JP2015056215A - All-solid state battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid state battery with a sufficient amount of discharge capacity.SOLUTION: The all-solid state battery includes: a cathode active material layer containing cathode active material; an anode active material layer containing anode active material; and a solid electrolyte layer which is positioned between the cathode active material layer and the anode active material layer and which contains solid electrolyte. The cathode active material is a chemical compound expressed by the following formula: LiNiMnO, where 0.65<x<0.8), and the solid electrolyte contains lithium phosphorous oxynitride (LiPON).

Description

本発明は、正極表面における抵抗層の形成を抑制することにより界面抵抗を抑制した、全固体電池に関する。   The present invention relates to an all solid state battery in which interfacial resistance is suppressed by suppressing formation of a resistance layer on the surface of a positive electrode.

パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、高エネルギー密度であるという理由から、リチウム二次電池が実用化され広く普及するに至っている。また一方で、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車やハイブリッド自動車の開発が急がれており、この電気自動車用やハイブリッド自動車の電源としても、リチウム二次電池が検討されている。   With the miniaturization of personal computers, video cameras, mobile phones, etc., in the fields of information-related equipment and communication equipment, lithium secondary batteries have been put into practical use because of their high energy density as the power source used for these equipment. It has become widespread. On the other hand, in the field of automobiles, development of electric vehicles and hybrid vehicles is urgently caused by environmental problems and resource issues. Lithium secondary batteries are also being considered as power sources for electric vehicles and hybrid vehicles. Yes.

現在、リチウム二次電池においては、可燃性の有機溶媒を溶媒とする有機電解液を使用しており、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。このような問題を解消するため、近年、液体電解質を固体電解質に変更した全固体電池が提案されている。この全固体電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないため、安全装置の簡素化をはかることができ、製造コストや生産性に優れていると考えられている。   Currently, lithium secondary batteries use organic electrolytes that use flammable organic solvents as solvents, and in terms of structure and materials to prevent the installation of safety devices that prevent temperature rise during short circuits and to prevent short circuits. Improvement is needed. In order to solve such problems, in recent years, all-solid batteries in which the liquid electrolyte is changed to a solid electrolyte have been proposed. Since this all-solid-state battery does not use a flammable organic solvent in the battery, the safety device can be simplified, and it is considered that the production cost and productivity are excellent.

このような全固体電池は、正極及び負極と、これらの間に配置された電解質とが備えられ、この電解質は固体によって構成されている。一般的に、正極及び負極は、電極活物質、さらに必要に応じて、導電性材料、固体電解質、バインダー等を含む活物質層と、集電体とを有する。固体電解質層は、固体電解質の他、必要に応じて固体電解質層に可撓性を付与するためのバインダー等を含む。   Such an all-solid battery includes a positive electrode and a negative electrode, and an electrolyte disposed therebetween, and the electrolyte is made of a solid. In general, the positive electrode and the negative electrode include an electrode active material, an active material layer containing a conductive material, a solid electrolyte, a binder, and the like, and a current collector, if necessary. The solid electrolyte layer includes, in addition to the solid electrolyte, a binder for imparting flexibility to the solid electrolyte layer as necessary.

活物質層は、例えば、電極活物質に、必要に応じて、固体電解質や導電性材料等を添加、混合した活物質材を、粉末成形法により加圧成形することによって形成することができる。また、固体電解質層は、固体電解質に、必要に応じてバインダー等を添加、混合した電解質材を、粉末成形法により加圧成形することによって形成することができる。一般的には、上記したような加圧成形した活物質層及び固体電解質層を積層し、さらに加圧することで、全固体電池が作製される。   The active material layer can be formed, for example, by pressure-forming an active material material obtained by adding and mixing a solid electrolyte, a conductive material, or the like to the electrode active material as necessary, by a powder molding method. In addition, the solid electrolyte layer can be formed by pressure-molding an electrolyte material obtained by adding and mixing a binder or the like to a solid electrolyte as necessary by a powder molding method. In general, an all-solid battery is manufactured by laminating an active material layer and a solid electrolyte layer that have been pressure-molded as described above, and further pressing them.

