JP2022076417A - Composite solid electrolyte, all-solid-state battery, manufacturing method of composite solid electrolyte, and manufacturing method of all-solid-state battery - Google Patents

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Abstract

To provide a composite solid electrolyte capable of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in a charge/discharge cycle of an all-solid-state battery, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A composite solid electrolyte includes a sulfide solid electrolyte and an additive. The additive is a sulfur-based cyclic compound having an S=O bond, lithium nitrate, or a combination thereof. The content ratio of the additive is preferably 5 mass% or more and 20 mass% or less, and more preferably the sulfur-based cyclic compound is a cyclic sulfonic acid ester. A manufacturing method of the composite solid electrolyte includes mixing a sulfide solid electrolyte and an additive to prepare a composite solid electrolyte, and the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S=O bond, lithium nitrate, or a combination thereof.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、複合固体電解質、全固体電池、複合固体電解質の製造方法及び全固体電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite solid electrolyte, an all-solid battery, a composite solid electrolyte, and a method for manufacturing an all-solid battery.

リチウムイオン非水電解質二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、電気的に隔離された一対の電極を有する電極体、及び電極間に介在する非水電解質を備え、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium-ion non-aqueous electrolyte secondary batteries are widely used in personal computers, electronic devices such as communication terminals, automobiles, etc. due to their high energy density. The non-aqueous electrolyte secondary battery generally includes an electrode body having a pair of electrically isolated electrodes and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and transfers ions between both electrodes. It is configured to charge and discharge with.

近年、非水電解質二次電池の安全性の向上を目的として、非水電解質として有機溶媒等を含有する液体の電解質に代えて硫化物固体電解質等を使用する全固体電池が提案されている(特許文献1参照)。 In recent years, for the purpose of improving the safety of a non-aqueous electrolyte secondary battery, an all-solid-state battery has been proposed in which a sulfide solid electrolyte or the like is used instead of a liquid electrolyte containing an organic solvent or the like as the non-aqueous electrolyte (). See Patent Document 1).

硫化物固体電解質としては、70LiS・30Pガラスセラミックス及び60LiS・25P・10LiNガラスセラミックスが、10-3S/cm以上の高いイオン伝導度を示すことが報告されている(Solid State Ionics,177,2721(2006)、Solid State Ionics,304,85(2016))。 As the sulfide solid electrolyte, 70Li 2S ・ 30P 2 S 5 glass ceramics and 60Li 2 S ・ 25P 2 S 510Li 3N glass ceramics can exhibit high ionic conductivity of 10 -3 S / cm or more. It has been reported (Solid State Inics, 177, 2721 (2006), Solid State Inics, 304, 85 (2016)).

しかしながら、Si:Cu:硫化物固体電解質(77.5LiS・22.5P)が1:1:5(m/m/m)の構成を有する全固体Li-Siハーフセルにより印加圧力とサイクル特性との関係を評価した場合に、ケイ素の孤立化が生じない程度の高い圧力(230MPa)を印加した状態であってもクーロン効率が低いことが報告されている(Journal of the electrochemical society,160,1,A77(2013))。また、硫化物固体電解質は、本質的に耐酸化性及び当該複合固体電解質の耐還元性が低いことが第一原理計算より明らかにされている(ACS Appl.Mater.Interfaces,7,23685(2015))。 However, the pressure applied by the all-solid-state Li-Si half cell having a composition of Si: Cu: sulfide solid electrolyte (77.5 Li 2 S / 22.5P 2 S 5 ) of 1: 1: 5 (m / m / m). When the relationship between the above and the cycle characteristics was evaluated, it was reported that the coulomb efficiency was low even when a high pressure (230 MPa) was applied so as not to cause isolation of silicon (Journal of the electrolyte solid state). , 160, 1, A77 (2013)). In addition, it has been clarified by first-principles calculation that the sulfide solid electrolyte has essentially low oxidation resistance and reduction resistance of the composite solid electrolyte (ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 23685 (2015). )).

特開2000-340257号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-340257

ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」ともいう。)やハイブリッド式の産業機械(重機、建機等)に用いられる非水電解質二次電池等の蓄電素子においては、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制することが求められており、全固体電池においてもさらなるクーロン効率の低下の抑制が望まれる。 In power storage elements such as non-aqueous electrolyte secondary batteries used in hybrid electric vehicles (hereinafter, also referred to as "HEV") and hybrid industrial machines (heavy machinery, construction machinery, etc.), the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle decreases. It is required to suppress the decrease in the Coulomb efficiency even in the all-solid-state battery.

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる複合固体電解質の提供を目的とする。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a composite solid electrolyte capable of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of an all-solid-state battery.

上記課題を解決するためになされた本発明の一側面は、硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである複合固体電解質である。 One aspect of the present invention made to solve the above problems is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof, which comprises a sulfide solid electrolyte and an additive. A complex solid electrolyte.

本発明の他の一側面は、硫化物固体電解質と添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備え、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである複合固体電解質の製造方法である。 Another aspect of the present invention comprises mixing a sulfide solid electrolyte with an additive to prepare a composite solid electrolyte, wherein the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate or these. It is a method for producing a composite solid electrolyte which is a combination of the above.

本発明の一側面に係る複合固体電解質は、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる。 The composite solid electrolyte according to one aspect of the present invention can suppress a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of an all-solid-state battery.

図1は、本発明の一実施形態における全固体電池を示す模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an all-solid-state battery according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施例及び参考例の充放電サイクル数とクーロン効率との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the number of charge / discharge cycles of Examples and Reference Examples and the Coulomb efficiency.

本発明の一側面は、硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである複合固体電解質である。 One aspect of the present invention is a composite solid electrolyte containing a sulfide solid electrolyte and an additive, wherein the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof.

本発明者らは、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果の向上を図る上で、硫化物固体電解質の耐還元性を向上させることが必要であると考え、検討を行ったところ、特定の添加剤を用いることで、硫化物固体電解質に耐還元性を付与できることを知見した。そして、特定の添加剤と硫化物固体電解質とを組み合わせることにより、固体電解質の耐還元性を高め、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できるのではないかと考え、本発明に至った。 The present inventors consider that it is necessary to improve the reduction resistance of the sulfide solid electrolyte in order to improve the effect of suppressing the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery. As a result, it was found that reduction resistance can be imparted to the sulfide solid electrolyte by using a specific additive. Then, it is considered that by combining a specific additive and a sulfide solid electrolyte, the reduction resistance of the solid electrolyte can be enhanced and the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery can be suppressed. I arrived.

当該複合固体電解質は、硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせであることで、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる。この理由については定かでは無いが、以下の理由が推測される。一般的な硫化物固体電解質は、還元分解されやすく、大きな還元分解容量を示すことが知られている。当該複合固体電解質は、上記S=O結合を有する硫黄系環状化合物を硫化物固体電解質と組み合わせて、負極又は上記負極と正極との間に介在する電解質層の固体電解質として用いることで、上記S=O結合を有する硫黄系環状化合物が還元により開環して、電子絶縁性のLiSおよびLiOを形成することが考えられる。これにより、極薄の電子絶縁性の被膜が負極又は電解質層の表面上に形成されるため、上記硫化物固体電解質の継続的な還元分解が抑制され、クーロン効率が向上したと推測される。一般的なリチウムイオン非水電解液二次電池に用いられる非水電解液の還元分解電位は1.0V未満(例えばエチレンカーボネートは約0.6V)であるため、例えばリチウムイオン非水電解液二次電池において添加剤としてS=O結合を有する硫黄系環状化合物である1,3-プロペンスルトンを使用した場合、非水電解液の他の構成成分よりも先に上記1,3-プロペンスルトンが分解して負極の表面上に被膜形成することで、非水電解液の分解を抑制できると推測される。これに対し、上記硫化物固体電解質は1,3-プロペンスルトンよりも高い還元分解電位を有しているため、当該複合固体電解質においては、リチウムイオン非水電解液二次電池の非水電解液とは異なったメカニズムによって、効果が得られると考えられる。
一方、当該複合固体電解質は、硫化物固体電解質よりも還元電位が高い硝酸リチウムを硫化物固体電解質と組み合わせて、負極又は上記負極と正極との間に介在する電解質層の固体電解質として用いることで、硝酸リチウムが硫化物固体電解質より先に還元分解される。その結果、負極表面上に硝酸リチウムの還元分解による電子絶縁性の薄い被膜(SEI:Solid Electrolyte Interphase)が形成される。
従って、当該複合固体電解質は、負極側で生じる継続的な固体電解質の還元分解が抑制されるとともに、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる。ここで、「SEI」とは、初回充電時に電解質の還元分解にともなって負極表面上に生じる被膜であり、その後の電解質の還元分解が抑制される不働態として機能すると同時に、リチウムイオン伝導によって負極と電解質との界面でのリチウムイオン脱挿入の場を提供する。
The composite solid electrolyte contains a sulfide solid electrolyte and an additive, and the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof, whereby charging / discharging of an all-solid-state battery is performed. It is possible to suppress a decrease in the Coulomb efficiency in the cycle. The reason for this is not clear, but the following reasons are presumed. It is known that a general sulfide solid electrolyte is easily reduced and decomposed and exhibits a large reduction and decomposition capacity. The composite solid electrolyte is obtained by combining the sulfur-based cyclic compound having the S = O bond with the sulfide solid electrolyte and using it as the negative electrode or the solid electrolyte of the electrolyte layer interposed between the negative electrode and the positive electrode. = It is conceivable that the sulfur-based cyclic compound having an O bond opens by reduction to form electron-insulating Li 2S and Li 2 O. As a result, an ultrathin electron-insulating film is formed on the surface of the negative electrode or the electrolyte layer, so that continuous reduction decomposition of the sulfide solid electrolyte is suppressed, and it is presumed that the Coulomb efficiency is improved. Since the reduction decomposition potential of the non-aqueous electrolytic solution used in a general lithium ion non-aqueous electrolytic solution secondary battery is less than 1.0 V (for example, ethylene carbonate is about 0.6 V), for example, the lithium ion non-aqueous electrolytic solution 2 When 1,3-propensulton, which is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, is used as an additive in the next battery, the above 1,3-propensulton precedes the other constituents of the non-aqueous electrolyte solution. It is presumed that the decomposition of the non-aqueous electrolytic solution can be suppressed by decomposing and forming a film on the surface of the negative electrode. On the other hand, since the sulfide solid electrolyte has a higher reduction decomposition potential than 1,3-propensulton, in the composite solid electrolyte, the lithium ion non-aqueous electrolyte solution is the non-aqueous electrolyte solution of the secondary battery. It is thought that the effect can be obtained by a mechanism different from that.
On the other hand, in the composite solid electrolyte, lithium nitrate, which has a higher reduction potential than the sulfide solid electrolyte, is combined with the sulfide solid electrolyte and used as the negative electrode or the solid electrolyte of the electrolyte layer interposed between the negative electrode and the positive electrode. , Lithium nitrate is reduced and decomposed before the sulfide solid electrolyte. As a result, a thin electronically insulating film (SEI: Solid Electrolyte Interphase) is formed on the surface of the negative electrode by reduction decomposition of lithium nitrate.
Therefore, the composite solid electrolyte can suppress the continuous reduction and decomposition of the solid electrolyte that occurs on the negative electrode side, and can suppress the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle. Here, "SEI" is a film formed on the surface of the negative electrode due to the reduction and decomposition of the electrolyte during the first charge, and functions as a non-working state in which the subsequent reduction and decomposition of the electrolyte is suppressed, and at the same time, the negative electrode is subjected to lithium ion conduction. It provides a field for lithium ion deinsertion at the interface between the and the electrolyte.

