JP2020004685A - All-solid battery - Google Patents

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Abstract

To provide an all-solid battery which can achieve a satisfactory initial discharge capacity chiefly.SOLUTION: The disclosure hereof solves the above problem by providing an all-solid battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive and negative electrode layers. In the all-solid battery, the positive electrode layer contains a positive electrode active substance having a composition represented by LiNiCoMnO(1.15≤x≤1.55, a+b+c=1, 0≤a≤0.85, 0≤b≤0.85, 0.15≤c≤0.70, and y is a value determined to meet the requirement of neutrality of electricity), and the negative electrode layer contains a Si-based active substance. The all-solid battery satisfies 2≤A≤5.5 where a capacity ratio of a negative electrode capacity to a positive electrode capacity is A. As to the positive electrode active substance, the all-solid battery satisfies 0.1083A+0.9085≤Li/Me where Li/Me represents a mole ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li).SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、全固体電池に関する。   The present disclosure relates to all solid state batteries.

全固体電池は、正極層および負極層の間に固体電解質層を有する電池であり、可燃性の有機溶媒を含む電解液を有する液系電池に比べて、安全装置の簡素化が図りやすいという利点を有する。   The all-solid-state battery has a solid electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and has an advantage that the safety device can be simplified more easily than a liquid battery having an electrolyte containing a flammable organic solvent. Having.

一方、全固体電池に関する技術ではないものの、特許文献1には、非水電解質二次電池を充電・放電させて活性化する活性化工程を含む非水電解質二次電池の製造方法であって、上記非水電解質二次電池が、固溶体正極とSi系負極とを備え、上記固溶体正極が、[Li1.5][Li{0.5(1−x)}Mn1−x1.5x]Oで表される活物質を含むものであり、上記活性化工程が、初回充電の際、最大電圧に到達するまでに、印加する充電電流値を高い充電電流値に一回以上切り替える処理であり、上記充電電流値の一回目の切り替えを、充電電圧が3.75V以上4.52V以下で行うことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法が開示されている。 On the other hand, although not related to an all-solid-state battery, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery including an activation step of activating the non-aqueous electrolyte secondary battery by charging and discharging, The non-aqueous electrolyte secondary battery includes a solid solution positive electrode and a Si-based negative electrode, and the solid solution positive electrode includes [Li 1.5 ] [Li {0.5 (1-x)} Mn 1-x M 1.5x A process in which the activation step switches the applied charging current value to a higher charging current value one or more times before reaching the maximum voltage during the initial charging, in which the active material represented by O 3 is included. A method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized in that the first switching of the charging current value is performed at a charging voltage of 3.75 V or more and 4.52 V or less.

特開2018−055901号公報JP 2018-055901 A 特開2013−243116号公報JP 2013-243116 A

初回放電容量が良好な全固体電池が求められている。本開示は、上記実情に鑑みてなされものであり、初回放電容量が良好な全固体電池を提供することを主目的とする。   There is a need for an all-solid-state battery having a good initial discharge capacity. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and has as its main object to provide an all-solid-state battery having a good initial discharge capacity.

上記課題を解決するために、本開示においては、正極層と、負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、上記正極層は、LiNiCoMn(1.15≦x≦1.55、a+b+c=1、0≦a≦0.85、0≦b≦0.85、0.15≦c≦0.70、yは電荷中性を満たすように定まる値である)で表される組成を有する正極活物質を含有し、上記負極層は、Si系活物質を含有し、正極容量に対する負極容量の容量比をAとした場合に、2≦A≦5.5を満たし、上記正極活物質において、Me(MeはLi以外の金属元素)に対するLiのモル比をLi/Meとした場合に、0.1083A+0.9085≦Li/Meを満たす、全固体電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure relates to an all-solid battery including a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode layer is, Li x Ni a Co b Mn c O y (1.15 ≦ x ≦ 1.55, a + b + c = 1,0 ≦ a ≦ 0.85,0 ≦ b ≦ 0.85,0.15 ≦ c ≦ 0 .70, y is a value determined so as to satisfy charge neutrality), the negative electrode layer contains a Si-based active material, and the negative electrode capacity with respect to the positive electrode capacity is included. When the capacity ratio is A, 2 ≦ A ≦ 5.5 is satisfied, and when the molar ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li) in the positive electrode active material is Li / Me, 0 is satisfied. .1083A + 0.9085 ≦ Li / Me is provided.

本開示によれば、容量比Aおよびモル比Li/Meが、所定の関係を満たすことにより、初回放電容量が良好な全固体電池とすることができる。   According to the present disclosure, when the capacity ratio A and the molar ratio Li / Me satisfy a predetermined relationship, an all-solid-state battery having a good initial discharge capacity can be obtained.

本開示における全固体電池は、初回放電容量が良好であるという効果を奏する。   The all solid state battery according to the present disclosure has an effect that the initial discharge capacity is good.

