JP2021144906A - Positive electrode for all-solid battery, and all-solid battery - Google Patents

Positive electrode for all-solid battery, and all-solid battery Download PDF

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Abstract

To provide a positive electrode which has a thick positive electrode mixture compact, and enables the formation of an all-solid battery superior in load characteristic, and an all-solid battery having the positive electrode.SOLUTION: A positive electrode for an all-solid battery according to the present invention comprises a compact of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte and a conductive assistant. In the positive electrode, fibrous carbon and granular carbon are included as the conductive assistant, and the positive electrode mixture compact is 250 μm or larger in thickness. An all-solid battery of the present invention comprises: a positive electrode; a negative electrode; and a solid electrolyte layer interposed between the positive and negative electrodes. At least one of the positive and negative electrodes is the positive electrode for an all-solid battery according to the present invention.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、厚い正極合剤の成形体を有し、かつ負荷特性に優れた全固体電池を構成可能な正極、および前記正極を有する全固体電池に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode having a molded body of a thick positive electrode mixture and capable of forming an all-solid-state battery having excellent load characteristics, and an all-solid-state battery having the positive electrode.

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(全固体電池)が注目されている。全固体電池は、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 battery) that does not use an organic solvent has attracted attention. The all-solid-state 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 because there is no risk of abnormal heat generation of the solid electrolyte.

ところで、二次電池においては、電解質のみならず、電極に使用する各種材料についての改良も行われている。例えば、特許文献1には、特定の酸化処理カーボンから誘導された糊状の導電性カーボンを、活物質粒子に接触させたり、炭素繊維などの他の導電性カーボンに被覆させたりして、蓄電デバイス(二次電池)のエネルギー密度やサイクル寿命の向上を図ることが提案されている。 By the way, in the secondary battery, not only the electrolyte but also various materials used for the electrodes have been improved. For example, in Patent Document 1, a paste-like conductive carbon derived from a specific oxidation-treated carbon is brought into contact with active material particles or coated with other conductive carbon such as carbon fiber to store electricity. It has been proposed to improve the energy density and cycle life of devices (secondary batteries).

特開2016−96125号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-96125

ところで、全固体電池の電極の固体電解質としては、硫化物系のものや水素化物系のもの、酸化物系のものが知られているが、特に電極(正極および負極)に含有させる固体電解質には、比較的柔らかく、活物質との接点が取りやすい硫化物系のものが好ましい。 By the way, as the solid electrolyte of the electrode of the all-solid-state battery, a sulfide-based one, a hydride-based one, and an oxide-based one are known. Is preferably a sulfide-based battery that is relatively soft and easily comes into contact with the active material.

ところが、硫化物系固体電解質は、導電助剤として一般に使用される粒状カーボンと接触すると、酸化して絶縁体になりやすい。このような場合、例えば全固体電池の正極に使用される正極合剤の成形体が薄いと、比較的導電が取りやすいために電池特性への影響は問題にはならないが、正極合剤の成形体が、例えば250μm以上と厚い場合には、電池の負荷特性が顕著に低下する。 However, when the sulfide-based solid electrolyte comes into contact with granular carbon generally used as a conductive auxiliary agent, it tends to oxidize and become an insulator. In such a case, for example, if the molded body of the positive electrode mixture used for the positive electrode of an all-solid-state battery is thin, the effect on the battery characteristics does not matter because it is relatively easy to take conductivity, but the molding of the positive electrode mixture is not a problem. When the body is as thick as 250 μm or more, the load characteristics of the battery are significantly reduced.

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、厚い正極合剤の成形体を有し、かつ負荷特性に優れた全固体電池を構成可能な正極、および前記正極を有する全固体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 have a positive electrode having a molded body of a thick positive electrode mixture and capable of forming an all-solid-state battery having excellent load characteristics, and the positive electrode. The purpose is to provide an all-solid-state battery.

本発明の全固体電池用正極は、正極活物質と、硫化物系固体電解質と、導電助剤とを含有する正極合剤の成形体を有し、前記導電助剤として、繊維状カーボンと粒状カーボンとを含有し、前記正極合剤の成形体の厚みが250μm以上であることを特徴とするものである。 The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent, and fibrous carbon and granules are used as the conductive auxiliary agent. It contains carbon and is characterized in that the thickness of the molded body of the positive electrode mixture is 250 μm or more.

また、本発明の全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有し、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方が、本発明の全固体電池用電極であることを特徴とするものである。 Further, the all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is the present invention. It is characterized by being an electrode for an all-solid-state battery.

本発明によれば、厚い正極合剤の成形体を有し、かつ負荷特性に優れた全固体電池を構成可能な正極、および前記正極を有する全固体電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode having a molded body of a thick positive electrode mixture and capable of forming an all-solid-state battery having excellent load characteristics, and an all-solid-state battery having the positive electrode.

本発明の全固体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 battery of this invention.

<全固体電池用正極>
本発明の全固体電池用正極は、正極活物質と、硫化物系固体電解質と、導電助剤とを含有する正極合剤の成形体を有し、導電助剤として、繊維状カーボンと粒状カーボンとを含有し、前記正極合剤の成形体の厚みが250μm以上である。
<Positive electrode for all-solid-state battery>
The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent, and fibrous carbon and granular carbon are used as the conductive auxiliary agent. The thickness of the molded body of the positive electrode mixture is 250 μm or more.

本発明の全固体電池用正極においては、繊維状カーボンと粒状カーボンとを導電助剤とすることで、粒状カーボンの使用比率を減らして、導電助剤全体の比表面積を小さくできるため、導電助剤による硫化物系固体電解質の酸化を抑制することができる。 In the positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention, by using fibrous carbon and granular carbon as a conductive auxiliary agent, the ratio of granular carbon used can be reduced and the specific surface area of the entire conductive auxiliary agent can be reduced. It is possible to suppress the oxidation of the sulfide-based solid electrolyte by the agent.

また、本発明の全固体電池用正極では、厚みが250μm以上といった厚い正極合剤の成形体を有しており、正極内の正極活物質量を多くして、高容量化を図ることができる。しかしながら、このような厚い正極合剤の成形体を有する正極を用いた電池においては、前記の通り、負荷特性が低下する。本発明では、導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用することで、正極合剤の成形体内で良好な導電ネットワークを形成できるようにしており、これにより、電池の高容量化を図りつつ、優れた負荷特性の確保も可能としている。 Further, the positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a thick positive electrode mixture having a thickness of 250 μm or more, and the amount of the positive electrode active material in the positive electrode can be increased to increase the capacity. .. However, in a battery using a positive electrode having a molded body of such a thick positive electrode mixture, the load characteristics are deteriorated as described above. In the present invention, by using fibrous carbon and granular carbon together as a conductive auxiliary agent, a good conductive network can be formed in the molded body of the positive electrode mixture, thereby increasing the capacity of the battery. At the same time, it is possible to secure excellent load characteristics.

なお、前記の通り、薄い正極合剤の成形体の場合には負荷特性の低下が顕在化し難いが、本発明によれば、250μm以上と厚い正極合剤の成形体を有しながら、単に負荷特性の低下を抑制するに留まらず、薄い正極合剤の成形体を用いた場合よりも負荷特性を向上させることができる。 As described above, in the case of a molded body of a thin positive electrode mixture, it is difficult for the deterioration of the load characteristics to become apparent, but according to the present invention, the molded body of the positive electrode mixture having a thickness of 250 μm or more is simply loaded. In addition to suppressing the deterioration of the characteristics, the load characteristics can be improved as compared with the case of using a molded body of a thin positive electrode mixture.

全固体電池用正極としては、正極活物質、硫化物系固体電解質、および導電助剤を含む正極合剤を成形してなる成形体(ペレットなど)や、前記正極合剤の成形体(正極合剤層)を集電体上に形成してなる構造のものなどが挙げられる。 Examples of the positive electrode for an all-solid-state battery include a molded body (pellet, etc.) formed by molding a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent, and a molded body (positive electrode combination) of the positive electrode mixture. Examples thereof include those having a structure in which the agent layer) is formed on the current collector.

