JP2021026836A - Positive electrode mixture material - Google Patents

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Abstract

To provide a positive electrode mixture material capable of improving the discharge capacity of a battery.SOLUTION: A positive electrode mixture material for an all-solid-state battery includes: a positive active material having S element; a sulfur-containing compound having a P element and an S element; a lithium halide represented by LiX (X is at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl and Br); and a conductive aid, in which the molar ratio of the lithium halide to the sulfur-containing compound is 0.21 to 0.44.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、正極合材に関する。 The present disclosure relates to a positive electrode mixture.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。
硫黄を正極活物質として用いたリチウム硫黄電池の開発が進められている。硫黄は、理論容量が1675mAh/gと非常に高いといった特徴を有する。また、リチウム硫黄電池の分野では硫黄の利用率を向上させ、リチウム硫黄電池の充放電容量を増加させる試みがなされてきた。
With the rapid spread of information-related devices such as personal computers, video cameras and mobile phones, and communication devices in recent years, the development of batteries used as their power sources has been emphasized. In addition, the automobile industry and the like are also developing high-output and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles.
Development of a lithium-sulfur battery using sulfur as a positive electrode active material is underway. Sulfur has a characteristic that the theoretical capacity is as high as 1675 mAh / g. Further, in the field of lithium-sulfur batteries, attempts have been made to improve the utilization rate of sulfur and increase the charge / discharge capacity of lithium-sulfur batteries.

特許文献1には、硫黄の利用率を向上させ、硫黄電池の充放電容量を大きくすることが可能な正極合材が開示されている。 Patent Document 1 discloses a positive electrode mixture capable of improving the utilization rate of sulfur and increasing the charge / discharge capacity of a sulfur battery.

特許文献2には、硫黄の持つ優れた物性を最大限に活かし、優れた正極合材当たりの充放電容量を有する全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層に好適に用いることができる正極合材が開示されている。 Patent Document 2 describes a positive electrode combination that can be suitably used for the positive electrode mixture layer of an all-solid-state lithium-sulfur battery that maximizes the excellent physical properties of sulfur and has an excellent charge / discharge capacity per positive electrode mixture. The material is disclosed.

特開2019−033067号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-033067 特開2015−176849号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-176849

電池の高容量化が求められている。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、
電池の放電容量を向上させることができる正極合材を提供することを主目的とする。
Higher capacity batteries are required. This disclosure has been made in view of the above circumstances.
The main purpose is to provide a positive electrode mixture capable of improving the discharge capacity of a battery.

本開示においては、S元素を有する正極活物質と、P元素およびS元素を有する含硫化合物と、LiX(XはF、Cl及びBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン元素)で表されるハロゲン化リチウムと、導電助剤とを含有し、
前記含硫化合物に対する前記ハロゲン化リチウムのモル比が0.21〜0.44であることを特徴とする、全固体電池用の正極合材を提供する。
In the present disclosure, it is represented by a positive electrode active material having an S element, a sulfur-containing compound having a P element and an S element, and LiX (X is at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl and Br). Contains lithium halide and a conductive additive,
Provided is a positive electrode mixture for an all-solid-state battery, characterized in that the molar ratio of the lithium halide to the sulfur-containing compound is 0.21 to 0.44.

本開示は、電池の放電容量を向上させることができる正極合材を提供することができる。 The present disclosure can provide a positive electrode mixture capable of improving the discharge capacity of a battery.

本開示において用いられる全固体電池の一例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows an example of the all-solid-state battery used in this disclosure. LiXの含硫化物に対するmol比と1Cレートでの全固体電池の放電容量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mol ratio of LiX to the sulfide-containing substance and the discharge capacity of the all-solid-state battery at 1C rate.

本開示においては、S元素を有する正極活物質と、P元素およびS元素を有する含硫化合物と、LiX(XはF、Cl及びBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン元素)で表されるハロゲン化リチウムと、導電助剤とを含有し、
前記含硫化合物に対する前記ハロゲン化リチウムのモル比が0.21〜0.44であることを特徴とする、全固体電池用の正極合材を提供する。
In the present disclosure, it is represented by a positive electrode active material having an S element, a sulfur-containing compound having a P element and an S element, and LiX (X is at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl and Br). Contains lithium halide and a conductive additive,
Provided is a positive electrode mixture for an all-solid-state battery, characterized in that the molar ratio of the lithium halide to the sulfur-containing compound is 0.21 to 0.44.

全固体電池用の正極合材として、高価な硫化リチウム(LiS)の代替としてのS元素を有する正極活物質と、P元素およびS元素を有する含硫化合物と、導電助剤とを含有する合材は、Liを挿入するとLiを挿入した状態での当該合材のイオン伝導度が低いため、電池の初期充電後の高電流での放電が困難であるという問題がある。本研究者らは、当該合材に特定のハロゲン化リチウムを添加することで当該合材のイオン伝導度を向上させ、電池の放電容量(特に1Cレートでの放電容量)を向上させることができることを見出した。 As positive electrode material for all-solid-state battery, comprising a cathode active material having a S element as a substitute for expensive lithium sulfide (Li 2 S), a sulfur-containing compound having a P element and S elements, and a conductive additive When Li is inserted into the mixed material, the ionic conductivity of the mixed material in the state where Li is inserted is low, so that there is a problem that it is difficult to discharge at a high current after the initial charge of the battery. By adding a specific lithium halide to the mixture, the researchers can improve the ionic conductivity of the mixture and improve the discharge capacity of the battery (particularly the discharge capacity at 1 C rate). I found.