本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of an all solid state battery according to the present disclosure. Li/Me比と、初回放電容量との関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a Li / Me ratio and an initial discharge capacity. 容量比Aと、Li/Me比との関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a capacity ratio A and a Li / Me ratio.

以下、本開示における全固体電池について、詳細に説明する。   Hereinafter, the all solid state battery according to the present disclosure will be described in detail.

図1は、本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す全固体電池10は、正極層1と、負極層2と、正極層1および負極層2の間に形成された固体電解質層3とを有する。さらに、全固体電池10は、正極層1の集電を行う正極集電体4と、負極層2の集電を行う負極集電体5とを有する。正極層1は所定の組成を有する正極活物質を含有し、負極層2はSi系活物質を含有する。また、正極容量に対する負極容量の容量比をAとした場合に、容量比Aが所定の範囲内にある。また、上記正極活物質において、Me(MeはLi以外の金属元素)に対するLiのモル比をLi/Meとした場合に、容量比AおよびLi/Meが、所定の関係を満たす。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the all solid state battery according to the present disclosure. The all-solid-state battery 10 shown in FIG. 1 has a positive electrode layer 1, a negative electrode layer 2, and a solid electrolyte layer 3 formed between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2. Further, the all-solid-state battery 10 includes a positive electrode current collector 4 that collects the current of the positive electrode layer 1 and a negative electrode current collector 5 that collects the current of the negative electrode layer 2. The positive electrode layer 1 contains a positive electrode active material having a predetermined composition, and the negative electrode layer 2 contains a Si-based active material. When the capacity ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity is A, the capacity ratio A is within a predetermined range. In the positive electrode active material, when the molar ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li) is Li / Me, the capacity ratio A and Li / Me satisfy a predetermined relationship.

本開示によれば、容量比Aおよびモル比Li/Meが、所定の関係を満たすことにより、初回放電容量が良好な全固体電池とすることができる。ここで、Si系活物質は、高容量な負極活物質として知られているが、充放電時の体積変化が大きいことから、負極層にクラックが生じたり、負極層からSi系活物質が滑落したりしやすい。これに対して、正極容量に対する負極容量の容量比を大きくすることで、負極層全体としての体積変化が緩和され、負極層にクラックが生じたり、負極層からSi系活物質が滑落したりすることを抑制できる。   According to the present disclosure, when the capacity ratio A and the molar ratio Li / Me satisfy a predetermined relationship, an all-solid-state battery having a good initial discharge capacity can be obtained. Here, the Si-based active material is known as a high-capacity negative electrode active material. However, since the volume change during charge / discharge is large, cracks occur in the negative electrode layer or the Si-based active material slides down from the negative electrode layer. Easy to do. On the other hand, by increasing the capacity ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity, the volume change of the entire negative electrode layer is reduced, cracks are generated in the negative electrode layer, or the Si-based active material slides down from the negative electrode layer. Can be suppressed.

一方、Si系活物質は、初回充電時にLiと反応するが、初回放電時にSi系活物質からLiが脱離せず、Liが固定化される場合がある(Li失活)。特に、正極容量に対する負極容量の容量比Aを大きくすると、Si系活物質によるLi失活の影響が大きくなる。これに対して、正極活物質として、通常よりもLiを豊富に有する正極活物質を用いると、Si系活物質によるLi失活が生じたとしても、電池の実容量(2サイクル目以降の容量)を向上させることができる。本開示においては、容量比A、正極活物質におけるLi/Me比、および、初回放電容量の間に、一定の相関が見られることを見出した。具体的には、ある容量比Aに対して、Li/Me比を所定値以上に設定することで、初回放電容量として、最大の容量を引き出せることを見出した。このように、本開示によれば、容量比Aおよびモル比Li/Meが、所定の関係を満たすことにより、初回放電容量が良好な全固体電池とすることができる。   On the other hand, the Si-based active material reacts with Li at the time of the first charge, but Li may not be desorbed from the Si-based active material at the time of the first discharge and Li may be fixed (Li deactivation). In particular, when the capacity ratio A of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity is increased, the influence of Li deactivation by the Si-based active material increases. On the other hand, if a positive electrode active material having a greater amount of Li than usual is used as the positive electrode active material, the actual capacity of the battery (capacity after the second cycle or later, even if Li deactivation occurs due to the Si-based active material) ) Can be improved. In the present disclosure, it has been found that a certain correlation is found between the capacity ratio A, the Li / Me ratio in the positive electrode active material, and the initial discharge capacity. Specifically, it has been found that by setting the Li / Me ratio to a predetermined value or more for a certain capacity ratio A, the maximum capacity can be drawn out as the initial discharge capacity. As described above, according to the present disclosure, when the capacity ratio A and the molar ratio Li / Me satisfy the predetermined relationship, an all-solid-state battery having a good initial discharge capacity can be obtained.

