JP2020119782A - Solid electrolyte, and lithium ion power storage element - Google Patents

Solid electrolyte, and lithium ion power storage element Download PDF

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Abstract

To provide a solid electrolyte superior in ion conductivity under a low- or high- temperature condition, and a lithium ion power storage element arranged by use of such a solid electrolyte.SOLUTION: An embodiment of the present invention is a solid electrolyte having a crystal structure which can assigned to a space group F-43m, and containing lithium, phosphorus, sulfur and an element A, provided that the element A is magnesium or indium.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体電解質、及びリチウムイオン蓄電素子に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte and a lithium-ion power storage element.

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でリチウムイオンなどの電荷の受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium ion secondary batteries are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, automobiles and the like because of their high energy density. The non-aqueous electrolyte secondary battery generally has a pair of electrodes electrically isolated by a separator, and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and a charge such as lithium ion between the electrodes. Is configured to be charged and discharged. In addition, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors have been widely spread as non-aqueous electrolyte storage elements other than non-aqueous electrolyte secondary batteries.

近年、非水電解質として、有機溶媒等の液体に電解質塩が溶解された非水電解液に代えて、硫化物系固体電解質等の固体電解質を用いる蓄電素子が提案されている。硫化物系固体電解質の一つとして、リチウム、リン、硫黄及びハロゲンを含有するArgyrodite型の固体電解質が知られている(特許文献1、2、非特許文献1、2参照)。この固体電解質は、空間群F−43mに帰属する結晶構造を有するとされている。 In recent years, as a non-aqueous electrolyte, a storage element using a solid electrolyte such as a sulfide-based solid electrolyte in place of the non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a liquid such as an organic solvent has been proposed. As one of sulfide-based solid electrolytes, Argyrodite type solid electrolytes containing lithium, phosphorus, sulfur and halogen are known (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2). This solid electrolyte is said to have a crystal structure belonging to the space group F-43m.

特開2018−67552号公報JP, 2018-67552, A 特開2017−117753号公報JP, 2017-117753, A

Prasada Rao Rayavarapu他、「Variation in structure and Li+−ion migration in argyrodite−type Li6PS5X (X=Cl,Br,I) solid electrolytes」、J Solid State Electrochem 16(2012)1807−1813Prasada Rao Rayavarapu et al., "Variation in structure and Li+-ion migration in argyrodite-type Li6PS5X (X=Cl,Br,I) solid electolytesl8eS10e12eS18,Solid telyte", 18Solid. Sylvain Boulineau他、「Mechanochemical synthesis of Li−argyrodite Li6PS5X (X=Cl,Br,I) as sulfur−based solid electrolytes for all solid state batteries application」、Solid State Ionics 221 (2012) 1−5Sylvain Boulineau other, "Mechanochemical synthesis of Li-argyrodite Li6PS5X (X = Cl, Br, I) as sulfur-based solid electrolytes for all solid state batteries application", Solid State Ionics 221 (2012) 1-5

蓄電素子に用いられる固体電解質においては、イオン伝導度は重要な性能の一つである。一方、蓄電素子は、使用環境や用途等に応じた様々な性能が求められ、例えば低温又は高温環境下での使用を考慮すると、低温又は高温下でも良好な充放電性能が発揮されることが望まれる。そのため、Argyrodite型の固体電解質においても、低温(例えば−30℃)又は高温(例えば50℃)下でのイオン伝導度の更なる向上が望まれる。 Ionic conductivity is one of the important performances in a solid electrolyte used for a power storage device. On the other hand, the electricity storage device is required to have various performances depending on the use environment and application, for example, in consideration of use in a low temperature or high temperature environment, good charge/discharge performance may be exhibited even at low temperature or high temperature. desired. Therefore, even in the Argyrodite type solid electrolyte, further improvement of the ionic conductivity at low temperature (for example, −30° C.) or high temperature (for example, 50° C.) is desired.

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、低温又は高温下でのイオン伝導度が優れる固体電解質、及びこのような固体電解質を用いたリチウムイオン蓄電素子を提供することである。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object thereof is to provide a solid electrolyte having excellent ionic conductivity at low temperature or high temperature, and a lithium ion storage element using such a solid electrolyte. Is to provide.

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有し、リチウム、リン、硫黄、及び元素Aを含有し、上記元素Aがマグネシウム又はインジウムである固体電解質である。 One embodiment of the present invention made to solve the above problem has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m, contains lithium, phosphorus, sulfur, and element A, and the element A is magnesium or It is a solid electrolyte that is indium.

本発明の他の一態様は、当該固体電解質を含有するリチウムイオン蓄電素子である。 Another embodiment of the present invention is a lithium ion storage element containing the solid electrolyte.

本発明によれば、低温又は高温下でのイオン伝導度が優れる固体電解質、及びこのような固体電解質を用いたリチウムイオン蓄電素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte having excellent ionic conductivity at low temperature or high temperature, and a lithium ion storage element using such a solid electrolyte.

図1は、本発明のリチウムイオン蓄電素子の一実施形態である全固体電池の模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery that is an embodiment of the lithium-ion storage device of the present invention. 図2は、実施例1〜2及び比較例1のX線回折パターンである。FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of Examples 1-2 and Comparative Example 1. 図3は、実施例3〜9及び比較例1のX線回折パターンである。FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of Examples 3 to 9 and Comparative Example 1.

本発明の一実施形態に係る固体電解質は、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有し、リチウム、リン、硫黄、及び元素Aを含有し、上記元素Aがマグネシウム又はインジウムである固体電解質である。 The solid electrolyte according to one embodiment of the present invention has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m, contains lithium, phosphorus, sulfur, and element A, and the element A is magnesium or indium. It is an electrolyte.

当該固体電解質は、低温又は高温下でのイオン伝導度が優れる。このような効果が生じる理由は定かでは無いが、以下の理由が推測される。当該固体電解質は、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有し、かつリチウム、リン及び硫黄を含有する従来の固体電解質に対して、さらに元素Aを含有するものである。元素Aは、マグネシウム又はインジウムであり、これらはイオン半径がリチウムと同程度であり、かつリチウムイオンと同様に4配位を取ることができる元素である。なお、リチウムイオン(Li)のイオン半径は0.590Å、マグネシウムイオン(Mg2+)のイオン半径は0.570Å、3価のインジウムイオン(In3+)のイオン半径は0.620Åである。このため、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有し、かつリチウム、リン及び硫黄を含有する従来の固体電解質に対して、さらに元素Aを含有する場合、リチウムの一部をマグネシウム又はインジウムである元素Aで置換することができ、その結晶構造が維持されたまま、新たな組成の固体電解質となることができる。また、リチウムイオンが1価のカチオンであるのに対し、マグネシウムイオンは2価のカチオンであり、3価のインジウムイオンは3価のカチオンである。このため、元素Aがマグネシウムの場合は、2つのリチウムに対して1つのマグネシウムが置換されることとなり、元素Aがインジウムの場合は、3つのリチウムに対して1つのインジウムが置換されることが可能となる。このように結晶構造を維持したままリチウムの一部を元素Aで置換することで、リチウムで占有されているサイト(48hサイト)の占有率が下がるため、リチウムイオンの伝導度が向上しているものと推測される。 The solid electrolyte has excellent ionic conductivity at low temperature or high temperature. The reason why such an effect occurs is not clear, but the following reason is presumed. The solid electrolyte has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m, and further contains the element A in addition to the conventional solid electrolyte containing lithium, phosphorus and sulfur. The element A is magnesium or indium, which has an ionic radius similar to that of lithium and is capable of taking a 4-coordination like lithium ion. The ionic radius of lithium ion (Li + ) is 0.590 Å, the ionic radius of magnesium ion (Mg 2+ ) is 0.570 Å, and the ionic radius of trivalent indium ion (In 3+ ) is 0.620 Å. Therefore, when the element A is further contained in the conventional solid electrolyte having a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m and containing lithium, phosphorus, and sulfur, a part of lithium is replaced by magnesium or magnesium. The element A, which is indium, can be substituted, and a solid electrolyte having a new composition can be obtained while maintaining its crystal structure. Further, while lithium ions are monovalent cations, magnesium ions are divalent cations and trivalent indium ions are trivalent cations. Therefore, when the element A is magnesium, one magnesium is substituted for two lithiums, and when the element A is indium, one indium is substituted for three lithiums. It will be possible. By substituting a part of lithium with the element A while maintaining the crystal structure in this manner, the occupancy of the site occupied by lithium (48h site) is reduced, and thus the conductivity of lithium ion is improved. It is supposed to be.

