JP2022092896A - Lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP2022092896A
JP2022092896A JP2020205877A JP2020205877A JP2022092896A JP 2022092896 A JP2022092896 A JP 2022092896A JP 2020205877 A JP2020205877 A JP 2020205877A JP 2020205877 A JP2020205877 A JP 2020205877A JP 2022092896 A JP2022092896 A JP 2022092896A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid electrolyte
lithium ion
lithium
negative electrode
secondary battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020205877A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
和宙 吉野
Kazuhiro Yoshino
晴美 高田
Harumi Takada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Renault SAS
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS, Nissan Motor Co Ltd filed Critical Renault SAS
Priority to JP2020205877A priority Critical patent/JP2022092896A/en
Publication of JP2022092896A publication Critical patent/JP2022092896A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

To provide means capable of improving charge/discharge rate characteristics in a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.SOLUTION: A lithium secondary battery includes a power generation element including: a positive electrode; a negative electrode; and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and having a first lithium ion conductive solid electrolyte. Therein, the negative electrode includes a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body and a second lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of an inner surface of the porous body, and a porosity of the lithium ion/electron conductive structure is configured to be larger than a porosity of the solid electrolyte layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with global warming, it is urgently desired to reduce the amount of carbon dioxide. In the automobile industry, expectations are high for the reduction of carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and non-water batteries such as secondary batteries for driving motors, which hold the key to their practical application. The development of secondary electrolyte batteries is being actively carried out.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 The secondary battery for driving a motor is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in mobile phones, notebook computers and the like. Therefore, lithium-ion secondary batteries, which have the highest theoretical energy among all realistic batteries, are attracting attention and are currently being rapidly developed.

ここで、現在一般に普及しているリチウムイオン二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウムイオン二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Here, the lithium ion secondary battery currently widely used uses a flammable organic electrolytic solution as the electrolyte. In such a liquid-based lithium-ion secondary battery, safety measures against liquid leakage, short circuit, overcharge, etc. are required more strictly than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池等の全固体電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウムイオン二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。硫黄単体(S)や硫化物系材料からなる正極活物質や、硫黄を含有する固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池は、その有望な候補である。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid-state batteries such as all-solid-state lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes as the electrolyte have been actively carried out. The solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of ionic conduction in a solid. Therefore, in the all-solid-state lithium secondary battery, various problems caused by the flammable organic electrolytic solution do not occur in principle unlike the conventional liquid-based lithium ion secondary battery. Further, in general, when a high potential / large capacity positive electrode material and a large capacity negative electrode material are used, the output density and energy density of the battery can be significantly improved. A positive electrode active material made of sulfur alone (S) or a sulfide-based material, and an all-solid-state lithium secondary battery using a solid electrolyte containing sulfur are promising candidates.

ところで、リチウム二次電池においては、その充電の進行に伴って負極電位が低下する。負極電位が低下して0V(vs. Li/Li)を下回ると、負極において金属リチウムが析出してデンドライト(樹枝状)結晶が析出する(この現象を金属リチウムの電析とも称する)。金属リチウムの電析が発生すると、析出したデンドライトが電解質層を貫通することで電池の内部短絡が引き起こされるという問題がある。この内部短絡の問題は、電池のエネルギー密度の向上の観点から固体電解質層を薄膜化した場合に特に顕著に発現する。 By the way, in a lithium secondary battery, the negative electrode potential decreases as the charging progresses. When the negative electrode potential drops below 0 V (vs. Li / Li + ), metallic lithium precipitates at the negative electrode and dendrite (dendritic) crystals precipitate (this phenomenon is also referred to as electrodeposition of metallic lithium). When the electrodeposition of metallic lithium occurs, there is a problem that the deposited dendrite penetrates the electrolyte layer, which causes an internal short circuit of the battery. This problem of internal short circuit becomes particularly remarkable when the solid electrolyte layer is thinned from the viewpoint of improving the energy density of the battery.

このような金属リチウムの電析を防止することを目的として、例えば特許文献1には、リチウムイオン伝導性無機固体電解質を含む固体電解質層を有する二次電池において、負極活物質として粒状の金属リチウムとカーボンブラックとの混合体を使用し、これらの混合比を特定の範囲に制御する技術が開示されている。 For the purpose of preventing such electrodeposition of metallic lithium, for example, Patent Document 1 describes granular metallic lithium as a negative electrode active material in a secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte. Disclosed is a technique of using a mixture of and carbon black to control the mixing ratio of these to a specific range.

特開2009-218005号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-21005

本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の技術を用いて金属リチウムの電析を防止しようとすると、高い充放電レートでの充放電の際に十分な容量が取り出せない(すなわち、いわゆる充放電レート特性が十分ではない)という問題があることが判明した。このように充放電レート特性が不十分である二次電池は、急速充放電に対応して十分な容量を活用することができない。 According to the study by the present inventors, if an attempt is made to prevent the electrodeposition of metallic lithium by using the technique described in Patent Document 1, a sufficient capacity cannot be taken out during charging / discharging at a high charge / discharge rate (that is,). , So-called charge / discharge rate characteristics are not sufficient). As described above, the secondary battery having insufficient charge / discharge rate characteristics cannot utilize sufficient capacity for rapid charge / discharge.

そこで本発明は、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of improving charge / discharge rate characteristics in a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.

本発明の一形態によれば、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備えるリチウム二次電池が提供される。そして、当該リチウム二次電池においては、前記負極が、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい点に特徴がある。 According to one embodiment of the present invention, a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a power generation element interposed between the positive electrode and the negative electrode and having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte is provided. Provided. Then, in the lithium secondary battery, the negative electrode contains a porous body having conductivity and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of the inner surface of the porous body, and lithium ion / electron conduction. It is characterized in that it contains a sexual structure and the void ratio of the lithium ion / electron conductive structure is larger than the void ratio of the solid electrolyte layer.

本発明の他の形態もまた、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備えるリチウム二次電池に関するものである。当該形態に係るリチウム二次電池においては、前記負極が、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている点に特徴がある。 Another embodiment of the present invention also relates to a lithium secondary battery comprising a power generation element interposed between the positive electrode, the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode, and having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte. It is a thing. In the lithium secondary battery according to this embodiment, the negative electrode contains a lithium ion / electron containing a porous body having conductivity and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of the inner surface of the porous body. The void ratio of the lithium ion / electron conductive structure including the conductive structure is larger than the void ratio of the solid electrolyte layer, and metallic lithium is retained in the voids of the lithium ion / electron conductive structure. The feature is that it is done.

本発明に係るリチウム二次電池においては、導電性多孔体が固体電解質で被覆されてなるリチウムイオン/電子伝導性構造体の存在により、負極におけるリチウムイオンの伝導パスおよび電子の伝導パスがともに十分に確保される。その結果、本発明によれば、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることが可能となる。 In the lithium secondary battery according to the present invention, due to the presence of the lithium ion / electron conductive structure in which the conductive porous body is coated with the solid electrolyte, both the lithium ion conduction path and the electron conduction path in the negative electrode are sufficient. Is secured in. As a result, according to the present invention, it is possible to improve the charge / discharge rate characteristics in a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.

図1は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である扁平積層型電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated battery according to an embodiment of the all-solid-state battery according to the present invention. 図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line 2-2 shown in FIG. 図3は、図1および図2に示す積層型電池の発電要素を構成する単電池層の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a single battery layer constituting a power generation element of the laminated battery shown in FIGS. 1 and 2.

本発明の一形態(第1の形態)は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備え、前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい、リチウム二次電池である。第1の形態に係るリチウム二次電池が完全放電状態のとき、負極(具体的には、リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙)は金属リチウムを含まない。一方、第1の形態に係るリチウム二次電池が充電された状態のとき、負極は金属リチウムを含んでいる。 One embodiment (first embodiment) of the present invention is a power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a first lithium ion conductive solid electrolyte. The negative electrode comprises a lithium ion / electron conductive structure containing a porous body having conductivity and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body. It is a lithium secondary battery including, and the void ratio of the lithium ion / electron conductive structure is larger than the void ratio of the solid electrolyte layer. When the lithium secondary battery according to the first embodiment is in a completely discharged state, the negative electrode (specifically, the voids of the lithium ion / electron conductive structure) does not contain metallic lithium. On the other hand, when the lithium secondary battery according to the first embodiment is charged, the negative electrode contains metallic lithium.

