JP2018142406A - All-solid battery and manufacturing method of the same - Google Patents

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誠之 廣岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid battery superior in output characteristic and a manufacturing method of the battery.SOLUTION: For solving the above problem, an all-solid battery includes: a positive electrode layer; a negative electrode layer; and a solid electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The positive electrode layer comprises: a positive electrode active material; and a positive electrode collector that is provided on a positive electrode mixture layer, and includes an oxide glass having the positive electrode active material and an ion conduction. A positive electrode active material is embedded in the surface of the positive collector.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、固体電解質を用いた全固体電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an all-solid battery using a solid electrolyte and a method for manufacturing the same.

リチウムイオン電池の高温での特性低下の抑制や安全性確保のために、電解液に代わりリチウムイオン伝導性の固体電解質を利用した全固体電池が提案されている。特にナシコン、ペロブスカイト、ガーネット構造をもったリチウムイオン伝導性の酸化物系固体電解質は、熱安定性が極めて高いことから全固体電池への応用研究が精力的に進められている。   In order to suppress deterioration of characteristics of lithium ion batteries at high temperatures and to ensure safety, all-solid batteries using a lithium ion conductive solid electrolyte instead of an electrolyte have been proposed. In particular, lithium-ion-conducting oxide-based solid electrolytes with NASICON, perovskite, and garnet structures are extremely high in thermal stability, and are therefore intensively studied for application to all-solid-state batteries.

特許文献1には、グリーンシート工法を適用した全固体電池作製方法が開示されている。活物質スラリー、固体電解質スラリー及び集電体スラリーを作製し、これらをそれぞれ塗布乾燥することにより作製したグリーンシートを積層して、焼結することで多積層構造の全固体電池を作製している。   Patent Document 1 discloses an all-solid battery manufacturing method to which a green sheet method is applied. An active material slurry, a solid electrolyte slurry, and a current collector slurry are prepared, and green sheets prepared by coating and drying these are laminated and sintered to produce a multi-layered all solid state battery. .

また、特許文献2には、一般式(I):A(B1−b)O(式中、AはNa及びLiから選択され、aは2.75<a<3であり、bは0<b<0.25であり、cは3<c<3.25である)で表されることを特徴とするガラス状の酸化物系固体電解質が開示されている。この固体電解質は、固体電解質層及び/又は正極をプレスにより製造する際に、300℃程度以下の加熱でも、十分な導電性を固体電解質及び/又は正極に与え得ることができることが示されている。 Patent Document 2 discloses that the general formula (I): A a (B 1-b S b ) O c (where A is selected from Na and Li, and a is 2.75 <a <3. , B is 0 <b <0.25, and c is 3 <c <3.25). A glassy oxide-based solid electrolyte is disclosed. It has been shown that this solid electrolyte can give sufficient conductivity to the solid electrolyte and / or the positive electrode even when heated to about 300 ° C. or lower when the solid electrolyte layer and / or the positive electrode is manufactured by pressing. .

また、全固体電池は、従来型の電解液を使用したリチウムイオン電池と比較し、一様に固体電解質を充填することが困難であることから電子伝導性とイオン伝導性を両立することが難しく、入出力特性が得られにくいといった課題がある。特許文献3では、全固体電池の入出力特性を向上するため、正極活物質と固体電解質からなる正極合剤層と集電体の間に低硬度材料からなる中間層を配置して、正極合剤層と集電体との電気的な接触を改善した全固体電池が開示されている。   In addition, it is difficult for an all solid state battery to have both electron conductivity and ion conductivity because it is difficult to uniformly fill a solid electrolyte as compared with a lithium ion battery using a conventional electrolyte. There is a problem that it is difficult to obtain input / output characteristics. In Patent Document 3, in order to improve the input / output characteristics of an all-solid battery, an intermediate layer made of a low-hardness material is disposed between a positive electrode mixture layer made of a positive electrode active material and a solid electrolyte and a current collector, and An all-solid battery with improved electrical contact between the agent layer and the current collector is disclosed.

特開2007−227362号公報JP 2007-227362 A 特開2015−176854号公報JP2015-176854 A 特開2015−176819号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-176819

特許文献1では、固体電解質と活物質間の界面を密着させ、導電性を向上させるために、1000℃程度の高温で焼結している。しかし、使用する活物質の種類によっては、高温で焼結することで活物質と固体電解質とが化学反応を起こし、抵抗の高い異相が形成される虞があった。そのため、活物質の種類によらず、正極層と固体電解質層を一体焼結により作製できる全固体電池が期待されている。   In patent document 1, in order to make the interface between a solid electrolyte and an active material adhere, and to improve electroconductivity, it sinters at about 1000 degreeC high temperature. However, depending on the type of active material used, the active material and the solid electrolyte may cause a chemical reaction due to sintering at a high temperature, and a high-resistance heterogeneous phase may be formed. Therefore, an all-solid battery that can produce a positive electrode layer and a solid electrolyte layer by integral sintering is expected regardless of the type of active material.

特許文献2には、ガラスセラミックス状の固体電解質の紛体をプレスすることにより、正極活物質層、正極を作製することが開示されている。しかしながら、粉体のプレスでは、固体電解質層を100μmオーダー以下に薄片化することが難しい。高い入出力特性を得るためには、固体電解質を薄くすることにより、実効的な抵抗を低下させることが期待されている。   Patent Document 2 discloses that a positive electrode active material layer and a positive electrode are produced by pressing a powder of a glass ceramic solid electrolyte. However, with a powder press, it is difficult to slice the solid electrolyte layer to the order of 100 μm or less. In order to obtain high input / output characteristics, it is expected to reduce the effective resistance by thinning the solid electrolyte.

特許文献3の全固体電池には、中間層として有機性の高分子や、InやSn等の柔らかい金属が適用されている。しかしながら、これらの材料は100℃以上の高温環境にさらされることで劣化ないしは溶解するため、高温過酷環境では使用できないといった課題がある。   In the all solid state battery of Patent Document 3, an organic polymer or a soft metal such as In or Sn is applied as an intermediate layer. However, since these materials deteriorate or dissolve when exposed to a high temperature environment of 100 ° C. or higher, there is a problem that they cannot be used in a high temperature severe environment.

そこで、本発明は、入出力特性に優れた全固体電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an all solid state battery excellent in input / output characteristics.

上記課題を解決するために、本発明に係る全固体電池は、正極層と、負極層と、正極層と負極層の間に配置された固体電解質層と、を備える全固体電池であって、正極層は、正極集電体と、正極集電体表面に設けられ、正極活物質とイオン伝導性を有する酸化物ガラスとを含む正極合材層と、を備え、記正極集電体の表面には、前記正極活物質が埋め込まれていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, an all-solid battery according to the present invention is an all-solid battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, The positive electrode layer includes a positive electrode current collector, and a positive electrode mixture layer provided on the surface of the positive electrode current collector and including a positive electrode active material and an oxide glass having ion conductivity, and the surface of the positive electrode current collector Is characterized in that the positive electrode active material is embedded.

本発明によれば、入出力特性に優れた全固体電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an all solid state battery excellent in input / output characteristics.

本発明の一実施形態に係る全固体電池の断面図である。It is sectional drawing of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全固体電池の電極群の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode group of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全固体電池の電極群の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode group of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全固体電池の電極作製工程である。It is an electrode preparation process of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全固体電池の電極作製工程である。It is an electrode preparation process of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1に係る全固体電池の電極断面の電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph of an electrode cross section of an all solid state battery according to Example 1. FIG.