なお、空間群「F−43m」における「−4」は4回回反軸の対象要素を表し、本来「4」の上にバー「−」を付して表記すべきものである。当該固体電解質が、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有することは、粉末X線回折測定により確認する。粉末X線回折測定は、以下の手順により行う。気密性のX線回折測定用試料ホルダーに、露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で、測定に供する固体電解質粉末を充填する。X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いて、粉末X線回折測定を行う。線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとし、回折X線は厚み30μmのKβフィルターを通し高速一次元検出器(型番:D/teX Ultra 2)にて検出する。サンプリング幅は0.01°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとする。また、得られたX線回折パターンを、PDXL(解析ソフト、Rigaku製)を用いて自動解析処理する。ここで、PDXLソフトの作業ウィンドウで「バックグラウンドを精密化する」及び「自動」を選択し、実測パターンと計算パターンの強度誤差が4000以下になるように精密化する。この精密化によってバックグラウンド処理がされ、ベースラインを差し引いた結果に基づき、各回折線のピーク強度の値、及び結晶格子定数aの値、等が得られる。 It should be noted that "-4" in the space group "F-43m" represents the target element of the four-fold anti-axis, and should be originally described by adding a bar "-" over "4". It is confirmed by powder X-ray diffraction measurement that the solid electrolyte has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m. The powder X-ray diffraction measurement is performed by the following procedure. An airtight sample holder for X-ray diffraction measurement is filled with a solid electrolyte powder to be used for measurement under an argon atmosphere having a dew point of -50°C or lower. The powder X-ray diffraction measurement is performed using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku). The radiation source is CuKα rays, the tube voltage is 30 kV, the tube current is 15 mA, and the diffracted X-rays are detected by a high-speed one-dimensional detector (model number: D/teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width is 0.01°, the scan speed is 5°/min, the divergence slit width is 0.625°, the light receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm. In addition, the obtained X-ray diffraction pattern is automatically analyzed using PDXL (analysis software, manufactured by Rigaku). Here, "Refine background" and "Automatic" are selected in the work window of the PDXL software, and refining is performed so that the intensity error between the actually measured pattern and the calculated pattern is 4000 or less. Background processing is performed by this refinement, and the value of the peak intensity of each diffraction line and the value of the crystal lattice constant a are obtained based on the result of subtracting the baseline.

当該固体電解質においては、下記式(1)で表される上記元素Aの置換度DS(%)が0.1%以上1.5%以下であることが好ましい。
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 ・・・ (1)
(式(1)中、[Li]は、上記リチウムの原子数基準の含有割合である。[A]は、上記元素Aの原子数基準の含有割合である。mは、上記元素Aの価数である。)
このような置換度で、リチウムの一部が元素Aで置換されていることにより、イオン伝導度がより向上する。また、このような置換度を満たす場合、特に高温下での良好なイオン伝導度が発現される。
In the solid electrolyte, the substitution degree DS (%) of the element A represented by the following formula (1) is preferably 0.1% or more and 1.5% or less.
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 (1)
(In the formula (1), [Li] is the content ratio of the lithium atom based on the atomic number. [A] is the content ratio of the element A based on the atomic number. m is the valence of the element A. It is a number.)
With such a substitution degree, the ionic conductivity is further improved by substituting a part of lithium with the element A. Further, when such a substitution degree is satisfied, good ionic conductivity is exhibited especially at high temperatures.

当該固体電解質は、下記式(2)で表されることが好ましい。
Li7−mx−yPS6−yHa ・・・ (2)
(式(2)中、Aは、上記元素Aである。Haは、塩素、臭素又はヨウ素である。xは、0.01以上0.08以下の数である。yは、0.2以上1.8以下の数である。mは、上記元素Aの価数である。)
当該固体電解質がこのような組成を有することにより、イオン伝導度がより向上し、特に高温下での良好なイオン伝導度が発現される。
The solid electrolyte is preferably represented by the following formula (2).
Li 7-mx-y A x PS 6-y Ha y ··· (2)
(In the formula (2), A is the element A. Ha is chlorine, bromine or iodine. x is a number of 0.01 or more and 0.08 or less. y is 0.2 or more. The number is 1.8 or less, and m is the valence of the element A.)
When the solid electrolyte has such a composition, the ionic conductivity is further improved, and good ionic conductivity is exhibited particularly at high temperatures.

上記元素Aがインジウムであり、下記式(1b)で表される上記インジウムの置換度DS(%)が0.1%以上2.5%以下であることが好ましい。
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 ・・・ (1b)
(式(1b)中、[Li]は、上記リチウムの原子数基準の含有割合である。[In]は、上記インジウムの原子数基準の含有割合である。)
このような場合、特に低温下での良好なイオン伝導度が発現される。
It is preferable that the element A is indium, and the substitution degree DS (%) of indium represented by the following formula (1b) is 0.1% or more and 2.5% or less.
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 (1b)
(In the formula (1b), [Li] is the content ratio of lithium based on the number of atoms. [In] is the content ratio of the indium based on the number of atoms.)
In such a case, particularly good ionic conductivity is exhibited at a low temperature.

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電素子は、当該固体電解質を含有するリチウムイオン蓄電素子である。当該リチウムイオン蓄電素子は、低温又は高温下でのイオン伝導度が優れる固体電解質が用いられているため、低温又は高温下での十分な充放電性能が発揮される。 A lithium ion storage element according to an embodiment of the present invention is a lithium ion storage element containing the solid electrolyte. Since the solid-state electrolyte having excellent ionic conductivity at low temperature or high temperature is used for the lithium ion storage element, sufficient charge/discharge performance at low temperature or high temperature is exhibited.

以下、本発明の一実施形態に係る固体電解質及びリチウムイオン蓄電素子を順に詳説する。 Hereinafter, the solid electrolyte and the lithium-ion power storage device according to the embodiment of the present invention will be described in detail.

<固体電解質>
本発明の一実施形態に係る固体電解質は、空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有する。当該固体電解質は、空間群F−43mに属する結晶構造を有していてよい。当該固体電解質は、立方晶であり、Argyrodite型の結晶構造を有する。
<Solid electrolyte>
The solid electrolyte according to one embodiment of the present invention has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m. The solid electrolyte may have a crystal structure belonging to the space group F-43m. The solid electrolyte is a cubic crystal and has an Argyrodite type crystal structure.

当該固体電解質における結晶格子定数aは特に限定されないが、9.852±0.015Åの範囲内であることが好ましく、9.852±0.010Åの範囲内又は9.852±0.002Åの範囲内であることがより好ましいこともある。また、結晶格子定数aは、9.852Å未満であることが好ましいこともある。当該固体電解質の結晶格子定数が上記範囲内であることで、元素Aを含まないArgyrodite型の結晶構造がそのまま維持され、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる傾向にある。また、当該固体電解質の結晶格子定数が上記下限以上であることで、イオンの拡散経路が短くなることが抑制され、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる。なお、9.852Åは、上記粉末X線回折測定の方法で測定された、LiPSClで表されるArgyrodite型の固体電解質の結晶格子定数aである。 The crystal lattice constant a in the solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably within the range of 9.852±0.015Å, within the range of 9.852±0.010Å or within the range of 9.852±0.002Å It may be more preferable that it is within. Further, it may be preferable that the crystal lattice constant a is less than 9.852Å. When the crystal lattice constant of the solid electrolyte is within the above range, the Argyrodite type crystal structure containing no element A is maintained as it is, and the ionic conductivity tends to be further enhanced at low temperature or high temperature. Further, when the crystal lattice constant of the solid electrolyte is equal to or more than the above lower limit, the diffusion path of ions is suppressed from being shortened, and the ionic conductivity at low temperature or high temperature is further increased. Note that 9.852Å is the crystal lattice constant a of the Argyrodite-type solid electrolyte represented by Li 6 PS 5 Cl, which was measured by the above-described powder X-ray diffraction measurement method.

当該固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及び元素Aを含有する。元素Aは、マグネシウム又はインジウムである。通常、当該固体電解質は、リチウム、リン及び硫黄を含有した、Argyrodite型の結晶構造を有する固体電解質(例えば、LiPSCl)におけるリチウムの一部が元素Aで置換された固体電解質であってよい。 The solid electrolyte contains lithium, phosphorus, sulfur, and element A. The element A is magnesium or indium. Usually, the solid electrolyte is a solid electrolyte containing lithium, phosphorus, and sulfur and having a part of lithium in the solid electrolyte having an Argyrodite type crystal structure (for example, Li 6 PS 5 Cl) substituted with the element A. You can

リチウムに対する元素Aの置換の程度に関し、下記式(1)で求められる値を当該固体電解質における元素Aの置換度DS(%)と定義する。
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 ・・・ (1)
式(1)中、[Li]は、上記リチウムの原子数(モル数)基準の含有割合である。[A]は、上記元素Aの原子数基準の含有割合である。mは、上記元素Aの価数である。すなわち、元素Aがマグネシウムの場合、mは2であり、元素Aがインジウムの場合、mは3であってよい。
Regarding the degree of substitution of the element A for lithium, the value obtained by the following equation (1) is defined as the substitution degree DS (%) of the element A in the solid electrolyte.
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 (1)
In the formula (1), [Li] is the content ratio based on the number of atoms (the number of moles) of lithium. [A] is the content ratio of the element A based on the number of atoms. m is the valence of the element A. That is, when the element A is magnesium, m may be 2, and when the element A is indium, m may be 3.

元素Aがマグネシウムの場合、置換度DSは下記式(1a)で表される。元素Aがインジウムの場合、置換度DSは下記式(1b)で表される。
DS={[Mg]/([Li]+2[Mg])}×100 ・・・ (1a)
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 ・・・ (1b)
式(1a)及び(1b)中、[Li]は、リチウムの原子数基準の含有割合である。[Mg]は、マグネシウムの原子数基準の含有割合である。[In]は、インジウムの原子数基準の含有割合である。
When the element A is magnesium, the substitution degree DS is represented by the following formula (1a). When the element A is indium, the substitution degree DS is represented by the following formula (1b).
DS={[Mg]/([Li]+2[Mg])}×100 (1a)
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 (1b)
In formulas (1a) and (1b), [Li] is the content ratio of lithium based on the number of atoms. [Mg] is the content ratio of magnesium based on the number of atoms. [In] is the content ratio of indium based on the number of atoms.

