JP2023049024A - Solid electrolyte and solid electrolyte cell - Google Patents

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JP2023049024A JP2022153255A JP2022153255A JP2023049024A JP 2023049024 A JP2023049024 A JP 2023049024A JP 2022153255 A JP2022153255 A JP 2022153255A JP 2022153255 A JP2022153255 A JP 2022153255A JP 2023049024 A JP2023049024 A JP 2023049024A
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Abstract

To provide a solid electrolyte having high ionic conductivity and a solid electrolyte cell.SOLUTION: There is provided a solid electrolyte cell 10 comprising a cathode 1, an anode 2 and a solid electrolyte layer 3, wherein when the specific surface area is S (m2/g), the average particle diameter is D (μm) and the real density is ρ (g/cm3), the solid electrolyte layer 3 is composed of a compound satisfying the following expression (1): S>6/(ρD) (1). Further, the cathode 1 has a cathode current collector 1A and a cathode active material layer 1B containing a cathode active material. The anode 2 has an anode current collector 2A and an anode active material layer 2B containing an anode active material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は固体電解質、及び固体電解質電池に関する。 The present invention relates to solid electrolytes and solid electrolyte batteries.

近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴って、電子機器の電源となる電池に対して、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれている。このため、電解質として固体電解質を用いる固体電解質電池が注目されている。固体電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質、錯体水素化物系固体電解質などが知られている。 2. Description of the Related Art In recent years, the development of electronics technology has been remarkable, and efforts have been made to reduce the size, weight, thickness, and functions of portable electronic devices. Along with this, there is a strong demand for batteries that serve as power sources for electronic devices to be smaller, lighter, thinner, and more reliable. For this reason, solid electrolyte batteries using a solid electrolyte as the electrolyte have attracted attention. Known solid electrolytes include oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, halide-based solid electrolytes, complex hydride-based solid electrolytes, and the like.

特許文献1には、一般式:ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含み、BサイトにCoを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする粉末であって、動的光散乱法に基づく平均粒子径(Dr)は0.1μm以上1μm以下であり、BET法に基づく比表面積から算出される球相当径である理想粒子径(Di)に対する前記平均粒子径(Dr)の比(Dr/Di)が2.5以上5以下である、ペロブスカイト型酸化物粉末が開示されている。
Patent Document 1 describes a powder represented by the general formula: ABO 3 , containing at least one of La and Sr at the A site and containing Co at the B site as a main component, and comprising a perovskite oxide as a main component, The average particle diameter (Dr) based on the scattering method is 0.1 μm or more and 1 μm or less, and the average particle diameter (Dr) with respect to the ideal particle diameter (Di), which is the equivalent sphere diameter calculated from the specific surface area based on the BET method. A perovskite-type oxide powder having a ratio (Dr/Di) of 2.5 or more and 5 or less is disclosed.

特開2018-37158号公報JP 2018-37158 A

しかしながら、従来の固体電解質電池では、固体電解質層に用いられる固体電解質のイオン伝導度が不十分であった。このため、従来の固体電解質電池では、十分な放電容量が得られなかった。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、イオン伝導度の高い固体電解質を提供することを目的とする。また、本発明は、上記固体電解質を含む固体電解質層、及びそれを含む放電容量の大きい固体電解質電池を提供することを目的とする。 However, in conventional solid electrolyte batteries, the ionic conductivity of the solid electrolyte used in the solid electrolyte layer is insufficient. For this reason, conventional solid electrolyte batteries have not been able to obtain sufficient discharge capacity. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid electrolyte having high ionic conductivity. Another object of the present invention is to provide a solid electrolyte layer containing the above-described solid electrolyte, and a solid electrolyte battery including the same and having a large discharge capacity.

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討を重ねた。その結果、固体電解質の比表面積をS(m/g)、平均粒径をD(μm)及び真密度をρ(g/cm)とした時に、下記式(1)を満たす固体電解質を用いればよいことを見出し、本発明を想到した。
S>6/(ρD)・・・(1)
すなわち、本発明は、以下の発明に関わる。
In order to solve the above problems, the inventors have made extensive studies. As a result, when the specific surface area of the solid electrolyte is S (m 2 /g), the average particle diameter is D (μm), and the true density is ρ (g/cm 3 ), a solid electrolyte satisfying the following formula (1) was obtained. The inventors have found that it is good to use it, and have conceived of the present invention.
S>6/(ρD) (1)
That is, the present invention relates to the following inventions.

[1]固体電解質の比表面積をS(m/g)、平均粒径をD(μm)及び真密度をρ(g/cm)としたときに、下記式(1)を満たす化合物を含む固体電解質。
S>6/(ρD)・・・(1)
[1] A compound that satisfies the following formula (1), where S (m 2 /g) is the specific surface area of the solid electrolyte, D (μm) is the average particle size, and ρ (g/cm 3 ) is the true density of the solid electrolyte. Solid electrolyte containing.
S>6/(ρD) (1)

[2]固体電解質層と、正極と、負極と、を備え、前記固体電解質層、前記正極及び前記負極から選択される少なくとも1つが[1]に記載の固体電解質を含む固体電解質電池。 [2] A solid electrolyte battery comprising a solid electrolyte layer, a positive electrode and a negative electrode, wherein at least one selected from the solid electrolyte layer, the positive electrode and the negative electrode contains the solid electrolyte according to [1].

本発明によれば、イオン伝導度の高い固体電解質を提供できる。また、本発明の固体電解質電池は、固体電解質層と、正極と、負極から選択される少なくともいずれかは、イオン伝導度の高い本発明の固体電解質を含む。このため、本発明の固体電解質電池は、内部抵抗が小さく放電容量の大きいものとなる。 According to the present invention, a solid electrolyte with high ionic conductivity can be provided. Further, in the solid electrolyte battery of the present invention, at least one selected from the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode contains the solid electrolyte of the present invention having high ionic conductivity. Therefore, the solid electrolyte battery of the present invention has a small internal resistance and a large discharge capacity.

本実施形態にかかる固体電解質電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the solid electrolyte battery concerning this embodiment.

以下、本発明の固体電解質、これを含む固体電解質層及び固体電解質電池について、詳細に説明する。
[固体電解質]
本実施形態の固体電解質は、固体電解質の比表面積をS(m/g)、平均粒径をD(μm)及び真密度をρ(g/cm)としたときに、下記式(1)を満たす化合物を含む固体電解質である。
S>6/(ρD)・・・(1)
The solid electrolyte, solid electrolyte layer and solid electrolyte battery containing the solid electrolyte of the present invention are described below in detail.
[Solid electrolyte]
The solid electrolyte of the present embodiment has the following formula (1 ) is a solid electrolyte containing a compound that satisfies
S>6/(ρD) (1)

固体電解質の比表面積S、平均粒径D及び真密度ρの測定方法は、下記の通りである。比表面積Sは、BET(Brunauer、Emmet and Teller)法で求める。測定するガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスを用いる。 The methods for measuring the specific surface area S, average particle diameter D and true density ρ of the solid electrolyte are as follows. The specific surface area S is determined by the BET (Brunauer, Emmet and Teller) method. Argon gas or nitrogen gas is used as the gas to be measured.

平均粒径Dは、粒度分布測定器で求める。固体電解質が溶解しない溶媒例えばトルエンに分散して、粒度分布測定器で測定する。固体電解質は、1次粒子が凝集して2次粒子となっている場合が多いが、ここで求める平均粒径Dは、固体電解質1次粒子が凝集した2次粒子の粒径の平均である。真密度ρは、ピクノメーター法で求める。測定する溶媒は、固体電解質が溶解しない溶媒例えばトルエンを使用する。 The average particle diameter D is obtained with a particle size distribution analyzer. The solid electrolyte is dispersed in a solvent in which the solid electrolyte is not dissolved, such as toluene, and measured with a particle size distribution analyzer. A solid electrolyte often has primary particles aggregated to form secondary particles, and the average particle size D obtained here is the average particle size of the secondary particles obtained by aggregating the primary particles of the solid electrolyte. . The true density ρ is obtained by the pycnometer method. A solvent in which the solid electrolyte does not dissolve, such as toluene, is used as the solvent for measurement.

