JP2021082555A - Processing method for sulfide all-solid-state lithium-ion battery - Google Patents

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Abstract

To provide a processing method of a sulfide all-solid-state lithium-ion battery that can suppress the generation of hydrogen sulfide gas and treat it safely.SOLUTION: A processing method of a sulfide all-solid-state lithium-ion battery includes a control step of maintaining a sulfide all-solid-state lithium-ion battery by using a sulfide solid electrolyte at 60°C to 80°C, and applying a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願は硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法に関する。 The present application relates to a method for treating a sulfide all-solid-state lithium-ion battery using a sulfide solid electrolyte.

パソコン、スマートフォンやタブレットなどの情報関連機器および通信機器等が非常に高性能かつ薄型化しているため、そこに用いられる電池も小型、軽量で高容量であることが求められている。また、自動車産業においては電気自動車やハイブリッド車の開発、普及が進められており、より高出力かつ高容量な電池の開発が求められている。そうして開発が進められてきた種々の電池の中でも、エネルギー密度の高さから、リチウムイオン電池が注目されている。 Since information-related devices such as personal computers, smartphones and tablets, and communication devices have extremely high performance and thinness, the batteries used therein are also required to be small, lightweight, and have high capacity. Further, in the automobile industry, the development and popularization of electric vehicles and hybrid vehicles are being promoted, and the development of batteries having higher output and higher capacity is required. Among the various batteries that have been developed in this way, lithium-ion batteries are attracting attention because of their high energy density.

さらに、リチウムイオン電池の中でも、電解質として固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は、電池内に液体である有機溶媒を用いないため、装置の簡素化を図ることが可能であり、また出力特性等において優れると考えられている。 Further, among lithium ion batteries, an all-solid-state lithium-ion battery that uses a solid electrolyte as an electrolyte does not use an organic solvent that is a liquid in the battery, so that the device can be simplified and the output characteristics and the like can be simplified. Is considered to be excellent in.

このように全固体リチウムイオン電池の利用はさらに広がっていくと考えられ、その廃棄、リサイクルなども問題になってくることが予想される。しかし、リサイクルのためには電池を解体処理することが必要となってくるが、全固体リチウムイオン電池の固体電解質として用いられている硫化物系固体電解質材料は、水分と接触した場合に硫化水素を発生することが知られており、その発生を抑制する方法が検討されてきた。 In this way, the use of all-solid-state lithium-ion batteries is expected to expand further, and it is expected that their disposal and recycling will become a problem. However, although it is necessary to disassemble the battery for recycling, the sulfide-based solid electrolyte material used as the solid electrolyte of the all-solid-state lithium-ion battery is hydrogen sulfide when it comes into contact with water. Is known to occur, and methods for suppressing the occurrence have been studied.

特許文献1は硫化物系電解質材料が所定の温度より高温に曝されると、その組成は硫化水素が発生しやすい組成に変更されるという特性を有していることを開示している。そして、硫化物系電解質材料含有層を備える全固体リチウム二次電池において、内部温度が上昇し、所定の温度に達した場合に、全固体リチウム二次電池の充放電量を低下させることによって、全固体リチウム二次電池の温度上昇を抑制し、硫化物系固体電解質材料の組成変更を抑制する方法を開示している。 Patent Document 1 discloses that when a sulfide-based electrolyte material is exposed to a temperature higher than a predetermined temperature, its composition is changed to a composition in which hydrogen sulfide is easily generated. Then, in the all-solid-state lithium secondary battery provided with the sulfide-based electrolyte material-containing layer, when the internal temperature rises and reaches a predetermined temperature, the charge / discharge amount of the all-solid-state lithium secondary battery is reduced. It discloses a method of suppressing a temperature rise of an all-solid-state lithium secondary battery and suppressing a composition change of a sulfide-based solid electrolyte material.

特許文献2は容器の破損を伴う水没などで電池内に大量の水が浸入した場合に硫化水素ガスの発生を抑制するため、予め金属塩を電池ケース内に封入し、水の侵入時には乖離して生成された金属カチオンと、硫化物イオンを反応させることで硫化水素ガスの発生を抑制する方法を開示している。特許文献3では、LiS−P−LiI−LiBr系の硫化物固体電解質において、LiSの一部をKSに置換することで硫化水素の発生を抑制することができることを開示している。また、特許文献4では含有されるリチウム、リン、ビスマスの量を一定割合とすることにより硫化水素ガスの発生を抑制することができることを開示している。 Patent Document 2 encloses a metal salt in a battery case in advance in order to suppress the generation of hydrogen sulfide gas when a large amount of water infiltrates into the battery due to submersion caused by damage to the container, and dissociates when water invades. Discloses a method of suppressing the generation of hydrogen sulfide gas by reacting the metal cations generated in the above with sulfide ions. In Patent Document 3, in the Li 2 SP 2 S 5- LiI-LiBr-based sulfide solid electrolyte, the generation of hydrogen sulfide can be suppressed by substituting a part of Li 2 S with K 2 S. Is disclosed. Further, Patent Document 4 discloses that the generation of hydrogen sulfide gas can be suppressed by setting the amount of lithium, phosphorus, and bismuth contained in a constant ratio.

