JP2020202083A - Lithium secondary battery control method, and control device, and lithium secondary battery system - Google Patents

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Abstract

To provide means capable of improving charge/discharge rate characteristics in a lithium secondary battery using elemental sulfur or a reduction product thereof as a positive electrode active material.SOLUTION: When charging/discharging of a lithium secondary battery ia performed using sulfur alone or its reduction product as a positive electrode active material, the positive electrode equilibrium potential (vs. Li+/Li) is detected, and whether the detected value of the equilibrium potential is a value within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] is determined, and when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range, the charging/the discharging is stopped.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、リチウム二次電池の制御方法および制御装置、並びにリチウム二次電池システムに関する。 The present invention relates to a control method and a control device for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery system.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there is an urgent need to reduce the amount of carbon dioxide in order to cope with global warming. In the automobile industry, expectations are high for the reduction of carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and non-water batteries such as secondary batteries for driving motors, which hold the key to their practical application. The development of secondary electrolyte batteries is being actively carried out.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 The secondary battery for driving a motor is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium secondary battery used in mobile phones, notebook computers, and the like. Therefore, the lithium secondary battery, which has the highest theoretical energy among all realistic batteries, is attracting attention and is currently being rapidly developed.

ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Here, the lithium secondary battery currently widely used uses a flammable organic electrolyte as an electrolyte. In such a liquid-based lithium secondary battery, safety measures against liquid leakage, short circuit, overcharge, etc. are required more strictly than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。例えば、硫黄単体(S)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。 Therefore, in recent years, research and development on an all-solid-state lithium secondary battery using an oxide-based or sulfide-based solid electrolyte as an electrolyte has been actively carried out. The solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid. Therefore, in the all-solid-state lithium secondary battery, various problems caused by the flammable organic electrolytic solution do not occur in principle unlike the conventional liquid-based lithium secondary battery. Further, in general, when a high potential / large capacity positive electrode material and a large capacity negative electrode material are used, the output density and energy density of the battery can be significantly improved. For example, elemental sulfur (S 8) has a very large theoretical capacity of about 1670mAh / g, has the advantage of resources at a low cost is rich.

このような硫黄単体(S)の性質を利用して、例えば特許文献1では、硫黄単体(S)またはその還元生成物を正極活物質として用いたリチウム二次電池が提案されている。 Taking advantage of such properties of elemental sulfur (S 8 ), for example, Patent Document 1 proposes a lithium secondary battery using elemental sulfur (S 8 ) or a reduction product thereof as a positive electrode active material.

特開2012−109223号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-109223

ここで、特許文献1には、リチウム二次電池の正極活物質として硫黄単体(S)を用いてコインセルを作製し、これについて1/12Cの電流密度で充放電試験を行ったことが具体的に開示されている。そして、この充放電試験の際の充放電電圧は、1.5〜3.3Vの範囲としたことも開示されている。なお、当該コインセルの対極(負極)としてはリチウム金属板が用いられていることから、上記充放電電圧の範囲は正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の範囲に等しい。 Here, Patent Document 1 specifically states that a coin cell was produced using sulfur alone (S 8 ) as the positive electrode active material of a lithium secondary battery, and a charge / discharge test was performed on this with a current density of 1 / 12C. Is disclosed. It is also disclosed that the charge / discharge voltage at the time of this charge / discharge test is in the range of 1.5 to 3.3 V. Since a lithium metal plate is used as the counter electrode (negative electrode) of the coin cell, the range of the charge / discharge voltage is equal to the range of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode.

本発明者らの検討によれば、上述した特許文献1に開示されたリチウム二次電池を用いて充放電を実施すると、高い充放電レートでの充放電の際に十分な容量が取り出せない(すなわち、いわゆるレート特性が十分ではない)という問題があることが判明した。 According to the study by the present inventors, when charging / discharging is performed using the lithium secondary battery disclosed in Patent Document 1 described above, sufficient capacity cannot be taken out when charging / discharging at a high charge / discharge rate ( That is, the so-called rate characteristic is not sufficient).

そこで本発明は、硫黄単体またはその還元生成物を正極活物質として用いたリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of improving charge / discharge rate characteristics in a lithium secondary battery using sulfur alone or a reduction product thereof as a positive electrode active material.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、このようなリチウム二次電池の充放電を、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の値が所定の電位範囲内の値となるように制御しながら実施することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted diligent studies to solve the above problems. As a result, by controlling the charging / discharging of such a lithium secondary battery so that the value of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode is within a predetermined potential range, the above-mentioned problem We have found that this can be solved, and have completed the present invention.

本発明の一形態に係るリチウム二次電池の制御方法は、硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極と、負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する電解質層とを有する発電要素を備えたリチウム二次電池の制御方法である。そして、当該制御方法は、前記リチウム二次電池の充電処理および/または放電処理を行う際に、前記正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出することと、検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定することと、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止することとを含む点に特徴がある。 The method for controlling the lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material layer containing a single sulfur or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material, and a negative electrode active material. This is a control method for a lithium secondary battery including a power generation element having a negative electrode including a negative electrode active material layer and an electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Then, the control method detects the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode when the lithium secondary battery is charged and / or discharged, and the detected equilibrium potential of the detected equilibrium potential. It is determined whether or not the value is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V], and when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range, the charging is performed. It is characterized in that it includes stopping the processing and / or discharging processing.

本発明の他の形態に係るリチウム二次電池の制御装置は、硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極と、負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する電解質層とを有する発電要素を備えたリチウム二次電池を制御するものである。そして、当該制御装置は、前記正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出する正極平衡電位検出部と、前記リチウム二次電池の充電処理および/または放電処理を行う際に、前記正極平衡電位検出部によって検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定し、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止する制御を行う制御部とを含む点に特徴がある。 The control device for the lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention contains a positive electrode including a positive electrode active material layer containing sulfur alone or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material, and a negative electrode active material. It controls a lithium secondary battery having a power generation element having a negative electrode including a negative electrode active material layer and an electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Then, the control device has the positive electrode equilibrium potential detecting unit that detects the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode, and the positive electrode equilibrium when performing the charging process and / or the discharging process of the lithium secondary battery. It is determined whether or not the value of the equilibrium potential detected by the potential detection unit is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V], and the equilibrium potential is not a value within the potential range. It is characterized in that it includes a control unit that controls to stop the charging process and / or the discharging process when the determination is made.

本発明のさらに他の形態に係るリチウム二次電池システムは、上述したリチウム二次電池と、上述したリチウム二次電池の制御装置とを含むものである。 The lithium secondary battery system according to still another embodiment of the present invention includes the above-mentioned lithium secondary battery and the above-mentioned lithium secondary battery control device.

本発明によれば、硫黄単体またはその還元生成物を正極活物質として用いたリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることができる。 According to the present invention, in a lithium secondary battery using elemental sulfur or a reduction product thereof as a positive electrode active material, the charge / discharge rate characteristics can be improved.

本発明の一実施形態に係る全固体リチウム二次電池システムの構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the structure of the all-solid-state lithium secondary battery system which concerns on one Embodiment of this invention. 硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有するリチウム二次電池の充放電時における正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の変化(対正極容量)を示すグラフである。A graph showing the change in the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode (capacity to positive electrode) during charging and discharging of a lithium secondary battery containing a single sulfur or a reduction product of lithium containing lithium as a positive electrode active material. is there. 二次電池システムにおける充電処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the charge process in a secondary battery system. 本発明の一実施形態に係る双極型(バイポーラ型)の全固体リチウム二次電池(双極型二次電池)を模式的に表した断面図である。It is sectional drawing which represented typically the bipolar type (bipolar type) all-solid-state lithium secondary battery (bipolar type secondary battery) which concerns on one Embodiment of this invention. 双極型二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウム二次電池の外観を表した斜視図である。It is a perspective view which showed the appearance of the flat lithium secondary battery which is a typical embodiment of a bipolar type secondary battery.

以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。以下では、二次電池の一形態である、双極型(バイポーラ型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しないという利点がある。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios. Hereinafter, the present invention will be described by taking as an example a bipolar (bipolar type) all-solid-state lithium secondary battery, which is a form of a secondary battery. As described above, the solid electrolyte constituting the all-solid-state lithium secondary battery is a material composed mainly of an ionic conductor capable of ionic conduction in the solid. Therefore, the all-solid-state lithium secondary battery has an advantage that various problems caused by the flammable organic electrolytic solution do not occur in principle unlike the conventional liquid-based lithium secondary battery. In general, using a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material also has an advantage that the output density and energy density of the battery can be significantly improved.

[二次電池システム]
図1は、本発明の一実施形態に係る全固体リチウム二次電池システムの構成を説明するためのブロック図である。
[Secondary battery system]
FIG. 1 is a block diagram for explaining the configuration of an all-solid-state lithium secondary battery system according to an embodiment of the present invention.

