JP2020092100A - Negative electrode layer and lithium all-solid battery - Google Patents

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光俊 大瀧
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徳洋 尾瀬
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Shigeki Hama
重規 濱
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Abstract

To provide a lithium all-solid battery good in capacity retention rate.SOLUTION: There is provided a negative electrode layer for use in a lithium all-solid battery, in which a metal particle that can be alloyed with Li is included as an active material. The metal particle has two or more types of crystal orientations in one particle.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は、容量維持率が良好であるリチウム全固体電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium all-solid-state battery having a good capacity retention rate.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。 With the rapid spread of information-related devices such as personal computers, video cameras and mobile phones and communication devices in recent years, development of batteries used as power sources thereof has been emphasized. Also in the automobile industry and the like, development of high-output and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is under way. At present, among various batteries, a lithium battery is drawing attention because of its high energy density.

例えば、特許文献1には、目付け量が8.5mg/cm以下である負極合材により製造され、負極合材が負極活物質および固体電解質を含む負極を備えるリチウムイオン電池が開示されている。また、特許文献1には、負極合材が、シリコン、スズ、インジウム、アルミニウム、リチウムのうち少なくとも1つ以上で構成される負極活物質を含むことが開示されている。特許文献2には、アモルファス含有Si粉末を用いた負極の製造方法が開示されている。特許文献3には、ケイ素/炭素複合材料であって、その中にシリコンで部分的にまたは完全に覆われたカーボンナノ物体、およびシリコンナノ物体があるシリコンシェルを含む少なくとも1種のカプセルからなる、ケイ素/炭素複合材料が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a lithium ion battery manufactured by a negative electrode composite material having a basis weight of 8.5 mg/cm 2 or less, and the negative electrode composite material including a negative electrode containing a negative electrode active material and a solid electrolyte. .. Further, Patent Document 1 discloses that the negative electrode mixture contains a negative electrode active material composed of at least one of silicon, tin, indium, aluminum, and lithium. Patent Document 2 discloses a method for producing a negative electrode using amorphous Si powder. US Pat. No. 6,096,849 comprises a silicon/carbon composite material comprising carbon nano-objects partially or completely covered with silicon, and at least one capsule comprising a silicon shell with silicon nano-objects. , A silicon/carbon composite material is disclosed.

特開2013−211238号公報JP, 2013-212138, A 特開2016−184495号公報JP, 2016-184495, A 特表2015−501279号公報Japanese Patent Publication No. 2015-501279

例えば、特許文献1に示される負極活物質は、充放電による体積変化が大きく、容量維持率が低いという問題がある。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、リチウム全固体電池の容量維持率を良好にする負極層、およびリチウム全固体電池を提供することを主目的とする。 For example, the negative electrode active material disclosed in Patent Document 1 has a problem that the volume change due to charge and discharge is large and the capacity retention rate is low. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present disclosure is to provide a negative electrode layer that improves the capacity retention rate of a lithium all-solid-state battery and a lithium all-solid-state battery.

上記課題を解決するため、本開示においては、リチウム全固体電池に用いられる負極層であって、Liと合金化可能な金属粒子を活物質として有し、上記金属粒子が、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有することを特徴とする負極層を提供する。 In order to solve the above problems, in the present disclosure, a negative electrode layer used in a lithium all-solid-state battery has metal particles capable of alloying with Li as an active material, and the metal particles have 2 in 1 particle. Provided is a negative electrode layer having more than one type of crystal orientation.

本開示によれば、負極層が上述した金属粒子を活物質として有することにより、リチウム全固体電池とした場合に、容量維持率を良好にすることができる。 According to the present disclosure, when the negative electrode layer has the above-described metal particles as an active material, it is possible to improve the capacity retention rate in the case of a lithium all-solid-state battery.

上記開示においては、上記金属粒子が、Si単体またはSi合金であることが好ましい。 In the above disclosure, the metal particles are preferably Si simple substance or Si alloy.

本開示においては、負極層と、正極層と、上記負極層および上記正極層の間に形成された固体電解質層とを有する電池要素を備え、上記負極層が、上述した負極層であることを特徴とするリチウム全固体電池を提供する。 In the present disclosure, a battery element having a negative electrode layer, a positive electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the negative electrode layer and the positive electrode layer is provided, and the negative electrode layer is the negative electrode layer described above. A featured lithium all-solid-state battery is provided.

本開示によれば、電池要素が上述した負極層を有することにより、容量維持率が良好であるリチウム全固体電池とすることができる。 According to the present disclosure, since the battery element has the above-described negative electrode layer, a lithium all-solid-state battery having a good capacity retention rate can be obtained.

上記開示においては、上記電池要素の厚さ方向に拘束圧を付与する拘束部をさらに有し、上記拘束圧が、3MPa〜20MPaの範囲内であることが好ましい。特に低拘束下においても容量維持率が良好であるリチウム全固体電池とすることができるからである。 In the above disclosure, it is preferable that the battery element further has a constraint portion that applies a constraint pressure in the thickness direction, and the constraint pressure is within a range of 3 MPa to 20 MPa. This is because a lithium all-solid-state battery having a good capacity retention rate even under a low constraint can be obtained.

上記開示においては、上記電池要素を複数有していても良い。 In the above disclosure, a plurality of the battery elements may be included.

本開示の負極層は、リチウム全固体電池の容量維持率を良好にすることができる。 The negative electrode layer of the present disclosure can improve the capacity retention rate of a lithium all-solid-state battery.

本開示の負極層の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the negative electrode layer of this indication. 本開示における金属粒子の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the metal particle in this indication. 本開示のリチウム全固体電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the lithium all-solid-state battery of this indication. 実施例1〜4、および比較例1〜4におけるSi粒子(負極活物質)のEBSD測定結果である。It is an EBSD measurement result of Si particle (negative electrode active material) in Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4. 実施例1〜4、および比較例1〜4の評価用電池における拘束圧と容量維持率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between binding pressure and capacity retention rate in the evaluation batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.

以下、本開示の負極層およびリチウム全固体電池の詳細を説明する。 Hereinafter, details of the negative electrode layer and the lithium all-solid-state battery of the present disclosure will be described.

