JP2021144867A - All-solid type secondary battery - Google Patents

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Abstract

To provide an all-solid type secondary battery superior in load characteristic and high-temperature characteristic.SOLUTION: An all-solid type secondary battery 1 comprises: a negative electrode 20 having a compact of a negative electrode mixture containing a negative electrode active substance, a conductive assistant and a solid electrolyte; a positive electrode 10 having a compact of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive assistant and a solid electrolyte; and a solid electrolyte layer 30 interposed between the positive and negative electrodes. The compact of the negative electrode mixture contains, as the solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte (A) represented by the following general formula (1): Li7-xPS6-xClyBrz (1). [In the general formula (1), x=y+z, 1.0<x≤1.8 and 0.1≤z/y≤10.0.] The compact of the positive electrode mixture contains, as the solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte (B) represented by the following general formula (2): Li7-a+bPS6-aCla+b (2). [In the general formula (2), 0.05≤b≤0.9 and -3.0a+1.8≤b≤-3.0a+5.7.]SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池に関するものである。 The present invention relates to an all-solid-state secondary battery having excellent load characteristics and high-temperature characteristics.

近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型・軽量で、かつ高容量・高エネルギー密度の二次電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers and the practical application of electric vehicles, small and lightweight secondary batteries with high capacity and high energy density are required. It has become to.

現在、この要求に応え得るリチウム二次電池、特にリチウムイオン二次電池では、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)などのリチウム含有複合酸化物が用いられ、負極活物質に黒鉛などが用いられ、非水電解質として有機溶媒とリチウム塩とを含む有機電解液が用いられている。 Currently, lithium secondary batteries that can meet this demand, especially lithium ion secondary batteries, use lithium-containing composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2) as the positive electrode active material. Graphite or the like is used as the negative electrode active material, and an organic electrolytic solution containing an organic solvent and a lithium salt is used as the non-aqueous electrolyte.

そして、リチウムイオン二次電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン二次電池の更なる長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化が求められていると共に、長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化したリチウムイオン二次電池の信頼性も高く求められている。 With the further development of equipment to which lithium-ion secondary batteries are applied, further extension of life, higher capacity, and higher energy density of lithium-ion secondary batteries are required, as well as longer life and higher energy density. The reliability of lithium-ion secondary batteries with higher capacity and higher energy density is also highly required.

しかし、リチウムイオン二次電池に用いられている有機電解液は、可燃性物質である有機溶媒を含んでいるため、電池に短絡などの異常事態が発生した際に、有機電解液が異常発熱する可能性がある。また、近年のリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化および有機電解液中の有機溶媒量の増加傾向に伴い、より一層リチウムイオン二次電池の信頼性が求められている。 However, since the organic electrolyte used in the lithium ion secondary battery contains an organic solvent which is a flammable substance, the organic electrolyte abnormally generates heat when an abnormal situation such as a short circuit occurs in the battery. there is a possibility. Further, with the recent increase in energy density of lithium ion secondary batteries and the increasing tendency of the amount of organic solvent in organic electrolytic solutions, the reliability of lithium ion secondary batteries is further required.

以上のような状況において、有機溶媒を用いない全固体型のリチウム二次電池(全固体二次電池)が注目されている。全固体二次電池は、従来の有機溶媒系電解質に代えて、有機溶媒を用いない固体電解質の成形体を用いるものであり、固体電解質の異常発熱の虞がなく、高い安全性を備えている。 Under the above circumstances, an all-solid-state lithium secondary battery (all-solid-state secondary battery) that does not use an organic solvent has attracted attention. The all-solid-state secondary battery uses a molded body of a solid electrolyte that does not use an organic solvent instead of the conventional organic solvent-based electrolyte, and has high safety without the risk of abnormal heat generation of the solid electrolyte. ..

また、全固体二次電池においては、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1には、正極活物質層および固体電解質層が、酸素を有する硫化物系固体電解質を含有しておらず、かつ酸素を有しない硫化物系固体電解質を含有しており、さらに、負極活物質層が、負極活物質としてグラファイトを含有しており、かつ酸素を有する硫化物系固体電解質を含有している全固体電池が記載されている。 Further, various improvements have been attempted in the all-solid-state secondary battery. For example, in Patent Document 1, the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer do not contain a sulfide-based solid electrolyte having oxygen, and further contain a sulfide-based solid electrolyte having no oxygen. , An all-solid-state battery in which the negative electrode active material layer contains graphite as the negative electrode active material and contains a sulfide-based solid electrolyte having oxygen is described.

酸素を有する硫化物系固体電解質は、熱的に安定ではあるものの、酸素を有しない硫化物系固体電解質と比較してイオン電導度が低いため、全固体電池に用いた場合に電池抵抗が大きくなる。特許文献1に記載の技術では、酸素を有する硫化物系固体電解質を負極活物質層のみに含有させることにより、卑な電位で負極活物質(グラファイト)にLiの脱挿入反応が起こることにより生じる固体電解質の還元分解を抑制するとともに、正極活物質層および固体電解質層には酸素を有する硫化物系固体電解質を含有させず、かつ酸素を有しない硫化物系固体電解質を含有させることにより、低い電池抵抗を実現できるとしている。 Although the sulfide-based solid electrolyte having oxygen is thermally stable, the ionic conductivity is lower than that of the sulfide-based solid electrolyte having no oxygen, so that the battery resistance is large when used in an all-solid-state battery. Become. In the technique described in Patent Document 1, by containing a sulfide-based solid electrolyte having oxygen only in the negative electrode active material layer, a deinsertion reaction of Li occurs in the negative electrode active material (graphite) at a low potential. While suppressing the reductive decomposition of the solid electrolyte, the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer do not contain the sulfide-based solid electrolyte having oxygen, and are low by containing the sulfide-based solid electrolyte having no oxygen. It is said that battery resistance can be realized.

また、特許文献2には、立方晶系アルジロダイト(Argurodite)型結晶構造の結晶相を含有し、Li7−x+yPS6−xClx+yの組成式で表されるリチウムイオン電池用硫化物系固体電解質化合物であって、xおよびyが、0.05≦y≦0.9および−3.0x+1.8≦y≦−3.0x+5.7を満足するものは、耐酸化性および耐水性に優れているため、大気に触れたとしても、大気中の水分との反応に起因する硫化水素発生量を有効に抑え得ることが記載されている。 Further, Patent Document 2 contains a crystal phase having a cubic Argurodite type crystal structure and is represented by a composition formula of Li 7-x + y PS 6-x Cl x + y , which is a sulfide-based solid for a lithium ion battery. Electrolyte compounds in which x and y satisfy 0.05 ≦ y ≦ 0.9 and −3.0x + 1.8 ≦ y ≦ -3.0x + 5.7 are excellent in oxidation resistance and water resistance. Therefore, it is described that even if it comes into contact with the atmosphere, the amount of hydrogen sulfide generated due to the reaction with water in the atmosphere can be effectively suppressed.

