JP2017199539A - Solid electrolyte structure, lithium battery, and method of manufacturing solid electrolyte structure - Google Patents

Solid electrolyte structure, lithium battery, and method of manufacturing solid electrolyte structure Download PDF

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大介 獅子原
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弘経 安藤
雄基 竹内
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雄基 竹内
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英昭 彦坂
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte structure low in interface resistance and hardly causing a short circuit between electrodes.SOLUTION: A solid electrolyte structure includes a solid electrolyte substrate containing a lithium ion conductive solid electrolyte and a lithium carbonate layer formed on a surface of the solid electrolyte substrate. Particles of the solid electrolyte exposed on the surface of the solid electrolyte substrate have a size of 10 μm or less, and the lithium carbonate layer has a thickness of 100 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本明細書によって開示される技術は、固体電解質構造体に関する。   The technique disclosed by this specification is related with a solid electrolyte structure.

近年、パソコンや携帯電話等の電子機器の普及、電気自動車の普及、太陽光や風力等の自然エネルギーの利用拡大等に伴い、高性能な電池の需要が高まっている。なかでも、電池要素がすべて固体で構成された全固体リチウムイオン二次電池の活用が期待されている。全固体リチウムイオン二次電池は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を用いる従来型のリチウムイオン二次電池と比べて、有機電解液の漏洩や発火等のおそれがないため安全であり、また、外装を簡略化することができるため単位質量または単位体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。   In recent years, with the spread of electronic devices such as personal computers and mobile phones, the spread of electric vehicles, and the expansion of the use of natural energy such as sunlight and wind power, the demand for high-performance batteries is increasing. Especially, utilization of the all-solid-state lithium ion secondary battery by which all the battery elements are comprised is anticipated. All-solid lithium ion secondary batteries are safer than conventional lithium ion secondary batteries that use organic electrolytes in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, because there is no risk of leakage or ignition of organic electrolytes. In addition, since the exterior can be simplified, the energy density per unit mass or unit volume can be improved.

全固体リチウムイオン二次電池の電解質層は、リチウムイオン伝導性の固体電解質を含む固体電解質構造体により形成される。リチウムイオン伝導性の固体電解質としては、例えば、少なくともLi(リチウム)とLa(ランタン)とZr(ジルコニウム)とO(酸素)とを含有するガーネット型結晶構造またはガーネット型類似結晶構造を有する固体電解質(例えば、LiLaZr12(以下、「LLZ」という))がある。 The electrolyte layer of the all solid lithium ion secondary battery is formed by a solid electrolyte structure including a lithium ion conductive solid electrolyte. Examples of the lithium ion conductive solid electrolyte include a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure containing at least Li (lithium), La (lanthanum), Zr (zirconium), and O (oxygen). (For example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as “LLZ”)).

全固体リチウムイオン二次電池では、電解質層と電極とが共に固体であるため、従来型のリチウムイオン二次電池と比べて、電解質層と電極との界面での接触抵抗が高くなりやすい。また、全固体リチウムイオン二次電池では、充電時に比較的高い電流密度で直流電圧が印加されると、電解質層を通って負極側に移動したリチウムイオンが負極表面で突起状に析出し、この突起状のリチウムが電解質層を貫通して電極間が短絡するおそれがある(例えば、非特許文献1参照)。   In an all-solid-state lithium ion secondary battery, since the electrolyte layer and the electrode are both solid, the contact resistance at the interface between the electrolyte layer and the electrode tends to be higher than that of a conventional lithium ion secondary battery. In addition, in an all-solid-state lithium ion secondary battery, when a DC voltage is applied at a relatively high current density during charging, lithium ions that have moved to the negative electrode side through the electrolyte layer are deposited in a protruding shape on the negative electrode surface. There is a possibility that protruding lithium penetrates the electrolyte layer and short-circuits between the electrodes (for example, see Non-Patent Document 1).

ヤオユウ・レン(Yaoyu Ren)、外3名、「ガーネット型リチウムイオン固体電解質中のリチウム樹状突起の直接観察(Direct observation of lithium dendrites inside garnet−type lithium−ion solid electrolyte)」、電気化学通信(Electrochemistry Communications)、オランダ、エルゼビア・ベーフェー(Elsevier B.V.)、平成27年5月15日、第57号、p.27−30Yaoyu Ren, et al., "Direct observation of lithium dendrites in-situ garnet-type lithium-ion solid-electrolyte chemistry," "Electronic observation of lithium dendrites in garnet-type lithium ion solid electrolyte" Electrochemistry Communications), Elsevier BV, The Netherlands, May 15, 2015, No. 57, p. 27-30

このように、全固体リチウムイオン二次電池の電解質層に用いられる固体電解質構造体として、電極との界面抵抗が低く、かつ、電極間の短絡を引き起こしにくい固体電解質構造体が求められている。なお、このような課題は、全固体リチウムイオン二次電池の電解質層に用いられる固体電解質構造体に限らず、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を含む固体電解質構造体に共通の課題である。   Thus, as a solid electrolyte structure used for an electrolyte layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, a solid electrolyte structure having low interface resistance with an electrode and hardly causing a short circuit between the electrodes is required. In addition, such a subject is a subject common not only to the solid electrolyte structure used for the electrolyte layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery but the solid electrolyte structure containing the solid electrolyte which has lithium ion conductivity.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.

(1)本明細書に開示される固体電解質構造体は、リチウムイオン伝導性の固体電解質を含む固体電解質基板と、前記固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層と、を備える固体電解質構造体において、前記固体電解質基板の表面に表出する前記固体電解質の粒子のサイズは10μm以下であり、前記炭酸リチウム層の厚さは100nm以下である。本固体電解質構造体を電池の固体電解質層に使用した場合に、固体電解質基板の表面に固体電解質の粒子が表出しており、表出する固体電解質の粒子のサイズが10μm以下と比較的小さいため、固体電解質基板の比表面積が比較的大きくなる。これにより、固体電解質層と電極(負極)との間における、接触面内の電流の偏りが小さくなって、電極(負極)におけるリチウムの析出量の偏りが小さくなる。その結果、局所的なリチウムの析出による短絡の発生を抑制することができる。また、固体電解質基板の比表面積が比較的大きくなるために、固体電解質層と電極(負極と正極との少なくとも一方)との間の界面抵抗を低減することができる。また、リチウムイオン伝導性が極端に低い(固体電解質層の10万分の1以下程度)炭酸リチウム層の厚さが100nm以下と比較的薄いため、そもそも固体電解質層と電極(負極)との間の抵抗が小さくなる。また、固体電解質層と電極(負極)との間の抵抗のばらつきが小さくなる。これにより、固体電解質層と電極(負極)との間の電流の偏りが小さくなって(つまり、局所的な電流の集中が抑制され)、電極(負極)におけるリチウムの析出量の偏りが小さくなる。その結果、局所的なリチウムの析出による短絡の発生を抑制することができる。また、リチウムイオン伝導性が極端に低い炭酸リチウム層の厚さが比較的薄いために、固体電解質層と電極(負極と正極との少なくとも一方)との間の界面抵抗を低減することができる。 (1) A solid electrolyte structure disclosed in the present specification includes a solid electrolyte substrate including a lithium ion conductive solid electrolyte, and a lithium carbonate layer formed on a surface of the solid electrolyte substrate. In the body, the size of the particles of the solid electrolyte exposed on the surface of the solid electrolyte substrate is 10 μm or less, and the thickness of the lithium carbonate layer is 100 nm or less. When this solid electrolyte structure is used for a solid electrolyte layer of a battery, the solid electrolyte particles are exposed on the surface of the solid electrolyte substrate, and the size of the exposed solid electrolyte particles is relatively small, 10 μm or less. The specific surface area of the solid electrolyte substrate becomes relatively large. As a result, the current bias in the contact surface between the solid electrolyte layer and the electrode (negative electrode) is reduced, and the amount of lithium deposited on the electrode (negative electrode) is reduced. As a result, occurrence of a short circuit due to local lithium deposition can be suppressed. In addition, since the specific surface area of the solid electrolyte substrate is relatively large, the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode (at least one of the negative electrode and the positive electrode) can be reduced. In addition, the lithium ion conductivity is extremely low (about 1 / 100,000 or less of the solid electrolyte layer), and the thickness of the lithium carbonate layer is relatively thin, 100 nm or less, so between the solid electrolyte layer and the electrode (negative electrode) in the first place. Resistance becomes smaller. In addition, variation in resistance between the solid electrolyte layer and the electrode (negative electrode) is reduced. As a result, the current bias between the solid electrolyte layer and the electrode (negative electrode) is reduced (that is, local current concentration is suppressed), and the amount of lithium deposition on the electrode (negative electrode) is reduced. . As a result, occurrence of a short circuit due to local lithium deposition can be suppressed. Further, since the lithium carbonate layer having extremely low lithium ion conductivity is relatively thin, the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode (at least one of the negative electrode and the positive electrode) can be reduced.

(2)上記固体電解質構造体において、前記固体電解質は、少なくともLiとLaとZrとOとを含有するガーネット型結晶構造またはガーネット型類似結晶構造を有する構成としてもよい。本固体電解質構造体によれば、リチウムイオン伝導性を十分に備えることができる。また、本固体電解質構造体によれば、局所的なリチウムの析出による短絡の発生を効果的に抑制することができると共に、固体電解質層と電極との間の界面抵抗を効果的に低減することができる。 (2) In the solid electrolyte structure, the solid electrolyte may have a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure containing at least Li, La, Zr, and O. According to the present solid electrolyte structure, lithium ion conductivity can be sufficiently provided. In addition, according to the present solid electrolyte structure, it is possible to effectively suppress the occurrence of a short circuit due to local lithium precipitation and to effectively reduce the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode. Can do.

(3)上記固体電解質構造体において、前記固体電解質は、MgとA(Aは、Ca、Sr、Baから構成される群より選択される少なくとも1つの元素)との少なくとも一方を含有する構成としてもよい。本固体電解質構造体によれば、さらに向上したリチウムイオン伝導性を備えることができる。また、本固体電解質構造体によれば、局所的なリチウムの析出による短絡の発生を効果的に抑制することができると共に、固体電解質層と電極との間の界面抵抗を効果的に低減することができる。 (3) In the solid electrolyte structure, the solid electrolyte includes at least one of Mg and A (A is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba). Also good. According to the present solid electrolyte structure, further improved lithium ion conductivity can be provided. In addition, according to the present solid electrolyte structure, it is possible to effectively suppress the occurrence of a short circuit due to local lithium precipitation and to effectively reduce the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode. Can do.

(4)本明細書に開示されるリチウム電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質層と、を備えるリチウム電池において、前記固体電解質層は、上記固体電解質構造体により形成される。本リチウム電池によれば、固体電解質層と電極との界面抵抗を低くすることができ、かつ、電極間の短絡の発生を抑制することができる。 (4) The lithium battery disclosed in the present specification is a lithium battery including a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode. It is formed by a solid electrolyte structure. According to this lithium battery, the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode can be lowered, and the occurrence of a short circuit between the electrodes can be suppressed.

(5)上記リチウム電池において、池において、前記負極は、電極活物質であるLi金属とLi合金との少なくとも一方を含有する構成としてもよい。本リチウム電池によれば、固体電解質層と電極との界面抵抗を低くすることができ、かつ、電極間の短絡の発生を抑制することができる。 (5) In the lithium battery, in the pond, the negative electrode may include at least one of an Li metal and an Li alloy that are electrode active materials. According to this lithium battery, the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode can be lowered, and the occurrence of a short circuit between the electrodes can be suppressed.

(6)上記リチウム電池において、前記正極と前記負極との少なくとも一方は、電極活物質と、硫化物系固体電解質と、を含有する構成としてもよい。本リチウム電池によれば、固体電解質層と電極との界面抵抗を低くすることができ、かつ、電極間の短絡の発生を抑制することができる。 (6) In the lithium battery, at least one of the positive electrode and the negative electrode may include an electrode active material and a sulfide solid electrolyte. According to this lithium battery, the interface resistance between the solid electrolyte layer and the electrode can be lowered, and the occurrence of a short circuit between the electrodes can be suppressed.

(7)本明細書に開示される製造方法は、リチウムイオン伝導性の固体電解質を含む固体電解質基板と、前記固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層と、を備え、前記固体電解質基板の表面に表出する前記固体電解質の粒子のサイズは10μm以下である固体電解質構造体の製造方法において、固体電解質構造体を準備する工程と、前記固体電解質構造体を、pHが1以上、14以下の洗浄液中に浸漬する洗浄工程と、を備える。本製造方法によれば、固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層の厚さを100nm以下とすることができ、局所的なリチウムの析出による短絡の発生を抑制することができると共に、固体電解質層と電極との間の界面抵抗を低減することができる。 (7) A manufacturing method disclosed in the present specification includes a solid electrolyte substrate including a lithium ion conductive solid electrolyte, and a lithium carbonate layer formed on a surface of the solid electrolyte substrate, and the solid electrolyte substrate In the method for producing a solid electrolyte structure in which the size of the particles of the solid electrolyte expressed on the surface of the solid electrolyte structure is 10 μm or less, a step of preparing the solid electrolyte structure, and the pH of the solid electrolyte structure is 1 or more, 14 And a cleaning step of immersing in the following cleaning liquid. According to this manufacturing method, the thickness of the lithium carbonate layer formed on the surface of the solid electrolyte substrate can be made 100 nm or less, the occurrence of a short circuit due to local lithium deposition can be suppressed, The interface resistance between the electrolyte layer and the electrode can be reduced.