一方、全固体リチウム二次電池のリサイクルの観点からは、負極層と負極集電体とを効率よく分離できる処理方法が開示されている(特許文献5)。 On the other hand, from the viewpoint of recycling the all-solid-state lithium secondary battery, a treatment method capable of efficiently separating the negative electrode layer and the negative electrode current collector is disclosed (Patent Document 5).

国際公開第2011/027430号International Publication No. 2011/027430 特開2008−198489号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-198489 特開2019−160510号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-160510 特開2014−154376号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-154376 特開2016−157608号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-157608

しかし、硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池を分解し、大気に曝露させた際に起こる硫化水素ガスの発生を抑制し、安全に処理するための方法について、有効な方法は知られていない。 However, there is an effective method for decomposing a sulfide all-solid-state lithium-ion battery using a sulfide solid electrolyte, suppressing the generation of hydrogen sulfide gas that occurs when exposed to the atmosphere, and treating it safely. unknown.

そこで、硫化水素ガスの発生を抑制し、安全に処理することができる硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法を提供することを課題とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for treating a sulfide all-solid-state lithium-ion battery that can suppress the generation of hydrogen sulfide gas and treat it safely.

本開示は、以下の手段によって上記の目的を達成するものである。 The present disclosure achieves the above object by the following means.

硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池を60°C〜80°Cに保ち、4.2V〜4.5Vの正極電圧を印加する制御工程を備える硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法。 A sulfide all-solid-state lithium-ion battery having a control step of keeping a sulfide all-solid-state lithium-ion battery using a sulfide solid electrolyte at 60 ° C to 80 ° C and applying a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V. Processing method.

本開示の処理方法により、処理時に硫化水素ガスが発生することを抑制することができる。これによれば、硫化物全固体リチウムイオン電池を安全に処理することができる。 According to the treatment method of the present disclosure, it is possible to suppress the generation of hydrogen sulfide gas during the treatment. According to this, the sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be safely treated.

硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法1について、フローチャートで示したものである。The processing method 1 of the sulfide all-solid-state lithium ion battery is shown in the flowchart. 実施例1、2、および参考例におけるX線吸収微細構造(X−ray absorption fine structure:XAFS)分析のチャートである。It is a chart of the X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis in Examples 1, 2 and Reference Example. 比較例におけるX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)のスペクトルである。It is a spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy) in the comparative example.

本願は硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池を60°C〜80°Cに保ち、4.2V〜4.5Vの正極電圧を印加する制御工程を備える硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法を開示する。 The present application comprises a control step of keeping a sulfide all-solid-state lithium-ion battery using a sulfide solid electrolyte at 60 ° C to 80 ° C and applying a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V. Disclose the processing method of the battery.

ここで、「処理」とは、電池を死活(失活)させ、死活(失活)した電池について、廃棄やリサイクルなどの処理を行うことである。 Here, the "treatment" is to deactivate (deactivate) the battery and dispose of or recycle the deactivated (inactivated) battery.

以下、本開示の硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法について、一実施形態である硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法1(以下「処理方法1」ということがある)を用いて説明する。図1に処理方法1のフローチャートを示した。 Hereinafter, the treatment method of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery of the present disclosure will be described using the treatment method 1 of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery according to the embodiment (hereinafter, may be referred to as “treatment method 1”). .. FIG. 1 shows a flowchart of the processing method 1.

硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法1は、硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池を60°C〜80°Cに保ち、4.2V〜4.5Vの正極電圧を印加する工程(制御工程S2)を少なくとも備えることを特徴としている。また、図1に記載されるように制御工程S2の前に、硫化物全固体リチウムイオン電池の劣化の度合いを判断する判断工程(判断工程S1)を備え、さらに制御工程S2を経た電池の抵抗値を確認する確認工程(確認工程S3)を備えてもよい。判断工程S1、確認工程S3は任意の工程である。 In the treatment method 1 of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery, the sulfide all-solid-state lithium-ion battery using the sulfide solid electrolyte is kept at 60 ° C to 80 ° C, and a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V is applied. It is characterized in that it includes at least a step (control step S2). Further, as shown in FIG. 1, a determination step (determination step S1) for determining the degree of deterioration of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery is provided before the control step S2, and the resistance of the battery undergoing the control step S2. A confirmation step (confirmation step S3) for confirming the value may be provided. The determination step S1 and the confirmation step S3 are arbitrary steps.

<硫化物全固体リチウムイオン電池>
まず、処理方法1において処理される硫化物全固体リチウムイオン電池について説明する。
処理方法1において処理される硫化物全固体リチウムイオン電池とは、硫化物固体電解質を少なくとも用いた全固体リチウムイオン電池を意味する。この硫化物固体電解質としては、少なくともLiPSを含む。その他、公知の硫化物質系固体電解質を含んでもよい。例えば、LiS−P、LiS−SiS、LiI−LiS−SiS、LiI−SiS−P、LiS−P−LiI−LiBr、LiI−LiS−P、LiI−LiS−P、LiI−LiPO−P、LiS−P−GeS等を挙げることができる。
<Sulfide all-solid-state lithium-ion battery>
First, the sulfide all-solid-state lithium-ion battery treated in the treatment method 1 will be described.
The sulfide all-solid-state lithium-ion battery treated in the treatment method 1 means an all-solid-state lithium-ion battery using at least a sulfide solid electrolyte. The sulfide solid electrolyte contains at least Li 3 PS 4 . In addition, a known sulfide-based solid electrolyte may be contained. For example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Si 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5- LiI-LiBr. , LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5, Li 2 S-P 2 include the S 5 -GeS 2, etc. Can be done.

