JP2020158835A - Metal halide foil, and all-solid battery and nonaqueous lithium ion battery including the same - Google Patents

Metal halide foil, and all-solid battery and nonaqueous lithium ion battery including the same Download PDF

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Abstract

To provide a metal halide foil that prevents ununiform film deposition, and ununiform electrochemical reaction from film peeling or rupture due to the stress caused by a volumetric change of charging/discharging, and can improve cycle characteristics.SOLUTION: A metal halide foil has a surface modified with halogen element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。また、ハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。そして、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる長寿命、高容量化が期待されている。 Lithium-ion secondary batteries are lighter and have higher capacity than nickel-cadmium batteries, nickel-metal hydride batteries, and the like, and are therefore widely used as power sources for portable electronic devices. It is also a promising candidate for power sources installed in hybrid vehicles and electric vehicles. With the recent miniaturization and higher functionality of portable electronic devices, it is expected that the lithium ion secondary batteries used as power sources will have a longer life and a higher capacity.

従来、リチウムイオン二次電池は、アルミニウムや銅などのシート状の集電体の両面に、リチウムイオンを吸蔵、放出する正極活物質または負極活物質を塗布した正極と負極を有し、これらの正極と負極の間にセパレーターを挟み複数回捲いて捲回体を形成し、これを円筒型や角型、コイン型などの形状の外装体に電解液と共に封入されて成っている。 Conventionally, a lithium ion secondary battery has a positive electrode and a negative electrode coated with a positive electrode active material or a negative electrode active material that stores and releases lithium ions on both sides of a sheet-shaped current collector such as aluminum or copper. A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode and wound a plurality of times to form a wound body, which is sealed together with an electrolytic solution in an exterior body having a cylindrical, square, or coin shape.

また、リチウムイオン二次電池とは別に、安全性の高さから、電解液を用いない全固体電池の研究、開発が盛んに行われている。 In addition to lithium-ion secondary batteries, research and development of all-solid-state batteries that do not use an electrolytic solution are being actively conducted because of their high safety.

全固体電池は、薄膜型とバルク型の2種類に分類される。薄膜型は、PVD法やゾルゲル法などの薄膜技術により、またバルク型は、電極活物質と硫化物系固体電解質の圧粉成型により、また、酸化物固体電解質を用いた場合は焼結により作製される。 All-solid-state batteries are classified into two types: thin film type and bulk type. The thin film type is manufactured by thin film technology such as PVD method and sol-gel method, and the bulk type is manufactured by dust molding of electrode active material and sulfide-based solid electrolyte, and by sintering when oxide solid electrolyte is used. Will be done.

リチウムイオン二次電池も、全固体電池も、更なる高容量、高エネルギー密度化が望まれていた。 Both lithium-ion secondary batteries and all-solid-state batteries have been desired to have higher capacity and higher energy density.

そこで、従来の負極材料である黒鉛よりもエネルギー密度に優れ、また起電力が大きい電池が得られる観点から、負極に金属リチウムを用いる検討が行われている。 Therefore, from the viewpoint of obtaining a battery having a higher energy density and a larger electromotive force than graphite, which is a conventional negative electrode material, studies have been conducted on using metallic lithium as the negative electrode.

しかしながら、金属リチウムを用いた場合、充電、放電を繰り返した際に、樹枝状のデンドライトが成長し、そこに含まれる金属リチウムが失活しサイクル特性が低いという問題が生じていた。
また、全固体電池に金属リチウムを用いた場合、接触する固体電解質との間で反応が生じ、リチウムイオンが移動しにくい界面が形成され、不均一な電気化学反応になってしまい、サイクル特性が低いという問題が生じていた。
However, when metallic lithium is used, there is a problem that dendritic dendrites grow when charging and discharging are repeated, the metallic lithium contained therein is deactivated, and the cycle characteristics are low.
In addition, when metallic lithium is used for the all-solid-state battery, a reaction occurs with the solid electrolyte that comes into contact with the battery, an interface in which lithium ions do not easily move is formed, resulting in a non-uniform electrochemical reaction, resulting in cycle characteristics. There was a problem of low.

このような問題を鑑みて、特許文献1、2および3において、金属リチウムの表面に、被膜を形成することが提唱されている。 In view of such problems, Patent Documents 1, 2 and 3 propose to form a film on the surface of metallic lithium.

特開平11−288706号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-288706 特開平7−302617号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-302617 特開昭53−88927号公報JP-A-53-88927

特許文献1では、(100)結晶面が優先的に配向した金属リチウムシートの表面に、岩塩型結晶構造の物質の被膜を形成することで、均一な溶解析出反応を行うことができ、金属リチウムのデンドライトの析出を抑制でき、サイクル特性が向上できると提唱されている。金属リチウムシート表面に形成する被膜は、LiCl、LiBr、LiIより選ばれる少なくとも一種とLiFとの固溶体が好ましいと記載されており、また、(100)結晶面が優先的に配向した金属リチウムシートは、市販のリチウム箔を鋼製の冶具で繰り返し圧延処理により作製したとされている。
しかしながら、市販のリチウム箔の表面は、安全のために酸化あるいは炭酸化、水酸化、窒化による安定化処理されており、繰り返し圧延処理を行い配向させたとしても、異相として残ってしまう。このため、目的とした均一な被膜を作ることが困難になり、十分なデンドライト析出抑制効果を得ることができず、サイクル特性を向上させることはできなかった。
In Patent Document 1, (100) a uniform dissolution-precipitation reaction can be carried out by forming a film of a substance having a rock salt type crystal structure on the surface of a metallic lithium sheet in which the crystal planes are preferentially oriented, and metallic lithium. It has been proposed that the precipitation of dendrites can be suppressed and the cycle characteristics can be improved. It is described that the coating formed on the surface of the metallic lithium sheet is preferably a solid solution of LiF and at least one selected from LiCl, LiBr, and LiI, and (100) the metallic lithium sheet in which the crystal plane is preferentially oriented is , It is said that a commercially available lithium foil was repeatedly rolled with a steel jig.
However, the surface of a commercially available lithium foil is stabilized by oxidation, carbonation, hydroxylation, and nitriding for safety, and even if it is repeatedly rolled and oriented, it remains as a different phase. For this reason, it becomes difficult to form the desired uniform film, a sufficient dendrite precipitation suppressing effect cannot be obtained, and the cycle characteristics cannot be improved.

特許文献2では、電解液との反応によりフッ化リチウム被膜を金属リチウム表面に形成する方法が提唱されている。しかしながら、フッ化リチウム被膜を形成する際に副反応被膜も一緒に形成されてしまい、均一なフッ化リチウム被膜を形成することが難しい。不均一な被膜の場合、イオン伝導経路が不均一になるため、電気化学反応も不均一に起こるためサイクル特性を向上させることはできなかった。 Patent Document 2 proposes a method of forming a lithium fluoride coating on the surface of metallic lithium by reacting with an electrolytic solution. However, when the lithium fluoride film is formed, the side reaction film is also formed, and it is difficult to form a uniform lithium fluoride film. In the case of a non-uniform coating, the ion conduction path becomes non-uniform, and the electrochemical reaction also occurs non-uniformly, so that the cycle characteristics cannot be improved.

特許文献3では、負極に形成した金属リチウムを、ヨウ素を溶かした石油エーテルに2〜5分間浸すことで、負極リチウムの表面にヨウ化リチウムの膜を形成する方法が提唱されている。
しかしながら、石油エーテルを脱水するために金属ナトリウムで脱水を行っているが、これも不純物として残ってしまう。また、市販のリチウム箔の表面は、安全のために酸化あるいは炭酸化、水酸化、窒化による安定化処理されており、このため、目的とした均一な被膜を作ることが困難になり、十分なデンドライト析出抑制効果を得ることができず、サイクル特性を向上させることはできなかった。
Patent Document 3 proposes a method of forming a lithium iodide film on the surface of the negative electrode lithium by immersing the metallic lithium formed on the negative electrode in petroleum ether in which iodine is dissolved for 2 to 5 minutes.
However, although dehydration is carried out with metallic sodium to dehydrate petroleum ether, this also remains as an impurity. In addition, the surface of a commercially available lithium foil is stabilized by oxidation, carbonation, hydroxylation, and nitridation for safety, which makes it difficult to form the desired uniform film, which is sufficient. The effect of suppressing dendrite precipitation could not be obtained, and the cycle characteristics could not be improved.

また、いずれの場合も充電放電を繰り返し行った場合に体積変化が生じるためその応力により、形成した膜の剥がれや、破れが生じてしまいデンドライト抑制効果が低下や、不均一な電気化学反応が生じてしまい、サイクル特性の向上はできなかった。 Further, in any case, since the volume changes when charging and discharging are repeated, the stress causes peeling and tearing of the formed film, which reduces the dendrite suppression effect and causes a non-uniform electrochemical reaction. Therefore, the cycle characteristics could not be improved.

本開示は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、高いサイクル特性を有するハロゲン化金属箔を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present disclosure is to provide a halogenated metal foil having high cycle characteristics.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、Li、NaおよびK金属を含む金属の表面がハロゲン元素で改質された改質層と、金属部を有することが好ましい。 The halogenated metal foil according to the present disclosure preferably has a modified layer in which the surface of a metal containing Li, Na and K metals is modified with a halogen element, and a metal portion.

かかる構成によれば、Li、Na、K、金属を溶解させ金属箔状化し、その表面をハロゲン元素で改質した、改質層を有する金属箔とすることで、金属部と強固に接合した改質層を均一に形成することが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、均一な電気化学反応が生じ、デンドライトの析出が抑制され、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, Li, Na, K, and a metal are melted to form a metal foil, and the surface thereof is modified with a halogen element to form a metal foil having a modified layer, whereby the metal foil is firmly bonded to the metal portion. It becomes possible to uniformly form the modified layer. As a result, the destruction of the modified layer due to the volume change when charging and discharging are repeated is reduced, a uniform electrochemical reaction occurs, dendrite precipitation is suppressed, and the cycle characteristics can be improved.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、前記ハロゲン元素の分布量がグラデーション状に存在する前記改質層を備えることが好ましい。 The halogenated metal leaf according to the present disclosure preferably includes the modified layer in which the distribution amount of the halogen elements is present in a gradation pattern.