(8)上記製造方法において、前記洗浄液のpHは、7以上、13以下であることを特徴とする構成としてもよい。本製造方法によれば、固体電解質層を構成する成分が洗浄液中に溶出することを抑制しつつ、固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層の厚さを100nm以下とすることができる。 (8) In the above manufacturing method, the pH of the cleaning liquid may be 7 or more and 13 or less. According to this production method, the thickness of the lithium carbonate layer formed on the surface of the solid electrolyte substrate can be made 100 nm or less while suppressing the components constituting the solid electrolyte layer from eluting into the cleaning liquid.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、固体電解質を含む固体電解質構造体、固体電解質構造体により形成される電解質層を備えるリチウム電池または全固体リチウム電池、それらの製造方法または洗浄方法等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms. For example, a solid electrolyte structure including a solid electrolyte, a lithium battery including an electrolyte layer formed by the solid electrolyte structure, or It can be realized in the form of an all-solid lithium battery, a manufacturing method thereof, a cleaning method, or the like.

本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池102の断面構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the cross-sectional structure of the all-solid-state lithium ion secondary battery 102 in this embodiment. 本実施形態の電解質層112の断面構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the cross-sectional structure of the electrolyte layer 112 of this embodiment. 第1の比較例の電解質層112aの断面構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the cross-sectional structure of the electrolyte layer 112a of a 1st comparative example. 図4は、第2の比較例の電解質層112bの断面構成を概略的に示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the electrolyte layer 112b of the second comparative example. 本実施形態の全固体電池102の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the all-solid-state battery 102 of this embodiment. 洗浄液の評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result of a washing | cleaning liquid. 洗浄未実施の試料の断面をFE−SEMにより観察した写真である。It is the photograph which observed the cross section of the sample which has not been wash | cleaned by FE-SEM. 蒸留水による洗浄実施試料の断面をFE−SEMにより観察した写真である。It is the photograph which observed the cross section of the washing implementation sample by distilled water by FE-SEM. 0.1M硝酸による洗浄実施試料の断面をFE−SEMにより観察した写真である。It is the photograph which observed the cross section of the washing implementation sample by 0.1M nitric acid by FE-SEM. 第1の評価用サンプルS1を対象とした界面抵抗についての評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result about the interface resistance which made 1st sample S1 for evaluation. 第2の評価用サンプルS2を対象とした界面抵抗についての評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result about the interface resistance which made 2nd evaluation sample S2 object. 第2の評価用サンプルS2を対象とした短絡特性についての評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result about the short circuit characteristic for 2nd sample for evaluation S2. 第3の性能評価の概要と評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline | summary and evaluation result of 3rd performance evaluation. 固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の粒子のサイズPSの平均値(表出粒子平均サイズAS)の算出方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the calculation method of the average value (expressed particle average size AS) of the particle size PS of the solid electrolyte 202 exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203. FIG.

A.実施形態:
A−1.全固体電池102の構成:
図1は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池(以下、「全固体電池」という)102の断面構成を概略的に示す説明図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向といい、Z軸負方向を下方向という。図2以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Configuration of all solid state battery 102:
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross-sectional configuration of an all-solid lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “all-solid battery”) 102 in the present embodiment. FIG. 1 shows XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction. In this specification, for convenience, the positive Z-axis direction is referred to as the upward direction, and the negative Z-axis direction is referred to as the downward direction. The same applies to FIG.

全固体電池102は、電池本体110と、電池本体110の一方側(上側)に配置された第1の集電部材154と、電池本体110の他方側に(下側)に配置された第2の集電部材156とを備える。第1の集電部材154および第2の集電部材156は、導電性を有する略平板形状部材であり、例えば、ステンレス鋼、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、これらの合金から選択される導電性金属材料、炭素材料等によって形成されている。以下の説明では、第1の集電部材154と第2の集電部材156とを、まとめて集電部材ともいう。   The all-solid-state battery 102 includes a battery main body 110, a first current collecting member 154 disposed on one side (upper side) of the battery main body 110, and a second disposed on the other side (lower side) of the battery main body 110. Current collecting member 156. The first current collecting member 154 and the second current collecting member 156 are substantially flat plate-shaped members having conductivity. For example, stainless steel, Ni (nickel), Ti (titanium), Fe (iron), Cu ( Copper), Al (aluminum), a conductive metal material selected from these alloys, a carbon material, and the like. In the following description, the first current collecting member 154 and the second current collecting member 156 are collectively referred to as a current collecting member.

電池本体110は、電池要素がすべて固体で構成された二次電池であり、電解質層112と、電解質層112の一方側(上側)に配置された正極114と、電解質層112の他方側(下側)に配置された負極116とを備える。以下の説明では、正極114と負極116とを、まとめて電極ともいう。   The battery body 110 is a secondary battery in which battery elements are all made of solid, and include an electrolyte layer 112, a positive electrode 114 disposed on one side (upper side) of the electrolyte layer 112, and the other side (lower side) of the electrolyte layer 112. A negative electrode 116 disposed on the side). In the following description, the positive electrode 114 and the negative electrode 116 are collectively referred to as electrodes.

電解質層112は、略平板形状であり、リチウムイオン伝導性の固体電解質202を含んでいる。電解質層112に含まれる固体電解質202としては、例えば酸化物系固体電解質が用いられる。より具体的には、固体電解質202として、例えば以下の(1)および(2)に示す酸化物系固体電解質が用いられる。
(1)少なくともLi(リチウム)とLa(ランタン)とZr(ジルコニウム)とO(酸素)とを含有するガーネット型結晶構造またはガーネット型類似結晶構造を有する固体電解質(例えば、LiLaZr12(LLZ))
(2)LLZに対してMg(マグネシウム)とA(Aは、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)から構成される群より選択される少なくとも1つの元素)との少なくとも一方の元素置換を行った固体電解質(例えば、LLZに対してMgおよびSrの元素置換を行ったもの(以下、「LLZ―MgSr」という))
The electrolyte layer 112 has a substantially flat plate shape and includes a lithium ion conductive solid electrolyte 202. As the solid electrolyte 202 contained in the electrolyte layer 112, for example, an oxide-based solid electrolyte is used. More specifically, for example, oxide solid electrolytes shown in the following (1) and (2) are used as the solid electrolyte 202.
(1) A solid electrolyte having a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure containing at least Li (lithium), La (lanthanum), Zr (zirconium), and O (oxygen) (for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ))
(2) At least one of Mg (magnesium) and A (A is at least one element selected from the group consisting of Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium)) with respect to LLZ. Solid electrolyte with element substitution (for example, LLZ with Mg and Sr element substitution (hereinafter referred to as “LLZ-MgSr”))

正極114は、略平板形状であり、正極活物質214と、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質204とを含んでいる。正極活物質214としては、例えば、S(硫黄)、TiS、LiCoO、LiMn、LiFePO等が用いられる。また、正極114に含まれる固体電解質204としては、例えば、硫化物系固体電解質(例えば、LiS−P系、LiI−LiS−P系、LiI−LiS−B系、若しくはLiI−LiS−SiS系の固体電解質、チオリシコン、およびLi10GeP12等)が用いられる。正極114は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Ag(銀))を含んでいてもよい。 The positive electrode 114 has a substantially flat plate shape and includes a positive electrode active material 214 and a solid electrolyte 204 as a lithium ion conduction aid. As the positive electrode active material 214, for example, S (sulfur), TiS 2, LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiFePO 4 or the like is used. Examples of the solid electrolyte 204 included in the positive electrode 114 include a sulfide-based solid electrolyte (for example, Li 2 S—P 2 S 5 system, LiI—Li 2 S—P 2 S 5 system, LiI—Li 2 S). -B 2 S 3 type, or LiI-Li 2 S-SiS 2 system solid electrolyte, Chiorishikon, and Li 10 GeP 2 S 12 or the like) is used. The positive electrode 114 may further contain an electron conduction auxiliary agent (for example, conductive carbon, Ni (nickel), Pt (platinum), Ag (silver)).

負極116は、略平板形状であり、負極活物質216と、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質206とを含んでいる。負極活物質216としては、例えば、Li金属、Li−Al合金、LiTi12、カーボン、Si(ケイ素)、SiO等が用いられる。また、負極116に含まれる固体電解質206としては、例えば、硫化物系固体電解質(例えば、LiS−P系、LiI−LiS−P系、LiI−LiS−B系、若しくはLiI−LiS−SiS系の固体電解質、チオリシコン、およびLi10GeP12等)が用いられる。負極116は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni、Pt、Ag)を含んでいてもよい。 The negative electrode 116 has a substantially flat plate shape, and includes a negative electrode active material 216 and a solid electrolyte 206 as a lithium ion conduction aid. As the negative electrode active material 216, for example, Li metal, Li—Al alloy, Li 4 Ti 5 O 12 , carbon, Si (silicon), SiO, or the like is used. Examples of the solid electrolyte 206 included in the negative electrode 116 include a sulfide-based solid electrolyte (for example, Li 2 S—P 2 S 5 system, LiI—Li 2 S—P 2 S 5 system, LiI—Li 2 S). -B 2 S 3 type, or LiI-Li 2 S-SiS 2 system solid electrolyte, Chiorishikon, and Li 10 GeP 2 S 12 or the like) is used. The negative electrode 116 may further contain an electron conduction aid (for example, conductive carbon, Ni, Pt, Ag).

A−2.電解質層112の詳細構成:
図2は、本実施形態の電解質層112の断面構成を概略的に示す説明図である。図2には、図1のX1部(すなわち、負極116との境界付近)における電解質層112の断面構成が拡大して示されている。図2に示すように、電解質層112は、上述した固体電解質202の粒子を含む固体電解質基板203と、固体電解質基板203の表面に形成された炭酸リチウム層222とを備えている。炭酸リチウム層222は、固体電解質202に含まれるリチウムと大気中の二酸化炭素とが反応することによって生成される物質の層である。炭酸リチウム層222のリチウムイオン伝導性は、極端に低い(電解質層112の10万分の1以下程度である)。固体電解質基板203と炭酸リチウム層222とを備える電解質層112は、特許請求の範囲における固体電解質構造体に相当する。
A-2. Detailed configuration of the electrolyte layer 112:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the electrolyte layer 112 of the present embodiment. 2 shows an enlarged cross-sectional configuration of the electrolyte layer 112 in the X1 portion of FIG. 1 (that is, near the boundary with the negative electrode 116). As shown in FIG. 2, the electrolyte layer 112 includes a solid electrolyte substrate 203 containing the particles of the solid electrolyte 202 described above, and a lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the solid electrolyte substrate 203. The lithium carbonate layer 222 is a layer of a substance generated by a reaction between lithium contained in the solid electrolyte 202 and carbon dioxide in the atmosphere. The lithium ion conductivity of the lithium carbonate layer 222 is extremely low (about 1 / 100,000 or less of the electrolyte layer 112). The electrolyte layer 112 including the solid electrolyte substrate 203 and the lithium carbonate layer 222 corresponds to the solid electrolyte structure in the claims.

ここで、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の表面に固体電解質202の粒子が表出しており、その表出する固体電解質202の粒子のサイズPSの平均値(以下、「表出粒子平均サイズAS」という)は10μm以下と比較的小さくなっている。さらに、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の表面に形成された炭酸リチウム層222の厚さLTは、100nm以下と比較的薄くなっている。そのため、本実施形態の電解質層112を用いた全固体電池102では、以下に説明するように、電解質層112と電極114,116との間の界面抵抗を低くすることができると共に、電極114,116間の短絡の発生を抑制することができる。なお、固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の粒子のサイズPSや、固体電解質基板203の表出粒子平均サイズASの算出方法については後述する。   Here, in the electrolyte layer 112 of the present embodiment, particles of the solid electrolyte 202 are exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203, and the average size PS (hereinafter referred to as “table”) of the particles of the solid electrolyte 202 that are exposed. The average particle size AS ”) is relatively small at 10 μm or less. Furthermore, in the electrolyte layer 112 of the present embodiment, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 is relatively thin at 100 nm or less. Therefore, in the all-solid-state battery 102 using the electrolyte layer 112 of the present embodiment, the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 can be lowered and the electrodes 114, Generation | occurrence | production of the short circuit between 116 can be suppressed. A method for calculating the size PS of the solid electrolyte 202 particles exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 and the average particle size AS of the solid electrolyte substrate 203 will be described later.

図3は、第1の比較例の電解質層112aの断面構成を概略的に示す説明図であり、図4は、第2の比較例の電解質層112bの断面構成を概略的に示す説明図である。図3に示す第1の比較例の電解質層112aでは、固体電解質基板203の表面が研磨されて平坦形状となっており、固体電解質基板203の表面に固体電解質202の粒子が表出していない。なお、図3に示す第1の比較例の電解質層112aにおける炭酸リチウム層222の厚さLTは、図2に示す実施形態の電解質層112における炭酸リチウム層222の厚さLTと略同一である。   FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the electrolyte layer 112a of the first comparative example, and FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the electrolyte layer 112b of the second comparative example. is there. In the electrolyte layer 112 a of the first comparative example shown in FIG. 3, the surface of the solid electrolyte substrate 203 is polished to have a flat shape, and particles of the solid electrolyte 202 are not exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203. Note that the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 in the electrolyte layer 112a of the first comparative example shown in FIG. 3 is substantially the same as the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 in the electrolyte layer 112 of the embodiment shown in FIG. .

