JP2013229257A - All-solid lithium secondary battery using sulfur-based cathode material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid lithium secondary battery which has a long service life with little deterioration in battery performance, has large electric capacity and high performance, and is excellent in safety due to high heat resistance in comparison with a conventional one.SOLUTION: The all-solid lithium secondary battery includes: a cathode containing a sulfur-modified polyacrylonitrile and a sulfide-based solid electrolyte; and an electrolyte layer containing the sulfide-based solid electrolyte. The sulfide-based solid electrolyte contains S, P, and Li as essential components.

Description

本発明は、電池性能の劣化が少なく長寿命であって、電気容量の大きい高性能の、耐熱性が高く安全性に優れた、硫黄系正極材料を用いた全固体リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an all-solid-state lithium secondary battery using a sulfur-based positive electrode material that has high performance, high heat resistance, excellent safety, and long life with little deterioration in battery performance.

非水系の有機電解液を用いた現行のリチウム二次電池は、安全性に課題が残されていると考えられている。
現在、正極と負極の間にあるセパレータは、ポリプロピレンやポリエチレン製の微多孔膜、又はこれらを複数重ねた構造のものが一般的に使われており、厚さは15〜40μm程度である。電池内に混入した異物や、金属デンドライトによって、このセパレータが貫通し、これにより、正負極が短絡して急激に電流が流れ、発熱して、時には発火に至ることがある。また、高温環境下では、セパレータが収縮したり、溶けたりすることにより、正負極が短絡し、発熱して、時には発火に至ることがある。
有機電解液は高いイオン伝導度を示すものの、電解液が液体でかつ可燃性であることから電池として用いた場合、漏洩、発火等の危険性が懸念されている。また、有機電解液は、組成にもよるが100〜200℃程度で蒸発してしまい、これが発火に繋がるという問題もある。
Current lithium secondary batteries using non-aqueous organic electrolytes are considered to have problems in safety.
Currently, a separator between a positive electrode and a negative electrode is generally used as a microporous film made of polypropylene or polyethylene, or a structure in which a plurality of these are stacked, and has a thickness of about 15 to 40 μm. The separator penetrates due to foreign matter mixed in the battery or metal dendrite. As a result, the positive and negative electrodes are short-circuited, current flows suddenly, heat is generated, and sometimes ignition occurs. In a high-temperature environment, the separator contracts or melts, so that the positive and negative electrodes are short-circuited and generate heat, sometimes leading to ignition.
Although the organic electrolyte exhibits high ionic conductivity, there is a concern about the risk of leakage and ignition when used as a battery because the electrolyte is liquid and flammable. Moreover, although it depends on the composition, the organic electrolytic solution evaporates at about 100 to 200 ° C., which leads to ignition.

これらの課題を解決するために、次世代リチウムイオン電池用電解質として、液系電解液に替わる、より安全性の高い固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池の開発が盛んに行われている。
固体電解質にも様々な種類があるが、中でも、導電性の高い硫化物系の固体電解質が注目されている(特許文献1)。
固体電解質はセパレータの役割を兼ねるため、固体電解質を用いることにより、別途セパレータを使用する必要がなくなる。また、固体電解質自体が耐熱性を有するため、数百℃の高温で溶けたり蒸発したりすることはない。よって、固体電解質の使用は、正負極が短絡するリスクを大幅に低減できる。
In order to solve these problems, all-solid lithium secondary batteries using solid electrolytes with higher safety instead of liquid electrolytes have been actively developed as electrolytes for next-generation lithium ion batteries. .
There are various types of solid electrolytes, and among them, a sulfide-based solid electrolyte with high conductivity has attracted attention (Patent Document 1).
Since the solid electrolyte also serves as a separator, the use of the solid electrolyte eliminates the need for a separate separator. Moreover, since the solid electrolyte itself has heat resistance, it does not melt or evaporate at a high temperature of several hundred degrees Celsius. Therefore, the use of the solid electrolyte can greatly reduce the risk of the short circuit between the positive and negative electrodes.

ここで、硫化物系の固体電解質を用いた全固体二次電池では正極活物質に遷移金属酸化物正極活物質を用いることが一般的である。しかし、該全固体電池では、硫化物系の固体電解質が遷移金属酸化物正極活物質を劣化させてしまうという欠点があった。   Here, in an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based solid electrolyte, a transition metal oxide positive electrode active material is generally used as the positive electrode active material. However, the all-solid battery has a drawback that the sulfide-based solid electrolyte deteriorates the transition metal oxide positive electrode active material.

特開2005-228570号公報JP 2005-228570 A

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来に比し、電池性能の劣化が少なく長寿命であって、電気容量が大きく、耐熱性が高く安全性に優れた全固体リチウム二次電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main purpose is that the battery performance is less deteriorated and the life is longer, the electric capacity is larger, and the heat resistance is higher than in the prior art. The object is to provide an all-solid lithium secondary battery excellent in safety.

本発明の全固体リチウム二次電池は、硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫化物系固体電解質とを含む正極と、硫化物系固体電解質を含む電解質層と、を含み、前記硫化物系固体電解質は、SとPとLiを必須成分とする全固体リチウム二次電池である。   An all-solid lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode including sulfur-modified polyacrylonitrile and a sulfide-based solid electrolyte, and an electrolyte layer including a sulfide-based solid electrolyte, and the sulfide-based solid electrolyte includes S And P and Li are all solid lithium secondary batteries.

本発明の全固体リチウム二次電池によれば、硫化物系固体電解質を含む電解質層を用いることにより、安全且つ電気容量が高い全固体リチウム二次電池とすることができる。
硫黄変性ポリアクリロニトリルを正極活物質に用いると正極中の正極活物質が正極中の硫化物系固体電解質により劣化せず、長寿命の全固体リチウム二次電池とすることができる。
正極及び電解質層ともに耐熱性が高いため、高温環境下でも、安全且つ高性能な全固体リチウム二次電池とすることができる。
According to the all solid lithium secondary battery of the present invention, by using an electrolyte layer containing a sulfide solid electrolyte, it is possible to provide a safe and high electric capacity all solid lithium secondary battery.
When sulfur-modified polyacrylonitrile is used as the positive electrode active material, the positive electrode active material in the positive electrode is not deteriorated by the sulfide-based solid electrolyte in the positive electrode, and a long-life all-solid lithium secondary battery can be obtained.
Since both the positive electrode and the electrolyte layer have high heat resistance, a safe and high-performance all-solid lithium secondary battery can be obtained even in a high temperature environment.

本発明の全固体リチウム二次電池は、前記硫化物系固体電解質が、硫化リチウムと五硫化二リンとから製造される全固体リチウム二次電池であることが好ましい。また、硫化リチウムと五硫化二リンのモル比が、68:32〜73:27であることが好ましい。
これにより、より電気容量が高い全固体リチウム二次電池とすることができる。
In the all solid lithium secondary battery of the present invention, the sulfide solid electrolyte is preferably an all solid lithium secondary battery produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide. Moreover, it is preferable that the molar ratio of lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide is 68:32 to 73:27.
Thereby, it can be set as an all-solid-state lithium secondary battery with a higher electrical capacity.

本発明の全固体リチウム二次電池は、前記硫化物系固体電解質が、Li11結晶構造を含む全固体リチウム二次電池であることが好ましい。
これにより、リチウムイオン伝導性が向上し、高性能な全固体リチウム二次電池とすることができる。
The all solid lithium secondary battery of the present invention is preferably an all solid lithium secondary battery in which the sulfide-based solid electrolyte includes a Li 7 P 3 S 11 crystal structure.
Thereby, lithium ion conductivity improves and it can be set as a high performance all-solid-state lithium secondary battery.

本発明によれば、電池性能の劣化が少なく長寿命であって、電気容量の大きい高性能の、耐熱性が高く安全性に優れた全固体リチウム二次電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state lithium secondary battery that has high performance, high heat resistance, excellent safety, and long life with little deterioration in battery performance.

本発明の全固体リチウム二次電池の概略拡大断面図である。It is a general | schematic expanded sectional view of the all-solid-state lithium secondary battery of this invention. 硫黄変性ポリアクリロニトリルを製造するための反応装置を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows typically the reaction apparatus for manufacturing sulfur modified polyacrylonitrile. 硫黄変性ポリアクリロニトリルのラマンスペクトルを示す図面である。It is drawing which shows the Raman spectrum of sulfur-modified polyacrylonitrile. 導電助剤を添加した状態で熱処理して得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルを模式的に示す図面である。It is drawing which shows typically the sulfur modification polyacrylonitrile obtained by heat-processing in the state which added the conductive support agent. 硫黄変性ポリアクリロニトリルのX線回折パターンを示す図面である。It is drawing which shows the X-ray-diffraction pattern of sulfur modified polyacrylonitrile. 実施例1の硫黄変性ポリアクリロニトリルのラマンスペクトルを示す図面である。1 is a drawing showing a Raman spectrum of the sulfur-modified polyacrylonitrile of Example 1. 実施例1の全固体リチウム二次電池の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of an all solid lithium secondary battery of Example 1. FIG. 比較例1の全固体リチウム二次電池の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of an all-solid lithium secondary battery of Comparative Example 1.

以下、本発明の全固体リチウム二次電池について説明する。   Hereinafter, the all solid lithium secondary battery of the present invention will be described.

本発明の全固体リチウム二次電池は、硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫化物系固体電解質とを含む正極と、硫化物系固体電解質を含む電解質層と、を含み、前記硫化物系固体電解質は、SとPとLiを必須成分とすることを特徴とする全固体リチウム二次電池である。
本発明の全固体リチウム二次電池は、コイン型リチウム二次電池であることが好ましい。
An all-solid lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode including sulfur-modified polyacrylonitrile and a sulfide-based solid electrolyte, and an electrolyte layer including a sulfide-based solid electrolyte, and the sulfide-based solid electrolyte includes S And P and Li as essential components.
The all solid lithium secondary battery of the present invention is preferably a coin-type lithium secondary battery.