以下、本発明の一実施形態に係る全固体電池について説明する。尚、全固体電池の構成及びその製造方法は、下記に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲内において適宜変更して実施できるものである。   Hereinafter, an all-solid battery according to an embodiment of the present invention will be described. The configuration of the all-solid-state battery and the manufacturing method thereof are not limited to those shown below, and can be implemented with appropriate modifications within a range that does not change the gist thereof.

一実施形態に係る全固体電池は、正極集電体と正極活物質の接触面積を大きくすることで入出力特性を向上する技術に関する。特に、一実施形態に係る全固体電池は、車載、産業用途の、0℃以下の低温から80℃以上の高温の過酷環境において、優れた入出力特性を発揮する。   The all-solid-state battery which concerns on one Embodiment is related with the technique which improves an input-output characteristic by enlarging the contact area of a positive electrode collector and a positive electrode active material. In particular, the all-solid-state battery according to an embodiment exhibits excellent input / output characteristics in a severe environment of a low temperature of 0 ° C. or lower to a high temperature of 80 ° C. or higher for in-vehicle and industrial use.

<全固体電池>
図1に本発明の一実施形態に係る全固体電池の断面模式図を示す。全固体電池は、正極層8と、負極層6と、正極層8と負極層6の間に配置された固体電解質層7(以下、電極群という。)と、を備える。電極群は、正極側電池ケース1及び負極側電池ケース2にから構成される電池ケースに収容される。電池ケース内部には、ケース内部の気密性を保つため、また正極端子と負極端子の間の短絡を防止するためにガスケット4が設けられている。全固体電池は、電極群を固定させるために、ウェーブワッシャー4、スペーサー5をさらに備える。
<All solid battery>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an all solid state battery according to an embodiment of the present invention. The all solid state battery includes a positive electrode layer 8, a negative electrode layer 6, and a solid electrolyte layer 7 (hereinafter referred to as an electrode group) disposed between the positive electrode layer 8 and the negative electrode layer 6. The electrode group is accommodated in a battery case including a positive battery case 1 and a negative battery case 2. A gasket 4 is provided inside the battery case in order to maintain the airtightness inside the case and to prevent a short circuit between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. The all solid state battery further includes a wave washer 4 and a spacer 5 in order to fix the electrode group.

図2、図3に本発明の一実施形態に係る全固体電池の電極群の断面模式図を示す。全固体電池の電極群は、正極集電体9と正極集電体の表面に塗布された正極合剤層から構成される正極層8と、固体電解質11を含む固体電解質層7と、負極層12と、から構成される。正極合剤層は、正極活物質10と固体電解質11を含み、正極集電体9の表面には正極活物質が埋め込まれている。なお、本明細書において、正極活物質の表面の5%以上が正極集電体に面接触している場合、正極活物質が正極集電体に埋め込まれていると定義する。   2 and 3 are schematic cross-sectional views of an electrode group of an all-solid battery according to an embodiment of the present invention. The electrode group of the all-solid-state battery includes a positive electrode layer 8 composed of a positive electrode current collector 9 and a positive electrode mixture layer applied to the surface of the positive electrode current collector, a solid electrolyte layer 7 including a solid electrolyte 11, and a negative electrode layer. 12. The positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material 10 and a solid electrolyte 11, and a positive electrode active material is embedded in the surface of the positive electrode current collector 9. In this specification, when 5% or more of the surface of the positive electrode active material is in surface contact with the positive electrode current collector, it is defined that the positive electrode active material is embedded in the positive electrode current collector.

正極集電体の表面に正極活物質が埋め込まれていることにより、正極集電体と正極活物質間の接触面積が大きくなる。その結果、集電体と正極活物質間の電子伝導性が向上し、従来のように正極合材層内に導電性カーボン等の導電助剤を含むことなく、充放電時に高速の電荷移動が可能となる。   Since the positive electrode active material is embedded in the surface of the positive electrode current collector, the contact area between the positive electrode current collector and the positive electrode active material is increased. As a result, the electron conductivity between the current collector and the positive electrode active material is improved, and high-speed charge transfer can be performed during charge and discharge without including a conductive assistant such as conductive carbon in the positive electrode mixture layer as in the past. It becomes possible.

入出力特性向上の観点からは、図3に示すように正極活物質は図3に示すように1層から構成されることが好ましい。   From the viewpoint of improving input / output characteristics, the positive electrode active material is preferably composed of one layer as shown in FIG. 3 as shown in FIG.

正極層に含まれる固体電解質及び固体電解質層に含まれる固体電解質は、イオン電導性を有する酸化物ガラスである。イオン伝導性を有する酸化物ガラスとしては、粉末をプレス成型するだけで連続体となるものであることが好ましい。このような酸化物ガラスとしては、一般式Li(Aは、S、B、C、P、Al、Tiの少なくともいずれかであって、1≦x≦3、1≦y≦1、2≦z≦4である。)で表される酸化物を含むガラスが挙げられる。具体的には、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸素の少なくともいずれかを含むことが好ましく、LiBO及びLiSOを含むことがさらに好ましい。例えば、LiBO―LiSOガラスLiBO−LiSO−LiCOガラスを用いることができる。 The solid electrolyte contained in the positive electrode layer and the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer are oxide glasses having ion conductivity. The oxide glass having ion conductivity is preferably a continuum only by press molding the powder. As such an oxide glass, a general formula Li x A y O z (A is at least one of S, B, C, P, Al, Ti, and 1 ≦ x ≦ 3, 1 ≦ y ≦ 1 <= 2 <= z <= 4.) The glass containing the oxide represented by this is mentioned. Specifically, it preferably includes at least one of lithium, boron, sulfur, and oxygen, and more preferably includes Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 . For example, Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass or Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 —Li 2 CO 3 glass can be used.

イオン伝導性を有する酸化物ガラスは結晶相を有していてもよい。酸化物ガラスの一部を結晶化させることにより、イオン伝導度が向上するためである。   The oxide glass having ion conductivity may have a crystal phase. This is because ionic conductivity is improved by crystallizing part of the oxide glass.

上述したイオン伝導性を有する酸化物ガラスは、プレス成型するだけで連続体となり、1000℃程度の高温での焼結が不要となるため、全固体電池に用いる他の材料の種類が限定されない。例えば、従来、酸化物系の固体電解質を用いた場合は、1000℃程度といった高温での焼結が必要であったため、正極集電体としてAu、Ag等が使用されていた。非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池で良く使用されているAl集電体は、耐熱性が低いため酸化物系の固体電解質と一緒に用いることができなかった。また、Al集電体を酸化物系の固体電解質と一緒に用いるためには、固体電解質と正極合剤層を焼結した後にAl箔を積層することができるが、Al集電体と正極活物質との界面抵抗が高くなってしまうという課題があった。上述したイオン伝導性を有する酸化物ガラスは、高温焼結する必要がないため、Al集電箔、正極合剤層、固体電解質を一体焼結することができる。   The oxide glass having ion conductivity described above becomes a continuous body simply by press molding, and does not require sintering at a high temperature of about 1000 ° C. Therefore, the types of other materials used for the all-solid battery are not limited. For example, conventionally, when an oxide-based solid electrolyte is used, since sintering at a high temperature of about 1000 ° C. is necessary, Au, Ag, or the like has been used as a positive electrode current collector. An Al current collector often used in a lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte cannot be used together with an oxide-based solid electrolyte because of its low heat resistance. In order to use the Al current collector together with the oxide-based solid electrolyte, the Al foil can be laminated after sintering the solid electrolyte and the positive electrode mixture layer. There was a problem that the interfacial resistance with the substance was increased. Since the oxide glass having ion conductivity described above does not need to be sintered at high temperature, the Al current collector foil, the positive electrode mixture layer, and the solid electrolyte can be integrally sintered.