かかる構成によれば、改質層のハロゲン元素の分布量がグラデーション状に変化することで、金属部と強固に接合した改質層に柔軟性を持たせることが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による応力を緩和することが可能になり、改質層の破壊がより低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, the amount of halogen elements distributed in the modified layer changes in a gradation manner, so that the modified layer firmly bonded to the metal portion can be made flexible. This makes it possible to relieve stress due to volume changes when charging and discharging are repeated, further reducing the destruction of the modified layer, and enabling a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. .. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、前記グラデーションは、ハロゲン元素の分布量が、前記金属部に向かって減少することが好ましい。 In the halogenated metal foil according to the present disclosure, it is preferable that the distribution amount of the halogen element decreases toward the metal portion in the gradation.

かかる構成によれば、ハロゲン元素の分布量が、金属部に向かって減少するグラデーション状とすることで、金属部と強固に接合した改質層に、より柔軟性を持たせることが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による応力を緩和することが可能になり、改質層の破壊がより低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, by forming the distribution amount of the halogen element into a gradation shape that decreases toward the metal portion, it is possible to give more flexibility to the modified layer that is firmly bonded to the metal portion. .. This makes it possible to relieve stress due to volume changes when charging and discharging are repeated, further reducing the destruction of the modified layer, and enabling a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. .. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、前記改質層が、ヨウ化物、フッ化物、塩化物および臭化物からなる群から選ばれる少なくとも一種以上を含むことが好ましい。 In the metal halide foil according to the present disclosure, it is preferable that the modified layer contains at least one selected from the group consisting of iodide, fluoride, chloride and bromide.

かかる構成によれば、Li、NaおよびK金属を溶解し金属箔状化させ、その表面をヨウ化物、フッ化物、塩化物および臭化物に改質することで、金属部と強固に接合した改質層が、イオン伝導機能を備えることができ、より均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性をさらに向上させることが可能になる。 According to such a configuration, Li, Na and K metals are melted and formed into a metal foil, and the surface thereof is modified into iodide, fluoride, chloride and bromide, whereby the modification is firmly bonded to the metal portion. The layer can be provided with an iodide conduction function, allowing for a more uniform electrochemical reaction. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、前記金属箔の厚みが、20μm〜1000μmであることが好ましい。 The halogenated metal foil according to the present disclosure preferably has a thickness of 20 μm to 1000 μm.

かかる構成によれば、厚みが20μm〜1000μmの金属箔とすることで、電極を作製する際のハンドリング性が向上する。これにより、均質な電極作製が可能になり、充電放電を繰り返し行った場合の局所的な体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, the metal foil having a thickness of 20 μm to 1000 μm improves the handleability when manufacturing the electrode. This makes it possible to fabricate a homogeneous electrode, reduce the destruction of the modified layer due to local volume changes when charging and discharging are repeated, and enable a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. Become. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかるハロゲン化金属箔は、前記改質層の厚みが、10nmより大きく、5μmより小さいことが好ましい。 In the metal halide foil according to the present disclosure, the thickness of the modified layer is preferably larger than 10 nm and smaller than 5 μm.

かかる構成によれば、改質層の厚みが、10nmより大きく、5μmより小さいことで、内部抵抗の低い均質な電極を作製することが可能になり、均一な電気化学反応が可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊がより低減し、デンドライト析出をより抑制することが可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to such a configuration, when the thickness of the modified layer is larger than 10 nm and smaller than 5 μm, it becomes possible to produce a homogeneous electrode having low internal resistance, and a uniform electrochemical reaction becomes possible. As a result, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is further reduced, and the dendrite precipitation can be further suppressed. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかる全固体電池は、上述したハロゲン化金属箔の少なくともいずれかを正極または負極に用いることが好ましい。 In the all-solid-state battery according to the present disclosure, it is preferable to use at least one of the above-mentioned metal halide foils for the positive electrode or the negative electrode.

かかる構成によれば、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is reduced, and a uniform electrochemical reaction in which the precipitation of dendrite is suppressed becomes possible. This makes it possible to improve the cycle characteristics.

本開示にかかるリチウムイオン電池は、上述したハロゲン化金属箔の少なくともいずれかを正極または負極に用いることが好ましい。 In the lithium ion battery according to the present disclosure, it is preferable to use at least one of the above-mentioned metal halide foils for the positive electrode or the negative electrode.

かかる構成によれば、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is reduced, and a uniform electrochemical reaction in which the precipitation of dendrite is suppressed becomes possible. This makes it possible to improve the cycle characteristics.

本開示によれば、Li、Na、K金属粒子の表面をハロゲン元素で改質した改質層を有する金属箔としたことにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、均一な電気化学反応が生じ、デンドライトの析出が抑制されるため、サイクル特性を向上させることができる。 According to the present disclosure, the surface of the Li, Na, and K metal particles is formed into a metal foil having a modified layer modified with a halogen element, so that the modified layer is destroyed by a volume change when charging and discharging are repeated. Is reduced, a uniform electrochemical reaction occurs, and precipitation of dendrites is suppressed, so that the cycle characteristics can be improved.

本実施形態のハロゲン化金属箔の模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the halogenated metal foil of this embodiment. 本実施形態のハロゲン化金属箔を用いたリチウムイオン二次電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows an example of the lithium ion secondary battery using the halogenated metal foil of this embodiment. 本実施形態のハロゲン化金属箔を用いた全固体電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows an example of the all-solid-state battery using the halogenated metal foil of this embodiment.

以下、本開示について本開示の好適な実施形態について説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described with respect to the present disclosure. The present disclosure is not limited to the following embodiments.

(ハロゲン化金属箔)
図1はハロゲン化金属箔1の断面図を示したものである。図1に示す通り、ハロゲン化金属箔1は、金属粒子の表面をハロゲン化物で改質した改質層2と、金属部3から構成されている。
(Halogenated metal leaf)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the halogenated metal foil 1. As shown in FIG. 1, the metal halide foil 1 is composed of a modified layer 2 in which the surface of metal particles is modified with a halide, and a metal portion 3.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、Li、NaおよびK金属を含む金属箔の表面がハロゲン元素(フッ素・塩素・臭素・ヨウ素・アスタチン・テネシンの少なくとも一種)で改質されている改質層2と、金属部3を有することが好ましい。 In the present embodiment, the halogenated metal foil 1 is modified in which the surface of the metal foil containing Li, Na and K metals is modified with a halogen element (at least one of fluorine, chlorine, bromine, iodine, astatine and tennessine). It is preferable to have the layer 2 and the metal portion 3.

かかる構成によれば、Li、Na、K、金属を溶解させ金属箔状化し、その表面をハロゲン元素で改質した、改質層を有する金属箔とすることで、金属部と強固に接合した改質層を均一に形成することが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、均一な電気化学反応が生じ、デンドライトの析出が抑制され、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, Li, Na, K, and a metal are melted to form a metal foil, and the surface thereof is modified with a halogen element to form a metal foil having a modified layer, whereby the metal foil is firmly bonded to the metal portion. It becomes possible to uniformly form the modified layer. As a result, the destruction of the modified layer due to the volume change when charging and discharging are repeated is reduced, a uniform electrochemical reaction occurs, dendrite precipitation is suppressed, and the cycle characteristics can be improved.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、前記ハロゲン元素の分布量がグラデーション状に存在する改質層を備えることが好ましい。なおここでの「グラデーション状」とは、ハロゲン元素の分布量が連続的に変化していることを意味する。 In the present embodiment, the halogenated metal foil 1 preferably includes a modified layer in which the distribution amount of the halogen elements is present in a gradation pattern. The term "gradation" here means that the amount of halogen element distributed is continuously changing.

かかる構成によれば、改質層のハロゲン元素の分布量がグラデーション状に変化することで、金属部と強固に接合した改質層に柔軟性を持たせることが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による応力を緩和することが可能になり、改質層の破壊がより低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, the amount of halogen elements distributed in the modified layer changes in a gradation manner, so that the modified layer firmly bonded to the metal portion can be made flexible. This makes it possible to relieve stress due to volume changes when charging and discharging are repeated, further reducing the destruction of the modified layer, and enabling a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. .. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、前記グラデーションは、ハロゲン元素の分布量が、前記金属部に向かって減少することが好ましい。 In the present embodiment, in the halogenated metal foil 1, it is preferable that the amount of halogen element distributed in the gradation decreases toward the metal portion.

かかる構成によれば、ハロゲン元素の分布量が、金属部に向かって減少するグラデーション状とすることで、金属部と強固に接合した改質層に、より柔軟性を持たせることが可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による応力を緩和することが可能になり、改質層の破壊がより低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, by forming the distribution amount of the halogen element into a gradation shape that decreases toward the metal portion, it is possible to give more flexibility to the modified layer that is firmly bonded to the metal portion. .. This makes it possible to relieve stress due to volume changes when charging and discharging are repeated, further reducing the destruction of the modified layer, and enabling a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. .. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、前記改質層が、ヨウ化物、フッ化物、塩化物および臭化物からなる群から選ばれる少なくとも一種以上を含むことが好ましい。 In the present embodiment, it is preferable that the modified layer contains at least one selected from the group consisting of iodide, fluoride, chloride and bromide.

かかる構成によれば、Li、NaおよびK金属を溶解し金属箔状化させ、その表面をヨウ化物、フッ化物、塩化物および臭化物に改質することで、金属部と強固に接合した改質層が、イオン伝導機能を備えることができ、より均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性をさらに向上させることが可能になる。 According to such a configuration, Li, Na and K metals are melted and formed into a metal foil, and the surface thereof is modified into iodide, fluoride, chloride and bromide, whereby the modification is firmly bonded to the metal portion. The layer can be provided with an iodide conduction function, allowing for a more uniform electrochemical reaction. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、前記金属箔の厚みが、20μm〜1000μmであることが好ましい。 In the present embodiment, the halogenated metal foil 1 preferably has a thickness of 20 μm to 1000 μm.

かかる構成によれば、厚みが20μm〜1000μmの金属箔とすることで、電極を作製する際のハンドリング性が向上する。これにより、均質な電極作製が可能になり、充電放電を繰り返し行った場合の局所的な体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to this configuration, the metal foil having a thickness of 20 μm to 1000 μm improves the handleability when manufacturing the electrode. This makes it possible to fabricate a homogeneous electrode, reduce the destruction of the modified layer due to local volume changes when charging and discharging are repeated, and enable a uniform electrochemical reaction in which dendrite precipitation is suppressed. Become. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本実施形態においてハロゲン化金属箔1は、前記改質層の厚みが、10nmより大きく、5μmより小さいことが好ましい。 In the present embodiment, the halogenated metal foil 1 preferably has a modified layer having a thickness of more than 10 nm and less than 5 μm.