[第1実施形態]
図1は、本発明の全固体リチウム二次電池の概略拡大断面図である。
図1において、コイン型リチウム二次電池1は、電池素子2、金属製ケース3、金属製封口板4、ガスケット5及びばね6を備えている。
また、電池素子2は、第一電極としての正極21、固体電解質層22及び第二電極としての負極23を有し、正極21は集電体211を、負極23は集電体231及び金属平板232を有している。この電池素子2は、図1に示すように、正極21及び負極23が、固体電解質層22を挟むように積層されており、正極21の下面に集電体211が、負極23の上面に集電体231が積層され、集電体231の上面に金属平板232が積層されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic enlarged cross-sectional view of an all solid lithium secondary battery of the present invention.
In FIG. 1, a coin-type lithium secondary battery 1 includes a battery element 2, a metal case 3, a metal sealing plate 4, a gasket 5, and a spring 6.
The battery element 2 has a positive electrode 21 as a first electrode, a solid electrolyte layer 22 and a negative electrode 23 as a second electrode. The positive electrode 21 has a current collector 211, the negative electrode 23 has a current collector 231 and a metal flat plate. 232. As shown in FIG. 1, the battery element 2 has a positive electrode 21 and a negative electrode 23 laminated so as to sandwich the solid electrolyte layer 22, and a current collector 211 is collected on the lower surface of the positive electrode 21 and an upper surface of the negative electrode 23. An electric body 231 is laminated, and a metal flat plate 232 is laminated on the upper surface of the current collector 231.

(1)正極
まず、正極21について説明する。
正極21は、ほぼ円形の薄板状の形状としてあり、下面は集電体211を介して金属製ケース3と当接し、上面が固体電解質層22と当接する。
正極は硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫化物系固体電解質とを含む。
下記するように正極には、硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫化物系固体電解質以外に導電性物質を含めることができる。
また、硫化物系固体電解質は下記する電解質層に含まれる硫化物系固体電解質と同様であることからここでの記載は省略する。
なお、電解質層に含まれる硫化物系固体電解質と正極に含まれる硫化物系固体電解質とは同一であることが電池製造上好ましいが、異なっていてもよい。
硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末をポリアクリロニトリル粉末と混合し、硫黄の流出を防止できる状態で、非酸化性雰囲気下で加熱する方法により、ポリアクリロニトリルの閉環反応と同時に、硫黄の蒸気がポリアクリロニトリルと反応して得られる、硫黄によって変性されたポリアクリロニトリルのことをいう。
具体的には、以下の方法で製造する。
(1) Positive first described cathode 21.
The positive electrode 21 has a substantially circular thin plate shape, the lower surface is in contact with the metal case 3 via the current collector 211, and the upper surface is in contact with the solid electrolyte layer 22.
The positive electrode includes sulfur-modified polyacrylonitrile and a sulfide-based solid electrolyte.
As described below, the positive electrode can contain a conductive substance in addition to the sulfur-modified polyacrylonitrile and the sulfide-based solid electrolyte.
Moreover, since the sulfide type solid electrolyte is the same as the sulfide type solid electrolyte contained in the electrolyte layer mentioned below, description here is abbreviate | omitted.
In addition, although it is preferable on battery manufacture that the sulfide type solid electrolyte contained in an electrolyte layer and the sulfide type solid electrolyte contained in a positive electrode are the same, you may differ.
Sulfur-modified polyacrylonitrile is a method in which sulfur powder is mixed with polyacrylonitrile powder and heated in a non-oxidizing atmosphere in a state where sulfur can be prevented from flowing out. This refers to polyacrylonitrile modified with sulfur obtained by reacting with acrylonitrile.
Specifically, it is manufactured by the following method.

硫黄変性ポリアクリロニトリルの製造方法
(a)原料
本発明の方法では、原料としては、硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末を用いる。
Method for producing sulfur-modified polyacrylonitrile
(A) Raw materials In the method of the present invention, sulfur powder and polyacrylonitrile powder are used as raw materials.

硫黄粉体の粒径については、特に限定的ではないが、篩いを用いて分級した際に、150μm〜40μm程度の範囲内にあるものが好ましく、100μm〜40μm程度の範囲内にあるものがより好ましい。   The particle size of the sulfur powder is not particularly limited, but when it is classified using a sieve, it is preferably in the range of about 150 μm to 40 μm, more preferably in the range of about 100 μm to 40 μm. preferable.

ポリアクリロニトリル粉末としては、重量平均分子量が10,000〜300,000程度の範囲内にあるものが好ましい。また、ポリアクリロニトリルの粒径については、電子顕微鏡によって観察した際に、0.5〜50μm程度の範囲内にあるものが好ましく、1〜10μm程度の範囲内にあるものがより好ましい。   The polyacrylonitrile powder preferably has a weight average molecular weight in the range of about 10,000 to 300,000. Moreover, about the particle size of polyacrylonitrile, when it observes with an electron microscope, what is in the range of about 0.5-50 micrometers is preferable, and what is in the range of about 1-10 micrometers is more preferable.

硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末の混合割合については、特に限定的ではないが、ポリアクリロニトリル粉末100重量部に対して、硫黄粉体を50〜1000重量部程度とすることが好ましく、50〜500重量部程度とすることがより好ましく、150〜350重量部程度とすることが更に好ましい。   The mixing ratio of the sulfur powder and the polyacrylonitrile powder is not particularly limited, but the sulfur powder is preferably about 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyacrylonitrile powder, and 50 to 500 parts by weight. More preferably, it is about 150 to 350 parts by weight.

(b)硫黄変性ポリアクリロニトリルの製造方法
本発明の製造方法では、上記した硫黄の粉末とポリアクリロニトリルの粉末を原料として用い、硫黄の流出を防止しつつ、非酸化性雰囲気下において原料粉末を加熱する。これにより、ポリアクリロニトリルの閉環反応と同時に、蒸気状態の硫黄がポリアクリロニトリルと反応して、硫黄によって変性されたポリアクリロニトリルが得られる。
(B) Method for Producing Sulfur-Modified Polyacrylonitrile In the production method of the present invention, the above-described sulfur powder and polyacrylonitrile powder are used as raw materials, and the raw material powder is heated in a non-oxidizing atmosphere while preventing sulfur outflow. To do. Thereby, simultaneously with the ring-closing reaction of polyacrylonitrile, sulfur in the vapor state reacts with polyacrylonitrile, so that polyacrylonitrile modified with sulfur is obtained.

硫黄の流出を防止しつつ加熱する方法の一例として、密閉された雰囲気中で加熱する方法を採用できる。この場合、密閉された雰囲気としては、加熱によって発生する硫黄の蒸気が散逸しない程度の密閉状態が保たれていればよい。   As an example of a method of heating while preventing the outflow of sulfur, a method of heating in a sealed atmosphere can be employed. In this case, the sealed atmosphere may be maintained in a sealed state to the extent that sulfur vapor generated by heating is not dissipated.

また、非酸化性雰囲気としては、酸化反応が進行しない程度の低酸素濃度とした減圧状態;窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気;硫黄ガス雰囲気等とすればよい。   Further, the non-oxidizing atmosphere may be a reduced pressure state with a low oxygen concentration such that the oxidation reaction does not proceed; an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon; a sulfur gas atmosphere or the like.

密閉状態の非酸化性雰囲気とするための具体的な方法については特に限定はなく、例えば、硫黄蒸気が散逸しない程度の密閉性が保たれる容器中に原料を入れて、容器内を減圧状態又は不活性ガス雰囲気として加熱すればよい。その他、硫黄粉末とポリアクリロニトリルの粉末の混合物を、アルミニウムラミネートフィルム等の硫黄の蒸気と反応を生じない材料で真空包装した状態で加熱してもよい。この場合、発生した硫黄蒸気によって包装材料が破損しないように、例えば、水を入れたオートクレーブ等の耐圧容器中に、包装された原料を入れて加熱し、発生した水蒸気で包装材の外部から加圧する状態とすることが好ましい。この方法によれば、包装材料の外部から水蒸気によって加圧されるので、硫黄蒸気によって包装材料が膨れて破損することが防止される。   There is no particular limitation on the specific method for making the sealed non-oxidizing atmosphere. For example, the raw material is put in a container that maintains the sealing property to the extent that sulfur vapor is not dissipated, and the container is decompressed. Or what is necessary is just to heat as inert gas atmosphere. In addition, a mixture of sulfur powder and polyacrylonitrile powder may be heated in a vacuum packaged state with a material that does not react with sulfur vapor such as an aluminum laminate film. In this case, in order to prevent the packaging material from being damaged by the generated sulfur vapor, for example, the packaged raw material is put in a pressure vessel such as an autoclave containing water and heated, and the generated steam is added from the outside of the packaging material. It is preferable that the pressure is applied. According to this method, since pressure is applied by water vapor from the outside of the packaging material, the packaging material is prevented from being swollen and damaged by sulfur vapor.

硫黄粉体とポリアクリロニトリル粉体は、単に混合しただけの状態でも良いが、例えば、混合物をペレット状に成形した状態としてもよい。   The sulfur powder and the polyacrylonitrile powder may be simply mixed, but for example, the mixture may be formed into a pellet shape.

加熱温度は、250〜500℃程度とすることが好ましく、250〜450℃程度とすることがより好ましく、250〜400℃程度とすることがさらに好ましい。   The heating temperature is preferably about 250 to 500 ° C, more preferably about 250 to 450 ° C, and further preferably about 250 to 400 ° C.