このような電池は、例えば次のような構成を有する。すなわち、正極層、負極層、および正極層と負極層との間に配置される固体電解質層とを備える。また、少なくとも硫化物全固体リチウムイオン電池の積層方向の端部の面のうち、正極側の面には正極集電体を配置する。また、少なくとも硫化物全固体リチウムイオン電池の積層方向の端部の面のうち、負極側の面には負極集電体を配置する。ただし、正極集電体および負極集電体は、硫化物全固体リチウムイオン電池の内部にも備えられていてもよい。 Such a battery has, for example, the following configuration. That is, it includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer arranged between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Further, at least among the surfaces of the ends of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery in the stacking direction, the positive electrode current collector is arranged on the surface on the positive electrode side. Further, at least among the surfaces at the ends of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery in the stacking direction, the negative electrode current collector is arranged on the surface on the negative electrode side. However, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may also be provided inside the sulfide all-solid-state lithium-ion battery.

正極層は、少なくとも正極活物質を含む。正極層には、正極活物質に加えて、任意に固体電解質、バインダーおよび導電剤等を含ませることができる。正極活物質は公知の正極活物質を用いればよい。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物等の各種のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。正極活物質は表面がニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の酸化物層で被覆されていてもよい。正極層に含まれ得る固体電解質は特に限定されないが、硫化物固体電解質が好ましい。硫化物固体電解質は前述したような、公知の硫化物固体電解質を用いることができる。
正極層に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)、ブチレンゴム(IIR)、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)等が挙げられる。正極層に含まれ得る導電剤としてはアセチレンブラックやケッチェンブラック、気相法炭素繊維(VGCF)等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。正極層における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極層の形状も従来と同様とすればよい。特に、硫化物全固体リチウムイオン電池を容易に構成できる観点から、シート状の正極層が好ましい。この場合、正極層の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上150μm以下であることがより好ましい。
The positive electrode layer contains at least the positive electrode active material. In addition to the positive electrode active material, the positive electrode layer may optionally contain a solid electrolyte, a binder, a conductive agent, and the like. As the positive electrode active material, a known positive electrode active material may be used. For example, when a lithium ion battery, lithium cobalt oxide as the positive electrode active material, lithium nickelate, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, lithium manganate, various such spinel type lithium compound Lithium-containing composite oxides can be used. The surface of the positive electrode active material may be coated with an oxide layer such as a lithium niobate layer, a lithium titanate layer, or a lithium phosphate layer. The solid electrolyte that can be contained in the positive electrode layer is not particularly limited, but a sulfide solid electrolyte is preferable. As the sulfide solid electrolyte, a known sulfide solid electrolyte as described above can be used.
Examples of the binder that can be contained in the positive electrode layer include butadiene rubber (BR), butylene rubber (IIR), acrylate butadiene rubber (ABR), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-). HFP) and the like. Examples of the conductive agent that can be contained in the positive electrode layer include carbon materials such as acetylene black, ketjen black, and vapor phase carbon fiber (VGCF), and metal materials such as nickel, aluminum, and stainless steel. The content of each component in the positive electrode layer may be the same as before. The shape of the positive electrode layer may be the same as the conventional one. In particular, a sheet-shaped positive electrode layer is preferable from the viewpoint that a sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be easily constructed. In this case, the thickness of the positive electrode layer is preferably, for example, 0.1 μm or more and 1 mm or less, and more preferably 1 μm or more and 150 μm or less.

