JP2013222530A - All solid state battery and method for charging/discharging all solid state battery - Google Patents

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陽太 前川
Hiromichi Kojika
博道 小鹿
Hiroyuki Higuchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all solid state battery improved in cycle characteristics.SOLUTION: An all solid state battery includes a negative electrode layer and an electrolyte layer containing an inorganic solid electrolyte. In the all solid state battery, a retention rate of a discharge capacity after 100 cycles is 50% or more, under a charge/discharge cycle condition where constant current (CC) charging till 2.65 V at 0.2 C is performed, constant voltage (CV) charging till a current of 0.01 C at a voltage of 2.65 V is performed, and constant current (CC) charging till 0.6 V at 0.2 C is performed.

Description

本発明は、全固体電池及び全固体電池の充放電方法に関する。   The present invention relates to an all-solid battery and an all-solid battery charge / discharge method.

近年の移動通信、情報電子機器の発達に伴い、高容量かつ軽量なリチウム二次電池の需要が増加する傾向にある。室温で高いリチウムイオン伝導性を示す電解質のほとんどが液体であり、市販されているリチウムイオン二次電池の多くが有機系電解液を用いている。
しかしながら、有機系電解液を用いたリチウム二次電池では、漏洩、発火及び爆発の危険性があり、より安全性の高い電池が望まれている。
With the recent development of mobile communication and information electronic devices, the demand for high-capacity and lightweight lithium secondary batteries tends to increase. Most electrolytes exhibiting high lithium ion conductivity at room temperature are liquids, and many of the commercially available lithium ion secondary batteries use organic electrolytes.
However, a lithium secondary battery using an organic electrolyte has a risk of leakage, ignition and explosion, and a battery with higher safety is desired.

上記安全性の問題を解決する電池として、有機系電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体電池が提案されている。全固体電池は、電解質の漏洩や発火が起こりにくいという特徴を有する一方で、サイクル特性が悪いという欠点があった。   As a battery for solving the safety problem, an all-solid battery using a solid electrolyte instead of an organic electrolyte has been proposed. The all-solid-state battery has a feature that electrolyte leakage and ignition hardly occur, but has a disadvantage that cycle characteristics are poor.

本発明の目的は、サイクル特性が向上した全固体電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide an all-solid battery having improved cycle characteristics.

本発明によれば、以下の全固体電池等が提供される。
1.負極層と、
無機固体電解質を含む電解質層と、
を備える全固体電池であって、
0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行う充放電サイクルの条件の下で、100サイクル後に放電容量の維持率が50%以上である全固体電池。
2.前記負極層が、負極活物質及び無機固体電解質を含む1に記載の全固体電池。
3.前記負極活物質が、シリコン、スズ、炭素、マグネシウム、アルミニウム及びガリウムから選択される1以上の金属又は合金を含む2に記載の全固体電池。
4.前記負極活物質の平均粒径が0.01μm〜100μmであり、前記無機固体電解質の平均粒径が0.01μm〜100μmである2又は3に記載の全固体電池。
5.前記無機固体電解質が、下記式(1)に示す組成を満たすガラス、又は下記式(1)に示す組成を満たすガラスセラミックスである1〜4のいずれかに記載の全固体電池。
Li (1)
(式中、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGe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。)
6.電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量[mAh/g]が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の20%)以上であり、
前記初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了する全固体電池の充放電方法。
(Xは、ハーフセル製造後に初めて行う前記負極活物質へのLiイオン挿入において、0.5mA/cmで、負極活物質電位が0.01Vvs.Li/LiになるまでLiイオンを挿入し、その後0.01Vvs.Li/Liで、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、0.5mA/cmで電位1.52Vvs.Li/LiまでLiイオンを脱離させた際に、前記負極活物質内に残存するLi容量である。
但し、Xを決定するハーフセルは、負極層及び電解質層が積層した構造を含み、前記負極層が含む負極活物質は、前記全固体電池の負極層が含む負極活物質と同一であって、負極層単位面積当たりの量が同じであり、前記電解質層が含む無機固体電解質は、前記全固体電池の電解質層が含む無機固体電解質と同一であって、電解質層単位面積当たりの量が同じである。)
According to the present invention, the following all solid state battery and the like are provided.
1. A negative electrode layer;
An electrolyte layer containing an inorganic solid electrolyte;
An all solid state battery comprising:
At 0.2C, constant current (CC) charge up to 2.65V, and at constant voltage (CV) charge until current reaches 0.01C at a voltage of 2.65V. An all-solid-state battery having a discharge capacity maintenance rate of 50% or more after 100 cycles under conditions of a charge / discharge cycle in which current (CC) discharge is performed.
2. 2. The all solid state battery according to 1, wherein the negative electrode layer includes a negative electrode active material and an inorganic solid electrolyte.
3. 3. The all solid state battery according to 2, wherein the negative electrode active material includes one or more metals or alloys selected from silicon, tin, carbon, magnesium, aluminum, and gallium.
4). 4. The all solid state battery according to 2 or 3, wherein the negative electrode active material has an average particle size of 0.01 μm to 100 μm, and the inorganic solid electrolyte has an average particle size of 0.01 μm to 100 μm.
5. The all-solid-state battery in any one of 1-4 whose said inorganic solid electrolyte is the glass which satisfy | fills the composition shown to following formula (1), or the glass ceramics which satisfy | fill the composition shown to following formula (1).
Li a Mb P c S d (1)
(In the formula, M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga and Ge. Ad represents the composition ratio of each element, and a: b: c: d represents 1 to 12: 0-0.2: 1: 2-9 are satisfied.)
6). Li ion insertion capacity [mAh / g] into the negative electrode active material, which is performed for the first time after battery manufacture, is not less than (20% of theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material),
In the Li ion desorption from the negative electrode active material following the first Li ion insertion performed for the first time, the charging of the all-solid-state battery that ends discharge by leaving lithium in a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less in the negative electrode active material. Discharge method.
(X is the insertion of Li ions into the negative electrode active material for the first time after half-cell production, and at 0.5 mA / cm 2 , Li ions are inserted until the negative electrode active material potential becomes 0.01 V vs. Li / Li + , then 0.01Vvs.Li/Li + a, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, was desorbed Li ions at 0.5 mA / cm 2 until the potential 1.52Vvs.Li/Li + In this case, the Li capacity remaining in the negative electrode active material.
However, the half cell that determines X includes a structure in which a negative electrode layer and an electrolyte layer are laminated, and the negative electrode active material included in the negative electrode layer is the same as the negative electrode active material included in the negative electrode layer of the all-solid battery, The amount per layer unit area is the same, and the inorganic solid electrolyte included in the electrolyte layer is the same as the inorganic solid electrolyte included in the electrolyte layer of the all-solid battery, and the amount per unit area of the electrolyte layer is the same. . )

本発明によれば、サイクル特性が向上した全固体電池が提供できる。   According to the present invention, an all-solid battery with improved cycle characteristics can be provided.

実施例1で製造したハーフセルのSi重量当りのLi脱離容量とLi脱離挿入サイクル数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Li desorption capacity per Si weight of the half cell manufactured in Example 1, and the number of Li desorption insertion cycles.

[全固体電池]
本発明の全固体電池は、負極層と無機固体電解質を含む電解質層とを備える全固体電池であり、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行う充放電サイクルの条件の下で、100サイクル後に放電容量の維持率が50%以上である。
[All-solid battery]
The all solid state battery of the present invention is an all solid state battery comprising a negative electrode layer and an electrolyte layer containing an inorganic solid electrolyte, and is charged at a constant current (CC) up to 2.65V at 0.2C and at a voltage of 2.65V. Maintaining discharge capacity after 100 cycles under constant charge (CV) charge until current reaches 0.01C and constant current (CC) discharge at 0.2C to 0.6V The rate is 50% or more.

放電容量維持率とは、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行う充放電サイクルの条件の下で、第一回目の「0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行った」際の放電容量(以下、適宜「M」という。)と、「0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を100回行った場合」の100回目の放電容量(以下、適宜「M100」という。)との割合である。
つまり、「100×M100/M」が100サイクル後に放電容量の維持率になる。
本発明の全固体電池の100サイクル後の放電容量維持率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは70%以上である。
The discharge capacity maintenance rate is 0.2 C, constant current (CC) charge up to 2.65 V, and constant voltage (CV) charge until the current reaches 0.01 C at a voltage of 2.65 V. Then, under the condition of the charge / discharge cycle in which the constant current (CC) discharge is performed up to 0.6V, the first time “0.2C, the constant current (CC) is charged up to 2.65V and the voltage is 2.65V. The discharge capacity (hereinafter referred to as “M 1 ” as appropriate) was charged at a constant voltage (CV) until the current reached 0.01 C, and was discharged at a constant current (CC) to 0.6 V at 0.2 C. .) And “constant current (CC) charge up to 2.65V at 0.2C, constant voltage (CV) charge until the current reaches 0.01C at a voltage of 2.65V, 0.6V up to a constant current (CC) 100 th discharge capacity in the case of performing 100 times the discharge "(hereinafter, appropriately referred to as" M 00 "called.) Is the ratio of the.
That is, “100 × M 100 / M 1 ” becomes the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles.
The discharge capacity maintenance rate after 100 cycles of the all solid state battery of the present invention is preferably 50% or more, more preferably 70% or more.

本発明の全固体電池は、具体的には、負極層と無機固体電解質を含む電解質層と正極層とを備える全固体電池である。
以下、本発明の全固体電池の各構成部材について説明する。
The all solid state battery of the present invention is specifically an all solid state battery comprising a negative electrode layer, an electrolyte layer containing an inorganic solid electrolyte, and a positive electrode layer.
Hereafter, each structural member of the all-solid-state battery of this invention is demonstrated.

[負極層]
負極層は、好ましくは、負極活物質及び無機固体電解質を含む層であり、例えば、負極活物質粒子及び無機固体電解質粒子を含む層である。
(1)負極活物質
負極活物質は、例えば理論容量が800mAh/g以上である負極活物質である。理論容量が800mAh/g以上であることにより、エネルギー密度が大きなリチウムイオン電池を得ることができる。
上記理論容量は、好ましくは1500mAh/g以上であり、理論容量が1500mAh/g以上であると、より高エネルギー密度であるリチウム電池が得られる。
ここで、負極活物質は、粒子であってもよく、粒子状の形状でなくてもよい。
尚、負極活物質が負極活物質粒子である場合には、その表面がコートされていてもよい。
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer is preferably a layer containing a negative electrode active material and an inorganic solid electrolyte, for example, a layer containing negative electrode active material particles and inorganic solid electrolyte particles.
(1) Negative electrode active material A negative electrode active material is a negative electrode active material whose theoretical capacity is 800 mAh / g or more, for example. When the theoretical capacity is 800 mAh / g or more, a lithium ion battery having a large energy density can be obtained.
The theoretical capacity is preferably 1500 mAh / g or more, and a lithium battery having a higher energy density can be obtained when the theoretical capacity is 1500 mAh / g or more.
Here, the negative electrode active material may be particles or may not be in the form of particles.
In addition, when the negative electrode active material is negative electrode active material particles, the surface thereof may be coated.

