JP2013211238A - Lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion battery having a large electric capacity and good cycle characteristics, and to provide an anode used for the same.SOLUTION: The anode is manufactured of an anode mixture having a weight per unit area of 8.5 mg/cmor less, and the anode mixture contains an anode active material and a solid electrolyte.

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion battery.

現行のリチウムイオン電池には、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に、漏洩、発火等の危険性が懸念されている。従って、次世代リチウムイオン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。   In the current lithium ion battery, an organic electrolyte is mainly used as an electrolyte. Although organic electrolytes exhibit high ionic conductivity, the electrolytes are liquid and flammable, so there are concerns about risks such as leakage and ignition when used as batteries. Therefore, development of a safer solid electrolyte is expected as an electrolyte for next-generation lithium ion batteries.

かかる課題を解決するために、イオウ(S)元素、リチウム(Li)元素及びリン(P)元素を主成分として含有する硫化物系固体電解質が開発され、この硫化物系固体電解質を用いた電池として全固体リチウム電池が開発された。
しかしながら、従来の全固体リチウム電池は充放電サイクルを繰り返すと放電容量が低下するという問題があり(特許文献1参照)、サイクル特性を向上させることが求められている。
In order to solve this problem, a sulfide-based solid electrolyte containing sulfur (S) element, lithium (Li) element and phosphorus (P) element as main components has been developed, and a battery using this sulfide-based solid electrolyte As an all-solid-state lithium battery was developed.
However, the conventional all-solid lithium battery has a problem that the discharge capacity decreases when the charge / discharge cycle is repeated (see Patent Document 1), and it is required to improve the cycle characteristics.

また、全固体リチウム電池に用いられている負極はカーボン(C)が多く、電気容量が小さいという欠点があった(特許文献1参照)。
かかる欠点を解消するため、負極にシリコンを用いる方法がある。
しかしながら、負極にシリコンを用いた全固体リチウム電池では、充放電を繰り返すと電気容量が小さくなるという欠点がある。
Moreover, the negative electrode used for the all-solid-state lithium battery has a defect that there are many carbons (C) and its electric capacity is small (see Patent Document 1).
In order to eliminate such drawbacks, there is a method of using silicon for the negative electrode.
However, an all-solid lithium battery using silicon for the negative electrode has a drawback in that the electric capacity decreases when charging and discharging are repeated.

特開2006−32232号公報JP 2006-32232 A

本発明は、電気容量が大きく、サイクル特性が良いリチウムイオン電池及びそれに用いる負極を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a lithium ion battery having a large electric capacity and good cycle characteristics, and a negative electrode used therefor.

本発明によれば、以下のリチウムイオン電池等が提供される。
1.目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、前記負極合材が負極活物質及び固体電解質を含む負極。
2.負極活物質と固体電解質とを含み、前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が8.3mg/cm以下である負極。
3.負極活物質と固体電解質とバインダーを含み、前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が8.5mg/cm以下である負極。
4.目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、前記負極合材が負極活物質及び固体電解質を含む負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。
5.負極活物質と固体電解質とを含み、前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が8.3mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。
6.負極活物質と固体電解質とバインダーとを含み、前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が8.5mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。
7.前記負極合材の目付け量が0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下である、4に記載のリチウムイオン電池。
8.前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が0.05mg/cm以上、7.8mg/cm以下である、5に記載のリチウムイオン電池。
9.前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下である、6に記載のリチウムイオン電池。
10.前記固体電解質が、下記式(1)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、4〜9のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
Li…(1)
(式(1)において、MはB、Zn、Si、Cu、Ga及びGeからなる群から選択される元素を示す。a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。)
11.前記負極合材が、シリコン、スズ、インジウム、アルミニウム、リチウムのうち少なくとも1つ以上で構成される負極活物質を含む、4〜10のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
12.前記負極活物質の平均粒子径が100μm以下である、4〜11のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
13.4〜12のいずれかに記載のリチウムイオン電池を備える装置。
According to the present invention, the following lithium ion batteries and the like are provided.
1. A negative electrode manufactured by a negative electrode mixture having a basis weight of 8.5 mg / cm 2 or less, wherein the negative electrode mixture includes a negative electrode active material and a solid electrolyte.
2. A negative electrode comprising a negative electrode active material and a solid electrolyte, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is 8.3 mg / cm 2 or less.
3. A negative electrode comprising a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a binder, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is 8.5 mg / cm 2 or less.
4). A lithium ion battery comprising a negative electrode mixture having a basis weight of 8.5 mg / cm 2 or less, wherein the negative electrode mixture includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and an electrolyte layer containing a solid electrolyte.
5. A negative electrode layer including a negative electrode active material and a solid electrolyte, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is 8.3 mg / cm 2 or less; and an electrolyte layer including a solid electrolyte. Lithium ion battery.
6). An electrolyte comprising a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a binder, wherein the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder have a total weight per unit area of negative electrode of 8.5 mg / cm 2 or less, and a solid electrolyte A lithium-ion battery comprising a layer.
7). 5. The lithium ion battery according to 4, wherein the weight per unit area of the negative electrode mixture is 0.05 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less.
8). The negative active material to the total weight of the negative electrode per unit area of the solid electrolyte 0.05 mg / cm 2 or more and 7.8 mg / cm 2 or less, a lithium ion battery according to 5.
9. 7. The lithium ion battery according to 6, wherein a total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is 0.05 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less.
10. The lithium ion battery according to any one of 4 to 9, wherein the solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte that satisfies a composition represented by the following formula (1).
Li a M b P c S d (1)
(In Formula (1), M represents an element selected from the group consisting of B, Zn, Si, Cu, Ga, and Ge. Ad represents the composition ratio of each element, and a: b: c: d. Satisfies 1-12: 0 to 0.2: 1: 2-9.)
11. The lithium ion battery according to any one of 4 to 10, wherein the negative electrode mixture includes a negative electrode active material composed of at least one of silicon, tin, indium, aluminum, and lithium.
12 The lithium ion battery according to any one of 4 to 11, wherein the negative electrode active material has an average particle size of 100 μm or less.
A device comprising the lithium ion battery according to any one of 13.4 to 12.

本発明によれば、電気容量が大きく、サイクル特性が良いリチウムイオン電池及びそれに用いる負極を得ることができる。   According to the present invention, a lithium ion battery having a large electric capacity and good cycle characteristics and a negative electrode used therefor can be obtained.

実施例及び比較例で作製したリチウムイオン電池の試験サイクル回数と容量維持率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the test cycle frequency | count of the lithium ion battery produced by the Example and the comparative example, and a capacity | capacitance maintenance factor.

本発明の第一のリチウムイオン電池は、目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、前記負極合材が負極活物質及び固体電解質を含む負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の第二のリチウムイオン電池は、負極活物質と固体電解質とを含み、前記負極活物質と前記固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量が8.3mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の第三のリチウムイオン電池は、負極活物質と固体電解質とバインダーとを含み、前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極層単位面積当たりの合計重量が8.5mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えることを特徴とする。
The first lithium ion battery of the present invention is manufactured from a negative electrode mixture having a basis weight of 8.5 mg / cm 2 or less. The negative electrode mixture includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and a solid electrolyte. And an electrolyte layer.
The second lithium ion battery of the present invention includes a negative electrode active material and a solid electrolyte, and the total weight of the negative electrode active material and the solid electrolyte per unit area of the negative electrode layer is 8.3 mg / cm 2 or less. A negative electrode layer and an electrolyte layer containing a solid electrolyte are provided.
The third lithium ion battery of the present invention includes a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a binder, and the total weight of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder per unit area of the negative electrode layer is 8.5 mg / The negative electrode layer which is cm < 2 > or less and the electrolyte layer containing a solid electrolyte are provided.

