JP2017157473A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
近年、リチウムイオン(lithium ion)伝導性を有する硫化物系固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池が注目されている。全固体リチウムイオン二次電池では、電池特性を高めるために、硫化物系固体電解質を電解質層だけではなく、電極層内にも混合することが検討されている。 In recent years, an all-solid-state lithium ion secondary battery using a sulfide-based solid electrolyte having lithium ion conductivity has attracted attention. In an all-solid-state lithium ion secondary battery, in order to improve battery characteristics, it is considered to mix a sulfide-based solid electrolyte not only in an electrolyte layer but also in an electrode layer.
例えば、下記の特許文献1には、活性金属からなるアノードと、周囲の湿気および有機液体電解質等のアノード外部の環境との間で、二次電池に悪影響を及ぼす反応が起きることを防止するために、リチウムイオン伝導性を有する硫化物をアノードの保護膜として用いる技術が開示されている。また、下記の非特許文献1には、エネルギー密度を高めるために、硫化物系固体電解質であるLi3PS4を正極活物質として用いた全固体リチウムイオン二次電池が開示されている。
For example, in
しかしながら、非特許文献1に記載されている全固体リチウムイオン二次電池は、固体電解質を正極活物質として用いているため、電池容量の嵩上げが可能であるものの、正極活物質として用いた固体電解質の容量が低いことが課題であった。
However, since the all-solid-state lithium ion secondary battery described in Non-Patent
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高容量化に対応可能な正極活物質を採用することにより、充放電容量を向上させた、新規かつ改良されたリチウムイオン二次電池を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and a new and improved lithium ion secondary battery that has improved charge / discharge capacity by adopting a positive electrode active material that can cope with higher capacity. To provide a battery.
上記課題を解決するために、本発明は、硫化物カソライトにハロゲン化物を添加したハロゲン添加硫化物カソライト、および導電助剤を少なくとも含む正極層と、固体電解質層と、負極層と、を備え、前記ハロゲン添加硫化物カソライトは、前記正極層内で酸化還元容量を示す、リチウムイオン二次電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention comprises a halogen-added sulfide catholyte obtained by adding a halide to sulfide catholyte, a positive electrode layer containing at least a conductive additive, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, The halogen-added sulfide catholyte provides a lithium ion secondary battery that exhibits redox capacity in the positive electrode layer.
本発明によれば、高い酸化還元容量を示すハロゲン添加硫化物カソライトを正極活物質として機能させることができるため、リチウムイオン二次電池の充放電容量を高めることが可能である。 According to the present invention, since the halogen-added sulfide catholyte exhibiting a high redox capacity can be functioned as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased.
前記正極層は、ハロゲン添加硫化物カソライトと異なる正極活物質を更に含み、前記ハロゲン添加硫化物カソライトは、前記正極活物質の可逆的酸化還元電位の一部範囲あるいは全範囲にて可逆的酸化還元電位を示してもよい。この観点によれば、充放電時に、正極層中にて、ハロゲン添加硫化物カソライトと正極活物質との両方で酸化還元反応が生じるため、正極活物質の充放電容量を向上させることができる。 The positive electrode layer further includes a positive electrode active material different from the halogen-added sulfide catholyte, and the halogen-added sulfide catholyte is reversible redox in a partial range or the entire range of the reversible redox potential of the positive electrode active material. Potential may be indicated. According to this aspect, since the oxidation-reduction reaction occurs in both the halogen-added sulfide catholyte and the positive electrode active material in the positive electrode layer during charge / discharge, the charge / discharge capacity of the positive electrode active material can be improved.
前記正極活物質は、可逆的酸化還元電位の一部範囲が少なくとも1.0V〜3.5V(vs.Li/Li+)の範囲と重なる活物質であってもよい。この観点によれば、リチウムイオン二次電池の充放電容量をさらに向上させることができる。 The positive electrode active material may be an active material in which a partial range of the reversible redox potential overlaps with a range of at least 1.0 V to 3.5 V (vs. Li / Li + ). According to this viewpoint, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved.
前記正極活物質は、S(硫黄)、Li2S(硫化リチウム)、又はV2O5(二酸化バナジウム)であってもよい。この観点によれば、リチウムイオン二次電池の充放電容量をさらに向上させることができる。 The positive electrode active material may be S (sulfur), Li 2 S (lithium sulfide), or V 2 O 5 (vanadium dioxide). According to this viewpoint, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved.
硫化物カソライトの組成は、0.75Li2S−0.25P2S5であってもよく、硫化物カソライトに添加されるハロゲン化物は、LiX(Xは、Cl、BrまたはI)であってもよい。これによれば、リチウムイオン二次電池の充放電容量をさらに向上させることができると共に、電解質層中のLiイオン伝導度を高めることができる。 The composition of the sulfide catholyte may be 0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 and the halide added to the sulfide catholyte is LiX (X is Cl, Br or I) Also good. According to this, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved, and the Li ion conductivity in the electrolyte layer can be increased.