本実施形態の固体電解質は、上記化合物からなる粉末(粒子)の状態であってもよいし、上記化合物からなる粉末を焼結した焼結体の状態とされていてもよい。また、本実施形態の固体電解質は、粉末を圧縮して成形した成形体、粉末とバインダーとの混合物を成形した成形体、粉末とバインダーと溶媒とを含む塗料を塗布した後、加熱して溶媒を除去することにより形成した塗膜の状態とされていてもよい。 The solid electrolyte of the present embodiment may be in the state of powder (particles) made of the above compound, or may be in the state of a sintered body obtained by sintering the powder made of the above compound. Further, the solid electrolyte of the present embodiment includes a molded body obtained by compressing powder, a molded body obtained by molding a mixture of powder and a binder, and a powder, a binder, and a solvent after applying a paint containing the powder, a binder, and a solvent. may be in the form of a coating film formed by removing the

本実施形態の固体電解質は、固体電解質の比表面積をS(m/g)、平均粒径をD(μm)及び真密度をρ(g/cm)とした時に、下記式(1)を満たす化合物を含む固体電解質である。
S>6/(ρD)・・・(1)
The solid electrolyte of the present embodiment has the following formula (1) when the specific surface area of the solid electrolyte is S (m 2 /g), the average particle size is D (μm), and the true density is ρ (g/cm 3 ). is a solid electrolyte containing a compound that satisfies
S>6/(ρD) (1)

(固体電解質の製造方法)
本実施形態の固体電解質が粉末状態である場合、例えば、所定のモル比で所定の元素を含む原材料を混合し、反応させる方法により製造できる。本実施形態の固体電解質が粉体である場合、例えば、メカノケミカル法により製造できる。メカノケミカル反応を起こすために、例えば、遊星型ボールミル装置を用いる。遊星型ボールミル装置は、密閉容器にメディア(粉砕またはメカノケミカル反応を促進するためのボール)と材料を投入し、自転及び公転を行い、材料に運動エネルギーを加えて、粉砕またはメカノケミカル反応を起こす装置である。一般的に、遊星型ボールミル装置は、冷却装置または加熱装置を付属していない。しかし、運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて、密閉容器(ひいては密閉容器内の材料)が加熱される場合がある。そのため、材料が加熱されないように、冷却装置が付属している遊星型ボールミル装置もある。また、メカノケミカル反応を促進できるように、密閉容器(ひいては密閉容器内の材料)を加熱する加熱機構を有する遊星型ボールミル装置もある。
(Method for producing solid electrolyte)
When the solid electrolyte of the present embodiment is in a powder state, it can be produced, for example, by mixing raw materials containing predetermined elements in a predetermined molar ratio and reacting them. When the solid electrolyte of the present embodiment is powder, it can be produced by, for example, a mechanochemical method. A planetary ball mill, for example, is used to cause the mechanochemical reaction. A planetary ball mill device puts media (balls to promote grinding or mechanochemical reaction) and materials into a closed container, rotates and revolves, and applies kinetic energy to the material to cause grinding or mechanochemical reaction. It is a device. Typically, planetary ball milling equipment does not come with cooling or heating devices. However, kinetic energy may be converted to thermal energy, heating the enclosure (and thus the material within the enclosure). Therefore, some planetary ball mills are equipped with a cooling device so that the material is not heated. There is also a planetary ball mill apparatus that has a heating mechanism that heats the closed container (and thus the material in the closed container) so that the mechanochemical reaction can be promoted.

遊星型ボールミル装置では、材料の反応する場所が密閉容器内であるので、投入した材料は基本的に逃げる場所がない(反応により気体が発生する場合は、その気体が密閉容器外に逃げる可能性はある)。また、冷却装置が付属している遊星型ボールミル装置を用いて材料を反応させる場合、反応中の材料が高温になりにくいので、相分離が起こりにくい。これに対して、例えば、焼成プロセスにより材料を反応させる場合には、高温で化学反応後に常温に戻るときに相分離が発生し、狙った化合物が得られない場合がある。 In a planetary ball mill, the place where the material reacts is inside the closed container, so basically there is no place for the material to escape. there is). Further, when the materials are reacted using a planetary ball mill equipped with a cooling device, the materials during the reaction are less likely to reach a high temperature, so phase separation is less likely to occur. On the other hand, for example, when materials are reacted by a firing process, phase separation occurs when the temperature returns to room temperature after the chemical reaction at high temperature, and the target compound may not be obtained.

遊星型ボールミル装置では、密閉容器として、例えばジルコニア製のものを使用する。この密閉容器に、所定の割合で所定の原材料を含む原料と、ジルコニア製のボールとを投入する。原材料が水分で加水分解するおそれがある場合、例えばアルゴンガスを循環している露点-99℃、酸素濃度1ppmのグローブボックス内で原料を取り扱う。原材料は、粉末であってもよいし、液体であっても良い。例えば、塩化チタン(TiCl)及び塩化すず(SnCl)は、常温で液体である。原材料を密閉容器に投入した後は、ジルコニア製の蓋をネジで閉めて密閉する。その後、所定の自転速度及び公転速度で所定時間運転する。この方法により、メカノケミカル反応が発生し、所定の組成を有する化合物からなる粉体状の固体電解質が得られる。 A planetary ball mill uses, for example, a closed container made of zirconia. A raw material containing a predetermined raw material in a predetermined ratio and a ball made of zirconia are put into this sealed container. If the raw material is likely to be hydrolyzed by moisture, the raw material is handled in a glove box with a dew point of −99° C. and an oxygen concentration of 1 ppm, in which argon gas is circulated, for example. The raw material may be powder or liquid. For example, titanium chloride ( TiCl4 ) and tin chloride ( SnCl4 ) are liquid at room temperature. After putting the raw materials into the airtight container, the lid made of zirconia is screwed to seal it. After that, it is operated for a predetermined time at a predetermined rotation speed and revolution speed. By this method, a mechanochemical reaction occurs and a powdery solid electrolyte made of a compound having a predetermined composition is obtained.

このようにして得られた粉体状の固体電解質は、例えば、ホットプレス法を用いて圧縮して成形体としてもよいし、熱間静水圧焼結技術(HIP)を用いて焼結した焼結体の状態としてもよい。また、上記の粉末状の固体電解質とバインダーと溶媒とを混合して塗料を作製し、これをフィルムなどに塗布した後、溶媒を除去し、必要に応じてプレスすることにより、塗膜の状態としてもよい。 The powdery solid electrolyte thus obtained may be compressed into a compact using, for example, a hot press method, or may be sintered using a hot isostatic sintering technique (HIP). It may be in a solid state. Alternatively, the powdery solid electrolyte, the binder and the solvent are mixed to prepare a paint, which is applied to a film or the like, the solvent is removed, and if necessary, the state of the coating film is obtained by pressing. may be

また、本実施形態の固体電解質が焼結体の状態である場合、例えば、以下に示す方法により製造できる。まず、所定の割合で所定の原材料を混合する。次いで、混合した原材料を所定の形状に成形し、真空中または不活性ガス雰囲気中で焼結する。原材料中に含まれるハロゲン化物原料は、温度を上げると蒸発しやすい。このため、焼結する際の雰囲気中にハロゲンガスを共存させて、ハロゲンを補ってもよい。また、密閉性の高い型を用いてホットプレス法により焼結しても良い。この場合、型の密閉性が高いため、焼結によるハロゲン化物原料の蒸発を抑制できる。このようにして焼結することにより、所定の組成を有する化合物からなる焼結体の状態の固体電解質が得られる。 Moreover, when the solid electrolyte of the present embodiment is in the state of a sintered body, it can be produced, for example, by the method shown below. First, predetermined raw materials are mixed in a predetermined ratio. Next, the mixed raw materials are formed into a predetermined shape and sintered in vacuum or in an inert gas atmosphere. The halide raw material contained in the raw material tends to evaporate when the temperature is raised. Therefore, a halogen gas may coexist in the atmosphere during sintering to compensate for the halogen. Alternatively, sintering may be performed by a hot press method using a highly airtight mold. In this case, since the mold is highly sealed, evaporation of the halide raw material due to sintering can be suppressed. By sintering in this manner, a solid electrolyte in the form of a sintered body made of a compound having a predetermined composition is obtained.