全固体電池用正極の導電助剤として使用する繊維状カーボンは、繊維長と繊維径(繊維の直径)との比が、20以上のものである。繊維状カーボンの繊維長は、3〜600μmであることが好ましく、また、繊維径は、1〜300nmであることが好ましい。 The fibrous carbon used as a conductive auxiliary agent for a positive electrode for an all-solid-state battery has a ratio of fiber length to fiber diameter (fiber diameter) of 20 or more. The fiber length of the fibrous carbon is preferably 3 to 600 μm, and the fiber diameter is preferably 1 to 300 nm.

本明細書でいう繊維状カーボンの繊維長および繊維径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、カーボンを30000倍で観察した画像において、輪郭が確認できる繊維を50個選択し、選択した繊維について二点間法で粒径を測定し、全繊維の平均値(数平均)を算出することで求められる値である。 The fiber length and fiber diameter of the fibrous carbon referred to in the present specification are selected by selecting 50 fibers whose contours can be confirmed in an image of carbon observed at a magnification of 30,000 using a scanning electron microscope (SEM). It is a value obtained by measuring the particle size of fibers by the two-point method and calculating the average value (number average) of all fibers.

繊維状カーボンの具体例としては、気相成長炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどが挙げられる。繊維状カーボンには、前記例示のもののうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the fibrous carbon include vapor-grown carbon fibers, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. As the fibrous carbon, only one of the above-exemplified ones may be used, or two or more of them may be used in combination.

全固体電池用正極の導電助剤として使用する粒状カーボンは、一次粒子の状態で、最長径の長さと最短径の長さとの比が、1〜1.3のものである。粒状カーボンの平均粒子径は、10nm〜1000nmであることが好ましい。 Granular carbon used as a conductive auxiliary agent for a positive electrode for an all-solid-state battery has a ratio of the length of the longest diameter to the length of the shortest diameter of 1 to 1.3 in the state of primary particles. The average particle size of the granular carbon is preferably 10 nm to 1000 nm.

本明細書でいう粒状カーボンの一次粒子の粒子径は、以下のようにして求められる値である。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、カーボンを30000倍で観察した画像において、輪郭が確認できる粒子を50個選択し、選択した粒子について二点間法で最長径および最短径を測定する。そして、粒状カーボンの最長径は、測定した全最長径の平均値(数平均)であり、最短径は、測定した全最短径の平均値(数平均)である。また、粒状カーボンの平均粒子径は、前記のようにして求めた最長径(全最長径の平均値)である。 The particle size of the primary particles of granular carbon referred to in the present specification is a value obtained as follows. In an image of carbon observed at a magnification of 30,000 using a scanning electron microscope (SEM), 50 particles whose contours can be confirmed are selected, and the longest diameter and the shortest diameter of the selected particles are measured by a two-point method. The longest diameter of the granular carbon is the average value (number average) of all the longest diameters measured, and the shortest diameter is the average value (number average) of all the shortest diameters measured. The average particle size of the granular carbon is the longest diameter (average value of all the longest diameters) obtained as described above.

粒状カーボンの具体例としては、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン(単層グラフェン、多層グラフェン)などの高結晶性の炭素材料;カーボンブラックなどの低結晶性の炭素材料;などが挙げられる。 Specific examples of granular carbon include highly crystalline carbon materials such as graphite (natural graphite and artificial graphite) and graphene (single-layer graphene and multi-layer graphene); and low-crystalline carbon materials such as carbon black; ..

また、粒状カーボンとしては、親水性部分を10質量%以上の割合で含むものを使用することが好ましい。親水性部分を10質量%以上の割合で含む粒状カーボンを使用することで、正極合剤の成形体の空隙率を低くて密度を大きくすることがより容易となる。また、後述するように、粒状カーボンは繊維状カーボンと複合体を形成していることがより好ましいが、親水性部分を10質量%以上の割合で含む粒状カーボンを使用することで、繊維状カーボンとの複合体形成もより容易となる。 Further, as the granular carbon, it is preferable to use one containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more. By using granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more, it becomes easier to lower the porosity of the molded product of the positive electrode mixture and increase the density. Further, as will be described later, it is more preferable that the granular carbon forms a composite with the fibrous carbon, but by using the granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more, the fibrous carbon is used. The formation of a complex with is also easier.

本明細書でいう粒状カーボンにおける「親水性部分」は、以下の通りである。pH=11のアンモニア水溶液:20mLに粒状カーボン:0.1gを添加して1分間の超音波照射を行い、得られた液を5時間放置して固相部分を沈殿させる。このときに沈殿せずに液相部分(上澄み液)に分散している部分が、「親水性部分」に該当する。 The "hydrophilic portion" of the granular carbon referred to in the present specification is as follows. Granular carbon: 0.1 g is added to 20 mL of an aqueous ammonia solution having a pH of 11, and ultrasonic irradiation is performed for 1 minute. The obtained liquid is left to stand for 5 hours to precipitate a solid phase portion. At this time, the portion dispersed in the liquid phase portion (supernatant liquid) without precipitating corresponds to the “hydrophilic portion”.

また、本明細書でいう「親水性部分」の粒状カーボン全量中の割合は、以下の方法によって求められる値である。前記固相部分の沈殿後の前記液から上澄み液を除去し、残りの部分を乾燥させて、乾燥後の固体の重量を測定する。得られた重量を最初に添加した粒状カーボンの重量:0.1gから差し引いた値が、上澄み液中に分散している「親水性部分」の重量となる。そして、「親水性部分」の重量を最初に添加した粒状カーボンの重量:0.1gで除して百分率で表した値が、「親水性部分」の粒状カーボン全量中の割合に該当する。 Further, the ratio of the "hydrophilic portion" in the total amount of granular carbon referred to in the present specification is a value obtained by the following method. The supernatant liquid is removed from the liquid after precipitation of the solid phase portion, the remaining portion is dried, and the weight of the dried solid is measured. The weight obtained by subtracting the weight obtained first from the weight of the granular carbon added first: 0.1 g is the weight of the "hydrophilic portion" dispersed in the supernatant liquid. Then, the weight of the "hydrophilic portion" is divided by the weight of the first added granular carbon: 0.1 g and expressed as a percentage, which corresponds to the ratio of the "hydrophilic portion" to the total amount of the granular carbon.

なお、親水性部分の割合が10質量%以上の粒状カーボンの場合、正極合剤の成形性をより高める観点から、一次粒子の平均粒子径が、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、一方、親水性部分の割合を高めやすいことから、親水性部分の割合が10質量%以上の粒状カーボンの場合の一次粒子の平均粒子径は、400nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがより好ましい。 In the case of granular carbon having a hydrophilic portion of 10% by mass or more, the average particle size of the primary particles is preferably 10 nm or more, preferably 20 nm or more, from the viewpoint of further improving the moldability of the positive electrode mixture. On the other hand, since it is easy to increase the proportion of the hydrophilic portion, the average particle size of the primary particles in the case of granular carbon having a proportion of the hydrophilic portion of 10% by mass or more is preferably 400 nm or less. It is more preferably 300 nm or less.

リチウムイオン二次電池などの電池の電極において、導電助剤として一般に使用されている黒鉛やカーボンブラック、カーボンナノチューブなどの導電性カーボンは、親水性部分の割合が5質量%以下である。このような導電性カーボンの粒子に酸化処理を施すことにより、ヒドロキシ基やカルボキシ基、エーテル結合などが導入され、また、カーボンの共役二重結合が酸化されて単結合となり、部分的に炭素間結合が切断されることで、親水性部分が生成するため、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンを得ることができる。 In the electrodes of batteries such as lithium ion secondary batteries, conductive carbon such as graphite, carbon black, and carbon nanotubes, which are generally used as conductive aids, has a hydrophilic portion of 5% by mass or less. By subjecting such conductive carbon particles to an oxidation treatment, a hydroxy group, a carboxy group, an ether bond, etc. are introduced, and the conjugated double bond of carbon is oxidized to form a single bond, which is partially intercarbon. Since the hydrophilic portion is formed by breaking the bond, it is possible to obtain granular carbon in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above value.