ハロゲン添加硫化物カソライトの組成は、aLiX−(100−a)(0.75Li2S−0.25P2S5)(ただし、0<a<50、XはCl、BrまたはI)であってもよく、硫化物カソライトに添加されるハロゲン化物は、LiIであってもよく、ハロゲン添加硫化物カソライトの組成は、35LiI−65(0.75Li2S−0.25P2S5)であってもよい。これによれば、リチウムイオン二次電池の充放電容量をさらに向上させることができると共に、電解質層中のLiイオン伝導度を高めることができる。 The composition of the halogen-added sulfide catholyte is aLiX- (100-a) (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 ) (where 0 <a <50, X is Cl, Br or I) The halide added to the sulfide catholyte may be LiI, and the composition of the halogen-added sulfide catholyte is 35LiI-65 (0.75 Li 2 S-0.25P 2 S 5 ) Also good. According to this, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved, and the Li ion conductivity in the electrolyte layer can be increased.
以上説明したように本発明によれば、リチウムイオン二次電池の充放電容量をより向上させることが可能である。 As described above, according to the present invention, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be further improved.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
<1.リチウムイオン二次電池の概要>
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の概要について説明する。図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の層構成を模式的に示す断面図である。
<1. Overview of lithium-ion secondary battery>
First, with reference to FIG. 1, the outline | summary of the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a layer configuration of a lithium ion
図1に示すように、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、電解質として固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池である。
As shown in FIG. 1, a lithium ion
具体的には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、硫化物カソライトにハロゲン化物を添加したハロゲン添加硫化物カソライト100、および正極層導電助剤102を少なくとも含む正極層10を備える。ここで、ハロゲン添加硫化物カソライト100は、正極層10内で酸化還元容量を示す。このようなリチウムイオン二次電池1をハロゲン添加硫化物カソライト100の可逆的酸化還元電位にて充放電することにより、高い酸化還元容量を示すハロゲン添加硫化物カソライト100を正極活物質として機能させることができる。これによれば、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の放電容量を高めることができる。
Specifically, the lithium ion
また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、正極層10が、ハロゲン添加硫化物カソライト100とは異なる正極活物質101を更に含んでもよい。ここで、ハロゲン添加硫化物カソライト100は、正極活物質101の可逆的酸化還元電位の一部範囲あるいは全範囲にて可逆的酸化還元電位を示してもよい。この構成によれば、充放電時に、正極層10中で、ハロゲン添加硫化物カソライト100および正極活物質101の両方で酸化還元反応を生じさせることができるため、正極活物質の充放電容量をさらに向上させることができる。
In the lithium ion
<2.リチウムイオン二次電池の構成>
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の具体的な構成について説明する。
<2. Configuration of lithium ion secondary battery>
Next, a specific configuration of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described.
図1に示すように、リチウムイオン二次電池1は、正極層10と、負極層20と、固体電解質層30とを備え、正極層10および負極層20の間に固体電解質層30が配置された構造を備える。
As shown in FIG. 1, the lithium ion
[正極層]
正極層10は、ハロゲン添加硫化物カソライト100と、正極活物質101と、電子伝導性を補うための正極層導電助剤102と、を含む。
[Positive electrode layer]
The
(ハロゲン添加硫化物カソライト)
ハロゲン添加硫化物カソライト100は、ハロゲン化物を添加した硫化物カソライト材料にて形成される。本実施形態において、カソライトとは、リチウムイオン二次電池1を作動させた場合、すなわち、充放電電位を印加した場合、正極層10内で酸化還元容量を示して正極活物質として機能し、固体電解質層30内でLiイオン伝導性を示す化合物を表す。
(Halogen-added sulfide catholyte)
The halogen-added
具体的には、ハロゲン化物としては、ハロゲン化リチウム(LiX)、ハロゲン化ナトリウム(NaX)、ハロゲン化アルキル等を挙げることができる。なお、上記のXは、例えば、塩素(Cl)、臭素(Br)、またはヨウ素(I)を表す。また、ハロゲンが添加される硫化物カソライト材料としては、硫化物固体電解質材料を用いることが可能であり、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−B2S3、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(m、nは正の数、ZはGe、ZnまたはGaのいずれか)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LipMOq(p、qは正の数、MはP、Si、Ge、B、Al、GaまたはInのいずれか)等を用いることができる。