負極活物質が負極活物質粒子である場合、当該負極活物質粒子の平均粒径は、好ましくは0.01μm以上100μm以下であり、より好ましくは0.05μm以上50μm以下である。
負極活物質粒子の平均粒子径を100μm以下とすることで、負極層中の無機固体電解質粒子等との接触点を多くすることができ、十分なリチウムイオン伝導パス、電子伝導パスを形成でき、Li脱挿入容量を増加させることができる。
また、負極層の材料に負極活物質粒子と無機固体電解質粒子を含む合材を用いた場合には、製造直後の負極層において負極活物質粒子の平均粒径を100μm以下とすることで、負極層中の無機固体電解質粒子等との接触点を多くすることができ、十分なリチウムイオン伝導パス、電子伝導パスを形成でき、Li脱挿入容量を増加させることができる。このことは、充放電を繰り返すことにより負極活物質粒子及び/又は無機固体電解質粒子が粒子状でなくなっても、上記効果を維持していると推測される。
ここで、負極活物質粒子の平均粒子径は、例えば走査型電子顕微鏡観察、透過型電子顕微鏡観察又はレーザー回折式粒度分布測定法によって測定できる。
When the negative electrode active material is negative electrode active material particles, the average particle size of the negative electrode active material particles is preferably 0.01 μm or more and 100 μm or less, more preferably 0.05 μm or more and 50 μm or less.
By making the average particle diameter of the negative electrode active material particles 100 μm or less, the number of contact points with the inorganic solid electrolyte particles and the like in the negative electrode layer can be increased, and a sufficient lithium ion conduction path and electron conduction path can be formed. Li insertion / extraction capacity can be increased.
Further, when a composite material including negative electrode active material particles and inorganic solid electrolyte particles is used as the material of the negative electrode layer, the average particle size of the negative electrode active material particles is set to 100 μm or less in the negative electrode layer immediately after production. The number of contact points with the inorganic solid electrolyte particles and the like in the layer can be increased, a sufficient lithium ion conduction path and electron conduction path can be formed, and the Li desorption capacity can be increased. It is presumed that this effect is maintained even when the negative electrode active material particles and / or the inorganic solid electrolyte particles are not in a particulate form by repeating charge and discharge.
Here, the average particle diameter of the negative electrode active material particles can be measured by, for example, observation with a scanning electron microscope, observation with a transmission electron microscope, or a laser diffraction particle size distribution measurement method.

負極活物質は、負極活物質単体及び負極活物質を含む合金のいずれも好適に使用できる。また、負極活物質を構成する金属又は合金としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な金属又は合金であればよく、電池分野で公知の負極活物質を使用でき、好ましくはシリコン、スズ、炭素、マグネシウム、アルミニウム及びガリウムから選択される1以上の金属又は合金である。
負極活物質の具体例としては、インジウム、アルミニウム、ケイ素、スズ、ホウ素、リン、マグネシウム、カルシウム、ゲルマニウム、銀、白金、鉛、ビスマス、ガリウム等の金属単体、並びにこれら金属に他の元素又は化合物とを組合せた合金が挙げられ、好ましくはケイ素単体、スズ単体、及びこれら金属を含む合金であり、さらに好ましくはケイ素単体、及びケイ素を含む合金である。
上記他の元素には、例えばリチウムが含まれる。
As the negative electrode active material, either a single negative electrode active material or an alloy containing the negative electrode active material can be suitably used. Further, the metal or alloy constituting the negative electrode active material may be any metal or alloy capable of inserting and releasing lithium ions, and a known negative electrode active material in the battery field can be used, preferably silicon, tin, carbon One or more metals or alloys selected from magnesium, aluminum and gallium.
Specific examples of the negative electrode active material include simple metals such as indium, aluminum, silicon, tin, boron, phosphorus, magnesium, calcium, germanium, silver, platinum, lead, bismuth, gallium, and other elements or compounds in these metals. And an alloy containing these metals, more preferably an element containing silicon and an alloy containing silicon.
Examples of the other elements include lithium.

(2)無機固体電解質
無機固体電解質としては、例えば(i)酸化物系固体電解質又は(ii)硫化物系固体電解質が挙げられる。
尚、無機固体電解質は粒子であってもよく、粒子状の形状を取らなくてもよい。
(2) Inorganic solid electrolyte Examples of the inorganic solid electrolyte include (i) an oxide-based solid electrolyte and (ii) a sulfide-based solid electrolyte.
The inorganic solid electrolyte may be a particle or may not take a particulate shape.

(i)酸化物系固体電解質
酸化物系固体電解質としては、LiN、LISICON類;Thio−LISICON類;NASICON型構造を有するLiTi12、さらにこれらを結晶化させた電解質;La0.55Li0.35TiO等のペロブスカイト構造を有する結晶等を用いることができる。
(I) Oxide-based solid electrolytes As oxide-based solid electrolytes, LiN, LISICONs; Thio-LISICONs; LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON type structure, and an electrolyte obtained by crystallizing them; La 0. A crystal having a perovskite structure such as 55 Li 0.35 TiO 3 can be used.

(ii)硫化物系固体電解質
硫化物系固体電解質は、例えば下記式(1)で示される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。
Li (1)
(式中、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGe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。)
(Ii) Sulfide-based solid electrolyte The sulfide-based solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte that satisfies the composition represented by the following formula (1), for example.
Li a Mb P c S d (1)
(In the formula, M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga and Ge. Ad represents the composition ratio of each element, and a: b: c: d represents 1 to 12: 0-0.2: 1: 2-9 are satisfied.)

式(1)において、Li、M、P及びSの組成比は、好ましくはbが0であり、より好ましくはb=0で且つa、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1〜9:1:3〜7であり、さらに好ましくはb=0で且つa:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。
各元素の組成比は、下記するように、硫化物系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。
In the formula (1), the composition ratio of Li, M, P and S is preferably such that b is 0, more preferably b = 0 and the ratio of a, c and d (a: c: d) is a. : C: d = 1-9: 1: 3-7, more preferably b = 0 and 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 sulfide-based solid electrolyte as described below.

硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス)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、一部のみが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 (glass) or crystallized (glass ceramic), or only a part may be crystallized.
Here, when crystallized, the ion conductivity may be higher than that of glass. In that case, it is preferable to crystallize.

結晶化硫化物系固体電解質の結晶構造は、好ましくは特開2002−109955に開示されているLiPS構造、Li構造、LiPS構造、LiSiS構造、LiSiS構造、又は特開2005−228570及びWO2007/066539に開示されているLi11構造であり、最も好ましくはLi11構造である。
結晶化硫化物固体電解質の結晶化部分は、これら結晶構造のいずれか1つを有すればよく、複数の結晶構造を有していてもよい。これら結晶構造を有する結晶化硫化物固体電解質は、非晶質の硫化物固体電解質よりも高いイオン伝導度を示すことができる。
尚、例えば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。
The crystal structure of the crystallized sulfide-based solid electrolyte is preferably Li 7 PS 6 structure, Li 4 P 2 S 6 structure, Li 3 PS 4 structure, Li 4 SiS 4 structure disclosed in JP-A-2002-109955, Li 2 SiS 3 structure, or Li 7 P 3 S 11 structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-228570 and WO 2007/066539, and most preferably Li 7 P 3 S 11 structure.
The crystallized portion of the crystallized sulfide solid electrolyte only needs to have any one of these crystal structures, and may have a plurality of crystal structures. Crystallized sulfide solid electrolytes having these crystal structures can exhibit higher ionic conductivity than amorphous sulfide solid electrolytes.
For example, 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.

結晶化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、好ましくは50%以上であり、より好ましくは60%以上である。
結晶化硫化物系固体電解質の結晶化度が50%未満の場合、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おそれがある。
The degree of crystallinity of the crystallized 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, more preferably 60% or more.
When the crystallinity of the crystallized sulfide-based solid electrolyte is less than 50%, the effect of increasing the ionic conductivity by crystallization may be reduced.

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、結晶化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 can be measured by using an NMR spectrum apparatus. Specifically, the solid 31 P-NMR spectrum of the crystallized sulfide-based solid electrolyte is measured, and the resonance line observed at 70-120 ppm is converted into a Gaussian curve using a nonlinear least square method. It can measure by isolate | separating and calculating | requiring the area ratio of each curve.

硫化物系固体電解質の製造に用いる原料としては、LiS(硫化リチウム)、P(三硫化二リン)、P(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、LiS(硫化リチウム)及びP(五硫化二リン)を用いると好ましい。 As raw materials used for the production of the sulfide-based solid electrolyte, Li 2 S (lithium sulfide), P 2 S 3 (phosphorus trisulfide), 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 (trisulfide) Diarsenic), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (lithium germanate), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (lithium aluminate), etc. can be used, and Li 2 S (sulfurized) Lithium) and P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide) are preferably used.

硫化物系固体電解質の原料にLiS(硫化リチウム)及びP(五硫化二リン)を用いた場合の、硫化物系固体電解質の製造方法を説明する。
原料である硫化リチウムは、特に制限はない。例えば、工業的に入手可能なものが使用でき、また特開平7−330312号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−084438号公報に開示の方法に製造できる硫化リチウムを使用できる。
尚、上記特開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、上記特開2011−084438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。
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte in the case where Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 (diphosphorus pentasulfide) are used as raw materials for the sulfide-based solid electrolyte will be described.
The raw material lithium sulfide is not particularly limited. For example, industrially available ones can be used, and the methods disclosed in JP-A-7-330312, JP-A-9-283156, JP-A-2010-163356, JP-A-2011-084438 are used. Lithium sulfide that can be produced can be used.
In JP 2010-163356 A, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon-based organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized. Lithium sulfide is synthesized by hydrogenation. Moreover, in the said Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-084438, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are made to react at 10 to 100 degreeC in a water solvent, lithium lithium sulfide is produced | generated, and this reaction liquid is then dehydrosulfurized. To synthesize lithium sulfide.

硫化リチウムは、好ましくは硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であり、より好ましくは硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.1質量%以下である。また、硫化リチウムは、好ましくはN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であり、より好ましくはN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が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を、ガラス状電解質(完全非晶質)とすることができる。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ため、ガラス状電解質のイオン伝導度が低くなるおそれがある。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ことにより、高イオン伝導性電解質が得られる。
Lithium sulfide preferably has a total content of lithium salt of sulfur oxide of 0.15% by mass or less, more preferably a total content of lithium salt of sulfur oxide of 0.1% by mass or less. The lithium sulfide preferably has a lithium N-methylaminobutyrate content of 0.15% by mass or less, and more preferably a lithium N-methylaminobutyrate content of 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 can be made into a glassy electrolyte (fully amorphous). On the other hand, if the total content of the lithium salt of the sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may become a crystallized product from the beginning, and since the ionic conductivity of this crystallized product is low, it is glassy. The ionic conductivity of the electrolyte may be lowered. 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.
By using lithium sulfide with reduced impurities in this way, a high ion conductive electrolyte can be obtained.