この全固体リチウム二次電池システム(以下、「二次電池システム1」とも称する)は、全固体リチウム二次電池(以下、「二次電池2」とも称する)を備える。そして、二次電池2のセル電圧(端子間電圧)を測定する電圧センサー3、二次電池2へ充電電力を供給する電圧電流調整部4、二次電池2の充放電電流を測定する電流センサー5、二次電池2の充放電を制御する制御部6を備える。また、電圧電流調整部4は外部電源7に接続されていて充電時には電力の供給を受ける一方、放電時には電圧電流調整部4を介して外部電源9側へ放電する(詳細は後述する)。 This all-solid-state lithium secondary battery system (hereinafter, also referred to as "secondary battery system 1") includes an all-solid-state lithium secondary battery (hereinafter, also referred to as "secondary battery 2"). Then, a voltage sensor 3 that measures the cell voltage (voltage between terminals) of the secondary battery 2, a voltage / current adjusting unit 4 that supplies charging power to the secondary battery 2, and a current sensor that measures the charge / discharge current of the secondary battery 2. 5. A control unit 6 for controlling charging / discharging of the secondary battery 2 is provided. Further, the voltage / current adjusting unit 4 is connected to the external power source 7 and receives power during charging, while discharging to the external power source 9 side via the voltage / current adjusting unit 4 during discharging (details will be described later).

以下、各部の詳細を説明する。 The details of each part will be described below.

二次電池2は、硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極(以下、単に「硫黄含有正極」とも称する)と、負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する固体電解質層と、を有する発電要素を備える。なお、全固体リチウム二次電池の詳細については後述するが、硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有するリチウム二次電池の充放電時における正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の変化を図2に示す。図2に示すように、硫黄含有正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の理論上の下限値は0.7[V]である。一方、硫黄含有正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の理論上の上限値は3.0[V]であるが、本形態に係る二次電池システム2においては、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)が1.9[V]を超えないように二次電池2の充放電が実施される。 The secondary battery 2 contains a positive electrode (hereinafter, also simply referred to as “sulfur-containing positive electrode”) containing a positive electrode active material layer containing a single sulfur or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material, and a negative electrode active material. The power generation element includes a negative electrode including a negative electrode active material layer containing the negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The details of the all-solid-state lithium secondary battery will be described later, but the equilibrium potential (vs.) of the positive electrode during charging and discharging of the lithium secondary battery containing a single sulfur or a reduction product of lithium containing lithium as a positive electrode active material. The change in Li + / Li) is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the theoretical lower limit of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the sulfur-containing positive electrode is 0.7 [V]. On the other hand, the theoretical upper limit of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the sulfur-containing positive electrode is 3.0 [V], but in the secondary battery system 2 according to the present embodiment, the equilibrium potential (vs. The secondary battery 2 is charged and discharged so that Li + / Li) does not exceed 1.9 [V].

電圧センサー3は、例えば電圧計でよく、二次電池2の正極と負極との間のセル電圧(端子間電圧)を測定する。電圧センサー3の取り付け位置は特に制限されず、二次電池2に接続される回路内において正極と負極との間のセル電圧を測定することができる位置であればよい。 The voltage sensor 3 may be, for example, a voltmeter, and measures the cell voltage (voltage between terminals) between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery 2. The mounting position of the voltage sensor 3 is not particularly limited as long as it is a position where the cell voltage between the positive electrode and the negative electrode can be measured in the circuit connected to the secondary battery 2.

電圧電流調整部4は、二次電池2の充電時には、制御部7からの指令に基づいて外部電源8からの電力の電圧および電流を調整し、前記電力を二次電池2へ供給する。また、二次電池2の放電時には、電圧電流調整部4は、二次電池2から放電された電気を外部負荷(図示せず)へ放出する。 When charging the secondary battery 2, the voltage / current adjusting unit 4 adjusts the voltage and current of the electric power from the external power source 8 based on the command from the control unit 7, and supplies the electric power to the secondary battery 2. Further, when the secondary battery 2 is discharged, the voltage / current adjusting unit 4 discharges the electricity discharged from the secondary battery 2 to an external load (not shown).

ここで、外部電源8は、電気自動車等の充電に使用される、いわゆる電源グリッドなどと称される電気自動車用の電源であり、直流が出力されている。このような電気自動車用の電源は、商用電力(交流)を二次電池2の充電のために必要な電圧および電流の直流に変換して提供している。また、外部電源8には電力回生機能が備えられており、二次電池2からの放電があった場合は、直流を交流に変換して商用電源へ回生することができる。なお、このような外部電源8を構成する装置としては、電力回生機能の付いた周知の電源を使用すればよいため、ここでは詳細な説明は省略する(電力回生機能の付いた電源としては、例えば、特開平7−222369号公報、特開平10−080067号公報などがある)。 Here, the external power source 8 is a power source for an electric vehicle used for charging an electric vehicle or the like, a so-called power grid or the like, and direct current is output. Such a power source for an electric vehicle is provided by converting commercial electric power (alternating current) into direct current having a voltage and a current required for charging the secondary battery 2. Further, the external power source 8 is provided with a power regeneration function, and when there is a discharge from the secondary battery 2, the direct current can be converted into an alternating current and regenerated to a commercial power source. As a device constituting such an external power source 8, a well-known power source having a power regeneration function may be used, and therefore detailed description thereof will be omitted here (as a power source having a power regeneration function, the power source has a power regeneration function. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-222369, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-080067, etc.).

外部電源8が商用電源などの外部電源装置に接続されていない場合、例えば外部に設置された他の二次電池などを電源として二次電池2を充電するときには、二次電池2から放電した電力を他の二次電池へ蓄電させることが好ましい。これによりエネルギーの無駄を少なくすることができる。 When the external power supply 8 is not connected to an external power supply device such as a commercial power supply, for example, when charging the secondary battery 2 using another secondary battery installed externally as a power source, the power discharged from the secondary battery 2 Is preferably stored in another secondary battery. This can reduce the waste of energy.

電流センサー5は、例えば電流計である。電流センサー5は、二次電池2の充電時には電圧電流調整部4から二次電池2へ供給される電力の電流値を測定し、放電時には二次電池2から電圧電流調整部4へ供給される電力の電流値を測定する。電流センサー5の取り付け位置は特に制限されず、電圧電流調整部4から二次電池2に電力を供給する回路内に配置されて、充放電時の電流値を測定することができる位置であればよい。 The current sensor 5 is, for example, an ammeter. The current sensor 5 measures the current value of the power supplied from the voltage / current adjusting unit 4 to the secondary battery 2 when charging the secondary battery 2, and is supplied from the secondary battery 2 to the voltage / current adjusting unit 4 when discharging. Measure the current value of power. The mounting position of the current sensor 5 is not particularly limited, as long as it is located in a circuit that supplies power from the voltage / current adjusting unit 4 to the secondary battery 2 and can measure the current value during charging / discharging. Good.

制御部6は、例えば、CPU61や記憶部62などを含んでいる、いわゆるコンピューターである。制御部6は、後述する手順に従って、二次電池2に充放電処理を行う際に当該充放電処理の条件を制御する。このような制御部6としては、電気自動車においては、例えばECU(Electronic Control Unit)などを用いるようにしてもよい。 The control unit 6 is a so-called computer including, for example, a CPU 61 and a storage unit 62. The control unit 6 controls the conditions of the charge / discharge process when the secondary battery 2 is charged / discharged according to the procedure described later. As such a control unit 6, for example, an ECU (Electronic Control Unit) or the like may be used in an electric vehicle.

ここで、記憶部62は、CPU61がワーキングエリアとして使用するRAMのほかに、不揮発性メモリーを搭載している。不揮発性メモリーには、本実施形態における二次電池2の充放電処理の条件の制御を行うためのプログラムを記憶している。 Here, the storage unit 62 is equipped with a non-volatile memory in addition to the RAM used by the CPU 61 as a working area. The non-volatile memory stores a program for controlling the charge / discharge processing conditions of the secondary battery 2 in the present embodiment.

また、記憶部62は、二次電池2の充電状態(SOC;State of Charge)と、二次電池2を構成する正極の平衡電位(vs.Li+/Li)との関係を示すマップ(以下、「第1マップ」とも称する)を記憶している。あるいは、記憶部62は、二次電池2の充電状態(SOC;State of Charge)と、二次電池2の電池電圧との関係を示すマップ(以下、「第2マップ」とも称する)を記憶していてもよい。 Further, the storage unit 62 is a map showing the relationship between the charged state (SOC; State of Charge) of the secondary battery 2 and the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode constituting the secondary battery 2. It also remembers the "first map"). Alternatively, the storage unit 62 stores a map (hereinafter, also referred to as “second map”) showing the relationship between the charge state (SOC; State of Charge) of the secondary battery 2 and the battery voltage of the secondary battery 2. You may be.

