JP2022148439A - solid secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体二次電池に関する。 The present invention relates to solid secondary batteries.
リチウムを負極活物質として使用する固体二次電池としては、充電によって負極層に析出するリチウムを活物質として用いるものを挙げることができる。このような固体二次電池においては、負極層側に析出したリチウムが、固体電解質層の隙間を縫うように枝状に成長してしまうと電池の短絡の原因となるばかりでなく、電池容量の低下を引き起こしてしまう。 Examples of solid secondary batteries using lithium as a negative electrode active material include those using lithium deposited on the negative electrode layer by charging as an active material. In such a solid secondary battery, if the lithium deposited on the negative electrode layer side grows in the form of branches that weave through the gaps in the solid electrolyte layer, it not only causes a short circuit in the battery, but also reduces the battery capacity. cause a decline.
そこで、固体電解質層におけるリチウムデンドライトの発生や成長を抑えることが出来る全固体二次電池として特許文献1のようなものが考えられている。この特許文献1記載の全固体二次電池においては、負極活物質としてリチウムと合金又は化合物を形成する合金形成元素を使用することによって、充電の初期には負極活物質層内にリチウムが吸蔵され、この負極活物質層の充電容量を超えた後に、負極活物質層の内部又は負極活物質層の裏側(集電体側)にリチウムを析出させることができる。その結果、固体電解質層におけるリチウムデンドライトの発生や成長を抑えて、短絡及び電池容量の低下を抑えることができる。
Therefore, as an all-solid secondary battery capable of suppressing the generation and growth of lithium dendrites in the solid electrolyte layer, the one disclosed in
しかしながら、この特許文献1に記載の負極層を、固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有する固体電解質層と組み合わせて使用したところ、期待した程には短絡抑制効果を得ることができなかったため、固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有する固体電解質層と組み合わせて使用する場合には、リチウムデンドライトの抑制について改善の余地があると考えられる。
そこで、本発明は、固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有する固体電解質層を備える固体二次電池においても、リチウムデンドライトの発生や成長を十分に抑制し、短絡や電池容量の低下を抑えることができる固体二次電池を提供することを目的とする。
However, when the negative electrode layer described in
Therefore, the present invention sufficiently suppresses the generation and growth of lithium dendrites even in a solid secondary battery having a solid electrolyte layer containing only an oxide-based solid electrolyte as a solid electrolyte, and suppresses short circuit and decrease in battery capacity. An object of the present invention is to provide a solid secondary battery capable of
本発明は、前述した課題を解決するために本発明者が鋭意検討した結果、負極層と固体電解質層との間の結着力を制御することによって、固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有する固体電解質層を備える固体二次電池においても十分な短絡抑制効果を発揮させることができることを見出して初めて完成したものである。 As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above-described problems, the present invention has been made by controlling the binding force between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer to contain only an oxide-based solid electrolyte as the solid electrolyte. It was not completed until it was discovered that even a solid secondary battery having a solid electrolyte layer that has a solid electrolyte layer that is capable of exhibiting a sufficient short-circuit suppressing effect can be exhibited.
すなわち、本発明に係る固体二次電池は、正極層、負極層及び前記正極層と前記負極層との間に配置された固体電解質層とを備えるものであって、前記固体電解質層が固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有するものであり、前記負極層と前記固体電解質層との間の結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下であることを特徴とするものである。 That is, a solid secondary battery according to the present invention includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the solid electrolyte layer is a solid electrolyte. It contains only an oxide-based solid electrolyte as a solid electrolyte, and is characterized in that the binding force between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer is 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less.
このように構成した固体二次電池によれば、負極層と固体電解質層との間の結着力を14mN/mm以上100mN/mm以下にしてあるので、硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層よりも硬い酸化物系固体電解質からなる固体電解質層を使用した場合であっても、負極層と固体電解質層との間にリチウムが析出することを抑えて、リチウムデンドライトの発生や成長を十分に抑制しすることができる。リチウムデンドライトの発生や成長による固体二次電池の短絡及び容量低下を抑制することができる。 According to the solid secondary battery configured in this way, since the binding force between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer is set to 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less, the solid electrolyte layer containing the sulfide-based solid electrolyte Even when a solid electrolyte layer made of an oxide-based solid electrolyte harder than the solid electrolyte is used, the deposition of lithium between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer is suppressed, and the generation and growth of lithium dendrites are sufficiently prevented. can be suppressed. It is possible to suppress the short circuit and capacity reduction of the solid secondary battery due to the generation and growth of lithium dendrites.
前記負極層が、板状又は箔状の負極集電体と、該負極集電体上に積層された負極活物質層とを備えるものであり、前記負極活物質層の膜強度が16MPa以上85MPa以下であるものとすれば、前記負極活物質層中にリチウムが析出して前記負極活物質層中に亀裂が発生することを抑えることができるので好ましい。 The negative electrode layer includes a plate-shaped or foil-shaped negative electrode current collector and a negative electrode active material layer laminated on the negative electrode current collector, and the film strength of the negative electrode active material layer is 16 MPa or more and 85 MPa. If the ratio is below, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the negative electrode active material layer due to deposition of lithium in the negative electrode active material layer, which is preferable.
本発明の具体的な実施態様としては、前記負極活物質層が、リチウムと合金または化合物を形成する負極活物質を含有するものを挙げることができる。 As a specific embodiment of the present invention, the negative electrode active material layer may contain a negative electrode active material that forms an alloy or compound with lithium.
本発明に係る固体二次電池によれば、負極活物質層の初期充電容量を超えて充電することによって負極層にリチウムを析出させる固体二次電池において、固体電解質層を形成する固体電解質として酸化物系固体電解質を使用した場合であっても、リチウムが析出することによる短絡や電池容量の低下を抑えることができる。 According to the solid secondary battery according to the present invention, in the solid secondary battery in which lithium is deposited on the negative electrode layer by charging exceeding the initial charge capacity of the negative electrode active material layer, oxidation as a solid electrolyte forming the solid electrolyte layer Even when a solid electrolyte is used, it is possible to suppress short-circuiting and reduction in battery capacity due to deposition of lithium.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.
<1.本実施形態に係る固体二次電池の基本構成>
本実施形態に係る固体二次電池は、図1に示すように、正極層10、負極層20、及び固体電解質層30を備える全固体二次電池1である。
<1. Basic Configuration of Solid Secondary Battery According to Present Embodiment>
The solid secondary battery according to this embodiment is an all-solid
(1-1.正極層)
正極層10は、正極集電体11及び正極活物質層12を含む。正極集電体11としては、例えば、インジウム(In)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)またはこれらの合金からなる板状体または箔状体等が挙げられる。正極集電体11は省略されても良い。
(1-1. Positive electrode layer)
The
正極活物質層12は、正極活物質及び固体電解質を含む。なお、正極層10に含まれる固体電解質は、固体電解質層30の項で説明する酸化物系固体電解質であっても良いし、硫化物系固体電解質であっても良い。
The positive electrode
正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することが可能な正極活物質であればよい。 The positive electrode active material may be any positive electrode active material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions.