本実施形態の固体電解質は、アルカリ金属と、上記の特定の金属元素と、周期表第17族の元素と、から構成される化合物からなる。このため、本実施形態の固体電解質は、高いイオン伝導度を有する。 The solid electrolyte of the present embodiment is composed of a compound composed of an alkali metal, the above specific metal element, and an element of Group 17 of the periodic table. Therefore, the solid electrolyte of this embodiment has high ionic conductivity.

また、本実施形態の固体電解質における化合物は、式(1)で表される化合物であるので、高いイオン伝導度を有するものとなる。その理由は、詳細は不明であるが、次のように考えられる。式(1)で表される化合物において、粒子状の固体電解質のイオン伝導度は、粒子内部のイオン伝導(いわゆるバルクのイオン伝導)及び粒子間のイオン伝導に分けられる。バルクのイオン伝導は、結晶構造、組成に由来する。一方、固体電解質粒子間のイオン伝導は、固体電解質粒子間の界面の接合状態すなわちその界面状態(接触面積、接触強度)に影響されると考えられる。固体電解質粒子表面が滑らかで凹凸がない場合は、固体電解質粒子間及び固体電解質粒子と活物質粒子間が点接触のようになり接触面積が小さく、イオン伝導度が小さくなる。これに対して、固体電解質粒子表面に凹凸がある場合には、固体電解質粒子間の接触面積が大きくなり、イオン伝導度が大きくなる。粒子の凹凸は、式(1)で表すことができる。粒子を真球とするとその比表面積S´は、S´=6/(ρD)である。一方、本願の固体電解質の比表面積Sは、S>6/(ρD)である。すなわち本願の固体電解質の比表面積は、固体電解質を真球と仮定した場合の比表面積よりも大きい。このような固体電解質は、固体電解質の1次粒子同士が強く結合しており、固体電解質粒子間の接触面積が大きいと考えられる。その結果、固体電解質全体のイオン伝導度が高くなる。また、固体電解質のイオン伝導度が高くなるとこれを用いた電池の内部抵抗が小さくなり、その結果放電容量が大きくなる。 Moreover, since the compound in the solid electrolyte of the present embodiment is a compound represented by Formula (1), it has high ionic conductivity. Although the details are unknown, the reason is considered as follows. In the compound represented by the formula (1), the ionic conductivity of the particulate solid electrolyte is divided into ionic conduction inside the particles (so-called bulk ionic conduction) and ionic conduction between particles. Bulk ionic conduction is derived from the crystal structure and composition. On the other hand, ionic conduction between solid electrolyte particles is considered to be affected by the bonding state of the interface between solid electrolyte particles, that is, the interface state (contact area, contact strength). When the surfaces of the solid electrolyte particles are smooth and have no irregularities, the contact area between the solid electrolyte particles and between the solid electrolyte particles and the active material particles is like point contact, resulting in a small contact area and a low ionic conductivity. On the other hand, when the surface of the solid electrolyte particles has irregularities, the contact area between the solid electrolyte particles increases and the ionic conductivity increases. The unevenness of the particles can be expressed by Equation (1). Assuming that the particles are spherical, their specific surface area S' is S'=6/(ρD). On the other hand, the specific surface area S of the solid electrolyte of the present application is S>6/(ρD). That is, the specific surface area of the solid electrolyte of the present application is larger than the specific surface area when the solid electrolyte is assumed to be a true sphere. In such a solid electrolyte, the primary particles of the solid electrolyte are strongly bonded to each other, and it is considered that the contact area between the solid electrolyte particles is large. As a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte as a whole is increased. In addition, when the ionic conductivity of the solid electrolyte increases, the internal resistance of the battery using this decreases, resulting in an increase in discharge capacity.

[固体電解質電池]
図1は、本実施形態にかかる固体電解質電池の断面模式図である。図1に示す固体電解質電池10は、正極1と負極2と固体電解質層3とを備える。固体電解質層3は、正極1と負極2とに挟まれている。固体電解質層3は、上述した固体電解質を含む。正極1及び負極2には、外部端子(不図示)が接続されており、外部と電気的に接続されている。
[Solid electrolyte battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid electrolyte battery according to this embodiment. A solid electrolyte battery 10 shown in FIG. 1 includes a positive electrode 1 , a negative electrode 2 and a solid electrolyte layer 3 . Solid electrolyte layer 3 is sandwiched between positive electrode 1 and negative electrode 2 . The solid electrolyte layer 3 contains the solid electrolyte described above. An external terminal (not shown) is connected to the positive electrode 1 and the negative electrode 2, and is electrically connected to the outside.

固体電解質電池10は、正極1と負極2の間での固体電解質層3を介したイオンの授受により充電又は放電する。固体電解質電池10は、正極1と負極2と固体電解質層3が積層された積層体であってもよいし、積層体を巻回した巻回体であってもよい。固体電解質電池は、例えば、ラミネート電池、角型電池、円筒型電池、コイン型電池、ボタン型電池等に用いられる。 The solid electrolyte battery 10 is charged or discharged by transferring ions between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 through the solid electrolyte layer 3 . The solid electrolyte battery 10 may be a laminated body in which the positive electrode 1, the negative electrode 2 and the solid electrolyte layer 3 are laminated, or may be a wound body obtained by winding the laminated body. Solid electrolyte batteries are used in, for example, laminate batteries, prismatic batteries, cylindrical batteries, coin batteries, button batteries, and the like.

「正極及び負極」
図1に示すように、正極1は、例えば、正極集電体1Aと、正極活物質を含む正極活物質層1Bとを有する。負極2は、例えば、負極集電体2Aと、負極活物質を含む負極活物質層2Bとを有する。
"Positive electrode and negative electrode"
As shown in FIG. 1, the positive electrode 1 has, for example, a positive electrode current collector 1A and a positive electrode active material layer 1B containing a positive electrode active material. The negative electrode 2 has, for example, a negative electrode current collector 2A and a negative electrode active material layer 2B containing a negative electrode active material.

(正極)
図1に示すように、正極1は、板状(箔状)の正極集電体1A上に、正極合剤層1Bが設けられたものである。
(正極集電体)
正極集電体1Aは、充電時の酸化に耐え腐食しにくい電子伝導性の材料であれば良く、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタンなどの金属、または、伝導性樹脂を用いることができる。正極集電体1Aは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
(正極合剤層)
正極合剤層1Bは、正極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダー及び導電助剤を含む。
(positive electrode)
As shown in FIG. 1, the positive electrode 1 includes a positive electrode mixture layer 1B provided on a plate-like (foil-like) positive electrode current collector 1A.
(Positive electrode current collector)
The positive electrode current collector 1A may be made of an electronically conductive material that resists oxidation during charging and does not easily corrode. For example, metals such as aluminum, stainless steel, nickel, and titanium, or conductive resins can be used. The positive electrode current collector 1A may be in the form of powder, foil, punched, or expanded.
(Positive electrode mixture layer)
The positive electrode mixture layer 1B contains a positive electrode active material and, if necessary, a solid electrolyte, a binder and a conductive aid.