さらに、特許文献3には、立方晶系アルジロダイト(Argurodite)型結晶構造の結晶相を有し、Li7−xPS6−xClBrの組成式で表される硫化物系化合物において、x=y+zかつ1.0<x≦1.8を満足し、Clのモル比に対するBrのモル比の割合(z/y)を0.1〜10.0の範囲に規定することにより、高いイオン伝導率を維持しながら、ヤング率を低くし得ることが記載されている。また、特許文献3では、前記の硫化物系化合物を使用することにより、全固体電池の電極を作成する際にプレス圧を掛けると、当該固体電解質が潰れて活物質粒子間の隙間を埋めることができ、活物質粒子との接触点および接触面積を高めることができるため、電池抵抗を低くすることができるとしている。 Further, Patent Document 3, in cubic has a crystal phase of Arujirodaito (Argurodite) crystal structure, sulfide compound represented by the composition formula Li 7-x PS 6-x Cl y Br z, It is high by satisfying x = y + z and 1.0 <x ≦ 1.8, and defining the ratio (z / y) of the molar ratio of Br to the molar ratio of Cl in the range of 0.1 to 10.0. It is described that the Young rate can be lowered while maintaining the ionic conductivity. Further, in Patent Document 3, when the press pressure is applied when the electrode of the all-solid-state battery is produced by using the above-mentioned sulfide-based compound, the solid electrolyte is crushed and the gap between the active material particles is filled. It is said that the battery resistance can be lowered because the contact point and the contact area with the active material particles can be increased.

特開2017−54626号公報JP-A-2017-54626 国際公開第2016/104702号International Publication No. 2016/104702 国際公開第2019/009228号International Publication No. 2019/009228

ところで、現在、全固体二次電池においては、その適用分野が急速に拡大しており、例えば大きな電流値での放電が求められる用途への適用も考えられることから、これに応え得るように負荷特性を高めることが求められ、また、高温下での電池特性をより高めることへの要請もある。 By the way, at present, the fields of application of all-solid-state secondary batteries are expanding rapidly, and for example, they can be applied to applications that require discharge at a large current value. It is required to improve the characteristics, and there is also a demand to further improve the battery characteristics at high temperature.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an all-solid-state secondary battery having excellent load characteristics and high-temperature characteristics.

本発明の全固体二次電池は、負極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する負極合剤の成形体を有する負極、正極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有する正極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有し、前記負極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(1)
Li7−xPS6−xClBr (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、前記正極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(2)
Li7−a+bPS6−aCla+b (2)
〔前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、−3.0a+1.8≦b≦−3.0a+5.7である〕で表される硫化物系固体電解質(B)を含有することを特徴とするものである。
The all-solid secondary battery of the present invention comprises a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte, and a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte. The molded body of the negative electrode mixture having a positive electrode having a molded body and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode is the solid electrolyte of the following general formula (1).
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
The sulfide-based solid electrolyte (A) represented by [x = y + z, 1.0 <x≤1.8, 0.1≤z / y≤10.0 in the general formula (1)] is used. The molded body of the positive electrode mixture contained therein is used as the solid electrolyte according to the following general formula (2).
Li 7-a + b PS 6-a Cl a + b (2)
The sulfide-based solid electrolyte (B) represented by [in the general formula (2), 0.05 ≦ b ≦ 0.9, −3.0a + 1.8 ≦ b ≦ -3.0a + 5.7] is used. It is characterized by containing.

本発明によれば、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state secondary battery having excellent load characteristics and high-temperature characteristics.

本発明の全固体二次電池の一例を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the all-solid-state secondary battery of this invention.

本発明の全固体二次電池は、負極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する負極合剤の成形体を有する負極、正極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有する正極、および正極と負極との間に介在する固体電解質層を有している。そして、負極合剤の成形体は、下記一般式(1)で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、正極合剤の成形体は、下記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B)を含有している。 The all-solid secondary battery of the present invention comprises a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte, and a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte. It has a positive electrode having a molded body and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode. The molded body of the negative electrode mixture contains the sulfide-based solid electrolyte (A) represented by the following general formula (1), and the molded body of the positive electrode mixture is represented by the following general formula (2). It contains a sulfide-based solid electrolyte (B).

Li7−xPS6−xClBr (1) Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)

前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である。 In the general formula (1), x = y + z, 1.0 <x ≦ 1.8, 0.1 ≦ z / y ≦ 10.0.

Li7−a+bPS6−aCla+b (2) Li 7-a + b PS 6-a Cl a + b (2)

前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、−3.0a+1.8≦b≦−3.0a+5.7である。 In the general formula (2), 0.05 ≦ b ≦ 0.9 and −3.0a + 1.8 ≦ b ≦ −3.0a + 5.7.

硫化物系固体電解質(A)は、イオン伝導性に優れ、かつ柔軟性が高いことから、正極や負極の合剤の成形体に使用すると、合剤の成形体のイオン伝導性を高めることができると共に、活物質粒子同士の間を、空隙の介在を抑制しつつ硫化物系固体電解質(A)で良好に埋めることができるため、合剤の充填率を向上させて正極や負極の利用率を高めることができる。 Since the sulfide-based solid electrolyte (A) has excellent ionic conductivity and high flexibility, when used in a molded body of a mixture of a positive electrode and a negative electrode, the ionic conductivity of the molded body of the mixture can be enhanced. At the same time, it is possible to satisfactorily fill the space between the active material particles with the sulfide-based solid electrolyte (A) while suppressing the intervention of voids, so that the filling rate of the mixture can be improved and the utilization rate of the positive electrode and the negative electrode can be improved. Can be enhanced.

ところが、硫化物系固体電解質(A)は、高電位で酸化して絶縁体となりやすいため、正極に使用した場合には、正極合剤の成形体のイオン伝導性を高くすることが困難である。また、硫化物系固体電解質(A)の酸化反応は特に高温環境下で生じやすいため、全固体二次電池がこのような環境下に長時間置かれると、電池特性が低下してしまう。 However, since the sulfide-based solid electrolyte (A) tends to oxidize at a high potential to become an insulator, it is difficult to increase the ionic conductivity of the molded product of the positive electrode mixture when used for the positive electrode. .. Further, since the oxidation reaction of the sulfide-based solid electrolyte (A) is particularly likely to occur in a high temperature environment, if the all-solid secondary battery is left in such an environment for a long time, the battery characteristics are deteriorated.

そこで、本発明では、硫化物系固体電解質(A)を負極合剤の成形体に使用し、正極合剤の成形体には、硫化物系固体電解質(B)を使用することとした。硫化物系固体電解質(B)は、硫化物系固体電解質(A)よりも安定性が高く、高電位でも酸化が生じ難い。よって、硫化物系固体電解質(A)を負極に用いることにより、負極合剤の成形体のイオン伝導性や利用率を高めて負極の負荷特性を向上させることができ、正極においては、硫化物系固体電解質(B)を用いることによって酸化による特性低下を抑えることができる。 Therefore, in the present invention, the sulfide-based solid electrolyte (A) is used for the molded body of the negative electrode mixture, and the sulfide-based solid electrolyte (B) is used for the molded body of the positive electrode mixture. The sulfide-based solid electrolyte (B) has higher stability than the sulfide-based solid electrolyte (A), and oxidation is less likely to occur even at a high potential. Therefore, by using the sulfide-based solid electrolyte (A) for the negative electrode, it is possible to improve the ionic conductivity and utilization rate of the molded product of the negative electrode mixture and improve the load characteristics of the negative electrode. By using the system-based solid electrolyte (B), deterioration of characteristics due to oxidation can be suppressed.