本発明のリチウムイオン電池は、負極層を製造する材料である負極合材の目付け量が8.5mg/cm以下、又は、負極層に含まれる負極活物質と固体電解質の合計が8.3mg/cm以下、又は、負極層に含まれる負極活物質と固体電解質とバインダーの合計が8.5mg/cm以下である。なお、負極層を製造する材料である負極合材の目付け量、負極層に含まれる負極活物質と固体電解質の合計、及び負極層に含まれる負極活物質と固体電解質とバインダーの合計の下限は特に制限しないが、0.01mg/cmを下限とすることができる。このような負極層を用いることにより、充放電サイクルを繰り返した際に生じる電気容量の低下を抑制できる。 In the lithium ion battery of the present invention, the basis weight of the negative electrode mixture, which is a material for producing the negative electrode layer, is 8.5 mg / cm 2 or less, or the total of the negative electrode active material and the solid electrolyte contained in the negative electrode layer is 8.3 mg. / Cm 2 or less, or the total of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder contained in the negative electrode layer is 8.5 mg / cm 2 or less. In addition, the basis weight of the negative electrode mixture which is a material for manufacturing the negative electrode layer, the total of the negative electrode active material and the solid electrolyte contained in the negative electrode layer, and the lower limit of the total of the negative electrode active material, the solid electrolyte and the binder contained in the negative electrode layer are Although it does not restrict | limit, 0.01 mg / cm < 2 > can be made into a minimum. By using such a negative electrode layer, it is possible to suppress a decrease in electric capacity that occurs when the charge / discharge cycle is repeated.

負極合材の目付け量は好ましくは0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下、より好ましくは、0.1mg/cm以上7.5mg/cm以下である。
また、負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量は好ましくは、0.05mg/cm以上7.8mg/cm以下、より好ましくは、1.0mg/cm以上7.3mg/cm以下である。
また、負極活物質と固体電解質とバインダーの負極単位面積当たりの合計重量は、好ましくは0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下、より好ましくは、0.1mg/cm以上7.5mg/cm以下である。
The basis weight of the negative electrode mixture is preferably 0.05 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less, more preferably 0.1 mg / cm 2 or more and 7.5 mg / cm 2 or less.
The total weight per negative electrode layer per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is preferably, 0.05 mg / cm 2 or more 7.8 mg / cm 2 or less, more preferably, 1.0 mg / cm 2 or more 7.3mg / Cm 2 or less.
Further, the total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is preferably 0.05 mg / cm 2 or more, 8.0 mg / cm 2 or less, more preferably 0.1 mg / cm 2 or more 7 0.5 mg / cm 2 or less.

負極合材の目付け量が8.5mg/cmより大きいと、又は、負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量が、8.3mg/cmより大きいと、又は、負極活物質と固体電解質とバインダーの負極層単位面積当たりの合計重量が、8.5mg/cmより大きいと、負極層が厚くなり、サイクル特性が悪くなる。一方、負極合材の目付け量、又は、負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量、又は、負極活物質と固体電解質とバインダーの負極層単位面積当たりの合計重量が、0.01mg/cmより小さいと電気容量が低くなるおそれがある。 When the basis weight of the negative electrode mixture is greater than 8.5 mg / cm 2 , or the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is greater than 8.3 mg / cm 2 , or the negative electrode active If the total weight of the substance, the solid electrolyte, and the binder per unit area of the negative electrode layer is greater than 8.5 mg / cm 2 , the negative electrode layer becomes thick and the cycle characteristics deteriorate. On the other hand, the weight per unit area of the negative electrode mixture, the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte, or the total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is 0. If it is less than 01 mg / cm 2 , the electric capacity may be lowered.

本発明でいう「目付け量」とは、負極層を製造する材料である負極合材の重量を、製造される負極層の単位面積当たりに換算した重量のことである。また、「負極層に含まれる負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量」とは、製造された負極層に含まれる負極活物質と固体電解質の合計重量をその負極層の単位面積当たりに換算した重量のことである。従って負極合材の目付け量、又は、負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量が大きくなると、負極層は厚くなり、負極合材の目付け量、又は、負極活物質と固体電解質の負極層単位面積当たりの合計重量が小さくなると、負極層は薄くなる。   The “weight per unit area” referred to in the present invention is a weight obtained by converting the weight of the negative electrode mixture, which is a material for manufacturing the negative electrode layer, per unit area of the negative electrode layer to be manufactured. The "total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte contained in the negative electrode layer" means the total weight of the negative electrode active material and the solid electrolyte contained in the manufactured negative electrode layer. It is the weight converted per area. Accordingly, when the weight of the negative electrode mixture or the total weight of the negative electrode active material and the solid electrolyte per unit area of the negative electrode layer increases, the negative electrode layer becomes thicker, and the weight of the negative electrode mixture, or the negative electrode active material and the solid electrolyte When the total weight per unit area of the negative electrode layer becomes smaller, the negative electrode layer becomes thinner.

負極層を構成する負極合材は、負極活物質及び固体電解質を含む。また、負極合材は、導電助剤、バインダー(結着剤)等を含んでもよい。集電体や、集電体上に形成された導電層は含まれない。   The negative electrode mixture constituting the negative electrode layer includes a negative electrode active material and a solid electrolyte. In addition, the negative electrode mixture may include a conductive additive, a binder (binder), and the like. The current collector and the conductive layer formed on the current collector are not included.

本発明において、負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質で、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
負極活物質は、好ましくは、シリコン(Si)、スズ(Sn)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、リチウム(Li)のうち少なくとも1つ以上で構成される。負極活物質は、より好ましくは、シリコン又はスズの少なくとも1つであるか、あるいはシリコンとスズの合金であり、さらに好ましくはシリコンである。
In the present invention, the negative electrode active material is a material capable of inserting and removing lithium ions, and those known as negative electrode active materials in the battery field can be used.
The negative electrode active material is preferably composed of at least one of silicon (Si), tin (Sn), indium (In), aluminum (Al), and lithium (Li). The negative electrode active material is more preferably at least one of silicon and tin, or an alloy of silicon and tin, and more preferably silicon.

本発明において、負極活物質は粉末であることが好ましく、その平均粒径は100μm以下であることが好ましい。下限は特に限定されないが、例えば100μm以下1nm以上である。より好ましくは、負極活物質の平均粒径は、30μm以下10nm以上である。
平均粒径が100μm以下の負極活物質粉末を使用することで、固体電解質粒子と負極活物質粒子の接触が良好に保たれて十分な反応サイトを確保することができる。
一方、平均粒径が1nm未満の負極活物質を用いて製造した負極合材を用いて製造した負極層は割れが生じやすく、負極層の製造が困難となるおそれがある。
平均粒径の測定は、レーザー回折式粒度分布測定方法により行うことが好ましい。
In the present invention, the negative electrode active material is preferably a powder, and the average particle size is preferably 100 μm or less. Although a minimum is not specifically limited, For example, it is 100 micrometers or less and 1 nm or more. More preferably, the average particle diameter of the negative electrode active material is 30 μm or less and 10 nm or more.
By using the negative electrode active material powder having an average particle size of 100 μm or less, the contact between the solid electrolyte particles and the negative electrode active material particles is maintained well, and sufficient reaction sites can be secured.
On the other hand, a negative electrode layer manufactured using a negative electrode mixture manufactured using a negative electrode active material having an average particle size of less than 1 nm is likely to be cracked, which may make it difficult to manufacture the negative electrode layer.
The average particle size is preferably measured by a laser diffraction particle size distribution measuring method.

平均粒径が100μm以下の負極活物質粉末は、金属や合金の塊、粗粒子を乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、カッターミル等を用いて粉砕し、得られた粉砕物を篩い分けすることにより得ることができる。
尚、粉砕は湿式粉砕又は乾式粉砕のどちらで実施してもよく、また実施手段も上記に制限されることはない。
上記の他、液相中で金属イオンを還元する方法、溶融金属を急冷する方法、電子ビーム蒸着の物理的方法等を利用して、平均粒径が100μm以下の粉末を得ることもできる。
Negative electrode active material powder having an average particle size of 100 μm or less is obtained by pulverizing a lump of metal or alloy and coarse particles using a mortar, ball mill, bead mill, jet mill, planetary ball mill, vibration ball mill, sand mill, cutter mill, etc. Can be obtained by sieving.
The pulverization may be performed by either wet pulverization or dry pulverization, and the implementation means is not limited to the above.
In addition to the above, a powder having an average particle size of 100 μm or less can be obtained by using a method of reducing metal ions in a liquid phase, a method of rapidly cooling molten metal, a physical method of electron beam evaporation, or the like.