上記複合固体電解質における上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下であることが好ましい。上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下であることで、当該複合固体電解質の耐還元性がより向上し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果をより高めることができる。 The content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less. When the content ratio of the additive is 5% by mass or more and 20% by mass or less, the reduction resistance of the composite solid electrolyte is further improved, and the effect of suppressing the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery is further improved. Can be enhanced.

上記硫黄系環状化合物が環状スルホン酸エステルであることが好ましい。上記硫黄系環状化合物が環状スルホン酸エステルであることで、当該複合固体電解質の耐還元性がより向上し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果をより高めることができる。 The sulfur-based cyclic compound is preferably a cyclic sulfonic acid ester. When the sulfur-based cyclic compound is a cyclic sulfonic acid ester, the reduction resistance of the composite solid electrolyte can be further improved, and the effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery can be further enhanced.

本発明の他の一側面に係る全固体電池は、負極と、正極と、上記負極及び上記正極の間に介在する電解質層とを備え、上記負極、上記電解質層又はこれらの組み合わせが当該複合固体電解質を含有する。当該全固体電池は、上記負極、上記電解質層又はこれらの組み合わせが当該複合固体電解質を含有するので、添加剤が硫化物固体電解質より先に還元分解される。その結果、負極側で添加剤の還元分解による電子絶縁性の被膜が形成されて、負極側で生じる継続的な上記硫化物固体電解質の還元分解が抑制されるとともに、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる。 The all-solid-state battery according to another aspect of the present invention includes a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte layer interposed between the negative electrode and the positive electrode, and the negative electrode, the electrolyte layer, or a combination thereof is the composite solid. Contains electrolytes. In the all-solid-state battery, since the negative electrode, the electrolyte layer, or a combination thereof contains the composite solid electrolyte, the additive is reduced and decomposed before the sulfide solid electrolyte. As a result, an electron-insulating film is formed on the negative electrode side by the reduction decomposition of the additive, and the continuous reduction decomposition of the sulfide solid electrolyte generated on the negative electrode side is suppressed, and the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle is reduced. Excellent effect of suppressing the decrease.

本発明の他の一側面に係る複合固体電解質の製造方法は、硫化物固体電解質と添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備え、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである。 The method for producing a composite solid electrolyte according to another aspect of the present invention comprises mixing a sulfide solid electrolyte and an additive to prepare a composite solid electrolyte, in which the additive is sulfur having an S = O bond. Cyclic compounds, lithium nitrate or a combination thereof.

当該複合固体電解質の製造方法が、硫化物固体電解質と添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備え、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせであることで、耐還元性を有し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる複合固体電解質を製造できる。 The method for producing the composite solid electrolyte comprises mixing a sulfide solid electrolyte and an additive to prepare a composite solid electrolyte, wherein the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or these. By the combination of the above, it is possible to produce a composite solid electrolyte having reduction resistance and having an excellent effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery.

当該複合固体電解質の製造方法が、上記複合固体電解質における上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下であることが好ましい。上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下であることで、耐還元性がより向上し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果がより優れる複合固体電解質を製造できる。 In the method for producing the composite solid electrolyte, it is preferable that the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is 5% by mass or more and 20% by mass or less. When the content ratio of the above additive is 5% by mass or more and 20% by mass or less, the reduction resistance is further improved, and the composite solid electrolyte having a more excellent effect of suppressing the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery is obtained. Can be manufactured.

本発明の他の一側面に係る全固体電池の製造方法は、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いて、負極及び電解質層の少なくとも1つを作製することを備える。当該全固体電池の製造方法が、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いて、負極及び電解質層の少なくとも1つを作製することを備えるので、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる全固体電池を製造できる。 In the method for manufacturing an all-solid-state battery according to another aspect of the present invention, at least one of a negative electrode and an electrolyte layer is manufactured using the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for manufacturing the composite solid electrolyte. Be prepared to do. Since the method for manufacturing the all-solid-state battery comprises using the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for manufacturing the composite solid electrolyte to prepare at least one of the negative electrode and the electrolyte layer, charging and discharging are provided. It is possible to manufacture an all-solid-state battery having an excellent effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in a cycle.

以下、本発明に係る複合固体電解質、全固体電池、複合固体電解質の製造方法及び全固体電池の製造方法の実施形態について詳説する。 Hereinafter, embodiments of a composite solid electrolyte, an all-solid-state battery, a method for manufacturing a composite solid electrolyte, and a method for manufacturing an all-solid-state battery according to the present invention will be described in detail.

<複合固体電解質>
当該複合固体電解質は、硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである。当該複合固体電解質は、硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせであることで、耐還元性に優れ、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる。当該複合固体電解質は、イオン伝導性を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、当該複合固体電解質は、リチウム全固体電池に用いられることが好ましい。
<Composite solid electrolyte>
The composite solid electrolyte contains a sulfide solid electrolyte and an additive, and the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof. The composite solid electrolyte contains a sulfide solid electrolyte and an additive, and the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof, and thus has excellent reduction resistance. It is possible to suppress a decrease in sulfur efficiency in the charge / discharge cycle of an all-solid-state battery. The composite solid electrolyte can be used in any application that requires ionic conductivity. Above all, the composite solid electrolyte is preferably used for a lithium all-solid-state battery.

上記硫化物固体電解質としては、リチウムイオン伝導性が高いことが好ましく、例えばLiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-P-LiN、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z2n(ただし、m、nは正の数、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである。)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである。)、Li10GeP12等を挙げることができる。これらの中でも、リチウムイオン伝導性が良好な観点から、LiS-Pが好ましく、xLiS・(100-x)P(70≦x≦80)がより好ましい。 The sulfide solid electrolyte preferably has high lithium ion conductivity, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, and the like. Li 2 SP 2 S 5-LiBr, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 SP 2 S 5 - Li 3 N, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S 2n (where m and n are positive numbers, Z is It is one of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x, y are Positive numbers, M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga, In), Li 10 GeP 2 S 12 and the like. Among these, Li 2 SP 2 S 5 is preferable, and xLi 2 S · (100-x) P 2 S 5 (70 ≦ x ≦ 80) is more preferable from the viewpoint of good lithium ion conductivity.

