JP2021034200A - All-solid battery - Google Patents

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Abstract

To provide an all-solid battery having a high charge/discharge efficiency.SOLUTION: An all-solid battery is arranged so as to utilize a precipitation-dissolution reaction of metallic lithium as a reaction of a negative electrode. When being full-charged, the all-solid battery has a negative electrode current collector, a negative electrode layer, a protection layer containing Li-Ba-TiO3 composite oxide, a solid electrolyte layer, and a positive electrode layer in this order. The element rate of a lithium element in the Li-Ba-TiO3 composite oxide is 0.2 atomic% or more and 3.6 atomic% or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、全固体電池に関する。 The present disclosure relates to an all-solid-state battery.

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。
電池の中でもリチウム二次電池は、金属の中で最大のイオン化傾向を持つリチウムを負極として用いるため、正極との電位差が大きく、高い出力電圧が得られるという点で注目されている。
また、全固体電池は、正極と負極の間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いるという点で注目されている。
With the rapid spread of information-related devices such as personal computers, video cameras and mobile phones, and communication devices in recent years, 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.
Among the batteries, the lithium secondary battery is attracting attention because it uses lithium, which has the highest ionization tendency among metals, as the negative electrode, so that the potential difference from the positive electrode is large and a high output voltage can be obtained.
Further, the all-solid-state battery is attracting attention in that a solid electrolyte is used instead of an electrolytic solution containing an organic solvent as an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.

特許文献1には、負極集電体を被覆し、充電時にリチウム合金層を介して金属リチウムが析出可能な被覆層と、を備えることを特徴とする、全固体型二次電池用負極が開示され、被覆層には亜鉛を含むことが記載されている。 Patent Document 1 discloses a negative electrode for an all-solid-state secondary battery, which comprises a coating layer that covers a negative electrode current collector and allows metallic lithium to precipitate via a lithium alloy layer during charging. It is stated that the coating layer contains zinc.

特許文献2には、表面に誘電体を有し、前記誘電体の間から前記表面の少なくとも一部が露出している、リチウム二次電池用集電体が開示され、前記誘電体の間から露出する露出面の面積は、前記表面の面積の30%以上であり、前記誘電体はBaTiOを有し、電解液として非水電解質溶液を用いることが記載されている。 Patent Document 2 discloses a current collector for a lithium secondary battery having a dielectric on the surface and exposing at least a part of the surface from between the dielectrics. It is described that the area of the exposed surface to be exposed is 30% or more of the area of the surface, the dielectric has BaTiO 3 , and a non-aqueous electrolyte solution is used as the electrolytic solution.

特開2018−129159号公報JP-A-2018-129159 特開2018−170128号公報JP-A-2018-170128

特許文献2に記載の技術を全固体電池に適用した場合、集電体の露出面を有するため集電体と固体電解質層との接触性が悪くなり、集電体の露出面からは金属リチウムが析出し難く、結果として固体電解質層と接触している誘電体の部分に電流が集中しLiデンドライトが発生し、不可逆容量が大きくなり、電池の充放電効率が低下するという問題がある。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、充放電効率が高い全固体電池を提供することを主目的とする。 When the technique described in Patent Document 2 is applied to an all-solid-state battery, the contact between the current collector and the solid electrolyte layer deteriorates due to the exposed surface of the current collector, and metallic lithium is seen from the exposed surface of the current collector. As a result, the current is concentrated on the portion of the dielectric in contact with the solid electrolyte layer to generate lithium, the irreversible capacity is increased, and the charge / discharge efficiency of the battery is lowered. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide an all-solid-state battery having high charge / discharge efficiency.

本開示においては、負極の反応として金属リチウムの析出−溶解反応を利用した全固体電池であって、
前記全固体電池の満充電時において、負極集電体と、負極層と、Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層と、固体電解質層と、正極層と、をこの順に有し、
前記Li−Ba−TiO複合酸化物中のリチウム元素の元素比率が0.2atomic%以上3.6atomic%以下であることを特徴とする全固体電池を提供する。
In the present disclosure, the all-solid-state battery utilizes the precipitation-dissolution reaction of metallic lithium as the reaction of the negative electrode.
When the all-solid-state battery is fully charged, it has a negative electrode current collector, a negative electrode layer, a protective layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide, a solid electrolyte layer, and a positive electrode layer in this order.
Provided is an all-solid-state battery characterized in that the element ratio of the lithium element in the Li-Ba-TiO 3 composite oxide is 0.2 atomic% or more and 3.6 atomic% or less.

本開示は、充放電効率が高い全固体電池を提供することができる。 The present disclosure can provide an all-solid-state battery having high charge / discharge efficiency.

本開示の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 of this disclosure. 各評価用電池の平均充放電効率を示すグラフである。It is a graph which shows the average charge / discharge efficiency of each evaluation battery.

本開示においては、負極の反応として金属リチウムの析出−溶解反応を利用した全固体電池であって、
前記全固体電池の満充電時において、負極集電体と、負極層と、Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層と、固体電解質層と、正極層と、をこの順に有し、
前記Li−Ba−TiO複合酸化物中のリチウム元素の元素比率が0.2atomic%以上3.6atomic%以下であることを特徴とする全固体電池を提供する。
In the present disclosure, the all-solid-state battery utilizes the precipitation-dissolution reaction of metallic lithium as the reaction of the negative electrode.
When the all-solid-state battery is fully charged, it has a negative electrode current collector, a negative electrode layer, a protective layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide, a solid electrolyte layer, and a positive electrode layer in this order.
Provided is an all-solid-state battery characterized in that the element ratio of the lithium element in the Li-Ba-TiO 3 composite oxide is 0.2 atomic% or more and 3.6 atomic% or less.