図4に示す第2の比較例の電解質層112bでは、表出粒子平均サイズAS(固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の各粒子のサイズPSの平均値)が、図2に示す実施形態の電解質層112における表出粒子平均サイズASより大きい。また、図4に示す第2の比較例の電解質層112bでは、炭酸リチウム層222の厚さLTが、図2に示す実施形態の電解質層112における炭酸リチウム層222の厚さLTより厚い。   In the electrolyte layer 112b of the second comparative example shown in FIG. 4, the exposed particle average size AS (average value of the size PS of each particle of the solid electrolyte 202 exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203) is shown in FIG. It is larger than the exposed particle average size AS in the electrolyte layer 112 of the embodiment shown. Further, in the electrolyte layer 112b of the second comparative example shown in FIG. 4, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is thicker than the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 in the electrolyte layer 112 of the embodiment shown in FIG.

図3に示す第1の比較例の電解質層112aでは、固体電解質基板203の表面に固体電解質202の粒子が表出していないため、固体電解質基板203の比表面積が極めて小さくなる。その結果、電解質層112aと負極116(または正極114)との接触面積が極めて小さくなり、電解質層112aと負極116(または正極114)との界面抵抗が極めて大きくなる。また、第1の比較例の電解質層112aでは、全固体電池102の充電時において、電解質層112aと負極116との少ない接触箇所に電流が集中してしまう。その結果、当該接触箇所において負極116表面にリチウムが集中的に析出し、析出したリチウムが突起状となって電解質層112aを貫通して正極114に至り、電極114,116間の短絡を引き起こすおそれがある。   In the electrolyte layer 112a of the first comparative example shown in FIG. 3, since the solid electrolyte 202 particles are not exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203, the specific surface area of the solid electrolyte substrate 203 becomes extremely small. As a result, the contact area between the electrolyte layer 112a and the negative electrode 116 (or positive electrode 114) becomes extremely small, and the interface resistance between the electrolyte layer 112a and the negative electrode 116 (or positive electrode 114) becomes extremely large. Further, in the electrolyte layer 112a of the first comparative example, when the all solid state battery 102 is charged, the current is concentrated at a small contact portion between the electrolyte layer 112a and the negative electrode 116. As a result, lithium is intensively deposited on the surface of the negative electrode 116 at the contact point, and the deposited lithium becomes a protrusion and penetrates the electrolyte layer 112a to the positive electrode 114, which may cause a short circuit between the electrodes 114 and 116. There is.

また、図4に示す第2の比較例の電解質層112bでは、表出粒子平均サイズAS(固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の各粒子のサイズPSの平均値)が比較的大きいため、固体電解質基板203の比表面積が比較的小さくなる。その結果、電解質層112bと負極116(または正極114)との接触面積が比較的小さくなり、電解質層112bと負極116(または正極114)との界面抵抗が比較的大きくなる。また、第2の比較例の電解質層112bでは、炭酸リチウム層222の厚さLTが比較的厚いため、この点からも、電解質層112bと負極116(または正極114)との界面抵抗が比較的大きくなる。また、第2の比較例の電解質層112bでは、全固体電池102の充電時において、電解質層112bと負極116との少ない接触箇所に電流が集中してしまう。その結果、当該接触箇所において負極116表面にリチウムが集中的に析出し、析出したリチウムが突起状となって電解質層112bを貫通して正極114に至り、電極114,116間の短絡を引き起こすおそれがある。   Further, in the electrolyte layer 112b of the second comparative example shown in FIG. 4, the exposed particle average size AS (the average value of the sizes PS of the particles of the solid electrolyte 202 exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203) is relatively high. Since it is large, the specific surface area of the solid electrolyte substrate 203 is relatively small. As a result, the contact area between the electrolyte layer 112b and the negative electrode 116 (or positive electrode 114) becomes relatively small, and the interface resistance between the electrolyte layer 112b and the negative electrode 116 (or positive electrode 114) becomes relatively large. In addition, in the electrolyte layer 112b of the second comparative example, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is relatively thick. From this point also, the interface resistance between the electrolyte layer 112b and the negative electrode 116 (or the positive electrode 114) is relatively high. growing. In the electrolyte layer 112b of the second comparative example, when the all-solid battery 102 is charged, the current is concentrated at a small contact portion between the electrolyte layer 112b and the negative electrode 116. As a result, lithium is intensively deposited on the surface of the negative electrode 116 at the contact location, and the deposited lithium becomes a protrusion and penetrates the electrolyte layer 112b to the positive electrode 114, which may cause a short circuit between the electrodes 114 and 116. There is.

さらに、第2の比較例の電解質層112bでは、表出粒子平均サイズASが比較的大きいため、電解質層112bと負極116(または正極114)とが対向する方向(上下方向)における炭酸リチウム層222の電極側表面から固体電解質基板203の表面からまでの距離(以下、「炭酸リチウム層222の被覆長LC」という)のばらつきが比較的大きくなる。すなわち、固体電解質202の粒子間の境界付近の位置における炭酸リチウム層222の被覆長LC2と、固体電解質202の粒子の中心付近の位置における炭酸リチウム層222の被覆長LC1との差(LC2−LC1)は、図4に示す第2の比較例の電解質層112bの方が、図2に示す実施形態の電解質層112より大きくなる。炭酸リチウム層222の被覆長LCのばらつきが比較的大きいと、全固体電池102の充電時における電流が炭酸リチウム層222の被覆長LCの短い箇所(すなわち、電気抵抗の低い箇所)に集中し、当該箇所において負極116表面にリチウムが集中的に析出し、析出したリチウムが突起状となって電解質層112bを貫通して正極114に至り、電極114,116間の短絡を引き起こすおそれがある。   Furthermore, in the electrolyte layer 112b of the second comparative example, the exposed particle average size AS is relatively large, and thus the lithium carbonate layer 222 in the direction (vertical direction) in which the electrolyte layer 112b and the negative electrode 116 (or the positive electrode 114) face each other. Variation in the distance from the electrode side surface to the surface of the solid electrolyte substrate 203 (hereinafter referred to as “the coating length LC of the lithium carbonate layer 222”) becomes relatively large. That is, the difference (LC2-LC1) between the coating length LC2 of the lithium carbonate layer 222 at a position near the boundary between the particles of the solid electrolyte 202 and the coating length LC1 of the lithium carbonate layer 222 at a position near the center of the particles of the solid electrolyte 202. 4), the electrolyte layer 112b of the second comparative example shown in FIG. 4 is larger than the electrolyte layer 112 of the embodiment shown in FIG. If the variation in the coating length LC of the lithium carbonate layer 222 is relatively large, the current during charging of the all-solid-state battery 102 is concentrated in a portion where the coating length LC of the lithium carbonate layer 222 is short (that is, a portion with low electrical resistance). There is a possibility that lithium concentrates on the surface of the negative electrode 116 at the location, and the deposited lithium becomes a protrusion and penetrates the electrolyte layer 112b to the positive electrode 114, thereby causing a short circuit between the electrodes 114 and 116.

これに対し、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の表面に固体電解質202の粒子が表出しており、表出粒子平均サイズAS(表出する固体電解質202の粒子のサイズPSの平均値)が10μm以下と比較的小さくなっている。そのため、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の比表面積が比較的大きくなり、その結果、電解質層112と電極114,116との接触面積が比較的大きくなる。よって、電解質層112と電極114,116との界面抵抗が比較的小さくすることができる。また、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の表面に形成された炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下と比較的薄くなっているため、この点からも、電解質層112と電極114,116との界面抵抗が比較的小さくなる。   On the other hand, in the electrolyte layer 112 of the present embodiment, the particles of the solid electrolyte 202 are exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203, and the exposed particle average size AS (the size PS of the particles of the solid electrolyte 202 to be exposed) The average value) is relatively small at 10 μm or less. Therefore, in the electrolyte layer 112 of this embodiment, the specific surface area of the solid electrolyte substrate 203 is relatively large, and as a result, the contact area between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 is relatively large. Therefore, the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 can be made relatively small. In addition, in the electrolyte layer 112 of the present embodiment, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 is relatively thin at 100 nm or less. The interface resistance with the electrodes 114 and 116 becomes relatively small.

また、本実施形態の電解質層112では、固体電解質基板203の比表面積が比較的大きく、電解質層112と電極114,116との接触面積が比較的大きくなり、かつ、炭酸リチウム層222の被覆長LCのばらつきが比較的小さくなるため、全固体電池102の充電時において電解質層112と電極114,116との界面の面内における電流の偏りが抑制される。その結果、負極116表面におけるリチウム析出量の偏りが抑制され、電極114,116間の短絡の発生が抑制される。   In the electrolyte layer 112 of this embodiment, the specific surface area of the solid electrolyte substrate 203 is relatively large, the contact area between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 is relatively large, and the coating length of the lithium carbonate layer 222 is also large. Since the variation in LC is relatively small, current bias in the plane of the interface between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 is suppressed when the all-solid battery 102 is charged. As a result, the uneven deposition of lithium on the surface of the negative electrode 116 is suppressed, and the occurrence of a short circuit between the electrodes 114 and 116 is suppressed.

なお、固体電解質基板203の表面に固体電解質202の粒子が表出しているとは、換言すれば、Z方向に平行な固体電解質基板203の断面において、固体電解質基板203の表面の長さが、固体電解質基板203の幅(Z方向に直交する方向の長さ)より長いことである。例えば、表出粒子平均サイズASが4.5μmの試料を用いて実測したところ、固体電解質基板203の幅が115.9μmであったのに対し、固体電解質基板203の表面の長さは124.4μmと、約1.07倍であった。なお、固体電解質基板203の表面の長さは、粒子の凹凸の曲線を短い直線で近似し、直線の長さの合計することにより計測することができる。また、表出粒子平均サイズASより深い穴や表面に付着したゴミについては、計測の対象外とする。   Note that the particles of the solid electrolyte 202 are exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203. In other words, in the cross section of the solid electrolyte substrate 203 parallel to the Z direction, the length of the surface of the solid electrolyte substrate 203 is This is longer than the width of solid electrolyte substrate 203 (the length in the direction perpendicular to the Z direction). For example, when actual measurement was performed using a sample having an average exposed particle size AS of 4.5 μm, the width of the solid electrolyte substrate 203 was 115.9 μm, whereas the length of the surface of the solid electrolyte substrate 203 was 124.m. It was 4 μm and about 1.07 times. Note that the length of the surface of the solid electrolyte substrate 203 can be measured by approximating the irregular curve of the particles with a short straight line and adding up the lengths of the straight lines. In addition, dust that adheres to holes or surfaces deeper than the average exposed particle size AS is excluded from measurement.

また、固体電解質基板203の表面に形成された炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下と比較的薄ければ、炭酸リチウム層222の存在による界面抵抗の上昇はごくわずかである。また、固体電解質基板203の表面に、ごく薄い炭酸リチウム層222が存在することにより、固体電解質基板203の表面の穴や傷が炭酸リチウム層222によって埋められ、これにより電極114,116間の短絡の発生がよりよく抑制される。この点から、炭酸リチウム層222の厚さは、例えば5nm以上であることが好ましい。   Further, if the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 is relatively thin, such as 100 nm or less, the increase in interface resistance due to the presence of the lithium carbonate layer 222 is negligible. In addition, since a very thin lithium carbonate layer 222 exists on the surface of the solid electrolyte substrate 203, holes and scratches on the surface of the solid electrolyte substrate 203 are filled with the lithium carbonate layer 222, thereby short-circuiting between the electrodes 114 and 116. Occurrence is better suppressed. In this respect, the thickness of the lithium carbonate layer 222 is preferably, for example, 5 nm or more.

また、電解質層112に含まれる固体電解質202は、少なくともLiとLaとZrとOとを含有するガーネット型結晶構造またはガーネット型類似結晶構造を有することが好ましい。このようにすれば、リチウムイオン伝導性が十分に確保できる。また、局所的なリチウムの析出による電極114,116間の短絡の発生を効果的に抑制することができると共に、電解質層112と電極114,116との間の界面抵抗を効果的に低減することができる。これに加え、電解質層112に含まれる固体電解質202は、MgとA(Aは、Ca、Sr、Baから構成される群より選択される少なくとも1つの元素)との少なくとも一方を含有することが好ましい。このようにすれば、さらに向上したリチウムイオン伝導性が確保できる。また、局所的なリチウムの析出による電極114,116間の短絡の発生をさらに効果的に抑制することができると共に、電解質層112と電極114,116との間の界面抵抗をさらに効果的に低減することができる。   The solid electrolyte 202 included in the electrolyte layer 112 preferably has a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure containing at least Li, La, Zr, and O. In this way, sufficient lithium ion conductivity can be secured. In addition, the occurrence of a short circuit between the electrodes 114 and 116 due to local lithium deposition can be effectively suppressed, and the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 can be effectively reduced. Can do. In addition to this, the solid electrolyte 202 included in the electrolyte layer 112 may contain at least one of Mg and A (A is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba). preferable. In this way, further improved lithium ion conductivity can be ensured. In addition, the occurrence of a short circuit between the electrodes 114 and 116 due to local lithium deposition can be further effectively suppressed, and the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 can be further effectively reduced. can do.

また、本実施形態の電解質層112は、正極と、負極と、を備えた全固体電池への適用に好適である。本全固体電池によれば、電解質層112と電極との界面抵抗を低くすることができ、かつ、電極間の短絡の発生を抑制することができる。   In addition, the electrolyte layer 112 of the present embodiment is suitable for application to an all solid state battery including a positive electrode and a negative electrode. According to the all solid state battery, the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrode can be lowered, and the occurrence of a short circuit between the electrodes can be suppressed.