(正極活物質)
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離(インターカレーション・デインターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質を使用できる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。
リチウム含有金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMn(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiVOPO、Li(PO)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Feから選択される少なくとも1種を示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)などが挙げられる。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly progress lithium ion absorption/release, insertion/deintercalation (intercalation/deintercalation), and known lithium ion secondary batteries. can be used. Examples of positive electrode active materials include lithium-containing metal oxides and lithium-containing metal phosphates.
Examples of lithium-containing metal oxides include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and general formula: LiNi x Co y Mnz O 2 ( x + y + z = 1), lithium vanadium compounds (LiVOPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ), olivine-type LiMPO 4 (where M is selected from Co, Ni, Mn, Fe at least one of which is used), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), and the like.

また、リチウムを含有していない正極活物質も使用できる。このような正極活物質としては、リチウム非含有金属酸化物(MnO、Vなど)、リチウム非含有金属硫化物(MoSなど)、リチウム非含有フッ化物(FeF、VFなど)などが挙げられる。これらのリチウムを含有していない正極活物質を用いる場合、あらかじめ負極にリチウムイオンをドープしておく、またはリチウムイオンを含有する負極を用いればよい。 A positive electrode active material that does not contain lithium can also be used. Such positive electrode active materials include lithium-free metal oxides ( MnO2 , V2O5 , etc.), lithium-free metal sulfides ( MoS2, etc.), lithium-free fluorides ( FeF3 , VF3 , etc.). ) and the like. When using these positive electrode active materials that do not contain lithium, the negative electrode may be doped with lithium ions in advance, or a negative electrode containing lithium ions may be used.

(バインダー)
正極合剤層1Bを構成する正極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、正極合剤層1Bと正極集電体1Aとを接着するために、正極合剤層1Bにはバインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐酸化性があること、接着性が良いことが挙げられる。
(binder)
The positive electrode mixture layer 1B is provided with a preferably contains a binder. Properties required for the binder include oxidation resistance and good adhesion.

正極合剤層1Bに用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン(PE)、または、これらの混合物などが挙げられる。これらの中でも、バインダーとしては、特にPVDFを用いることが好ましい。 Binders used in the positive electrode mixture layer 1B include polyvinylidene fluoride (PVDF) or its copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polybenzimidazole ( PBI), polyethersulfone (PES), polyacrylic acid (PA) and its copolymer, metal ion cross-linked polyacrylic acid (PA) and its copolymer, maleic anhydride-grafted polypropylene (PP) , maleic anhydride-grafted polyethylene (PE), or mixtures thereof. Among these, it is particularly preferable to use PVDF as the binder.

正極合剤層1Bにおける固体電解質の含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1体積%~50体積%であることが好ましく、5体積%~30体積%であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture layer 1B is not particularly limited, but is preferably 1% by volume to 50% by volume based on the total mass of the positive electrode active material, the solid electrolyte, the conductive aid, and the binder. It is preferably 5% to 30% by volume, and more preferably 5% by volume to 30% by volume.

正極合剤層1Bにおけるバインダーの含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%~15質量%であることが好ましく、3質量%~5質量%であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度の正極1を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、一般的なバインダーは電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。 The content of the binder in the positive electrode mixture layer 1B is not particularly limited, but is preferably 1% by mass to 15% by mass based on the total mass of the positive electrode active material, the solid electrolyte, the conductive aid and the binder. , 3% by mass to 5% by mass. If the amount of binder is too small, there is a tendency that the positive electrode 1 with sufficient adhesive strength cannot be formed. Conversely, if the amount of binder is too large, it tends to be difficult to obtain a sufficient volume or mass energy density because general binders are electrochemically inactive and do not contribute to discharge capacity.

(導電助剤)
導電助剤は、正極合剤層1Bの電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、鉄、アモルファス金属などの金属、ITOなどの伝導性酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。
前記導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。
(Conductivity aid)
The conductive aid is not particularly limited as long as it improves the electron conductivity of the positive electrode mixture layer 1B, and known conductive aids can be used. Examples include carbon materials such as carbon black, graphite, carbon nanotubes, and graphene, metals such as aluminum, copper, nickel, stainless steel, iron, and amorphous metals, conductive oxides such as ITO, and mixtures thereof.
The conductive aid may be in the form of powder or fiber.

正極合剤層1Bにおける導電助剤の含有率は、特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、0.5質量%~20質量%であることが好ましく、1質量%~5質量%とすることがより好ましい。 The content of the conductive aid in the positive electrode mixture layer 1B is not particularly limited. , preferably 0.5% by mass to 20% by mass, more preferably 1% by mass to 5% by mass.

(負極)
図1に示すように、負極2は、負極集電体2A上に、負極合剤層2Bが設けられたものである。
(負極集電体)
負極集電体2Aは、伝導性であれば良く、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属、または、伝導性樹脂箔を用いることができる。負極集電体2Aは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
(負極合剤層)
負極合剤層2Bは、負極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダー及び導電助剤を含む。
(negative electrode)
As shown in FIG. 1, the negative electrode 2 has a negative electrode mixture layer 2B provided on a negative electrode current collector 2A.
(Negative electrode current collector)
The negative electrode current collector 2A may be conductive, and for example, metals such as copper, aluminum, nickel, stainless steel, and iron, or conductive resin foils can be used. The negative electrode current collector 2A may be in the form of powder, foil, punched, or expanded.
(Negative electrode mixture layer)
The negative electrode mixture layer 2B contains a negative electrode active material and, if necessary, a solid electrolyte, a binder, and a conductive aid.

(負極活物質)
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの挿入及び脱離を可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質を使用することができる。負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などの炭素材料、Si、SiO、Sn、アルミニウムなどのリチウムと化合できる金属、これらの合金、これら金属と炭素材料との複合材料、チタン酸リチウム(LiTi12)、SnOなどの酸化物、金属リチウムなどが挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly progress the absorption and release of lithium ions and the insertion and extraction of lithium ions, and negative electrode active materials used in known lithium ion secondary batteries are used. can do. Examples of negative electrode active materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads, mesocarbon fibers (MCF), cokes, vitreous carbon, and baked organic compounds, Si, SiO x , Sn, and aluminum. metals that can be combined with lithium, alloys thereof, composite materials of these metals and carbon materials, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), oxides such as SnO 2 , metallic lithium, and the like.

(バインダー)
負極合剤層2Bを構成する負極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、負極合剤層2Bと負極集電体2Aとを接着するために、負極合剤層2Bには、バインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐還元性があること、接着性が良いことが挙げられる。負極合剤層2Bに用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリル酸(PA)及び共重合体、ポリアクリル酸(PA)及び共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン(PE)、またはこれらの混合物などが挙げられる。これらの中でもバインダーとしては、SBR、CMC、PVDFから選ばれる1種または2種以上を用いることが好ましい。
(binder)
The negative electrode mixture layer 2B is provided with a preferably contains a binder. Properties required for the binder include reduction resistance and good adhesiveness. Binders used in the negative electrode mixture layer 2B include polyvinylidene fluoride (PVDF) or its copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polybenzimidazole ( PBI), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylic acid (PA) and copolymers, metal ion crosslinked polyacrylic acid (PA) and copolymers, maleic anhydride grafted polypropylene (PP), maleic anhydride-grafted polyethylene (PE), or mixtures thereof. Among these, as the binder, it is preferable to use one or more selected from SBR, CMC and PVDF.

負極合剤層2Bにおける固体電解質の含有率は、特に限定されないが、負極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1体積%~50体積%であることが好ましく、5体積%~30体積%であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture layer 2B is not particularly limited, but is preferably 1% by volume to 50% by volume based on the total mass of the negative electrode active material, the solid electrolyte, the conductive aid, and the binder. It is preferably 5% to 30% by volume, and more preferably 5% by volume to 30% by volume.