本発明の全固体二次電池では、前記の各作用により、負荷特性および高温特性の向上を可能としている。 In the all-solid-state secondary battery of the present invention, the load characteristics and the high temperature characteristics can be improved by each of the above actions.

以下に、本発明の全固体二次電池の詳細について説明する。 The details of the all-solid-state secondary battery of the present invention will be described below.

(負極)
全固体二次電池の負極は、負極活物質、導電助剤および硫化物系固体電解質(A)などを含む負極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる負極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の負極などが挙げられる。
(Negative electrode)
The negative electrode of the all-solid-state secondary battery has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent, a sulfide-based solid electrolyte (A), and the like. Examples thereof include a negative electrode having a structure in which the molded body and the current collector are integrated.

負極活物質としては、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などのリチウムを吸蔵・放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなどの元素を含む単体、化合物およびその合金;リチウム含有窒化物またはリチウム含有酸化物などのリチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物;リチウム金属;リチウム/アルミニウム合金;も、負極活物質として用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, calcined organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon fibers and other lithium can be stored and released. One or a mixture of two or more carbon-based materials is used. In addition, simple substances containing elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, and In, compounds and alloys thereof; compounds that can be charged and discharged at a low voltage close to that of lithium metals such as lithium-containing nitrides or lithium-containing oxides; lithium metals. Lithium / aluminum alloys; can also be used as the negative electrode active material.

これらの中でも、リチウムチタン酸化物を用いることが好ましい。リチウムチタン酸化物としては、下記一般式(3)で表されるものが挙げられる。 Among these, it is preferable to use lithium titanium oxide. Examples of the lithium titanium oxide include those represented by the following general formula (3).

Li[Li1/3−c Ti5/3−d ]O (3) Li [Li 1 / 3-c M 1 c Ti 5 / 3-d M 2 d ] O 4 (3)

前記一般式(3)中、Mは、Na、Mg、K、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Mは、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Ym、Zr、Nb、Mo、TaおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦c<1/3、0≦d<5/3である。 In the general formula (3), M 1 is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Sr and Ba, and M 2 is Al, V, Cr, Fe and Co. , Ni, Zn, Ym, Zr, Nb, Mo, Ta and W, at least one element selected from the group consisting of 0 ≦ c <1/3, 0 ≦ d <5/3.

すなわち、前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物においては、Liの一部が元素Mで置換されていてもよい。ただし、前記一般式(3)において、元素Mの比率を表すcは、1/3未満であることが好ましい。前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物において、Liは元素Mで置換されていなくてもよいため、元素Mの比率を表すcは0でもよい。 That is, in the lithium-titanium oxide represented by the general formula (3), a part of Li may be substituted with an element M 1. However, in the general formula (3), c representing the ratio of the element M 1 is preferably less than 1/3. In the lithium titanium oxide represented by the general formula (3), Li does not have to be substituted with the element M 1 , so that c representing the ratio of the element M 1 may be 0.

また、前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物において、元素Mはリチウムチタン酸化物の電子伝導性を高めるための成分であり、元素Mの比率を表すdが、0≦d<5/3である場合には、その電子伝導性向上効果を良好に確保することができる。 Further, in the lithium titanium oxide represented by the general formula (3), the element M 2 is a component for enhancing the electron conductivity of the lithium titanium oxide, and d representing the ratio of the element M 2 is 0 ≦. When d <5/3, the effect of improving the electron conductivity can be sufficiently ensured.

負極活物質にリチウムチタン酸化物と他の負極活物質とを使用する場合、負極活物質全量中のリチウムチタン酸化物以外の負極活物質の割合は、30質量%以下であることが好ましい。 When a lithium titanium oxide and another negative electrode active material are used as the negative electrode active material, the ratio of the negative electrode active material other than the lithium titanium oxide in the total amount of the negative electrode active material is preferably 30% by mass or less.

負極合剤における負極活物質の含有量は、45〜65質量%であることが好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is preferably 45 to 65% by mass.

負極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。負極合剤における導電助剤の含有量は、負極合剤の成形体内での電子伝導性を良好にする観点から、5質量%以上であることが好ましく、7質量%以上であることがより好ましい。また、負極合剤中の導電助剤量が多すぎると、負極合剤の成形体中に空隙が多くなりやすく、その密度を高めることが困難になって、全固体二次電池の体積エネルギー密度が小さくなる虞がある。よって、負極合剤の成形体の空隙率を小さくする観点から、負極合剤における導電助剤の含有量は、15質量%以下であることが好ましく、12質量%以下であることがより好ましい。 As the conductive auxiliary agent for the negative electrode, carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes can be used. The content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture is preferably 5% by mass or more, more preferably 7% by mass or more, from the viewpoint of improving the electron conductivity in the molded body of the negative electrode mixture. .. Further, if the amount of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture is too large, voids tend to increase in the molded body of the negative electrode mixture, making it difficult to increase the density, and the volumetric energy density of the all-solid secondary battery. May become smaller. Therefore, from the viewpoint of reducing the porosity of the molded product of the negative electrode mixture, the content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture is preferably 15% by mass or less, and more preferably 12% by mass or less.

負極の固体電解質には、前記一般式(1)で表される硫化物系固体電解質(A)を使用するが、負極合剤は、硫化物系固体電解質(A)と共に他の固体電解質を含有していてもよい。硫化物系固体電解質(A)と併用し得る他の固体電解質としては、以下に例示する硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte (A) represented by the general formula (1) is used as the negative electrode solid electrolyte, but the negative electrode mixture contains other solid electrolytes together with the sulfide-based solid electrolyte (A). You may be doing it. Examples of other solid electrolytes that can be used in combination with the sulfide-based solid electrolyte (A) include sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like, which are exemplified below.

硫化物系固体電解質(A)以外の硫化物固体電解質としては、前記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B);LiS−P、LiS−SiS、LiS−P−GeS、LiS−B系ガラス;Li10GeP12(LGPS系);などが挙げられる。 Examples of the sulfide solid electrolyte other than the sulfide solid electrolyte (A) include the sulfide solid electrolyte (B) represented by the general formula (2); Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS. 2, Li 2 S-P 2 S 5 -GeS 2, Li 2 S-B 2 S 3 type glass; Li 10 GeP 2 S 12 ( LGPS system); and the like.

水素化物系固体電解質としては、例えば、LiBH、LIBHと下記のアルカリ金属化合物との固溶体(例えば、LiBHとアルカリ金属化合物とのモル比が1:1〜20:1のもの)などが挙げられる。前記固溶体におけるアルカリ金属化合物としては、ハロゲン化リチウム(LiI、LiBr、LiF、LiClなど)、ハロゲン化ルビジウム(RbI、RbBr、RbiF、RbClなど)、ハロゲン化セシウム(CsI、CsBr、CsF、CsClなど)、リチウムアミド、ルビジウムアミドおよびセシウムアミドよりなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。 Examples of the hydride-based solid electrolyte include a solid solution of LiBH 4 , LIBH 4 and the following alkali metal compound (for example, one having a molar ratio of LiBH 4 to the alkali metal compound of 1: 1 to 20: 1). Can be mentioned. Examples of the alkali metal compound in the solid solution include lithium halide (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halide (RbI, RbBr, RbiF, RbCl, etc.), and cesium halide (CsI, CsBr, CsF, CsCl, etc.). , Lithium amide, rubidium amide and at least one selected from the group consisting of cesium amide.