本発明の他の形態(第2の形態)は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備え、前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている、リチウム二次電池である。つまり、第2の形態に係るリチウム二次電池は、充電された状態である。 Another embodiment (second embodiment) of the present invention is a power generation having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a first lithium ion conductive solid electrolyte. The negative electrode comprises a lithium ion / electron conductive structure comprising a porous body having conductivity and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body. The void ratio of the lithium ion / electron conductive structure is larger than the void ratio of the solid electrolyte layer, and metallic lithium is held in the voids of the lithium ion / electron conductive structure. It is a lithium secondary battery. That is, the lithium secondary battery according to the second embodiment is in a charged state.

以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present embodiment will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

図1は、本発明に係る二次電池の一実施形態である扁平積層型全固体電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でない全固体リチウム二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係る全固体電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated all-solid-state battery according to an embodiment of the secondary battery according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line 2-2 shown in FIG. By making it a laminated type, the battery can be made compact and has a high capacity. In this specification, the flat laminated type non-bipolar all-solid-state lithium secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “laminated type battery”) shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail. However, when viewed in terms of the electrical connection form (electrode structure) inside the all-solid-state battery according to this embodiment, it can be used for both non-bipolar type (internal parallel connection type) batteries and bipolar type (internal series connection type) batteries. It is applicable.

図2に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 2, the laminated battery 10a has a rectangular flat shape, and a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 for extracting electric power are pulled out from both sides thereof. There is. The power generation element 21 is wrapped with a battery exterior material (laminated film 29) of the laminated battery 10a, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 21 has a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 external to the power generation element 21. It is sealed in the state of being pulled out.

なお、本形態に係る全固体電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The all-solid-state battery according to this embodiment is not limited to a laminated flat battery. The winding type all-solid-state battery may have a cylindrical shape, or may be deformed into a rectangular flat shape by deforming such a cylindrical shape. There are no particular restrictions. In the case of the cylindrical shape, a laminated film may be used for the exterior material, or a conventional cylindrical can (metal can) may be used, and the present invention is not particularly limited. Preferably, the power generation element is housed inside a laminated film containing aluminum. By this form, weight reduction can be achieved.

また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1および図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウム二次電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the current collector plates (25, 27) shown in FIG. 1 is not particularly limited. The negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be pulled out from the same side, or the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to what is shown in FIGS. 1 and 2, such as good. Further, in the winding type lithium secondary battery, the terminal may be formed by using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the tab.

図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。本実施形態において、固体電解質層17は、硫化物固体電解質の1種であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(LiPSCl)を含んでいる。負極は、負極集電体11’の両面にリチウムイオン/電子伝導性構造体13が配置された構造を有する。ここで、リチウムイオン/電子伝導性構造体13は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質とを含んでいる(リチウムイオン/電子伝導性構造体13の詳細については後述する)。なお、積層型電池10aが完全放電状態のとき、負極には金属リチウムが存在しない。一方、積層型電池10aが充電されると、リチウムイオンが正極活物質層15から固体電解質層17を経て負極のリチウムイオン/電子伝導性構造体13に到達し、当該構造体13の空隙中に金属リチウムまたはリチウム含有合金として析出する。正極は、正極集電体11”の両面に正極活物質を含有する正極活物質層15が配置された構造を有する。具体的には、1つのリチウムイオン/電子伝導性構造体13とこれに隣接する正極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、負極、固体電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する負極、固体電解質層および正極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in FIG. 2, the laminated battery 10a of the present embodiment has a structure in which a flat, substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminated film 29 which is a battery exterior material. Has. Here, the power generation element 21 has a configuration in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are laminated. In the present embodiment, the solid electrolyte layer 17 contains an argylodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl), which is one of the sulfide solid electrolytes. The negative electrode has a structure in which the lithium ion / electron conductive structure 13 is arranged on both sides of the negative electrode current collector 11'. Here, the lithium ion / electron conductive structure 13 contains a porous body having conductivity and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of the inner surface of the porous body (lithium ion / Details of the electron conductive structure 13 will be described later). When the laminated battery 10a is in a completely discharged state, metallic lithium does not exist in the negative electrode. On the other hand, when the laminated battery 10a is charged, lithium ions reach the lithium ion / electron conductive structure 13 of the negative electrode from the positive electrode active material layer 15 through the solid electrolyte layer 17, and enter the voids of the structure 13. Precipitates as metallic lithium or lithium-containing alloys. The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer 15 containing a positive electrode active material is arranged on both sides of a positive electrode current collector 11 ”.Specifically, one lithium ion / electron conductive structure 13 and the positive electrode thereof. The negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that the adjacent positive electrode active material layer 15 faces each other via the solid electrolyte layer 17, whereby the adjacent negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order. Consists of one cell cell layer 19. Therefore, it can be said that the laminated battery 10a shown in FIG. 2 has a configuration in which a plurality of cell cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. ..

図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみにリチウムイオン/電子伝導性構造体13が配置されているが、両面にリチウムイオン/電子伝導性構造体が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ当該構造体を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に当該構造体がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, in each of the outermost layer negative electrode current collectors located in both outermost layers of the power generation element 21, the lithium ion / electron conductive structure 13 is arranged on only one side, but lithium is arranged on both sides. An ion / electron conductive structure may be provided. That is, instead of using the current collector dedicated to the outermost layer having the structure on only one side, the current collector having the structure on both sides may be used as it is as the current collector of the outermost layer.

負極集電体11’および正極集電体11”には、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。負極集電板25および正極集電板27はそれぞれ、必要に応じて負極リードおよび正極リード(図示せず)を介して、各電極の負極集電体11’および正極集電体11”に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 A negative electrode current collector plate (tab) 25 and a positive electrode current collector plate (tab) 27 that are conductive to each electrode (positive electrode and negative electrode) are attached to the negative electrode current collector 11'and the positive electrode current collector 11', respectively, and a battery is provided. It has a structure that is led out to the outside of the laminated film 29 so as to be sandwiched between the ends of the laminated film 29 that is an exterior material. The negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27, respectively, are required. It may be attached to the negative electrode current collector 11'and the positive electrode current collector 11' of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like via the negative electrode lead and the positive electrode lead (not shown).

図3は、図1および図2に示す積層型電池10aの発電要素21を構成する単電池層19の拡大断面図である。図3では、単電池層19を構成する負極集電体11’と、リチウムイオン/電子伝導性構造体13と、固体電解質層17と、正極活物質層15と、正極集電体11”と、がこの順に積層されている。そして、図3に示す実施形態において、リチウムイオン/電子伝導性構造体13は、導電性を有する多孔体(導電性多孔体)であるステンレス(ここでは、SUS304)製の多孔体によってその形状が規定されている。導電性多孔体(ステンレス製多孔体)の内表面は、固体電解質層17を構成するのと同じ硫化物固体電解質であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(LiPSCl)によって被覆されている。ここで、上記のような構成を有するリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙率は例えば60%であり、固体電解質層の空隙率(例えば、5%)よりも大きい値となるように構成されている。また、積層型電池10aが充電された状態のとき、上記導電性多孔体(ステンレス製多孔体)の空隙中には金属リチウムが保持されている。なお、上述した導電性多孔体の空隙率の値は、空隙中に金属リチウムが保持されていない状態で測定される値である。 FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a single battery layer 19 constituting the power generation element 21 of the laminated battery 10a shown in FIGS. 1 and 2. In FIG. 3, the negative electrode current collector 11'constituting the cellar layer 19, the lithium ion / electron conductive structure 13, the solid electrolyte layer 17, the positive electrode active material layer 15, and the positive electrode current collector 11' , Are laminated in this order. And, in the embodiment shown in FIG. 3, the lithium ion / electron conductive structure 13 is a stainless steel (here, SUS304) which is a porous body having conductivity (conductive porous body). The inner surface of the conductive porous body (stainless porous body) is defined by the porous body made of). It is coated with an electrolyte (Li 6 PS 5 Cl). Here, the void ratio of the lithium ion / electron conductive structure 13 having the above configuration is, for example, 60%, and the void ratio of the solid electrolyte layer (Li 6 PS 5 Cl). For example, it is configured to have a value larger than 5%). Further, when the laminated battery 10a is charged, metallic lithium is contained in the voids of the conductive porous body (stainless porous body). The value of the void ratio of the above-mentioned conductive porous body is a value measured in a state where metallic lithium is not retained in the voids.