また、本実施形態の電解質層112は、電極活物質であるLi金属とLi合金との少なくとも一方を含有する負極116を備える全固体電池102への適用に好適である。Li金属とLi合金との少なくとも一方を含有する負極116を備える全固体電池102では、局所的なリチウムの析出による電極114,116間の短絡の発生が問題となりやすいが、本実施形態の電解質層112を適用すれば、電極114,116間の短絡の発生を抑制することができる。   Moreover, the electrolyte layer 112 of this embodiment is suitable for application to the all-solid-state battery 102 provided with the negative electrode 116 containing at least one of Li metal which is an electrode active material, and Li alloy. In the all-solid-state battery 102 including the negative electrode 116 containing at least one of Li metal and Li alloy, the occurrence of a short circuit between the electrodes 114 and 116 due to local deposition of lithium tends to be a problem, but the electrolyte layer of the present embodiment. If 112 is applied, the occurrence of a short circuit between the electrodes 114 and 116 can be suppressed.

また、本実施形態の電解質層112は、正極114と負極116との少なくとも一方が硫化物系固体電解質を含有する全固体電池102への適用に好適である。このような全固体電池102への適用により、電解質層112と電極114,116との間の界面抵抗を飛躍的に低減することができる。   In addition, the electrolyte layer 112 of the present embodiment is suitable for application to the all-solid battery 102 in which at least one of the positive electrode 114 and the negative electrode 116 contains a sulfide solid electrolyte. By applying to such an all-solid battery 102, the interface resistance between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 can be drastically reduced.

A−3.全固体電池102の製造方法:
図5は、本実施形態の全固体電池102の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、電解質層112用の固体電解質202の原料粉末を粉砕混合することにより、固体電解質202の原料粒子を調製する(S110)。固体電解質202の原料粉末の配合は、作製しようとする固体電解質202の組成に応じて適宜設定される。原料粉末の配合の具体例については、後述の「A−4.性能評価」の項に記載する。
A-3. Manufacturing method of all-solid battery 102:
FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing the all solid state battery 102 of the present embodiment. First, raw material particles of the solid electrolyte 202 are prepared by pulverizing and mixing the raw material powder of the solid electrolyte 202 for the electrolyte layer 112 (S110). The composition of the raw material powder of the solid electrolyte 202 is appropriately set according to the composition of the solid electrolyte 202 to be produced. Specific examples of the blending of the raw material powder are described in the section “A-4. Performance Evaluation” described later.

次に、調製された固体電解質202の原料粒子を焼成することにより、電解質層112を作製する(S120)。すなわち、固体電解質202の原料粒子を焼成することにより、焼結体である固体電解質基板203が形成され、さらに、固体電解質基板203の表面付近の固体電解質202に含まれるリチウムと大気中の二酸化炭素とが反応することによって、固体電解質基板203の表面に炭酸リチウム層222が生成され、その結果、固体電解質基板203と炭酸リチウム層222とを備える構成の電解質層112(図2参照)が形成される。なお、このときの焼成温度および焼成時間を調整することにより、表出粒子平均サイズASを制御することができる。焼成温度および焼成時間の具体例については、後述の「A−4.性能評価」の項に記載する。   Next, the electrolyte layer 112 is produced by firing the prepared raw material particles of the solid electrolyte 202 (S120). That is, by firing the raw material particles of the solid electrolyte 202, a solid electrolyte substrate 203 which is a sintered body is formed. Further, lithium contained in the solid electrolyte 202 near the surface of the solid electrolyte substrate 203 and carbon dioxide in the atmosphere , A lithium carbonate layer 222 is generated on the surface of the solid electrolyte substrate 203, and as a result, an electrolyte layer 112 (see FIG. 2) having a structure including the solid electrolyte substrate 203 and the lithium carbonate layer 222 is formed. The The exposed particle average size AS can be controlled by adjusting the firing temperature and firing time at this time. Specific examples of the firing temperature and firing time are described in the section “A-4. Performance Evaluation” described later.

次に、電解質層112を洗浄液中に含浸することにより、電解質層112の表面を洗浄する(S130)。この洗浄工程により、電解質層112を構成する固体電解質基板203の表面に形成された炭酸リチウム層222の一部が除去され、炭酸リチウム層222の厚さLTが薄くなる。洗浄液としては、pHが1以上、14以下の液(例えば、所定の濃度の硝酸、蒸留水、電解質層112を蒸留水に含浸した後に電解質層112を取り出した後の液体(以下、「蒸留水洗浄後液」という)等)が用いられる。洗浄工程における洗浄液のpHや含浸時間を調整することにより、炭酸リチウム層222の厚さLTを制御することができる。洗浄液や含浸時間の具体例については、後述の「A−4.性能評価」の項に記載する。なお、洗浄工程によって表出粒子平均サイズASが有意に変化することはない。   Next, the surface of the electrolyte layer 112 is cleaned by impregnating the electrolyte layer 112 in a cleaning solution (S130). By this cleaning process, a part of the lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 constituting the electrolyte layer 112 is removed, and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is reduced. As the cleaning liquid, a liquid having a pH of 1 or more and 14 or less (for example, nitric acid having a predetermined concentration, distilled water, a liquid after the electrolyte layer 112 is taken out after impregnated with distilled water (hereinafter referred to as “distilled water”). Etc.))) is used. The thickness LT of the lithium carbonate layer 222 can be controlled by adjusting the pH of the cleaning liquid and the impregnation time in the cleaning process. Specific examples of the cleaning liquid and the impregnation time are described in the section “A-4. Performance Evaluation” described later. In addition, the exposed particle average size AS is not significantly changed by the washing step.

次に、洗浄後の電解質層112を乾燥させる(S140)。電解質層112の乾燥は、例えば、拭き取り、自然乾燥、大気中での乾燥、不活性ガス中での乾燥、真空乾燥により行われる。   Next, the washed electrolyte layer 112 is dried (S140). The electrolyte layer 112 is dried by, for example, wiping, natural drying, drying in the air, drying in an inert gas, or vacuum drying.

次に、乾燥後の電解質層112に、電極114,116および集電部材154,156を接合する(S150)。これらの部材の接合は、例えば、これらの部材を積層し、積層方向に所定の荷重をかけた状態で熱処理を行うことによって実現される。以上の工程により、図1に示す構成の全固体電池102が製造される。   Next, the electrodes 114 and 116 and the current collecting members 154 and 156 are joined to the dried electrolyte layer 112 (S150). The joining of these members is realized by, for example, stacking these members and performing a heat treatment in a state where a predetermined load is applied in the stacking direction. Through the above steps, the all-solid-state battery 102 having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured.

A−4.性能評価:
電解質層112の試料を複数作製し、性能評価を行った。以下、性能評価について説明する。
A-4. Performance evaluation:
A plurality of samples of the electrolyte layer 112 were prepared and performance evaluation was performed. The performance evaluation will be described below.

A−4−1.電解質層112の試料の作製:
(LLZ−MgSr焼結体の作製)
組成:Li6.95Mg0.15La2.75Sr0.25Zr2.012となるように、LiCO、MgO、La(OH)、SrCO、ZrOを秤量した。その際、焼成時のLiの揮発を考慮し、元素換算で15mol%程度過剰になるように、LiCOをさらに加えた。この原料をジルコニアボールとともにナイロンポットに投入し、有機溶剤中で15時間ボールミルで粉砕混合を行った。混合後、スラリーを乾燥させ、1100℃、10時間、MgO板上にて仮焼を行った。なお、仮焼後の粉末の組成は上記組成から多少ずれる場合がある。仮焼後の粉末にバインダーを加え、有機溶剤中で15時間ボールミルで粉砕混合を行った。混合後、スラリーを乾燥させ、LLZ−MgSr粉末を得た。得られたLLZ−MgSr粉末を、直径14mmの金型で、厚さが1.5mm程度になるようにプレス成型し、冷間静水等方圧プレス機(CIP)を用いて1.5(t/cm)の静水圧を印加して成型体を得た。得られた成型体を、不活性ガス雰囲気で所定の焼成条件(焼成温度および焼成時間)で焼成することによりLLZ−MgSr焼結体を得た。なお、このLLZ−MgSr焼結体は、固体電解質202の粒子により構成された固体電解質基板203に相当する。また、LLZ−MgSr焼結体(固体電解質基板203)の表面に、固体電解質202に含まれるリチウムと大気中の二酸化炭素とが反応することによって炭酸リチウム層222が生成される。LLZ−MgSr焼結体(固体電解質基板203)と炭酸リチウム層222とで構成される構造体は、電解質層112に相当する(図2参照)。
A-4-1. Preparation of a sample of the electrolyte layer 112:
(Preparation of LLZ-MgSr sintered body)
Composition: Li 6.95 Mg 0.15 La 2.75 Sr 0.25 Zr 2.0 O 12 Li 2 CO 3 , MgO, La (OH) 3 , SrCO 3 , ZrO 2 were weighed so as to be . At that time, considering the volatilization of Li during firing, Li 2 CO 3 was further added so as to be about 15 mol% in terms of element. This raw material was put into a nylon pot together with zirconia balls, and pulverized and mixed in an organic solvent with a ball mill for 15 hours. After mixing, the slurry was dried and calcined on an MgO plate at 1100 ° C. for 10 hours. Note that the composition of the powder after calcining may deviate somewhat from the above composition. A binder was added to the calcined powder, and the mixture was pulverized and mixed with a ball mill in an organic solvent for 15 hours. After mixing, the slurry was dried to obtain LLZ-MgSr powder. The obtained LLZ-MgSr powder was press-molded with a die having a diameter of 14 mm so as to have a thickness of about 1.5 mm, and 1.5 (t) using a cold isostatic pressing machine (CIP). / Cm 2 ) hydrostatic pressure was applied to obtain a molded body. The obtained molded body was fired under a predetermined firing condition (firing temperature and firing time) in an inert gas atmosphere to obtain a LLZ-MgSr sintered body. The LLZ-MgSr sintered body corresponds to the solid electrolyte substrate 203 constituted by the solid electrolyte 202 particles. Moreover, the lithium carbonate layer 222 is produced | generated when the lithium contained in the solid electrolyte 202 and the carbon dioxide in air | atmosphere react with the surface of a LLZ-MgSr sintered compact (solid electrolyte substrate 203). The structure constituted by the LLZ-MgSr sintered body (solid electrolyte substrate 203) and the lithium carbonate layer 222 corresponds to the electrolyte layer 112 (see FIG. 2).

なお、作製されたLLZ−MgSr焼結体を粉砕処理して主結晶相をXRDで同定したところ、LLZ−MgSr焼結体の結晶構造はイオン伝導率の高いLLZ立方晶であった。また、LLZ−MgSr焼結体の両面を研磨し、金蒸着を施すことによって測定用試料とし、得られた測定用試料を対象として交流インピーダンス法(ソーラトロン社製 1470Eおよび1255Bを用いる)によりリチウムイオン伝導率を測定したところ、1.4×10−3(S/cm)であった。 In addition, when the produced LLZ-MgSr sintered body was pulverized and the main crystal phase was identified by XRD, the crystal structure of the LLZ-MgSr sintered body was an LLZ cubic crystal having high ion conductivity. Further, both surfaces of the LLZ-MgSr sintered body are polished and subjected to gold vapor deposition to obtain a measurement sample, and lithium ions are obtained by an alternating current impedance method (using 1470E and 1255B manufactured by Solartron) for the obtained measurement sample. When the conductivity was measured, it was 1.4 × 10 −3 (S / cm).

表出粒子平均サイズAS(表面に表出する固体電解質202の粒子のサイズPSの平均値)が互いに異なる複数の試料を得るため、上記焼成条件を種々異ならせて複数のLLZ−MgSr焼結体を作製した。焼成条件と、得られた試料における表出粒子平均サイズASとの関係は、以下の通りであった。
(1)焼成条件1:1050℃、3時間 − 表出粒子平均サイズAS:約4.5μm
(2)焼成条件2:1100℃、4時間 − 表出粒子平均サイズAS:約10μm
(3)焼成条件3:1200℃、10時間 − 表出粒子平均サイズAS:約200μm
In order to obtain a plurality of samples having different average particle size AS (average size of particle size PS of solid electrolyte 202 exposed on the surface), a plurality of LLZ-MgSr sintered bodies were obtained by varying the firing conditions described above. Was made. The relationship between the firing conditions and the exposed particle average size AS in the obtained sample was as follows.
(1) Firing condition 1: 1050 ° C., 3 hours—expressed particle average size AS: about 4.5 μm
(2) Firing condition 2: 1100 ° C., 4 hours—expressed particle average size AS: about 10 μm
(3) Firing condition 3: 1200 ° C., 10 hours—expressed particle average size AS: about 200 μm

また、表面に固体電解質202の粒子が表出していない試料を得るため、上記焼成条件1により得られたLLZ−MgSr焼結体の表面を大気中で#2000番の研磨紙で研磨した試料、および、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で同様に研磨した試料を作製した。   Further, in order to obtain a sample in which the particles of the solid electrolyte 202 are not exposed on the surface, a sample obtained by polishing the surface of the LLZ-MgSr sintered body obtained by the firing condition 1 with # 2000 abrasive paper in the atmosphere, And the sample grind | polished similarly in the glove box of argon atmosphere was produced.