[充電処理]
このように構成された二次電池システム1における充電処理の手順を説明する。
[Charging process]
The procedure of the charging process in the secondary battery system 1 configured in this way will be described.

この充電処理は、二次電池システム1が外部電源7に接続されて、二次電池2に対して充電電力が供給可能な状態において行われる。また、本実施形態における充電処理の制御は、二次電池2の電圧が所定電圧となるまで行う定電流(CC)充電方式である。ただし、充電処理の形態はこれに制限されず、定電流(CC)充電方式で充電を行い、二次電池2の電圧が所定電圧となった後には定電圧(CV)充電方式で行う、定電流・定電圧(CC−CV)充電方式を用いてもよい。 This charging process is performed in a state where the secondary battery system 1 is connected to the external power source 7 and charging power can be supplied to the secondary battery 2. Further, the control of the charging process in the present embodiment is a constant current (CC) charging method in which the voltage of the secondary battery 2 reaches a predetermined voltage. However, the form of the charging process is not limited to this, and charging is performed by the constant current (CC) charging method, and after the voltage of the secondary battery 2 reaches a predetermined voltage, the constant voltage (CV) charging method is used. A current / constant voltage (CC-CV) charging method may be used.

本実施形態における充電処理は、二次電池2を構成する正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出し、検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定しつつ行われる。そして、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときには、当該充電処理は停止される。なお、特に断りのない限り、この充電処理の制御は制御部7によって行われる。以下、図2を参照してこの充電処理の手順を説明する。図3は、二次電池システム1における充電処理の手順を示すフローチャートである。 In the charging process in the present embodiment, the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode constituting the secondary battery 2 is detected, and the detected equilibrium potential value is 0.7 to 1.9 [V]. It is performed while determining whether or not the value is within the potential range. Then, when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range, the charging process is stopped. Unless otherwise specified, the control unit 7 controls the charging process. Hereinafter, the procedure of this charging process will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the charging process in the secondary battery system 1.

まず、制御部6は、二次電池2の充電処理を行う制御を開始する(ステップS101)。具体的には、外部電源7から電圧電流調整部4へ電力を導入して、充電処理を開始する(本実施形態では、定電流(CC)充電を開始する)。 First, the control unit 6 starts control for charging the secondary battery 2 (step S101). Specifically, electric power is introduced from the external power source 7 to the voltage / current adjusting unit 4 to start the charging process (in the present embodiment, constant current (CC) charging is started).

続いて、制御部6は、電流センサー5から充電電流Iを取得し、電圧センサー3から電池電圧Vを取得する(ステップS102)。そして、本実施形態において、制御部6は、電流センサー5から取得した充電電流Iの積算値に基づいて、二次電池2の充電状態(SOC)の値を算出する(ステップS103)。その後、制御部6は、記憶部62に記憶された「二次電池2の充電状態(SOC)と、二次電池2を構成する正極の平衡電位(vs.Li+/Li)との関係を示すマップ」(第1マップ)を参照して、ステップS103で算出した二次電池2のSOCの値から、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を算出する(ステップS104)。 Subsequently, the control unit 6 acquires the charging current I from the current sensor 5 and the battery voltage V from the voltage sensor 3 (step S102). Then, in the present embodiment, the control unit 6 calculates the value of the charging state (SOC) of the secondary battery 2 based on the integrated value of the charging current I acquired from the current sensor 5 (step S103). After that, the control unit 6 shows the relationship between the “charged state (SOC) of the secondary battery 2 and the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrodes constituting the secondary battery 2” stored in the storage unit 62. The equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode is calculated from the SOC value of the secondary battery 2 calculated in step S103 with reference to the “map” (first map) (step S104).

続いて、制御部6は、上記で算出した正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定する(ステップS105)。なお、上述したように、、硫黄含有正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の理論上の下限値は0.7[V]であることから、上記判定は、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の値が1.9[V]以下の値であるか否かの判定と実質的に同義である。ここで、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であると判定されれば(S105:YES)、制御部6は、ステップS102からの制御を繰り返す。一方、正極の平衡電位(vs.Li+/Li)の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値ではないと判定されれば(S105:NO)、制御部6は、二次電池2の充電処理を終了する(ステップS106)。 Subsequently, the control unit 6 determines whether or not the value of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode calculated above is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V]. (Step S105). As described above, since the theoretical lower limit of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the sulfur-containing positive electrode is 0.7 [V], the above determination is based on the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode. It is substantially synonymous with the determination of whether or not the value of Li + / Li) is 1.9 [V] or less. Here, if it is determined that the value of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] (S105: YES), the control unit 6 will perform. , The control from step S102 is repeated. On the other hand, if it is determined that the value of the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode is not within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] (S105: NO), the control unit 6 determines. The charging process of the secondary battery 2 is completed (step S106).

上述したような制御を実施することにより、硫黄単体またはその還元生成物を正極活物質として用いたリチウム二次電池の充放電レート特性を向上させることが可能となる。以下、そのメカニズムについて説明する。 By carrying out the control as described above, it is possible to improve the charge / discharge rate characteristics of a lithium secondary battery using elemental sulfur or a reduction product thereof as a positive electrode active material. The mechanism will be described below.

本発明者らは、硫黄含有正極を含むリチウム二次電池における充放電反応における律速段階を特定すべく、密度汎関数理論(DFT)に基づく電子状態計算法である密度汎関数法を用いて、上記充放電反応を構成する素反応について解析を行った。ここで、密度汎関数理論(DFT)(密度汎関数法)は、実験データや経験パラメータを用いることなくシュレーディンガー方程式(ディラック方程式)から物性や化学反応を予測する第一原理計算の1種であり、計算対象となる分子構造について、生成エネルギーEgや、分子軌道(その分子を構成する電子が存在できる軌道)のエネルギー準位を算出する手法である。 In order to identify the rate-determining step in the charge / discharge reaction in a lithium secondary battery containing a sulfur-containing positive electrode, the present inventors use the density functional theory, which is an electronic state calculation method based on density functional theory (DFT). The elementary reactions that make up the charge / discharge reaction were analyzed. Here, density functional theory (DFT) (density functional theory) is a kind of first-principles calculation that predicts physical properties and chemical reactions from Schrodinger equation (Dirac equation) without using experimental data and empirical parameters. There is a method of calculating the energy level of the generated energy Eg and the molecular orbital (orbital in which the electrons constituting the molecule can exist) for the molecular structure to be calculated.

ここで、硫黄含有正極に含まれる硫黄単体(S)はリチウムを含まないため、これを正極活物質として見ると、当該正極活物質を含むリチウム二次電池は最も充電が進行した状態にあるということができる。一方、このリチウム二次電池の放電が進行すると、正極活物質である硫黄単体(S)は徐々にリチウムと結合することにより種々の還元生成物を経由し、最終的にはLiSとなる。つまり、LiSのみを正極活物質として含むリチウム二次電池は最も放電が進行した状態にあるということができる。 Here, since the sulfur unit (S 8 ) contained in the sulfur-containing positive electrode does not contain lithium, when this is viewed as the positive electrode active material, the lithium secondary battery containing the positive electrode active material is in the most charged state. It can be said. On the other hand, as the discharge of the lithium secondary battery progresses, the positive electrode active material sulfur alone (S 8 ) gradually combines with lithium to pass through various reduction products, and finally becomes Li 2 S. Become. That is, it can be said that the lithium secondary battery containing only Li 2 S as the positive electrode active material is in the most discharged state.

ここで、硫黄単体(S)とLiSとの間で硫黄原子およびリチウム原子の含有モル比が異なる還元生成物(中間体)としては、(S)→Li→Li→Li→Li→Li→Li→Li→(LiS)が想定されうる。そこで本発明者らは、硫黄単体(S)およびLiS並びにこれらの想定される還元生成物(中間体)のそれぞれについて、DFTに基づいて構造最適化(分子を構成する原子の位置を変化させ、生成エネルギーが最低となる構造を求める計算)を行い、安定な原子配置での生成エネルギーを算出した。そして、反応物と生成物との組み合わせとして想定されるすべての場合について、生成物の生成エネルギー(Eproducts)から反応物の生成エネルギー(Ereactants)を引いた値を各反応におけるギブス自由エネルギー(ΔG)とみなした。なお、詳細な計算条件は以下の通りである:
シミュレーションプログラム:Vienna ab-initio simulation package (VASP)
相関汎関数:B3LYP
カットオフエネルギー:400 [eV]
擬ポテンシャル:PAW GGA
電子緩和アルゴリズム:preconditioned residuum-minimization
イオン緩和アルゴリズム:RMM-DIIS。
Here, as the reduction product (intermediate) in which the molar ratios of sulfur atom and lithium atom are different between sulfur alone (S 8 ) and Li 2 S, (S 8 ) → Li 2 S 8 → Li 2 S 7 → Li 2 S 6 → Li 2 S 5 → Li 2 S 4 → Li 2 S 3 → Li 2 S 2 → (Li 2 S) can be assumed. Therefore, the present inventors have optimized the structure (positions of atoms constituting the molecule) based on DFT for each of elemental sulfur (S 8 ) and Li 2 S and their assumed reduction products (intermediate). Calculation to find the structure with the lowest generated energy by changing) was performed, and the generated energy with a stable atomic arrangement was calculated. The reactants and in all cases envisaged as a combination of products, the value obtained by subtracting the generated energy of the reaction product (E reactants) from the generation energy of the product (E products) the Gibbs free energy in the reaction ( It was regarded as ΔG). The detailed calculation conditions are as follows:
Simulation program: Vienna ab-initio simulation package (VASP)
Correlation functional: B3LYP
Cut-off energy: 400 [eV]
Pseudopotential: PAW GGA
Electronic relaxation algorithm: preconditioned residuum-minimization
Ion relaxation algorithm: RMM-DIIS.

