JP2022083502A - All-solid- state battery positive electrode and all-solid battery - Google Patents

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Naoki Matsuoka
潤珠 青木
Urumi Aoki
雄介 川端
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Abstract

To provide an all-solid-state battery having excellent load characteristics and a positive electrode capable of forming the all-solid-state battery, and relate to goals 12, 3, 7, and 11 of sustainable development goals (SDGs).SOLUTION: A positive electrode for an all-solid battery according to the present invention includes a positive electrode active material composed of primary particles and a molded body of a positive electrode mixture containing a solid electrolyte, and the positive electrode active material includes a reaction suppression layer for suppressing the reaction on the positive electrode active material and the solid electrolyte layer, and the ratio ra/rs of the average particle size ra of the positive electrode active material to the average particle size rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less. Further, an all-solid-state battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and includes the positive electrode for the all-solid-state battery according to the present invention.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極に関するものである。 The present invention relates to an all-solid-state battery having excellent load characteristics and a positive electrode capable of forming the all-solid-state battery.

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 batteries with high capacity and high energy density have been required. ing.

現在、この要求に応え得るリチウム電池、特にリチウムイオン電池では、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。 At present, in lithium batteries that can meet this demand, particularly lithium ion batteries, an organic electrolyte solution containing an organic solvent and a lithium salt is used as a non-aqueous electrolyte.

そして、リチウムイオン電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン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 batteries are applied, there is a demand for longer life, higher capacity, and higher energy density of lithium-ion batteries, as well as longer life, higher capacity, and higher energy density. The reliability of energy-dense lithium-ion batteries is also highly demanded.

しかし、リチウムイオン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電池の信頼性が求められている。 However, since the organic electrolytic solution used in the lithium-ion battery contains an organic solvent which is a flammable substance, the organic electrolytic solution may generate abnormal heat when an abnormal situation such as a short circuit occurs in the battery. There is. Further, with the recent increase in energy density of lithium ion batteries and the increasing tendency of the amount of organic solvent in organic electrolytic solutions, the reliability of lithium ion 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 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 without the risk of abnormal heat generation of the solid electrolyte.

また、全固体電池は、高い安全性だけではなく、高い信頼性および高い耐環境性を有し、かつ長寿命であるため、社会の発展に寄与すると同時に安心、安全にも貢献し続けることができるメンテナンスフリーの電池として期待されている。全固体電池の社会への提供により、国際連合が制定する持続可能な開発目標(SDGs)の17の目標のうち、目標12(持続可能な生産消費形態を確保する)、目標3(あらゆる年齢のすべての人々の健康的な生活を確保し、福祉を促進する)、目標7(すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する)、および目標11〔包摂的で安全かつ強靭(レジリエント)で持続可能な都市および人間居住を実現する〕の達成に貢献することができる。 In addition, all-solid-state batteries have not only high safety, but also high reliability and high environmental resistance, and have a long life, so they can contribute to the development of society and at the same time continue to contribute to safety and security. It is expected as a maintenance-free battery that can be used. Of the 17 goals of the Sustainable Development Goals (SDGs) established by the United Nations by providing all-solid-state batteries to society, Goal 12 (to ensure sustainable production and consumption) and Goal 3 (for all ages) Ensuring a healthy life for all and promoting welfare), Goal 7 (ensuring access to cheap, reliable and sustainable modern energy for all), and Goal 11 [Inclusive Achieve safe, resilient and sustainable cities and human settlements].

また、全固体電池においては、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1には、特定の粒径を有する活物質と、特定の粒径を有する固体電解質とを、特定の重量比で混合して使用した電極を適用することで、全固体電池における活物質の利用率を高める技術が提案されている。 Further, various improvements have been attempted in the all-solid-state battery. For example, in Patent Document 1, an electrode in which an active material having a specific particle size and a solid electrolyte having a specific particle size are mixed at a specific weight ratio and used is applied in an all-solid-state battery. Techniques for increasing the utilization rate of active materials have been proposed.

また、特許文献2には、正極層の正極活物質層における正極活物質の粒径または負極層の負極活物質層における負極活物質の粒径と、これらの層に隣接する固体電解質層における固体電解質の粒径との比を特定範囲内とすることで、正極活物質層や負極活物質層と固体電解質層との界面抵抗を低減する技術が提案されている。 Further, Patent Document 2 describes the particle size of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer of the positive electrode layer or the particle size of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer of the negative electrode layer, and the solid in the solid electrolyte layer adjacent to these layers. A technique for reducing the interfacial resistance between the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer by setting the ratio to the particle size of the electrolyte within a specific range has been proposed.

特開平8-195219号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-195219 特開2016-1596号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-1596

ところで、現在、全固体電池においては、その適用分野が急速に拡大しており、例えば大きな電流値での放電が求められる用途への適用も考えられることから、これに応え得るように負荷特性を高めることが求められる。 By the way, at present, the fields of application of all-solid-state batteries are expanding rapidly, and for example, they can be applied to applications that require discharge at a large current value. It is required to increase.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極とを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having excellent load characteristics and a positive electrode capable of forming the all-solid-state battery.

本発明の全固体電池用正極は、一次粒子からなる正極活物質、および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有し、前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下であることを特徴とするものである。 The positive electrode for an all-solid battery of the present invention has a positive electrode active material composed of primary particles and a molded body of a positive electrode mixture containing a solid electrolyte, and the positive electrode active material is a positive electrode active material and the solid electrolyte. It is characterized by having a reaction suppressing layer for suppressing the reaction on the surface, and the ratio ra / rs of the average particle size ra of the positive electrode active material to the average particle size rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less. It is something to do.

また、本発明の全固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有し、前記正極として、本発明の全固体電池用正極を有することを特徴とするものである。 Further, the all-solid-state battery of the present invention is characterized by 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 of the present invention has a positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention. Is to be.

なお、本発明の全固体電池には、一次電池(全固体一次電池)と二次電池(全固体二次電池)とが含まれる。 The all-solid-state battery of the present invention includes a primary battery (all-solid-state primary battery) and a secondary battery (all-solid-state secondary battery).

本発明によれば、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極とを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state battery having excellent load characteristics and a positive electrode capable of forming the all-solid-state battery.

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 the example of the all-solid-state battery of this invention. 本発明の全固体電池の他の例を模式的に表す平面図である。It is a top view schematically showing another example of the all-solid-state battery of this invention. 図2のI-I線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.

<全固体電池用正極>
本発明の全固体電池用正極は、一次粒子からなる正極活物質、および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有し、前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下である。
<Positive electrode for all-solid-state battery>
The positive electrode for an all-solid battery of the present invention has a positive electrode active material composed of primary particles and a molded body of a positive electrode mixture containing a solid electrolyte, and the positive electrode active material comprises the positive electrode active material and the solid electrolyte. It has a reaction suppressing layer for suppressing the reaction on the surface, and the ratio ra / rs of the average particle size ra of the positive electrode active material to the average particle size rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less.

全固体電池の負荷特性を高めるには、正極における正極活物質と固体電解質との間で、リチウムイオンがよりスムーズに移動できるようにすることが望ましい。 In order to enhance the load characteristics of the all-solid-state battery, it is desirable to allow lithium ions to move more smoothly between the positive electrode active material and the solid electrolyte in the positive electrode.

本発明では、正極を構成する正極合剤の成形体において、固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有する正極活物質を一次粒子の状態で含有させるとともに、固体電解質の平均粒子径に対する正極活物質の平均粒子径の比を特定範囲内とすることで、正極活物質と固体電解質との接触を良好にし、両者の間でリチウムイオンがスムーズに移動できるようにして、全固体電池の負荷特性を高め得るようにした。 In the present invention, in the molded body of the positive electrode mixture constituting the positive electrode, a positive electrode active material having a reaction suppressing layer for suppressing the reaction with the solid electrolyte on the surface is contained in the state of primary particles, and the average of the solid electrolytes is contained. By setting the ratio of the average particle size of the positive electrode active material to the particle size within a specific range, the contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte is improved, and the lithium ions can move smoothly between the two. The load characteristics of solid-state batteries can be improved.