加熱時間については、特に限定的ではなく、実際の加熱温度によって異なるが、通常、上記した温度範囲内に10分〜10時間程度保持すればよく、30分〜6時間程度保持することが好ましい。本発明方法によれば、この様な短時間で硫黄変性ポリアクリロニトリルを形成することが可能である。   Although it does not specifically limit about heating time, Although it changes with actual heating temperature, Usually, what is necessary is just to hold | maintain about 10 minutes-10 hours within the above-mentioned temperature range, and it is preferable to hold | maintain about 30 minutes-6 hours. According to the method of the present invention, it is possible to form sulfur-modified polyacrylonitrile in such a short time.

また、硫黄の流出を防止しつつ加熱する方法のその他の例として、反応によって生成する硫化水素を排出する開口部を有する反応容器中で、硫黄蒸気を還流させながら硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末を含む原料粉末を加熱する方法を採用できる。この場合、硫化水素を排出するための開口部は、発生した硫黄蒸気がほぼ完全に液化して還流し、開口部からの硫黄蒸気の流出を防止できる位置に設ければよい。例えば、反応容器内の温度が100℃以下程度となる部分に開口部を設けることによって、反応によって生成する硫化水素については該開口部から外部に排出されるが、硫黄蒸気は開口部の部分では凝縮して、外部に排出されることなく反応容器中に戻すことができる。   In addition, as another example of the method of heating while preventing the outflow of sulfur, sulfur powder and polyacrylonitrile powder are contained in a reaction vessel having an opening for discharging hydrogen sulfide generated by the reaction while sulfur vapor is refluxed. A method of heating the raw material powder can be employed. In this case, the opening for discharging the hydrogen sulfide may be provided at a position where the generated sulfur vapor is liquefied and recirculated almost completely and the outflow of sulfur vapor from the opening can be prevented. For example, by providing an opening in a portion where the temperature in the reaction vessel is about 100 ° C. or less, hydrogen sulfide generated by the reaction is discharged to the outside from the opening, but sulfur vapor is not present in the opening. It can be condensed and returned to the reaction vessel without being discharged outside.

この方法で使用できる反応装置の一例の概略図を図2に示す。図2に示す装置では、原料粉末を収容した反応容器を電気炉中に入れ、反応容器の上部は、電気炉から露出した状態としている。このような装置を用いることによって、反応容器の上部は、電気炉中の反応容器の温度より低い温度となる。この際、反応容器の上部の温度が硫黄蒸気が液化する温度であればよい。図2に示す反応容器では、該反応容器の上部は、シリコーンゴム製の栓をして、この栓に硫化水素を排出するための開口部と、不活性ガスを導入するための開口部を設けている。更に、シリコーンゴム製の栓には、原料温度を測定するために熱電対が設置されている。シリコーンゴム製の栓は、下に凸状の形状であり、この部分で凝縮して液化した硫黄は、容器下部に滴下する。反応容器は、例えば、アルミナタンマン管、耐熱ガラス管等の熱や硫黄による腐食に対して強い材料を用いることが好ましい。シリコーンゴム製の栓は、例えば、フッ素樹脂製のテープで腐食防止のための処理が施されている。   A schematic diagram of an example of a reactor that can be used in this method is shown in FIG. In the apparatus shown in FIG. 2, the reaction vessel containing the raw material powder is put in an electric furnace, and the upper part of the reaction vessel is exposed from the electric furnace. By using such an apparatus, the temperature of the upper part of the reaction vessel is lower than the temperature of the reaction vessel in the electric furnace. At this time, the temperature of the upper part of the reaction vessel may be a temperature at which sulfur vapor is liquefied. In the reaction container shown in FIG. 2, the upper part of the reaction container is provided with a silicone rubber stopper, and an opening for discharging hydrogen sulfide and an opening for introducing an inert gas are provided in the stopper. ing. Furthermore, a thermocouple is installed in the silicone rubber stopper to measure the raw material temperature. The stopper made of silicone rubber has a convex shape downward, and sulfur condensed and liquefied in this portion is dropped into the lower portion of the container. The reaction vessel is preferably made of a material that is resistant to corrosion by heat or sulfur, such as an alumina tamman tube or a heat-resistant glass tube. The silicone rubber stopper is treated with, for example, a fluororesin tape to prevent corrosion.

反応容器内を非酸化性雰囲気とするためには、例えば、加熱初期には、不活性ガス導入口から、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気とすればよい。原料の温度が上昇すると徐々に硫黄蒸気が発生するので、析出した硫黄によって不活性ガス導入口が閉塞することを避けるために、原料の温度が100℃程度以上となると、不活性ガス導入口を閉じることが好ましい。その後加熱を続けることによって、発生する硫化水素とともに不活性ガスが排出されて、反応容器内は、主として硫黄蒸気雰囲気となる。   In order to create a non-oxidizing atmosphere in the reaction vessel, for example, an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon or helium may be introduced from an inert gas inlet at the initial stage of heating. . Since sulfur vapor is gradually generated when the temperature of the raw material rises, when the temperature of the raw material is about 100 ° C. or higher in order to avoid clogging of the inert gas inlet due to precipitated sulfur, the inert gas inlet is Close is preferred. By continuing the heating thereafter, the inert gas is discharged together with the generated hydrogen sulfide, and the inside of the reaction vessel mainly becomes a sulfur vapor atmosphere.

この場合の加熱温度も、密閉された雰囲気中で加熱する方法と同様に、250〜500℃程度とすることが好ましく、250〜450℃程度とすることがより好ましく、250〜400℃程度とすることがさらに好ましい。反応時間についても、上記した方法と同様に250〜500℃の温度範囲に10分〜10時間程度保持すればよいが、通常は、反応容器の内部が上記した温度範囲に達した後、加熱を停止すれば、反応は発熱を伴うため、上記した温度範囲に必要な時間保持されることになる。また、発熱反応による昇温分を含めて最高温度が上述の加熱温度に達するように加熱条件を制御することが必要である。尚、反応は発熱を伴うために、毎分10℃以下の昇温速度が望ましい。   The heating temperature in this case is preferably about 250 to 500 ° C., more preferably about 250 to 450 ° C., and about 250 to 400 ° C., similarly to the method of heating in a sealed atmosphere. More preferably. The reaction time may be maintained in the temperature range of 250 to 500 ° C. for about 10 minutes to 10 hours in the same manner as described above. Usually, after the inside of the reaction vessel reaches the above temperature range, heating is performed. If stopped, the reaction is exothermic and will be held for the necessary time in the above temperature range. In addition, it is necessary to control the heating conditions so that the maximum temperature reaches the above-described heating temperature including the temperature rise due to the exothermic reaction. In addition, since the reaction is exothermic, a temperature rising rate of 10 ° C. or less per minute is desirable.

この方法では、反応中に生じた余分な硫化水素ガスが除去されて、反応容器内は硫黄の液体と蒸気で満たされる状態が保持されており、密閉容器中で反応を行なう場合よりも硫黄粉末とポリアクリロニトリルとの反応を促進させることができる。   In this method, excess hydrogen sulfide gas generated during the reaction is removed, and the reaction vessel is maintained in a state filled with sulfur liquid and vapor. And polyacrylonitrile can be promoted.

反応容器から排出された硫化水素は、過酸化水素水、アルカリ水溶液等を通過させることによって、硫黄の沈殿を形成して処理すればよい。   The hydrogen sulfide discharged from the reaction vessel may be treated by forming a sulfur precipitate by passing a hydrogen peroxide solution, an alkaline aqueous solution or the like.

反応容器内が所定の反応温度に達した後、加熱をやめて自然冷却して、生成した硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫黄の混合物を取り出せばよい。   After the inside of the reaction vessel reaches a predetermined reaction temperature, the heating is stopped and the mixture is naturally cooled, and the produced mixture of sulfur-modified polyacrylonitrile and sulfur is taken out.

本発明方法によれば、この様な簡便な方法で高い電気容量の硫黄変性ポリアクリロニトリルを得ることができる。   According to the method of the present invention, sulfur-modified polyacrylonitrile having a high electric capacity can be obtained by such a simple method.

(c)硫黄変性ポリアクリロニトリル
上記した方法によれば、ポリアクリロニトリルの閉環反応と、硫黄とポリアクリロニトリルとの反応が同時に生じて、硫黄によって変性されたポリアクリロニトリルが得られる。
(C) Sulfur-modified polyacrylonitrile According to the method described above, a polyacrylonitrile ring-closing reaction and a reaction between sulfur and polyacrylonitrile occur simultaneously to obtain polyacrylonitrile modified with sulfur.

得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルは、元素分析の結果、炭素、窒素、及び硫黄を含み、更に、少量の酸素及び水素を含む場合もある。   The obtained sulfur-modified polyacrylonitrile contains carbon, nitrogen, and sulfur as a result of elemental analysis, and may further contain small amounts of oxygen and hydrogen.

上記した製造方法の内で、密閉された雰囲気中で加熱する方法によれば、得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、元素分析の結果より、該硫黄変性ポリアクリロニトリル中の含有量として、炭素が40〜60質量%、硫黄が15〜30質量%、窒素が10〜25質量%、水素が1〜5質量%程度の範囲となる。   Among the production methods described above, according to the method of heating in a sealed atmosphere, the obtained sulfur-modified polyacrylonitrile has a carbon content of 40 to 40 as a content in the sulfur-modified polyacrylonitrile, as a result of elemental analysis. 60 mass%, sulfur is 15 to 30 mass%, nitrogen is 10 to 25 mass%, and hydrogen is about 1 to 5 mass%.