ここで、充電反応においては各反応におけるΔGは正の値であり、反応物よりも生成物の方がエネルギー的に不安定である。このため、充電反応においては、反応物を固定した場合に想定される反応のうち、ΔGが最小である反応が実際に進行していると判断した。最も放電が進行した状態であるLiSを正極活物質として含むリチウム二次電池の充電反応が進行する場合を想定して、実際に計算を行った結果を下記の表1に示す(小数第三位で四捨五入した値を示している)。 Here, in the charging reaction, ΔG in each reaction is a positive value, and the product is energetically more unstable than the reactant. Therefore, in the charging reaction, it was determined that the reaction having the smallest ΔG among the reactions assumed when the reactant was fixed is actually proceeding. Table 1 below shows the results of actual calculations, assuming that the charging reaction of a lithium secondary battery containing Li 2 S, which is the most discharged state, as the positive electrode active material proceeds. It shows the value rounded to the third place).

表1に示すように、LiSについては、例えば、リチウムを放出してLiを生成する反応(2LiS→Li+2Li)が想定される。この際の反応物の生成エネルギー(Ereactants)および反応物の生成エネルギー(Eproducts)はそれぞれ14.41[eV]および15.44[eV]であり、これらの差として算出されるギブス自由エネルギー(ΔG=Eproducts−Ereactants)は1.02[eV]と算出される。 As shown in Table 1, for the Li 2 S, for example, reaction producing Li 2 S 2 and releasing lithium (2Li 2 S → Li 2 S 2 + 2Li) is assumed. Generation energy generated energy (E reactants) and the reaction product of reactants at this time (E products) are each 14.41 [eV] and 15.44 [eV], the Gibbs free energy is calculated as the difference between these (ΔG = E products −E reactants ) is calculated as 1.02 [eV].

また、LiSについて想定される反応としては、上記のもののほか、Li、Li、Li、Li、Li、Liと反応してLi、Li、Li、Li、Li、Liをそれぞれ生成する反応もある。これらの各反応のΔGは上記表1に示す通りであるが、いずれもLiを生成する反応におけるΔGよりも大きい。したがって、LiSについて実際には、ΔGが最小となるLiの生成反応が進行するものと結論付けた。また、このような解析をその後も同様に進め、各反応物について想定される反応のうち、ΔGが最小の値(表1に太字で示した)となる反応が実際に進行するものと結論付けた。その結果、充電反応において、LiSはLiを生成した後にLi、Li、Li、Li、Li、LiおよびSを順次生成するものと考えられた。ここで、LiSからSに至る8つの反応のうちΔGが最大のものは、最終段階におけるLiSからのSの生成反応(Li→S+2Li)である。このことから、このSの生成反応が充電反応において反応速度が最も遅い反応(律速反応)であると考えられた(図2を参照)。 In addition to the above reactions, Li 2 S reacts with Li 2 S 2 , Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , and Li 2 S 7. There is also a reaction that produces Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , Li 2 S 7 , and Li 2 S 8 , respectively. The ΔG of each of these reactions is as shown in Table 1 above, but all of them are larger than the ΔG in the reaction that produces Li 2 S 2 . Therefore, in practice, the Li 2 S, and it concluded that formation reaction of Li 2 S 2 where ΔG is minimized progresses. In addition, the same analysis was carried out thereafter, and it was concluded that among the reactions assumed for each reactant, the reaction in which ΔG is the smallest value (shown in bold in Table 1) actually proceeds. It was. As a result, in the charging reaction, Li 2 S produced Li 2 S 2, and then Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , Li 2 S 7 , Li 2 S 8 and S. It was considered that 8 was sequentially generated. Here, among the eight reactions from Li 2 S to S 8 , the one having the largest ΔG is the reaction for producing S 8 from Li 2 S in the final stage (Li 2 S 8 → S 8 + 2 Li). Therefore, formation reaction of the S 8 was considered the reaction rate in the charge reaction is the slowest reaction (rate-limiting reaction) (see Figure 2).

一方、放電反応については、最も充電が進行した状態であるSを正極活物質として含むリチウム二次電池の放電反応が進行する場合を想定して、実際に計算を行った結果を下記の表2に示す。なお、放電反応においては各反応におけるΔGは負の値であり、反応物よりも生成物の方がエネルギー的に安定である。このため、放電反応においては、反応物を固定した場合に想定される反応のうち、ΔGの絶対値が最大である反応が実際に進行していると判断した。 On the other hand, the discharge reaction, most charge a S 8 is a state that has traveled on the assumption that the discharge reaction of the lithium secondary battery progresses containing as a positive electrode active material, the results of actual calculation table below Shown in 2. In the discharge reaction, ΔG in each reaction is a negative value, and the product is energetically more stable than the reactant. Therefore, in the discharge reaction, it was determined that the reaction with the maximum absolute value of ΔG is actually proceeding among the reactions assumed when the reactant is fixed.

表2に示すように、SについてはLiを生成する反応(S+2Li→Li)のみが想定される。その後、ΔGの絶対値が最大(表2に太字で示した)となるように、LiはLiを生成し(Li+2Li→2Li)、LiはLiを生成し(Li+2Li→2Li)、LiはLiSを生成する(Li+2Li→2LiS)と考えられた。ここで、上述したように、放電反応においては反応物よりも生成物の方がエネルギー的に安定である。ただし、実際に反応が進行するには各反応の反応物における励起エネルギーを超える必要がある。したがって、上述したSからLiSに至る4つの反応のそれぞれについて、反応物(S、Li、Li、Li)の励起エネルギーを算出した。具体的には、各反応物のLUMO(最低非占有分子軌道;電子が入っていない分子軌道のうちエネルギー準位が最低の軌道)のエネルギー準位(ELUMO)とフェルミ準位(電子の存在確率が50%であるエネルギー準位;Efermi)との差が励起エネルギーに相当するとみなして、励起エネルギーE°をE°=ELUMO−Efermiの式に従って算出した。その結果、上記4つの反応のそれぞれの励起エネルギーE°は上記表2に示す値として算出された。ここで、SからLiSに至る4つの反応のうち励起エネルギーE°が最大のものは、最初の段階におけるSからのLiの生成反応(S+2Li→Li)である。このことから、SからのLiの生成反応が放電反応において反応速度が最も遅い反応(律速反応)であると考えられた(図2を参照)。 As shown in Table 2, for S 8 , only the reaction that produces Li 2 S 8 (S 8 + 2 Li → Li 2 S 8 ) is assumed. After that, as the absolute value of ΔG is maximum (indicated in bold in Table 2), Li 2 S 8 generates a Li 2 S 4 (Li 2 S 8 + 2Li → 2Li 2 S 4), Li 2 S 4 was considered to produce a Li 2 S 2 (Li 2 S 4 + 2Li → 2Li 2 S 2), Li 2 S 2 generates a Li 2 S (Li 2 S 2 + 2Li → 2Li 2 S). Here, as described above, in the discharge reaction, the product is energetically more stable than the reactant. However, in order for the reaction to actually proceed, it is necessary to exceed the excitation energy in the reactant of each reaction. Therefore, the excitation energies of the reactants (S 8 , Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 ) were calculated for each of the four reactions from S 8 to Li 2 S described above. Specifically, the energy level (E LUMO ) and the Fermi level (existence of electrons) of the LUMO (minimum unoccupied molecular orbital; orbital with the lowest energy level among the molecular orbitals containing no electrons) of each reactant The excitation energy E ° was calculated according to the equation E ° = E LUMO −E fermi , assuming that the difference from the energy level (E fermi ) having a probability of 50% corresponds to the excitation energy. As a result, the excitation energy E ° of each of the above four reactions was calculated as the value shown in Table 2 above. Here, among the four reactions from S 8 to Li 2 S, the one having the maximum excitation energy E ° is the reaction for forming Li 2 S 8 from S 8 in the first stage (S 8 + 2 Li → Li 2 S 8). ). Therefore, formation reaction of Li 2 S 8 from S 8 was considered the reaction rate in the discharge reaction is the slowest reaction (rate-limiting reaction) (see Figure 2).