Specifically, examples of the halide include lithium halide (LiX), sodium halide (NaX), and alkyl halide. Note that X represents, for example, chlorine (Cl), bromine (Br), or iodine (I). Further, as the sulfide catholyte material to which halogen is added, a sulfide solid electrolyte material can be used, for example, Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —Li 2 O. , Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -B 2
また、ハロゲン添加硫化物カソライト100は、上記の硫化物固体電解質材料のうち、少なくとも構成元素として硫黄(S)、リン(P)およびリチウム(Li)を含むものを用いることが好ましく、少なくともLi2S−P2S5を含むものを用いることがより好ましい。また、ハロゲン添加硫化物カソライト100は、結晶性材料、非晶質材料又はガラス材料のいずれであってもよく、電池特性に適する材料を適宜選択することが可能である。
In addition, the halogen-added
ここで、ハロゲン添加硫化物カソライト100を形成する硫化物固体電解質材料としてLi2S−P2S5を含むものを用いる場合、Li2SとP2S5との混合モル比は、例えば、Li2S:P2S5=50:50〜90:10の範囲で選択される。また、ハロゲン添加硫化物カソライト100は、非晶質である0.75Li2S−0.25P2S5を硫化物固体電解質材料として用いることが好ましく、添加するハロゲン化物には、LiX(XはCl、BrまたはI)を用いることが好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池1の充放電容量をさらに向上させることができると共に、正極層10中のLiイオン伝導度をさらに高めることができる。
Here, the case of using those containing Li 2 S-P 2 S 5 as a sulfide solid electrolyte material to form a halogen-containing
好ましくは、ハロゲン添加硫化物カソライト100の組成は、aLiX−(100−a)(0.75Li2S−0.25P2S5)(ただし、0<a<50、XはCl、BrまたはI)であってもよく、より好ましくは、添加されるハロゲン化物は、LiIであってもよく、さらに好ましくは、ハロゲン添加硫化物カソライト100の組成は、35LiI−65(0.75Li2S−0.25P2S5)であってもよい。ハロゲン添加硫化物カソライト100の組成が上記である場合、リチウムイオン二次電池1の充放電容量をさらに向上させることができると共に、正極層10中のLiイオン伝導度をさらに高めることができる。
Preferably, the composition of the
ハロゲン添加硫化物カソライト100の形状としては、例えば、真球状、または楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。ハロゲン添加硫化物カソライト100の粒子径は、特に限定されないが、ハロゲン添加硫化物カソライト100の平均粒子径は、0.01μm以上30μm以下であることが好ましく、0.1μm以上20μm以下であることがより好ましい。なお、「平均粒子径」とは、散乱法等によって求めた粒子の粒度分布における個数平均径のことを表し、粒度分布計等により測定することができる。
Examples of the shape of the halogen-added
なお、正極層10におけるハロゲン添加硫化物カソライト100の含有量は、例えば、正極層10の総質量に対して10質量%以上95質量%以下であることが好ましく、20質量%以上90質量%以下であることがより好ましい。
In addition, the content of the halogen-added
(正極活物質)
正極活物質101は、後述する負極層20に含まれる負極活物質201と比較して充放電電位が高く、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することが可能な活物質材料で形成される。
(Positive electrode active material)
The positive electrode
具体的には、正極活物質101は、可逆的酸化還元電位の少なくとも一部範囲が、1.0V〜3.5V(vs.Li/Li+)の範囲と重なる活物質であることが好ましい。このような正極活物質101としては、例えば、LiFePO4、Li4/3Ti5/3O4、S、Li2SまたはV2O5を挙げることができる。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1では、正極活物質101としては、S(硫黄)、Li2S(硫化リチウム)またはV2O5(酸化バナジウム)を用いることが好ましく、Sを用いることがより好ましい。
Specifically, the positive electrode
正極活物質101の形状としては、例えば、真球状、または楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。正極活物質101の平均粒子径は、例えば、0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。なお、「平均粒子径」とは、散乱法等によって求めた粒子の粒度分布における個数平均径を表し、粒度分布計等により測定することができる。
Examples of the shape of the positive electrode
なお、正極層10における正極活物質101の含有量は、例えば、正極層10の総質量に対して10質量%以上99質量%以下であることが好ましく、20質量%以上90質量%以下であることがより好ましい。
In addition, the content of the positive electrode
(正極層導電助剤)
正極層導電助剤102は、ハロゲン添加硫化物カソライト100および正極活物質101に電子伝導性を付与する役割を備える。正極層導電助剤102としては、例えば、活性炭、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、または金属粉等を使用することができる。正極層10における正極層導電助剤102の含有量は、例えば、正極層10の総質量に対して1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、5質量%以上20質量%以下であることがより好ましい。
(Positive layer conductive aid)
The positive electrode layer
また、正極層10には、上述したハロゲン添加硫化物カソライト100、正極活物質101、および正極層導電助剤102に加えて、例えば、結着材、フィラー(filler)、分散剤、およびイオン導電剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。
In addition to the halogen-added
正極層10に配合可能な結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。さらに、正極層10に配合可能なフィラー、分散剤、およびイオン導電剤等としては、一般にリチウムイオン二次電池の電極に用いられる公知の材料を用いることができる。
Examples of the binder that can be blended in the
[負極層]
図1に示すように、負極層20は、負極活物質201と、ハロゲン添加硫化物カソライト100と、負極層導電助剤202とを含む。なお、負極層導電助剤202は、正極層導電助剤102と同様の導電助剤を用いることができる。ハロゲン添加硫化物カソライト100は、正極層10に含まれるハロゲン添加硫化物カソライト100と同様の化合物を用いることができる。そのため、これらの構成についてのここでの説明は省略する。
