the binder included in the positive electrode active material layer used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content of the binder is usually in the range of 1% by mass to 10% by mass.

本発明において用いられる正極集電体は、上記の正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウムおよびSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。   The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Among these, aluminum and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.

本発明に用いられる正極が有する正極用電解質としては、固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、具体的には、本発明に係る上述した硫化物系固体電解質等を用いることができる。
正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。
As the positive electrode electrolyte included in the positive electrode used in the present invention, a solid electrolyte is preferably used. As the solid electrolyte, specifically, the above-described sulfide-based solid electrolyte according to the present invention can be used.
After forming the positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer may be pressed in order to improve the electrode density.

負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。   The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can occlude / release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, Examples thereof include metal nitrides and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.

負極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
負極活物質層中に用いることができる結着材および上記導電化材は、上述したものを用いることができる。また、結着材および導電化材の使用量は、全固体リチウム二次電池の用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10μm〜100μmの範囲内、中でも10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
本発明に用いられる負極が有する負極用電解質としては、固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、具体的には、上述した硫化物系固体電解質等を用いることができる。
The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
What was mentioned above can be used for the binder and the said electrically conductive material which can be used in a negative electrode active material layer. Moreover, it is preferable to select suitably the usage-amount of a binder and a electrically conductive material according to the use etc. of an all-solid-state lithium secondary battery. Further, the film thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 10 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 50 μm.
As the negative electrode electrolyte included in the negative electrode used in the present invention, it is preferable to use a solid electrolyte. As the solid electrolyte, specifically, the sulfide-based solid electrolyte described above can be used.

負極集電体の材料及び形状としては、上述した正極集電体の材料及び形状と同様のものを採用することができる。
本発明に用いられる負極の製造方法としては、上述したような正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。
As the material and shape of the negative electrode current collector, the same materials and shapes as those of the positive electrode current collector described above can be employed.
As a manufacturing method of the negative electrode used in the present invention, a method similar to the manufacturing method of the positive electrode as described above can be adopted.

3−2.固体電解質層
固体電解質層は、少なくとも上述した本発明に係る固体電解質を有する。
固体電解質層の厚みは、2〜500μmであることが好ましく、さらに、2〜200μm、特に、2〜50μmであることが好ましい。2μm未満では、電池を形成した際に電極間の短絡を生じるおそれがあり、一方、500μmを越えると、抵抗が大きくなり、電池の性能が低下するおそれがある。
上述した第2の固体電解質が、全固体リチウム二次電池中の正極及び負極の間隔を保ち、固体電解質層の厚みを保持する役割を果たすスペーサとなるという観点から、第2の固体電解質の平均粒径、及び、第2の固体電解質の固体電解質全体に対する含有割合が、電池全体にかかる拘束圧及び固体電解質層の厚みと何らかの相関を持つものと考えられる。すなわち、電池全体にかかる拘束圧が一定であれば、第2の固体電解質の平均粒径が大きい程、或いは、第2の固体電解質の含有割合が高い程、固体電解質層の厚みは厚くなると予想できる。したがって、少なくとも第2の固体電解質の含有割合及び平均粒径、並びに、電池全体にかかる拘束圧を調整することにより、所望の固体電解質層の厚みを得ることができる。
3-2. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer has at least the solid electrolyte according to the present invention described above.
The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 2 to 500 μm, more preferably 2 to 200 μm, and particularly preferably 2 to 50 μm. If the thickness is less than 2 μm, a short circuit between the electrodes may occur when the battery is formed. On the other hand, if the thickness exceeds 500 μm, the resistance may increase and the performance of the battery may be deteriorated.
From the viewpoint that the above-described second solid electrolyte serves as a spacer that maintains the distance between the positive electrode and the negative electrode in the all-solid lithium secondary battery and maintains the thickness of the solid electrolyte layer, the average of the second solid electrolyte It is considered that the particle size and the content ratio of the second solid electrolyte to the entire solid electrolyte have some correlation with the binding pressure applied to the entire battery and the thickness of the solid electrolyte layer. That is, if the restraint pressure applied to the entire battery is constant, the solid electrolyte layer is expected to be thicker as the average particle size of the second solid electrolyte is larger or the content ratio of the second solid electrolyte is higher. it can. Therefore, the thickness of the desired solid electrolyte layer can be obtained by adjusting at least the content ratio and average particle diameter of the second solid electrolyte, and the binding pressure applied to the entire battery.