本発明の全固体電池用正極は、正極合剤の成形体を有しており、正極合剤の成形体のみからなるものや、正極合剤の成形体からなる層(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。 The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a positive electrode mixture, and may be composed of only a molded body of a positive electrode mixture or a layer made of a molded body of a positive electrode mixture (positive electrode mixture layer). Examples thereof include those having a structure formed on a current collector.

全固体一次電池に使用する全固体電池用正極の場合、正極合剤に含有させる正極活物質(反応抑制層を表面に有する正極活物質)の母材には、従来から知られている非水電解質一次電池に用いられている正極活物質と同じものが使用できる。具体的には、例えば、二酸化マンガン、リチウム含有マンガン酸化物〔例えば、LiMnや、二酸化マンガンと同じ結晶構造(β型、γ型、またはβ型とγ型が混在する構造など)を有し、Liの含有量が3.5質量%以下、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である複合酸化物など〕、LiTi5/3(4/3≦a<7/3)などのリチウム含有複合酸化物;バナジウム酸化物;ニオブ酸化物;チタン酸化物;二硫化鉄などの硫化物;フッ化黒鉛;AgSなどの銀硫化物;NiOなどのニッケル酸化物:などが挙げられる。 In the case of a positive electrode for an all-solid battery used in an all-solid primary battery, the base material of the positive electrode active material (positive electrode active material having a reaction suppressing layer on the surface) contained in the positive electrode mixture is a conventionally known non-water-based material. The same positive electrode active material used in the electrolyte primary battery can be used. Specifically, for example, manganese dioxide, lithium-containing manganese oxide [for example, LiMn 3 O6 or the same crystal structure as manganese dioxide (β-type, γ-type, or a structure in which β-type and γ-type are mixed, etc.) is used. A composite oxide having a Li content of 3.5% by mass or less, preferably 2% by mass or less, more preferably 1.5% by mass or less, particularly preferably 1% by mass or less], Li a Ti. Lithium-containing composite oxides such as 5/3 O4 ( 4/3 ≤ a <7/3); vanadium oxides; niobium oxides; titanium oxides; sulfides such as iron disulfide; graphite fluoride; Ag 2 Silver sulfides such as S; nickel oxides such as NiO 2 : and the like.

また、全固体二次電池に使用する全固体電池用正極の場合、正極合剤に含有させる正極活物質(反応抑制層を表面に有する正極活物質)の母材には、従来から知られている非水電解質二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Li(リチウム)イオンを吸蔵・放出可能な活物質と同じものが使用できる。具体的には、Li1-xMn2-r(ただし、Mは、Li、Na、K、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Zr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Sb、In、Nb、Ta、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≦x≦1、0≦r≦1)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-s-t)Ni(2-u)(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≦r≦1.2、0<s<0.5、0≦t≦0.5、u+v<1、-0.1≦u≦0.2、0≦v≦0.1)で表される層状化合物、Li1-xCo1-r(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、V、Cr、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、Sb、Ba、Mn、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Si、Ta、K、S、ErおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、Li1-xNi1-r(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、Li1+s-x1-rPO(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、VおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5、0≦s≦1)で表されるオリビン型複合酸化物、Li2-x1-r(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、VおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦2、0≦r≦0.5)で表されるピロリン酸化合物などが例示でき、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Further, in the case of a positive electrode for an all-solid battery used for an all-solid secondary battery, a base material for a positive electrode active material (a positive electrode active material having a reaction suppressing layer on the surface) contained in the positive electrode mixture has been conventionally known. A positive electrode active material used in a non-aqueous electrolyte secondary battery, that is, the same active material capable of storing and releasing Li (lithium) ions can be used. Specifically, Li 1-x M r Mn 2-r O 4 (where M is Li, Na, K, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Zr, Fe, Co. , Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Sb, In, Nb, Ta, Mo, W, Y, Ru and Rh, at least one element selected from the group consisting of 0≤x≤1,0. Spinel-type lithium manganese composite oxide represented by ≦ r ≦ 1), Li r Mn (1-s-t) Nis M t O (2-u) F v (where M is Co, Mg, Al) , B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr and W, which are at least one element selected from the group consisting of 0≤r≤1.2,0. A layered compound represented by <s <0.5, 0 ≦ t ≦ 0.5, u + v <1, −0.1 ≦ u ≦ 0.2, 0 ≦ v ≦ 0.1), Li 1-x Co. 1-r Mr O 2 (However, M is Al, Mg, Ti, V, Cr, Zr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, Ba, Mn, Bi. , Ca, F, P, Sr, W, Si, Ta, K, S, Er and Na at least one element selected from the group consisting of 0≤x≤1, 0≤r≤0.5. ), Li 1-x Ni 1-r Mr O 2 (where M is Al, Mg, Ti, Zr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb). , Mo, Sn, Sb and Ba, at least one element selected from the group consisting of, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ r ≦ 0.5), a lithium nickel composite oxide, Li 1 + s−. x M 1-r N r PO 4 F s (where M is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn and Co, and N is Al, Mg, Ti, Zr, Ni and Cu. , Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, V and Ba, which is at least one element selected from the group consisting of 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ r ≦ 0.5, 0 ≦ s. Olivin-type composite oxide represented by ≦ 1), Li 2-x M 1-r N r P 2 O 7 (where M is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn and Co. N is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, V and Ba, and is 0. ≤x≤2, 0≤r≤0.5) The represented pyrophosphoric acid compound and the like can be exemplified, and only one of these may be used, or two or more thereof may be used in combination.

全固体二次電池に使用する全固体電池用正極の場合、前記例示の正極活物質の中でも、下記一般式(1)で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)が、好ましく用いられる。 In the case of a positive electrode for an all-solid-state battery used in an all-solid-state secondary battery, the lithium cobalt composite oxide (A) represented by the following general formula (1) is preferably used among the above-exemplified positive electrode active materials.

LiCo1-a-b-cAl (1) LiCo 1-ab-c Al a M 1 b M 2 c O 2 (1)

前記一般式(1)中、Mは、Mg、NiおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素、Mは、Mn、Fe、Cu、Zr、Ti、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Ba、Nb、Si、Zn、Mo、V、Sn、Sb、Ta、Ge、Cr、K、SおよびEr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<a<0.1、0<b<0.1、a+b<0.1、0≦cである。 In the general formula (1), M 1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ni and Na, and M 2 is Mn, Fe, Cu, Zr, Ti, Bi, Ca, F, It is at least one element selected from the group consisting of P, Sr, W, Ba, Nb, Si, Zn, Mo, V, Sn, Sb, Ta, Ge, Cr, K, S and Er, and is 0 <. a <0.1, 0 <b <0.1, a + b <0.1, 0 ≦ c.

リチウムコバルト複合酸化物(A)は、有機電解液を使用する非水電解質二次電池用の正極活物質に用いた場合、含有するAlやM元素などの添加元素の作用によって、電池の内部抵抗を増大させる材料である。しかし、有機電解液を有する非水電解質二次電池の場合、正極と負極との間でのイオンの受け渡しを行う電解質が液状(電解液)であるため、元々の内部抵抗が小さいことから、リチウムコバルト複合酸化物(A)による前記の内部抵抗増大は電池特性に殆ど影響しない。一方、正極-負極間でのイオンの受け渡しを固体電解質で行う全固体二次電池においては、正極活物質の作用による内部抵抗の増大によって負荷特性などの電池特性の低下が引き起されることも予想される。 When the lithium cobalt composite oxide (A) is used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery using an organic electrolytic solution, the inside of the battery is affected by the action of additive elements such as Al and M1 element contained therein. It is a material that increases resistance. However, in the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery having an organic electrolyte, since the electrolyte that transfers ions between the positive electrode and the negative electrode is a liquid (electrolyte), the original internal resistance is small, so lithium. The above-mentioned increase in internal resistance due to the cobalt composite oxide (A) has almost no effect on the battery characteristics. On the other hand, in an all-solid secondary battery in which ions are transferred between the positive electrode and the negative electrode with a solid electrolyte, the increase in internal resistance due to the action of the positive electrode active material may cause deterioration of battery characteristics such as load characteristics. is expected.