(LLZ−MgSr焼結体の洗浄)
作製されたLLZ−MgSr焼結体(固体電解質基板203)の表面に生成された炭酸リチウム層222の一部を除去して222の厚さLTを調整するため、各LLZ−MgSr焼結体の洗浄を行った。ここで、LLZ−MgSr焼結体の洗浄のために好適な洗浄液を調べるため、各種洗浄液の評価を行った。図6は、洗浄液の評価結果を示す説明図である。図6には、使用した洗浄液の種類と、それらのpH値と、洗浄後の洗浄液のICP元素分析結果(Li、La、Zrのそれぞれの含有量を含有量が少ない順にA〜Gのランクを付した評価結果)と、洗浄後のLLZ−MgSr焼結体の形状変化の有無と、判定結果とが示されている。
(Cleaning of LLZ-MgSr sintered body)
In order to remove part of the lithium carbonate layer 222 formed on the surface of the produced LLZ-MgSr sintered body (solid electrolyte substrate 203) and adjust the thickness LT of 222, each LLZ-MgSr sintered body Washing was performed. Here, various cleaning liquids were evaluated in order to investigate suitable cleaning liquids for cleaning the LLZ-MgSr sintered body. FIG. 6 is an explanatory view showing the evaluation result of the cleaning liquid. FIG. 6 shows the types of cleaning liquids used, their pH values, and the results of ICP elemental analysis of the cleaning liquid after cleaning (the ranks A to G in the order of decreasing contents of Li, La, and Zr). Attached evaluation results), the presence or absence of the shape change of the LLZ-MgSr sintered body after cleaning, and the determination results are shown.

図6に示すように、洗浄液としては、濃度1〜3M(モーラー:mol/L)の硝酸、濃度0.8Mの硝酸、濃度0.1Mの硝酸、蒸留水、および、LLZ−MgSr焼結体を蒸留水に含浸した後にLLZ−MgSr焼結体を取り出した後の液体(蒸留水洗浄後液)を用いた。濃度1〜3Mの硝酸および濃度0.8Mの硝酸のpHは1未満であり、0.1Mの硝酸のpHは約1であり、蒸留水のpHは約7であり、蒸留水洗浄後液のpHは約13であった。各洗浄液について、約30mlの水溶液中に約0.5gのLLZ−MgSr焼結体のペレット2枚を5分間浸漬させ、その後、液中から取り出したLLZ−MgSr焼結体の表面に蒸留水を流して表面液体を取り除き、水分を拭き取り、1時間程度真空乾燥を行った。   As shown in FIG. 6, the cleaning liquid includes nitric acid having a concentration of 1 to 3 M (molar: mol / L), nitric acid having a concentration of 0.8 M, nitric acid having a concentration of 0.1 M, distilled water, and a LLZ-MgSr sintered body. The liquid after the LLZ-MgSr sintered body was taken out after impregnated with distilled water was used. The pH of nitric acid with a concentration of 1 to 3 M and nitric acid with a concentration of 0.8 M is less than 1, the pH of 0.1 M nitric acid is about 1, the pH of distilled water is about 7, and the pH of the solution after washing with distilled water is The pH was about 13. About each cleaning liquid, about 0.5 g of LLZ-MgSr sintered pellets are immersed in about 30 ml of an aqueous solution for 5 minutes, and then distilled water is added to the surface of the LLZ-MgSr sintered body taken out of the liquid. The surface liquid was removed by pouring, the moisture was wiped off, and vacuum drying was performed for about 1 hour.

洗浄後の各LLZ−MgSr焼結体を目視により観察したところ、洗浄液として濃度1〜3Mの硝酸を用いたケースでは、LLZ−MgSr焼結体に形状変化が見られ、焼結体の多くの部分が洗浄液中に溶解したものと考えられる。そのため、濃度1〜3Mの硝酸は、不合格(×)と判定された。また、洗浄液として濃度0.8Mの硝酸を用いたケースでは、目視上はLLZ−MgSr焼結体の形状が維持されているが、洗浄後の洗浄液のICP元素分析を行ったところ、LLZ−MgSr焼結体の主成分であるLi、La、Zrが洗浄液中に多量に(2ppm以上)溶出していることが確認された。そのため、濃度0.8Mの硝酸は、やや不適切(△)と判定された。これらの結果から、洗浄液のpHは、1以上であることが好ましいと言える。   When each LLZ-MgSr sintered body after cleaning was visually observed, in a case where nitric acid having a concentration of 1 to 3 M was used as a cleaning liquid, a shape change was observed in the LLZ-MgSr sintered body, and many of the sintered bodies were observed. It is considered that the portion was dissolved in the cleaning liquid. Therefore, nitric acid having a concentration of 1 to 3 M was determined to be rejected (x). Further, in the case of using nitric acid having a concentration of 0.8M as the cleaning liquid, the shape of the LLZ-MgSr sintered body is maintained visually. However, when the ICP elemental analysis of the cleaning liquid after cleaning was performed, LLZ-MgSr was analyzed. It was confirmed that Li, La, and Zr, which are the main components of the sintered body, were eluted in a large amount (2 ppm or more) in the cleaning liquid. Therefore, nitric acid with a concentration of 0.8 M was determined to be slightly inappropriate (Δ). From these results, it can be said that the pH of the cleaning liquid is preferably 1 or more.

また、洗浄液として濃度0.1Mの硝酸を用いたケースでは、LLZ−MgSr焼結体の形状も維持され、洗浄液中へのLLZ−MgSr焼結体の主成分の溶出も比較的少なかった(Liについては1〜2ppm、Laについては0.1〜1ppm、Zrについては0.1ppm未満)。そのため、濃度0.1Mの硝酸は、合格(〇)と判定された。また、洗浄液として蒸留水(pH=7)や蒸留水洗浄後液(pH=13)を用いたケースでは、洗浄液中へのLLZ−MgSr焼結体の主成分の溶出が、より少なかった(Liについては1〜2ppm、LaおよびZrについては検出限界以下)。そのため、蒸留水や蒸留水洗浄後液は、合格(〇)と判定された。これらの結果から、洗浄液のpHは、7以上、13以下であることがより好ましいと言える。なお、洗浄液として蒸留水を用いたケースにおける洗浄後の洗浄液のICP元素分析では、ZrおよびLaは検出限界以下であり、Liの溶出のみが検出された。このことから、蒸留水洗浄後液のpHが蒸留水のpHより高くなるのは、主としてLiの溶出が要因であると考えられる。   In the case where nitric acid having a concentration of 0.1 M was used as the cleaning liquid, the shape of the LLZ-MgSr sintered body was maintained, and the elution of the main component of the LLZ-MgSr sintered body into the cleaning liquid was relatively small (Li 1 to 2 ppm for La, 0.1 to 1 ppm for La, and less than 0.1 ppm for Zr). Therefore, nitric acid with a concentration of 0.1 M was determined to be acceptable (◯). Moreover, in the case where distilled water (pH = 7) or distilled water-washed liquid (pH = 13) was used as the cleaning liquid, the elution of the main component of the LLZ-MgSr sintered body in the cleaning liquid was less (Li 1-2 ppm, and La and Zr are below the detection limit). Therefore, distilled water and a solution after washing with distilled water were determined to be acceptable (◯). From these results, it can be said that the pH of the cleaning liquid is more preferably 7 or more and 13 or less. In the ICP elemental analysis of the cleaning liquid after cleaning in the case where distilled water was used as the cleaning liquid, Zr and La were below the detection limit, and only Li elution was detected. From this, it is considered that the reason why the pH of the solution after washing with distilled water becomes higher than the pH of distilled water is mainly due to elution of Li.

(表面観察と分析)
作製した各LLZ−MgSr焼結体の試料について、表面観察および分析を行った。具体的には、(1)洗浄未実施の試料、(2)蒸留水による洗浄実施試料、(3)0.1M硝酸による洗浄実施試料、(4)大気中で表面研磨を行った試料のそれぞれについて、XRD測定により表面に存在する結晶相を同定した所、すべての試料においてLLZの立方晶のピークと炭酸リチウムのピークが観測された。
(Surface observation and analysis)
Surface observation and analysis were performed on the samples of the produced LLZ-MgSr sintered bodies. Specifically, (1) a sample that has not been cleaned, (2) a sample that has been cleaned with distilled water, (3) a sample that has been cleaned with 0.1 M nitric acid, and (4) a sample that has been surface polished in the atmosphere. When the crystal phase present on the surface was identified by XRD measurement, a LLZ cubic peak and a lithium carbonate peak were observed in all samples.

また、上述した焼成条件1による焼成により作製されたLLZ−MgSr焼結体の試料(表出粒子平均サイズASが4.5μmのもの)の内、(1)洗浄未実施の試料、(2)蒸留水による洗浄実施試料、(3)0.1M硝酸による洗浄実施試料のそれぞれについて、断面をFE−SEMにより観察した写真をそれぞれ図7から図9に示す。洗浄未実施の試料(図7)では、LLZ−MgSr焼結体(固体電解質基板203)の表面に不均質な物質(炭酸リチウム層222)が多量に存在することが観察された。炭酸リチウム層222の厚さLTを計測したところ、200nm〜500nm程度と厚さが比較的大きく、かつ、そのばらつきも比較的大きかった。1000倍視野像から炭酸リチウム層222の厚さLTの平均を求めると、約400nmであった。   Also, among the samples of the LLZ-MgSr sintered body produced by firing under the firing condition 1 described above (with the exposed particle average size AS being 4.5 μm), (1) a sample that has not been cleaned, (2) FIGS. 7 to 9 show photographs of cross-sections observed with FE-SEM for each of the cleaning sample with distilled water and (3) the cleaning sample with 0.1 M nitric acid. In the uncleaned sample (FIG. 7), it was observed that a large amount of heterogeneous material (lithium carbonate layer 222) was present on the surface of the LLZ-MgSr sintered body (solid electrolyte substrate 203). When the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 was measured, the thickness was approximately 200 nm to 500 nm, and the variation was relatively large. When the average of the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 was determined from the 1000 × field image, it was about 400 nm.

一方、蒸留水による洗浄実施試料(図8)や0.1M硝酸による洗浄実施試料(図9)では、程度は異なるものの不均質な物質(炭酸リチウム層222)が除去されていることが確認された。炭酸リチウム層222の厚さLTを計測したところ、蒸留水による洗浄実施試料では、約100nmであった。また、0.1M硝酸による洗浄実施試料では、計測不能であったが、表面を厚さ方向に30nm程度の範囲までエッチング処理を数nm間隔で繰り返し行い元素分析(XPSでの分析)を行ったところ、Li、C、Oの比率が、内部のLLZとは異なる比率で存在する範囲が約15〜20nm以下の領域で存在したため、この試料でも20nm以下の炭酸リチウム層222が存在することが確認された。   On the other hand, it was confirmed that the heterogeneous material (lithium carbonate layer 222) was removed to a different degree in the cleaning sample with distilled water (FIG. 8) and the cleaning sample with 0.1M nitric acid (FIG. 9). It was. When the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 was measured, it was about 100 nm in the sample subjected to washing with distilled water. In addition, measurement was not possible with 0.1 M nitric acid-washed sample, but the etching process was repeated at intervals of several nanometers to the range of about 30 nm in the thickness direction, and elemental analysis (XPS analysis) was performed. However, since the range in which the ratio of Li, C, and O is different from that in the internal LLZ was present in the region of about 15 to 20 nm or less, it was confirmed that the lithium carbonate layer 222 of 20 nm or less was also present in this sample. It was done.

なお、図示していないが、蒸留水洗浄後液による洗浄実施試料については、蒸留水による洗浄実施試料と同様に、炭酸リチウム層222の厚さLTは約100nmであった。また、大気中で研磨した試料については、炭酸リチウム層222の厚さLTは約200nmであり、グローブボックス中で研磨した試料については、0.1M硝酸による洗浄実施試料と同様に、炭酸リチウム層222の厚さLTは20nm以下であった。   Although not shown in the drawings, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 was about 100 nm in the sample subjected to washing with the distilled water-washed solution, like the sample washed with distilled water. For samples polished in the atmosphere, the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is about 200 nm, and for samples polished in the glove box, the lithium carbonate layer is washed in the same manner as the sample washed with 0.1 M nitric acid. The thickness LT of 222 was 20 nm or less.

A−4−2.第1の性能評価結果:
第1の性能評価として、電解質層112(上述したLLZ−MgSr焼結体と炭酸リチウム層222とで構成される構造体)と、電極114,116と、集電部材154,156とを接合して全固体電池102の第1の評価用サンプルS1を作製し、界面抵抗についての評価を行った。なお、界面抵抗の評価用であるため、電極114,116としては、硫化物系固体電解質を含むが、電極活物質を含まないものを用いた。
A-4-2. First performance evaluation result:
As the first performance evaluation, the electrolyte layer 112 (the structure formed by the above-described LLZ-MgSr sintered body and the lithium carbonate layer 222), the electrodes 114 and 116, and the current collecting members 154 and 156 are joined. A first evaluation sample S1 of the all-solid-state battery 102 was produced, and the interface resistance was evaluated. In addition, since it is for evaluation of interfacial resistance, as the electrodes 114 and 116, those containing a sulfide-based solid electrolyte but not containing an electrode active material were used.

