JP2011086546A - Lithium battery and electronic equipment using the same - Google Patents

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solid electrolyte
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Shigeo Matsuzaki
滋夫 松崎
Hiromichi Kojika
博道 小鹿
Seito Ando
誠人 安藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium battery made from a battery element which hardly generates curves, distortion, peeling-off, and cracks at the time of releasing pressure. <P>SOLUTION: In the lithium battery having a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, package pressure is 0-1 MPa, and a capacity maintenance rate is 80% or more at the time of the twentieth cycle. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はリチウム二次電池に関し、さらにそれを備えた電子機器に関する。   The present invention relates to a lithium secondary battery, and further relates to an electronic device including the lithium secondary battery.

近年、ビデオカメラ、携帯電話、ポータブルパソコン等の携帯機器の普及に伴い、二次電池の需要が高まっている。現行のリチウムイオン二次電池には、電解質として有機系電解液が主に用いられている。
有機系電解液は高いイオン伝導度を示すものの、電解液が液体でかつ可燃性であることから電池として用いた場合、漏洩、発火等の危険性が懸念されている。次世代リチウムイオン二次電池用電解質として、より安全性の高い固体電解質の開発が期待されている。
全固体電池を実現するために、固体電解質の開発が精力的に行なわれているが、イオン伝導度が有機系電解液に比べて一般的に小さく、実用化が難しいのが現状である。
In recent years, with the widespread use of portable devices such as video cameras, mobile phones, and portable personal computers, the demand for secondary batteries has increased. In the current lithium ion secondary battery, an organic electrolyte is mainly used as an electrolyte.
Although the organic electrolyte exhibits high ionic conductivity, there is a concern about the risk of leakage, ignition, etc. when used as a battery because the electrolyte is liquid and flammable. Development of a safer solid electrolyte is expected as an electrolyte for next-generation lithium ion secondary batteries.
In order to realize an all-solid-state battery, solid electrolytes have been energetically developed, but the ionic conductivity is generally smaller than that of organic electrolytes, and the practical use is difficult.

固体電解質として室温で高いイオン伝導度(10−3Scm−1)を示す材料としてLiNをベースとするリチウムイオン伝導性セラミックが報告されているが、分解電圧が低く3V以上で作動する全固体電池を構成することが困難であった。 As a solid electrolyte, lithium ion conductive ceramics based on Li 3 N have been reported as materials exhibiting high ionic conductivity at room temperature (10 −3 Scm −1 ). It was difficult to construct a solid state battery.

硫化物系固体電解質としては、特許文献1に10−4Scm−1台の固体電解質が開示されており、また特許文献2ではLiSとPから合成された電解質で同様に10−4Scm−1台のイオン伝導性が開示されている。特許文献3ではLiSとPを68〜74モル%:26〜32モル%の比率で合成した硫化物系結晶化ガラスで10−3Scm−1台のイオン伝導性を実現している。 As a sulfide-based solid electrolyte, 10 −4 Scm −1 solid electrolyte is disclosed in Patent Document 1, and in Patent Document 2, an electrolyte synthesized from Li 2 S and P 2 S 5 is similarly 10 -4 Scm- 1 ion conductivity is disclosed. In Patent Document 3, an ion conductivity of 10 −3 Scm −1 is realized by a sulfide-based crystallized glass in which Li 2 S and P 2 S 5 are synthesized in a ratio of 68 to 74 mol%: 26 to 32 mol%. ing.

酸化物系固体電解質も各種提案されているが、10−4〜5Scm−1台のイオン伝導性であり、満足できるものではなかった。 Various oxide-based solid electrolytes have been proposed, but the ion conductivity of 10 −4 to 5 Scm −1 units was not satisfactory.

上記特許文献のように正極、負極、固体電解質に粉体を適用する場合、電池性能(高容量、高電圧、サイクル特性)を向上させるためには、各粒子層の充填率を上げる必要があり、そのため高圧力下で成型する必要があった。また、上記特許文献に記載の電池では、高圧のパッケージ圧をかけなければ、電池として駆動しないという問題があった。   When the powder is applied to the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte as in the above patent document, it is necessary to increase the filling rate of each particle layer in order to improve the battery performance (high capacity, high voltage, cycle characteristics). Therefore, it was necessary to mold under high pressure. Further, the battery described in the above-mentioned patent document has a problem that it does not drive as a battery unless a high package pressure is applied.

特許文献4では、正極及び固体電解質層を室温〜250℃程度の雰囲気下で750〜2000MPaの高圧力成型することにより、見かけ密度を95%以上とし、電解液を適用した電池と同等の性能まで高めることを開示している。しかし、加圧条件が非常に高圧であるため、作製できる電池の面積が制限される上、加圧装置も特殊なプレス機を必要とする。
また、駆動時に圧力(パッケージ圧)を印加する方法が検討されている。
In Patent Document 4, the positive density and the solid electrolyte layer are molded at a high pressure of 750 to 2000 MPa in an atmosphere of room temperature to about 250 ° C., thereby making the apparent density 95% or more and the same performance as the battery to which the electrolyte is applied. It is disclosed to enhance. However, since the pressurizing condition is very high pressure, the area of the battery that can be manufactured is limited, and the pressurizing apparatus also requires a special press machine.
Further, a method of applying pressure (package pressure) during driving has been studied.

特許文献5では全固体電池素子に対して50〜1000kgf/cmの圧力を印加し、外装体と密着させた電池を提案している。
特許文献6では全固体電池素子を挟持する支持板を配置し、1.5〜200MPaの圧力を印加し、締め付けることにより界面が取れなくなるのを防ぐ方法が開示されている。
Patent Document 5 proposes a battery in which a pressure of 50 to 1000 kgf / cm 2 is applied to the all-solid battery element to bring it into close contact with the exterior body.
Patent Document 6 discloses a method of preventing an interface from being lost by disposing a support plate that sandwiches an all-solid battery element, applying a pressure of 1.5 to 200 MPa, and tightening.

このように全固体電解質では、性能維持も含め挟持板とビスにより加圧することで界面の接触を維持することが必要な状況であった。しかし、駆動時に締め付け状態を維持するには、余分な挟持板やビスが必要であり、省スペース化ができない上に、モバイル等の移動機器においては重量が増加するため望ましくなかった。   As described above, in the all solid electrolyte, it is necessary to maintain the interface contact by pressurizing with a sandwich plate and screws including maintaining the performance. However, in order to maintain the tightened state during driving, an extra clamping plate and screws are required, and space saving cannot be achieved. In addition, a mobile device such as a mobile device is undesirably increased in weight.

特開平4−202024号公報JP-A-4-202024 特開2002−109955号公報JP 2002-109955 A 特開2005−228570号公報JP 2005-228570 A 特開2008−91328号公報JP 2008-91328 A 特開2000−106154号公報JP 2000-106154 A 特開2008−103284号公報JP 2008-103284 A

本発明では、パッケージ圧がゼロ又は小さくても駆動する全固体リチウム電池を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide an all solid lithium battery that can be driven even when the package pressure is zero or small.