A.負極層
図1は本開示の負極層の一例を示す概略断面図であり、図2は負極活物質として用いられる金属粒子の一例を示す概略断面図である。図1に示される負極層1は、リチウム全固体電池に用いられる。また、負極層1は、図2に示される金属粒子1aを活物質として有する。金属粒子1aは、Liと合金化可能な金属粒子であり、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する。具体的に、金属粒子1aは、EBSD測定において、1粒子内に2色以上の異なる色で塗り分けられた領域(図2中、A1〜A5)を有する。
A. Negative Electrode Layer FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the negative electrode layer of the present disclosure, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of metal particles used as a negative electrode active material. The negative electrode layer 1 shown in FIG. 1 is used for a lithium all-solid-state battery. Further, the negative electrode layer 1 has the metal particles 1a shown in FIG. 2 as an active material. The metal particles 1a are metal particles that can be alloyed with Li, and each particle has two or more types of crystal orientations. Specifically, in the EBSD measurement, the metal particle 1a has regions (A1 to A5 in FIG. 2) that are separately coated with two or more different colors in one particle.

本開示によれば、負極層が上述した金属粒子を活物質として有することにより、リチウム全固体電池とした場合に、容量維持率を良好にすることができる。また、本開示によれば、負極層が上述した金属粒子を活物質として有することにより、充放電時における負極層内部の割れを抑制することができ、耐久性が良好な負極層とすることができる。 According to the present disclosure, when the negative electrode layer has the above-described metal particles as an active material, it is possible to improve the capacity retention rate in the case of a lithium all-solid-state battery. Further, according to the present disclosure, since the negative electrode layer has the above-described metal particles as an active material, cracking inside the negative electrode layer during charging and discharging can be suppressed, and a negative electrode layer having good durability can be obtained. it can.

リチウム全固体電池に用いられる活物質として、例えばSi等の合金系活物質(Liと合金化可能な金属である合金系活物質)が知られている。合金系活物質は、一般的に充放電による体積変化が大きく、容量維持率が低いという問題がある。
この問題に対し、本開示の発明者らは、合金系活物質の結晶性に着目して検討を行ったところ、合金系活物質の結晶性を制御することにより、容量維持率を向上させることができることを見出した。具体的には、単一の結晶方位を有する金属粒子(以下、単結晶粒子と呼ぶこともある)を用いた場合に比べて、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する金属粒子(以下、双晶粒子と呼ぶこともある)を用いた場合、容量維持率が向上することを見出した。
As an active material used in a lithium all-solid-state battery, for example, an alloy-based active material such as Si (an alloy-based active material that is a metal that can be alloyed with Li) is known. The alloy-based active material generally has a problem of large volume change due to charge/discharge and a low capacity retention rate.
With respect to this problem, the inventors of the present disclosure conducted an examination focusing on the crystallinity of the alloy-based active material, and found that the capacity retention rate was improved by controlling the crystallinity of the alloy-based active material. I found that I can do it. Specifically, as compared with the case of using metal particles having a single crystal orientation (hereinafter, also referred to as single crystal particles), metal particles having two or more types of crystal orientations in one particle (hereinafter , Sometimes referred to as twin grains), the capacity retention rate was improved.

その理由は以下のように推測される。合金系活物質は、充放電(Liとの合金化、脱合金化)による体積変化が大きい。そのため、負極層内部には、合金系活物質の体積変化に起因する応力が発生し、応力集中により負極層内部の「割れ」(例えば、負極層の亀裂、活物質の割れ)が発生して容量維持率が低下すると推測される。
本開示においては、負極層内部に双晶粒子が存在することにより、発生した応力を双晶部分が受け止めることで、応力集中が緩和されると推測される。すなわち、負極層内部で発生した応力を双晶粒子に逃がすことで、負極内部の「割れ」を抑制することができ、容量維持率を良好にすることができると推測される。
一方、例えば、単結晶粒子を用いた場合、単結晶粒子は負極層内部で発生した応力を緩和する役割を有することができないと推測される。そのため、負極層内部で発生した応力を逃がすことができず、局所的な応力集中が発生しやすく、負極層内部の「割れ」が生じやすくなると推測される。
The reason is presumed as follows. The alloy-based active material undergoes a large volume change due to charge/discharge (alloying with Li and dealloying). Therefore, stress due to the volume change of the alloy-based active material is generated inside the negative electrode layer, and “cracking” (for example, cracking of the negative electrode layer or cracking of the active material) occurs inside the negative electrode layer due to stress concentration. It is estimated that the capacity retention rate will decrease.
In the present disclosure, it is presumed that the presence of twin grains inside the negative electrode layer allows the twin portion to receive the generated stress, thereby alleviating the stress concentration. That is, it is presumed that by releasing the stress generated inside the negative electrode layer to the twin crystal grains, “cracking” inside the negative electrode can be suppressed and the capacity retention ratio can be improved.
On the other hand, for example, when single crystal particles are used, it is presumed that the single crystal particles cannot have a role of relaxing the stress generated inside the negative electrode layer. Therefore, it is presumed that the stress generated inside the negative electrode layer cannot be released, local stress concentration is likely to occur, and “cracking” inside the negative electrode layer is likely to occur.

なお、特許文献2には、結晶Siの代わりに、アモルファスSiを用いることで、電池の容量維持率を向上させることが記載されているが、双晶粒子を用いることについては、開示も示唆もされていない。 Note that Patent Document 2 describes that amorphous Si is used in place of crystalline Si to improve the capacity retention rate of the battery, but there is no disclosure or suggestion about using twin particles. It has not been.

ところで、合金系活物質を用いた電池においては、容量維持率の低下を抑制する解決手法の一つとして、体積変化を制御すること、具体的には拘束圧を高くすることが想定される。しかし、コスト、エネルギー密度などの観点から電池の拘束圧は、できる限り低くすることが望まれている。 By the way, in a battery using an alloy-based active material, it is assumed that volume change is controlled, specifically, the binding pressure is increased, as one of the solutions for suppressing the decrease in capacity retention rate. However, from the viewpoint of cost, energy density, etc., it is desired that the binding pressure of the battery be as low as possible.

本開示の発明者らは、上述した金属粒子を用いることにより、特に低拘束下(例えば、3MPa〜20MPa程度)の状態であっても、リチウム全固体電池の容量維持率を良好にすることができることを見出した。
以下、本開示の負極層について、構成ごとに説明する。
The inventors of the present disclosure can improve the capacity retention rate of a lithium all-solid-state battery by using the above-mentioned metal particles even under a low constraint (for example, about 3 MPa to 20 MPa). I found that I could do it.
Hereinafter, the negative electrode layer of the present disclosure will be described for each configuration.

1.活物質
本開示における負極層は、Liと合金化可能な金属粒子を活物質として有する。さらに、金属粒子は、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する。
1. Active Material The negative electrode layer in the present disclosure has, as an active material, metal particles that can be alloyed with Li. Further, the metal particles have two or more kinds of crystal orientations within one particle.