従来の全固体電池においては、正極活物質層と固体電解質層の間の界面抵抗が大きいという問題がある。そのため、室温環境下で充放電を行う場合に、容量が著しく低下してしまう。このような問題を解決するため、特許文献1では、正極活物質層と固体電解質層の間に、高い比誘電率を有する修飾材を配置することが提案されている。   The conventional all solid state battery has a problem that the interface resistance between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer is large. Therefore, when charging / discharging in a room temperature environment, a capacity | capacitance will fall remarkably. In order to solve such a problem, Patent Document 1 proposes to dispose a modifier having a high relative dielectric constant between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer.

特開2013−062133号公報JP 2013-062133 A

全固体電池において、正極活物質層と固体電解質層の間の界面抵抗は、正極活物質として高電圧材料を用いる場合に顕著であり、このような全固体電池では修飾材なしでは充放電することはできず、また修飾材を配置しても放電容量が十分でないという問題がある。   In all solid state batteries, the interfacial resistance between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer is significant when a high voltage material is used as the positive electrode active material. In addition, there is a problem that the discharge capacity is not sufficient even if the modifying material is arranged.

上記問題点を解決するために本発明によれば、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層と負極活物質層の間に配置された、固体電解質を含有する固体電解質層とを備えた全固体電池であって、前記正極活物質が下式
LixNi0.5Mn1.54
(上式中、0.65<x<0.8である)
で表される化合物であり、前記固体電解質がリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)を含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, according to the present invention, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer And a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, wherein the positive electrode active material has the following formula Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4
(In the above formula, 0.65 <x <0.8)
The solid electrolyte contains lithium phosphate oxynitride (LiPON).

本発明の全固体電池では、正極活物質のLi量を正比より小さくすることにより、正極活物質層表面に形成されるLi2MnO3等のLi過剰組成に起因する抵抗層の生成が抑制される。このため、修飾材層を正極活物質と固体電解質材料の間に設けることなく充放電が可能となる。 In the all solid state battery of the present invention, by making the amount of Li of the positive electrode active material smaller than the positive ratio, the generation of the resistance layer due to the Li excessive composition such as Li 2 MnO 3 formed on the surface of the positive electrode active material layer is suppressed. The For this reason, charging / discharging becomes possible, without providing a modifier layer between a positive electrode active material and a solid electrolyte material.

本発明の全固体電池の略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the all-solid-state battery of this invention. 図1のA−A部における断面図である。It is sectional drawing in the AA part of FIG. 本発明の全固体電池の製造工程を示す略図である。1 is a schematic diagram showing a manufacturing process of an all solid state battery of the present invention. 本発明の全固体電池の製造工程を示す略図である。1 is a schematic diagram showing a manufacturing process of an all solid state battery of the present invention. 本発明の全固体電池の形態を示す略図である。1 is a schematic diagram showing the form of an all solid state battery of the present invention.

図1は、本発明の全固体電池1の一例を示す略断面図である。図1に示すように、本発明の全固体電池は、基板2上に、正極活物質を含有する正極活物質層3と、負極活物質を含有する負極活物質層5と、前記正極活物質層3と負極活物質層5の間に配置された、固体電解質を含有する固体電解質層4とが配置されている。図示していないが、正極活物質層の集電を行う正極集電体と負極活物質層の集電を行う負極集電体をそれぞれの層に配置する。本発明の全固体電池は、図1に示す構成を有するものであれば特に限定されず、例えば、薄膜型、圧粉型、焼結型等を挙げることができる。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all solid state battery 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the all solid state battery of the present invention includes a positive electrode active material layer 3 containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer 5 containing a negative electrode active material, and the positive electrode active material on a substrate 2. A solid electrolyte layer 4 containing a solid electrolyte disposed between the layer 3 and the negative electrode active material layer 5 is disposed. Although not shown, a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer are disposed in each layer. The all solid state battery of the present invention is not particularly limited as long as it has the configuration shown in FIG. 1, and examples thereof include a thin film type, a powder type, and a sintered type.