負極活物質は、例えば、負極合材全重量の10重量%〜95重量%の量で使用することができる。好ましくは、負極合材全重量の30重量%〜90重量%であり、より好ましくは、負極合材全重量の45重量%〜85重量%である。   A negative electrode active material can be used in the quantity of 10 weight%-95 weight% of negative electrode compound material total weight, for example. Preferably, it is 30% to 90% by weight of the total weight of the negative electrode mixture, and more preferably 45% to 85% by weight of the total weight of the negative electrode mixture.

負極層は、公知の方法により製造することができる。例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。   The negative electrode layer can be produced by a known method. For example, it can be produced by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

本発明において、電解質層、及び負極層は、固体電解質を含む。電解質層と負極層に用いる固体電解質はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。
固体電解質は、ポリマー系固体電解質、酸化物系固体電解質及び硫化物系固体電解質がある。
In the present invention, the electrolyte layer and the negative electrode layer include a solid electrolyte. The solid electrolytes used for the electrolyte layer and the negative electrode layer may be the same or different.
Solid electrolytes include polymer-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and sulfide-based solid electrolytes.

(1)ポリマー系固体電解質
本発明のポリマー系固体電解質は、特に制限はない。例えば、特開2010−262860号公報に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートやこれらの誘導体、共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が挙げられる。
フッ素樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)や、これらの誘導体等を構成単位として含むものが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のホモポリマーや、VdFとHFPとの共重合体等の2元共重合体や3元共重合体、等が挙げられる。
(1) Polymer-based solid electrolyte The polymer-based solid electrolyte of the present invention is not particularly limited. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-262860, materials used as polymer electrolytes such as fluororesin, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylate, derivatives thereof, and copolymers thereof can be used.
As a fluororesin, what contains vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), tetrafluoroethylene (TFE), these derivatives, etc. as a structural unit is mentioned, for example. Specifically, binary copolymers such as homopolymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene (PHFP), and polytetrafluoroethylene (PTFE), copolymers of VdF and HFP, and 3 Examples thereof include an original copolymer.

(2)酸化物系固体電解質
酸化物系固体電解質には、LiN、LISICON類、Thio−LISICON類、La0.55Li0.35TiO等のペロブスカイト構造を有する結晶や、NASICON型構造を有するLiTi12、さらにこれら結晶化させた電解質等を用いることができる。
(2) Oxide-based solid electrolyte The oxide-based solid electrolyte has a crystal having a perovskite structure such as LiN, LISICON, Thio-LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 or a NASICON type structure. LiTi 2 P 3 O 12 and these crystallized electrolytes can be used.

(3)硫化物系固体電解質
下記式(1)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が好ましい。
Li (1)
式(1)において、MはB、Zn、Si、Cu、Ga及びGeからなる群から選択される元素を示す。
a〜dは各元素の組成比(モル比)を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1〜9:1:3〜7、さらに好ましくは、a:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。
各元素の組成比は、固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
(3) Sulfide-based solid electrolyte A lithium ion conductive inorganic solid electrolyte satisfying the composition represented by the following formula (1) is preferable.
Li a Mb P c S d (1)
In the formula (1), M represents an element selected from the group consisting of B, Zn, Si, Cu, Ga, and Ge.
a to d indicate the composition ratio (molar ratio) of each element, and a: b: c: d satisfies 1 to 12: 0 to 0.2: 1: 2 to 9. Preferably, b is 0, more preferably the ratio of a, c and d (a: c: d) is a: c: d = 1 to 9: 1: 3-7, more preferably a: c: d = 1.5-4: 1: 3.25-4.5.
The composition ratio of each element can be controlled by adjusting the blending amount of the raw material compound when producing the solid electrolyte.

硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス化)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみ結晶化していてもよい。ここで、結晶化させるとガラスよりもイオン伝導度が高くなる場合があり、その場合には結晶化させることが好ましい。   The sulfide-based solid electrolyte may be amorphous (vitrified), crystallized (glass ceramics), or only partially crystallized. Here, when crystallized, the ion conductivity may be higher than that of glass. In that case, it is preferable to crystallize.

結晶構造として、例えば、特開2002−109955号公報に開示されているLiPS構造、Li構造、LiPS構造、LiSiS構造、LiSiS構造、特開2005−228570号公報や国際公開第2007/066539号に開示されているLi11構造が好ましい。
ここで、Li11構造は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有する。
上記結晶構造であれば、非晶体よりイオン伝導度が高くなるからである。
As the crystal structure, for example, Li 7 PS 6 structure, Li 4 P 2 S 6 structure, Li 3 PS 4 structure, Li 4 SiS 4 structure, Li 2 SiS 3 structure disclosed in JP 2002-109955 A, The Li 7 P 3 S 11 structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-228570 and International Publication No. 2007/065539 is preferable.
Here, the Li 7 P 3 S 11 structure has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0. 0 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184). It has diffraction peaks at 3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg.
This is because the above-described crystal structure has higher ionic conductivity than the amorphous body.

硫化物系固体電解質の結晶化された部分は、1つの結晶構造のみからなっていてもよく、複数の結晶構造を有していてもよい。尚、結晶化方法については後述する。   The crystallized portion of the sulfide-based solid electrolyte may be composed of only one crystal structure or may have a plurality of crystal structures. The crystallization method will be described later.

硫化物系固体電解質の結晶化度(非晶体よりイオン伝導度が高い結晶構造の結晶化度)は、50%以上が好ましく、より好ましくは、60%以上である。硫化物系固体電解質の結晶化度が50%未満の場合は、結晶化によりイオン伝導度を高くするという効果が少なくなるためである。
結晶化度は、NMRスペクトル装置を用いることにより測定できる。具体的には、硫化物系固体電解質の固体31P−NMRスペクトルを測定し、得られたスペクトルについて、70−120ppmに観測される共鳴線を、非線形最少二乗法を用いたガウス曲線に分離し、各曲線の面積比を求めることにより測定できる。
The degree of crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte (the degree of crystallinity of the crystal structure having higher ionic conductivity than that of the amorphous body) is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more. This is because when the crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte is less than 50%, the effect of increasing the ionic conductivity by crystallization is reduced.
The degree of crystallinity can be measured by using an NMR spectrum apparatus. Specifically, a solid 31 P-NMR spectrum of a sulfide-based solid electrolyte was measured, and the resonance line observed at 70-120 ppm was separated into a Gaussian curve using a nonlinear least square method. It can be measured by determining the area ratio of each curve.

硫化物系固体電解質の製造方法について、硫化物系固体電解質の原料は、LiS(硫化リチウム)、P(三硫化二リン)(五硫化二リン)、SiS(硫化珪素)、LiSiO(オルト珪酸リチウム)、Al(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二砒素)、LiPO(燐酸リチウム)、LiGeO(ゲルマン酸リチウム)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)等を用いることができる。好ましい硫化物系固体電解質の原料は、LiS(硫化リチウム)、P(五硫化二リン)である。
以下、硫化物系固体電解質の原料として、LiS(硫化リチウム)、P(五硫化二リン)を用いた硫化物系固体電解質について説明する。
Method for producing the sulfide-based solid electrolyte, the raw material of the sulfide-based solid electrolyte, Li 2 S (lithium sulfide), P 2 S 3 (trisulfide diphosphorus), P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide), SiS 2 (silicon sulfide), Li 4 SiO 4 (lithium orthosilicate), Al 2 S 3 (aluminum sulfide), simple phosphorus (P), simple sulfur (S), silicon (Si), GeS 2 (germanium sulfide), B 2 S 3 (diarsenic trisulfide), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (lithium germanate), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (lithium aluminate), or the like may be used. it can. Preferred raw materials for sulfide-based solid electrolytes are Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 (diphosphorus pentasulfide).
Hereinafter, a sulfide-based solid electrolyte using Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 (diphosphorus pentasulfide) as a raw material for the sulfide-based solid electrolyte will be described.