しかしながら、リチウムコバルト複合酸化物(A)を全固体二次電池の正極活物質として使用した場合には、こうした予想に反して、例えばLiCoOを正極活物質とする場合に比べて内部抵抗を下げることが可能であり、全固体二次電池の負荷特性をより高めることができる。 However, when the lithium cobalt composite oxide (A) is used as the positive electrode active material of the all-solid-state secondary battery, contrary to such an expectation, the internal resistance is lowered as compared with the case where LiCoO 2 is used as the positive electrode active material, for example. This is possible, and the load characteristics of the all-solid-state secondary battery can be further enhanced.

LiCoOを正極活物質として用いた電池を充電すると、価数変化によってCoが膨張する。有機電解液を用いた電池では、これに起因する正極活物質の体積変化が生じても、イオンの受け渡しをする電解質が液状であるために正極活物質との接触が損なわれることはない。一方、全固体二次電池では、正極内でイオンの受け渡しをする電解質が固体(固体電解質)であるため、電池の充放電によって正極活物質が体積変化することで固体電解質との間に隙間が生じてしまい、正極の内部抵抗、延いては電池の内部抵抗が増大してしまう。 When a battery using LiCoO 2 as a positive electrode active material is charged, Co expands due to a change in valence. In a battery using an organic electrolyte, even if the volume of the positive electrode active material changes due to this, the contact with the positive electrode active material is not impaired because the electrolyte that transfers ions is liquid. On the other hand, in an all-solid secondary battery, the electrolyte that transfers ions in the positive electrode is a solid (solid electrolyte), so the volume of the positive electrode active material changes due to the charging and discharging of the battery, resulting in a gap between the positive electrode and the solid electrolyte. This will occur, and the internal resistance of the positive electrode, and eventually the internal resistance of the battery, will increase.

ところが、前記一般式(1)で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)であれば、充電状態となっても、Alおよび元素Mの作用によってCoの膨張が抑えられるため、正極活物質全体の膨張量(体積変化量)が小さくなる。よって、リチウムコバルト複合酸化物(A)を正極活物質とする全固体電池用正極を使用することで、充放電しても正極内でのリチウムコバルト複合酸化物(A)と固体電解質との接触が良好に維持でき、内部抵抗を低く保ち得ることから、より負荷特性に優れた全固体二次電池とすることができる。 However, in the case of the lithium cobalt composite oxide (A) represented by the general formula ( 1 ), the expansion of Co is suppressed by the action of Al and the element M1 even in the charged state, so that the positive electrode active material. The total amount of expansion (volume change) becomes smaller. Therefore, by using a positive electrode for an all-solid-state battery using lithium cobalt composite oxide (A) as a positive electrode active material, contact between the lithium cobalt composite oxide (A) and the solid electrolyte in the positive electrode even when charged and discharged. Can be maintained well and the internal resistance can be kept low, so that an all-solid-state secondary battery having better load characteristics can be obtained.

リチウムコバルト複合酸化物(A)において、AlはCoサイトに置換される元素、MはLiサイトに置換される元素であり、ともに充電時におけるCoの膨張量〔リチウムコバルト複合酸化物(A)の膨張量〕を小さくする作用を有している。 In the lithium cobalt composite oxide (A), Al is an element substituted with Co sites and M 1 is an element substituted with Li sites, both of which are the expansion amounts of Co during charging [lithium cobalt composite oxide (A). It has the effect of reducing the amount of expansion.

リチウムコバルト複合酸化物(A)は、元素Mとして、Mg、NiおよびNaのうちの少なくとも1種の元素を含有していればよいが、置換するLiとイオン半径が同等であり、さらに充放電時における価数変化を起こさないことからMgが好ましい。 The lithium cobalt composite oxide (A) may contain at least one element of Mg, Ni and Na as the element M 1 , but has the same ionic radius as Li to be substituted and is further filled. Mg is preferable because it does not change the valence during discharge.

リチウムコバルト複合酸化物(A)において、充電時における膨張量を小さく抑える観点から、Alの量aは0より大きく0.1未満であり、元素Mの量bは0より大きく0.1未満であり、また、a+bが0.1未満である。なお、Alの量aは0.005以上であることが好ましく、また、元素Mの量bは0.005以上であることが好ましい。さらに、Alの量aは0.08以下であることが好ましく、また、元素Mの量bは0.08以下であることが好ましい。 In the lithium cobalt composite oxide (A), the amount a of Al is greater than 0 and less than 0.1, and the amount b of the element M1 is greater than 0 and less than 0.1 from the viewpoint of suppressing the amount of expansion during charging. And a + b is less than 0.1. The amount a of Al is preferably 0.005 or more, and the amount b of the element M1 is preferably 0.005 or more. Further, the amount a of Al is preferably 0.08 or less , and the amount b of the element M1 is preferably 0.08 or less.

リチウムコバルト複合酸化物(A)は、元素Mを含有していてもよく、含有していなくてもよい(その量cは0でもよい)が、元素Mの量が多すぎると、例えばCoの量が少なくなって、リチウムコバルト複合酸化物(A)の容量が小さくなる虞がある。よって、元素Mの量cは0.05以下であることが好ましい。 The lithium cobalt composite oxide (A) may or may not contain the element M 2 (the amount c may be 0), but if the amount of the element M 2 is too large, for example. As the amount of Co decreases, the capacity of the lithium cobalt composite oxide (A) may decrease. Therefore, the amount c of the element M 2 is preferably 0.05 or less.

正極合剤の成形体は、一次粒子の状態の正極活物質を含有している。これにより、正極合剤の成形体における正極活物質と固体電解質との接触が良好となることから、全固体電池の負荷特性が向上する。 The molded product of the positive electrode mixture contains the positive electrode active material in the state of primary particles. As a result, the contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte in the molded body of the positive electrode mixture is improved, so that the load characteristics of the all-solid-state battery are improved.

なお、正極合剤の成形体には、一次粒子からなる正極活物質と共に、二次粒子として存在する正極活物質が含まれていてもよい。二次粒子として存在する正極活物質は、例えば、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示した各種正極活物質の二次粒子が挙げられる。ただし、正極合剤における二次粒子として存在する正極活物質の、正極活物質全量中の割合は、少ないほどよく、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。また、正極合剤における正極活物質は、全てが一次粒子からなる正極活物質であってもよい。このため、二次粒子として存在する正極活物質の正極活物質全量中の割合の下限値は、0質量%である。 The molded body of the positive electrode mixture may contain a positive electrode active material composed of primary particles and a positive electrode active material existing as secondary particles. Examples of the positive electrode active material existing as secondary particles include secondary particles of various positive electrode active materials exemplified above as those that can be contained in the positive electrode mixture. However, the ratio of the positive electrode active material existing as secondary particles in the positive electrode mixture to the total amount of the positive electrode active material is better, preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. .. Further, the positive electrode active material in the positive electrode mixture may be a positive electrode active material composed entirely of primary particles. Therefore, the lower limit of the ratio of the positive electrode active material existing as the secondary particles to the total amount of the positive electrode active material is 0% by mass.

なお、一次粒子からなる正極活物質としては、市販の正極活物質を用いることができる。正極活物質中に二次粒子が一部混在しているが、大半が一次粒子からなるものを使用することもできる。 As the positive electrode active material composed of primary particles, a commercially available positive electrode active material can be used. Although some secondary particles are mixed in the positive electrode active material, those composed mostly of primary particles can also be used.

正極合剤の成形体が含有する正極活物質(一次粒子からなる正極活物質)は、その表面に、正極に含まれる固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を有している。 The positive electrode active material (positive electrode active material composed of primary particles) contained in the molded body of the positive electrode mixture has a reaction suppressing layer on the surface thereof for suppressing the reaction with the solid electrolyte contained in the positive electrode.

正極合剤の成形体内において、正極活物質と固体電解質とが直接接触すると、固体電解質が酸化して抵抗層を形成し、成形体内のイオン伝導性が低下する虞がある。正極活物質の表面に、固体電解質との反応を抑制する反応抑制層を設け、正極活物質と固体電解質との直接の接触を防止することで、固体電解質の酸化による成形体内のイオン伝導性の低下を抑制することができる。 When the positive electrode active material and the solid electrolyte come into direct contact with each other in the molded body of the positive electrode mixture, the solid electrolyte may oxidize to form a resistance layer, and the ionic conductivity in the molded body may decrease. By providing a reaction suppression layer that suppresses the reaction with the solid electrolyte on the surface of the positive electrode active material and preventing direct contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte, the ionic conductivity in the molded body due to the oxidation of the solid electrolyte The decrease can be suppressed.