好ましい実施形態において、負極はリチウムと合金化しうる金属をさらに含んでいる。具体的には、例えば、リチウムと合金化しうる金属である銀(Ag)の粒子が、導電性多孔体の内表面を被覆する固体電解質の表面上に分散した状態で付着している。このような構成によれば、積層型電池10aの充電時に負極に到達したリチウムイオンは銀(Ag)と合金化してリチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されることになる。金属リチウムが単体で析出する場合と比較して、リチウム含有合金として析出する場合の方が析出エネルギーは小さいことから、上記のような構成とすることにより、金属リチウムをより均一に析出させることが可能となる。また、リチウムイオン/電子伝導性構造体と固体電解質層との間の界面抵抗も低下してより大きい電流密度を実現することが可能である。その結果、レート特性がよりいっそう向上しうる。なお、本明細書において、「リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている」という概念には、金属リチウムがリチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されている形態も包含されるものとする。 In a preferred embodiment, the negative electrode further comprises a metal that can be alloyed with lithium. Specifically, for example, silver (Ag) particles, which are metals that can be alloyed with lithium, are attached in a dispersed state on the surface of the solid electrolyte that coats the inner surface of the conductive porous body. According to such a configuration, the lithium ions that reach the negative electrode during charging of the laminated battery 10a are alloyed with silver (Ag) and held as a lithium ion / electron conductive structure 13 in the voids of the lithium ion / electron conductive structure 13. It will be. Since the precipitation energy is smaller in the case of precipitating as a lithium-containing alloy than in the case of precipitating metallic lithium alone, it is possible to precipitate metallic lithium more uniformly by adopting the above configuration. It will be possible. In addition, the interfacial resistance between the lithium ion / electron conductive structure and the solid electrolyte layer is also reduced, and a larger current density can be realized. As a result, the rate characteristics can be further improved. In the present specification, the concept of "metal lithium is held in the voids of the lithium ion / electron conductive structure" includes the lithium ion / electron conductive structure 13 in which metallic lithium is used as a lithium-containing alloy. The form held in the void is also included.

図3に示す実施形態において、例えば積層型電池10aの充電時には、リチウムイオン/電子伝導性構造体13と固体電解質層17との界面において電析により金属リチウムからなるデンドライトが発生することがある。このデンドライトは正極活物質層15側に向かって成長する。本実施形態においてはリチウムイオン/電子伝導性構造体13を構成する導電性多孔体の空隙率が固体電解質層17の空隙率よりも大きいため、発生したデンドライトは固体電解質層17側(すなわち、正極活物質層15側)よりも導電性多孔体側に成長しやすい。したがって、図3に示す実施形態においては、固体電解質層17側(すなわち、正極活物質層15側)へのデンドライトの成長が抑制され、内部短絡の発生が防止されうる。 In the embodiment shown in FIG. 3, for example, when the laminated battery 10a is charged, dendrites made of metallic lithium may be generated by electrodeposition at the interface between the lithium ion / electron conductive structure 13 and the solid electrolyte layer 17. This dendrite grows toward the positive electrode active material layer 15. In the present embodiment, since the porosity of the conductive porous body constituting the lithium ion / electron conductive structure 13 is larger than the porosity of the solid electrolyte layer 17, the generated dendrite is on the solid electrolyte layer 17 side (that is, the positive electrode). It is more likely to grow on the conductive porous body side than on the active material layer 15 side). Therefore, in the embodiment shown in FIG. 3, the growth of dendrites on the solid electrolyte layer 17 side (that is, the positive electrode active material layer 15 side) can be suppressed, and the occurrence of an internal short circuit can be prevented.

また、積層型電池10aの充放電時には、各電極におけるリチウムイオンおよび電子の伝導がスムーズになされることが入出力特性の観点からは重要である。ここで、図3に示す実施形態においては、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体13のうち、導電性多孔体(ステンレス製多孔体)が電子の伝導パスとして機能する。また、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体13のうち、導電性多孔体の内表面を被覆している固体電解質(アルジロダイト型硫化物固体電解質)がリチウムイオンの伝導パスとして機能する。このように、本形態に係るリチウム二次電池においては、負極における電子およびリチウムイオンの伝導パスがともに十分に確保されている。その結果、本形態に係るリチウム二次電池によれば、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることが可能となる。 Further, it is important from the viewpoint of input / output characteristics that the conduction of lithium ions and electrons in each electrode is smooth when the laminated battery 10a is charged and discharged. Here, in the embodiment shown in FIG. 3, among the lithium ion / electron conductive structures 13 constituting the negative electrode, the conductive porous body (stainless porous body) functions as an electron conduction path. Further, among the lithium ion / electron conductive structures 13 constituting the negative electrode, the solid electrolyte (algirodite type sulfide solid electrolyte) covering the inner surface of the conductive porous body functions as a conduction path for lithium ions. As described above, in the lithium secondary battery according to the present embodiment, both the electron and lithium ion conduction paths in the negative electrode are sufficiently secured. As a result, according to the lithium secondary battery according to the present embodiment, it is possible to improve the charge / discharge rate characteristics in the lithium secondary battery having the solid electrolyte layer containing the lithium ion conductive solid electrolyte.

以下、本形態に係る全固体電池の主要な構成部材について説明する。 Hereinafter, the main components of the all-solid-state battery according to this embodiment will be described.

[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from the electrode active material layer. There are no particular restrictions on the materials that make up the current collector. As a constituent material of the current collector, for example, a metal or a resin having conductivity can be adopted.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, and the like may be used. Further, the foil may be a metal surface coated with aluminum. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoint of electron conductivity, battery operating potential, and the like.

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Further, as the latter resin having conductivity, a resin in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material as needed can be mentioned.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of the non-conductive polymer material include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), and polyimide. (PI), Polypropyleneimide (PAI), Polypropylene (PA), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polystyrene-butadiene rubber (SBR), Polyacrylonitrile (PAN), Polymethylacrylate (PMA), Polymethylmethacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), polystyrene (PS) and the like. Such non-conductive polymer materials may have excellent potential or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the above-mentioned conductive polymer material or non-conductive polymer material, if necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is composed of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably indispensable in order to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a conductive substance. For example, materials having excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking property include metals and conductive carbon. The metal is not particularly limited, and includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or at least one of these metals. It preferably contains an alloy or metal oxide. Further, the conductive carbon is not particularly limited. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, vulcan (registered trademark), black pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. It contains at least one species.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally 5 to 80% by mass with respect to 100% by mass of the total mass of the current collector. Is.

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。また、本形態に係る全固体リチウム二次電池において、負極は導電性多孔体によってその形状が規定されている。したがって、場合によっては、負極集電体を別途設けることなく、導電性多孔体に負極集電体としての機能を担わせることも可能である。この場合には、導電性多孔体に直接、後述する負極リードを接続すればよい。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include a conductive resin layer made of at least a conductive resin. Further, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the cells of the cell, a metal layer may be provided on a part of the current collector. Further, in the all-solid-state lithium secondary battery according to the present embodiment, the shape of the negative electrode is defined by the conductive porous body. Therefore, in some cases, it is possible to make the conductive porous body take on the function as the negative electrode current collector without separately providing the negative electrode current collector. In this case, the negative electrode lead described later may be directly connected to the conductive porous body.

[負極]
本発明に係るリチウム二次電池において、負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質とを含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含む点に特徴がある。また、上述したように、本発明に係るリチウム二次電池が完全放電状態のとき、負極は金属リチウムを含まない。一方、本発明に係るリチウム二次電池が充電された状態のとき、負極は金属リチウムを単体またはリチウム含有合金の形態で含んでいる。なお、負極集電体を別途用いずに導電性多孔体自体に負極集電体としての機能を担わせる場合には、リチウムイオン/電子伝導性構造体がそのまま負極となる。
[Negative electrode]
In the lithium secondary battery according to the present invention, the negative electrode has a lithium ion / electron conductive structure containing a porous body having conductivity and a lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body. It is characterized by including the body. Further, as described above, when the lithium secondary battery according to the present invention is in a completely discharged state, the negative electrode does not contain metallic lithium. On the other hand, when the lithium secondary battery according to the present invention is in a charged state, the negative electrode contains metallic lithium in the form of a simple substance or a lithium-containing alloy. When the conductive porous body itself has a function as a negative electrode current collector without using a negative electrode current collector separately, the lithium ion / electron conductive structure becomes the negative electrode as it is.