硫化リチウムは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。
硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−84438号公報に記載の方法により製造することができる。
例えば、特開2010−163356号公報では、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。
また、特開2011−84438号公報では、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。
As lithium sulfide, those commercially available without particular limitation can be used, but those having high purity are preferred.
Lithium sulfide can be manufactured by the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 7-330312, Unexamined-Japanese-Patent No. 9-283156, Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-163356, and Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-84438, for example.
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-163356, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is desulfurized. Lithium sulfide is synthesized by hydrogenation.
In JP 2011-84438 A, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 10 ° C. to 100 ° C. in an aqueous solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized. To synthesize lithium sulfide.

硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。一方、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物となるおそれがあり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度の硫化物系固体電解質を得ることができないおそれがある。
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウムイオン電池のサイクル性能を低下させることがない。このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。
The lithium sulfide preferably has a total lithium oxide lithium salt content of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a lithium N-methylaminobutyrate content. The content is preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). On the other hand, if the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may become a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of this crystallized product is low. Further, even if this crystallized product is subjected to a heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a sulfide-based solid electrolyte having high ion conductivity cannot be obtained.
In addition, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium ion battery. When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.

尚、特開平7−330312号公報及び特開平9−283156号公報に記載の硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。
一方、特開2010−163356号公報に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに硫化物系固体電解質の製造に用いても良い。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開第2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
The lithium sulfide described in JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156 preferably contains a lithium salt of sulfur oxide and the like, and thus is preferably purified.
On the other hand, since lithium sulfide produced by the method for producing lithium sulfide described in JP 2010-163356 A has a very small content of lithium salt of sulfur oxide, etc., production of a sulfide-based solid electrolyte without purification. You may use for.
As a preferable purification method, for example, the purification method described in International Publication No. 2005/40039 and the like can be mentioned. Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.

五硫化二リン(P)は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 As long as diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) is industrially manufactured and sold, it can be used without particular limitation.

硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜78:22であり、特に好ましくは68:32〜76:24である。   The ratio (molar ratio) of lithium sulfide to diphosphorus pentasulfide is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 78:22, and particularly preferably 68:32 to 76:24.

硫化物系ガラス固体電解質の製造方法としては、溶融急冷法、メカニカルミリング法(MM法)、有機溶媒中で原料を反応させるスラリー法等がある。
(a)溶融急冷法
溶融急冷法は、例えば、特開平6−279049号公報、国際公開第2005/119706号に記載されている。
具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは10〜10000K/secである。
As a method for producing a sulfide-based glass solid electrolyte, there are a melt quenching method, a mechanical milling method (MM method), a slurry method in which raw materials are reacted in an organic solvent, and the like.
(A) Melting and quenching method The melting and quenching method is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-279049 and International Publication No. 2005/119706.
Specifically, a mixture of P 2 S 5 and Li 2 S in a predetermined amount in a mortar and pelletized is placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, a sulfide-based glass solid electrolyte is obtained by putting it in ice and rapidly cooling it. The reaction temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C. The reaction time is preferably 0.1 hour to 12 hours, more preferably 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 10 to 10,000 K / sec.

(b)メカニカルミリング法
メカニカルミリング法は、例えば、特開平11−134937号公報、特開2004−348972号公報、特開2004−348973号公報に記載されている。
具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス固体電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス固体電解質を得ることができるという利点がある。
また、MM法では、ガラス固体電解質の製造と同時に、ガラス固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は回転ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等種々の形式を用いることができる。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
また、特開2010−90003に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。
また、特開2009−110920号公報や特開2009−211950号公報に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをメカニカルミリング処理してもよい。
また、特開2010−30889号公報に記載のようにメカニカルミリング処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
メカニカルミリングの際に原料が60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
(B) Mechanical milling method The mechanical milling method is described in, for example, JP-A-11-134937, JP-A-2004-348972, and JP-A-2004-34897.
Specifically, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar and reacted for a predetermined time using, for example, various ball mills to obtain a sulfide-based glass solid electrolyte.
The MM method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glass solid electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a glass solid electrolyte having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of raw materials.
Further, the MM method has an advantage that the glass solid electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glass solid electrolyte.
In the MM method, various types such as a rotating ball mill, a rolling ball mill, a vibrating ball mill, and a planetary ball mill can be used.
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Further, as described in JP 2010-90003 A, balls of a ball mill may be used by mixing balls having different diameters.
Further, as described in JP2009-110920A and JP2009-2111950A, an organic solvent may be added to the raw material to form a slurry, and the slurry may be mechanically milled.
Moreover, you may adjust the temperature in the mill in the case of a mechanical milling process as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-30889.
It is preferable that the raw material be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower during mechanical milling.

(c)スラリー法
スラリー法は、国際公開第2004/093099号、国際公開第2009/047977号に記載されている。
具体的には、所定量のP粒子とLiS粒子を有機溶媒中で所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。ここで、特開2010−140893号公報に記載されているように、反応を進行させるため、原料を含むスラリーをビーズミルと反応容器との間で循環させながら反応させてもよい。
また、国際公開第2009/047977号に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。
また、特開2011−270191号公報に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
(C) Slurry method The slurry method is described in International Publication No. 2004/093099 and International Publication No. 2009/047977.
Specifically, a sulfide-based glass solid electrolyte is obtained by reacting a predetermined amount of P 2 S 5 particles and Li 2 S particles in an organic solvent for a predetermined time. Here, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-140893, in order to advance the reaction, the slurry containing the raw material may be reacted while being circulated between the bead mill and the reaction vessel.
Further, as described in International Publication No. 2009/047977, when the raw material lithium sulfide is pulverized in advance, the reaction can proceed efficiently.
In addition, as described in JP2011-270191A, a polar solvent having a solubility parameter of 9.0 or more (eg, methanol, diethylcarnate, acetonitrile) in order to increase the specific surface area of the raw material lithium sulfide. It may be immersed in a predetermined time.

反応温度は、好ましくは20℃以上80℃以下、より好ましくは、20℃以上60℃以下である。反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは、2時間以上14時間以下である。
原料である硫化リチウムと五硫化二リンが、有機溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、有機溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は0.001kg以上1kg以下程度となる。好ましくは0.005kg以上0.5kg以下、特に好ましくは0.01kg以上〜0.3kgである。
The reaction temperature is preferably 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. The reaction time is preferably 1 hour or longer and 16 hours or shorter, more preferably 2 hours or longer and 14 hours or shorter.
It is preferable that the raw materials lithium sulfide and phosphorous pentasulfide be in a solution or slurry form by the addition of an organic solvent. Usually, the amount of the raw material (total amount) added to 1 liter of the organic solvent is about 0.001 kg or more and 1 kg or less. Preferably they are 0.005 kg or more and 0.5 kg or less, Especially preferably, they are 0.01 kg or more and 0.3 kg.

有機溶媒としては特に制限はないが、非プロトン性有機溶媒が特に好ましい。
非プロトン性有機溶媒としては、非プロトン性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性の極性有機化合物(たとえば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機イオウ化合物、環式有機リン化合物等)を、単独溶媒として、又は、混合溶媒として、好適に使用することができる。
炭化水素系有機溶媒としては、溶媒である炭化水素系溶媒としては、飽和炭化水素、不飽和炭化水素又は芳香族炭化水素が使用できる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
The organic solvent is not particularly limited, but an aprotic organic solvent is particularly preferable.
Examples of the aprotic organic solvent include an aprotic organic solvent (for example, a hydrocarbon organic solvent), an aprotic polar organic compound (for example, an amide compound, a lactam compound, a urea compound, an organic sulfur compound, and a cyclic organic phosphorus). A compound or the like) can be suitably used as a single solvent or a mixed solvent.
As the hydrocarbon-based organic solvent, saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons, or aromatic hydrocarbons can be used as the hydrocarbon-based solvent that is the solvent.
Examples of the saturated hydrocarbon include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, and cyclohexane.
Examples of the unsaturated hydrocarbon include hexene, heptene, cyclohexene and the like.
Aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, decalin, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and the like.
Of these, toluene and xylene are particularly preferable.