(1)金属粒子
本開示における金属粒子は、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有することを特徴とする。
「金属粒子が、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する」とは、電子後方散乱回折(Electron Backscatter Diffraction Pattern:EBSD)測定により得られるマッピング像において、2色以上の塗り分けが可能であることをいう。EBSD測定は、SEM(走査型電子顕微鏡)による結晶解析の一種である。
具体的な測定方法は、以下の通りである。
まず、金属粒子を樹脂に埋め込み、樹脂ごと切削することで断面を出す。得られた断面に対し、例えば5粒子程度の金属粒子が含まれるような倍率にてEBSD測定を行う。得られた回折パターンを解析し、IPF(Inverce Pole Figure)マッピングによりマッピング像を得る。
なお、測定条件は以下の通りである。
・断面作製
装置:日本電子製 SM−09010 クロスセクションポリッシャ、イオン源:アルゴン、加速電圧:5.5kV
・SEM
装置:日本電子製 JSM−7000F 電界放出型走査型電子顕微鏡、加速電圧:7.5kV
・EBSD
装置:TSL製 OIM 結晶方位解析装置、加速電圧:15kV
なお、断面作製においては、上述した条件の他に、例えば、装置:日立ハイテクノロジーズ製 IM−4000、イオン源:Ar、加速電圧:5.0kVの条件を用いても良い。
(1) Metal Particles Metal particles in the present disclosure are characterized by having two or more types of crystal orientations in one particle.
"A metal particle has two or more types of crystal orientations in one particle" means that two or more colors can be applied separately in a mapping image obtained by Electron Backscatter Diffraction Pattern (EBSD) measurement. There is something. EBSD measurement is a kind of crystal analysis by SEM (scanning electron microscope).
The specific measuring method is as follows.
First, metal particles are embedded in a resin, and the resin is cut to form a cross section. EBSD measurement is performed on the obtained cross section at a magnification that includes, for example, about 5 metal particles. The obtained diffraction pattern is analyzed and a mapping image is obtained by IPF (Inverce Pole Figure) mapping.
The measurement conditions are as follows.
・Cross-section fabrication device: JEOL SM-09010 cross section polisher, ion source: argon, accelerating voltage: 5.5 kV
・SEM
Apparatus: JEOL JSM-7000F field emission scanning electron microscope, accelerating voltage: 7.5 kV
・EBSD
Equipment: TSL OIM crystal orientation analyzer, acceleration voltage: 15 kV
Note that, in the cross-section production, in addition to the above-described conditions, for example, conditions of an apparatus: IM-4000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, an ion source: Ar, and an acceleration voltage: 5.0 kV may be used.

本開示における金属粒子は、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する。
金属粒子が有する結晶方位の数は、2種類以上であれば良く、例えば、3種類以上であっても良く、4種類以上であっても良い。また、上記結晶方位の数の上限は特に限定されず、例えば、10種類以下であっても良く、9種類以下であっても良く、7種類以下であっても良い。
結晶方位の数は、EBSD測定により得られるマップ図において、色分けされた領域の数および色の違いにより測定することができる。例えば、図2に示すように、金属粒子1a(1粒子)において色分けされた領域(A1〜A5)が5つであり、3色で塗り分けられる場合、結晶方位の数は3種類である。
The metal particles according to the present disclosure have two or more types of crystal orientations within one particle.
The number of crystal orientations of the metal particles may be two or more, for example, three or more, or four or more. The upper limit of the number of crystal orientations is not particularly limited, and may be, for example, 10 types or less, 9 types or less, and 7 types or less.
The number of crystal orientations can be measured by the number of color-coded regions and the difference in color in the map diagram obtained by EBSD measurement. For example, as shown in FIG. 2, there are five color-coded regions (A1 to A5) in the metal particle 1a (one particle), and in the case of being colored in three colors, the number of crystal orientations is three.

金属粒子の断面において、1粒子内に含まれる2種類以上の結晶方位のうち、最も面積が小さい結晶方位の面積をSMinとし、1粒子の全面積をStotとした場合、SMin/Stotの割合は、例えば、1%以上であり、3%以上であることが好ましく、10%以上であることが好ましい。なお、単結晶と双晶とは、現実的には大きく異なる系であるため、SMin/Stotの割合が小さくても判断は可能であると推測される。 In the cross section of the metal particles, of the two or more crystal orientations contained in one particle, the area of the crystal orientation having the smallest area is S Min, and the total area of one particle is S tot , S Min /S The ratio of tot is, for example, 1% or more, preferably 3% or more, and more preferably 10% or more. Since the single crystal and the twin crystal are in reality very different systems, it is presumed that the judgment is possible even if the ratio of S Min /S tot is small.

上記金属粒子としては、例えば、Si元素、Sn元素、In元素、およびAl元素の少なくとも1種類の金属元素を含む単体または合金を挙げることができる。上記金属粒子は、Si単体またはSi合金であることが好ましく、Si単体であることがより好ましい。
上記金属粒子がSi合金である場合、Si合金中のSi元素の割合は、例えば、50mol%以上であっても良く、70mol%以上であっても良く、90mol%以上であっても良い。また、Si単体中のSi元素の割合は、通常、100mol%である。
Examples of the metal particles include a simple substance or an alloy containing at least one metal element of Si element, Sn element, In element, and Al element. The metal particles are preferably Si simple substance or Si alloy, and more preferably Si simple substance.
When the metal particles are a Si alloy, the proportion of the Si element in the Si alloy may be, for example, 50 mol% or more, 70 mol% or more, and 90 mol% or more. Moreover, the ratio of the Si element in the simple substance of Si is usually 100 mol %.

上記金属粒子の平均粒径(D50)は、例えば10nm〜50μmの範囲内であり、100nm〜20μmの範囲内であることが好ましい。 The average particle diameter (D 50 ) of the metal particles is, for example, in the range of 10 nm to 50 μm, and preferably in the range of 100 nm to 20 μm.

上記金属粒子の準備方法としては、例えば、単結晶の金属粒子を機械的に粉砕して双晶粒子とする方法が挙げられる。例えば、単結晶の金属粒子に対し、せん断力を加えて機械的に粉砕することにより、結晶性が低下して双晶粒子となると推測される。また、上記金属粒子の準備方法としては、例えば、結晶成長速度を途中で変化させて双晶粒子とする方法が挙げられる。 Examples of the method of preparing the metal particles include a method of mechanically crushing single crystal metal particles to form twin crystal particles. For example, it is presumed that when single-crystal metal particles are mechanically pulverized by applying a shearing force, the crystallinity is lowered to form twin crystal particles. In addition, as a method for preparing the metal particles, for example, a method of changing the crystal growth rate in the middle to form twin particles can be mentioned.