負極合剤層2Bにおけるバインダーの含有率は、特に限定されないが、負極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%~15質量%であることが好ましく、1.5質量%~10質量%であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度を有する負極2を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、バインダーは一般には電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。 The content of the binder in the negative electrode mixture layer 2B is not particularly limited, but is preferably 1% by mass to 15% by mass based on the total mass of the negative electrode active material, conductive aid and binder. It is more preferably 5% by mass to 10% by mass. If the binder amount is too small, there is a tendency that the negative electrode 2 having sufficient adhesive strength cannot be formed. Conversely, if the binder amount is too large, the binder is generally electrochemically inactive and does not contribute to the discharge capacity, making it difficult to obtain a sufficient volume or mass energy density.

(導電助剤)
負極合剤層2Bに含まれてもよい導電助剤としては、炭素材料など、正極合剤層1Bに含まれてもよい上述した導電助剤と同様のものを用いることができる。
(Conductivity aid)
As the conductive aid that may be contained in the negative electrode mixture layer 2B, the same conductive aid that may be contained in the positive electrode mixture layer 1B, such as a carbon material, can be used.

負極合剤層2Bにおける導電助剤の含有率は、特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、負極活物質に対して0.5質量%~20質量%であることが好ましく、1質量%~12質量%とすることがより好ましい。 The content of the conductive aid in the negative electrode mixture layer 2B is not particularly limited. , 1% by mass to 12% by mass.

(外装体)
本実施形態の固体電解質電池10では、正極1と固体電解質層3と負極2とからなる電池要素は、外装体に収納され、密封されている。外装体は、外部から内部への水分などの侵入を抑止できるものであればよく、特に限定されない。例えば、外装体として、金属箔の両面を高分子フィルムでコーティングしてなる金属ラミネートフィルムを、袋状に形成したものを用いることができる。このような外装体は、開口部をヒートシールすることにより密閉される。金属ラミネートフィルムを形成している金属箔としては、例えばアルミニウム箔、ステンレス箔などを用いることができる。外装体の外側に配置される高分子フィルムとしては、融点の高い高分子を用いることが好ましく、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミドなどを用いることが好ましい。外装体の内側に配置される高分子フィルムとしては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などを用いることが好ましい。
(Exterior body)
In the solid electrolyte battery 10 of the present embodiment, a battery element composed of the positive electrode 1, the solid electrolyte layer 3, and the negative electrode 2 is housed and sealed in an exterior body. The exterior body is not particularly limited as long as it can prevent moisture or the like from entering from the outside to the inside. For example, as the exterior body, a metal laminate film formed by coating both sides of a metal foil with a polymer film can be used in the form of a bag. Such an exterior body is hermetically sealed by heat-sealing the opening. As the metal foil forming the metal laminate film, for example, an aluminum foil, a stainless steel foil, or the like can be used. As the polymer film arranged outside the exterior body, it is preferable to use a polymer having a high melting point, such as polyethylene terephthalate (PET) or polyamide. It is preferable to use, for example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), or the like as the polymer film arranged inside the exterior body.

(外部端子)
電池要素の正極1には正極端子が電気的に接続され、負極2には、負極端子が電気的に接続されている。本実施形態では、正極集電体1Aに正極端子が電気的に接続され、負極集電体2Aに負極端子が電気的に接続されている。正極集電体または負極集電体と、外部端子(正極端子及び負極端子)との接続部分は、外装体の内部に配置されている。
外部端子としては、例えば、アルミニウム、ニッケルなどの導電材料で形成されたものを用いることができる。
(external terminal)
A positive electrode terminal is electrically connected to the positive electrode 1 of the battery element, and a negative electrode terminal is electrically connected to the negative electrode 2 . In this embodiment, the positive electrode terminal is electrically connected to the positive electrode current collector 1A, and the negative electrode terminal is electrically connected to the negative electrode current collector 2A. A connection portion between the positive electrode current collector or the negative electrode current collector and the external terminals (the positive electrode terminal and the negative electrode terminal) is arranged inside the exterior body.
As the external terminal, for example, one made of a conductive material such as aluminum or nickel can be used.

外装体と外部端子との間には、無水マレイン酸をグラフト化したPE(以降、「酸変性PE」という場合がある。)、または無水マレイン酸をグラフト化したPP(以降、「酸変性PP」という場合がある。)からなるフィルムが配置されていることが好ましい。酸変性PEまたは酸変性PPからなるフィルムの配置されている部分が、ヒートシールされていることにより、外装体と外部端子との密着性が良好な固体電解質電池となる。 Maleic anhydride-grafted PE (hereinafter sometimes referred to as “acid-modified PE”) or maleic anhydride-grafted PP (hereinafter referred to as “acid-modified PP ) is preferably arranged. By heat-sealing the portion where the film made of acid-modified PE or acid-modified PP is arranged, the solid electrolyte battery has good adhesion between the exterior body and the external terminals.

[固体電解質電池の製造方法]
次いで、本実施形態にかかる固体電解質電池の製造方法について説明する。まず、本実施形態の固体電解質電池10に備えられている固体電解質層3となる上述した固体電解質を準備する。本実施形態では、固体電解質層3の材料として、粉末の状態の固体電解質を用いる。固体電解質層3は、粉末形成法を用いて作製できる。また、例えば、正極集電体1A上に、正極活物質を含むペーストを塗布し、乾燥させて正極合剤層1Bを形成することにより、正極1を製造する。また、例えば、負極集電体2A上に、負極活物質を含むペーストを塗布し、乾燥させて負極合剤層2Bを形成することにより、負極2を製造する。
[Manufacturing method of solid electrolyte battery]
Next, a method for manufacturing the solid electrolyte battery according to this embodiment will be described. First, the solid electrolyte described above, which will be the solid electrolyte layer 3 provided in the solid electrolyte battery 10 of the present embodiment, is prepared. In this embodiment, a powdery solid electrolyte is used as the material of the solid electrolyte layer 3 . The solid electrolyte layer 3 can be produced using a powder forming method. Further, for example, the positive electrode 1 is manufactured by applying a paste containing a positive electrode active material onto the positive electrode current collector 1A and drying it to form the positive electrode mixture layer 1B. Further, for example, the negative electrode 2 is manufactured by applying a paste containing a negative electrode active material onto the negative electrode current collector 2A and drying it to form the negative electrode mixture layer 2B.

次いで、例えば、正極1の上に、穴部を有するガイドを設置し、ガイド内に固体電解質を充填する。その後、固体電解質の表面をならし、固体電解質の上に負極2を重ねる。このことにより、正極1と負極2との間に固体電解質が挟まれる。その後、正極1及び負極2に圧力を加えることで、固体電解質を加圧成形する。加圧成形されることにより、正極1と固体電解質層3と負極2が、この順に積層された積層体が得られる。次に、積層体を形成している正極1の正極集電体及び負極2の負極集電体に、それぞれ公知の方法により外部端子を溶接し、正極集電体または負極集電体と外部端子とを電気的に接続する。その後、外部端子と接続された積層体を外装体に収納し、外装体の開口部をヒートシールすることにより密封する。以上の工程により、本実施形態の固体電解質電池10が得られる。 Next, for example, a guide having a hole is placed on the positive electrode 1, and the guide is filled with a solid electrolyte. Thereafter, the surface of the solid electrolyte is smoothed, and the negative electrode 2 is placed on the solid electrolyte. As a result, the solid electrolyte is sandwiched between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 . After that, pressure is applied to the positive electrode 1 and the negative electrode 2 to pressure-mold the solid electrolyte. A laminated body in which the positive electrode 1, the solid electrolyte layer 3, and the negative electrode 2 are laminated in this order is obtained by pressure molding. Next, external terminals are welded to the positive electrode current collector of the positive electrode 1 and the negative electrode current collector of the negative electrode 2 forming the laminate by a known method, respectively, and the positive electrode current collector or the negative electrode current collector and the external terminal are welded. and electrically connected. After that, the laminate connected to the external terminals is housed in an exterior body, and the opening of the exterior body is heat-sealed to seal. Solid electrolyte battery 10 of the present embodiment is obtained through the above steps.