上記置換度DSの下限としては、0.1%が好ましく、0.2%がより好ましい。元素Aがマグネシウムである場合は特に、上記置換度DSの下限は0.3%又は0.4%がさらに好ましいこともある。置換度DSを上記下限以上とすることで元素Aの置換に伴うサイト占有率の減少効果が十分に生じることなどにより、低温又は高温下でのイオン伝導度を十分に高めることができる。 The lower limit of the substitution degree DS is preferably 0.1%, more preferably 0.2%. Especially when the element A is magnesium, the lower limit of the substitution degree DS may be more preferably 0.3% or 0.4%. By setting the substitution degree DS to be equal to or higher than the above lower limit, the effect of reducing the site occupancy rate due to the substitution of the element A is sufficiently produced, and thus the ionic conductivity at low temperature or high temperature can be sufficiently increased.

上記置換度DSの上限としては、例えば3%であり、2.5%が好ましく、2.2%がより好ましく、1.5%、1.0%又は0.5%がさらに好ましい場合もある。置換度DSを上記上限以下とすることで、良好な結晶構造の状態が維持され、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる場合がある。 The upper limit of the substitution degree DS is, for example, 3%, preferably 2.5%, more preferably 2.2%, and even more preferably 1.5%, 1.0% or 0.5%. .. By setting the substitution degree DS to be equal to or less than the above upper limit, the state of a good crystal structure may be maintained, and the ionic conductivity at low temperature or high temperature may be further increased.

当該固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及び元素A以外の元素として、ハロゲンを含有していることが好ましい。上記ハロゲンとしては、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができ、塩素が好ましい。 It is preferable that the solid electrolyte contains halogen as an element other than lithium, phosphorus, sulfur, and element A. Examples of the halogen include chlorine, bromine and iodine, and chlorine is preferable.

当該固体電解質における各構成元素の含有割合は、所定の結晶構造を有することができる限り特に限定されない。当該固体電解質におけるリンに対するリチウムの含有割合の下限としては、モル比(原子数基準)で5.4が好ましく、5.5、5.6、5.7、5.8又は5.9がより好ましいこともある。このリチウムの含有割合の上限は5.98が好ましく、5.97、5.96、5.95又は5.94がより好ましいこともある。 The content ratio of each constituent element in the solid electrolyte is not particularly limited as long as it has a predetermined crystal structure. The lower limit of the content ratio of lithium to phosphorus in the solid electrolyte is preferably 5.4 in terms of molar ratio (atomic number basis), and 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 or 5.9 is more preferable. Sometimes preferred. The upper limit of the lithium content is preferably 5.98, and more preferably 5.97, 5.96, 5.95 or 5.94.

リンに対する硫黄の含有割合の下限としては、モル比で4が好ましく、4.5がより好ましく、4.9がさらに好ましく、5がよりさらに好ましい。この硫黄の含有割合の上限は6が好ましく、5.5がより好ましく、5.1がさらに好ましく、5がよりさらに好ましい。 As a lower limit of the content ratio of sulfur to phosphorus, the molar ratio is preferably 4, more preferably 4.5, still more preferably 4.9, still more preferably 5. The upper limit of the content ratio of sulfur is preferably 6, more preferably 5.5, further preferably 5.1, still more preferably 5.

リンに対する元素Aの含有割合の下限としては、モル比で0.01が好ましく、0.02がより好ましい。元素Aの含有割合を上記下限以上とすることで、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる傾向にある。特に元素Aがマグネシウムである場合、この傾向が顕著に生じる。一方、この元素Aの含有割合の上限は、0.2が好ましく、0.15がより好ましく、0.13がさらに好ましく、0.08、0.05又は0.03がよりさらに好ましいこともある。元素Aの含有割合を上記上限以下とすることで、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる傾向にある。 The lower limit of the content ratio of the element A with respect to phosphorus is preferably 0.01 and more preferably 0.02 in terms of molar ratio. By setting the content ratio of the element A to be equal to or higher than the above lower limit, the ionic conductivity at low temperature or high temperature tends to be further increased. This tendency remarkably occurs especially when the element A is magnesium. On the other hand, the upper limit of the content ratio of the element A is preferably 0.2, more preferably 0.15, further preferably 0.13, and even more preferably 0.08, 0.05 or 0.03. .. By setting the content ratio of the element A to be equal to or less than the above upper limit, the ionic conductivity at low temperature or high temperature tends to be further increased.

リンに対するハロゲンの含有割合の下限としては、モル比で0.2が好ましく、0.5がより好ましくい。このハロゲンの含有割合の上限は1.8が好ましく、1.5がより好ましい。このハロゲンの含有割合は、1がさらに好ましい。 The lower limit of the content ratio of halogen to phosphorus is preferably 0.2 and more preferably 0.5 in terms of molar ratio. The upper limit of the halogen content is preferably 1.8, more preferably 1.5. The halogen content is more preferably 1.

当該固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、元素A及びハロゲン以外の他の元素をさらに含有していてもよい。但し、当該固体電解質におけるリンに対する上記他の元素の含有割合としては、モル比で例えば0.01未満が好ましく、0.001未満がより好ましく、実質的に含有していなくてもよい。 The solid electrolyte may further contain an element other than lithium, phosphorus, sulfur, element A and halogen. However, the content ratio of the other element to phosphorus in the solid electrolyte is preferably less than 0.01 and more preferably less than 0.001 in terms of molar ratio, and may not be substantially contained.

当該固体電解質は、下記式(2)で表されることが好ましい。
Li7−mx−yPS6−yHa ・・・ (2)
式(2)中、Aは、元素Aである。Haは、塩素、臭素又はヨウ素である。xは、0.01以上0.2以下の数である。yは、0.2以上1.8以下の数である。mは、元素Aの価数である。
The solid electrolyte is preferably represented by the following formula (2).
Li 7-mx-y A x PS 6-y Ha y ··· (2)
In the formula (2), A is the element A. Ha is chlorine, bromine or iodine. x is a number of 0.01 or more and 0.2 or less. y is a number of 0.2 or more and 1.8 or less. m is the valence of the element A.

上記xの下限は0.01であり、0.02が好ましい。xを上記下限以上とすることで、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる傾向にある。特に元素Aがマグネシウムの場合、0.02がより好ましい。元素Aがマグネシウムの場合、上記下限以上とすることで、この傾向が顕著に生じる。一方、上記xの上限は、0.2であり、0.15が好ましく、0.13がより好ましく、0.08、0.05又は0.03がさらに好ましいこともある。xを上記上限以下とすることで、低温又は高温下でのイオン伝導度がより高まる傾向にある。 The lower limit of x is 0.01, and 0.02 is preferable. By setting x to the above lower limit or more, the ionic conductivity at low temperature or high temperature tends to be further increased. Especially when the element A is magnesium, 0.02 is more preferable. In the case where the element A is magnesium, if the content is at least the above lower limit, this tendency remarkably occurs. On the other hand, the upper limit of x is 0.2, preferably 0.15, more preferably 0.13, and even more preferably 0.08, 0.05 or 0.03. By setting x to the above upper limit or lower, the ionic conductivity at low temperature or high temperature tends to be further increased.

上記yの下限は0.2であり、0.5が好ましい。上記yの上限は1.8であり、1.5が好ましい。上記yは、1がより好ましい。 The lower limit of y is 0.2, and 0.5 is preferable. The upper limit of y is 1.8 and preferably 1.5. The above y is more preferably 1.

上記mは、元素Aがマグネシウムの場合2であり、元素Aがインジウムの場合3であってよい。 The m may be 2 when the element A is magnesium and 3 when the element A is indium.

当該固体電解質の−30℃におけるイオン伝導度の下限としては、7.92×10−5S/cmが好ましく、8.5×10−5S/cmがより好ましく、1.0×10−4S/cmがさらに好ましい。当該固体電解質の−30℃におけるイオン伝導度が上記下限以上であることで、低温下でのリチウムイオン蓄電素子の充放電性能をより改善することができる。上記イオン伝導度の上限としては、例えば2.0×10−4S/cmである。 As a lower limit of the ionic conductivity of the solid electrolyte at −30° C., 7.92×10 −5 S/cm is preferable, 8.5×10 −5 S/cm is more preferable, and 1.0×10 −4. S/cm is more preferable. When the ionic conductivity of the solid electrolyte at −30° C. is equal to or higher than the above lower limit, the charge/discharge performance of the lithium ion storage element at low temperature can be further improved. The upper limit of the ionic conductivity is, for example, 2.0×10 −4 S/cm.