特開平7−330312号及び特開平9−283156号に記載の硫化リチウムの製造方法では、得られる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号に記載の硫化リチウムの製造方法では、得られる硫化リチウムは、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、精製せずにそのまま用いることができる。
硫化リチウムを精製する場合、好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に開示の精製法等が挙げられ、得られた硫化リチウムを有機溶媒を用いて100℃以上の温度で洗浄することにより精製する。
In the method for producing lithium sulfide described in JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156, the obtained lithium sulfide contains a lithium salt of sulfur oxide and the like, and thus it is preferably purified. On the other hand, in the method for producing lithium sulfide described in JP 2010-163356 A, the obtained lithium sulfide can be used as it is without purification because it contains a very small amount of lithium oxide lithium salt or the like.
In the case of purifying lithium sulfide, a preferable purification method includes, for example, a purification method disclosed in International Publication WO2005 / 40039, and the obtained lithium sulfide is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent. To be purified.

硫化物系固体電解質の原料に用いるP(五硫化二リン)は、工業的に製造され、販売されている五硫化二リンであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide) used as a raw material for the sulfide-based solid electrolyte can be used without particular limitation as long as it is industrially produced and sold diphosphorus pentasulfide.

硫化物系固体電解質(硫化物系ガラス固体電解質)は、硫化リチウムと五硫化二リンの混合物を、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によって反応させることにより製造することができる。
硫化リチウムと五硫化二リンの混合比(モル比)は、通常LiS:P=40:60〜90:10であり、好ましくはLiS:P=60:40〜78:22であり、特に好ましくはLiS:P=68:32〜76:24(モル比)である。
Sulfide-based solid electrolytes (sulfide-based glass solid electrolytes) are prepared by melting and quenching a mixture of lithium sulfide and phosphorous pentasulfide, a mechanical milling method (MM method), a slurry method in which raw materials are reacted in an organic solvent, etc. It can be produced by reacting.
The mixing ratio (molar ratio) of lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide is usually Li 2 S: P 2 S 5 = 40: 60 to 90:10, preferably Li 2 S: P 2 S 5 = 60: 40. to 78: a 22, particularly preferably Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32~76: a 24 (molar ratio).

硫化物系ガラス固体電解質を溶融急冷法によって製造する場合、例えば特開平6−279049号公報又はWO2005/119706に開示の溶融急冷法を実施するとよい。
具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合してペレット状とし、当該ペレットをカーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。その後、所定の反応温度で反応させ、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℃であり、より好ましくは800℃〜900℃である。また、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℃以下であり、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度であり、好ましくは10〜10000K/secである。
In the case of producing a sulfide-based glass solid electrolyte by a melt quenching method, for example, the melt quenching method disclosed in JP-A-6-279049 or WO2005 / 119706 may be carried out.
Specifically, P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a predetermined amount in a mortar to form a pellet, and the pellet is placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. Then, it is made to react at a predetermined reaction temperature, put into ice and rapidly cooled to obtain a sulfide-based glass solid electrolyte.
The reaction temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C. Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reaction product 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.

硫化物系ガラス固体電解質をメカニカルミリング法によって製造する場合、例えば特開平11−134937号公報、特開2004−348972号公報又は特開2004−348973号公報に開示のメカニカルミリング法(以下、適宜「MM法」という。)を実施するとよい。
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、混合物を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。
MM法では、室温で反応を行うことができ、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。
尚、MM法は室温に限定されず、特開2010−30889号公報に開示されているように、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。
When a sulfide-based glass solid electrolyte is produced by a mechanical milling method, for example, a mechanical milling method disclosed in JP-A-11-134937, JP-A-2004-348972, or JP-A-2004-34897 (hereinafter referred to as “appropriately” MM method)).
Specifically, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar, and the mixture is reacted for a predetermined time using, for example, various ball mills, etc., thereby obtaining a sulfide-based glass solid electrolyte.
In the MM method, the reaction can be performed at room temperature, and the glass solid electrolyte can be produced at room temperature. Therefore, there is an advantage that the raw material is not thermally decomposed and a glass solid electrolyte having a charged composition can be obtained. 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.
Note that the MM method is not limited to room temperature, and as disclosed in JP 2010-30889 A, the temperature in the mill during the mechanical milling process may be adjusted. It is preferable that the raw material be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower during mechanical milling.

MM法では、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、特開2010−90003号公報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。
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。
上記の他、特開2009−110920号公報及び特開2009−211950号公報に開示されているように、PとLiSの混合物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。
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 described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-90003, balls of different diameters are used for balls of a ball mill. You may mix and use.
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.
In addition to the above, as disclosed in JP2009-110920A and JP2009-2111950A, an organic solvent is added to a mixture of P 2 S 5 and Li 2 S to form a slurry, and this slurry May be mechanically milled.

硫化物系ガラス固体電解質をスラリー法によって製造する場合、例えばWO2004/093099又はWO2009/047977に開示のスラリー法を実施するとよい。
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。また、得られた固体電解質を含むスラリーをさらにビーズミル等で粉砕することで、より微細な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20℃以上80℃以下であり、より好ましくは20℃以上60℃以下である。また、反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下であり、より好ましくは2時間以上14時間以下である。
When the sulfide-based glass solid electrolyte is produced by a slurry method, for example, the slurry method disclosed in WO2004 / 093099 or WO2009 / 047977 may be carried out.
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. Moreover, a finer sulfide-based glass solid electrolyte can be obtained by further pulverizing the obtained slurry containing the solid electrolyte with a bead mill or the like.
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.

スラリー法を実施する場合に、原料である硫化リチウムと五硫化二りんに有機溶媒を添加して、溶液状又はスラリー状とすることが好ましく、有機溶媒1リットルに対して原料(合計量)を、通常0.001kg以上1kg以下添加し、好ましくは0.005kg以上0.5kg以下添加し、特に好ましくは0.01kg以上〜0.3kg添加する。   When carrying out the slurry method, it is preferable to add an organic solvent to the raw materials lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide to form a solution or slurry, and the raw materials (total amount) per liter of the organic solvent. Usually, 0.001 kg or more and 1 kg or less are added, preferably 0.005 kg or more and 0.5 kg or less are added, and particularly preferably 0.01 kg or more and 0.3 kg or more are added.

添加する有機溶媒は、特に制限されないが、好ましくは非プロトン性有機溶媒であり、例えば非プロトン性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性極性有機化合物(例えば、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これらの混合溶媒として使用できる。   The organic solvent to be added is not particularly limited, but is preferably an aprotic organic solvent, such as an aprotic organic solvent (for example, a hydrocarbon organic solvent), an aprotic polar organic compound (for example, an amide compound, a lactam). Compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, etc.) can be used as a single solvent or as a mixed solvent thereof.

上記炭化水素系有機溶媒としては、飽和炭化水素溶媒、不飽和炭化水素溶媒又は芳香族炭化水素溶媒が使用できる。
飽和炭化水素溶媒としては、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;不飽和炭化水素溶媒としては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられ、芳香族炭化水素溶媒としては、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。これら炭化水素系有機溶媒のうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
As the hydrocarbon organic solvent, a saturated hydrocarbon solvent, an unsaturated hydrocarbon solvent, or an aromatic hydrocarbon solvent can be used.
Examples of the saturated hydrocarbon solvent include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, and cyclohexane; examples of the unsaturated hydrocarbon solvent include hexene, heptene, cyclohexene, and the like. Include toluene, xylene, decalin, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and the like. Of these hydrocarbon organic solvents, toluene and xylene are particularly preferable.

スラリー法に炭化水素系有機溶媒を用いる場合は、炭化水素系有機溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましく、具体的には、水分含有量が100重量ppm以下の炭化水素系有機溶媒が好ましく、水分含有量が30重量ppm以下の炭化水素系有機溶媒であることが特に好ましい。
尚、必要に応じて炭化水素系有機溶媒に他の溶媒を添加してもよい。添加可能な他の溶媒は、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;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。
When a hydrocarbon organic solvent is used in the slurry method, the hydrocarbon organic solvent is preferably dehydrated in advance, and specifically, a hydrocarbon organic solvent having a moisture content of 100 ppm by weight or less is preferable. A hydrocarbon organic solvent having a water content of 30 ppm by weight or less is particularly preferable.
In addition, you may add another solvent to a hydrocarbon type organic solvent as needed. Specific examples of other solvents that can be added include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as tetrahydrofuran; alcohols such as ethanol and butanol; esters such as ethyl acetate; halogenated carbonization such as dichloromethane and chlorobenzene. Hydrogen etc. are mentioned.

スラリー法を実施する際に、特開2010−140893号公報に開示の、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く、WO2009/047977に開示の、効率的に反応を進行させるため、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておいてもよく、特開2011−136899号公報に開示の、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするため、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。   In carrying out the slurry method, the reaction disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-140893 may be performed by circulating the slurry containing the raw material between the bead mill and the reaction vessel. The raw material lithium sulfide may be pulverized in advance in order to advance the reaction efficiently as disclosed in JP-A-2011-136899, in order to increase the specific surface area of the raw material lithium sulfide, You may immerse in a polar solvent (for example, methanol, diethylcarnate, acetonitrile) whose solubility parameter is 9.0 or more for a predetermined time.

硫化物系ガラス固体電解質を、溶融急冷法、メカニカルミリング法又はスラリー法で製造する場合を説明したが、これら方法を実施する際の温度条件、処理時間、仕込み料等の製造条件は上記に限定されず、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。   The case where the sulfide-based glass solid electrolyte is produced by the melt quenching method, the mechanical milling method, or the slurry method has been described, but the production conditions such as temperature conditions, processing time, and charge when carrying out these methods are limited to the above. However, it can be adjusted appropriately according to the equipment used.

硫化物系ガラス固体電解質を所定の温度で熱処理することで、硫化物系結晶化ガラス固体電解質(硫化物系ガラスセラミックス固体電解質)を製造することができる。
硫化物系固体電解質(ガラスセラミックス)の製造方法は、例えば特開2005−228570号公報、WO2007/066539、特開2002−109955号公報に開示されている。
尚、硫化物系ガラスセラミックス固体電解質の製造方法を以下記載するが、硫化物系ガラスセラミックス固体電解質の製造に用いる硫化物系ガラス固体電解質は、原料にLiS(硫化リチウム)及びP(五硫化二リン)を用いて得られる硫化物系ガラス固体電解質に限定されない。
A sulfide-based crystallized glass solid electrolyte (sulfide-based glass ceramic solid electrolyte) can be produced by heat-treating the sulfide-based glass solid electrolyte at a predetermined temperature.
A method for producing a sulfide-based solid electrolyte (glass ceramic) is disclosed in, for example, JP-A-2005-228570, WO2007 / 065539, and JP-A-2002-109955.
Although described below a method of manufacturing a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte, a sulfide-based glass solid electrolyte used in the preparation of the sulfide-based glass ceramic solid electrolyte material in Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S It is not limited to the sulfide type glass solid electrolyte obtained using 5 (diphosphorus pentasulfide).

Li11構造の硫化物系ガラスセラミックス固体電解質を製造する場合の熱処理温度は、好ましくは180℃以上330℃以下であり、より好ましくは200℃以上320℃以下であり、特に好ましくは210℃以上310℃以下である。
熱処理温度が180℃未満の場合、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、熱処理温度が330℃超の場合、結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
The heat treatment temperature for producing a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte 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 It is 210 degreeC or more and 310 degrees C or less.
When the heat treatment temperature is less than 180 ° C., it may be difficult to obtain a crystallized glass with a high degree of crystallinity, and when the heat treatment temperature exceeds 330 ° C., there is a possibility that a crystallized glass with a low degree of crystallinity will be produced.