3−3.その他の構成要素
その他の構成要素として、セパレータを本発明の全固体リチウム二次電池に用いることができる。セパレータは、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、固体電解質を保持する機能を有する。さらに、上記セパレータは、上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロースおよびポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ、PP/PE/PPの3層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、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に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
また、その他の構成要素として、本発明の全固体リチウム二次電池を収納する電池ケースを用いることもできる。電池ケースの形状としては、上述した正極、負極、固体電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。
3-3. Other component As another component, a separator can be used for the all-solid-state lithium secondary battery of this invention. The separator is disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector described above, and usually has a function of preventing the contact between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and holding the solid electrolyte. Have. Furthermore, as for the separator, examples of the material of the separator include resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide. Among these, polyethylene and polypropylene are preferable. The separator may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the separator having a multilayer structure include a separator having a two-layer structure of PE / PP and a separator having a three-layer structure of PP / PE / PP. Furthermore, in the present invention, the separator may be a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric. Moreover, the film thickness of the said separator is not specifically limited, It is the same as that of the separator used for a general all solid lithium secondary battery.
Moreover, the battery case which accommodates the all-solid-state lithium secondary battery of this invention can also be used as another component. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the above-described positive electrode, negative electrode, solid electrolyte, and the like. Specifically, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a laminate shape, etc. Can be mentioned.

本発明に係る全固体リチウム二次電池は、一般的なリチウム二次電池を製造する方法と同様の方法により製造することができる。具体的には、不活性雰囲気下において、まず正極、負極およびセパレータを電池ケースに収納し、次にその電池ケースに固体電解質を添加し、最後に電池ケースを密封する方法等を挙げることができる。   The all solid lithium secondary battery according to the present invention can be manufactured by a method similar to the method of manufacturing a general lithium secondary battery. Specifically, in an inert atmosphere, a method of first storing a positive electrode, a negative electrode, and a separator in a battery case, then adding a solid electrolyte to the battery case, and finally sealing the battery case can be exemplified. .

1.固体電解質の製造
[実施例1]
まず、酸化物系固体電解質の合成を行った。具体的には、Ramaswamy Murugan et al.,“Fast Lithium Ion Conduction in Garnet−Tyape LiLaZr12”,Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,7778−7781に記載された方法と同様の方法により、LiLaZr12(LLZO、ガーネット型化合物)を得た。なお、LiLaZr12は、微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製)での評価にて、測定粒子径5μmの粒子に対する破壊強度が100MPa以上であることを確認したものを用いた。
次に、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意した。
続いて、LiLaZr12および75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が40体積%となるように混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物を、図3に示すような拘束冶具内部(図3中の10の位置)に配置し、3tonの圧力条件でプレスすることで、ペレット状の固体電解質を得た。
1. Production of solid electrolyte [Example 1]
First, an oxide-based solid electrolyte was synthesized. Specifically, see Ramsaway Murgan et al. , “Fast Lithium Ion Conduction in Garnet-Type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ”, Angew. Chem. Int. Ed. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO, garnet-type compound) was obtained by a method similar to the method described in 2007, 46, 7778-7781. In addition, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 uses a material that has been confirmed to have a breaking strength of 100 MPa or more with respect to particles having a measured particle diameter of 5 μm by evaluation with a micro compression tester (manufactured by Shimadzu Corporation). It was.
Next, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was prepared as a sulfide-based solid electrolyte.
Subsequently, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 40% by volume to obtain a raw material composition. . Next, the obtained raw material composition is placed inside a restraining jig as shown in FIG. 3 (position 10 in FIG. 3) and pressed under a pressure condition of 3 tons to obtain a pellet-shaped solid electrolyte. It was.