イオン伝導性の酸化物ガラスのヤング率は40GPa以上60GPa以下であることが好ましい。ヤング率が40GPa以上60GPa以下の酸化物ガラスを用いることにより、プレス成型時にイオン伝導性の酸化物ガラスが変形して正極活物質との良好な界面が形成されるだけでなく、正極活物質が集電体に押しつられる力が充分に働くことによって集電体表面で正極活物質が埋め込まれ、正極表面積の5%以上が面接触する。   The Young's modulus of the ion conductive oxide glass is preferably 40 GPa or more and 60 GPa or less. By using an oxide glass having a Young's modulus of 40 GPa or more and 60 GPa or less, the ion conductive oxide glass is deformed during press molding to form a good interface with the positive electrode active material. When the force pushed by the current collector is sufficiently exerted, the positive electrode active material is embedded on the surface of the current collector, and 5% or more of the surface area of the positive electrode is in surface contact.

イオン伝導性を有する酸化物ガラスのヤング率は、例えば、融点を調整することにより制御することができる。   The Young's modulus of the oxide glass having ion conductivity can be controlled, for example, by adjusting the melting point.

LiBO―LiSOガラスやLiBO−LiSO−LiCOガラスは、それぞれLiBOとLiSO、LiBOとLiSOとLiCOを不活性雰囲気中でメカニカルミリングによって混合することで得られる。処理装置及び処理条件は限定されないが、遊星ボールミルが特に好ましく、ミリング処理の前に不活性雰囲気中で乳鉢等で原料を充分に混合しておくとよい。処理条件は、使用する処理装置に応じて適宜変更する必要があるが、遊星ボールミルを使用する場合には、回転速度が大きいほど及び/又は処理時間が長いほど、原料を均一に混合・反応できる。具体的には、遊星型ボールミルを使用する場合、試料の加速度とボール重量から算出される力が0.02N以上で1時間以上50時間以内の時間で処理することが好ましく、20時間以上50時間以内の時間で処理することがより好ましい。処理雰囲気は、アルゴン等の不活性雰囲気下であることが好ましいが、オーバーポット等を使用して密閉状態で処理してもよい。 Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass and Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 —Li 2 CO 3 glass are Li 3 BO 3 and L 2 iSO 4 , Li 3 BO 3 and L 2 iSO 4 and Li, respectively. It is obtained by mixing 2 CO 3 by mechanical milling in an inert atmosphere. The processing apparatus and processing conditions are not limited, but a planetary ball mill is particularly preferable, and the raw materials may be sufficiently mixed in a mortar or the like in an inert atmosphere before the milling process. The processing conditions need to be changed as appropriate according to the processing apparatus to be used, but when using a planetary ball mill, the raw materials can be mixed and reacted more uniformly as the rotational speed increases and / or the processing time increases. . Specifically, when a planetary ball mill is used, the force calculated from the acceleration of the sample and the weight of the sample is preferably 0.02N or more and processed for 1 hour to 50 hours, preferably 20 hours to 50 hours. It is more preferable that the treatment is performed within the time. The treatment atmosphere is preferably an inert atmosphere such as argon, but may be treated in an airtight state using an overpot or the like.

なお、メカニカルミリング処理時の加水分解反応を回避するため、無水状態であることが好ましく、両塩が結晶水を含む場合には、空気中で200℃以上600℃以下の温度で、かつ1時間から6時間以内で脱水しておくことが好ましい。   In order to avoid hydrolysis reaction during mechanical milling treatment, it is preferably in an anhydrous state. When both salts contain crystal water, the temperature is 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower in air for 1 hour. It is preferable to dehydrate within 6 hours.

正極集電体には、例えばアルミニウムおよびその合金が、安価でかつ軽量であることから好ましい。シート状、ないしはメッシュなどが用いられる。正極集電体は、アルミニウム材料の他に、ステンレス鋼やチタン等の材料から構成することができる。正極集電体は、材質、形状、製造方法等に、特に制限はなく、幅広い範囲から適宜選択することができる。   For the positive electrode current collector, for example, aluminum and its alloys are preferable because they are inexpensive and lightweight. A sheet or mesh is used. The positive electrode current collector can be made of a material such as stainless steel or titanium in addition to the aluminum material. The positive electrode current collector is not particularly limited in material, shape, manufacturing method, and the like, and can be appropriately selected from a wide range.

正極活物質には、例えばLiCoOに代表されるLi含有層状酸化物や、LiMn等のスピネル型酸化物、LiFePO等のオリビン型酸化物等が用いられる。またこれら正極活物質はLiNbOや窒化リチウム(LiN)、ガーネット型構造をもつLiLaZr12、NASICON型の結晶構造を持つLi1+x+yAlTi2−xSi3−y12(x=0.3,Y=0.2)などの固体電解質等によって被覆されていても良い。正極活物質は一次粒子であることが好ましい。その平均粒径は、5μm以上であるものを使用することが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。 As the positive electrode active material, for example, a Li-containing layered oxide typified by LiCoO 2 , a spinel type oxide such as LiMn 2 O 4 , an olivine type oxide such as LiFePO 4, or the like is used. These positive electrode active materials include LiNbO 3 , lithium nitride (Li 3 N), Li 7 La 3 Zr 2 O 12 having a garnet-type structure, and Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3 having a NASICON-type crystal structure. -y O 12 (x = 0.3, Y = 0.2) by the solid electrolyte and the like, such as it may be coated. The positive electrode active material is preferably primary particles. The average particle diameter is preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm or more.

正極合剤層は、正極活物質と、酸化物ガラス以外に、導電助剤を含んでいても良い。導電助剤としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などのグラファイト、単層または多層のカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン、VGCF、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、チャンネルブラック6、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維などが使用可能である。これらを単独で使用してもよく、また、2種以上を併用してもよい。例えば、粒子状のものの場合、1次粒子のみに制限されず、2次粒子や鎖状構造などの集合体の形態を有するものも用いることができる。カーボンのDBP給油量(油がストラクチャの空隙にどの程度保持されるかという値)は、100(ml/100g)以上であることにより、正極スラリー固形分の2.5〜10wt%の少量添加で高温保存後の電子伝導性を充分に確保することが可能となる。   The positive electrode mixture layer may contain a conductive additive in addition to the positive electrode active material and the oxide glass. Examples of the conductive aid include graphite such as natural graphite and artificial graphite, single-walled or multi-walled carbon nanotubes, graphene, fullerene, VGCF, acetylene black, ketjen black (trade name), channel black 6, furnace black, lamp Carbon black such as black and thermal black, carbon fiber, and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. For example, in the case of particles, those having a form of aggregate such as secondary particles and chain structures are not limited to primary particles. The amount of carbon DBP oil supply (value of how much oil is retained in the voids of the structure) is 100 (ml / 100 g) or more, so that a small amount of 2.5 to 10 wt% of the positive electrode slurry solid content can be added. It becomes possible to ensure sufficient electron conductivity after high temperature storage.

入出力特性向上の観点から、固体電解質層の厚さは100μm以下であることが好ましい。   From the viewpoint of improving input / output characteristics, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100 μm or less.

負極には、金属リチウム、インジウム、またはリチウム合金やシリコンを蒸着したシートないしはこれらの箔を用いることができる。これら負極はアルミニウムまたは銅箔等の集電体上に形成されていてもよい。   For the negative electrode, metallic lithium, indium, a sheet on which a lithium alloy or silicon is vapor-deposited, or a foil thereof can be used. These negative electrodes may be formed on a current collector such as aluminum or copper foil.