また、正極容量に対する負極容量の容量比を、容量比Aとする。負極容量は、負極活物質の理論容量に、負極活物質の量を乗じることにより得られる。一方、正極容量は、正極活物質の充電容量に、正極活物質の量を乗じることにより得られる。正極活物質の充電容量は、対極を金属Liとした単極圧粉セルを作製し、0.1CでCCCV充電(1/100Cカットまたは20時間カット)を行い、得られる初回充電容量を、正極活物質の充電容量とする。容量比Aは、例えば2以上であり、2.5以上であってもよい。一方、容量比Aは、例えば5.5以下であり、5.0以下であってもよい。   The capacity ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity is defined as a capacity ratio A. The negative electrode capacity is obtained by multiplying the theoretical capacity of the negative electrode active material by the amount of the negative electrode active material. On the other hand, the positive electrode capacity is obtained by multiplying the charge capacity of the positive electrode active material by the amount of the positive electrode active material. The charge capacity of the positive electrode active material was determined by preparing a monopolar compact cell using metal Li as the counter electrode, performing CCCV charge at 0.1 C (1/100 C cut or 20 hours cut), and calculating the obtained initial charge capacity by the positive electrode. The charge capacity of the active material. The capacity ratio A is, for example, 2 or more, and may be 2.5 or more. On the other hand, the capacity ratio A is, for example, 5.5 or less, and may be 5.0 or less.

また、上記正極活物質において、Me(MeはLi以外の金属元素)に対するLiのモル比をLi/Meとする。なお、モル比Li/Meを、Li/Me比と称する場合がある。本開示における全固体電池は、通常、0.1083A+0.9085≦Li/Meを満たす。   In the positive electrode active material, the molar ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li) is defined as Li / Me. The molar ratio Li / Me may be referred to as a Li / Me ratio. The all solid state battery in the present disclosure generally satisfies 0.1083A + 0.9085 ≦ Li / Me.

1.正極層
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。
1. Positive electrode layer The positive electrode layer is a layer containing at least a positive electrode active material. Further, the positive electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder, if necessary.

正極層は、正極活物質として、LiNiCoMn(1.15≦x≦1.55、a+b+c=1、0≦a≦0.85、0≦b≦0.85、0.15≦c≦0.70、yは電荷中性を満たすように定まる値である)で表される組成を有する正極活物質を含有する。以下、この正極活物質をNCM活物質と称する場合がある。NCM活物質は、少量の金属元素をさらに含有していてもよい。少量の金属元素としては、例えば、Al元素、W元素、Zr元素が挙げられる。少量の金属元素の割合は、NCM活物質に含まれる全ての金属元素に対して、例えば、10mol%以下であり、5mol%以下であってもよい。 Positive electrode layer, as a cathode active material, Li x Ni a Co b Mn c O y (1.15 ≦ x ≦ 1.55, a + b + c = 1,0 ≦ a ≦ 0.85,0 ≦ b ≦ 0.85, 0.15 ≦ c ≦ 0.70, y is a value determined so as to satisfy the charge neutrality). Hereinafter, this positive electrode active material may be referred to as an NCM active material. The NCM active material may further contain a small amount of a metal element. Examples of the small amount of metal element include an Al element, a W element, and a Zr element. The ratio of the small amount of the metal element is, for example, 10 mol% or less, and may be 5 mol% or less with respect to all the metal elements contained in the NCM active material.

上記xは、例えば1.15以上であり、1.20以上であってもよい。一方、上記xは、例えば1.55以下であり、1.50以下であってもよい。上記yは、電荷中性を満たすように定まる値であり、NCM活物質の組成によって異なる。上記yは、例えば2より大きい。一方、上記yは、例えば3以下である。   X is, for example, 1.15 or more, and may be 1.20 or more. On the other hand, the x is, for example, 1.55 or less, and may be 1.50 or less. The y is a value determined so as to satisfy the charge neutrality, and varies depending on the composition of the NCM active material. The y is greater than 2, for example. On the other hand, the above y is, for example, 3 or less.

上記aは、0であってもよく、0より大きくてもよい。後者の場合、上記aは、例えば0.10以上であり、0.15以上であってもよい。一方、上記aは、例えば0.85以下であり、0.70以下であってもよく、0.50以下であってもよい。上記bは、0であってもよく、0より大きくてもよい。後者の場合、上記bは、例えば0.10以上であり、0.15以上であってもよい。一方、上記bは、例えば0.85以下であり、0.70以下であってもよく、0.50以下であってもよい。上記cは、例えば0.15以上であり、0.20以上であってもよく、0.25以上であってもよい。一方、上記cは、例えば0.70以下であり、0.60以下であってもよく、0.50以下であってもよい。   The above a may be 0 or may be larger than 0. In the latter case, the value a is, for example, 0.10 or more, and may be 0.15 or more. On the other hand, the value a is, for example, 0.85 or less, may be 0.70 or less, or may be 0.50 or less. The above b may be 0 or may be larger than 0. In the latter case, b is, for example, 0.10 or more, and may be 0.15 or more. On the other hand, b is, for example, 0.85 or less, may be 0.70 or less, or may be 0.50 or less. The above c is, for example, 0.15 or more, may be 0.20 or more, or may be 0.25 or more. On the other hand, c is, for example, 0.70 or less, may be 0.60 or less, or may be 0.50 or less.