以上述べたようなDFTに基づく計算から、硫黄含有正極を含むリチウム二次電池の充電反応における律速反応は、LiSからのSの生成反応(Li→S+2Li)であると特定された。同様に、硫黄含有正極を含むリチウム二次電池の放電反応における律速反応はSからのLiの生成反応(S+2Li→Li)であると特定された。これらの知見に基づき、本発明者らは、上記の2つの律速反応を利用しないようにリチウム二次電池の充放電を制御すれば、反応速度の遅い反応を利用しなくてすむことから、充放電レート特性の向上は図れるものと考えたのである。ここで、図2を参照して、上記の2つの律速反応を利用することによってのみ到達可能な正極の平衡電位は1.9[V]よりも大きい領域に相当する。したがって、上記の2つの律速反応を利用しないということは、リチウム二次電池の充放電の際に、正極の平衡電位を1.9[V]以下の電位範囲(実際には、当該平衡電位の下限値も考慮して、0.7〜1.9[V]の電位範囲)内の値に維持することを意味する。本発明者らは、このようにして本発明を完成させるに至ったのである。 From calculations based on DFT as described above, the rate limiting reaction in charging reaction of the lithium secondary battery comprising a sulfur-containing cathode is the formation reaction of S 8 from Li 2 S (Li 2 S 8 → S 8 + 2Li) Was identified. Similarly, the rate-limiting reaction in the discharge reaction of the lithium secondary battery comprising the sulfur-containing positive electrode was identified as a formation reaction of Li 2 S 8 from S 8 (S 8 + 2Li → Li 2 S 8). Based on these findings, the present inventors can control the charge and discharge of the lithium secondary battery so as not to utilize the above two rate-determining reactions, so that the reaction having a slow reaction rate does not need to be used. It was thought that the discharge rate characteristics could be improved. Here, referring to FIG. 2, the equilibrium potential of the positive electrode that can be reached only by utilizing the above two rate-determining reactions corresponds to a region larger than 1.9 [V]. Therefore, not utilizing the above two rate-determining reactions means that the equilibrium potential of the positive electrode is set to a potential range of 1.9 [V] or less (actually, the equilibrium potential of the equilibrium potential) during charging and discharging of the lithium secondary battery. It means that the value is maintained within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] in consideration of the lower limit value. The present inventors have completed the present invention in this way.

以上、本発明に係る制御について詳細に説明したが、図面を参照しつつ説明した実施形態はあくまでも一例に過ぎず、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想の範囲内において適宜改変して本発明を実施してもよい。例えば、上述した実施形態において、正極の平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かの判定は、リチウム二次電池2の充電状態(SOC)の値に基づいて行われている。具体的には、制御部6は、正極の平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かの判定にあたって、充電電流Iの積算値に基づいて二次電池2のSOCを算出し、第1マップを参照することで正極の平衡電位の値を算出している。このように、上記判定をリチウム二次電池2の充電状態(SOC)の値に基づいて行うことで、電池電圧に基づいて上記判定を実施する場合と比較して、過電圧の影響を排除することができ、より精密な制御が可能となるという利点がある。ただし、リチウム二次電池2の充電状態(SOC)の値に基づく判定はこのような形態のみに限定されない。例えば、正極の平衡電位が0.7〜1.9[V]の範囲である場合に対応するSOCの範囲を予め求めておき、上記と同様にして充電電流Iの積算値に基づいて算出された二次電池2のSOCが、予め求められたSOCの範囲内の値であるか否かを判定することにより、正極の平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かの判定を間接的に行ってもよい。 Although the control according to the present invention has been described in detail above, the embodiment described with reference to the drawings is merely an example, and is appropriately modified within the scope of the technical idea of the invention described in the claims. The present invention may be carried out. For example, in the above-described embodiment, the determination of whether or not the value of the equilibrium potential of the positive electrode is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] is determined by the state of charge (SOC) of the lithium secondary battery 2. ) Is based on the value. Specifically, the control unit 6 determines whether or not the value of the equilibrium potential of the positive electrode is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V] based on the integrated value of the charging current I. The SOC of the secondary battery 2 is calculated, and the value of the equilibrium potential of the positive electrode is calculated by referring to the first map. In this way, by performing the above determination based on the value of the state of charge (SOC) of the lithium secondary battery 2, the influence of overvoltage can be eliminated as compared with the case where the above determination is performed based on the battery voltage. There is an advantage that more precise control is possible. However, the determination based on the charge state (SOC) value of the lithium secondary battery 2 is not limited to such a form. For example, when the equilibrium potential of the positive electrode is in the range of 0.7 to 1.9 [V], the corresponding SOC range is obtained in advance, and it is calculated based on the integrated value of the charging current I in the same manner as above. By determining whether or not the SOC of the secondary battery 2 is within the range of the SOC obtained in advance, the value of the equilibrium potential of the positive electrode is in the potential range of 0.7 to 1.9 [V]. You may indirectly determine whether or not the value is within.

また、正極の平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かの判定は、リチウム二次電池2の充電状態(SOC)の値を算出することなく行ってもよい。このような方法としては、例えば、リチウム二次電池2の正極と負極との電位差として定義される電池電圧の値に基づいて、上記の判定を行う方法が挙げられる。このような方法によれば、電圧センサー3によって検出される電池電圧の値を利用することが可能であるため、簡便な手法によって制御が可能であるという利点がある。なお、電池電圧は正極の平衡電位と負極の平衡電位との電位差として算出される。このため、電池電圧に基づいて正極の平衡電位を算出する場合には、電圧センサー3によって検出される電池電圧の値から、負極の平衡電位を減算すればよい。また、負極の平衡電位が電池電圧の変化に応じて同様に変化する場合には、上述した第2マップを参照することにより、電圧センサー3によって検出される電池電圧の値から正極の平衡電位を算出してもよい。このように、リチウム二次電池2の電池電圧の値に基づいて上記判定を実施する際には、上述した方法によって正極の平衡電位を算出し、この算出値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを直接的に判定してもよい。また、上述したSOCの場合と同様に、正極の平衡電位が0.7〜1.9[V]の範囲である場合に対応する電池電圧の範囲を予め求めておき、電圧センサー3によって検出される電池電圧の値が、予め求められた電池電圧の範囲内の値であるか否かを判定することにより、正極の平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かの判定を間接的に行ってもよい。 Further, in order to determine whether or not the value of the equilibrium potential of the positive electrode is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V], the value of the charged state (SOC) of the lithium secondary battery 2 is calculated. You may go without it. Examples of such a method include a method of making the above determination based on the value of the battery voltage defined as the potential difference between the positive electrode and the negative electrode of the lithium secondary battery 2. According to such a method, since the value of the battery voltage detected by the voltage sensor 3 can be used, there is an advantage that the control can be performed by a simple method. The battery voltage is calculated as the potential difference between the equilibrium potential of the positive electrode and the equilibrium potential of the negative electrode. Therefore, when calculating the equilibrium potential of the positive electrode based on the battery voltage, the equilibrium potential of the negative electrode may be subtracted from the value of the battery voltage detected by the voltage sensor 3. Further, when the equilibrium potential of the negative electrode changes in the same manner according to the change of the battery voltage, the equilibrium potential of the positive electrode can be obtained from the value of the battery voltage detected by the voltage sensor 3 by referring to the second map described above. It may be calculated. As described above, when the above determination is performed based on the value of the battery voltage of the lithium secondary battery 2, the equilibrium potential of the positive electrode is calculated by the above method, and the calculated value is 0.7 to 1.9 [. It may be directly determined whether or not the value is within the potential range of [V]. Further, as in the case of SOC described above, the range of the battery voltage corresponding to the case where the equilibrium potential of the positive electrode is in the range of 0.7 to 1.9 [V] is obtained in advance and detected by the voltage sensor 3. By determining whether or not the value of the battery voltage is within the range of the battery voltage obtained in advance, the value of the equilibrium potential of the positive electrode is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V]. It may be indirectly determined whether or not the value is.