また、負極は、負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤層と、負極集電体から構成されていても良い。負極活物質としては、例えば、Si、Si合金、ハードカーボン、グラファイト、チタン酸リチウム(LTO)等を用いることができる。   Moreover, the negative electrode may be comprised from the negative mix layer containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and a negative electrode electrical power collector. As the negative electrode active material, for example, Si, Si alloy, hard carbon, graphite, lithium titanate (LTO), or the like can be used.

<全固体電池の製造方法>
図4の本発明の一実施形態に係る全固体電池の製造方法の電極作製工程を示す。
<All-solid battery manufacturing method>
The electrode preparation process of the manufacturing method of the all-solid-state battery which concerns on one Embodiment of this invention of FIG. 4 is shown.

本発明の一実施形態に係る全固体電池は、正極スラリーを正極集電体上に塗布乾燥して正極シートを作製する正極シート作製工程と、固体電解質スラリーをシート状に成型又は塗布乾燥して固体電解質層シートを作製する固体電解質シート作製工程と、正極シートと固体電解質シートを積層する積層工程と、積層工程により得られた積層体を、加圧する前に酸化物ガラスの結晶化温度未満で加熱し、脱脂する脱脂工程と、脱脂された積層体を酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、を備える。   An all solid state battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode sheet preparation step in which a positive electrode slurry is applied and dried on a positive electrode current collector to prepare a positive electrode sheet, and a solid electrolyte slurry is molded or applied and dried into a sheet shape. A solid electrolyte sheet preparation step for preparing a solid electrolyte layer sheet, a lamination step for laminating a positive electrode sheet and a solid electrolyte sheet, and a laminate obtained by the lamination step at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass before pressing. A degreasing step of heating and degreasing, and a crystallization step of heating the degreased laminate at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the oxide glass and lower than 300 ° C.

(正極シート作製工程)
正極シート作製工程では、まず正極スラリーを作製する。正極スラリーは、正極活物質とイオン伝導性の酸化物ガラスとバインダ溶液を混合することにより作製する。ここで、バインダ溶液の溶剤は酸化物ガラス粉末と化学反応しにくいものを用いる。例えば、エタノール、酢酸ブチル、ジブチルエーテル等が挙げられる。バインダは、300℃未満で90%以上分解するものが好ましく、例えばメチルセルロース、メチルブタントリオールが挙げられる。これらバインダを上記溶剤に10%〜20%の重量比で溶解させて使用する。
(Positive electrode sheet production process)
In the positive electrode sheet preparation step, first, a positive electrode slurry is prepared. The positive electrode slurry is prepared by mixing a positive electrode active material, an ion conductive oxide glass, and a binder solution. Here, as the solvent of the binder solution, a solvent that hardly reacts with the oxide glass powder is used. For example, ethanol, butyl acetate, dibutyl ether and the like can be mentioned. The binder is preferably one that decomposes 90% or more at less than 300 ° C., and examples thereof include methylcellulose and methylbutanetriol. These binders are used by dissolving in the above solvent in a weight ratio of 10% to 20%.

イオン伝導性の酸化物ガラス粉末はあらかじめビーズミル、ボールミル等の方法により特定の範囲の粒子径に粉砕されたものを使用する。酸化物ガラス粉末の平均粒径が10μm以下であるものを使用することが好ましく、より好ましくは5μm以下である。粒度分布は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置により測定することができる。粒度分布の中央価(D50)に基づくものであり、粒径分布において、ある粒子径より小さい体積の総和が、全粉体の体積全体の50%を占めるときの粒子径である。   As the ion conductive oxide glass powder, one that has been pulverized to a specific range of particle diameters by a method such as a bead mill or a ball mill is used. It is preferable to use an oxide glass powder having an average particle size of 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less. The particle size distribution can be measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus. This is based on the median value (D50) of the particle size distribution, and is the particle size when the sum of the volumes smaller than a certain particle size occupies 50% of the total volume of the powder in the particle size distribution.

正極スラリーの固形分比(スラリーの重量に対する正極活物質、酸化物ガラス粉末、バインダ重量の総和)は、溶剤を適宜加えて、50%以上とすることが好ましく、70%以上とすることがより好ましい。   The solid content ratio of the positive electrode slurry (the total of the positive electrode active material, the oxide glass powder, and the binder weight with respect to the weight of the slurry) is preferably 50% or more by adding a solvent as appropriate, and more preferably 70% or more. preferable.

酸化物ガラス粉末に対する正極活物質の比率は、重量比で1以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましい。酸化物ガラス粉末と正極活物質の総和に対してバインダの比率は重量比で0.6未満であることが好ましく、0.3未満であることがより好ましい。   The ratio of the positive electrode active material to the oxide glass powder is preferably 1 or more by weight, and more preferably 4 or more. The weight ratio of the binder to the total of the oxide glass powder and the positive electrode active material is preferably less than 0.6, and more preferably less than 0.3.

作製した正極スラリーをドクターブレード法、スクリーン印刷法等により、正極集電体上に塗布することにより、乾燥後の厚みが50μm以下の正極シートを得ることができる。   By applying the produced positive electrode slurry onto the positive electrode current collector by a doctor blade method, a screen printing method, or the like, a positive electrode sheet having a thickness after drying of 50 μm or less can be obtained.

(固体電解質シート作製工程)
固体電解質シート作製工程では、まず、イオン伝導性の酸化物ガラス粉末とバインダ溶液を混合し、固体電解質スラリーを作製する。バインダ溶液の溶剤は酸化物ガラス粉末と化学反応しないものを用いる。酸化物ガラス粉末と化学反応しない溶剤としては例えば、エタノール、酢酸ブチル、ジブチルエーテル等が挙げられる。バインダは、300℃未満で90%以上分解するものが好ましく、例えばメチルブタントリオール等が挙げられる。これらバインダを上記溶剤に10%〜20%の重量比で溶解させて使用する。
(Solid electrolyte sheet manufacturing process)
In the solid electrolyte sheet preparation step, first, an ion conductive oxide glass powder and a binder solution are mixed to prepare a solid electrolyte slurry. A binder solution that does not chemically react with the oxide glass powder is used. Examples of the solvent that does not chemically react with the oxide glass powder include ethanol, butyl acetate, and dibutyl ether. The binder is preferably one that decomposes 90% or more at less than 300 ° C., and examples thereof include methylbutanetriol. These binders are used by dissolving in the above solvent in a weight ratio of 10% to 20%.

イオン伝導性の酸化物ガラス粉末はあらかじめビーズミル、ボールミル等の方法により特定の範囲の粒子径に粉砕されたものを使用する。酸化物ガラス粉末の平均粒径が10μm以下であるものを使用することが好ましく、より好ましくは5μm以下である。   As the ion conductive oxide glass powder, one that has been pulverized to a specific range of particle diameters by a method such as a bead mill or a ball mill is used. It is preferable to use an oxide glass powder having an average particle size of 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less.

固体電解質スラリーの固形分比(スラリーの重量に対する硝子とバインダの重量)は、溶剤を適宜加えて、50%以上とすることが好ましく、70%以上とすることがより好ましい。酸化物ガラス粉末に対するバインダの比率は、重量比で0.6未満であることが好ましく、0.3未満であることがより好ましい。   The solid content ratio of the solid electrolyte slurry (the weight of the glass and the binder with respect to the weight of the slurry) is preferably 50% or more, more preferably 70% or more by appropriately adding a solvent. The weight ratio of the binder to the oxide glass powder is preferably less than 0.6, and more preferably less than 0.3.