また、上記した製造方法の内で、硫化水素ガスを排出しながら加熱する方法では、得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、硫黄の含有量が大きくなり、元素分析とXPS測定によるピーク面積比の計算結果より、該硫黄変性ポリアクリロニトリル中の含有量として、炭素が25〜50質量%、硫黄が25〜55質量%、窒素が10〜20質量%、酸素が0〜5質量%、水素が0〜5質量%程度の範囲となる。この方法で得られる硫黄含有量の大きい硫黄変性ポリアクリロニトリルは、正極活物質として使用した際には、電気容量が大きくなる。   In addition, among the above-described production methods, in the method of heating while discharging hydrogen sulfide gas, the sulfur-modified polyacrylonitrile obtained has a large sulfur content, and the peak area ratio calculation result by elemental analysis and XPS measurement As a content in the sulfur-modified polyacrylonitrile, carbon is 25 to 50% by mass, sulfur is 25 to 55% by mass, nitrogen is 10 to 20% by mass, oxygen is 0 to 5% by mass, and hydrogen is 0 to 5%. The range is about mass%. The sulfur-modified polyacrylonitrile having a high sulfur content obtained by this method has a large electric capacity when used as a positive electrode active material.

また、本発明の方法によって得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、室温から900℃まで20℃/分の昇温速度で加熱した際の熱重量分析による重量減は400℃時点で10%以下である。一方、硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末の混合物を同様の条件で加熱すると120℃付近から重量減少が認められ、200℃以上になると急激に硫黄の消失に基づく大きな重量減が認められる。   The sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the method of the present invention has a weight loss by thermogravimetric analysis of 10% or less at 400 ° C. when heated from room temperature to 900 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min. On the other hand, when a mixture of sulfur powder and polyacrylonitrile powder is heated under the same conditions, a weight decrease is observed from around 120 ° C., and a large weight loss due to the disappearance of sulfur is recognized suddenly at 200 ° C. or higher.

更に、該硫黄変性ポリアクリロニトリルは、CuKα線によるX線回折の結果、硫黄に基づくピークが消失して、回折角(2θ)が20〜30°付近にブロードなピークのみが確認される。   Furthermore, in the sulfur-modified polyacrylonitrile, as a result of X-ray diffraction by CuKα ray, the sulfur-based peak disappears, and only a broad peak having a diffraction angle (2θ) of around 20 to 30 ° is confirmed.

これらの点から、上記した方法で得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、硫黄とポリアクリロニトリルの単純な混合物ではなく、硫黄変性ポリアクリロニトリルでは、硫黄は、(1)閉環の進行したポリアクリロニトリルと結合した状態と、(2)ポリアクリロニトリルの環化反応により生成した共役構造が形成するグラフェン状化合物の層間や細孔内の、(1)(2)どちらか一方、または(1)(2)の両方に存在していると考えられる。   From these points, the sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the above-described method is not a simple mixture of sulfur and polyacrylonitrile. And (2) either (1) (2) or (1) (2) in the interlayer or pore of the graphene-like compound formed by the conjugated structure formed by the cyclization reaction of polyacrylonitrile It is considered to exist.

ポリアクリロニトリル100重量部に対して、硫黄原子を200重量部用いて得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルについてのラマンスペクトルの一例を図3に示す。該硫黄変性ポリアクリロニトリルは、ラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1331cm-1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm-1〜1800cm-1の範囲で1548cm-1、939cm-1、479cm-1、381cm-1、317cm-1付近にピークが存在することを特徴とするものである。上記したラマンシフトのピークについては、ポリアクリロニトリルに対する硫黄原子の比率を変更した場合にも同様のピーク位置に観測されるものであり、本発明方法で得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルを特徴づけるものである。317cm-1、381cm-1、479cm-1、939cm-1のピークは共役構造に起因する振動に帰属され、ポリアクリロニトリルの環化反応に由来する。1331cm-1、1548cm-1のピークはそれぞれカーボンのDバンドとGバンドに対応し、硫黄が脱水素反応を起こして黒鉛化を促進したものと考えられる。環化反応によって分子内の共役系が多くなるため前駆体の白色から黒色へ変色した。また、474cm-1のピークについてはC-S結合またはS-S結合に由来する振動であると推定されるが、低波数領域であるため同定が難しい。上記した各ピークは、上記したピーク位置を中心としては、ほぼ±8cm-1の範囲内に存在することができる。尚、上記したラマンシフトは、日本分光社製 RMP-320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm-1)で測定したものである。尚、ラマンスペクトルは、入射光の波長や分解能の違いなどにより、ピークの数が変化することや、ピークトップの位置がずれることがある。 FIG. 3 shows an example of a Raman spectrum for sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by using 200 parts by weight of a sulfur atom with respect to 100 parts by weight of polyacrylonitrile. Sulfur-modified polyacrylonitrile, in the Raman spectrum, there is a main peak near 1331cm -1 of Raman shift, and, 1548cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 939cm -1, 479cm -1, 381cm -1 and 317 cm -1 are characterized by having peaks. The above-mentioned Raman shift peak is observed at the same peak position even when the ratio of the sulfur atom to polyacrylonitrile is changed, and characterizes the sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the method of the present invention. . The peaks at 317 cm −1 , 381 cm −1 , 479 cm −1 , and 939 cm −1 are attributed to vibrations due to the conjugated structure, and are derived from the cyclization reaction of polyacrylonitrile. The peaks at 1331 cm -1 and 1548 cm -1 correspond to the D band and G band of carbon, respectively, and it is considered that sulfur caused dehydrogenation and promoted graphitization. Since the number of conjugated systems in the molecule increased due to the cyclization reaction, the color of the precursor changed from white to black. The peak at 474 cm −1 is presumed to be vibrations derived from CS coupling or SS coupling, but identification is difficult because it is in a low wavenumber region. Each of the peaks described above can exist in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above peak position as the center. The Raman shift described above was measured with RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ) manufactured by JASCO Corporation. In the Raman spectrum, the number of peaks may change or the position of the peak top may be shifted due to the difference in the wavelength or resolution of incident light.

上記した方法で得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、原料物質であるポリアクリロニトリルを加熱した場合に起こる閉環反応が3次元的に縮合環を形成して進むという特性を持つため、硫黄と混合して加熱することで、ポリアクリロニトリルが三次元的に架橋した硫黄変性ポリアクリロニトリル構造が形成される。   The sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the above-described method has a characteristic that the ring-closing reaction that occurs when the polyacrylonitrile, which is the raw material, is heated to form a three-dimensional condensed ring, and is heated by mixing with sulfur. Thus, a sulfur-modified polyacrylonitrile structure in which polyacrylonitrile is three-dimensionally crosslinked is formed.

(d)熱処理工程
上記した方法で得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルは、更に、非酸化性雰囲気中で加熱することによって、未反応の硫黄が存在する場合に、これを除去することができる。これにより、より高純度の硫黄変性ポリアクリロニトリルを得ることができる。熱処理後の硫黄変性ポリアクリロニトリルは、充放電のサイクル特性がより向上する。
(D) Heat treatment step The sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the above-described method can be further removed by heating in a non-oxidizing atmosphere when unreacted sulfur is present. Thereby, higher purity sulfur-modified polyacrylonitrile can be obtained. The sulfur-modified polyacrylonitrile after the heat treatment is further improved in charge / discharge cycle characteristics.

非酸化性雰囲気としては、例えば、酸化反応が進行しない程度の低酸素濃度とした減圧状態;窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気等でよい。   The non-oxidizing atmosphere may be, for example, a reduced pressure state with a low oxygen concentration that does not cause an oxidation reaction; an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.

加熱温度は、150〜400℃程度とすることが好ましく、150〜300℃程度とすることがより好ましく、200〜300℃程度とすることが更に好ましい。加熱時間が高くなりすぎると、硫黄変性ポリアクリロニトリルが分解することがあるので注意が必要である。   The heating temperature is preferably about 150 to 400 ° C, more preferably about 150 to 300 ° C, and still more preferably about 200 to 300 ° C. Note that if the heating time becomes too high, the sulfur-modified polyacrylonitrile may be decomposed.

熱処理時間は、特に限定的ではないが、通常、1〜6時間程度とすることが好ましい。   The heat treatment time is not particularly limited, but is usually preferably about 1 to 6 hours.

例えば、上記した方法で得られる硫黄変性ポリアクリロニトリルに、硫化物系固体電解質と、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)等の導電助剤とを、混合して、これに集電体を圧着させることで正極を製造することができる。
正極には結着材を含んでいても良い。
結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidine DiFluoride:PVdF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。硫黄変性ポリアクリロニトリルに、硫化物系固体電解質、導電助剤、結着材を混合したものを乳鉢やプレス機を用いて混練してフィルム状とし、これを集電体へプレス機で圧着する方法によっても正極を製造することができる。
硫化物系固体電解質の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、硫黄変性ポリアクリロニトリル100重量部に対して、10〜100重量部程度とすることができる。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、硫黄変性ポリアクリロニトリル100重量部に対して、5〜30重量部程度とすることができる。また、結着材の使用量についても、特に限定的ではないが、例えば、硫黄変性ポリアクリロニトリル100重量部に対して、10〜20重量部程度とすることができる。
For example, the sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by the above-described method is added to a sulfide-based solid electrolyte and conductive materials such as acetylene black (AB), ketjen black (KB), and vapor grown carbon fiber (VGCF). A positive electrode can be manufactured by mixing an auxiliary agent and pressing a current collector on the mixture.
The positive electrode may contain a binder.
As the binder, polyvinylidene difluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), or the like can be used. A method of kneading a mixture of sulfur-modified polyacrylonitrile, a sulfide-based solid electrolyte, a conductive additive, and a binder with a mortar or press to form a film, and then crimping this to a current collector with a press Can also produce a positive electrode.
The amount of the sulfide-based solid electrolyte used is not particularly limited, but can be, for example, about 10 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfur-modified polyacrylonitrile. The amount of the conductive aid used is not particularly limited, but can be, for example, about 5 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the sulfur-modified polyacrylonitrile. Further, the amount of the binder used is not particularly limited, but can be, for example, about 10 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the sulfur-modified polyacrylonitrile.