また、NCM活物質において、Me(MeはLi以外の金属元素)に対するLiのモル比をLi/Meとする。Li/Meの値は、例えば1.15以上であり、1.20以上であってもよい。Li/Meの値が小さすぎると、初回放電容量が十分に向上しない可能性がある。一方、Li/Meの値は、例えば1.55以下であり、1.50以下であってもよい。Li/Meの値が大きすぎると、初回充電においてNCM活物質からLiが脱離する際に、NCM活物質において不可逆的な構造変化(例えば酸素脱離)が生じ、初回放電時に反応可能なLi量が低下する可能性がある。   In the NCM active material, the molar ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li) is defined as Li / Me. The value of Li / Me is, for example, 1.15 or more, and may be 1.20 or more. If the value of Li / Me is too small, the initial discharge capacity may not be sufficiently improved. On the other hand, the value of Li / Me is, for example, 1.55 or less, and may be 1.50 or less. If the value of Li / Me is too large, when Li desorbs from the NCM active material during the first charge, an irreversible structural change (for example, oxygen desorption) occurs in the NCM active material, and Li that can react during the first discharge is generated. The amount may decrease.

正極層は、正極活物質として、NCM活物質のみを含有していてもよく、他の活物質を含有していてもよい。後者の場合、全ての正極活物質におけるNCM活物質の割合が、50重量%以上であってもよく、70重量%以上であってもよく、90重量%以上であってもよい。   The positive electrode layer may contain only the NCM active material as the positive electrode active material, or may contain another active material. In the latter case, the proportion of the NCM active material in all the positive electrode active materials may be 50% by weight or more, 70% by weight or more, or 90% by weight or more.

また、正極活物質の表面は、コート層で被覆されていてもよい。コート層により、正極活物質と固体電解質(特に硫化物固体電解質)とが反応することを抑制できる。コート層としては、例えば、LiNbO、LiPO、LiPON等のLi含有酸化物が挙げられる。コート層の厚さは、例えば1nm以上である。一方、コート層の厚さは、例えば20nm以下であり、10nm以下であってもよい。 Further, the surface of the positive electrode active material may be covered with a coat layer. The reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte (particularly, a sulfide solid electrolyte) can be suppressed by the coat layer. Examples of the coat layer include Li-containing oxides such as LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , and LiPON. The thickness of the coat layer is, for example, 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coat layer is, for example, 20 nm or less, and may be 10 nm or less.

正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば、0.1μm以上、50μm以下である。なお、平均粒径は、例えば、レーザー回折式粒度分布計、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定から算出できる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include a particle shape. The average particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, 0.1 μm or more and 50 μm or less. The average particle size can be calculated, for example, from measurement using a laser diffraction particle size distribution meter or a scanning electron microscope (SEM).

正極層における正極活物質の割合は、例えば20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、正極層における正極活物質の割合は、95重量%以下であり、90重量%以下であってもよく、80重量%以下であってもよい。   The ratio of the positive electrode active material in the positive electrode layer is, for example, 20% by weight or more, may be 30% by weight or more, or may be 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the positive electrode active material in the positive electrode layer is 95% by weight or less, may be 90% by weight or less, or may be 80% by weight or less.

また、正極層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。上記固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質等の無機固体電解質が挙げられる。硫化物固体電解質としては、例えば、Li元素、X元素(Xは、P、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、Inの少なくとも一種である)、および、S元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質は、O元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。また、酸化物固体電解質としては、例えば、Li元素、Y元素(Yは、Nb、B、Al、Si、P、Ti、Zr、Mo、W、Sの少なくとも一種である)、および、O元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、窒化物固体電解質としては、例えばLiNが挙げられ、ハロゲン化物固体電解質としては、例えばLiCl、LiI、LiBrが挙げられる。 Further, the positive electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder, if necessary. Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes such as a sulfide solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, a nitride solid electrolyte, and a halide solid electrolyte. Examples of the sulfide solid electrolyte include a solid electrolyte containing a Li element, an X element (X is at least one of P, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, and In), and an S element. No. Further, the sulfide solid electrolyte may further contain at least one of an O element and a halogen element. Examples of the oxide solid electrolyte include a Li element, a Y element (Y is at least one of Nb, B, Al, Si, P, Ti, Zr, Mo, W, and S) and an O element. And a solid electrolyte containing the same. Examples of the nitride solid electrolyte include Li 3 N, and examples of the halide solid electrolyte include LiCl, LiI, and LiBr.

上記導電材としては、例えば、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の繊維状炭素材料が挙げられる。   Examples of the conductive material include a carbon material. Examples of the carbon material include a particulate carbon material such as acetylene black (AB) and Ketjen black (KB), and a fibrous carbon material such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber (CNF). .