Li11構造の硫化物系ガラスセラミックス固体電解質を製造する場合の熱処理時間は、熱処理温度が180℃以上210℃以下の温度の場合は、好ましくは3時間以上240時間以下であり、特に好ましくは4時間以上230時間以下である。また、熱処理温度が210℃超330℃以下の温度の場合は、好ましくは0.1時間以上240時間以下であり、より好ましくは0.2時間以上235時間以下であり、さらに好ましくは0.3時間以上230時間以下である。
熱処理時間が0.1時間未満の場合、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、熱処理時間が240時間超の場合、結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
The heat treatment time for producing a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte having a Li 7 P 3 S 11 structure is preferably 3 hours or more and 240 hours or less when the heat treatment temperature is 180 ° C. or more and 210 ° C. or less, Especially preferably, it is 4 hours or more and 230 hours or less. In the case where the heat treatment temperature is higher than 210 ° C. and 330 ° C. or lower, it is preferably 0.1 hours or longer and 240 hours or shorter, more preferably 0.2 hours or longer and 235 hours or shorter, and even more preferably 0.3 hours or shorter. It is more than time and less than 230 hours.
When the heat treatment time is less than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystallized glass with a high degree of crystallinity, and when the heat treatment time is over 240 hours, a crystallized glass with a low degree of crystallinity may be generated.

LiPS構造、Li構造、LiPS構造及び/又はLiSiS構造を有する硫化物系ガラスセラミックス固体電解質を製造する場合の加熱条件は、公知の加熱条件でよく、例えば特開2002−109955号公報に開示の加熱条件が適用できる。
尚、上記のLiSiS構造を有する硫化物系ガラスセラミックス固体電解質は、例えばSiSとLiSから生成することが考えられる。
The heating conditions for producing a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte having a Li 7 PS 6 structure, a Li 4 P 2 S 6 structure, a Li 3 PS 4 structure and / or a Li 4 SiS 4 structure are known heating conditions. For example, the heating conditions disclosed in JP-A-2002-109955 can be applied.
Incidentally, sulfide-based glass ceramic solid electrolyte having the above-mentioned Li 4 SiS 4 structure, it is conceivable to produce, for example, from SiS 2 and Li 2 S.

Li11構造の硫化物系ガラスセラミックス固体電解質、及びLiPS構造、Li構造、LiPS構造及び/又はLiSiS構造を有する硫化物系ガラスセラミックス固体電解質のいずれを製造する場合であっても、加熱処理は、好ましくは露点−40℃以下の環境下で実施し、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で実施する。
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、加熱雰囲気は、空気であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
上記に加えて、加熱処理を特開2010−186744号公報に開示の溶媒中で実施してもよい。
A sulfide-based glass-ceramic solid electrolyte having a Li 7 P 3 S 11 structure, and a sulfide-based glass having a Li 7 PS 6 structure, a Li 4 P 2 S 6 structure, a Li 3 PS 4 structure, and / or a Li 4 SiS 4 structure. Whichever ceramic solid electrolyte is manufactured, the heat treatment is preferably performed in an environment having a dew point of −40 ° C. or lower, more preferably in an environment having a dew point of −60 ° C. or lower.
The pressure at the time of heating may be a normal pressure or a reduced pressure. The heating atmosphere may be air or an inert atmosphere.
In addition to the above, the heat treatment may be performed in a solvent disclosed in JP 2010-186744 A.

(3)その他
負極層は、負極活物質及び無機固体電解質のみからなってもよく、さらに導電助剤、バインダー等を含んでもよい。
導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×10S/cm以上であり、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、及びこれらの混合物が挙げられる。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、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であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;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。
尚、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、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。
(3) Others The negative electrode layer may be composed of only the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte, and may further contain a conductive additive, a binder, and the like.
The conductive auxiliary agent only needs to have conductivity, and its electronic conductivity 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.
Specific examples of conductive aids are preferably carbon materials, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, A substance containing at least one element selected from the group consisting of tungsten and zinc, and more preferably a carbon simple substance having a high conductivity, or a carbon material other than simple carbon; nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium , Gold, platinum, niobium, osnium or rhodium, simple metals, mixtures or compounds.
Specific examples of carbon materials include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; graphite, carbon fiber, activated carbon, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Is possible. Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.

バインダーは、電池の成型性及び電池内の粒子の接合性を向上させることでき、これにより充放電容量を向上させることができる。
バインダーとしては、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)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂;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。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。
The binder can improve the moldability of the battery and the bondability of the particles in the battery, thereby improving the charge / discharge capacity.
Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluororubber; thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene; ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural Butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

負極層が含む負極活物質及び無機固体電解質の混合比(重量比)は、好ましくは負極活物質:無機固体電解質=95:5〜30:70であり、より好ましくは負極活物質:無機固体電解質=85:15〜40:60である。
無機固体電解質に対する負極活物質の割合が95重量%以下の場合、負極層内のリチウムイオン伝導パスがより多くなって反応サイトが増加し、よりLi脱挿入容量を増加させることができる。また、無機固体電解質に対する負極活物質の割合が30重量%以上の場合、負極層中の負極量がより多くなり、Li脱挿入容量をより増加させることができる。
The mixing ratio (weight ratio) of the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte contained in the negative electrode layer is preferably negative electrode active material: inorganic solid electrolyte = 95: 5 to 30:70, more preferably negative electrode active material: inorganic solid electrolyte. = 85: 15-40: 60.
When the ratio of the negative electrode active material to the inorganic solid electrolyte is 95% by weight or less, the lithium ion conduction path in the negative electrode layer is increased, the reaction sites are increased, and the Li desorption capacity can be further increased. Moreover, when the ratio of the negative electrode active material with respect to an inorganic solid electrolyte is 30 weight% or more, the amount of negative electrodes in a negative electrode layer increases, and Li insertion capacity can be increased more.

[電解質層]
固体電解質層は、無機固体電解質を含む層であり、結着剤等をさらに含んでいてもよく、当該結着剤は上記した通りである。
負極層に含まれる固体電解質と固体電解質層に含まれる固体電解質は同一であっても異なっていてもよい。
従って、固体電解質と結着剤について上記した事項についての説明は省略する。
[Electrolyte layer]
The solid electrolyte layer is a layer containing an inorganic solid electrolyte, and may further contain a binder or the like, and the binder is as described above.
The solid electrolyte contained in the negative electrode layer and the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer may be the same or different.
Therefore, the description about the matter mentioned above about a solid electrolyte and a binder is abbreviate | omitted.

上述したように固体電解質層の原料である固体電解質の形状は、粒子状、シート状のいずれでもよい。
固体電解質粒子であれば、固体電解質層を形成する際に、例えば硫化物系固体電解質を含むスラリーを塗布することにより形成でき、簡便に形成することができる。また、固体電解質粒子であれば、静電法を用いて電解質層を製造することもできる。
As described above, the shape of the solid electrolyte that is a raw material of the solid electrolyte layer may be either a particle shape or a sheet shape.
If it is a solid electrolyte particle, when forming a solid electrolyte layer, it can form by apply | coating the slurry containing a sulfide type solid electrolyte, for example, and can form simply. Moreover, if it is a solid electrolyte particle, an electrolyte layer can also be manufactured using an electrostatic method.

固体電解質層を固体電解質粒子で形成する場合、固体電解質層の固体電解質粒子は、好ましくは互いに融着している。融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の個体電解質粒子と一体化することを意味する。
また、固体電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体固体電解質層は、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、互いに結合して板状体になっている場合を含む。
When the solid electrolyte layer is formed of solid electrolyte particles, the solid electrolyte particles of the solid electrolyte layer are preferably fused together. The fusion means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved and the dissolved part is integrated with other solid electrolyte particles.
Further, the solid electrolyte layer may be a solid electrolyte plate, and the plate solid electrolyte layer is formed by dissolving a part or all of the solid electrolyte particles and bonding them together to form a plate. Including the case.

[正極層]
正極層は、正極活物質及び固体電解質からなる正極合材により形成される。正極層は、さらに導電助剤及び/又は結着材を含んでもよい。
正極層が含む固体電解質は、負極層の固体電解質と同様のものが使用でき、正極層の導電助剤及び結着材は、負極層の導電助剤及び結着材と同様のものが使用できる。従って、固体電解質、導電助剤及び結着剤についての説明は省略する。
正極層が固体電解質を含む場合、当該固体電解質は、負極層に含まれる固体電解質及び/又は電解質層に含まれる固体電解質と同じでも異なってもよい。
[Positive electrode layer]
The positive electrode layer is formed of a positive electrode mixture made of a positive electrode active material and a solid electrolyte. The positive electrode layer may further contain a conductive additive and / or a binder.
The solid electrolyte contained in the positive electrode layer can be the same as the solid electrolyte of the negative electrode layer, and the conductive aid and binder of the positive electrode layer can be the same as the conductive aid and binder of the negative electrode layer. . Therefore, description about a solid electrolyte, a conductive support agent, and a binder is abbreviate | omitted.
When the positive electrode layer includes a solid electrolyte, the solid electrolyte may be the same as or different from the solid electrolyte included in the negative electrode layer and / or the solid electrolyte included in the electrolyte layer.

正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、電池分野において正極活部質として公知のものが使用できる。
正極活物質の具体例としては、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−ZCoZO(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePO、LiCoO、LiNiO2、LiMn、LiFePO、LiCoPO、LiMn1/3Ni1/3Co1/3、LiMn1.5Ni0.5(Xは0.1〜0.9);硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)、硫化ニッケル(Ni)等の硫化物系正極活物質(好ましくはTiS);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)等の酸化物系正極活物質(好ましくはコバルト酸リチウム)等が挙げられる。
これら正極活物質は1種単独で、又は2種以上の混合物として使用できる。
The positive electrode active material is a material capable of inserting and removing lithium ions, and those known as a positive electrode active material in the battery field can be used.
Specific examples of the positive electrode active material include 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 CoZO 4 (where 0 <Z <2), LiCoPO 4 , LiFePO 4 , 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 (X is 0.1 to 0.9); titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), sulfide copper (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2) sulfide positive electrode active material such (preferably TiS 2); bismuth oxide (Bi 2 O 3), lead-acid bismuth (Bi 2 Pb 2 O 5) , oxide Oxide-based positive electrode active materials (preferably cobalt acid) such as copper (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ) Lithium) and the like.
These positive electrode active materials can be used singly or as a mixture of two or more.

上記の他、セレン化ニオブ(NbSe)、以下に示す有機ジスルフィド化合物、以下に示すカーボンスルフィド化合物、硫黄、硫化リチウム、金属インジウム等を正極活物質として使用できる。

Figure 2013222530
Figure 2013222530
(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。)
Figure 2013222530
(式中、n、mは、それぞれ1以上の整数である。) In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), organic disulfide compounds shown below, carbon sulfide compounds shown below, sulfur, lithium sulfide, indium metal, and the like can be used as the positive electrode active material.
Figure 2013222530
Figure 2013222530
(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 2013222530
(In the formula, n and m are each an integer of 1 or more.)