1.正極活物質
正極活物質は、S元素を有する。S元素を有する正極活物質としては種々の材料が採用できる。例えば、正極活物質は、単体硫黄であってもよい。単体硫黄としては、例えばS硫黄が挙げられる。S硫黄は、α硫黄(斜方硫黄)、β硫黄(単斜硫黄)、γ硫黄(単斜硫黄)という3つの結晶形を有し得るが、いずれの結晶形であってもよい。
1. 1. Positive electrode active material The positive electrode active material has an S element. Various materials can be adopted as the positive electrode active material having the S element. For example, the positive electrode active material may be elemental sulfur. The elemental sulfur include, for example, S 8 sulfur. S 8 sulfur, alpha sulfur (rhombic sulfur), beta sulfur (monoclinic sulfur), gamma sulfur may have three crystalline form of (monoclinic sulfur), but may be any crystalline form.

正極合材に含有される正極活物質の量は特に限定されるものではなく、目的とする電池性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、正極合材は、正極活物質を10質量%以上80質量%以下含有していてもよい。下限は15質量%以上であってもよく、20質量%以上であってもよく、25質量%以上であってもよい。上限は70質量%以下であってもよく、60質量%以下であってもよい。正極活物質の含有量が多すぎると、電池の正極層におけるイオン伝導性および電子伝導性が不足する場合がある。 The amount of the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the target battery performance. For example, the positive electrode mixture may contain 10% by mass or more and 80% by mass or less of the positive electrode active material. The lower limit may be 15% by mass or more, 20% by mass or more, or 25% by mass or more. The upper limit may be 70% by mass or less, or 60% by mass or less. If the content of the positive electrode active material is too large, the ionic conductivity and the electron conductivity in the positive electrode layer of the battery may be insufficient.

正極活物質の一部または全部は、後述する含硫化合物に固溶していてもよい。言い換えると、正極合材は、正極活物質と含硫化合物との固溶体を含有していてもよい。また、正極活物質におけるS元素と、含硫化合物におけるS元素とは化学結合(S−S結合)を有していてもよい。 A part or all of the positive electrode active material may be dissolved in a sulfur-containing compound described later. In other words, the positive electrode mixture may contain a solid solution of the positive electrode active material and the sulfur-containing compound. Further, the S element in the positive electrode active material and the S element in the sulfur-containing compound may have a chemical bond (SS bond).

2.含硫化合物
本開示における正極合材は、含硫化合物として、P元素およびS元素を有する含硫化合物を少なくとも含有する。正極合材は、P元素およびS元素を有する含硫化合物のみを含有していてもよく、他の元素(例えば、Ge、Sn、Si、BまたはAl)およびS元素を有する含硫化合物をさらに含有していてもよい。後者の場合、正極合材は、P元素およびS元素を有する含硫化合物を、含硫化合物の主体として含有するものであってもよい。具体的には、正極合材に含まれる含硫化合物の全体を100質量%として、P元素およびS元素を有する含硫化合物を50質量%以上100質量%以下含有していてもよい。
2. 2. Sulfur-containing compound The positive electrode mixture in the present disclosure contains at least a sulfur-containing compound having a P element and an S element as a sulfur-containing compound. The positive electrode mixture may contain only a sulfur-containing compound having a P element and an S element, and further contains a sulfur-containing compound having another element (for example, Ge, Sn, Si, B or Al) and an S element. It may be contained. In the latter case, the positive electrode mixture may contain a sulfur-containing compound having a P element and an S element as the main component of the sulfur-containing compound. Specifically, the total amount of the sulfur-containing compound contained in the positive electrode mixture may be 100% by mass, and the sulfur-containing compound having P element and S element may be contained in an amount of 50% by mass or more and 100% by mass or less.

電池の放電時に、Liイオンは負極層から固体電解質層を介して正極層に伝導するが、正極層に到達したLiイオンは、正極活物質と反応し、イオン伝導性の低い放電生成物(例えば、LiS)を生じ得る。そのため、正極層に含硫化合物が存在しない場合、放電生成物のイオン伝導性が低いため、正極層内のイオン伝導パスが不足し、放電反応が進行し難くなる場合がある。これに対して、正極層に含硫化合物が存在する場合、放電生成物のイオン伝導性が低くても、含硫化合物により正極層内のイオン伝導パスが確保されるため、放電反応が進行しやすい。 When the battery is discharged, Li ions are conducted from the negative electrode layer to the positive electrode layer via the solid electrolyte layer, but the Li ions that reach the positive electrode layer react with the positive electrode active material and discharge products with low ionic conductivity (for example,). , it may result in Li 2 S). Therefore, when the sulfur-containing compound is not present in the positive electrode layer, the ionic conductivity of the discharge product is low, so that the ionic conduction path in the positive electrode layer is insufficient, and the discharge reaction may be difficult to proceed. On the other hand, when the sulfur-containing compound is present in the positive electrode layer, the discharge reaction proceeds because the sulfur-containing compound secures an ion conduction path in the positive electrode layer even if the ionic conductivity of the discharge product is low. Cheap.