酸化物系固体電解質としては、例えば、LiLaZr12、LiTi(PO、LiGe(PO、LiLaTiOなどが挙げられる。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi (PO 4 ) 3 , LiGe (PO 4 ) 3 , and LiLaTIO 3 .

ただし、負極合剤に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 However, the proportion of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (A) in the total amount of the solid electrolyte used in the negative electrode mixture is preferably 30% by mass or less, and is other than the sulfide-based solid electrolyte (A). It does not have to contain the solid electrolyte of.

負極合剤における固体電解質の含有量は、35〜55質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture is preferably 35 to 55% by mass.

負極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは負極合剤中においても抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、負極合剤においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。負極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The negative electrode mixture may or may not contain a resin binder. Examples of the resin binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component even in the negative electrode mixture, it is desirable that the amount thereof is as small as possible. Therefore, in the negative electrode mixture, it is preferable that the binder made of resin is not contained, or if it is contained, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resin binder in the negative electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and further preferably 0% by mass (that is, the resin binder is not contained).

負極に集電体を用いる場合、その集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the negative electrode, a copper or nickel foil, punching metal, net, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; or the like can be used as the current collector.

負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質、導電助剤および固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した負極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 The molded body of the negative electrode mixture is prepared by mixing, for example, a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent, a solid electrolyte, and a binder added as needed, and the negative electrode mixture is compressed by pressure molding or the like. Can be formed by

集電体を有する負極の場合には、前記のような方法で形成した負極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a negative electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding the molded body of the negative electrode mixture formed by the above method by crimping the molded body with the current collector.

負極合剤の成形体の厚み(集電体を有する負極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。なお、電池の負荷特性は、一般に正極や負極を薄くすることで向上しやすいが、本発明によれば、負極合剤の成形体が200μm以上と厚い場合においても、その負荷特性を高めることが可能である。よって、本発明においては、負極合剤の成形体の厚みが例えば200μm以上の場合に、その効果がより顕著となる。そして、本発明においては、正極合剤の成形体の厚みが200μm以上であり、かつ負極合剤の成形体の厚みが200μm以上である場合に、その効果が特に顕著となる。また、負極合剤の成形体の厚みは、通常、3000μm以下である。 The thickness of the molded body of the negative electrode mixture (in the case of a negative electrode having a current collector, the thickness of the molded body of the positive electrode mixture per one side of the current collector; the same applies hereinafter) is from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more is preferable. The load characteristics of the battery are generally easily improved by thinning the positive electrode and the negative electrode, but according to the present invention, the load characteristics can be improved even when the molded body of the negative electrode mixture is as thick as 200 μm or more. It is possible. Therefore, in the present invention, the effect becomes more remarkable when the thickness of the molded product of the negative electrode mixture is, for example, 200 μm or more. In the present invention, the effect is particularly remarkable when the thickness of the molded product of the positive electrode mixture is 200 μm or more and the thickness of the molded product of the negative electrode mixture is 200 μm or more. The thickness of the molded product of the negative electrode mixture is usually 3000 μm or less.

負極合剤の成形体は、空隙率が20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。負極合剤の成形体においては、柔軟性に優れる硫化物系固体電解質(A)を使用することで、前記のような低い空隙率として充填密度を高め得ることから、成形体内での活物質の利用率をより高めることができる。なお、負極合剤の成形体の空隙率は低いほど好ましいが、完全に空隙のない状態で成形体を得ることは容易ではなく、その下限値は、通常は、10%程度である。 The porosity of the molded product of the negative electrode mixture is preferably 20% or less, and more preferably 15% or less. In the molded body of the negative electrode mixture, by using the sulfide-based solid electrolyte (A) having excellent flexibility, the filling density can be increased with the low void ratio as described above, so that the active material in the molded body can be increased. The utilization rate can be further increased. The lower the porosity of the molded product of the negative electrode mixture, the more preferable it is, but it is not easy to obtain the molded product in a state where there are no voids, and the lower limit value thereof is usually about 10%.

本明細書でいう負極合剤の成形体の空隙率は、負極合剤の成形体の厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記式(4)を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算される値である。 The void ratio of the molded body of the negative electrode mixture referred to in the present specification is the sum of each component i using the following formula (4) from the thickness of the molded body of the negative electrode mixture, the mass per area, and the density of the constituent components. It is a value calculated by finding.

P = 100−(Σai/ρi)×(m/t) (4) P = 100- (Σai / ρi) × (m / t) (4)

ここで、前記式(4)中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm)、m:負極合剤の成形体の単位面積あたりの質量(g/cm)、t:負極合剤の成形体の厚み(cm)である。 Here, in the above formula (4), ai: the ratio of the component i expressed in% by mass, ρi: the density of the component i (g / cm 3 ), m: the mass per unit area of the molded body of the negative electrode mixture ( g / cm 2 ), t: Thickness (cm) of the molded body of the negative electrode mixture.

(正極)
全固体二次電池の正極は、正極活物質、導電助剤および硫化物系固体電解質(B)などを含む正極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる正極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の正極などが挙げられる。
(Positive electrode)
The positive electrode of the all-solid-state secondary battery has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, a sulfide-based solid electrolyte (B), and the like. Examples thereof include a positive electrode having a structure in which the molded body and the current collector are integrated.

正極活物質は、従来から知られているリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Liイオンを吸蔵・放出可能な活物質であれば特に制限はない。正極活物質の具体例としては、LiMMn2−x(ただし、Mは、Li、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Sb、In、Nb、Mo、W、Y、RuおよびRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.01≦x≦0.5)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、LiMn(1−y−x)Ni(2−k)(ただし、Mは、Co、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、SrおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0<y<0.5、0≦z≦0.5、k+l<1、−0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状化合物、LiCo1−x(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、LiNi1−x(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、LiM1−xPO(ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるオリビン型複合酸化物、LiTi12で表されるリチウムチタン複合酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material used in a conventionally known lithium ion secondary battery, that is, an active material capable of storing and releasing Li ions. Specific examples of the positive electrode active material include LiM x Mn 2-x O 4 (where M is Li, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Al. , Sn, Sb, In, Nb, Mo, W, Y, Ru and Rh, which is at least one element selected from the group consisting of, and is represented by 0.01 ≦ x ≦ 0.5). manganese complex oxide, Li x Mn (1-y -x) Ni y M z O (2-k) F l ( although, M is, Co, Mg, Al, B , Ti, V, Cr, Fe, Cu , Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr and W, at least one element selected from the group consisting of 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y <0.5, 0 ≦ z. A layered compound represented by ≦ 0.5, k + l <1, −0.1 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ l ≦ 0.1), LiCo 1-x M x O 2 (where M is Al. , Mg, Ti, Zr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, which is at least one element selected from the group consisting of 0 ≦ x ≦ 0.5. ), LiNi 1-x M x O 2 (where M is Al, Mg, Ti, Zr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn. , Sb and Ba, at least one element selected from the group consisting of LiM 1-x N x PO 4 (where M is), a lithium nickel composite oxide represented by 0 ≦ x ≦ 0.5). , Fe, Mn and Co, at least one element selected from the group, N is Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba. At least one element selected from the group consisting of, such as an olivine type composite oxide represented by 0 ≦ x ≦ 0.5) and a lithium titanium composite oxide represented by Li 4 Ti 5 O 12. Only one of these may be used, or two or more thereof may be used in combination.