添加剤は、S=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである。当該複合固体電解質は、上記S=O結合を有する硫黄系環状化合物を添加剤として用いることで、上記硫黄系環状化合物が還元により開環して、電子絶縁性のLiSおよびLiOを形成することが考えられる。これにより、極薄の電子絶縁性の被膜が負極又は電解質層の表面上に形成されると考えられる。一方、当該複合固体電解質は、硫化物固体電解質よりも還元電位が高い硝酸リチウムを添加剤として用いることで、硝酸リチウムが硫化物固体電解質より先に還元分解される。その結果、負極又は電解質層の表面上にSEIが形成される。このように、当該複合固体電解質は、負極側で生じる継続的な上記硫化物固体電解質の還元分解が抑制されるとともに、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できる。 The additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof. By using the sulfur-based cyclic compound having the S = O bond as an additive in the composite solid electrolyte, the sulfur-based cyclic compound is ring-opened by reduction to obtain electron-insulating Li 2S and Li 2 O. It is possible to form. As a result, it is considered that an ultrathin electronically insulating film is formed on the surface of the negative electrode or the electrolyte layer. On the other hand, in the composite solid electrolyte, lithium nitrate is reduced and decomposed before the sulfide solid electrolyte by using lithium nitrate, which has a higher reduction potential than the sulfide solid electrolyte, as an additive. As a result, SEI is formed on the surface of the negative electrode or the electrolyte layer. As described above, the composite solid electrolyte can suppress the continuous reduction and decomposition of the sulfide solid electrolyte generated on the negative electrode side, and can suppress the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle.

上記S=O結合を有する硫黄系環状化合物としては、スルトン系化合物、環状サルフェート化合物、環状サルファイト化合物、スルホラン系化合物、環状ジスルホネート系化合物、スルホ安息香酸無水物等が挙げられる。 Examples of the sulfur-based cyclic compound having an S = O bond include a sultone-based compound, a cyclic sulfate compound, a cyclic sulfate compound, a sulfolane-based compound, a cyclic disulfonate-based compound, and a sulfobenzoic acid anhydride.

スルトン化合物としては、1,3-プロパンスルトン、1,3-プロペンスルトン、2,4-ブタンスルトン、1,4-ブタンスルトン等が挙げられる。 Examples of the sultone compound include 1,3-propane sultone, 1,3-propene sultone, 2,4-butane sultone, and 1,4-butane sultone.

環状サルファイト化合物としては、エチレンサルファイト、1,2-プロピレングリコールサルファイト、トリメチレンサルファイト、1,3-ブチレングリコールサルファイト等が挙げられる。 Examples of the cyclic sulphite compound include ethylene sulphite, 1,2-propylene glycol sulphite, trimethylene sulphite, and 1,3-butylene glycol sulphite.

スルホラン系化合物としては、スルホラン、3-スルホレン、1,1-ジオキソチオフェン、3-メチルスルホラン、3-メチル-2,5-ジヒドロチオフェン-1,1-ジオキシド、3-スルホレン-3-カルボン酸メチル等が挙げられる。 Examples of the sulfolane compound include sulfolane, 3-sulfolene, 1,1-dioxothiophene, 3-methylsulfone, 3-methyl-2,5-dihydrothiophene-1,1-dioxide, and 3-sulfolen-3-carboxylic acid. Examples include methyl.

環状ジスルホネート系化合物としては、メチレン-メタンジスルホン酸エステル、エチレン-メタンジスルホン酸エステル等が挙げられる。 Examples of the cyclic disulfonate-based compound include methylene-methanedisulfonic acid ester and ethylene-methanedisulfonic acid ester.

上記硫黄系環状化合物としては、環状スルホン酸エステルであることが好ましい。上記硫黄系環状化合物が環状スルホン酸エステルであることで、当該複合固体電解質の耐還元性がより向上し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果をより高めることができる。 The sulfur-based cyclic compound is preferably a cyclic sulfonic acid ester. When the sulfur-based cyclic compound is a cyclic sulfonic acid ester, the reduction resistance of the composite solid electrolyte can be further improved, and the effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery can be further enhanced.

当該複合固体電解質における上記添加剤の含有割合の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、5質量%がさらに好ましい。一方、上記添加剤の含有割合の上限としては、20質量%が好ましく、18質量%がより好ましく、15質量%がさらに好ましい。上記添加剤の含有割合が上記範囲であることで、当該複合固体電解質の耐還元性がより向上し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果をより高めることができる。当該複合固体電解質における上記添加剤の含有割合の好ましい範囲は、リチウムイオン非水電解液二次電池における添加剤の含有割合と比べて高くなっている。これは、リチウムイオン非水電解液二次電池では負極-非水電解液界面で添加剤が消費されても、バルクからの拡散により負極-非水電解液界面に添加剤が供給されるため、添加剤の含有割合が少ない範囲であっても効果を得ることができる。一方、全固体電池においては、固体電解質中に粒子状の添加剤が分散された状態で存在することから、上記リチウムイオン非水電解液二次電池のような状態が生じにくくなる結果、添加剤の含有割合がリチウムイオン非水電解液二次電池のように少ない範囲では効果が得がたいためと推測される。 As the lower limit of the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte, 1% by mass is preferable, 3% by mass is more preferable, and 5% by mass is further preferable. On the other hand, as the upper limit of the content ratio of the additive, 20% by mass is preferable, 18% by mass is more preferable, and 15% by mass is further preferable. When the content ratio of the additive is in the above range, the reduction resistance of the composite solid electrolyte is further improved, and the effect of suppressing the decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery can be further enhanced. The preferable range of the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is higher than the content ratio of the additive in the lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery. This is because, in a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, even if the additive is consumed at the negative electrode-non-aqueous electrolyte interface, the additive is supplied to the negative electrode-non-aqueous electrolyte interface by diffusion from the bulk. The effect can be obtained even in the range where the content ratio of the additive is small. On the other hand, in the all-solid-state battery, since the particulate additive is dispersed in the solid electrolyte, it is difficult for the state like the lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery to occur, and as a result, the additive is added. It is presumed that the effect is difficult to obtain in the range where the content ratio of the above is small as in the case of the lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery.

当該複合固体電解質の25℃におけるイオン伝導度の下限としては、1.0×10-5S/cmが好ましく、5.0×10-5S/cmがより好ましく、1.0×10-4がさらに好ましい。当該複合固体電解質の25℃におけるイオン伝導度が上記範囲であることで、全固体電池の高率充放電性能を向上できる。 The lower limit of the ionic conductivity of the composite solid electrolyte at 25 ° C. is preferably 1.0 × 10-5 S / cm, more preferably 5.0 × 10-5 S / cm, and 1.0 × 10 -4 . Is even more preferable. When the ionic conductivity of the composite solid electrolyte at 25 ° C. is within the above range, the high rate charge / discharge performance of the all-solid-state battery can be improved.

当該複合固体電解質は、全固体電池の負極用固体電解質及び電解質層用固体電解質として好適に使用できる。 The composite solid electrolyte can be suitably used as a solid electrolyte for a negative electrode and a solid electrolyte for an electrolyte layer of an all-solid-state battery.

<全固体電池>
当該全固体電池は、負極と、正極と、上記負極及び上記正極の間に介在する電解質層とを備える。図1は、本発明の一実施形態における全固体電池10を示す模式的断面図である。二次電池である全固体電池10は、負極1と、正極2とが固体電解質層3を介して配置される。負極1は、負極基材4及び負極合剤層5を有し、負極基材4が負極1の最外層となる。正極2は、正極基材7及び正極合剤層6を有し、正極基材7が正極2の最外層となる。図1に示す全固体電池10においては、正極基材7上に、正極合剤層6、固体電解質層3、負極合剤層5及び負極基材4がこの順で積層されている。
<All-solid-state battery>
The all-solid-state battery includes a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte layer interposed between the negative electrode and the positive electrode. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an all-solid-state battery 10 according to an embodiment of the present invention. In the all-solid-state battery 10 which is a secondary battery, the negative electrode 1 and the positive electrode 2 are arranged via the solid electrolyte layer 3. The negative electrode 1 has a negative electrode base material 4 and a negative electrode mixture layer 5, and the negative electrode base material 4 is the outermost layer of the negative electrode 1. The positive electrode 2 has a positive electrode base material 7 and a positive electrode mixture layer 6, and the positive electrode base material 7 is the outermost layer of the positive electrode 2. In the all-solid-state battery 10 shown in FIG. 1, the positive electrode mixture layer 6, the solid electrolyte layer 3, the negative electrode mixture layer 5, and the negative electrode base material 4 are laminated in this order on the positive electrode base material 7.

当該全固体電池は、負極1、固体電解質層3又はこれらの組み合わせが当該複合固体電解質を含有する。当該全固体電池は、負極1、固体電解質層3又はこれらの組み合わせが当該複合固体電解質を含有するので、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる。 In the all-solid-state battery, the negative electrode 1, the solid electrolyte layer 3, or a combination thereof contains the composite solid electrolyte. In the all-solid-state battery, since the negative electrode 1, the solid electrolyte layer 3 or a combination thereof contain the composite solid electrolyte, the effect of suppressing the decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle is excellent.

当該全固体電池は、当該複合固体電解質以外のその他の固体電解質を併せて用いるようにしてもよい。その他の固体電解質としては、当該複合固体電解質以外の硫化物固体電解質であってもよいし、酸化物系固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、疑似固体電解質であってもよい。 The all-solid-state battery may be used in combination with other solid electrolytes other than the composite solid electrolyte. The other solid electrolyte may be a sulfide solid electrolyte other than the composite solid electrolyte, or may be an oxide-based solid electrolyte, a dry polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, or a pseudo-solid electrolyte.