本発明において、正極活物質層に含まれる正極活物質は下式
LixNi0.5Mn1.54
(上式中、0.65<x<0.8である)
で表される化合物である。正極活物質の形状としては、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等を挙げることができる。また、正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層における正極活物質の含有量は、例えば10重量%〜99重量%の範囲内であることが好ましく、20重量%〜90重量%の範囲内であることがより好ましい。
In the present invention, the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer has the following formula: Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4
(In the above formula, 0.65 <x <0.8)
It is a compound represented by these. Examples of the shape of the positive electrode active material include a particle shape such as a true sphere and an oval sphere, and a thin film shape. Moreover, when a positive electrode active material is a particle shape, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-50 micrometers, for example. Further, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 10 wt% to 99 wt%, for example, and more preferably in the range of 20 wt% to 90 wt%.

本発明における正極活物質層は、上述した正極活物質以外に、必要に応じて、その他の材料を含有していても良く、例えば固体電解質材料等を挙げることができる。固体電解質材料としては、一般的な全固体電池に用いられるものであれば特に限定されるものではなく、後述する固体電解質材料を好適に用いることができる。正極活物質層における固体電解質材料の含有量は、例えば、1重量%〜90重量%の範囲内であることが好ましく、10重量%〜80重量%の範囲内であることがより好ましい。   The positive electrode active material layer in the present invention may contain other materials as necessary in addition to the above-described positive electrode active material, and examples thereof include a solid electrolyte material. The solid electrolyte material is not particularly limited as long as it is used for a general all-solid battery, and a solid electrolyte material described later can be suitably used. The content of the solid electrolyte material in the positive electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 1% by weight to 90% by weight, and more preferably in the range of 10% by weight to 80% by weight.

さらに正極活物質層は、上述した固体電解質材料の他に正極活物質層の導電性を向上させる観点から導電化剤を含有しても良い。導電化材としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。また、正極活物質は結着剤を含有していても良い。このような結着材としては、例えば、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有結着材等を挙げることができる。   Furthermore, the positive electrode active material layer may contain a conductive agent from the viewpoint of improving the conductivity of the positive electrode active material layer in addition to the solid electrolyte material described above. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. Moreover, the positive electrode active material may contain a binder. Examples of such a binder include fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).

正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層の形成方法としては、目的とする正極活物質層を形成できる方法であれば特に限定されない。   The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the type of the all-solid battery intended, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example. Further, the method for forming the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it can form the target positive electrode active material layer.

本発明の全固体電池における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成され、少なくともリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)を含む固体電解質材料を含有するものである。LiPONとしては、例えば、Li2.9PO3.30.45を用いることができる。また、LiPON以外の他の酸化物固体電解質材料及び硫化物固体電解質材料も固体電解質層中に含めてもよい。 The solid electrolyte layer in the all solid state battery of the present invention is formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and contains a solid electrolyte material containing at least lithium phosphate oxynitride (LiPON). For example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.45 can be used as LiPON. Moreover, oxide solid electrolyte materials other than LiPON and sulfide solid electrolyte materials may also be included in the solid electrolyte layer.