正極合材において含硫化合物は種々の形態を採り得る。例えば、正極合材はオルト組成の構造を有する含硫化合物を含有していてもよい。すなわち、含硫化合物は、P元素のオルト構造を備えていてもよい。P元素のオルト構造は、具体的には、PS構造である。
また、含硫化合物は、M元素(Mは、例えば、Ge、Sn、Si、BまたはAlである)のオルト構造を備えていてもよい。M元素のオルト構造としては、例えば、GeS構造、SnS構造、SiS構造、BS構造、AlS構造が挙げられる。
一方、含硫化合物は、P元素の硫化物(例えばP)を含有していてもよい。
また、含硫化合物は、M元素の硫化物(M)を有していてもよい。ここで、xおよびyは、Mの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数である。硫化物(M)としては、例えば、GeS、SnS、SiS、B、Alが挙げられる。また、これらの硫化物は、例えば、出発原料の残留物であってもよい。
The sulfur-containing compound can take various forms in the positive electrode mixture. For example, the positive electrode mixture may contain a sulfur-containing compound having a structure having an ortho composition. That is, the sulfur-containing compound may have an ortho structure of P element. Specifically, the ortho structure of the P element is a PS 4 structure.
Further, the sulfur-containing compound may have an ortho structure of an M element (M is, for example, Ge, Sn, Si, B or Al). Examples of the ortho structure of the M element include a GeS 4 structure, a SnS 4 structure, a SiS 4 structure, a BS 3 structure, and an AlS 3 structure.
On the other hand, sulfur-containing compounds, it may contain sulfide P element (e.g. P 2 S 5).
Further, the sulfur-containing compound may have a sulfide of M element (M x S y ). Here, x and y are integers that give electrical neutrality to S depending on the type of M. Examples of the sulfide (M x S y ) include GeS 2 , SnS 2 , SiS 2 , B 2 S 3 , and Al 2 S 3 . Further, these sulfides may be, for example, residues of starting materials.

また、上述したように、含硫化合物におけるS元素と、正極活物質におけるS元素とは化学結合(S−S結合)を有していてもよい。特に、オルト構造体におけるS元素と、正極活物質におけるS元素とが化学結合(S−S結合)を有していることが好ましい。
正極合材に含有される含硫化合物の量は特に限定されるものではなく、目的とする電池性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、正極合材は、含硫化合物を10質量%以上80質量%以下含有していてもよい。下限は15質量%以上であってもよく、20質量%以上であってもよく、25質量%以上であってもよい。上限は70質量%以下であってもよく、60質量%以下であってもよい。含硫化物の含有量が多すぎると、相対的に正極活物質の含有量が少なくなり、十分な容量を有する正極合材が得られない場合がある。
Further, as described above, the S element in the sulfur-containing compound and the S element in the positive electrode active material may have a chemical bond (SS bond). In particular, it is preferable that the S element in the ortho structure and the S element in the positive electrode active material have a chemical bond (SS bond).
The amount of the sulfur-containing compound contained in the positive electrode mixture is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the target battery performance. For example, the positive electrode mixture may contain a sulfur-containing compound in an amount of 10% by mass or more and 80% by mass or less. The lower limit may be 15% by mass or more, 20% by mass or more, or 25% by mass or more. The upper limit may be 70% by mass or less, or 60% by mass or less. If the content of the sulfide-containing substance is too large, the content of the positive electrode active material is relatively small, and a positive electrode mixture having a sufficient capacity may not be obtained.

3.導電助剤
導電助剤は、正極合材の電子伝導性を向上させる機能を有する。また、導電助剤は、例えば原料混合物にメカニカルミリングを行う際に、単体硫黄(正極活物質)を還元する還元剤として機能すると推測される。導電助剤は、正極合材において分散して存在していてもよい。
3. 3. Conductive Auxiliary Agent The conductive auxiliary agent has a function of improving the electronic conductivity of the positive electrode mixture. Further, it is presumed that the conductive auxiliary agent functions as a reducing agent that reduces elemental sulfur (positive electrode active material), for example, when mechanical milling is performed on a raw material mixture. The conductive auxiliary agent may be dispersed in the positive electrode mixture.

導電助剤としては、例えば炭素材料、金属材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、気相成長カーボンファイバ(VGCF)、アセチレンブラック、活性炭、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、及びグラフェン等が挙げられる。正極合材においては2種以上の導電助剤を混合して用いてもよい。
正極合材に含有される導電助剤の量は特に限定されるものではなく、目的とする電池性能に応じて適宜決定すればよい。例えば、正極合材は、導電助剤を5質量%以上50質量%以下含有していてもよい。下限は10質量%以上であってもよい。上限は40質量%以下であってもよい。導電助剤の含有量が多すぎると、相対的に正極活物質の含有量が少なくなり、十分な容量を有する正極合材が得られない場合がある。
Examples of the conductive auxiliary agent include carbon materials and metal materials. Examples of the carbon material include vapor-grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, activated carbon, furnace black, carbon nanotubes, ketjen black, graphene and the like. In the positive electrode mixture, two or more kinds of conductive auxiliaries may be mixed and used.
The amount of the conductive auxiliary agent contained in the positive electrode mixture is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the target battery performance. For example, the positive electrode mixture may contain 5% by mass or more and 50% by mass or less of the conductive auxiliary agent. The lower limit may be 10% by mass or more. The upper limit may be 40% by mass or less. If the content of the conductive auxiliary agent is too large, the content of the positive electrode active material is relatively small, and a positive electrode mixture having a sufficient capacity may not be obtained.