例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム(以下、LCOと称する)、ニッケル酸リチウム(Lithium nickel oxide)、ニッケルコバルト酸リチウム(lithium nickel cobalt oxide)、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(以下、NCAと称する)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(以下、NCMと称する)、マンガン酸リチウム(Lithium manganate)、リン酸鉄リチウム(lithium iron phosphate)等のリチウム塩、硫化ニッケル、硫化銅、硫化リチウム、硫黄、酸化鉄、または酸化バナジウム(Vanadium oxide)等を用いて形成することができる。これらの正極活物質は、それぞれ単独で用いられてもよく、また2種以上を組み合わせて用いられてもよい。 For example, the positive electrode active material includes lithium cobalt oxide (hereinafter referred to as LCO), lithium nickel oxide, lithium nickel cobalt oxide, and lithium nickel cobalt aluminum oxide (hereinafter referred to as NCA). , lithium salts such as nickel cobalt lithium manganate (hereinafter referred to as NCM), lithium manganate, lithium iron phosphate, nickel sulfide, copper sulfide, lithium sulfide, sulfur, iron oxide, Alternatively, it can be formed using vanadium oxide or the like. These positive electrode active materials may be used alone, or two or more of them may be used in combination.
また、正極活物質は、上述したリチウム塩のうち、層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩を含んで形成されることが好ましい。ここで「層状岩塩型構造」とは、立方晶岩塩型構造の<111>方向に酸素原子層と金属原子層とが交互に規則配列し、その結果それぞれの原子層が二次元平面を形成している構造である。また「立方晶岩塩型構造」とは、結晶構造の1種である塩化ナトリウム型構造のことを表し、具体的には、陽イオンおよび陰イオンの各々が形成する面心立方格子が互いに単位格子の稜の1/2だけずれて配置された構造を表す。 Moreover, it is preferable that the positive electrode active material is formed by including a lithium salt of a transition metal oxide having a layered rock salt structure among the lithium salts described above. Here, the “layered rocksalt structure” means that oxygen atomic layers and metal atomic layers are alternately and regularly arranged in the <111> direction of the cubic rocksalt structure, and as a result, each atomic layer forms a two-dimensional plane. It is a structure that The term "cubic rock salt structure" refers to a sodium chloride structure, which is a type of crystal structure. represents a structure that is offset by 1/2 of the edge of .
このような層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩としては、例えば、LiNixCoyAlzO2(NCA)、またはLiNixCoyMnzO2(NCM)(ただし、0<x<1、0<y<1、0<z<1、かつx+y+z=1)などの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩が挙げられる。 Lithium salts of transition metal oxides having such a layered rocksalt structure include, for example, LiNixCoyAlzO2 ( NCA ) or LiNixCoyMnzO2 ( NCM ) (where 0 <x<1,0<y<1,0<z<1, and x+y+z=1), and lithium salts of ternary transition metal oxides.
正極活物質が、上記の層状岩塩型構造を有する三元系遷移金属酸化物のリチウム塩を含む場合、全固体二次電池1のエネルギー(energy)密度および熱安定性を向上させることができる。
When the positive electrode active material contains the lithium salt of the ternary transition metal oxide having the layered rock salt structure, the energy density and thermal stability of the all-solid
正極活物質は、被覆層によって覆われていても良い。ここで、本実施形態の被覆層は、全固体二次電池の正極活物質の被覆層として公知のものであればどのようなものであってもよい。被覆層の例としては、例えば、Li2O-ZrO2等が挙げられる。 The positive electrode active material may be covered with a coating layer. Here, the coating layer of the present embodiment may be of any type as long as it is known as a coating layer of a positive electrode active material for an all-solid secondary battery. Examples of coating layers include Li 2 O—ZrO 2 and the like.
また、正極活物質が、NCAまたはNCMなどの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩にて形成されており、正極活物質としてニッケル(Ni)を含む場合、全固体二次電池1の容量密度を上昇させ、充電状態での正極活物質からの金属溶出を少なくすることができる。これにより、本実施形態に係る全固体二次電池1は、充電状態での長期信頼性およびサイクル(cycle)特性を向上させることができる。
Further, when the positive electrode active material is formed of a lithium salt of a ternary transition metal oxide such as NCA or NCM and contains nickel (Ni) as the positive electrode active material, the capacity density of the all-solid
ここで、正極活物質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。また、正極活物質の粒径は特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極活物質に適用可能な範囲であれば良い。なお、正極層10における正極活物質の含有量も特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極層に適用可能な範囲であれば良い。
Here, examples of the shape of the positive electrode active material include particle shapes such as spherical and elliptical. Moreover, the particle size of the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is within a range applicable to the positive electrode active material of conventional all-solid secondary batteries. The content of the positive electrode active material in the
また、正極層10には、上述した正極活物質および固体電解質に加えて、例えば、導電助剤、結着材、フィラー(filler)、分散剤、イオン導電助剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。
In addition to the above-described positive electrode active material and solid electrolyte, the
正極層10に配合可能な導電助剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉等を挙げることができる。また、正極層10に配合可能なバインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。さらに、正極層10に配合可能なフィラー、分散剤、イオン導電助剤等としては、一般に全固体二次電池の電極に用いられる公知の材料を用いることができる。
Examples of conductive aids that can be blended in the
(1-2.負極層)
負極層20は、負極集電体21及び該負極集電体21上に積層された負極活物質層22を含む。負極集電体21は、リチウムと反応しない、すなわち合金および化合物のいずれも形成しない材料で構成されることが好ましい。負極集電体21を構成する材料としては、例えば、銅(Cu)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)が挙げられる。負極集電体21は、これらの金属のいずれか1種で構成されていても良いし、2種以上の金属の合金またはクラッド材で構成されていても良い。負極集電体21は、例えば板状または箔状である。
(1-2. Negative electrode layer)
The
負極活物質層22は、負極活物質を含む。
負極活物質は、例えば、無定形炭素と、充電時に電気化学反応によりリチウムと合金又は化合物を形成する元素である合金形成元素とを含むもの挙げることができる。前記合金形成元素としては、金、白金、パラジウム、ケイ素、銀、アルミニウム、ビスマス、錫、および亜鉛からなる群から選択されるいずれか1種以上を挙げることができる。ここで、無定形炭素としては、例えば、カーボンブラック(Carbon black)、グラフェン(graphene)等が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック(acetylene black, furnace black, ketjen black)等を挙げることができる。また、電子導電性向上のために、ケイ素はその表面を厚さ1nm以上10nm以下程度の炭素層で被覆されていてもよい。
The negative electrode
Examples of the negative electrode active material include those containing amorphous carbon and an alloying element that forms an alloy or compound with lithium through an electrochemical reaction during charging. Examples of the alloying element include at least one selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc. Here, examples of amorphous carbon include carbon black and graphene. Examples of carbon black include acetylene black, furnace black, ketjen black, and the like. In order to improve electronic conductivity, the surface of silicon may be coated with a carbon layer having a thickness of about 1 nm or more and 10 nm or less.