なお、本発明の他の形態によれば、上述したリチウム二次電池2を制御するリチウム二次電池の制御装置が提供される。リチウム二次電池2を制御するリチウム二次電池の制御装置は、リチウム二次電池2の正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出する正極平衡電位検出部(上述した電圧センサー3および/または電流センサー5並びに制御部6がこれに相当する)と、リチウム二次電池2の充電処理および/または放電処理を行う際に、前記正極平衡電位検出部によって検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定し、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止する制御を行う制御部(上述した制御部6がこれに相当する)とを含むものである。 According to another embodiment of the present invention, a lithium secondary battery control device for controlling the lithium secondary battery 2 described above is provided. The control device for the lithium secondary battery that controls the lithium secondary battery 2 is a positive electrode equilibrium potential detection unit (voltage sensor 3 and / / described above) that detects the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode of the lithium secondary battery 2. Alternatively, the current sensor 5 and the control unit 6 correspond to this), and the value of the equilibrium potential detected by the positive electrode equilibrium potential detection unit when the lithium secondary battery 2 is charged and / or discharged. It is determined whether or not the value is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V], and when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range, the charging process and / or the charging process and / or It includes a control unit (corresponding to the control unit 6 described above) that controls to stop the discharge process.

また、本発明のさらに他の形態によれば、上述したリチウム二次電池2と、上述したリチウム二次電池の制御装置とを含むリチウム二次電池システムもまた、提供される。 Further, according to still another embodiment of the present invention, a lithium secondary battery system including the above-mentioned lithium secondary battery 2 and the above-mentioned lithium secondary battery control device is also provided.

以下、本実施形態に係る全固体リチウム二次電池システムの構成要素について説明する。なお、本明細書では、双極型の全固体リチウム二次電池を単に「双極型二次電池」とも称し、双極型全固体リチウム二次電池用電極を単に「双極型電極」と称することがある。 Hereinafter, the components of the all-solid-state lithium secondary battery system according to the present embodiment will be described. In the present specification, the bipolar all-solid-state lithium secondary battery may be simply referred to as a "bipolar secondary battery", and the electrode for a bipolar all-solid-state lithium secondary battery may be simply referred to as a "bipolar electrode". ..

<双極型二次電池>
図4は、本発明の一実施形態に係る双極型(バイポーラ型)の全固体リチウム二次電池(双極型二次電池)を模式的に表した断面図である。図4に示す双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。
<Bipolar secondary battery>
FIG. 4 is a sectional view schematically showing a bipolar type (bipolar type) all-solid-state lithium secondary battery (bipolar type secondary battery) according to an embodiment of the present invention. The bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 4 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminated film 29 which is a battery exterior.

図4に示すように、本形態の双極型二次電池10の発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、固体電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、固体電解質層17は、固体電解質が層状に成形されてなる構成を有する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが固体電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および固体電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に固体電解質層17が挟まれて配置されている。ただし、本発明の技術的範囲は図6に示すような双極型二次電池に限定されず、複数の単電池層が電気的に直列に積層されてなる結果として同様の直列接続構造を有する電池であってもよい。 As shown in FIG. 4, in the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10 of the present embodiment, a positive electrode active material layer 13 electrically bonded to one surface of the current collector 11 is formed, and the current collector 11 has a positive electrode active material layer 13. It has a plurality of bipolar electrodes 23 having an electrically coupled negative electrode active material layer 15 formed on the opposite surface. The bipolar electrodes 23 are laminated via the solid electrolyte layer 17 to form the power generation element 21. The solid electrolyte layer 17 has a structure in which the solid electrolyte is formed into layers. At this time, the positive electrode active material layer 13 of the one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 face each other via the solid electrolyte layer 17. , The bipolar electrodes 23 and the solid electrolyte layer 17 are alternately laminated. That is, the solid electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of the one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23. Has been done. However, the technical scope of the present invention is not limited to the bipolar secondary battery as shown in FIG. 6, and a battery having a similar series connection structure as a result of a plurality of cell cell layers being electrically stacked in series. It may be.

隣接する正極活物質層13、固体電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 The adjacent positive electrode active material layer 13, the solid electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 15 constitute one cell cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10 has a configuration in which the single battery layers 19 are laminated. The positive electrode active material layer 13 is formed on only one side of the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side located in the outermost layer of the power generation element 21. Further, the negative electrode active material layer 15 is formed on only one side of the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side located in the outermost layer of the power generation element 21.

さらに、図4に示す双極型二次電池10では、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Further, in the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 4, a positive electrode current collector plate (positive electrode tab) 25 is arranged so as to be adjacent to the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side, and this is extended to form a battery exterior. It is derived from the laminated film 29. On the other hand, the negative electrode current collector plate (negative electrode tab) 27 is arranged so as to be adjacent to the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side, and is similarly extended and led out from the laminate film 29.

なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10では、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10でも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 The number of times the cell cell layer 19 is laminated is adjusted according to a desired voltage. Further, in the bipolar type secondary battery 10, the number of times the single battery layer 19 is laminated may be reduced as long as a sufficient output can be secured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. Even in the bipolar type secondary battery 10, in order to prevent external impact and environmental deterioration during use, the power generation element 21 is vacuum-sealed in the laminated film 29 which is the battery exterior, and the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector are collected. It is preferable to have a structure in which the electric plate 27 is taken out from the laminated film 29.

以下、上述した双極型二次電池の主な構成要素について説明する。 Hereinafter, the main components of the above-mentioned bipolar secondary battery will be described.

[集電体]
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from one surface in contact with the positive electrode active material layer to the other surface in contact with the negative electrode active material layer. There are no particular restrictions on the materials that make up the current collector. As a constituent material of the current collector, for example, a metal or a resin having conductivity can be adopted.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, and the like may be used. Further, the foil may be a metal surface coated with aluminum. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electron conductivity, battery operating potential, adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector, and the like.

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Further, as the latter resin having conductivity, a resin in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material as needed can be mentioned.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of the non-conductive polymer material include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), and polyimide. (PI), Polyethyleneimide (PAI), Polyethylene (PA), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Styrene-butadiene rubber (SBR), Polyacrylonitrile (PAN), Polymethylacrylate (PMA), Polymethylmethacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), polystyrene (PS) and the like. Such non-conductive polymer materials can have excellent potential resistance or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the above-mentioned conductive polymer material or non-conductive polymer material, if necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is composed of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably indispensable in order to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a conductive substance. For example, materials having excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking property include metals and conductive carbon. The metal is not particularly limited, and includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or at least one of these metals. It preferably contains an alloy or metal oxide. Further, the conductive carbon is not particularly limited. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, vulcan (registered trademark), black pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. It contains at least one species.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5〜80質量%である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally 5 to 80% by mass with respect to 100% by mass of the total mass of the current collector. Is.

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include a conductive resin layer made of at least a conductive resin. Further, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided as a part of the current collector.

[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb、LiTi12、SiO等が挙げられる。さらに、金属活物質としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等の金属単体や、TiSi、LaNiSn等の合金が挙げられる。また、負極活物質として、Liを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、Liを含有する活物質であれば特に限定されず、Li金属のほか、Li含有合金が挙げられる。Li含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. The type of the negative electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include a carbon material, a metal oxide, and a metal active material. Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, soft carbon and the like. Examples of the metal oxide include Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , SiO and the like. Further, examples of the metal active material include simple metals such as In, Al, Si and Sn, and alloys such as TiSi, La 3 Ni 2 Sn 7 and the like. Further, as the negative electrode active material, a metal containing Li may be used. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a Li-containing active material, and examples thereof include Li metals and Li-containing alloys. Examples of the Li-containing alloy include alloys of Li and at least one of In, Al, Si and Sn.

場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more kinds of negative electrode active materials may be used in combination. Needless to say, a negative electrode active material other than the above may be used.

負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm〜100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm〜50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm〜20μmの範囲内であり、特に好ましくは1〜20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the negative electrode active material include particulate (spherical, fibrous) and thin film. When the negative electrode active material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is preferably in the range of, for example, 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and further preferably in the range of 100 nm. It is in the range of ~ 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In the present specification, the value of the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by the laser diffraction / scattering method.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40〜99質量%の範囲内であることが好ましく、50〜90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, preferably in the range of 50 to 90% by mass, for example. More preferred.

負極活物質層は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer preferably further contains a solid electrolyte. Since the negative electrode active material layer contains a solid electrolyte, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of the solid electrolyte include a sulfide solid electrolyte and an oxide solid electrolyte, and a sulfide solid electrolyte is preferable.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI−LiS−SiS、LiI−LiS−P、LiI−LiPO−P、LiS−P、LiI−LiPS、LiI−LiBr−LiPS4、LiPS4、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数であり、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は正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4- P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -Li I, Li 2 S-P 2 S 5- Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, 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 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5- Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Examples thereof include Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x and y are positive numbers, and M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga and In). .. The description of "Li 2 SP 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte made by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI−LiPS、LiI−LiBr−LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi−P−S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4−x)Ge(1−x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、LiS−Pを主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. .. Examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4 . Further, as the sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 7 skeleton, for example, a Li-PS-based solid electrolyte called LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ) can be mentioned. Further, as the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0 <x <1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing a P element, and the sulfide solid electrolyte is more preferably a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogens (F, Cl, Br, I).