[集電体]
集電体は、公知の集電体を用いることができる。
集電体は、例えばAu、Pt、Al、Cu等のように硫化物系固体電解質と反応する金属からなる層を、さらにAu,導電性カーボン等で被覆した層である。
[Current collector]
As the current collector, a known current collector can be used.
The current collector is a layer in which a layer made of a metal that reacts with a sulfide-based solid electrolyte, such as Au, Pt, Al, or Cu, is further coated with Au, conductive carbon, or the like.

本発明の全固体電池の各層の厚みについて、正極層の厚さは、好ましくは0.01mm以上10mm以下であり、固体電解質層の厚さは、好ましくは0.001mm以上1mm以下であり、負極層の厚さは、好ましくは0.01mm以上10mm以下である。
本発明の全固体リチウムイオン電池が集電体を含む場合は、当該集電体の厚さは特に限定されないが例えば5nm〜10mmであり、好ましくは30nm〜2mmである。
本発明の全固体リチウムイオン電池は、公知の方法により製造することができ、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。
Regarding the thickness of each layer of the all solid state battery of the present invention, the thickness of the positive electrode layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less, and the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less. The thickness of the layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
When the all-solid-state lithium ion battery of this invention contains a collector, the thickness of the said collector is although it does not specifically limit, For example, they are 5 nm-10 mm, Preferably they are 30 nm-2 mm.
The all solid lithium ion battery of the present invention can be manufactured by a known method, for example, by a coating method or an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, etc.).

[全固体電池の充放電方法]
本発明の充放電方法は、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量[mAh/g]が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の20%)以上であり、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了する。
上記Xは、ハーフセル製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入において、0.5mA/cmで、負極活物質電位が0.01Vvs.Li/LiになるまでLiイオンを挿入し、その後0.01Vvs.Li/Liで、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、0.5mA/cmで電位1.52Vvs.Li/LiまでLiイオンを脱離させた際に、負極活物質内に残存するLi容量である。
[Charging / discharging method of all solid state battery]
In the charge / discharge method of the present invention, the Li ion insertion capacity [mAh / g] into the negative electrode active material, which is performed for the first time after the battery is manufactured, is equal to or greater than (20% of the theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material). In Li ion desorption from the negative electrode active material following Li ion insertion that is performed for the first time after the manufacture, the lithium having a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less is left in the negative electrode active material, and the discharge is terminated.
X is 0.5 mA / cm 2 and the negative electrode active material potential is 0.01 Vvs. In Li ion insertion into the negative electrode active material that is performed for the first time after the half cell is manufactured. Li ions were inserted until Li / Li + and then 0.01 Vvs. Li / Li + is, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, the potential 1.52Vvs at 0.5 mA / cm 2. This is the Li capacity remaining in the negative electrode active material when Li ions are desorbed to Li / Li + .

全固体電池について、本発明の充放電方法を実施することにより、サイクル特性を向上させることができ、例えば本発明の全固体電池のように特定充放電サイクル条件下で、100サイクル後の放電容量維持率を50%以上とすることができる。
製造直後の電池の初回充電で、負極活物質粒子へのリチウム挿入量が十分で無い場合、負極活物質粒子は殆ど膨張せず、負極活物質粒子同士の粒子間、及び負極活物質粒子と無機固体電解質粒子との間の接触点(接触面)が十分に確立されない。一方、負極活物質粒子へのリチウム挿入量が十分である場合には、負極活物質粒子が十分膨張することにより、負極活物質粒子同士、負極活物質粒子と固体電解質粒子との接触点が増加したり、接触面積が広くなったりすることで、電池性能が向上すると推測される。また、負極活物質粒子へのリチウム挿入量が十分である場合には、膨張によって、負極中の固体電解質粒子及び負極活物質粒子が互いに押され、負極中の空隙を生めて密な負極になり、その効果により上記接触点が増加したり、接触面積が広くなったりする効果もあると推測される。
負極活物質粒子へのリチウム挿入量が十分である場合には、負極中の固体電解質粒子や負極活物質粒子を押すことにより、負極活物質粒子と固体電解質粒子や他の負極活物質粒子との接触状態を維持し易くなると推定され、負極活物質粒子からある一定量までリチウムを脱離させても負極活物質粒子と固体電解質粒子や他の負極活物質粒子との接触状態を維持し易くなると推定される。
負極活物質粒子へのリチウム挿入量が不十分である場合には、負極活物質と無機固体電解質の接触状態や負極活物質同士の接触状態が維持できず、負極活物質と無機固体電解質間のリチウムイオン伝導パス、及び負極活物質間での電子伝導パスが消失するため、負極活物質内へのLi挿入脱離容量も低下する。このような環境下で充放電サイクルを行うと、著しくサイクル特性が低い。
また、結着が十分に確立されていない状態で、初回放電時に負極活物質からのリチウム脱離量を多くすると、負極活物質の体積収縮も大きいため、負極活物質を含む粒子間、及び負極活物質を含む粒子と無機固体電解質粒子との間の剥離が生じやすい。その結果、負極活物質と無機固体電解質間のリチウムイオン伝導パス、および負極活物質間での電子伝導パスが消失するため、負極活物質内へのLi挿入脱離容量も低下する。
尚、「不可逆容量」とは、充放電対象である同一の全固体電池の電池製造後に初めて行う充電で、最大限充電を行い、続く放電で最大限放電を行った際に、負極に残存するリチウムの容量を指す。
For all solid state batteries, the cycle characteristics can be improved by carrying out the charge / discharge method of the present invention. For example, the discharge capacity after 100 cycles under specific charge / discharge cycle conditions as in the all solid state battery of the present invention. The maintenance rate can be 50% or more.
When the amount of lithium inserted into the negative electrode active material particles is not sufficient in the initial charging of the battery immediately after production, the negative electrode active material particles hardly expand, and between the negative electrode active material particles and between the negative electrode active material particles and inorganic The contact point (contact surface) between the solid electrolyte particles is not sufficiently established. On the other hand, when the amount of lithium inserted into the negative electrode active material particles is sufficient, the contact points between the negative electrode active material particles and between the negative electrode active material particles and the solid electrolyte particles increase due to sufficient expansion of the negative electrode active material particles. It is estimated that the battery performance is improved by increasing the contact area. In addition, when the amount of lithium inserted into the negative electrode active material particles is sufficient, the solid electrolyte particles and the negative electrode active material particles in the negative electrode are pressed against each other due to expansion, creating voids in the negative electrode and forming a dense negative electrode. It is presumed that the contact point is increased by the effect, and the contact area is increased.
When the amount of lithium inserted into the negative electrode active material particles is sufficient, by pressing the solid electrolyte particles or negative electrode active material particles in the negative electrode, the negative electrode active material particles and the solid electrolyte particles or other negative electrode active material particles It is estimated that it is easy to maintain the contact state, and it is easy to maintain the contact state between the negative electrode active material particles and the solid electrolyte particles or other negative electrode active material particles even if lithium is desorbed from the negative electrode active material particles to a certain amount. Presumed.
When the amount of lithium inserted into the negative electrode active material particles is insufficient, the contact state between the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte and the contact state between the negative electrode active materials cannot be maintained, and the contact between the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte is not maintained. Since the lithium ion conduction path and the electron conduction path between the negative electrode active material disappear, the Li insertion / desorption capacity into the negative electrode active material also decreases. When the charge / discharge cycle is performed in such an environment, the cycle characteristics are extremely low.
In addition, when the amount of lithium desorption from the negative electrode active material during the first discharge is increased in a state where the binding has not been sufficiently established, the volumetric shrinkage of the negative electrode active material is large, and therefore, between the particles including the negative electrode active material and the negative electrode Peeling tends to occur between the particles containing the active material and the inorganic solid electrolyte particles. As a result, the lithium ion conduction path between the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte and the electron conduction path between the negative electrode active material disappear, and the Li insertion / desorption capacity into the negative electrode active material also decreases.
The “irreversible capacity” is the first charge after the manufacture of the same all-solid-state battery to be charged / discharged, and remains at the negative electrode when the maximum charge is performed and the maximum discharge is performed by the subsequent discharge. Refers to the capacity of lithium.

本発明の充放電方法において、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の20%)未満の場合、負極活物質を含む粒子の膨張量が小さく、粒子間での接触状態が不十分となり、粒子間の剥離が生じやすくなり、発明の効果が得られにくい。
また、本発明の充電方法において、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離後のリチウムの負極活物質内の残存容量が、0.03X未満の場合、充放電サイクル時の放電後に、粒子間での接触状態が不十分となり、粒子間剥離が生じやすくなり、発明の効果が得られにくい。同様に、リチウムの負極活物質内の残存容量が、50X超の場合、充放電サイクル時に十分な容量を得られないおそれがある。
In the charging / discharging method of the present invention, when the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material, which is performed for the first time after battery manufacture, is less than (20% of the theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material), particles containing the negative electrode active material The expansion amount is small, the contact state between the particles is insufficient, the particles are easily separated, and the effects of the invention are hardly obtained.
Further, in the charging method of the present invention, when the remaining capacity in the negative electrode active material of lithium after Li ion desorption from the negative electrode active material following the first Li ion insertion after the battery production is less than 0.03X, After the discharge in the discharge cycle, the contact state between the particles becomes insufficient, the particles are easily separated, and the effects of the invention are hardly obtained. Similarly, when the remaining capacity in the negative electrode active material of lithium exceeds 50X, there is a possibility that sufficient capacity cannot be obtained during the charge / discharge cycle.

本発明の充放電方法は、好ましくは電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の30%)以上であり、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.1X以上20X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了する。
本発明の充放電方法は、より好ましくは電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の40%)以上であり、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.2X以上7X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了する。
In the charging / discharging method of the present invention, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material preferably performed for the first time after the production of the battery is equal to or greater than 30% of the theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material. In Li ion desorption from the negative electrode active material following the Li ion insertion to be performed, lithium having a capacity corresponding to 0.1X or more and 20X or less is left in the negative electrode active material, and the discharge is terminated.
In the charging / discharging method of the present invention, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material, which is preferably performed for the first time after the battery is manufactured, is 40% or more of the theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material. In Li ion desorption from the negative electrode active material following Li ion insertion performed for the first time, lithium having a capacity corresponding to 0.2X or more and 7X or less is left in the negative electrode active material, and the discharge is terminated.