ここで、前記合金形成元素として金、白金、パラジウム、ケイ素、銀、アルミニウム、ビスマス、錫、および亜鉛のいずれか1種以上を使用する場合、これらの負極活物質は、例えば粒形状のものであり、その粒径は4μm以下、より好ましくは300nm以下であることが好ましい。この場合、全固体二次電池1の特性が更に向上する。ここで、負極活物質の粒径は、例えばレーザー式粒度分布系を用いて測定したメジアン径(いわゆるD50)を用いることができる。
Here, when any one or more of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc is used as the alloying element, these negative electrode active materials are, for example, in the form of particles. and the particle size thereof is preferably 4 μm or less, more preferably 300 nm or less. In this case, the characteristics of the all-solid
負極活物質層22には、前述した以外にも、従来の全固体二次電池で使用される添加剤、例えば、バインダ、フィラー、分散剤、イオン導電剤、固体電解質等が適宜配合されていてもよい。
In addition to the above, the negative electrode
(1-3.固体電解質層)
固体電解質層30は、正極層10および負極層20の間に形成され、固体電解質を含む。
(1-3. Solid electrolyte layer)
The
固体電解質としては、本実施形態では酸化物系固体電解質を使用している。
酸化物系固体電解質としては、例えば、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li0.34La0.51TiO2.94、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、50Li4SiO4-50Li2BO3、90Li3BO3-10Li2SO4、Li2.9PO3.3N0.46、Li7La3Zr2O12等を挙げることができる。
As the solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte is used in this embodiment.
Examples of oxide-based solid electrolytes include Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 0.34 La 0.51 TiO 2.94 , Li 1.07 Al 0.69 Ti 1.46 ( PO4 ) 3 , 50Li4SiO4-50Li2BO3 , 90Li3BO3-10Li2SO4 , Li2.9PO3.3N0.46 , Li7La3Zr2O12 _ _ _ _ _ etc. can be mentioned.
固体電解質層30は、さらにバインダを含有していても良く。バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。固体電解質層30内のバインダは、正極活物質層12および負極活物質層22内のバインダと同種であってもよいし、異なっていても良い。
なお、本実施形態では、固体電解質層30は、固体電解質として前述した酸化物系固体電解質のみを含有するものを使用している。さらに言えば、本実施形態の固体電解質層30は、酸化物系固体電解質のみからなるものである。
In addition, in this embodiment, the
(1-4.正極層と負極層との充電容量の関係)
本実施形態に係る全固体二次電池1は、正極活物質層12の充電容量と負極活物質層22の充電容量との比、すなわち容量比が、以下の数式(1)の要件を満たすように構成されている。
0.01<b/a<0.5 (1)
a:正極活物質層12の充電容量(mAh)
b:負極活物質層22の充電容量(mAh)
(1-4. Relation between charge capacity of positive electrode layer and negative electrode layer)
In the all-solid
0.01<b/a<0.5 (1)
a: charge capacity (mAh) of positive electrode
b: charge capacity (mAh) of negative electrode
ここで、正極活物質層12の充電容量は、正極活物質の充電容量密度(mAh/g)に正極活物質層12中の正極活物質の質量を乗じることで得られる。正極活物質が複数種類使用される場合、正極活物質毎に充電容量密度×質量の値を算出し、これらの値の総和を正極活物質層12の充電容量とすれば良い。負極活物質層22の充電容量も同様の方法で算出される。すなわち、負極活物質層22の充電容量は、負極活物質の充電容量密度(mAh/g)に負極活物質層22中の負極活物質の質量を乗じることで得られる。負極活物質が複数種類使用される場合、負極活物質毎に充電容量密度×質量の値を算出し、これらの値の総和を負極活物質層22の容量とすれば良い。ここで、正極および負極活物質の充電容量密度は、リチウム金属を対極に用いた全固体ハーフセルを用いて見積もられた容量である。実際には、全固体ハーフセルを用いた測定により正極活物質層12および負極活物質層22の充電容量が直接測定される。
Here, the charge capacity of the positive electrode
充電容量を直接測定する具体的な方法としては、以下の様な方法を挙げることができる。まず正極活物質層12の充電容量は、正極活物質層12を作用極、Liを対極として使用したテストセルを作製し、OCV(開放電圧)から上限充電電圧までCC-CV充電を行うことで測定する。該上限充電電圧とは、JIS C 8712:2015の規格で定められたものであり、リチウムコバルト酸系の正極に対しては4.25V、それ以外の正極についてはJIS C 8712:2015のA.3.2.3(異なる上限充電電圧を適用する場合の安全要求事項)の規定を適用して求められる電圧を指す。負極活物質層22の充電容量については、負極活物質層22を作用極、Liを対極として使用したテストセルを作製し、OCV(開放電圧)から0.01VまでCC-CV充電を行うことで測定する。
Specific methods for directly measuring the charge capacity include the following methods. First, the charge capacity of the positive electrode
前述したテストセルについては、例えば、以下のような方法で作製することができる。充電容量を測定したい正極活物質層12又は負極活物質層22を直径13mmの円板状に打ち抜く。全固体二次電池1に用いるものと同じ固体電解質粉末200mgを40MPaで固めて、直径13mmで厚みが約1mmのペレット状にする。内径が13mmの筒の内部にこのペレットを入れて、その片側から円板状に打ち抜いた正極活物質層12又は負極活物質層22を入れ、反対側から直径13mm厚みが0.03mmのリチウム箔を入れる。さらに両側からステンレス鋼の円板を1つずつ入れて、全体を筒の軸方向に300MPaで一分間加圧して内容物を一体化させる。一体化した内容物を筒から取り出して、常時22MPaの圧力がかかるようにケース内に封入してテストセルとする。正極活物質層12の充電容量測定は、上記のようにして作製したテストセルを、例えば、電流密度0.1mAでCC充電をした後、0.02mAまでCV充電をすることによって行うことができる。
The test cell described above can be produced, for example, by the following method. The positive electrode
この充電容量をそれぞれの活物質の質量で除算することで、充電容量密度が算出される。正極活物質層12および負極活物質層22の初期充電容量は、1サイクル目の充電時に測定される初期充電容量であってもよい。後述する実施例では、この値を用いた。
By dividing this charge capacity by the mass of each active material, the charge capacity density is calculated. The initial charge capacities of the positive electrode
このように、負極活物質層22の充電容量に対して正極活物質層12の充電容量が過大になる。後述するように、本実施形態では、全固体二次電池1を、負極活物質層22の充電容量を超えて充電する。すなわち、負極活物質層22を過充電する。充電の初期には、負極活物質層22内にリチウムが吸蔵される。すなわち、負極活物質は、正極層10から移動してきたリチウムイオンと合金を形成する。負極活物質層22の容量を超えてさらに充電が行われると、図2に示すように、負極活物質層22の裏側、すなわち負極集電体21と負極活物質層22との間にリチウムが析出し、このリチウムによってリチウム析出層23が形成される。リチウム析出層23は、リチウム以外の元素も微量ながら含有するものの、主にリチウム(主に、金属リチウム)で構成される。
このような現象は、負極活物質として特定の物質、すなわちリチウムと合金又は化合物を形成する合金形成元素を含有することで生じる。放電時には、負極活物質層22およびリチウム析出層23中のリチウムがイオン化し、正極層10側に移動する。
したがって、本実施形態に係る全固体二次電池1では、析出したリチウムを負極活物質として使用することができる。さらに、負極活物質層22は、リチウム析出層23を被覆するので、リチウム析出層23の保護層として機能するとともに、デンドライトの析出及び成長を抑制することができる。これにより、全固体二次電池1の短絡および容量低下が抑制され、ひいては、全固体二次電池1の特性が向上する。
As described above, the charge capacity of the positive electrode
Such a phenomenon occurs when the negative electrode active material contains a specific substance, that is, an alloying element that forms an alloy or compound with lithium. During discharge, lithium in the negative electrode
Therefore, in the all-solid