(2)活物質
負極層は、活物質として、上記金属粒子を少なくとも有する。負極層は、活物質として、上記金属粒子のみを有していても良く、上記金属粒子以外の他の活物質をさらに含有していても良い。他の活物質としては、Liと合金化可能なアモルファス、Liと合金化可能な単結晶が挙げられる。全活物質に対する上記金属粒子(1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する金属粒子)の割合は、例えば、50mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることが好ましく、90mol%以上であることが好ましい。また、全活物質に対する単結晶粒子の割合は、例えば、10%以下であることが好ましく、5%以下であることが好ましく、2%以下であることが好ましい。
(2) Active Material The negative electrode layer has at least the above metal particles as an active material. The negative electrode layer may have only the above metal particles as an active material, or may further contain an active material other than the above metal particles. Other active materials include amorphous alloys that can be alloyed with Li and single crystals that can be alloyed with Li. The ratio of the metal particles (metal particles having two or more kinds of crystal orientations in one particle) to all active materials is, for example, preferably 50 mol% or more, preferably 70 mol% or more, and 90 mol% or more. Is preferred. The ratio of the single crystal particles to the total active material is, for example, preferably 10% or less, preferably 5% or less, and more preferably 2% or less.

負極層中の活物質の割合は、例えば、30重量%以上であり、50重量%以上であることが好ましい。また、負極活物質の割合は、例えば、99重量%以下であり、85重量%以下であっても良く、80重量%以下であっても良い。 The ratio of the active material in the negative electrode layer is, for example, 30% by weight or more, and preferably 50% by weight or more. The ratio of the negative electrode active material is, for example, 99% by weight or less, may be 85% by weight or less, and may be 80% by weight or less.

(3)負極層
本開示における負極層は、通常、上述した活物質を含有し、必要に応じて、固体電解質材料、導電助剤、および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
(3) Negative Electrode Layer The negative electrode layer in the present disclosure usually contains the above-mentioned active material, and may further contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive auxiliary agent, and a binder, if necessary. good.

上記固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料等の無機固体電解質材料を挙げることができる。硫化物固体電解質材料としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiPO、LiI−P−LiPO、LiS−P−LiI、LiS−P−LiI−LiBr、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−P、LiI−LiS−P、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiI−LiBr、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質材料を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the solid electrolyte material include inorganic solid electrolyte materials such as sulfide solid electrolyte materials. The sulfide-based solid electrolyte material, for example, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 3 PO 4, LiI-P 2 S 5 -Li 3 PO 4, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S -P 2 S 5 -LiI-LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S -P 2 O 5, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiI-LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( however, m, n is the number of positive .Z is, Ge, Zn, one of Ga.), Li 2 S- GeS 2, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 2 S -SiS 2 -Li x MO y ( provided that, x, y is a positive number .M is, P, Si, Ge, B , Al, Ga, either an in.) or the like Can be mentioned. Incidentally, the above description "Li 2 S-P 2 S 5" means a sulfide solid electrolyte material obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, the same for the other described is there.

特に、硫化物固体電解質材料は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、およびSを含有するイオン伝導体を備えることが好ましい。さらに、上記イオン伝導体は、オルト組成のアニオン構造(PS 3−構造、SiS 4−構造、GeS 4−構造、AlS 3−構造、BS 3−構造)をアニオンの主成分として有することが好ましい。化学安定性の高い硫化物固体電解質とすることができるからである。オルト組成のアニオン構造の割合は、イオン伝導体における全アニオン構造に対して、70mol%以上であることが好ましく、90mol%以上であることがより好ましい。オルト組成のアニオン構造の割合は、ラマン分光法、NMR、XPS等により決定することができる。 Particularly, the sulfide solid electrolyte material preferably includes an ion conductor containing Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B) and S. Furthermore, the ionic conductor has an anion structure of an ortho composition (PS 4 3− structure, SiS 4 4− structure, GeS 4 4− structure, AlS 3 3− structure, BS 3 3− structure) as a main component of anion. It is preferable to have. This is because a sulfide solid electrolyte with high chemical stability can be obtained. The ratio of the anion structure of the ortho composition is preferably 70 mol% or more, and more preferably 90 mol% or more, based on the total anion structure in the ionic conductor. The ratio of the anion structure in the ortho composition can be determined by Raman spectroscopy, NMR, XPS or the like.

硫化物固体電解質材料は、上記イオン伝導体に加えて、ハロゲン化リチウムを含有していても良い。ハロゲン化リチウムとしては、例えば、LiF、LiCl、LiBrおよびLiIを挙げることができ、中でも、LiCl、LiBrおよびLiIが好ましい。硫化物固体電解質材料におけるLiX(X=I、Cl、Br)の割合は、例えば、5mol%〜30mol%の範囲内であり、15mol%〜25mol%の範囲内であることが好ましい。LiXの割合とは、硫化物固体電解質に含まれるLiXの合計の割合をいう。 The sulfide solid electrolyte material may contain lithium halide in addition to the above ion conductor. Examples of lithium halides include LiF, LiCl, LiBr, and LiI, and among them, LiCl, LiBr, and LiI are preferable. The ratio of LiX (X=I, Cl, Br) in the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 5 mol% to 30 mol%, and preferably in the range of 15 mol% to 25 mol%. The ratio of LiX refers to the total ratio of LiX contained in the sulfide solid electrolyte.

硫化物固体電解質材料は、結晶性材料であっても良く、非晶質材料であっても良い。また、硫化物固体電解質は、ガラスであっても良く、結晶化ガラス(ガラスセラミックス)であっても良い。硫化物固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができる。 The sulfide solid electrolyte material may be a crystalline material or an amorphous material. Further, the sulfide solid electrolyte may be glass or crystallized glass (glass ceramics). Examples of the shape of the sulfide solid electrolyte material include a particulate shape.