(第1の評価用サンプルS1の作製)
すべての作業は、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で実施した。硫化物系固体電解質材料として、LiS・P(モル比80:20)ガラスを使用した。硫化物系固体電解質粉末とSUS(ステンレス)集電体粉末とを順番に金型に入れ、360MPaで加圧成形し、直径10mmで、厚さ(硫化物系固体電解質部分の厚さ)が0.3mmの略円柱状の圧粉体を2枚作製した。得られた硫化物系固体電解質圧粉体と、上述した電解質層112(LLZ−MgSr焼結体と炭酸リチウム層222とで構成される構造体)とを、SUS集電体/硫化物系固体電解質圧粉体/電解質層112/硫化物系固体電解質圧粉体/SUS集電体の順に積層した。この積層体を積層方向に約50MPaの荷重をかけて固定し、190℃〜220℃で3時間、加熱処理を行った。その後、室温まで冷却し、第1の評価用サンプルS1を得た。
(Preparation of first evaluation sample S1)
All operations were performed in an argon atmosphere glove box. Li 2 S · P 2 S 5 (molar ratio 80:20) glass was used as the sulfide-based solid electrolyte material. The sulfide-based solid electrolyte powder and the SUS (stainless steel) current collector powder are put into a mold in order, and are pressure-molded at 360 MPa. The diameter is 10 mm, and the thickness (the thickness of the sulfide-based solid electrolyte portion) is 0. Two sheets of approximately 3 mm green compacts were produced. The obtained sulfide-based solid electrolyte green compact and the above-described electrolyte layer 112 (structure composed of the LLZ-MgSr sintered body and the lithium carbonate layer 222) were combined with a SUS current collector / sulfide-based solid. The layers were laminated in the order of electrolyte green compact / electrolyte layer 112 / sulfide-based solid electrolyte green compact / SUS current collector. This laminated body was fixed by applying a load of about 50 MPa in the laminating direction, and heat-treated at 190 ° C. to 220 ° C. for 3 hours. Then, it cooled to room temperature and obtained 1st sample S1 for evaluation.

(界面抵抗についての評価)
各第1の評価用サンプルS1について、交流インピーダンス法により界面抵抗を測定した。図10は、第1の評価用サンプルS1を対象とした界面抵抗についての評価結果を示す説明図である。図10には、表出粒子平均サイズAS(ただし、研磨体については表面に粒子が表出していない)の各範囲(4.5μm以下、4.5μmより大きく10μm以下、10μmより大きく200μm以下)と、炭酸リチウム層222の厚さLTの各範囲(20nm以下、20nmより大きく100nm以下、100nmより大きく200nm以下、200nmより大きく400nm以下)との組合せにより特定される各第1の評価用サンプルS1について、界面抵抗値に基づく評価結果(界面抵抗が低い順にA〜Dのランクを付した評価結果)が記載されている。なお、研磨体の内、炭酸リチウム層222の厚さLTが「〜20nm」のものはアルゴン雰囲気のグローブボックス中で研磨したものであり、炭酸リチウム層222の厚さLTが「100〜200nm」のものは大気中で研磨したものである(図11および図12についても同様)。
(Evaluation of interface resistance)
For each first evaluation sample S1, the interface resistance was measured by the AC impedance method. FIG. 10 is an explanatory diagram showing an evaluation result of the interface resistance for the first evaluation sample S1. FIG. 10 shows each range of the exposed particle average size AS (where no particles are exposed on the surface of the polished body) (4.5 μm or less, 4.5 μm to 10 μm or less, 10 μm to 200 μm or less). And each range of thickness LT of lithium carbonate layer 222 (20 nm or less, greater than 20 nm and less than or equal to 100 nm, greater than 100 nm and less than or equal to 200 nm, greater than 200 nm and less than or equal to 400 nm). The evaluation results based on the interfacial resistance values (evaluation results with ranks A to D in ascending order of interfacial resistance) are described. Of the polished bodies, the lithium carbonate layer 222 having a thickness LT of “˜20 nm” was polished in a glove box in an argon atmosphere, and the lithium carbonate layer 222 had a thickness LT of “100 to 200 nm”. Is polished in the air (the same applies to FIGS. 11 and 12).

図10に示すように、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが約100nm以下のサンプルS1では、界面抵抗が比較的低い結果となり(100Ω/cm以下)、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下のサンプルS1では、界面抵抗が特に低い結果となった(50Ω/cm以下)。このことから、LLZ−MgSr焼結体により構成された電解質層112と、硫化物系固体電解質を含む電極114,116との界面抵抗は、粒子が表出しており、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下であると低くなり、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下であるとさらに低くなると言える。 As shown in FIG. 10, in the sample S1 in which the average exposed particle size AS is 10 μm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is about 100 nm or less, the interface resistance is relatively low (100Ω / cm 2 or less), Sample S1 having an average exposed particle size AS of 4.5 μm or less resulted in particularly low interface resistance (50 Ω / cm 2 or less). From this, the interface resistance between the electrolyte layer 112 formed of the LLZ-MgSr sintered body and the electrodes 114 and 116 including the sulfide-based solid electrolyte is expressed by particles, and the exposed particle average size AS is It can be said that when the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 10 nm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 100 nm or less, the average particle size AS is 4.5 μm or less.

A−4−3.第2の性能評価結果:
第2の性能評価として、電解質層112(上述したLLZ−MgSr焼結体と炭酸リチウム層222とで構成される構造体)と、電極114,116と、集電部材154,156とを接合して全固体電池102の第2の評価用サンプルS2を作製し、界面抵抗および短絡特性についての評価を行った。第2の評価用サンプルS2では、電極114,116として、Li金属箔を用いた。
A-4-3. Second performance evaluation result:
As the second performance evaluation, the electrolyte layer 112 (the structure formed by the above-described LLZ-MgSr sintered body and the lithium carbonate layer 222), the electrodes 114 and 116, and the current collecting members 154 and 156 are joined. Then, a second evaluation sample S2 of the all-solid battery 102 was produced, and the interface resistance and the short-circuit characteristics were evaluated. In the second evaluation sample S2, Li metal foil was used as the electrodes 114 and 116.

(第2の評価用サンプルS2の作製)
すべての作業は、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で実施した。電極材料として、Li金属箔(厚さ0.1mm、本城金属製)を使用した。Li金属箔をポンチで打ち抜き、直径10mmで厚さが0.1mmのLi金属箔を2枚作製した。得られたLi金属箔と、上述した電解質層112(LLZ−MgSr焼結体と炭酸リチウム層222とで構成される構造体)とを、SUS集電体/Li金属箔/電解質層112/Li金属箔/SUS集電体の順に積層した。この積層体を積層方向に約1MPaの荷重をかけて固定し、170℃で2時間、加熱処理を行った。その後、室温まで冷却し、第2の評価用サンプルS2を得た。
(Production of second evaluation sample S2)
All operations were performed in an argon atmosphere glove box. As the electrode material, Li metal foil (thickness 0.1 mm, manufactured by Honjo Metal) was used. Li metal foil was punched with a punch, and two Li metal foils having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.1 mm were produced. The obtained Li metal foil and the above-described electrolyte layer 112 (structure composed of the LLZ-MgSr sintered body and the lithium carbonate layer 222) were combined with the SUS current collector / Li metal foil / electrolyte layer 112 / Li. The metal foil / SUS current collector was laminated in this order. This laminate was fixed by applying a load of about 1 MPa in the laminating direction, and heat-treated at 170 ° C. for 2 hours. Then, it cooled to room temperature and obtained 2nd sample S2 for evaluation.

(界面抵抗についての評価)
各第2の評価用サンプルS2について、交流インピーダンス法により界面抵抗を測定した。図11は、第2の評価用サンプルS2を対象とした界面抵抗についての評価結果を示す説明図である。図11には、表出粒子平均サイズAS(ただし、研磨体については表面に粒子が表出していない)の各範囲(4.5μm以下、4.5μmより大きく10μm以下、10μmより大きく200μm以下)と、炭酸リチウム層222の厚さLTの各範囲(20nm以下、20nmより大きく100nm以下、100nmより大きく200nm以下、200nmより大きく400nm以下)との組合せにより特定される各第2の評価用サンプルS2について、界面抵抗値に基づく評価結果(界面抵抗が低い順にA〜Dのランクを付した評価結果)が記載されている。
(Evaluation of interface resistance)
About each 2nd sample S2 for evaluation, interface resistance was measured by the alternating current impedance method. FIG. 11 is an explanatory diagram showing an evaluation result of the interface resistance for the second evaluation sample S2. In FIG. 11, each range of the exposed particle average size AS (where no particles are exposed on the surface of the abrasive body) (4.5 μm or less, 4.5 μm to 10 μm or less, 10 μm to 200 μm or less) And each range of thickness LT of lithium carbonate layer 222 (20 nm or less, greater than 20 nm and less than or equal to 100 nm, greater than 100 nm and less than or equal to 200 nm, greater than 200 nm and less than or equal to 400 nm). The evaluation results based on the interfacial resistance values (evaluation results with ranks A to D in ascending order of interfacial resistance) are described.

図11に示すように、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下のサンプルS2では、界面抵抗が比較的低い結果となり(25Ω/cm以下)、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下のサンプルS2では、界面抵抗が特に低い結果となった(10Ω/cm以下)。このことから、LLZ−MgSr焼結体により構成された電解質層112と、Li金属箔により構成された電極114,116との界面抵抗は、粒子が表出しており、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下であると低くなり、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下であるとさらに低くなると言える。 As shown in FIG. 11, in the sample S2 in which the average particle size AS is 10 μm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 100 nm or less, the interface resistance is relatively low (25Ω / cm 2). The following results were obtained: Sample S2 having an average exposed particle size AS of 4.5 μm or less had a particularly low interface resistance (10 Ω / cm 2 or less). From this, as for the interface resistance of the electrolyte layer 112 comprised by the LLZ-MgSr sintered compact, and the electrodes 114 and 116 comprised by Li metal foil, particle | grains have exposed, and exposed particle | grain average size AS is It can be said that when the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 10 nm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 100 nm or less, the average particle size AS is 4.5 μm or less.

(短絡特性についての評価)
各第2の評価用サンプルS2について、直流電圧を500秒間印加し続け、電極間の短絡の有無を調べる直流印加試験を実施した。このとき、25℃の条件で電解質層112と電極114,116との接合界面の面積に対する電流密度を徐々に上げ(0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、・・・、2mA/cmまで適宜選択)、評価を実施した。図12は、第2の評価用サンプルS2を対象とした短絡特性についての評価結果を示す説明図である。図12には、図11と同様の各第2の評価用サンプルS2について、各電流密度における短絡の有無に基づく評価結果(短絡が起こりにくい順にA〜Dのランクを付した評価結果)が記載されている。
(Evaluation of short circuit characteristics)
With respect to each second evaluation sample S2, a DC voltage application test was carried out to check whether or not there was a short circuit between the electrodes by continuously applying a DC voltage for 500 seconds. At this time, the current density with respect to the area of the junction interface between the electrolyte layer 112 and the electrodes 114 and 116 is gradually increased under the condition of 25 ° C. (0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1,..., 2 mA / cm 2 was selected as appropriate) and the evaluation was performed. FIG. 12 is an explanatory diagram showing an evaluation result of the short-circuit characteristic for the second evaluation sample S2. FIG. 12 shows the evaluation results based on the presence / absence of a short circuit at each current density (evaluation results with ranks A to D in the order in which short circuits hardly occur) for each second evaluation sample S2 similar to FIG. Has been.

図12に示すように、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下のサンプルS2では、比較的高い電流密度でも短絡が発生しない結果となり(0.5A/cm以上、1mA/cm未満まで短絡無し)、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下のサンプルS2では、さらに高い電流密度でも短絡が発生しない結果となった(1mA/cm以上、1.5mA/cmまで短絡無し)。このことから、LLZ−MgSr焼結体により構成された電解質層112と、Li金属箔により構成された電極114,116とを備える全固体電池102の短絡発生の可能性は、粒子が表出しており、表出粒子平均サイズASが10μm以下であり、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nm以下であると低くなり、表出粒子平均サイズASが4.5μm以下であるとさらに低くなると言える。 As shown in FIG. 12, the sample S2 in which the average particle size AS is 10 μm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 100 nm or less results in no short circuit even at a relatively high current density ( In the sample S2 in which the average particle size AS is 4.5 μm or less, no short-circuit occurs even at a higher current density (1 mA / cm 2 , 0.5 A / cm 2 or more and no short circuit to 1 mA / cm 2 or less). cm 2 or more, no short circuit up to 1.5 mA / cm 2 ). From this, the possibility of the occurrence of a short circuit in the all-solid-state battery 102 including the electrolyte layer 112 formed of the LLZ-MgSr sintered body and the electrodes 114 and 116 formed of Li metal foil is expressed by particles. When the average particle size AS is 10 μm or less and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 100 nm or less, the average particle size AS is low, and when the average particle size AS is 4.5 μm or less, the average particle size AS is further decreased. I can say that.

A−4−4.第3の性能評価結果:
第3の性能評価として、電解質層112(上述したLLZ−MgSr焼結体と炭酸リチウム層222とで構成される構造体)と、電極114,116と、集電部材154,156とを接合して全固体電池102の第3の評価用サンプルS3(S3a〜S3f)を作製し、界面抵抗についての評価を行った。図13は、第3の性能評価の概要と評価結果を示す説明図である。
A-4-4. Third performance evaluation result:
As the third performance evaluation, the electrolyte layer 112 (the structure formed by the above-described LLZ-MgSr sintered body and the lithium carbonate layer 222), the electrodes 114 and 116, and the current collecting members 154 and 156 are joined. Then, a third evaluation sample S3 (S3a to S3f) of the all-solid-state battery 102 was produced, and the interface resistance was evaluated. FIG. 13 is an explanatory diagram showing an outline of the third performance evaluation and an evaluation result.