(導電性を有する多孔体)
導電性を有する多孔体(導電性多孔体)は、多孔質構造(多数の空隙)を内部に有し、導電性を有する部材である。導電性多孔体を構成する材料は、導電性を有する材料であればよく、集電体の構成材料として上述した材料が同様に採用されうる。なかでも、安価に入手が容易で本発明の作用効果に優れるという観点から、導電性多孔体は金属材料または炭素材料を含むことが好ましい。ここで、金属材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス(SUS304、SUS316L等)、チタン、および銅などが挙げられる。また、炭素材料としては、ハードカーボン、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、フラーレン、メソポーラスカーボンまたは活性炭などが挙げられる。なかでも、導電性多孔体はステンレス、ニッケル、カーボンブラック、ハードカーボン、メソポーラスカーボンまたは活性炭を含むことがより好ましい。
(Porous medium with conductivity)
A porous body having conductivity (conductive porous body) is a member having a porous structure (a large number of voids) inside and having conductivity. The material constituting the conductive porous body may be any material having conductivity, and the above-mentioned material can be similarly adopted as the constituent material of the current collector. Among them, the conductive porous body preferably contains a metal material or a carbon material from the viewpoint of being inexpensive and easily available and having excellent action and effect of the present invention. Here, examples of the metal material include aluminum, nickel, iron, stainless steel (SUS304, SUS316L, etc.), titanium, copper, and the like. As carbon materials, hard carbon, acetylene black, vulcan (registered trademark), black pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, fullerene, etc. Examples include mesoporous carbon or activated carbon. Among them, the conductive porous body more preferably contains stainless steel, nickel, carbon black, hard carbon, mesoporous carbon or activated carbon.

導電性多孔体の形状について特に制限はないが、例えば金属材料から構成されるのであれば、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル、発泡体などの形状が好ましく例示される。また、金属材料または炭素材料の粉末を圧粉成形などの方法によって成形してなる成形体を導電性多孔体として用いてもよい。 The shape of the conductive porous body is not particularly limited, but for example, if it is composed of a metal material, the shape of a mesh, an expanded grid (expanded metal), a punched metal, a foam, or the like is preferably exemplified. Further, a molded body obtained by molding a powder of a metal material or a carbon material by a method such as powder compaction may be used as the conductive porous body.

上述したように、導電性多孔体は多孔質構造(多数の空隙)を内部に有するが、その空隙率の値は、固体電解質層の空隙率よりも大きければ特に制限されない。導電性多孔体の空隙率は、好ましくは5~95%であり、より好ましくは30~90%であり、さらに好ましくは50~70%である。なお、導電性多孔体の空隙率の値は、従来公知の手法を適宜採用することによって制御することが可能である。 As described above, the conductive porous body has a porous structure (a large number of voids) inside, but the value of the porosity is not particularly limited as long as it is larger than the porosity of the solid electrolyte layer. The porosity of the conductive porous body is preferably 5 to 95%, more preferably 30 to 90%, still more preferably 50 to 70%. The value of the porosity of the conductive porous body can be controlled by appropriately adopting a conventionally known method.

導電性多孔体の厚みについても特に制限はないが、好ましくは20~300μmであり、より好ましくは30~250μmであり、さらに好ましくは50~200μmである。 The thickness of the conductive porous body is also not particularly limited, but is preferably 20 to 300 μm, more preferably 30 to 250 μm, and even more preferably 50 to 200 μm.

(リチウムイオン伝導性固体電解質)
リチウムイオン伝導性固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、リチウムイオン伝導性および耐久性に優れるという観点から、硫化物固体電解質であることが好ましい。なお、本明細書においては、固体電解質層17に含まれるリチウムイオン伝導性固体電解質を「第1のリチウムイオン伝導性固体電解質」とも称し、リチウムイオン/電子伝導性構造体を構成するリチウムイオン伝導性固体電解質を「第2のリチウムイオン伝導性固体電解質」とも称することがある。これらの呼称は固体電解質が配置されている部位を区別することのみを目的としたものであり、第1および第2という序数自体に実質的な意味はない。すなわち、本発明においては、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質および第2のリチウムイオン伝導性固体電解質の双方が硫化物固体電解質であることが好ましい。
(Lithium ion conductive solid electrolyte)
Examples of the lithium ion conductive solid electrolyte include a sulfide solid electrolyte and an oxide solid electrolyte, and the sulfide solid electrolyte is preferable from the viewpoint of excellent lithium ion conductivity and durability. In the present specification, the lithium ion conductive solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 17 is also referred to as a "first lithium ion conductive solid electrolyte", and the lithium ion conduction constituting the lithium ion / electron conductive structure is used. The sex solid electrolyte may also be referred to as a "second lithium ion conductive solid electrolyte". These names are intended only to distinguish the sites where the solid electrolytes are located, and the ordinal numbers 1 and 2 themselves have no substantial meaning. That is, in the present invention, it is preferable that both the first lithium ion conductive solid electrolyte and the second lithium ion conductive solid electrolyte are sulfide solid electrolytes.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P(LPS)、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPS4、LiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数であり、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は正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 (Li 2 S-P 2 S 5). LPS), LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, 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 Sn (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn or 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), etc. Can be mentioned. The description of "Li 2 SP 2 S 5" means a sulfide solid electrolyte using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。イオン伝導性に優れるという観点からは、好ましい一実施形態において、リチウムイオン伝導性固体電解質は、LiS-P、Li11、Li3.20.96S、LiS-SiS、LiS-B、LiS-GeS、Li3.25Ge0.250.75、Li10GeP12およびLiPSX(Xは、Cl、BrまたはIである)からなる群から選択される硫化物固体電解質を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. .. Examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4 . Examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include a Li-PS-based solid electrolyte called LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Further, as the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0 <x <1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing P element. Further, the sulfide solid electrolyte may contain halogen (F, Cl, Br, I). From the viewpoint of excellent ionic conductivity, in a preferred embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte is Li 2 SP 2 S 5 , Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 S-GeS 2 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP 2 S 12 and Li 6 PS 5 X Contains a sulfide solid electrolyte selected from the group consisting of (where X is Cl, Br or I).

なお、硫化物固体電解質がLiS-P系である場合、LiSおよびPの割合は、モル比で、LiS:P=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLiS:P=70:30~80:20であることが好ましい。 When the sulfide solid electrolyte is a Li 2 SP 2 S 5 system, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50 to 100 in terms of molar ratio. It is preferably in the range of: 0, and in particular, Li 2 S: P 2 S 5 = 70: 30 to 80:20.

また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、リチウムイオン伝導性固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 Further, the sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by the solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill or the like) on the raw material composition. Further, the crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ionic conductivity (for example, Li ionic conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25 ° C.) is preferably 1 × 10 -5 S / cm or more, for example, 1 × 10 -4 S / cm. It is more preferably cm or more. The value of the ion conductivity of the lithium ion conductive solid electrolyte can be measured by the AC impedance method.

酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlTi2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等が挙げられる。 Examples of the oxide solid electrolyte include compounds having a NASICON type structure and the like. As an example of a compound having a NASION type structure, a compound (LAGP) represented by the general formula Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2), a general formula Li 1 + x Al x Ti 2 Examples thereof include a compound (LATP) represented by −x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2). Further, as another example of the oxide solid electrolyte, LiLaTIO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (for example, LiLaZrO). , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and the like.

リチウムイオン伝導性固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the lithium ion conductive solid electrolyte include a particle shape such as a true spherical shape and an elliptical spherical shape, and a thin film shape. When the solid electrolyte has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, still more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle size (D 50 ) is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more.

本発明に係るリチウム二次電池において、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体は、導電性多孔体の内表面がリチウムイオン伝導性固体電解質によって被覆されている構成を有している。ここで、導電性多孔体の内表面におけるリチウムイオン伝導性固体電解質の被覆厚さについて特に制限はないが、好ましくは1~100μm程度であり、より好ましくは10~80μmである。 In the lithium secondary battery according to the present invention, the lithium ion / electron conductive structure constituting the negative electrode has a structure in which the inner surface of the conductive porous body is coated with a lithium ion conductive solid electrolyte. Here, the coating thickness of the lithium ion conductive solid electrolyte on the inner surface of the conductive porous body is not particularly limited, but is preferably about 1 to 100 μm, and more preferably 10 to 80 μm.