本発明によれば、以下のリチウム電池等が提供される。
1.正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
20回目のサイクル時の容量維持率が80%以上であることを特徴とするリチウム電池。
2.20回サイクル時の放電開始電圧の変化が0.5V以下であることを特徴とする1に記載のリチウム電池。
3.正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
大気圧下で、前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して垂直な断面である水平断面のうち、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積と素子面積の比が下記式(2)を満たすことを特徴とするリチウム電池。
E/F×100≦20…(2)
(式中、Eは、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積(mm)を示す。
Fは、剥離面積が最大となる水平断面の素子面積(mm)を示す。)
4.正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
大気圧下で前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の剥離部の投影面積、及び前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積が下記式(3)を満たすことを特徴とするリチウム電池。
100×H/(H+I)<50…(3)
(Iは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積から剥離部の投影面積を除いた投影面積(mm)を示す。Hは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積の剥離部の投影面積(mm)を示す。)
5.前記正極層、固体電解質層及び負極層のうち少なくとも1つが粒子を含むことを特徴とする1〜4のいずれかに記載のリチウム電池。
6.1〜5のいずれかに記載のリチウム電池を搭載したことを特徴とする電子機器。
According to the present invention, the following lithium batteries and the like are provided.
1. A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
A lithium battery having a capacity retention rate of 80% or more at the 20th cycle.
2. The lithium battery according to 1, wherein a change in discharge start voltage during 20 cycles is 0.5 V or less.
3. A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
The ratio of the peeled area and the element area of the horizontal cross section where the peeled area is the maximum among the horizontal cross sections perpendicular to the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer at atmospheric pressure is the following formula: (2) The lithium battery characterized by satisfy | filling.
E / F × 100 ≦ 20 (2)
(In formula, E shows the peeling area (mm < 2 >) of the horizontal cross section from which a peeling area becomes the maximum.
F represents the element area (mm 2 ) of the horizontal cross section where the peeled area is maximized. )
4). A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
The projected area of the peeled portion in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer under atmospheric pressure, and the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are expressed by the following formula (3 A lithium battery.
100 × H / (H + I) <50 (3)
(I indicates a projected area (mm 2 ) obtained by removing the projected area of the peeling portion from the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer. H is the positive electrode layer, the solid electrolyte layer. And the projected area (mm 2 ) of the peeled portion of the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the negative electrode layer.)
5). 5. The lithium battery according to any one of 1 to 4, wherein at least one of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer contains particles.
6. An electronic apparatus comprising the lithium battery according to any one of items 1 to 5.

本発明によれば、パッケージ圧がゼロ又は小さくても駆動する全固体リチウム電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the all-solid-state lithium battery which can drive even if a package pressure is zero or small can be provided.

本発明のリチウム電池の一実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one Embodiment of the lithium battery of this invention. 図1のリチウム電池のX−X縦断面図である。It is XX longitudinal cross-sectional view of the lithium battery of FIG. リチウム電池に発生したクラックを示すX−X縦断面図であり、(a)は界面でのクラック、(b)は層内でのクラック、(c)は端部でのクラックを示す。It is XX longitudinal cross-sectional view which shows the crack which generate | occur | produced in the lithium battery, (a) shows the crack in an interface, (b) shows the crack in a layer, (c) shows the crack in an edge part. 図1のリチウム電池の略式X−X縦断面図である。FIG. 2 is an abbreviated XX vertical sectional view of the lithium battery of FIG. 1. 図3の点線に対応する水平断面図である。FIG. 4 is a horizontal sectional view corresponding to a dotted line in FIG. 3. 図1のリチウム電池の略式X−X縦断面図である。FIG. 2 is an abbreviated XX vertical sectional view of the lithium battery of FIG. 1. 素子剥離部投影面積の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of an element peeling part projected area. 素子剥離部投影面積、及び素子剥離部投影面積を除いた固体電解質層の投影面積を示す図である。It is a figure which shows the projection area of the solid electrolyte layer except the element peeling part projection area and the element peeling part projection area. リチウム電池の最大歪みを示すX−X縦断面図であり、(a)は弓形変形最大歪み、(b)は太鼓形変形最大歪み、(c)は波形変形最大歪みを示す。It is XX longitudinal cross-sectional view which shows the maximum distortion of a lithium battery, (a) is an arcuate deformation maximum distortion, (b) is a drum-shaped deformation maximum distortion, (c) shows a waveform deformation maximum distortion. X線CT観察による実施例1で得られたリチウム電池の垂直断面図である。It is a vertical sectional view of the lithium battery obtained in Example 1 by X-ray CT observation. X線CT観察による実施例1で得られたリチウム電池の垂直断面図及び水平断面図である。It is the vertical sectional view and horizontal sectional view of the lithium battery obtained in Example 1 by X-ray CT observation. X線CT観察による実施例2で得られたリチウム電池の垂直断面図である。It is a vertical sectional view of the lithium battery obtained in Example 2 by X-ray CT observation. X線CT観察による実施例2で得られたリチウム電池の垂直断面図及び水平断面図である。It is the vertical sectional view and horizontal sectional view of the lithium battery obtained in Example 2 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例1で得られたリチウム電池の垂直断面図である。It is a vertical sectional view of the lithium battery obtained in Comparative Example 1 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例1で得られたリチウム電池の垂直断面図及び水平断面図である。It is the vertical sectional view and horizontal sectional view of the lithium battery obtained by the comparative example 1 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例2で得られたリチウム電池の垂直断面図である。It is a vertical sectional view of the lithium battery obtained in Comparative Example 2 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例2で得られたリチウム電池の垂直断面図及び水平断面図である。It is the vertical sectional view and horizontal sectional view of the lithium battery obtained by the comparative example 2 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例3で得られたリチウム電池の垂直断面図である。It is a vertical sectional view of the lithium battery obtained in Comparative Example 3 by X-ray CT observation. X線CT観察による比較例3で得られたリチウム電池の垂直断面図及び水平断面図である。It is the vertical sectional view and horizontal sectional view of the lithium battery obtained by the comparative example 3 by X-ray CT observation.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではない。
図1は、本発明のリチウム電池の一実施形態を示す斜視図である。
図2は、図1のリチウム電池のX−X縦断面図である。
図2において、リチウム電池1は、電池素子3が、正極集電体5及び負極集電体7により挟持されている。電池素子3は、正極層10及び負極層30からなる一対の電極層間に固体電解質層20がある。
本発明では、パッケージ圧は0〜1MPaである。パッケージ圧は、充放電駆動時に印加される圧力をいい、電池積層面に対して垂直方向に一軸方向に加える圧である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a lithium battery of the present invention.
FIG. 2 is an XX longitudinal sectional view of the lithium battery of FIG.
In FIG. 2, the lithium battery 1 includes a battery element 3 sandwiched between a positive electrode current collector 5 and a negative electrode current collector 7. The battery element 3 includes a solid electrolyte layer 20 between a pair of electrode layers including the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 30.
In the present invention, the package pressure is 0 to 1 MPa. The package pressure refers to a pressure applied during charge / discharge driving, and is a pressure applied in a uniaxial direction perpendicular to the battery stack surface.

本発明のリチウム電池は、20回サイクル後の初期の放電容量に対する容量維持率が好ましくは80%以上、より好ましくは83%以上のサイクル特性を有する。
ここで、1回サイクルは、充放電を一回ずつ行うことをいう。
従って、20回サイクルとは、充放電を20回ずつ行うことをいう。
The lithium battery of the present invention has a cycle characteristic in which the capacity retention rate with respect to the initial discharge capacity after 20 cycles is preferably 80% or more, more preferably 83% or more.
Here, the one-time cycle refers to performing charging and discharging once.
Therefore, the cycle of 20 times means performing charging and discharging 20 times each.