(第3の評価用サンプルS3の作製)
・第3の評価用サンプルS3a
すべての作業は、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で実施した。正極活物質214としてのLiTi12と、硫化物系固体電解質であるLiS・Pガラス(モル比80:20)と、電子伝導助剤としてのケッチェンブラックとを、3:7:1の重量比で混合し、圧粉体とすることで、正極114を形成するための正極合材を得た。また、負極活物質216としてのLiAl合金(モル比1:1)と、硫化物系固体電解質であるLiS・Pガラス(モル比80:20)とを、1:1の重量比で複合し、圧粉体とすることで、負極116を形成するための負極合材を得た。得られた正極合材および負極合材と、上述した電解質層112(ただし、表出粒子平均サイズASが4.5μmであり、炭酸リチウム層222の厚さLTが20nm以下のもの)とを、SUS集電体/正極合材/電解質層112/負極合材/SUS集電体の順番に積層した。この積層体を積層方向に約50MPaの荷重をかけて固定し、190℃〜220℃で3時間、加熱処理を行った。その後、室温まで冷却し、第3の評価用サンプルS3aを得た。
(Preparation of third evaluation sample S3)
Third sample for evaluation S3a
All operations were performed in an argon atmosphere glove box. Li 4 Ti 5 O 12 as a positive electrode active material 214, Li 2 S · P 2 S 5 glass (molar ratio 80:20) as a sulfide-based solid electrolyte, and Ketjen black as an electron conduction aid A positive electrode mixture for forming the positive electrode 114 was obtained by mixing at a weight ratio of 3: 7: 1 to obtain a green compact. Further, a LiAl alloy (molar ratio 1: 1) as the negative electrode active material 216 and a Li 2 S · P 2 S 5 glass (molar ratio 80:20) which is a sulfide-based solid electrolyte have a weight of 1: 1. The negative electrode mixture for forming the negative electrode 116 was obtained by combining in a ratio to obtain a green compact. The obtained positive electrode mixture and negative electrode mixture, and the electrolyte layer 112 described above (however, the exposed particle average size AS is 4.5 μm and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 is 20 nm or less), The layers were laminated in the order of SUS current collector / positive electrode mixture / electrolyte layer 112 / negative electrode mixture / SUS current collector. This laminated body was fixed by applying a load of about 50 MPa in the laminating direction, and heat-treated at 190 ° C. to 220 ° C. for 3 hours. Then, it cooled to room temperature and obtained 3rd sample S3a for evaluation.

・第3の評価用サンプルS3b
上述した第3の評価用サンプルS3aの作製方法において、電解質層112として用いる焼結体を、大気中研磨したLLZ−MgSr焼結体(すなわち、表面に202の粒子が表出していないもの)に置き換えた方法により、第3の評価用サンプルS3bを作製した。
Third evaluation sample S3b
In the above-described method for producing the third sample for evaluation S3a, the sintered body used as the electrolyte layer 112 is changed to an LLZ-MgSr sintered body polished in the air (that is, the surface of which 202 particles are not exposed). A third evaluation sample S3b was produced by the replaced method.

・第3の評価用サンプルS3c
上述した第3の評価用サンプルS3aの作製方法において、正極114を形成するための正極合材を、正極活物質214としてのLiTi12と電子伝導助剤としてのケッチェンブラックとを7:1の重量比で混合して圧粉体としたものに置き換え、負極116を形成するための負極合材を、負極活物質216としてのLiAl合金(モル比1:1)の圧粉体に置き換えた方法により、第3の評価用サンプルS3cを作製した。すなわち、第3の評価用サンプルS3cは、電極114,116に硫化物系固体電解質が含まれないものである。
Third evaluation sample S3c
In the above-described method for producing the third evaluation sample S3a, the positive electrode mixture for forming the positive electrode 114 is composed of Li 4 Ti 5 O 12 as the positive electrode active material 214 and ketjen black as the electron conduction aid. The negative electrode mixture for forming the negative electrode 116 was replaced with a green compact mixed at a weight ratio of 7: 1, and a compact of LiAl alloy (molar ratio 1: 1) as the negative electrode active material 216 was used. A third evaluation sample S3c was produced by the method replaced with. That is, in the third evaluation sample S3c, the electrodes 114 and 116 do not contain a sulfide-based solid electrolyte.

・第3の評価用サンプルS3d
上述した第3の評価用サンプルS3cの作製方法において、電解質層112として用いる焼結体を、大気中研磨したLLZ−MgSr焼結体(すなわち、表面に202の粒子が表出していないもの)に置き換えた方法により、第3の評価用サンプルS3dを作製した。
Third sample for evaluation S3d
In the above-described method for producing the third sample for evaluation S3c, the sintered body used as the electrolyte layer 112 is converted into an LLZ-MgSr sintered body polished in the air (that is, the surface of which 202 particles are not exposed). A third evaluation sample S3d was produced by the replaced method.

・第3の評価用サンプルS3e
上述した第3の評価用サンプルS3aの作製方法において、電解質層112として用いる焼結体を、LLZ−MgSr焼結体からLLZ焼結体に置き換えた方法により、第3の評価用サンプルS3eを作製した。第3の評価用サンプルS3eに用いられるLLZ焼結体の作製方法は、以下の通りである。
Third sample for evaluation S3e
In the above-described method for producing the third evaluation sample S3a, the third evaluation sample S3e was produced by replacing the sintered body used as the electrolyte layer 112 with an LLZ sintered body from the LLZ-MgSr sintered body. did. The method for producing the LLZ sintered body used for the third evaluation sample S3e is as follows.

原料粉末である、LiCO、La(OH)、ZrOを、Li、La、及びZrの各成分の比率が、Li:La:Zr=7:3:2(モル比)になるように秤量し、さらにLiは焼成中に揮発し易いので、秤量したLiCOに対して、リチウム揮発分を考慮して10質量%多く添加した。この原料粉末をジルコニアボールとともにアルミナポットに投入し、エタノール中で15時間にわたってボールミルで粉砕混合し、さらに乾燥して配合材料を得た。得られた配合材料を、アルミナ坩堝中で、1100℃で10時間にわたって仮焼成を行い、仮焼成材料を得た。この仮焼成材料にバインダーを加えて、有機溶媒中で15時間にわたってボールミルで粉砕混合して、さらに乾燥して未焼成材料を得た。この未焼成材料を直径10mmの金型に投入し、プレス成形した後に、冷間静水等方圧プレス機(CIP)を用いて1.5t/cmの静水圧を印加し、成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、大気雰囲気において1200℃で4時間焼成することで、直径10mm、厚さ1mmのリチウムイオン伝導性のLLZ焼結体を得た。このLLZ焼結体の表面に表出する粒子の平均サイズ(表出粒子平均サイズAS)は約10μmであった。なお、このLLZ焼結体は、固体電解質202の粒子により構成された固体電解質基板203に相当する。また、LLZ焼結体(固体電解質基板203)の表面に、固体電解質202に含まれるリチウムと大気中の二酸化炭素とが反応することによって炭酸リチウム層222が生成される。LLZ焼結体(固体電解質基板203)と炭酸リチウム層222とで構成される構造体は、電解質層112に相当する(図2参照)。また、このLLZ焼結体を粉砕して得られた粉末をX線回折装置(XRD)で分析することによりX線回折パターンを得、得られたX線回折パターンとICDDカードとを対比した結果、このLLZ焼結体はLLZ立方晶のICDDカードとほぼ一致することが確認された。したがって、このLLZ焼結体は、ガーネット型結晶構造又はガーネット型類似の結晶構造を有すると判断できる。 The ratio of each component of Li, La, and Zr is Li: La: Zr = 7: 3: 2 (molar ratio) in the raw material powder, Li 2 CO 3 , La (OH) 3 , ZrO 2 In addition, since Li easily volatilizes during firing, 10% by mass of Li 2 CO 3 was added to the weighed Li 2 CO 3 in consideration of the volatile content of lithium. This raw material powder was put together with zirconia balls into an alumina pot, ground and mixed in a ball mill for 15 hours in ethanol, and further dried to obtain a blended material. The obtained blended material was calcined at 1100 ° C. for 10 hours in an alumina crucible to obtain a calcined material. A binder was added to the temporarily fired material, and the mixture was pulverized and mixed with a ball mill in an organic solvent for 15 hours and further dried to obtain an unfired material. The green material is put into a mold having a diameter of 10 mm, press-molded, and then a hydrostatic pressure of 1.5 t / cm 2 is applied using a cold isostatic press (CIP) to obtain a molded body. It was. The compact was covered with a calcined powder having the same composition as the compact and fired at 1200 ° C. for 4 hours in an air atmosphere to obtain a lithium ion conductive LLZ sintered body having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm. The average size (expressed particle average size AS) of the particles exposed on the surface of the LLZ sintered body was about 10 μm. This LLZ sintered body corresponds to the solid electrolyte substrate 203 constituted by the solid electrolyte 202 particles. Further, the lithium carbonate layer 222 is generated by reacting lithium contained in the solid electrolyte 202 with carbon dioxide in the atmosphere on the surface of the LLZ sintered body (solid electrolyte substrate 203). A structure constituted by the LLZ sintered body (solid electrolyte substrate 203) and the lithium carbonate layer 222 corresponds to the electrolyte layer 112 (see FIG. 2). Further, an X-ray diffraction pattern was obtained by analyzing the powder obtained by pulverizing the LLZ sintered body with an X-ray diffractometer (XRD), and the obtained X-ray diffraction pattern was compared with an ICDD card. It was confirmed that this LLZ sintered body almost coincided with the LLZ cubic ICDD card. Therefore, it can be judged that this LLZ sintered body has a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure.

LLZ焼結体の作製の後、濃度0.1Mの硝酸による洗浄を実施した。洗浄後のLLZ焼結体を電解質層112として用いて、第3の評価用サンプルS3eを作製した。   After the production of the LLZ sintered body, cleaning with nitric acid having a concentration of 0.1 M was performed. A third evaluation sample S3e was produced using the washed LLZ sintered body as the electrolyte layer 112.

・第3の評価用サンプルS3f
上述した第3の評価用サンプルS3eの作製方法において、電解質層112として用いる焼結体を、大気中研磨したLLZ焼結体(すなわち、表面に202の粒子が表出していないもの)に置き換えた方法により、第3の評価用サンプルS3fを作製した。
Third evaluation sample S3f
In the above-described method for producing the third sample for evaluation S3e, the sintered body used as the electrolyte layer 112 was replaced with an LLZ sintered body polished in the air (that is, a surface on which 202 particles were not exposed). A third evaluation sample S3f was produced by the method.

(評価結果)
各第3の評価用サンプルS3について、交流インピーダンス法により界面抵抗を測定した。図13に示すように、サンプルS3aとサンプルS3bとを比較すると、大気中で研磨したLLZ−MgSr焼結体、すなわち、焼結体の表面に固体電解質202の粒子が表出しておらず、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが約100nmを超える焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3bでは、界面抵抗が1162Ω/cmであったのに対し、表出粒子平均サイズASが4.5μmと小さく、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが20nm以下と薄いLLZ−MgSr焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3aでは、界面抵抗が22Ω/cmと非常に低い値となった。同様に、サンプルS3eとサンプルS3fとを比較すると、LLZ−MgSr焼結体ではなくLLZ焼結体を用いた場合であっても、大気中で研磨したLLZ焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3fでは、界面抵抗が1402Ω/cmであったのに対し、表出粒子平均サイズASが4.5μmと小さく、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが20nm以下と薄いLLZ焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3eでは、界面抵抗が52Ω/cmと非常に低い値となった。なお、サンプルS3a,3bとサンプルS3e,3fとを比較すると、LLZに対してMgおよびSrの元素置換を行うと、界面抵抗がより低くなるため好ましいと言える。
(Evaluation results)
For each third evaluation sample S3, the interface resistance was measured by the AC impedance method. As shown in FIG. 13, when comparing the sample S3a and the sample S3b, the particles of the solid electrolyte 202 are not exposed on the surface of the LLZ-MgSr sintered body polished in the atmosphere, that is, the sintered body, and In the sample S3b using the electrolyte layer 112 composed of a sintered body in which the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 exceeds about 100 nm, the interface resistance was 1162 Ω / cm 2 whereas the average particle size of the exposed particles In the sample S3a using the electrolyte layer 112 composed of a LLZ-MgSr sintered body having a small AS of 4.5 μm and a thin lithium carbonate layer 222 having a thickness LT of 20 nm or less, the interface resistance is 22 Ω / cm 2. And very low value. Similarly, when comparing the sample S3e and the sample S3f, even when the LLZ sintered body is used instead of the LLZ-MgSr sintered body, the electrolyte layer 112 constituted by the LLZ sintered body polished in the air. In the sample S3f using the material, the interface resistance was 1402 Ω / cm 2 , whereas the exposed particle average size AS was as small as 4.5 μm, and the thickness LT of the lithium carbonate layer 222 was as thin as 20 nm or less. In the sample S3e using the electrolyte layer 112 composed of the sintered body, the interface resistance was a very low value of 52Ω / cm 2 . In addition, when comparing the samples S3a and 3b with the samples S3e and 3f, it can be said that it is preferable to perform element substitution of Mg and Sr on LLZ because the interface resistance becomes lower.