当該固体電解質の50℃におけるイオン伝導度の下限としては、6.2×10−3S/cmが好ましく、6.3×10−3S/cmがより好ましく、6.5×10−3S/cmがさらに好ましい。当該固体電解質の50℃におけるイオン伝導度が上記下限以上であることで、高温下でのリチウムイオン蓄電素子の充放電性能をより改善することができる。上記イオン伝導度の上限としては、例えば8.0×10−3S/cmである。 As a lower limit of the ionic conductivity of the solid electrolyte at 50° C., 6.2×10 −3 S/cm is preferable, 6.3×10 −3 S/cm is more preferable, and 6.5×10 −3 S. /Cm is more preferable. When the ionic conductivity of the solid electrolyte at 50° C. is equal to or higher than the above lower limit, the charge/discharge performance of the lithium ion storage element at high temperature can be further improved. The upper limit of the ionic conductivity is, for example, 8.0×10 −3 S/cm.

なお、当該固体電解質のイオン伝導度は、以下の方法で交流インピーダンスを測定して求める。露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で、内径10mmの粉体成型器に試料粉末を120mg投入したのちに、油圧プレスをもちいて50MPa以下で一軸加圧成形する。圧力解放後に、試料の上面及び下面に集電体としてSUS316L粉末を投入したのちに、360MPa、5min一軸加圧成形することによりイオン伝導度測定用ペレットを得る。このイオン伝導度測定用ペレットを宝泉社製HSセル内に挿入して交流インピーダンス測定を行う。測定条件は、印加電圧振幅20mV、周波数範囲1MHz〜100mHzとする。 The ionic conductivity of the solid electrolyte is determined by measuring AC impedance by the following method. In an argon atmosphere with a dew point of -50°C or less, 120 mg of the sample powder is put into a powder molding machine having an inner diameter of 10 mm, and then uniaxial pressure molding is performed with a hydraulic press at 50 MPa or less. After the pressure is released, SUS316L powder is charged as a collector on the upper surface and the lower surface of the sample, and then uniaxial pressure molding is performed at 360 MPa for 5 minutes to obtain an ion conductivity measuring pellet. The pellet for ion conductivity measurement is inserted into an HS cell manufactured by Hosen Co., Ltd., and AC impedance measurement is performed. The measurement conditions are an applied voltage amplitude of 20 mV and a frequency range of 1 MHz to 100 mHz.

当該固体電解質の形状は特に限定されず、通常、粒状、塊状等である。当該固体電解質は、リチウムイオン二次電池等のリチウムイオン蓄電素子の電解質として好適に用いることができる。中でも、全固体電池の電解質として特に好適に用いることができる。なお、当該固体電解質は、リチウムイオン蓄電素子における正極層、隔離層、負極層等のいずれにも用いることができる。 The shape of the solid electrolyte is not particularly limited and is usually granular, lumpy or the like. The solid electrolyte can be preferably used as an electrolyte of a lithium-ion power storage device such as a lithium-ion secondary battery. Among them, it can be particularly preferably used as an electrolyte of an all-solid-state battery. The solid electrolyte can be used for any of the positive electrode layer, the isolation layer, the negative electrode layer, and the like in the lithium ion power storage device.

<固体電解質の製造方法>
当該固体電解質の製造方法は特に限定されないが、例えばリチウム、リン、硫黄、及び元素Aを含有する前駆体を作製し、この前駆体を焼成する方法を挙げることができる。なお、当該固体電解質の製造は、全てアルゴン雰囲気等、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。
<Method for producing solid electrolyte>
The method for producing the solid electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a precursor containing lithium, phosphorus, sulfur, and element A is prepared, and the precursor is fired. In addition, it is preferable that all of the production of the solid electrolyte is performed in an inert atmosphere such as an argon atmosphere.

前駆体を作製する方法としては、メカニカルミリング法、溶融急冷法、液相法等を採用することができる。例えばメカニカルミリング法の場合、原料として、Li、P、S、ハロゲン、及びMg又はInを含む化合物を目的とする固体電解質の組成に対応した所定比率で用い、これらをメカニカルミリング処理することにより、前駆体を得ることができる。上記原料としては、LiS、P、LiCl、MgCl、InCl、LiBr、MgBr、InBr、MgS、InS等を用いることができる。 As a method for producing the precursor, a mechanical milling method, a melt quenching method, a liquid phase method or the like can be adopted. For example, in the case of the mechanical milling method, as a raw material, a compound containing Li, P, S, halogen, and Mg or In is used at a predetermined ratio corresponding to the composition of the intended solid electrolyte, and mechanical milling treatment is performed on these materials. A precursor can be obtained. As the raw material, Li 2 S, P 2 S 5 , LiCl, MgCl 2 , InCl 3 , LiBr, MgBr 2 , InBr 3 , MgS, InS or the like can be used.

前駆体の焼成条件は、粉末X線回折測定にて空間群F−43mに帰属可能な結晶構造が形成されたことが確認できる程度の十分な加熱が行われれば、特に限定されない。例えば焼成温度としては、例えば450℃以上550℃以下とすることができる。また、焼成時間としては、例えば1時間以上24時間以下とすることができる。 The firing condition of the precursor is not particularly limited as long as it is heated enough to confirm that a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m is formed by powder X-ray diffraction measurement. For example, the firing temperature may be 450° C. or higher and 550° C. or lower. The firing time may be, for example, 1 hour or more and 24 hours or less.

<リチウムイオン蓄電素子>
本発明のリチウムイオン蓄電素子の一実施形態として、以下、全固体電池を具体例に挙げて説明する。図1の全固体電池10は、正極層1と負極層2とが隔離層3を介して配置された二次電池である。正極層1は、正極基材4及び正極活物質層5を有し、正極基材4が正極層1の最外層となる。負極層2は、負極基材7及び負極活物質層6を有し、負極基材7が負極層2の最外層となる。図1に示す全固体電池10においては、負極基材7上に、負極活物質層6、隔離層3、正極活物質層5及び正極基材4がこの順で積層されている。
<Lithium-ion storage element>
As an embodiment of the lithium-ion storage element of the present invention, an all-solid-state battery will be described below as a specific example. The all-solid-state battery 10 in FIG. 1 is a secondary battery in which a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 2 are arranged with an isolation layer 3 interposed therebetween. The positive electrode layer 1 has a positive electrode base material 4 and a positive electrode active material layer 5, and the positive electrode base material 4 is the outermost layer of the positive electrode layer 1. The negative electrode layer 2 has a negative electrode base material 7 and a negative electrode active material layer 6, and the negative electrode base material 7 is the outermost layer of the negative electrode layer 2. In the all-solid-state battery 10 shown in FIG. 1, the negative electrode active material layer 6, the isolation layer 3, the positive electrode active material layer 5, and the positive electrode base material 4 are laminated in this order on the negative electrode base material 7.

全固体電池10は、正極層1、負極層2及び隔離層3の少なくとも1つに、本発明の一実施形態に係る固体電解質を含有する。より具体的には、正極活物質層5、負極活物質層6及び隔離層3の少なくとも1つに、本発明の一実施形態に係る固体電解質が含有されている。全固体電池10は、当該固体電解質を含有するので、低温又は高温下での良好な充放電性能が発揮される。 The all-solid-state battery 10 contains a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention in at least one of the positive electrode layer 1, the negative electrode layer 2, and the isolation layer 3. More specifically, at least one of the positive electrode active material layer 5, the negative electrode active material layer 6, and the isolation layer 3 contains the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention. Since the all-solid-state battery 10 contains the solid electrolyte, good charge/discharge performance is exhibited at low temperature or high temperature.

全固体電池10は、本発明の一実施形態に係る固体電解質以外のその他の固体電解質を併せて用いるようにしてもよい。その他の固体電解質としては、当該固体電解質以外の硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、疑似固体電解質等を挙げることができ、硫化物系固体電解質が好ましい。また、全固体電池10における一つの層中に異なる複数種の固体電解質が含有されていてもよく、層毎に異なる固体電解質が含有されていてもよい。 The all-solid-state battery 10 may also use a solid electrolyte other than the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention. Examples of other solid electrolytes include sulfide-based solid electrolytes other than the solid electrolyte, oxide-based solid electrolytes, dry polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, pseudo-solid electrolytes, and the like, and sulfide-based solid electrolytes are preferable. In addition, a plurality of different types of solid electrolytes may be contained in one layer of the all-solid-state battery 10, or different solid electrolytes may be contained in each layer.

硫化物系固体電解質としては、例えばLiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiCl、LiS−P−LiBr、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−P−LiN、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z2n(ただし、m、nは正の数、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである。)、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のいずれかである。)、Li10GeP12等を挙げることができる。 The sulfide-based solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -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 S 5 -Li 3 N, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, 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 2n ( except, m, n is a positive number, Z is is either Ge, Zn, and 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 are positive numbers, M is, P, Si , Ge, B, Al, Ga, In)), and Li 10 GeP 2 S 12 and the like.

[正極層]
正極層1は、正極基材4と、この正極基材4の表面に積層される正極活物質層5とを備える。正極層1は、正極基材4と正極活物質層5との間に中間層を有していてもよい。中間層は、例えば、導電性粒子及び樹脂バインダーを含む層などとすることができる。
[Positive layer]
The positive electrode layer 1 includes a positive electrode base material 4 and a positive electrode active material layer 5 laminated on the surface of the positive electrode base material 4. The positive electrode layer 1 may have an intermediate layer between the positive electrode base material 4 and the positive electrode active material layer 5. The intermediate layer can be, for example, a layer containing conductive particles and a resin binder.