集電体としては、特に限定はなく、従来からリチウム二次電池用正極として使用されている材料、例えば、ステンレス鋼(SUS)、Al、Au、Pt、Tiの箔やメッシュ、カーボン繊維の織布、不織布などを用いることができる。   The current collector is not particularly limited, and materials conventionally used as positive electrodes for lithium secondary batteries, such as stainless steel (SUS), Al, Au, Pt, Ti foils and meshes, and carbon fiber weaves. A cloth, a nonwoven fabric, etc. can be used.

また、導電助剤の内で、気相法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、黒鉛等の結晶性の高い炭素材料については、ポリアクリロニトリルの閉環反応に伴う硫黄変性ポリアクリロニトリルの生成反応を阻害することがないので、硫黄変性ポリアクリロニトリルを製造する際に、原料となる硫黄粉末及びポリアクリロニトリル粉末に加えた状態で加熱処理するのが導電性を向上させるために好ましい。特に、気相法炭素繊維(VGCF)を用いる場合には、直径が100nm〜500nm、長さが5μm〜数20μmのものが好適である。図4は、導電助剤を添加した状態で熱処理して得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルの構造を模式的に示す図面である。図4に示すように、この方法では、直径数100nm程度の硫黄変性ポリアクリロニトリル粒子の表面や粒子間にナノレベルでの導電性ネットワークを構築することができ、より導電性に優れた正極活物質とすることができる。この場合の導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、硫黄粉末及びポリアクリロニトリル粉末の合計量100重量部に対して1〜50重量部程度、好ましくは、5〜20重量部程度とすることができる。この方法で得られる炭素材料が複合化された硫黄変性ポリアクリロニトリル粉末は、導電性が良好であり、集電体に塗着させて正極とする際に、導電助剤や結着材の量を大幅に低減でき、電極容量密度や電極出力密度を大幅に向上させることができる。   In addition, among conductive aids, high-crystallinity carbon materials such as vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotubes, and graphite inhibit the formation reaction of sulfur-modified polyacrylonitrile accompanying the ring-closing reaction of polyacrylonitrile. Therefore, when producing sulfur-modified polyacrylonitrile, it is preferable to heat-treat in the state added to the sulfur powder and polyacrylonitrile powder as raw materials in order to improve conductivity. In particular, when vapor grown carbon fiber (VGCF) is used, one having a diameter of 100 nm to 500 nm and a length of 5 μm to several 20 μm is preferable. FIG. 4 is a drawing schematically showing the structure of sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by heat treatment with the addition of a conductive additive. As shown in FIG. 4, according to this method, it is possible to construct a nano-level conductive network between the surfaces of the sulfur-modified polyacrylonitrile particles having a diameter of about several hundred nanometers, and the positive electrode active material having more excellent conductivity. It can be. The amount of the conductive aid used in this case is not particularly limited, but is about 1 to 50 parts by weight, preferably about 5 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount of the sulfur powder and polyacrylonitrile powder. It can be. The sulfur-modified polyacrylonitrile powder combined with the carbon material obtained by this method has good conductivity, and when applied to a current collector to form a positive electrode, the amount of conductive auxiliary agent and binder is reduced. The electrode capacity density and the electrode output density can be greatly improved.

本発明において、正極は、上記の硫黄変性ポリアクリロニトリルの他に、硫化物系固体電解質を含む。硫化物系固体電解質は、後述する電解質層に含まれる硫化物系固体電解質と同じものを用いることができるが、固体電解質層のものに対して、組成を適宜調整してもよいし、結晶性固体電解質であっても、ガラス状固体電解質であってもよい。電池作製上、電解質層と同じものを用いるのが好ましい。   In the present invention, the positive electrode contains a sulfide-based solid electrolyte in addition to the sulfur-modified polyacrylonitrile. The sulfide-based solid electrolyte can be the same as the sulfide-based solid electrolyte contained in the electrolyte layer to be described later. However, the composition may be appropriately adjusted with respect to that of the solid electrolyte layer, and the crystallinity It may be a solid electrolyte or a glassy solid electrolyte. It is preferable to use the same electrolyte layer as the battery.

(2)電解質層
次に電解質層について説明する。
固体電解質層22はリチウムイオン伝導性固体電解質を含み、このリチウムイオン伝導性固体電解質は硫化物系固体電解質である。硫化物系固体電解質は、S、P及びLiを必須成分とする。
また、硫化物系固体電解質は、B、Si、Ge及びAlからなる群から選択される少なくとも1種以上の元素を含んでいても良い。
固体電解質層22は、正極とほぼ同じ円形の薄板状の形状としてある。
(2) Electrolyte layer Next, the electrolyte layer will be described.
The solid electrolyte layer 22 includes a lithium ion conductive solid electrolyte, and the lithium ion conductive solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte. The sulfide-based solid electrolyte contains S, P and Li as essential components.
The sulfide-based solid electrolyte may contain at least one element selected from the group consisting of B, Si, Ge, and Al.
The solid electrolyte layer 22 has a circular thin plate shape that is substantially the same as the positive electrode.

硫化物系固体電解質は、例えば、硫化リチウム(LiS)及び五硫化二リン(P);硫化リチウム、単体リン及び単体硫黄;又は硫化リチウム、五硫化二リン、単体リン及び/又は単体硫黄を原材料として製造することができる。 The sulfide-based solid electrolyte includes, for example, lithium sulfide (Li 2 S) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ); lithium sulfide, simple phosphorus and simple sulfur; or lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or Or simple substance sulfur can be manufactured as a raw material.

硫化物系固体電解質を、硫化リチウムと五硫化二リンとから製造する場合、混合モル比は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。特に好ましくは、LiS:P=68:32〜73:27(モル比)程度である。 When the sulfide-based solid electrolyte is produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide, the mixing molar ratio is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 75:25. Particularly preferably, it is about Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32 to 73:27 (molar ratio).

上記材料の混合物を溶融反応した後、急冷する、又はメカニカルミリング法(以下、MM法という場合がある)により処理することにより、ガラス状固体電解質が得られる。得られたガラス状固体電解質をさらに熱処理すると、結晶性固体電解質である硫化物系固体電解質が得られる。   A glassy solid electrolyte can be obtained by subjecting the mixture of the above materials to a melt reaction, followed by rapid cooling or treatment by a mechanical milling method (hereinafter sometimes referred to as MM method). When the obtained glassy solid electrolyte is further heat-treated, a sulfide-based solid electrolyte that is a crystalline solid electrolyte is obtained.

硫化物系固体電解質は、Li11構造体の結晶構造を有することが好ましい。
Li11構造体の結晶構造を有する硫化物系固体電解質を全固体リチウム二次電池に用いるとより高性能の全固体リチウム二次電池を製造することができる。
ここで、Li11構造体の結晶構造は、X線回折測定すると、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測される。
The sulfide-based solid electrolyte preferably has a crystal structure of a Li 7 P 3 S 11 structure.
When a sulfide-based solid electrolyte having a crystal structure of Li 7 P 3 S 11 structure is used for an all-solid lithium secondary battery, a higher-performance all-solid lithium secondary battery can be manufactured.
Here, the crystal structure of the Li 7 P 3 S 11 structure is 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29. A peak is observed at 5, 30.0 deg.

硫化物系固体電解質粒子の粒径は、0.01μm以上100μm以下が好ましく、0.01μm以上50μm以下であることがより好ましい。上記粒径はレーザー回折式粒度分布測定方法によって求めることができる。
0.01μm未満であるとハンドリングが困難になるおそれがある。50μmより大きいと活物質との接触面積が小さくなり、イオン伝導性が低くなる恐れがある。より好ましくは、硫化物系固体電解質粒子の粒径は、0.05μm以上20μm以下である。
The particle size of the sulfide-based solid electrolyte particles is preferably 0.01 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 0.01 μm or more and 50 μm or less. The particle size can be determined by a laser diffraction particle size distribution measuring method.
If it is less than 0.01 μm, handling may be difficult. If it is larger than 50 μm, the contact area with the active material may be reduced, and ion conductivity may be lowered. More preferably, the particle size of the sulfide-based solid electrolyte particles is 0.05 μm or more and 20 μm or less.

レーザー回折式粒度分布測定方法は、組成物を乾燥せずに粒度分布を測定することができ、具体的には、組成物中の粒子群にレーザーを照射してその散乱光を解析して粒度分布を測定する。
なお、本発明では、固体電解質は乾燥した状態で測定している。
具体的な測定方法は以下の通りである。測定装置として、例えばMalvern Instruments Ltd社製マスターサイザー2000を用いることができる。
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン(和光純薬製、製品名:特級)110mlを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を6%添加する。上記混合物を十分混合した後、固体電解質を添加して粒子径を測定する。
ここで、固体電解質の添加量は、上記装置で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内(10〜20%)に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなる恐れがある。また、この範囲より少ないとSN比が悪くなり、正確な測定ができない恐れがある。
The laser diffraction particle size distribution measurement method can measure the particle size distribution without drying the composition. Specifically, the particle size in the composition is irradiated with a laser and the scattered light is analyzed to determine the particle size. Measure the distribution.
In the present invention, the solid electrolyte is measured in a dry state.
The specific measurement method is as follows. As a measuring device, for example, Mastersizer 2000 manufactured by Malvern Instruments Ltd. can be used.
First, 110 ml of dehydrated toluene (Wako Pure Chemicals, product name: special grade) was placed in the dispersion tank of the apparatus, and 6% of dehydrated tertiary butyl alcohol (Wako Pure Chemicals, special grade) was added as a dispersant. Added. After sufficiently mixing the above mixture, a solid electrolyte is added and the particle size is measured.
Here, the addition amount of the solid electrolyte is adjusted so that the laser scattering intensity corresponding to the particle concentration falls within the specified range (10 to 20%) on the operation screen specified by the above apparatus. If this range is exceeded, multiple scattering may occur, making it impossible to obtain an accurate particle size distribution. On the other hand, if the amount is less than this range, the S / N ratio is deteriorated and there is a possibility that accurate measurement cannot be performed.

