JP2023060626A - Solid state battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Takushi Ogawa
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Abstract

To realize a solid state battery capable of suppressing deterioration in performance caused by a positive electrode layer.SOLUTION: A solid state battery includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided therebetween. In the solid state battery, the X-ray diffraction spectrum of the positive electrode layer measured using CuKα rays contains diffraction peaks attributed to LCPO and LAGP, and the ratio P/Q of the diffraction peak intensity P at the diffraction angle 2θ=13.0±0.2° to the diffraction peak intensity Q at the diffraction angle of 2θ=14.35±0.2° in the X-ray diffraction spectrum is in the range of 0.074<P/Q<5.744. According to the solid state battery having a positive electrode layer with a P/Q ratio within such a range, the positive electrode layer has a good crystal structure, and an increase in resistance and deterioration in charge/discharge characteristics due to the positive electrode layer can be suppressed. This results in a high performance solid state battery with a positive electrode layer with excellent properties.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、固体電池及び固体電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid state battery and a method for manufacturing a solid state battery.

電池の1つとして、固体電池が知られている。例えば、固体電解質を用いた電解質層の一方の面側に、正極活物質及び固体電解質を含む正極層を設け、他方の面側に、負極活物質及び固体電解質を含む負極層を設けた固体電池が知られている。 A solid state battery is known as one type of battery. For example, a solid battery in which a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a solid electrolyte is provided on one side of an electrolyte layer using a solid electrolyte, and a negative electrode layer containing a negative electrode active material and a solid electrolyte is provided on the other side. It has been known.

固体電池に関し、例えば、正極活物質として、一般式LiMPO(MはMn(マンガン),Fe(鉄),Co(コバルト),Ni(ニッケル)よりなる群から選ばれる少なくとも1種)を用い、固体電解質として、一般式Li1+zIII TiIV 2-z(PO(MIIIはAl(アルミニウム),Y(イットリウム),Ga(ガリウム),In(インジウム),La(ランタン)よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属イオン、0≦z≦0.6)を用いる技術が知られている。また、正極活物質としてアモルファス状態のLiFePO(リン酸鉄リチウム)を用い、固体電解質としてLiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)又はLiAl(PO)(P)(リン酸ピロリン酸アルミニウムリチウム)を用いる技術が知られている。 Regarding solid-state batteries, for example, LiMPO 4 (M is at least one selected from the group consisting of Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), and Ni (nickel)) is used as a positive electrode active material, As a solid electrolyte, from the general formula Li 1+z M III z Ti IV 2-z (PO 4 ) 3 (M III is Al (aluminum), Y (yttrium), Ga (gallium), In (indium), and La (lanthanum) Techniques using at least one metal ion selected from the group consisting of 0≦z≦0.6) are known. In addition, amorphous LiFePO 4 (lithium iron phosphate) is used as the positive electrode active material, and LiPON (lithium phosphate oxynitride) or LiAl(PO 4 ) (P 2 O 7 ) (aluminum phosphate pyrophosphate) is used as the solid electrolyte. Lithium) is known.

特開2007-5279号公報JP-A-2007-5279 国際公開第2015/029103号パンフレットInternational Publication No. 2015/029103 pamphlet

固体電池では、その正極層の正極活物質に、上記のようなオリビン型の材料のほか、ピロリン酸型の材料、例えば、一般式LiCo1-x2-y(MはTi(チタン),V(バナジウム),Cr(クロム),Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB(ボロン),C(カーボン),Al,Si(シリコン),Ga,Ge(ゲルマニウム)のうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)で表される、LiCoP(ピロリン酸コバルトリチウム)等のLCPO系材料が用いられる場合がある。このようなLCPO系材料は、平均電位及び容量が比較的高い材料であり、固体電池のエネルギー密度向上に有効と考えられている。 In a solid-state battery, the positive electrode active material of the positive electrode layer includes, in addition to the olivine type material as described above, a pyrophosphate type material such as Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Ni, and Fe; A is B (boron), C (carbon), Al, Si (silicon), Ga, LCPO-based materials such as Li 2 CoP 2 O 7 (lithium cobalt pyrophosphate) represented by any one of Ge (germanium), 0≦x<1, 0≦y≦0.07) are used. may be Such LCPO-based materials are materials having relatively high average potential and capacity, and are considered effective for improving the energy density of solid-state batteries.