本発明に係るリチウム二次電池の好ましい実施形態において、負極は、リチウムと合金化しうる金属を含む。リチウムと合金化しうる元素としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ビスマス、スズ、鉛、インジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、銀、金、カドミウム、ガリウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できるという観点から、リチウムと合金化しうる材料は、銀、ケイ素、金、インジウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウムおよび亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、銀、ケイ素、金またはインジウムを含むことがより好ましい。これらのリチウムと合金化しうる金属は、それ自体からなる導電性多孔体の形態で用いられてもよいし、リチウムと合金化しない材料からなる導電性多孔体の表面に形成されたコーティングの形態で用いられてもよい。この際、リチウムと合金化しうる金属は、固体電解質が導電性多孔体の内表面を被覆することによって形成された被覆層の上に露出するように存在してもよいし、当該導電性多孔体と当該被覆層との間に存在してもよいが、前者の形態がより好ましい。 In a preferred embodiment of the lithium secondary battery according to the present invention, the negative electrode contains a metal that can be alloyed with lithium. Elements that can be alloyed with lithium include, for example, aluminum, magnesium, zinc, bismuth, tin, lead, indium, ruthenium, rhodium, iridium, palladium, platinum, silver, gold, cadmium, gallium, tarium, silicon, germanium and the like. Can be mentioned. Among these, the material that can be alloyed with lithium is selected from the group consisting of silver, silicon, gold, indium, germanium, tin, lead, aluminum and zinc from the viewpoint of being able to construct a battery having excellent capacity and energy density. It is preferable to contain at least one metal, and more preferably silver, silicon, gold or indium. These metals that can be alloyed with lithium may be used in the form of a conductive porous body made of itself, or in the form of a coating formed on the surface of a conductive porous body made of a material that does not alloy with lithium. It may be used. At this time, the metal that can be alloyed with lithium may be present so that the solid electrolyte is exposed on the coating layer formed by coating the inner surface of the conductive porous body, or the conductive porous body may be present. It may exist between the coating layer and the covering layer, but the former form is more preferable.

上記のような構成によれば、リチウム二次電池の充電時に負極に到達したリチウムイオンは、リチウムと合金化しうる金属と合金化する。そして、リチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されることになる。金属リチウムが単体で析出する場合と比較して、リチウム含有合金として析出する場合の方が析出エネルギーは小さいことから、上記のような構成とすることにより、金属リチウムをより均一に析出させることが可能となる。また、リチウムイオン/電子伝導性構造体と固体電解質層との間の界面抵抗も低下してより大きい電流密度を実現することが可能である。その結果、レート特性をよりいっそう向上させることができる。 According to the above configuration, the lithium ions that reach the negative electrode during charging of the lithium secondary battery are alloyed with a metal that can be alloyed with lithium. Then, it is held in the voids of the lithium ion / electron conductive structure 13 as a lithium-containing alloy. Since the precipitation energy is smaller in the case of precipitating as a lithium-containing alloy than in the case of precipitating metallic lithium alone, it is possible to precipitate metallic lithium more uniformly by adopting the above configuration. It will be possible. In addition, the interfacial resistance between the lithium ion / electron conductive structure and the solid electrolyte layer is also reduced, and a larger current density can be realized. As a result, the rate characteristics can be further improved.

[固体電解質層]
本形態に係るリチウム二次電池において、固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極と負極との間に介在する層である。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。ここで、固体電解質の具体的な形態や好ましい例については上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
In the lithium secondary battery according to the present embodiment, the solid electrolyte layer contains the solid electrolyte as a main component and is a layer interposed between the positive electrode and the negative electrode described above. The specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, and conventionally known findings can be appropriately referred to. Here, since the specific form and preferable examples of the solid electrolyte are as described above, the description thereof will be omitted here.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the above-mentioned solid electrolyte. The binder that can be contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, and examples thereof include the following materials.

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated products , Polymeric polymers such as styrene / isoprene / styrene block copolymers and their hydrogenated additives, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA). , Fluororesin such as ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylfluoride (PVF), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber) Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as VDF-PFMVE-TFE-based fluororubbers and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers), epoxy resins and the like. Of these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

固体電解質層の空隙率の値は、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率よりも小さければ特に制限されない。固体電解質層の空隙率は、理想的には0%に近いほど好ましい。一方、固体電解質層の空隙率の上限値は、好ましくは25%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。なお、固体電解質層の空隙率の値は、従来公知の手法を適宜採用することによって制御することが可能である。一例として、固体電解質の粉末を圧粉成形することによって固体電解質層を作製する場合には、当該圧粉成形の際に印加される圧力を調節することによって固体電解質層の空隙率を制御することができる。また、固体電解質をアモルファス(非晶質)化したり、有機固体電解質とのハイブリッドの形態としたりすることで、固体電解質の緻密度が向上し、結果的として空隙率を低下させることができる。ここで、固体電解質層は、組成や密度(空隙率)などが均一な単層から構成されていてもよいし、組成や密度(空隙率)などが異なる複数の層の積層体であってもよい。 The value of the porosity of the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is smaller than the porosity of the lithium ion / electron conductive structure constituting the negative electrode. Ideally, the porosity of the solid electrolyte layer is preferably close to 0%. On the other hand, the upper limit of the porosity of the solid electrolyte layer is preferably 25% or less, more preferably 20% or less, still more preferably 15% or less, and particularly preferably 10% or less. The value of the porosity of the solid electrolyte layer can be controlled by appropriately adopting a conventionally known method. As an example, when a solid electrolyte layer is produced by powder molding of a solid electrolyte powder, the void ratio of the solid electrolyte layer is controlled by adjusting the pressure applied during the powder molding. Can be done. Further, by making the solid electrolyte amorphous or in the form of a hybrid with the organic solid electrolyte, the density of the solid electrolyte can be improved, and as a result, the void ratio can be lowered. Here, the solid electrolyte layer may be composed of a single layer having a uniform composition, density (porosity), etc., or may be a laminated body of a plurality of layers having different compositions, densities (porosity), and the like. good.

固体電解質層の厚みは、目的とするリチウム二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましく、0.1~500μmの範囲内であることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the target lithium secondary battery, but is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, more preferably in the range of 0.1 to 500 μm, for example. preferable.

[正極]
正極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を含む。ここで、電池の作製時に完全放電状態の電池が作製される場合、負極には金属リチウムが保持されていない。このため、正極は充電時にリチウムイオンを放出可能な正極活物質を含んでいる必要がある。このような正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質、LiTi12等が挙げられる。また、硫黄(S)の還元生成物(例えば、流加リチウム(Li))が正極活物質として用いられてもよい。
[Positive electrode]
The positive electrode contains a positive electrode active material that can occlude and release lithium ions. Here, when a battery in a completely discharged state is manufactured at the time of manufacturing the battery, metallic lithium is not held in the negative electrode. Therefore, the positive electrode needs to contain a positive electrode active material capable of releasing lithium ions during charging. Examples of such positive electrode active materials include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 . Spinel-type active materials such as Mn 1.5 O 4 , Libin-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 and the like. Be done. Further, a reduction product of sulfur ( S) (for example, pumped lithium (Li 2S 8 )) may be used as the positive electrode active material.