容量維持率は以下のようにして求める。電池を0.2mA/cmの電流密度で充電後、0.2mA/cmで放電し、そのときの放電容量を測定する。この充放電工程を20回繰り返し行う。
ここで、充電時のカット電圧は4.2Vであり、放電時のカット電圧は1.5Vである。放電容量は、時間毎に得られた電流量(mAh)を正極活物質重量(g)で割った値であり、単位は、mAh/gである。
容量維持率は、下記式(1)に従う。
A=B/C×100…(1)
ここで、Aは容量維持率(%)、Bは第20回サイクル後の放電の際の放電容量(mAh/g)、Cは第1回目のサイクル時の放電の際の放電容量(mAh/g)である。
The capacity maintenance rate is obtained as follows. After charging the batteries at a current density of 0.2 mA / cm 2, and discharged at 0.2 mA / cm 2, to measure the discharge capacity at that time. This charge / discharge process is repeated 20 times.
Here, the cut voltage at the time of charging is 4.2V, and the cut voltage at the time of discharging is 1.5V. The discharge capacity is a value obtained by dividing the amount of current (mAh) obtained every hour by the weight (g) of the positive electrode active material, and the unit is mAh / g.
The capacity maintenance rate follows the following formula (1).
A = B / C × 100 (1)
Here, A is the capacity retention rate (%), B is the discharge capacity (mAh / g) at the time of discharge after the 20th cycle, and C is the discharge capacity (mAh / g) at the time of discharge at the first cycle. g).

また、好ましくは、20回サイクル後の電圧変化は0.5V以下である。この電圧は、放電開始直後の電圧値であり、第1回目のサイクル時の放電開始電圧と20回サイクル後の放電開始電圧の差である。好ましくは0.1V以下である。
ここで、電池を製造後にまず充電を行い、次に放電を行うものは、充電と放電の順番により1回ずつ行うと1サイクルが完了したことになる。このような電池としては、正極がLCO等のLiを含む物質である正極であり、負極はグラファイト等を含む負極である。
一方、電池を製造後にまず放電を行い、次に充電を行うものは、放電と充電の順番により1回ずつ行うと1サイクルが完了したことになる。このような電池としては、負極がLi金属のようなLiを含む物質である負極であり、正極は、インジウム等を含む正極である。
Preferably, the voltage change after 20 cycles is 0.5 V or less. This voltage is a voltage value immediately after the start of discharge, and is the difference between the discharge start voltage at the first cycle and the discharge start voltage after the 20th cycle. Preferably it is 0.1 V or less.
Here, when the battery is first charged after the battery is manufactured and then discharged, one cycle is completed when it is performed once in the order of charging and discharging. As such a battery, the positive electrode is a positive electrode which is a substance containing Li such as LCO, and the negative electrode is a negative electrode containing graphite or the like.
On the other hand, when the battery is first discharged after manufacturing and then charged, one cycle is completed when it is performed once in the order of discharging and charging. As such a battery, a negative electrode is a negative electrode which is a substance containing Li like Li metal, and a positive electrode is a positive electrode containing indium etc.

本発明のリチウム電池は、好ましくは正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、パッケージ圧が0〜1MPaであり、大気圧下で、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して垂直な断面である水平断面のうち、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積と素子面積の比が下記式(2)を満たすことを特徴とするリチウム電池。
E/F×100≦20…(2)
(式中、Eは、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積(mm)を示す。
Fは、剥離面積が最大となる水平断面の素子面積(mm)を示す。)
The lithium battery of the present invention is preferably a lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer, wherein the package pressure is 0 to 1 MPa, and the positive electrode layer, the solid electrolyte layer and the negative electrode layer are at atmospheric pressure. A lithium battery characterized in that a ratio of a peeled area and an element area of a horizontal cross section having a maximum peeled area among horizontal cross sections perpendicular to the stacking direction satisfies the following formula (2).
E / F × 100 ≦ 20 (2)
(In formula, E shows the peeling area (mm < 2 >) of the horizontal cross section from which a peeling area becomes the maximum.
F represents the element area (mm 2 ) of the horizontal cross section where the peeled area is maximized. )

正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して垂直な断面である水平断面とは、例えば図1のリチウム電池のY−Y横断面図に相当する。
リチウム電池は、その電池素子部分に製造過程等において生じる素子剥離部を有する場合がある。図3は素子のクラックを示す図であり、素子のクラックとしては、図3(a)に示す界面でのクラック、図3(b)に示す層内部でのクラック、図3(c)に示す素子端部でのクラックの3種類に大別される。
The horizontal cross section that is a cross section perpendicular to the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer corresponds to, for example, the YY cross section of the lithium battery in FIG.
A lithium battery may have an element peeling portion that occurs in a manufacturing process or the like in the battery element portion. FIG. 3 is a diagram showing a crack in the element. As a crack in the element, a crack at the interface shown in FIG. 3A, a crack inside the layer shown in FIG. 3B, and a crack shown in FIG. There are roughly three types of cracks at the end of the element.

剥離面積が最大となる水平断面とは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して垂直である任意の水平断面のうち、素子剥離部(クラック部)が占有する面積が最大となる水平断面である。
剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積(以下、最大剥離面積という場合がある)とは、剥離面積が最大となる水平断面における素子剥離部が占有する面積である。また、剥離面積が最大となる水平断面の素子面積とは、剥離面積が最大となる水平断面の面積である。
The horizontal cross section where the peeled area is maximized is that the area occupied by the element peeled portion (crack portion) is the maximum among any horizontal cross section perpendicular to the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer. It is a horizontal cross section.
The peeling area of the horizontal cross section where the peeling area is maximized (hereinafter sometimes referred to as the maximum peeling area) is an area occupied by the element peeling portion in the horizontal cross section where the peeling area is maximized. Further, the element area of the horizontal cross section where the peeling area is maximized is the area of the horizontal cross section where the peeling area is maximized.

図4は、図1のリチウム電池の略式X−X縦断面図であり、点線に対応する水平断面が素子剥離部40の剥離面積が最大となる水平断面である。
図5は、図4の点線に対応する水平断面を示す図である。図5において、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積Eは、素子剥離部bの面積であり、剥離面積が最大となる水平断面の素子面積Fは、素子水平断面aの面積である。本発明では、b/a×100で表される最大剥離面積比率αが20以下であることが好ましい。
尚、図5においては、素子剥離部は1箇所であるが、素子剥離部が複数ある場合は、複数の素子剥離部の面積の合計を剥離面積Eとする。
4 is an abbreviated XX vertical cross-sectional view of the lithium battery of FIG. 1, and a horizontal cross section corresponding to a dotted line is a horizontal cross section in which the peeling area of the element peeling portion 40 is maximized.
FIG. 5 is a diagram showing a horizontal section corresponding to the dotted line in FIG. 4. In FIG. 5, the peeling area E of the horizontal cross section where the peeling area is maximum is the area of the element peeling portion b, and the element area F of the horizontal cross section where the peeling area is maximum is the area of the element horizontal cross section a. In the present invention, the maximum peel area ratio α represented by b / a × 100 is preferably 20 or less.
In FIG. 5, there is one element peeling portion, but when there are a plurality of element peeling portions, the total area of the plurality of element peeling portions is defined as a peeling area E.

剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積Eの測定方法は特に制限はないが、例えば下記方法によって測定することができる。
成形したリチウムイオン電池を脱圧し、気圧下でリチウムイオン電池の負極層、固体電解質層、負極層からなる電池素子の積層方向に対して垂直な断面である水平断面の断面図をX線CT観察により得る(図10、図12参照)。
素子の垂直断面図(図10、12、14、16及び18参照)をX線CT観察により得て、剥離部分を測定する。次に、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して水平方向に70μmの間隔で上記水平断面を観察し、複数の水平断面の断面図を得る(尚、水平断面は電池素子の水平断面全体であってもよく、一視野(例えば、15.5mm×9.6×10−2mm)であってもよい)。そして、上記垂直断面図を参照して上記水平断面の断面図から剥離部分を特定する。
The measuring method of the peeling area E of the horizontal cross section where the peeling area is maximum is not particularly limited, but can be measured by, for example, the following method.
Decompress the molded lithium ion battery, and observe the X-ray CT cross section of the horizontal cross section perpendicular to the stacking direction of the battery element consisting of the negative electrode layer, solid electrolyte layer, and negative electrode layer of the lithium ion battery under atmospheric pressure. (See FIGS. 10 and 12).
A vertical sectional view of the device (see FIGS. 10, 12, 14, 16 and 18) is obtained by X-ray CT observation, and the peeled portion is measured. Next, the horizontal cross section is observed at intervals of 70 μm in the horizontal direction with respect to the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer, and a plurality of horizontal cross-sectional views are obtained (the horizontal cross section indicates the battery element). It may be the entire horizontal cross section or a single field of view (eg, 15.5 mm × 9.6 × 10 −2 mm). And a peeling part is specified from the sectional view of the horizontal section with reference to the vertical sectional view.

上記複数の水平断面の断面図の内、剥離部分(任意の水平断面において複数の剥離部分がある場合、当該水平断面中の剥離部分の面積の和)が最大のものを選択する。素子の水平断面の面積と剥離部分の面積は、ヤマト科学社製の画像ソフトを用いることにより測定できる。   Among the cross-sectional views of the plurality of horizontal cross sections, the one having the largest peeled portion (the sum of the areas of the peeled portions in the horizontal cross section when there are a plurality of peeled portions in an arbitrary horizontal cross section) is selected. The area of the horizontal cross section of the element and the area of the peeled portion can be measured by using image software manufactured by Yamato Kagaku.

上記に加えて、成型した電池素子を脱圧(圧力を開放した状態)し、適宜ラミネートフィルム等で封止した後、X線CT法により水平断面観察をすることで計測することもできる。水平断面観察は、電池素子最上部から70μm間隔で順次観察を行ない、その画像及び任意の垂直断面図から剥離部分を特定し、水平断面観察画像の中から剥離面積が最大である画像を抽出する。抽出した画像を用い、素子断面面積F(mm)と最大剥離面積E(mm)を画像処理により計測する。最大剥離面積比率αを下式(2)で求める。
最大剥離面積比率α=100×E/F…(2)
In addition to the above, after the molded battery element is depressurized (pressure is released) and appropriately sealed with a laminate film or the like, it can also be measured by observing a horizontal section by the X-ray CT method. In the horizontal cross-section observation, observation is performed sequentially from the top of the battery element at intervals of 70 μm, the peeled portion is identified from the image and an arbitrary vertical cross-sectional view, and an image having the maximum peeled area is extracted from the horizontal cross-sectional observation image. . Using the extracted image, the element cross-sectional area F (mm 2 ) and the maximum peeled area E (mm 2 ) are measured by image processing. The maximum peel area ratio α is obtained by the following formula (2).
Maximum peel area ratio α = 100 × E / F (2)

本発明のリチウム電池において、式(2)の最大剥離面積比率は、好ましくはE/F×100≦20であり、より好ましくはE/F×100<10であり、最も好ましくはE/F×100<5である。
式(2)E/F×100≦20を満たすことにより、本発明のリチウム電池はイオン伝導を容易にすることができ、電池性能を維持することができる。一方、式(2)のE/F×100が20超である場合、電池駆動時の正極及び負極間でのイオン伝導が困難となり、電池性能が悪化するおそれがある。
In the lithium battery of the present invention, the maximum peel area ratio of the formula (2) is preferably E / F × 100 ≦ 20, more preferably E / F × 100 <10, and most preferably E / F ×. 100 <5.
By satisfy | filling Formula (2) E / Fx100 <= 20, the lithium battery of this invention can make ion conduction easy, and can maintain battery performance. On the other hand, when E / F × 100 of the formula (2) is more than 20, ion conduction between the positive electrode and the negative electrode during battery driving becomes difficult, and the battery performance may be deteriorated.

本発明のリチウム電池は、正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、パッケージ圧が0〜1MPaであり、大気圧下で正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の剥離部の投影面積、及び正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積が下記式(3)を満たすことが好ましい。
H/(H+I)×100<50 …(3)
(Iは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積から剥離部の投影面積を除いた投影面積(mm)を示す。
Hは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積の剥離部の投影面積(mm)を示す。)
より好ましくは、H/(H+I)×100<10、最も好ましくは、H/(H+I)×100<5である。
The lithium battery of the present invention is a lithium battery including a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, and has a package pressure of 0 to 1 MPa, and is stacked in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer under atmospheric pressure. It is preferable that the projected area of the peeling portion and the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer satisfy the following formula (3).
H / (H + I) × 100 <50 (3)
(I indicates a projected area (mm 2 ) obtained by removing the projected area of the peeled portion from the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer.
H represents the projected area (mm 2 ) of the peeled portion of the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer. )
More preferably, H / (H + I) × 100 <10, and most preferably H / (H + I) × 100 <5.

正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の剥離部の投影面積、及び正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積は例えば以下の方法により測定することができる。
図6は、素子剥離部が複数ある場合の図1のリチウム電池の略式X−X縦断面図である。
図6において、素子剥離部は3箇所あり、水平断面X、Y及びZの剥離部の面積を、上述のEの測定方法と同様にすることで測定する。得られたこれら複数の水平断面X、Y及びZを電池素子を構成するように重ねることにより素子剥離部投影図とし、素子剥離部の投影面積が測定できる(図7)。
図8は、図7の素子剥離部の投影面積、及び素子剥離部の投影面積を除いた固体電解質層の投影面積をそれぞれ表す図であり、本発明では、素子剥離部の投影面積をHとし、素子剥離部の投影面積を除いた固体電解質層の投影面積をIとした場合に、100×H/(H+I)で表される厚み方向占有剥離面積比率βは50未満であることが好ましい。
より好ましくは、βは10未満、最も好ましくは5未満である。βが50以上であると電池駆動時の正極及び負極間でのイオン伝導が困難となり、電池性能が極端に悪化するおそれがある。
The projected area of the peeled portion in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer, and the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer can be measured by, for example, the following method. .
6 is a schematic XX vertical cross-sectional view of the lithium battery of FIG. 1 when there are a plurality of element peeling portions.
In FIG. 6, there are three element peeling portions, and the area of the peeling portions of the horizontal cross sections X, Y, and Z is measured by the same method as in the above-described E measuring method. By superimposing the obtained horizontal sections X, Y and Z so as to constitute a battery element, an element peeling portion projection view can be obtained, and the projected area of the element peeling portion can be measured (FIG. 7).
FIG. 8 is a diagram showing the projected area of the element peeling portion of FIG. 7 and the projected area of the solid electrolyte layer excluding the projected area of the element peeling portion. In the present invention, the projected area of the element peeling portion is H. When the projected area of the solid electrolyte layer excluding the projected area of the element peeling portion is I, the thickness direction occupied peeling area ratio β represented by 100 × H / (H + I) is preferably less than 50.
More preferably, β is less than 10, most preferably less than 5. If β is 50 or more, ion conduction between the positive electrode and the negative electrode when the battery is driven becomes difficult, and the battery performance may be extremely deteriorated.