当該複合固体電解質以外の硫化物固体電解質としては、上述の硫化物固体電解質を用いることができる。 As the sulfide solid electrolyte other than the composite solid electrolyte, the above-mentioned sulfide solid electrolyte can be used.

[負極]
負極1は、負極基材4と、この負極基材4の表面に積層される負極合剤層5とを備える。負極1は負極基材4と負極合剤層5との間に図示しない中間層を有していてもよい。
[Negative electrode]
The negative electrode 1 includes a negative electrode base material 4 and a negative electrode mixture layer 5 laminated on the surface of the negative electrode base material 4. The negative electrode 1 may have an intermediate layer (not shown) between the negative electrode base material 4 and the negative electrode mixture layer 5.

(負極基材)
負極基材4は導電性を有する層である。負極基材4の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
(Negative electrode base material)
The negative electrode base material 4 is a layer having conductivity. The material of the negative electrode base material 4 is not limited as long as it is a conductor. For example, alloys including copper, aluminum, titanium, nickel, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, antimony, gold, silver, iron, platinum, chromium, tin, indium and one or more of these, as well as stainless alloys. One or more metals selected from the group consisting of can be mentioned.

負極基材4の平均厚さの下限としては、3μmが好ましく、5μmがより好ましく、8μmがさらに好ましい。負極基材4の平均厚さの上限としては、200μmが好ましく、100μmがより好ましく、50μmがさらに好ましい。負極基材4の平均厚さを上記下限以上とすることで、負極基材4の強度を十分に高くできるため、負極1を良好に形成できる。負極基材4の平均厚さを上記上限以下とすることで、他の構成要素の体積を十分に確保できる。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode base material 4 is preferably 3 μm, more preferably 5 μm, and even more preferably 8 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode base material 4 is preferably 200 μm, more preferably 100 μm, and even more preferably 50 μm. By setting the average thickness of the negative electrode base material 4 to be equal to or greater than the above lower limit, the strength of the negative electrode base material 4 can be sufficiently increased, so that the negative electrode 1 can be formed satisfactorily. By setting the average thickness of the negative electrode base material 4 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to sufficiently secure the volumes of other components.

(負極合剤層)
負極合剤層5は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成することができる。負極合剤は、負極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。固体電解質は当該複合固体電解質であってもよい。また、負極合剤は、負極活物質と混合物又は複合体を形成していない当該複合固体電解質を含有してもよい。負極合剤は、必要に応じて、当該複合固体電解質以外の固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。
(Negative electrode mixture layer)
The negative electrode mixture layer 5 can be formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. The negative electrode mixture may contain a mixture or a complex containing a negative electrode active material and a solid electrolyte. The solid electrolyte may be the composite solid electrolyte. Further, the negative electrode mixture may contain the composite solid electrolyte that does not form a mixture or a complex with the negative electrode active material. The negative electrode mixture contains optional components such as a solid electrolyte, a conductive agent, a binder, and a filler other than the composite solid electrolyte, if necessary.

〈負極活物質〉
負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;LiTi12、LiTiO2、TiNb等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
<Negative electrode active material>
The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials. As the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a material capable of storing and releasing lithium ions is usually used. Examples of the negative electrode active material include metal Li; metal or semi-metal such as Si and Sn; metal oxide or semi-metal oxide such as Si oxide, Ti oxide and Sn oxide; Li 4 Ti 5 O 12 ; Titanium-containing oxides such as LiTIO 2 and TiNb 2O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite (graphitite) and non-graphitizable carbon (graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Be done. Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferable. In the negative electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more thereof may be mixed and used.

「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 “Graphite” refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of (002) planes determined by X-ray diffraction before charging / discharging or in a discharged state of 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferable from the viewpoint that a material having stable physical properties can be obtained.

「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 "Non-graphitic carbon" refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane determined by X-ray diffraction before charging / discharging or in a discharged state of 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. say. Examples of non-graphitizable carbon include non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon. Examples of the non-planar carbon include a resin-derived material, a petroleum pitch or a petroleum pitch-derived material, a petroleum coke or a petroleum coke-derived material, a plant-derived material, an alcohol-derived material, and the like.

ここで、「放電状態」とは、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態をいう。開回路状態での金属Li対極の電位は、Liの酸化還元電位とほぼ等しいため、上記単極電池における開回路電圧は、Liの酸化還元電位に対する炭素材料を含む負極の電位とほぼ同等である。つまり、上記単極電池における開回路電圧が0.7V以上であることは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されていることを意味する。 Here, the "discharged state" means a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or more in a single-pole battery using a negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material as a working electrode and metal Li as a counter electrode. Since the potential of the metal Li counter electrode in the open circuit state is substantially equal to the redox potential of Li, the open circuit voltage in the single pole battery is substantially equal to the potential of the negative electrode containing the carbon material with respect to the redox potential of Li. .. That is, the fact that the open circuit voltage in the single-pole battery is 0.7 V or more means that the carbon material, which is the negative electrode active material, sufficiently releases lithium ions that can be occluded and discharged by charging and discharging. ..

「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。 The “non-graphitizable carbon” refers to a carbon material having d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.

「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。 The “graphitizable carbon” refers to a carbon material having d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.

負極合剤における負極活物質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、15質量%がより好ましい。負極活物質の含有量の上限としては、60質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、90質量%がよりさらに好ましく、95質量%が特に好ましい。負極活物質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。 The lower limit of the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is preferably 10% by mass, more preferably 15% by mass. The upper limit of the content of the negative electrode active material is preferably 60% by mass, more preferably 70% by mass, further preferably 80% by mass, further preferably 90% by mass, and particularly preferably 95% by mass. By setting the content of the negative electrode active material in the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased.

〈混合物又は複合体〉
上記混合物とは、負極活物質及び当該複合固体電解質をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、負極活物質と当該複合固体電解質との混合物は、粒子状の負極活物質及び粒子状の当該複合固体電解質を混合して得ることができる。
上記複合体としては、負極活物質及び当該複合固体電解質間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、負極活物質及び当該複合固体電解質を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に負極活物質及び当該複合固体電解質が存在しているものであり、例えば、負極活物質及び当該複合固体電解質が凝集状態を形成しているもの、負極活物質の表面の少なくとも一部に当該複合固体電解質含有被膜が形成されているものなどが挙げられる。
上記混合物又は複合体は、当該複合固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。
負極合剤が含有する負極活物質及び当該複合固体電解質が、混合物又は複合体を構成することで、高いイオン伝導度を維持しつつ当該複合固体電解質の耐還元性を向上できるので、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる。
<Mixture or complex>
The above-mentioned mixture is a mixture produced by mixing a negative electrode active material and the composite solid electrolyte by mechanical milling or the like. For example, the mixture of the negative electrode active material and the composite solid electrolyte can be obtained by mixing the negative electrode active material in the form of particles and the composite solid electrolyte in the form of particles.
Examples of the composite include a composite having a chemical or physical bond between the negative electrode active material and the composite solid electrolyte, a composite obtained by mechanically complexing the negative electrode active material and the composite solid electrolyte, and the like. .. The composite is one in which the negative electrode active material and the composite solid electrolyte are present in one particle, and for example, the negative electrode active material and the composite solid electrolyte forming an aggregated state, and the negative electrode active material. Examples thereof include those in which the composite solid electrolyte-containing film is formed on at least a part of the surface.
The mixture or complex may contain a solid electrolyte other than the composite solid electrolyte.
By forming a mixture or composite of the negative electrode active material and the composite solid electrolyte contained in the negative electrode mixture, the reduction resistance of the composite solid electrolyte can be improved while maintaining high ionic conductivity, so that the charge / discharge cycle can be performed. The effect of suppressing the decrease in the Coulomb efficiency is excellent.

負極合剤が当該複合固体電解質を含有する場合、負極合剤における当該複合固体電解質の含有量の下限としては、5質量%であってもよく、10質量%が好ましい。負極合剤における当該複合固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、85質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、75質量%が特に好ましい。負極合剤における当該複合固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、上記負極が当該複合固体電解質を含有する場合に全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果をより向上できる。 When the negative electrode mixture contains the composite solid electrolyte, the lower limit of the content of the composite solid electrolyte in the negative electrode mixture may be 5% by mass, preferably 10% by mass. The upper limit of the content of the composite solid electrolyte in the negative electrode mixture is preferably 90% by mass, more preferably 85% by mass, further preferably 80% by mass, and particularly preferably 75% by mass. By setting the content of the composite solid electrolyte in the negative electrode mixture within the above range, it is possible to further improve the effect of suppressing the decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery when the negative electrode contains the composite solid electrolyte. ..

負極合剤は、当該複合固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。負極合剤が当該複合固体電解質以外の固体電解質を含有する場合、負極合剤における固体電解質の全含有量の下限としては、5質量%であってもよく、10質量%が好ましい。負極合剤における固体電解質の全含有量の上限は、90質量%が好ましく、85質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、75質量%が特に好ましい。固体電解質の全含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。 The negative electrode mixture may contain a solid electrolyte other than the composite solid electrolyte. When the negative electrode mixture contains a solid electrolyte other than the composite solid electrolyte, the lower limit of the total content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture may be 5% by mass, preferably 10% by mass. The upper limit of the total content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture is preferably 90% by mass, more preferably 85% by mass, further preferably 80% by mass, and particularly preferably 75% by mass. By setting the total content of the solid electrolyte in the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased.