4.ハロゲン化リチウム
ハロゲン化リチウムは、LiF、LiCl及びLiBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン化リチウムであればよく、中でもLiCl及びLiBrの少なくともいずれか一方であってもよい。
正極合材において、正極合材中の含硫化合物に対するハロゲン化リチウムのモル比は0.21〜0.44である。正極合材中に上記の範囲内のハロゲン化リチウムが含まれることにより、正極合材のイオン伝導性を向上させ、電池の放電容量を向上させることができる。
4. Lithium Halogenate Lithium halide may be at least one lithium halide selected from the group consisting of LiF, LiCl and LiBr, and may be at least one of LiCl and LiBr.
In the positive electrode mixture, the molar ratio of lithium halide to the sulfur-containing compound in the positive electrode mixture is 0.21 to 0.44. By containing lithium halide within the above range in the positive electrode mixture, the ionic conductivity of the positive electrode mixture can be improved and the discharge capacity of the battery can be improved.

5.正極合材
本開示における正極合材は、正極活物質、含硫化合物、ハロゲン化リチウムおよび導電助剤のみを含有していてもよく、さらにバインダー等の他の材料を含有していてもよい。
バインダーとしては、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)、ブタジエンゴム(BR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等を例示することができる。正極合材におけるバインダーの含有量は特に限定されるものではない。
正極合材の形状は、粉体状であってもよいし、複数の粒子が凝集・結合してなる塊状であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。目的とする電池の形態等に応じて、種々の形状を採り得る。
5. Positive Electrode Mixture The positive electrode mixture in the present disclosure may contain only a positive electrode active material, a sulfur-containing compound, lithium halide and a conductive auxiliary agent, and may further contain other materials such as a binder.
Examples of the binder include acrylonitrile-butadiene rubber (ABR), butadiene rubber (BR), polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like. The content of the binder in the positive electrode mixture is not particularly limited.
The shape of the positive electrode mixture may be powdery, agglomerates formed by aggregating and bonding a plurality of particles, or other shapes. Various shapes can be adopted depending on the form of the target battery and the like.

6.正極合材の製造方法
本開示における正極合材の製造方法は、少なくとも(1)S元素を有する正極活物質、P元素およびS元素を有する含硫化合物、LiX(XはF、Cl及びBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン元素)で表されるハロゲン化リチウムおよび導電助剤を含有する原料を準備する準備工程、及び、(2)前記原料を混合して正極合材を得る混合工程を有する。
6. Method for Producing Positive Electrode Mixture The method for producing a positive electrode mixture in the present disclosure is at least (1) from a positive electrode active material having an S element, a sulfur-containing compound having a P element and an S element, and LiX (X is F, Cl and Br). A preparatory step for preparing a raw material containing lithium halide and a conductive auxiliary agent represented by (at least one halogen element selected from the above group), and (2) a mixing step for mixing the raw materials to obtain a positive electrode mixture. Has.

(1)準備工程
準備工程は、S元素を有する正極活物質と、P元素およびS元素を有する含硫化物と、LiX(XはF、Cl及びBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン元素)で表されるハロゲン化リチウムと、導電助剤とを含有する原料を準備する工程である。原料は、自ら作製してもよく、他者から購入してもよい。
(1) Preparation step In the preparation step, a positive electrode active material having an S element, a sulfide containing a P element and an S element, and LiX (X is at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl and Br). This is a step of preparing a raw material containing lithium halide represented by) and a conductive auxiliary agent. The raw material may be produced by oneself or purchased from another person.

原料は、正極活物質、含硫化物、ハロゲン化リチウムおよび導電助剤のみを含有していてもよく、さらに他の材料を含有していてもよい。 The raw material may contain only the positive electrode active material, the sulfide-containing substance, lithium halide and the conductive auxiliary agent, and may further contain other materials.

正極活物質は、上述の通り、単体硫黄であってもよい。単体硫黄は、純度が高いことが好ましい。
含硫化物としては、例えば、Pが挙げられる。原料は、含硫化物として、P元素の含硫化物のみを含有していてもよく、他の元素の含硫化物をさらに含有していてもよい。他の元素の含硫化物としては、例えば、GeS、SnS、SiS、B、Alが挙げられる。原料は、他の元素の含硫化物を1種のみ含有していてもよく、2種以上含有していてもよい。
ハロゲン化リチウムおよび導電助剤については、上述の通りであり、ここでは説明を省略する。
As described above, the positive electrode active material may be elemental sulfur. Elemental sulfur preferably has high purity.
The sulfur-containing compound, for example, P 2 S 5. The raw material may contain only the sulfide-containing substance of the P element as the sulfide-containing substance, or may further contain the sulfide-containing substance of another element. Examples of sulfide-containing substances of other elements include GeS 2 , SnS 2 , SiS 2 , B 2 S 3 , and Al 2 S 3 . The raw material may contain only one type of sulfide containing other elements, or may contain two or more types.
The lithium halide and the conductive auxiliary agent are as described above, and the description thereof will be omitted here.

原料における正極活物質、含硫化物、ハロゲン化リチウムおよび導電助剤の含有量は、上述した正極合材における正極活物質、含硫化物、ハロゲン化リチウムおよび導電助剤の含有量と同様の含有量とすることができる。 The contents of the positive electrode active material, the sulfide-containing substance, the lithium halide and the conductive auxiliary agent in the raw material are the same as the contents of the positive electrode active material, the sulfide-containing substance, the lithium halide and the conductive auxiliary agent in the above-mentioned positive electrode mixture. Can be a quantity.