上述した固体電解質電池10の製造方法では、粉末の状態の固体電解質を用いる場合を例に挙げて説明したが、固体電解質として、焼結体の状態の固体電解質を用いてもよい。この場合、焼結体の状態の固体電解質を、正極1と負極2との間に挟んで、加圧成形する方法により、固体電解質層3を有する固体電解質電池10が得られる。 In the method for manufacturing the solid electrolyte battery 10 described above, the case where the solid electrolyte in the powder state is used has been described as an example, but the solid electrolyte in the state of a sintered body may be used as the solid electrolyte. In this case, a solid electrolyte battery 10 having a solid electrolyte layer 3 is obtained by sandwiching a solid electrolyte in the state of a sintered body between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 and subjecting them to pressure molding.

本実施形態の固体電解質層3は、イオン伝導度の高い本実施形態の固体電解質を含む。このため、本実施形態の固体電解質層3を備える本実施形態の固体電解質電池10は、内部抵抗が小さく放電容量の大きいものとなる。 The solid electrolyte layer 3 of the present embodiment contains the solid electrolyte of the present embodiment having high ionic conductivity. Therefore, the solid electrolyte battery 10 of the present embodiment having the solid electrolyte layer 3 of the present embodiment has a small internal resistance and a large discharge capacity.

なお、本実施形態の固体電解質電池は、正極とセパレータと負極からなる電池素体の空孔に、固体電解質が充填されたものであってもよい。このような固体電解質電池は、例えば、以下に示す方法により製造できる。まず、粉末の状態の固体電解質と溶剤とを含む固体電解質塗料を作製する。また、正極とセパレータと負極からなる電池素体を作製する。そして、電池素体に固体電解質塗料を含浸させた後、溶剤を除去する。このことにより、電池素体の空孔に固体電解質が充填された固体電解質電池が得られる。 In addition, the solid electrolyte battery of the present embodiment may be one in which a solid electrolyte is filled in the pores of a battery body composed of a positive electrode, a separator, and a negative electrode. Such a solid electrolyte battery can be manufactured, for example, by the method shown below. First, a solid electrolyte paint containing a powdery solid electrolyte and a solvent is prepared. Also, a battery body comprising a positive electrode, a separator, and a negative electrode is produced. After the battery body is impregnated with the solid electrolyte paint, the solvent is removed. As a result, a solid electrolyte battery is obtained in which the pores of the battery body are filled with the solid electrolyte.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述した。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings. Each configuration and combination thereof in each embodiment is an example, and addition, omission, replacement, and other modifications of the configuration are possible without departing from the scope of the present invention.

(実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3)
遊星型ボールミル及びそれに使用する内容積45mlのジルコニア容器を準備した。このジルコニア製の容器に直径5mmφのジルコニアボールを投入した。次に、表1に示すモル比及び投入量の原材料を含む原料粉末をジルコニア製の容器に投入し、遊星型ボールミルにセットした。この遊星型ボールミルを、自転回転数500rpm、公転回転数500rpm、自転の回転方向と公転の回転方向とを逆方向として、24時間混合しメカノケミカル反応をさせた。
(Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3)
A planetary ball mill and a zirconia container with an inner volume of 45 ml used therein were prepared. A zirconia ball with a diameter of 5 mmφ was put into this zirconia container. Next, raw material powders containing raw materials having the molar ratios and amounts shown in Table 1 were put into a zirconia container and set in a planetary ball mill. This planetary ball mill was mixed for 24 hours at an autorotation speed of 500 rpm, a revolution speed of 500 rpm, and the rotation direction of the revolution was reversed to cause a mechanochemical reaction.

実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3は、表1に示すように原材料の総投入量を変化させた。原材料の総投入量が少ないほど、原材料の単位重量当たりに加わるジルコニアボールの運動エネルギーが多くなる。原材料に加わる運動エネルギーが多くなるほど、生成物の1次粒子の平均粒径が小さくなる。また、1次粒子同士が融合し、その比表面積は固体電解質粒子を真球と仮定した場合の比表面積よりも、小さくなる。逆に、原材料の総投入量が多いほど、原材料の単位重量当たりに加わるジルコニアボールの運動エネルギーが少なくなる。原材料に加わる運動エネルギーが少なくなるほど、生成物の平均粒径が大きくなる。また、1次粒子は融合しにくくなり、その比表面積は固体電解質粒子を真球と仮定した場合の比表面積よりも、大きくなる。 In Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3, as shown in Table 1, the total input amount of raw materials was changed. The smaller the total input amount of raw materials, the greater the kinetic energy of the zirconia balls applied per unit weight of raw materials. As the kinetic energy applied to the raw material increases, the average particle size of the primary particles of the product decreases. In addition, the primary particles fuse with each other, and the specific surface area becomes smaller than the specific surface area when the solid electrolyte particles are assumed to be true spheres. Conversely, the greater the total input amount of raw materials, the less the kinetic energy of the zirconia balls applied per unit weight of raw materials. The less kinetic energy imparted to the raw material, the larger the average particle size of the product. In addition, the primary particles become difficult to fuse, and their specific surface area becomes larger than the specific surface area when the solid electrolyte particles are assumed to be true spheres.

なお、遊星型ボールミル用の密閉容器及びボールとして、ジルコニア製のものを用いた。そのため、製造した化合物中には、密閉容器及びボールに由来するジルコニウムがコンタミネーションとして混入している可能性がある。表1には、各実施例の合成に使用する原料の仕込み組成を記載した。 Zirconia was used as the sealed container and balls for the planetary ball mill. Therefore, there is a possibility that zirconium originating from the sealed container and the ball is mixed in the manufactured compound as contamination. Table 1 describes the charging composition of the raw materials used in the synthesis of each example.

Figure 2023049024000002
Figure 2023049024000002

表1の条件に基づき、粉末状態の実施例1~実施例12及び比較例1~比較例3の固体電解質を製造した。実施例13は、後述する実施例1で作製した固体電解質を用いて作製した固体電解質電池から再度取り出した固体電解質である。製造した固体電解質の組成、イオン伝導度、比表面積、密度及び平均粒径をそれぞれ測定した。 Under the conditions shown in Table 1, solid electrolytes of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 in powder form were produced. Example 13 is a solid electrolyte taken out again from a solid electrolyte battery produced using the solid electrolyte produced in Example 1, which will be described later. The composition, ionic conductivity, specific surface area, density and average particle size of the produced solid electrolyte were measured.

各固体電解質の比表面積はBET法により測定を行った。比表面積を測定するガスは窒素ガス、粒度分布測定器により粒度分布を測定する溶媒はトルエン、ピクノメーター法により密度を測定する溶媒はトルエンを用いた。 The specific surface area of each solid electrolyte was measured by the BET method. Nitrogen gas was used as the gas for measuring the specific surface area, toluene was used as the solvent for measuring the particle size distribution with a particle size distribution analyzer, and toluene was used as the solvent for measuring the density by the pycnometer method.

各固体電解質の組成は、各元素をICP(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析)装置(株式会社島津製作所製)を用いて分析する方法により求めた。なお、SO 2-を含む固体電解質については、イオンクロマトグラフィー装置(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製)を用いて分析した。 The composition of each solid electrolyte was determined by a method of analyzing each element using an ICP (Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometry) device (manufactured by Shimadzu Corporation). The solid electrolyte containing SO 4 2- was analyzed using an ion chromatography device (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.).