ここで、前記容量比は0.01より大きい。容量比が0.01以下となる場合、全固体二次電池1の特性が低下する。この理由としては、負極活物質層22が保護層として十分機能しなくなることが挙げられる。例えば、負極活物質層22の厚さが非常に薄い場合、容量比が0.01以下となりうる。この場合、充放電の繰り返しによって負極活物質層22が崩壊し、デンドライトが析出、成長する可能性がある。この結果、全固体二次電池1の特性が低下する。特許文献1では、界面層あるいはカーボン(carbon)層が薄すぎるために、全固体二次電池の特性が十分に改善しなかったと推察される。また、前記容量比は、0.5よりも小さいことが好ましい。前記容量比が0.5以上になると、負極におけるリチウムの析出量が減って、電池容量が減ってしまうことが考えられるからである。同様の理由から、前記容量比が0.25未満であることがより好ましいと考えられる。また、前記容量比が0.25未満であることによって電池の出力特性も、より向上させることができる。
wherein said capacitance ratio is greater than 0.01. If the capacity ratio is 0.01 or less, the characteristics of the all-solid
負極活物質層22の厚さは、上記数式(1)の要件を満たされる範囲であれば特に制限されないが、1μm以上20μm以下、より好ましくは1μm以上10μm以下であることが好ましい。負極活物質層22の厚さが1μm未満となる場合、全固体二次電池1の特性が十分に改善しない可能性がある。負極活物質層22の厚さが20μmを超える場合、負極活物質層22の抵抗値が高くなり、結果として全固体二次電池1の特性が十分に改善しない可能性がある。
前述した負極活物質層22の厚みは、例えば、全固体二次電池を組み立てて、加圧成形した後の断面の平均厚みを走査電子顕微鏡(SEM)で観察することによって見積もることができる。
The thickness of the negative electrode
The thickness of the negative electrode
<2.本実施形態に係る固体二次電池の特徴構成>
しかして、本実施形態に係る全固体二次電池1は、負極活物質層22と固体電解質層30との間の結着力が、14mN/mm以上100mN/mm以下であることを特徴とする。この結着力は、14mN/mm以上98mN/mm以下であることがより好ましく、20mN/mm以上61mN/mm以下であることが特に好ましい。
負極活物質層22と固体電解質層30との間の結着力は、株式会社島津製作所製AGS―Xを用いて、剥離強度を計測することによって測定することができる。
<2. Characteristic configuration of the solid secondary battery according to the present embodiment>
Thus, the all-solid
The binding force between the negative electrode
負極活物質層22と固体電解質層30との間の結着力を前述した範囲にする方法としては様々な方法が考えられるが、具体的な方法としては、例えば、固体電解質層30の表面粗さを、例えば、Sa(算術平均高さ)で0.05μm以上0.6μm以下の範囲、より好ましくは0.1μm以上0.5μm以下、とくに好ましくは0.2μm以上0.4μm以下の範囲とする方法を挙げることができる。このように固体電解質層30の負極活物質層22との接触面の表面粗さを調節することによって、固体電解質層30と負極活物質層22との接触面積を大きくしてこれらの間の結着力を向上させることができる。固体電解質層30の表面粗さは、後述する固体電解質層30の研磨条件や酸処理の強度によって制御することが可能であり、酸処理の強度は、例えば、使用する酸の濃度や処理時間、処理温度等によって制御することが可能である。
Various methods are conceivable as a method for making the binding force between the negative electrode
また、本実施形態に係る全固体二次電池1の負極活物質層22は、その膜強度が16MPa以上85MPa以下であることが好ましく、18MPa以上82MPa以下であることがより好ましい。
負極活物質層22の膜強度は、ダイプラ・ウィンテス株式会社製のSAICASを用いて、せん断強度を計測することによって測定することができる。
負極活物質層22の膜強度は、例えば、負極活物質として含有されている無定形炭素の種類やバインダの種類、バインダの含有量などの組み合わせを調節することによって制御することができる。例えば、無定形炭素として、比表面積が比較的大きいものを使用すると、1つの無定形炭素に結合するバインダの数が増える傾向にあるために、膜強度を維持するためにはバインダの含有量をより高める必要がある。また、分子量が大きいひも状のバインダ等を使用すれば、バインダの含有量を低く抑えた場合であっても、バインダ同士又はバインダと無定形炭素とが接着しやすくなるために膜強度を高めることができる傾向がある。
Further, the negative electrode
The film strength of the negative electrode
The film strength of the negative electrode
本実施形態において、負極活物質層22に使用することができるバインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、ポリエチレン(polyethylene)、ポリメタクリルさんメチル(PMMA)等を挙げることができる。バインダとしては、これらのうち1種を使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。
In the present embodiment, binders that can be used for the negative electrode
理想的な膜強度を実現するための好ましいバインダの含有率は、負極活物質層22の総質量に対して0.5質量%以上30質量%以下であり、3質量%以上20質量%以下であることがより好ましい。
負極活物質層22全体に対する合金形成元素の含有量が5質量%以上25質量%以下、無定形炭素の含有量が50質量%以上90質量%以下であることが好ましく、合金形成元素の含有量が8質量%以上23質量%以下、無定形炭素の含有量が60質量%以上86質量%以下であることがより好ましい。
A preferred binder content for achieving ideal film strength is 0.5% by mass or more and 30% by mass or less, and 3% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the total mass of the negative electrode
It is preferable that the content of the alloying element with respect to the entire negative electrode
<3.本実施形態に係る固体二次電池の製造方法>
続いて、本実施形態に係る全固体二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る全固体二次電池1は、正極層10、負極層20、および固体電解質層30をそれぞれ製造した後、上記の各層を積層することにより製造することができる。
<3. Method for manufacturing a solid secondary battery according to the present embodiment>
Next, a method for manufacturing the all-solid
(3-1.正極層作製工程)
まず、正極活物質層12を構成する材料(正極活物質、バインダ等)を混合した後に、正極集電体11に積層し、得られた積層体を加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことで、正極層10を作製する。加圧工程は省略されても良い。正極活物質層12を構成する材料の混合物をペレット(pellet)状に圧密化成形するか、あるいはシート状に引き伸ばすことで正極層10を作製してもよい。これらの方法により正極層10を作製する場合、正極集電体11は、作製したペレットあるいはシートに圧着しても良い。正極活物質層は12、正極活物質層を構成する材料を非極性溶媒に添加することで、作製したスラリー(slurry)(スラリーはペースト(paste)であってもよい。他のスラリーも同様である。)を正極集電体11上に塗布し、乾燥することによって形成するものとしても良い。
(3-1. Positive electrode layer preparation process)
First, after mixing the materials (positive electrode active material, binder, etc.) constituting the positive electrode
(3-2.負極層作製工程)
まず、負極活物質層22を構成する負極活物質層材料(負極活物質、合金非形成元素、バインダ等)を極性溶媒または非極性溶媒に添加することで、スラリーを作製する。ついで、得られたスラリーを負極集電体21上に塗布し、乾燥する。ついで、得られた積層体を加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことで、負極層20を作製する。加圧工程は省略されても良い。なお、負極活物質層22を別途形成した後に、負極集電体21に積層して加圧する方法によって負極層20を作製するものとしても良い。
(3-2. Negative electrode layer preparation process)
First, slurry is prepared by adding negative electrode active material layer materials (negative electrode active material, non-alloying elements, binders, etc.) constituting the negative electrode
(3-3.固体電解質層作製工程)
固体電解質層30は、例えば、以下のような手順又は工程により作製することができる。
(3-3. Solid electrolyte layer preparation process)
The
固体電解質層30は、原料を配合して配合材料を得る配合工程と、得られた配合材料を焼成する焼成工程とを有する。ここでは一例として、ガーネット型酸化物の焼結体からなる固体電解質層30の作製方法を説明する。
The
前記配合工程では、原料として例えば、Li成分、La成分及びZr成分を少なくとも含有する材料を配合して配合材料を得る。
配合材料に含有される各成分は、ガーネット型結晶構造又はガーネット型結晶構造類似の結晶構造を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料が得られる成分比となっている。
In the blending step, materials containing at least Li component, La component and Zr component are blended as raw materials to obtain a blended material.