負極層は、少なくとも負極活物質を含む。負極層には、負極活物質に加えて、任意に固体電解質、バインダーおよび導電剤等を含ませることができる。負極活物質は公知の負極活物質を用いればよい。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてSiやSi合金や酸化ケイ素等のシリコン系活物質;グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質;チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質;金属リチウムやリチウム合金等を用いることができる。負極層に含まれ得る固体電解質は特に限定されないが、硫化物固体電解質が好ましい。硫化物固体電解質は、公知の硫化物固体電解質を用いることができる。例えば、上述した硫化物固体電解質を例示することができる。負極層に含まれ得るバインダーとしては、例えば、上述したバインダーを例示することができる。負極層に含まれ得る導電剤としては、例えば、上述した導電剤を例示することができる。負極層における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極層の形状も従来と同様とすればよい。特に、硫化物全固体リチウムイオン電池を容易に構成できる観点から、シート状の負極層が好ましい。この場合、負極層の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上150μm以下であることがより好ましい。ただし、負極の容量が正極の容量よりも大きくなるように、負極層の大きさ(面積や厚み)を決定することが好ましい。 The negative electrode layer contains at least the negative electrode active material. In addition to the negative electrode active material, the negative electrode layer may optionally contain a solid electrolyte, a binder, a conductive agent, and the like. As the negative electrode active material, a known negative electrode active material may be used. For example, in the case of forming a lithium ion battery, as a negative electrode active material, a silicon-based active material such as Si, Si alloy or silicon oxide; a carbon-based active material such as graphite or hard carbon; various oxide-based active materials such as lithium titanate. Material: Metallic lithium, lithium alloy, etc. can be used. The solid electrolyte that can be contained in the negative electrode layer is not particularly limited, but a sulfide solid electrolyte is preferable. As the sulfide solid electrolyte, a known sulfide solid electrolyte can be used. For example, the above-mentioned sulfide solid electrolyte can be exemplified. As the binder that can be contained in the negative electrode layer, for example, the above-mentioned binder can be exemplified. As the conductive agent that can be contained in the negative electrode layer, for example, the above-mentioned conductive agent can be exemplified. The content of each component in the negative electrode layer may be the same as the conventional one. The shape of the negative electrode layer may be the same as the conventional one. In particular, a sheet-shaped negative electrode layer is preferable from the viewpoint that a sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be easily constructed. In this case, the thickness of the negative electrode layer is preferably, for example, 0.1 μm or more and 1 mm or less, and more preferably 1 μm or more and 150 μm or less. However, it is preferable to determine the size (area and thickness) of the negative electrode layer so that the capacity of the negative electrode is larger than the capacity of the positive electrode.

固体電解質層は、固体電解質を含む。固体電解質層には、固体電解質に加えて、任意にバインダー、および導電剤等を含ませることができる。固体電解質層に含まれる固体電解質は特に限定されないが硫化物固体電解質であることが好ましい。硫化物固体電解質は、上述したような公知の硫化物固体電解質を用いることができる。固体電解質層に含まれ得るバインダーとしては、例えば、上述したバインダーを例示することができる。固体電解質層に含まれ得る導電剤としては、例えば、上述した導電剤を例示することができる。固体電解質層における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層の形状も従来と同様とすればよい。特に、硫化物全固体リチウムイオン電池を容易に構成できる観点から、シート状の硫化物固体電解質層が好ましい。この場合、硫化物固体電解質層の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。 The solid electrolyte layer contains a solid electrolyte. In addition to the solid electrolyte, the solid electrolyte layer may optionally contain a binder, a conductive agent and the like. The solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably a sulfide solid electrolyte. As the sulfide solid electrolyte, a known sulfide solid electrolyte as described above can be used. As the binder that can be contained in the solid electrolyte layer, for example, the above-mentioned binder can be exemplified. Examples of the conductive agent that can be contained in the solid electrolyte layer include the above-mentioned conductive agents. The content of each component in the solid electrolyte layer may be the same as before. The shape of the solid electrolyte layer may be the same as the conventional one. In particular, a sheet-shaped sulfide solid electrolyte layer is preferable from the viewpoint that a sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be easily constructed. In this case, the thickness of the sulfide solid electrolyte layer is preferably, for example, 0.1 μm or more and 1 mm or less, and more preferably 1 μm or more and 100 μm or less.

正極集電体および負極集電体は、金属箔や金属メッシュ等により構成すれば良く、中でも、特に金属箔が好ましい。正極集電体および負極集電体を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特にCu、Alが好ましい。正極集電体および負極集電体は、その表面に、抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよい。正極集電体および負極集電体の各々の厚みは特に限定されるものではない。例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。 The positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be formed of a metal foil, a metal mesh, or the like, and a metal foil is particularly preferable. Examples of the metal constituting the positive electrode current collector and the negative electrode current collector include Cu, Ni, Cr, Au, Pt, Ag, Al, Fe, Ti, Zn, Co, and stainless steel. Especially Cu and Al are preferable. The positive electrode current collector and the negative electrode current collector may have some coating layer on the surface thereof for adjusting the resistance. The thickness of each of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is not particularly limited. For example, it is preferably 0.1 μm or more and 1 mm or less, and more preferably 1 μm or more and 100 μm or less.

このような硫化物全固体リチウムイオン電池は公知の方法により作製することができる。例えば、別々に作製した正極層、固体電解質層、負極層を積層して、プレスすることで作製することができる。正極層は、正極層を構成する成分を含むスラリーを基材又は正極集電体に塗布し、乾燥させることにより作製することができる。負極層は、負極層を構成する成分を含むスラリーを基材又は負極集電体に塗布し、乾燥させることにより作製することができる。固体電解質層は、固体電解質層を構成する成分を含むスラリーを基材に塗布し、乾燥させることにより作製することができる。 Such a sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be produced by a known method. For example, it can be produced by laminating and pressing a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer that are separately produced. The positive electrode layer can be produced by applying a slurry containing a component constituting the positive electrode layer to a base material or a positive electrode current collector and drying the slurry. The negative electrode layer can be produced by applying a slurry containing a component constituting the negative electrode layer to a base material or a negative electrode current collector and drying the slurry. The solid electrolyte layer can be produced by applying a slurry containing a component constituting the solid electrolyte layer to a base material and drying it.