電池素子は、好ましくは大気圧下で、最大歪みは200μm以下である。より好ましくは、大気圧下で、最大歪みは150μm以下である。最大歪みとは、正極側最大変位と負極側最大変位の和である。素子の歪み方には、例えば、図9(a)に示す弓形、図9(b)に示す太鼓形、図9(c)に示す波形の3種類がある。図9(a)〜(c)の正極側電池素子の両端部A,A’点及び負極側電池素子の両端部B,B’点を結び、正極側最大変位aと負極側最大変位bをこの直線からの垂直方向距離(a+b)を求め、その和を求め、その和を最大歪みとする。   The battery element is preferably under atmospheric pressure and has a maximum strain of 200 μm or less. More preferably, the maximum strain is 150 μm or less under atmospheric pressure. The maximum strain is the sum of the positive electrode side maximum displacement and the negative electrode side maximum displacement. There are three types of element distortion, for example, a bow shape shown in FIG. 9A, a drum shape shown in FIG. 9B, and a waveform shown in FIG. 9C. 9 (a) to 9 (c), the both ends A and A 'of the positive battery element and the both ends B and B' of the negative battery element are connected, and the positive maximum displacement a and the negative maximum displacement b are obtained. The vertical distance (a + b) from this straight line is obtained, the sum is obtained, and the sum is taken as the maximum distortion.

最大歪みは、成型された電池素子を脱圧(圧力を開放した状態)し適宜ラミネートフィルム等で封止した後、X線CT法により断面観察をすることで計測できる。
加圧成型後に素子を取り出す際に割れや剥離により素子自体が崩れてしまう場合、厚みにも依るが素子作製用の冶具(樹脂製,碍子製、金属製等)ごと観察することができるため、敢えて取り出す必要はない。
X線CT法では、積算画像からデータ画像を得るため、画像上で正確な距離数値を得ることができる。
The maximum strain can be measured by depressurizing the molded battery element (in a state in which the pressure is released), sealing it with a laminate film or the like, and then observing a cross section by an X-ray CT method.
If the element itself collapses due to cracking or peeling when the element is taken out after pressure molding, depending on the thickness, it can be observed together with the jig for making the element (made of resin, insulator, metal, etc.) There is no need to take it out.
In the X-ray CT method, since a data image is obtained from an integrated image, an accurate distance value can be obtained on the image.

本発明のリチウム電池は、好ましくは、正極層、固体電解質層及び負極層のうち、少なくとも1つが粒子を含む。   In the lithium battery of the present invention, preferably, at least one of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer contains particles.

例えば、固体電解質層は固体電解質粒子を堆積させた後、適切な荷重をかける等により成型する。このとき固体電解質層の膜厚としては特に制限を受けないが、10〜1000μmが望ましい。   For example, the solid electrolyte layer is formed by depositing solid electrolyte particles and applying an appropriate load. At this time, the thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm.

例えば、電極層(正極層及び負極層)は電極活物質粒子と固体電解質粒子を含み、粉体を堆積させた後、適切な荷重をかける等により成型する。このとき電極層の膜厚としては特に制限を受けないが、10〜200μmが望ましい。   For example, the electrode layers (positive electrode layer and negative electrode layer) include electrode active material particles and solid electrolyte particles, and are formed by depositing powder and then applying an appropriate load. At this time, the thickness of the electrode layer is not particularly limited, but is preferably 10 to 200 μm.

固体電解質層に用いられる固体電解質は特に限定されず、例えばポリマー電解質、無機電解質化合物、又はこれらの混合体からなる材料を用いることができる。好ましくは、硫化物系や酸化物系の無機電解質化合物であり、より好ましくは、イオン伝導性に優れる硫黄、リン及びリチウムを少なくとも含む硫化物系固体電解質が適用できる。
硫化物系固体電解質の例としては、特開平4−202024等に記載の固体電解質が使用できる。具体的にはLiSと、SiS、GeS、P、Bのいずれかとから成る固体電解質に、適宜、LiPO、ハロゲン、ハロゲン化合物を添加して用いる。硫黄、リン、リチウムからなる硫化物系固体電解質の製造方法としては、特開2005−228570に記載されるようにLiSとPを原料とし、メカニカルミリング法(以下MM法)により合成する方法が簡便であり好適である。より具体的には、LiSを70モル%、Pを30モル%の比率で混合し、遊星型ボールミルを用いたMM法により硫化物系固体電解質ガラスが得られる。
その後、得られた硫化物系固体電解質ガラスを所定の温度で熱処理することにより、結晶成分を含有する硫化物系固体電解質ガラスセラミックが合成される。熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは195℃〜335℃、特に好ましくは200℃〜330℃である。
このようにして得られた結晶成分を含有する硫化物系固体電解質ガラスセラミックのイオン伝導度は、7.0×10−4〜5.0×10−3(S/cm)程度である。
The solid electrolyte used for the solid electrolyte layer is not particularly limited, and for example, a material composed of a polymer electrolyte, an inorganic electrolyte compound, or a mixture thereof can be used. Preferably, it is a sulfide-based or oxide-based inorganic electrolyte compound, and more preferably a sulfide-based solid electrolyte containing at least sulfur, phosphorus, and lithium excellent in ion conductivity.
As an example of the sulfide-based solid electrolyte, a solid electrolyte described in JP-A-4-202024 can be used. Specifically, Li 3 PO 4 , halogen, and a halogen compound are appropriately added to a solid electrolyte composed of Li 2 S and any of SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , and B 2 S 3 . As a method for producing a sulfide-based solid electrolyte comprising sulfur, phosphorus, and lithium, as described in JP-A-2005-228570, Li 2 S and P 2 S 5 are used as raw materials, and mechanical milling (hereinafter referred to as MM method) is used. The synthesis method is simple and preferable. More specifically, a sulfide-based solid electrolyte glass can be obtained by MM method using a planetary ball mill by mixing Li 2 S at a ratio of 70 mol% and P 2 S 5 at a ratio of 30 mol%.
Thereafter, the obtained sulfide-based solid electrolyte glass is heat-treated at a predetermined temperature to synthesize a sulfide-based solid electrolyte glass ceramic containing a crystal component. The heat treatment temperature is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C.
The ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte glass ceramic containing the crystal component thus obtained is about 7.0 × 10 −4 to 5.0 × 10 −3 (S / cm).

正極層に用いられる正極活物質として、特に限定されるものではないが、LiCoO,LiNiCoO,LiNiO,LiNiMnCoO,LiFeMnO,LiMnNiO,LiMn,LiNiMnO,LiNiVO,LiCrMnO,LiCoVO,LiCoPO,LiFePO,LiFe(SO,LiNi0.8Co0.15Al0.05等の遷移金属複合酸化物リチウム塩が用いられる。これら正極活物質と固体電解質の混合物である正極合材も使用できる。
正極合材は正極活物質と固体電解質を混合して作製する。割合は、正極活物質の重量%として、50wt%〜90wt%が好ましく、さらに好ましくは60wt%〜80wt%である。混合する方法としては、特に限定されず、乾燥紛体をメノウ乳鉢等で混ぜる方法や有機溶媒を加えて混合する方法等適宜選択すればよい。
As a positive electrode active material used in the positive electrode layer, it is not particularly limited, LiCoO 2, LiNiCoO 2, LiNiO 2, LiNiMnCoO 2, LiFeMnO 2, LiMnNiO 4, LiMn 2 O 4, LiNiMnO 2, LiNiVO 4, LiCrMnO 4 , LiCoVO 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4 , LiFe (SO 4 ) 3 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 and other transition metal complex oxide lithium salts are used. A positive electrode mixture which is a mixture of these positive electrode active materials and solid electrolytes can also be used.
The positive electrode mixture is prepared by mixing a positive electrode active material and a solid electrolyte. The ratio is preferably 50 wt% to 90 wt%, more preferably 60 wt% to 80 wt%, as the weight% of the positive electrode active material. The method of mixing is not particularly limited, and may be appropriately selected such as a method of mixing the dried powder in an agate mortar or the like, a method of adding an organic solvent and mixing.