(2)混合工程
混合工程は、前記原料を混合して正極合材を得る工程である。原料を混合する手段は特に限定されるものではない。例えば、メカニカルミリングによって原料を混合してもよい。メカニカルミリングにより、原料をより容易に非晶質化することができる。
(2) Mixing Step The mixing step is a step of mixing the raw materials to obtain a positive electrode mixture. The means for mixing the raw materials is not particularly limited. For example, the raw materials may be mixed by mechanical milling. Mechanical milling makes it easier to amorphize the raw material.

メカニカルミリングは、正極合材を、機械的エネルギーを付与しながら混合する方法であれば特に限定されるものではないが、例えばボールミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミルが挙げられる。原料の非晶質化を一層容易とする観点から、遊星型ボールミルを採用してもよい。 The mechanical milling is not particularly limited as long as it is a method of mixing the positive electrode mixture while applying mechanical energy, and examples thereof include a ball mill, a vibration mill, a turbo mill, a mechanofusion, and a disc mill. From the viewpoint of facilitating the amorphization of the raw material, a planetary ball mill may be adopted.

メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであってもよく、湿式メカニカルミリングであってもよい。湿式メカニカルミリングに用いられる液体としては、例えば、硫化水素が発生しない程度の非プロトン性を有するものが挙げられる。具体的には、極性の非プロトン性液体、無極性の非プロトン性液体等の非プロトン性液体が挙げられる。 The mechanical milling may be a dry mechanical milling or a wet mechanical milling. Examples of the liquid used for wet mechanical milling include those having an aprotic property such that hydrogen sulfide is not generated. Specific examples thereof include aprotic liquids such as polar aprotic liquids and non-polar aprotic liquids.

メカニカルミリングの条件は、所望の正極合材が得られるように適宜設定される。例えば、遊星型ボールミルを用いる場合、容器に原料混合物および粉砕用ボールを加え、所定の台盤回転数および時間で処理を行う。台盤回転数は、例えば200rpm以上であり、300rpm以上であってもよく、500rpm以上であってもよい。一方、台盤回転数は、例えば800rpm以下であり、600rpm以下であってもよい。また、遊星型ボールミルの処理時間は、例えば30分間以上であり、5時間以上であってもよい。一方、遊星型ボールミルの処理時間は、例えば100時間以下であり、60時間以下であってもよい。遊星型ボールミルに用いられる容器および粉砕用ボールの材料としては、例えばZrO、Alが挙げられる。粉砕用ボールの径は、例えば、1mm以上、20mm以下である。メカニカルミリングは、不活性ガス雰囲気(例えばArガス雰囲気)で行なうことが好ましい。 The conditions for mechanical milling are appropriately set so as to obtain a desired positive electrode mixture. For example, when a planetary ball mill is used, the raw material mixture and the crushing balls are added to the container, and the treatment is performed at a predetermined base rotation speed and time. The base rotation speed may be, for example, 200 rpm or more, 300 rpm or more, or 500 rpm or more. On the other hand, the rotation speed of the base plate is, for example, 800 rpm or less, and may be 600 rpm or less. The processing time of the planetary ball mill is, for example, 30 minutes or more, and may be 5 hours or more. On the other hand, the processing time of the planetary ball mill is, for example, 100 hours or less, and may be 60 hours or less. Examples of the material of the container and the crushing ball used in the planetary ball mill include ZrO 2 and Al 2 O 3 . The diameter of the crushing ball is, for example, 1 mm or more and 20 mm or less. Mechanical milling is preferably performed in an inert gas atmosphere (for example, Ar gas atmosphere).

7.全固体電池
図1は、本開示において用いられる全固体電池の一例を示す断面模式図である。
図1に示すように、全固体電池100は、正極層12及び正極集電体14を含む正極16と、負極層13及び負極集電体15を含む負極17と、正極層12と負極層13の間に配置される固体電解質層11とを備える。
7. All-solid-state battery FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an all-solid-state battery used in the present disclosure.
As shown in FIG. 1, the all-solid-state battery 100 includes a positive electrode 16 including a positive electrode layer 12 and a positive electrode current collector 14, a negative electrode 17 including a negative electrode layer 13 and a negative electrode current collector 15, and a positive electrode layer 12 and a negative electrode layer 13. A solid electrolyte layer 11 is provided between the two.

正極層は上述した正極合材からなる。
正極層の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であってもよい。
また、正極層の目付量は、特に限定されるものではないが、例えば、3mg/cm以上であってもよいし、4mg/cm以上であってもよいし、5mg/cm以上であってもよい。
正極層は、例えば、上記の正極合材をプレスすることにより、容易に形成することができる。
The positive electrode layer is made of the above-mentioned positive electrode mixture.
The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
The basis weight of the positive electrode layer is not particularly limited , but may be, for example, 3 mg / cm 2 or more, 4 mg / cm 2 or more, or 5 mg / cm 2 or more. There may be.
The positive electrode layer can be easily formed by, for example, pressing the above-mentioned positive electrode mixture.