また、上記により作製した硫化物全固体リチウムイオン電池は金属ラミネートフィルム等で封止されていてもよい。 Further, the sulfide all-solid-state lithium-ion battery produced as described above may be sealed with a metal laminate film or the like.

次に、処理方法1に備えられる各工程について説明する。 Next, each step provided in the processing method 1 will be described.

<判断工程S1>
判断工程S1は硫化物全固体リチウムイオン電池の劣化の度合いを判断する工程である。判断工程S1により、硫化物全固体リチウムイオン電池を処理すべきか否か判断することができる。
<Judgment process S1>
The determination step S1 is a step of determining the degree of deterioration of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery. In the determination step S1, it can be determined whether or not the sulfide all-solid-state lithium ion battery should be treated.

ここで「劣化の度合いを判断する」とは電池の劣化の度合いが基準値以上であるか否かによって、該電池に対して制御工程S2を行うかどうかを判断することであり、基準値以上であった場合、電池を処理すべきであると判断することができる。劣化の度合いについては、例えば容量の低下率などにより判断することができる。また、基準値については、電池の使用態様等を考慮して適宜定めることができるが、本開示においては容量の低下率75%基準とする。 Here, "determining the degree of deterioration" means determining whether or not to perform the control step S2 on the battery depending on whether or not the degree of deterioration of the battery is equal to or higher than the reference value, and is equal to or higher than the reference value. If so, it can be determined that the battery should be processed. The degree of deterioration can be determined, for example, by the rate of decrease in capacity. Further, the reference value can be appropriately determined in consideration of the usage mode of the battery and the like, but in the present disclosure, the reduction rate of the capacity is set to 75%.

<制御工程S2>
判断工程S1により、劣化の度合いが上記で定めた基準値以上であった場合、制御工程S2を行う。
制御工程S2は判断工程S1において、処理すべきと判断された電池を死活(失活)する工程である。
<Control process S2>
When the degree of deterioration is equal to or higher than the reference value determined above in the determination step S1, the control step S2 is performed.
The control step S2 is a step of activating (deactivating) the battery determined to be processed in the determination step S1.

具体的には、硫化物全固体リチウムイオン電池を25°C〜180°Cに保持し、4.2V〜4.5Vの正極電圧を印加する工程である。好ましい温度は80°C〜100°Cである。また、好ましい電圧は4.4〜4.5Vである。好ましい通電形式はサイクル通電である。サイクル通電の条件は特に限定されないが、SOC(State of Charge:充電率)0〜100%、2Cの条件で行ってもよい。通電の回数については特に制限はなく、抵抗上昇率、および容量の低下率を監視しながら判断する。 Specifically, it is a step of holding a sulfide all-solid-state lithium-ion battery at 25 ° C to 180 ° C and applying a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V. The preferred temperature is 80 ° C to 100 ° C. The preferable voltage is 4.4 to 4.5V. The preferred energization type is cycle energization. The conditions for cycle energization are not particularly limited, but the conditions of SOC (State of Charge: charge rate) 0 to 100% and 2C may be used. There is no particular limitation on the number of times of energization, and the judgment is made while monitoring the resistance increase rate and the capacitance decrease rate.

硫化物系固体電解質に含有されるLiPSは、大気に曝露した場合、大気中の水分により
Li+HO→LiPO+HS・・・式(1)
という反応を起こし、この反応により硫化水素が発生する。硫化水素は非常に毒性が強いため、作業の安全性の観点から、この反応が起こらないようにすることが望ましい。
When Li 3 PS 4 contained in the sulfide-based solid electrolyte is exposed to the atmosphere, Li 3 + H 2 O → Li 3 PO 4 + H 2 S ... Equation (1) due to the moisture in the atmosphere.
This reaction causes hydrogen sulfide to be generated. Since hydrogen sulfide is extremely toxic, it is desirable to prevent this reaction from the viewpoint of work safety.

今回、発明者は制御工程S2を行うことにより、LiPSに対して、
LiPS→Li+2S+2Li・・・式(2)
という反応を促進することにより処理時において、硫化水素の発生を抑制することができる、という知見を得た。
Liは300°C以下では空気中での分解も起こらない物質である。そのため、リサイクルなどの目的で電池を分解する場合にあっても、安全に作業を行うことができる。
This time, the inventor performed the control step S2 to control Li 3 PS 4 .
Li 3 PS 4 → Li 4 P 2 S 6 + 2S + 2Li ... Equation (2)
It was found that the generation of hydrogen sulfide can be suppressed during the treatment by promoting the reaction.
Li 4 P 2 S 6 is a substance that does not decompose in air below 300 ° C. Therefore, even when the battery is disassembled for the purpose of recycling or the like, the work can be performed safely.

なお、制御工程S2においてLi、および単体の硫黄はXAFSのピークでLiPSの0.8倍〜2倍程度まで生成させることが好ましく、1.4〜1.8まで生成させることがより好ましい。 In the control step S2, Li 4 P 2 S 6 and elemental sulfur are preferably produced up to about 0.8 to 2 times that of Li 3 PS 4 at the peak of XAFS, up to 1.4 to 1.8. It is more preferable to generate it.