また、サンプルS3cとサンプルS3dとを比較すると、大気中で研磨したLLZ−MgSr焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3dでは、界面抵抗が100万Ω/cm以上であったのに対し、表出粒子平均サイズASが4.5μmと小さく、かつ、炭酸リチウム層222の厚さLTが20nm以下と薄いLLZ−MgSr焼結体により構成される電解質層112を用いたサンプルS3cでは、界面抵抗が約25万Ω/cmとなり、サンプルS3dよりは低い値となった。ただし、電極114,116に硫化物系電解質が含まれるサンプルS3a,S3eと比較すると、サンプルS3cでは依然として界面抵抗が高い。このことから、本実施形態の電解質層112は、硫化物系電解質が含まれる電極114,116と接合されて使用されると、より大きな界面抵抗低減効果を発揮すると言える。 Further, when comparing the sample S3c and the sample S3d, in the sample S3d using the electrolyte layer 112 composed of the LLZ-MgSr sintered body polished in the air, the interface resistance was 1 million Ω / cm 2 or more. On the other hand, the sample S3c using the electrolyte layer 112 composed of the LLZ-MgSr sintered body having a small exposed particle average size AS of 4.5 μm and a thin lithium carbonate layer 222 having a thickness LT of 20 nm or less. Then, the interface resistance was about 250,000 Ω / cm 2 , which was lower than that of the sample S3d. However, compared with the samples S3a and S3e in which the electrodes 114 and 116 include a sulfide-based electrolyte, the interface resistance is still high in the sample S3c. From this, it can be said that the electrolyte layer 112 of the present embodiment exhibits a greater effect of reducing the interface resistance when used by being joined to the electrodes 114 and 116 including the sulfide-based electrolyte.

これらの結果から、焼結体の組成や、電極に含まれる物質により、界面抵抗は左右されるものの、依然として、電解質層112の表面に粒子が表出しており、表出粒子平均サイズASが10μm以下と小さく、炭酸リチウム層222の厚さLTが100nmと薄く形成された固体電解質構造体を用いたサンプルは界面抵抗を低減できることがわかる。   From these results, although the interfacial resistance is affected by the composition of the sintered body and the substance contained in the electrode, the particles are still exposed on the surface of the electrolyte layer 112, and the average particle size AS is 10 μm. It can be seen that a sample using a solid electrolyte structure in which the lithium carbonate layer 222 has a thickness LT as thin as 100 nm can reduce the interface resistance.

A−5.表出粒子平均サイズASの算出方法:
図14は、固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の粒子のサイズPSの平均値(表出粒子平均サイズAS)の算出方法を示す説明図である。図14には、固体電解質基板203の表面付近の断面のSEM像が模式的に示されている。図14に示すように、固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の各粒子のサイズPSは、該粒子の一方側に隣接する他の粒子との境界点(ネック点)NPと、該粒子の他方側に隣接する他の粒子との境界点NPとの間の直線距離である。
A-5. Calculation method of average particle size AS:
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a method for calculating the average value PS of the solid electrolyte 202 particles exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 (the average particle size AS expressed). FIG. 14 schematically shows a cross-sectional SEM image near the surface of the solid electrolyte substrate 203. As shown in FIG. 14, the size PS of each particle of the solid electrolyte 202 exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 is a boundary point (neck point) NP with other particles adjacent to one side of the particle, It is a linear distance between the boundary point NP and another particle adjacent to the other side of the particle.

また、表出粒子平均サイズASを算出する際には、試料を破断し、イオンビームで断面出しをした断面のFE−SEM観察により評価する。具体的には、無作為に固体電解質基板203の断面SEM像を取得し、固体電解質基板203の表面に表出する固体電解質202の各粒子のサイズPSを計測し、30個以上の粒子についてのサイズPSの計測値の平均値を、表出粒子平均サイズASとして算出する。例えば、上述した表出粒子平均サイズASが4.5μmと算出された試料では、倍率1000倍の視野で約20個の粒子のサイズPSが計測できたため、取得位置の互いに異なる2枚の倍率1000倍視野の写真を取得し、2枚の写真上で計測した各粒子のサイズPSの平均値を、表出粒子平均サイズASとして算出した。   Further, when calculating the average particle size AS, the sample is broken and evaluated by FE-SEM observation of a cross section obtained by ion beam cross-section. Specifically, a cross-sectional SEM image of the solid electrolyte substrate 203 is randomly acquired, the size PS of each particle of the solid electrolyte 202 exposed on the surface of the solid electrolyte substrate 203 is measured, and about 30 or more particles are measured. The average value of the measured values of the size PS is calculated as the expressed particle average size AS. For example, in the sample in which the above-described average particle size AS is calculated to be 4.5 μm, the size PS of about 20 particles can be measured in a field of view of 1000 times magnification. A double field of view photograph was obtained, and the average value of the size PS of each particle measured on the two photographs was calculated as the exposed particle average size AS.

また、固体電解質基板203(電解質層112)の表面のSEM画像が取得できる場合には、この表面の画像を用いて表出粒子平均サイズASを算出してもよい。具体的には、得られた表面のSEM画像(例えば倍率1000倍)上に等間隔で3本の直線を引き、各直線上の各粒子の長さを粒子のサイズPSとして計測し、計測した粒子のサイズPSの合計値を計測対象の粒子の個数で除した値を、表出粒子平均サイズASとすることができる。   Moreover, when the SEM image of the surface of the solid electrolyte substrate 203 (electrolyte layer 112) can be acquired, the exposed particle average size AS may be calculated using the image of the surface. Specifically, three straight lines were drawn at equal intervals on the obtained SEM image of the surface (for example, 1000 times magnification), and the length of each particle on each straight line was measured as the particle size PS. A value obtained by dividing the total value of the particle sizes PS by the number of particles to be measured can be used as the exposed particle average size AS.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態における全固体電池102の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、上記実施形態の全固体電池102において、電解質層112と正極114との間と、電解質層112と負極116との間との少なくとも一方に、電極114,116内の電極活物質と電解質層112中の固体電解質202とが直接接触することを抑制するための保護層が設けられるとしてもよい。   The configuration of the all solid state battery 102 in the above embodiment is merely an example, and various changes can be made. For example, in the all-solid-state battery 102 of the above-described embodiment, the electrode active material and the electrolyte layer in the electrodes 114 and 116 are disposed between at least one of the electrolyte layer 112 and the positive electrode 114 and between the electrolyte layer 112 and the negative electrode 116. A protective layer for suppressing direct contact with the solid electrolyte 202 in 112 may be provided.

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、電解質層112に含まれる固体電解質202として、酸化物系固体電解質であるLLZやLLZ−MgSrが用いられるとしているが、LLZに対して、置換可能な元素(例えば、Sn(スズ)、Y(イットリウム)、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、Ta(タンタル)、Nb(ニオブ)、Ir(イリジウム)、Bi(ビスマス)等の元素)で元素置換を行ったものでもよい。また、固体電解質202として他の酸化物系固体電解質(例えば、LAGPやLZP)や、酸化物系固体電解質以外の電解質が用いられるとしてもよい。   Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material. For example, in the above embodiment, LLZ or LLZ-MgSr, which is an oxide-based solid electrolyte, is used as the solid electrolyte 202 included in the electrolyte layer 112, but an element that can be substituted for LLZ (for example, Sn) (Elements such as (tin), Y (yttrium), Ga (gallium), Al (aluminum), Ta (tantalum), Nb (niobium), Ir (iridium), Bi (bismuth)). Good. Further, as the solid electrolyte 202, another oxide solid electrolyte (for example, LAGP or LZP) or an electrolyte other than the oxide solid electrolyte may be used.

また、上記実施形態では、固体電解質202の粒子を焼成することで得られた焼結体を電解質層112としたが、これに限られるものではない。例えば、固体電解質202の粉末を高圧力で押し固めた圧粉体を電解質層112としたり、固体電解質202の粒子を電子絶縁性の接着剤(例えば、樹脂接着剤)を用いて固定した電解質層112としたりしてもよい。また、予め作製された板状の固体電解質を入手し、該板状の固体電解質に洗浄工程を施すことにより電解質層112(固体電解質構造体)を製造するとしてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the sintered compact obtained by baking the particle | grains of the solid electrolyte 202 was used as the electrolyte layer 112, it is not restricted to this. For example, a green compact obtained by pressing and solidifying powder of the solid electrolyte 202 at a high pressure is used as the electrolyte layer 112, or an electrolyte layer in which particles of the solid electrolyte 202 are fixed using an electronic insulating adhesive (for example, a resin adhesive). 112 may be used. Alternatively, a plate-shaped solid electrolyte prepared in advance may be obtained, and the electrolyte layer 112 (solid electrolyte structure) may be manufactured by subjecting the plate-shaped solid electrolyte to a cleaning process.

また、上記実施形態では、本願発明の固体電解質基板と炭酸リチウム層とを備える固体電解質構造体を、全固体電池102の電解質層112として使用した形態を説明したが、本願発明の固体電解質構造体は、他の用途にも適用可能である。例えば、本願発明の固体電解質構造体は、全固体リチウムイオン二次電池の保護層にも適用可能である。また、本願発明の固体電解質構造体は、固体の電解質を用いる他の一次または二次電池(例えば、リチウム空気電池やリチウムフロー電池等)にも適用可能である。  In the above embodiment, the solid electrolyte structure including the solid electrolyte substrate and the lithium carbonate layer of the present invention is used as the electrolyte layer 112 of the all-solid battery 102. However, the solid electrolyte structure of the present invention is described above. Is applicable to other uses. For example, the solid electrolyte structure of the present invention can be applied to a protective layer of an all-solid lithium ion secondary battery. The solid electrolyte structure of the present invention can also be applied to other primary or secondary batteries (for example, a lithium air battery or a lithium flow battery) using a solid electrolyte.

102:全固体リチウムイオン二次電池 110:電池本体 112:電解質層 114:正極 116:負極 154:集電部材 156:集電部材 202:固体電解質 203:固体電解質基板 204:固体電解質 206:固体電解質 214:正極活物質 216:負極活物質 222:炭酸リチウム層 102: All-solid lithium ion secondary battery 110: Battery main body 112: Electrolyte layer 114: Positive electrode 116: Negative electrode 154: Current collecting member 156: Current collecting member 202: Solid electrolyte 203: Solid electrolyte substrate 204: Solid electrolyte 206: Solid electrolyte 214: Positive electrode active material 216: Negative electrode active material 222: Lithium carbonate layer

Claims (8)

リチウムイオン伝導性の固体電解質を含む固体電解質基板と、
前記固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層と、
を備える固体電解質構造体において、
前記固体電解質基板の表面に表出する前記固体電解質の粒子のサイズは10μm以下であり、
前記炭酸リチウム層の厚さは100nm以下であることを特徴とする、固体電解質構造体。
A solid electrolyte substrate including a lithium ion conductive solid electrolyte;
A lithium carbonate layer formed on the surface of the solid electrolyte substrate;
In a solid electrolyte structure comprising:
The size of the solid electrolyte particles exposed on the surface of the solid electrolyte substrate is 10 μm or less,
A solid electrolyte structure, wherein the lithium carbonate layer has a thickness of 100 nm or less.
請求項1に記載の固体電解質構造体において、
前記固体電解質は、少なくともLiとLaとZrとOとを含有するガーネット型結晶構造またはガーネット型類似結晶構造を有することを特徴とする、固体電解質構造体。
The solid electrolyte structure according to claim 1,
The solid electrolyte has a garnet-type crystal structure or a garnet-type similar crystal structure containing at least Li, La, Zr, and O.
請求項2に記載の固体電解質構造体において、
前記固体電解質は、MgとA(Aは、Ca、Sr、Baから構成される群より選択される少なくとも1つの元素)との少なくとも一方を含有することを特徴とする、固体電解質構造体。
The solid electrolyte structure according to claim 2,
The solid electrolyte structure contains at least one of Mg and A (A is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba).
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質層と、を備えるリチウム電池において、
前記固体電解質層は、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の固体電解質構造体であることを特徴とする、リチウム電池。
In a lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The said solid electrolyte layer is a solid electrolyte structure as described in any one of Claim 1- Claim 3. The lithium battery characterized by the above-mentioned.
請求項4に記載のリチウム電池において、
前記負極は、電極活物質であるLi金属とLi合金との少なくとも一方を含有することを特徴とする、リチウム電池。
The lithium battery according to claim 4,
The said negative electrode contains at least one of Li metal which is an electrode active material, and Li alloy, The lithium battery characterized by the above-mentioned.
請求項4に記載のリチウム電池において、
前記正極と前記負極との少なくとも一方は、電極活物質と、硫化物系固体電解質と、を含有することを特徴とする、リチウム電池。
The lithium battery according to claim 4,
At least one of the positive electrode and the negative electrode contains an electrode active material and a sulfide-based solid electrolyte, and is a lithium battery.
リチウムイオン伝導性の固体電解質を含む固体電解質基板と、前記固体電解質基板の表面に形成された炭酸リチウム層と、を備え、前記固体電解質基板の表面に表出する前記固体電解質の粒子のサイズは10μm以下である固体電解質構造体の製造方法において、
固体電解質構造体を準備する工程と、
前記固体電解質構造体を、pHが1以上、14以下の洗浄液中に浸漬する洗浄工程と、
を備えることを特徴とする、製造方法。
A solid electrolyte substrate including a lithium ion conductive solid electrolyte, and a lithium carbonate layer formed on the surface of the solid electrolyte substrate, and the size of the particles of the solid electrolyte exposed on the surface of the solid electrolyte substrate is In the method for producing a solid electrolyte structure having a size of 10 μm or less,
Preparing a solid electrolyte structure;
A cleaning step of immersing the solid electrolyte structure in a cleaning solution having a pH of 1 or more and 14 or less;
A manufacturing method comprising:
請求項7に記載の製造方法において、
前記洗浄液のpHは、7以上、13以下であることを特徴とする、製造方法。
In the manufacturing method of Claim 7,
The cleaning method has a pH of 7 or more and 13 or less.
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