しかし、LCPO系材料を正極活物質に用い、それと組み合わせる正極層の固体電解質にナシコン型(Na super ionic conductor;NASICON)型の固体電解質、例えば、一般式Li1+mAlGe2-m(PO(0<m<1、「LAGP」と言う)で表されるLAGP系材料を用いると、固体電池の製造過程で行われる焼成の条件によっては、良好な結晶構造を有する正極層が得られない場合がある。良好な結晶構造を有する正極層が得られない場合、十分な充放電特性が得られず、高性能の固体電池が得られないことが起こり得る。 However, an LCPO-based material is used as a positive electrode active material, and a Na super ionic conductor (NASICON) type solid electrolyte, for example, a general formula Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1, referred to as “LAGP”), a positive electrode layer having a good crystal structure can be obtained depending on the firing conditions in the manufacturing process of the solid-state battery. may not be available. If a positive electrode layer having a good crystal structure cannot be obtained, sufficient charge/discharge characteristics cannot be obtained, and a high-performance solid-state battery may not be obtained.

1つの側面では、本発明は、正極層に起因した性能の低下を抑えることのできる固体電池を実現することを目的とする。 In one aspect, an object of the present invention is to realize a solid-state battery capable of suppressing deterioration in performance caused by a positive electrode layer.

1つの態様では、正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる電解質層とを有し、前記正極層の、CuKα線を用いて測定される第1のX線回折スペクトルに、LiCo1-x2-y(MはTi,V,Cr,Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB,C,Al,Si,Ga,Geのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)と、第1のLi1+mAlGe2-m(PO(0<m<1)とに帰属される回折ピークが含まれ、前記第1のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Qが、0.074<P/Q<5.744の範囲である固体電池が提供される。 In one aspect, the positive electrode layer has a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and the first X of the positive electrode layer measured using CuKα radiation In the line diffraction spectrum, Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti, V, Cr, Ni, Fe, A is B, C, Al, Si , Ga or Ge, 0≦x<1, 0≦y≦0.07) and the first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1 ) of the first X-ray diffraction spectrum with respect to the diffraction peak intensity Q at the diffraction angle 2θ = 14.35 ± 0.2 °, the diffraction angle 2θ = 13.0 ± 0 A solid-state battery is provided in which the ratio P/Q of the diffraction peak intensities P at .2° is in the range of 0.074<P/Q<5.744.

また、1つの態様では、正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる電解質層とを有する積層体を形成する工程と、前記積層体を不活性ガス雰囲気で焼成する工程とを含み、焼成前の前記積層体における前記正極層に、LiCo1-x2-y(MはTi,V,Cr,Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB,C,Al,Si,Ga,Geのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)と、第1のLi1+mAlGe2-m(PO(0<m<1)とが含まれ、前記積層体を焼成する工程では、焼成後の前記積層体における前記正極層の、CuKα線を用いて測定される第1のX線回折スペクトルに、前記LiCo1-x2-yと、前記第1のLi1+mAlGe2-m(POとに帰属される回折ピークが含まれ、前記第1のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Qが、0.074<P/Q<5.744の範囲となる焼成温度条件で、前記積層体を焼成する固体電池の製造方法が提供される。 In one aspect, a step of forming a laminate having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer; sintering, wherein Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is selected from Ti, V, Cr, Ni, and Fe) is added to the positive electrode layer in the laminate before sintering. any one type, A is any one type of B, C, Al, Si, Ga, and Ge, 0≦x<1, 0≦y≦0.07), and the first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1). Diffraction attributed to the Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 and the first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 in the X-ray diffraction spectrum of No. 1 The diffraction peak intensity at the diffraction angle 2θ = 13.0 ± 0.2° with respect to the diffraction peak intensity Q at the diffraction angle 2θ = 14.35 ± 0.2° in the first X-ray diffraction spectrum There is provided a method for manufacturing a solid battery in which the laminate is fired under a firing temperature condition in which the P ratio P/Q is in the range of 0.074<P/Q<5.744.

1つの側面では、正極層に起因した性能の低下を抑えることのできる固体電池を実現することが可能になる。 In one aspect, it is possible to realize a solid battery capable of suppressing deterioration in performance caused by the positive electrode layer.