<確認工程S3>
確認工程S3は、制御工程S2の後に行われ、硫化物全固体リチウムイオン電池が安全に処理可能か否かどうかを判断する工程である。
<Confirmation process S3>
The confirmation step S3 is performed after the control step S2, and is a step of determining whether or not the sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be safely processed.

具体的には、硫化物全固体リチウムイオン電池の抵抗値が所定の基準値以上であるか否かを判断する工程である。抵抗値が所定の基準値以上であれば式(2)の反応が十分に進んでおり、硫化物全固体リチウムイオン電池を安全に処理することができる。また、抵抗値が所定の基準未満であるときは、式(2)の反応が十分に進んでおらず硫化物全固体リチウムイオン電池を安全に処理することが難しいと判断できる。そのため抵抗値が所定の基準未満であるときは、再度制御工程S2を行い、反応を十分に進行させる。すなわち、基準値以上になるまで制御工程S2と、確認工程S3とを繰り返し行う。所定の基準値は、電池の処理環境等を考慮して適宜定めることができる。
抵抗値については電圧と電流を測定し計算するが、測定方法、測定機器については一般的な計測方法、計測機器を制限なく用いることができる。
Specifically, it is a step of determining whether or not the resistance value of the sulfide all-solid-state lithium-ion battery is equal to or higher than a predetermined reference value. If the resistance value is equal to or higher than a predetermined reference value, the reaction of the formula (2) has proceeded sufficiently, and the sulfide all-solid-state lithium-ion battery can be safely treated. When the resistance value is less than a predetermined standard, it can be determined that the reaction of the formula (2) has not proceeded sufficiently and it is difficult to safely process the sulfide all-solid-state lithium-ion battery. Therefore, when the resistance value is less than a predetermined reference, the control step S2 is performed again to allow the reaction to proceed sufficiently. That is, the control step S2 and the confirmation step S3 are repeated until the value becomes equal to or higher than the reference value. The predetermined reference value can be appropriately determined in consideration of the processing environment of the battery and the like.
The resistance value is calculated by measuring the voltage and current, but the measuring method and the measuring device can be a general measuring method and the measuring device without limitation.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The materials, amounts used, ratios, treatment contents, treatment procedures, etc. shown in the following examples can be appropriately changed as long as they do not deviate from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.

(実施例1、2、参考例)
<硫化物全固体リチウムイオン電池の作製>
正極材料としてLiNbOの表面処理を施したニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi/5Co/5Mn/5O)84.7重量%、固体電解質(10LiI−15LiBr−85(0.75LiS−0.25P))13.4重量%、気相法炭素繊維(VGCF)1.3重量%、およびバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF))0.6重量%を混合したものを正極合材とし、溶媒として酪酸ブチルを使用してスラリーを作成した。得られたスラリーを厚みが15μmになるようにAl箔に塗布、乾燥して正極集電箔とした。
次に、負極活物質としてチタン酸リチウム(LTO)71重量%、VGCF1.7重量%、固体電解質(10LiI−15LiBr−85(0.75LiS−0.25P))23.9重量%、バインダー(PVDF)3.4重量%を混合し、酪酸ブチルを溶媒として正極活物質と同様にスラリーを作製、負極集電箔としてNi箔を用い、得られたスラリーを厚み15μmになるように塗布、乾燥して負極を作製した。また、硫化物固体電解質(LiPS、およびLi11の混合物)を用いて固体電解質層を作製した。そして正極、固体電解質、負極の順に配置し、ラミネートで封止して、実施例1、2、および参考例に係る硫化物全固体リチウムイオン電池を作製した 。
(Examples 1 and 2, reference example)
<Manufacturing of sulfide all-solid-state lithium-ion battery>
Lithium nickel cobalt manganese oxide subjected to a surface treatment of LiNbO 3 as a positive electrode material (LiNi 3 / 5Co 1 / 5Mn 1 / 5O 2) 84.7 wt%, a solid electrolyte (10LiI-15LiBr-85 (0.75Li 2 S- 0.25P 2 S 5 )) 13.4% by weight, 1.3% by weight of vapor phase carbon fiber (VGCF), and 0.6% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed in the positive electrode. A slurry was prepared using butyl butyrate as a material and a solvent. The obtained slurry was applied to an Al foil so as to have a thickness of 15 μm, and dried to obtain a positive electrode current collector foil.
Next, as the negative electrode active material, 71% by weight of lithium titanate (LTO), 1.7% by weight of VGCF, and 23.9% by weight of solid electrolyte (10LiI-15LiBr-85 (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 )). % And 3.4% by weight of the binder (PVDF) were mixed to prepare a slurry in the same manner as the positive electrode active material using butyl butyrate as a solvent, and Ni foil was used as the negative electrode current collecting foil so that the obtained slurry had a thickness of 15 μm. And dried to prepare a negative electrode. In addition, a solid electrolyte layer was prepared using a sulfide solid electrolyte ( a mixture of Li 3 PS 4 and Li 3 P 7 S 11). Then, the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode were arranged in this order and sealed with a laminate to prepare a sulfide all-solid-state lithium-ion battery according to Examples 1 and 2, and Reference Example.