(正極基材)
正極基材4は、導電性を有する。「導電性」を有するとは、JIS−H−0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が10Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が10Ω・cm超であることを意味する。正極基材4の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、インジウム、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS−H−4000(2014年)に規定されるA1085P、A3003P等が例示できる。
(Positive electrode substrate)
The positive electrode base material 4 has conductivity. Having “conductivity” means that the volume resistivity measured according to JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω·cm or less, and “non-conductivity” means It means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω·cm. As a material of the positive electrode base material 4, a metal such as aluminum, titanium, tantalum, indium, stainless steel, or an alloy thereof is used. Among these, aluminum or aluminum alloy is preferable from the viewpoints of potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of the positive electrode base material include a foil and a vapor deposition film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, the positive electrode base material is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil. Examples of aluminum or aluminum alloy include A1085P, A3003P and the like specified in JIS-H-4000 (2014).

正極基材の平均厚さの下限としては、5μmが好ましく、10μmがより好ましい。正極基材の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、40μmがより好ましい。正極基材の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極基材の強度を高めることができる。正極基材の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。また、これらの理由から、正極基材の平均厚さは5μm以上50μm以下とすることが好ましく、10μm以上40μm以下とすることがより好ましい。「平均厚さ」とは、任意の10点において測定した厚さの平均値をいう。他の部材等に対して「平均厚さ」を用いる場合にも同様に定義される。 The lower limit of the average thickness of the positive electrode substrate is preferably 5 μm, more preferably 10 μm. The upper limit of the average thickness of the positive electrode substrate is preferably 50 μm, more preferably 40 μm. By setting the average thickness of the positive electrode base material to the above lower limit or more, the strength of the positive electrode base material can be increased. By setting the average thickness of the positive electrode substrate to be the above upper limit or less, the energy density per volume of the all-solid-state battery can be increased. For these reasons, the average thickness of the positive electrode base material is preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 40 μm or less. "Average thickness" refers to an average value of thicknesses measured at arbitrary 10 points. The same definition is applied when the "average thickness" is used for other members.

中間層は、正極基材と正極活物質層との間に配される層である。中間層は、炭素粒子等の導電性を有する粒子を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば、樹脂バインダー及び導電性を有する粒子を含む。 The intermediate layer is a layer disposed between the positive electrode base material and the positive electrode active material layer. The intermediate layer contains particles having conductivity such as carbon particles, thereby reducing the contact resistance between the positive electrode base material and the positive electrode active material layer. The structure of the intermediate layer is not particularly limited, and includes, for example, a resin binder and conductive particles.

(正極活物質層)
正極活物質層5は、正極活物質を含む。正極活物質層5は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成することができる。正極活物質層5は、正極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。正極活物質層5は、必要に応じて、導電剤、バインダー(結着剤)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含んでいてよい。これらの各任意成分の1種又は2種以上は、正極活物質層5に実質的に含有されていなくてもよい。
(Cathode active material layer)
The positive electrode active material layer 5 contains a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 5 can be formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 5 may contain a mixture or complex containing a positive electrode active material and a solid electrolyte. The positive electrode active material layer 5 may include optional components such as a conductive agent, a binder (binder), a thickener, and a filler, if necessary. One kind or two or more kinds of each of these optional components may not be substantially contained in the positive electrode active material layer 5.

正極活物質層5に含まれる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池や全固体電池に通常用いられる公知の正極活物質の中から適宜選択できる。上記正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。例えば、α−NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α−NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LiNi1−x]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγCo(1−x−γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LiNiγMnβCo(1−x−γ−β]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物として、LiMn,LiNiγMn(2−γ)等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO,LiMnPO,LiNiPO,LiCoPO,Li(PO,LiMnSiO,LiCoPOF等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極活物質は、表面がニオブ酸リチウム、チタン酸リチウム、リン酸リチウム等の酸化物で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら正極活物質の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 5 can be appropriately selected from known positive electrode active materials usually used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. A material capable of inserting and extracting lithium ions is usually used as the positive electrode active material. Examples thereof include a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure, a lithium transition metal oxide having a spinel type crystal structure, a polyanion compound, a chalcogen compound, and sulfur. Examples of the lithium-transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure include, for example, Li[Li x Ni 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co (1- x-γ)] O 2 ( 0 ≦ x <0.5,0 <γ <1), Li [Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β] O 2 (0 ≦ x <0. 5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), etc. As the lithium transition metal oxide having a spinel type crystal structure, Li x Mn 2 O 4 , Li x Ni γ Mn (2 -Γ) O 4 etc. Examples of the polyanion compound include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoPO 4 F and the like. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, molybdenum dioxide, etc. Atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species composed of other elements. The surface of the positive electrode active material may be covered with an oxide such as lithium niobate, lithium titanate, lithium phosphate, etc. In the positive electrode active material layer, one of these positive electrode active materials may be used alone. Well, two or more kinds may be mixed and used.

正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。ここで、「平均粒径」とは、JIS−Z−8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS−Z−8819−2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. By setting the average particle diameter of the positive electrode active material to the above lower limit or more, the production or handling of the positive electrode active material becomes easy. By setting the average particle size of the positive electrode active material to be equal to or less than the above upper limit, the electron conductivity of the positive electrode active material layer is improved. Here, the “average particle size” is based on JIS-Z-8825 (2013), and is based on the particle size distribution measured by a laser diffraction/scattering method with respect to a diluted solution prepared by diluting particles with a solvent. It means a value at which the volume-based cumulative distribution calculated according to Z-8819-2 (2001) is 50%.

粒子を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 A crusher, a classifier, or the like is used to obtain the particles in a predetermined shape. Examples of the pulverization method include a method using a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling airflow type jet mill, a sieve, or the like. Wet grinding in which water or an organic solvent such as hexane is allowed to coexist may be used during grinding. As a classification method, a sieve, an air classifier, or the like is used as needed, both dry and wet.

正極活物質層5における正極活物質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、30質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。正極活物質の含有量の上限としては、90質量%が好ましく、80質量%がより好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、全固体電池10の電気容量をより大きくすることができる。 The lower limit of the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 5 is preferably 10% by mass, more preferably 30% by mass, and further preferably 50% by mass. The upper limit of the content of the positive electrode active material is preferably 90% by mass, more preferably 80% by mass. By setting the content of the positive electrode active material within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery 10 can be further increased.

正極活物質層5が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。正極活物質層5における固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。正極活物質層5に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、正極活物質層5中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。 When the positive electrode active material layer 5 contains a solid electrolyte, the lower limit of the content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass, more preferably 20% by mass. The upper limit of the content of the solid electrolyte in the positive electrode active material layer 5 is preferably 90% by mass, more preferably 70% by mass, and further preferably 50% by mass. By setting the content of the solid electrolyte within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. When the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is used for the positive electrode active material layer 5, the content of the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the positive electrode active material layer 5 is 50 mass. % Or more is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is even more preferable.

上記正極活物質と固体電解質との混合物は、正極活物質及び固体電解質等をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、正極活物質と固体電解質等との混合物は、粒子状の正極活物質及び粒子状の固体電解質等を混合して得ることができる。上記正極活物質と固体電解質との複合体としては、正極活物質及び固体電解質等の間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、正極活物質と固体電解質等とを機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に正極活物質及び固体電解質等が存在しているものであり、例えば、正極活物質及び固体電解質等が凝集状態を形成しているもの、正極活物質の表面の少なくとも一部に固体電解質等含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。 The mixture of the positive electrode active material and the solid electrolyte is a mixture prepared by mixing the positive electrode active material, the solid electrolyte and the like by mechanical milling or the like. For example, the mixture of the positive electrode active material and the solid electrolyte can be obtained by mixing the particulate positive electrode active material and the particulate solid electrolyte. As the composite of the positive electrode active material and the solid electrolyte, a composite having a chemical or physical bond between the positive electrode active material and the solid electrolyte, mechanically composite the positive electrode active material and the solid electrolyte, etc. Examples of the complex include: The composite is one in which the positive electrode active material and the solid electrolyte are present in one particle, for example, those in which the positive electrode active material and the solid electrolyte and the like form an aggregated state, the surface of the positive electrode active material Examples thereof include those having a film containing a solid electrolyte or the like formed on at least a part thereof.

(任意成分)
導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、黒鉛;ファーネスブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック;金属;導電性セラミックス等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。これらの中でも、電子伝導性等の観点よりアセチレンブラックが好ましい。
(Arbitrary ingredient)
The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material having conductivity. Examples of such a conductive agent include graphite; carbon black such as furnace black and acetylene black; metal; conductive ceramics. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fibrous shapes. Among these, acetylene black is preferable from the viewpoint of electronic conductivity and the like.

正極活物質層5における導電剤の含有量の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましい。導電剤の含有量の上限としては、10質量%が好ましく、9質量%がより好ましい。導電剤の含有量を上記範囲とすることで、全固体電池の電気容量を高めることができる。また、これらの理由から、導電剤の含有量は1質量%以上10質量%以下とすることが好ましく、3質量%以上9質量%以下とすることがより好ましい。 As a minimum of content of a conductive agent in cathode active material layer 5, 1 mass% is preferred and 3 mass% is more preferred. As a maximum of content of a conductive agent, 10 mass% is preferred and 9 mass% is more preferred. By setting the content of the conductive agent within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. For these reasons, the content of the conductive agent is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less.

バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of the binder include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, Elastomers such as styrene-butadiene rubber (SBR) and fluororubber; polysaccharide polymers and the like.

正極活物質層5におけるバインダーの含有量の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましい。バインダーの含有量の上限としては、10質量%が好ましく、9質量%がより好ましい。バインダーの含有量を上記範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。また、これらの理由から、バインダーの含有量は1質量%以上10質量%とすることが好ましく、3質量%以上9質量%以下とすることがより好ましい。 The lower limit of the content of the binder in the positive electrode active material layer 5 is preferably 1% by mass, more preferably 3% by mass. The upper limit of the binder content is preferably 10% by mass, more preferably 9% by mass. By setting the content of the binder within the above range, the active material can be stably retained. For these reasons, the content of the binder is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or more, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less.

増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。 Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. When the thickener has a functional group that reacts with lithium or the like, the functional group may be deactivated by methylation or the like in advance.

フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、アルミナシリケイト等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Examples of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silica, alumina, zeolite, glass, and alumina silicate.

正極活物質層5は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer 5 includes typical non-metal elements such as B, N, P, F, Cl, Br and I, typical metal elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga and Ge, Containing transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener and filler. You may.

正極活物質層5の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。正極活物質層5の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましい。正極活物質層5の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。正極活物質層5の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の小型化を図ることなどができる。 The lower limit of the average thickness of the positive electrode active material layer 5 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the positive electrode active material layer 5 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm. By setting the average thickness of the positive electrode active material layer 5 to the above lower limit or more, an all-solid battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the positive electrode active material layer 5 to be equal to or less than the above upper limit, the size of the all-solid battery can be reduced.

[負極層]
負極層2は、負極基材7と、当該負極基材7に直接又は中間層を介して配される負極活物質層6とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極層で例示した構成から選択することができる。
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer 2 has a negative electrode base material 7 and a negative electrode active material layer 6 arranged on the negative electrode base material 7 directly or via an intermediate layer. The structure of the intermediate layer is not particularly limited, and can be selected from the structures exemplified for the positive electrode layer, for example.

(負極基材)
負極基材7は、導電性を有する。負極基材7の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも銅又は銅合金が好ましい。負極基材としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、負極基材としては銅箔又は銅合金箔が好ましい。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。
(Negative electrode substrate)
The negative electrode base material 7 has conductivity. As a material of the negative electrode base material 7, a metal such as copper, nickel, stainless steel, nickel plated steel, or aluminum, or an alloy thereof is used. Among these, copper or copper alloy is preferable. Examples of the negative electrode base material include a foil and a vapor deposition film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, the negative electrode base material is preferably a copper foil or a copper alloy foil. Examples of the copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.

負極基材7の平均厚さの下限としては、3μmが好ましく、5μmがより好ましい。負極基材7の平均厚さの上限としては、30μmが好ましく、20μmがより好ましい。負極基材の平均厚さを上記下限以上とすることで、負極基材7の強度を高めることができる。負極基材の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。また、これらの理由から、負極基材7の平均厚さは、3μm以上30μm以下とすることが好ましく、5μm以上20μm以下とすることがより好ましい。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode substrate 7 is preferably 3 μm, more preferably 5 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode substrate 7 is preferably 30 μm, more preferably 20 μm. By setting the average thickness of the negative electrode base material to the above lower limit or more, the strength of the negative electrode base material 7 can be increased. By setting the average thickness of the negative electrode base material to the above upper limit or less, the energy density per volume of the all solid state battery can be increased. For these reasons, the average thickness of the negative electrode base material 7 is preferably 3 μm or more and 30 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 20 μm or less.

(負極活物質層)
負極活物質層6は、負極活物質を含む。負極活物質層6は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成することができる。負極活物質層6は、負極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。負極活物質層6は、必要に応じて、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。これらの負極活物質層における任意成分の種類及び好適な含有量は、上述した正極活物質層の各任意成分と同様である。これらの各任意成分の1種又は2種以上は、負極活物質層に実質的に含有されていなくてもよい。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 6 contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 6 can be formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 6 may contain a mixture or composite containing a negative electrode active material and a solid electrolyte. The negative electrode active material layer 6 contains optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler, if necessary. The types and suitable contents of the optional components in these negative electrode active material layers are the same as the respective optional components in the positive electrode active material layer described above. One or two or more of each of these optional components may not be substantially contained in the negative electrode active material layer.

負極活物質層6は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer 6 includes typical non-metal elements such as B, N, P, F, Cl, Br and I, typical metal elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga and Ge, Transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, W, etc. other than the negative electrode active material, conductive agent, binder, thickener and filler. It may be contained as a component.

負極活物質としては、リチウムイオン二次電池や全固体電池に通常用いられる公知の負極活物質の中から適宜選択できる。上記負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;LiTi12、LiTiO2、TiNb等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials usually used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. A material capable of inserting and extracting lithium ions is usually used as the negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include metal Li; metals such as Si and Sn or metalloids; metal oxides such as Si oxides, Ti oxides and Sn oxides or metalloid oxides; Li 4 Ti 5 O 12 ; Titanium-containing oxides such as LiTiO 2 and TiNb 2 O 7 ; polyphosphoric acid compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite (graphite) and non-graphitizable carbon (graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). To be Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferable. In the negative electrode active material layer, one kind of these materials may be used alone, or two or more kinds thereof may be mixed and used.

「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 “Graphite” refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of (002) planes determined by an X-ray diffraction method of 0.33 nm or more and less than 0.34 nm before or after charge/discharge. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferable from the viewpoint that a material having stable physical properties can be obtained.

「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素の結晶子サイズLcは、通常、0.80〜2.0nmである。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチ由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 “Non-graphitic carbon” refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of (002) plane of 0.34 nm or more and 0.42 nm or less, which is determined by an X-ray diffraction method before or after charge/discharge. Say. The crystallite size Lc of non-graphitic carbon is usually 0.80 to 2.0 nm. Examples of the non-graphitizable carbon include non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon. Examples of the non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch-derived materials, alcohol-derived materials, and the like.

ここで、「放電状態」とは、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態をいう。開回路状態での金属Li対極の電位は、Liの酸化還元電位とほぼ等しいため、上記単極電池における開回路電圧は、Liの酸化還元電位に対する炭素材料を含む負極の電位とほぼ同等である。つまり、上記単極電池における開回路電圧が0.7V以上であることは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されていることを意味する。 Here, the “discharge state” refers to a state in which an open circuit voltage is 0.7 V or more in a single-pole battery using a negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material as a working electrode and metal Li as a counter electrode. Since the potential of the counter electrode of metal Li in the open circuit state is almost equal to the oxidation-reduction potential of Li, the open-circuit voltage in the above unipolar battery is almost equal to the potential of the negative electrode containing the carbon material with respect to the oxidation-reduction potential of Li. .. That is, an open circuit voltage of 0.7 V or more in the above-mentioned single-pole battery means that the carbon material, which is the negative electrode active material, has sufficiently released lithium ions that can be stored and released during charging and discharging. ..

「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。難黒鉛化性炭素は、通常、非黒鉛質炭素の中でも、3次元的な積層規則性を持つ黒鉛構造が生成し難い性質を有する。 The "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less. The non-graphitizable carbon usually has a property that a graphite structure having a three-dimensional stacking regularity is unlikely to be formed among non-graphitic carbons.

「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。易黒鉛化性炭素は、通常、非黒鉛質炭素の中でも、3次元的な積層規則性を持つ黒鉛構造が生成し易い性質を有する。 The “graphitizable carbon” refers to a carbon material having the above-mentioned d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm. The easily graphitizable carbon usually has a property of easily forming a graphite structure having a three-dimensional stacking regularity among non-graphitic carbons.

負極活物質の平均粒径は、例えば、1μm以上100μm以下とすることができる。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粒子を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び粉級方法は、例えば、上記正極層で例示した方法から選択できる。 The average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 μm or more and 100 μm or less. By setting the average particle size of the negative electrode active material to the above lower limit or more, the production or handling of the negative electrode active material becomes easy. By setting the average particle size of the negative electrode active material to be equal to or less than the above upper limit, the electron conductivity of the active material layer is improved. A crusher, a classifier, or the like is used to obtain the particles in a predetermined shape. The pulverization method and the powder classification method can be selected from the methods exemplified for the positive electrode layer, for example.

負極活物質層6が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。負極活物質層6における固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を大きくすることができる。負極活物質層6に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、負極活物質層6中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。 When the negative electrode active material layer 6 contains a solid electrolyte, the lower limit of the content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass, more preferably 20% by mass. The upper limit of the content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer 6 is preferably 90% by mass, more preferably 70% by mass, and further preferably 50% by mass. By setting the content of the solid electrolyte within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. When the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is used for the negative electrode active material layer 6, the content of the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the negative electrode active material layer 6 is 50 mass. % Or more is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is even more preferable.

上記負極活物質と固体電解質との混合物又は複合体は、上述した正極活物質と固体電解質との混合物又は複合体において、正極活物質を負極活物質に置き換えたものとすることができる。 The mixture or composite of the negative electrode active material and the solid electrolyte may be the above-described mixture or composite of the positive electrode active material and the solid electrolyte in which the positive electrode active material is replaced with the negative electrode active material.