本発明の充放電方法において、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量を、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の20%)以上とするには、例えば、負極活物質として理論容量が4200mAh/gであるSiを使用し、負極活物質へのLiイオン挿入(充電)時にSi理論容量の20%である840mAh/g以上でLiイオン挿入(充電)反応を終了するように、プログラム制御を行ってもよく、さらには、同様の制御が可能な回路を用いてもよい。また経験的に840mAh/g以上となるときの電位(電圧)や電流値でLiイオン挿入反応(充電)を終了するようなプログラム制御を行ってもよく、また同様の制御が可能な回路を用いてもよい。
またSiの代わりにSn(理論容量990mAh/g)を負極活物質として用いた場合にも、Siの場合と同様に実施可能である。
また、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了するには、予めXの値を測定し、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離(放電)時に、0.03X以上50X以下になるようなプログラム制御を行ってもよく、また同様の制御が可能な回路を用いてもよい。また経験的に0.03X以上50X以下となるときの電位(電圧)や電流値でLiイオン挿入反応(充電)を終了するようなプログラム制御を行ってもよく、また同様の制御が可能な回路を用いてもよい。
尚、Liイオン残存容量は、負極活物質へのLiイオン挿入容量から、それに続くLiイオン脱離容量を差し引いた値に相当する。
In the charging / discharging method of the present invention, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material that is performed for the first time after manufacturing the battery is, for example, 20% or more of the theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material). Si having a theoretical capacity of 4200 mAh / g is used as the material, and the Li ion insertion (charging) reaction is terminated at 840 mAh / g or more, which is 20% of the Si theoretical capacity, when Li ions are inserted (charged) into the negative electrode active material. As described above, program control may be performed, and a circuit capable of similar control may be used. Also, empirically, program control may be performed such that the Li ion insertion reaction (charging) is terminated at the potential (voltage) or current value when the current is 840 mAh / g or more, and a circuit capable of similar control is used. May be.
Further, in the case where Sn (theoretical capacity 990 mAh / g) is used as the negative electrode active material instead of Si, it can be carried out in the same manner as in the case of Si.
In addition, in Li ion desorption from the negative electrode active material following Li ion insertion that is performed for the first time after the manufacture of the battery, a lithium having a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less is left in the negative electrode active material to complete the discharge. Measures the value of X in advance, and performs program control so that it is 0.03X or more and 50X or less at the time of Li ion desorption (discharge) from the negative electrode active material following Li ion insertion that is performed for the first time after battery manufacture. Alternatively, a circuit capable of similar control may be used. In addition, a program control may be performed so that the Li ion insertion reaction (charging) is terminated by an electric potential (voltage) or current value when 0.03X or more and 50X or less is obtained empirically. May be used.
The remaining Li ion capacity corresponds to a value obtained by subtracting the subsequent Li ion desorption capacity from the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material.

上記Xは、ハーフセル製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入において、0.5mA/cmで、負極活物質電位が0.01Vvs.Li/LiになるまでLiイオンを挿入し、その後0.01Vvs.Li/Liで、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、0.5mA/cmで電位1.52Vvs.Li/LiまでLiイオンを脱離させた際に、負極活物質内に残存するLi容量である。
ここでXを測定するためのハーフセルは、電解質層が、充放電を行う全固体電池の電解質層と同じであり、作用極が充放電を行う全固体電池(フルセル)の負極層と同じである。「同じ」とは、電解質層については、無機固体電解質そのものとその目付け量(単位面積当たりの固体電解質量)が同じことを意味し、負極層については負極合材そのものとその目付け量(単位面積当たりの負極合材量)が同じであることを意味する。
加えて、電解質層と負極合材層を加圧成型する際に加えた圧力は、ハーフセルと全固体電池(フルセル)共に同一であり、電気化学測定(充放電評価)開始時に、セルにかける圧力は、ハーフセルと全固体電池(フルセル)共に同一である。
X is 0.5 mA / cm 2 and the negative electrode active material potential is 0.01 Vvs. In Li ion insertion into the negative electrode active material that is performed for the first time after the half cell is manufactured. Li ions were inserted until Li / Li + and then 0.01 Vvs. Li / Li + is, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, the potential 1.52Vvs at 0.5 mA / cm 2. This is the Li capacity remaining in the negative electrode active material when Li ions are desorbed to Li / Li + .
Here, in the half cell for measuring X, the electrolyte layer is the same as the electrolyte layer of the all-solid battery that performs charge / discharge, and the working electrode is the same as the negative electrode layer of the all-solid battery (full cell) that performs charge / discharge. . “Same” means that for the electrolyte layer, the inorganic solid electrolyte itself and its basis weight (solid electrolytic mass per unit area) are the same, and for the negative electrode layer, the negative electrode mixture itself and its basis weight (unit area) It means that the negative electrode composite material amount is the same.
In addition, the pressure applied when pressure-molding the electrolyte layer and the negative electrode mixture layer is the same for both the half-cell and the all-solid-state battery (full cell), and the pressure applied to the cell at the start of electrochemical measurement (charge / discharge evaluation) Are the same for both half-cells and all-solid-state batteries (full cells).

[固体電解質の製造]
製造例
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には、下記の通りである。
(1)硫化リチウムの製造
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 of solid electrolyte]
Production Example Production and purification of lithium sulfide were carried out in the same manner as in the examples of International Publication WO2005 / 040039A1. Specifically, it is as follows.
(1) Production of lithium sulfide A 10-liter autoclave equipped with a stirring blade was charged with 3326.4 g (33.6 mol) of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and 287.4 g (12 mol) of lithium hydroxide at 300 rpm. The temperature was raised to 130 ° 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。
(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.

(3)固体電解質の製造
固体電解質は以下の方法で得た。国際公開WO2005/40039号に記載された方法に従い製造された高純度LiS0.6508g(0.01417mol)と、P(アルドリッチ製)1.3492g(0.00607mol)をよく混合し、混合粉末をアルミナ製ポットに投入し完全密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付けた。はじめに、出発原料を十分に混合するために数分間低速回転(85rpm)でミリングを行った。その後、徐々に回転数を上げ370rpmとし、20時間メカニカルミリングを行った。
X線測定により、得られた粉末がガラス化していることを確認した。次に、この粉末を300℃で2時間熱処理して固体電解質を得た。
イオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で1.0×10−3S/cmであった。
(3) Production of solid electrolyte The solid electrolyte was obtained by the following method. High purity Li 2 S0.6508g (0.01417mol) prepared according to the method described in International Patent Publication WO2005 / 40039, P 2 S 5 were mixed well (Aldrich) 1.3492g (0.00607mol), The mixed powder was put into an alumina pot and completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill. First, milling was performed at a low speed (85 rpm) for several minutes in order to sufficiently mix the starting materials. Thereafter, the rotational speed was gradually increased to 370 rpm, and mechanical milling was performed for 20 hours.
It was confirmed by X-ray measurement that the obtained powder was vitrified. Next, this powder was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours to obtain a solid electrolyte.
The ionic conductivity was measured by an AC impedance method (measurement frequency: 100 Hz to 15 MHz) and found to be 1.0 × 10 −3 S / cm at room temperature.

実施例1
[負極合材を用いたハーフセルの製造及び評価]
(1)負極合材シートの作製
製造例で調製した固体電解質ガラスである無機固体電解質粉末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、この混合物にイソブチロニトリル(キシダ化学製)11.5gを加えた。さらに、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%となるように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。
この混合物に、直径10mmのジルコニア製ボール20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。
Example 1
[Production and Evaluation of Half Cell Using Negative Electrode Compound]
(1) Production of negative electrode composite sheet 8.15 g of inorganic solid electrolyte powder, which is the solid electrolyte glass prepared in the production example, and Si powder having an average diameter of 5 μm (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.9%) 49 g was lightly mixed, and 11.5 g of isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical) was added to the mixture. Furthermore, as a binder, it was dissolved in isobutyronitrile (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) so as to be 10 wt% of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP) (manufactured by arkema, KYNER (registered trademark)) 3.59 g of solution was added.
Twenty zirconia balls having a diameter of 10 mm were added to the mixture, 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.

アルミニウム箔(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、上記で調製したスラリーを塗布し、塗布後、150℃で3時間真空乾燥を行い、負極合材シートを得た。
尚、スラリーの塗布量は、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5.51mg/cmとなるように調整した。
Apply a conductive primer (made by Nippon Graphite, product name: Bunny Height) on aluminum 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 slurry prepared above was apply | coated, and after application | coating, it vacuum-dried at 150 degreeC for 3 hours, and obtained the negative mix sheet.
The amount of slurry applied was adjusted so that the solid content after removal of the solvent (corresponding to the weight of the negative electrode mixture) was 5.51 mg / cm 2 per unit area.

(2)負極合材シートを用いたハーフセルの作製
製造例で調製した固体電解質ガラスである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、無機固体電解質粉末目付け量:76.4mg/cm)とした。
次に(1)で作製した負極合材シート(負極活物質量:2.94mg、負極合材目付け量:5.51mg/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、参照極且つ対極として、LiIn合金箔を貼合し加圧成型した。最後にセルの周囲を90度おきに4か所ネジ締めを行うことで、積層方向に加圧した。このようにして、3層構造の2極式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 sheet 60 mg of inorganic solid electrolyte powder, which is the solid electrolyte glass prepared in the production example, was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm and subjected to pressure molding to form an electrolyte layer (electrolyte sheet) Inorganic solid electrolyte powder basis weight: 76.4 mg / cm 2 ).
Next, the negative electrode composite sheet prepared in (1) (amount of negative electrode active material: 2.94 mg, basis weight of negative electrode mixture: 5.51 mg / cm 2 ) was punched out into a circle using a punch with 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, LiIn alloy foil was bonded and pressure-molded as a reference electrode and a counter electrode. Finally, the periphery of the cell was screwed at four positions every 90 degrees to pressurize in the stacking direction. In this way, a bipolar 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)負極合材を用いたハーフセルの評価
作製したハーフセルを、0.5mA/cmで、電位が0.01Vvs.Li/Liになるまで、その後0.01Vvs.Li/Liで、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、0.5mA/cmで電位1.52Vvs.Li/LiまでLiイオンを脱離させた。このとき造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入量は、Siの理論容量(4200mAh/g)の86.5%(3635mAh/g)であった。
また、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離後にSi内に残存するLi容量(687mAh/g)をXと定義した。
尚、「Liイオン挿入容量」とは、ハーフセルの負極に含まれるSi(負極活物質)挿入させたLiイオンの容量を意味する。「Si内に残存するLi容量」とは、ハーフセルの負極に含まれるSi(負極活物質)内に残存するLiイオンの容量を意味する。
(3) Evaluation of half cell using negative electrode composite material The prepared half cell was 0.5 mA / cm 2 and the potential was 0.01 Vvs. Until Li / Li + , then 0.01 V vs. Li / Li + is, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, the potential 1.52Vvs at 0.5 mA / cm 2. Li ions were desorbed to Li / Li + . At this time, the amount of Li ion insertion into the negative electrode active material performed for the first time after fabrication was 86.5% (3635 mAh / g) of the theoretical capacity of Si (4200 mAh / g).
Further, the Li capacity (687 mAh / g) remaining in Si after Li ion desorption from the negative electrode active material following Li ion insertion performed for the first time after battery production was defined as X.
The “Li ion insertion capacity” means the capacity of Li ions inserted into Si (negative electrode active material) contained in the negative electrode of the half cell. “Li capacity remaining in Si” means the capacity of Li ions remaining in Si (negative electrode active material) contained in the negative electrode of the half cell.