本開示において、リチウム二次電池とは、負極活物質に金属リチウム及びリチウム合金の少なくともいずれか一方を用い、負極の反応として金属リチウムの析出−溶解反応を利用した電池をいう。また、本開示において負極とは、負極層を含むものを意味する。
本開示において、全固体電池の満充電時とは、全固体電池の充電状態値(SOC:State of Charge)が100%の状態の時を意味する。SOCは、電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がSOC100%である。
SOCは、例えば、全固体電池の開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)から推定してもよい。
In the present disclosure, the lithium secondary battery refers to a battery in which at least one of metallic lithium and a lithium alloy is used as the negative electrode active material, and the precipitation-dissolution reaction of metallic lithium is used as the reaction of the negative electrode. Further, in the present disclosure, the negative electrode means one including a negative electrode layer.
In the present disclosure, the fully charged state of the all-solid-state battery means the time when the charge state value (SOC: State of Charge) of the all-solid-state battery is 100%. SOC indicates the ratio of the charge capacity to the full charge capacity of the battery, and the full charge capacity is 100% SOC.
The SOC may be estimated from, for example, the open circuit voltage (OCV: Open Circuit Voltage) of the all-solid-state battery.

全固体電池において、負極層に金属Liを用いた場合、Liは高い反応性(還元力)を示すため、硫化物系固体電解質(SE)と反応して高抵抗層が生成する。
例えば、全固体電池のサイクル試験中に固体電解質層と負極層との間に高抵抗層が発生し、全固体電池の充放電効率が低下し、電池寿命が速く尽きるという問題がある。
上記問題を解決するために負極集電体上にZnOを含むZnO層を形成した場合、当該ZnO層を保護層として備える全固体電池は、1〜3サイクル程度の比較的初期の段階における充放電効率が低いという問題がある。
全固体電池の充放電効率が低いのは、以下の理由によると考えられる。
全固体電池の初回充電時にリチウムイオンがZnO層を通過して負極集電体上に金属Liが析出する。そして、保護層に含まれるZnOと、析出した金属Liとの界面で合金化反応が進行し、Li−Zn−O複合酸化物が生成し、固体電解質層と析出した金属Liとの間に保護層であるLi−Zn−O複合酸化物層が形成される。
この時、Li−Zn−O複合酸化物層内に多量のリチウム元素が含まれるため、全固体電池の不可逆容量が大きくなり、その結果、全固体電池の充放電効率が低下すると考えられる。
When metal Li is used for the negative electrode layer in an all-solid-state battery, Li exhibits high reactivity (reducing power), and therefore reacts with a sulfide-based solid electrolyte (SE) to form a high resistance layer.
For example, there is a problem that a high resistance layer is generated between the solid electrolyte layer and the negative electrode layer during the cycle test of the all-solid-state battery, the charge / discharge efficiency of the all-solid-state battery is lowered, and the battery life is shortened.
When a ZnO layer containing ZnO is formed on the negative electrode current collector in order to solve the above problem, the all-solid-state battery provided with the ZnO layer as a protective layer is charged and discharged at a relatively early stage of about 1 to 3 cycles. There is a problem of low efficiency.
The low charge / discharge efficiency of the all-solid-state battery is considered to be due to the following reasons.
When the all-solid-state battery is charged for the first time, lithium ions pass through the ZnO layer and metallic Li is deposited on the negative electrode current collector. Then, the alloying reaction proceeds at the interface between ZnO contained in the protective layer and the precipitated metal Li to generate a Li—Zn—O composite oxide, which protects between the solid electrolyte layer and the precipitated metal Li. A Li—Zn—O composite oxide layer, which is a layer, is formed.
At this time, since a large amount of lithium elements are contained in the Li—Zn—O composite oxide layer, it is considered that the irreversible capacity of the all-solid-state battery increases, and as a result, the charge / discharge efficiency of the all-solid-state battery decreases.

本研究者らは、負極集電体と固体電解質層との間にLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層を配置することで充放電効率が高い全固体電池を提供することができることを明らかにした。
Li−Ba−TiO複合酸化物は、Li伝導体であり、Li−Ba−TiO複合酸化物層が固体電解質層と析出した金属Liとの直接接触を防ぐように配置されることにより、固体電解質層と析出した金属Liとの界面での金属Liによる固体電解質の還元分解を抑制する保護層として働き、且つ、当該Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層中に含まれるリチウム元素の元素比率が同じ厚みのLi−Zn−O複合酸化物を含む保護層と比較して少ないため、全固体電池の不可逆容量が少なく、全固体電池の充放電効率が高い。
The present researchers can provide an all-solid-state battery with high charge / discharge efficiency by arranging a protective layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. Clarified.
The Li-Ba-TiO 3 composite oxide is a Li conductor, and the Li-Ba-TiO 3 composite oxide layer is arranged so as to prevent direct contact between the solid electrolyte layer and the precipitated metal Li. Lithium that acts as a protective layer that suppresses the reductive decomposition of the solid electrolyte by the metal Li at the interface between the solid electrolyte layer and the precipitated metal Li, and is contained in the protective layer containing the Li-Ba-TiO 3 composite oxide. Since the element ratio of the elements is smaller than that of the protective layer containing the Li—Zn—O composite oxide having the same thickness, the irreversible capacity of the all-solid-state battery is small, and the charge / discharge efficiency of the all-solid-state battery is high.

図1は、本開示の満充電時の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、負極集電体11と固体電解質層12と正極層13と正極集電体14をこの順に備え、負極集電体11と固体電解質層12との間に負極集電体11側から順に負極層15とLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層16を備える。なお、負極層15が金属リチウムからなる場合、初回充電前や完全放電後の全固体電池100は、負極層15が溶解して消失していてもよい。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an all-solid-state battery when fully charged according to the present disclosure.
As shown in FIG. 1, the all-solid-state battery 100 includes a negative electrode current collector 11, a solid electrolyte layer 12, a positive electrode layer 13, and a positive electrode current collector 14 in this order, and the negative electrode current collector 11 and the solid electrolyte layer 12 are provided. A protective layer 16 containing a negative electrode layer 15 and a Li-Ba-TiO 3 composite oxide is provided between them in order from the negative electrode current collector 11 side. When the negative electrode layer 15 is made of metallic lithium, the negative electrode layer 15 may be dissolved and disappear in the all-solid-state battery 100 before the first charge or after the complete discharge.