本発明に用いられる他の酸化物固体電解質材料としては、例えば、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等を挙げることができる。また、酸化物固体電解質材料のさらに他の例としては、例えばNASICON型構造を有する化合物等を挙げることができる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物を挙げることができる。上記一般式において、xの範囲は、0以上であれば良く、中でも、0より大きいことが好ましく、0.3以上であることがより好ましい。一方、xの範囲は、2以下であれば良く、中でも、1.7以下であることが好ましく、1以下であることがより好ましい。中でも、本発明においては、上記酸化物固体電解質材料が、Li1.5Al0.5Ge1.5(POであることが好ましい。また、NASICON型構造を有する化合物の他の例としては、一般式Li1+xAlTi2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物を挙げることができる。上記一般式において、xの範囲は、0以上であれば良く、中でも、0より大きいことが好ましく、0.3以上であることがより好ましい。一方、xの範囲は、2以下であれば良く、中でも、1.7以下であることが好ましく、1以下であることがより好ましい。中でも、本発明においては、上記酸化物固体電解質材料が、Li1.3Al0.3Ti1.7(POであることが好ましい。 Examples of other oxide solid electrolyte materials used in the present invention include LiLaTiO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiLaZrO (for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), and the like. Can do. Still another example of the oxide solid electrolyte material includes a compound having a NASICON type structure. As an example of a compound having a NASICON type structure, a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) can be given. In the above general formula, the range of x may be 0 or more, more preferably greater than 0, and more preferably 0.3 or more. On the other hand, the range of x should just be 2 or less, and it is preferable that it is 1.7 or less especially, and it is more preferable that it is 1 or less. Above all, in the present invention, the oxide solid electrolyte material, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 ( PO 4) is preferably 3. Another example of the compound having a NASICON structure is a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2). In the above general formula, the range of x may be 0 or more, more preferably greater than 0, and more preferably 0.3 or more. On the other hand, the range of x should just be 2 or less, and it is preferable that it is 1.7 or less especially, and it is more preferable that it is 1 or less. Above all, in the present invention, the oxide solid electrolyte material, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 ( PO 4) is preferably 3.

また、本発明に用いられる硫化物固体電解質材料としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質材料を意味し、他の記載についても同様である。さらに具体的には、例えば、Li11、Li3.250.95、Li3.25Ge0.250.75等を挙げることができる。 Examples of the sulfide solid electrolyte material used in the present invention include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—P 2 S 5 —Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( However, m and n are positive numbers. Z is any one of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —. Li x MO y (where, x, y is the number of positive .M is, P, Si, e, B, Al, Ga, either an In.) and the like. The description of “Li 2 S—P 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions. is there. More specifically, for example, Li 7 P 3 S 11 , Li 3.25 P 0.95 S 4 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 and the like can be mentioned.

また、固体電解質材料の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等を挙げることができる。また、固体電解質材料が粒子形状である場合、その平均粒径は、例えば、50nm〜5μmの範囲内であることが好ましく、100nm〜3μmの範囲内であることがより好ましい。   Examples of the shape of the solid electrolyte material include particle shapes such as true spheres and ellipsoids, and thin film shapes. Moreover, when a solid electrolyte material is a particle shape, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 50 nm-5 micrometers, for example, and it is more preferable that it exists in the range of 100 nm-3 micrometers.

固体電解質層は、上述した固体電解質材料のみから構成されることが好ましいが、必要に応じて、結着剤を含有していても良い。固体電解質層に用いられる結着剤としては、上述した正極活物質層における場合と同様である。   The solid electrolyte layer is preferably composed only of the solid electrolyte material described above, but may contain a binder as necessary. The binder used for the solid electrolyte layer is the same as in the positive electrode active material layer described above.

固体電解質層の厚さとしては、固体電解質材料の種類および全固体電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましく、0.1μm〜300μmの範囲内であることがより好ましい。固体電解質層の形成方法としては、目的とする固体電解質層を形成できる方法であれば特に限定されない。   The thickness of the solid electrolyte layer varies greatly depending on the type of the solid electrolyte material and the configuration of the all-solid battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example, 0.1 μm to 300 μm. More preferably within the range. The method for forming the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is a method capable of forming the target solid electrolyte layer.