上記バインダーとしては、例えば、ブチレンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ化物系バインダーが挙げられる。   Examples of the binder include a rubber-based binder such as butylene rubber (BR) and styrene-butadiene rubber (SBR), and a fluoride-based binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

正極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。正極層の形成方法としては、例えば、正極活物質および分散媒を少なくとも含有するスラリーを塗工し、乾燥する方法が挙げられる。   The thickness of the positive electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. Examples of the method for forming the positive electrode layer include a method of applying a slurry containing at least a positive electrode active material and a dispersion medium and drying the slurry.

2.負極層
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。
2. Negative electrode layer The negative electrode layer is a layer containing at least a negative electrode active material. Further, the negative electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder, if necessary.

負極層は、負極活物質として、Si系活物質を含有する。Si系活物質は、Liと合金化可能な活物質であることが好ましい。Si系活物質としては、例えば、Si単体、Si合金、Si酸化物が挙げられる。Si合金は、Si元素を主成分として含有することが好ましい。Si合金中のSi元素の割合は、例えば、50mol%以上であってもよく、70mol%以上であってもよく、90mol%以上であってもよい。Si酸化物としては、例えばSiOが挙げられる。   The negative electrode layer contains a Si-based active material as a negative electrode active material. The Si-based active material is preferably an active material that can be alloyed with Li. Examples of the Si-based active material include simple Si, a Si alloy, and a Si oxide. The Si alloy preferably contains a Si element as a main component. The ratio of the Si element in the Si alloy may be, for example, 50 mol% or more, 70 mol% or more, or 90 mol% or more. An example of the Si oxide is SiO.

負極層は、負極活物質として、Si系活物質のみを含有していてもよく、他の活物質を含有していてもよい。後者の場合、全ての負極活物質におけるSi系活物質の割合が、50重量%以上であってもよく、70重量%以上であってもよく、90重量%以上であってもよい。   The negative electrode layer may contain only the Si-based active material as the negative electrode active material, or may contain another active material. In the latter case, the proportion of the Si-based active material in all the negative electrode active materials may be 50% by weight or more, 70% by weight or more, or 90% by weight or more.

負極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。負極活物質の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、例えば10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば50μm以下であり、20μm以下であってもよい。 Examples of the shape of the negative electrode active material include a particle shape. The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 10 nm or more, and may be 100 nm or more. On the other hand, the average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is, for example, 50 μm or less, and may be 20 μm or less.

負極層における負極活物質の割合は、例えば、20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、負極活物質の割合は、例えば、80重量%以下であり、70重量%以下であってもよく、60重量%以下であってもよい。   The ratio of the negative electrode active material in the negative electrode layer is, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, or 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the negative electrode active material is, for example, 80% by weight or less, 70% by weight or less, or 60% by weight or less.

負極層に用いられる、固体電解質、導電材およびバインダーについては、上記「1.正極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。   The solid electrolyte, conductive material, and binder used for the negative electrode layer are the same as those described in the above “1. Positive electrode layer”, and thus description thereof is omitted here.

負極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。負極層の形成方法としては、例えば、負極活物質および分散媒を少なくとも含有するスラリーを塗工し、乾燥する方法が挙げられる。   The thickness of the negative electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. Examples of the method for forming the negative electrode layer include a method of applying a slurry containing at least a negative electrode active material and a dispersion medium and drying the slurry.

3.固体電解質層
固体電解質層は、正極層および負極層の間に配置される層である。固体電解質層は、固体電解質を少なくとも含有し、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質、バインダーおよびLiイオン伝導性材料については、上記「1.正極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。中でも、固体電解質層は、固体電解質として硫化物固体電解質を含有することが好ましい。
3. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer is a layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The solid electrolyte layer contains at least a solid electrolyte, and may contain a binder if necessary. The solid electrolyte, the binder, and the Li ion conductive material are the same as those described in the above “1. Positive electrode layer”, and thus description thereof will be omitted. Above all, the solid electrolyte layer preferably contains a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte.

固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質を圧縮成形する方法が挙げられる。   The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. As a method of forming the solid electrolyte layer, for example, a method of compression-molding a solid electrolyte can be mentioned.

4.その他の部材
本開示における全固体電池は、上述した負極層、正極層および固体電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極層の集電を行う正極集電体、および、負極層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボンが挙げられる。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボンが挙げられる。なお、正極集電体および負極集電体の厚さ、形状については、電池の用途に応じて適宜選択することが好ましい。また、本開示における全固体電池は、上述した負極層、正極層および固体電解質層を収納する電池ケースを有していてもよい。
4. Other Members The all-solid-state battery in the present disclosure has at least the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the solid electrolyte layer described above. Further usually, it has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material of the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Note that the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected depending on the use of the battery. In addition, the all-solid-state battery according to the present disclosure may include a battery case that houses the above-described negative electrode layer, positive electrode layer, and solid electrolyte layer.