負極活物質層6の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。負極活物質層6の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましい。負極活物質層6の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。負極活物質層6の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の小型化を図ることなどができる。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode active material layer 6 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode active material layer 6 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm. By setting the average thickness of the negative electrode active material layer 6 to the above lower limit or more, an all-solid battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the negative electrode active material layer 6 to be equal to or less than the above upper limit, the size of the all-solid-state battery can be reduced.

[隔離層]
隔離層3は、固体電解質を含有する。隔離層3に含有される固体電解質としては、上述した本発明の一実施形態に係る固体電解質以外にも、各種固体電解質を用いることができ、中でも、硫化物系固体電解質を用いることが好ましい。隔離層3における固体電解質の含有量としては、70質量%以上が好ましく、90質量以上%がより好ましく、99質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましいこともある。また、隔離層3に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、隔離層3中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。
[Isolation layer]
The isolation layer 3 contains a solid electrolyte. As the solid electrolyte contained in the isolation layer 3, various solid electrolytes other than the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention described above can be used, and among these, a sulfide-based solid electrolyte is preferably used. The content of the solid electrolyte in the isolation layer 3 is preferably 70% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, further preferably 99% by mass or more, and even more preferably substantially 100% by mass. is there. When the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is used for the isolation layer 3, the content of the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the isolation layer 3 is 50% by mass or more. Is preferred, 70% by mass or more is more preferred, 90% by mass or more is still more preferred, and substantially 100% by mass is even more preferred.

隔離層3には、LiPO等の酸化物、ハロゲン化合物、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分が含有されていてもよい。バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極層で例示した材料から選択できる。 The isolation layer 3 may contain optional components such as oxides such as Li 3 PO 4 , halogen compounds, binders, thickeners and fillers. Optional components such as a binder, a thickener, and a filler can be selected from the materials exemplified for the positive electrode layer.

隔離層3の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、3μmがより好ましい。隔離層3の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、20μmがより好ましい。隔離層3の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極と負極とを確実に絶縁することが可能となる。隔離層3の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池のエネルギー密度を高めることが可能となる。 The lower limit of the average thickness of the isolation layer 3 is preferably 1 μm, more preferably 3 μm. The upper limit of the average thickness of the isolation layer 3 is preferably 50 μm, more preferably 20 μm. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to the above lower limit or more, it becomes possible to reliably insulate the positive electrode and the negative electrode. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to the upper limit or less, it becomes possible to increase the energy density of the all-solid-state battery.

<リチウムイオン蓄電素子の製造方法>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電素子の製造方法は、正極層、隔離層及び負極層の少なくとも1つの作製に、本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いること以外は、通常公知の方法により行うことができる。当該製造方法は、具体的には、例えば(1)正極合剤を用意すること、(2)隔離層用材料を用意すること、(3)負極合剤を用意すること、及び(4)正極層、隔離層及び負極層を積層することを備える。以下、各工程について詳説する。
<Method for manufacturing lithium-ion storage element>
A method for manufacturing a lithium-ion storage element according to an embodiment of the present invention is generally known except that a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention is used for producing at least one of a positive electrode layer, an isolation layer, and a negative electrode layer. It can be performed by the method of. Specifically, the manufacturing method is, for example, (1) preparing a positive electrode mixture, (2) preparing a material for an isolation layer, (3) preparing a negative electrode mixture, and (4) a positive electrode. Laminating a layer, an isolation layer and a negative electrode layer. Hereinafter, each step will be described in detail.

(1)正極合剤用意工程
本工程では、通常、正極層(正極活物質層)を形成するための正極合剤が作製される。正極合剤の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、正極合剤の材料のメカニカルミリング処理、正極活物質の圧縮成形、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング等が挙げられる。正極合剤が、正極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程は、例えばメカニカルミリング法等を用いて正極活物質と固体電解質とを混合し、正極活物質と固体電解質との混合物又は複合体を作製することを含むことができる。
(1) Positive Electrode Mixture Preparation Step In this step, a positive electrode mixture for forming a positive electrode layer (positive electrode active material layer) is usually prepared. The method for producing the positive electrode mixture is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include mechanical milling treatment of the material of the positive electrode mixture, compression molding of the positive electrode active material, and sputtering using a target material of the positive electrode active material. If the positive electrode mixture contains a mixture or complex containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, this step, for example, by mixing the positive electrode active material and the solid electrolyte using a mechanical milling method or the like, the positive electrode active material and Making a mixture or complex with a solid electrolyte can be included.

(2)隔離層用材料用意工程
本工程では、通常、隔離層を形成するための材料が作製される。リチウムイオン蓄電素子が全固体電池である場合、隔離層用材料は、通常、固体電解質である。隔離層用材料としての固体電解質は、従来公知の方法で作製することができる。例えば、所定の材料をメカニカルミリング法により処理して得ることができる。溶融急冷法により所定の材料を溶融温度以上に加熱して所定の比率で両者を溶融混合し、急冷することにより隔離層用材料を作製してもよい。その他の隔離層用材料の合成方法としては、例えば減圧封入して焼成する固相法、溶解析出などの液相法、気相法(PLD)、メカニカルミリング後にアルゴン雰囲気下で焼成することなどが挙げられる。
(2) Isolation Layer Material Preparation Step In this step, a material for forming the isolation layer is usually prepared. When the lithium-ion power storage device is an all-solid-state battery, the material for the isolation layer is usually a solid electrolyte. The solid electrolyte as the material for the isolation layer can be produced by a conventionally known method. For example, it can be obtained by processing a predetermined material by a mechanical milling method. The isolation layer material may be produced by heating a predetermined material to a temperature equal to or higher than the melting temperature by a melt quenching method, melting and mixing both at a predetermined ratio, and then rapidly cooling. Other methods for synthesizing the material for the isolation layer include, for example, a solid-phase method of sealing under reduced pressure and firing, a liquid-phase method such as dissolution and precipitation, a vapor-phase method (PLD), and firing in an argon atmosphere after mechanical milling. Can be mentioned.

(3)負極合剤用意工程
本工程では、通常、負極層(負極活物質層)を形成するための負極合剤が作製される。負極合剤の具体的作製方法は、正極合剤と同様である。負極合剤が、負極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程は、例えばメカニカルミリング法等を用いて負極活物質と固体電解質とを混合し、負極活物質と固体電解質との混合物又は複合体を作製することを含むことができる。
(3) Negative electrode mixture preparation step In this step, a negative electrode mixture for forming a negative electrode layer (negative electrode active material layer) is usually prepared. The specific manufacturing method of the negative electrode mixture is the same as that of the positive electrode mixture. If the negative electrode mixture contains a mixture or complex containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, this step, for example, by mixing the negative electrode active material and the solid electrolyte by using a mechanical milling method or the like, the negative electrode active material and Making a mixture or complex with a solid electrolyte can be included.

(積層工程)
本工程は、例えば、正極基材及び正極活物質層を有する正極層、隔離層、並びに負極基材及び負極活物質層を有する負極層が積層される。本工程では、正極層、隔離層及び負極層をこの順に順次形成してもよいし、この逆であってもよく、各層の形成の順序は特に問わない。上記正極層は、例えば正極基材及び正極合剤を加圧成型することにより形成され、上記隔離層は、隔離層用材料を加圧成型することにより形成され、上記負極層は、負極基材及び負極合剤を加圧成型することにより形成される。正極基材、正極合剤、隔離層材料、負極合剤及び負極基材を一度に加圧成型することにより、正極層、隔離層及び負極層が積層されてもよい。正極層及び負極層をそれぞれ予め成形し、隔離層と加圧成型して積層してもよい。
(Lamination process)
In this step, for example, a positive electrode layer having a positive electrode base material and a positive electrode active material layer, an isolation layer, and a negative electrode layer having a negative electrode base material and a negative electrode active material layer are laminated. In this step, the positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer may be sequentially formed in this order, or vice versa, and the order of forming each layer is not particularly limited. The positive electrode layer is formed, for example, by pressure molding a positive electrode base material and a positive electrode mixture, the isolation layer is formed by pressure molding a material for an isolation layer, and the negative electrode layer is a negative electrode base material. And the negative electrode mixture are pressure-molded. The positive electrode layer, the positive electrode mixture, the separator layer material, the negative electrode mixture, and the negative electrode substrate may be pressure-molded at one time to laminate the positive electrode layer, the separator layer, and the negative electrode layer. The positive electrode layer and the negative electrode layer may be preliminarily molded, and pressure-molded and laminated with the isolation layer.

[その他の実施形態]
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子については、正極層、隔離層及び負極層以外のその他の層を備えていてもよい。また、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子は、各層のうちの1つ又は複数に液体を含むものであってもよい。本発明に係るリチウムイオン蓄電素子は、二次電池である全固体電池の他、キャパシタ等であってもよい。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be carried out in various modified and improved modes other than the above modes. For example, the lithium-ion storage element according to the present invention may be provided with a layer other than the positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer. In addition, the lithium-ion storage element according to the present invention may include a liquid in one or more of the layers. The lithium-ion power storage element according to the present invention may be a capacitor or the like in addition to an all-solid-state battery that is a secondary battery.