かかる構成によれば、改質層の厚みが、10nmより大きく、5μmより小さいことで、内部抵抗の低い均質な電極を作製することが可能になり、均一な電気化学反応が可能になる。これにより、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊がより低減し、デンドライト析出をより抑制することが可能になる。これにより、サイクル特性を更に向上させることが可能になる。 According to such a configuration, when the thickness of the modified layer is larger than 10 nm and smaller than 5 μm, it becomes possible to produce a homogeneous electrode having low internal resistance, and a uniform electrochemical reaction becomes possible. As a result, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is further reduced, and the dendrite precipitation can be further suppressed. This makes it possible to further improve the cycle characteristics.

本開示にかかる全固体電池は、前記ハロゲン化金属箔1を正極または負極に用いることが好ましい。 In the all-solid-state battery according to the present disclosure, it is preferable to use the halogenated metal foil 1 as a positive electrode or a negative electrode.

かかる構成によれば、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is reduced, and a uniform electrochemical reaction in which the precipitation of dendrite is suppressed becomes possible. This makes it possible to improve the cycle characteristics.

本開示にかかるリチウムイオン電池は、前記ハロゲン化金属箔1を正極または負極に用いることが好ましい。 In the lithium ion battery according to the present disclosure, it is preferable to use the halogenated metal foil 1 as a positive electrode or a negative electrode.

かかる構成によれば、充電放電を繰り返し行った場合の体積変化による改質層の破壊が低減し、デンドライトの析出が抑制された均一な電気化学反応が可能になる。これにより、サイクル特性を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, the destruction of the modified layer due to the volume change when the charging / discharging is repeated is reduced, and a uniform electrochemical reaction in which the precipitation of dendrite is suppressed becomes possible. This makes it possible to improve the cycle characteristics.

(ハロゲン化金属箔の製造方法)
ハロゲン化金属箔の製造方法について、ハロゲン化リチウム箔の場合を例に説明する。
(リチウム箔の作製工程)
まず、炭化水素オイルにリチウムインゴットを投入し、これをリチウムの融点以上に加熱し、この溶融リチウム−炭化水素オイル混合物を十分な時間撹拌し、その後耐熱樹脂上にキャストし、リチウム箔を作製する。
(表面改質工程)
次に作製したリチウム箔に、所望の改質時間だけハロゲンガスを吹き付け、リチウム箔の表面を改質し、冷却することで、ハロゲン化リチウム箔が得られる。
(Manufacturing method of halogenated metal leaf)
A method for producing a metal halide foil will be described by taking the case of a lithium halogenated foil as an example.
(Lithium foil manufacturing process)
First, a lithium ingot is added to the hydrocarbon oil, heated above the melting point of lithium, the molten lithium-hydrocarbon oil mixture is stirred for a sufficient time, and then cast on a heat-resistant resin to prepare a lithium foil. ..
(Steam reforming process)
Next, the produced lithium foil is sprayed with halogen gas for a desired modification time to modify the surface of the lithium foil and cool it to obtain a halogenated lithium foil.

なお、すべての工程は溶融リチウムやリチウム箔が反応しないよう、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。 It is preferable that all the steps are performed in an atmosphere of an inert gas such as argon or helium so that the molten lithium or the lithium foil does not react.

上記炭化水素オイルは、リチウムインゴットを1重量部としたとき、均一に溶融させる観点から1〜30重量部であることが好ましく、2〜15重量部であることがより好ましい。 The hydrocarbon oil is preferably 1 to 30 parts by weight, more preferably 2 to 15 parts by weight, when the lithium ingot is 1 part by weight, from the viewpoint of uniformly melting.

上記溶融リチウム−炭化水素オイル混合物の撹拌時間は1分以上が好ましい。均一に溶融させる観点から好ましい。 The stirring time of the molten lithium-hydrocarbon oil mixture is preferably 1 minute or more. It is preferable from the viewpoint of uniformly melting.

また、上記溶融リチウム−炭化水素オイル混合物の撹拌速度は500rpm以上が望ましい。均一に溶融させる観点から望ましい。 The stirring speed of the molten lithium-hydrocarbon oil mixture is preferably 500 rpm or more. It is desirable from the viewpoint of uniformly melting.

上記表面改質工程の改質時間は10秒以上が好ましい。リチウム箔の表面全体を改質する観点から好ましい。 The reforming time of the surface reforming step is preferably 10 seconds or more. It is preferable from the viewpoint of modifying the entire surface of the lithium foil.

なお、ハロゲン化金属箔表面側から金属部に向かう方向における、ハロゲン元素の分布量のグラデーションは、表面改質工程の改質時間や温度、吹き込むガス量やその温度、それらの組み合わせによりコントロールすることができる。 The gradation of the distribution amount of halogen elements in the direction from the surface side of the halogenated metal foil to the metal portion should be controlled by the modification time and temperature of the surface modification step, the amount of gas blown and its temperature, and a combination thereof. Can be done.

(電池の製造方法)
ハロゲン化金属箔を用いた電池の製造方法ついて、上記の通り作製したハロゲン化リチウム箔の場合を例に説明する。
(Battery manufacturing method)
A method for manufacturing a battery using a metal halide foil will be described by taking the case of the lithium halide foil prepared as described above as an example.

(リチウムイオン二次電池)
図2に本実施形態のハロゲン化金属箔を用いたリチウムイオン二次電池の模式断面図を示す。
(Lithium-ion secondary battery)
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery using the halogenated metal foil of the present embodiment.

<負極>
(負極用集電体)
負極用集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
<Negative electrode>
(Current collector for negative electrode)
The current collector 22 for the negative electrode may be a conductive plate material, and for example, a thin metal plate (metal foil) such as copper, nickel or an alloy thereof, or stainless steel can be used.

(負極活物質層)
負極集電体22の上に、上記のとおり作製したハロゲン化リチウム箔を圧着することで負極活物質層24を形成する。このようにして負極20を作製することができる。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 24 is formed by crimping the lithium halogenated foil prepared as described above onto the negative electrode current collector 22. In this way, the negative electrode 20 can be manufactured.

上記圧着の方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。 The crimping method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

負極活物質層と負極集電体層との間には、ハロゲン化金属箔と負極集電体との接合を向上させるための負極用バインダーが含まれていてもよい。 A negative electrode binder for improving the bonding between the metal halide foil and the negative electrode current collector may be contained between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector layer.

(負極用バインダー)
負極用バインダーは、負極活物質と負極用集電体22とを接合している。バインダーは、上述の接合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダーとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
(Binder for negative electrode)
The negative electrode binder joins the negative electrode active material and the negative electrode current collector 22. The binder may be any binder that can be bonded as described above, and examples thereof include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, in addition to the above, as the binder, for example, cellulose, styrene / butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, polyimide resin, polyamide-imide resin and the like may be used. Further, as the binder, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used. Examples of the electron-conducting conductive polymer include polyacetylene and the like. In this case, since the binder also exerts the function of the conductive auxiliary agent particles, it is not necessary to add the conductive auxiliary agent. As the ionic conductive polymer, for example, a polymer having ionic conductivity such as lithium ion can be used, and for example, a polymer compound (polyether-based polymer compound such as polyethylene oxide or polypropylene oxide) can be used. , Polyphosphazene, etc.) and a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 or an alkali metal salt mainly composed of lithium, and the like. Examples of the polymerization initiator used for the complexing include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator compatible with the above-mentioned monomers.

ハロゲン化金属箔は、正極活物質または負極活物質のプレドープに用いてもよい。特に初期の不可逆容量が大きい活物質を用いる場合には、サイクル特性を向上させる観点から有効である。プレドープの方法は特に限定はされないが、以下のような方法で行うことができる。 The halogenated metal leaf may be used for pre-doping the positive electrode active material or the negative electrode active material. In particular, when an active material having a large initial irreversible capacity is used, it is effective from the viewpoint of improving the cycle characteristics. The predoping method is not particularly limited, but can be performed by the following method.

(リチウムがプレドープされた負極の製造方法)
例えば、負極用集電体に形成された、金属シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)等の負極活物質層の上に、上記ハロゲン化リチウム箔を張り付け、プレスすることで負極活物質へのリチウムのドープが進行し、リチウムがプレドープされた負極が完成する。
(Manufacturing method of lithium pre-doped negative electrode)
For example, the lithium halide foil is attached and pressed onto a negative electrode active material layer such as metallic silicon (Si) and silicon oxide (SiO x ) formed on a current collector for a negative electrode to obtain a negative electrode active material. Lithium doping proceeds, and a lithium pre-doped negative electrode is completed.

上記プレス方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。 The press method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

<正極>
(正極用集電体)
正極用集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
<Positive electrode>
(Current collector for positive electrode)
The current collector 12 for the positive electrode may be a conductive plate material, and for example, a thin metal plate (metal foil) such as aluminum or an alloy thereof or stainless steel can be used.

(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。これらを溶媒に分散し、正極集電体12の上に塗布、乾燥、および必要に応じて圧着することで正極活物質層14を形成する。このようにして正極10を作製することができる。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer 14 is mainly composed of a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a necessary amount of a positive electrode conductive auxiliary agent. These are dispersed in a solvent, coated on the positive electrode current collector 12, dried, and pressure-bonded as necessary to form the positive electrode active material layer 14. In this way, the positive electrode 10 can be manufactured.

上記圧着方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。 The crimping method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

(正極活物質)
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF )とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMn(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV、Li(PO)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、V、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
(Positive electrode active material)
As the positive electrode active material, occlusion of lithium ions and release, desorption and insertion of lithium ions (intercalation), or counter anions of the lithium ions and the lithium ions (e.g., PF 6 -) and doping and dedoping Is not particularly limited as long as it is possible to reversibly proceed, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickel oxide (LiNiO 2), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4), and the general formula: LiNi x Co y Mn z M a O 2 (x + y + z + a = 1,0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ a ≦ 1, M is represented by one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr). Composite metal oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ), olivine type LiMPO 4 (where M is Co, Ni, Mn, Fe, Mg, V, Nb, Ti , Al, showing one or more elements or VO selected from Zr), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12) , LiNi x Co y Al z O 2 (0.9 <x + y + z <1.1) , etc. Composite metal oxides of.

(正極用バインダー)
正極用バインダーとしては特に限定は無く、上記で記載した負極用バインダーと同様のものを用いることが出来る。
(Binder for positive electrode)
The binder for the positive electrode is not particularly limited, and the same binder as the binder for the negative electrode described above can be used.