5.全固体電池
本開示における全固体電池は、全固体リチウム電池であることが好ましい。また、本開示における全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。また、本開示における全固体電池は、単層電池であってもよく、積層電池であってもよい。積層電池は、モノポーラ型積層電池(並列接続型の積層電池)であってもよく、バイポーラ型積層電池(直列接続型の積層電池)であってもよい。全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型が挙げられる。
5. All-solid-state battery The all-solid-state battery in the present disclosure is preferably an all-solid-state lithium battery. Further, the all-solid-state battery in the present disclosure may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as a vehicle-mounted battery. Further, the all-solid-state battery in the present disclosure may be a single-layer battery or a stacked battery. The stacked battery may be a monopolar stacked battery (a parallel-connected stacked battery) or a bipolar stacked battery (a series-connected stacked battery). Examples of the shape of the all solid state battery include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。   Note that the present disclosure is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure, and any device having the same function and effect can be realized by the present invention. It is within the technical scope of the disclosure.

[製造例]
(1−z)LiNi0.33Co0.33Mn0.33−zLiMnOで表される組成を有する正極活物質を作製した。具体的には、水酸化リチウムと炭酸マンガンと水酸化コバルトと水酸化ニッケルとを所定のモル比となるように秤量したのち混合し、これを酸素気流中において800℃で10時間焼成することにより、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を合成した。このようにして、z=0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55の正極活物質をそれぞれ作製した。
[Production example]
(1-z) A positive electrode active material having a composition represented by LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 -zLi 2 MnO 3 was produced. Specifically, lithium hydroxide, manganese carbonate, cobalt hydroxide, and nickel hydroxide are weighed so as to have a predetermined molar ratio, then mixed, and fired at 800 ° C. for 10 hours in an oxygen stream. To synthesize lithium nickel cobalt manganese oxide. Thus, z = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40, 0.45, 0.50, 0 .55 were produced.

[比較例1]
(正極構造体の作製)
正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3、z=0)および硫化物固体電解質(LiI−LiO−LiS−P)を、正極活物質:硫化物固体電解質=75:25の重量比で秤量した。その後、正極活物質100重量部に対して、PVDF−HFPバインダー(Solvay社製Soref 21510)が1.5重量部、導電材(VGCF、昭和電工社製)が3.0重量部となるように秤量した。これらの材料を混合し、酪酸ブチルを添加し、固形分率が63重量%となるように調整した。その後、超音波ホモジナイザーを用いて1分間混練し、正極スラリーを得た。得られた正極スラリーを、正極集電体(Al箔、昭和電工社製)の表面に、アプリケータ(350μm)を用いて塗工し、5分間自然乾燥し、100℃で5分間加熱乾燥した。その後、25℃、線圧1ton/cmでロールプレスし、正極集電体および正極層を有する正極構造体を得た。
[Comparative Example 1]
(Preparation of positive electrode structure)
A positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , z = 0) and a sulfide solid electrolyte (LiI-Li 2 O-Li 2 SP 2 S 5 ) were added to the positive electrode active material: The sulfide solid electrolyte was weighed at a weight ratio of 75:25. Thereafter, with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material, 1.5 parts by weight of the PVDF-HFP binder (Soref 21510 manufactured by Solvay) and 3.0 parts by weight of the conductive material (VGCF, manufactured by Showa Denko KK) were used. Weighed. These materials were mixed, butyl butyrate was added, and the solid content was adjusted to 63% by weight. Thereafter, the mixture was kneaded for 1 minute using an ultrasonic homogenizer to obtain a positive electrode slurry. The obtained positive electrode slurry was applied to the surface of a positive electrode current collector (Al foil, manufactured by Showa Denko KK) using an applicator (350 μm), air-dried for 5 minutes, and heated and dried at 100 ° C. for 5 minutes. . Thereafter, roll pressing was performed at 25 ° C. and a linear pressure of 1 ton / cm to obtain a positive electrode structure having a positive electrode current collector and a positive electrode layer.