正極活物質は、その表面に、正極活物質と固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を有することができる。反応抑制層は、イオン伝導性を有し、正極活物質と固体電解質との反応を抑制できる材料で構成されていればよい。反応抑制層を構成し得る材料としては、例えば、Liと、Nb、P、B、Si、Ge、TiおよびZrよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む酸化物、より具体的には、LiNbO、LiPO、LiBO、LiSiO、LiGeO、LiTiO、LiZrOなどが挙げられる。反応抑制層は、これらの酸化物のうちの1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよく、さらに、これらの酸化物のうちの複数種が複合化合物を形成していてもよい。これらの酸化物の中でも、LiNbOを使用することが好ましい。 The positive electrode active material may have a reaction suppressing layer on the surface thereof for suppressing the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. The reaction suppressing layer may be made of a material having ionic conductivity and capable of suppressing the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. As a material that can form the reaction suppression layer, for example, an oxide containing Li and at least one element selected from the group consisting of Nb, P, B, Si, Ge, Ti and Zr, more specifically. Examples include LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , LiTIO 3 , and LiZrO 3 . The reaction suppression layer may contain only one of these oxides, or may contain two or more of these oxides, and a plurality of these oxides may be a composite compound. May be formed. Among these oxides, it is preferable to use a LiNbO 3.

反応抑制層がLiNbOの場合には、正極活物質の質量に対する反応抑制層中に含まれるNbの質量の割合が、0.5〜2.5質量%となるよう反応抑制層の被覆量を調整することが好ましい。 When the reaction suppression layer is LiNbO 3 , the coating amount of the reaction suppression layer is adjusted so that the ratio of the mass of Nb contained in the reaction suppression layer to the mass of the positive electrode active material is 0.5 to 2.5% by mass. It is preferable to adjust.

正極活物質の表面に反応抑制層を形成する方法としては、ゾルゲル法、メカノフュージョン法、CVD法、PVD法などが挙げられる。 Examples of the method for forming the reaction suppressing layer on the surface of the positive electrode active material include a sol-gel method, a mechanofusion method, a CVD method, a PVD method and the like.

正極合剤における正極活物質の含有量は、60〜85質量%であることが好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 60 to 85% by mass.

正極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。正極合剤における導電助剤の含有量は、1〜10質量%であることが好ましい。 As the conductive auxiliary agent for the positive electrode, carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes can be used. The content of the conductive auxiliary agent in the positive electrode mixture is preferably 1 to 10% by mass.

正極の固体電解質には、前記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B)を使用するが、正極合剤は、硫化物系固体電解質(B)と共に他の固体電解質を含有していてもよい。硫化物系固体電解質(B)と併用し得る他の固体電解質としては、硫化物系固体電解質(A)や、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示したものと同じ硫化物系固体電解質〔硫化物系固体電解質(B)に該当しないもの〕、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte (B) represented by the general formula (2) is used as the positive electrode solid electrolyte, but the positive electrode mixture contains other solid electrolytes together with the sulfide-based solid electrolyte (B). You may be doing it. Other solid electrolytes that can be used in combination with the sulfide-based solid electrolyte (B) include the sulfide-based solid electrolyte (A) and the same sulfide-based solid electrolyte as those exemplified above that can be contained in the positive electrode mixture. [The one that does not correspond to the sulfide-based solid electrolyte (B)], the hydride-based solid electrolyte, the oxide-based solid electrolyte, and the like can be mentioned.

ただし、正極合剤に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質(B)以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質(B)以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 However, the proportion of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (B) in the total amount of the solid electrolyte used in the positive electrode mixture is preferably 30% by mass or less, and is other than the sulfide-based solid electrolyte (B). It does not have to contain the solid electrolyte of.

正極合剤における固体電解質の含有量は、15〜40質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is preferably 15 to 40% by mass.

正極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは正極合剤中において抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、正極合剤においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。正極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The positive electrode mixture may or may not contain a resin binder. Examples of the resin binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component in the positive electrode mixture, it is desirable that the amount thereof be as small as possible. Therefore, in the positive electrode mixture, it is preferable that the binder made of resin is not contained, or if it is contained, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resin binder in the positive electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and further preferably 0% by mass (that is, the resin binder is not contained).

正極に集電体を使用する場合、その集電体としては、アルミニウムやステンレス鋼などの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the positive electrode, a metal foil such as aluminum or stainless steel, punching metal, net, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; or the like can be used as the current collector.

正極合剤の成形体は、例えば、正極活物質、導電助剤および固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した正極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 The molded body of the positive electrode mixture is prepared by mixing, for example, a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, a solid electrolyte, and a binder added as needed, and the positive electrode mixture is compressed by pressure molding or the like. Can be formed by

集電体を有する正極の場合には、前記のような方法で形成した正極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a positive electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding the molded body of the positive electrode mixture formed by the above method by crimping the molded body with the current collector.

正極合剤の成形体の厚み(集電体を有する正極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。なお、電池の負荷特性は、一般に正極や負極を薄くすることで向上しやすいが、本発明によれば、正極合剤の成形体が200μm以上と厚い場合においても、その負荷特性を高めることが可能である。よって、本発明においては、正極合剤の成形体の厚みが例えば200μm以上の場合に、その効果がより顕著となる。また、正極合剤の成形体の厚みは、通常、2000μm以下である。 The thickness of the molded body of the positive electrode mixture (in the case of a positive electrode having a current collector, the thickness of the molded body of the positive electrode mixture per one side of the current collector; the same applies hereinafter) is from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more is preferable. The load characteristics of the battery are generally easily improved by thinning the positive electrode and the negative electrode, but according to the present invention, the load characteristics can be improved even when the molded body of the positive electrode mixture is as thick as 200 μm or more. It is possible. Therefore, in the present invention, the effect becomes more remarkable when the thickness of the molded product of the positive electrode mixture is, for example, 200 μm or more. The thickness of the molded product of the positive electrode mixture is usually 2000 μm or less.

(固体電解質層)
全固体二次電池の固体電解質層における固体電解質には、硫化物系固体電解質(A)、硫化物系固体電解質(B)、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示したものと同じ硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などのうちの1種または2種以上を使用することができる。これらの中でも、特にイオン伝導性が優れており、電池の負荷特性をより高め得ることから、硫化物系固体電解質が好ましく、硫化物系固体電解質(A)がより好ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte in the solid electrolyte layer of the all-solid secondary battery includes the sulfide-based solid electrolyte (A), the sulfide-based solid electrolyte (B), and the same sulfide as those exemplified above as those that can be contained in the positive electrode mixture. One or more of physical solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like can be used. Among these, the sulfide-based solid electrolyte is preferable, and the sulfide-based solid electrolyte (A) is more preferable, because the ionic conductivity is particularly excellent and the load characteristics of the battery can be further enhanced.