[負極集電体]
負極集電体の材料は、Liと合金化しない材料であってもよく、例えばSUS、銅、及び、ニッケル等を挙げることができる。負極集電体の形態としては、例えば、箔状、及び、板状等を挙げることができる。負極集電体の平面視形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円状、楕円状、矩形状、及び、任意の多角形状等を挙げることができる。また、負極集電体の厚さは、形状によって異なるものであるが、例えば1μm〜50μmの範囲内であり、5μm〜20μmの範囲内であってもよい。
[Negative electrode current collector]
The material of the negative electrode current collector may be a material that does not alloy with Li, and examples thereof include SUS, copper, and nickel. Examples of the form of the negative electrode current collector include a foil shape and a plate shape. The plan view shape of the negative electrode current collector is not particularly limited, and examples thereof include a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, and an arbitrary polygonal shape. The thickness of the negative electrode current collector varies depending on the shape, but may be, for example, in the range of 1 μm to 50 μm and may be in the range of 5 μm to 20 μm.

[負極層]
負極層は、負極活物質を含む。
負極活物質としては、金属リチウム(Li)及びリチウム合金等が挙げられ、リチウム合金としては、Li−Au、Li−Mg、Li−Sn、Li−Si、Li−Al、Li−B、Li−C、Li−Ca、Li−Ga、Li−Ge、Li−As、Li−Se、Li−Ru、Li−Rh、Li−Pd、Li−Ag、Li−Cd、Li−In、Li−Sb、Li−Ir、Li−Pt、Li−Hg、Li−Pb、Li−Bi、Li−Zn、Li−Tl、Li−Te、及びLi−At等が挙げられる。負極層には負極活物質として金属リチウム又はリチウム合金が主成分として含まれていれば、その他、従来公知の負極活物質が含まれていてもよい。本開示において、主成分とは、全固体電池の満充電時の負極層の総質量を100質量%としたとき50質量%以上含まれる成分を意味する。
負極層の厚みは、特に限定されないが、全固体電池の満充電時において30nm以上5000nm以下であってもよい。
本開示においては、例えば全固体電池の初回充電により、負極活物質として金属リチウムを析出させてなる負極層を設けても良い。
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer contains a negative electrode active material.
Examples of the negative electrode active material include metallic lithium (Li) and lithium alloys, and examples of the lithium alloy include Li-Au, Li-Mg, Li-Sn, Li-Si, Li-Al, Li-B, and Li-. C, Li-Ca, Li-Ga, Li-Ge, Li-As, Li-Se, Li-Ru, Li-Rh, Li-Pd, Li-Ag, Li-Cd, Li-In, Li-Sb, Examples thereof include Li-Ir, Li-Pt, Li-Hg, Li-Pb, Li-Bi, Li-Zn, Li-Tl, Li-Te, and Li-At. As long as the negative electrode layer contains metallic lithium or a lithium alloy as the main component of the negative electrode active material, a conventionally known negative electrode active material may be contained. In the present disclosure, the principal component means a component contained in an amount of 50% by mass or more when the total mass of the negative electrode layer when the all-solid-state battery is fully charged is 100% by mass.
The thickness of the negative electrode layer is not particularly limited, but may be 30 nm or more and 5000 nm or less when the all-solid-state battery is fully charged.
In the present disclosure, for example, a negative electrode layer formed by precipitating metallic lithium as a negative electrode active material may be provided by initial charging of an all-solid-state battery.

[保護層]
保護層は、Li−Ba−TiO複合酸化物を含み、負極集電体と固体電解質層との間に配置される層であり、全固体電池の満充電時には負極層と固体電解質層との間に配置されていてもよい。
保護層が負極集電体と固体電解質層との間に配置されることにより、保護層が固体電解質層と析出した金属Liとの直接接触を防ぎ、析出した金属Liによる固体電解質の還元分解を抑制し、且つ、Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層中に含まれるリチウム元素の元素比率が同じ厚みのLi−Zn−O複合酸化物を含む保護層と比較して少ないため、全固体電池の不可逆容量が少なく、全固体電池の充放電効率が高い。
Li−Ba−TiO複合酸化物は、リチウム元素とバリウム元素とチタン元素と酸素元素を所定の割合で含むものであれば特に限定されない。
Li−Ba−TiO複合酸化物中のリチウム元素の元素比率は、0.2atomic%以上3.6atomic%以下であってもよい。Li−Ba−TiO複合酸化物中のリチウム元素の元素比率は、例えば、保護層の原料層であるBaTiO層の厚みを制御することによって制御することができる。
Li−Ba−TiO複合酸化物中の元素比率は、誘導結合プラズマ(ICP)分析又はX線光電子分光法(XPS)によりLi−Ba−TiO複合酸化物の解析を行うことにより算出することができる。また、Li−Ba−TiO複合酸化物中の元素比率は、Li−Ba−TiO複合酸化物中に含まれる元素の原子量と、原料に対するLi−Ba−TiO複合酸化物の質量の変化量から算出することもできる。
保護層の形成方法は特に限定されず、例えば、電子ビーム蒸着装置を用いて、負極集電体の少なくとも一面上又は固体電解質層の少なくとも一面上に保護層の原料としてBaTiOを蒸着してBaTiOを含むBaTiO層(原料層)を形成し、その後の前駆体電池の充電により、正極層から移動してきたリチウムイオンとBaTiOとを反応させ、BaTiOをLi−Ba−TiO複合酸化物にして保護層としてもよい。
BaTiO層の厚みは、特に限定されないが30nm以上100nm以下であってもよい。
保護層の形成方法の別の例としては、電子ビーム蒸着装置を用いて、負極集電体の少なくとも一面上又は固体電解質層の少なくとも一面上にLi−Ba−TiO複合酸化物を蒸着して保護層としてもよい。
[Protective layer]
The protective layer contains a Li-Ba-TiO 3 composite oxide and is arranged between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. When the all-solid-state battery is fully charged, the protective layer is formed between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer. It may be arranged between them.
By arranging the protective layer between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer, the protective layer prevents direct contact between the solid electrolyte layer and the precipitated metal Li, and the precipitated metal Li reduces and decomposes the solid electrolyte. Because it is suppressed and the element ratio of lithium element contained in the protective layer containing the Li-Ba-TiO 3 composite oxide is smaller than that of the protective layer containing the Li-Zn-O composite oxide having the same thickness. The irreversible capacity of the all-solid-state battery is small, and the charge / discharge efficiency of the all-solid-state battery is high.
The Li-Ba-TiO 3 composite oxide is not particularly limited as long as it contains a lithium element, a barium element, a titanium element, and an oxygen element in a predetermined ratio.
The element ratio of the lithium element in the Li-Ba-TiO 3 composite oxide may be 0.2 atomic% or more and 3.6 atomic% or less. The element ratio of the lithium element in the Li-Ba-TiO 3 composite oxide can be controlled, for example, by controlling the thickness of the BaTiO 3 layer, which is the raw material layer of the protective layer.
Li-Ba-TiO 3 element ratio in the composite oxide, it is calculated by analyzing the Li-Ba-TiO 3 composite oxide by inductively coupled plasma (ICP) analysis or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Can be done. Further, Li-Ba-TiO 3 element ratio in the composite oxide, the atomic weight of elements in Li-Ba-TiO 3 composite oxide, the change in mass of Li-Ba-TiO 3 composite oxide to the raw material It can also be calculated from the quantity.
The method for forming the protective layer is not particularly limited, and for example, BaTIO 3 is vapor-deposited as a raw material of the protective layer on at least one surface of the negative electrode current collector or at least one surface of the solid electrolyte layer using an electron beam vapor deposition apparatus. 3 to form a BaTiO 3 layer (material layer) containing, followed by the charging of the precursor cells, by reacting lithium ions and BaTiO 3, which has been moved from the positive electrode layer, a BaTiO 3 Li-BaTiO 3 composite oxide It may be used as a protective layer.
The thickness of the BaTIO 3 layer is not particularly limited, but may be 30 nm or more and 100 nm or less.
As another example of the method of forming the protective layer, a Li-Ba-TiO 3 composite oxide is vapor-deposited on at least one surface of the negative electrode current collector or on at least one surface of the solid electrolyte layer using an electron beam vapor deposition apparatus. It may be used as a protective layer.