一方、電池の作製時に完全充電状態の電池が作製される場合、負極には金属リチウムが保持されている(例えば、リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが充填されている)。このため、正極は放電時にリチウムイオンを吸蔵可能な正極活物質を含んでいる必要がある。このような正極活物質としては、例えば、硫黄単体(S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられる。これらの正極活物質は、硫黄の酸化還元反応を利用して、放電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオンを放出することができる。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS4、NiS、NiS、CuS、FeS、LiS、MoS、MoS等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS4、FeSおよびMoSが好ましく、硫黄単体(S)、S-カーボンコンポジット、TiSおよびFeSがより好ましく、硫黄単体(S)が特に好ましい。ここで、S-カーボンコンポジットとは、硫黄粉末と炭素材料とを含み、これらを加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、炭素材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態、硫黄と炭素材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態、細かな硫黄粉末の表面や内部に炭素材料が分布している状態、または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 On the other hand, when a fully charged battery is manufactured at the time of manufacturing the battery, metallic lithium is held in the negative electrode (for example, the voids of the lithium ion / electron conductive structure are filled with metallic lithium). .. Therefore, the positive electrode needs to contain a positive electrode active material that can occlude lithium ions at the time of discharge. Examples of such a positive electrode active material include elementary sulfur (S) and particles or thin films of an organic sulfur compound or an inorganic sulfur compound. These positive electrode active materials can store lithium ions at the time of discharge and release lithium ions at the time of charging by utilizing the redox reaction of sulfur. Examples of the organic sulfur compound include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by the compounds described in International Publication No. 2010/0444437, sulfur-modified polyisoprene, rubian acid (dithiooxamide), and polysulfide carbon. Of these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubianic acid are preferable, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferable. As the disulfide compound, a compound having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate, or a thioamide group is more preferable. Here, the sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing a sulfur atom, which is obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating them under an inert gas or under reduced pressure. The estimated structure is, for example, Chem. Mater. As shown in 2011, 23, 5024-5028, the polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic structure, and at least a part of S is bound to C. The compounds described in this document have strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in Raman spectra, and peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 , and 929 cm -1 . do. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferable because they are excellent in stability, and specifically, sulfur simple substance (S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li. 2S, MoS 2 , MoS 3 and the like can be mentioned. Among them, S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferable, sulfur simple substance (S), S-carbon composite, TiS 2 and FeS 2 are more preferable, and sulfur simple substance (S) is preferable. S) is particularly preferable. Here, the S-carbon composite contains sulfur powder and a carbon material, and is in a state of being composited by subjecting them to heat treatment or mechanical mixing. More specifically, the state where sulfur is distributed on the surface of the carbon material and in the pores, the state where sulfur and the carbon material are uniformly dispersed at the nano level, and they are aggregated into particles, fine sulfur. The carbon material is distributed on the surface or inside of the powder, or a combination of these states.

なお、場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more kinds of positive electrode active materials may be used in combination. Of course, a positive electrode active material other than the above may be used.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate (spherical and fibrous) and thin film. When the positive electrode active material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is preferably in the range of, for example, 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and further preferably in the range of 100 nm. It is in the range of about 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In the present specification, the value of the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by the laser diffraction / scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、正極活物質層は、導電助剤および/またはバインダをさらに含んでもよい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, and preferably in the range of 50 to 90% by mass. More preferred. The positive electrode active material layer may further contain a conductive auxiliary agent and / or a binder.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collector plates for secondary batteries can be used. As the constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. The same material may be used for the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25, or different materials may be used.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11’、11”)と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive lead and negative electrode lead]
Further, although not shown, the current collector (11', 11 ") and the current collector plate (25, 27) may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As the constituent material of the negative electrode lead, a material used in a known lithium secondary battery can be similarly adopted. In addition, the portion taken out from the exterior may come into contact with peripheral devices, wiring, etc. and leak electricity to the product. It is preferable to cover it with a heat-resistant and insulating heat-shrinkable tube so as not to affect (for example, automobile parts, particularly electronic devices, etc.).

[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminated film 29 containing aluminum, which can cover the power generation element as shown in FIGS. 1 and 2, is used. Can be done. As the laminated film, for example, a laminated film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used, but the laminated film is not limited thereto. A laminated film is desirable from the viewpoint of high output, excellent cooling performance, and suitable use for batteries for large equipment for EVs and HEVs. Further, since the group pressure applied to the power generation element from the outside can be easily adjusted, a laminated film containing aluminum is more preferable for the exterior body.

本発明に係るリチウム二次電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性および充放電レート特性に優れるものである。したがって、本発明に係るリチウム二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The lithium secondary battery according to the present invention has a configuration in which a plurality of single battery layers are connected in parallel, so that it has a high capacity and is excellent in cycle durability and charge / discharge rate characteristics. Therefore, the lithium secondary battery according to the present invention is suitably used as a driving power source for EVs and HEVs.

以上、全固体電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of the all-solid-state battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above-described embodiment, and can be appropriately changed based on the description of the claims. be.

例えば、本形態に係るリチウム二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 For example, the lithium secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state battery. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolyte solution). The amount of the liquid electrolyte (electrolyte solution) that can be contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and the liquid electrolyte (electrolyte solution) does not leak. Is preferably the amount of.

用いられうる液体電解質(電解液)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 The liquid electrolyte (electrolyte solution) that can be used has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), and methyl formate. (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), γ-butylolactone (GBL) and the like. Among them, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC) from the viewpoint of further improving the quick charge property and the output property. It is at least one selected from the group consisting of, and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).

リチウム塩としては、Li(FSON(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSON(LiFSI)である。 Lithium salts include Li (FSO 2 ) 2 N (lithium bis (fluorosulfonyl) imide; LiFSI), Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like can be mentioned. Among them, the lithium salt is preferably Li (FSO 2 ) 2N ( LiFSI) from the viewpoint of battery output and charge / discharge cycle characteristics.

液体電解質(電解液)は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The liquid electrolyte (electrolyte solution) may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-. Divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylenecarbonate, 1-methyl-2-vinylethylenecarbonate, 1-ethyl-1-vinylethylenecarbonate, 1-ethyl-2-vinylethylenecarbonate, vinylvinylene carbonate, allylethylene Carbonate, vinyloxymethylethylene carbonate, allyloxymethylethylene carbonate, acrylicoxymethylethylene carbonate, methacryloxymethylethylene carbonate, ethynylethylene carbonate, propargylethylene carbonate, ethynyloxymethylethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methyleneethylene carbonate, 1 , 1-Dimethyl-2-methyleneethylene carbonate and the like. Only one of these additives may be used alone, or two or more of these additives may be used in combination. Further, when the additive is used in the electrolytic solution, the amount used can be appropriately adjusted.

[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery set]
An assembled battery is configured by connecting a plurality of batteries. More specifically, it is composed of serialization, parallelization, or both by using at least two or more. By serializing and parallelizing, it becomes possible to freely adjust the capacity and voltage.

電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 It is also possible to connect a plurality of batteries in series or in parallel to form a small assembled battery that can be attached / detached. Then, by connecting a plurality of small detachable batteries in series or in parallel, a large capacity and a large capacity suitable for a vehicle drive power source or an auxiliary power source that require a high volume energy density and a high volume output density. It is also possible to form an assembled battery with an output. How many batteries are connected to make an assembled battery, and how many stages of small assembled batteries are stacked to make a large-capacity assembled battery depends on the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) to be mounted. It may be decided according to the output.

[車両]
本発明に係るリチウム二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性および充放電レート特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The lithium secondary battery according to the present invention maintains a discharge capacity even after long-term use, and has good cycle characteristics and charge / discharge rate characteristics. In addition, the volumetric energy density is high. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger size are required and longer life is required compared to electric and portable electronic device applications. .. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a power source for a vehicle, for example, a vehicle drive power source or an auxiliary power source.

具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or a combined battery formed by combining a plurality of batteries can be mounted on the vehicle. In the present invention, a long-life battery having excellent long-term reliability and output characteristics can be configured. Therefore, when such a battery is installed, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV mileage or an electric vehicle having a long one-charge mileage can be configured. .. In addition to hybrid vehicles, fuel cell vehicles, electric vehicles (all four-wheeled vehicles (passenger cars, trucks, commercial vehicles such as buses, light vehicles, etc.)) This is because it becomes a highly reliable automobile with a long life by using it for two-wheeled vehicles (including motorcycles) and three-wheeled vehicles. However, the application is not limited to automobiles, and can be applied to various power sources of other vehicles, for example, moving objects such as trains, and power supplies for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use it as.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.

《試験用セルの作製例》
[実施例1-1]
(負極の作製)
リチウムイオン伝導性固体電解質であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(LiPSCl)の所定量を秤量した。次いで、これを適量の脱水エタノール中に分散させて、溶液Aを調製した。
<< Production example of test cell >>
[Example 1-1]
(Manufacturing of negative electrode)
A predetermined amount of the argylodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl), which is a lithium ion conductive solid electrolyte, was weighed. This was then dispersed in an appropriate amount of dehydrated ethanol to prepare solution A.

一方、導電性を有する多孔体として、ステンレス(SUS304)製のメッシュを準備し、これを溶液Aに十分な時間浸漬した。次いで、これを溶液Aから取り出し、150℃の恒温槽の内部で十分な時間乾燥して、電解質被覆ステンレスメッシュ(リチウムイオン/電子伝導性構造体)からなる負極を作製した。 On the other hand, as a porous body having conductivity, a mesh made of stainless steel (SUS304) was prepared, and this was immersed in the solution A for a sufficient time. Then, this was taken out from the solution A and dried in a constant temperature bath at 150 ° C. for a sufficient time to prepare a negative electrode made of an electrolyte-coated stainless steel mesh (lithium ion / electron conductive structure).