負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。
負極活物質は、Li元素を有していてもよい。このような負極活物質としては、リチウム単体又はリチウム合金が挙げられる。リチウム合金としては、例えば、Li−In合金が挙げられる。
負極層は、必要に応じて、固体電解質、導電助剤及びバインダーのうちの少なくとも一つを含有していてもよい。固体電解質については、後述する固体電解質層に含まれ得る固体電解質から適宜選択すればよい。導電助剤及びバインダーについては、上述した正極合材に含まれ得る導電助剤及びバインダーから適宜選択すればよい。
負極層の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であってもよい。
負極層は、例えば、上述の負極活物質等をプレスすることにより、容易に形成可能である。或いは、負極層として上記材料からなる箔を採用してもよい。
The negative electrode layer is a layer containing at least a negative electrode active material.
The negative electrode active material may have a Li element. Examples of such a negative electrode active material include elemental lithium or a lithium alloy. Examples of the lithium alloy include a Li-In alloy.
The negative electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive auxiliary agent and a binder, if necessary. The solid electrolyte may be appropriately selected from the solid electrolytes that can be contained in the solid electrolyte layer described later. The conductive auxiliary agent and the binder may be appropriately selected from the conductive auxiliary agents and the binder that can be contained in the above-mentioned positive electrode mixture.
The thickness of the negative electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
The negative electrode layer can be easily formed, for example, by pressing the above-mentioned negative electrode active material or the like. Alternatively, a foil made of the above material may be used as the negative electrode layer.

固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含有する層であり、必要に応じて、バインダーを含有していてもよい。
固体電解質としては、例えば、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、窒化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質が挙げられ、中でも、硫化物系固体電解質が好ましい。
硫化物系固体電解質は、Li元素と、A元素(Aは、P、Ge、Si、Sn、B及びAlの少なくとも1種である)と、S元素とを有することが好ましい。硫化物系固体電解質は、ハロゲン元素をさらに有していてもよい。ハロゲン元素としては、例えば、F元素、Cl元素、Br元素、I元素が挙げられ、F元素、Cl元素、及びBr元素が好ましい。また、硫化物系固体電解質は、O元素をさらに有していてもよい。
硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−GeS、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−P−LiI−LiBr、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。Zは、Ge、Zn又はGaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga又はInのいずれか。)が挙げられる。
固体電解質は、1種単独で、又は2種以上のものを用いることができる。また、2種以上の固体電解質を用いる場合、2種以上の固体電解質を混合してもよく、又は2層以上の固体電解質それぞれの層を形成して多層構造としてもよい。
固体電解質層に含まれる固体電解質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば、50体積%以上であってもよいし、70体積%以上であってもよいし、90体積%以上であってもよい。固体電解質層に用いられるバインダーについては、上述した正極合材に含まれ得るバインダーから適宜選択すればよい。
固体電解質層の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であってもよい。固体電解質層は、例えば、上述の固体電解質等をプレスすることにより、容易に形成可能である。
The solid electrolyte layer is a layer containing at least a solid electrolyte, and may contain a binder, if necessary.
Examples of the solid electrolyte include a sulfide-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, a nitride-based solid electrolyte, and a halide-based solid electrolyte. Among them, a sulfide-based solid electrolyte is preferable.
The sulfide-based solid electrolyte preferably has a Li element, an A element (A is at least one of P, Ge, Si, Sn, B and Al), and an S element. The sulfide-based solid electrolyte may further contain a halogen element. Examples of the halogen element include F element, Cl element, Br element and I element, and F element, Cl element and Br element are preferable. Further, the sulfide-based solid electrolyte may further have an O element.
Examples of the sulfide-based solid electrolyte include Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -Li I, Li 2 S-P 2 S 5- GeS 2 , Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-LiBr, 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; Z is either Ge, Zn or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x, y are positive numbers, M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In. Either.) Can be mentioned.
As the solid electrolyte, one kind alone or two or more kinds can be used. When two or more kinds of solid electrolytes are used, two or more kinds of solid electrolytes may be mixed, or two or more layers of each solid electrolyte may be formed to form a multilayer structure.
The proportion of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but may be, for example, 50% by volume or more, 70% by volume or more, or 90% by volume or more. There may be. The binder used for the solid electrolyte layer may be appropriately selected from the binders that can be contained in the above-mentioned positive electrode mixture.
The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. The solid electrolyte layer can be easily formed, for example, by pressing the above-mentioned solid electrolyte or the like.

正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等が挙げられる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等が挙げられる。
正極集電体および負極集電体は、例えば、箔状であってもよいし、メッシュ状であってもよい。
Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium and carbon. On the other hand, examples of the material of the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel and carbon.
The positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be, for example, foil-shaped or mesh-shaped.

全固体電池は、必要に応じ、正極、負極、及び、固体電解質層を収容する外装体を備える。
外装体の形状としては、特に限定されないが、ラミネート型等を挙げることができる。
外装体の材質は、電解質に安定なものであれば特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、アクリル樹脂等の樹脂等が挙げられる。
The all-solid-state battery includes, if necessary, a positive electrode, a negative electrode, and an exterior body that houses the solid electrolyte layer.
The shape of the exterior body is not particularly limited, and examples thereof include a laminated type.
The material of the exterior body is not particularly limited as long as it is stable to the electrolyte, and examples thereof include resins such as polypropylene, polyethylene, and acrylic resin.