炭化水素系溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましい。具体的には、水分含有量として100重量ppm以下が好ましく、特に30重量ppm以下であることが好ましい。
尚、必要に応じて炭化水素系溶媒に他の溶媒を添加してもよい。具体的には、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類等、ジクロロメタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。
The hydrocarbon solvent is preferably dehydrated in advance. Specifically, the water content is preferably 100 ppm by weight or less, and particularly preferably 30 ppm by weight or less.
In addition, you may add another solvent to a hydrocarbon type solvent as needed. Specific examples include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as ethanol and butanol, esters such as ethyl acetate, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane and chlorobenzene.

上記溶融急冷法、MM法及びスラリー法の温度条件、処理時間、仕込み料等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。   Manufacturing conditions such as temperature conditions, processing time, and charge for the melt quenching method, MM method and slurry method can be appropriately adjusted according to the equipment used.

硫化物系固体電解質(ガラスセラミックス)の製造方法は、特開2005−228570号公報、国際公開第2007/066539号、特開2002−109955号公報に開示されている。
具体的には、上記で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し、硫化物系結晶化ガラス(ガラスセラミックス)固体電解質を生成させる。
また、加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。
また、加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。
また、雰囲気は、空気であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
さらに特開2010−186744号公報に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte (glass ceramic) is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-228570, International Publication No. 2007/065539, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-109955.
Specifically, the sulfide-based solid electrolyte (glass) obtained above is heat-treated at a predetermined temperature to produce a sulfide-based crystallized glass (glass ceramic) solid electrolyte.
The heating is preferably performed in an environment having a dew point of −40 ° C. or less, and more preferably in an environment having a dew point of −60 ° C. or less.
Moreover, the pressure at the time of a heating may be a normal pressure, and may be under pressure reduction.
The atmosphere may be air or an inert atmosphere.
Furthermore, you may heat in a solvent as it describes in Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-186744.

例えば、Li11構造のガラスセラミックスを生成させる熱処理温度は、好ましくは180℃以上330℃以下、より好ましくは、200℃以上320℃以下、特に好ましくは、210℃以上310℃以下である。180℃より低いと結晶化度の高い結晶化ガラスが得られにくい場合があり、330℃より高いと結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
熱処理時間は、180℃以上210℃以下の温度の場合は、3時間以上240時間以下が好ましく、特に4時間以上230時間以下が好ましい。また、210℃より高く330℃以下の温度の場合は、0.1時間以上240時間以下が好ましく、特に0.2時間以上235時間以下が好ましく、さらに、0.3時間以上230時間以下が好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、結晶化度の高い結晶化ガラスが得られにくい場合があり、240時間より長いと、結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
For example, the heat treatment temperature for producing a glass ceramic having a Li 7 P 3 S 11 structure is preferably 180 ° C. or higher and 330 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or higher and 320 ° C. or lower, and particularly preferably 210 ° C. or higher and 310 ° C. or lower. is there. When the temperature is lower than 180 ° C., it may be difficult to obtain a crystallized glass having a high degree of crystallinity.
In the case of a temperature of 180 ° C. or higher and 210 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 hours or longer and 240 hours or shorter, and particularly preferably 4 hours or longer and 230 hours or shorter. When the temperature is higher than 210 ° C. and lower than or equal to 330 ° C., it is preferably 0.1 hours or longer and 240 hours or shorter, particularly preferably 0.2 hours or longer and 235 hours or shorter, and more preferably 0.3 hours or longer and 230 hours or shorter. .
When the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystallized glass with a high degree of crystallinity, and when it is longer than 240 hours, a crystallized glass with a low degree of crystallinity may be generated.

また、LiPS結晶構造、Li結晶構造、LiPS結晶構造、LiSiS結晶構造及びLiSiS結晶構造を形成するための加熱条件については、例えば、特開2002−109955に開示されている方法により上記結晶構造を有する結晶化ガラスを製造することができる。 In addition, regarding the heating conditions for forming the Li 7 PS 6 crystal structure, the Li 4 P 2 S 6 crystal structure, the Li 3 PS 4 crystal structure, the Li 4 SiS 4 crystal structure, and the Li 2 SiS 3 crystal structure, for example, Crystallized glass having the above crystal structure can be produced by the method disclosed in JP-A No. 2002-109955.

硫化物系固体電解質の平均粒径は、0.01μm以上1000μm以下が好ましく、より好ましくは、0.01μm以上500μm以下であり、さらに好ましくは、1μm以上250μm以下である。
平均粒径の測定は、レーザー回折式粒度分布測定方法により行うことが好ましい。
The average particle size of the sulfide-based solid electrolyte is preferably 0.01 μm or more and 1000 μm or less, more preferably 0.01 μm or more and 500 μm or less, and further preferably 1 μm or more and 250 μm or less.
The average particle size is preferably measured by a laser diffraction particle size distribution measuring method.

負極層において固体電解質は、例えば、負極合材全重量の5重量%〜90重量%の量で使用することができる。好ましくは、負極合材重量の10重量%〜70重量%であり、より好ましくは、負極合材重量の15重量%〜55重量%である。   In the negative electrode layer, the solid electrolyte can be used, for example, in an amount of 5 wt% to 90 wt% of the total weight of the negative electrode mixture. Preferably, it is 10% by weight to 70% by weight of the negative electrode composite material weight, and more preferably 15% by weight to 55% by weight of the negative electrode composite material weight.

本発明のリチウムイオン電池は、上述した負極層と、固体電解質を含む電解質層を有し、他の構成部材はリチウムイオン電池で公知の材料及び構成を採用できる。通常、リチウムイオン電池は、正極層と負極層の間に電解質層を有する。   The lithium ion battery of the present invention has the above-described negative electrode layer and an electrolyte layer containing a solid electrolyte, and other constituent members can employ known materials and configurations for lithium ion batteries. Usually, a lithium ion battery has an electrolyte layer between a positive electrode layer and a negative electrode layer.

正極層は、通常、正極活物質を含み、正極活物質と固体電解質の合材(正極合材)を用いることができる。さらに、導電助剤や結着剤(バインダー)を含んでもよい。正極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、V、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCo、LiCo1−YMn、LiNi1−YMn(ここで、0≦Y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNi、LiMn2−ZCo(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePOが挙げられる。
正極材としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が使用できる。好ましくは、TiSが使用できる。
The positive electrode layer usually contains a positive electrode active material, and a mixture of the positive electrode active material and a solid electrolyte (positive electrode mixture) can be used. Furthermore, you may contain a conductive support agent and a binder (binder). As the positive electrode active material, a material capable of inserting and desorbing lithium ions, and a material known as a positive electrode active material in the battery field can be used.
For example, V 2 O 5 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 < c <1, a + b + c = 1), LiNi 1-Y Co Y 2 O 2 , LiCo 1-Y Mn Y 2 O 2 , LiNi 1-Y Mn Y 2 O 2 (where 0 ≦ Y <1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 ( 0 <a <2,0 <b <2,0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2-Z Ni Z O 4, LiMn 2-Z Co Z O 4 ( wherein And 0 <Z <2), LiCoPO 4 , and LiFePO 4 .
As a positive electrode material, what is used as a positive electrode active material in the battery field | area can be used. For example, in the sulfide system, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like can be used. Preferably, TiS 2 can be used.

また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V13)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。 In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like can be used. It is also possible to use a mixture of these. Preferably, lithium cobaltate can be used.

また、LiCoO,LiNiO,LiMn,LiFePO,LiCoPO,LiMn1/3Ni1/3Co1/3,LiMn1.5Ni0.5等も使用できる(Xは0.1〜0.9である。) In addition, Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x Mn 2 O 4 , Li x FePO 4 , Li x CoPO 4 , Li x Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 , Li x Mn 1 .5 Ni 0.5 O 2 and the like can also be used (X is 0.1 to 0.9.)

尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe)、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物、硫黄、金属インジウム等が使用できる。
有機ジスルフィド化合物及びカーボンスルフィド化合物を以下に例示する。

Figure 2013211238
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), organic disulfide compounds, carbon sulfide compounds, sulfur, metallic indium and the like can be used.
Organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds are exemplified below.
Figure 2013211238

式(A)〜(C)において、Xはそれぞれ置換基であり、n及びmはそれぞれ独立に1〜2の整数であり、p及びqはそれぞれ独立に1〜4の整数である。
式(D)において、Zはそれぞれ−S−又は−NH−であり、nは繰返数2〜300の整数である。
In formulas (A) to (C), X is a substituent, n and m are each independently an integer of 1 to 2, and p and q are each independently an integer of 1 to 4.
In formula (D), Z is -S- or -NH-, respectively, and n is an integer of 2 to 300 repetitions.

Figure 2013211238
Figure 2013211238

固体電解質としては、上述した電解質層で使用する固体電解質と同様なものが例示できる。   Examples of the solid electrolyte include those similar to the solid electrolyte used in the above-described electrolyte layer.

正極層は、公知の方法により製造することができる。例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。   The positive electrode layer can be produced by a known method. For example, it can be produced by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

負極層及び正極層には導電助剤を添加することができる。導電助剤は導電性を有していればよい。導電助剤の導電率は、1×10S/cm以上が好ましく、より好ましくは1×10S/cm以上である。
導電助剤としては、炭素材料、金属粉末及び金属化合物から選択される物質や、これらの混合物が挙げられる。
A conductive additive can be added to the negative electrode layer and the positive electrode layer. The conductive auxiliary agent should just have electroconductivity. The conductivity of the conductive auxiliary agent is preferably 1 × 10 3 S / cm or more, more preferably 1 × 10 5 S / cm or more.
Examples of the conductive aid include substances selected from carbon materials, metal powders and metal compounds, and mixtures thereof.

導電助剤の具体例としては、炭素、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質が好ましい。より好ましくは、導電性が高い炭素単体、炭素、ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。これらは単独でも2種以上でも併用可能である。
なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
Specific examples of conductive aids include carbon, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, tungsten and zinc. A substance containing at least one element selected from the group consisting of: More preferably, it is a simple substance of carbon, carbon, nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium, gold, platinum, niobium, osnium or rhodium having a high conductivity, simple substance, mixture or compound.
Specific examples of the carbon material include carbon black such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black and channel black, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.

負極層において導電助剤は、例えば、負極合材全重量の60重量%〜0.5重量%の量で使用することができる。好ましくは、負極合材重量の50重量%〜1.5重量%であり、より好ましくは、負極合材重量の40重量%〜2.5重量%である。   In the negative electrode layer, the conductive additive can be used, for example, in an amount of 60 wt% to 0.5 wt% of the total weight of the negative electrode mixture. Preferably, it is 50% by weight to 1.5% by weight of the negative electrode composite material weight, and more preferably 40% by weight to 2.5% by weight of the negative electrode composite material weight.

負極層、正極層及び電解質層には結着剤(バインダー)を添加することができる。   A binder (binder) can be added to the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the electrolyte layer.

結着剤としては、ポリエチレン系、フッ化ビニリデン系が好適であり、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリシロキ酸、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。   As the binder, polyethylene-based and vinylidene fluoride-based are preferable, and polyvinylidene fluoride, polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polysiloxy acid, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer. Etc.

好ましくは、結着剤は下記式(10)の単位、又は式(11)の単位を有する重合体である。
−[OCHCH−・・・(10)
−[CH−CF−・・・(11)
重量平均分子量は10000〜100000が好ましい。重量平均分子量はゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定する。
Preferably, the binder is a polymer having a unit of the following formula (10) or a unit of the formula (11).
- [OCH 2 CH 2] n - ··· (10)
- [CH 2 -CF 2] n - ··· (11)
The weight average molecular weight is preferably 10,000 to 100,000. The weight average molecular weight is measured by gel permeation chromatography (GPC).

さらに好ましくは下記式で表わされる。
20−[OCHCH−H
21−[CH−CF−R21´
20、R21及びR21´は、それぞれ直鎖状又は分岐状の炭化水素基、環状構造を有する基、又は官能基であり、炭化水素基及び環状構造を有する基は官能基を含んでもよい。
More preferably, it is represented by the following formula.
R 20 - [OCH 2 CH 2 ] n -H
R 21 — [CH 2 —CF 2 ] n —R 21 ′
R 20 , R 21 and R 21 ′ are each a linear or branched hydrocarbon group, a group having a cyclic structure, or a functional group, and the hydrocarbon group and the group having a cyclic structure may include a functional group. Good.

また、本発明で使用する結着剤は、分子骨格に下記構造単位Aを含む樹脂が好ましい。

Figure 2013211238
(式中、R〜Rは、それぞれ、H、F、CF、CHCF、CFCF、CFCFCF、OCFCFCF、OCF又はClであり、R〜Rは少なくとも1つは、F、CF、CHCF、CFCF、CFCFCF、OCFCFCF又はOCFである。) Further, the binder used in the present invention is preferably a resin containing the following structural unit A in the molecular skeleton.
Figure 2013211238
(Wherein R 1 to R 4 are H, F, CF 3 , CH 2 CF 3 , CF 2 CF 3 , CF 2 CF 2 CF 3 , OCF 2 CF 2 CF 3 , OCF 3 or Cl, respectively. And at least one of R 1 to R 4 is F, CF 3 , CH 2 CF 3 , CF 2 CF 3 , CF 2 CF 2 CF 3 , OCF 2 CF 2 CF 3, or OCF 3 ).

好ましくは、フッ化ビニリデンに由来する構造(R=F,R=F,R=H,R=H)を有する共重合体やポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン(TEF)に由来する構造(R=F,R=F,R=F,R=F)を有する共重合体又は単独重合体、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)に由来する構造(R=F,R=F,R=CF,R=F)を有する共重合体又は単独重合体である。
具体的にはPVDF−HFP、PVDF−HFP−TEF、PVDF−TEF、TEF−HFP等が挙げられる。
Preferably, a copolymer having a structure derived from vinylidene fluoride (R 1 = F, R 2 = F, R 3 = H, R 4 = H), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene (TEF) A copolymer or a homopolymer having a structure derived from (R 1 = F, R 2 = F, R 3 = F, R 4 = F), a structure derived from hexafluoropropylene (HFP) (R 1 = F , R 2 = F, R 3 = CF 3 , R 4 = F).
Specific examples include PVDF-HFP, PVDF-HFP-TEF, PVDF-TEF, TEF-HFP, and the like.

また、結着剤は、式(1)で示される繰返単位及び式(2)で示される繰返単位を有するものであることが好ましい。(1)はフッ化ビニリデンに基づく重合単位(VDF)であり、(2)はヘキサフルオロプロピレンに基づく重合単位(HFP)である。

Figure 2013211238
mは、一分子中の式(1)で示される繰返単位の数、nは一分子中の式(2)で示される繰返単位の数を示す。 Moreover, it is preferable that a binder has a repeating unit shown by Formula (1), and a repeating unit shown by Formula (2). (1) is a polymerized unit (VDF) based on vinylidene fluoride, and (2) is a polymerized unit (HFP) based on hexafluoropropylene.
Figure 2013211238
m represents the number of repeating units represented by the formula (1) in one molecule, and n represents the number of repeating units represented by the formula (2) in one molecule.

nが10未満であるとニトリル溶媒に溶解することができないおそれがある。nが50より大きいとVDFの特性が発揮されず、密着性が乏しくなるおそれがある。より好ましくは、m:n=80〜90:20〜10である。
バインダー分子の数平均分子量は、1,000〜100,000であることが好ましい。
If n is less than 10, it may not be dissolved in the nitrile solvent. When n is larger than 50, the characteristics of VDF are not exhibited and the adhesion may be poor. More preferably, it is m: n = 80-90: 20-10.
The number average molecular weight of the binder molecule is preferably 1,000 to 100,000.