親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンの粒子のより具体的な製造方法としては、例えば、空隙を有するカーボン原料(多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、空隙を有するファーネスブラックなど)を使用し、これを酸(硝酸、硝酸硫酸混合物、次亜塩素酸水溶液など)で処理した後、遷移金属化合物(遷移金属のハロゲン化物、遷移金属の無機塩、遷移金属の有機塩など)と混合し、この混合物をメカノケミカル反応させ、反応後の生成物を非酸化雰囲気下(窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下など)で加熱し、加熱後の生成物から遷移金属化合物や遷移金属化合物の反応生成物を酸で溶解させるなどして除去し、洗浄および乾燥する方法が挙げられる。 As a more specific method for producing granular carbon particles in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above value, for example, a carbon raw material having voids (porous carbon powder, Ketjen black, furnace black having voids, etc.) can be used. Used, this is treated with an acid (nitrite, nitrate sulfuric acid mixture, hypochlorous acid aqueous solution, etc.) and then mixed with a transition metal compound (transition metal halide, transition metal inorganic salt, transition metal organic salt, etc.). Then, this mixture is mechanochemically reacted, and the product after the reaction is heated in a non-oxidizing atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.), and the reaction formation of the transition metal compound or the transition metal compound is performed from the heated product. Examples thereof include a method of removing a substance by dissolving it with an acid, and then washing and drying it.

また、前記の空隙を有するカーボン原料を前記の遷移金属化合物と混合し、これを酸化雰囲気下(空気下などの酸素含有雰囲気下)で加熱し、加熱後の生成物から遷移金属化合物や遷移金属化合物の反応生成物を酸で溶解させるなどして除去し、洗浄および乾燥する方法によっても、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンを得ることができる。 Further, the carbon raw material having the voids is mixed with the transition metal compound, and this is heated in an oxidizing atmosphere (under an oxygen-containing atmosphere such as under air), and the transition metal compound or transition metal is obtained from the heated product. Granular carbon in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above-mentioned value can also be obtained by a method of removing the reaction product of the compound by dissolving it with an acid or the like, washing and drying.

なお、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンの製造方法および条件の詳細は、国際公開第2015/133586号に開示されており、その記載に従って製造すればよい。 Details of the method and conditions for producing granular carbon in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above values are disclosed in International Publication No. 2015/133586, and the production may be performed in accordance with the description thereof.

なお、繊維状カーボンは凝集しやすく、正極合剤の調製時に正極活物質などと混合しても解砕されずに凝集したままで存在することが多い。このような電極合剤を用いると、凝集した繊維状カーボンが嵩高いために、空隙が少なく密度が大きい正極合剤の成形体を形成し難くなる。よって、繊維状カーボンは粒状カーボンと複合化した複合体として使用することが好ましい。繊維状カーボンは粒状カーボンと複合体を形成していると、繊維状カーボンの表面に付着している粒状カーボンによって繊維状カーボンの凝集が抑制される。これにより、例えば空隙率が16%以下と低く、密度が大きい正極合剤の成形体の形成が容易となる。 The fibrous carbon tends to agglomerate, and even if it is mixed with a positive electrode active material or the like at the time of preparing a positive electrode mixture, it often exists in an agglomerated state without being crushed. When such an electrode mixture is used, since the agglomerated fibrous carbon is bulky, it becomes difficult to form a molded body of the positive electrode mixture having few voids and a high density. Therefore, it is preferable to use the fibrous carbon as a composite complex with granular carbon. When the fibrous carbon forms a composite with the granular carbon, the granular carbon adhering to the surface of the fibrous carbon suppresses the aggregation of the fibrous carbon. This facilitates the formation of a molded body of the positive electrode mixture having a low porosity of 16% or less and a high density, for example.

繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体は、後述するように、繊維状カーボンと粒状カーボンとを乾式混合することによって得ることができる。 The composite of the fibrous carbon and the granular carbon can be obtained by dry-mixing the fibrous carbon and the granular carbon as described later.

正極合剤の成形体で「繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体」を使用しているか否かは、例えば、粒状カーボンが前述した低結晶性のものである場合、以下の方法で判断できる。電池から正極合剤の成形体を取り出し、顕微ラマン分光法で正極の断面をマッピング測定(測定範囲:80×80μm、2μmステップ)する。繊維状カーボンおよび粒状カーボンは、いずれも1340cm−1および1590cm−1の位置にピークが観測されるが、繊維状カーボンは1340cm−1のピーク強度が粒状カーボンと比べ1/10〜1/5程度である。よって、繊維状カーボンと粒状カーボンとが別個に存在している場合には、1340cm−1のピーク強度を観測することで、どちらのカーボンであるかを判別することができる。そして、繊維状カーボンと粒状カーボンとが複合体を形成している場合には、1340cm−1のピーク強度が粒状カーボンと比べ1/3〜3/4程度となるため、観察しているカーボンが繊維状カーボンと粒状カーボンの複合体であることを判別できる。 Whether or not the "composite of fibrous carbon and granular carbon" is used in the molded product of the positive electrode mixture can be determined by the following method, for example, when the granular carbon is the above-mentioned low crystallinity. .. The molded body of the positive electrode mixture is taken out from the battery, and the cross section of the positive electrode is mapped and measured (measurement range: 80 × 80 μm, 2 μm steps) by micro-Raman spectroscopy. Fibrous carbon and particulate carbon, but any peak at 1340 cm -1 and 1590 cm -1 are observed, fibrous carbon is about 1 / 10-1 / 5 than the peak intensity of 1340 cm -1 is a granular carbon Is. Therefore, when the fibrous carbon and the granular carbon are present separately, it is possible to determine which carbon is by observing the peak intensity of 1340 cm -1. When the fibrous carbon and the granular carbon form a composite, the peak intensity of 1340 cm -1 is about 1/3 to 3/4 of that of the granular carbon, so that the observed carbon is It can be determined that it is a composite of fibrous carbon and granular carbon.

全固体電池用正極における正極合剤の成形体において、繊維状カーボンと粒状カーボンとの割合は、繊維状カーボンの凝集をより良好に抑制する観点から、繊維状カーボン100質量部に対して、粒状カーボンが、10質量部以上であることが好ましく、30質量部以上であることがより好ましい。また、導電助剤全体の比表面積を制限して、正極合剤の成形体での硫化物系固体電解質の酸化をより良好に抑制する観点からは、繊維状カーボンと粒状カーボンとの割合は、繊維状カーボン100質量部に対して、粒状カーボンが、100質量部以下であることが好ましく、70質量部以下であることがより好ましい。 In the molded body of the positive electrode mixture in the positive electrode for all-solid-state batteries, the ratio of the fibrous carbon to the granular carbon is granular with respect to 100 parts by mass of the fibrous carbon from the viewpoint of better suppressing the aggregation of the fibrous carbon. The amount of carbon is preferably 10 parts by mass or more, and more preferably 30 parts by mass or more. Further, from the viewpoint of limiting the specific surface area of the entire conductive auxiliary agent and better suppressing the oxidation of the sulfide-based solid electrolyte in the molded body of the positive electrode mixture, the ratio of the fibrous carbon to the granular carbon is determined. The amount of granular carbon is preferably 100 parts by mass or less, and more preferably 70 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of fibrous carbon.