作製した固体電解質スラリーをドクターブレード法、スクリーン印刷法等により、離型処理が施されたPET等のキャリアフィルム上に塗布、成形することにより、乾燥後の厚みが50μm以下のグリーンシートを得ることができる。   By applying and molding the prepared solid electrolyte slurry on a carrier film such as PET that has been subjected to a release treatment by a doctor blade method, a screen printing method, etc., to obtain a green sheet having a thickness of 50 μm or less after drying Can do.

得られた正極シートおよび固体電解質シートをベルトポンチ等により所定の大きさに打ち抜き、固体電解質シートからキャリアフィルムを剥離して、80℃で24時間真空乾燥させる。   The obtained positive electrode sheet and solid electrolyte sheet are punched out to a predetermined size with a belt punch or the like, the carrier film is peeled off from the solid electrolyte sheet, and vacuum dried at 80 ° C. for 24 hours.

(積層工程)
積層工程では、正極シートと固体電解質シートを積層する。積層した後、脱脂前に加圧してもよい。脱脂前に加圧することにより、それぞれのグリーンシート及びその界面が緻密化する。また正極シートと固体電解質シートを接着させる。加圧の方法としては、油圧プレス機やロールプレス機を用い、十分な緻密性を得るために前記加圧時の圧力を100MPa以上とすることが好ましく、より好ましくは350MPa以上とする。
(Lamination process)
In the laminating step, the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet are laminated. After laminating, you may pressurize before degreasing. By applying pressure before degreasing, each green sheet and its interface are densified. Further, the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet are bonded. As a method of pressurization, using a hydraulic press or a roll press, the pressure during pressurization is preferably 100 MPa or more, more preferably 350 MPa or more in order to obtain sufficient denseness.

(脱脂工程)
得られた正極/固体電解質層の積層グリーンシートを酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂し、加圧することにより、正極と固体電解質層が一体化した電極が得られる。脱脂時の温度は、正極シート及び固体電解質シートに含まれる酸化物ガラスの結晶化温度未満であればよい。ガラスセラミックス化するとヤング率が高くなるため、脱脂後のプレスで成型することが難しくなる。プレス成型を容易にする観点から、脱脂の温度は250℃以下であることが好ましい。したがって脱脂時の熱処理温度は、好ましくは200℃以上250℃以下である。
(Degreasing process)
The obtained laminated green sheet of the positive electrode / solid electrolyte layer is degreased below the crystallization temperature of the oxide glass and pressed to obtain an electrode in which the positive electrode and the solid electrolyte layer are integrated. The temperature at the time of degreasing should just be less than the crystallization temperature of the oxide glass contained in a positive electrode sheet and a solid electrolyte sheet. When glass ceramics are used, the Young's modulus increases, making it difficult to mold with a press after degreasing. From the viewpoint of facilitating press molding, the degreasing temperature is preferably 250 ° C. or lower. Therefore, the heat treatment temperature during degreasing is preferably 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.

固体電解質シートに含まれているバインダの大部分は、脱脂工程により分解するが、バインダの一部は分解せずに固体電解質層に残留している。全固体電池の正極層及び固体電解質層には、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度以下であるバインダが含まれる。バインダの残存量を減少させる観点からは、積層後、加圧する前に脱脂することが好ましい。積層後、加圧前に脱脂すると、加圧後に脱脂する場合よりもグリーンシートの空隙が増え、この空隙からバインダを除去できる。   Most of the binder contained in the solid electrolyte sheet is decomposed by the degreasing process, but a part of the binder remains in the solid electrolyte layer without being decomposed. The positive electrode layer and the solid electrolyte layer of the all-solid battery include a binder whose decomposition temperature is equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass. From the viewpoint of reducing the residual amount of the binder, it is preferable to degrease after the lamination and before pressurization. Degreasing after lamination and before pressurization increases the number of voids in the green sheet compared to degreasing after pressurization, and the binder can be removed from these voids.

(結晶化工程)
脱脂工程で得られた積層グリーンシートをさらに300℃未満で加熱することで、酸化物ガラスを一部結晶化させて、高イオン伝導度のガラスセラミクスとする。結晶化工程の熱処理温度は、好ましくは250℃以上300℃未満である。
(Crystallization process)
The laminated green sheet obtained in the degreasing process is further heated at less than 300 ° C., whereby the oxide glass is partially crystallized to obtain glass ceramics with high ionic conductivity. The heat treatment temperature in the crystallization step is preferably 250 ° C. or higher and lower than 300 ° C.

(接合工程)
接合工程では、結晶化工程後に負極層を固体電解質層に接合する。具体的には、固体電解質層に金属リチウム、インジウム、またはリチウムアルミ合金を蒸着、ないしはこれらの箔を圧着・加熱することで負極層を接合する。負極層を圧着する場合は、SUSやアルミニウムまたは銅箔等の集電体上に形成されていてもよい。
(Joining process)
In the joining step, the negative electrode layer is joined to the solid electrolyte layer after the crystallization step. Specifically, metallic lithium, indium, or a lithium aluminum alloy is vapor-deposited on the solid electrolyte layer, or these foils are pressure-bonded and heated to join the negative electrode layer. When the negative electrode layer is pressure-bonded, it may be formed on a current collector such as SUS, aluminum, or copper foil.

なお、負極層は以下の方法で接合してもよい。正極シート、固体電解質シートと同じように負極シートを作製する。負極シートは、負極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物温度の結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む負極スラリーをシート状に成型することにより作製する。積層工程において、正極シート、固体電解質シート、負極シートの順に積層、加圧した後、脱脂工程、結晶化工程を行うことにより全固体電池を作製してもよい。   In addition, you may join a negative electrode layer with the following method. A negative electrode sheet is produced in the same manner as the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet. The negative electrode sheet is produced by molding a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, oxide glass powder, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide temperature, and a solvent into a sheet shape. In the laminating step, the all-solid battery may be manufactured by laminating and pressing the positive electrode sheet, the solid electrolyte sheet, and the negative electrode sheet in this order, followed by a degreasing step and a crystallization step.

本発明の一実施形態に係る全固体電池は、正極シート上に固体電解質スラリーを塗布乾燥することにより、正極シートと固体電解質シートが積層した積層体を作製した後、脱脂、結晶化することにより作製することもできる。図5に全固体電池の電極作製工程を示す。正極シートを作製する工程と、酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーを正極シート上に塗布乾燥して正極シートと固体電解質シートの積層体を得る工程と、積層体を、加圧する前酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、脱脂工程後に酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、を備える。   An all solid state battery according to an embodiment of the present invention is prepared by applying a solid electrolyte slurry on a positive electrode sheet and drying to produce a laminate in which the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet are laminated, and then degreasing and crystallizing. It can also be produced. FIG. 5 shows an electrode manufacturing process of the all solid state battery. Applying and drying a solid electrolyte slurry containing a step of producing a positive electrode sheet, an oxide glass, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent, on the positive electrode sheet and the solid A step of obtaining a laminate of an electrolyte sheet, a degreasing step after degreasing less than the crystallization temperature of the oxide glass before pressurizing, and a degreasing step of pressing, and a crystallization temperature of the oxide glass after the degreasing step and less than 300 ° C And a crystallization step of heating at.