〈その他の任意の成分〉
上記導電剤としては、特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックスなどが挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。上記負極合剤における導電剤の含有量としては、例えば0.5質量%以上30質量%以下とすることができる。上記負極合剤は、導電剤を含有しなくてもよい。
<Any other ingredient>
The conductive agent is not particularly limited. Examples of such a conductive agent include natural or artificial graphite, carbon black such as furnace black, acetylene black, and Ketjen black, metal, and conductive ceramics. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fibrous. The content of the conductive agent in the negative electrode mixture can be, for example, 0.5% by mass or more and 30% by mass or less. The negative electrode mixture does not have to contain a conductive agent.

上記バインダーとしては、特に限定されない。バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 The binder is not particularly limited. Examples of the binder include fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluorovinylidene (PVDF), etc.), thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyacrylic, and polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfone. Examples thereof include elastomers such as polyethyleneized EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), and fluororubber; and polysaccharide polymers.

上記フィラーとしては、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、アルミナ、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Fillers include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silicon dioxide, alumina, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, inorganic oxides such as aluminosilicate, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and hydroxide. Hydroxides such as aluminum, carbonates such as calcium carbonate, sparingly soluble ion crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, etc. Examples thereof include mineral resource-derived substances such as apatite, kaolin, mulite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, or man-made products thereof.

負極合剤層5の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。負極合剤層5の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましく、200μmがさらに好ましい。負極合剤層5の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。負極合剤層5の平均厚さを上記上限以下とすることで、高率放電性能に優れ、活物質利用率の高い負極を備える全固体電池を得ることができる。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode mixture layer 5 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode mixture layer 5 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm, and even more preferably 200 μm. By setting the average thickness of the negative electrode mixture layer 5 to be equal to or greater than the above lower limit, an all-solid-state battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the negative electrode mixture layer 5 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to obtain an all-solid-state battery having a negative electrode having excellent high rate discharge performance and high active material utilization rate.

(中間層)
上記中間層は、負極基材4の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで負極基材4と負極合剤層5との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。
(Middle layer)
The intermediate layer is a coating layer on the surface of the negative electrode base material 4, and contains conductive particles such as carbon particles to reduce the contact resistance between the negative electrode base material 4 and the negative electrode mixture layer 5. The composition of the intermediate layer is not particularly limited, and can be formed by, for example, a composition containing a resin binder and conductive particles.

[固体電解質層]
固体電解質層3は、固体電解質層用電解質を含有する。固体電解質層用電解質としては、上述の当該複合固体電解質以外にも、例えば酸化物系固体電解質、その他の硫化物固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、疑似固体電解質などを挙げることができる。これらの中では、イオン伝導度が良好であり、界面形成が容易であるなどの観点から硫化物固体電解質が好ましく、当該複合固体電解質がより好ましい。固体電解質層3が、当該複合固体電解質を含有することで、高いイオン伝導度を維持しつつ当該複合固体電解質の耐還元性を向上できるので、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer 3 contains an electrolyte for the solid electrolyte layer. Examples of the electrolyte for the solid electrolyte layer include oxide-based solid electrolytes, other sulfide solid electrolytes, dry polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, and pseudo-solid electrolytes, in addition to the above-mentioned composite solid electrolytes. Among these, a sulfide solid electrolyte is preferable from the viewpoint of good ionic conductivity and easy interface formation, and the composite solid electrolyte is more preferable. Since the solid electrolyte layer 3 contains the composite solid electrolyte, the reduction resistance of the composite solid electrolyte can be improved while maintaining high ionic conductivity, so that the effect of suppressing the decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle is excellent. ..

固体電解質層用電解質は、結晶構造を有してもよく、結晶構造を有さない非晶質であってもよい。固体電解質層用電解質には、LiPO等の酸化物やハロゲン、ハロゲン化合物等を添加してもよい。 The electrolyte for the solid electrolyte layer may have a crystal structure or may be amorphous without a crystal structure. Oxides such as Li 3 PO 4 , halogens, halogen compounds and the like may be added to the electrolyte for the solid electrolyte layer.

固体電解質層3の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、3μmがより好ましい。固体電解質層3の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、20μmがより好ましい。固体電解質層3の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極と負極とを確実に絶縁することが可能となる。固体電解質層3の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池のエネルギー密度を高めることが可能となる。 The lower limit of the average thickness of the solid electrolyte layer 3 is preferably 1 μm, more preferably 3 μm. The upper limit of the average thickness of the solid electrolyte layer 3 is preferably 50 μm, more preferably 20 μm. By setting the average thickness of the solid electrolyte layer 3 to be equal to or greater than the above lower limit, it is possible to reliably insulate the positive electrode and the negative electrode. By setting the average thickness of the solid electrolyte layer 3 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to increase the energy density of the all-solid-state battery.

[正極]
正極2は、正極基材7と、この正極基材7の表面に積層される正極合剤層6とを備える。正極2は、負極1と同様、正極基材7と正極合剤層6との間に中間層を有していてもよい。この中間層は負極1の中間層と同様の構成とすることができる。
[Positive electrode]
The positive electrode 2 includes a positive electrode base material 7 and a positive electrode mixture layer 6 laminated on the surface of the positive electrode base material 7. Like the negative electrode 1, the positive electrode 2 may have an intermediate layer between the positive electrode base material 7 and the positive electrode mixture layer 6. This intermediate layer can have the same configuration as the intermediate layer of the negative electrode 1.

(正極基材)
正極基材7は、負極基材4と同様の構成とすることができる。正極基材7の材質としては、導電体であれば限定されない。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、銀、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム及びこれらの一種以上を含む合金、並びにステンレス合金からなる群から選択される一種以上の金属を挙げることができる。
(Positive electrode base material)
The positive electrode base material 7 can have the same configuration as the negative electrode base material 4. The material of the positive electrode base material 7 is not limited as long as it is a conductor. For example, copper, aluminum, titanium, nickel, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, antimony, gold, silver, iron, platinum, chromium, tin, indium and alloys containing one or more of these, as well as stainless steel. One or more metals selected from the group consisting of alloys can be mentioned.

正極基材7の平均厚さの下限としては、3μmが好ましく、5μmがより好ましい。正極基材7の平均厚さの上限としては、200μmが好ましく、100μmがより好ましく、50μmがさらに好ましい。正極基材7の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極基材7の強度を十分に高くできるため、正極2を良好に形成できる。正極基材7の平均厚さを上記上限以下とすることで、他の構成要素の体積を十分に確保できる。 As the lower limit of the average thickness of the positive electrode base material 7, 3 μm is preferable, and 5 μm is more preferable. The upper limit of the average thickness of the positive electrode base material 7 is preferably 200 μm, more preferably 100 μm, and even more preferably 50 μm. By setting the average thickness of the positive electrode base material 7 to be equal to or greater than the above lower limit, the strength of the positive electrode base material 7 can be sufficiently increased, so that the positive electrode 2 can be formed satisfactorily. By setting the average thickness of the positive electrode base material 7 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to sufficiently secure the volume of other components.

(正極合剤層)
正極合剤層6は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成することができる。正極合剤は、正極活物質と上記硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。正極合剤は、正極活物質と混合物又は複合体を形成していない上記硫化物固体電解質を含有してもよい。上記硫化物固体電解質は、当該複合固体電解質であってもよい。正極合剤層6を形成する正極合剤は、負極合剤と同様、必要に応じて、上記硫化物固体電解質以外の固体電解質、導電剤、バインダー、フィラー等の任意成分を含む。
(Positive electrode mixture layer)
The positive electrode mixture layer 6 can be formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. The positive electrode mixture may contain a mixture or a composite containing the positive electrode active material and the above-mentioned sulfide solid electrolyte. The positive electrode mixture may contain the above-mentioned sulfide solid electrolyte which does not form a mixture or a complex with the positive electrode active material. The sulfide solid electrolyte may be the composite solid electrolyte. Like the negative electrode mixture, the positive electrode mixture forming the positive electrode mixture layer 6 contains optional components such as a solid electrolyte other than the sulfide solid electrolyte, a conductive agent, a binder, and a filler, if necessary.