負極層に用いられる負極活物質として、特に限定されるものではないが、黒鉛やグラファイト等の炭素材料やSn金属、In金属、Li金属等を好適に用いることができる。より具体的には、天然黒鉛や各種グラファイト、Sn,Si,Al,Sb,Zn,Bi等の金属粉、SnCu,SnCo,SnFe、Ti−Sn、Ti−Si等の金属合金粉、酸化物(Li4/3Ti5/3O)、窒化物(LiCoN)等の化合物が挙げられ、これらと固体電解質の混合物である負極合材も使用できる。
負極合材は負極活物質と固体電解質を混合して作製する。割合は、負極活物質の重量%として、40wt%〜80wt%が好ましく、さらに好ましくは50wt%〜80wt%である。混合する方法としては、乾燥紛体をメノウ乳鉢等で混ぜる方法や有機溶媒を加えて混合する方法等適宜選択すればよい。
Although it does not specifically limit as a negative electrode active material used for a negative electrode layer, Carbon materials, such as graphite and graphite, Sn metal, In metal, Li metal, etc. can be used suitably. More specifically, natural graphite, various graphites, metal powders such as Sn, Si, Al, Sb, Zn, Bi, Sn 5 Cu 6 , Sn 2 Co, Sn 2 Fe, Ti—Sn, Ti—Si, etc. Examples include metal alloy powders, oxides (Li 4/3 Ti 5/3 O), nitrides (LiCoN), and the like, and a negative electrode mixture that is a mixture of these and a solid electrolyte can also be used.
The negative electrode mixture is prepared by mixing a negative electrode active material and a solid electrolyte. The ratio is preferably 40 wt% to 80 wt%, more preferably 50 wt% to 80 wt%, as the weight% of the negative electrode active material. As a mixing method, a method of mixing the dried powder with an agate mortar or a method of adding and mixing an organic solvent may be selected as appropriate.

集電体としては、Cu、Mg、SUS鋼、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Ge、In、Li又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等を使用できる。正極集電体と負極集電体は同一でも異なっていてもよい。   As the current collector, a plate or foil made of Cu, Mg, SUS steel, Ti, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Ge, In, Li, or an alloy thereof can be used. The positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be the same or different.

本発明に用いる電池素子は、正極層、固体電解質層、負極層を貼り合せ成型することにより製造することができる。成型する方法としては、各部材を堆積させた後、一括して加圧・圧着する方法、ロール間を通して加圧する方法等の他、各層を個別に成型した後に重ね合わせ一括して成型する方法等がある。
剥離面積を抑制した電池素子は、その材料種や積層方法により異なるが、成型時の圧力を調整する方法、各層を単独で成型後に積層する方法、加圧下熱処理を行なう方法、加圧下充放電サイクル処理を数回行なう方法等で得ることができる。
The battery element used in the present invention can be produced by bonding and molding a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer. As a method of molding, after depositing each member, a method of pressurizing and pressing in a lump, a method of pressurizing between rolls, a method of molding each layer individually and then molding in a lump, etc. There is.
The battery element that suppresses the peeled area differs depending on the material type and lamination method, but the method of adjusting the pressure during molding, the method of laminating each layer independently after molding, the method of performing heat treatment under pressure, the charge / discharge cycle under pressure It can be obtained by a method of performing the treatment several times.

接合面でのイオン伝導性を損なわない程度に接着物質を介して成型してもよい。また、固体電解質や活物質の結晶構造等に変化が及ばない程度に加熱融着処理を施してもよい。   You may shape | mold through an adhesive substance to such an extent that the ionic conductivity in a joining surface is not impaired. Further, heat fusion treatment may be performed to such an extent that the solid electrolyte and the crystal structure of the active material do not change.

本発明によれば、上述のリチウム電池を搭載した電子機器が提供される。電子機器としては、特に限定されるものではないが、携帯電話やモバイルパソコン等のモバイル機器や、電気自動車や電動自転車等の移動機器、電動工具等が挙げられる。   According to this invention, the electronic device carrying the above-mentioned lithium battery is provided. Although it does not specifically limit as an electronic device, Mobile devices, such as a mobile telephone and a mobile personal computer, Mobile devices, such as an electric vehicle and an electric bicycle, An electric tool etc. are mentioned.

実施例1
市販のLiS及びP(アルドリッチ製)を用い、モル比70:30で混合し、遊星型ボールミルにより硫化物系固体電解質ガラスが得た。その後、300℃にて2時間処理して結晶成分を含有する硫化物系固体電解質ガラスセラミックを得た。得られた硫化物系固体電解質ガラスセラミックのイオン伝導度は、1.3×10−3S/cmであった。
得られた固体電解質ガラスセラミック粒子と正極活物質であるLiNi0.8Co0.15Al0.05を重量比で30wt%:70wt%で混合して正極合材とした。
また、得られた固体電解質ガラスセラミック粒子と負極活物質である黒鉛粉末を重量比で40wt%:60wt%で混合して負極合材とした。
作製した固体電解質ガラスセラミック粒子200mgを直径15.5mmの金属金型に投入して20MPaの圧力で加圧成型した。さらに上記正極合材100mgを投入して再び60MPaで加圧成型し、正極合材の反対側から上記負極合材を62.4mg投入して再度60MPaで加圧成型することでリチウム二次電池素子を得た。
Example 1
Commercially available Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were mixed at a molar ratio of 70:30, and a sulfide-based solid electrolyte glass was obtained by a planetary ball mill. Then, it processed at 300 degreeC for 2 hours, and obtained the sulfide type solid electrolyte glass ceramic containing a crystal component. The ionic conductivity of the obtained sulfide-based solid electrolyte glass ceramic was 1.3 × 10 −3 S / cm.
The obtained solid electrolyte glass ceramic particles and the positive electrode active material LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 were mixed at a weight ratio of 30 wt%: 70 wt% to obtain a positive electrode mixture.
The obtained solid electrolyte glass ceramic particles and graphite powder as the negative electrode active material were mixed at a weight ratio of 40 wt%: 60 wt% to obtain a negative electrode mixture.
200 mg of the produced solid electrolyte glass ceramic particles were put into a metal mold having a diameter of 15.5 mm and subjected to pressure molding at a pressure of 20 MPa. Further, 100 mg of the positive electrode mixture was added and pressure-molded again at 60 MPa, and 62.4 mg of the negative electrode mixture was charged from the opposite side of the positive electrode mixture and again pressure-molded at 60 MPa to form a lithium secondary battery element. Got.

金属製の台座上に素子を置いた状態でアルミラミネートにより封止しX線CTで観察した(パッケージ圧は、0MPaである)。図10にX線CT観察結果である製造したリチウム二次電池素子の垂直断面図を示す。上側が正極、下側が負極である。素子両端部を結び、垂直方向への各最大変位を計測した結果、正極側最大変位が0μmと負極側最大変位が53μmとなり、これらの和で定義される最大歪みは53μmであった。
上記X線CT観察による水平断面観察結果が図11である。このうち、No.5の画像端部において、若干の剥離部位が観察された。この剥離部分と全体面積から算出される最大剥離面積比率は3.4であった。また、厚み方向占有剥離面積比率は3.9であった。
The element was placed on a metal pedestal, sealed with aluminum laminate, and observed with X-ray CT (package pressure was 0 MPa). FIG. 10 shows a vertical cross-sectional view of the manufactured lithium secondary battery element as a result of X-ray CT observation. The upper side is the positive electrode and the lower side is the negative electrode. As a result of connecting the both ends of the element and measuring each maximum displacement in the vertical direction, the positive electrode side maximum displacement was 0 μm and the negative electrode side maximum displacement was 53 μm, and the maximum strain defined by the sum thereof was 53 μm.
The horizontal cross-sectional observation result by the said X-ray CT observation is FIG. Of these, No. At the edge of the image 5, a slight peeling site was observed. The maximum peeled area ratio calculated from the peeled portion and the entire area was 3.4. Moreover, the thickness direction occupation peeling area ratio was 3.9.