[Negative electrode layer]
As shown in FIG. 1, the
負極活物質201は、正極層10に含まれる正極活物質101と比較して充放電電位が低く、リチウムとの合金化、またはリチウムの可逆的な吸蔵および放出が可能な活物質材料にて構成される。
The negative electrode
例えば、負極活物質201として、金属活物質またはカーボン(carbon)活物質等を用いることができる。金属活物質としては、例えば、リチウム(Li)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、およびケイ素(Si)等の金属、ならびにこれらの合金等を用いることができる。また、カーボン活物質としては、例えば、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス(coke)、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール(furfuryl alcohol)樹脂焼成炭素、ポリアセン(polyacene)、ピッチ(pitch)系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛、および難黒鉛化性炭素等を用いることができる。なお、これらの負極活物質は、単独で用いられてもよく、また2種以上を組み合わせて用いられてもよい。
For example, as the negative electrode
なお、負極層20における負極活物質201の含有量は、例えば、負極層20の総質量に対して20質量%以上95質量%以下であることが好ましく、50質量%以上90質量%以下であることがより好ましい。また、負極層20におけるハロゲン添加硫化物カソライト100の含有量は、例えば、負極層20の総質量に対して10質量%以上95質量%以下であることが好ましく、20質量%以上90質量%以下であることがより好ましい。さらに、負極層20における負極層導電助剤202の含有量は、例えば、負極層20の総質量に対して1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、5質量%以上20質量%以下であることがより好ましい。
In addition, the content of the negative electrode
また、負極層20には、上述した負極活物質201、ハロゲン添加硫化物カソライト100、および負極層導電助剤202に加えて、例えば、結着材、フィラー、分散剤、およびイオン導電剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。
In addition to the negative electrode
なお、負極層20に配合される添加剤としては、上述した正極層10に配合される添加剤と同様のものを用いることができる。
In addition, as an additive mix | blended with the
[固体電解質層]
固体電解質層30は、正極層10および負極層20の間に形成され、ハロゲン添加硫化物カソライト100を含む。ハロゲン添加硫化物カソライト100は、正極層10に含まれるハロゲン添加硫化物カソライト100と同様の化合物を用いることができる。そのため、該構成についてのここでの説明は省略する。
[Solid electrolyte layer]
以上、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の構成について詳細に説明した。
The configuration of the lithium ion
<3.リチウムイオン二次電池の製造方法>
続いて、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、正極層10、負極層20、および固体電解質層30をそれぞれ製造した後、上記の各層を積層することにより製造することができる。
<3. Manufacturing method of lithium ion secondary battery>
Then, the manufacturing method of the lithium ion
[固体電解質層の作製]
固体電解質層30は、硫化物カソライト材料にハロゲン化物を添加したハロゲン添加硫化物カソライト100により作製することができる。
[Production of solid electrolyte layer]
The
まず、溶融急冷法またはメカニカルミリング(mechanical milling)法を用いて、ハロゲン化物を添加したハロゲン添加硫化物カソライト材料を作製する。 First, a halogen-added sulfide catholyte material to which a halide is added is produced using a melt quenching method or a mechanical milling method.
例えば、溶融急冷法を用いる場合、ハロゲン化物とLi2SとP2S5とを所定量混合し、ペレット状にしたものを真空中で所定の反応温度で反応させた後、急冷することによって、ハロゲン添加硫化物カソライト材料を作製することができる。なお、ハロゲン化物と、Li2SおよびP2S5との混合物の反応温度は、例えば、400℃〜1000℃であり、好ましくは800℃〜900℃である。また、反応時間は、例えば、0.1時間〜12時間であり、好ましくは1時間〜12時間である。さらに、反応物の急冷温度は、例えば、10℃以下であり、好ましくは0℃以下である。急冷速度は、例えば、1℃/sec〜10000℃/sec程度であり、好ましくは1℃/sec〜1000℃/sec程度である。 For example, when the melt quenching method is used, a predetermined amount of a halide, Li 2 S, and P 2 S 5 are mixed, and the pellets are reacted in a vacuum at a predetermined reaction temperature, and then rapidly cooled. A halogen-added sulfide catholyte material can be produced. Incidentally, the reaction temperature of the mixture and a halide, a Li 2 S and P 2 S 5 is, for example, 400 ° C. to 1000 ° C., preferably from 800 ° C. to 900 ° C.. Moreover, reaction time is 0.1 to 12 hours, for example, Preferably it is 1 to 12 hours. Furthermore, the quenching temperature of the reaction product is, for example, 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less. The rapid cooling rate is, for example, about 1 ° C./sec to about 10,000 ° C./sec, and preferably about 1 ° C./sec to about 1000 ° C./sec.