(試験用セルの作製)
正極活物質として、LiNi0.8Mn0.1Co0.1の均一組成を有し、一次粒子の凝集体である二次粒子の形態を有するリチウム含有複合酸化物を準備した。なお、このリチウム含有複合酸化物(二次粒子)の平均粒子径(D50)をレーザー回折散乱法により測定したところ、11.5μmであった。また、正極合剤用固体電解質として、上記と同様のアルジロダイト型硫化物固体電解質を準備した。さらに、正極合剤用導電助剤としてアセチレンブラックを準備した。
(Preparation of test cell)
As the positive electrode active material, a lithium-containing composite oxide having a uniform composition of LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 and having the form of secondary particles which are aggregates of primary particles was prepared. The average particle size (D50) of the lithium-containing composite oxide (secondary particles) was measured by a laser diffraction / scattering method and found to be 11.5 μm. Further, as the solid electrolyte for the positive electrode mixture, the same algyrodite-type sulfide solid electrolyte as described above was prepared. Further, acetylene black was prepared as a conductive auxiliary agent for the positive electrode mixture.

上記で準備した正極活物質60質量部、導電助剤6質量部、およびアルジロダイト型硫化物固体電解質34質量部をそれぞれ秤量し、テーブルミルを用いて混合して、正極合剤を調製した。 60 parts by mass of the positive electrode active material, 6 parts by mass of the conductive auxiliary agent, and 34 parts by mass of the argylodite-type sulfide solid electrolyte prepared above were weighed and mixed using a table mill to prepare a positive electrode mixture.

続いて、上記と同様のアルジロダイト型硫化物固体電解質を治具(マコール管)に入れ、400[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、固体電解質層(直径10mmおよび厚み600μmの円板形状)を作製した。 Subsequently, the same argilodite-type sulfide solid electrolyte as described above is placed in a jig (Macol tube) and powder-molded at a molding pressure of 400 [MPa] to form a solid electrolyte layer (a disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 600 μm). Shape) was produced.

次いで、上記で作製した固体電解質層の一方の面に、上記で調製した正極合剤を入れ、200[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、正極活物質層(直径10mmおよび厚み70μmの円板形状)を作製した。 Next, the positive electrode mixture prepared above was placed on one surface of the solid electrolyte layer prepared above, and powder molding was performed at a molding pressure of 200 [MPa] to obtain a positive electrode active material layer (diameter 10 mm and thickness 70 μm). (Disc shape) was produced.

その後、上記で作製した(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を、上記で作製した固体電解質層の他方の面に配置した。次いで、100[MPa]の拘束圧力で治具を締結した後、各電極に電流取り出しのためのリードを接続して、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 Then, the (lithium ion / electron conductive structure) prepared above was placed on the other surface of the solid electrolyte layer prepared above. Next, after fastening the jig with a restraining pressure of 100 [MPa], a lead for taking out a current was connected to each electrode to prepare a test cell of this example. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[実施例1-2]
リチウムと合金化しうる金属として、銀(Ag)粉末の所定量を秤量した。次いで、これを適量の脱水エタノール中に分散させて、溶液Bを調製した。そして、試験用セルの作製前に、電解質被覆ステンレスメッシュ(リチウムイオン/電子伝導性構造体)からなる負極に対して溶液Bを均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 1-2]
A predetermined amount of silver (Ag) powder was weighed as a metal that could be alloyed with lithium. This was then dispersed in an appropriate amount of dehydrated ethanol to prepare solution B. Then, before the production of the test cell, the solution B was uniformly sprayed on the negative electrode made of an electrolyte-coated stainless mesh (lithium ion / electron conductive structure) and naturally dried.

上記の処理を施した負極を用いたこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 The test cell of this example was produced by the same method as in Example 1-1 described above except that the negative electrode subjected to the above treatment was used. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[比較例1-1]
上述した実施例1-1において、試験用セルの負極を配置する際に、上記で作製した負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)に代えて、固体電解質で被覆されていないステンレス製メッシュと、アルジロダイト型硫化物固体電解質(LiPSCl)7mgとを単に同時に封入し、上記と同様の条件で拘束圧力を印加した。このこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 1-1]
In Example 1-1 described above, when arranging the negative electrode of the test cell, instead of the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) produced above, a stainless steel mesh not coated with a solid electrolyte was used. , 7 mg of argilodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) was simply encapsulated at the same time, and a confining pressure was applied under the same conditions as described above. Except for this, the test cell of this comparative example was prepared by the same method as in Example 1-1 described above. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[比較例1-2]
上述した比較例1-1において、試験用セルの負極を配置する際に、固体電解質で被覆されていないステンレス製メッシュのみを配置して固体電解質を同時に封入しなかったこと以外は、上述した比較例1-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 1-2]
In Comparative Example 1-1 described above, the comparison described above was performed except that when the negative electrode of the test cell was arranged, only the stainless steel mesh not coated with the solid electrolyte was arranged and the solid electrolyte was not enclosed at the same time. The test cell of this comparative example was prepared by the same method as in Example 1-1. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[実施例2-1]
導電性多孔体の構成材料として、炭素材料であるケッチェンブラック(登録商標)(ケッチェンブラック・インターナショナル社製)EC300を準備した。次いで、この炭素材料を上記で調製した溶液Aに十分な時間浸漬した。その後、これを溶液Aから取り出し、150℃の恒温槽の内部で十分な時間乾燥して、電解質被覆炭素材料を作製した。
[Example 2-1]
As a constituent material of the conductive porous body, Ketjen Black (registered trademark) (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) EC300, which is a carbon material, was prepared. The carbon material was then immersed in the solution A prepared above for a sufficient period of time. Then, this was taken out from the solution A and dried in a constant temperature bath at 150 ° C. for a sufficient time to prepare an electrolyte-coated carbon material.

続いて、上述した実施例1-1と同様の手法により、固体電解質層と正極活物質層との積層体を作製した。 Subsequently, a laminate of the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer was prepared by the same method as in Example 1-1 described above.

次いで、上記で作製した固体電解質層の他方の面に、上記で調製した電解質被覆炭素材料を入れ、100[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)(直径10mmおよび厚み70μmの円板形状)を作製した。その後、各電極に電流取り出しのためのリードを接続して、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 Next, the electrolyte-coated carbon material prepared above is placed on the other surface of the solid electrolyte layer prepared above, and powder molding is performed at a molding pressure of 100 [MPa] to obtain a negative electrode (lithium ion / electron conductive structure). A body) (a disk shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 70 μm) was produced. Then, a lead for taking out a current was connected to each electrode to prepare a test cell of this example. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[実施例2-2]
試験用セルの作製前に、上記で調製した溶液Bを電解質被覆炭素材料に対して均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 2-2]
Prior to preparation of the test cell, the solution B prepared above was uniformly sprayed onto the electrolyte-coated carbon material and air-dried.

上記の処理を施した電解質被覆炭素材料を用いて負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を作製したこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 For the test of this example by the same method as in Example 2-1 described above, except that the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) was prepared using the electrolyte-coated carbon material subjected to the above treatment. A cell was prepared. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[比較例2]
上述した実施例2-1において、電解質被覆炭素材料に代えて、炭素材料(ケッチェンブラックEC300)1mgとアルジロダイト型硫化物固体電解質5.6mgとをロールミルで混合して得られた混合物を用いて負極を作製した。このこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 2]
In Example 2-1 described above, instead of the electrolyte-coated carbon material, a mixture obtained by mixing 1 mg of a carbon material (Ketjen Black EC300) and 5.6 mg of an algyrodite-type sulfide solid electrolyte with a roll mill was used. A negative electrode was prepared. Except for this, the test cell of this comparative example was prepared by the same method as in Example 2-1 described above. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[実施例3-1]
ケッチェンブラック(登録商標)に代えて、別の炭素材料であるハードカーボンを導電性多孔体の構成材料として用いたこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Example 3-1]
This Example is carried out by the same method as in Example 2-1 described above, except that hard carbon, which is another carbon material, is used as a constituent material of the conductive porous body in place of Ketjen Black (registered trademark). The test cell of was prepared. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[実施例3-2]
試験用セルの作製前に、上記で調製した溶液Bを電解質被覆炭素材料に対して均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 3-2]
Prior to preparation of the test cell, the solution B prepared above was uniformly sprayed onto the electrolyte-coated carbon material and air-dried.