負極層における活物質および固体電解質材料の重量比(活物質/固体電解質材料)は、例えば、30/70〜85/15の範囲内であることが望ましく、40/60〜80/20の範囲内であっても良い。 The weight ratio (active material/solid electrolyte material) of the active material and the solid electrolyte material in the negative electrode layer is, for example, preferably in the range of 30/70 to 85/15, and in the range of 40/60 to 80/20. May be

上記導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、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)等の炭素材料を挙げることができる。より具体的には、炭素材料として、気相成長炭素繊維(VGCF)を用いても良い。また、気相成長炭素繊維として、例えば、昭和電工社製のVGCFを用いても良い。
また、上記結着材としては、例えば、ブチレンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系結着材、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ化物系結着材等を挙げることができる。また、負極層の厚さは、例えば、1μm〜100μmの範囲内であることが望ましく、30μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。本開示の負極層は、リチウム全固体電池に用いられる。
Examples of the conductive aid include carbon materials such as acetylene black (AB), Ketjen black (KB), carbon fiber, carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber (CNF). More specifically, vapor grown carbon fiber (VGCF) may be used as the carbon material. Further, as the vapor grown carbon fiber, for example, VGCF manufactured by Showa Denko KK may be used.
Examples of the binder include rubber-based binders such as butylene rubber (BR) and styrene-butadiene rubber (SBR), and fluoride-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF). .. Further, the thickness of the negative electrode layer is, for example, preferably in the range of 1 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 30 μm to 100 μm. The negative electrode layer of the present disclosure is used for a lithium all-solid-state battery.

B.リチウム全固体電池
図3は、本開示のリチウム全固体電池の一例を示す概略断面図である。図3に示す全固体電池100は、負極層1と、正極層2と、負極層1および正極2の間に形成された固体電解質層3とを有する電池要素10を有する。さらに、全固体電池100は、負極層1の集電を行う負極集電体4と、正極層2の集電を行う正極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有する。本開示においては、負極層1が、上述した「A.負極層」である。
本開示においては、リチウム全固体電池100が、さらに拘束部材20を有していても良い。拘束部材20は、電池要素10に厚さ方向Dの拘束圧を付与する部材である。具体的に、拘束部材20は、電池要素10の両面側に配置された挟む板状部11と、2つの板状部11を連結する棒状部12と、棒状部12に連結され、ネジ構造等により拘束圧を調整する調整部13とを有する。本開示においては、拘束部材20により電池要素10に所定の拘束圧が付与される。
B. Lithium All Solid State Battery FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lithium all solid state battery of the present disclosure. The all-solid-state battery 100 shown in FIG. 3 has a battery element 10 having a negative electrode layer 1, a positive electrode layer 2, and a solid electrolyte layer 3 formed between the negative electrode layer 1 and the positive electrode 2. Further, the all-solid-state battery 100 has a negative electrode current collector 4 that collects current from the negative electrode layer 1, a positive electrode current collector 5 that collects current from the positive electrode layer 2, and a battery case 6 that houses these members. .. In the present disclosure, the negative electrode layer 1 is the above-mentioned “A. negative electrode layer”.
In the present disclosure, the lithium all-solid-state battery 100 may further include the restraint member 20. The restraint member 20 is a member that applies a restraint pressure to the battery element 10 in the thickness direction D T. Specifically, the restraint member 20 is connected to the sandwiched plate-shaped portions 11 arranged on both surface sides of the battery element 10, the rod-shaped portion 12 that connects the two plate-shaped portions 11, and the rod-shaped portion 12, and has a screw structure or the like. And an adjusting unit 13 for adjusting the restraining pressure. In the present disclosure, the restraint member 20 applies a predetermined restraint pressure to the battery element 10.

本開示によれば、電池要素が上述した負極層を有することにより、容量維持率が良好であるリチウム全固体電池とすることができる。
以下、本開示のリチウム全固体電池について、構成ごとに説明する。
According to the present disclosure, since the battery element has the above-described negative electrode layer, a lithium all-solid-state battery having a good capacity retention rate can be obtained.
Hereinafter, the lithium all-solid-state battery of the present disclosure will be described for each configuration.

1.電池要素
本開示における電池要素は、負極層と、正極層と、負極層および正極層の間に形成された固体電解質層とを有する。
1. Battery Element The battery element in the present disclosure has a negative electrode layer, a positive electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the negative electrode layer and the positive electrode layer.

(1)負極層
本開示における負極層については、上述した「A.負極層」の項で説明した内容と同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
(1) Negative Electrode Layer The negative electrode layer in the present disclosure can be the same as the content described in the above-mentioned section “A. Negative electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here.

(2)正極層
本開示における正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電助剤、結着材および増粘材の少なくとも一つを含有していても良い。正極活物質としては、例えば、酸化物活物質を挙げることができる。
(2) Positive Electrode Layer The positive electrode layer in the present disclosure is a layer containing at least a positive electrode active material, and contains at least one of a solid electrolyte material, a conductive auxiliary agent, a binder, and a thickener, if necessary. It may be. Examples of the positive electrode active material include oxide active materials.

酸化物活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、LiTi12、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO等のオリビン型活物質を挙げることができる。また、酸化物活物質として、Li1+xMn2−x−y(Mは、Al、Mg、Co、Fe、Ni、Znの少なくとも一種、0<x+y<2)で表されるLiMnスピネル活物質、チタン酸リチウム等を用いても良い。 Examples of the oxide active material include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 and the like. Examples thereof include spinel-type active materials such as Ti 5 O 12 and Li(Ni 0.5 Mn 1.5 )O 4 , and olivine-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCoPO 4 . Further, LiMn as an oxide active material, Li 1 + x Mn 2- x-y M y O 4 (M is, Al, Mg, Co, Fe , Ni, at least one of Zn, 0 <x + y < 2) is represented by A spinel active material, lithium titanate or the like may be used.

また、正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物から構成されるコート層が形成されていることが好ましい。正極活物質と、固体電解質材料との反応を抑制できるからである。Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO、LiTi12、LiPO等を挙げることができる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm〜100nmの範囲内であり、1nm〜20nmの範囲内であることが好ましい。正極活物質表面におけるコート層の被覆率は、例えば、50%以上であり、80%以上であることが好ましい。 Further, it is preferable that a coat layer composed of a Li ion conductive oxide is formed on the surface of the positive electrode active material. This is because the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte material can be suppressed. Examples of the Li ion conductive oxide include LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 3 PO 4 . The coat layer has a thickness of, for example, 0.1 nm to 100 nm, preferably 1 nm to 20 nm. The coverage of the coating layer on the surface of the positive electrode active material is, for example, 50% or more, preferably 80% or more.

正極層に用いられる固体電解質材料、導電助剤および結着材等については、上述した負極層における場合と同様である。正極層における活物質および固体電解質材料の重量比(活物質/固体電解質材料)は、例えば、30/70〜85/15の範囲内であることが望ましく、50/50〜80/20の範囲内であっても良い。また、正極層の厚さは、例えば、1μm〜100μmの範囲内であることが望ましく、3μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。 The solid electrolyte material, the conductive additive, the binder, and the like used in the positive electrode layer are the same as those in the above-described negative electrode layer. The weight ratio (active material/solid electrolyte material) of the active material and the solid electrolyte material in the positive electrode layer is preferably, for example, in the range of 30/70 to 85/15, and in the range of 50/50 to 80/20. May be Further, the thickness of the positive electrode layer is, for example, preferably in the range of 1 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 3 μm to 100 μm.