[固体電解質層]
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含む。
固体電解質層に含有させる固体電解質としては、全固体電池に使用可能な公知の固体電解質を適宜用いることができ、酸化物系固体電解質、及び硫化物系固体電解質等が挙げられる。
硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS−P、LiS−SiS、LiX−LiS−SiS、LiX−LiS−P、LiX−LiO−LiS−P、LiX−LiS−P、LiX−LiPO−P、及びLiPS等が挙げられる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる材料を意味し、他の記載についても同様である。また、上記LiXの「X」は、ハロゲン元素を示す。上記LiXを含む原料組成物中にLiXは1種又は2種以上含まれていてもよい。LiXが2種以上含まれる場合、2種以上の混合比率は特に限定されるものではない。
硫化物系固体電解質における各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調整することにより制御できる。また、硫化物系固体電解質における各元素のモル比や組成は、例えば、ICP発光分析法で測定することができる。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer contains at least a solid electrolyte.
As the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, a known solid electrolyte that can be used in an all-solid-state battery can be appropriately used, and examples thereof include an oxide-based solid electrolyte and a sulfide-based solid electrolyte.
The sulfide-based solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2, LiX-Li 2 S-SiS 2, LiX-Li 2 S-P 2 S 5, LiX-Li 2 Examples thereof include O-Li 2 SP 2 S 5 , LiX-Li 2 SP 2 O 5 , LiX-Li 3 PO 4- P 2 S 5 , and Li 3 PS 4. The above description of "Li 2 SP 2 S 5 " means a material made of a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions. Further, "X" of the above LiX indicates a halogen element. The raw material composition containing LiX may contain one or more LiX. When two or more types of LiX are contained, the mixing ratio of the two or more types is not particularly limited.
The molar ratio of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be controlled by adjusting the content of each element in the raw material. Further, the molar ratio and composition of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be measured by, for example, ICP emission spectrometry.

硫化物系固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラス(ガラスセラミックス)であってもよく、原料組成物に対する固相反応処理により得られる結晶質材料であってもよい。
硫化物系固体電解質の結晶状態は、例えば、硫化物系固体電解質に対してCuKα線を使用した粉末X線回折測定を行うことにより確認することができる。
The sulfide-based solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass (glass ceramics), or a crystalline material obtained by solid-phase reaction treatment on the raw material composition. ..
The crystal state of the sulfide-based solid electrolyte can be confirmed, for example, by performing powder X-ray diffraction measurement of the sulfide-based solid electrolyte using CuKα rays.

硫化物ガラスは、原料組成物(例えばLiSおよびPの混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。 Sulfide glass can be obtained by amorphizing a raw material composition (eg, a mixture of Li 2 S and P 2 S 5). Examples of the amorphous treatment include mechanical milling.

ガラスセラミックスは、例えば、硫化物ガラスを熱処理することにより得ることができる。
熱処理温度は、硫化物ガラスの熱分析測定により観測される結晶化温度(Tc)よりも高い温度であればよく、通常、195℃以上である。一方、熱処理温度の上限は特に限定されない。
硫化物ガラスの結晶化温度(Tc)は、示差熱分析(DTA)により測定することができる。
熱処理時間は、ガラスセラミックスの所望の結晶化度が得られる時間であれば特に限定されるものではないが、例えば1分間〜24時間の範囲内であり、中でも、1分間〜10時間の範囲内が挙げられる。
熱処理の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる。
Glass ceramics can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass.
The heat treatment temperature may be higher than the crystallization temperature (Tc) observed by the thermal analysis measurement of the sulfide glass, and is usually 195 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited.
The crystallization temperature (Tc) of sulfide glass can be measured by differential thermal analysis (DTA).
The heat treatment time is not particularly limited as long as the desired crystallinity of the glass ceramic can be obtained, but is, for example, in the range of 1 minute to 24 hours, and in particular, in the range of 1 minute to 10 hours. Can be mentioned.
The method of heat treatment is not particularly limited, and examples thereof include a method using a firing furnace.