(正極用導電助剤)
正極用導電助剤としては特に限定は無く、正極活物質層14の電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
(Conductive aid for positive electrode)
The conductive auxiliary agent for the positive electrode is not particularly limited, and any known conductive auxiliary agent can be used as long as it improves the electron conductivity of the positive electrode active material layer 14. Examples thereof include carbon-based materials such as graphite and carbon black, metals such as copper, nickel, stainless steel and iron, mixtures of carbon materials and fine metal powders, and conductive oxides such as ITO.

<電解質>
電解質は、正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に含有させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解液を使用することができる。
<Electrolyte>
The electrolyte is contained inside the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 24, and the separator 18. The electrolyte is not particularly limited, and for example, in the present embodiment, an electrolytic solution containing a lithium salt can be used.

前記電解液としては高い電圧で作動可能な有機溶媒を使用することが好ましく、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、等の非プロトン性高誘電率溶媒や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、等の酢酸エステル類あるいはプロピオン酸エステル類等の非プロトン性低粘度溶媒が挙げられる。更に、これらの非プロトン性高誘電率溶媒と非プロトン性低粘度溶媒は適当な混合比で併用されて使用することが望ましい。 As the electrolytic solution, it is preferable to use an organic solvent that can operate at a high voltage, for example, an aprotic high dielectric constant solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate, or an acetic acid ester such as dimethyl carbonate or ethyl methyl carbonate. Or aprotic low-viscosity solvents such as propionic acid esters. Further, it is desirable to use these aprotic high dielectric constant solvents and aprotic low viscosity solvents in combination at an appropriate mixing ratio.

また、前記有機溶媒としてイミダゾリウム、アンモニウム、及びピリジニウム型のカチオンを用いたイオン性液体を使用しても良い。対アニオンは特に限定されるものではないが、BF 、PF 、(CFSO等が挙げられ、前述の有機溶媒と混合して使用しても良い。 Further, as the organic solvent, an ionic liquid using imidazolium, ammonium, and a pyridinium type cation may be used. Although counter anion is not particularly limited, BF 4 -, PF 6 - , (CF 3 SO 2) 2 N - , and the like, may be mixed with organic solvents described above.

前記リチウム塩としては特に限定されず、リチウムイオン二次電池の電解質として用いられるリチウム塩を用いることが出来る。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiFSI、LiBOB等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、(CFSONLi等の有機酸陰イオン塩等を用いることが出来る。 The lithium salt is not particularly limited, and a lithium salt used as an electrolyte of a lithium ion secondary battery can be used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiFSI, and LiBOB, and organic acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 and (CF 3 SO 2 ) 2 NLi can be used.

更に、前記リチウム塩の濃度は、電気伝導性の点から、0.5〜2.0Mが好ましい。なお、この電解質の温度25℃における導電率は0.01S/m以上であることが好ましく、リチウム塩の種類あるいはその濃度により調整される。 Further, the concentration of the lithium salt is preferably 0.5 to 2.0 M from the viewpoint of electrical conductivity. The conductivity of this electrolyte at a temperature of 25 ° C. is preferably 0.01 S / m or more, and is adjusted according to the type of lithium salt or its concentration.

電解質を固体電解質やゲル電解質とする場合には、ポリ(ビニリデンフルオライド)等を高分子材料として含有することが可能である。 When the electrolyte is a solid electrolyte or a gel electrolyte, poly (vinylidene fluoride) or the like can be contained as a polymer material.

更に、本実施形態の電解液中には、必要に応じて各種添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば、サイクル寿命向上を目的としたビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート等や、過充電防止を目的としたビフェニル、アルキルビフェニル等や、脱酸や脱水を目的とした各種カーボネート化合物、各種カルボン酸無水物、各種含窒素及び含硫黄化合物が挙げられる。 Further, various additives may be added to the electrolytic solution of the present embodiment, if necessary. Examples of the additive include vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, etc. for the purpose of improving the cycle life, biphenyl, alkylbiphenyl, etc. for the purpose of preventing overcharging, various carbonate compounds for the purpose of deoxidation and dehydration, and various types. Examples include carboxylic acid anhydrides, various nitrogen-containing and sulfur-containing compounds.

リチウムイオン二次電池は、例として、以下のように製造される。 The lithium ion secondary battery is manufactured as follows, for example.

このようにして作製した負極20と、正極10と、電解質を含浸させたセパレータ18とを図2のように組み合わせ、円筒管やアルミラミネートなどの外装体に入れ封止することでリチウムイオン二次電池100を作製することができる。なお、図面中60と62は、それぞれ正極と負極の引出し電極を示す。 The negative electrode 20 produced in this manner, the positive electrode 10, and the separator 18 impregnated with the electrolyte are combined as shown in FIG. 2 and placed in an outer body such as a cylindrical tube or an aluminum laminate to seal the lithium ion secondary. The battery 100 can be manufactured. In the drawings, 60 and 62 indicate the extraction electrodes of the positive electrode and the negative electrode, respectively.

(全固体電池)
図3は、本実施形態のハロゲン化金属箔を用いた全固体電池を示す断面図である。図3に示すように、全固体電池110は、正極集電体層111、正極活物質層112、負極集電体層113、負極活物質層114、固体電解質層115、正極116、負極117から構成される。
(All solid state battery)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an all-solid-state battery using the halogenated metal foil of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the all-solid-state battery 110 is formed from the positive electrode current collector layer 111, the positive electrode active material layer 112, the negative electrode current collector layer 113, the negative electrode active material layer 114, the solid electrolyte layer 115, the positive electrode 116, and the negative electrode 117. It is composed.

<負極>
(負極用集電体)
負極用集電体層113は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)、金属粒子、金属スパッタ膜を用いることができる。金属粒子を用いる場合は、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法で加圧成型することが良い。
<Negative electrode>
(Current collector for negative electrode)
The current collector layer 113 for the negative electrode may be a conductive plate material, and for example, copper, nickel or an alloy thereof, a metal thin plate (metal foil) such as stainless steel, metal particles, or a metal sputter film can be used. When metal particles are used, it is preferable to press-mold them by a known method such as a hand press or a roller press.

(負極活物質層)
負極集電体113の上に、上記のとおり作製したハロゲン化リチウム箔を圧着することで負極活物質層114を形成する。このようにして負極117を作製することができる。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 114 is formed by pressure-bonding the lithium halogenated foil prepared as described above onto the negative electrode current collector 113. In this way, the negative electrode 117 can be manufactured.

上記圧着の方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。 The crimping method is not particularly limited, and a known method such as a hand press or a roller press can be used.

負極活物質層と負極集電体層との間には、ハロゲン化金属箔と負極集電体との接合を向上させるための負極用バインダーが含まれていてもよい。負極用バインダーはリチウムイオン二次電池と同様のものを用いることができる。 A negative electrode binder for improving the bonding between the metal halide foil and the negative electrode current collector may be contained between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector layer. As the binder for the negative electrode, the same binder as that of the lithium ion secondary battery can be used.

<正極>
(正極用集電体)
正極用集電体111は、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)、金属粒子、金属スパッタ膜を用いることができる。金属粒子を用いる場合は、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法で加圧成型することが良い。また金属ペーストを用いる場合は、塗布したのち、熱処理してもよい。
<Positive electrode>
(Current collector for positive electrode)
For the positive electrode current collector 111, for example, aluminum or an alloy thereof, a metal thin plate (metal foil) such as stainless steel, metal particles, or a metal sputter film can be used. When metal particles are used, it is preferable to press-mold them by a known method such as a hand press or a roller press. When a metal paste is used, it may be applied and then heat-treated.

(正極活物質層)
正極活物質層112は、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤、正極用固体電解質から主に構成され、これらを溶媒に分散し、正極集電体111の上に塗布、乾燥、および必要に応じて圧着する方法や、加圧成型した正極集電体111上に正極活物質層の構成部材を載せて加圧成型する方法、正極活物質層の構成部材を加圧成型しそれを焼結してその表面に正極集電体111をスパッタ成型する方法などにより、正極116を作製することができる。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer 112 is mainly composed of a positive electrode active material, a positive electrode binder, an required amount of a positive electrode conductive auxiliary agent, and a positive electrode solid electrolyte, and these are dispersed in a solvent to form a positive electrode current collector. A method of coating, drying, and crimping as necessary on the 111, a method of placing the constituent members of the positive electrode active material layer on the positive electrode current collector 111 which has been pressure-molded, and pressure-molding the positive electrode active material layer. The positive electrode 116 can be manufactured by a method such as pressure molding a constituent member, sintering the constituent member, and sputter molding a positive electrode current collector 111 on the surface thereof.

上記圧着方法、加圧成型方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス等、既知の方法を使うことが可能である。 The crimping method and pressure molding method are not particularly limited, and known methods such as a hand press and a roller press can be used.

正極用導電助剤や、正極用バインダーはリチウムイオン二次電池と同様のものを用いることができる。 As the conductive auxiliary agent for the positive electrode and the binder for the positive electrode, the same ones as those of the lithium ion secondary battery can be used.

本実施形態に係る正極活物質層112に含まれる正極活物質としては、例えば、リチウム酸化物、リチウム硫化物、あるいはリチウムを含む層間化合物等のリチウム含有化合物が好適であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。特に、エネルギー密度を高くするには、一般式LiMOで表されるリチウム複合酸化物、あるいはリチウムを含んだ層間化合物が好ましい。なお、Mは1種類以上の遷移金属が好ましく、具体的には、Co、Ni、Mn、Fe、Al、V、Tiのうちの少なくとも1種が好ましい。xは、電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。また、他にもスピネル型結晶構造を有するマンガンスピネル(LiMn)や、オリビン型結晶構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO)や、LiCoPO、LiNiPO、なども、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。 As the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 112 according to the present embodiment, for example, a lithium-containing compound such as a lithium oxide, a lithium sulfide, or an interlayer compound containing lithium is suitable, and two or more of these are suitable. May be mixed and used. In particular, in order to increase the energy density, a lithium composite oxide represented by the general formula Li x MO 2 or an intercalation compound containing lithium is preferable. In addition, M is preferably one or more kinds of transition metals, and specifically, at least one kind of Co, Ni, Mn, Fe, Al, V, and Ti is preferable. x varies depending on the charge / discharge state of the battery, and is usually a value within the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. In addition, manganese spinel (LiMn 2 O 4 ) having a spinel-type crystal structure, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine-type crystal structure, LiCoPO 4 , LiNiPO 4 , etc. also have high energy densities. It is preferable because it can be obtained.