(3)固体電解質層
本開示における固体電解質層は、正極層および負極層の間に形成される層である。また、固体電解質層は、少なくとも固体電解質材料を含有する層であり、必要に応じて結着材をさらに含有していても良い。
(3) Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer in the present disclosure is a layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Further, the solid electrolyte layer is a layer containing at least a solid electrolyte material, and may further contain a binder if necessary.

固体電解質層に用いられる固体電解質材料および結着材については、上述した負極層における場合と同様である。また、固体電解質層における固体電解質材料の含有量は、例えば、10重量%〜100重量%の範囲内であり、50重量%〜100重量%の範囲内であることが好ましい。また、固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm〜300μmの範囲内であり、0.1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。 The solid electrolyte material and the binder used in the solid electrolyte layer are the same as those in the above-mentioned negative electrode layer. In addition, the content of the solid electrolyte material in the solid electrolyte layer is, for example, in the range of 10% by weight to 100% by weight, and preferably in the range of 50% by weight to 100% by weight. Further, the thickness of the solid electrolyte layer is, for example, in the range of 0.1 μm to 300 μm, and preferably in the range of 0.1 μm to 100 μm.

2.拘束部材
本開示における拘束部材は、電池要素の厚さ方向の拘束圧を付与する部材である。拘束部材の構成は、特に限定されないが、例えば、上述した図3に示したように、板状部、棒状部および調整部を有する拘束部材を挙げることができる。なお、正負極が短絡しないように、拘束部材に必要な絶縁処理が施されていても良い。
2. Restraint Member The restraint member in the present disclosure is a member that applies a restraint pressure in the thickness direction of the battery element. The configuration of the restraint member is not particularly limited, but examples thereof include a restraint member having a plate-shaped portion, a rod-shaped portion, and an adjustment portion as shown in FIG. 3 described above. The restraint member may be subjected to necessary insulation treatment so that the positive and negative electrodes are not short-circuited.

拘束部材によってリチウム全固体電池に付与される拘束圧は、電池の種類に応じて適宜選択することができ、特に限定されない。拘束圧は、例えば、3MPa以上であっても良く、5MPa以上であっても良い。また、拘束圧は、例えば、100MPa以下であっても良く、50MPa以下であっても良く、45MPa以下であっても良く、20MPa以下であっても良い。本開示においては、中でも、拘束圧が3MPa〜20MPaの範囲内であることが好ましい。本開示においては、特に低拘束下においても容量維持率が良好であるリチウム全固体電池とすることができる。 The binding pressure applied to the lithium all-solid-state battery by the binding member can be appropriately selected according to the type of the battery and is not particularly limited. The binding pressure may be, for example, 3 MPa or more, or 5 MPa or more. Further, the binding pressure may be, for example, 100 MPa or less, 50 MPa or less, 45 MPa or less, or 20 MPa or less. In the present disclosure, the binding pressure is preferably in the range of 3 MPa to 20 MPa, among others. In the present disclosure, it is possible to provide a lithium all-solid-state battery having a good capacity retention rate even under a low constraint.

3.その他の構成
本開示のリチウム全固体電池は、通常、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、Ni、Cr、Au、Pt、Al、Fe、Ti、Zn等を挙げることができる。正極集電体の表面には、Ni、Cr、C等のコート層が形成されていても良い。コート層は、例えば、めっき層であっても良く、蒸着層であっても良い。一方、負極集電体の材料としては、例えば、CuおよびCu合金等を挙げることができる。負極集電体の表面には、Ni、Cr、C等のコート層が形成されていても良い。コート層は、例えば、めっき層であっても良く、蒸着層であっても良い。また、電池ケースには、例えばSUS製電池ケース等を用いることができる。なお、図3に示すように、拘束部材20は、電池ケース6の外側から電池要素10を拘束することが好ましい。
3. Other Configurations The lithium all-solid-state battery of the present disclosure usually has a positive electrode current collector that collects current in the positive electrode layer and a negative electrode current collector that collects current in the negative electrode layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, Ni, Cr, Au, Pt, Al, Fe, Ti and Zn. A coating layer of Ni, Cr, C or the like may be formed on the surface of the positive electrode current collector. The coat layer may be, for example, a plating layer or a vapor deposition layer. On the other hand, examples of the material of the negative electrode current collector include Cu and Cu alloys. A coating layer of Ni, Cr, C or the like may be formed on the surface of the negative electrode current collector. The coat layer may be, for example, a plating layer or a vapor deposition layer. Further, as the battery case, for example, a SUS battery case or the like can be used. Note that, as shown in FIG. 3, the restraint member 20 preferably restrains the battery element 10 from the outside of the battery case 6.

4.リチウム全固体電池
本開示のリチウム全固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、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。なお、一次電池には、二次電池の一次電池的使用(充電後、一度の放電だけを目的とした使用)も含まれる。リチウム全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
4. Lithium All-Solid-State Battery The lithium all-solid-state battery of the present disclosure may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery among them. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful as, for example, a vehicle battery. Note that the primary battery also includes use of the secondary battery as a primary battery (use for the purpose of only discharging once after charging). Examples of the shape of the lithium all-solid-state battery include a coin type, a laminated type, a cylindrical type, and a square type.

リチウム全固体電池は、1つの電池要素を有していても良く、複数の電池要素を有していても良い。後者の場合、複数の電池要素が厚さ方向に積層されていることが好ましい。
複数の電池要素は、並列接続されていても良く、直列接続されていても良い。後者の場合、いわゆるバイポーラ型電池に該当し、通常は、隣り合う2つの電池要素の間に中間集電体が形成される。
The lithium all-solid-state battery may have one battery element or may have a plurality of battery elements. In the latter case, it is preferable that a plurality of battery elements are stacked in the thickness direction.
The plurality of battery elements may be connected in parallel or may be connected in series. The latter case corresponds to a so-called bipolar battery, and usually an intermediate current collector is formed between two adjacent battery elements.

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 it has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure, and has any similar effects to the present invention. It is included in the technical scope of the disclosure.

以下に実施例を示して本開示をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present disclosure will be described more specifically with reference to examples.