[実施例2]
酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは実施例1と同様である。
次に、LiLaZr12および75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が31体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Example 2]
The process is the same as that of Example 1 until Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Next, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 31% by volume to obtain a raw material composition. . The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[実施例3]
酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは実施例1と同様である。
次に、LiLaZr12および75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が26体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Example 3]
The process is the same as that of Example 1 until Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Next, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 26% by volume to obtain a raw material composition. . The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[実施例4]
酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは実施例1と同様である。
次に、LiLaZr12および75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が22体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Example 4]
The process is the same as that of Example 1 until Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Next, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 22% by volume to obtain a raw material composition. . The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[実施例5]
酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは実施例1と同様である。
次に、LiLaZr12および75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が12体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Example 5]
The process is the same as that of Example 1 until Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Next, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 12% by volume to obtain a raw material composition. . The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例1]
まず、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意した。次に、75LiS・25Pを、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Comparative Example 1]
First, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was prepared as a sulfide-based solid electrolyte. Next, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例2]
まず、酸化物系固体電解質として、Al(アルミナ)を用意した。次に、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意した。
次に、Alおよび75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が40体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Comparative Example 2]
First, Al 2 O 3 (alumina) was prepared as an oxide-based solid electrolyte. Next, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was prepared as a sulfide-based solid electrolyte.
Then, Al 2 O 3 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5, and mixed as the content of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 of 40 vol%, to obtain a raw material composition. The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例3]
酸化物系固体電解質としてAl(アルミナ)を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは比較例2と同様である。
次に、Alおよび75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が30体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Comparative Example 3]
It is the same as Comparative Example 2 until Al 2 O 3 (alumina) is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Next, Al 2 O 3 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed so that the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was 30% by volume to obtain a raw material composition. The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例4]
酸化物系固体電解質としてAl(アルミナ)を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは比較例2と同様である。
次に、Alおよび75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が20体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Comparative Example 4]
It is the same as Comparative Example 2 until Al 2 O 3 (alumina) is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Then, Al 2 O 3 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5, and mixed as the content of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is 20 vol%, to obtain a raw material composition. The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例5]
酸化物系固体電解質としてAl(アルミナ)を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを用意するまでは比較例2と同様である。
次に、Alおよび75LiS・25Pを、75LiS・25Pの含有割合が15体積%となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の固体電解質を得た。
[Comparative Example 5]
It is the same as Comparative Example 2 until Al 2 O 3 (alumina) is prepared as the oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 is prepared as the sulfide-based solid electrolyte.
Then, Al 2 O 3 and 75Li 2 S · 25P 2 S 5, the content ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 were mixed such that 15 vol%, to obtain a raw material composition. The obtained raw material composition was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped solid electrolyte.

[比較例6]
酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を用意するまでは実施例1と同様である。次に、LiLaZr12を、実施例1と同様の方法でプレスすることにより、ペレット状の酸化物系固体電解質を得た。
[Comparative Example 6]
The process is the same as in Example 1 until Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is prepared as the oxide-based solid electrolyte. Next, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 was pressed in the same manner as in Example 1 to obtain a pellet-shaped oxide solid electrolyte.

上記実施例1乃至5、及び比較例1乃至6で得られた固体電解質を用いて、インピーダンス測定を行った。インピーダンスの測定条件は、電圧振幅30mV、測定周波数0.1MHz〜1MHz、測定温度25℃、拘束圧6Nとした。インピーダンス測定より得られたLiイオン伝導度を図2に示す。
図2は、縦軸にリチウム伝導度を、横軸に硫化物系固体電解質と酸化物系固体電解質との合計の含有量を100体積%とした時の、硫化物系固体電解質の体積比をとったグラフである。図2には、酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを含む固体電解質の結果を示すグラフ(図中の「LLZO+75LiS・25P」)と、酸化物系固体電解質としてAlを、硫化物系固体電解質として75LiS・25Pを含む固体電解質の結果を示す折れ線グラフ(図中の「Al+75LiS・25P」)が記載されている。
図2から分かるように、同程度の体積比の75LiS・25Pを含む例を比較した場合、酸化物系固体電解質としてLiLaZr12を含む実施例1乃至5の固体電解質は、酸化物系固体電解質としてAlを含む比較例2乃至5の固体電解質よりも、リチウム伝導度が高い結果となった。この結果は、比較例においてスペーサの働きを有するAlがイオン伝導性を有しないのに対し、実施例においてスペーサの働きを有するLiLaZr12がイオン伝導性を有することに起因する。
また、75LiS・25Pを含まずLiLaZr12のみを含む比較例6の酸化物系固体電解質は、図2に示した実験結果のうち、最も低いリチウム伝導度を示した。これは、酸化物系固体電解質が硫化物系固体電解質よりもリチウムイオン伝導性が低いことを示し、スペーサの働きをする酸化物系固体電解質のみでは十分なリチウムイオン伝導性が得られないことを示している。
また、75LiS・25Pのみを含む比較例1の酸化物系固体電解質は、図2に示した実験結果のうち、最も高いリチウム伝導度を示した。しかし、このような固体電解質は、実際にリチウムイオン二次電池に組み込んだ際に、面垂直方向に付与された拘束圧によって短絡することが予想される。
Impedance measurement was performed using the solid electrolytes obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 6. The impedance measurement conditions were a voltage amplitude of 30 mV, a measurement frequency of 0.1 MHz to 1 MHz, a measurement temperature of 25 ° C., and a constraint pressure of 6N. FIG. 2 shows the Li ion conductivity obtained from the impedance measurement.
FIG. 2 shows the volume ratio of the sulfide-based solid electrolyte when the vertical axis indicates lithium conductivity and the horizontal axis indicates the total content of sulfide-based solid electrolyte and oxide-based solid electrolyte as 100% by volume. It is a graph taken. FIG. 2 is a graph showing the results of a solid electrolyte containing Li 7 La 3 Zr 2 O 12 as an oxide-based solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 as a sulfide-based solid electrolyte (“LLZO + 75Li in the figure). 2 S · 25P 2 S 5 ”) and a line graph (in the figure) showing the results of the solid electrolyte containing Al 2 O 3 as the oxide solid electrolyte and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 as the sulfide solid electrolyte “Al 2 O 3 + 75Li 2 S · 25P 2 S 5 ”).
As can be seen from FIG. 2, Examples 1 to 5 containing Li 7 La 3 Zr 2 O 12 as the oxide-based solid electrolyte are compared when comparing examples containing 75Li 2 S · 25P 2 S 5 with the same volume ratio. This solid electrolyte resulted in higher lithium conductivity than the solid electrolytes of Comparative Examples 2 to 5 containing Al 2 O 3 as the oxide-based solid electrolyte. This result shows that, in the comparative example, Al 2 O 3 having a spacer function does not have ionic conductivity, whereas in the example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 having a spacer function has ionic conductivity. caused by.
The oxide-based solid electrolyte of Comparative Example 6 containing only Li 7 La 3 Zr 2 O 12 free of 75Li 2 S · 25P 2 S 5, of the experimental results shown in FIG. 2, the lowest lithium conductivity showed that. This indicates that the oxide solid electrolyte has a lower lithium ion conductivity than the sulfide solid electrolyte, and that the oxide solid electrolyte acting as a spacer alone cannot provide sufficient lithium ion conductivity. Show.
The oxide-based solid electrolyte of Comparative Example 1 including only 75Li 2 S · 25P 2 S 5, of the experimental results shown in FIG. 2, showing the highest lithium conductivity. However, when such a solid electrolyte is actually incorporated in a lithium ion secondary battery, it is expected to short-circuit due to a restraining pressure applied in the direction perpendicular to the plane.