反応抑制層は、イオン伝導性を有し、正極活物質と固体電解質との反応を抑制できる材料で構成されていればよい。反応抑制層を構成し得る材料としては、例えば、Liと、Nb、P、B、Si、Ge、TiおよびZrよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む酸化物、より具体的には、LiNbOなどのNb含有酸化物、LiPO、LiBO、LiSiO、LiGeO、LiTiO、LiZrO、LiWOなどが挙げられる。反応抑制層は、これらの酸化物のうちの1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよく、さらに、これらの酸化物のうちの複数種が複合化合物を形成していてもよい。これらの酸化物の中でも、Nb含有酸化物を使用することが好ましく、LiNbOを使用することがより好ましい。 The reaction suppressing layer may be made of a material having ionic conductivity and capable of suppressing the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. As the material that can form the reaction suppression layer, for example, an oxide containing Li and at least one element selected from the group consisting of Nb, P, B, Si, Ge, Ti and Zr, more specifically. Examples include Nb-containing oxides such as LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , LiTIO 3 , LiZrO 3 , Li 2 WO 4 . The reaction suppression layer may contain only one of these oxides, or may contain two or more of these oxides, and a plurality of these oxides may be a composite compound. May be formed. Among these oxides, it is preferable to use an Nb - containing oxide, and it is more preferable to use LiNbO3.

反応抑制層は、正極活物質:100質量部に対して0.1~1.0質量部で表面に存在することが好ましい。この範囲であれば正極活物質と固体電解質との反応を良好に抑制することができる。 The reaction suppressing layer is preferably present on the surface in an amount of 0.1 to 1.0 part by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. Within this range, the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte can be satisfactorily suppressed.

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

なお、正極合剤の成形体が、二次粒子として存在する正極活物質も含有する場合には、この二次粒子として存在する正極活物質(二次粒子を構成している正極活物質の一次粒子)も、前記の反応抑制層を有していることが好ましい。 When the molded body of the positive electrode mixture also contains the positive electrode active material existing as the secondary particles, the positive electrode active material existing as the secondary particles (the primary of the positive electrode active material constituting the secondary particles). The particles) also preferably have the above-mentioned reaction suppressing layer.

正極合剤における正極活物質の含有量は、60~95質量%であることが好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 60 to 95% by mass.

正極合剤の成形体に含有させる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有していれば特に限定されず、例えば、硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが使用できる。 The solid electrolyte contained in the molded body of the positive electrode mixture is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity, and for example, a sulfide-based solid electrolyte, a hydride-based solid electrolyte, a halide-based solid electrolyte, and oxidation. Physical solid electrolytes can be used.

硫化物系固体電解質としては、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、Liイオン伝導性が高いものとして注目されているthio-LISICON型のもの〔Li10GeP12、Li9.54Si1.741.4411.7Cl0.3などの、Li12-12a-b+c+6d-e 3+a-b-c-d 12-e(ただし、MはSi、GeまたはSn、MはPまたはV、MはAl、Ga、YまたはSb、MはZn、Ca、またはBa、MはSまたはSおよびOのいずれかであり、XはF、Cl、BrまたはI、0≦a<3、0≦b+c+d≦3、0≦e≦3〕や、アルジロダイト型のもの〔LiPSClなどの、Li7-f+gPS6-xClx+y(ただし、0.05≦f≦0.9、-3.0f+1.8≦g≦-3.0f+5.7)で表されるもの、Li7-hPS6-hClBr(ただし、h=i+j、0<h≦1.8、0.1≦i/j≦10.0)で表されるものなど〕も使用することができる。 Examples of the sulfide-based solid electrolyte include particles such as Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 SP 2 S 5 -GeS 2 , and Li 2 SB 2 S 3 glass. In addition to these, the thio-LISION type, which has been attracting attention as having high Li ion conductivity in recent years [Li 10 GeP 2 S 12 , Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0 .3 , etc., Li 12-12ab + c + 6d-e M 1 3 + ab-c-d M 2 b M 3 c M 4 d M 5 12-e X e (where M 1 is Si, Ge or Sn, M 2 is P or V, M 3 is Al, Ga, Y or Sb, M 4 is Zn, Ca or Ba, M 5 is S or S and O, and X is F, Cl, Br or Li 7-f + g PS 6 - x Cl x + y (however, 0. 05 ≤ f ≤ 0.9, -3.0 f + 1.8 ≤ g ≤ -3.0 f + 5.7), Li 7-h PS 6-h Cl i Br j (however, h = i + j, 0) <The one represented by h≤1.8, 0.1≤i / j≤10.0, etc.] can also be used.

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

ハロゲン化物系固体電解質としては、例えば、単斜晶型のLiAlCl、欠陥スピネル型または層状構造のLiInBr、単斜晶型のLi6-3m(ただし、0<m<2かつX=ClまたはBr)などが挙げられ、その他にも例えば国際公開第2020/070958や国際公開第2020/070955に記載の公知のものを使用することができる。 Examples of the halide-based solid electrolyte include monoclinic type LiAlCl 4 , defective spinel type or layered structure LiInBr 4 , and monoclinic type Li 6-3m Ym X 6 (however, 0 < m <2 and 0 <m <2). X = Cl or Br) and the like, and other known substances as described in, for example, International Publication No. 2020/070958 and International Publication No. 2020/070955 can be used.

酸化物系固体電解質としては、例えば、ガーネット型のLiLaZr12、NASICON型のLi1+OAl1+OTi2-O(PO、Li1+pAl1+pGe2-p(PO、ペロブスカイト型のLi3qLa2/3-qTiOなどが挙げられる。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , NASICON-type Li 1 + O Al 1 + O Ti 2-O (PO 4 ) 3 , Li 1 + p Al 1 + p Ge 2-p (PO 4 ). ) 3 , Perobskite type Li 3q La 2 / 3-q TiO 3 and the like can be mentioned.

これらの固体電解質の中でも、リチウムイオン伝導性が高いことから、硫化物系固体電解質が好ましく、LiおよびPを含む硫化物系固体電解質がより好ましく、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型の硫化物系固体電解質がさらに好ましい。 Among these solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes are preferable because they have high lithium ion conductivity, sulfide-based solid electrolytes containing Li and P are more preferable, and lithium ion conductivity is particularly high and chemically stable. A argylodite-type sulfide-based solid electrolyte having high properties is more preferable.

正極合剤における固体電解質の含有量は、4~40質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is preferably 4 to 40% by mass.

正極合剤の成形体が含有する固体電解質の平均粒子径をrs(μm)とし、正極合剤の成形体が含有する一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径をra(μm)としたとき、rsに対するraの比ra/rsは、2以上20以下である。ra/rsの値が前記の範囲内にある場合には、正極合剤の成形体内における正極活物質と固体電解質との接触が良好になって、これらの間でイオンがスムーズに移動できるようになるため、全固体電池用正極の抵抗値を低減でき、この正極が使用される全固体電池(本発明の全固体電池)の負荷特性を高めることができる。ra/rsの値は、5以上であることがより好ましく、また、15以下であることがより好ましい。 When the average particle size of the solid electrolyte contained in the molded body of the positive electrode mixture is rs (μm), and the average particle size of the positive electrode active material composed of the primary particles contained in the molded body of the positive electrode mixture is ra (μm). , The ratio of ra to rs, ra / rs, is 2 or more and 20 or less. When the value of ra / rs is within the above range, the contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte in the molded body of the positive electrode mixture becomes good, and the ions can move smoothly between them. Therefore, the resistance value of the positive electrode for an all-solid-state battery can be reduced, and the load characteristics of the all-solid-state battery (all-solid-state battery of the present invention) in which this positive electrode is used can be enhanced. The value of ra / rs is more preferably 5 or more, and more preferably 15 or less.

固体電解質の平均粒子径は、0.4μm以上であることが好ましく、また、2.5μm以下であることが好ましい。 The average particle size of the solid electrolyte is preferably 0.4 μm or more, and preferably 2.5 μm or less.