また、硫化物固体電解質がLiS−P系である場合、LiSおよびPの割合は、モル比で、LiS:P=50:50〜100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLiS:P=70:30〜80:20であることが好ましい。 When the sulfide solid electrolyte is Li 2 SP 2 S 5 system, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50 to 100 in terms of molar ratio. It is preferably in the range of: 0, and in particular, Li 2 S: P 2 S 5 = 70:30 to 80:20.

また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10−5S/cm以上であることが好ましく、1×10−4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 Further, the sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by the solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill or the like) on the raw material composition. Further, the crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ionic conductivity (for example, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25 ° C.) is preferably 1 × 10 -5 S / cm or more, for example, 1 × 10 -4 S / cm. It is more preferably cm or more. The value of the ionic conductivity of the solid electrolyte can be measured by the AC impedance method.

酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlTi2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等が挙げられる。 Examples of the oxide solid electrolyte include compounds having a NASICON type structure and the like. As an example of a compound having a NASICON type structure, a compound (LAGP) represented by the general formula Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2), a general formula Li 1 + x Al x Ti 2 Examples thereof include a compound (LATP) represented by −x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2). Further, as another example of the oxide solid electrolyte, LiLaTIO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (for example, Li LaZrO). , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and the like.

固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the solid electrolyte include a particle shape such as a true spherical shape and an elliptical spherical shape, and a thin film shape. When the solid electrolyte has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and further preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle size (D 50 ) is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more.

負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、1〜60質量%の範囲内であることが好ましく、10〜50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 1 to 60% by mass, and more preferably in the range of 10 to 50% by mass.

負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive auxiliary agent and a binder in addition to the negative electrode active material and the solid electrolyte described above.

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of the conductive auxiliary agent include metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys or metal oxides containing these metals; carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers). (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, activated carbon fiber, etc.), carbon nanotube (CNT), carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen black (registered trademark)) , Furness black, channel black, thermal lamp black, etc.), but is not limited to these. Further, a particulate ceramic material or a resin material coated with the above metal material by plating or the like can also be used as a conductive auxiliary agent. Among these conductive auxiliaries, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to contain at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon, and aluminum, stainless steel. It is more preferable to contain at least one selected from the group consisting of silver, gold, and carbon, and it is further preferable to contain at least one carbon. Only one kind of these conductive auxiliaries may be used alone, or two or more kinds thereof may be used in combination.

導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The shape of the conductive auxiliary agent is preferably particulate or fibrous. When the conductive auxiliary agent is in the form of particles, the shape of the particles is not particularly limited, and may be any shape such as powder, sphere, rod, needle, plate, columnar, indefinite, flint, and spindle. It doesn't matter.

導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01〜10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle size (primary particle size) when the conductive auxiliary agent is in the form of particles is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery. In the present specification, the “particle size of the conductive auxiliary agent” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the conductive auxiliary agent. As the value of the "average particle size of the conductive auxiliary agent", the particle size of the particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of is adopted.

負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0〜10質量%であり、より好ましくは2〜8質量%であり、さらに好ましくは4〜7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive auxiliary agent, the content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10% by mass with respect to the total mass of the negative electrode active material layer. , More preferably 2 to 8% by mass, still more preferably 4 to 7% by mass. Within such a range, it is possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, and it is possible to effectively contribute to the improvement of battery characteristics.

一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, the binder is not particularly limited, and examples thereof include the following materials.

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogen additive , Fluoroplastic polymers such as styrene / isoprene / styrene block copolymers and their hydrogenated additives, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA) , Fluororesin such as ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylfluoride (PVF), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber) Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as VDF-PFMVE-TFE-based fluororubbers, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers), and epoxy resins. Of these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

負極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the target all-solid-state battery, but is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。本発明の一形態に係るリチウム二次電池の正極は、硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi〜LiSの各化合物のいずれか)を正極活物質として含有するものである。リチウム二次電池が充電状態で提供される場合には、正極活物質として硫黄単体(S)を含む。また、リチウム二次電池が放電状態で提供される場合には、正極活物質としてリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi〜LiSの各化合物のいずれか)を含有する。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The positive electrode of the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, elemental sulfur (S 8) or reduction products of sulfur containing lithium (either each compound of the above-mentioned Li 2 S 8 ~Li 2 S) It is contained as a positive electrode active material. When the lithium secondary battery is provided in a charged state, it contains elemental sulfur (S 8 ) as the positive electrode active material. Further, when the lithium secondary battery is provided in a discharged state, the content reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material (either each compound of the above-mentioned Li 2 S 8 ~Li 2 S) To do.

なお、正極活物質層は、上述した硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi〜LiSの各化合物のいずれか)以外の正極活物質を含んでもよい。ただし、正極活物質層に含まれる正極活物質に占める硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物の割合は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、いっそう好ましくは95〜100質量%であり、特に好ましくは98〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 Incidentally, the positive electrode active material layer, the positive electrode active material other than the (any of the compounds of Li 2 S 8 ~Li 2 S described above) above elemental sulfur (S 8) or reduction products of sulfur containing lithium It may be included. However, the ratio of sulfur alone or the reduction product of sulfur containing lithium to the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is preferably 50 to 100% by mass, and more preferably 80 to 100% by mass. , More preferably 90 to 100% by mass, even more preferably 95 to 100% by mass, particularly preferably 98 to 100% by mass, and most preferably 100% by mass.

硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物以外の正極活物質としては、例えば、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。また、S−カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、NiS、NiS、CuS、FeS、MoS、MoS等の無機硫黄化合物も用いられうる。さらに、硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni−Mn−Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Examples of the positive electrode active material other than elemental sulfur or the reduction product of sulfur containing lithium include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by the compounds described in WO 2010/0444437, and sulfur-modified polyisoprene. , Rubianic acid (dithiooxamide), polycarbon sulfide and the like. Inorganic sulfur compounds such as S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , MoS 2 , and MoS 3 can also be used. Further, examples of the sulfur-free positive electrode active material include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and Li (Ni-Mn-Co) O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi. Examples thereof include spinel-type active materials such as 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine-type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of the oxide active material other than the above include Li 4 Ti 5 O 12 . In some cases, two or more kinds of positive electrode active materials may be used in combination. Needless to say, a positive electrode active material other than the above may be used.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm〜100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm〜50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm〜20μmの範囲内であり、特に好ましくは1〜20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate (spherical, fibrous) and thin film. When the positive electrode active material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is preferably in the range of, for example, 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and further preferably in the range of 100 nm. It is in the range of ~ 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In the present specification, the value of the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by the laser diffraction / scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40〜99質量%の範囲内であることが好ましく、50〜90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, and preferably in the range of 50 to 90% by mass. More preferred.

[固体電解質層]
本形態に係る双極型二次電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer of the bipolar secondary battery according to the present embodiment contains a solid electrolyte as a main component and is a layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer described above. Since the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, detailed description thereof will be omitted here.

固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10〜100質量%の範囲内であることが好ましく、50〜100質量%の範囲内であることがより好ましく、90〜100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100% by mass, more preferably in the range of 50 to 100% by mass, and in the range of 90 to 100% by mass. Is more preferable.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. Since the specific form of the binder that can be contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, detailed description thereof will be omitted here.

固体電解質層の厚さは、目的とする双極型二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1〜1000μmの範囲内であることが好ましく、0.1〜300μmの範囲内であることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the target bipolar secondary battery, but is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, preferably in the range of 0.1 to 300 μm. Is more preferable.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a secondary battery can be used. As the constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. The same material may be used or different materials may be used for the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive lead and negative electrode lead]
Further, although not shown, the current collector 11 and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As the constituent materials of the positive electrode and the negative electrode leads, materials used in known lithium secondary batteries can be similarly adopted. The part taken out from the exterior is heat-shrinkable with heat insulation so that it does not come into contact with peripheral devices or wiring and cause electric leakage and affect the product (for example, automobile parts, especially electronic devices). It is preferable to cover with a tube or the like.

[電池外装体]
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図6に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior]
As the battery exterior, a known metal can case can be used, or a bag-shaped case using a laminated film 29 containing aluminum that can cover the power generation element as shown in FIG. 6 can be used. As the laminate film, for example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used, but the laminate film is not limited thereto. A laminated film is desirable from the viewpoint of high output and excellent cooling performance, and can be suitably used for batteries for large devices for EVs and HEVs. Further, the exterior body is more preferably a laminated film containing aluminum because the group pressure applied to the power generation element from the outside can be easily adjusted.