上記素子の両面を集電体としてTiホイルで挟み電池を得た(パッケージ圧は、0MPaである)。以下の方法に従いこの電池を評価した。
電池を0.2mA/cmの電流密度で充電後、0.2mA/cmで放電し、そのときの放電容量を測定した。この充放電工程を20回繰り返し行ない、初回と20回目の放電容量の変化から容量維持率を求めた。
充電時のカット電圧は4.2V、放電時のカット電圧は1.5Vであった。容量は、時間毎に得られた電流量を正極活物質重量で規格化したmAh/gで計測した。放電開始電圧は、放電開始直後の電圧値を計測した。
さらに比較のために、電池に10MPaの圧力を印加した状態で0.2mA/cmの電流密度で充電後、0.2mA/cmで放電し、そのときの放電容量も測定した。この充放電工程を20回繰り返し行ない、1回目のサイクル時の放電容量と20回目のサイクル時の放電容量から容量維持率を求めた。
結果を表1及び表2に示す。
尚、電池素子作製時に生じた反りや歪み、剥離やクラックは、22MPaのパッケージ圧力により接点が取れる形に改善され、ほぼ性能を取り戻した。
A battery was obtained by sandwiching both surfaces of the element as current collectors with Ti foil (package pressure was 0 MPa). The battery was evaluated according to the following method.
After charging the batteries at a current density of 0.2 mA / cm 2, and discharged at 0.2 mA / cm 2, to measure the discharge capacity at that time. This charge / discharge process was repeated 20 times, and the capacity retention rate was determined from the change in the discharge capacity at the first time and the 20th time.
The cut voltage during charging was 4.2V, and the cut voltage during discharging was 1.5V. The capacity was measured by mAh / g obtained by normalizing the amount of current obtained every hour with the weight of the positive electrode active material. As the discharge start voltage, a voltage value immediately after the start of discharge was measured.
For comparison, the battery was charged at a current density of 0.2 mA / cm 2 with a pressure of 10 MPa applied, and then discharged at 0.2 mA / cm 2 , and the discharge capacity at that time was also measured. This charge / discharge process was repeated 20 times, and the capacity retention rate was determined from the discharge capacity at the first cycle and the discharge capacity at the 20th cycle.
The results are shown in Tables 1 and 2.
In addition, the warp, distortion, peeling, and crack generated at the time of producing the battery element were improved so that the contact could be taken by the package pressure of 22 MPa, and the performance was almost recovered.

実施例2
直径15.5mmの金属金型を用い、固体電解質の成型圧を10MPa、片面に正極合材投入後の成型圧を40MPa、もう一方に負極合材投入後の成型圧を40MPaにした以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池素子を得た。
得られたリチウム二次電池素子をX線CT観察した。X線CT観察した結果を図12に示す。上側が負極、下側が正極である。台座が歪んでおり水平が保たれていないが実施例1と同様に素子両端部を結び、垂直方向への各最大変位を計測した。その結果、正極側最大変位が0μmと負極側最大変位が53μmとなり、これらの和で定義される最大歪みは53μmであった。
上記X線CT観察による水平断面観察結果が図13である。このうち、No.15の画像端部において、若干の剥離部位が観察された。この剥離部分と全体面積から算出される最大剥離面積比率は1.6であった。また、厚み方向占有剥離面積比率は4.4であった。
実施例1同様に電池を作製し電池評価した。結果を表1及び表2に示す。
Example 2
Implemented except that a metal mold with a diameter of 15.5 mm was used, the molding pressure of the solid electrolyte was 10 MPa, the molding pressure after charging the positive electrode mixture on one side was 40 MPa, and the molding pressure after charging the negative electrode mixture on the other side was 40 MPa. In the same manner as in Example 1, a lithium secondary battery element was obtained.
The obtained lithium secondary battery element was observed by X-ray CT. The result of X-ray CT observation is shown in FIG. The upper side is a negative electrode, and the lower side is a positive electrode. Although the pedestal is distorted and the level is not maintained, both end portions of the element are connected in the same manner as in Example 1, and each maximum displacement in the vertical direction is measured. As a result, the positive electrode side maximum displacement was 0 μm and the negative electrode side maximum displacement was 53 μm, and the maximum strain defined by the sum thereof was 53 μm.
The horizontal cross-sectional observation result by the said X-ray CT observation is FIG. Of these, No. Some peeling sites were observed at 15 image edges. The maximum peeled area ratio calculated from the peeled portion and the entire area was 1.6. Moreover, the thickness direction occupation peeling area ratio was 4.4.
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

比較例1
直径15.5mmのPET製金型を用い、固体電解質の成型圧を20MPa、片面に正極合材投入後の成型圧を70MPa、もう一方に負極合材投入後の成型圧を70MPaにした以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池素子を得た。
成型後に抜き出すのが困難であったため、得られたリチウム二次電池素子をそのままX線CT観察した結果が図14である。上側が負極、下側が正極である。実施例1と同様に素子両端部を結び、垂直方向への各最大変位を計測した。その結果、正極側最大変位が386μmと負極側最大変位が562μmとなり、これらの和で定義される最大歪みは948μmであった。
上記X線CT観察による水平断面観察結果が図15である。このうち、No.12の画像端部において、中心部に最大剥離部位が観察された。この剥離部分と全体面積から算出される最大剥離面積比率は76.3であった。また、厚み方向占有剥離面積比率は94.1であった。
実施例1同様に電池を作製し電池評価した。結果を表1及び表2に示す。
Comparative Example 1
Other than using a PET mold with a diameter of 15.5 mm, the molding pressure of the solid electrolyte was 20 MPa, the molding pressure after the positive electrode mixture was charged on one side was 70 MPa, and the molding pressure after the negative electrode mixture was charged on the other side was 70 MPa. A lithium secondary battery element was obtained in the same manner as Example 1.
Since it was difficult to extract after molding, FIG. 14 shows the result of X-ray CT observation of the obtained lithium secondary battery element as it is. The upper side is a negative electrode, and the lower side is a positive electrode. Similarly to Example 1, both end portions of the element were connected, and each maximum displacement in the vertical direction was measured. As a result, the maximum displacement on the positive electrode side was 386 μm and the maximum displacement on the negative electrode side was 562 μm, and the maximum strain defined by the sum thereof was 948 μm.
The horizontal cross-sectional observation result by the said X-ray CT observation is FIG. Of these, No. At the 12 image edges, a maximum peeled site was observed at the center. The maximum peeled area ratio calculated from this peeled portion and the entire area was 76.3. Moreover, the thickness direction occupation peel area ratio was 94.1.
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