(イオン伝導度の測定)
実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の固体電解質を、それぞれ加圧成形用ダイスに充填し、圧力373MPaで加圧成形することにより試験体のペレットを得た。より詳細には、直径10mmのPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)製ダイスと、直径9.99mmの上パンチ及び下パンチとを準備した。上下パンチの材質はダイス鋼(SKD11材)である。PEEKダイスに下パンチを挿入し、上から実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の固体電解質粉末を110mg投入した。固体電解質粉末の上に上パンチを挿入した。これをプレス機にセットし、圧力373MPaで成形した。以後、ダイスに上下パンチを挿入したものをセットと呼ぶことにする。セットをプレス機から取り出した。
(Measurement of ionic conductivity)
The solid electrolytes of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3 were filled in a pressure molding die, respectively, and pressure molded at a pressure of 373 MPa to obtain pellets of test specimens. More specifically, a PEEK (polyetheretherketone) die with a diameter of 10 mm and upper and lower punches with a diameter of 9.99 mm were prepared. The material of the upper and lower punches is die steel (SKD11 material). A lower punch was inserted into the PEEK die, and 110 mg of the solid electrolyte powders of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3 were charged from above. An upper punch was inserted above the solid electrolyte powder. This was set in a press and molded at a pressure of 373 MPa. Hereafter, a set in which upper and lower punches are inserted into a die is called a set. The set was removed from the press.

直径50mm、厚み5mmのステンレス製円板及びベークライト製円板をそれぞれ2枚ずつ準備した。ステンレス製円板及びベークライト製円板には、ネジ穴が4か所ある。前記セットの上下に前記ステンレス製円板及びベークライト製円板を載置し、4か所のネジ穴にネジを通しネジを締めた。具体的には、ステンレス製円板/ベークライト製円板/セット/ベークライト製円板/ステンレス製円板の順序で積層したものを、ネジで加締めた。これで前記固体電解質は加圧状態にある。加圧の圧力は約85MPaである。上下パンチの側面にはネジを差し込むネジ穴がある。上下パンチにネジを差し込み、イオン伝導度測定用の端子とした。 Two stainless discs and two bakelite discs each having a diameter of 50 mm and a thickness of 5 mm were prepared. The stainless steel disc and bakelite disc have four screw holes. The stainless steel disc and bakelite disc were placed on the top and bottom of the set, and screws were passed through four screw holes and tightened. Specifically, a stainless disc/bakelite disc/set/bakelite disc/stainless disc was laminated in this order and crimped with a screw. The solid electrolyte is now under pressure. The pressurization pressure is about 85 MPa. There are screw holes for inserting screws on the sides of the upper and lower punches. Screws were inserted into the upper and lower punches to make terminals for ion conductivity measurement.

その後、イオン伝導度測定用の治具のセットに収容された各試験体のイオン伝導度を測定した。イオン伝導度は、電気化学的インピーダンス測定法により、周波数応答アナライザを搭載したポテンシオスタットを用いて測定した。測定は、周波数範囲を7MHz~0.1Hzとし、振幅10mV、温度25℃の条件で行った。その結果を、表2に示す。 After that, the ionic conductivity of each specimen housed in a set of jigs for measuring ionic conductivity was measured. Ionic conductivity was measured by electrochemical impedance measurements using a potentiostat equipped with a frequency response analyzer. The measurement was performed under conditions of a frequency range of 7 MHz to 0.1 Hz, an amplitude of 10 mV, and a temperature of 25.degree. The results are shown in Table 2.

[固体電解質電池の作製]
以下に示す方法により、実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の固体電解質からなる固体電解質層を備える固体電解質電池をそれぞれ作製した。固体電解質電池の作製は、露点-70℃以下のアルゴン雰囲気としたグローブボックス内で行った。また、以下に示す方法により充放電試験を行い、放電容量を測定した。まず、コバルト酸リチウム(LiCoO):実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の各固体電解質:カーボンブラック=81:16:3重量部になるように秤量し、めのう乳鉢で混合して、正極合剤とした。次に、黒鉛:実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の各固体電解質:カーボンブラック=67:30:3重量部になるように秤量し、めのう乳鉢で混合して、負極合剤とした。
[Production of solid electrolyte battery]
Solid electrolyte batteries each having a solid electrolyte layer composed of the solid electrolytes of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3 were produced by the method described below. The solid electrolyte battery was fabricated in a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −70° C. or lower. In addition, a charge/discharge test was performed by the method shown below to measure the discharge capacity. First, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ): Solid electrolytes of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3: carbon black = 81:16:3 parts by weight, and They were mixed to form a positive electrode mixture. Next, graphite: each solid electrolyte of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3: carbon black = 67:30:3 parts by weight, mixed in an agate mortar, negative electrode A mixture was used.

前記ダイスに下パンチを挿入し、前記ダイスの上から実施例1~実施例13及び比較例1~比較例3の固体電解質を110mg投入した。固体電解質の上に上パンチを挿入した。このセットをプレス機に載置し、圧力50MPaで成形した。前記セットをプレス機から取り出し、上パンチを取り外した。ダイス内の固体電解質の上に正極合剤を20mg投入し、その上に上パンチを挿入し、プレス機にセットを静置し、圧力50MPaで成形した。次にセットを取り出し、上下を逆にして下パンチを取り外した。固体電解質(ペレット)の上に負極合剤を10mg投入し、その上に下パンチを挿入し、プレス機にセットを静置し、圧力290MPaで成形した。このように、ダイスの中に、正極と固体電解質と負極とからなる電池要素を作製した。これを前記イオン伝導度測定用の治具にセットした。上下パンチの側面のネジ穴には、充放電用の端子としてネジを差し込んだ。以後、これを電池素体と呼ぶことにする。 A lower punch was inserted into the die, and 110 mg of solid electrolytes of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3 were charged from above the die. An upper punch was inserted above the solid electrolyte. This set was placed on a press and molded at a pressure of 50 MPa. The set was removed from the press and the upper punch removed. 20 mg of the positive electrode mixture was placed on the solid electrolyte in the die, an upper punch was inserted thereon, and the set was placed in a press machine and molded at a pressure of 50 MPa. The set was then removed, turned upside down and the lower punch removed. 10 mg of the negative electrode mixture was put on the solid electrolyte (pellet), a lower punch was inserted thereon, the set was left still in a press, and molded at a pressure of 290 MPa. Thus, a battery element composed of a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode was produced in the dice. This was set on the jig for ion conductivity measurement. Screws were inserted into the screw holes on the sides of the upper and lower punches as charge/discharge terminals. Hereinafter, this will be called a battery body.

前記電池素体を封入する外装体として、アルミニウムラミネート材料を準備した。これは、PET(12)/Al(40)/PP(50)からなるラミネート材料である。PETはポリエチレンテレフタレート、PPはポリプロピレンである。かっこ内は各層の厚み(単位はμm)を表す。このアルミラミネート材料をA4サイズにカットし、PPが内面となるように、長辺の真ん中で折り返した。 An aluminum laminate material was prepared as an outer package for enclosing the battery body. This is a laminate material consisting of PET(12)/Al(40)/PP(50). PET is polyethylene terephthalate and PP is polypropylene. The values in parentheses indicate the thickness of each layer (unit: μm). This aluminum laminate material was cut into A4 size and folded back at the middle of the long side so that the PP was on the inside.

正極端子及び負極端子として、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)とを準備した。これらの外部端子(正極端子及び負極端子)にそれぞれ酸変性PPを巻き付け、外装体に熱接着した。これは外部端子と外装体とのシール性を向上させるためである。 A nickel foil (4 mm wide, 40 mm long, and 100 μm thick) was prepared as a positive electrode terminal and a negative electrode terminal. Each of these external terminals (positive terminal and negative terminal) was wound with acid-modified PP and thermally bonded to the exterior body. This is to improve the sealing performance between the external terminals and the exterior body.