このように、正極シート上に固体電解質スラリーを直接塗布し、乾燥させることにより、正極シートと固体電解質シートとを積層することが可能となるため、乾燥後の正極および固体電解質シートを重ね合わせるプロセスが無くなるため、電池製造の高スループット化が図れる。   Thus, since the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet can be laminated by directly applying and drying the solid electrolyte slurry on the positive electrode sheet, the process of superposing the dried positive electrode and the solid electrolyte sheet Therefore, it is possible to increase the throughput of battery manufacturing.

以上のように、グリーンシート工法をガラス状の酸化物固体電解質に適用することにより、固体電解質層を薄片化することができる。固体電解質層の厚さを100μm以下にまで薄くすることができるため、全固体電池を高出力化できる。   As described above, the solid electrolyte layer can be thinned by applying the green sheet method to the glassy oxide solid electrolyte. Since the thickness of the solid electrolyte layer can be reduced to 100 μm or less, the output of the all-solid battery can be increased.

また、結晶化工程後に、正極シート側に正極集電体を接合するよりも、正極集電体、正極合剤層、固体電解質層を積層したものを、脱脂、加圧、結晶化することにより、正極活物質が正極集電体表面に埋め込まれ、正極集電体と正極合剤層の密着性が向上する。   Also, after the crystallization step, rather than bonding the positive electrode current collector to the positive electrode sheet side, degreasing, pressurizing, and crystallizing a laminate of the positive electrode current collector, the positive electrode mixture layer, and the solid electrolyte layer The positive electrode active material is embedded in the surface of the positive electrode current collector, and the adhesion between the positive electrode current collector and the positive electrode mixture layer is improved.

<正極活物質の作製>
Li源となる化合物として、LiCO、Co源となる化合物としてCoを用いて、Coに対するLiのモル比が1.03となるように秤量して乳鉢で混合し、油圧プレス機で圧粉成型しペレット状にした。
<Preparation of positive electrode active material>
Li 2 CO 3 as the Li source compound, Co 3 O 4 as the Co source compound, weighed so that the molar ratio of Li to Co is 1.03, mixed in a mortar, and hydraulic press It was compacted with a machine and formed into pellets.

得られたペレットを酸素雰囲気中にて、1000℃で10時間熱処理後、乳鉢で粉砕して、平均粒子径15μmの一般組成式LiCoOで表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。なお、組成比は、ICP(Inductivity Coupled Plasma:誘導結合プラズマ発光分析)法により測定し、結晶構造はXRD(X−ray Diffraction)で空間群R−3mに帰属される層状構造になっていることを確認した。 The obtained pellet was heat-treated at 1000 ° C. for 10 hours in an oxygen atmosphere, and then pulverized in a mortar to synthesize a lithium-containing cobalt oxide represented by a general composition formula LiCoO 2 having an average particle diameter of 15 μm. The composition ratio is measured by an ICP (Inductive Coupled Plasma) method, and the crystal structure is a layered structure belonging to the space group R-3m by XRD (X-ray Diffraction). It was confirmed.

次に合成されたLiCoO粒子表面上にLiNbOを被覆した。まず、エタノール中にエトキシリチウムとペンタエトキシニオブをそれぞれ0.6mol/L含まれるように、エタノールに溶解させ、LiNbO反応抑制層の前駆体溶液を作製した。 Next, LiNbO 3 was coated on the surface of the synthesized LiCoO 2 particles. First, ethanol was dissolved in ethanol so that ethoxylithium and pentaethoxyniobium were each contained in an amount of 0.6 mol / L to prepare a precursor solution of a LiNbO 3 reaction suppression layer.

上記LiNbO前駆体のLiCoOへの被覆は転動流動コーティング装置(パウレック社製、MP―01)を用いて行った。LiCoOを転動流動コーティング装置内に入れ、流動ガスとして、乾燥空気を導入した。正極活物質粉体を乾燥空気によって巻き上げて転動流動コーティング装置内部で循環させながら、LiNbO前駆体溶液を1.5時間噴霧しコーティングした。 The LiNbO 3 precursor was coated on LiCoO 2 using a tumbling fluidized coating apparatus (MP-01, manufactured by POWREC). LiCoO 2 was put into a tumbling fluidized coating apparatus, and dry air was introduced as a fluidized gas. While the positive electrode active material powder was rolled up with dry air and circulated inside the tumbling fluidized coating apparatus, the LiNbO 3 precursor solution was sprayed for 1.5 hours for coating.

次に、管状電気炉を用いて、酸素ガス雰囲気で400℃、30分間加熱処理することによってLiNbOが被覆されたLiCoO正極活物質を得た。得られた正極活物質の表面を、走査型電子顕微鏡SEM(Scanning Electron Microscope、日立S−4300)で観察し、EDS(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy、堀場製作所製) でNbが存在していることを確認した。 Next, using a tubular electric furnace, a LiCoO 2 positive electrode active material coated with LiNbO 3 was obtained by heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes in an oxygen gas atmosphere. The surface of the obtained positive electrode active material was observed with a scanning electron microscope SEM (Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4300), and Nb was present with EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, manufactured by Horiba Seisakusho). It was confirmed.

<イオン伝導性酸化物ガラスの作製>
LiSO・HO(和光純薬純度98〜102%)を300℃の真空オーブンで2時間加熱し、脱水することでLiSOを得た。同様に、LiBO(豊島製作所)も300℃の真空オーブンで2時間加熱し乾燥させた。脱水、乾燥されたLiBOとLiSOを露点−100℃のAr雰囲気グローブボックス内にて、重量比9:1の比率で乳鉢を用いて10分間混合した。
<Production of ion conductive oxide glass>
Li 2 SO 4 .H 2 O (Wako Pure Chemical purity 98 to 102%) was heated in a vacuum oven at 300 ° C. for 2 hours and dehydrated to obtain Li 2 SO 4 . Similarly, Li 3 BO 3 (Toshima Seisakusho) was dried in a 300 ° C. vacuum oven for 2 hours. The dehydrated and dried Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 were mixed for 10 minutes using a mortar at a weight ratio of 9: 1 in an Ar atmosphere glove box with a dew point of −100 ° C.

得られた混合粉をジルコニア製のボールミルポットに直径5mmのボールが70g分とともに投入し、SUS製のオーバーポットで封止した。遊星型ボールミル(Fritsch社製Pulverisette P−7)を用いて、回転数370rpmで20時間メカニカルミリング処理することで平均粒径5μmのLiBO−LiSOガラス粉末を得た。 The obtained mixed powder was put into a ball mill pot made of zirconia together with 70 g of a ball having a diameter of 5 mm, and sealed with a SUS overpot. Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass powder having an average particle size of 5 μm was obtained by mechanical milling treatment at a rotational speed of 370 rpm for 20 hours using a planetary ball mill (Pulverisette P-7 manufactured by Fritsch).

尚、上記の製造法は、Journal of Power Sources 270 (2014) 603−607に準じている。   In addition, said manufacturing method is based on Journal of Power Sources 270 (2014) 603-607.

以下、図3に示した全固体電池の作製手順に沿って説明する。   Hereinafter, a description will be given along the manufacturing procedure of the all-solid-state battery shown in FIG.

<正極スラリーの作製>
LiNbOコートLiCoO粉末と、LiBO−LiSOガラス粉末と、酢酸ブチルに15wt%メチルブタントリオールに溶解させたバインダ溶液と、を露点−30℃以下の環境で混合し、正極スラリーを作製した。
<Preparation of positive electrode slurry>
LiNbO 3 coated LiCoO 2 powder, Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass powder, and a binder solution dissolved in 15 wt% methylbutanetriol in butyl acetate are mixed in an environment having a dew point of −30 ° C. or less, and A slurry was prepared.