さらに、一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径は、2μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、また、30μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。 Further, the average particle size of the positive electrode active material composed of primary particles is preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, preferably 30 μm or less, and more preferably 10 μm or less. ..

なお、正極合剤の成形体が二次粒子の状態で存在する正極活物質を含有する場合、その二次粒子の平均粒子径は、一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径と同等程度であることが好ましい。 When the molded body of the positive electrode mixture contains a positive electrode active material existing in the state of secondary particles, the average particle size of the secondary particles is about the same as the average particle size of the positive electrode active material composed of primary particles. It is preferable to have.

本明細書でいう各種粒子(正極活物質、固体電解質など)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 various particles (positive electrode active material, solid electrolyte, etc.) referred to in the present specification is determined by 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 (D 50 ) of the 50% diameter in the integrated fraction of the volume standard when the integrated volume is obtained from.

なお、正極活物質や固体電解質の平均粒子径は、正極合剤の成形体の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、特定数(例えば30個)の正極活物質や固体電解質のそれぞれについて、SEMのスケールを用いて測定される粒子径の、全ての値の平均値(数平均値)としても求めることができる。そして、この方法によって求められる正極活物質の平均粒子径および固体電解質の平均粒子径が、前記の粒度分布測定装置を用いて求められる正極活物質の平均粒子径および固体電解質の平均粒子径と、ほぼ同等であることを本発明者らは確認している。 For the average particle size of the positive electrode active material and the solid electrolyte, observe the surface of the molded body of the positive electrode mixture with a scanning electron microscope (SEM), and observe a specific number (for example, 30) of the positive electrode active material and the solid electrolyte, respectively. Can also be obtained as the average value (number average value) of all the values of the particle size measured using the SEM scale. Then, the average particle size of the positive electrode active material and the average particle size of the solid electrolyte obtained by this method are the average particle size of the positive electrode active material and the average particle size of the solid electrolyte obtained by using the particle size distribution measuring device. The present inventors have confirmed that they are almost equivalent.

正極合剤の成形体には、導電助剤を含有させることができる。その具体例としては、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が挙げられる。なお、例えば正極活物質にAgSを用いる場合には放電反応の際に導電性のあるAgが生成するため、導電助剤は含有させなくてもよい。正極合剤の成形体に導電助剤を含有させる場合には、正極合剤における含有量は、1~10質量%であることが好ましい。 A conductive auxiliary agent can be contained in the molded product of the positive electrode mixture. Specific examples thereof include carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. For example, when Ag 2S is used as the positive electrode active material, a conductive Ag is generated during the discharge reaction, so that the conductive auxiliary agent may not be contained. When the conductive auxiliary agent is contained in the molded product of the positive electrode mixture, the content in the positive electrode mixture is preferably 1 to 10% by mass.

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

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

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

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

また、前記の正極合剤と溶媒とを混合して正極合剤含有組成物を調製し、これを集電体や正極と対向させる固体電解質層(固体電解質電池を形成する場合)といった基材上に塗布し、乾燥した後にプレス処理を行うことで、正極合剤の成形体を形成してもよい。 Further, the above-mentioned positive electrode mixture and the solvent are mixed to prepare a positive electrode mixture-containing composition, which is placed on a substrate such as a current collector or a solid electrolyte layer (in the case of forming a solid electrolyte battery) facing the positive electrode. A molded body of the positive electrode mixture may be formed by applying the mixture to the above-mentioned material, drying the mixture, and then performing a pressing process.

正極合剤含有組成物の溶媒には、水やN-メチル-2-ピロリドン(NMP)などの有機溶媒を使用することができる。なお、正極合剤含有組成物に固体電解質も含有させる場合の溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが好ましい。特に、硫化物系固体電解質や水素化物系固体電解質は、微少量の水分によって化学反応を起こすため、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、デカリン、トルエン、キシレンなどの炭化水素溶媒に代表される非極性非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。特に、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することがより好ましい。また、三井・デュポンフロロケミカル社製の「バートレル(登録商標)」、日本ゼオン社製の「ゼオローラ(登録商標)」、住友3M社製の「ノベック(登録商標)」などのフッ素系溶媒、並びに、ジクロロメタン、ジエチルエーテルなどの非水系有機溶媒を使用することもできる。 As the solvent of the positive electrode mixture-containing composition, water or an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) can be used. When the solid electrolyte is also contained in the positive electrode mixture-containing composition, 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 aproton solvent. In particular, it is more preferable to use a super dehydrating 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, "Zeorolla (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.

正極合剤の成形体の厚み(集電体を有する電極の場合は、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、通常は50μm以上であるが、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。また、正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 positive electrode mixture (in the case of an 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 usually 50 μm or more. From the viewpoint of increasing the capacity of the battery, it is preferably 200 μm or more. The thickness of the molded product of the positive electrode mixture is usually 3000 μm or less.

なお、溶媒を含有する正極合剤含有組成物を用いて集電体上に正極合剤の成形体からなる正極合剤層を形成することで製造される正極の場合には、正極合剤層の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 In the case of a positive electrode manufactured by forming a positive electrode mixture layer made of a molded body of the positive electrode mixture on a current collector using a positive electrode mixture-containing composition containing a solvent, the positive electrode mixture layer is used. The thickness of the above is preferably 50 to 1000 μm.

<全固体電池>
本発明の全固体電池は、正極、負極、および正極と負極との間に介在する固体電解質層を有し、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 has 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.

(負極)
全固体電池の負極には、例えば、負極活物質および固体電解質などを含む負極合剤の成形体を有し、負極合剤の成形体のみからなるものや、負極合剤の成形体からなる層(負極合剤層)を集電体上に形成してなる構造のものなどを使用することができる。
(Negative electrode)
The negative electrode of the all-solid-state battery has, for example, a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and is composed of only a molded body of the negative electrode mixture or a layer made of a molded body of the negative electrode mixture. A structure having a (negative electrode mixture layer) formed on the current collector can be used.

全固体電池が一次電池の場合の負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金(リチウム-アルミニウム合金)などが挙げられる。 Examples of the negative electrode active material when the all-solid-state battery is a primary battery include metallic lithium and lithium alloys (lithium-aluminum alloys).

また、全固体電池が二次電池の場合の負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金(リチウム-アルミニウム合金)などのほか、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素、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、炭素繊維、活性炭などの炭素材料;Si、Snなどのリチウムとの合金化が可能な元素を含む合金;SiやSnの酸化物:などが挙げられる。 When the all-solid-state battery is a secondary battery, the negative electrode active material includes metallic lithium, lithium alloy (lithium-aluminum alloy), graphite, thermally decomposed carbons, cokes, glassy carbon, and organic polymers. Examples thereof include a calcined body of a compound, carbon materials such as mesocarbon microbeads, carbon fibers, and activated carbon; alloys containing elements that can be alloyed with lithium such as Si and Sn; and oxides of Si and Sn.

負極合剤における負極活物質の含有量は、40~95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 40 to 95% by mass.

負極合剤の成形体には固体電解質を含有させる。その具体例としては、正極合剤の成形体に含有させ得るものとして先に例示した固体電解質と同じものなどが挙げられる。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。 The molded body of the negative electrode mixture contains a solid electrolyte. Specific examples thereof include the same solid electrolytes as those exemplified above as those that can be contained in the molded body of 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 enhancing 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.

負極合剤の成形体には、導電助剤を含有させることができる。その具体例としては、正極合剤の成形体に含有させ得るものとして先に例示した導電助剤と同じものなどが挙げられる。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。 A conductive auxiliary agent can be contained in the molded product of the negative electrode mixture. Specific examples thereof include the same conductive auxiliaries as those exemplified above as those that can be contained in the molded body of the positive electrode mixture. The content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture is preferably 1 to 10% by mass.

また、負極合剤の成形体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の成形体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、負極合剤の成形体においては、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負極合剤における含有量を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。 Further, the resin binder may or may not be contained in the molded body of the negative electrode mixture. 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 molded body of the negative electrode mixture, it is desirable that the amount thereof is as small as possible. Therefore, it is preferable that the molded body of the negative electrode mixture does not contain a resin binder, or if it does, the content of the negative electrode mixture 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).