上記装置では、固体電解質の添加量に基づきレーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度範囲に入る添加量を見つける。   In the above apparatus, since the laser scattering intensity is displayed based on the addition amount of the solid electrolyte, the addition amount that falls within the laser scattering intensity range is found.

(3)負極
負極23は、負極活物質を含む。
硫化物系固体電解質及び/又は導電助剤を含んでいても良い。
(3) The negative electrode negative electrode 23 contains a negative electrode active material.
A sulfide-based solid electrolyte and / or a conductive aid may be included.

本発明の全固体リチウム二次電池は、正極活物質である硫黄変性ポリアクリロニトリルにLiが含まれていない。
よって、負極活物質としては、Liが含まれた、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質を用いる必要がある。負極活物質としては、この電池分野において負極活物質として公知のものが使用でき、例えばLi‐金属合金を用いることができ、中でもLi‐In合金が安定して用いられる。
硫化物系固体電解質は固体電解質層に含まれるものと同じである。
In the all solid lithium secondary battery of the present invention, Li is not contained in sulfur-modified polyacrylonitrile, which is a positive electrode active material.
Therefore, it is necessary to use a material containing Li and capable of inserting and extracting lithium ions as the negative electrode active material. As the negative electrode active material, those known as a negative electrode active material in this battery field can be used. For example, a Li-metal alloy can be used, and among these, a Li-In alloy is stably used.
The sulfide-based solid electrolyte is the same as that contained in the solid electrolyte layer.

導電助剤としては、炭素材料、金属粉末及び金属化合物から選択される物質や、これらの混合物が挙げられる。   Examples of the conductive assistant include substances selected from carbon materials, metal powders and metal compounds, and mixtures thereof.

負極は、結着剤を含んでいてもよい。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。
The negative electrode may contain a binder.
Binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), and sulfonation. EPDM, natural butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more.

また、正極と同様に、導電助剤及び結着材を混合したものを、乳鉢やプレス機を用いて混練してフィルム状とし、これを集電体へプレス機で圧着する方法によっても負極を製造することができる。
集電体としては、正極と同様の集電体を用いることができる。
Similarly to the positive electrode, a mixture of a conductive additive and a binder is kneaded using a mortar or a press to form a film, and the negative electrode is also bonded by a method of pressing this to a current collector with a press. Can be manufactured.
As the current collector, a current collector similar to the positive electrode can be used.

(4)金属平板
金属平板232は集電体として備えられ、公知の集電体を用いることができる。
例えば、SUSの平板や、Au、Pt、Al、Ti、黒鉛や、Cu、Ni等のように硫化物系固体電解質と反応するものをAu等で被覆した層が使用できる。
(4) Metal flat plate The metal flat plate 232 is provided as a current collector, and a known current collector can be used.
For example, a SUS flat plate or a layer coated with Au or the like that reacts with a sulfide-based solid electrolyte such as Au, Pt, Al, Ti, graphite, Cu, or Ni can be used.

(5)金属製ケース
金属製ケース3は、電池素子2などを密封するためのケースであり、正極21が載置されるほぼ円形状の底板と、この底板と一体的にプレス成形された円筒状の側板とからなっている。この金属製ケース3は、通常、ステンレス製のケースであり、電池素子2、ガスケット5、ばね6、及び、金属製封口板4の側板を収納する。電池素子2、ガスケット5、ばね6、及び、金属製封口板4の側板を収納した金属製ケース3は、側板の上部が内側にかしめられることによって、電池素子2及びばね6を密封する。
また、金属製ケース3は、上記の底板が正極21と対面した状態で当接するので、正極21と電気的に接続され、第一電極端子(正極端子)となる。
(5) Metal Case The metal case 3 is a case for sealing the battery element 2 and the like, and includes a substantially circular bottom plate on which the positive electrode 21 is placed, and a cylinder press-molded integrally with the bottom plate. It consists of a side plate. The metal case 3 is typically a stainless steel case and houses the battery element 2, the gasket 5, the spring 6, and the side plate of the metal sealing plate 4. The metal case 3 that houses the battery element 2, the gasket 5, the spring 6, and the side plate of the metal sealing plate 4 seals the battery element 2 and the spring 6 by caulking the upper part of the side plate.
Further, the metal case 3 is in contact with the above-mentioned bottom plate facing the positive electrode 21, so that it is electrically connected to the positive electrode 21 and becomes the first electrode terminal (positive electrode terminal).

(6)金属製封口板
金属製封口板4は、通常、ステンレス製の封口板であり、ばね6と接触するほぼ円形状の上板と、この上板と一体的にプレス成形された円筒状の側板とからなっている。この側板は、先端部が外側に折り返されており、外側側板と内側側板とからなる二重円筒構造を有している。上述した、内側にかしめられた金属製ケース3の側板の上部は、ガスケット5を介して、二重円筒構造の外側側板の先端部と係合する。これにより、金属製封口板4は、金属製ケース3に強固に取り付けられ、金属製ケース3及び金属製封口板4は、電池素子2及びばね6を密封する。
また、金属製封口板4は、上記の上板が負極23と対面した状態で、ばね6と当接し、さらに、ガスケット5によって、金属製ケース3に対して絶縁されている。したがって、金属製封口板4は、負極23と電気的に接続され、第二電極端子(負極端子)となる。
(6) Metal Sealing Plate The metal sealing plate 4 is usually a stainless steel sealing plate, a substantially circular upper plate that contacts the spring 6, and a cylindrical shape that is press-molded integrally with the upper plate. It consists of side plates. The side plate has a double-cylindrical structure composed of an outer side plate and an inner side plate. The upper part of the side plate of the metal case 3 that is caulked on the inside engages with the tip of the outer side plate of the double cylindrical structure via the gasket 5. Thereby, the metal sealing plate 4 is firmly attached to the metal case 3, and the metal case 3 and the metal sealing plate 4 seal the battery element 2 and the spring 6.
The metal sealing plate 4 is in contact with the spring 6 in a state where the upper plate faces the negative electrode 23, and is further insulated from the metal case 3 by the gasket 5. Therefore, the metal sealing plate 4 is electrically connected to the negative electrode 23 and becomes the second electrode terminal (negative electrode terminal).

(7)ガスケット
ガスケット5は、絶縁性の樹脂からなり、金属製ケース3と金属製封口板4とを絶縁する。
また、ガスケット5は、ほぼ円筒状としてあり、金属製封口板4の外側側板と内側側板が嵌入される環状の溝が形成されている。このガスケット5は、円筒の内面側に電池素子2が嵌入され、環状の溝に金属製封口板4の外側側板と内側側板が嵌入され、さらに、金属製ケース3の側板に嵌入される。これにより、ガスケット5は、金属製ケース3と金属製封口板4の内部に、電池素子2とばね6を密封する。また、正極21、固体電解質層22及び負極23と金属製封口板4の側板とを絶縁し、さらに、金属製ケース3と金属製封口板4とを絶縁する。
(7) The gasket gasket 5 is made of an insulating resin and insulates the metal case 3 and the metal sealing plate 4.
The gasket 5 has a substantially cylindrical shape, and is formed with an annular groove into which the outer side plate and the inner side plate of the metal sealing plate 4 are inserted. In the gasket 5, the battery element 2 is fitted into the inner surface of the cylinder, the outer side plate and the inner side plate of the metal sealing plate 4 are fitted into the annular groove, and further, the gasket 5 is fitted into the side plate of the metal case 3. Thereby, the gasket 5 seals the battery element 2 and the spring 6 inside the metal case 3 and the metal sealing plate 4. Further, the positive electrode 21, the solid electrolyte layer 22, the negative electrode 23 and the side plate of the metal sealing plate 4 are insulated, and further, the metal case 3 and the metal sealing plate 4 are insulated.

(8)ばね
本実施形態のばね6は、波型座金の一種であり、円環状の金属板を、複数の波型を有する形状にプレス加工した構造としてある。また、ばね6の材料は、導電性の金属であり、通常、ばね鋼などが用いられる。
このばね6は、負極23の集電体231と金属製封口板4との間に、収納されており、形成された波型の凸部が金属製封口板4と当接し、形成された波型の凹部が集電体231と当接している。これにより、集電体231と金属製封口板4は、電気的に接続され、また、正極21と金属製ケース3との電気的な接続を維持することができる。さらに、ばね6は、集電体231と負極23との接触面圧、負極23と固体電解質層22との接触面圧、及び、固体電解質層22と正極21との接触面圧を高めることができる。このように、電池素子2がばね6によって加圧されるので、コイン型リチウム二次電池1は、接触不良に起因する電流密度の低下を抑制することができる。
(8) Spring The spring 6 of the present embodiment is a kind of wave washer, and has a structure in which an annular metal plate is pressed into a shape having a plurality of waves. The material of the spring 6 is a conductive metal, and usually spring steel or the like is used.
The spring 6 is housed between the current collector 231 of the negative electrode 23 and the metal sealing plate 4, and the formed wave-shaped convex portion is in contact with the metal sealing plate 4 to form the formed wave. The concave portion of the mold is in contact with the current collector 231. Thereby, the current collector 231 and the metal sealing plate 4 are electrically connected, and the electrical connection between the positive electrode 21 and the metal case 3 can be maintained. Further, the spring 6 increases the contact surface pressure between the current collector 231 and the negative electrode 23, the contact surface pressure between the negative electrode 23 and the solid electrolyte layer 22, and the contact surface pressure between the solid electrolyte layer 22 and the positive electrode 21. it can. Thus, since the battery element 2 is pressurized by the spring 6, the coin-type lithium secondary battery 1 can suppress a decrease in current density due to poor contact.