具体的には、全固体電池110の正極活物質層112を構成する正極活物質としては、リチウムイオンを効率よく放出、吸着する材料を用いるのが好ましい。例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いるのが好ましい。具体的には、リチウムマンガン複合酸化物LiMnx3Ma1−x3(0.8≦x3≦1、Ma=Co、Ni)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNix4Coy4Mnz4(x4+y4+z4=1、0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMbPO(ただし、Mbは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素)、リン酸バナジウムリチウム(Li(PO又はLiVOPO)、Li過剰系固溶体正極LiMnO−LiMcO(Mc=Mn、Co、Ni)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNix5Coy5Alz5(0.9<a<1.3、0.9<x5+y5+z5<1.1)、で表される複合金属酸化物のいずれかであることが好ましい。また、これらの材料に限定することはなく、他にもリチウムイオンを電気化学的に挿入および脱離する正極活物質材料であれば、特に制限はされない。 Specifically, as the positive electrode active material constituting the positive electrode active material layer 112 of the all-solid-state battery 110, it is preferable to use a material that efficiently releases and adsorbs lithium ions. For example, it is preferable to use a transition metal oxide or a transition metal composite oxide. Specifically, lithium manganese composite oxide Li 2 Mn x3 Ma 1-x3 O 3 (0.8 ≦ x3 ≦ 1, Ma = Co, Ni), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2) ), Lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and general formula: LiNi x4 Coy4 Mn z4 O 2 (x4 + y4 + z4 = 1, 0 ≦ x4 ≦ 1, 0 ≦ y4 ≦ 1, 0 ≦ z4 ≦ 1) Composite metal oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMbPO 4 (however, Mb is one or more selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, Zr. (Elements of), Lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or LiVOPO 4 ), Li excess solid solution positive Li 2 MnO 3- LiMcO 2 (Mc = Mn, Co, Ni), Lithium titanate (Li) 4 Ti 5 O 12), one of Li a Ni x5 Co y5 Al z5 O 2 (0.9 <a <1.3,0.9 <x5 + y5 + z5 <1.1), in a composite metal oxide represented by Is preferable. Further, the material is not limited to these materials, and is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material material that electrochemically inserts and desorbs lithium ions.

本実施形態に係る正極活物質層112を構成する正極活物質の粒径は、正極活物質層112を緻密で薄く形成する観点から、0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。 The particle size of the positive electrode active material constituting the positive electrode active material layer 112 according to the present embodiment is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less from the viewpoint of forming the positive electrode active material layer 112 densely and thinly.

正極活物質層112の厚さは特に制限されないが、サイクル特性を高めつつ高容量、高出力な全固体電池を得る観点から、0.1〜100μmであることが好ましく、0.3〜20μmであることがより好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer 112 is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 μm, preferably 0.3 to 20 μm, from the viewpoint of obtaining a high-capacity, high-output all-solid-state battery while improving cycle characteristics. More preferably.

正極活物質層の構成部材を焼結させる場合は焼結を良好にするための焼結助剤を含ませてもよい。 When the constituent members of the positive electrode active material layer are sintered, a sintering aid may be included to improve the sintering.

正極活物質層を焼結により作成する場合は、その雰囲気は特に限定されないが、正極活物質の分解や含まれる金属の価数が変化しない条件で行うことが好ましい。 When the positive electrode active material layer is prepared by sintering, the atmosphere thereof is not particularly limited, but it is preferable to carry out the preparation under conditions where the decomposition of the positive electrode active material and the valence of the contained metal do not change.

<固体電解質層>
固体電解質層115は、固体電解質から構成され、必要に応じた量の固体電解質用バインダー、焼結助剤から主に構成される。これらを溶媒に分散し、PETフィルムに塗布に塗布、乾燥、および必要に応じて架橋し自立膜状にする方法や、固体電解質層の構成部材を載せて加圧成型する方法、固体電解質層の構成部材を加圧成型しそれを焼結する方法などにより、固体電解質層115を作製することができる。
<Solid electrolyte layer>
The solid electrolyte layer 115 is composed of a solid electrolyte, and is mainly composed of a binder for a solid electrolyte and a sintering aid in an amount as required. A method in which these are dispersed in a solvent and applied to a PET film, dried, and bridged as necessary to form a self-supporting film, a method in which a component of the solid electrolyte layer is placed and pressure-molded, and a method of pressure molding the solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer 115 can be produced by a method of pressure molding the constituent members and sintering the constituent members.

上記圧着方法、加圧成型方法としては特に限定は無く、ハンドプレスやローラープレス、静水圧プレス(WIP)や冷間等方圧プレス(CIP)、熱間等方圧プレス(HIP)等、既知の方法を使うことが可能である。 The crimping method and pressure molding method are not particularly limited, and are known such as a hand press, a roller press, a hydrostatic pressure press (WIP), a cold isotropic pressure press (CIP), and a hot isotropic pressure press (HIP). It is possible to use the method of.

上記架橋方法としては特に限定は無く、固体電解質層の構成部材に更に重合材や架橋剤を加えて、熱架橋やUV架橋など、既知の方法を使うことが可能である。
(固体電解質)
本実施形態の全固体電池の固体電解質層115を構成する固体電解質としては、電子伝導度が小さく、リチウムイオン伝導度の高い材料を用いるのが好ましい。例えば、La0.5Li0.5TiOなどのペロブスカイト型化合物や、Li14Zn(GeOなどのリシコン型化合物、LiLaZr12などのガーネット型化合物、LiTi(POやLiGe(PO、LiZr(PO、Li1.5Ca0.5Zr1.5(PO、Li1.3Al0.3Ti1.7(POやLi1.5Al0.5Ge1.5(PO、LiPOやLi3.5Si0.50.5やLi2.9PO3.30.46などのリン酸化合物、Li3.25Ge0.250.75やLiPSなどのチオリシコン型化合物、LiS−PやLiO−V−SiOなどのガラス化合物、LiIやLiYCl、LiYBr、LiInCl、LiInBrなどのハロゲン化合物よりなる群から選択される少なくとも1種であることが望ましい。
The above-mentioned cross-linking method is not particularly limited, and a known method such as thermal cross-linking or UV cross-linking can be used by further adding a polymer material or a cross-linking agent to the constituent members of the solid electrolyte layer.
(Solid electrolyte)
As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 115 of the all-solid-state battery of the present embodiment, it is preferable to use a material having a small electron conductivity and a high lithium ion conductivity. For example, perovskite-type compounds such as La 0.5 Li 0.5 TiO 3 , ricicon-type compounds such as Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 , garnet-type compounds such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and LiTi 2 ( PO 4 ) 3 , LiGe 2 (PO 4 ) 3 , LiZr 2 (PO 4 ) 3 , Li 1.5 Ca 0.5 Zr 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1. 7 (PO 4 ) 3 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 3 PO 4 and Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 and Li 2.9 PO Phosphate compounds such as 3.3 N 0.46 , thiolysicon-type compounds such as Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 and Li 3 PS 4 , Li 2 SP 2 S 5 and Li 2 O glass compounds such -V 2 O 5 -SiO 2, a LiI and Li 3 YCl 6, Li 3 YBr 6, Li 3 InCl 6, Li 3 InBr 6 at least one selected from the group consisting of halogen compounds, such as Is desirable.

本実施形態の全固体電池の固体電解質層を構成する固体電解質の粒径は、薄く緻密な層を形成する観点から、0.05μm以上5μm以下であることが望ましい。 The particle size of the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery of the present embodiment is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less from the viewpoint of forming a thin and dense layer.

固体電解質層の厚さは特に制限されないが、サイクル特性を維持しつつ高レート特性実現の観点から、0.1〜100μmであることが好ましく、0.3〜20μmであることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 0.3 to 20 μm, from the viewpoint of realizing high rate characteristics while maintaining cycle characteristics.

0.1〜100μmの固体電解質層の厚みとすることで、固体電解質層の絶縁性を維持しつつ、充放電におけるリチウムイオンの移動距離を短くでき、内部抵抗を低減することが可能となる。 By setting the thickness of the solid electrolyte layer to 0.1 to 100 μm, the moving distance of lithium ions in charge / discharge can be shortened while maintaining the insulating property of the solid electrolyte layer, and the internal resistance can be reduced.

固体電解質層を焼結により作成する場合は、その雰囲気は特に限定されないが、固体電解質が分解、変質しない条件で行うことが好ましい。 When the solid electrolyte layer is prepared by sintering, the atmosphere thereof is not particularly limited, but it is preferable to carry out the solid electrolyte layer under conditions where the solid electrolyte is not decomposed or deteriorated.

(焼結助剤)
全固体電池110を構成する正極活物質層112、固体電解質層115に添加する焼結助剤の種類は、焼結を低温化させることが可能であれば特に限定されないが、炭酸リチウムや水酸化リチウム、リン酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどのリチウム化合物や、H3BO3などのホウ素化合物、リチウムとホウ素からなる化合物を用いると良い。これらの材料は水や二酸化炭素により化合物形態が変化し難いため空気中で秤量することができ、簡便かつ正確に添加することが出来るため好ましい。
(Sintering aid)
The type of the sintering aid added to the positive electrode active material layer 112 and the solid electrolyte layer 115 constituting the all-solid-state battery 110 is not particularly limited as long as the temperature of the sintering can be lowered, but lithium carbonate or hydroxide is not particularly limited. It is preferable to use a lithium compound such as lithium, lithium phosphate, lithium niobate, a boron compound such as H3BO3, and a compound composed of lithium and boron. These materials are preferable because the compound form is not easily changed by water or carbon dioxide, so that they can be weighed in air and can be added easily and accurately.

(リチウムイオン伝導助剤)
本実施形態に係る正極活物質層において、リチウムイオン伝導性の向上を目的としてリチウムイオン伝導助剤を添加してもよい。本実施形態において用いられるリチウムイオン伝導助剤は特に制限されず、周知の材料を用いることができる。
(Lithium ion conduction aid)
A lithium ion conduction aid may be added to the positive electrode active material layer according to the present embodiment for the purpose of improving lithium ion conductivity. The lithium ion conduction aid used in the present embodiment is not particularly limited, and a well-known material can be used.