なお、硫化物系固体電解質(A)を用いて構成した固体電解質層を正極と接触させても、正極(正極合剤の成形体)においては、正極活物質粒子の表面の多くの部分が硫化物系固体電解質(B)と接しているため、固体電解質層と正極活物質との直接の接触箇所はあまり多くないことから、硫化物系固体電解質(A)の酸化は生じ難い。 Even if the solid electrolyte layer constructed by using the sulfide-based solid electrolyte (A) is brought into contact with the positive electrode, in the positive electrode (molded body of the positive electrode mixture), many parts of the surface of the positive electrode active material particles are sulfided. Since it is in contact with the physical solid electrolyte (B), there are not many direct contacts between the solid electrolyte layer and the positive electrode active material, so that the sulfide-based solid electrolyte (A) is unlikely to be oxidized.

また、固体電解質層を多層構造とし、正極と接する面側の層を硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質〔例えば、硫化物系固体電解質(B)などの硫化物系固体電解質〕で構成し、他の層を硫化物系固体電解質(A)で構成することで、固体電解質層のイオン伝導性を高めつつ、その酸化をより高度に抑制することもできる。 Further, the solid electrolyte layer has a multilayer structure, and the layer on the surface side in contact with the positive electrode is a solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (A) [for example, a sulfide-based solid electrolyte such as the sulfide-based solid electrolyte (B)]. By constructing the other layer and configuring the other layer with the sulfide-based solid electrolyte (A), it is possible to enhance the ionic conductivity of the solid electrolyte layer and suppress its oxidation to a higher degree.

さらに、固体電解質層は、樹脂製の不織布などの多孔質体を支持体として有していてもよい。 Further, the solid electrolyte layer may have a porous body such as a resin non-woven fabric as a support.

なお、固体電解質層に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 The proportion of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of the solid electrolyte used in the solid electrolyte layer is preferably 30% by mass or less, and includes the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte. You don't have to.

固体電解質層は、固体電解質を加圧成形などによって圧縮する方法;固体電解質を溶媒に分散させて調製した固体電解質層形成用組成物を基材や正極、負極の上に塗布して乾燥し、必要に応じてプレス処理などの加圧成形を行う方法:などで形成することができる。 The solid electrolyte layer is a method of compressing the solid electrolyte by pressure molding or the like; a composition for forming a solid electrolyte layer prepared by dispersing the solid electrolyte in a solvent is applied onto a base material, a positive electrode, and a negative electrode, and dried. If necessary, it can be formed by a method of performing pressure molding such as press processing: or the like.

固体電解質層形成用組成物に使用する溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが好ましい。特に、硫化物系固体電解質や水素化物系固体電解質は、微少量の水分によって化学反応を起こすため、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、デカリン、トルエン、キシレンなどの炭化水素溶媒に代表される非極性非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。特に、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することがより好ましい。また、三井・デュポンフロロケミカル社製の「バートレル(登録商標)」、日本ゼオン社製の「ゼオローラ(登録商標)」、住友3M社製の「ノベック(登録商標)」などのフッ素系溶媒、並びに、ジクロロメタン、ジエチルエーテルなどの非水系有機溶媒を使用することもできる。 As the solvent used in the composition for forming the solid electrolyte layer, it is preferable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte. In particular, sulfide-based solid electrolytes and hydride-based solid electrolytes cause a chemical reaction with a very small amount of water, and are therefore represented by hydrocarbon solvents such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, decalin, toluene, and xylene. It is preferable to use a non-polar aprotic solvent. In particular, it is more preferable to use a super dehydration solvent having a water content of 0.001% by mass (10 ppm) or less. In addition, fluorine-based solvents such as "Bertrel (registered trademark)" manufactured by Mitsui Dupont Fluorochemical, "Zeolola (registered trademark)" manufactured by Zeon Corporation, and "Novec (registered trademark)" manufactured by Sumitomo 3M, as well as , Dichloromethane, diethyl ether and other non-aqueous organic solvents can also be used.

固体電解質層の厚みは、100〜300μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100 to 300 μm.

(電極体)
正極と負極とは、固体電解質層を介して積層した積層電極体や、さらにこの積層電極体を巻回した巻回電極体の形態で、電池に用いることができる。
(Electrode body)
The positive electrode and the negative electrode can be used in a battery in the form of a laminated electrode body laminated via a solid electrolyte layer or a wound electrode body in which the laminated electrode body is wound.

なお、電極体を形成するに際しては、正極と負極と固体電解質層とを積層した状態で加圧成形することが、電極体の機械的強度を高める観点から好ましい。 When forming the electrode body, it is preferable to perform pressure molding in a state where the positive electrode body, the negative electrode body, and the solid electrolyte layer are laminated from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the electrode body.

(電池の形態)
本発明の全固体二次電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
(Battery form)
FIG. 1 shows a cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid-state secondary battery of the present invention. The battery 1 shown in FIG. 1 has a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a positive electrode 10 and a negative electrode 20 in an outer body formed of an outer can 40, a sealing can 50, and a resin gasket 60 interposed between them. A solid electrolyte layer 30 interposed between the two is enclosed.

封口缶50は、外装缶40の開口部にガスケット60を介して嵌合しており、外装缶40の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット60が封口缶50に当接することで、外装缶40の開口部が封口されて素子内部が密閉構造となっている。 The sealing can 50 is fitted to the opening of the outer can 40 via a gasket 60, and the opening end of the outer can 40 is tightened inward, whereby the gasket 60 comes into contact with the sealing can 50. The opening of the outer can 40 is sealed and the inside of the element has a sealed structure.

外装缶および封口缶にはステンレス鋼製のものなどが使用できる。また、ガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。また、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。 Stainless steel cans can be used for the outer can and the sealing can. In addition, polypropylene, nylon, etc. can be used as the material of the gasket, and if heat resistance is required in relation to the application of the battery, tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), etc. can be used. Heat resistance of fluororesin, polyphenylene ether (PEE), polysulphon (PSF), polyallylate (PAR), polyethersulphon (PES), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), etc. with a melting point of more than 240 ° C. Resin can also be used. Further, when the battery is applied to an application requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.

全固体二次電池の形態は、図1に示すような、外装缶と封口缶とガスケットとで構成された外装体を有するもの、すなわち、一般にコイン形電池やボタン形電池と称される形態のものに限定されず、例えば、樹脂フィルムや金属−樹脂ラミネートフィルムで構成された外装体を有するものや、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。 The form of the all-solid secondary battery is a form having an outer body composed of an outer can, a sealing can, and a gasket as shown in FIG. 1, that is, a form generally called a coin-shaped battery or a button-shaped battery. Not limited to those, for example, those having an outer body made of a resin film or a metal-resin laminated film, metal outer cans having a bottomed cylinder (cylindrical or square cylinder), and their openings. It may have an exterior body having a sealing structure for sealing the above.

本発明の全固体二次電池は、従来から知られている二次電池と同様の用途に適用し得るが、有機電解液に代えて固体電解質を有していることから耐熱性に優れており、高温に曝されるような用途に好ましく使用することができる。 The all-solid-state secondary battery of the present invention can be applied to the same applications as the conventionally known secondary batteries, but has excellent heat resistance because it has a solid electrolyte instead of the organic electrolyte. , Can be preferably used for applications exposed to high temperatures.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples. However, the following examples do not limit the present invention.