[耐久試験]
作製した硫化物全固体リチウムイオン電池に対して、表1に記載の温度で加温、さらにSOC0−100%、2Cの条件で30日間サイクル通電(正極電圧 4.5V)を行った。そして、耐久試験後の硫化物全固体リチウムイオン電池に対して、以下の測定を行った。
[An endurance test]
The prepared sulfide all-solid-state lithium-ion battery was heated at the temperatures shown in Table 1 and further subjected to cycle energization (positive electrode voltage 4.5 V) for 30 days under the conditions of SOC 0-100% and 2C. Then, the following measurements were carried out on the sulfide all-solid-state lithium-ion battery after the durability test.

<Liと2LiPSとの量比、Liの生成速度>
耐久試験後の硫化物全固体リチウムイオン電池に対して、あいちシンクロトン光センターのAichiSR BL6N1(軟X線XAFS・光電子分光ビームライン)を用いて、X光エネルギー2〜3 keV、ビームサイズ2.0×1.0mm(幅×高さ)の条件でX線吸収微細構造(X−ray absorption fine structure:XAFS)分析を行った。生成したLiと2LiPSとの量比、Liの生成速度についてピーク強度から分析した。結果を表1に示す。X線吸収微細構造(X−ray absorption fine structure:XAFS)分析のチャートを図2に示す。
< Amount ratio of Li 4 P 2 S 6 to 2 Li 3 PS 4 and rate of formation of Li 4 P 2 S 6>
For the sulfide all-solid-state lithium-ion battery after the durability test, using AichiSR BL6N1 (soft X-ray XAFS / photoelectron spectroscopy beamline) of Aichi Synchroton Optical Center, X-ray energy 2-3 keV, beam size 2. X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis was performed under the condition of 0 × 1.0 mm (width × height). The quantitative ratio of the produced Li 4 P 2 S 6 to 2 Li 3 PS 4 and the production rate of Li 4 P 2 S 6 were analyzed from the peak intensities. The results are shown in Table 1. A chart of X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis is shown in FIG.

<放電抵抗>
耐久試験後の硫化物全固体リチウムイオン電池固体電池に対して、SOC 60%、2.5Cの条件にて放電抵抗を計測し、耐久試験前の抵抗値と比較した。
<Discharge resistance>
Sulfide all-solid-state lithium-ion battery after the durability test The discharge resistance of the solid-state battery was measured under the conditions of SOC 60% and 2.5C, and compared with the resistance value before the durability test.

<硫化水素発生量>
耐久試験後の硫化物全固体リチウムイオン電池固体電池の固体電解質層の硫化物固体電解質を200mlのバイアル瓶に入れて相対湿度(RH)30〜40%の空気を瓶内に流し込み、一時間放置した後に硫化水素発生量をマスフローメータにより測定した。結果を表1に示す。
<Amount of hydrogen sulfide generated>
Sulfide after endurance test All-solid-state lithium-ion battery Put the sulfide solid electrolyte in the solid electrolyte layer of the solid-state battery into a 200 ml vial, pour air with a relative humidity (RH) of 30-40% into the bottle, and leave it for 1 hour. After that, the amount of hydrogen sulfide generated was measured with a mass flow meter. The results are shown in Table 1.

<硫化物固体電解質の発熱量>
発熱量は、試料容器としてSUS金メッキ密封容器を用い、アルゴンガス雰囲気下、測定温度20°Cから500℃、昇温速度10°C/minの条件で、示差走査熱量(Differential Scanning Calorimetry:DSC)法により測定した。結果を表1に示す。
<The calorific value of the sulfide solid electrolyte>
The calorific value is measured by using a SUS gold-plated sealed container as a sample container, under conditions of a measurement temperature of 20 ° C. to 500 ° C. and a temperature rise rate of 10 ° C./min under an argon gas atmosphere, differential scanning calorimetry (DSC). Measured by method. The results are shown in Table 1.

Figure 2021082555
Figure 2021082555

表1に示す通り、加温温度が25°Cと、60°Cと、80°Cとでは温度が高いほど、Liの生成速度が速くなっている。ここから、高い温度で加温するほどLiが速やかに生成されることがわかる。これは、温度が高いほど全体に占めるLiの割合が大きくなっていることからもわかる。また、放電抵抗の値からも、加温した温度が高いほど2LiPSの分解が進んで、固体電解質層がその機能を失っていることが読み取れる。 As shown in Table 1, at the heating temperatures of 25 ° C, 60 ° C and 80 ° C, the higher the temperature, the faster the rate of formation of Li 4 P 2 S 6. From this, it can be seen that the higher the temperature, the faster Li 4 P 2 S 6 is produced. This can be seen from the fact that the higher the temperature, the larger the proportion of Li 4 P 2 S 6 in the whole. Also, from the value of the discharge resistance, it can be read that the higher the heated temperature, the more the decomposition of 2Li 3 PS 4 progresses, and the solid electrolyte layer loses its function.