本発明の全固体電池における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて固体電解質材料および導電化剤の少なくとも一つを含有していても良い。本発明の全固体電池が全固体リチウム電池である場合、負極活物質としては、伝導イオンであるLiイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボン活物質および金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質としては、例えば、黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。一方、金属活物質としては、例えば、Li合金、Sn−Co−C等の合金材料、In、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。また、その他の負極活物質の例としては、LiTiO等の酸化物系材料を挙げることができる。 The negative electrode active material layer in the all solid state battery of the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material and a conductive agent as necessary. When the all-solid battery of the present invention is an all-solid lithium battery, the negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release Li ions, which are conductive ions. For example, a carbon active material And a metal active material. Examples of the carbon active material include graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. On the other hand, examples of the metal active material include alloy materials such as Li alloy and Sn—Co—C, In, Al, Si, and Sn. In addition, examples of other negative electrode active materials include oxide materials such as Li 4 TiO 5 .

なお、負極活物質層に用いられる固体電解質材料および導電化剤については、それぞれ上述した固体電解質層および正極活物質層における場合と同様である。また負極活物質層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内である。負極活物質層の形成方法としては、目的とする負極活物質層を形成できる方法であれば特に限定されない。   Note that the solid electrolyte material and the conductive agent used in the negative electrode active material layer are the same as those in the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer described above, respectively. The thickness of the negative electrode active material layer is, for example, in the range of 0.1 μm to 1000 μm. The method for forming the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can form the target negative electrode active material layer.

本発明の全固体電池は、上述した正極活物質層、固体電解質層、および負極活物質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、およびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケル、およびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な全固体電池に使用される電池ケースを用いることができ、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。また、本発明の全固体電池は、発電要素を絶縁リングの内部に形成したものであっても良い。   The all solid state battery of the present invention has at least the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. Among them, SUS is preferable. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Among them, SUS is preferable. In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the all solid state battery. Moreover, the battery case used for a general all-solid-state battery can be used for the battery case used for this invention, For example, the battery case made from SUS etc. can be mentioned. Further, the all solid state battery of the present invention may be one in which the power generating element is formed inside the insulating ring.

本発明の全固体電池においては、正極活物質中のLi量が少ないため、正極債表面におけるLi過剰組成の抵抗層の形成を抑制することができ、充放電が可能となる。なお、本発明の全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、および角型等を挙げることができる。   In the all solid state battery of the present invention, since the amount of Li in the positive electrode active material is small, it is possible to suppress the formation of a resistive layer having an excessive Li composition on the surface of the positive electrode bond, and charge / discharge is possible. Examples of the shape of the all solid state battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

本発明の全固体電池の製造方法は、上述した全固体電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。例えば、全固体電池が薄膜形状である場合、基板上に正極活物質層を形成し、正極活物質層上に上述した修飾材層を形成し、その後固体電解質層、負極活物質層を順に形成し積層する方法等を挙げることができる。   The method for producing an all-solid battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described all-solid battery, and a method similar to a general method for producing an all-solid battery may be used. it can. For example, when the all-solid-state battery is in the form of a thin film, the positive electrode active material layer is formed on the substrate, the above-described modifier layer is formed on the positive electrode active material layer, and then the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer are sequentially formed. And a method of laminating.

実施例1
正極活物質層作製
基板として、Pt(300nm)/Cr(20nm)/SiO/Si基板を用い、この基板上に高周波スパッタ(RFスパッタ)法によって、LixNi0.5Mn1.54膜(LNM膜)を成膜した。なお、RFスパッタ法の各条件は以下の通りである。
・ターゲット組成:Li1.0Ni0.5Mn1.54
・出力:500W
・チャンバー内雰囲気:2.0Pa、Ar100%
・基板温度:300℃
・成膜時間:2時間
成膜後のLNM膜をマッフル炉で700℃にて大気中で5時間焼成し、LNM薄膜を結晶化した。
Example 1
Preparation of positive electrode active material layer A Pt (300 nm) / Cr (20 nm) / SiO / Si substrate was used as a substrate, and a Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4 film (LNM film) was formed on this substrate by high-frequency sputtering (RF sputtering). ) Was formed. Each condition of the RF sputtering method is as follows.
Target composition: Li 1.0 Ni 0.5 Mn 1.5 O 4
・ Output: 500W
-Chamber atmosphere: 2.0 Pa, Ar 100%
-Substrate temperature: 300 ° C
-Film formation time: 2 hours The LNM film | membrane after film-forming was baked in the air at 700 degreeC in the muffle furnace for 5 hours, and the LNM thin film was crystallized.