前記折り返したアルミラミネート材料の対向している2辺のそれぞれ中程に、正極端子及び負極端子をアルミラミネート材料で挟むように載置し、ヒートシールした。その後、外装体の中に前記電池素体を挿入し、上パンチの側面のネジと外装体内の正極端子とをリード線で接続することにより、正極と正極端子とを電気的に接続した。また、下パンチの側面のネジと外装体内の負極端子とをリード線で接続することにより、負極と負極端子とを電気的に接続した。その後、外装体の開口部をヒートシールして固体電解質電池とした。 A positive electrode terminal and a negative electrode terminal were placed so as to be sandwiched between the aluminum laminate material and heat-sealed at the middle of each of the two opposing sides of the folded aluminum laminate material. After that, the battery body was inserted into the outer package, and the positive electrode and the positive electrode terminal were electrically connected by connecting the screw on the side surface of the upper punch and the positive electrode terminal in the outer package with a lead wire. Moreover, the negative electrode and the negative electrode terminal were electrically connected by connecting the screw on the side surface of the lower punch and the negative electrode terminal in the outer package with a lead wire. After that, the opening of the outer package was heat-sealed to obtain a solid electrolyte battery.

充放電試験は、25℃の恒温槽内にて行った。充放電電流の表記は、以降C(シー)レート表記を使う。nC(mA)は、公称容量(mAh)を1/n(h)で充放電できる電流である。例えば、公称容量70mAhの電池の場合、0.05Cの電流は3.5mA(計算式70×0.05=3.5)である。同様に、0.2Cの電流は14mA、2Cの電流は140mAである。充電は0.2Cで4.2Vまで定電流定電圧(CCCVと言う)で行った。充電終了は、電流が1/20Cになるまで行った。放電は、0.2Cで3.0Vまで放電した。その結果を、表2に示す。 A charge/discharge test was performed in a constant temperature bath at 25°C. The notation of the charge/discharge current is hereinafter referred to as the C (see) rate notation. nC (mA) is the current that can charge and discharge the nominal capacity (mAh) at 1/n (h). For example, for a battery with a nominal capacity of 70 mAh, the current at 0.05 C is 3.5 mA (calculation formula 70×0.05=3.5). Similarly, a current of 0.2C is 14mA and a current of 2C is 140mA. Charging was carried out at 0.2C to 4.2V with constant current and constant voltage (referred to as CCCV). Charging was terminated until the current became 1/20C. Discharge was performed at 0.2C to 3.0V. The results are shown in Table 2.

Figure 2023049024000003
Figure 2023049024000003

表2に示すように、実施例1~実施例13の固体電解質は、比較例1~比較例3と比較して、いずれも十分にイオン伝導度の高いものであった。また、実施例1~実施例13の固体電解質からなる固体電解質層を有する固体電解質電池は、比較例1~比較例3と比較して、いずれも十分に放電容量の大きいものであった。 As shown in Table 2, the solid electrolytes of Examples 1 to 13 all had sufficiently high ionic conductivity compared to Comparative Examples 1 to 3. Further, all of the solid electrolyte batteries having solid electrolyte layers made of the solid electrolytes of Examples 1 to 13 had sufficiently large discharge capacities compared to those of Comparative Examples 1 to 3.

1…正極、1A…正極集電体、1B…正極合剤層、2…負極、2A…負極集電体、2B…負極合剤層、3…固体電解質層、10…固体電解質電池。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Positive electrode, 1A... Positive electrode collector, 1B... Positive electrode mixture layer, 2... Negative electrode, 2A... Negative electrode collector, 2B... Negative mixture layer, 3... Solid electrolyte layer, 10... Solid electrolyte battery.

Claims (3)

固体電解質の比表面積S(m/g)、平均粒径D(μm)及び真密度ρ(g/cm)であるときに、下記式(1)を満たす化合物を含む固体電解質。
S>6/(ρD)・・・(1)
A solid electrolyte containing a compound that satisfies the following formula (1) when the solid electrolyte has a specific surface area S (m 2 /g), an average particle size D (μm), and a true density ρ (g/cm 3 ).
S>6/(ρD) (1)
下記式(2)で表される化合物を含む請求項1に記載の固体電解質。
・・・(2)
(式(1)中において、AはLi、Cs及びCaからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。EはAl、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイドからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。GはO、OH、BO、BO、BO、B、B、CO、NO、AlO、SiO、SiO、Si、Si、Si11、Si18、PO、PO、P、P10、SO、SO、SO、S、S、S、S、S、S、BF、PF、BOB、(COO)、N、AlCl、CFSO、CHCOO、CFCOO、OOC-(CH-COO、OOC-CH-COO、OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO、OOC-CH(OH)-CH-COO、CSO、OOC-CH=CH-COO、OOC-CH=CH-COO、C(OH)(CHCOOH)COO、AsO、BiO、CrO、MnO、PtF、PtCl、PtBr、PtI、SbO、SeO、TeO、HCOO、CHCOO、CN、SCNからなる群から選択される少なくとも1つの基である。XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。0.5≦a<6、0<b<2、0≦c≦6、0≦d≦6.1である。BOBはビスオキサレートボラート、OOC-(CH-COOはコハク酸塩 、OOC-CH-COOはマロン酸塩、OOC-CH(OH)-CH(OH)-COOは酒石酸塩、OOC-CH(OH)-CH-COOはリンゴ酸塩、CSOはベンゼンスルホン酸塩、OOC-CH=CH-COOはフマル酸塩、OOC-CH=CH-COOはマレイン酸塩、及びC(OH)(CHCOOH)COOはクエン酸塩である。)
The solid electrolyte according to claim 1, comprising a compound represented by the following formula (2).
A a E b G c X d (2)
(In formula (1), A is at least one element selected from the group consisting of Li, Cs and Ca. E is selected from the group consisting of Al, Sc, Y, Zr, Hf, and lanthanides. at least one element G is O, OH, BO2, BO3, BO4, B3O6, B4O7 , CO3 , NO3 , AlO2 , SiO3 , SiO4 , Si2 O7 , Si3O9 , Si4O11 , Si6O18 , PO3 , PO4 , P2O7 , P3O10 , SO3 , SO4 , SO5 , S2O3 , S2 O4 , S2O5 , S2O6 , S2O7 , S2O8 , BF4 , PF6 , BOB , (COO) 2 , N, AlCl4 , CF3SO3 , CH3COO , CF3COO , OOC-( CH2 ) 2 -COO, OOC-CH2-COO, OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO, OOC -CH(OH)-CH2 - COO, C6H 5SO3 , OOC-CH=CH-COO, OOC-CH=CH-COO, C ( OH)( CH2COOH ) 2COO , AsO4 , BiO4 , CrO4 , MnO4 , PtF6 , PtCl6 , PtBr 6 , PtI 6 , SbO 4 , SeO 4 , TeO 4 , HCOO, CH 3 COO, CN, SCN, X is at least one group selected from the group consisting of F, Cl, Br, I is at least one element selected from 0.5≦a<6, 0<b<2, 0≦c≦6, 0≦d≦6.1 BOB is bisoxalate borate; OOC-(CH 2 ) 2 -COO is succinate, OOC-CH 2 -COO is malonate, OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO is tartrate, OOC-CH(OH)-CH 2 -COO is malate, C 6 H 5 SO 3 is benzenesulfonate, OOC-CH=CH-COO is fumarate, OOC-CH=CH-COO is maleate, and C(OH)( CH2COOH ) 2COO is the citrate.)
固体電解質層と、正極と、負極と、を備え、前記固体電解質層と前記正極と前記負極から選択される少なくとも1つが請求項1または2に記載の固体電解質を含む、固体電解質電池。


A solid electrolyte battery comprising a solid electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode, wherein at least one selected from the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode contains the solid electrolyte according to claim 1 or 2.


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