正極合剤の成形体から繊維状カーボンと粒状カーボンの割合は以下の方法で判別することができる。電池から電極積層体を取り出して、精密ナイフで正極合剤の成形体のみを分離する。分離した正極合剤の成形体をイオン交換水中に入れた後、ここにイオン交換水と同量のトルエンを加えて超音波処理を施す。この処理を施した液は、粒状カーボンを含む水相と、繊維状カーボンを含むトルエン相とに分離する。この液から水相とトルエン相とを分液する。これによって得られた水相について、50,000Gの遠心加速度で遠心分離を行い、上澄みをイオン交換水で置換する操作を3回繰り返した後に、残った試料を乾燥させて固形分を回収し、その質量Y(mg)を測定する。次に、質量Yを測定した固形分について、空気雰囲気下で熱重量(TG)分析を行い、120℃から700℃にかけての質量の変化量を求め、これを正極合剤中の粒状カーボンの質量Z(mg)とする。 The ratio of fibrous carbon and granular carbon can be determined from the molded product of the positive electrode mixture by the following method. The electrode laminate is taken out from the battery, and only the molded body of the positive electrode mixture is separated with a precision knife. After the separated molded body of the positive electrode mixture is placed in ion-exchanged water, the same amount of toluene as the ion-exchanged water is added thereto for ultrasonic treatment. The liquid subjected to this treatment is separated into an aqueous phase containing granular carbon and a toluene phase containing fibrous carbon. The aqueous phase and the toluene phase are separated from this liquid. The aqueous phase thus obtained was centrifuged at a centrifugal acceleration of 50,000 G, and the operation of replacing the supernatant with ion-exchanged water was repeated three times, and then the remaining sample was dried to recover the solid content. Its mass Y (mg) is measured. Next, the solid content whose mass Y was measured was subjected to thermogravimetric (TG) analysis in an air atmosphere to determine the amount of change in mass from 120 ° C. to 700 ° C., which was calculated as the mass of granular carbon in the positive electrode mixture. Let it be Z (mg).

これによって得られたトルエン層について50,000Gの遠心加速度で遠心分離を行い、上澄みをトルエンで置換する操作を3回繰り返した後に、残った試料を乾燥させて固形分を回収し、その質量(mg)を測定する。次に、質量Wを測定した固形分について、空気雰囲気下で熱重量(TG)分析を行い、120℃から800℃にかけての質量の変化量を求め、これを正極合剤中の繊維状カーボンの質量X(mg)とする。 The toluene layer thus obtained was centrifuged at a centrifugal acceleration of 50,000 G, the operation of replacing the supernatant with toluene was repeated three times, and then the remaining sample was dried to recover the solid content, and its mass ( mg) is measured. Next, the solid content whose mass W was measured was subjected to thermogravimetric (TG) analysis in an air atmosphere to determine the amount of change in mass from 120 ° C. to 800 ° C., which was used as the fibrous carbon in the positive electrode mixture. Let the mass be X (mg).

さらに、YからZを引いて正極合剤中の正極活物質の質量P(mg)を算出することができる。 Further, Z can be subtracted from Y to calculate the mass P (mg) of the positive electrode active material in the positive electrode mixture.

全固体電池用正極の正極合剤の成形体において、導電助剤の総量は、1〜10質量%であることが好ましい。 The total amount of the conductive auxiliary agent is preferably 1 to 10% by mass in the molded body of the positive electrode mixture of the positive electrode for all solid-state batteries.

正極活物質としては、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ものと同様の、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な活物質の粉末を使用することができる。具体的には、正極活物質として、LiM Mn2−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−b−a)Ni 2−d(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≦a≦1.2、0<b<0.5、0≦c≦0.5、d+f<1、−0.1≦d≦0.2、0≦f≦0.1)で表される層状化合物、LiCo1−g (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≦g≦0.5)で表されるリチウム遷移金属酸化物の一種であるリチウムコバルト複合酸化物、LiNi1−h (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≦h≦0.5)で表されるリチウム遷移金属酸化物の一種であるリチウムニッケル複合酸化物、LiM 1−mPO(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≦m≦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、電池容量確保のためリチウム遷移金属酸化物を用いることが好ましい。また、正極活物質がリチウム遷移金属酸化物の場合、正極合剤の成形体が60質量%以上の比率で含有していると導電性の確保が困難になる傾向にあるため、繊維状カーボンと粒状カーボンとを含有する効果をより顕著に得ることができる。 As the positive electrode active material, a powder of an active material capable of occluding and releasing lithium ions, which is similar to that used in conventionally known lithium ion secondary batteries, can be used. Specifically, as the positive electrode active material, LiM 1 x Mn 2-x O 4 (where M 1 is Li, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, It is at least one element selected from the group consisting of Cu, Al, Sn, Sb, In, Nb, Mo, W, Y, Ru and Rh, and is represented by 0.01 ≦ x ≦ 0.5). Spinel-type lithium manganese composite oxide, Li a Mn (1-ba) Ni b M 2 c O 2-d F f (where M 2 is Co, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, At least one element selected from the group consisting of Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr and W, 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 <b <0.5, A layered compound represented by 0 ≦ c ≦ 0.5, d + f <1, −0.1 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ f ≦ 0.1), LiCo 1-g M 3 g O 2 (however, where M 3 is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, and 0 ≦ LiNi 1-h M 4 h O 2 (where M 4 is Al, Mg, Ti, Zr, Fe), a lithium cobalt composite oxide which is a kind of lithium transition metal oxide represented by g ≦ 0.5). , Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, which is at least one element selected from the group, and is a lithium transition metal represented by 0 ≦ h ≦ 0.5). LiM 5 1-m N m PO 4 (where M 5 is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn and Co, N is an element of LiM 5 1-m N m PO 4 which is a kind of oxide. It is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, and is 0 ≦ m ≦ 0.5). Examples thereof include an olivine type composite oxide represented by, and a lithium titanium composite oxide represented by Li 4 Ti 5 O 12, and one or more of these can be used. Among these, it is preferable to use a lithium transition metal oxide to secure the battery capacity. Further, when the positive electrode active material is a lithium transition metal oxide, if the molded body of the positive electrode mixture is contained in a ratio of 60% by mass or more, it tends to be difficult to secure conductivity. The effect of containing granular carbon can be obtained more remarkably.

正極活物質表面には、正極活物質および固体電解質との反応を抑制する反応抑制層を設けることが好ましい。反応抑制層の構成材料としては、LiNbOやLiTi12で表されるリチウム遷移金属酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を使用することができる It is preferable to provide a reaction suppressing layer on the surface of the positive electrode active material to suppress the reaction with the positive electrode active material and the solid electrolyte. Examples of the constituent material of the reaction suppression layer include lithium transition metal oxides represented by LiNbO 3 and Li 4 Ti 5 O 12 , and one or more of these can be used.

全固体電池用正極の正極合剤の成形体における正極活物質の含有量は、電池の高容量化の観点から、60質量%以上であることが好ましい。なお、正極合剤の成形体における正極活物質の量がこの範囲の時に、正極合剤の成形体内での導電性が確保し難くなるため、繊維状カーボンと粒状カーボンとを導電助剤とすることによる負荷特性改善の効果がより顕著になる。より好ましくは65質量%以上である。また、正極合剤の成形体における正極活物質の含有量は、通常、90質量%以下である。 The content of the positive electrode active material in the molded body of the positive electrode mixture of the positive electrode for an all-solid-state battery is preferably 60% by mass or more from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. When the amount of the positive electrode active material in the molded body of the positive electrode mixture is within this range, it becomes difficult to secure the conductivity of the positive electrode mixture in the molded body. Therefore, fibrous carbon and granular carbon are used as conductive aids. The effect of improving the load characteristics becomes more remarkable. More preferably, it is 65% by mass or more. The content of the positive electrode active material in the molded product of the positive electrode mixture is usually 90% by mass or less.