リチウムイオン伝導助剤としては、リチウムイオン伝導度の高い材料を用いるのが好ましい。例えば、La0.5Li0.5TiOなどのペロブスカイト型化合物や、Li14Zn(GeOなどのリシコン型化合物、LiLaZr12などのガーネット型化合物、LiTi(POやLiGe(PO、LiZr(PO、Li1.5Ca0.5Zr1.5(PO、Li1.3Al0.3Ti1.7(POやLi1.5Al0.5Ge1.5(PO、LiPOやLi3.5Si0.50.5やLi2.9PO3.30.46などのリン酸化合物、Li3.25Ge0.250.75やLiPSなどのチオリシコン型化合物、LiS−PやLiO−V−SiOなどのガラス化合物、LiIやLiYCl、LiYBr、LiInCl、LiInBrなどのハロゲン化合物よりなる群から選択される少なくとも1種であることが望ましい。 As the lithium ion conduction aid, it is preferable to use a material having high lithium ion conductivity. For example, perovskite-type compounds such as La 0.5 Li 0.5 TiO 3 , ricicon-type compounds such as Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 , garnet-type compounds such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and LiTi 2 ( PO 4 ) 3 , LiGe 2 (PO 4 ) 3 , LiZr 2 (PO 4 ) 3 , Li 1.5 Ca 0.5 Zr 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1. 7 (PO 4 ) 3 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 3 PO 4 and Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 and Li 2.9 PO Phosphate compounds such as 3.3 N 0.46 , thiolysicon-type compounds such as Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 and Li 3 PS 4 , Li 2 SP 2 S 5 and Li 2 O glass compounds such -V 2 O 5 -SiO 2, a LiI and Li 3 YCl 6, Li 3 YBr 6, Li 3 InCl 6, Li 3 InBr 6 at least one selected from the group consisting of halogen compounds, such as Is desirable.

また、添加するリチウムイオン伝導助剤の比率は、それぞれの正極活物質層に含まれる正極活物質が電気化学的に機能する限り特に限定されない。例えば、サイクル特性を高めつつより高容量、高出力な全固体電池を得るために、内部抵抗を低減する観点から、正極活物質/リチウムイオン伝導助剤の比率は体積比率で100/0から60/40の範囲であることが好ましい。 Further, the ratio of the lithium ion conduction aid to be added is not particularly limited as long as the positive electrode active material contained in each positive electrode active material layer has an electrochemical function. For example, the ratio of the positive electrode active material / lithium ion conduction aid is 100/0 to 60 in volume ratio from the viewpoint of reducing the internal resistance in order to obtain a higher capacity and higher output all-solid-state battery while improving the cycle characteristics. It is preferably in the range of / 40.

全固体電池110は、例として、以下のように製造される。
全固体電池110の製造方法は、同時焼成法を用いてもよいし、逐次焼成法、固体高分子法を用いてもよい。同時焼成法は、各層を形成する材料を積層し、一括焼成により積層体を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を順に作製する方法であり、各層を作製する毎に焼成工程が入る。固体高分子法はバインダーとして固体高分子を用いて各層を接着する方法であり、張り合わせるだけなので非常に簡便である。以下、同時焼成法を用いる場合を例に全固体電池110の製造方法を説明する。
The all-solid-state battery 110 is manufactured as follows, for example.
As a method for producing the all-solid-state battery 110, a simultaneous firing method may be used, or a sequential firing method or a solid polymer method may be used. The co-fired method is a method in which the materials forming each layer are laminated and a laminated body is produced by batch firing. The sequential firing method is a method in which each layer is produced in order, and a firing step is inserted each time each layer is produced. The solid polymer method is a method of adhering each layer using a solid polymer as a binder, and is very convenient because it is only bonded. Hereinafter, a method for manufacturing the all-solid-state battery 110 will be described by taking the case of using the co-fired method as an example.

はじめに、固体電解質、固体電解質用バインダー、焼結助剤、これらを溶媒に分散し固体電解質スラリーを作製する。作製した固体電解質スラリーを塗布、成型して固体電解質グリーンシートを作製する。
第二に、正極活物質、正極用バインダー、正極用導電助剤、リチウムイオン伝導助剤、これらを溶媒に分散し正極活物質スラリーを調整する。また、正極集電体粉末と正極活物質粉末とを溶媒に分散し、正極集電体ペーストも作製する。作製した正極活物質スラリーを固体電解質グリーンシートの一方の面に塗布、乾燥させる。その後、乾燥させた正極活物質ペーストに重なるように、正極集電体ペーストを塗布、乾燥させる。これを加熱しながらプレス成型し、次いで切断して積層体を作製する。作製した積層体を焼成することで、正極116と固体電解質層115が一体になった焼結体を作製する。得られた焼結体は十分に水分を除去するため乾燥させ、グローブボックス内に移動する。
第三に、グローブボックス内で負極集電体上に、ハロゲン化リチウム箔を圧着することで負極活物質層を形成する。このようにして、負極117を作製する。
第四に、リチウムイオン伝導性を有する固体高分子膜を作製する。グローブボックス内で固体高分子粉末とリチウム塩とを溶媒に溶解させPETフィルム上に塗布乾燥、させ固体高分子膜を作製する。固体高分子膜は、より取り扱い性をよくするため、熱架橋やUV架橋を行ってもよい。
第五に、グローブボックス内で、上記で作製した負極の上に、固体高分子膜の一方の面を張り付けた。ついで、上記で作製した焼結体の固体電解質層の面と、固体高分子膜のもう一方の面とを貼り合わせ、最後に、2032型のコインセルに封止した。
封止の方法は特に限定されない。目的や用途、形状に応じて、例えば、樹脂やアルミラミネート、円筒型の外装体などに封止してもよい。
First, a solid electrolyte, a binder for a solid electrolyte, a sintering aid, and these are dispersed in a solvent to prepare a solid electrolyte slurry. The prepared solid electrolyte slurry is applied and molded to prepare a solid electrolyte green sheet.
Secondly, the positive electrode active material, the positive electrode binder, the positive electrode conductive auxiliary agent, and the lithium ion conductive auxiliary agent are dispersed in a solvent to prepare a positive electrode active material slurry. Further, the positive electrode current collector powder and the positive electrode active material powder are dispersed in a solvent to prepare a positive electrode current collector paste. The prepared positive electrode active material slurry is applied to one surface of the solid electrolyte green sheet and dried. Then, the positive electrode current collector paste is applied and dried so as to overlap the dried positive electrode active material paste. This is press-molded while heating, and then cut to prepare a laminate. By firing the produced laminate, a sintered body in which the positive electrode 116 and the solid electrolyte layer 115 are integrated is produced. The obtained sintered body is dried to sufficiently remove water and transferred into the glove box.
Third, a negative electrode active material layer is formed by crimping a lithium halogenated foil on the negative electrode current collector in the glove box. In this way, the negative electrode 117 is manufactured.
Fourth, a solid polymer membrane having lithium ion conductivity is produced. A solid polymer film is prepared by dissolving a solid polymer powder and a lithium salt in a solvent in a glove box, applying and drying on a PET film. The solid polymer membrane may be subjected to thermal cross-linking or UV cross-linking in order to improve the handleability.
Fifth, in the glove box, one surface of the solid polymer film was attached onto the negative electrode prepared above. Then, the surface of the solid electrolyte layer of the sintered body produced above and the other surface of the solid polymer membrane were bonded to each other, and finally sealed in a 2032 type coin cell.
The sealing method is not particularly limited. Depending on the purpose, application, and shape, for example, it may be sealed in a resin, an aluminum laminate, a cylindrical exterior body, or the like.

固体電解質スラリーや正極活物質スラリーの作製方法は特に限定されない。例えば、ビヒクルに固体電解質層の各部材、または正極活物質層の各部材を湿式混合してペーストが得られる。湿式混合の方法は、例えば、自転・公転ミキサーやホモジナイザー法、ボールミル法などを用いることができる。 The method for producing the solid electrolyte slurry and the positive electrode active material slurry is not particularly limited. For example, each member of the solid electrolyte layer or each member of the positive electrode active material layer is wet-mixed with the vehicle to obtain a paste. As the wet mixing method, for example, a rotation / revolution mixer, a homogenizer method, a ball mill method, or the like can be used.

固体電解質グリーンシートや正極活物質層を塗布、形成する方法は特に限定されないが、ドクターブレード、コンマロール、スクリーン印刷法などを用いることができる。 The method of applying and forming the solid electrolyte green sheet or the positive electrode active material layer is not particularly limited, but a doctor blade, a comma roll, a screen printing method or the like can be used.

固体電解質積層体を作製する方法は特に限定されないが、ハンドプレスやローラープレス、静水圧プレス(WIP)や冷間等方圧プレス(CIP)、熱間等方圧プレス(HIP)等、既知の方法を使うことが可能である。 The method for producing the solid electrolyte laminate is not particularly limited, but known methods such as a hand press, a roller press, a hydrostatic pressure press (WIP), a cold isotropic pressure press (CIP), and a hot isotropic pressure press (HIP) are known. It is possible to use the method.

固体電解質層や正極活物質層の焼成は、その雰囲気は特に限定されないが、固体電解質や正極活物質の分解、含まれる金属の価数が変化しない条件で行うことが好ましい。 The atmosphere of the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer is not particularly limited, but it is preferable that the solid electrolyte layer and the positive electrode active material are decomposed and the valence of the contained metal does not change.

以上、本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。 Although the preferred embodiment of the present disclosure has been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiment.

次に、本開示の実施例及び比較例について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は一例であり、本開示はそれに限定されるものではなく、本開示の効果を損なわない範囲で任意に変更可能である。 Next, Examples and Comparative Examples of the present disclosure will be specifically described. The examples shown below are examples, and the present disclosure is not limited thereto, and can be arbitrarily changed as long as the effects of the present disclosure are not impaired.