Each component contained in the blended material has a component ratio that yields a lithium ion conductive ceramic material having a garnet-type crystal structure or a crystal structure similar to a garnet-type crystal structure.
この配合材料に対して、例えば、ホウ素酸化物などの焼結助剤を添加し、ボールミルやジェットミルなどで混合することにより前駆体粉末を得る。
このようにして得た前駆体粉末を金型などに入れて加圧成形することによって、前駆体ペレットを得る。
Precursor powder is obtained by adding a sintering aid such as boron oxide to this compounded material and mixing the mixture with a ball mill, a jet mill, or the like.
Precursor pellets are obtained by putting the precursor powder thus obtained into a mold or the like and subjecting it to pressure molding.
次に焼成工程では、前述したようにして成形した前駆体ペレットを900℃~1250℃程度の温度で1時間~36時間程度加熱する。この時の焼結温度や、焼結時間は材料の配合などによって適宜変更することが可能である。 Next, in the firing step, the precursor pellets molded as described above are heated at a temperature of about 900° C. to 1250° C. for about 1 hour to 36 hours. The sintering temperature and sintering time at this time can be appropriately changed depending on the composition of the materials.
加熱方法は、特に限定されず、抵抗加熱やマイクロ波加熱等を用いることができる。焼結工程は、仮焼結と本焼結との2段階に分けて行っても良いし、前述した成形工程を焼結工程に含めて、通電焼結法や放電プラズマ焼結法などを採用するようにしても良い。 A heating method is not particularly limited, and resistance heating, microwave heating, or the like can be used. The sintering process may be carried out in two steps of preliminary sintering and main sintering, or the above-mentioned forming process may be included in the sintering process, and an electric current sintering method, a discharge plasma sintering method, or the like may be adopted. You can make it work.
本実施形態では、このようにして作製した固体電解質層30の表面を酸処理している。
この酸処理の工程は、例えば、リン酸を用いて行うことができる。リン酸処理に使用するリン酸の濃度は1mol/L以上10mol/L以下であることが好ましく、5mol/L以上6mol/L以下であることがより好ましい。酸処理時の温度は20℃以上60℃以下であることが好ましく、30℃以上55℃以下であることがより好ましい。また、酸処理の時間は5秒以上10分以下とすることが好ましく、30秒以上5分以下であることがより好ましく、1分以上2分以下であることが特に好ましい。酸処理に用いる酸濃度や処理温度、処理時間などについては、使用する固体電解質層の素材などによって適宜変更することが可能である。
In this embodiment, the surface of the
This acid treatment step can be performed using, for example, phosphoric acid. The concentration of phosphoric acid used for the phosphoric acid treatment is preferably 1 mol/L or more and 10 mol/L or less, more preferably 5 mol/L or more and 6 mol/L or less. The temperature during the acid treatment is preferably 20° C. or higher and 60° C. or lower, more preferably 30° C. or higher and 55° C. or lower. The acid treatment time is preferably 5 seconds or more and 10 minutes or less, more preferably 30 seconds or more and 5 minutes or less, and particularly preferably 1 minute or more and 2 minutes or less. The acid concentration, treatment temperature, treatment time, and the like used in the acid treatment can be appropriately changed depending on the material of the solid electrolyte layer to be used.
酸処理の前に、固体電解質層30の表面を研磨することによって、表面粗さを調整するようにしても良い。研磨を行うことによって、酸処理のみで固体電解質層30の表面粗さを調整する場合に比べて、固体電解質層30が脆くなりにくいので好ましい。
固体電解質層30を研磨する場合には、例えば、#280以上#5000以下の研磨紙で研磨をした後に、#300以上#10000以下のラッピングフィルムで仕上げ研磨をすることが好ましい。研磨紙としては、#300以上#2000以下のものを使用することがより好ましく、#600以上#1500以下のものが特に好ましい。仕上げ研磨の際のラッピングフィルムとしては、#400以上#4000以下のものを使用することがより好ましく、#600以上#2000以下ものが特に好ましい。
The surface roughness may be adjusted by polishing the surface of the
When the
(3-4.全固体二次電池の組立工程)
上記の方法で作製した正極層10、負極層20、および固体電解質層30を、正極層10と負極層20とで固体電解質層30を挟持するように積層し、加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことにより、本実施形態に係る全固体二次電池1を作製することができる。
(3-4. Assembly process of all-solid secondary battery)
The
上記の方法で作製した全固体二次電池1を動作させる際に、全固体電池に圧力をかけた状態で行うことが好ましい。
When operating the all-solid
上記圧力は、0.5MPa以上、10MPa以下であってもよい。また圧力の印加は、ステンレス、真鍮、アルミニウム、ガラスなどの2枚の硬い板の間に全固体電池を挟み、この2枚の板の間をねじで締めるなどの方法で行ってもよい。 The pressure may be 0.5 MPa or more and 10 MPa or less. Further, pressure may be applied by a method such as sandwiching the all-solid-state battery between two hard plates of stainless steel, brass, aluminum, glass or the like and tightening the two plates with screws.