〈正極活物質〉
正極合剤層6に含まれる正極活物質としては、全固体電池に通常用いられる公知のものが使用できる。上記正極活物質としては、正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LiNi1-x]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγCo(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LiCo(1-x)]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγMn(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LiNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)、Li[LiNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LiMn、LiNiγMn(2-γ)等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO、Li(PO、LiMnSiO、LiCoPOF等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。正極合剤層6においては、これら化合物の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
<Positive electrode active material>
As the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer 6, known materials usually used for all-solid-state batteries can be used. As the positive electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium ions is usually used as the positive electrode active material. Examples of the positive electrode active material include a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO type 2 crystal structure, a lithium transition metal composite oxide having a spinel type crystal structure, a polyanionic compound, a chalcogen compound, sulfur and the like. Examples of the lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO type 2 crystal structure include Li [Li x Ni 1-x ] O 2 (0 ≦ x <0.5) and Li [Li x Ni γ Co (1- ). x-γ) ] O 2 (0 ≦ x <0.5, 0 <γ <1), Li [Li x Co (1-x) ] O 2 (0 ≦ x <0.5), Li [Li x Ni γ Mn (1-x-γ) ] O 2 (0 ≦ x <0.5, 0 <γ <1), Li [Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β) ] O 2 (0≤x <0.5, 0 <γ, 0 <β, 0.5 <γ + β <1), Li [Li x Ni γ Co β Al (1-x-γ-β) ] O 2 (0≤ Examples thereof include x <0.5, 0 <γ, 0 <β, 0.5 <γ + β <1). Examples of the lithium transition metal composite oxide having a spinel-type crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn (2-γ) O 4 . Examples of the polyanionic compound include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoPO 4 F and the like. Examples of the chalcogen compound include titanium disulfide, molybdenum disulfide, molybdenum dioxide and the like. The atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species consisting of other elements. The surface of these materials may be coated with other materials. In the positive electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more of them may be mixed and used. In the positive electrode mixture layer 6, one of these compounds may be used alone, or two or more thereof may be mixed and used.

また、正極活物質としては、Li-Al、Li-In、Li-Sn、Li-Pb、Li-Bi、Li-Ga、Li-Sr、Li-Si、Li-Zn、Li-Cd、Li-Ca、Li-Ba等のリチウム合金や上記一般式で表される化合物以外のMnO、FeO、TiO、V、V13、TiS等の、反応電位が負極材料よりも貴な材料を用いることができる。 Further, as the positive electrode active material, Li-Al, Li-In, Li-Sn, Li-Pb, Li-Bi, Li-Ga, Li-Sr, Li-Si, Li-Zn, Li-Cd, Li- The reaction potential of lithium alloys such as Ca and Li-Ba and compounds other than the compounds represented by the above general formulas such as MnO 2 , FeO 2 , TiO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , and TiS 2 is higher than that of the negative electrode material. Can also use precious materials.

正極合剤における正極活物質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、15質量%がより好ましい。正極活物質の含有量の上限としては、60質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、90質量%がよりさらに好ましく、95質量%が特に好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。 The lower limit of the content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 10% by mass, more preferably 15% by mass. The upper limit of the content of the positive electrode active material is preferably 60% by mass, more preferably 70% by mass, further preferably 80% by mass, still more preferably 90% by mass, and particularly preferably 95% by mass. By setting the content of the positive electrode active material in the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased.

〈混合物又は複合体〉
上記混合物とは、正極活物質及び上記硫化物固体電解質等をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、正極活物質と上記硫化物固体電解質等との混合物は、粒子状の正極活物質及び粒子状の上記硫化物固体電解質等を混合して得ることができる。
上記複合体としては、正極活物質及び上記硫化物固体電解質等間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、正極活物質及び上記硫化物固体電解質等を機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に正極活物質及び上記硫化物固体電解質等が存在しているものであり、例えば、正極活物質及び上記硫化物固体電解質等が凝集状態を形成しているもの、正極活物質の表面の少なくとも一部に上記硫化物固体電解質等含有被膜が形成されているものなどが挙げられる。
<Mixture or complex>
The above-mentioned mixture is a mixture produced by mixing the positive electrode active material, the above-mentioned sulfide solid electrolyte, and the like by mechanical milling or the like. For example, the mixture of the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte and the like can be obtained by mixing the particulate positive electrode active material and the particulate sulfide solid electrolyte and the like.
The composite includes a composite having a chemical or physical bond between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte, and a composite in which the positive electrode active material, the sulfide solid electrolyte, and the like are mechanically complexed. And so on. In the composite, the positive electrode active material, the sulfide solid electrolyte, and the like are present in one particle, and for example, the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte and the like form an aggregated state. Examples thereof include those in which a film containing the above-mentioned sulfide solid electrolyte or the like is formed on at least a part of the surface of the positive electrode active material.

正極合剤が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、5質量%であってもよく、10質量%が好ましい。正極合剤における固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、85質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、75質量%が特に好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。 When the positive electrode mixture contains a solid electrolyte, the lower limit of the content of the solid electrolyte may be 5% by mass, preferably 10% by mass. The upper limit of the content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is preferably 90% by mass, more preferably 85% by mass, further preferably 80% by mass, and particularly preferably 75% by mass. By setting the content of the solid electrolyte in the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased.

正極合剤層6の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。正極合剤層6の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましく、200μmがさらに好ましい。正極合剤層6の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。正極合剤層6の平均厚さを上記上限以下とすることで、高率放電性能に優れ、活物質利用率の高い正極を備える全固体電池を得ることができる。 The lower limit of the average thickness of the positive electrode mixture layer 6 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the positive electrode mixture layer 6 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm, and even more preferably 200 μm. By setting the average thickness of the positive electrode mixture layer 6 to be equal to or greater than the above lower limit, an all-solid-state battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the positive electrode mixture layer 6 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to obtain an all-solid-state battery having a positive electrode having excellent high rate discharge performance and high active material utilization rate.

<複合固体電解質の製造方法>
当該複合固体電解質の製造方法は、硫化物固体電解質と添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備える。上記添加剤としては、上述のS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせを用いる。
<Manufacturing method of composite solid electrolyte>
The method for producing the composite solid electrolyte comprises mixing the sulfide solid electrolyte and the additive to prepare the composite solid electrolyte. As the additive, the above-mentioned sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof is used.

上記複合固体電解質を作製する方法としては、例えば(1)始めに硫化物固体電解質を合成した後、添加剤を混合して複合固体電解質を合成する方法、(2)硫化物固体電解質の出発原料と添加剤とを混合して、添加剤を含む複合固体電解質前駆体を作製した後、上記複合固体電解質前駆体から複合固体電解質を合成する方法等が挙げられる。 Examples of the method for producing the above-mentioned composite solid electrolyte include (1) a method of first synthesizing a sulfide solid electrolyte and then mixing an additive to synthesize a composite solid electrolyte, and (2) a starting material for the sulfide solid electrolyte. And an additive are mixed to prepare a composite solid electrolyte precursor containing the additive, and then a method of synthesizing the composite solid electrolyte from the composite solid electrolyte precursor and the like can be mentioned.

(1)硫化物固体電解質合成後に添加剤を含む複合固体電解質を合成する方法
本方法においては、硫化物固体電解質合成工程後、複合固体電解質合成工程が行われる。
(1) Method for synthesizing a composite solid electrolyte containing an additive after synthesizing a sulfide solid electrolyte In this method, a composite solid electrolyte synthesis step is performed after the sulfide solid electrolyte synthesis step.

(硫化物固体電解質合成工程)
本工程では、例えば、以下の手順により、硫化物固体電解質を作製する。
所定のモル比の硫化物固体電解質の出発原料(LiS、P等)を乳鉢等で混合した後、硫化物固体電解質を作製する。硫化物固体電解質を作製する方法としては、例えばメカニカルミリング法、溶融急冷法等を用いることができる。
硫化物固体電解質ガラスセラミックスを作製する場合は、硫化物固体電解質を作製後に、結晶化温度以上で熱処理することにより、硫化物固体電解質ガラスセラミックスを作製することができる。上記結晶化温度は、示差走査熱計(DSC)による測定で求めることができる。
(Sulfide solid electrolyte synthesis process)
In this step, for example, a sulfide solid electrolyte is produced by the following procedure.
After mixing the starting materials (Li 2 S, P 2 S 5 , etc.) of the sulfide solid electrolyte having a predetermined molar ratio in a mortar or the like, the sulfide solid electrolyte is prepared. As a method for producing the sulfide solid electrolyte, for example, a mechanical milling method, a melt quenching method, or the like can be used.
In the case of producing the sulfide solid electrolyte glass ceramics, the sulfide solid electrolyte glass ceramics can be produced by heat-treating at a crystallization temperature or higher after producing the sulfide solid electrolyte. The crystallization temperature can be determined by measurement with a differential scanning calorimetry (DSC).

(複合固体電解質合成工程)
本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて上記硫化物固体電解質と、添加剤とを混合し、硫化物固体電解質と添加剤とを混合することにより、複合固体電解質を合成する。上記複合固体電解質における添加剤の含有割合の好ましい範囲は、上述した通りである。
(Composite solid electrolyte synthesis process)
In this step, for example, the sulfide solid electrolyte and the additive are mixed by using a mechanical milling method or the like, and the sulfide solid electrolyte and the additive are mixed to synthesize a composite solid electrolyte. The preferable range of the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is as described above.

(2)硫化物固体電解質の出発原料と添加剤との混合後に複合固体電解質を合成する方法
本方法においては、硫化物固体電解質の出発原料(LiS、P等)と、添加剤とを混合して、添加剤を含む複合固体電解質前駆体を作製する。その後、例えばメカニカルミリング法、溶融急冷法、熱処理等により、複合固体電解質を作製することができる。
(2) Method for synthesizing a composite solid electrolyte after mixing the starting material of the sulfide solid electrolyte and the additive In this method, the starting material of the sulfide solid electrolyte (Li 2 S, P 2 S 5 , etc.) and the addition are added. Mix with the agent to make a composite solid electrolyte precursor containing the additive. After that, the composite solid electrolyte can be produced by, for example, a mechanical milling method, a melt quenching method, a heat treatment, or the like.