[実施例1]
(金属粒子の準備)
平均粒径20μmを目指したSi粒子(Supreme microncut Supreme20)の作製を、Elkem社に依頼した。
作製されたSi粒子を、上述した「1.活物質 (1)金属粒子」の項に記載したEBSD測定を用いて調べたところ、1粒子内に2種類〜7種類の結晶方位を有するSi粒子(金属粒子)であることが確認された。結果を図4(a)に示す。
実施例1で用いたSi粒子全体における単結晶粒子の割合は、2%以下であった。例えば、EBSD測定において50粒子中に1粒子程度の割合で観察される場合がある。
[Example 1]
(Preparation of metal particles)
Elkem was requested to manufacture Si particles (Supreme microncut Supreme 20) aiming at an average particle size of 20 μm.
When the produced Si particles were examined using the EBSD measurement described in the above section “1. Active material (1) Metal particles”, Si particles having 2 to 7 crystal orientations in one particle were examined. It was confirmed to be (metal particles). The results are shown in Fig. 4(a).
The proportion of single crystal particles in the entire Si particles used in Example 1 was 2% or less. For example, in EBSD measurement, it may be observed at a ratio of about 1 particle in 50 particles.

(負極層の作製)
ポリプロピレン(PP)製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダーを5重量%の割合で含有する酪酸ブチル溶液と、負極活物質(金属粒子)と、硫化物固体電解質材料(LiS−P系ガラスセラミックス)と、導電助剤(VGCF)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH−50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM−1)で30分間振とうした。これにより負極スラリーを得た。
得られた負極スラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて負極集電体(Cu箔)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。以上により、負極層および負極集電体を得た。
(Preparation of negative electrode layer)
In a polypropylene (PP) container, butyl butyrate and a butyl butyrate solution containing a PVDF-based binder at a ratio of 5% by weight, a negative electrode active material (metal particles), and a sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 (S 5 type glass ceramics) and a conductive additive (VGCF) were added, and the mixture was stirred for 30 seconds with an ultrasonic dispersion device (UH-50 manufactured by SMT). Then, it was shaken with a shaker (Shibata Scientific Co., Ltd., TTM-1) for 30 minutes. This obtained the negative electrode slurry.
The obtained negative electrode slurry was applied on a negative electrode current collector (Cu foil) by a blade method using an applicator, and dried on a hot plate at 100° C. for 30 minutes. Through the above steps, a negative electrode layer and a negative electrode current collector were obtained.

(正極層の作製)
ポリプロピレン(PP)製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダーを5重量%の割合で含有する酪酸ブチル溶液と、正極活物質(LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、平均粒径D50=6μm)と、硫化物固体電解質材料(LiS−P系ガラスセラミックス)と、導電助剤(VGCF)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー製 UH−50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学株式会社制、TTM−1)で3分間振とうした。これにより、正極スラリーを得た。
得られた正極スラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて正極集電体(Al箔、昭和電工社製)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。以上により、正極層および正極集電体を得た。
(Preparation of positive electrode layer)
In a polypropylene (PP) container, butyl butyrate, a butyl butyrate solution containing a PVDF-based binder at a ratio of 5% by weight, a positive electrode active material (LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , average particle size) (Diameter D 50 =6 μm), a sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 S 5 glass ceramics), and a conductive additive (VGCF) are added, and an ultrasonic dispersion device (SH UH-50) is added. And stirred for 30 seconds. Then, it was shaken with a shaker (Shibata Scientific Co., Ltd., TTM-1) for 3 minutes. As a result, a positive electrode slurry was obtained.
The obtained positive electrode slurry was applied on a positive electrode current collector (Al foil, manufactured by Showa Denko KK) by a blade method using an applicator, and dried on a hot plate at 100° C. for 30 minutes. Through the above steps, a positive electrode layer and a positive electrode current collector were obtained.

(固体電解質層の作製)
ポリプロピレン(PP)製容器に、ヘプタンと、ブチレンゴム(BR)系バインダーを5重量%の割合で含有するヘプタン溶液と、硫化物固体電解質材料(LiS−P系ガラスセラミックス)とを添加し、超音波分散装置(エスエムテー社製UH−50)で30秒間撹拌した。その後、振とう器(柴田科学社製TTM−1)で30分間振とうした。これにより、固体電解質スラリーを得た。
得られたスラリーを、アプリケーターを使用してブレード法にて基材(Al箔)上に塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥した。以上により、固体電解質層を表面に有する基材を得た。
(Preparation of solid electrolyte layer)
In a polypropylene (PP) container, heptane, a heptane solution containing a butylene rubber (BR) binder at a ratio of 5% by weight, and a sulfide solid electrolyte material (Li 2 S-P 2 S 5 glass ceramics). The mixture was added and stirred with an ultrasonic dispersion device (UH-50 manufactured by SMT) for 30 seconds. Then, it was shaken for 30 minutes with a shaker (TTM-1 manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.). As a result, a solid electrolyte slurry was obtained.
The obtained slurry was applied onto a substrate (Al foil) by a blade method using an applicator, and dried on a hot plate at 100° C. for 30 minutes. As described above, a base material having a solid electrolyte layer on its surface was obtained.

(評価用電池の作製)
固体電解質層が正極層と接するように、固体電解質層を正極層に積層して、1ton/cmでプレスした。次に、固体電解質層の基材としてのAl箔を剥がして、固体電解質層と正極層との積層体を作製した。積層体の固体電解質層側に負極層を重ね、6ton/cmで、プレスし、セルを得た。なお、負極層の径を正極層の径よりも大きくした。
作製したセルを、拘束治具を用いて15MPaにて拘束し、評価用電池を得た。
(Preparation of evaluation battery)
The solid electrolyte layer was laminated on the positive electrode layer so that the solid electrolyte layer was in contact with the positive electrode layer, and pressed at 1 ton/cm 2 . Next, the Al foil as the base material of the solid electrolyte layer was peeled off to prepare a laminate of the solid electrolyte layer and the positive electrode layer. A negative electrode layer was placed on the solid electrolyte layer side of the laminate and pressed at 6 ton/cm 2 to obtain a cell. The diameter of the negative electrode layer was made larger than that of the positive electrode layer.
The produced cell was restrained at 15 MPa using a restraint jig to obtain an evaluation battery.

[比較例1]
Si粒子(高純度化学研究所製 SIE23PB)を負極活物質として用いた点以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。比較例1において用いたSi粒子をEBSD測定で調べたところ、1種類の結晶方位を有するSi粒子であることが確認された。結果を図4(b)に示す。
[Comparative Example 1]
A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that Si particles (SIE23PB manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) were used as the negative electrode active material. When the Si particles used in Comparative Example 1 were examined by EBSD measurement, it was confirmed to be Si particles having one type of crystal orientation. The results are shown in Fig. 4(b).