[実施例1]
(ハロゲン化リチウム箔の作製工程)
アルゴンガスを循環している露点−99℃、酸素濃度1ppmのグローブボックス内で行った。このグローボックスには、水分または酸素を吸着する吸着塔がそれぞれ付属しており、グローブボックス内の露点または酸素濃度を独立に制御できる。水分、酸素の吸着塔の内部には、それぞれ水分または酸素を主に吸着するゼオライトが充填されている。例えば、水分、または酸素を主に吸着するゼオライトとしては、東ソー株式会社のゼオラムA−3、SA−600Aがそれぞれ挙げられる。ステンレススチール樹脂フラスコ反応器に関東化学社のリチウムインゴット100gおよびWitco社のCarnation炭化水素オイルを加え、容器内を乾燥アルゴンで置換した。次いでこの反応器を200℃まで加熱し、リチウムを溶融させた。この混合物を撹拌時間5分間、撹拌速度500rpmで撹拌し、リチウムインゴットを均一に溶融し、溶融リチウムを得た。その後ステンレススチール金属板上にGapが20μmのアプリケーターを用いて溶融リチウムをキャストすることでリチウム箔を作製した。次いで表面改質工程として、作製したリチウム箔にヨウ素ガスを吹き付けた。改質時間は5分間とした。最後にヘキサンで洗浄することで、改質層を有する金属箔、ヨウ化リチウム箔を作製した。
[Example 1]
(Halogenated lithium foil manufacturing process)
This was performed in a glove box having a dew point of −99 ° C. and an oxygen concentration of 1 ppm in which argon gas was circulated. Each of the glow boxes is equipped with an adsorption tower that adsorbs water or oxygen, and the dew point or oxygen concentration in the glove box can be controlled independently. The inside of the water and oxygen adsorption tower is filled with zeolite that mainly adsorbs water and oxygen, respectively. For example, Zeolite A-3 and SA-600A of Tosoh Corporation can be mentioned as zeolites that mainly adsorb water or oxygen, respectively. 100 g of lithium ingot from Kanto Chemical Co., Inc. and Carnation hydrocarbon oil from Witco Co., Ltd. were added to the stainless steel resin flask reactor, and the inside of the container was replaced with dry argon. The reactor was then heated to 200 ° C. to melt the lithium. The mixture was stirred for a stirring time of 5 minutes at a stirring speed of 500 rpm to uniformly melt the lithium ingot to obtain molten lithium. Then, a lithium foil was prepared by casting molten lithium on a stainless steel metal plate using an applicator having a Gap of 20 μm. Then, as a surface reforming step, iodine gas was sprayed on the produced lithium foil. The reforming time was 5 minutes. Finally, by washing with hexane, a metal foil having a modified layer and a lithium iodide foil were prepared.

<ハロゲン化金属箔の厚み測定>
作製したヨウ化リチウム箔の厚みはマイクロメーターを用いて非暴露環境下で測定したところ19μmであった。
<改質層の厚みおよび組成分析>
作製したヨウ化リチウム箔の改質層がヨウ化リチウム、金属部がリチウムであることは、XRD測定により確認した。また、ヨウ化リチウム箔の断面を改質層表面側ら金属部側に向かってLA−ICP−MSを用いて元素分布を観察したところ、改質層表面側から金属部側に向かってリチウムとヨウ素元素の比率が連続的に変化しているグラデーション領域が確認された。改質層の厚みは500nmであった。ここで、改質層の厚みとは、改質層表面から金属部側までにヨウ素元素が存在する領域とした。
<Measurement of thickness of halogenated metal leaf>
The thickness of the produced lithium iodide foil was 19 μm as measured in a non-exposed environment using a micrometer.
<Analysis of thickness and composition of modified layer>
It was confirmed by XRD measurement that the modified layer of the produced lithium iodide foil was lithium iodide and the metal part was lithium. Further, when the element distribution of the lithium iodide foil was observed using LA-ICP-MS from the surface side of the modified layer toward the metal portion side, lithium was found from the surface side of the modified layer toward the metal portion side. A gradation region where the ratio of iodine elements was continuously changing was confirmed. The thickness of the modified layer was 500 nm. Here, the thickness of the modified layer is defined as a region where the iodine element exists from the surface of the modified layer to the metal portion side.

(負極の作製)
上記の方法で作製したヨウ化リチウム箔を、負極集電体として厚さ12μmの銅箔の一面にのせ、PETフィルムを被せ、20kNの力で圧着し負極を作製した。なお、負極集電体には外部引き出し端子(リード)を溶接するために、ヨウ化リチウム箔が存在しない部分を設けておいた。
(Preparation of negative electrode)
The lithium iodide foil produced by the above method was placed on one surface of a copper foil having a thickness of 12 μm as a negative electrode current collector, covered with a PET film, and pressure-bonded with a force of 20 kN to prepare a negative electrode. The negative electrode current collector was provided with a portion in which the lithium iodide foil did not exist in order to weld the external lead terminal (lead).

(正極の作製)
正極活物質としてコバルト酸リチウムを96重量%と、導電助剤としてカーボンブラックを2重量%と、グラファイトを0.5重量%と、バインダーとしてPVDFを1.5重量%と、N−メチル−2−ピロリドンの溶媒とを混合分散させて、ペースト状の正極活物質スラリーを作製した。そして、コンマロールコーターを用いて、この正極活物質スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔に、均一に正極活物質スラリーを塗布した。次いで、乾燥炉内にて、110℃の大気雰囲気下で上記正極活物質スラリー中のN−メチル−2−ピロリドン溶媒を乾燥して片面に正極合剤層がある正極を作製した。なお、アルミニウム集電体には外部引き出し端子(リード)を溶接するために、正極活物質スラリーを塗布しない部分を設けておいた。次にこの正極を所定の密度になるように、ロールプレスでプレスした。
(Preparation of positive electrode)
96% by weight of lithium cobalt oxide as a positive electrode active material, 2% by weight of carbon black as a conductive auxiliary agent, 0.5% by weight of graphite, 1.5% by weight of PVDF as a binder, and N-methyl-2. -A paste-like positive electrode active material slurry was prepared by mixing and dispersing with a graphite solvent. Then, using a comma roll coater, the positive electrode active material slurry was uniformly applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm. Next, the N-methyl-2-pyrrolidone solvent in the positive electrode active material slurry was dried in an air atmosphere at 110 ° C. in a drying furnace to prepare a positive electrode having a positive electrode mixture layer on one side. The aluminum current collector was provided with a portion to which the positive electrode active material slurry was not applied in order to weld the external lead terminal (lead). Next, the positive electrode was pressed with a roll press so as to have a predetermined density.

(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製した正極及び負極に、それぞれ、外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)を超音波溶接した。外部端子と外装体とのシール性を向上させるために、この外部引き出し端子に、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレンフィルムを巻き付け熱接着させた。正極と、負極と、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んだ電池要素を外装体(アルミラミネートパック)に入れ製袋した。このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF溶液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7(体積比))を注入した後、真空密封し、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Manufacturing of lithium-ion secondary battery for evaluation)
Aluminum foil (width 4 mm, length 40 mm, thickness 100 μm) and nickel foil (width 4 mm, length 40 mm, thickness 100 μm) were ultrasonically welded to the positive electrode and the negative electrode produced above as external lead-out terminals, respectively. In order to improve the sealing property between the external terminal and the exterior body, a polypropylene film grafted with maleic anhydride was wound around the external lead-out terminal and heat-bonded. A battery element having a positive electrode, a negative electrode, and a separator made of a polyethylene microporous film sandwiched between them was placed in an exterior body (aluminum laminate pack) to make a bag. A 1M LiPF 6 solution (solvent: ethylene carbonate / diethyl carbonate = 3/7 (volume ratio)) was injected into this aluminum laminate pack and then vacuum-sealed to prepare a lithium-ion secondary battery for evaluation. did.

<サイクル特性の評価方法>
実施例及び比較例で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25℃の恒温槽中でサイクル特性の測定を行った。0.2Cで4.2Vまで定電流定電圧充電し、0.2Cで3Vまで定電流放電する充放電サイクルを30サイクル繰り返した。30サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除して容量維持率を算出し、サイクル特性として評価した。
<Evaluation method of cycle characteristics>
The cycle characteristics of the evaluation lithium ion secondary batteries produced in Examples and Comparative Examples were measured in a constant temperature bath at a temperature of 25 ° C. using a secondary battery charge / discharge test device (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.). A charge / discharge cycle of charging at a constant current constant voltage up to 4.2 V at 0.2 C and discharging at a constant current up to 3 V at 0.2 C was repeated for 30 cycles. The capacity retention rate was calculated by dividing the discharge capacity at the 30th cycle by the discharge capacity at the 1st cycle, and evaluated as a cycle characteristic.

[実施例2〜49]
表面改質工程を表1および表2に記載の通りとした以外は、実施例1と同様にして実施例2〜49をそれぞれ作製及び試験を実施した。
[Examples 2-49]
Examples 2 to 49 were prepared and tested in the same manner as in Example 1 except that the surface reforming steps were as described in Tables 1 and 2.

[比較例1]
本荘ケミカル社製の金属リチウム箔(100μm)をヨウ化リチウム箔の代わりに用いたこと以外は、実施例1と同様にして比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製及び試験を実施した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 1 was prepared and tested in the same manner as in Example 1 except that a metallic lithium foil (100 μm) manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd. was used instead of the lithium iodide foil. ..

[実施例50]
本実施例では、実施例4で作製したハロゲン化金属箔を用いた全固体電池を作製した。
[Example 50]
In this example, an all-solid-state battery using the halogenated metal foil produced in Example 4 was produced.

(固体電解質グリーンシートの作製)
まず、固体電解質としてLiZr(POの粉末を用意した。次に、LiZr(PO粉末100部に、溶媒としてエタノール100部、トルエン200部をボールミルで加えて湿式混合した。その後ポリビニールブチラール系バインダー16部とフタル酸ベンジルブチル4.8部をさらに投入し、混合して固体電解質スラリーを調製した。この固体電解質スラリーをドクターブレード法でPETフィルム基材上にシート成形し乾燥させることで、厚さ40μmの固体電解質グリーンシートを作製した。
(Preparation of solid electrolyte green sheet)
First, a powder of LiZr 2 (PO 4 ) 3 was prepared as a solid electrolyte. Next, 100 parts of ethanol and 200 parts of toluene were added as solvents to 100 parts of LiZr 2 (PO 4 ) 3 powder with a ball mill and wet-mixed. Then, 16 parts of a polyvinyl butyral binder and 4.8 parts of benzylbutyl phthalate were further added and mixed to prepare a solid electrolyte slurry. This solid electrolyte slurry was formed into a sheet on a PET film substrate by the doctor blade method and dried to prepare a solid electrolyte green sheet having a thickness of 40 μm.

(正極活物質ペーストの作製)
正極活物質としてLi(POの粉末を用意した。Li(PO粉末100部に、バインダーとしてエチルセルロース15部と、溶媒としてジヒドロターピネオール65部とを加えて、ハイブリッドミキサーで混練・分散して正極活物質ペーストを作製した。
(Preparation of positive electrode active material paste)
A powder of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was prepared as the positive electrode active material. To 100 parts of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 powder, 15 parts of ethyl cellulose as a binder and 65 parts of dihydroterpineol as a solvent were added, and kneaded and dispersed with a hybrid mixer to prepare a positive electrode active material paste.

(正極集電体ペーストの作製)
正極集電体ペーストとして銅粉末とLi(PO粉末とを体積比率で80/20の割合で混合した混合したあと、バインダーとしてエチルセルロース10部と、溶媒としてジヒドロターピネオール50部を加えて三本ロールで混練・分散して正極集電体ペーストを作製した。
(Preparation of positive electrode current collector paste)
After mixing copper powder and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 powder in a volume ratio of 80/20 as a positive electrode current collector paste, 10 parts of ethyl cellulose as a binder and 50 parts of dihydroterpineol as a solvent were added. In addition, a positive electrode current collector paste was prepared by kneading and dispersing with three rolls.