当該複合固体電解質の製造方法は、硫化物固体電解質と上記添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備えるので、耐還元性を有し、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる複合固体電解質を製造できる。 Since the method for producing the composite solid electrolyte comprises mixing the sulfide solid electrolyte and the above additive to prepare the composite solid electrolyte, it has reduction resistance and has a Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery. It is possible to produce a composite solid electrolyte having an excellent effect of suppressing the decrease in the amount.

<全固体電池の製造方法>
当該全固体電池の製造方法は、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いて、負極及び電解質層の少なくとも1つを作製することを備える。また、当該全固体電池の製造方法は、その他の工程として、例えば負極合剤作製工程と、固体電解質層用電解質作製工程と、正極合剤作製工程と、負極、固体電解質層及び正極を積層する積層工程とを備えていてもよい。当該複合固体電解質及び当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質の詳細は、上述の通りである。
<Manufacturing method of all-solid-state battery>
The method for producing the all-solid-state battery comprises producing at least one of the negative electrode and the electrolyte layer using the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for manufacturing the composite solid electrolyte. In addition, the method for manufacturing the all-solid-state battery includes, for example, a negative electrode mixture manufacturing step, an electrolyte manufacturing step for a solid electrolyte layer, a positive electrode mixture manufacturing step, and a negative electrode, a solid electrolyte layer, and a positive electrode as other steps. It may be provided with a laminating step. The details of the composite solid electrolyte and the composite solid electrolyte obtained by the method for producing the composite solid electrolyte are as described above.

(負極合剤作製工程)
本工程では、負極を形成するための負極合剤が作製される。負極合剤が、負極活物質と、当該複合固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて負極活物質と、当該複合固体電解質とを混合し、負極活物質と当該複合固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。また、上記メカニカルミリング法を用いずに、負極合剤を作製してもよい。この場合、例えば、負極活物質、固体電解質、導電剤等を含有する負極合剤ペーストを作製することと、負極基材に塗布することを備えていてもよい。なお、負極合剤が当該複合固体電解質を含む場合、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いる。
(Negative electrode mixture manufacturing process)
In this step, a negative electrode mixture for forming a negative electrode is produced. When the negative electrode mixture contains a mixture or a composite containing the negative electrode active material and the composite solid electrolyte, in this step, the negative electrode active material and the composite solid electrolyte are mixed by using, for example, a mechanical milling method or the like. It is provided to prepare a mixture or a composite of the negative electrode active material and the composite solid electrolyte. Further, the negative electrode mixture may be prepared without using the above mechanical milling method. In this case, for example, it may be provided to prepare a negative electrode mixture paste containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, a conductive agent, etc., and to apply it to a negative electrode base material. When the negative electrode mixture contains the composite solid electrolyte, the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for producing the composite solid electrolyte is used.

(固体電解質層作製工程)
本工程では、固体電解質層が作製される。本工程では、固体電解質層用電解質の所定の材料をメカニカルミリング法により処理して得ることができる。溶融急冷法により固体電解質層用電解質の所定の材料を溶融温度以上に加熱して所定の比率で両者を溶融混合し、急冷することにより固体電解質層用電解質を作製してもよい。その他の固体電解質層用電解質の合成方法としては、例えば減圧封入して焼成する固相法、溶解析出などの液相法、気相法(PLD)、メカニカルミリング後にアルゴン雰囲気下で焼成する方法などが挙げられる。なお、固体電解質層用電解質が当該複合固体電解質である場合は、固体電解質層用電解質として、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いる。
(Solid electrolyte layer fabrication process)
In this step, a solid electrolyte layer is produced. In this step, a predetermined material of the electrolyte for the solid electrolyte layer can be obtained by treating it by a mechanical milling method. An electrolyte for a solid electrolyte layer may be produced by heating a predetermined material of an electrolyte for a solid electrolyte layer to a melting temperature or higher by a melt quenching method, melting and mixing the two at a predetermined ratio, and quenching. Other methods for synthesizing the electrolyte for the solid electrolyte layer include, for example, a solid phase method of encapsulating and firing under reduced pressure, a liquid phase method such as dissolution precipitation, a gas phase method (PLD), and a method of firing in an argon atmosphere after mechanical milling. Can be mentioned. When the electrolyte for the solid electrolyte layer is the composite solid electrolyte, the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for producing the composite solid electrolyte is used as the electrolyte for the solid electrolyte layer.

(正極合剤作製工程)
本工程では、正極を形成するための正極合剤が作製される。正極合剤の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、正極活物質の圧縮成形、正極合剤の所定の材料のメカニカルミリング処理、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング等が挙げられる。正極合剤が、正極活物質と硫化物固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程では、例えばメカニカルミリング法等を用いて正極活物質と、硫化物固体電解質とを混合し、正極活物質と硫化物固体電解質との混合物又は複合体を作製することを備える。また、上記負極合剤作製工程と同様、上記メカニカルミリング法を用いずに、正極合剤を作製してもよい。この場合、例えば、正極活物質、固体電解質、導電剤等を含有する正極合剤ペーストを作製することと、正極基材に塗布することを備えていてもよい。
(Positive electrode mixture manufacturing process)
In this step, a positive electrode mixture for forming a positive electrode is produced. The method for producing the positive electrode mixture is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, compression molding of the positive electrode active material, mechanical milling treatment of a predetermined material of the positive electrode mixture, sputtering using the target material of the positive electrode active material, and the like can be mentioned. When the positive electrode mixture contains a mixture or a composite containing a positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte, in this step, the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte are mixed by using, for example, a mechanical milling method or the like. , A mixture or a composite of a positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte. Further, as in the negative electrode mixture manufacturing step, the positive electrode mixture may be manufactured without using the mechanical milling method. In this case, for example, it may be provided to prepare a positive electrode mixture paste containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive agent, etc., and to apply it to a positive electrode base material.

(積層工程)
本工程は、負極基材及び負極合剤層を有する負極、固体電解質層、並びに正極基材及び正極合剤層を有する正極が積層される。本工程では、負極、固体電解質層、及び正極を順次積層してもよいし、この逆であってもよく、各層の積層の順序は特に問わない。上記負極は、例えば負極基材及び負極合剤を加圧成型することにより形成され、上記固体電解質層は、例えば固体電解質層用電解質を加圧成型することにより形成され、上記正極は、例えば正極基材及び正極合剤を加圧成型することにより形成される。
(Laminating process)
In this step, a negative electrode having a negative electrode base material and a negative electrode mixture layer, a solid electrolyte layer, and a positive electrode having a positive electrode base material and a positive electrode mixture layer are laminated. In this step, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode may be sequentially laminated, or vice versa, and the order of laminating each layer is not particularly limited. The negative electrode is formed by, for example, pressure molding a negative electrode base material and a negative electrode mixture, the solid electrolyte layer is formed by pressure molding, for example, an electrolyte for a solid electrolyte layer, and the positive electrode is, for example, a positive electrode. It is formed by pressure molding the base material and the positive electrode mixture.

負極基材、負極合剤、固体電解質層用電解質、正極基材及び正極合剤を一度に加圧成型することにより、負極、固体電解質層及び正極が積層されてもよい。正極、負極、又はこれらの層を予め成形し、固体電解質層と加圧成型して積層してもよい。 The negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode may be laminated by pressure-molding the negative electrode base material, the negative electrode mixture, the electrolyte for the solid electrolyte layer, the positive electrode base material, and the positive electrode mixture at one time. The positive electrode, the negative electrode, or these layers may be preformed, pressure-molded with the solid electrolyte layer, and laminated.

当該全固体電池の製造方法は、当該複合固体電解質又は当該複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いて、負極及び電解質層の少なくとも1つを作製することを備えるので、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れる全固体電池を製造できる。 The method for manufacturing the all-solid-state battery comprises using the composite solid electrolyte or the composite solid electrolyte obtained by the method for manufacturing the composite solid electrolyte to prepare at least one of the negative electrode and the electrolyte layer. It is possible to manufacture an all-solid-state battery having an excellent effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in a cycle.

[その他の実施形態]
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態の他に、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。
[Other embodiments]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various modifications and improvements in addition to the above embodiment.

本発明に係る全固体電池は、その他の構成として例えば中間層や接着層のように、負極、正極及び固体電解質層以外の層を備えていてもよい。 As another configuration, the all-solid-state battery according to the present invention may include a layer other than the negative electrode, the positive electrode, and the solid electrolyte layer, such as an intermediate layer and an adhesive layer.