比較例2
直径15.5mmのPET製金型を用い、固体電解質の成型圧を10MPa、片面に正極合材投入後の成型圧を20MPa、もう一方に負極合材投入後の成型圧を20MPaにした以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池素子を得た。
得られたリチウム二次電池素子をそのままX線CT観察した結果が図16である。上側が負極、下側が正極である。実施例1と同様に素子両端部を結び、垂直方向への各最大変位を計測した。その結果、正極側最大変位が246μmと負極側最大変位が387μmとなり、これらの和で定義される最大歪みは633μmであった。
上記X線CT観察による水平断面観察結果が図17である。このうち、No.11の画像端部において、中心部に最大剥離部位が観察された。この剥離部分と全体面積から算出される最大剥離面積比率は70.5であった。また、厚み方向占有剥離面積比率は96.1であった。
実施例1同様に電池を作製し電池評価した。結果を表1及び表2に示す。
Comparative Example 2
Other than using a PET mold with a diameter of 15.5 mm, the molding pressure of the solid electrolyte was 10 MPa, the molding pressure after charging the positive electrode mixture on one side was 20 MPa, and the molding pressure after charging the negative electrode mixture on the other side was 20 MPa. A lithium secondary battery element was obtained in the same manner as Example 1.
FIG. 16 shows the result of X-ray CT observation of the obtained lithium secondary battery element as it is. The upper side is a negative electrode, and the lower side is a positive electrode. Similarly to Example 1, both end portions of the element were connected, and each maximum displacement in the vertical direction was measured. As a result, the maximum displacement on the positive electrode side was 246 μm and the maximum displacement on the negative electrode side was 387 μm, and the maximum strain defined by the sum thereof was 633 μm.
The horizontal cross-sectional observation result by the said X-ray CT observation is FIG. Of these, No. At 11 image edges, a maximum peeled site was observed at the center. The maximum peeled area ratio calculated from the peeled portion and the entire area was 70.5. Moreover, the thickness direction occupation peel area ratio was 96.1.
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

比較例3
直径15.5mmのPET製金型を用い、固体電解質の成型圧を10MPa、片面に正極合材投入後の成型圧を60MPa、もう一方に負極合材投入後の成型圧を60MPaにした以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池素子を得た。
得られたリチウム二次電池素子をそのままX線CT観察した結果が図18である。上側が負極、下側が正極である。実施例1と同様に素子両端部を結び、垂直方向への各最大変位を計測した。その結果、正極側最大変位が316μmと負極側最大変位が457μmとなり、これらの和で定義される最大歪みは773μmであった。
上記X線CT観察による水平断面観察結果が図19である。このうち、No.12の画像端部において、中心部に最大剥離部位が観察された。この剥離部分と全体面積から算出される最大剥離面積比率は58.9であった。また、厚み方向占有剥離面積比率は95.6であった。
実施例1同様に電池を作製し電池評価した。結果を表1及び表2に示す。
Comparative Example 3
Other than using a PET mold with a diameter of 15.5 mm, the molding pressure of the solid electrolyte was 10 MPa, the molding pressure after charging the positive electrode mixture was 60 MPa on one side, and the molding pressure after charging the negative electrode mixture was 60 MPa on the other side. A lithium secondary battery element was obtained in the same manner as Example 1.
FIG. 18 shows the result of X-ray CT observation of the obtained lithium secondary battery element as it is. The upper side is a negative electrode, and the lower side is a positive electrode. Similarly to Example 1, both end portions of the element were connected, and each maximum displacement in the vertical direction was measured. As a result, the maximum displacement on the positive electrode side was 316 μm and the maximum displacement on the negative electrode side was 457 μm, and the maximum strain defined by the sum thereof was 773 μm.
The horizontal cross-sectional observation result by the said X-ray CT observation is FIG. Of these, No. At the 12 image edges, a maximum peeled site was observed at the center. The maximum peeled area ratio calculated from the peeled portion and the entire area was 58.9. Moreover, the thickness direction occupation peeling area ratio was 95.6.
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例1及び2並びに比較例1〜3の電池素子の剥離部分(印加圧力なし)の体積を測定した。結果を表3に示す。表3から、剥離体積が1mmをはるかに超える比較例1〜3の電池素子では、電池性能を維持するために高いパッケージ圧を印加する必要があることが分かる。
尚、剥離部の体積は、X線CT装置(ヤマト科学(株)製 TDM−1000IS)により立体画像を得て、解析ソフト(ラトックシステムエンジニアリング(株)製 TRI/3D−VOL)を用いて測定した。
The volume of the peeled part (no applied pressure) of the battery elements of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 was measured. The results are shown in Table 3. From Table 3, it can be seen that in the battery elements of Comparative Examples 1 to 3 whose peel volume far exceeds 1 mm 3 , it is necessary to apply a high package pressure in order to maintain the battery performance.
The volume of the peeled portion was measured using a three-dimensional image obtained by an X-ray CT apparatus (TDM-1000IS manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) and using analysis software (TRI / 3D-VOL manufactured by Ratoku System Engineering Co., Ltd.). did.

本発明のリチウム電池は、携帯電話やモバイルパソコン等のモバイル機器や、電気自動車や電動自転車等の移動機器、電動工具等に使用できる。   The lithium battery of the present invention can be used for mobile devices such as mobile phones and mobile personal computers, mobile devices such as electric cars and electric bicycles, and electric tools.

1 リチウム電子
3 電池素子
5 正極集電体
7 負極集電体
10 正極層
20 固体電解質層
30 負極層
40 素子剥離部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium electron 3 Battery element 5 Positive electrode collector 7 Negative electrode collector 10 Positive electrode layer 20 Solid electrolyte layer 30 Negative electrode layer 40 Element peeling part

Claims (6)

正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
20回目のサイクル時の容量維持率が80%以上であることを特徴とするリチウム電池。
A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
A lithium battery having a capacity retention rate of 80% or more at the 20th cycle.
20回サイクル時の放電開始電圧の変化が0.5V以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム電池。   2. The lithium battery according to claim 1, wherein a change in the discharge start voltage during 20 cycles is 0.5 V or less. 正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
大気圧下で、前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向に対して垂直な断面である水平断面のうち、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積と素子面積の比が下記式(2)を満たすことを特徴とするリチウム電池。
E/F×100≦20…(2)
(式中、Eは、剥離面積が最大となる水平断面の剥離面積(mm)を示す。
Fは、剥離面積が最大となる水平断面の素子面積(mm)を示す。)
A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
The ratio of the peeled area and the element area of the horizontal cross section where the peeled area is the maximum among the horizontal cross sections perpendicular to the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer at atmospheric pressure is the following formula: (2) The lithium battery characterized by satisfy | filling.
E / F × 100 ≦ 20 (2)
(In formula, E shows the peeling area (mm < 2 >) of the horizontal cross section from which a peeling area becomes the maximum.
F represents the element area (mm 2 ) of the horizontal cross section where the peeled area is maximized. )
正極層、固体電解質層及び負極層を備えるリチウム電池であって、
パッケージ圧が0〜1MPaであり、
大気圧下で前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の剥離部の投影面積、及び前記正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積が下記式(3)を満たすことを特徴とするリチウム電池。
100×H/(H+I)<50…(3)
(Iは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積から剥離部の投影面積を除いた投影面積(mm)を示す。Hは、正極層、固体電解質層及び負極層の積層方向の固体電解質層の投影面積の剥離部の投影面積(mm)を示す。)
A lithium battery comprising a positive electrode layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer,
The package pressure is 0 to 1 MPa,
The projected area of the peeled portion in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer under atmospheric pressure, and the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are expressed by the following formula (3 A lithium battery.
100 × H / (H + I) <50 (3)
(I indicates a projected area (mm 2 ) obtained by removing the projected area of the peeling portion from the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer. H is the positive electrode layer, the solid electrolyte layer. And the projected area (mm 2 ) of the peeled portion of the projected area of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the negative electrode layer.)
前記正極層、固体電解質層及び負極層のうち少なくとも1つが粒子を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム電池。   The lithium battery according to claim 1, wherein at least one of the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer includes particles. 請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム電池を搭載したことを特徴とする電子機器。   An electronic device comprising the lithium battery according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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