本開示における全固体電池は、硫黄電池であってもよい。硫黄電池とは、正極活物質として単体硫黄を用いた電池を意味する。本開示における全固体電池は、リチウム硫黄電池(LiS電池)であってもよい。全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、後者が好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。なお、二次電池には、二次電池の一次電池的使用(充電後、一度の放電だけを目的とした使用)も含まれる。
全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
The all-solid-state battery in the present disclosure may be a sulfur battery. The sulfur battery means a battery using elemental sulfur as a positive electrode active material. The all-solid-state battery in the present disclosure may be a lithium-sulfur battery (LiS battery). The all-solid-state battery may be a primary battery or a secondary battery, but the latter is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged, and is useful as an in-vehicle battery, for example. The secondary battery also includes the use as a primary battery of the secondary battery (use for the purpose of discharging only once after charging).
Examples of the shape of the all-solid-state battery include a coin type, a laminated type, a cylindrical type, and a square type.

本開示の全固体電池の製造方法は、特に限定されず、従来公知の方法を採用することができる。 The method for producing the all-solid-state battery of the present disclosure is not particularly limited, and a conventionally known method can be adopted.

(実施例1)
(正極合材の作製)
単体硫黄S(正極活物質、高純度化学製)、P(含硫化物)、LiBr(ハロゲン化リチウム)およびVGCF(導電助剤)を準備した。これらを、表1記載の質量比となるように秤量し、各原料をメノウ乳鉢で15分間混練し、原料を得た。得られた原料を遊星ボールミルの容器(45cc、ZrO製)に投入し、さらにZrOボール(φ=4mm、96g)を投入し、容器を完全に密封した。この容器を遊星ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、1時間メカニカルミリング(台盤回転数500rpm)、15分停止、逆回転で1時間メカニカルミリング(台盤回転数500rpm)、15分停止のサイクルを繰り返し、合計48時間メカニカルミリングを行った。これにより、正極合材を得た。
(Example 1)
(Preparation of positive electrode mixture)
Elemental sulfur S (positive electrode active material, manufactured by Pure Chemical), P 2 S 5 (sulfur-containing compound) was prepared LiBr (lithium halide) and VGCF (conductive additive). These were weighed so as to have the mass ratio shown in Table 1, and each raw material was kneaded in an agate mortar for 15 minutes to obtain a raw material. The obtained raw material was put into a container of a planetary ball mill (45 cc, manufactured by ZrO 2 ), and further, a ZrO 2 ball (φ = 4 mm, 96 g) was put into the container, and the container was completely sealed. This container is attached to a planetary ball mill machine (P7 made by Fritsch), and a cycle of 1 hour mechanical milling (base rotation speed 500 rpm), 15 minutes stop, 1 hour mechanical milling (base plate rotation speed 500 rpm), 15 minutes stop in reverse rotation. Was repeated, and mechanical milling was performed for a total of 48 hours. As a result, a positive electrode mixture was obtained.

(全固体電池の作製)
1cmのセラミックス製の型に固体電解質を100mg入れ、1ton/cmでプレスし、固体電解質層を得た。その片側に正極合材を7.8mg(目付量:7.8mg/cm)入れ、6ton/cmでプレスして正極層を作成した。その逆側に、負極層であるリチウム金属箔を配置して、1ton/cmでプレスすることで、発電要素を得た。正極層側にAl箔(正極集電体)、負極層側にCu箔(負極集電体)を配置した。これにより、全固体電池を得た。
(Manufacturing of all-solid-state battery)
100 mg of a solid electrolyte was placed in a 1 cm 2 ceramic mold and pressed at 1 ton / cm 2 to obtain a solid electrolyte layer. 7.8 mg (weight: 7.8 mg / cm 2 ) of the positive electrode mixture was put on one side thereof and pressed at 6 ton / cm 2 to prepare a positive electrode layer. A lithium metal foil, which is a negative electrode layer, was placed on the opposite side thereof and pressed at 1 ton / cm 2 to obtain a power generation element. An Al foil (positive electrode current collector) was placed on the positive electrode layer side, and a Cu foil (negative electrode current collector) was placed on the negative electrode layer side. As a result, an all-solid-state battery was obtained.

[実施例2および比較例1〜5]
各原料を表1記載の質量比となるように秤量したこと以外は、実施例1と同様にして、正極合材および全固体電池を得た。尚、比較例4〜5については、LiBrに替えてLiIを用いるものとした。
[Example 2 and Comparative Examples 1 to 5]
A positive electrode mixture and an all-solid-state battery were obtained in the same manner as in Example 1 except that each raw material was weighed so as to have the mass ratio shown in Table 1. In Comparative Examples 4 to 5, LiI was used instead of LiBr.

(充放電試験)
実施例1〜2、比較例1〜5で得られた全固体電池に対して、充放電試験を行った。充放電試験は、以下の手順で行った。なお、温度環境は25℃とし、1Cは4.56mA/cmに該当する。
(1)0.1Cで1.5Vまで放電、10分間休止し
(2)0.1Cで3.1Vまで充電、10分間休止、0.1Cで1.5Vまで放電、10分間休止し、これを合計5サイクル
(3)0.1Cで3.1Vまで充電、10分間休止、0.33Cで1.5Vまで放電、10分間休止、0.1Cで1.5Vまで放電、10分間休止
(4)0.1Cで3.1Vまで充電、10分間休止、1Cで1.5Vまで放電、10分間休止、0.1Cで1.5Vまで放電、10分間休止
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the all-solid-state batteries obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 5. The charge / discharge test was performed according to the following procedure. The temperature environment is 25 ° C., and 1C corresponds to 4.56 mA / cm 2.
(1) Discharge to 1.5V at 0.1C, pause for 10 minutes (2) Charge to 3.1V at 0.1C, pause for 10 minutes, discharge to 1.5V at 0.1C, pause for 10 minutes, 5 cycles in total (3) Charge to 3.1V at 0.1C, pause for 10 minutes, discharge to 1.5V at 0.33C, pause for 10 minutes, discharge to 1.5V at 0.1C, pause for 10 minutes (4) ) Charge to 3.1V at 0.1C, pause for 10 minutes, discharge to 1.5V at 1C, pause for 10 minutes, discharge to 1.5V at 0.1C, pause for 10 minutes