また、メカニカルミリング法を用いる場合、ハロゲン化物とLi2SとP2S5とを所定量混合し、ボールミルなどを用いて撹拌させて反応させることで、ハロゲン添加硫化物カソライト材料を作製することができる。なお、メカニカルミリング法における撹拌速度および撹拌時間は特に限定されないが、撹拌速度が速いほどハロゲン添加硫化物カソライト材料の生成速度を速くすることができる。また、撹拌時間が長いほどハロゲン添加硫化物カソライト材料への原料の転化率を高くすることができる。 In addition, when using the mechanical milling method, a predetermined amount of halide, Li 2 S and P 2 S 5 are mixed, and stirred and reacted using a ball mill or the like to produce a halogen-added sulfide catholyte material. Can do. In addition, although the stirring speed and stirring time in a mechanical milling method are not specifically limited, The production speed of a halogen addition sulfide catholyte material can be made quick, so that stirring speed is high. Further, the longer the stirring time, the higher the conversion rate of the raw material to the halogen-added sulfide catholyte material.
その後、溶融急冷法またはメカニカルミリング法により得られたハロゲン添加硫化物カソライト材料を所定温度で熱処理した後、粉砕することにより粒子状のハロゲン添加硫化物カソライト100を作製することができる。
Thereafter, the halogen-added sulfide catholyte material obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method is heat-treated at a predetermined temperature and then pulverized to produce the particulate halogen-added
続いて、上記の方法で得られたハロゲン添加硫化物カソライト100を、例えば、ブラスト(blast)法、エアロゾルデポジション(aerosol deposition)法、コールドスプレー(cold spray)法、スパッタ法、CVD法、および溶射法等の公知の成膜法を用いて成膜することにより、固体電解質層30を作製することができる。なお、固体電解質層30は、ハロゲン添加硫化物カソライト100を単体で加圧することにより作製されてもよい。また、固体電解質層30は、ハロゲン添加硫化物カソライト100と、溶媒と、バインダまたは支持体とを混合し、加圧することで形成されてもよい。ここで、バインダまたは支持体は、固体電解質層30の強度を補強したり、ハロゲン添加硫化物カソライト100の短絡を防止したりする目的で添加されるものである。
Subsequently, the halogen-added
[正極層の作製]
正極層10は次の方法で作製することができる。まず、正極活物質101と、上記で作製したハロゲン添加硫化物カソライト100と、正極層導電助剤102と、各種添加材とを混合し、水または有機溶媒などの溶媒に添加することでスラリー(slurry)またはペースト(paste)を形成する。続いて、得られたスラリーまたはペーストを集電体に塗布し、乾燥した後に、圧延することで、正極層10を得ることができる。または、正極層10は、ハロゲン添加硫化物カソライト100、正極活物質101、および正極層導電助剤102の混合体を加圧し、圧延することで作製されてもよい。
[Preparation of positive electrode layer]
The
[負極層の作製]
負極層20は、正極層と同様の方法で作製することができる。具体的には、まず、負極活物質201と、ハロゲン添加硫化物カソライト100と、負極層導電助剤202と、各種添加剤とを混合し、水または有機溶媒などの溶媒に添加することでスラリーまたはペーストを形成する。さらに、得られたスラリーまたはペーストを集電体に塗布し、乾燥した後に、圧延することで、負極層20を得ることができる。なお、金属LiまたはLiイオンと合金を作る金属の箔状体を負極層20として用いてもよい。
[Preparation of negative electrode layer]
The
ここで、正極層10および負極層20にて用いた集電体としては、例えば、インジウム(In)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)およびリチウム(Li)、ならびにこれらの合金からなる板状体または箔状体を用いることができる。なお、集電材を用いずに、正極活物質101または負極活物質201と、各種添加剤との混合物をペレット(pellet)状に圧密化成形することで正極層10または負極層20を形成してもよい。
Here, as the current collector used in the
[リチウムイオン二次電池の製造]
さらに、上記の方法で作製した固体電解質層30、正極層10、および負極層20を積層することで、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1を製造することができる。具体的には、固体電解質層30を挟持するように正極層10と負極層20とで積層し、加圧することにより、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1を製造することができる。
[Manufacture of lithium ion secondary batteries]
Furthermore, the lithium ion
以下では、実施例および比較例を参照しながら、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池が下記の例に限定されるものではない。 Hereinafter, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In addition, the Example shown below is an example to the last, and the lithium ion secondary battery which concerns on this embodiment is not limited to the following example.