本形態の双極型二次電池は、複数の単電池層が直列に接続された構成を有することにより、高レートでの出力特性に優れるものである。したがって、本形態の双極型二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The bipolar secondary battery of this embodiment has a configuration in which a plurality of single battery layers are connected in series, so that it is excellent in output characteristics at a high rate. Therefore, the bipolar secondary battery of this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.

図5は、双極型二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウム二次電池の外観を表した斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of a flat lithium secondary battery, which is a typical embodiment of a bipolar secondary battery.

図5に示すように、扁平な双極型二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、双極型二次電池50の電池外装体(ラミネートフィルム52)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図4に示す双極型二次電池10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、双極型電極23が、固体電解質層17を介して複数積層されたものである。 As shown in FIG. 5, the flat bipolar secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and positive electrode tabs 58 and negative electrode tabs 59 for extracting electric power are pulled out from both side portions thereof. There is. The power generation element 57 is wrapped by a battery exterior (laminate film 52) of the bipolar secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 pulls out the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 to the outside. It is sealed in a closed state. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 4 described above. The power generation element 57 is formed by stacking a plurality of bipolar electrodes 23 via a solid electrolyte layer 17.

なお、上記リチウム二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウム二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装体に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium secondary battery is not limited to a laminated flat battery. The wound lithium secondary battery may have a cylindrical shape, or may be deformed into a rectangular flat shape. , There are no particular restrictions. The cylindrical shape is not particularly limited, for example, a laminated film may be used for the exterior body, or a conventional cylindrical can (metal can) may be used. Preferably, the power generation element is exteriorized with an aluminum laminate film. By this form, weight reduction can be achieved.

また、図5に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図5に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the extraction of the tabs 58 and 59 shown in FIG. 5 is not particularly limited. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of each and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in the winding type lithium ion battery, the terminal may be formed by using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the tab.

[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery set]
An assembled battery is formed by connecting a plurality of batteries. More specifically, it is composed of serialization, parallelization, or both by using at least two or more. By serializing and parallelizing, the capacitance and voltage can be adjusted freely.

電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 It is also possible to connect a plurality of batteries in series or in parallel to form a small assembled battery that can be attached / detached. Then, by connecting a plurality of these detachable small assembled batteries in series or in parallel, a large capacity and a large capacity suitable for a vehicle driving power source or an auxiliary power source that require a high volume energy density and a high volume output density. It is also possible to form an assembled battery having an output. How many batteries are connected to make an assembled battery, and how many stages of small assembled batteries are stacked to make a large-capacity assembled battery depends on the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) to be installed. It may be decided according to the output.

[車両]
本形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment maintains the discharge capacity even after long-term use and has good cycle characteristics. In addition, the volumetric energy density is high. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger size are required and longer life is required compared to electric and portable electronic device applications. .. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a power source for a vehicle, for example, a vehicle drive power source or an auxiliary power source.

具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or an assembled battery formed by combining a plurality of batteries can be mounted on the vehicle. In the present invention, a long-life battery having excellent long-term reliability and output characteristics can be configured. Therefore, when such a battery is installed, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV mileage or an electric vehicle having a long one-charge mileage can be configured. .. For example, in the case of automobiles, hybrid cars, fuel cell cars, electric cars (all four-wheeled cars (passenger cars, trucks, commercial cars such as buses, light cars, etc.)), as well as batteries or assembled batteries made by combining multiple of these. This is because it becomes a highly reliable automobile with a long life by using it for two-wheeled vehicles (including motorcycles) and three-wheeled vehicles. However, the application is not limited to automobiles, and can be applied to various power sources of other vehicles, for example, moving objects such as trains, and power supplies for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use it as.

なお、上記の説明では、双極型二次電池を例に挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明が適用可能な二次電池の種類は特に制限されず、発電要素において単電池層が並列接続されてなる形式のいわゆる並列積層型の全固体電池や、従来公知の任意の双極型または非双極型(並列積層型)の非水電解質二次電池(電解液を用いる電池)にも適用可能である。 In the above description, the embodiment of the present invention has been described by taking a bipolar secondary battery as an example, but the type of the secondary battery to which the present invention can be applied is not particularly limited, and the single battery layer in the power generation element. For so-called parallel-stacked all-solid-state batteries in which the batteries are connected in parallel, and any conventionally known bipolar or non-bipolar (parallel-stacked) non-aqueous electrolyte secondary batteries (batteries that use an electrolyte). Applicable.

1 全固体リチウム二次電池システム、
2 全固体リチウム二次電池、
3 電圧センサー、
4 電圧電流調整部、
5 電流センサー、
6 制御部、
7 外部電源、
10、50 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
61 CPU、
62 記憶部。
1 All-solid-state lithium secondary battery system,
2 All-solid-state lithium secondary battery,
3 Voltage sensor,
4 Voltage / current adjuster,
5 current sensor,
6 Control unit,
7 External power supply,
10,50 bipolar secondary battery,
11 Current collector,
11a Outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b Outermost layer current collector on the negative electrode side,
13 Positive electrode active material layer,
15 Negative electrode active material layer,
17 Electrolyte layer,
19 Single battery layer,
21,57 Power generation elements,
23 Bipolar electrode,
25 Positive electrode current collector plate (positive electrode tab),
27 Negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
29, 52 Laminated film,
58 Positive tab,
59 Negative tab,
61 CPU,
62 Memory.

Claims (6)

硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極と、
負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する電解質層と、
を有する発電要素を備えたリチウム二次電池の制御方法であって、
前記リチウム二次電池の充電処理および/または放電処理を行う際に、
前記正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出することと、
検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定することと、
前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止することと、
を含む、リチウム二次電池の制御方法。
A positive electrode containing a positive electrode active material layer containing elemental sulfur or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material,
A negative electrode containing a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a negative electrode
An electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
It is a control method of a lithium secondary battery equipped with a power generation element having
When performing the charging process and / or the discharging process of the lithium secondary battery
Detecting the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode and
Determining whether or not the detected equilibrium potential value is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V], and
When it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range, the charging process and / or the discharging process is stopped.
Methods of controlling lithium secondary batteries, including.
前記リチウム二次電池の充電状態(SOC)の値に基づいて前記判定を行うことを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池の制御方法。 The method for controlling a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the determination is performed based on the value of the state of charge (SOC) of the lithium secondary battery. 前記正極と前記負極との電位差として定義される電池電圧の値に基づいて前記判定を行うことを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池の制御方法。 The method for controlling a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the determination is made based on a value of a battery voltage defined as a potential difference between the positive electrode and the negative electrode. 前記リチウム二次電池が全固体リチウム二次電池である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池の制御方法。 The method for controlling a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the lithium secondary battery is an all-solid-state lithium secondary battery. 硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極と、
負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する電解質層と、
を有する発電要素を備えたリチウム二次電池を制御するリチウム二次電池の制御装置であって、
前記正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出する正極平衡電位検出部と、
前記リチウム二次電池の充電処理および/または放電処理を行う際に、前記正極平衡電位検出部によって検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定し、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止する制御を行う制御部と、
を含む、リチウム二次電池の制御装置。
A positive electrode containing a positive electrode active material layer containing elemental sulfur or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material,
A negative electrode containing a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a negative electrode
An electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
It is a control device of a lithium secondary battery that controls a lithium secondary battery having a power generation element having a power generation element.
A positive electrode equilibrium potential detection unit that detects the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode,
When the lithium secondary battery is charged and / or discharged, the value of the equilibrium potential detected by the positive electrode equilibrium potential detection unit is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V]. A control unit that controls to stop the charging process and / or the discharging process when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range.
Lithium secondary battery control device, including.
硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を正極活物質として含有する正極活物質層を含む正極と、
負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する電解質層と、
を有する発電要素を備えたリチウム二次電池と、
前記正極の平衡電位(vs.Li+/Li)を検出する正極平衡電位検出部と、
前記リチウム二次電池の充電処理および/または放電処理を行う際に、前記正極平衡電位検出部によって検出された前記平衡電位の値が0.7〜1.9[V]の電位範囲内の値であるか否かを判定し、前記平衡電位が前記電位範囲内の値ではないと判定されたときに、前記充電処理および/または放電処理を停止する制御を行う制御部と、
を含む、リチウム二次電池システム。
A positive electrode containing a positive electrode active material layer containing elemental sulfur or a reduction product of sulfur containing lithium as a positive electrode active material,
A negative electrode containing a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a negative electrode
An electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
Lithium secondary battery with power generation element,
A positive electrode equilibrium potential detection unit that detects the equilibrium potential (vs. Li + / Li) of the positive electrode,
The value of the equilibrium potential detected by the positive electrode equilibrium potential detection unit during the charging and / or discharging processing of the lithium secondary battery is within the potential range of 0.7 to 1.9 [V]. A control unit that controls to stop the charging process and / or the discharging process when it is determined that the equilibrium potential is not within the potential range.
Including lithium secondary battery system.
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