固体電解質層作製
上記LNM薄膜上に、RFスパッタ法によってLiPON膜を成膜した。このRFスパッタ法の各条件は以下の通りである。
・ターゲット組成:Li3PO4
・出力:300W
・チャンバー内雰囲気:1.0Pa、N2100%
・基板温度:室温
・成膜時間:30時間
Preparation of solid electrolyte layer A LiPON film was formed on the LNM thin film by RF sputtering. Each condition of this RF sputtering method is as follows.
-Target composition: Li 3 PO 4
・ Output: 300W
-Chamber atmosphere: 1.0 Pa, N 2 100%
-Substrate temperature: room temperature-Deposition time: 30 hours

負極活物質層作製
上記LiPON膜上に、加熱式真空蒸着法により金属Li膜を成膜した。
Preparation of negative electrode active material layer A metal Li film was formed on the LiPON film by a heating vacuum deposition method.

実施例2
実施例1の正極活物質層作製工程において、成膜後のLNM膜の焼成温度を650℃にしたことを除き、実施例1と同様にして作製した。
Example 2
It was produced in the same manner as in Example 1 except that in the positive electrode active material layer production process of Example 1, the firing temperature of the LNM film after film formation was 650 ° C.

比較例1
実施例1の正極活物質層作製工程において、ターゲットとしてLi1.1Ni0.5Mn1.54を用いたことを除き、実施例1と同様にして作製した。
Comparative Example 1
It was produced in the same manner as in Example 1 except that Li 1.1 Ni 0.5 Mn 1.5 O 4 was used as a target in the positive electrode active material layer production process of Example 1.

比較例2
実施例1の正極活物質層作製工程において、成膜時の基板温度を500℃としたことを除き、実施例1と同様にして作製した。
Comparative Example 2
In the positive electrode active material layer preparation step of Example 1, the positive electrode active material layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature during film formation was 500 ° C.

以上のようにして作製した全固体電池について、LNM薄膜の組成分析、界面抵抗及びサイクリックボルタンメトリを評価した。なお、組成分析において、Li量は原子吸光分析法により、Ni及びMn量はICP発光分光分析法により測定した。界面抵抗は、交流インピーダンス法(測定周波数:1MHz〜0.01Hz、電位振幅:10mV、電池電位:4.7V)により評価した。サイクリックボルタンメトリは、3.5〜5Vの電位範囲、0.1mV/secの掃引速度にて測定した。   The all solid state battery produced as described above was evaluated for composition analysis, interface resistance, and cyclic voltammetry of the LNM thin film. In the composition analysis, the amount of Li was measured by atomic absorption spectrometry, and the amounts of Ni and Mn were measured by ICP emission spectroscopy. The interface resistance was evaluated by the AC impedance method (measurement frequency: 1 MHz to 0.01 Hz, potential amplitude: 10 mV, battery potential: 4.7 V). Cyclic voltammetry was measured in a potential range of 3.5 to 5 V and a sweep rate of 0.1 mV / sec.

LNM薄膜の組成分析の測定結果を以下の表1に示す。LixNi0.5Mn1.54のxの値が、実施例1及び2では0.65<x<0.8の範囲にあり、比較例1ではこの範囲より多く、比較例2では少なくなっている。 The measurement results of the composition analysis of the LNM thin film are shown in Table 1 below. The value x of Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4 is in the range of 0.65 <x <0.8 in Examples 1 and 2, and is larger than this range in Comparative Example 1 and smaller in Comparative Example 2. Yes.