上記の手順(4)で得られた、LiXの含硫化物に対するmol比と1Cレートでの全固体電池の放電容量との関係を図2に示す。
図2に示すように、LiX未添加の比較例1に比べて、LiBrを含硫化物に対するmol比が0.21〜0.44となるように添加することにより、電池の1Cでの放電容量が向上することが明らかとなった。
これは、BrがP(含硫化物)の構造内に取り込まれることで、Brがリチウムイオン伝導性の向上に寄与したと考えられる。
一方、LiBrの含硫化物に対するmol比が0.44を超える比較例2〜3では1Cでの放電容量の向上の効果は見られなかった。
これは正極合材中のLiBrの含有量が多すぎると、P(含硫化物)の構造内へのBrの固溶限界を超え、LiBrが高抵抗体として正極合材中に残存しているためであると考えられる。
また、LiIを添加した比較例4〜5では放電容量の向上は見られなかった。
これは、Brのイオン半径がS2−と同程度であったのに対して、Iのイオン半径はS2−に比べて大きく、P(含硫化物)の構造内へ固溶しにくいためであると考えられる。
FIG. 2 shows the relationship between the mol ratio of LiX to the sulfide-containing substance obtained in the above procedure (4) and the discharge capacity of the all-solid-state battery at the 1C rate.
As shown in FIG. 2, by adding LiBr so that the mol ratio to the sulfide-containing substance is 0.21 to 0.44 as compared with Comparative Example 1 in which LiX is not added, the discharge capacity of the battery at 1C It became clear that
This, Br - is that incorporated into the structure of P 2 S 5 (sulfur-containing compound), Br - is considered to have contributed to the improvement of lithium ion conductivity.
On the other hand, in Comparative Examples 2 and 3 in which the mol ratio of LiBr to the sulfide-containing substance exceeded 0.44, the effect of improving the discharge capacity at 1C was not observed.
It the content of LiBr in the positive electrode material is too large, Br to P 2 S 5 in the structure of (sulfur-containing compound) - beyond the solid solubility limit of, LiBr is in the positive-electrode composite as a high resistance element It is thought that this is because it remains.
Further, in Comparative Examples 4 to 5 to which LiI was added, no improvement in the discharge capacity was observed.
This is because the ionic radius of Br − was about the same as that of S 2- , while the ionic radius of I − was larger than that of S 2-, and it went into the structure of P 2 S 5 (sulfide-containing). This is thought to be because it is difficult to dissolve in solid solution.

上述の通り、LiX添加による放電容量向上効果は、単体硫黄(正極活物質)のS2−がP(含硫化物)の構造内に固溶するのと併せて、LiXのアニオン種がP(含硫化物)の構造内に固溶することで、正極合材のイオン伝導性向上に寄与したためと考えられる。
添加するLiX種として上記の他にLiClやLiFが挙げられる。表2にLiXのアニオンのイオン半径を示す。Clのイオン半径はS2−と同程度であり、LiBr添加時と同様の効果が得られると推察される。Fのイオン半径はS2−よりも小さいためLiBr添加時と同様の効果が得られると推察される。
As described above, the discharge capacity improving effect by LiX addition, S 2-of elemental sulfur (positive electrode active material) is in conjunction with the solid solution within the structure of P 2 S 5 (sulfur-containing compound), LiX anionic species It is considered that this contributed to the improvement of the ionic conductivity of the positive electrode mixture by being dissolved in the structure of P 2 S 5 (sulfide-containing sulfide).
Examples of the LiX species to be added include LiCl and LiF in addition to the above. Table 2 shows the ionic radii of the LiX anion. The ionic radius of Cl is about the same as that of S 2-, and it is presumed that the same effect as when LiBr is added can be obtained. Since the ionic radius of F − is smaller than that of S 2-, it is presumed that the same effect as when LiBr is added can be obtained.

11 固体電解質層
12 正極層
13 負極層
14 正極集電体
15 負極集電体
16 正極
17 負極
100 全固体電池
11 Solid electrolyte layer 12 Positive electrode layer 13 Negative electrode layer 14 Positive electrode current collector 15 Negative electrode current collector 16 Positive electrode 17 Negative electrode 100 All-solid-state battery

Claims (1)

S元素を有する正極活物質と、P元素およびS元素を有する含硫化合物と、LiX(XはF、Cl及びBrからなる群より選ばれる少なくとも一種のハロゲン元素)で表されるハロゲン化リチウムと、導電助剤とを含有し、
前記含硫化合物に対する前記ハロゲン化リチウムのモル比が0.21〜0.44であることを特徴とする、全固体電池用の正極合材。
A positive electrode active material having an S element, a sulfur-containing compound having a P element and an S element, and lithium halide represented by LiX (X is at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl and Br). , Containing conductive aid,
A positive electrode mixture for an all-solid-state battery, characterized in that the molar ratio of the lithium halide to the sulfur-containing compound is 0.21 to 0.44.
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