具体的には、結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体が特に好ましい。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。   Specifically, examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, Alternatively, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer is particularly preferred. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

結着剤は、例えば、負極合材全重量の30重量%〜0.5重量%の量で使用することができる。好ましくは、負極合材重量の20重量%〜1.0重量%であり、より好ましくは、負極合材重量の10重量%〜1.5重量%である。   The binder can be used, for example, in an amount of 30% by weight to 0.5% by weight of the total weight of the negative electrode mixture. Preferably, it is 20% by weight to 1.0% by weight of the negative electrode composite material weight, and more preferably 10% by weight to 1.5% by weight of the negative electrode composite material weight.

本発明のリチウムイオン電池は、集電体を備えることが好ましい。負極集電体は負極の電解質側とは反対側に、正極集電体は正極の電解質側とは反対側に設ける。
集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。
The lithium ion battery of the present invention preferably includes a current collector. The negative electrode current collector is provided on the side opposite to the electrolyte side of the negative electrode, and the positive electrode current collector is provided on the side opposite to the electrolyte side of the positive electrode.
As the current collector, a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof can be used.

本発明のリチウムイオン電池は、上述した各部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
The lithium ion battery of the present invention can be manufactured by bonding and joining the above-described members. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity.
In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.

また、本発明は、上記リチウムイオン電池の構成要素として説明した負極層を単独で、負極として提供することができる。   Moreover, this invention can provide the negative electrode layer demonstrated as a component of the said lithium ion battery independently as a negative electrode.

製造例1[硫化リチウムの製造]
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開第2005/040039号の実施例と同様に行った。
(1)硫化リチウム(LiS)の製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報の第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1 [Production of lithium sulfide]
Production and purification of lithium sulfide were carried out in the same manner as in Examples of International Publication No. 2005/040039.
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) of JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid for 2 hours at a supply rate of 3 liters / minute.
Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。
尚、以下の固体電解質の製造では精製した硫化リチウムを用いた。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. . NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.
Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.
In the following production of the solid electrolyte, purified lithium sulfide was used.

製造例2[固体電解質の製造]
製造例1で製造した硫化リチウム(精製した硫化リチウム)を用いて、国際公開第07/066539号の実施例1と同様の方法で固体電解質の製造及び結晶化を行った。具体的には、下記のように行った。
Production Example 2 [Production of solid electrolyte]
Using the lithium sulfide produced in Production Example 1 (purified lithium sulfide), a solid electrolyte was produced and crystallized in the same manner as in Example 1 of International Publication No. 07/065539. Specifically, it was performed as follows.

製造例1で製造した硫化リチウム(精製した硫化リチウム)0.6508g(0.01417mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)1.3492g(0.00607mol)をよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケをアルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ社製:型番P−7)に取り付けた。
そして、はじめの数分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(85rpm)にして硫化リチウムと五硫化二リンを十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。このメカニカルミリング処理をした白黄色の粉体をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。この硫化物ガラスのガラス転移温度をDSC(示差走査熱量測定)により測定したところ、220℃であった。
この硫化物ガラスを窒素雰囲気下、300℃で2時間加熱し、硫化物ガラスセラミックスを製造した。
得られた硫化物ガラスセラミックスについて、X線回折測定したところ、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
硫化物ガラスセラミックは粒子状であり、平均粒径は、190μm(D50)であった。
0.6508 g (0.01417 mol) of lithium sulfide (purified lithium sulfide) produced in Production Example 1 and 1.3492 g (0.00607 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) were mixed well. Then, the mixed powder and 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm were put into an alumina pot and completely sealed, and the alumina pot was filled with nitrogen to form a nitrogen atmosphere. This pot was attached to a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: model number P-7).
Then, for the first few minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (85 rpm) to sufficiently mix lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 20 hours at a rotational speed of the planetary ball mill at 370 rpm. As a result of evaluating the mechanically milled white yellow powder by X-ray measurement, it was confirmed that the powder was vitrified (sulfide glass). It was 220 degreeC when the glass transition temperature of this sulfide glass was measured by DSC (differential scanning calorimetry).
This sulfide glass was heated at 300 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to produce a sulfide glass ceramic.
The obtained sulfide glass ceramic was measured by X-ray diffraction. As a result, 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29.5, 30.0 deg. A peak was observed.
The sulfide glass ceramic was particulate, and the average particle size was 190 μm (D50).

実施例1
(1)負極合材シートの作製
製造例2で製造した固体電解質(ガラスセラミックス)粉末8.15gと、平均径5μmのSi粉末(高純度化学研究所製,純度99.9%)3.49gを軽く混合し、イソブチロニトリル(キシダ化学製)11.5gを加えた。その中にバインダーとして、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HFP)(arkema製,kyner(登録商標))10重量%をイソブチロニトリル(キシダ化学製)に溶解させた溶液を3.59g加えた。直径10mmのジルコニア製ボール10個を加え、アルミナ製ポットを完全密閉し、このポットを遊星型ボールミル機に取り付けた。370rpmで2時間メカニカルミリングを行うことでスラリーを得た。
Al箔(東洋アルミ製,1N−30−H18,厚さ0.03mm)上に導電性プライマー(日本黒鉛製,製品名:バニーハイト)を厚さが0.01mmになるように塗布し、十分に乾燥させた。この導電性プライマー層の上に、メカニカルミリングで作製したスラリーを塗布することで負極合材層を形成した。スラリー塗布量は溶媒除去後の固形分(負極合材重量に相当)が、単位面積当りの重量で3.48mg/cmとなるように調整した(負極合材目付け量)。塗布後、150℃で3時間真空乾燥を行い、負極合材シート(負極層)を得た。
Example 1
(1) Production of negative electrode composite sheet 8.15 g of solid electrolyte (glass ceramics) powder produced in Production Example 2 and Si powder having an average diameter of 5 μm (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.9%) 3.49 g Were mixed lightly and 11.5 g of isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical) was added. A solution in which 10% by weight of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP) (manufactured by arkema, KYNER (registered trademark)) is dissolved in isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical) as a binder therein. 3.59 g was added. Ten zirconia balls having a diameter of 10 mm were added, the alumina pot was completely sealed, and the pot was attached to a planetary ball mill. A slurry was obtained by performing mechanical milling at 370 rpm for 2 hours.
Apply a conductive primer (made by Nippon Graphite, product name: Bunny Height) on Al foil (Toyo Aluminum, 1N-30-H18, thickness 0.03 mm) to a thickness of 0.01 mm, and fully Dried. On this electroconductive primer layer, the negative electrode compound material layer was formed by apply | coating the slurry produced by the mechanical milling. The slurry coating amount was adjusted so that the solid content after removal of the solvent (corresponding to the weight of the negative electrode mixture) was 3.48 mg / cm 2 per unit area (negative electrode composite weight per unit area). After coating, vacuum drying was performed at 150 ° C. for 3 hours to obtain a negative electrode mixture sheet (negative electrode layer).

(2)負極合材を用いたハーフセルの作製
製造例2で調製した無機固体電解質粉末60mgを直径10mmのセラミック製の円筒に投入し、加圧成型して電解質層(電解質シート)とした。
次に(1)で作製した負極合材シート(目付け量:3.48mg/cm)を直径10mmのパンチを用いて円形に打ち抜いた。打ち抜いたシートの負極合材層側を電解質層と接触するように加圧成型することで、作用極とした。
作用極の反対側から、参照極及び対極として、LiIn合金箔を貼合し加圧成型して、三層構造のハーフセルを作製した。尚、LiIn合金は原子数比Li/Inが0.8以下であれば、Li脱挿入の反応電位が一定(0.62Vvs.Li/Li)に保たれるため、参照極として使用することが可能となる。
(2) Production of Half Cell Using Negative Electrode Composite Material 60 mg of the inorganic solid electrolyte powder prepared in Production Example 2 was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm, and pressure-molded to obtain an electrolyte layer (electrolyte sheet).
Next, the negative electrode mixture sheet (weight per unit area: 3.48 mg / cm 2 ) prepared in (1) was punched out into a circle using a punch having a diameter of 10 mm. The negative electrode composite material layer side of the punched sheet was pressure-molded so as to be in contact with the electrolyte layer to obtain a working electrode.
From the opposite side of the working electrode, a LiIn alloy foil was bonded and pressure-molded as a reference electrode and a counter electrode, and a half cell having a three-layer structure was produced. When the atomic ratio Li / In is 0.8 or less, the LiIn alloy can be used as a reference electrode because the Li desorption reaction potential is kept constant (0.62 V vs. Li / Li + ). Is possible.