酸化物系固体電解質としては、例えばLi6.25LaZrAl0.2512、LiPO、及びLi3+xPO4−x(1≦x≦3)等が挙げられる。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include Li 6.25 La 3 Zr 2 Al 0.25 O 12 , Li 3 PO 4 , and Li 3 + x PO 4-x N x (1 ≦ x ≦ 3).

固体電解質の形状は、取扱い性が良いという観点から粒子状であってもよい。
また、固体電解質の粒子の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、下限が0.5μm以上であってもよく、上限が2μm以下であってもよい。
The shape of the solid electrolyte may be particulate from the viewpoint of good handleability.
The average particle size (D50) of the particles of the solid electrolyte is not particularly limited, but the lower limit may be 0.5 μm or more, and the upper limit may be 2 μm or less.

本開示において、粒子の平均粒径は、特記しない限り、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される体積基準のメディアン径(D50)の値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい粒子から順に並べた場合に、粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径(体積平均径)である。 In the present disclosure, the average particle size of the particles is a volume-based median size (D50) value measured by laser diffraction / scattering type particle size distribution measurement, unless otherwise specified. Further, in the present disclosure, the median diameter (D50) is a diameter (volume average diameter) at which the cumulative volume of the particles is half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order from the smallest particle size.

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。
固体電解質層中の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質量%以上であり、60質量%以上100質量%以下の範囲内であってもよく、70質量%以上100質量%以下の範囲内であってもよく、100質量%であってもよい。
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 ratio of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but may be, for example, 50% by mass or more, 60% by mass or more and 100% by mass or less, and 70% by mass or more and 100% by mass. It may be in the range of mass% or less, or may be 100 mass%.

固体電解質層には、可塑性を発現させる等の観点から、バインダーを含有させることもできる。そのようなバインダーとしては、後述する正極層に用いられるバインダーとして例示した材料等を例示することができる。ただし、高出力化を図り易くするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する固体電解質層を形成可能にする等の観点から、固体電解質層に含有させるバインダーは5質量%以下としてもよい。 The solid electrolyte layer may contain a binder from the viewpoint of exhibiting plasticity and the like. As such a binder, a material or the like exemplified as a binder used for the positive electrode layer described later can be exemplified. However, in order to facilitate high output, it is contained in the solid electrolyte layer from the viewpoint of preventing excessive aggregation of the solid electrolyte and enabling the formation of a solid electrolyte layer having a uniformly dispersed solid electrolyte. The binder may be 5% by mass or less.

固体電解質層の厚みは特に限定されるものではなく、通常0.1μm以上1mm以下である。
固体電解質層を形成する方法としては、固体電解質及び必要に応じ他の成分を含む固体電解質材料の粉末を加圧成形する方法等が挙げられる。固体電解質材料の粉末を加圧成形する場合には、通常、1MPa以上600MPa以下程度のプレス圧を負荷する。
加圧方法としては、特に制限されないが、後述する正極層の形成において例示する加圧方法が挙げられる。
The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, and is usually 0.1 μm or more and 1 mm or less.
Examples of the method for forming the solid electrolyte layer include a method of pressure molding a powder of a solid electrolyte material containing a solid electrolyte and, if necessary, other components. When the powder of the solid electrolyte material is pressure-molded, a press pressure of about 1 MPa or more and 600 MPa or less is usually applied.
The pressurizing method is not particularly limited, and examples thereof include the pressurizing method exemplified in the formation of the positive electrode layer described later.

[正極層]
正極層は、正極活物質を含み、任意成分として、固体電解質、導電材、及びバインダー等が含まれていてもよい。
[Positive layer]
The positive electrode layer contains a positive electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a conductive material, a binder, and the like as optional components.

正極活物質の種類について特に制限はなく、全固体電池の活物質として使用可能な材料をいずれも採用可能である。全固体電池が全固体リチウム二次電池の場合は、正極活物質は、例えば、金属リチウム(Li)、リチウム合金、LiCoO、LiNiCo1−x(0<x<1)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMnO、異種元素置換Li−Mnスピネル(例えばLiMn1.5Ni0.5、LiMn1.5Al0.5、LiMn1.5Mg0.5、LiMn1.5Co0.5、LiMn1.5Fe0.5、及びLiMn1.5Zn0.5等)、チタン酸リチウム(例えばLiTi12)、リン酸金属リチウム(例えばLiFePO、LiMnPO、LiCoPO、及びLiNiPO等)、LiCoN、LiSiO、及びLiSiO等のリチウム化合物、遷移金属酸化物(例えばV、及びMoO等)、TiS、Si、SiO、並びにリチウム貯蔵性金属間化合物(例えばMgSn、MgGe、MgSb、及びCuSb等)等を挙げることができる。リチウム合金としては、負極活物質に用いられるリチウム合金として例示したリチウム合金等が挙げられる。
正極活物質の形状は特に限定されるものではないが、粒子状であってもよい。
正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていても良い。正極活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。
Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO、LiTi12、及び、LiPO等が挙げられる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm以上であり、1nm以上であっても良い。一方、コート層の厚さは、例えば、100nm以下であり、20nm以下であっても良い。正極活物質の表面におけるコート層の被覆率は、例えば、70%以上であり、90%以上であっても良い。
The type of positive electrode active material is not particularly limited, and any material that can be used as an active material for an all-solid-state battery can be used. When the all-solid-state battery is an all-solid-state lithium secondary battery, the positive electrode active material is, for example, metallic lithium (Li), lithium alloy, LiCoO 2 , LiNi x Co 1-x O 2 (0 <x <1), LiNi. 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMnO 2 , dissimilar element substituted Li-Mn spinel (eg LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 , LiMn 1.5 Al 0.5 O 4 , LiMn 1 .5 Mg 0.5 O 4 , LiMn 1.5 Co 0.5 O 4 , Limn 1.5 Fe 0.5 O 4 , Limn 1.5 Zn 0.5 O 4 etc.), Lithium titanate (eg Limn 1.5 Zn 0.5 O 4 etc.) Li 4 Ti 5 O 12 ), lithium metal phosphates (eg LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiCoPO 4 , and LiNiPO 4, etc.), lithium compounds such as LiCoN, Li 2 SiO 3 , and Li 4 SiO 4 , transition metal oxides. (For example, V 2 O 5 and MoO 3, etc.), TiS 2 , Si, SiO 2 , and lithium-storable metal-to-metal compounds (for example, Mg 2 Sn, Mg 2 Ge, Mg 2 Sb, Cu 3 Sb, etc.), etc. Can be mentioned. Examples of the lithium alloy include lithium alloys exemplified as lithium alloys used for the negative electrode active material.
The shape of the positive electrode active material is not particularly limited, but may be in the form of particles.
A coat layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the positive electrode active material. This is because the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte can be suppressed.
Examples of the Li ion conductive oxide include LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 3 PO 4, and the like. The thickness of the coat layer is, for example, 0.1 nm or more, and may be 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coat layer is, for example, 100 nm or less, and may be 20 nm or less. The coverage of the coat layer on the surface of the positive electrode active material is, for example, 70% or more, and may be 90% or more.