全固体電池用電極における硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS−P、LiS−SiS、LiS−P−GeS、LiS−B系ガラスなどの粒子が挙げられる他、近年、リチウムイオン伝導性が高いものとして注目されているLGPS系のもの(Li10GeP12など)や、アルジロダイト系のもの〔LiPSClなどの、Li7−x+yPS6−xClx+y(ただし、0.05≦y≦0.9、−3.0x+1.8≦y≦−3.0x+5.7)で表されるもの、Li7−aPS6−aClBr(ただし、a=b+c、0<a≦1.8、0.1≦b/c≦10.0)で表されるものなど〕も使用することができる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が高いことから、リチウムおよびリンを含む硫化物系固体電解質が好ましく、特にリチウムイオン伝導性が高く、化学的に安定性の高いアルジロダイト系材料がより好ましい。 The sulfide-based solid electrolyte in all-solid-state battery electrode, for example, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-P 2 S 5 -GeS 2, Li 2 S-B 2 other mentioned particles, such as S 3 based glass, in recent years, those LGPS system has attracted attention as a high lithium ion conductivity and (such as Li 10 GeP 2 S 12), those Arujirodaito system [Li 6 PS 5 Li 7-x + y PS 6-x Cl x + y (where 0.05 ≤ y ≤ 0.9, -3.0 x + 1.8 ≤ y ≤ -3.0 x + 5.7), such as Cl, Li 7-a PS 6-a Cl b Br c (where a = b + c, 0 <a≤1.8, 0.1≤b / c≤10.0, etc.) can also be used. can. Among these, a sulfide-based solid electrolyte containing lithium and phosphorus is preferable because of its high lithium ion conductivity, and an algyrodite-based material having high lithium ion conductivity and high chemical stability is more preferable.

硫化物系固体電解質の平均粒子径は、粒界抵抗軽減の観点から、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることがより好ましく、一方、活物質と固体電解質との間での十分な接触界面形成の観点から、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましい。本明細書でいう固体電解質の平均粒子径は、粒度分布測定装置(日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置「HRA9320」など)を用いて、粒度分布の小さい粒子から積分体積を求める場合の体積基準の積算分率における50%径の値(d50)を意味している。 The average particle size of the sulfide-based solid electrolyte is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, from the viewpoint of reducing grain boundary resistance, while between the active material and the solid electrolyte. From the viewpoint of forming a sufficient contact interface in the above, it is preferably 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less. The average particle size of the solid electrolyte referred to in the present specification is the volume when the integrated volume is obtained from particles having a small particle size distribution using a particle size distribution measuring device (such as the Microtrack particle size distribution measuring device "HRA9320" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). It means the value of 50% diameter (d 50) in the standard integrated fraction.

全固体電池用正極には、硫化物系固体電解質と共に、その他の固体電解質(水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質など)も使用することができる。ただし、全固体電池用極正極における硫化物系固体電解質以外の固体電解質の、固体電解質粒子全量中の割合は、30質量%以下であることが好ましい。なお、全固体電池用正極における固体電解質は、全て硫化物系固体電解質であってもよいため、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の固体電解質全量中の割合の下限値は、0質量%である。 In addition to the sulfide-based solid electrolyte, other solid electrolytes (hydride-based solid electrolyte, oxide-based solid electrolyte, etc.) can also be used for the positive electrode for all-solid-state batteries. However, the ratio of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte in the polar positive electrode for the all-solid-state battery to the total amount of the solid electrolyte particles is preferably 30% by mass or less. Since all the solid electrolytes in the positive electrode for all-solid-state batteries may be sulfide-based solid electrolytes, the lower limit of the proportion of solid electrolytes other than the sulfide-based solid electrolytes in the total amount of solid electrolytes is 0% by mass. be.

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)などの粒子が挙げられる。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). Particles 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などの粒子が挙げられる。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include particles such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi (PO 4 ) 3 , LiGe (PO 4 ) 3 , and LiLaTIO 3.

硫化物系固体電解質以外の固体電解質の平均粒子径は、硫化物系固体電解質の平均粒子径と同等程度であることが好ましい。 The average particle size of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte is preferably about the same as the average particle size of the sulfide-based solid electrolyte.

正極合剤の成形体における固体電解質の含有量は、4〜30質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the molded product of the positive electrode mixture is preferably 4 to 30% by mass.

全固体電池用正極の正極合剤の成形体は、バインダを含有していてもよいが、硫化物系固体電解質の作用によって良好に成形できるため、含有していなくてもよい。バインダには、リチウムイオン二次電池の電極で通常使用されている各種のバインダ(ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂など)を使用することができる。正極合剤の成形体にバインダを含有させる場合の含有量は、0.5質量%以下であることが好ましい。 The molded body of the positive electrode mixture for the positive electrode for an all-solid-state battery may contain a binder, but it may not be contained because it can be satisfactorily molded by the action of a sulfide-based solid electrolyte. As the binder, various binders (fluororesin such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene) usually used for electrodes of lithium ion secondary batteries can be used. When the binder is contained in the molded product of the positive electrode mixture, the content is preferably 0.5% by mass or less.

全固体電池用正極においては、正極合剤の成形体の空隙率が、16%以下であることが好ましく、14%以下であることがより好ましい。前記の通り、繊維状カーボンと粒状カーボンとが複合体を形成していると、繊維状カーボンの表面に付着している粒状カーボンによって繊維状カーボンの凝集が抑制される。これにより、例えば空隙率が16%以下と低く、密度が大きい正極合剤の成形体の形成が可能となり、正極活物質と固体電解質との接点をより多くして、良好なイオン伝導性を確保することができるようになる。 In the positive electrode for all-solid-state batteries, the porosity of the molded product of the positive electrode mixture is preferably 16% or less, and more preferably 14% or less. As described above, when the fibrous carbon and the granular carbon form a complex, the granular carbon adhering to the surface of the fibrous carbon suppresses the aggregation of the fibrous carbon. As a result, for example, a molded body of a positive electrode mixture having a low void ratio of 16% or less and a high density can be formed, and the number of contacts between the positive electrode active material and the solid electrolyte is increased to ensure good ionic conductivity. You will be able to.

なお、全固体電池用正極における正極合剤の成形体の空隙率の下限値については、特に制限はないが、空隙率が0%の正極合剤の成形体の形成は容易ではなく、通常は、9%程度である。 The lower limit of the void ratio of the positive electrode mixture molded body in the positive electrode for all-solid-state batteries is not particularly limited, but it is not easy to form the positive electrode mixture molded body having a void ratio of 0%, and usually , About 9%.

本明細書でいう正極合剤の成形体の空隙率は、正極合剤に含まれる各材料の割合と真密度から算出した正極合剤の真密度と正極合剤の成形体の実測密度から計算される。 The void ratio of the molded body of the positive electrode mixture referred to in the present specification is calculated from the true density of the positive electrode mixture calculated from the ratio and true density of each material contained in the positive electrode mixture and the measured density of the molded body of the positive electrode mixture. Will be done.

全固体電池用正極は、正極活物質と硫化物系固体電解質と繊維状カーボンと粒状カーボンなどとを混合して正極合剤を調製する工程と、前記正極合剤を成形して正極合剤の成形体を形成する工程とを有する製造方法によって製造することができる。 The positive electrode for an all-solid-state battery is prepared by mixing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, fibrous carbon, granular carbon, and the like to prepare a positive electrode mixture, and molding the positive electrode mixture to form a positive electrode mixture. It can be manufactured by a manufacturing method including a step of forming a molded body.

なお、導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体を使用する場合には、繊維状カーボンと粒状カーボンとを混合して、これらの複合体を形成する工程と、前記複合体と正極活物質と硫化物系固体電解質などとを混合して正極合剤を調製する工程と、前記正極合剤を成形して正極合剤の成形体を形成する工程とを有する製造方法によって全固体電池用正極を製造することができる。 When a composite of fibrous carbon and granular carbon is used as the conductive auxiliary agent, a step of mixing the fibrous carbon and the granular carbon to form the composite, and the composite and the positive electrode An all-solid-state battery by a manufacturing method including a step of mixing an active material and a sulfide-based solid electrolyte to prepare a positive electrode mixture and a step of molding the positive electrode mixture to form a molded body of the positive electrode mixture. Positive electrode can be manufactured.

繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体の形成は、遊星ボールミルや増高産業製「スーパーマスコロイダー(商品名)」などの装置を使用し、これらを乾式混合することによって実施することができる。前記複合体形成時の混合時間は、例えば、10〜60分とすればよい。 The formation of a complex of fibrous carbon and granular carbon can be carried out by using a device such as a planetary ball mill or "Super Mascoroider (trade name)" manufactured by Masuko Sangyo, and dry-mixing them. The mixing time at the time of forming the complex may be, for example, 10 to 60 minutes.

前記複合体と正極活物質と硫化物系固体電解質などとを混合して正極合剤を調製したり、正極活物質と硫化物系固体電解質と繊維状カーボンと粒状カーボンなどとを混合して正極合剤を調製したりするに際しては、例えば、前記複合体の形成と同じ装置を使用して、これらを乾式混合すればよい。 The composite, the positive electrode active material, the sulfide-based solid electrolyte, etc. are mixed to prepare a positive electrode mixture, or the positive electrode active material, the sulfide-based solid electrolyte, fibrous carbon, granular carbon, etc. are mixed to prepare the positive electrode. When preparing the mixture, for example, they may be dry-mixed using the same apparatus as for forming the complex.

正極合剤の成形体の形成は、前記のようにして調製した正極合剤を使用し、これをプレス処理などしてペレット状やシート状などに成形すればよい。集電体を持たない全固体電池用正極の場合は、正極合剤の成形体をそのまま電極として使用することができる。他方、集電体を有する全固体電池用正極の場合は、得られた正極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして製造することができる。 The molded body of the positive electrode mixture may be formed by using the positive electrode mixture prepared as described above and pressing the positive electrode mixture to form pellets or sheets. In the case of a positive electrode for an all-solid-state battery that does not have a current collector, the molded body of the positive electrode mixture can be used as it is as an electrode. On the other hand, in the case of a positive electrode for an all-solid-state battery having a current collector, it can be manufactured by crimping the obtained molded body of the positive electrode mixture with the current collector.

全固体電池用正極が集電体を有する場合、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;などが挙げられる。また、全固体電池用電極が負極であって集電体を使用する場合、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;などが挙げられる。 When the positive electrode for an all-solid-state battery has a current collector, examples of the current collector include metal foils such as aluminum and stainless steel, punching metal, mesh, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; and the like. When the electrode for an all-solid-state battery is a negative electrode and a current collector is used, the current collector may be copper or nickel foil, punching metal, net, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; etc. Can be mentioned.

全固体電池用正極における正極合剤の成形体の厚みは、250μm以上であり、300μm以上であることが好ましく、400μm以上であることがより好ましい。正極合剤の成形体の厚みが大きければ大きいほどその分正極活物質量を増加させることができるので容量確保が可能になる。また、正極合剤の成形体の厚みが250μmよりも小さいと導電性確保が問題にならない一方で、250μm以上の厚みになると導電性低下による電池の負荷特性低下が顕著になるが、本発明によれば、薄い正極合剤の成形体を有する場合よりも、電池の負荷特性を向上させることができる。なお、正極合剤の成形体の厚みは適宜使用する機器に合わせて変更することができるが、5000μm以下であることが好ましい。 The thickness of the molded product of the positive electrode mixture in the positive electrode for an all-solid-state battery is 250 μm or more, preferably 300 μm or more, and more preferably 400 μm or more. The larger the thickness of the molded body of the positive electrode mixture, the more the amount of the positive electrode active material can be increased, so that the capacity can be secured. Further, if the thickness of the molded body of the positive electrode mixture is smaller than 250 μm, ensuring conductivity is not a problem, while if the thickness is 250 μm or more, the load characteristics of the battery are significantly reduced due to the decrease in conductivity. According to this, the load characteristics of the battery can be improved as compared with the case of having a molded body of a thin positive electrode mixture. The thickness of the molded product of the positive electrode mixture can be appropriately changed according to the equipment to be used, but is preferably 5000 μm or less.

<全固体電池>
本発明の全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する二次電池であり、正極が本発明の全固体電池用正極である。
<All-solid-state battery>
The all-solid-state battery of the present invention is a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is the positive electrode for the all-solid-state battery of the present invention.

本発明の全固体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。 FIG. 1 shows a cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid-state 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.

全固体電池の負極には、例えば、負極活物質、導電助剤および固体電解質などを含む負極合剤の成形体を有するものが挙げられ、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使用できる。 Examples of the negative electrode of the all-solid-state battery include those having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent, a solid electrolyte, and the like. A negative electrode having a structure integrated with an electric body can be used.

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.

負極合剤における負極活物質の含有量は、50〜95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 50 to 95% 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1〜10質量%であることが好ましい。 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 1 to 10% by mass.

負極の固体電解質には、正極合剤に含有させ得る固体電解質として先に例示したものと同じもののうちの1種または2種以上を使用することができる。前記例示の固体電解質の中でも、リチウムイオン伝導性が高く、また、負極合剤の成形性を高める機能を有していることから、硫化物系固体電解質を用いることがより好ましい。 As the solid electrolyte of the negative electrode, one or more of the same solid electrolytes as those exemplified above can be used as the solid electrolyte that can be contained in the positive electrode mixture. Among the above-exemplified solid electrolytes, it is more preferable to use a sulfide-based solid electrolyte because it has high lithium ion conductivity and has a function of improving the moldability of the negative electrode mixture.

負極合剤における固体電解質の含有量は、4〜49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 4 to 49% 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。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. The thickness of the molded product of the negative electrode mixture is usually 3000 μm or less.

全固体電池用における固体電解質層には、全固体電池用電極の固体電解質として先に例示した各種固体電解質(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)と同じもののうちの1種または2種以上を使用することができる。ただし、電池特性をより優れたものとするためには、硫化物系固体電解質を含有させることが好ましい。 The solid electrolyte layer for all-solid-state batteries is the same as the various solid electrolytes (sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes) exemplified above as the solid electrolytes for all-solid-state battery electrodes. One or more of the above can be used. However, in order to improve the battery characteristics, it is preferable to contain a sulfide-based solid electrolyte.

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;などによって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には、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、50〜400μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 50 to 400 μm.

全固体電池において、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用いることができる。 In the all-solid-state battery, the positive electrode and the negative electrode can be used 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.

全固体電池の形態は、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 all-solid-state battery has 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-type battery or a button-type battery. Not limited to, for example, those having an exterior body made of a resin film or a metal-resin laminate film, or a metal bottomed tubular (cylindrical or square tubular) exterior can and its opening are sealed. It may have an exterior body having a sealing structure for stopping.

本発明の全固体電池は、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。本発明の全固体電池用正極は、本発明の全固体電池を構成できる。 The all-solid-state 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, and has a high temperature. It can be preferably used for applications that are exposed to. The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention can constitute the all-solid-state battery of the present invention.

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)
<固体電解質層の形成>
平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl):16mgを粉末成形金型に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、厚みが0.2mmの固体電解質層を形成した。
(Example 1)
<Formation of solid electrolyte layer>
A sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure with an average particle diameter of 4 μm was charged into a powder molding die, pressure-molded using a press machine, and a thickness of 0.2 mm. A solid electrolyte layer was formed.

<正極の作製>
一次粒子の平均粒子径が200nm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。
<Preparation of positive electrode>
An average particle diameter of 200nm 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、水洗及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粒状カーボンを得た。得られた粒状カーボンは、一次粒子の状態で最長径の長さと最短径の長さとの比が1.1で、粒状カーボンの一次粒子の平均粒子径が200nmであった。 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 granular carbon containing a hydrophilic portion was obtained in a proportion of 10% by mass or more. In the obtained granular carbon, the ratio of the length of the longest diameter to the length of the shortest diameter was 1.1 in the state of the primary particles, and the average particle size of the primary particles of the granular carbon was 200 nm.

カーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF(商品名)」,繊維状カーボン,繊維長と繊維径との比が30以上〕と、前記粒状カーボンとを、遊星ボールミルを用いて、質量比で2:1の割合で60分間乾式混合して、繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体を得た。 Carbon nanotubes [“VGCF (trade name)” manufactured by Showa Denko Co., Ltd., fibrous carbon, the ratio of fiber length to fiber diameter is 30 or more] and the granular carbon are mixed by mass ratio of 2: using a planetary ball mill. Dry mixing was performed at a ratio of 1 for 60 minutes to obtain a composite of fibrous carbon and granular carbon.

LiCoO(正極活物質)と、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体(導電助剤)とを、質量比で70:26.8:3.2の割合で混合して、正極合剤を調製した。 LiCoO 2 (positive electrode active material), a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure with an average particle size of 4 μm, and a composite (conductive aid) of the fibrous carbon and granular carbon. And were mixed at a mass ratio of 70: 26.8: 3.2 to prepare a positive electrode mixture.

次に、前記正極合剤:62mg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厚みが0.46mmの正極合剤の成形体よりなる正極を形成した。得られた正極の空隙率は、14%であった。 Next, 62 mg of the positive electrode mixture was put onto the solid electrolyte layer in the powder molding die, pressure molding was performed using a press machine, and the thickness was 0.46 mm on the solid electrolyte layer. A positive electrode was formed of a molded body of the positive electrode mixture of. The porosity of the obtained positive electrode was 14%.

<負極の作製>
平均粒子径2μmのLiTi12と前記硫化物固体電解質と前記粒状カーボンとを質量比で55:40:5の割合で混合し、よく混練して負極合剤を調製した。次に、前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の正極とは反対側の上に、前記負極合剤:88mgを投入し、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厚みが0.89mm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、直径が7.5mmで厚みが1.55mmの電極積層体を作製した。
<Manufacturing of negative electrode>
Li 4 Ti 5 O 12 having an average particle diameter of 2 μm, the sulfide solid electrolyte and the granular carbon were mixed at a mass ratio of 55:40: 5 and kneaded well to prepare a negative electrode mixture. Next, 88 mg of the negative electrode mixture was put onto the side of the powder molding die opposite to the positive electrode of the solid electrolyte layer, and pressure molding was performed using a press machine to obtain the solid electrolyte layer. By forming a negative electrode made of a negative electrode mixture molded body having a thickness of 0.89 mm on the electrode, an electrode laminate having a diameter of 7.5 mm and a thickness of 1.55 mm, in which a positive electrode, a solid electrolyte layer and a negative electrode are laminated, is formed. Made.

<電池の組み立て>
東洋炭素株式会社製の可撓性黒鉛シート「PERMA−FOIL(製品名)」(厚み:0.1mm、見かけ密度:1.1g/cm)を前記電極積層体と同じ大きさに打ち抜いたものを2枚用意し、そのうちの1枚を、ポリプロピレン製の環状ガスケットをはめ込んだステンレス鋼製の封口缶の内底面上に配置した。次に、前記黒鉛シートの上に、負極を前記黒鉛シート側にして前記電極積層体を重ね、その上に前記黒鉛シートのもう1枚を配置し、さらにステンレス鋼製の外装缶をかぶせた後、外装缶の開口端部を内方にかしめて封止を行うことにより、封口缶の内底面と前記積層体との間、および、外装缶の内底面と前記積層体との間に、それぞれ前記黒鉛シートが配置された、直径約9mmの扁平形全固体電池を作製した。
<Battery assembly>
A flexible graphite sheet "PERMA-FOIL (product name)" (thickness: 0.1 mm, apparent density: 1.1 g / cm 3 ) manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd. punched to the same size as the electrode laminate. Two sheets were prepared, and one of them was placed on the inner bottom surface of a stainless steel sealing can fitted with an annular gasket made of polypropylene. Next, the electrode laminate is superposed on the graphite sheet with the negative electrode on the graphite sheet side, another sheet of the graphite sheet is placed on the graphite sheet, and an outer can made of stainless steel is further covered. By crimping the open end of the outer can inward to seal the can, between the inner bottom surface of the sealing can and the laminate, and between the inner bottom surface of the outer can and the laminate, respectively. A flat all-solid-state battery having a diameter of about 9 mm on which the graphite sheet was arranged was produced.

(実施例2)
LiCoOと、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記繊維状カーボンと、前記粒状カーボンとを、質量比で70:26.8:2.1:1.1の割合で混合して、正極合剤を調製した。この正極を用いた以外は実施例1と同様にして正極を形成した。得られた正極の空隙率は、15%であった。
(Example 2)
LiCoO 2 , a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure having an average particle diameter of 4 μm, the fibrous carbon, and the granular carbon in a mass ratio of 70: 26.8: A positive electrode mixture was prepared by mixing at a ratio of 2.1: 1.1. A positive electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used. The porosity of the obtained positive electrode was 15%.

この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。 A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(実施例3)
LiCoOと、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記繊維状カーボンと、前記粒状カーボンとを、質量比で60:36.8:2.1:1.1の割合で混合して、正極合剤を調製した。この正極を用いた以外は実施例1と同様にして正極を形成した。得られた正極の空隙率は、15%であった。
(Example 3)
LiCoO 2 , a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure having an average particle diameter of 4 μm, the fibrous carbon, and the granular carbon in a mass ratio of 60: 36.8: A positive electrode mixture was prepared by mixing at a ratio of 2.1: 1.1. A positive electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used. The porosity of the obtained positive electrode was 15%.

この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作成した。 A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(実施例4)
LiCoOと、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記繊維状カーボンと、前記粒状カーボンとを、質量比で70:26.8:2.1:1.1の割合で混合して、正極合剤を調製した。
(Example 4)
LiCoO 2 , a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure having an average particle diameter of 4 μm, the fibrous carbon, and the granular carbon in a mass ratio of 70: 26.8: A positive electrode mixture was prepared by mixing at a ratio of 2.1: 1.1.

次に、この正極合剤:40mg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厚みが0.30mmの正極合剤の成形体よりなる正極を形成した。得られた正極の空隙率は、15%であった。 Next, 40 mg of this positive electrode mixture was put onto the solid electrolyte layer in the powder molding die, pressure molding was performed using a press machine, and the thickness was 0.30 mm on the solid electrolyte layer. A positive electrode was formed of a molded body of the positive electrode mixture of. The porosity of the obtained positive electrode was 15%.

この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作成した。 A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(実施例5)
LiCoO(正極活物質)と、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記繊維状カーボンと、前記粒状カーボンとを、質量比で70:26.8:2.1:1.1の割合で混合して、正極合剤を調製した。
(Example 5)
LiCoO 2 (positive electrode active material), a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure with an average particle diameter of 4 μm, the fibrous carbon, and the granular carbon in a mass ratio of 70. A positive electrode mixture was prepared by mixing at a ratio of: 26.8: 2.1: 1.1.

次に、この正極合剤:33mg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厚みが0.25mmの正極合剤の成形体よりなる正極を形成した。得られた正極の空隙率は、15%であった。 Next, 33 mg of this positive electrode mixture was put onto the solid electrolyte layer in the powder molding die, pressure molding was performed using a press machine, and the thickness was 0.25 mm on the solid electrolyte layer. A positive electrode was formed of a molded body of the positive electrode mixture of. The porosity of the obtained positive electrode was 15%.