上記の処理を施した電解質被覆炭素材料を用いて負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を作製したこと以外は、上述した実施例3-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 For the test of this example by the same method as in Example 3-1 described above, except that the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) was prepared using the electrolyte-coated carbon material subjected to the above treatment. A cell was prepared. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion / electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

[比較例3]
上述した実施例3-1において、電解質被覆炭素材料に代えて、炭素材料(ハードカーボン)1mgとアルジロダイト型硫化物固体電解質5.6mgとをロールミルで混合して得られた混合物を用いて負極を作製した。このこと以外は、上述した実施例3-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 3]
In Example 3-1 described above, instead of the electrolyte-coated carbon material, a negative electrode was prepared by using a mixture obtained by mixing 1 mg of a carbon material (hard carbon) and 5.6 mg of an argylodite-type sulfide solid electrolyte with a roll mill. Made. Except for this, the test cell of this comparative example was prepared by the same method as in Example 3-1 described above. The porosities of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.

《試験用セルの試験例(充放電レート特性の評価)》
上述した実施例および比較例において作製された試験用セルについて、充放電レート特性を評価した。
<< Test example of test cell (evaluation of charge / discharge rate characteristics) >>
The charge / discharge rate characteristics of the test cells produced in the above-mentioned Examples and Comparative Examples were evaluated.

充放電試験は、Liに対して4.3V/2.5Vの電圧範囲において、定電流・低電圧(CCCV)モードでの充電および定電流(CC)モードでの放電を、それぞれ0.2C(低レート条件)およびそれぞれ2C(高レート条件)のレート条件で行った。なお、評価温度は298K(25℃)とし、充電と放電との間は30分間休止した。なお、「1C」とは、その電流値で1時間充電するとちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。 In the charge / discharge test, charging in the constant current / low voltage (CCCV) mode and discharging in the constant current (CC) mode are performed at 0.2 C (CCCV) in the voltage range of 4.3 V / 2.5 V with respect to Li, respectively. Low rate condition) and 2C (high rate condition) rate condition respectively. The evaluation temperature was 298 K (25 ° C.), and there was a 30-minute rest between charging and discharging. In addition, "1C" is a current value which makes the battery fully charged (100% charged) when it is charged with the current value for 1 hour.

このようにして測定された0.2Cおよび2Cでの放電容量から、放電容量維持率(=2C放電容量/0.2C放電容量×100)を算出し、充放電レート特性の指標とした(この値が大きいほど充放電レート特性に優れることを意味する)。結果を下記の表1に示す。 From the discharge capacities at 0.2C and 2C measured in this way, the discharge capacity retention rate (= 2C discharge capacity / 0.2C discharge capacity × 100) was calculated and used as an index of the charge / discharge rate characteristics (this). The larger the value, the better the charge / discharge rate characteristics). The results are shown in Table 1 below.

Figure 2022092896000002
Figure 2022092896000002

表1に示す結果から、導電性多孔体の構成材料が同一である実施例および比較例同士を比較すると、本発明の構成を備えることで充放電レート特性が格段に向上しうることがわかる。また、負極がリチウムと合金化しうる金属(Ag)を含むことで、充放電レート特性がよりいっそう向上することもわかる。 From the results shown in Table 1, when the examples and comparative examples in which the constituent materials of the conductive porous body are the same are compared, it can be seen that the charge / discharge rate characteristics can be significantly improved by providing the configuration of the present invention. It can also be seen that the charge / discharge rate characteristics are further improved when the negative electrode contains a metal (Ag) that can be alloyed with lithium.

10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 リチウムイオン/電子伝導性構造体、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板(負極タブ)、
27 正極集電板(正極タブ)、
29 ラミネートフィルム。
10a laminated battery,
11'Negative current collector,
11 ”Positive current collector,
13 Lithium-ion / electron conductive structure,
15 Positive electrode active material layer,
17 Electrolyte layer,
19 Single battery layer,
21 Power generation element,
25 Negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
27 Positive electrode current collector plate (positive electrode tab),
29 Laminated film.

Claims (7)

正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい、リチウム二次電池。
With the positive electrode
With the negative electrode
A solid electrolyte layer, which is interposed between the positive electrode and the negative electrode and contains a first lithium ion conductive solid electrolyte,
Equipped with a power generation element that has
The negative electrode comprises a lithium ion / electron conductive structure comprising a porous body having conductivity and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body.
A lithium secondary battery in which the void ratio of the lithium ion / electron conductive structure is larger than the void ratio of the solid electrolyte layer.
正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている、リチウム二次電池。
With the positive electrode
With the negative electrode
A solid electrolyte layer, which is interposed between the positive electrode and the negative electrode and contains a first lithium ion conductive solid electrolyte,
Equipped with a power generation element that has
The negative electrode comprises a lithium ion / electron conductive structure comprising a porous body having conductivity and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body.
The porosity of the lithium ion / electron conductive structure is larger than the porosity of the solid electrolyte layer, and
A lithium secondary battery in which metallic lithium is held in the voids of the lithium ion / electron conductive structure.
前記導電性を有する多孔体が、金属材料または炭素材料を含む、請求項1または2に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the conductive porous body contains a metal material or a carbon material. 前記導電性を有する多孔体が、ステンレス、ニッケル、カーボンブラック、ハードカーボン、メソポーラスカーボンまたは活性炭を含む、請求項3に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 3, wherein the conductive porous body contains stainless steel, nickel, carbon black, hard carbon, mesoporous carbon or activated carbon. 前記負極が、リチウムと合金化しうる金属を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the negative electrode contains a metal that can be alloyed with lithium. 前記第1のリチウムイオン伝導性固体電解質および前記第2のリチウムイオン伝導性固体電解質が硫化物固体電解質を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the first lithium ion conductive solid electrolyte and the second lithium ion conductive solid electrolyte contain a sulfide solid electrolyte. 全固体リチウム二次電池である、請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 6, which is an all-solid-state lithium secondary battery.
JP2020205877A 2020-12-11 2020-12-11 Lithium secondary battery Pending JP2022092896A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020205877A JP2022092896A (en) 2020-12-11 2020-12-11 Lithium secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020205877A JP2022092896A (en) 2020-12-11 2020-12-11 Lithium secondary battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022092896A true JP2022092896A (en) 2022-06-23

Family

ID=82069126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020205877A Pending JP2022092896A (en) 2020-12-11 2020-12-11 Lithium secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022092896A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009176599A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
KR101704157B1 (en) Solid solution lithiumcontaining transition metal oxide and lithium ion secondary battery
JP7304014B2 (en) Solid electrolyte layer for all solid state lithium ion secondary battery and all solid state lithium ion secondary battery using the same
Maiyalagan et al. Rechargeable lithium-ion batteries: trends and progress in electric vehicles
CN109494372B (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery, and method for producing lithium ion secondary battery
CN112514133A (en) Lithium secondary battery
JP7488666B2 (en) Lithium-ion secondary battery
JP7206798B2 (en) Lithium ion conductive solid electrolyte and electrochemical device using the same
JP7398269B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery
JP7386046B2 (en) All solid state battery
JP7454336B2 (en) An all-solid-state lithium-ion secondary battery and its manufacturing method, an all-solid-state lithium-ion secondary battery system using the same, and a charging method for an all-solid-state lithium-ion secondary battery
JP5838952B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof
JP2023092911A (en) Sulfide solid electrolyte composite and electric device using the same
JP2022062519A (en) Internal resistance reducing agent for positive electrode active material layer, and electrode material for secondary batteries using the same
JP7453765B2 (en) All solid state battery
JP2022115375A (en) Positive electrode material for electrical device, and positive electrode for electrical device using the same, and electrical device
JP2021170494A (en) Secondary battery
JP2022092896A (en) Lithium secondary battery
JP2022082060A (en) Secondary battery
WO2021240194A1 (en) Secondary battery positive electrode
JP7493054B2 (en) Positive electrode material for electric device, and positive electrode for electric device and electric device using the same
JP7248136B2 (en) Positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries
JP7407014B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery
WO2022069913A1 (en) Secondary battery
JP2022069941A (en) Secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230807

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240618

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240626