LiNbOコートLiCoO粉末と、LiBO−LiSOガラス粉末を重量比で1:1とし、これらの総和の重量に対してバインダが重量比で7:3となるように乳鉢で10分間混合しながら、酢酸ブチルを適量加えて正極スラリーとした。 LiNbO 3 -coated LiCoO 2 powder and Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder in a weight ratio of 1: 1, and in a mortar so that the binder is 7: 3 in weight ratio to the total weight of these While mixing for 10 minutes, an appropriate amount of butyl acetate was added to form a positive electrode slurry.

<固体電解質スラリーの作製>
LiBO−LiSOガラス粉末と、酢酸ブチルに15wt%メチルブタントリオールに溶解させたバインダ溶液と、を露点−30℃以下の環境で混合し、固体電解質スラリーを作製した。
<Preparation of solid electrolyte slurry>
Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass powder and a binder solution dissolved in 15 wt% methylbutanetriol in butyl acetate were mixed in an environment having a dew point of −30 ° C. or less to prepare a solid electrolyte slurry.

LiBO−LiSOガラス粉末とバインダが重量比で7:3となるように10分間混合しながら、酢酸ブチルを適量加えて固体電解質スラリーとした。 An appropriate amount of butyl acetate was added while mixing for 10 minutes so that the Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 glass powder and the binder were in a weight ratio of 7: 3 to obtain a solid electrolyte slurry.

<正極シートの作製>
正極シートの成膜は、正極スラリーをドクターブレード法により、厚さ15μmのアルミ集電箔上に厚み約20μmのグリーンシートを成型した。室温で乾燥し、ベルトポンチで打ち抜き、正極シートを得た。
<Preparation of positive electrode sheet>
The positive electrode sheet was formed by forming a green sheet having a thickness of about 20 μm on the aluminum current collector foil having a thickness of 15 μm from the positive electrode slurry by a doctor blade method. It dried at room temperature and punched with the belt punch, and the positive electrode sheet was obtained.

<固体電解質シートの作製>
固体電解質シートの成膜も正極同様に、スラリーをドクターブレード法、により、厚み約50μmのグリーンシートを成型した。
<Preparation of solid electrolyte sheet>
As with the positive electrode, the solid electrolyte sheet was formed into a green sheet having a thickness of about 50 μm by the doctor blade method.

前記固体電解質スラリーを離型処理が施されたPET等のキャリアフィルム上にギャプ300μmのドクターブレードで塗布し、室温で乾燥した後、ベルトポンチで打ち抜き、固体電解質シートを得た。   The solid electrolyte slurry was applied on a carrier film such as PET having been subjected to a release treatment with a doctor blade having a gap of 300 μm, dried at room temperature, and then punched with a belt punch to obtain a solid electrolyte sheet.

<全固体電池の作製>
得られたグリーンシートを、それぞれ80℃で24時間真空乾燥させた後、正極シートと固体電解質シートを積層し、油圧プレス機で350MPaの圧力でプレスして一体化した。その後アルゴン雰囲気で250℃で脱脂し、再びプレスすることによって、正極と固体電解質層とが一体化させた。
<Preparation of all-solid battery>
Each of the obtained green sheets was vacuum-dried at 80 ° C. for 24 hours, and then the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet were laminated, and pressed and unified with a hydraulic press at a pressure of 350 MPa. Then, the positive electrode and the solid electrolyte layer were integrated by degreasing at 250 ° C. in an argon atmosphere and pressing again.

この一体化した正極と固体電解質層をさらに290℃で加熱することで、LiBO−LiSOガラスを一部結晶化させて、高イオン伝導度のLiBO−LiSOガラスセラミクスとした、正極と固体電解質層が一体化した電極を得た。 By heating in this integral positive electrode and the solid electrolyte layer further 290 ℃, Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass by partially crystallized, the high ionic conductivity Li 3 BO 3 -Li 2 SO An electrode in which the positive electrode and the solid electrolyte layer were integrated as a 4- glass ceramic was obtained.

得られた電極に次のようにして負極層を接合した。固体電解質層側にインジウムを真空蒸着することで負極層を接合し、正極層、固体電解質層及び負極層からなる電極を得た。   The negative electrode layer was joined to the obtained electrode as follows. The negative electrode layer was joined by vacuum-depositing indium on the solid electrolyte layer side to obtain an electrode composed of a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer.

図6の作製した電極の電子顕微鏡写真を示す。図6より正極活物質が集電箔表面に埋め込まれていること、イオン伝導性を有する酸化物ガラスがプレス成型によって連続体となっていることが確認できた。   The electron micrograph of the produced electrode of FIG. 6 is shown. From FIG. 6, it was confirmed that the positive electrode active material was embedded in the surface of the current collector foil and that the oxide glass having ion conductivity became a continuous body by press molding.

図2に示すような、直径20mm、厚み3.2mmのコイン型電池を作製するためのステンレス製の正極側電池ケース1と負極側電池ケース2との間に作製し正極層6、固体電解質層7及び負極層8からなる電極を収納し、ウェーブワッシャー2およびスペーサー5と積層して、両電池ケースの周囲をガスケット3を介してかしめることで全固体電池を作製した。   As shown in FIG. 2, a positive electrode layer 6 and a solid electrolyte layer are prepared between a stainless steel positive electrode case 1 and a negative electrode case 2 for producing a coin-type battery having a diameter of 20 mm and a thickness of 3.2 mm. 7 and negative electrode layer 8 were housed, laminated with wave washer 2 and spacer 5, and the periphery of both battery cases was caulked through gasket 3 to produce an all-solid battery.

実施例2では、固体電解質スラリーを正極シート上に塗布して、正極シート及び固体電解質シートを一体化したグリーンシートを作製し、プレスすることなく脱脂したこと以外実施例1と同様に全固体電池を作製した。   In Example 2, the solid electrolyte slurry was applied on the positive electrode sheet to produce a green sheet in which the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet were integrated, and the all solid state battery was the same as in Example 1 except that it was degreased without pressing. Was made.

(比較例1)
実施例1と同様に正極スラリーを作製し、これを正極集電体ではなくキャリアフィム上に塗布、乾燥することにより、正極シートを作製した。実施例1と同様に作製した固体電解質シートを正極シートと張り合わせて加圧することで正極/固体電解質層を一体化したグリーンシートを作製した。これをアルゴン雰囲気、250℃で脱脂した後、プレスすることによって、正極と固体電解質層が一体化した電極を得た。
(Comparative Example 1)
A positive electrode slurry was prepared in the same manner as in Example 1, and this was applied to a carrier film rather than a positive electrode current collector and dried to prepare a positive electrode sheet. The solid electrolyte sheet produced in the same manner as in Example 1 was laminated with the positive electrode sheet and pressed to produce a green sheet in which the positive electrode / solid electrolyte layer was integrated. This was degreased at 250 ° C. in an argon atmosphere, and then pressed to obtain an electrode in which the positive electrode and the solid electrolyte layer were integrated.

作製した電極に実施例1と同様にして負極層を接合し、正極シート側には正極集電体は特に設置せず、直接コインセルのスペーサーに接触させることにより全固体電池を作製した。   A negative electrode layer was joined to the produced electrode in the same manner as in Example 1, and a positive electrode current collector was not particularly installed on the positive electrode sheet side, and an all solid battery was produced by directly contacting a spacer of a coin cell.

<直流抵抗の測定>
作製した実施例1、2及び比較例1の全固体電池について内部直流抵抗を測定した。測定方法および結果を以下に説明する。
<Measurement of DC resistance>
The internal direct current resistance was measured for the produced all solid state batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. The measurement method and results will be described below.