この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作成した。 A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(比較例1)
繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体に代えて、前記複合体の形成に使用したものと同じカーボンナノチューブを導電助剤として使用した以外は、実施例1と同様にして、厚みが0.46mmの正極合剤の成形体からなる正極を作製した。得られた正極の空隙率は、19%であった。そして、この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。
(Comparative Example 1)
Similar to Example 1, the thickness was 0.46 mm, except that the same carbon nanotubes used for forming the composite were used as the conductive auxiliary agent instead of the composite of fibrous carbon and granular carbon. A positive electrode made of a molded body of the positive electrode mixture of No. 1 was produced. The porosity of the obtained positive electrode was 19%. Then, a flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(比較例2)
繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体に代えて、前記複合体の形成に使用したものと同じ粒状カーボンを導電助剤として使用した以外は、実施例1と同様にして、厚みが0.46mmの正極合剤の成形体からなる正極を作製した。得られた正極の空隙率は、15%であった。そして、この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。
(Comparative Example 2)
Similar to Example 1, the thickness was 0.46 mm, except that the same granular carbon used for forming the composite was used as the conductive auxiliary agent instead of the composite of the fibrous carbon and the granular carbon. A positive electrode made of a molded body of the positive electrode mixture of No. 1 was produced. The porosity of the obtained positive electrode was 15%. Then, a flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

(比較例3)
LiCoO(正極活物質)と、平均粒子径が4μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(LiPSCl)と、前記粒状カーボンとを、質量比で70:26.8:3.2の割合で混合して、正極合剤を調製した。
(Comparative Example 3)
LiCoO 2 (positive electrode active material), a sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having an algyrodite-type structure with an average particle diameter of 4 μm, and the granular carbon in a mass ratio of 70: 26.8: 3. A positive electrode mixture was prepared by mixing at a ratio of .2.

次に、この正極合剤:26mg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厚みが0.20mmの正極合剤の成形体よりなる正極を形成した。得られた正極の空隙率は、15%であった。 Next, 26 mg of this positive electrode mixture was put onto the solid electrolyte layer in the powder molding die, pressure molding was performed using a press machine, and the thickness was 0.20 mm on the solid electrolyte layer. A positive electrode was formed of a molded body of the positive electrode mixture of. The porosity of the obtained positive electrode was 15%.

この正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作成した。 A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

実施例および比較例の各扁平形全固体電池について、下記の各評価を行った。 The following evaluations were performed on each of the flat all-solid-state batteries of Examples and Comparative Examples.

<初期容量測定>
実施例および比較例の各扁平形全固体電池について、0.03Cの電流値で電圧が2.8Vになるまで定電流充電し、続いて電流値が0.003Cになるまで定電圧充電を行い、その後に0.03Cの電流値で電圧が1Vになるまで放電させて、そのときの0.03C放電容量(初期容量)を測定した。
<Initial capacity measurement>
Each of the flat all-solid-state batteries of Examples and Comparative Examples is constantly charged with a current value of 0.03 C until the voltage reaches 2.8 V, and then is charged with a constant voltage until the current value reaches 0.003 C. After that, the battery was discharged with a current value of 0.03C until the voltage became 1V, and the 0.03C discharge capacity (initial capacity) at that time was measured.

<負荷特性評価>
実施例および比較例の各扁平形全固体電池について、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行い、その後に0.3Cの電流値で電圧が1Vになるまで放電させて、このときの放電容量(0.3C放電容量)を測定した。
<Load characterization>
Each of the flat all-solid-state batteries of Examples and Comparative Examples is charged with constant current and constant voltage under the same conditions as at the time of initial capacity measurement, and then discharged at a current value of 0.3 C until the voltage reaches 1 V. , The discharge capacity (0.3C discharge capacity) at this time was measured.

そして、各電池について、0.3C放電容量を0.03C放電容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、負荷特性を評価した。 Then, for each battery, the value obtained by dividing the 0.3C discharge capacity by the 0.03C discharge capacity was expressed as a percentage to obtain the capacity retention rate, and the load characteristics were evaluated.

前記の各評価結果を表1に示す。 The results of each of the above evaluations are shown in Table 1.

Figure 2021144906
Figure 2021144906

表1に示す通り、硫化物系固体電解質を使用し、厚い正極合剤の成形体を有する場合、導電助剤に繊維状カーボンのみまたは粒状カーボンのみを用いた比較例1、2の全固体電池では、負荷特性評価時の容量維持率が小さく、負荷特性が劣っていた。一方、薄い正極合剤の成形体を有する正極を使用した比較例3の電池では、比較例2の電池と同様に導電助剤に粒状カーボンのみを用いているにも関わらず、負荷特性評価時の容量維持率が比較的高かった。 As shown in Table 1, when a sulfide-based solid electrolyte is used and a molded body of a thick positive electrode mixture is used, the all-solid-state batteries of Comparative Examples 1 and 2 using only fibrous carbon or only granular carbon as the conductive auxiliary agent. The capacity retention rate at the time of load characteristic evaluation was small, and the load characteristic was inferior. On the other hand, in the battery of Comparative Example 3 using a positive electrode having a molded body of a thin positive electrode mixture, although only granular carbon was used as the conductive auxiliary agent as in the battery of Comparative Example 2, at the time of load characteristic evaluation. The capacity retention rate was relatively high.

これに対し、正極合剤の成形体の導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用した実施例1〜4の全固体電池は、硫化物系固体電解質を使用し、かつ正極合剤の成形体が厚いにも関わらず、負荷特性評価時の容量維持率が、薄い正極合剤の成形体を有する比較例3の電池よりも高く、優れた負荷特性を有していた。 On the other hand, the all-solid-state batteries of Examples 1 to 4 in which fibrous carbon and granular carbon are used in combination as the conductive auxiliary agent of the molded body of the positive electrode mixture use a sulfide-based solid electrolyte and are made of the positive electrode mixture. Despite the thick molded body, the capacity retention rate at the time of load characteristic evaluation was higher than that of the battery of Comparative Example 3 having the molded body of the thin positive electrode mixture, and had excellent load characteristics.

1 全固体電池
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 battery 10 Positive electrode 20 Negative electrode 30 Solid electrolyte layer 40 Exterior can 50 Sealed can 60 Gasket

Claims (6)

正極活物質と、硫化物系固体電解質と、導電助剤とを含有する正極合剤の成形体を有し、
前記導電助剤として、繊維状カーボンと粒状カーボンとを含有し、
前記正極合剤の成形体の厚みが250μm以上であることを特徴とする全固体電池用正極。
It has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a sulfide-based solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent.
The conductive auxiliary agent contains fibrous carbon and granular carbon, and contains
A positive electrode for an all-solid-state battery, characterized in that the thickness of the molded product of the positive electrode mixture is 250 μm or more.
前記繊維状カーボンと前記粒状カーボンとが複合体を形成している請求項1に記載の全固体電池用正極。 The positive electrode for an all-solid-state battery according to claim 1, wherein the fibrous carbon and the granular carbon form a complex. 前記正極合剤の成形体におけるバインダの含有量が、0.5質量%以下である請求項1または2に記載の全固体電池用正極。 The positive electrode for an all-solid-state battery according to claim 1 or 2, wherein the binder content in the molded product of the positive electrode mixture is 0.5% by mass or less. 前記固体電解質として、リチウムおよびリンを含む硫化物系固体電解質を含有している請求項1〜3のいずれかに記載の全固体電池用正極。 The positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3, which contains a sulfide-based solid electrolyte containing lithium and phosphorus as the solid electrolyte. 前記正極活物質として、リチウム遷移金属酸化物を含有している請求項1〜4のいずれかに記載の全固体電池用正極。 The positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4, which contains a lithium transition metal oxide as the positive electrode active material. 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する全固体電池であって、
前記正極が、請求項1〜5のいずれかに記載の全固体電池用正極であることを特徴とする全固体電池。
An all-solid-state battery having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode.
An all-solid-state battery, wherein the positive electrode is the positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 5.
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