<4.本実施形態に係る固体二次電池の充電方法>
つぎに、全固体二次電池1の充電方法について説明する。本実施形態では、前述したように、全固体二次電池1を、負極活物質層22の充電容量を超えて充電する。すなわち、負極活物質層22を過充電する。充電の初期には、負極活物質層22内にリチウムが吸蔵される。負極活物質層22の充電容量を超えて充電が行われると、例えば、図2に示すように、負極活物質層22の裏側、すなわち負極集電体21と負極活物質層22との間にリチウムが析出し、このリチウムによって製造時には存在していなかったリチウム析出層23が形成される。放電時には、負極活物質層22およびリチウム析出層23中のリチウムがイオン化し、正極層10側に移動する。
なお、充電量は、負極活物質層22の充電容量の2倍以上100倍以下の間の値、より好ましくは4倍以上100倍以下の範囲とすることが好ましい。
この充電時に負極層中に析出するリチウム析出層23の厚みは、10μm以上、より好ましくは20μm以上であることが好ましく、固体二次電池として実現可能な上限値である60μm以下の範囲とすることが好ましい。なお、このリチウム析出層23の厚みは、全固体二次電池1を充電した後の断面の平均厚みを走査電子顕微鏡(SEM)で観察することによって見積もることができる。
<4. Charging method for solid secondary battery according to the present embodiment>
Next, a method for charging the all-solid
The charge amount is preferably between 2 times and 100 times the charge capacity of the negative electrode
The thickness of the
<5.本実施形態の効果>
前述したように構成した全固体二次電池1によれば、負極活物質層22と固体電解質層30との間の結着力が20mN/mm以上100mN/mm以下であるので、負極活物質層22を過充電することによって析出するリチウムが負極活物質層22と固体電解質層30との間に析出することを抑えることができる。
<5. Effect of the present embodiment>
According to the all-solid
また、負極活物質層22の膜強度が16MPa以上85MPa以下であるので、リチウムが負極活物質層22の内部に析出することを抑えることができる。
Moreover, since the film strength of the negative electrode
以上に説明したように、本実施形態に係る全固体二次電池1によれば、負極活物質層22と負極集電体21との間にのみ選択的にリチウムを析出せることができる。その結果、負極活物質層22が負極集電体21と負極活物質層22の間に析出したリチウム析出層23の保護層として機能して、リチウムデンドライトの析出及び成長をさらに効果的に抑えることができる。
As described above, according to the all-solid
以上に説明したような理由から、本実施形態に係る全固体二次電池1においては短絡および容量低下が抑制され、ひいては、全固体二次電池の特性が向上する。
For the reasons explained above, the all-solid
<6.本発明の他の実施形態について>
固体電解質層は、前述したような酸化物系固体電解質のみを含有するものに限られず、酸化物系固体電解質とバインダ等とを含有するものであっても良い。
<6. Other Embodiments of the Present Invention>
The solid electrolyte layer is not limited to containing only the oxide-based solid electrolyte as described above, and may contain an oxide-based solid electrolyte and a binder or the like.
前記実施形態では、正極層、負極層及び固体電解質層が全て固体である全固体二次電池の場合を説明したが、本発明は固体の負極層と固体の固体電解質層とを備えている固体二次電池であれば適用可能であり、例えば、正極層の一部又は全部が固体ではない固体二次電池や、固体電解質に加えて電解液を含有する固体二次電池等にも適用可能である。 In the above embodiment, the all-solid secondary battery in which the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer are all solid has been described. Any secondary battery can be applied. For example, it can be applied to a solid secondary battery in which part or all of the positive electrode layer is not solid, a solid secondary battery containing an electrolytic solution in addition to a solid electrolyte, and the like. be.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can conceive of various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention.
以下に実施例を挙げて本発明に係る固体二次電池についてより詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The solid secondary battery according to the present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<固体二次電池の作製>
(負極層の作製)
各実施例及び比較例について、負極活物質として銀とカーボンとの混合粒子薄膜又はケイ素とカーボンとの混合粒子薄膜を下記の方法で作製した。銀又はケイ素は粒径約60nmのものを用い、カーボンは旭カーボン社製カーボンブラック(CB-1、CB-2の2種類)とDenka社製アセチレンブラック(AB)を用いた。カーボン6gと銀粒子(又はケイ素粒子)2gを容器に入れ、そこへバインダを含むNMP溶液を加え、NMPを少しずつ加えながら撹拌し、スラリーを作製する。10ミクロン厚のSUSからなる負極集電体上にブレードコーターを用いてこのスラリーを塗布し、空気中、80℃で約20分間乾燥させたのち、100℃で約12時間真空乾燥し、負極層とした。前記バインダとしては、PVdF、PMMA又はSBRの何れかを使用した。各実施例及び比較例について、負極活物質層の組成を後述する表1に示した。表1中の負極活物質層の組成の欄に記載された比は、各成分の質量比を表している。なお、前述したカーボンであるCB-1は比表面積がおよそ50m2/g、CB-2は比表面積がおよそ300m2/g、ABは比表面積がおよそ50m2/gであることを特徴とするものである。
<Production of solid secondary battery>
(Preparation of negative electrode layer)
For each example and comparative example, a mixed particle thin film of silver and carbon or a mixed particle thin film of silicon and carbon was produced as a negative electrode active material by the following method. Silver or silicon having a particle size of about 60 nm was used, and carbon black (2 types, CB-1 and CB-2) manufactured by Asahi Carbon Co., Ltd. and acetylene black (AB) manufactured by Denka Co., Ltd. were used. Put 6 g of carbon and 2 g of silver particles (or silicon particles) in a container, add an NMP solution containing a binder, and stir while adding NMP little by little to prepare a slurry. A blade coater was used to apply this slurry onto a negative electrode current collector made of SUS with a thickness of 10 microns. and PVdF, PMMA or SBR was used as the binder. Table 1 below shows the composition of the negative electrode active material layer for each example and comparative example. The ratio described in the column of composition of the negative electrode active material layer in Table 1 represents the mass ratio of each component. CB-1, which is the carbon mentioned above, has a specific surface area of about 50 m 2 /g, CB-2 has a specific surface area of about 300 m 2 /g, and AB has a specific surface area of about 50 m 2 /g. It is a thing.
(固体電解質層の作製)
固体電解質層には、5mol/Lのリン酸で1分間リン酸処理した酸化物系固体電解質(LLZO)のPellet(豊島製作所、Li7La3Zr2-xTaxO12(LLZ-Ta)を、真空乾燥したものを用いた。
なお、実施例15及び実施例16については、酸処理前に研磨処理を行った。より具体的には、#1000の研磨紙で研磨した後に、#600のラッピングフィルムで仕上げ研磨をおこなった。研磨紙及びラッピングフィルムの番手は、前述したものに限らず、前述した番手について±20%程度の範囲の番手のものをそれぞれ使用しても、同様の効果を得ることができる。
(Preparation of solid electrolyte layer)
For the solid electrolyte layer, an oxide-based solid electrolyte (LLZO) Pellet (Li7La3Zr2-xTaxO12 (LLZ-Ta) manufactured by Toyoshima Seisakusho Co., Ltd.) was phosphoricated with 5 mol/L phosphoric acid for 1 minute, and vacuum-dried. .
In Examples 15 and 16, the polishing treatment was performed before the acid treatment. More specifically, after polishing with #1000 abrasive paper, final polishing was performed with #600 lapping film. The grit of the abrasive paper and the lapping film is not limited to those described above, and similar effects can be obtained by using grit in the range of about ±20% of the grit mentioned above.