(実施例1)
まず、ハロゲン添加硫化物カソライト100としてLiI−Li3PS4を合成した。具体的には、35LiI−65(0.75Li2S−0.25P2S5)の組成比となるように、Li2Sを0.64g、P2S5を1.03g、LiIを1.33g秤量し、これらを乳鉢で混合した。混合した粉末を45mlのZrO2製ポットへZrO2ボール(φ10mm×φ7.5mm×20)とともにAr(アルゴン)雰囲気で封入し、380rpmの回転を10分間×20回行うことでメカニカルミリング反応を行い、ハロゲン添加硫化物カソライト100であるLiI−Li3PS4を合成した。
Example 1
It was first synthesized LiI-Li 3 PS 4 as the halogen-containing
続いて、ハロゲン添加硫化物カソライト100として合成したLiI−Li3PS4と、正極層導電助剤102である活性炭とを質量比80:20にて乳鉢内で混合した。次に、混合した粉末を45mlのZrO2製ポットへZrO2ボール(φ10mm×φ7.5mm×20)とともにAr雰囲気で封入し、380rpmの回転を10分間×20回行うことで混合し、正極合剤とした。さらに、生成した正極合剤3.6mgを均一に塗り広げることで正極層10を作製した。
Subsequently, LiI-Li 3 PS 4 synthesized as the halogen-added
また、ハロゲン添加硫化物カソライト100として合成したLiI−Li3PS4を200mgポリプロピレン製円筒内で押し固めて固体電解質層30を作製した。さらに、負極層20として厚み30μmの金属リチウム箔を用意した。
Further, LiI-Li 3 PS 4 synthesized as the halogen-added
続いて、セル容器内に正極層10、固体電解質層30、および負極層20を積層し、4t/cm2の圧力で一軸方向から加圧してペレットを作製し、実施例1に係る試験用セル(cell)を作製した。
Subsequently, the
(実施例2)
正極合剤に、正極活物質101として硫黄を加えた以外は、実施例1と同様にして実施例2に係る試験用セルを作製した。具体的には、まず、正極活物質101である硫黄と、正極層導電助剤102である活性炭とを質量比74:26にて乳鉢内で混合した。混合した粉末を45mlのZrO2製ポットへZrO2ボール(φ10mm×φ7.5mm×20)とともにAr雰囲気で封入し、380rpmの回転を10分間×20回行うことで混合し、硫黄および活性炭の複合体を作製した。続いて、得られた硫黄および活性炭の複合体と、同量のLiI−Li3PS4とを乳鉢内混合し、45mlのZrO2製ポットへZrO2ボール(φ10mm×φ7.5mm×20)とともにAr雰囲気で封入した後、380rpmの回転を10分間×20回行うことで混合し、正極合剤とした。得られた正極合剤のモル組成比は、硫黄:活性炭:LiI−Li3PS4=37:13:50であった。
(Example 2)
A test cell according to Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that sulfur was added as the positive electrode
(実施例3)
正極層10を次のように作製した以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係る試験用セルを作製した。具体的には、正極活物質101であるV2O5と、ハロゲン添加硫化物カソライト100として合成したLiI−Li3PS4と、正極層導電助剤102である活性炭とを質量比44:49:7にて乳鉢内で混合した。次に、混合した粉末を45mlのZrO2製ポットへZrO2ボール(φ10mm×φ7.5mm×20)とともにAr雰囲気で封入し、380rpmの回転を10分間×20回行うことで混合し、正極合剤とした。さらに、生成した正極合剤10mgを均一に塗り広げることで正極層10を作製した。
(Example 3)
A test cell according to Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the
(比較例1)
Li2ZrO3で被覆されたNCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)と、ハロゲン添加硫化物カソライト100として合成したLiI−Li3PS4と、正極層導電助剤102である活性炭とを質量比60:35:5にて乳鉢内で混合した正極合剤を用いた以外は、実施例1と同様にして比較例1に係る試験用セルを作製した。
(Comparative Example 1)
NCA (LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 ) coated with Li 2 ZrO 3 , LiI-Li 3 PS 4 synthesized as halogen-added
(比較例2)
ハロゲン添加硫化物カソライト100として合成したLiI−Li3PS4に代えて、Li3PS4を用いたこと以外は、実施例3と同様にして比較例2に係る試験用セルを作製した。
(Comparative Example 2)
A test cell according to Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 3 except that Li 3 PS 4 was used instead of LiI-Li 3 PS 4 synthesized as the halogen-added
(評価)
上記にて作製した試験用セルの充放電特性を評価した。具体的には、25℃にて、実施例1および2に係る試験用セルを0.25mA/cm2の定電流で上限電圧3.1Vまで充電した後、下限電圧1.3Vまで放電する充放電サイクルをそれぞれ50回行い、充放電特性を評価した。また、1サイクル目から50回サイクルまでの放電容量およびクーロン効率を算出し、これをサイクル特性として評価した。なお、充放電サイクルは、試験用セルに対して3Nmの外圧を付加しつつ、Ar雰囲気で密封した状態で測定した。
(Evaluation)
The charge / discharge characteristics of the test cell prepared above were evaluated. Specifically, at 25 ° C., the test cell according to Examples 1 and 2 was charged to the upper limit voltage of 3.1 V with a constant current of 0.25 mA / cm 2 and then discharged to the lower limit voltage of 1.3 V. Each discharge cycle was performed 50 times, and the charge / discharge characteristics were evaluated. Further, the discharge capacity and Coulomb efficiency from the first cycle to the 50th cycle were calculated and evaluated as cycle characteristics. The charge / discharge cycle was measured in a state of being sealed in an Ar atmosphere while applying an external pressure of 3 Nm to the test cell.