実施例1
<カーボン粒子の作製>
一次粒子の平均粒子径が40nmで、2nm以下の細孔を有するカーボンブラック:9質量部と、Co(CHCOO)・4HO:99.6質量部と、LiOH・HO:32質量部とを蒸留水中で混合し、1時間攪拌した後、混合液をろ過してカーボンブラックを含む混合物を得た。
Example 1
<Making carbon particles>
An average particle diameter of 40nm of primary particles of carbon black having the following pore 2 nm: and 9 parts by mass, Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O: 99.6 parts by mass, LiOH · H 2 O: 32 parts by mass was mixed in distilled water, stirred for 1 hour, and then the mixed solution was filtered to obtain a mixture containing carbon black.

次に、前記混合物にLiOH・HO:30質量部を加え、エバポレーターを用い、空気中250℃で30分間加熱して、カーボンブラックにリチウムコバルト化合物が担持された複合体を得た。この複合体を、濃度98%の濃硫酸、濃度70%の濃硝酸および濃度30%の塩酸の体積比が1:1:1の混合水溶液に投入し、超音波を照射させて複合体中のリチウムコバルト化合物を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。 Next, 30 parts by mass of LiOH · H 2 O was added to the mixture, and the mixture was heated in air at 250 ° C. for 30 minutes using an evaporator to obtain a composite in which a lithium cobalt compound was supported on carbon black. This complex is put into a mixed aqueous solution having a volume ratio of 98% concentrated sulfuric acid, 70% concentrated nitrate and 30% hydrochloric acid in a volume ratio of 1: 1: 1 and irradiated with ultrasonic waves to form the complex. The lithium cobalt compound was dissolved, the remaining solid was filtered, washed with water and dried.

前記混合水溶液によるリチウムコバルト化合物の溶解と、ろ過、水洗および乾燥の工程を繰り返すことにより、リチウムコバルト化合物を完全に取り除き、10質量%以上の割合で親水性部分を含むカーボン粒子を得た。 By repeating the steps of dissolving the lithium cobalt compound with the mixed aqueous solution, filtering, washing with water, and drying, the lithium cobalt compound was completely removed, and carbon particles containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more were obtained.

得られたカーボン粒子:0.1gをpHが11のアンモニア水溶液20mlに添加し、超音波照射を1分間行った後、5時間放置して固相部分を沈殿させた。 The obtained carbon particles: 0.1 g was added to 20 ml of an aqueous ammonia solution having a pH of 11, and ultrasonic irradiation was performed for 1 minute, and then left for 5 hours to precipitate a solid phase portion.

固相部分の沈殿後、上澄み液を除去して残余部分を乾燥させ、乾燥後の固体の重量を測定し、処理前のカーボン粒子の重量(0.1g)からの減少分を親水性部分の重量とした。処理前のカーボン粒子の重量に対する前記親水性部分の重量の割合を求めたところ、14.5質量%であった。 After precipitation of the solid phase portion, the supernatant is removed and the residual portion is dried, the weight of the solid after drying is measured, and the amount reduced from the weight (0.1 g) of the carbon particles before the treatment is calculated as that of the hydrophilic portion. It was weighted. The ratio of the weight of the hydrophilic portion to the weight of the carbon particles before the treatment was determined to be 14.5% by mass.

<正極の作製>
表面にLiNbOの反応抑制層を形成した平均粒子径が4μmのLiNi0.33Co0.33Mn0.33(正極活物質)と、平均粒子径が3μmの硫化物系固体電解質(B):Li7.0PS5.4Cl1.2と、カーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕(導電助剤)と、前記親水性部分を含むカーボン粒子(導電助剤)とを、質量比で65:31.8:2.1:1.1の割合で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。なお、正極活物質の質量に対する反応抑制層中のNbの質量比は、1.5質量%であった。
<Preparation of positive electrode>
LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 (positive electrode active material) having an average particle diameter of 4 μm and a reaction suppression layer of LiNbO 3 formed on the surface, and a sulfide-based solid electrolyte having an average particle diameter of 3 μm ( B): Li 7.0 PS 5.4 Cl 1.2 , carbon nanotubes [“VGCF” (trade name) manufactured by Showa Denko Co., Ltd.] (conductive aid), and carbon particles containing the hydrophilic portion (conductive aid). Agent) was mixed at a mass ratio of 65: 31.8: 2.1: 1.1 and kneaded well to prepare a positive electrode mixture. The mass ratio of Nb in the reaction suppressing layer to the mass of the positive electrode active material was 1.5% by mass.

次に、前記正極合剤:92mgを粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行い、正極合剤成形体よりなる正極を作製した。 Next, 92 mg of the positive electrode mixture was placed in a powder molding die and pressure-molded using a press to prepare a positive electrode made of a positive electrode mixture molded product.

<固体電解質層の形成>
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、平均粒子径が0.7μmの硫化物固体電解質(A)Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8:16mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成した。
<Formation of solid electrolyte layer>
Next, on the positive electrode mixture molded body in the powder molding die, a sulfide solid electrolyte (A) Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br 0. 8 : 16 mg was added and pressure molding was performed using a press machine to form a solid electrolyte layer on the positive electrode mixture molded product.

<負極の作製>
平均粒子径2μmのチタン酸リチウム(LiTi12、負極活物質)と、固体電解質層に使用したものと同じ硫化物固体電解質(A)と、グラフェン(導電助剤)とを、質量比で55:36:9の割合で混合し、よく混練して負極合剤を調製した。次に、前記負極合剤:129mgを前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記固体電解質層の上に空隙率が16%の負極合剤成形体よりなる負極を形成することにより、正極、固体電解質層および負極が積層された積層体を作製した。
<Manufacturing of negative electrode>
The mass of lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , negative electrode active material) with an average particle size of 2 μm, the same sulfide solid electrolyte (A) used for the solid electrolyte layer, and graphene (conductive aid). The mixture was mixed at a ratio of 55:36: 9 and kneaded well to prepare a negative electrode mixture. Next, 129 mg of the negative electrode mixture was put onto the solid electrolyte layer in the powder molding die, pressure molding was performed using a press machine, and the void ratio was 16% on the solid electrolyte layer. By forming a negative electrode made of the negative electrode mixture molded body of the above, a laminated body in which a positive electrode, a solid electrolyte layer and a negative electrode were laminated was produced.

ステンレス鋼製の封口缶および外装缶と前記正極/固体電解質層/負極の積層体との間に、それぞれ厚みが0.1mmの多孔質カーボンシートが配置されるようにして封止を行うことにより、扁平形全固体二次電池を作製した。 By sealing so that a porous carbon sheet having a thickness of 0.1 mm is arranged between the stainless steel sealing can and outer can and the positive electrode / solid electrolyte layer / negative electrode laminate. , A flat all-solid-state secondary battery was manufactured.

比較例1
硫化物系固体電解質(A)に代えて、正極に用いたものと同じ硫化物系固体電解質を使用した以外は、実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体二次電池を作製した。なお、形成された負極合剤成形体の空隙率は22%であった。
Comparative Example 1
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that the same sulfide-based solid electrolyte used for the positive electrode was used instead of the sulfide-based solid electrolyte (A), except that this was used. A flat all-solid-state secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The porosity of the formed negative electrode mixture molded product was 22%.