[実施例2〜4]
セルの拘束圧を5MPa(実施例2)、20MPa(実施例3)、45MPa(実施例4)とした点以外は実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Examples 2 to 4]
An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the binding pressure of the cell was set to 5 MPa (Example 2), 20 MPa (Example 3), and 45 MPa (Example 4).

[比較例2〜4]
セルの拘束圧を3MPa(比較例2)、30MPa(比較例3)、45MPa(比較例4)とした点以外は比較例1と同様にして評価用電池を得た。
[Comparative Examples 2 to 4]
An evaluation battery was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the cell confining pressure was 3 MPa (Comparative Example 2), 30 MPa (Comparative Example 3), and 45 MPa (Comparative Example 4).

[評価]
評価用電池に対し、下記の(1)〜(4)の処理を行った。
(1)活性化
10時間率(1/10C)で4.55Vまで定電流−定電圧充電(終止電流1/100C)し、その後、2.5Vまで定電流−定電圧放電し、電池を活性化した。
(2)初期の放電容量測定
定電流−定電圧充電で4.35Vまで充電し、定電流−定電圧放電で3.0Vまで放電し、初期の放電容量を測定した。
(3)耐久性試験
4.08Vまで充電した後、1秒毎に充電と放電とを変化させ、放電容量>充電容量となるように、SOC61.6%相当の放電を行った。放電後、再度4.08Vまで充電した。この充放電処理を28日間繰り返した。
(4)耐久試験後の放電容量測定
(2)と同じ条件で充放電を行い、耐久試験後の放電容量を測定した。
[Evaluation]
The batteries for evaluation were subjected to the following treatments (1) to (4).
(1) Activation Constant current-constant voltage charge up to 4.55V (final current 1/100C) at a rate of 10 hours (1/10C), and then constant current-constant voltage discharge up to 2.5V to activate the battery. Turned into
(2) Measurement of initial discharge capacity Constant current-constant voltage charge was charged to 4.35 V, constant current-constant voltage discharge was discharged to 3.0 V, and the initial discharge capacity was measured.
(3) Durability test After charging to 4.08 V, charging and discharging were changed every one second, and discharging corresponding to SOC 61.6% was performed so that discharge capacity>charge capacity. After discharging, the battery was charged again to 4.08V. This charge/discharge treatment was repeated for 28 days.
(4) Discharge capacity measurement after durability test Charging and discharging were performed under the same conditions as in (2), and the discharge capacity after durability test was measured.

初期の放電容量に対する耐久試験後の放電容量の値を容量維持率(%)として求めた。
結果を表1および図5に示す。なお、表1における容量維持率は、比較例1における容量維持率を100%とした場合の相対値である。
The value of the discharge capacity after the durability test with respect to the initial discharge capacity was determined as the capacity retention rate (%).
The results are shown in Table 1 and FIG. The capacity retention rate in Table 1 is a relative value when the capacity retention rate in Comparative Example 1 is 100%.

図5に示すように、実施例1〜4、および比較例1〜4の結果から、拘束圧が一定の場合(横軸一定の場合)、結晶方位が1種類である単結晶粒子を用いた場合に比べて、結晶方位が2種類以上である双晶粒子を用いた場合、容量維持率を向上させることができることが確認された。
また、拘束圧が3MPa〜20MPa(1N・m以下に相当する)の範囲内においては、比較例に比べて、実施例では容量維持率を保持する効果が高く認められた。よって、実施例から、本開示の負極層は、特に低拘束下において容量維持率を良好にすることができることが示唆された。
As shown in FIG. 5, from the results of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, single crystal particles having one type of crystal orientation were used when the constraining pressure was constant (the horizontal axis was constant). Compared with the case, it was confirmed that the capacity retention ratio can be improved when twin grains having two or more crystal orientations are used.
Further, in the range of the binding pressure of 3 MPa to 20 MPa (corresponding to 1 N·m or less), the effect of holding the capacity retention ratio was found to be higher in the example than in the comparative example. Therefore, it was suggested from the examples that the negative electrode layer of the present disclosure can improve the capacity retention rate particularly under low restraint.

1 … 負極層
2 … 正極層
3 … 固体電解質層
4 … 負極集電体
5 … 正極集電体
10 … 電池要素
20 … 拘束部材
100 … リチウム全固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Negative electrode layer 2... Positive electrode layer 3... Solid electrolyte layer 4... Negative electrode collector 5... Positive electrode collector 10... Battery element 20... Restraint member 100... Lithium all-solid-state battery

Claims (5)

リチウム全固体電池に用いられる負極層であって、
Liと合金化可能な金属粒子を活物質として有し、
前記金属粒子が、1粒子内に2種類以上の結晶方位を有する双晶粒子であり、
EBSD測定において、1粒子内に2色以上7色以下の異なる色で塗り分けられた領域を有することを特徴とする負極層。
A negative electrode layer used in a lithium all-solid-state battery,
Having metal particles capable of alloying with Li as an active material,
The metal particles are twin particles having two or more types of crystal orientations in one particle,
In the EBSD measurement, a negative electrode layer having regions which are separately coated with different colors of 2 to 7 colors in one particle.
前記金属粒子が、Si単体またはSi合金であることを特徴とする請求項1に記載の負極層。 The negative electrode layer according to claim 1, wherein the metal particles are a simple substance of Si or a Si alloy. 負極層と、正極層と、前記負極層および前記正極層の間に形成された固体電解質層とを有する電池要素を備え、前記負極層が、請求項1または請求項2に記載の負極層であることを特徴とするリチウム全固体電池。 A battery element having a negative electrode layer, a positive electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the negative electrode layer and the positive electrode layer, wherein the negative electrode layer is the negative electrode layer according to claim 1 or 2. A lithium all-solid-state battery characterized in that 前記電池要素の厚さ方向に拘束圧を付与する拘束部をさらに有し、前記拘束圧が、3MPa〜20MPaの範囲内であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム全固体電池。 The lithium all-solid-state battery according to claim 3, further comprising a constraint portion that applies a constraint pressure in a thickness direction of the battery element, the constraint pressure being within a range of 3 MPa to 20 MPa. 前記電池要素を複数有することを特徴とする請求項3または請求項4に記載のリチウム全固体電池。 The lithium all-solid-state battery according to claim 3 or 4, comprising a plurality of the battery elements.
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