10 拘束冶具内部に配置された原料組成物
11 固体電解質層
12 正極活物質層
13 負極活物質層
14 固体電解質
14a 第1の固体電解質
14b 第2の固体電解質
15 正極活物質
16 負極活物質
21 固体電解質層
22 正極活物質層
23 負極活物質層
24 固体電解質
25 正極活物質
26 負極活物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Raw material composition arrange | positioned inside restraint jig 11 Solid electrolyte layer 12 Positive electrode active material layer 13 Negative electrode active material layer 14 Solid electrolyte 14a 1st solid electrolyte 14b 2nd solid electrolyte 15 Positive electrode active material 16 Negative electrode active material 21 Solid Electrolyte layer 22 Positive electrode active material layer 23 Negative electrode active material layer 24 Solid electrolyte 25 Positive electrode active material 26 Negative electrode active material

Claims (5)

第1の固体電解質及びスペーサを含む固体電解質であって、
前記スペーサとして、硬度が前記第1の固体電解質の硬度よりも高く、且つ、イオン伝導性を有する第2の固体電解質を有することを特徴とする、固体電解質。
A solid electrolyte comprising a first solid electrolyte and a spacer,
A solid electrolyte having a second solid electrolyte having hardness higher than that of the first solid electrolyte and having ion conductivity as the spacer.
前記第1の固体電解質が硫化物系固体電解質であり、且つ、前記第2の固体電解質が酸化物系固体電解質である、請求項1に記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 1, wherein the first solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte, and the second solid electrolyte is an oxide-based solid electrolyte. 前記第1の固体電解質と前記第2の固体電解質との合計の含有量を100体積%とした時の、前記第1の固体電解質の含有割合が40〜99体積%である、請求項1又は2に記載の固体電解質。   The content ratio of the first solid electrolyte is 40 to 99% by volume when the total content of the first solid electrolyte and the second solid electrolyte is 100% by volume. 2. The solid electrolyte according to 2. 前記請求項1乃至3のいずれか一項に記載の固体電解質を含むことを特徴とする、固体電解質膜。   A solid electrolyte membrane comprising the solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3. 少なくとも正極と、負極と、当該正極及び当該負極との間に介在する固体電解質層とを有する全固体リチウム二次電池であって、
前記固体電解質層が、前記請求項1乃至3のいずれか一項に記載の固体電解質を含むことを特徴とする、全固体リチウム二次電池。
An all-solid lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The said solid electrolyte layer contains the solid electrolyte as described in any one of the said Claims 1 thru | or 3, The all-solid-state lithium secondary battery characterized by the above-mentioned.
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