まず、電池を80℃の恒温槽に配置した。各電池について、電池の理論容量に対して負荷率0.02Cの電流値で3.6まで充電し、1時間後の開回路電圧を求めた。続いて、0.02C、0.04C、0.2C、0.4Cの負荷率で放電したときの10秒後の電圧低下量から最大電流を算出し、ΔV0.02C、ΔV0.04C、ΔV0.2C、ΔV0.4Cを求めた。   First, the battery was placed in a constant temperature bath at 80 ° C. About each battery, it charged to 3.6 with the electric current value of the load factor of 0.02C with respect to the theoretical capacity | capacitance of the battery, and calculated | required the open circuit voltage after 1 hour. Subsequently, the maximum current is calculated from the amount of voltage drop after 10 seconds when discharging is performed at load factors of 0.02C, 0.04C, 0.2C, and 0.4C, and ΔV0.02C, ΔV0.04C, ΔV0. 2C and ΔV0.4C were determined.

各電流値でのΔVを縦軸に、対応する電流値を横軸に記載したグラフにおける各点を、最小二乗法により直線近似し、その傾きを電池の直流抵抗Rとした。   Each point in the graph in which ΔV at each current value is plotted on the vertical axis and the corresponding current value is plotted on the horizontal axis is linearly approximated by the least square method, and the slope is defined as the DC resistance R of the battery.

測定結果を表1に示す。   The measurement results are shown in Table 1.

Figure 2018142406
Figure 2018142406

表1に示すように、アルミニウム集電体に直接正極を塗布してプレスした実施例1及び2の全固体電池は、アルミニウム集電体に直接正極を塗布しなかった比較例1の電池よりも低い直流抵抗を示した。この結果から、集電体に正極活物質を埋め込み接触面積増加させることで、集電体と正極活物質の電子伝導性を改善できることがわかる。   As shown in Table 1, the all solid state batteries of Examples 1 and 2 in which the positive electrode was directly applied to the aluminum current collector and pressed were more than the battery of Comparative Example 1 in which the positive electrode was not directly applied to the aluminum current collector. It showed a low DC resistance. From this result, it is understood that the electron conductivity of the current collector and the positive electrode active material can be improved by embedding the positive electrode active material in the current collector and increasing the contact area.

1…正極側電池ケース、2…負極側電池ケース、3…ガスケット、4…ウェーブワッシャー、5…スペーサー、6…負極層、8…正極層、9…集電体、10…正極活物質、11…固体電解質、12…負極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode side battery case, 2 ... Negative electrode side battery case, 3 ... Gasket, 4 ... Wave washer, 5 ... Spacer, 6 ... Negative electrode layer, 8 ... Positive electrode layer, 9 ... Current collector, 10 ... Positive electrode active material, 11 ... Solid electrolyte, 12 ... Negative electrode

Claims (11)

正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層の間に配置された固体電解質層と、を備える全固体電池であって、
前記正極層は、正極集電体と、前記正極集電体表面に設けられ、正極活物質とイオン伝導性を有する酸化物ガラスとを含む正極合材層と、を備え、
前記正極集電体の表面には、前記正極活物質が埋め込まれていることを特徴とする全固体電池。
An all solid state battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The positive electrode layer includes a positive electrode current collector, and a positive electrode mixture layer provided on a surface of the positive electrode current collector and including a positive electrode active material and an oxide glass having ion conductivity,
An all solid state battery, wherein the positive electrode active material is embedded in a surface of the positive electrode current collector.
請求項1に記載の全固体電池であって、
前記正極集電体は、Al又はAl合金からなることを特徴とする全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1,
The all-solid-state battery, wherein the positive electrode current collector is made of Al or an Al alloy.
請求項1又は2に記載の全固体電池であって、
前記酸化物ガラスのヤング率は40GPa以上60GPa以下であることを特徴とする全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1 or 2,
The oxide glass has an Young's modulus of 40 GPa or more and 60 GPa or less.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の全固体電池であって、
前記酸化物ガラスは、結晶相を含むことを特徴とする全固体電池。
An all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3,
The oxide glass includes a crystal phase, and is an all solid state battery.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の全固体電池であって、
前記酸化物ガラスは、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸素を含むことを特徴とする全固体電池。
The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4,
The oxide glass includes lithium, boron, sulfur, and oxygen.
請求項5に記載の全固体電池であって、
前記酸化物ガラスは、LiBO及びLiSOを含むことを特徴とする全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 5,
The oxide glass includes Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 .
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の全固体電池であって、
前記固体電解質層の厚さは100μm以下であることを特徴とする全固体電池。
The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 6,
The all-solid-state battery, wherein the solid electrolyte layer has a thickness of 100 μm or less.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の全固体電池の製造方法であって、
正極活物質と、前記酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む正極スラリーを前記正極集電体上に塗布乾燥して正極シートを作製する工程と、
前記酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーをシート状に成型して固体電解質シートを作製する工程と、
前記正極シートと前記固体電解質シートを積層する積層工程と、
前記積層工程により得られた積層体を、加圧する前に前記酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、
前記脱脂工程により得られた積層体を前記酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、
を備えることを特徴とする全固体電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the all-solid-state battery as described in any one of Claims 1 thru | or 7, Comprising:
A positive electrode slurry containing a positive electrode active material, the oxide glass, a binder whose decomposition temperature is lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent is applied and dried on the positive electrode current collector to produce a positive electrode sheet. And a process of
Forming a solid electrolyte slurry by forming a solid electrolyte slurry containing the oxide glass, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent;
A lamination step of laminating the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet;
A degreasing step in which the laminate obtained by the laminating step is degreased at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass before being pressurized, and then pressurized.
A crystallization step of heating the laminated body obtained by the degreasing step at a crystallization temperature of the oxide glass or more and less than 300 ° C .;
A method for producing an all-solid-state battery.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の全固体電池の製造方法であって、
正極活物質と、前記酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む正極スラリーを前記正極集電体上に塗布乾燥して正極シートを作製する工程と、
前記酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーを前記正極シート上に塗布乾燥して正極シートと固体電解質シートの積層体を得る工程と、
前記積層体を、加圧する前に前記酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、
前記脱脂工程後に前記酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、
を備えることを特徴とする全固体電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the all-solid-state battery as described in any one of Claims 1 thru | or 7, Comprising:
A positive electrode slurry containing a positive electrode active material, the oxide glass, a binder whose decomposition temperature is lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent is applied and dried on the positive electrode current collector to produce a positive electrode sheet. And a process of
A solid electrolyte slurry containing the oxide glass, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent is applied onto the positive electrode sheet and dried to form a laminate of the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet. Obtaining a step;
A degreasing step in which the laminate is degreased at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass before being pressurized;
A crystallization step of heating at a crystallization temperature of the oxide glass at a temperature higher than 300 ° C. after the degreasing step;
A method for producing an all-solid-state battery.
請求項8又は9に記載の全固体電池の製造方法であって、
前記結晶化工程後に、前記固体電解質シートに負極層を接合する工程を備えることを特徴とする全固体電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the all-solid-state battery according to claim 8 or 9,
After the said crystallization process, the process of joining a negative electrode layer to the said solid electrolyte sheet is provided, The manufacturing method of the all-solid-state battery characterized by the above-mentioned.
請求項8乃至10のいずれか一項に記載の全固体電池の製造方法であって、
前記バインダは、メチルセルロース又はメチルブタントリオールであることを特徴とする全固体電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the all-solid-state battery according to any one of claims 8 to 10,
The method for manufacturing an all-solid battery, wherein the binder is methylcellulose or methylbutanetriol.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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