固体電解質は、そのような固体電解質としては、上述した固体電解質層に含有させることが可能な固体電解質を例示することができる。
正極層における固体電解質の含有量は、特に限定されないが、全固体電池の初回充電前の正極層の総質量を100質量%としたとき、例えば1質量%〜80質量%の範囲内であってもよい。
As such a solid electrolyte, the solid electrolyte can be exemplified as a solid electrolyte that can be contained in the above-mentioned solid electrolyte layer.
The content of the solid electrolyte in the positive electrode layer is not particularly limited, but is, for example, in the range of 1% by mass to 80% by mass when the total mass of the positive electrode layer before the initial charging of the all-solid-state battery is 100% by mass. May be good.

導電材としては、公知のものを用いることができ、例えば、炭素材料、及び金属粒子等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラックやファーネスブラック等のカーボンブラック、VGCF、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種を挙げることができ、中でも、電子伝導性の観点から、VGCF、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。金属粒子としては、Ni、Cu、Fe、及びSUS等の粒子が挙げられる。
正極層における導電材の含有量は特に限定されるものではない。
As the conductive material, a known material can be used, and examples thereof include a carbon material and metal particles. Examples of the carbon material include at least one selected from the group consisting of carbon black such as acetylene black and furnace black, VGCF, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. Among them, from the viewpoint of electron conductivity, It may be at least one selected from the group consisting of VGCF, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. Examples of the metal particles include particles such as Ni, Cu, Fe, and SUS.
The content of the conductive material in the positive electrode layer is not particularly limited.

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。正極層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。 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 layer is not particularly limited.

正極層の厚みについては特に限定されるものではない。 The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited.

正極層は、従来公知の方法で形成することができる。
例えば、正極活物質、及び、必要に応じ他の成分を溶媒中に投入し、撹拌することにより、正極層用スラリーを作製し、当該正極層用スラリーを正極集電体等の支持体の一面上に塗布して乾燥させることにより、正極層が得られる。
溶媒は、例えば酢酸ブチル、酪酸ブチル、ヘプタン、及びN−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。
正極集電体等の支持体の一面上に正極層用スラリーを塗布する方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、及びスクリーン印刷法等が挙げられる。
支持体としては、自己支持性を有するものを適宜選択して用いることができ、特に限定はされず、例えばCu及びAlなどの金属箔等を用いることができる。
The positive electrode layer can be formed by a conventionally known method.
For example, a positive electrode active material and, if necessary, other components are put into a solvent and stirred to prepare a slurry for the positive electrode layer, and the slurry for the positive electrode layer is used on one surface of a support such as a positive electrode current collector. A positive electrode layer is obtained by applying it on top and drying it.
Examples of the solvent include butyl acetate, butyl butyrate, heptane, N-methyl-2-pyrrolidone and the like.
The method of applying the positive electrode layer slurry on one surface of a support such as a positive electrode current collector is not particularly limited, and is a doctor blade method, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, and a roll. Examples include a coating method, a gravure coating method, and a screen printing method.
As the support, one having self-supporting property can be appropriately selected and used, and is not particularly limited, and for example, metal foils such as Cu and Al can be used.

また、正極層の形成方法の別の方法として、正極活物質及び必要に応じ他の成分を含む正極合剤の粉末を加圧成形することにより正極層を形成してもよい。正極合剤の粉末を加圧成形する場合には、通常、1MPa以上600MPa以下程度のプレス圧を負荷する。
加圧方法としては、特に制限されないが、例えば、平板プレス、及びロールプレス等を用いて圧力を付加する方法等が挙げられる。
Further, as another method of forming the positive electrode layer, the positive electrode layer may be formed by pressure molding the powder of the positive electrode mixture containing the positive electrode active material and, if necessary, other components. When the powder of the positive electrode mixture is pressure-molded, a press pressure of about 1 MPa or more and 600 MPa or less is usually applied.
The pressurizing method is not particularly limited, and examples thereof include a method of applying pressure using a flat plate press, a roll press, or the like.

[正極集電体]
全固体電池は、通常、正極層の集電を行う正極集電体を有する。
正極集電体としては、全固体電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、及びInからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。正極集電体としては、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。
正極集電体の形態は特に限定されるものではなく、箔状、及びメッシュ状等、種々の形態とすることができる。
[Positive current collector]
An all-solid-state battery usually has a positive electrode current collector that collects electricity from the positive electrode layer.
As the positive electrode current collector, a known metal that can be used as a current collector for an all-solid-state battery can be used. Such metals include one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Co, Cr, Zn, Ge, and In. Metallic materials can be exemplified. Examples of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium and carbon.
The form of the positive electrode current collector is not particularly limited, and various forms such as a foil shape and a mesh shape can be used.

全固体電池は、必要に応じ、正極層、負極層、及び、固体電解質層等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, an exterior body that houses a positive electrode layer, a negative electrode layer, a solid electrolyte layer, and the like.
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.