(正極層ユニットの作製)
作製した正極活物質ペーストを、上記固体電解質グリーンシート上に、スクリーン印刷により形成し、80℃で5分間乾燥させた。厚さは5μmであった。次に、乾燥した正極活物質ペーストに重なるように、正極集電体ペーストをスクリーン印刷により形成し、80℃で5分間乾燥した。このようにして、固体電解質グリーンシート上に、正極活物質ペースト、正極集電体ペーストが、印刷・乾燥された正極層ユニットを得た。
(Manufacturing of positive electrode layer unit)
The prepared positive electrode active material paste was formed on the solid electrolyte green sheet by screen printing and dried at 80 ° C. for 5 minutes. The thickness was 5 μm. Next, the positive electrode current collector paste was formed by screen printing so as to overlap the dried positive electrode active material paste, and dried at 80 ° C. for 5 minutes. In this way, the positive electrode active material paste and the positive electrode current collector paste were printed and dried on the solid electrolyte green sheet to obtain a positive electrode layer unit.

(焼結体の作製)
作製した固体電解質グリーンシートを14枚積層し固体電解質積層体を作製した。その後、作製した固体電解質積層体の上に、前記正極層ユニットの正極集電体ペーストが印刷された面を上にして積み重ねた。これを温度80℃で圧力1000kgf/cm2(98MPa)で成形し、次いで切断して積層体を作製した。その後、窒素雰囲気中で昇温速度200℃/時間で焼成温度900℃まで昇温して、その温度に0.5時間保持し、焼成後は自然冷却することで、正極層と固体電解質層が一体になった焼結体を得た。得られた焼結体から十分に水分を除去するため80℃で一晩真空乾燥した。
(Preparation of sintered body)
14 sheets of the prepared solid electrolyte green sheets were laminated to prepare a solid electrolyte laminate. Then, it was stacked on the produced solid electrolyte laminate with the side on which the positive electrode current collector paste of the positive electrode layer unit was printed face up. This was molded at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 1000 kgf / cm2 (98 MPa), and then cut to prepare a laminate. After that, the temperature is raised to 900 ° C. at a firing rate of 200 ° C./hour in a nitrogen atmosphere, the temperature is maintained at that temperature for 0.5 hours, and after firing, natural cooling is performed to form the positive electrode layer and the solid electrolyte layer. An integrated sintered body was obtained. The resulting sintered body was vacuum dried overnight at 80 ° C. to sufficiently remove water.

(固体高分子膜の作製)
ポリエチレンオキシド(PEO)粉末を脱水グレードのアセトニトリルにホモジナイザーを用いて溶解した。そこにLiTFSIのLiとPEOのOがLi/O比が1/18となるようにLiTFSI加え溶解した。そこへ重合開始剤と架橋剤を加え溶解することでPEO溶液を作製した。作製したPEO溶液を、PETフィルム上にドクターブレードで塗布した。その後、真空乾燥、UV照射することで、固体高分子膜を作製した。
(Preparation of solid polymer membrane)
Polyethylene oxide (PEO) powder was dissolved in dehydrated grade acetonitrile using a homogenizer. LiTFSI and O of PEO were dissolved by adding LiTFSI so that the Li / O ratio was 1/18. A PEO solution was prepared by adding a polymerization initiator and a cross-linking agent to the solution and dissolving the mixture. The prepared PEO solution was applied onto a PET film with a doctor blade. Then, a solid polymer membrane was produced by vacuum drying and UV irradiation.

(負極層作製)
実施例3で作製したヨウ化リチウム箔を、負極集電体として厚さ12μmの銅箔の一面にのせ、PETフィルムを被せ、20kNの力で圧着し負極を作製した。
(Preparation of negative electrode layer)
The lithium iodide foil prepared in Example 3 was placed on one surface of a copper foil having a thickness of 12 μm as a negative electrode current collector, covered with a PET film, and pressure-bonded with a force of 20 kN to prepare a negative electrode.

(全固体電池の作製)
上記で作製した負極のヨウ化リチウム箔の上に、固体高分子膜の一方の面を張り付けた。次に、上記で作製した焼結体の固体電解質層の面と、固体高分子膜のもう一方の面とを貼り合わせた。最後に、2032型のコインセルに封止した。
(Manufacturing of all-solid-state battery)
One surface of the solid polymer film was attached onto the lithium iodide foil of the negative electrode prepared above. Next, the surface of the solid electrolyte layer of the sintered body produced above and the other surface of the solid polymer membrane were bonded together. Finally, it was sealed in a 2032 type coin cell.

<全固体電池のサイクル特性の評価方法>
実施例及び比較例で作製した全固体電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度40℃の恒温槽中でサイクル特性の測定を行った。0.1Cで4.3Vまで定電流定電圧充電し、0.1Cで3Vまで定電流放電する充放電サイクルを30サイクル繰り返した。30サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除して容量維持率を算出し、サイクル特性として評価した。
<Evaluation method of cycle characteristics of all-solid-state battery>
The cycle characteristics of the all-solid-state batteries produced in Examples and Comparative Examples were measured in a constant temperature bath at a temperature of 40 ° C. using a secondary battery charge / discharge test device (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.). A charge / discharge cycle of constant current constant voltage charging up to 4.3 V at 0.1 C and constant current discharge up to 3 V at 0.1 C was repeated for 30 cycles. The capacity retention rate was calculated by dividing the discharge capacity at the 30th cycle by the discharge capacity at the 1st cycle, and evaluated as a cycle characteristic.

[実施例51〜53]
本実施例では、実施例9、15、21で作製した塩化リチウム箔、臭化リチウム箔、フッ化リチウム箔をヨウ化リチウム箔のかわりに用いたこと以外は、実施例50と同様に全固体電池を作製及び試験を実施した。
[Examples 51 to 53]
In this example, all solid state as in Example 50, except that the lithium chloride foil, lithium bromide foil, and lithium fluoride foil prepared in Examples 9, 15 and 21 were used instead of the lithium iodide foil. Batteries were made and tested.

[比較例2]
本荘ケミカル社製の金属リチウム箔(100μm)をヨウ化リチウム箔のかわりに用いたこと以外は、実施例50と同様にして全固体電池を作製及び試験を実施した。
[Comparative Example 2]
An all-solid-state battery was prepared and tested in the same manner as in Example 50, except that a metallic lithium foil (100 μm) manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd. was used instead of the lithium iodide foil.

実施例1〜53、比較例1〜2の評価結果を表1および表2に示す。実施例1〜53では、高いサイクル特性を示した。一方で比較例1〜2の場合においては、実施例1〜53に比べて低いサイクル特性を示した。

Figure 2020158835
Figure 2020158835
The evaluation results of Examples 1 to 53 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Tables 1 and 2. In Examples 1 to 53, high cycle characteristics were exhibited. On the other hand, in the cases of Comparative Examples 1 and 2, lower cycle characteristics were shown as compared with Examples 1 and 53.
Figure 2020158835
Figure 2020158835

本開示のハロゲン化金属箔を用いることで、サイクル特性が改善されたリチウムイオン二次電池および全固体電池を提供することが可能となる。 By using the halogenated metal foil of the present disclosure, it is possible to provide a lithium ion secondary battery and an all-solid-state battery having improved cycle characteristics.

1…ハロゲン化金属箔、2…改質層、3…金属部、10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…ケース、52…金属箔、54…高分子膜、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池、110…全固体電池、111…正極集電体層、112…正極活物質層、113…負極集電体層、114…負極活物質層、115…固体電解質層、116…正極、117…負極。 1 ... Metal halide foil, 2 ... Modified layer, 3 ... Metal part, 10 ... Positive electrode, 12 ... Positive electrode current collector, 14 ... Positive electrode active material layer, 18 ... Separator, 20 ... Negative electrode, 22 ... Negative electrode current collector , 24 ... Negative electrode active material layer, 30 ... Laminate, 50 ... Case, 52 ... Metal foil, 54 ... Polymer film, 60, 62 ... Leads, 100 ... Lithium ion secondary battery, 110 ... All-solid-state battery, 111 ... Positive electrode current collector layer, 112 ... positive electrode active material layer, 113 ... negative electrode current collector layer, 114 ... negative electrode active material layer, 115 ... solid electrolyte layer, 116 ... positive electrode, 117 ... negative electrode.

Claims (8)

Li、NaおよびK金属の表面がハロゲン元素で改質された改質層と金属部を有するハロゲン化金属箔。 A halogenated metal foil having a modified layer in which the surfaces of Li, Na and K metals are modified with a halogen element and a metal portion. 前記ハロゲン元素の分布量がグラデーション状に存在する前記改質層を備える、請求項1に記載のハロゲン化金属箔。 The halogenated metal foil according to claim 1, further comprising the modified layer in which the distribution amount of the halogen elements is present in a gradation pattern. 前記グラデーションは、ハロゲン元素の分布量が、前記金属部に向かって減少する、請求項2に記載のハロゲン化金属箔。 The metal halide foil according to claim 2, wherein the gradation reduces the distribution amount of the halogen element toward the metal portion. 前記改質層が、ヨウ化物、フッ化物、塩化物および臭化物からなる群から選ばれる少なくとも一種以上を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のハロゲン化金属箔。 The metal halide foil according to any one of claims 1 to 3, wherein the modified layer contains at least one selected from the group consisting of iodide, fluoride, chloride and bromide. 前記金属箔の厚みが、20μm〜1000μmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のハロゲン化金属箔。 The halogenated metal foil according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the metal foil is 20 μm to 1000 μm. 前記改質層の厚みが、10nmより大きく、5μmより小さい、請求項1〜5のいずれか1項に記載のハロゲン化金属箔。 The metal halide foil according to any one of claims 1 to 5, wherein the modified layer has a thickness of more than 10 nm and less than 5 μm. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハロゲン化金属箔を正極または負極に用いた全固体電池。 An all-solid-state battery in which the metal halide foil according to any one of claims 1 to 6 is used as a positive electrode or a negative electrode. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハロゲン化金属箔を正極または負極に用いた非水系リチウムイオン電池。 A non-aqueous lithium ion battery in which the metal halide foil according to any one of claims 1 to 6 is used as a positive electrode or a negative electrode.
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WO2023013202A1 (en) * 2021-08-02 2023-02-09 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid electrolyte material and battery using same

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