負極合剤の成形体を有する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 having the molded body of the negative electrode mixture, copper or nickel foil, punching metal, net, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; etc. may be used as the current collector. can.

負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤や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。負極合剤の成形体のみで構成される負極の場合は、前記の方法により製造することができる。 The molded body of the negative electrode mixture is, for example, a negative electrode mixture prepared by mixing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and a conductive additive or a binder added as needed, and compressed by pressure molding or the like. It can be formed by. In the case of a negative electrode composed of only a molded body of a negative electrode mixture, it can be manufactured by the above method.

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 it to the current collector.

また、集電体を有する負極の場合、負極活物質および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤やバインダなどを溶媒に分散させた負極合剤含有組成物(ペースト、スラリーなど)を、集電体に塗布し、乾燥した後、必要に応じてカレンダ処理などの加圧成形をして、集電体の表面に負極合剤の成形体(負極合剤層)を形成する方法によっても、製造することができる。 Further, in the case of a negative electrode having a current collector, a negative electrode mixture-containing composition (paste, slurry, etc.) in which a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent or a binder added as needed are dispersed in a solvent. ) Is applied to the current collector, dried, and then subjected to pressure molding such as calendering if necessary to form a negative electrode mixture molded body (negative electrode mixture layer) on the surface of the current collector. It can also be manufactured by a method.

負極合剤含有組成物の溶媒には、水やNMPなどの有機溶媒を使用することができるが、負極合剤含有組成物に固体電解質も含有させる場合の溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、固体電解質を含有する正極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種の溶媒と同じものを使用することが好ましい。 An organic solvent such as water or NMP can be used as the solvent of the composition containing the negative electrode mixture, but the solvent when the solid electrolyte is also contained in the composition containing the negative electrode mixture does not easily deteriorate the solid electrolyte. It is desirable to select the above, and it is preferable to use the same solvent as the various solvents exemplified above as the solvent for the positive mixture-containing composition containing the solid electrolyte.

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負極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、通常は50μm以上であるが、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。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 negative electrode mixture per one side of the current collector; the same applies hereinafter) is usually 50 μm or more. From the viewpoint of increasing the capacity of the battery, it is preferably 200 μm or more. The thickness of the molded product of the negative electrode mixture is usually 3000 μm or less.

なお、溶媒を含有する負極合剤含有組成物を用いて集電体上に負極合剤の成形体からなる負極合剤層を形成することで製造される負極の場合には、負極合剤層の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 In the case of a negative electrode manufactured by forming a negative electrode mixture layer composed of a molded body of the negative electrode mixture on a current collector using a negative electrode mixture-containing composition containing a solvent, the negative electrode mixture layer The thickness of the above is preferably 50 to 1000 μm.

また、負極には、負極活物質となる金属箔などをそのまま用いたものや、負極活物質となる金属箔と集電体とを積層した構造のものなどを使用することもできる。 Further, as the negative electrode, a metal foil or the like as a negative electrode active material may be used as it is, or a structure in which a metal foil as a negative electrode active material and a current collector are laminated may be used.

負極活物質と集電体とを積層した構造の負極の場合、例えば前記金属箔と集電体とを圧着するなどして貼り合せて得ることができる。この場合の集電体には、負極合剤の成形体を有する負極に使用可能な集電体として先に例示したものと同じものを用いることができる。 In the case of a negative electrode having a structure in which a negative electrode active material and a current collector are laminated, it can be obtained by bonding the metal foil and the current collector together, for example. As the current collector in this case, the same current collector as that exemplified above can be used as the current collector that can be used for the negative electrode having the molded body of the negative electrode mixture.

負極活物質となる金属箔を有する負極の場合、負極活物質としては、金属リチウムやリチウム合金が挙げられる。リチウム合金に係る合金元素としては、アルミニウム、鉛、ビスマス、インジウム、ガリウムなどが挙げられるが、アルミニウムやインジウムが好ましい。リチウム合金における合金元素の割合(合金元素を複数種含む場合は、それらの合計割合)は、50原子%以下であることが好ましい(この場合、残部はリチウムおよび不可避不純物である)。 In the case of a negative electrode having a metal foil as a negative electrode active material, examples of the negative electrode active material include metallic lithium and lithium alloys. Examples of the alloying element related to the lithium alloy include aluminum, lead, bismuth, indium, gallium and the like, but aluminum and indium are preferable. The ratio of alloying elements in the lithium alloy (when a plurality of alloying elements are contained, the total ratio thereof) is preferably 50 atomic% or less (in this case, the balance is lithium and unavoidable impurities).

リチウム合金箔を有する負極の場合、金属リチウム箔などで構成されるリチウム層(リチウムを含む層)の表面にリチウム合金を形成するための合金元素を含む層を圧着するなどして積層した積層体を使用し、この積層体を電池内で固体電解質と接触させることで、前記リチウム層の表面にリチウム合金を形成させて負極とすることもできる。このような負極の場合、リチウム層の片面のみに合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよく、リチウム層の両面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよい。前記積層体は、例えば、金属リチウム箔と合金元素で構成された箔とを圧着することで形成することができる。 In the case of a negative electrode having a lithium alloy foil, a laminated body laminated by crimping a layer containing an alloy element for forming a lithium alloy on the surface of a lithium layer (a layer containing lithium) composed of a metallic lithium foil or the like. It is also possible to form a lithium alloy on the surface of the lithium layer to form a negative electrode by contacting the laminate with a solid electrolyte in the battery. In the case of such a negative electrode, a laminate having a layer containing an alloy element on only one side of the lithium layer may be used, or a laminate having a layer containing an alloy element on both sides of the lithium layer may be used. The laminate can be formed, for example, by pressure-bonding a metallic lithium foil and a foil composed of an alloying element.

また、電池内でリチウム合金を形成して負極とする場合にも集電体を使用することができ、例えば、負極集電体の片面にリチウム層を有し、かつリチウム層の負極集電体とは反対側の面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよく、負極集電体の両面にリチウム層を有し、かつ各リチウム層の負極集電体とは反対側の面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよい。負極集電体とリチウム層(金属リチウム箔)とは、圧着などにより積層すればよい。 A current collector can also be used when a lithium alloy is formed in a battery to form a negative electrode. For example, a negative electrode current collector having a lithium layer on one side of the negative electrode current collector and having a lithium layer. A laminate having a layer containing an alloying element on the surface opposite to the above may be used, the surface opposite to the negative electrode current collector of each lithium layer having lithium layers on both sides of the negative electrode current collector. A laminate having a layer containing an alloying element may be used. The negative electrode current collector and the lithium layer (metal lithium foil) may be laminated by pressure bonding or the like.

負極とするための前記積層体に係る前記合金元素を含む層には、例えば、これらの合金元素で構成された箔などが使用できる。前記合金元素を含む層の厚みは、1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましく、20μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましい。 For the layer containing the alloying elements related to the laminated body for forming a negative electrode, for example, a foil composed of these alloying elements can be used. The thickness of the layer containing the alloying element is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, preferably 20 μm or less, and even more preferably 12 μm or less.

負極とするための前記積層体に係るリチウム層には、例えば、金属リチウム箔などを用いることができる。リチウム層の厚みは、0.1~1.5mmであることが好ましい。また、金属リチウム箔またはリチウム合金箔を有する負極に係る前記箔の厚みも、0.1~1.5mmであることが好ましい。 For example, a metallic lithium foil or the like can be used for the lithium layer related to the laminated body used as the negative electrode. The thickness of the lithium layer is preferably 0.1 to 1.5 mm. Further, the thickness of the foil relating to the negative electrode having the metallic lithium foil or the lithium alloy foil is also preferably 0.1 to 1.5 mm.

(固体電解質層)
全固体電池の固体電解質層を構成する固体電解質には、正極に使用し得るものとして先に例示した各種の硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質および酸化物系固体電解質のうちの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望ましく、アルジロダイト型の硫化物系固体電解質を含有させることがより望ましい。そして、正極および固体電解質層の両者、並びに負極が固体電解質を含有する負極合剤の成形体である場合には負極にも、硫化物系固体電解質を含有させることがさらに望ましく、アルジロダイト型の硫化物系固体電解質を含有させることが特に望ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolytes constituting the solid electrolyte layer of the all-solid battery include various sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, halide-based solid electrolytes, and oxide-based solids exemplified above as those that can be used for the positive electrode. One or more of the electrolytes can be used. However, in order to improve the battery characteristics, it is desirable to contain a sulfide-based solid electrolyte, and it is more desirable to contain an algyrodite-type sulfide-based solid electrolyte. Further, it is more desirable that both the positive electrode and the solid electrolyte layer, and when the negative electrode is a molded body of a negative electrode mixture containing a solid electrolyte, the negative electrode also contains a sulfide-based solid electrolyte, and argylodite-type sulfide. It is particularly desirable to contain a physical solid electrolyte.