(3)サイクル特性評価
作製したハーフセルについて、サイクル特性評価を行った。1.02mA/cmで、0.01Vvs.Li/Liまで定電流(CC)でLi挿入を行い、その電圧で電流が0.127mA/cmとなるまで定電圧(CV)でLi挿入を行った。続いて1.02mA/cmで、1.52Vvs.Li/Liまで定電流(CC)でLi脱離を行った。この条件でLi脱挿入サイクルを繰返し、サイクル毎のLi脱離容量を測定した。各サイクルのLi脱離容量を、初回Li脱離容量で除すことにより、容量維持率を算出した。Li脱挿入サイクル数と容量維持率の関係を図1に示す。
(3) Cycle characteristic evaluation Cycle characteristic evaluation was performed about the produced half cell. 1.02 mA / cm 2 and 0.01 Vvs. Li insertion was performed at a constant current (CC) up to Li / Li + , and Li insertion was performed at a constant voltage (CV) until the current reached 0.127 mA / cm 2 at that voltage. Subsequently, at 1.02 mA / cm 2 , 1.52 Vvs. Li desorption was performed at a constant current (CC) up to Li / Li + . The Li desorption cycle was repeated under these conditions, and the Li desorption capacity for each cycle was measured. The capacity retention rate was calculated by dividing the Li desorption capacity of each cycle by the initial Li desorption capacity. The relationship between the number of Li insertion / removal cycles and the capacity retention rate is shown in FIG.

実施例2
負極合材の目付け量を2.46mg/cmとした以外は、実施例1と同様に評価した。Li脱挿入サイクル数と容量維持率の関係を図1に示す。
Example 2
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of the negative electrode mixture was 2.46 mg / cm 2 . The relationship between the number of Li insertion / removal cycles and the capacity retention rate is shown in FIG.

比較例1
負極合材の目付け量を9.08mg/cmとした以外は実施例1と同様に評価した。Li脱挿入サイクル数と容量維持率の関係を図1に示す。
図1のように、負極合材の目付け量が8.5mg/cm以下である、実施例1,2では、Li脱挿入サイクルが40サイクル後においても、初回Li脱離容量の8割程度を維持しているのに対し、負極合材の目付け量が8.5mg/cmを超過した比較例1では、実施例1,実施例2と比較し、Li脱挿入サイクル毎の容量低下が顕著である。このように、負極合材の目付け量が8.5mg/cm以下である負極層を用いることで、繰り返し使用しても容量維持率が高くサイクル特性が良好な負極合材を提供することができる。
Comparative Example 1
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of the negative electrode mixture was 9.08 mg / cm 2 . The relationship between the number of Li insertion / removal cycles and the capacity retention rate is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, in Examples 1 and 2 where the basis weight of the negative electrode mixture is 8.5 mg / cm 2 or less, about 80% of the initial Li desorption capacity even after the Li desorption cycle is 40 cycles. In Comparative Example 1 in which the weight of the negative electrode mixture exceeded 8.5 mg / cm 2 , the capacity decrease for each Li insertion / desorption cycle was lower than that in Example 1 and Example 2. It is remarkable. Thus, by using the negative electrode layer having a negative electrode composite weight of 8.5 mg / cm 2 or less, it is possible to provide a negative electrode mixture having a high capacity retention rate and good cycle characteristics even when used repeatedly. it can.

本発明のリチウムイオン電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等、各種装置の電池として用いることができる。   The lithium ion battery of the present invention can be used as a battery for various devices such as a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, and a hybrid electric vehicle.

Claims (13)

目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、前記負極合材が負極活物質及び固体電解質を含む負極。 A negative electrode manufactured by a negative electrode mixture having a basis weight of 8.5 mg / cm 2 or less, wherein the negative electrode mixture includes a negative electrode active material and a solid electrolyte. 負極活物質と固体電解質とを含み、前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が8.3mg/cm以下である負極。 A negative electrode comprising a negative electrode active material and a solid electrolyte, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is 8.3 mg / cm 2 or less. 負極活物質と固体電解質とバインダーを含み、前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が8.5mg/cm以下である負極。 A negative electrode comprising a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a binder, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is 8.5 mg / cm 2 or less. 目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、前記負極合材が負極活物質及び固体電解質を含む負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising a negative electrode mixture having a basis weight of 8.5 mg / cm 2 or less, wherein the negative electrode mixture includes a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and an electrolyte layer containing a solid electrolyte. 負極活物質と固体電解質とを含み、前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が8.3mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。 A negative electrode layer including a negative electrode active material and a solid electrolyte, wherein the total weight per unit area of the negative electrode active material and the solid electrolyte is 8.3 mg / cm 2 or less; and an electrolyte layer including a solid electrolyte. Lithium ion battery. 負極活物質と固体電解質とバインダーとを含み、前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が8.5mg/cm以下である負極層と、固体電解質を含む電解質層と、を備えるリチウムイオン電池。 An electrolyte comprising a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a binder, wherein the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder have a total weight per unit area of negative electrode of 8.5 mg / cm 2 or less, and a solid electrolyte A lithium-ion battery comprising a layer. 前記負極合材の目付け量が0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下である、請求項4に記載のリチウムイオン電池。 The lithium ion battery according to claim 4, wherein a weight per unit area of the negative electrode mixture is 0.05 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less. 前記負極活物質と前記固体電解質の負極単位面積当たりの合計重量が0.05mg/cm以上、7.8mg/cm以下である、請求項5に記載のリチウムイオン電池。 The negative active material to the total weight of the negative electrode per unit area of the solid electrolyte 0.05 mg / cm 2 or more and 7.8 mg / cm 2 or less, a lithium ion battery according to claim 5. 前記負極活物質と前記固体電解質と前記バインダーの負極単位面積当たりの合計重量が0.05mg/cm以上、8.0mg/cm以下である、請求項6に記載のリチウムイオン電池。 The lithium ion battery according to claim 6, wherein a total weight per unit area of the negative electrode active material, the solid electrolyte, and the binder is 0.05 mg / cm 2 or more and 8.0 mg / cm 2 or less. 前記固体電解質が、下記式(1)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、請求項4〜9のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
Li…(1)
(式(1)において、MはB、Zn、Si、Cu、Ga及びGeからなる群から選択される元素を示す。a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。)
The lithium ion battery according to any one of claims 4 to 9, wherein the solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte satisfying a composition represented by the following formula (1).
Li a M b P c S d (1)
(In Formula (1), M represents an element selected from the group consisting of B, Zn, Si, Cu, Ga, and Ge. Ad represents the composition ratio of each element, and a: b: c: d. Satisfies 1-12: 0 to 0.2: 1: 2-9.)
前記負極合材が、シリコン、スズ、インジウム、アルミニウム、リチウムのうち少なくとも1つ以上で構成される負極活物質を含む、請求項4〜10のいずれかに記載のリチウムイオン電池。   The lithium ion battery according to any one of claims 4 to 10, wherein the negative electrode composite material includes a negative electrode active material composed of at least one of silicon, tin, indium, aluminum, and lithium. 前記負極活物質の平均粒子径が100μm以下である、請求項4〜11のいずれかに記載のリチウムイオン電池。   The lithium ion battery according to claim 4, wherein the negative electrode active material has an average particle size of 100 μm or less. 請求項4〜12のいずれかに記載のリチウムイオン電池を備える装置。   The apparatus provided with the lithium ion battery in any one of Claims 4-12.
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