実施例1に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示すグラフを図2に示し、サイクル特性を示すグラフを図3に示す。また、実施例2に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示すグラフを図4に示し、サイクル特性を示すグラフを図5に示す。 The graph which shows the charging / discharging curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 1 is shown in FIG. 2, and the graph which shows cycling characteristics is shown in FIG. Moreover, the graph which shows the charging / discharging curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 2 is shown in FIG. 4, and the graph which shows cycling characteristics is shown in FIG.
図2および図3の結果を参照すると、実施例1は、非特許文献1に記載されている全固体リチウムイオン二次電池のLi3PS4の放電容量(150mAh/g程度)に対して、放電容量が大きく増加しており、サイクル特性の劣化が抑制されていることがわかった。これは、Li3PS4およびLiIは、1.3V−3.1V(vs.Li/Li+)の範囲で可逆的酸化還元電位を示すため、当該範囲で充放電することでハロゲン添加硫化物カソライト100であるLiI−Li3PS4の酸化還元容量が変化するためである。これにより、LiI−Li3PS4は、正極活物質としても機能することができるため、リチウムイオン二次電池の容量が増加していることがわかった。
Referring to the results of FIG. 2 and FIG. 3, in Example 1, the discharge capacity (about 150 mAh / g) of Li 3 PS 4 of the all-solid-state lithium ion secondary battery described in
図4および図5の結果を参照すると、実施例2では、リチウムイオン二次電池の充放電容量が硫黄の理論容量(1600mAh/g程度)よりも大きく増加し、かつサイクル特性の劣化も見られず、可逆的な充放電をしていることがわかった。これは、Li3PS4およびLiIは、1.3V−3.1V(vs.Li/Li+)の範囲で可逆的酸化還元電位を示すため、当該範囲に充放電プラトーを有する硫黄に、LiI−Li3PS4を添加することで、SおよびLiI−Li3PS4の両方を正極活物質として機能させることができるためである。これにより、実施例2に係るリチウムイオン二次電池(いわゆる、硫黄電池)では、充放電容量が増大する効果を得ることができた。なお、図4では、2.5V−2.8Vの充電曲線にもう一段のプラトーが観察されるが、これがLiI−Li3PS4由来の充電容量変化であると推測される。 Referring to the results of FIGS. 4 and 5, in Example 2, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery is greatly increased from the theoretical capacity of sulfur (about 1600 mAh / g), and the cycle characteristics are also deteriorated. It was found that the battery was reversibly charged and discharged. This is because Li 3 PS 4 and LiI show a reversible redox potential in the range of 1.3V-3.1V (vs. Li / Li + ), and therefore, LiI by adding -Li 3 PS 4, because that can function both S and LiI-Li 3 PS 4 as a cathode active material. Thereby, in the lithium ion secondary battery (so-called sulfur battery) according to Example 2, an effect of increasing the charge / discharge capacity could be obtained. In FIG. 4, another plateau is observed in the charging curve of 2.5 V to 2.8 V, which is presumed to be a change in charging capacity derived from LiI—Li 3 PS 4 .
次に、比較例1に係る試験用セルを、25℃にて、0.05mA/cm2の定電流で上限電圧4.0Vまで充電した後、定電流で下限電圧2.5Vまで放電する充放電サイクルを100回行い、充放電特性を評価した。また、1サイクル目から100回サイクルまでの放電容量およびクーロン効率を算出し、これをサイクル特性として評価した。なお、充放電サイクルは、試験用セルに対して3Nmの外圧を付加し、Ar雰囲気で密封した状態で測定した。 Next, the test cell according to Comparative Example 1 was charged at 25 ° C. with a constant current of 0.05 mA / cm 2 to an upper limit voltage of 4.0 V, and then charged with a constant current to a lower limit voltage of 2.5 V. The discharge cycle was performed 100 times, and charge / discharge characteristics were evaluated. In addition, the discharge capacity and Coulomb efficiency from the first cycle to 100 cycles were calculated and evaluated as cycle characteristics. The charge / discharge cycle was measured with an external pressure of 3 Nm applied to the test cell and sealed in an Ar atmosphere.
比較例1のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示すグラフ図6に示し、サイクル特性を示すグラフを図7に示す。 A graph showing a charge / discharge curve of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 is shown in FIG. 6, and a graph showing cycle characteristics is shown in FIG.