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

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

固体電解質層形成用組成物に使用する溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、固体電解質を含有する正極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種の溶媒と同じものを使用することが好ましい。 It is desirable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte as the solvent used for the composition for forming the solid electrolyte layer, and the various solvents exemplified above as the solvent for the composition containing the positive electrode mixture containing the solid electrolyte. It is preferable to use the same one.

固体電解質層の厚みは、100~400μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100 to 400 μm.

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

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

(電池の形態)
本発明の全固体電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す全固体電池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、本発明の全固体電池用正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
(Battery form)
FIG. 1 shows a cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid-state battery of the present invention. The all-solid-state battery 1 shown in FIG. 1 has a positive electrode 10 for an all-solid-state battery and a negative electrode of the present invention in an outer body formed of an outer can 40, a sealing can 50, and a resin gasket 60 interposed between them. 20 and the solid electrolyte layer 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are 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 the 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 closed 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。さらに、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 use of the battery, tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), etc. can be used. Heat resistance of fluororesin, polyphenylene ether (PEE), polysulphon (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulphon (PES), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), etc. with a melting point of more than 240 ° C. Resin can also be used. Further, if the battery is applied to applications requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.

また、図2および図3に、本発明の全固体電池の他の例を模式的に表す図面を示す。図2は全固体電池の平面図であり、図3は図2のI-I線断面図である。 In addition, FIGS. 2 and 3 show drawings schematically showing other examples of the all-solid-state battery of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the all-solid-state battery, and FIG. 3 is a sectional view taken along line I-I of FIG.

図2および図3に示す全固体電池100は、2枚の金属ラミネートフィルムで構成したラミネートフィルム外装体500内に、本発明の全固体電池用正極、固体電解質層および負極からなる電極体200を収容しており、ラミネートフィルム外装体500は、その外周部において、上下の金属ラミネートフィルムを熱融着することにより封止されている。なお、図3では、図面が煩雑になることを避けるために、ラミネートフィルム外装体500を構成している各層や、電極体を構成している正極、負極およびセパレータを区別して示していない。 The all-solid-state battery 100 shown in FIGS. 2 and 3 has an electrode body 200 composed of a positive electrode for an all-solid-state battery, a solid electrolyte layer, and a negative electrode of the present invention in a laminate film exterior body 500 composed of two metal laminate films. The laminated film exterior body 500 is housed, and is sealed by heat-sealing the upper and lower metal laminated films at the outer peripheral portion thereof. In addition, in FIG. 3, in order to avoid complicating the drawings, each layer constituting the laminated film exterior body 500, and the positive electrode, the negative electrode, and the separator constituting the electrode body are not shown separately.

電極体200の有する正極は、電池100内で正極外部端子300と接続しており、また、図示していないが、電極体200の有する負極も、電池100内で負極外部端子400と接続している。そして、正極外部端子300および負極外部端子400は、外部の機器などと接続可能なように、片端側をラミネートフィルム外装体500の外側に引き出されている。 The positive electrode of the electrode body 200 is connected to the positive electrode external terminal 300 in the battery 100, and although not shown, the negative electrode of the electrode body 200 is also connected to the negative electrode external terminal 400 in the battery 100. There is. The positive electrode external terminal 300 and the negative electrode external terminal 400 are drawn out on one end side to the outside of the laminated film exterior body 500 so that they can be connected to an external device or the like.

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や、図2および図3に示すような、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以外にも、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。 The form of the all-solid-state battery is as shown in FIG. 1, which has an outer body composed of an outer can, a sealing can, and a gasket, that is, a form generally called a coin-shaped battery or a button-shaped battery. , As shown in FIGS. 2 and 3, in addition to those having an exterior body made of a resin film or a metal-resin laminated film, a metal bottomed tubular (cylindrical or square tubular) exterior can. And may have an exterior body having a sealing structure for sealing the opening.

本発明の全固体電池は、従来から知られている一次電池や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。また、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 primary batteries and secondary batteries, but has excellent heat resistance because it has a solid electrolyte instead of an organic electrolyte. It can be preferably used for applications that are exposed to high temperatures. Further, 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
<正極の作製>
平均粒子径raが5μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(正極活物質)と、平均粒子径rsが0.6μm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、アセチレンブラック(導電助剤)とを、65:32:3の質量比で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。次に、前記正極合剤:75mgを直径:7.5mmの粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行い、円柱形状の正極合剤成形体よりなる正極を作製した。なお、LiCo0.98Al0.01Mg0.01の表面のLiNbOからなる層の量は、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部であった。
Example 1
<Manufacturing of positive electrode>
Primary particles (positive electrode active material) of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 5 μm and a layer composed of LiNbO 3 on the surface, and algyrodite having an average particle diameter rs of 0.6 μm. A sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) having a mold structure and acetylene black (conductive auxiliary agent) were mixed at a mass ratio of 65:32: 3 and kneaded well to prepare a positive electrode mixture. .. Next, the positive electrode mixture: 75 mg was placed in a powder molding die having a diameter of 7.5 mm, and pressure molding was performed using a press machine to prepare a positive electrode made of a cylindrical positive electrode mixture molded body. The amount of the layer consisting of LiNbO 3 on the surface of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 is 1 with respect to 100 parts by mass of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : It was a mass part.

<固体電解質層の形成>
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、正極の作製に用いたものと同じ硫化物系固体電解質:9.6mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成して、正極と固体電解質層との積層体を得た。
<Formation of solid electrolyte layer>
Next, the same sulfide-based solid electrolyte as that used for producing the positive electrode: 9.6 mg was put onto the positive electrode mixture molded body in the powder molding mold, and pressure molding was performed using a press machine. A solid electrolyte layer was formed on the positive electrode mixture molded body to obtain a laminated body of the positive electrode and the solid electrolyte layer.

<負極の作製>
負極として、金属Li箔および金属In箔を円柱形状に成形して重ねたものを使用した。
<Manufacturing of negative electrode>
As the negative electrode, a metal Li foil and a metal In foil formed into a cylindrical shape and stacked were used.

<電池の組み立て>
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、金属In箔側を封口缶の内面側にして負極を配置した。次に、正極と固体電解質層との積層体を、固体電解質層が負極側となるように重ねてから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カシメて封止することにより、正極、固体電解質層および負極からなる積層電極体を形成しつつ、直径約9mmの全固体電池を作製した。
<Battery assembly>
A negative electrode was placed on the inner bottom surface of a stainless steel sealing can fitted with a polypropylene annular gasket with the metal In foil side facing the inner surface side of the sealing can. Next, the laminated body of the positive electrode and the solid electrolyte layer is laminated so that the solid electrolyte layer is on the negative electrode side, and then the outer can made of stainless steel is covered, and then the open end of the outer can is caulked inward. By sealing, an all-solid-state battery having a diameter of about 9 mm was produced while forming a laminated electrode body composed of a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode.

実施例2
正極活物質を、平均粒子径raが2μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが0.9μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 2
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 2 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass), and the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl with an average particle diameter rs of 0.9 μm. Except for the above, a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1, and an 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
固体電解質を、平均粒子径rsが0.4μmのLiPSClに変更した以外は、実施例2と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 3
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 2 except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle diameter rs of 0.4 μm, except that this positive electrode was used. An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1.

実施例4
正極活物質を、平均粒子径raが27μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが2μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 4
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 27 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass for 100 parts by mass), and the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl with an average particle diameter rs of 2 μm. A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1, and an 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
正極活物質を、平均粒子径raが8μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例3と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 5
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 8 μm and a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface is A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 3 except that it was changed to LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass). An 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
正極活物質を、平均粒子径raが1μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 1
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 1 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1 except that it was changed to LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass). An 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
正極活物質を、平均粒子径raが50μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 2
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 50 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1 except that it was changed to LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass). An 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
固体電解質を、平均粒子径rsが0.2μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 3
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle diameter rs of 0.2 μm, except that this positive electrode was used. An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1.