比較例2
硫化物系固体電解質(B)に代えて、負極に用いたものと同じ硫化物系固体電解質を使用した以外は、実施例1と同様にして正極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体二次電池を作製した。
Comparative Example 2
A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that the same sulfide-based solid electrolyte used for the negative electrode was used instead of the sulfide-based solid electrolyte (B), except that this was used. A flat all-solid-state secondary battery was produced in the same manner as in Example 1.

実施例および比較例の全固体二次電池について、下記の各評価を行った。 The following evaluations were performed on the all-solid-state secondary batteries of Examples and Comparative Examples.

<負荷特性評価>
作製した実施例および比較例の電池について、0.2Cの電流値で電池電圧が3.1Vになるまで行う定電流充電と、3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで行う定電圧充電を組み合わせた定電流−定電圧充電を行い、さらに、0.1Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行い、0.1Cでの放電容量を測定した。
<Load characterization>
For the prepared batteries of Examples and Comparative Examples, constant current charging is performed at a current value of 0.2 C until the battery voltage reaches 3.1 V, and constant current charging is performed at a voltage of 3.1 V until the current value reaches 0.02 C. Constant current-constant voltage charging combined with voltage charging was performed, and then constant current discharge was performed at a current value of 0.1 C until the battery voltage became 1.2 V, and the discharge capacity at 0.1 C was measured.

次に、前記と同様の定電流−定電圧充電を行い、さらに、0.5Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行って、0.5Cでの放電容量を測定した。0.5Cでの放電容量を0.1Cでの放電容量で徐した値(%)を求め、それぞれの電池の負荷特性を評価した。 Next, the same constant current-constant voltage charge as described above is performed, and then constant current discharge is performed at a current value of 0.5 C until the battery voltage reaches 1.2 V, and the discharge capacity at 0.5 C is measured. bottom. The value (%) obtained by gradualizing the discharge capacity at 0.5 C with the discharge capacity at 0.1 C was obtained, and the load characteristics of each battery were evaluated.

<高温特性評価>
実施例および比較例の電池に対し、100℃の環境下において以下の条件で充放電サイクルを50サイクル繰り返した。
<High temperature characteristic evaluation>
For the batteries of Examples and Comparative Examples, 50 cycles of charge / discharge cycles were repeated under the following conditions in an environment of 100 ° C.

0.2Cの電流値で電圧が3.1Vになるまで定電流充電を行い、続いて3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで定電圧充電を行い、次いで、0.2Cの電流値で電圧が1.2Vになるまで定電流放電させる充放電サイクルを50サイクル繰り返し、2サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(容量維持率)により、高温特性を評価した。その結果を表1に示す。 Constant current charging is performed at a current value of 0.2C until the voltage reaches 3.1V, then constant voltage charging is performed at a voltage of 3.1V until the current value reaches 0.02C, and then 0.2C. The high temperature characteristics were evaluated by repeating the charge / discharge cycle of constant current discharge until the voltage became 1.2 V at the current value for 50 cycles, and the ratio of the discharge capacity of the 50th cycle to the discharge capacity of the second cycle (capacity retention rate). .. The results are shown in Table 1.

Figure 2021144867
Figure 2021144867

表1に示す通り、負極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(A)を使用し、正極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(B)を使用した実施例1の全固体二次電池では、負極合剤のイオン伝導性を高くすることができると共に、合剤の充填率が高くなり負極活物質の利用率を向上させることができた。さらに、正極での固体電解質の酸化による特性低下を抑えることができたことから、負荷特性および高温特性に優れる電池を得ることができた。 As shown in Table 1, the sulfide-based solid electrolyte (A) was used for the molded body of the negative electrode mixture, and the sulfide-based solid electrolyte (B) was used for the molded body of the positive electrode mixture. In the next battery, the ionic conductivity of the negative electrode mixture could be increased, and the filling rate of the mixture could be increased to improve the utilization rate of the negative electrode active material. Furthermore, since it was possible to suppress the deterioration of the characteristics due to the oxidation of the solid electrolyte at the positive electrode, it was possible to obtain a battery having excellent load characteristics and high temperature characteristics.

一方、負極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(B)を使用した比較例1の電池では、実施例1の電池よりも負極合剤のイオン伝導性が低くなり、また合剤の充填率が下がり負極活物質の利用率が低下したため、負荷特性に劣る電池となった。また、正極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(A)を使用した比較例2の電池では、正極での固体電解質の酸化による高温特性の低下が認められた。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 1 in which the sulfide-based solid electrolyte (B) was used for the molded body of the negative electrode mixture, the ionic conductivity of the negative electrode mixture was lower than that of the battery of Example 1, and the mixture was filled. Since the rate decreased and the utilization rate of the negative electrode active material decreased, the battery became inferior in load characteristics. Further, in the battery of Comparative Example 2 in which the sulfide-based solid electrolyte (A) was used for the molded body of the positive electrode mixture, a decrease in high temperature characteristics due to oxidation of the solid electrolyte at the positive electrode was observed.

1 全固体二次電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
1 All-solid-state secondary battery 10 Positive electrode 20 Negative electrode 30 Solid electrolyte layer 40 Exterior can 50 Sealed can 60 Gasket

Claims (4)

負極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する負極合剤の成形体を有する負極、正極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有する正極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有する全固体二次電池であって、
前記負極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(1)
Li7−xPS6−xClBr (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕
で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、
前記正極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(2)
Li7−a+bPS6−aCla+b (2)
〔前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、−3.0a+1.8≦b≦−3.0a+5.7である〕
で表される硫化物系固体電解質(B)を含有することを特徴とする全固体二次電池。
Negative electrode having a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte, a positive electrode having a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent and a solid electrolyte, and the positive electrode. An all-solid secondary battery having a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode and the negative electrode.
The molded body of the negative electrode mixture is used as the solid electrolyte according to the following general formula (1).
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
[In the general formula (1), x = y + z, 1.0 <x ≦ 1.8, 0.1 ≦ z / y ≦ 10.0]
Contains the sulfide-based solid electrolyte (A) represented by
The molded body of the positive electrode mixture is used as the solid electrolyte according to the following general formula (2).
Li 7-a + b PS 6-a Cl a + b (2)
[In the general formula (2), 0.05 ≦ b ≦ 0.9, −3.0a + 1.8 ≦ b ≦ -3.0a + 5.7]
An all-solid-state secondary battery characterized by containing a sulfide-based solid electrolyte (B) represented by.
前記負極合剤の成形体における前記導電助剤の含有量が、5〜15質量%である請求項1に記載の全固体二次電池。 The all-solid-state secondary battery according to claim 1, wherein the content of the conductive auxiliary agent in the molded body of the negative electrode mixture is 5 to 15% by mass. 前記負極合剤の成形体の空隙率が、20%以下である請求項1または2に記載の全固体二次電池。 The all-solid-state secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the porosity of the molded product of the negative electrode mixture is 20% or less. 前記負極合剤の成形体は、前記負極活物質としてリチウムチタン酸化物を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の全固体二次電池。 The all-solid-state secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the molded body of the negative electrode mixture contains lithium titanium oxide as the negative electrode active material.
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