ここで、ばね6によって、電池素子2に印加される圧力が、約0.1MPa以上であるとよい。このようにすると、コイン型リチウム二次電池1は、効果的に電流密度の低下を抑制することができる。
また、ばね6によって、電池素子に印加される圧力は、3MPa以上であることがより好ましい。さらに好ましくは、10MPa以上である。
また、本実施形態のばね6は、上述した構造としてあるが、この構造に限定されるものではない。つまり、導電性の弾性体の一例である。したがって、様々な形状のばね(たとえば、導電性の材料からなるばね座金など)を用いることができる。さらに、ばね6の代わりに、他の導電性の弾性体(たとえば、導電性塗料を塗布した弾性を有する樹脂板や、導電性及び弾性を有する樹脂からなるスペーサなど)を用いてもよい。
Here, the pressure applied to the battery element 2 by the spring 6 is preferably about 0.1 MPa or more. In this way, the coin-type lithium secondary battery 1 can effectively suppress a decrease in current density.
The pressure applied to the battery element by the spring 6 is more preferably 3 MPa or more. More preferably, it is 10 MPa or more.
Moreover, although the spring 6 of this embodiment is set as the structure mentioned above, it is not limited to this structure. That is, it is an example of a conductive elastic body. Therefore, springs of various shapes (for example, spring washers made of a conductive material) can be used. Further, instead of the spring 6, another conductive elastic body (for example, a resin plate having elasticity applied with a conductive paint or a spacer made of a resin having conductivity and elasticity) may be used.

また、本実施形態のばね6は、複数の凹部が、集電体231を下方に押圧している。
ここで、好ましくは、本実施形態のばね6は、集電体231をより均一に押圧することができるとよい。たとえば、図示してないが、円板にほぼ半球状の凸部と凹部を配設した構造とするとよい。このようにすると、ばね6は、集電体231と負極23との接触面圧、負極23と固体電解質層22との接触面圧、及び、固体電解質層22と正極21との接触面圧を、高めるとともに、各接触面においてほぼ均一な状態にすることができる。このようにすると、接触面圧のばらつきによって、十分な接触を得られず、電流密度が低下するといった不具合を回避でき、コイン型リチウム二次電池1の信頼性を向上させることができる。
Moreover, as for the spring 6 of this embodiment, the some recessed part has pressed the electrical power collector 231 below.
Here, preferably, the spring 6 of the present embodiment is capable of pressing the current collector 231 more uniformly. For example, although not shown, it is preferable to have a structure in which substantially hemispherical convex portions and concave portions are arranged on a disc. In this way, the spring 6 has a contact surface pressure between the current collector 231 and the negative electrode 23, a contact surface pressure between the negative electrode 23 and the solid electrolyte layer 22, and a contact surface pressure between the solid electrolyte layer 22 and the positive electrode 21. And at the same time, the contact surfaces can be made substantially uniform. By doing so, it is possible to avoid problems such as insufficient contact being obtained due to variations in contact surface pressure and a decrease in current density, and the reliability of the coin-type lithium secondary battery 1 can be improved.

本願発明は、ラミネート型セルなどであってもよく、上記実施形態に限定されない。   The present invention may be a laminated cell or the like, and is not limited to the above embodiment.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
(製造例1−電解質層)
(1)硫化リチウム(LiS)の製造
硫化リチウムは、特開平7-330312号公報の第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Example 1
(Production Example 1-Electrolyte layer)
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) of JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours.
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)硫化物系固体電解質の製造
上記(2)で製造した硫化リチウムと五硫化二リン(アルドリッチ社製)を用いて、国際公開公報WO07/066539の実施例1と同様の方法で固体電解質の製造及び結晶化を行った。
具体的には、下記のように行った。
上記(2)で製造した硫化リチウム0.6508g(0.01417mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を1.3492g(0.00607mol)をよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケと遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
そして、はじめの数分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(85rpm)にして硫化リチウムと五硫化二リンを十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。このメカニカルミリング処理をした白黄色の粉体をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。この硫化物ガラスのガラス転移温度をDSC(示差走査熱量測定)により測定したところ、220℃であった。
この硫化物ガラスを窒素雰囲気下、300℃で2時間加熱した。
得られた硫化物ガラスセラミックスについて、X線回折測定したところ、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
(3) Manufacture of a sulfide-based solid electrolyte Using the lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) manufactured in (2) above, the solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 of International Publication WO07 / 066539. Was prepared and crystallized.
Specifically, it was performed as follows.
0.6492 g (0.01417 mol) of lithium sulfide produced in the above (2) and 1.3492 g (0.00607 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) were mixed well. Then, the mixed powder, 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Co., Ltd .: Model No. P-7) are put into an alumina pot and completely sealed, and the alumina pot is filled with nitrogen, The atmosphere was nitrogen.
Then, for the first few minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (85 rpm) to sufficiently mix lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 20 hours at a rotational speed of the planetary ball mill at 370 rpm. As a result of evaluating the mechanically milled white yellow powder by X-ray measurement, it was confirmed that the powder was vitrified (sulfide glass). It was 220 degreeC when the glass transition temperature of this sulfide glass was measured by DSC (differential scanning calorimetry).
This sulfide glass was heated at 300 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere.
The obtained sulfide glass ceramic was measured by X-ray diffraction. As a result, 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29.5, 30.0 deg. A peak was observed.

得られた硫化物系固体電解質を、直径13mm(1.327cm)、100mgに形状を整えた。 The obtained sulfide-based solid electrolyte was shaped to a diameter of 13 mm (1.327 cm 2 ) and 100 mg.

(製造例2−正極)
ポリアクリロニトリル粉末と硫黄粉末を1:5重量比で加え乳鉢で混合して出発原料とした。この原料を反応容器として用いるアルミナタンマン管(外径60mm、内径50mm、長さ180mm、アルミナSSA-S、ニッカトー製)に入れた。
(Production Example 2-Positive Electrode)
Polyacrylonitrile powder and sulfur powder were added at a weight ratio of 1: 5 and mixed in a mortar to obtain a starting material. This raw material was placed in an alumina tamman tube (outer diameter 60 mm, inner diameter 50 mm, length 180 mm, alumina SSA-S, manufactured by Nikkato) used as a reaction vessel.

アルミナタンマン管の開口部は、ゴム製アダプターに固定したシリコーンゴム栓(15号)で蓋をし、シリコーンゴム栓がアルミナタンマン管の内部雰囲気に触れる部分には、フッ素樹脂製テープを巻いてシリコーンゴム栓が内部雰囲気に直接触れないようにした。   The opening of the alumina tamman tube is covered with a silicone rubber plug (No. 15) fixed to a rubber adapter, and the silicone rubber plug is exposed to the internal atmosphere of the alumina tamman tube with a fluororesin tape wrapped around the silicone. The rubber stopper was kept out of direct contact with the internal atmosphere.

シリコーンゴム栓には、3箇所穴をあけ、熱電対を入れたアルミナ保護管(外径4mm、内径2mm、長さ250mm、アルミナSSA-S、ニッカトー製)と2本のアルミナ管(外径6mm、内径4mm、長さ150mm、アルミナSSA-S、ニッカトー製)を取り付けた。アルミナ保護管に入れた熱電対は、その先端を試料に接触させ、試料温度の測定に用いた。2本のアルミナ管はそれぞれ不活性ガス導入管と内部ガスの排気管として用いるものであり、蓋の底面から3mm出るように配置した。ガス導入管には、アルゴンガス配管を接続し、ガス排気管には、過酸化水素水をくぐらせる配管を接続して、硫化水素ガスのトラップとした。   Silicone rubber plugs are drilled in three locations, with an alumina protective tube (outer diameter 4 mm, inner diameter 2 mm, length 250 mm, alumina SSA-S, manufactured by Nikkato) and two alumina tubes (outer diameter 6 mm). , Inner diameter 4 mm, length 150 mm, alumina SSA-S, manufactured by Nikkato). The tip of the thermocouple placed in the alumina protective tube was brought into contact with the sample and used for measuring the sample temperature. The two alumina tubes were used as an inert gas introduction tube and an internal gas exhaust tube, respectively, and were arranged so as to protrude 3 mm from the bottom surface of the lid. An argon gas pipe was connected to the gas introduction pipe, and a pipe for passing hydrogen peroxide solution was connected to the gas exhaust pipe to form a hydrogen sulfide gas trap.

図2に概略の構造を示す反応装置を用い、上記したアルミナタンマン管を電気炉(ルツボ炉、開口部80mm、タンマン管の加熱部分100mm)に入れ、アルミナタンマン管の内部にアルゴンを100cc/分の流量で10分間流した。アルミナタンマン管の内部の試料を毎分5℃の昇温速度で加熱して、100℃でアルゴンガスを止めた。200℃付近から内部でガスが発生し、360℃で加温を停止した。試料の温度は400℃まで上昇し、以後低下した。室温付近まで冷却後に生成物を取り出した。   2 is put into an electric furnace (crucible furnace, opening 80 mm, heating portion 100 mm of the Tamman tube), and argon is introduced into the alumina Tamman tube at 100 cc / min. For 10 minutes. The sample inside the alumina tanman tube was heated at a temperature rising rate of 5 ° C. per minute, and the argon gas was stopped at 100 ° C. Gas was generated inside from around 200 ° C., and heating was stopped at 360 ° C. The temperature of the sample increased to 400 ° C. and then decreased. The product was taken out after cooling to near room temperature.