Figure 2015056215
Figure 2015056215

サイクリックボルタンメトリの測定結果を図2に示す。実施例1及び2においては、4.7V付近の充放電ピークが観測され、100mAh/g前後の放電容量が得られた。一方、比較例においては、4.7Vのピークが観察されず、低電位においてわずかに放電するのみであった。   The measurement result of cyclic voltammetry is shown in FIG. In Examples 1 and 2, a charge / discharge peak around 4.7 V was observed, and a discharge capacity of about 100 mAh / g was obtained. On the other hand, in the comparative example, a peak of 4.7 V was not observed, and the battery was only slightly discharged at a low potential.

交流インピーダンスの測定結果を図3に示す。低周波側の円弧が4.7Vにおける界面抵抗に相当する。実施例1及び2においては、3500Ω・cm2程度の低い抵抗を示した。比較例1及び2では、界面抵抗が測定できないほどの大きな値を示し、この大きな界面抵抗のために4.7V付近でのCVの充放電ピークがみられなかった。比較例1の界面抵抗が大きいのは、LNM層の再表面に形成されるLi2MnO3など、Li過剰組成が高電位で分解して抵抗層となったためであると考えられる。比較例2の界面抵抗が大きいのは、Li伝導性のないNi−Mn−Oからなる酸化物がLNM層の最表面に形成されたためであると考えられる。 The measurement result of AC impedance is shown in FIG. The arc on the low frequency side corresponds to the interface resistance at 4.7V. In Examples 1 and 2, a low resistance of about 3500 Ω · cm 2 was exhibited. Comparative Examples 1 and 2 showed such a large value that the interfacial resistance could not be measured, and due to this large interfacial resistance, no CV charge / discharge peak was observed near 4.7V. The reason why the interfacial resistance of Comparative Example 1 is large is considered to be that a Li-excess composition such as Li 2 MnO 3 formed on the resurface of the LNM layer decomposes at a high potential to become a resistance layer. The reason why the interface resistance of Comparative Example 2 is large is considered to be that an oxide made of Ni—Mn—O having no Li conductivity was formed on the outermost surface of the LNM layer.

図4に、LNM薄膜のLi量と放電容量の関係を、図5に、Li量と界面抵抗の関係を示す。0.65<x<0.8のLi組成域で界面抵抗が低下し、5V領域で放電可能となり、高い容量を示した。   FIG. 4 shows the relationship between the Li amount of the LNM thin film and the discharge capacity, and FIG. 5 shows the relationship between the Li amount and the interface resistance. The interface resistance decreased in the Li composition region where 0.65 <x <0.8, and discharge was possible in the 5V region, indicating a high capacity.

1 全固体電池
2 基板
3 正極活物質層
4 固体電解質層
5 負極活物質層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 All-solid-state battery 2 Board | substrate 3 Positive electrode active material layer 4 Solid electrolyte layer 5 Negative electrode active material layer

Claims (2)

正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層と負極活物質層の間に配置された、固体電解質を含有する固体電解質層とを備えた全固体電池であって、前記正極活物質が下式
LixNi0.5Mn1.54
(上式中、0.65<x<0.8である)
で表される化合物であり、前記固体電解質がリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)を含む全固体電池。
A positive electrode active material layer containing a positive electrode active material; a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material; and a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer; The positive electrode active material has the following formula: Li x Ni 0.5 Mn 1.5 O 4
(In the above formula, 0.65 <x <0.8)
An all-solid battery in which the solid electrolyte contains lithium phosphate oxynitride (LiPON).
前記正極活物質層の厚さが100nm〜10μmである、請求項1記載の全固体電池。   The all-solid-state battery of Claim 1 whose thickness of the said positive electrode active material layer is 100 nm-10 micrometers.
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