得られたハーフセルについて、サイクル特性評価を以下のように行った。
ハーフセルについて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。Li挿入時に活物質(Si)の理論容量の30.3%(Si重量当り容量が1271mAh/g)に到達した場合Li挿入を終了した。その後、1.02mA/cmで、0.72Vvs.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。
Si重量当りのLi脱離容量とLi脱離挿入サイクル数の関係を図1に示す。
About the obtained half cell, cycle characteristic evaluation was performed as follows.
About 1.02 mA / cm 2 for a half cell, 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. Li insertion was terminated when it reached 30.3% of the theoretical capacity of the active material (Si) during Li insertion (capacity per Si weight was 1271 mAh / g). Thereafter, at 1.02 mA / cm 2 , 0.72 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.
FIG. 1 shows the relationship between the Li desorption capacity per Si weight and the number of Li desorption insertion cycles.

図1から、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量が、負極活物質の(理論容量[mAh/g]の20%)以上であり、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上〜50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了させた実施例1では、200サイクルを超えてもLi脱離容量が、ほぼ一定を保持し続けていることが分かる。   From FIG. 1, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material that is performed for the first time after manufacturing the battery is equal to or greater than (20% of the theoretical capacity [mAh / g]) of the negative electrode active material. In Example 1, in which Li ion desorption from the negative electrode active material left lithium in a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less in the negative electrode active material to terminate the discharge, the discharge exceeded 200 cycles. It can be seen that the Li desorption capacity keeps almost constant.

実施例2
[全固体電池の製造及び評価]
(4)正極合材の調製
硫黄(Aldrich製、純度99.998%)0.500gと炭素(MSC30)0.214gを乳鉢で混合した後、硫黄炭素の混合物を密閉性のステンレス容器に入れた。この容器を電気炉にて加熱処理し、硫黄炭素複合体を調製した。当該加熱処理は、室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分でさらに昇温し、2.75時間保持し、その後自然冷却することで実施した。
得られた硫黄炭素複合体と製造例で調製した固体電解質粉末を、質量比50:50で混合し、この混合物を遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmで5時間メカニカルミリング処理することで正極合材とした。
Example 2
[Manufacture and evaluation of all-solid-state batteries]
(4) Preparation of positive electrode mixture After mixing 0.500 g of sulfur (manufactured by Aldrich, purity 99.998%) and 0.214 g of carbon (MSC30) in a mortar, the mixture of sulfur carbon was put in a hermetic stainless steel container. . This container was heat-treated in an electric furnace to prepare a sulfur carbon composite. In the heat treatment, the temperature was raised from room temperature to 150 ° C. at 10 ° C./min, held at 150 ° C. for 6 hours, further heated to 300 ° C. at 10 ° C./min, held for 2.75 hours, and then It was carried out by natural cooling.
The obtained sulfur carbon composite and the solid electrolyte powder prepared in the production example were mixed at a mass ratio of 50:50, and this mixture was mixed at room temperature (25 ° C.) in argon with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7). ), Mechanical milling was performed at a rotational speed of 370 rpm for 5 hours to obtain a positive electrode mixture.

(5)全固体リチウムイオン電池の作製
製造例で製造した無機固体電解質粉末(ガラス)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、無機固体電解質粉末目付け量:76.4mg/cm)とし、さらに(4)で調製した正極合材を6.9mg投入し加圧成型して正極層とした。(1)で作製した負極合材シート(負極活物質量:2.94mg、負極合材目付け量:5.51mg/cm)を直径10mmのパンチを用いて打ち抜いた。正極層とは反対側から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、負極層とした。電解質層、負極層を加圧成型する際の圧力はハーフセルと同一にした。次にリチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)2.1mgを正極層側に貼合し加圧成型した。リチウム箔を貼付後に加えた圧力はハーフセルの参照極層(LiIn合金)を加圧成型する際に加えた圧力と同一とした。最後にセルの周囲を90度おきに4か所ネジ締めをおこなうことで、積層方向に加圧した。このようにして4層構造の全固体リチウムイオン電池を作製した。
(5) Production of an all-solid-state lithium ion battery 60 mg of the inorganic solid electrolyte powder (glass) produced in the production example was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm, and pressure-molded to form an electrolyte layer (electrolyte sheet, inorganic solid electrolyte powder). The weight per unit area was 76.4 mg / cm 2 ), and 6.9 mg of the positive electrode mixture prepared in (4) was added and pressure-molded to obtain a positive electrode layer. The negative electrode composite sheet prepared in (1) (negative electrode active material amount: 2.94 mg, negative electrode composite weight per unit area: 5.51 mg / cm 2 ) was punched out using a punch having a diameter of 10 mm. The negative electrode mixture layer side of the sheet punched from the side opposite to the positive electrode layer was pressure-molded so as to be in contact with the electrolyte layer to obtain a negative electrode layer. The pressure when pressure-molding the electrolyte layer and the negative electrode layer was the same as that of the half cell. Next, as a lithium source, 2.1 mg of lithium foil (Honjo Metal Co., Ltd.) was bonded to the positive electrode layer side and pressure molded. The pressure applied after sticking the lithium foil was the same as the pressure applied when pressure-molding the reference electrode layer (LiIn alloy) of the half cell. Finally, the periphery of the cell was screwed in four places every 90 degrees to pressurize in the stacking direction. In this manner, an all-solid lithium ion battery having a four-layer structure was produced.

(6)全固体リチウム電池の評価
製造した全固体リチウムイオン電池について、0.1Cで電圧が2.65Vになるまで定電流(CC)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)した。充電後、0.1Cで電圧が0.6Vになるまで放電(負極活物質からのLiイオン脱離)した。
このとき、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量はSiの理論容量(4200mAh/g)の57.8%(2426mAh/g)であった。
電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離操作において、負極活物質に1.35X(927mAh/g)に相当するLiをSi内に残存させてLi脱離を終了した。
(6) Evaluation of all-solid-state lithium battery About the manufactured all-solid-state lithium ion battery, a constant current (CC) charge (Li ion insertion to a negative electrode active material) is carried out until the voltage will be 2.65V at 0.1C, and the voltage The battery was charged at a constant voltage (CV) until the current reached 0.01 C (insertion of Li ions into the negative electrode active material). After charging, discharging was performed (Li ion desorption from the negative electrode active material) until the voltage became 0.6 V at 0.1 C.
At this time, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material performed for the first time after manufacturing the battery was 57.8% (2426 mAh / g) of the theoretical capacity of Si (4200 mAh / g).
In Li ion desorption operation from the negative electrode active material following Li ion insertion performed for the first time after manufacturing the battery, Li corresponding to 1.35X (927 mAh / g) remains in the Si as Li desorption finished.

上記の操作後、全固体リチウム電池のサイクル特性評価を以下のように行った。
全固体リチウム電池について、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行った。その後、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行った。
この条件で充放電サイクルを繰返し、100サイクル後の放電容量維持率[%](100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100)を算出した。結果を表1に示す。
After the above operation, the cycle characteristics of the all-solid lithium battery were evaluated as follows.
About the all-solid-state lithium battery, constant current (CC) charge to 2.65V was carried out at 0.2C, and constant voltage (CV) charge was performed until the electric current became 0.01C with the voltage. Then, constant current (CC) discharge was performed to 0.6V at 0.2C.
The charge / discharge cycle was repeated under these conditions, and the discharge capacity retention ratio [%] after 100 cycles (discharge capacity at 100th cycle / discharge capacity at the first cycle × 100) was calculated. The results are shown in Table 1.

実施例3
製造例で製造した無機固体電解質粉末(ガラス)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、無機固体電解質粉末目付け量:76.4mg/cm)とし、さらに(4)で調製した正極合材を6.9mg投入し加圧成型して正極層とした。(1)で作製した負極合材シート(負極活物質量:2.94mg、負極合材目付け量:5.51mg/cm)を直径10mmのパンチを用いて打ち抜いた。正極層とは反対側から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、負極層とした。電解質層、負極層を加圧成型する際の圧力はハーフセルと同一にした。次にリチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)3.6mgを正極層側に貼合し加圧成型した。リチウム箔を貼付後に加えた圧力はハーフセルの参照極層(LiIn合金)を加圧成型する際に加えた圧力と同一とした。最後にセルの周囲を90度おきに4か所ネジ締めをおこなうことで、積層方向に加圧した。このようにして4層構造の全固体リチウムイオン電池を作製した。
Example 3
60 mg of the inorganic solid electrolyte powder (glass) produced in the production example was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm, and pressure-molded to form an electrolyte layer (electrolyte sheet, inorganic solid electrolyte powder basis weight: 76.4 mg / cm 2 ). Further, 6.9 mg of the positive electrode mixture prepared in (4) was added and pressure-molded to obtain a positive electrode layer. The negative electrode composite sheet prepared in (1) (negative electrode active material amount: 2.94 mg, negative electrode composite weight per unit area: 5.51 mg / cm 2 ) was punched out using a punch having a diameter of 10 mm. The negative electrode mixture layer side of the sheet punched from the side opposite to the positive electrode layer was pressure-molded so as to be in contact with the electrolyte layer to obtain a negative electrode layer. The pressure when pressure-molding the electrolyte layer and the negative electrode layer was the same as that of the half cell. Next, 3.6 mg of lithium foil (Honjo Metal Co., Ltd.) as a lithium source was bonded to the positive electrode layer side and pressure molded. The pressure applied after sticking the lithium foil was the same as the pressure applied when pressure-molding the reference electrode layer (LiIn alloy) of the half cell. Finally, the periphery of the cell was screwed in four places every 90 degrees to pressurize in the stacking direction. In this manner, an all-solid lithium ion battery having a four-layer structure was produced.

製造した全固体リチウムイオン電池について、0.1Cで電圧が2.65Vになるまで定電流(CC)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)した。充電後、0.1Cで電圧が0.6Vになるまで放電(負極活物質からのLiイオン脱離)した。
このとき、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量はSiの理論容量(4200mAh/g)の98.8%(4150mAh/g)であった。
電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離操作において、負極活物質に3.86X(2651mAh/g)に相当するLiをSi内に残存させてLi脱離を終了した。
About the manufactured all-solid-state lithium ion battery, constant current (CC) charge (Li ion insertion into a negative electrode active material) is carried out until the voltage will be 2.65V at 0.1C, and until the electric current will be 0.01C at the voltage Constant voltage (CV) charging (insertion of Li ions into the negative electrode active material) was performed. After charging, discharging was performed (Li ion desorption from the negative electrode active material) until the voltage became 0.6 V at 0.1 C.
At this time, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material performed for the first time after manufacturing the battery was 98.8% (4150 mAh / g) of the theoretical capacity of Si (4200 mAh / g).
In Li ion desorption operation from the negative electrode active material following Li ion insertion performed for the first time after manufacturing the battery, Li corresponding to 3.86X (2651 mAh / g) remains in the negative electrode active material in the Si, thereby desorbing Li. finished.

上記の操作後、全固体リチウム電池のサイクル特性評価を以下のように行った。
全固体リチウム電池について、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行った。その後、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行った。
この条件で充放電サイクルを繰返し、100サイクル後の放電容量維持率[%](100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100)を算出した。結果を表1に示す。
After the above operation, the cycle characteristics of the all-solid lithium battery were evaluated as follows.
About the all-solid-state lithium battery, constant current (CC) charge to 2.65V was carried out at 0.2C, and constant voltage (CV) charge was performed until the electric current became 0.01C with the voltage. Then, constant current (CC) discharge was performed to 0.6V at 0.2C.
The charge / discharge cycle was repeated under these conditions, and the discharge capacity retention ratio [%] after 100 cycles (discharge capacity at 100th cycle / discharge capacity at the first cycle × 100) was calculated. The results are shown in Table 1.