生成物中に残っている未反応の硫黄については、生成物を乳鉢で粉砕して生成物2gをガラスチューブオーブンに入れ、真空引きを行いながら250℃で3時間加熱することによって除去した。この操作により未反応の硫黄は蒸発し、硫黄変性ポリアクリロニトリルが得られた。   Unreacted sulfur remaining in the product was removed by grinding the product in a mortar and placing 2 g of the product in a glass tube oven and heating at 250 ° C. for 3 hours while evacuating. By this operation, unreacted sulfur was evaporated, and sulfur-modified polyacrylonitrile was obtained.

得られた生成物について、X線回折測定を行なった。X線源には、CuKαを用いた。得られたX線回折パターンを図5に示す。回折角(2θ)が20°〜30°の範囲では、25°付近にピーク位置を有するブロードな回折ピークだけが観察された。   The obtained product was subjected to X-ray diffraction measurement. CuKα was used as the X-ray source. The obtained X-ray diffraction pattern is shown in FIG. When the diffraction angle (2θ) was in the range of 20 ° to 30 °, only a broad diffraction peak having a peak position near 25 ° was observed.

また、この生成物について日本分光社製 RMP-320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm-1)を用いてラマン分析を行なった。得られたラマンスペクトルを図6に示す。図6において、横軸はラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は相対強度である。図6から判るように、生成物のラマン分析結果によれば、1328cm-1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm-1〜1800cm-1の範囲で1558cm-1、946cm-1、479cm-1、379cm-1、317cm-1付近にピークが存在した。 Further, the product was subjected to Raman analysis using RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ) manufactured by JASCO Corporation. The obtained Raman spectrum is shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis is the Raman shift (cm −1 ), and the vertical axis is the relative intensity. As can be seen from FIG. 6, according to the Raman analysis results of the product, there are a main peak in the vicinity of 1328cm -1, and, 1558cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 946cm -1, 479cm - 1, 379cm -1, the peak was present around 317cm -1.

得られた硫黄変性ポリアクリロニトリルを活物質とし、これと製造例1で得られた固体電解質と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)と気相法炭素繊維(VGCF:vapor grown carbon fiber)を、硫黄変性ポリアクリロニトリル:固体電解質:AB:VGCF=50:50:3:2の重量比で乳鉢混合し、正極合材とした。   Using the obtained sulfur-modified polyacrylonitrile as an active material, the solid electrolyte obtained in Production Example 1, acetylene black (AB) and vapor grown carbon fiber (VGCF) as a conductive additive, Sulfur-modified polyacrylonitrile: solid electrolyte: AB: VGCF = 50: 50: 3: 2 was mixed in a mortar to obtain a positive electrode mixture.

(製造例3−負極)
厚さ0.5mmのLi−In合金箔を直径12mmの円形に打ち抜いたものに直径12mmのSUSメッシュを圧着したものを、負極とした。
(Production Example 3-Negative electrode)
A negative electrode was obtained by punching a Li-In alloy foil having a thickness of 0.5 mm into a circular shape having a diameter of 12 mm and press-bonding a SUS mesh having a diameter of 12 mm.

(製造例4−電池)
上記固体電解質90mgを、直径13.0mmのダイス鋼SKD11製の円筒金型に投入し、1MPaで加圧後、更に上記正極合材を6.096mg投入して1MPaで加圧し、更に直径12mmに打ち抜いたSUSメッシュを投入して、50MPaで加圧した。続いて、正極とは反対側から上記負極を投入し、三層構造とした後、10MPaで加圧して電池ペレットとした。
上記電池ペレットを、ほぼ図1に示す構成で2032型コインセルとし、実施例1のコイン型電池を作製した。すなわち、ガスケットにはPP製を用い、正極及び負極側のスペーサには0.5mmのSUS板を用いた。ばねは、皿ばねを適用した。この皿ばね及び0.5mmのスペーサ2枚を適用した場合のコイン電池内部の圧力は、10MPaであった。
なお、コイン電池内部の圧力は、感圧紙を用いることにより、固体電解質のほぼ中心部分を測定した。
(Production Example 4-Battery)
90 mg of the above solid electrolyte was put into a cylindrical mold made of die steel SKD11 having a diameter of 13.0 mm, pressurized with 1 MPa, 6.096 mg of the above positive electrode mixture was added, and pressurized with 1 MPa, and further to a diameter of 12 mm. The punched SUS mesh was put in and pressurized at 50 MPa. Subsequently, the negative electrode was introduced from the side opposite to the positive electrode to form a three-layer structure, and then pressurized with 10 MPa to obtain a battery pellet.
The battery pellet was made into a 2032 type coin cell with the configuration shown in FIG. 1 to produce a coin type battery of Example 1. That is, PP was used for the gasket, and 0.5 mm SUS plates were used for the positive and negative spacers. A disc spring was applied as the spring. When this disc spring and two 0.5 mm spacers were applied, the pressure inside the coin battery was 10 MPa.
Note that the pressure inside the coin cell was measured at a substantially central portion of the solid electrolyte by using pressure sensitive paper.

比較例1
正極活物質にLiNi0.8Co0.15Al0.05を用い、活物質:固体電解質=70:30重量比で正極合材を作製した。正極合材を9.153mg使用して正極を作製した。この正極を用い、負極にはInを使用し、上記製造例3と同じ方法で比較例1のコイン型電池を作製した。尚、正極にLiが含まれているため、負極にはLiが含まれていないInを使用した。
Comparative Example 1
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 was used as the positive electrode active material, and a positive electrode mixture was produced at an active material: solid electrolyte = 70: 30 weight ratio. A positive electrode was produced using 9.153 mg of the positive electrode mixture. Using this positive electrode and In as the negative electrode, a coin-type battery of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Production Example 3 above. In addition, since Li was contained in the positive electrode, In which does not contain Li was used for the negative electrode.

図7は実施例1のコイン型電池の充放電曲線、図8は比較例1のコイン型電池の充放電曲線である。縦軸は電圧、横軸は活物質1g当たりの電気容量を示している。   7 is a charge / discharge curve of the coin-type battery of Example 1, and FIG. 8 is a charge / discharge curve of the coin-type battery of Comparative Example 1. The vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents the electric capacity per gram of active material.

実施例1の試験は以下の条件で行った。
電圧範囲:3.0‐1.0V vs Li/Li
電流 :0.02C
試験温度:60℃
The test of Example 1 was performed under the following conditions.
Voltage range: 3.0-1.0V vs Li + / Li
Current: 0.02C
Test temperature: 60 ° C

比較例1の試験は以下の条件で行った。
電圧範囲:3.7‐1.8V vs In
電流 :0.03C
試験温度:60℃
The test of Comparative Example 1 was performed under the following conditions.
Voltage range: 3.7-1.8V vs In
Current: 0.03C
Test temperature: 60 ° C

図8に示すように、比較例1の全固体リチウム二次電池は、サイクル数がすすむに従い電気容量が大幅に減少していることがわかる。
一方、図7に示すように、実施例1の全固体リチウム二次電池は、サイクル数がすすんでも電気容量の減少が、比較例に比べ顕著に小さいことがわかる。
この結果から、本発明の全固体リチウム二次電池は、電池性能の劣化が少なく長寿命であって、電気容量の大きい高性能の全固体リチウム二次電池であることがわかる。
As shown in FIG. 8, it can be seen that the all-solid lithium secondary battery of Comparative Example 1 has a greatly reduced electric capacity as the number of cycles progresses.
On the other hand, as shown in FIG. 7, the all-solid lithium secondary battery of Example 1 shows that the decrease in electric capacity is significantly smaller than that of the comparative example even when the number of cycles proceeds.
From this result, it can be seen that the all solid lithium secondary battery of the present invention is a high performance all solid lithium secondary battery having a long battery life with little deterioration in battery performance and a large electric capacity.

本発明は、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源に好適に利用されるものである。   The present invention is suitably used as a main power source for mobile communication devices, portable electronic devices, electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles and the like.

1 コイン型リチウム二次電池
2 電池素子
3 金属製ケース
4 金属製封口板
5 ガスケット
6 ばね
21 正極
211 集電体
22 固体電解質層
23 負極
231 集電体
232 金属平板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coin type lithium secondary battery 2 Battery element 3 Metal case 4 Metal sealing board 5 Gasket 6 Spring 21 Positive electrode 211 Current collector 22 Solid electrolyte layer 23 Negative electrode 231 Current collector 232 Metal flat plate

Claims (4)

硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫化物系固体電解質とを含む正極と、
硫化物系固体電解質を含む電解質層と、を含み、
前記硫化物系固体電解質は、SとPとLiを必須成分とすることを特徴とする全固体リチウム二次電池。
A positive electrode comprising sulfur-modified polyacrylonitrile and a sulfide-based solid electrolyte;
An electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte, and
The all-solid-state lithium secondary battery, wherein the sulfide-based solid electrolyte contains S, P, and Li as essential components.
前記硫化物系固体電解質が、硫化リチウムと五硫化二リンとから製造されることを特徴とする請求項1記載の全固体リチウム二次電池。   The all-solid-state lithium secondary battery according to claim 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte is manufactured from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide. 前記硫化リチウムと前記五硫化二リンのモル比が、68:32〜73:27であることを特徴とする請求項2記載の全固体リチウム二次電池。   The all-solid-state lithium secondary battery according to claim 2, wherein a molar ratio of the lithium sulfide to the phosphorous pentasulfide is 68:32 to 73:27. 前記硫化物系固体電解質が、Li11結晶を含むことを特徴とする請求項1乃至3いずれか一項に記載の全固体リチウム二次電池。 The all-solid-state lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3 , wherein the sulfide-based solid electrolyte includes a Li 7 P 3 S 11 crystal.
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