(正極層の作製)
正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)を用い、Li6PS5Cl固体電解質、導電剤であるカーボンナノファイバー(CNF)、バインダとしてPTFEバインダ(ダイキン製)を用い、正極活物質:固体電解質:CNF:PTFEバインダ=88:12:2:1(質量)の比率で混合し、シート状に引き伸ばしたものを正極活物質層とした。正極集電体としては、10μm厚のアルミニウム箔を使用し、このアルミ箔上に前述した正極活物質層を積層することによって正極層を作製した。
(Preparation of positive electrode layer)
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) was used as the positive electrode active material, Li 6 PS 5 Cl solid electrolyte, carbon nanofiber (CNF) as the conductive agent, and PTFE binder (manufactured by Daikin) as the binder. Materials:solid electrolyte:CNF:PTFE binder=88:12:2:1 (mass) were mixed and stretched into a sheet to form a positive electrode active material layer. An aluminum foil having a thickness of 10 μm was used as the positive electrode current collector, and the positive electrode layer was produced by laminating the above-described positive electrode active material layer on this aluminum foil.
(固体二次電池の作製)
こうして作製した正極層、固体電解質層、負極層を順に重ねて、真空中でラミネートフィルムに封じ、490MPaで30分間静水圧処理を行うことにより全固体二次電池を作製した。正極層と負極層のそれぞれ一部が、電池の真空を破らないようにラミネートフィルムから外に出るようになっており、この外に出た部分をそれぞれ正極層と負極層の端子とした。
(Production of solid secondary battery)
The positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer thus produced were stacked in order, sealed in a laminate film in vacuum, and hydrostatically treated at 490 MPa for 30 minutes to produce an all-solid secondary battery. A part of each of the positive electrode layer and the negative electrode layer protruded from the laminate film so as not to break the vacuum of the battery, and the protruded parts were used as terminals of the positive electrode layer and the negative electrode layer, respectively.
<負極活物質層と固体電解質層との間の結着力の測定>
株式会社島津製作所製AGS―Xを用いて、剥離強度を計測することによって測定した。具体的には、前述した二次電池の作製工程と同じ手順で固体電解質層の片面に負極層を重ねて静水圧処理したものを試験片として使用し、負加速度100mm/minで負極集電体を引っ張って剥離する際の90°剥離強度を測定した。剥離開始時から剥離終了時までの測定値の平均値を算出することによって剥離強度を測定した。なお、負極集電体を剥離しても固体電解質層の表面から負極活物質層を剥離できなかったサンプルについては、負極集電体を剥離した後に、負極活物質層の表面に粘着テープを貼り付け、この粘着テープを剥離する際の90°剥離強度を測定した。
<Measurement of binding force between negative electrode active material layer and solid electrolyte layer>
It was measured by measuring the peel strength using AGS-X manufactured by Shimadzu Corporation. Specifically, a negative electrode layer was laminated on one side of the solid electrolyte layer and subjected to hydrostatic pressure treatment in the same procedure as in the manufacturing process of the secondary battery described above. The 90° peel strength was measured when the was pulled and peeled. The peel strength was measured by calculating the average value of the measured values from the start of peeling to the end of peeling. For samples in which the negative electrode active material layer could not be peeled off from the surface of the solid electrolyte layer even when the negative electrode current collector was peeled off, an adhesive tape was attached to the surface of the negative electrode active material layer after the negative electrode current collector was peeled off. The 90° peel strength was measured when the pressure-sensitive adhesive tape was peeled off.
<負極活物質層の膜強度の測定>
ダイプラ・ウィンテス株式会社製のSAICASを用いて、せん断強度(みなしせん断強度)を計測することによって測定した。具体的には、ダイヤモンド刃を用いて負極活物質層を切り込み切削し、その際のせん断強度を測定することによって、負極活物質層の膜強度を測定した。具体的な実験条件は以下の通りである。
切削刃仕様:逃げ角10°,刃角60°,すくい角20°,刃幅1mm
切削刃移動条件: 水平 2μm/sec、垂直:0.2μm/sec
<Measurement of film strength of negative electrode active material layer>
It was measured by measuring the shear strength (deemed shear strength) using SAICAS manufactured by Daipla Wintes Co., Ltd. Specifically, the film strength of the negative electrode active material layer was measured by cutting the negative electrode active material layer with a diamond blade and measuring the shear strength at that time. Specific experimental conditions are as follows.
Cutting edge specifications:
Cutting blade movement conditions: Horizontal 2 μm/sec, Vertical: 0.2 μm/sec
<充電電流密度特性の評価>
このようにして作製した全固体二次電池の充電電流密度特性を、以下の条件で評価した。
測定は全固体二次電池を25℃の恒温槽に入れて行った。4.25Vまでの充電と2.5Vまでの放電を繰り返しおこない、充電後の放電は全て0.3mA/cm2の一定電流で行った。一方、充電はサイクルごとに電流密度を上げていき、初めのサイクルでは0.3mA/cm2、その後、0.1mA/cm2ずつ上昇させた。この時、短絡が生じずに充電できた最大電流を表1のCCD(Critical Current Density)の欄にそれぞれ示す。CCDが2.6mA/cm2とは、短絡なく2.6mA/cm2の充電電流まで行えたことを記している。なお、表1中の結着力は負極活物質層と固体電解質層との間の結着力を表し、膜強度は負極活物質層の膜強度を表している。
<Evaluation of charging current density characteristics>
The charging current density characteristics of the all-solid secondary battery thus produced were evaluated under the following conditions.
The measurement was performed by placing the all-solid secondary battery in a constant temperature bath at 25°C. Charging to 4.25 V and discharging to 2.5 V were repeated, and discharging after charging was performed at a constant current of 0.3 mA/cm 2 . On the other hand, the current density was increased for each cycle of charging, 0.3mA/cm 2 in the first cycle and then increased by 0.1mA/cm 2 . At this time, the column of CCD (Critical Current Density) in Table 1 shows the maximum current that could be charged without causing a short circuit. A CCD of 2.6 mA/cm 2 means that a charging current of up to 2.6 mA/cm 2 can be achieved without a short circuit. The binding strength in Table 1 indicates the binding strength between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and the film strength indicates the film strength of the negative electrode active material layer.
この表1の結果から、負極活物質層と固体電解質層との間の結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下の範囲である実施例1~16、においては、CCDの値が1.0以上となっており、実用化に耐える充電電流密度を達成できていることが分かった。
一方で、前記結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下の範囲外の比較例1、2においては、充電電流密度が1.0未満で短絡が起こってしまうことが分かった。
このことから、負極活物質層と固体電解質層との間の結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下の範囲内であれば、酸化物系の固体電解質を使用した場合であっても、リチウムの析出による固体二次電池の短絡を十分に抑制することができると考えられる。
なお、前記結着力が高いほど、固体電解質層と負極活物質層との間におけるリチウムの析出を抑えることができるので好ましいと考えられるが、前記結着力が高いほど、固体電解質層が脆くなってしまう。そこで、これらのバランスを取りやすい範囲としては、前記結着力の範囲が、14mN/mm以上61mN/mm以下の範囲であることがより好ましい。現在の技術では100mN/mmを超える結着力を実現しようとすると固体電解質が脆くなってしまうという問題が発生する。しかしながら、今後、固体電解質をできるだけ脆化させずに結着力を高めることができる技術が開発された場合には、この上限値を超えて固体二次電池の実施が可能になるとも考えられる。
From the results in Table 1, in Examples 1 to 16 in which the binding force between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer is in the range of 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less, the CCD value is 1.0. As described above, it was found that a charging current density suitable for practical use could be achieved.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, in which the binding force was outside the range of 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less, it was found that a short circuit occurred at a charging current density of less than 1.0.