全固体電池としては、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であってもよい。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。また、全固体電池は、全固体リチウム二次電池であってもよい。
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 may be a primary battery or a secondary battery, and may be a secondary battery. This is because it can be charged and discharged repeatedly and is useful as an in-vehicle battery, for example. Further, the all-solid-state battery may be an all-solid-state lithium secondary battery.
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、例えば、まず、固体電解質材料の粉末を加圧成形することにより固体電解質層を形成する。そして、固体電解質層の一面上でリチウム元素を含む正極活物質を含む正極合剤の粉末を加圧成形することにより正極層を得る。その後、負極集電体の一面上にBaTiOを、電子ビーム蒸着装置を用いて蒸着してBaTiO層を形成し負極集電体−BaTiO層積層体を得て、固体電解質層の正極層を形成した面とは反対側の面上にBaTiO層が固体電解質層と接するように負極集電体−BaTiO層積層体を取り付ける。そして、必要に応じて正極層の固体電解質層とは反対側の面上に正極集電体を取り付けて前駆体電池とし、前駆体電池を充電することによりBaTiO層をLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層にして本開示の全固体電池としてもよい。
この場合、固体電解質材料の粉末、及び正極合剤の粉末を加圧成形する際のプレス圧は、通常1MPa以上600MPa以下程度である。
加圧方法としては、特に制限されないが、正極層の形成において例示した加圧方法が挙げられる。
In the method for manufacturing an all-solid-state battery of the present disclosure, for example, first, a solid electrolyte layer is formed by pressure molding a powder of a solid electrolyte material. Then, the positive electrode layer is obtained by pressure molding the powder of the positive electrode mixture containing the positive electrode active material containing the lithium element on one surface of the solid electrolyte layer. Then, the BaTiO 3 on one surface of the negative electrode current collector, to obtain an electron beam evaporator was deposited using to form a BaTiO 3 layer negative electrode current collector -BaTiO 3 layer laminate of a solid electrolyte layer positive electrode layer The negative electrode current collector-BaTIO 3- layer laminate is attached so that the BaTiO 3 layer is in contact with the solid electrolyte layer on the surface opposite to the surface on which the above is formed. Then, if necessary, a positive electrode current collector is mounted on the surface of the positive electrode layer opposite to the solid electrolyte layer to form a precursor battery, and by charging the precursor battery, the BaTiO 3 layer is transformed into a Li-Ba-TiO 3 layer. The all-solid-state battery of the present disclosure may be used as a protective layer containing a composite oxide.
In this case, the press pressure for pressure molding the powder of the solid electrolyte material and the powder of the positive electrode mixture is usually about 1 MPa or more and 600 MPa or less.
The pressurizing method is not particularly limited, and examples thereof include the pressurizing method exemplified in the formation of the positive electrode layer.

(実施例1)
保護層の原料としてBaTiOを準備し、電子ビーム蒸着装置を用いて、負極集電体としてのCu箔の一面上に厚さ30nmのBaTiOを成膜して、Cu箔の一面上に保護層の原料層としてBaTiO層を形成した。
そして、硫化物系固体電解質として、LiBrおよびLiIを含むLiS−P系材料を101.7mg準備し、当該硫化物系固体電解質を6ton/cmの圧力でプレスし、固体電解質層(厚さ500μm)を得た。
次に、金属Li箔(厚さ150μm)を固体電解質層の一面上に配置し、固体電解質層の金属Li箔を配置した面とは反対側の面上に固体電解質層とBaTiO層とが接触するようにBaTiO層を一面上に有するCu箔を配置し、これらを1ton/cmの圧力でプレス成型して、その後、成型体を2N・mで拘束し、Li金属箔、固体電解質層、BaTiO層、Cu箔をこの順に有する評価用電池1を得た。
(Example 1)
BaTiO 3 is prepared as a raw material for the protective layer, and a 30 nm-thick BaTiO 3 is formed on one surface of the Cu foil as the negative electrode current collector using an electron beam vapor deposition apparatus to protect the Cu foil on one surface. Three BaTIO layers were formed as the raw material layer of the layer.
Then, 101.7 mg of a Li 2 SP 2 S 5 system material containing LiBr and LiI was prepared as the sulfide-based solid electrolyte, and the sulfide-based solid electrolyte was pressed at a pressure of 6 ton / cm 2 , and the solid electrolyte was pressed. A layer (thickness 500 μm) was obtained.
Next, the metal Li foil (thickness 150 μm) is arranged on one surface of the solid electrolyte layer, and the solid electrolyte layer and the BaTIO 3 layer are formed on the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the metal Li foil is arranged. Cu foils having 3 layers of BaTIO on one surface are placed so as to be in contact with each other, and these are press-molded at a pressure of 1 ton / cm 2 , and then the molded body is restrained at 2 Nm, and Li metal foil and solid electrolyte are used. An evaluation battery 1 having a layer, a BaTiO 3 layer, and a Cu foil in this order was obtained.

(実施例2)
電子ビーム蒸着装置を用いて、Cu箔の一面上にBaTiO層を100nm成膜したこと以外は実施例1と同様の方法で評価用電池2を得た。
(Example 2)
An evaluation battery 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a BaTIO 3 layer was formed on one surface of a Cu foil by 100 nm using an electron beam vapor deposition apparatus.

(比較例1)
電子ビーム蒸着装置を用いて、Cu箔の一面上にBaTiO層の代わりにZnO層を30nm成膜したこと以外は実施例1と同様の方法で評価用電池C1を得た。
(Comparative Example 1)
An evaluation battery C1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a ZnO layer was formed on one surface of the Cu foil by an electron beam vapor deposition apparatus in place of the BaTiO 3 layer at 30 nm.

(比較例2)
電子ビーム蒸着装置を用いて、Cu箔の一面上にBaTiO層の代わりにZnO層を100nm成膜したこと以外は実施例1と同様の方法で評価用電池C2を得た。
(Comparative Example 2)
An evaluation battery C2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a ZnO layer was formed on one surface of the Cu foil by an electron beam vapor deposition apparatus in place of the BaTiO 3 layer at 100 nm.