<実施例>
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<Example>
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

[複合固体電解質の作製]
(実施例1)
露点-50℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でLiS(99.98質量%、Aldrich製)及びP(99質量%、Aldrich製)をモル比で75:25となるように秤量した後に、乳鉢で混合した。この混合試料を、密閉式のジルコニアポットに投入した。遊星ボールミル(FRITSCH社製、型番Premium line P-7)によって公転回転数510rpmで45時間のミリング処理を行い、75LiS・25Pを得た。
[Preparation of composite solid electrolyte]
(Example 1)
Li 2 S (99.98% by mass, manufactured by Aldrich) and P 2 S 5 (99% by mass, manufactured by Aldrich) in a glove box having an argon atmosphere with a dew point of -50 ° C or less so as to have a molar ratio of 75:25. After weighing, it was mixed in a mortar. This mixed sample was placed in a closed zirconia pot. A planetary ball mill (manufactured by FRITSCH, model number Premium line P-7) was used for milling at a revolution speed of 510 rpm for 45 hours to obtain 75Li 2S / 25P 2 S 5 .

次に、75LiS・25Pと添加剤である硝酸リチウムとを質量比で90:10となるように秤量・混合した後に、遊星型ボールミルを用いて公転回転数370rpmで2時間メカニカルミリングすることにより、実施例1の複合固体電解質を合成した。 Next, 75Li 2S / 25P 2S 5 and lithium nitrate as an additive are weighed and mixed so as to have a mass ratio of 90:10, and then mechanically used at a revolution speed of 370 rpm for 2 hours using a planetary ball mill. By milling, the composite solid electrolyte of Example 1 was synthesized.

(実施例2)
添加剤を環状スルホン酸エステルである1,3-プロペンスルトン(PRS)に変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の複合固体電解質を合成した。
(Example 2)
The composite solid electrolyte of Example 2 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the additive was changed to 1,3-propensultone (PRS), which is a cyclic sulfonic acid ester.

(比較例1)
実施例1における添加剤を混合する前の75LiS・25Pを比較例1とした。
(Comparative Example 1)
The 75Li 2 S / 25P 2 S 5 before mixing the additive in Example 1 was designated as Comparative Example 1.

(比較例2)
添加剤をヨウ化リチウムに変更したこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の複合固体電解質を合成した。
(Comparative Example 2)
The composite solid electrolyte of Comparative Example 2 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the additive was changed to lithium iodide.

[耐還元性評価セルの作製]
内径10mmのポリカーボネート製チューブに、実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2それぞれの固体電解質を120mg挿入した後に360MPaで加圧成型した。圧力解放後に、対極側に金属Li箔を、作用極側に金属ln箔をそれぞれ貼り合わせた後に、120MPaで加圧成型し、ペレットを得た。これを宝泉製HSセル内に挿入することにより耐還元性評価用セルを作製した。なお、各耐還元性評価セル内におけるペレットは、HSセル内のバネにより5MPa程度加圧された状態になっている。
[Preparation of reduction resistance evaluation cell]
120 mg of each of the solid electrolytes of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was inserted into a polycarbonate tube having an inner diameter of 10 mm, and then pressure-molded at 360 MPa. After the pressure was released, the metal Li foil was bonded to the counter electrode side and the metal ln foil was bonded to the working electrode side, and then pressure-molded at 120 MPa to obtain pellets. A cell for evaluation of reduction resistance was produced by inserting this into an HS cell manufactured by Hosen. The pellets in each reduction resistance evaluation cell are in a state of being pressurized by about 5 MPa by the spring in the HS cell.

[評価]
(充放電サイクル試験:クーロン効率)
(1)充放電サイクル試験
各耐還元性評価セルを、50℃の恒温槽内に30分保管した後、電流密度0.1mAhcm-1で、充放電時間10時間の定電流定電圧充放電を行った。充電は、充電終止電圧0.2Vとした。放電は、放電終止電圧1.1Vとした。充電及び放電の工程の後、それぞれ30分間の休止を設けた。これら充電及び放電の工程を1サイクルとして、実施例1、実施例2及び比較例1については3サイクル繰り返し、比較例2については4サイクル繰り返した。充電、放電及び休止ともに、50℃の恒温槽内で行った。
(2)クーロン効率
上記充放電サイクル試験における各耐還元性評価セルについて、1から5サイクルにおける充電電気量(Ah)に対する1から5サイクルにおける放電容量(Ah)の百分率を1から5サイクルにおける「クーロン効率(%)」として求めた。結果を図2に示す。
[evaluation]
(Charge / discharge cycle test: Coulomb efficiency)
(1) Charge / discharge cycle test After each reduction resistance evaluation cell is stored in a constant temperature bath at 50 ° C. for 30 minutes, constant current constant voltage charge / discharge with a current density of 0.1 mAhcm -1 and a charge / discharge time of 10 hours is performed. gone. Charging was performed with a charge termination voltage of 0.2 V. The discharge was set to a discharge end voltage of 1.1 V. After the charging and discharging steps, there was a 30-minute rest, respectively. With these charging and discharging steps as one cycle, Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were repeated for 3 cycles, and Comparative Example 2 was repeated for 4 cycles. Charging, discharging and pausing were performed in a constant temperature bath at 50 ° C.
(2) Coulomb efficiency For each reduction resistance evaluation cell in the charge / discharge cycle test, the percentage of the discharge capacity (Ah) in 1 to 5 cycles to the charge electricity amount (Ah) in 1 to 5 cycles is set to "1 to 5 cycles". It was calculated as "Coulomb efficiency (%)". The results are shown in FIG.

図2に示されるように、S=O結合を有する硫黄系環状化合物又は硝酸リチウムを添加剤として含む実施例1及び実施例2の複合固体電解質は、添加剤を含まない比較例1及び添加剤としてヨウ化リチウムを含む比較例2と比べて充放電サイクルにおけるクーロン効率低下に対する抑制効果が優れていた。 As shown in FIG. 2, the composite solid electrolytes of Examples 1 and 2 containing a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond or lithium nitrate as an additive are Comparative Example 1 and an additive containing no additive. As compared with Comparative Example 2 containing lithium iodide, the effect of suppressing the decrease in sulfur efficiency in the charge / discharge cycle was excellent.

以上の結果から、本発明の一側面に係る複合固体電解質は、全固体電池の充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下を抑制できることが示された。 From the above results, it was shown that the composite solid electrolyte according to one aspect of the present invention can suppress a decrease in the Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle of the all-solid-state battery.

本発明に係る複合固体電解質及び全固体電池は、充放電サイクルにおけるクーロン効率の低下に対する抑制効果が優れるので、例えばHEV用の全固体電池及びそれに用いられる固体電解質として好適に用いられる。 Since the composite solid electrolyte and the all-solid-state battery according to the present invention have an excellent effect of suppressing a decrease in Coulomb efficiency in the charge / discharge cycle, they are suitably used as, for example, an all-solid-state battery for HEV and a solid electrolyte used therein.

1 負極
2 正極
3 固体電解質層
4 負極基材
5 負極合剤層
6 正極合剤層
7 正極基材
10 全固体電池
1 Negative electrode 2 Positive electrode 3 Solid electrolyte layer 4 Negative electrode base material 5 Negative electrode mixture layer 6 Positive electrode mixture layer 7 Positive electrode base material 10 All-solid-state battery

Claims (7)

硫化物固体電解質と、添加剤とを含み、
上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである複合固体電解質。
Containing sulfide solid electrolytes and additives,
A composite solid electrolyte in which the additive is a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof.
上記複合固体電解質における上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下である請求項1に記載の複合固体電解質。 The composite solid electrolyte according to claim 1, wherein the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is 5% by mass or more and 20% by mass or less. 上記硫黄系環状化合物が環状スルホン酸エステルである請求項1又は請求項2に記載の複合固体電解質。 The composite solid electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the sulfur-based cyclic compound is a cyclic sulfonic acid ester. 負極と、正極と、上記負極及び上記正極の間に介在する電解質層とを備え、
上記負極、上記電解質層又はこれらの組み合わせが請求項1、請求項2又は請求項3の複合固体電解質を含有する全固体電池。
A negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte layer interposed between the negative electrode and the positive electrode are provided.
An all-solid-state battery in which the negative electrode, the electrolyte layer, or a combination thereof contains the composite solid electrolyte of claim 1, claim 2 or claim 3.
硫化物固体電解質と添加剤とを混合して複合固体電解質を作製することを備え、
上記添加剤がS=O結合を有する硫黄系環状化合物、硝酸リチウム又はこれらの組み合わせである複合固体電解質の製造方法。
The sulfide solid electrolyte and the additive are mixed to prepare a composite solid electrolyte.
A method for producing a sulfur-based cyclic compound having an S = O bond, lithium nitrate, or a combination thereof, wherein the additive is a composite solid electrolyte.
上記複合固体電解質における上記添加剤の含有割合が5質量%以上20質量%以下である請求項5に記載の複合固体電解質の製造方法。 The method for producing a composite solid electrolyte according to claim 5, wherein the content ratio of the additive in the composite solid electrolyte is 5% by mass or more and 20% by mass or less. 請求項1、請求項2若しくは請求項3の複合固体電解質又は請求項5の複合固体電解質の製造方法で得られた複合固体電解質を用いて、負極及び電解質層の少なくとも1つを作製することを備える全固体電池の製造方法。
Using the composite solid electrolyte of claim 1, claim 2 or claim 3 or the composite solid electrolyte obtained by the method for producing the composite solid electrolyte of claim 5, at least one of the negative electrode and the electrolyte layer can be produced. A method for manufacturing an all-solid-state battery.
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