硫化水素の発生量についても、80°Cでの加温を行った実施例1では、ほぼ室温である25°Cの加温であった参考例3に比べ1/2以下となっている。 The amount of hydrogen sulfide generated is also less than 1/2 of that of Reference Example 3, which was heated at 25 ° C, which is almost room temperature, in Example 1 in which heating was performed at 80 ° C.

また、発熱量が大幅に下がっていることから、80°Cでの加温では、電池がより効果的に死活していると考えられる。 In addition, since the calorific value is significantly reduced, it is considered that the battery is more effectively alive and dead when heated at 80 ° C.

耐久試験後の抵抗値についても温度が上がるほど、60°Cでは25°Cで電圧を印加した場合に比べ約2.36倍、80°Cでは2.76倍と抵抗値が増している。60°C程度の加温でも式(2)の反応は起こり分解が始まるが、より高い80°Cの方がより反応が進行すると考えらる。 As for the resistance value after the durability test, as the temperature rises, the resistance value increases to about 2.36 times at 60 ° C and 2.76 times at 80 ° C as compared with the case where the voltage is applied at 25 ° C. The reaction of the formula (2) occurs even when heated to about 60 ° C., and decomposition starts, but it is considered that the reaction proceeds more at a higher temperature of 80 ° C.

(比較例1〜3)
NCM、固体電解質(10LiI−15LiBr−85(0.75LiS−0.25P))、結着剤(PVDF)、および15μmのAl製正極集電箔を材料とした正極ペレットを作製、表2に示す温度条件で熱処理を行った。
熱処理後、下記条件でX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)による測定を行い、S−Li、S=P、S−PS−C、S−Oのピーク強度について測定した。結果を図3、表2に示す。
(Comparative Examples 1 to 3)
Prepare positive electrode pellets using NCM, solid electrolyte (10LiI-15LiBr-85 (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 )), binder (PVDF), and 15 μm Al positive electrode current collector foil. , The heat treatment was performed under the temperature conditions shown in Table 2.
After the heat treatment, measurements were performed by X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) under the following conditions, and the peak intensities of S-Li, S = P, S-PS-C, and SO were measured. The results are shown in FIG. 3 and Table 2.

<XPS測定条件>
装置:アルバック・ファイ(株)製、PHI5000 走査型X線光電子分光装置
測定条件:X線源 AlKα,モノクロ1486.6eV,50W
分析領域:1.0×0.4mm
帯電中和機構構利用(電子中和銃)
前処理条件:ガス種:Ar
ガス流量:130sccm(約1.0気圧)
加熱温度:60°C、80°C、120°C(各2時間)
<XPS measurement conditions>
Equipment: ULVAC-PHI, Inc., PHI5000 scanning X-ray photoelectron spectrometer Measurement conditions: X-ray source AlKα, monochrome 1486.6 eV, 50 W
Analysis area: 1.0 x 0.4 mm 2
Use of charge neutralization mechanism (electronic neutralization gun)
Pretreatment conditions: Gas type: Ar
Gas flow rate: 130 sccm (about 1.0 atm)
Heating temperature: 60 ° C, 80 ° C, 120 ° C (2 hours each)

ここで、ペレット試料はArグローブボックス内で開封しサンプリングを行い、トランスファーベッセルを用いて大気非暴露でXPS装置に導入した。XPS測定は、XPS前処理装置の反応セルを用いて指定温度(60°C、80°C、120°C)で2時間の加熱を行った後に同じ箇所で測定を行った。 Here, the pellet sample was opened in an Ar glove box, sampled, and introduced into the XPS apparatus without exposure to the atmosphere using a transfer vessel. The XPS measurement was performed at the same location after heating at a specified temperature (60 ° C, 80 ° C, 120 ° C) for 2 hours using the reaction cell of the XPS pretreatment device.

Figure 2021082555
Figure 2021082555

表2に示した通り、80°C以下の加温では温度の差によるLiの生成量に差がみられることはなかった。120°Cで加熱を行った場合、わずかにS−Oのピークに差がみられた。これは電解質酸化反応が起こったためと考えられる。 As shown in Table 2, there was no difference in the amount of Li 4 P 2 S 6 produced due to the difference in temperature when the temperature was 80 ° C or lower. When heating was performed at 120 ° C., there was a slight difference in the peak of SO. It is considered that this is because the electrolyte oxidation reaction occurred.

Claims (1)

硫化物固体電解質を用いた硫化物全固体リチウムイオン電池を60°C〜80°Cに保ち、4.2V〜4.5Vの正極電圧を印加する制御工程を備える硫化物全固体リチウムイオン電池の処理方法。 A sulfide all-solid-state lithium-ion battery having a control step of keeping a sulfide all-solid-state lithium-ion battery using a sulfide solid electrolyte at 60 ° C to 80 ° C and applying a positive electrode voltage of 4.2 V to 4.5 V. Processing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024049216A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-07 주식회사 엘지에너지솔루션 Gas suppression device and suppression method for lithium-sulfur battery

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