[充放電試験]
25℃の恒温槽に評価用電池1を1時間静置し、評価用電池1内の温度を均一化した。
次に評価用電池1を、電流密度435μA/cmの一定電流で充電してLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層と負極層を形成し、評価用電池1の充電容量が4.35mAh/cmに到達した時点で充電を停止した。これにより、評価用電池1は、Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層と負極層を有する構成の全固体リチウム二次電池となった。
そして、10分後に評価用電池1を電流密度435μA/cmの一定電流で放電し金属Liを溶解させ、評価用電池1の電圧が1.0Vに到達した時点で放電を終了した。
評価用電池1の充放電効率を下記の式より求めた。
充放電効率(%)=(放電容量;1.0V到達時点の容量[mAh/cm]÷充電容量;4.35[mAh/cm])×100
そして、上記充電開始から放電終了までを1サイクルとして、合計3サイクル充放電を繰り返した。評価用電池1の1〜3サイクルまでの各サイクルの充放電効率から平均充放電効率を算出した。結果を表1及び図2に示す。
また、初回充電時に形成した保護層の複合酸化物中のLi元素の元素比率は1サイクル目の充電時の充電開始時の負極の開回路電位から負極電位0V(Li基準)までの充電容量から算出した。結果を表1に示す。
評価用電池2、C1〜C2についても、評価用電池1と同様の方法で、各評価用電池の平均充放電効率及び各保護層のLi−Ba−TiO複合酸化物又はLi−Zn−O複合酸化物中のLi元素の元素比率を算出した。結果を表1に示す。
[Charge / discharge test]
The evaluation battery 1 was allowed to stand in a constant temperature bath at 25 ° C. for 1 hour to make the temperature inside the evaluation battery 1 uniform.
Next, the evaluation battery 1 is charged with a constant current having a current density of 435 μA / cm 2 to form a protective layer and a negative electrode layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide, and the charging capacity of the evaluation battery 1 is 4. Charging was stopped when it reached .35 mAh / cm 2. As a result, the evaluation battery 1 became an all-solid-state lithium secondary battery having a protective layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide and a negative electrode layer.
Then, 10 minutes later, the evaluation battery 1 was discharged with a constant current having a current density of 435 μA / cm 2 to dissolve the metallic Li, and the discharge was terminated when the voltage of the evaluation battery 1 reached 1.0 V.
The charge / discharge efficiency of the evaluation battery 1 was calculated from the following formula.
Charge / discharge efficiency (%) = (discharge capacity; capacity at the time of reaching 1.0 V [mAh / cm 2 ] ÷ charge capacity; 4.35 [mAh / cm 2 ]) × 100
Then, charging / discharging was repeated for a total of 3 cycles, with the period from the start of charging to the end of discharging as one cycle. The average charge / discharge efficiency was calculated from the charge / discharge efficiency of each cycle from 1 to 3 cycles of the evaluation battery 1. The results are shown in Table 1 and FIG.
The element ratio of Li element in the composite oxide of the protective layer formed at the time of initial charging is from the charge capacity from the open circuit potential of the negative electrode at the start of charging at the start of charging at the first cycle to the negative electrode potential of 0 V (Li reference). Calculated. The results are shown in Table 1.
For the evaluation batteries 2, C1 to C2, the average charge / discharge efficiency of each evaluation battery and the Li-Ba-TIO 3 composite oxide or Li-Zn-O of each protective layer are used in the same manner as in the evaluation battery 1. The element ratio of the Li element in the composite oxide was calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 2021034200
Figure 2021034200

[評価結果]
Li−Zn−O複合酸化物を含む保護層を有する比較例1の評価用電池C1の平均充放電効率は98.1%である。
一方、原料層厚みを比較例1と同じ30nmとして形成したLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層を有する実施例1の評価用電池1の平均充放電効率は、98.7%であり、比較例1の評価用電池C1の平均充放電効率よりも高い。
また、Li−Zn−O複合酸化物を含む保護層を有する比較例2の評価用電池C2の平均充放電効率は97.9%である。
一方、原料層厚みを比較例2と同じ100nmとして形成したLi−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層を有する実施例2の評価用電池2の平均充放電効率は、100.0%であり、比較例2の評価用電池C2の平均充放電効率よりも高く、約2.1%向上している。
したがって、本開示によれば、充放電効率が高い全固体電池を提供することができることが実証された。
[Evaluation results]
The average charge / discharge efficiency of the evaluation battery C1 of Comparative Example 1 having a protective layer containing a Li—Zn—O composite oxide is 98.1%.
On the other hand, the average charge / discharge efficiency of the evaluation battery 1 of Example 1 having the protective layer containing the Li-Ba-TiO 3 composite oxide formed so that the thickness of the raw material layer was 30 nm, which is the same as that of Comparative Example 1, was 98.7%. Yes, it is higher than the average charge / discharge efficiency of the evaluation battery C1 of Comparative Example 1.
Further, the average charge / discharge efficiency of the evaluation battery C2 of Comparative Example 2 having a protective layer containing a Li—Zn—O composite oxide is 97.9%.
On the other hand, the average charge / discharge efficiency of the evaluation battery 2 of Example 2 having the protective layer containing the Li-Ba-TiO 3 composite oxide formed so that the thickness of the raw material layer was 100 nm, which is the same as that of Comparative Example 2, was 100.0%. Yes, it is higher than the average charge / discharge efficiency of the evaluation battery C2 of Comparative Example 2, and is improved by about 2.1%.
Therefore, according to the present disclosure, it has been demonstrated that an all-solid-state battery having high charge / discharge efficiency can be provided.

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

Claims (1)

負極の反応として金属リチウムの析出−溶解反応を利用した全固体電池であって、
前記全固体電池の満充電時において、負極集電体と、負極層と、Li−Ba−TiO複合酸化物を含む保護層と、固体電解質層と、正極層と、をこの順に有し、
前記Li−Ba−TiO複合酸化物中のリチウム元素の元素比率が0.2atomic%以上3.6atomic%以下であることを特徴とする全固体電池。
An all-solid-state battery that utilizes the precipitation-dissolution reaction of metallic lithium as the reaction of the negative electrode.
When the all-solid-state battery is fully charged, it has a negative electrode current collector, a negative electrode layer, a protective layer containing a Li-Ba-TiO 3 composite oxide, a solid electrolyte layer, and a positive electrode layer in this order.
An all-solid-state battery characterized in that the element ratio of the lithium element in the Li-Ba-TiO 3 composite oxide is 0.2 atomic% or more and 3.6 atomic% or less.
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