比較例1
製造例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、無機固体電解質粉末目付け量:76.4mg/cm)とし、さらに実施例1の(4)で調製した正極合材を6.9mg投入し加圧成型して正極層とした。
(1)で作成した負極合材スラリーを150℃で3時間真空乾燥し、溶媒を除去することで負極合材を得た。この負極合材4.33mg(負極活物質量:2.94mg、負極合材目付け量:5.51mg/cm)を電解質層と接するように加圧成型し、負極層とした。
電解質層、負極層を加圧成型する際の圧力はハーフセルと同一にした。さらにリチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)2.1mgを負極層側に貼合し加圧成型した。リチウム箔を貼付後に加えた圧力はハーフセルの参照極層(LiIn合金)を加圧成型する際に加えた圧力と同一とした。最後にセルの周囲を90度おきに4か所ネジ締めをおこなうことで、積層方向に加圧した。このようにして4層構造の全固体リチウムイオン電池を作製した。
Comparative Example 1
60 mg of the inorganic solid electrolyte powder prepared in the production example was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm, and pressure-molded to form an electrolyte layer (electrolyte sheet, inorganic solid electrolyte powder basis weight: 76.4 mg / cm 2 ). 6.9 mg of the positive electrode mixture prepared in (4) of Example 1 was charged and pressure-molded to obtain a positive electrode layer.
The negative electrode mixture slurry prepared in (1) was vacuum dried at 150 ° C. for 3 hours, and the solvent was removed to obtain a negative electrode mixture. 4.33 mg of this negative electrode mixture (amount of negative electrode active material: 2.94 mg, weight per unit area of negative electrode mixture: 5.51 mg / cm 2 ) was pressure-molded so as to be in contact with the electrolyte layer to obtain a negative electrode layer.
The pressure when pressure-molding the electrolyte layer and the negative electrode layer was the same as that of the half cell. Furthermore, as a lithium source, 2.1 mg of lithium foil (made by Honjo Metal) was bonded to the negative electrode layer side and pressure-molded. The pressure applied after sticking the lithium foil was the same as the pressure applied when pressure-molding the reference electrode layer (LiIn alloy) of the half cell. Finally, the periphery of the cell was screwed in four places every 90 degrees to pressurize in the stacking direction. In this manner, an all-solid lithium ion battery having a four-layer structure was produced.

作製した全固体リチウムイオン電池を、充放電レート0.1Cで電圧が0.6Vになるまで放電した。
その後、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電(負極活物質へのLiイオン挿入)を行った。その後、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電(負極活物質からのLiイオン脱離)を行った。
このとき、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量は、Siの理論容量(4200mAh/g)の30.7%(1292mAh/g)であった。
電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離操作において、負極活物質に0.025X(16.9mAh/g)に相当するLiをSi内に残存させてLi脱離を終了した。
上記の操作後、全固体リチウム電池のサイクル特性評価を以下のように行った。
全固体リチウム電池について、0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、その電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行った。その後、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行った。
この条件で充放電サイクルを繰返し、100サイクル後の放電容量維持率[%](100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100)を算出した。結果を表1に示す。
The produced all solid lithium ion battery was discharged at a charge / discharge rate of 0.1 C until the voltage reached 0.6V.
After that, constant current (CC) charge (insertion of Li ions into the negative electrode active material) to 2.65 V at 0.2 C, and constant voltage (CV) charge (negative electrode active material) until the current reaches 0.01 C at that voltage. Li ion insertion). Thereafter, constant current (CC) discharge (desorption of Li ions from the negative electrode active material) was performed at 0.2 C up to 0.6 V.
At this time, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material performed for the first time after manufacturing the battery was 30.7% (1292 mAh / g) of the theoretical capacity of Si (4200 mAh / g).
In the Li ion desorption operation from the negative electrode active material following the first Li ion insertion after battery manufacture, Li corresponding to 0.025X (16.9 mAh / g) remains in the negative electrode active material in the Si desorption. I finished the release.
After the above operation, the cycle characteristics of the all-solid lithium battery were evaluated as follows.
About the all-solid-state lithium battery, constant current (CC) charge to 2.65V was carried out at 0.2C, and constant voltage (CV) charge was performed until the electric current became 0.01C with the voltage. Then, constant current (CC) discharge was performed to 0.6V at 0.2C.
The charge / discharge cycle was repeated under these conditions, and the discharge capacity retention ratio [%] after 100 cycles (discharge capacity at 100th cycle / discharge capacity at the first cycle × 100) was calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 2013222530
Figure 2013222530

表1より、比較例1に比べ、電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量が負極活物質の(理論容量[mAh/g]の20%)以上であり、電池製造後に初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上〜50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了させた実施例2及び実施例3では、100サイクル後の放電容量維持率が高くなっていることが分かる。   From Table 1, the Li ion insertion capacity into the negative electrode active material, which is performed for the first time after manufacturing the battery, is not less than (20% of the theoretical capacity [mAh / g]) of the negative electrode active material as compared with Comparative Example 1, and this is performed for the first time after manufacturing the battery. Example 2 and Example in which, in Li ion desorption from the negative electrode active material following Li ion insertion, lithium having a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less was left in the negative electrode active material to terminate the discharge. 3 shows that the discharge capacity retention rate after 100 cycles is high.

以上説明したように、本発明の充放電方法によれば、例えば負極活物質としてSiを用いた場合でも、不可逆容量に相当するLiをSiに残存させた後であれば、全固体リチウム電池の充放電を繰り返し行っても、サイクル特性が劣化しないようにすることができる。   As described above, according to the charging / discharging method of the present invention, for example, even when Si is used as the negative electrode active material, if Li corresponding to the irreversible capacity is left in Si, the all-solid lithium battery Even if charging / discharging is repeated, the cycle characteristics can be prevented from deteriorating.

本発明の全固体電池の充放電方法を実施する充放電制御システム、充放電制御回路及び充放電制御プログラムは、リチウムイオン電池を充電する装置や機器に利用できる。
また、本発明の全固体電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電圧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の電池として用いることができる。
The charging / discharging control system, the charging / discharging control circuit, and the charging / discharging control program for implementing the charging / discharging method of the all-solid-state battery of the present invention can be used for an apparatus or a device that charges a lithium ion battery.
The all solid state battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a voltage source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like.

Claims (6)

負極層と、
無機固体電解質を含む電解質層と、
を備える全固体電池であって、
0.2Cで、2.65Vまで定電流(CC)充電し、2.65Vの電圧で電流が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行い、0.2Cで、0.6Vまで定電流(CC)放電を行う充放電サイクルの条件の下で、100サイクル後に放電容量の維持率が50%以上である全固体電池。
A negative electrode layer;
An electrolyte layer containing an inorganic solid electrolyte;
An all solid state battery comprising:
At 0.2C, constant current (CC) charge up to 2.65V, and at constant voltage (CV) charge until current reaches 0.01C at a voltage of 2.65V. An all-solid-state battery having a discharge capacity maintenance rate of 50% or more after 100 cycles under conditions of a charge / discharge cycle in which current (CC) discharge is performed.
前記負極層が、負極活物質及び無機固体電解質を含む請求項1に記載の全固体電池。   The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the negative electrode layer includes a negative electrode active material and an inorganic solid electrolyte. 前記負極活物質が、シリコン、スズ、炭素、マグネシウム、アルミニウム及びガリウムから選択される1以上の金属又は合金を含む請求項2に記載の全固体電池。   The all-solid-state battery according to claim 2, wherein the negative electrode active material includes one or more metals or alloys selected from silicon, tin, carbon, magnesium, aluminum, and gallium. 前記負極活物質の平均粒径が0.01μm〜100μmであり、前記無機固体電解質の平均粒径が0.01μm〜100μmである請求項2又は3に記載の全固体電池。   4. The all-solid-state battery according to claim 2, wherein the negative electrode active material has an average particle size of 0.01 μm to 100 μm, and the inorganic solid electrolyte has an average particle size of 0.01 μm to 100 μm. 前記無機固体電解質が、下記式(1)に示す組成を満たすガラス、又は下記式(1)に示す組成を満たすガラスセラミックスである請求項1〜4のいずれかに記載の全固体電池。
Li (1)
(式中、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGe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 all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the inorganic solid electrolyte is glass satisfying a composition represented by the following formula (1) or glass ceramic satisfying a composition represented by the following formula (1).
Li a Mb P c S d (1)
(In the formula, M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga and Ge. Ad represents the composition ratio of each element, and a: b: c: d represents 1 to 12: 0-0.2: 1: 2-9 are satisfied.)
電池製造後に初めて行う負極活物質へのLiイオン挿入容量[mAh/g]が、(負極活物質の理論容量[mAh/g]の20%)以上であり、
前記初めて行うLiイオン挿入に続く、負極活物質からのLiイオン脱離において、0.03X以上50X以下に相当する容量のリチウムを負極活物質内に残存させて放電を終了する全固体電池の充放電方法。
(Xは、ハーフセル製造後に初めて行う前記負極活物質へのLiイオン挿入において、0.5mA/cmで、負極活物質電位が0.01Vvs.Li/LiになるまでLiイオンを挿入し、その後0.01Vvs.Li/Liで、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、0.5mA/cmで電位1.52Vvs.Li/LiまでLiイオンを脱離させた際に、前記負極活物質内に残存するLi容量である。
但し、Xを決定するハーフセルは、負極層及び電解質層が積層した構造を含み、前記負極層が含む負極活物質は、前記全固体電池の負極層が含む負極活物質と同一であって、負極層単位面積当たりの量が同じであり、前記電解質層が含む無機固体電解質は、前記全固体電池の電解質層が含む無機固体電解質と同一であって、電解質層単位面積当たりの量が同じである。)
Li ion insertion capacity [mAh / g] into the negative electrode active material, which is performed for the first time after battery manufacture, is not less than (20% of theoretical capacity [mAh / g] of the negative electrode active material),
In the Li ion desorption from the negative electrode active material following the first Li ion insertion performed for the first time, the charging of the all-solid-state battery that ends discharge by leaving lithium in a capacity corresponding to 0.03X or more and 50X or less in the negative electrode active material. Discharge method.
(X is the insertion of Li ions into the negative electrode active material for the first time after half-cell production, and at 0.5 mA / cm 2 , Li ions are inserted until the negative electrode active material potential becomes 0.01 V vs. Li / Li + , then 0.01Vvs.Li/Li + a, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, was desorbed Li ions at 0.5 mA / cm 2 until the potential 1.52Vvs.Li/Li + In this case, the Li capacity remaining in the negative electrode active material.
However, the half cell that determines X includes a structure in which a negative electrode layer and an electrolyte layer are laminated, and the negative electrode active material included in the negative electrode layer is the same as the negative electrode active material included in the negative electrode layer of the all-solid battery, The amount per layer unit area is the same, and the inorganic solid electrolyte included in the electrolyte layer is the same as the inorganic solid electrolyte included in the electrolyte layer of the all-solid battery, and the amount per unit area of the electrolyte layer is the same. . )
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