(負極構造体の作製)
負極活物質(Si)および硫化物固体電解質(LiI−LiO−LiS−P)を、負極活物質:硫化物固体電解質=58:42の重量比で秤量した。その後、負極活物質100重量部に対して、濃度5重量%のバインダー溶液(クレハ社製PVDF系バインダーを含む酪酸ブチル溶液)をバインダーが1.5重量部となるように秤量した。さらに、負極活物質100重量部に対して、導電材(VGCF)が3.0重量部となるように秤量した。これらの材料を混合し、酪酸ブチルを添加し、固形分率が63重量%となるように調整した。その後、超音波ホモジナイザーを用いて1分間混練し、負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを、負極集電体(Cu箔)の表面に、アプリケータを用いて塗工し、5分間自然乾燥し、100℃で5分間加熱乾燥した。その後、25℃、線圧1ton/cmでロールプレスし、負極集電体および負極層を有する負極構造体を得た。
(Preparation of negative electrode structure)
Negative electrode active material (Si) and the sulfide solid electrolyte (LiI-Li 2 O-Li 2 S-P 2 S 5), the negative electrode active material: and weighed 42 weight ratio of: sulfide solid electrolyte = 58. Thereafter, a binder solution having a concentration of 5% by weight (a butyl butyrate solution containing a PVDF-based binder manufactured by Kureha Corporation) was weighed to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material. Further, the conductive material (VGCF) was weighed so as to be 3.0 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. These materials were mixed, butyl butyrate was added, and the solid content was adjusted to 63% by weight. Thereafter, the mixture was kneaded for 1 minute using an ultrasonic homogenizer to obtain a negative electrode slurry. The obtained negative electrode slurry was applied to the surface of a negative electrode current collector (Cu foil) using an applicator, air-dried for 5 minutes, and heated and dried at 100 ° C. for 5 minutes. Thereafter, roll pressing was performed at 25 ° C. and a linear pressure of 1 ton / cm to obtain a negative electrode structure having a negative electrode current collector and a negative electrode layer.

正極容量に対する負極容量の容量比は、負極スラリー塗工時に、アプリケータのギャップ調整(250μm〜800μm)を行うことにより、変化させた。なお、容量比Aは、容量比A=(負極活物質の理論容量×負極活物質量)/(正極活物質の充電容量×正極活物質量)で定義される。容量比は、それぞれ、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5とした。なお、正極活物質の充電容量は、4.7V充電容量に相当する。   The capacity ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity was changed by adjusting the gap of the applicator (250 μm to 800 μm) at the time of coating the negative electrode slurry. In addition, the capacity ratio A is defined by the capacity ratio A = (theoretical capacity of the negative electrode active material × the amount of the negative electrode active material) / (the charge capacity of the positive electrode active material × the amount of the positive electrode active material). The capacity ratios were 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, and 5.5, respectively. Note that the charge capacity of the positive electrode active material corresponds to a 4.7 V charge capacity.

(電池の作製)
正極構造体の正極層と、負極構造体の負極層とを、固体電解質層を介して対向するように配置し、5tonでプレスすることにより、電池を得た。
(Production of battery)
The battery was obtained by arranging the positive electrode layer of the positive electrode structure and the negative electrode layer of the negative electrode structure so as to face each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween, and pressing at 5 tons.

[比較例2、3および実施例1〜9]
正極活物質の組成を、表1に記載された内容に変更したこと以外は、比較例1と同様にして、電池を得た。
[Comparative Examples 2, 3 and Examples 1 to 9]
A battery was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the composition of the positive electrode active material was changed to the content described in Table 1.

Figure 2020004685
Figure 2020004685

[評価]
比較例1〜3および実施例1〜9で得られた電池に対して、上限4.55V、下限2.5V、0.1Cの条件で、CCCV充放電を行った。初回放電容量[mAh/g]の結果を表2、表3および図2に示す。
[Evaluation]
CCCV charging / discharging was performed on the batteries obtained in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 9 under the conditions of an upper limit of 4.55 V, a lower limit of 2.5 V, and 0.1 C. The results of the initial discharge capacity [mAh / g] are shown in Tables 2 and 3 and FIG.

Figure 2020004685
Figure 2020004685

Figure 2020004685
Figure 2020004685

表2、表3および図2に示すように、容量比A、Li/Me比および初回放電容量の間には、一定の相関が見られた。例えば、容量比Aが2.0である場合、Li/Me比の増加に伴って、初回放電容量も増加し、Li/Me比が1.15以上になると、初回放電容量は、ほぼ一定になった。この傾向は、容量比Aが2.0以外の場合でも同様であった。すなわち、ある容量比Aに対して、Li/Me比を所定値以上に設定することで、初回放電容量として、最大の容量を引き出せることが確認された。   As shown in Table 2, Table 3, and FIG. 2, there was a certain correlation between the capacity ratio A, the Li / Me ratio, and the initial discharge capacity. For example, when the capacity ratio A is 2.0, the initial discharge capacity increases as the Li / Me ratio increases. When the Li / Me ratio becomes 1.15 or more, the initial discharge capacity becomes substantially constant. became. This tendency was the same even when the capacity ratio A was other than 2.0. In other words, it has been confirmed that by setting the Li / Me ratio to a predetermined value or more for a certain capacity ratio A, the maximum capacity can be obtained as the initial discharge capacity.