<実施例>
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<Example>
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

[実施例1]
原料化合物としてLiS(0.4373g)、P(0.4141g)、LiCl(0.1548g)及びMgCl(0.0035g)をメノウ乳鉢で混合した。この混合物を乾式のボールミル法により、以下のように処理した。混合物を、直径4mmのジルコニアボールが160g入った密閉式の80mLジルコニアポットに投入した。これらの工程は、露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で行った。遊星ボールミル(FRITSCH社製、型番Premium line P−7)によって公転回転数370rpmで1時間×25回のメカニカルミリング処理を行い、前駆体を得た。なお、1時間毎に2分の休止を挟んでメカニカルミリング処理を行った。露点−50℃以下のアルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で、得られた前駆体をペレット状に成形した。この前駆体を500℃で4時間加熱することで焼成し、組成式Li6−mxPSCl(A=Mg、m=2、x=0.010)で表される実施例1の固体電解質を得た。
[Example 1]
Li 2 S (0.4373 g), P 2 S 5 (0.4141 g), LiCl (0.1548 g) and MgCl 2 (0.0035 g) as raw material compounds were mixed in an agate mortar. This mixture was processed by the dry ball mill method as follows. The mixture was put into a closed 80 mL zirconia pot containing 160 g of zirconia balls having a diameter of 4 mm. These steps were performed in an argon atmosphere with a dew point of −50° C. or lower. A planetary ball mill (Model number P-7 manufactured by FRITSCH, model number P-7) was subjected to mechanical milling treatment for 1 hour×25 times at a revolution speed of 370 rpm to obtain a precursor. The mechanical milling process was performed every 1 hour with a pause of 2 minutes. The obtained precursor was molded into pellets in a glove box that maintained an argon atmosphere with a dew point of -50°C or lower. This precursor was fired by heating at 500° C. for 4 hours, and the precursor of Example 1 represented by the composition formula Li 6-mx A x PS 5 Cl (A=Mg, m=2, x=0.010) was used. A solid electrolyte was obtained.

[実施例2〜9、比較例1]
原料化合物の種類及び量を表1に記載の通りとしたこと以外は実施例1と同様の操作をして、表2〜3に記載の組成式で表される実施例2〜9及び比較例1の各固体電解質を得た。表2〜3は、得られた固体電解質における上記式(1)で表される元素Aの置換度もあわせて示す。なお、表2と表3とには、重複する実施例及び比較例が含まれる。
[Examples 2 to 9 and Comparative Example 1]
The same operations as in Example 1 were carried out except that the kinds and amounts of the raw material compounds were set as shown in Table 1, and Examples 2 to 9 and Comparative Examples represented by the composition formulas shown in Tables 2 to 3 were used. Each solid electrolyte of 1 was obtained. Tables 2 to 3 also show the substitution degree of the element A represented by the above formula (1) in the obtained solid electrolyte. Note that Tables 2 and 3 include overlapping Examples and Comparative Examples.

Figure 2020119782
Figure 2020119782

[評価]
(1)粉末X線回折測定
上記の方法で、粉末X線回折測定を行った。なお、気密性のX線回折測定用試料ホルダーには、Rigaku社製、商品名「汎用雰囲気セパレータ」を用いた。
[Evaluation]
(1) Powder X-ray diffraction measurement The powder X-ray diffraction measurement was performed by the above method. As the airtight sample holder for X-ray diffraction measurement, a product name "general-purpose atmosphere separator" manufactured by Rigaku Co. was used.

図2に、実施例1〜2及び比較例1の固体電解質のX線回折(XRD)パターンを示す。図3に、実施例3〜9及び比較例1の固体電解質のX線回折(XRD)パターンを示す。また、表1及び2にこれらの結果から求めた各固体電解質の結晶格子定数aを示す。 FIG. 2 shows X-ray diffraction (XRD) patterns of the solid electrolytes of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG. 3 shows X-ray diffraction (XRD) patterns of the solid electrolytes of Examples 3 to 9 and Comparative Example 1. Further, Tables 1 and 2 show the crystal lattice constant a of each solid electrolyte obtained from these results.

図2、3に示されるように、実施例及び比較例の固体電解質は、いずれも空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有していた。すなわち、比較例1の固体電解質(LiPSCl)に対して、リチウムの一部をマグネシウム又はインジウムで置換した実施例1〜9の固体電解質においても、その結晶構造は維持されていることが確認できる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the solid electrolytes of Examples and Comparative Examples each had a diffraction pattern that could be assigned to the space group F-43m. That is, in the solid electrolytes of Examples 1 to 9 in which a part of lithium was replaced with magnesium or indium with respect to the solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) of Comparative Example 1, its crystal structure was maintained. Can be confirmed.

(2)イオン伝導度
実施例1〜6及び比較例1の固体電解質の50℃におけるイオン伝導度を、Bio−Lobic社製「VMP−300」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定し、求めた。表2に実施例1〜6及び比較例1の固体電解質の50℃におけるイオン伝導度を示す。
(2) Ionic Conductivity The ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 at 50° C. was measured for AC impedance by the above method using “VMP-300” manufactured by Bio-Lobic, I asked. Table 2 shows the ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 at 50°C.

また、実施例3〜9及び比較例1の固体電解質の−30℃におけるイオン伝導度を同様にして求めた。表3に実施例3〜9及び比較例1の固体電解質の−30℃におけるイオン伝導度を示す。 Further, the ionic conductivity at −30° C. of the solid electrolytes of Examples 3 to 9 and Comparative Example 1 was similarly determined. Table 3 shows the ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 3 to 9 and Comparative Example 1 at -30°C.

Figure 2020119782
Figure 2020119782

Figure 2020119782
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表2に示されるように、実施例1〜6の固体電解質においては、50℃の高温下でのイオン伝導度が改善されていることがわかる。また、表3に示されるように、実施例3〜9の固体電解質においては、−30℃の低温下でのイオン伝導度が改善されていることがわかる。 As shown in Table 2, it is understood that the solid electrolytes of Examples 1 to 6 have improved ionic conductivity at a high temperature of 50°C. Further, as shown in Table 3, it is understood that the solid electrolytes of Examples 3 to 9 have improved ionic conductivity at a low temperature of −30° C.

本発明に係る固体電解質は、全固体電池等の蓄電素子の固体電解質として好適に用いられる。 The solid electrolyte according to the present invention is preferably used as a solid electrolyte of a storage element such as an all-solid battery.

1 正極層
2 負極層
3 隔離層
4 正極基材
5 正極活物質層
6 負極活物質層
7 負極基材
10 全固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode layer 2 Negative electrode layer 3 Isolation layer 4 Positive electrode base material 5 Positive electrode active material layer 6 Negative electrode active material layer 7 Negative electrode base material 10 All solid state battery

Claims (5)

空間群F−43mに帰属可能な結晶構造を有し、
リチウム、リン、硫黄、及び元素Aを含有し、
上記元素Aがマグネシウム又はインジウムである固体電解質。
It has a crystal structure that can be assigned to the space group F-43m,
Contains lithium, phosphorus, sulfur, and element A,
A solid electrolyte in which the element A is magnesium or indium.
下記式(1)で表される上記元素Aの置換度DS(%)が0.1%以上1.5%以下である請求項1の固体電解質。
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 ・・・ (1)
(式(1)中、[Li]は、上記リチウムの原子数基準の含有割合である。[A]は、上記元素Aの原子数基準の含有割合である。mは、上記元素Aの価数である。)
The solid electrolyte according to claim 1, wherein the substitution degree DS (%) of the element A represented by the following formula (1) is 0.1% or more and 1.5% or less.
DS={[A]/([Li]+m[A])}×100 (1)
(In the formula (1), [Li] is the content ratio of the lithium atom based on the atomic number. [A] is the content ratio of the element A based on the atomic number. m is the valence of the element A. It is a number.)
下記式(2)で表される、請求項1又は請求項2の固体電解質。
Li7−mx−yPS6−yHa ・・・ (2)
(式(2)中、Aは、上記元素Aである。Haは、塩素、臭素又はヨウ素である。xは、0.01以上0.08以下の数である。yは、0.2以上1.8以下の数である。mは、上記元素Aの価数である。)
The solid electrolyte according to claim 1 or 2, which is represented by the following formula (2).
Li 7-mx-y A x PS 6-y Ha y ··· (2)
(In the formula (2), A is the element A. Ha is chlorine, bromine or iodine. x is a number of 0.01 or more and 0.08 or less. y is 0.2 or more. The number is 1.8 or less, and m is the valence of the element A.)
上記元素Aがインジウムであり、
下記式(1b)で表される上記インジウムの置換度DS(%)が0.1%以上2.5%以下である請求項1の固体電解質。
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 ・・・ (1b)
(式(1b)中、[Li]は、上記リチウムの原子数基準の含有割合である。[In]は、上記インジウムの原子数基準の含有割合である。)
The element A is indium,
The solid electrolyte according to claim 1, wherein the substitution degree DS (%) of the indium represented by the following formula (1b) is 0.1% or more and 2.5% or less.
DS={[In]/([Li]+3[In])}×100 (1b)
(In the formula (1b), [Li] is the content ratio of lithium based on the number of atoms. [In] is the content ratio of the indium based on the number of atoms.)
請求項1から請求項4のいずれかの固体電解質を含有するリチウムイオン蓄電素子。 A lithium ion storage element containing the solid electrolyte according to claim 1.
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