From this, as long as the binding force between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer is in the range of 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less, even when an oxide-based solid electrolyte is used, lithium It is considered that the short circuit of the solid secondary battery due to the deposition of can be sufficiently suppressed.
It should be noted that the higher the binding force, the more it is possible to suppress the deposition of lithium between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer, which is considered preferable. put away. Therefore, it is more preferable that the range of the binding force is in the range of 14 mN/mm or more and 61 mN/mm or less as a range in which these are easily balanced. With the current technology, there arises a problem that the solid electrolyte becomes brittle when attempting to achieve a binding force exceeding 100 mN/mm. However, in the future, if a technique is developed that can increase the binding force of the solid electrolyte while minimizing embrittlement, it is possible that the upper limit will be exceeded and solid secondary batteries can be implemented.
実施例1、実施例3及び実施例6の結果から、固体電解質層に対する酸処理の温度を高くすることによって前記結着力が上昇する傾向があることが分かる。
実施例1と実施例4と実施例5との比較から、負極活物質層に含有される炭素の種類を変えても同様の結着力が得られることが分かった。
使用しているバインダの種類以外はほぼ同じ条件である実施例5、実施例9及び実施例10の結果から、負極活物質層に含まれるバインダの種類を変えても、同様の結着力が得られることが分かった。
また、実施例2と実施例15、実施例6と実施例16との比較から、酸処理の前に固体電解質層の表面を研磨することによって、固体電解質が脆くなることをできるだけ抑えて、結着力をさらに向上できることが分かった。
これらの結果から、負極活物質層と固体電解質層との間の結着力は、固体電解質層に対する酸処理の温度や研磨等の条件を変えることによって制御することができることが分かる。
From the results of Examples 1, 3 and 6, it can be seen that the binding force tends to increase as the acid treatment temperature for the solid electrolyte layer increases.
From the comparison of Example 1, Example 4, and Example 5, it was found that similar binding strength can be obtained even if the type of carbon contained in the negative electrode active material layer is changed.
From the results of Examples 5, 9, and 10 under almost the same conditions except for the type of binder used, similar binding strength was obtained even when the type of binder contained in the negative electrode active material layer was changed. I found out that I can.
Moreover, from the comparison between Example 2 and Example 15, and between Example 6 and Example 16, it was found that by polishing the surface of the solid electrolyte layer before the acid treatment, embrittlement of the solid electrolyte was suppressed as much as possible, and It was found that the adhesion can be further improved.
From these results, it can be seen that the binding force between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer can be controlled by changing conditions such as the acid treatment temperature and polishing conditions for the solid electrolyte layer.
なお、実施例1に使用した固体電解質層の負極活物質層と接触する面の表面粗さ(Sa)を測定しところ、Saは0.21μmであった。実施例6では固体電解質層のSaが0.28μm、実施例16では固体電解質層のSaが0.35μmとなっていたことから、負極活物質層と固体電解質層との間の結着力は、固体電解質層の表面粗さを調節することによって変化させることができると考えられる。 The surface roughness (Sa) of the surface of the solid electrolyte layer used in Example 1, which is in contact with the negative electrode active material layer, was measured and found to be 0.21 μm. Since the Sa of the solid electrolyte layer was 0.28 μm in Example 6 and the Sa of the solid electrolyte layer was 0.35 μm in Example 16, the binding force between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer was It is believed that it can be changed by adjusting the surface roughness of the solid electrolyte layer.
さらに、実施例1~16の中でも、負極活物質層の膜強度が16MPa以上85MPa以下である実施例1~7及び12~16においては、CCDが1.5以上となっており、より高い充電電流密度においても短絡せずに充電が可能であることが分かった。 Furthermore, among Examples 1 to 16, in Examples 1 to 7 and 12 to 16 in which the film strength of the negative electrode active material layer is 16 MPa or more and 85 MPa or less, the CCD is 1.5 or more, which indicates higher charging. It was found that charging is possible without short-circuiting even at current densities.
この膜強度については、実施例4、実施例5の結果から、膜強度は負極活物質層に使用する無定形炭素の種類によって制御することができると考えられる。
また、実施例6と実施例7と実施例11との比較から、負極活物質層におけるバインダの含有量を増やすことによって負極活物質層の膜強度が上昇する傾向があることが分かる。
また、実施例5、実施例9及び実施例10の結果から、負極活物質層の膜強度は、負極活物質層に含有するバインダの種類によっても変化することが分かる。
この結果から、負極活物質層の膜強度は、負極活物質層に使用する無定形炭素の種類、バインダの種類、バインダの含有量を変化させることによって制御することができると考えられる。
From the results of Examples 4 and 5, it is considered that the film strength can be controlled by the type of amorphous carbon used in the negative electrode active material layer.
Further, from a comparison of Example 6, Example 7, and Example 11, it can be seen that the film strength of the negative electrode active material layer tends to be increased by increasing the content of the binder in the negative electrode active material layer.
Moreover, from the results of Examples 5, 9, and 10, it can be seen that the film strength of the negative electrode active material layer also changes depending on the type of binder contained in the negative electrode active material layer.
From this result, it is considered that the film strength of the negative electrode active material layer can be controlled by changing the type of amorphous carbon used in the negative electrode active material layer, the type of binder, and the binder content.
1 固体二次電池
10 正極層
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 負極層
21 負極集電体
22 負極活物質層
23 リチウム析出層
30 固体電解質層
1 solid
Claims (7)
前記固体電解質層が固体電解質として酸化物系固体電解質のみを含有するものであり、
前記負極層と前記固体電解質層との間の結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下であることを特徴とする固体二次電池。 A solid secondary battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The solid electrolyte layer contains only an oxide-based solid electrolyte as a solid electrolyte,
A solid secondary battery, wherein the binding force between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer is 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less.
前記酸処理工程を経た固体電解質層を正極層と負極層との間に、前記固体電解質層と前記負極層との間の結着力が14mN/mm以上100mN/mm以下となるように積層する組立工程とを備えることを特徴とする固体二次電池の製造方法。 an acid treatment step of acid-treating the solid electrolyte layer;
Assembly in which the solid electrolyte layer that has undergone the acid treatment step is laminated between the positive electrode layer and the negative electrode layer so that the binding force between the solid electrolyte layer and the negative electrode layer is 14 mN/mm or more and 100 mN/mm or less. A method for manufacturing a solid secondary battery, comprising the steps of:
前記負極活物質層の充電容量を超えて充電することを特徴とする固体二次電池充電方法。 A method for charging the solid secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
A method of charging a solid secondary battery, characterized in that charging is performed beyond the charging capacity of the negative electrode active material layer.
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