また、初回放電容量が、ほぼ一定になる状態を飽和として捉え、飽和が生じる条件を求めた。表2および図2に基づいて、飽和が生じたLi/Me比の範囲は、容量比Aが2.0の場合、1.15以上であり、容量比Aが2.5の場合、1.20以上であり、容量比Aが3.0の場合、1.25以上であり、容量比Aが3.5の場合、1.30以上であり、容量比Aが4.0の場合、1.35以上であり、容量比Aが4.5の場合、1.40以上であり、容量比Aが5.0の場合、1.45以上であり、容量比Aが5.5の場合、1.55以上であった。   In addition, a state in which the initial discharge capacity becomes substantially constant is regarded as saturation, and a condition under which saturation occurs is determined. Based on Table 2 and FIG. 2, the range of the Li / Me ratio in which the saturation occurred was 1.15 or more when the capacity ratio A was 2.0, and 1. 20 or more, when the capacity ratio A is 3.0, it is 1.25 or more, when the capacity ratio A is 3.5, it is 1.30 or more, and when the capacity ratio A is 4.0, 1 0.35 or more, when the capacity ratio A is 4.5, it is 1.40 or more, when the capacity ratio A is 5.0, it is 1.45 or more, and when the capacity ratio A is 5.5, It was 1.55 or more.

これらの関係を図3に示す。図3において、容量比Aにおける最小のLi/Me比(例えば、容量比Aが2.0の場合、Li/Me比が1.20)を、最小Li/Me比とした場合、図3には、8点の最小Li/Me比のプロットが存在する。これらのプロットから線形近似を行うと、傾きは0.1083となる。なお、Li/Me比が5.5である場合、Li/Me比が大きすぎて信頼性が低い可能性があるため、Li/Me比が5.0のプロット(5.0、1.45)を通る直線を定義すると、Y=0.1083X+0.9085となる。このように、0.1083A+0.9085≦Li/Meを満たすように、容量比AおよびLi/Me比を設定することで、初回放電容量として、最大限の容量を引き出すことができることが確認された。   FIG. 3 shows these relationships. In FIG. 3, when the minimum Li / Me ratio at the capacity ratio A (for example, when the capacity ratio A is 2.0 and the Li / Me ratio is 1.20) is set to the minimum Li / Me ratio, FIG. , There are eight plots of the minimum Li / Me ratio. When a linear approximation is performed from these plots, the slope is 0.1083. When the Li / Me ratio is 5.5, there is a possibility that the Li / Me ratio is too large and the reliability is low. Therefore, the plot of the Li / Me ratio of 5.0 (5.0, 1.45) is used. ) Is defined as Y = 0.1083X + 0.9085. Thus, by setting the capacity ratio A and the Li / Me ratio so as to satisfy 0.1083A + 0.9085 ≦ Li / Me, it was confirmed that the maximum discharge capacity can be obtained as the initial discharge capacity. .

なお、8点の最小Li/Me比のプロットから求められる関係式は、Y=0.1083X+0.925となる。この場合、本開示における全固体電池は、0.1083A+0.925≦Li/Meを満たしていてもよい。また、容量比Aが2.0〜5.0の範囲における7点の最小Li/Me比のプロットから求められる関係式は、Y=0.1X+0.95となる。この場合、本開示における全固体電池は、0.1A+0.95≦Li/Meを満たしていてもよい。   The relational expression obtained from the plot of the minimum Li / Me ratio at eight points is Y = 0.1083X + 0.925. In this case, the all solid state battery in the present disclosure may satisfy 0.1083A + 0.925 ≦ Li / Me. Further, the relational expression obtained from the plot of the minimum Li / Me ratio at seven points in the range where the capacity ratio A is 2.0 to 5.0 is Y = 0.1X + 0.95. In this case, the all solid state battery according to the present disclosure may satisfy 0.1A + 0.95 ≦ Li / Me.

1 …正極層
2 …負極層
3 …固体電解質層
4 …正極集電体
5 …負極集電体
10 …全固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer 2 ... Negative electrode layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode current collector 5 ... Negative electrode current collector 10 ... All solid state battery

Claims (1)

正極層と、負極層と、前記正極層および前記負極層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、
前記正極層は、LiNiCoMn(1.15≦x≦1.55、a+b+c=1、0≦a≦0.85、0≦b≦0.85、0.15≦c≦0.70、yは電荷中性を満たすように定まる値である)で表される組成を有する正極活物質を含有し、
前記負極層は、Si系活物質を含有し、
正極容量に対する負極容量の容量比をAとした場合に、2≦A≦5.5を満たし、
前記正極活物質において、Me(MeはLi以外の金属元素)に対するLiのモル比をLi/Meとした場合に、0.1083A+0.9085≦Li/Meを満たす、全固体電池。
A positive electrode layer, a negative electrode layer, an all-solid battery having a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The positive electrode layer, Li x Ni a Co b Mn c O y (1.15 ≦ x ≦ 1.55, a + b + c = 1,0 ≦ a ≦ 0.85,0 ≦ b ≦ 0.85,0.15 ≦ c ≦ 0.70, y is a value determined so as to satisfy the charge neutrality).
The negative electrode layer contains a Si-based active material,
When the capacity ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity is A, 2 ≦ A ≦ 5.5 is satisfied;
An all-solid-state battery, which satisfies 0.1083A + 0.9085 ≦ Li / Me when a molar ratio of Li to Me (Me is a metal element other than Li) in the positive electrode active material is Li / Me.
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