比較例4
固体電解質を、平均粒子径rsが3μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 4
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle diameter rs of 3 μm. An all-solid-state battery was produced in the same manner as in 1.

比較例5
正極活物質を、平均粒子径raが0.3μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが0.3μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 5
The positive electrode active material is a primary particle of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 0.3 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). However, the solid electrolyte was changed to LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass), and the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl with an average particle diameter rs of 0.3 μm. A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1 except for the modification, and an all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

比較例6
正極活物質を、平均粒子径raが30μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが20μmのLiPSClに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 6
The positive electrode active material is composed of primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 30 μm and a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface is LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass), and the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl with an average particle diameter rs of 20 μm. A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1, and an all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

比較例7
正極活物質を、平均粒子径raが5μmのLiCo0.98Al0.01Mg0.01の一次粒子(表面にLiNbOからなる層を持たないもの)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 7
Examples except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter ra of 5 μm (one having no layer composed of LiNbO 3 on the surface). A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in No. 1, and an all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this positive electrode was used.

比較例8
正極活物質を、平均粒子径が5μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01の二次粒子(表面のLiNbOからなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 8
The positive electrode active material is composed of secondary particles of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 having an average particle diameter of 5 μm and having a layer composed of LiNbO 3 on the surface (the amount of the layer composed of LiNbO 3 on the surface). A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was produced in the same manner as in Example 1 except that it was changed to LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 : 1 part by mass with respect to 100 parts by mass). An 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全固体電池について、下記の方法で負荷特性を評価した。 The load characteristics of the all-solid-state batteries of Examples and Comparative Examples were evaluated by the following methods.

実施例および比較例の各全固体電池について、0.5Cの電流値で電圧が4.0Vになるまで定電流充電し、続いて電流値が0.02Cになるまで定電圧充電を行った後に0.05Cの電流値で電圧が2.6Vになるまで放電させて、初期容量を測定した。 After constant current charging of each of the all-solid-state batteries of Examples and Comparative Examples at a current value of 0.5 C until the voltage reaches 4.0 V, and then constant voltage charging until the current value reaches 0.02 C. The initial capacitance was measured by discharging at a current value of 0.05 C until the voltage reached 2.6 V.

初期特性評価後の各電池について、放電時の電流値を0.5Cに変更した以外は、初期容量測定時と同じ条件で充電し放電させて0.5C放電容量を測定した。そして、各電池の0.5C放電容量を初期容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、各電池の負荷特性を評価した。 After the initial characteristic evaluation, each battery was charged and discharged under the same conditions as those at the time of initial capacity measurement except that the current value at the time of discharge was changed to 0.5C, and the discharge capacity of 0.5C was measured. Then, the value obtained by dividing the 0.5C discharge capacity of each battery by the initial capacity was expressed as a percentage to obtain the capacity retention rate, and the load characteristics of each battery were evaluated.

これらの結果を、正極における正極活物質および固体電解質の構成と併せて表1に示す。なお、比較例8における正極活物質の平均粒子径は二次粒子の値であるが、表1では、その値を「ra」の欄に記載し、固体電解質の平均粒子径に対する、この二次粒子の平均粒子径の比を「ra/rs」の欄に記載する。 These results are shown in Table 1 together with the composition of the positive electrode active material and the solid electrolyte in the positive electrode. The average particle size of the positive electrode active material in Comparative Example 8 is the value of the secondary particles. In Table 1, the value is described in the column of “ra”, and this value is described in the column of “ra”, and this secondary is relative to the average particle size of the solid electrolyte. The ratio of the average particle size of the particles is described in the column of "ra / rs".

Figure 2022083502000002
Figure 2022083502000002

表1に示す通り、表面に反応抑制層を有する一次粒子からなる正極活物質を使用し、前記正極活物質の平均粒子径raと固体電解質の平均粒子径rsとの比ra/rsを適切な値とした正極合剤成形体からなる正極を有する実施例1~5の全固体電池は、負荷特性評価時の容量維持率が高く、優れた負荷特性を有していた。 As shown in Table 1, a positive electrode active material composed of primary particles having a reaction suppression layer on the surface is used, and the ratio ra / rs of the average particle size ra of the positive electrode active material and the average particle size rs of the solid electrolyte is appropriate. The all-solid-state batteries of Examples 1 to 5 having a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body as a value had a high capacity retention rate at the time of load characteristic evaluation and had excellent load characteristics.

これに対し、正極活物質と固体電解質とをra/rsの値が不適となるように組み合わせた正極合剤成形体からなる正極を有する比較例1~6の電池、反応抑制層を表面に持たない正極活物質を使用した正極合剤成形体からなる正極を有する比較例7の電池、および二次粒子で存在する正極活物質を使用した正極合剤成形体からなる正極を有する比較例8の電池は、実施例の電池に比べて負荷特性評価時の容量維持率が低く、負荷特性が劣っていた。 On the other hand, the batteries of Comparative Examples 1 to 6 having a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body in which a positive electrode active material and a solid electrolyte are combined so that the value of ra / rs is unsuitable, and a reaction suppressing layer are provided on the surface. A battery of Comparative Example 7 having a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body using no positive electrode active material, and Comparative Example 8 having a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body using a positive electrode active material existing in secondary particles. The battery had a lower capacity retention rate at the time of load characteristic evaluation and was inferior in load characteristic as compared with the battery of the example.

1、100 全固体二次電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
200 電極体
300 正極外部端子
400 負極外部端子
500 ラミネートフィルム外装体
1,100 All-solid secondary battery 10 Positive electrode 20 Negative electrode 30 Solid electrolyte layer 40 Exterior can 50 Sealed can 60 Gasket 200 Electrode body 300 Positive electrode external terminal 400 Negative electrode external terminal 500 Laminate film exterior

Claims (6)

一次粒子からなる正極活物質、および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有し、
前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、
前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下であることを特徴とする全固体電池用正極。
It has a positive electrode active material composed of primary particles and a molded body of a positive electrode mixture containing a solid electrolyte.
The positive electrode active material has a reaction suppressing layer on the surface for suppressing the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte.
A positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the ratio ra / rs of the average particle diameter ra of the positive electrode active material to the average particle diameter rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less.
前記固体電解質の平均粒子径rsが、0.4~2.5μmである請求項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 average particle diameter rs of the solid electrolyte is 0.4 to 2.5 μm. 前記正極活物質の平均粒子径raが、2~30μm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 average particle size ra of the positive electrode active material is 2 to 30 μm. 前記反応抑制層は、Nb酸化物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, wherein the reaction suppressing layer contains an Nb oxide. 前記正極活物質として、下記一般式(1)
LiCo1-a-b-cAl (1)
〔前記一般式(1)中、Mは、Mg、NiおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素、Mは、Mn、Fe、Cu、Zr、Ti、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Ba、Nb、Si、Zn、Mo、V、Sn、Sb、Ta、Ge、Cr、K、SおよびEr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<a<0.1、0<b<0.1、a+b<0.1、0≦cである〕で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)を含有する請求項1~4のいずれかに記載の全固体電池用正極。
As the positive electrode active material, the following general formula (1)
LiCo 1-ab-c Al a M 1 b M 2 c O 2 (1)
[In the general formula (1), M 1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ni and Na, and M 2 is Mn, Fe, Cu, Zr, Ti, Bi, Ca and F. , P, Sr, W, Ba, Nb, Si, Zn, Mo, V, Sn, Sb, Ta, Ge, Cr, K, S and Er, at least one element selected from the group consisting of 0. Any of claims 1 to 4 containing the lithium cobalt composite oxide (A) represented by <a <0.1, 0 <b <0.1, a + b <0.1, 0 ≦ c]. The positive electrode for all-solid-state batteries described in.
正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有する全固体電池であって、
前記正極として、請求項1~5のいずれかに記載の全固体電池用正極を有す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 comprising the positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 5 as the positive electrode.
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