図6および図7の結果を参照すると、比較例1では、NCAの正極容量のみ(132mAh/g)が観測されるだけであり、サイクル特性も良好ではなかった。これは、NCAの平均充放電電位が3.6V−3.7Vであり、LiI−Li3PS4の充放電電位の範囲と重なっていないため、LiI−Li3PS4が正極活物質として機能していないからである。
Referring to the results of FIGS. 6 and 7, in Comparative Example 1, only the positive electrode capacity of NCA (132 mAh / g) was observed, and the cycle characteristics were not good. This is the average discharge potential of NCA is 3.6V-3.7V, because it does not overlap with the range of charge and discharge potentials of LiI-Li 3 PS 4, LiI -
次に、25℃にて、実施例3および比較例2に係る試験用セルを0.70mA/cm2の定電流で上限電圧4.0Vまで充電した後、定電流で下限電圧1.5Vまで放電する充放電サイクルを100回行い、充放電特性を評価した。また、1サイクル目から100回サイクルまでの放電容量およびクーロン効率を算出し、これをサイクル特性として評価した。なお、充放電サイクルは、試験用セルに対して3Nmの外圧を付加し、Ar雰囲気で密封した状態で測定した。 Next, after charging the test cells according to Example 3 and Comparative Example 2 at a constant current of 0.70 mA / cm 2 to an upper limit voltage of 4.0 V at 25 ° C., then to a lower limit voltage of 1.5 V at a constant current. The charging / discharging cycle which discharges was performed 100 times, and the charging / discharging characteristic was evaluated. In addition, the discharge capacity and Coulomb efficiency from the first cycle to 100 cycles were calculated and evaluated as cycle characteristics. The charge / discharge cycle was measured with an external pressure of 3 Nm applied to the test cell and sealed in an Ar atmosphere.
実施例3および比較例2に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示すグラフを図8に示す。図8の結果を参照すると、実施例3は、比較例2よりも高い充放電容量を示していることがわかる。この結果から、1.3V−3.1V(vs.Li/Li+)で充放電した場合、LiI−Li3PS4の方がLi3PS4よりも正極活物質として高容量であることがわかる。 The graph which shows the charging / discharging curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 3 and Comparative Example 2 is shown in FIG. Referring to the results of FIG. 8, it can be seen that Example 3 shows a higher charge / discharge capacity than Comparative Example 2. From this result, when charged and discharged at 1.3V-3.1V (vs.Li/Li +), it is possible towards the LiI-Li 3 PS 4 is a high capacity as a positive electrode active material than Li 3 PS 4 Recognize.
以上の評価結果からわかるように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、正極層10に、ハロゲン添加硫化物カソライト100および正極層導電助剤102を含み、ハロゲン添加硫化物カソライト100に酸化還元容量を示させることにより、放電容量を増加させることができる。具体的には、リチウムイオン二次電池1を充放電電位1.3V−3.1V(vs.Li/Li+)で作動させることにより、正極層10内でハロゲン添加硫化物カソライト100であるLiI−Li3PS4に高い酸化還元容量を示させることができる。したがって、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、放電容量を増加させることができる。
As can be seen from the above evaluation results, the lithium ion
特に、実施例2にて示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、正極層10にハロゲン添加硫化物カソライト100と、正極活物質101である硫黄とを含む硫黄電池であってもよい。硫黄は、1.3V−3.1V(vs.Li/Li+)の可逆的酸化還元電位を有するため、硫黄電池は、上記範囲にて充放電プラトーを示す。したがって、ハロゲン添加硫化物カソライト100として、硫黄と可逆的酸化電位が重なっているLiI−Li3PS4を用いることで、LiI−Li3PS4を正極活物質としても機能させることができるため、硫黄電池の充放電容量をさらに増加させることができる。
In particular, as shown in Example 2, the lithium ion
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
なお、上記実施形態では、負極層20および固体電解質層30にも、ハロゲン添加硫化物カソライト100が含まれる例を示したが、本発明はかかる例示に限定されない。例えば、負極層20および固体電解質層30は、ハロゲン添加硫化物カソライト100を含んでいなくてもよく、公知の硫化物固体電解質を含んでいてもよい。
In the above embodiment, the example in which the
1 リチウムイオン二次電池
10 正極層
20 負極層
30 固体電解質層
100 ハロゲン添加硫化物カソライト
101 正極活物質
102 正極層導電助剤
201 負極活物質
202 負極層導電助剤
DESCRIPTION OF
Claims (9)
固体電解質層と、
負極層と、
を備え、
前記ハロゲン添加硫化物カソライトは、前記正極層内で酸化還元容量を示す、リチウムイオン二次電池。 A halogen-added sulfide catholyte obtained by adding a halide to sulfide catholyte, and a positive electrode layer including at least a conductive additive;
A solid electrolyte layer;
A negative electrode layer;
With
The halogen-added sulfide catholyte exhibits a redox capacity in the positive electrode layer, and is a lithium ion secondary battery.
前記ハロゲン添加硫化物カソライトは、前記正極活物質の可逆的酸化還元電位の一部範囲または全範囲にて可逆的酸化還元電位を示す、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 The positive electrode layer further includes a positive electrode active material different from the halogen-added sulfide catholyte,
2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the halogen-added sulfide catholyte exhibits a reversible redox potential in a partial range or the entire range of the reversible redox potential of the positive electrode active material.
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