固体電池の製造フローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing flow of a solid-state battery. 積層体形成工程の第1の例について説明する図である。It is a figure explaining the 1st example of a laminated body formation process. 積層体形成工程の第2の例について説明する図である。It is a figure explaining the 2nd example of a laminated body formation process. 脱脂及び焼成工程の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of a degreasing and baking process. 集電体形成工程の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of a current collector formation process. 正極層のXRDスペクトルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the XRD spectrum of a positive electrode layer. 焼成温度と正極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the baking temperature and the predetermined diffraction peak intensity ratio of a positive electrode layer. 焼成温度と放電容量及び抵抗との関係の第1の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a first example of the relationship between firing temperature and discharge capacity and resistance; 焼成温度と放電容量及び抵抗との関係の第2の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a second example of the relationship between firing temperature and discharge capacity and resistance; 負極層のXRDスペクトルの例を示す図(その1)である。FIG. 1 is a diagram (part 1) showing an example of an XRD spectrum of a negative electrode layer; 負極層のXRDスペクトルの例を示す図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) showing an example of an XRD spectrum of a negative electrode layer; 焼成温度と負極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the firing temperature and the predetermined diffraction peak intensity ratio of the negative electrode layer; 放電容量と負極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the discharge capacity and the predetermined diffraction peak intensity ratio of the negative electrode layer; 固体電池の充放電特性の測定結果の例を示す図(その1)である。FIG. 2 is a diagram (part 1) showing an example of measurement results of charge-discharge characteristics of a solid-state battery; 固体電池の充放電特性の測定結果の例を示す図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) showing an example of measurement results of charge-discharge characteristics of a solid-state battery;

電池の1つとして、正極活物質及び固体電解質等を含む正極層と、負極活物質及び固体電解質等を含む負極層と、それら正極層と負極層との間に設けられる固体電解質の層とを備える固体電池が知られている。固体電池は、リチウムイオン二次電池のような可燃性の有機電解液を用いないため、漏液、燃焼、爆発、有毒ガスの発生といった危険性を低減して安全性を高めることができ、大気中での取り扱いが容易であり、また、低温及び高温の条件でも性能を維持することができる等の利点がある。 As one battery, a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, etc., a negative electrode layer containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, etc., and a solid electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Solid-state batteries comprising: Unlike lithium-ion secondary batteries, solid-state batteries do not use flammable organic electrolytes. It is easy to handle in the environment, and has advantages such as being able to maintain its performance even under low and high temperature conditions.

固体電池の正極活物質には、例えば、一般式LiCo1-x2-y(MはTi,V,Cr,Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB,C,Al,Si,Ga,Geのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)で表されるLCPO系材料を用いることができる。例えば、このようなLCPO系材料の1種であるLiCoPは、平均電位(vsLi/Li)が5V程度、容量(質量容量密度)が200mAh/g程度であり、固体電池のエネルギー密度向上に有効と考えられている。また、固体電池の固体電解質には、酸化物固体電解質、例えば、NASICON型の酸化物固体電解質の1種であるLAGP系材料を用いることができる。LAGP系材料は、一般式Li1+mAlGe2-m(PO(0<m<1)で表される酸化物固体電解質であって、アルミニウム置換リン酸ゲルマニウムリチウム等とも称される。例えば、固体電池の固体電解質として、Li1.5Al0.5Ge1.5(POを用いることができる。 Positive electrode active materials for solid-state batteries include, for example, Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti, V, Cr, Ni and Fe; is any one of B, C, Al, Si, Ga, and Ge, and an LCPO-based material represented by 0≤x<1, 0≤y≤0.07) can be used. For example, Li 2 CoP 2 O 7 , which is one of such LCPO-based materials, has an average potential (vs Li/Li + ) of about 5 V and a capacity (mass-capacity density) of about 200 mAh/g. It is considered effective in improving energy density. Further, as the solid electrolyte of the solid battery, an oxide solid electrolyte, for example, a LAGP-based material, which is one of NASICON type oxide solid electrolytes, can be used. The LAGP-based material is an oxide solid electrolyte represented by the general formula Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1), and is also called lithium germanium phosphate substituted with aluminum. . For example, Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4 ) 3 can be used as the solid electrolyte of the solid battery.

ここで、固体電池の正極層の正極活物質としてLCPO系材料を用い、そのLCPO系材料と共に正極層に含まれる固体電解質としてLAGP系材料を用いると、固体電池の製造過程で行われる後述のような焼成の際、その条件によっては良好な結晶構造を有する正極層が得られない場合がある。例えば、LCPO系材料とLAGP系材料との間に良好な界面が形成されなかったり、LCPO系材料とLAGP系材料との反応によってそれらの間の抵抗層となるような別の結晶相が形成されてしまったりする場合がある。良好な結晶構造を有する正極層が得られない場合、十分な充放電特性が得られず、高性能の固体電池が得られないことが起こり得る。 Here, if an LCPO-based material is used as the positive electrode active material of the positive electrode layer of the solid battery, and an LAGP-based material is used as the solid electrolyte that is included in the positive electrode layer together with the LCPO-based material, the solid battery is manufactured as described later. Depending on the firing conditions, it may not be possible to obtain a positive electrode layer having a good crystal structure. For example, a good interface is not formed between the LCPO-based material and the LAGP-based material, or the reaction between the LCPO-based material and the LAGP-based material forms another crystalline phase that acts as a resistive layer between them. There are times when you feel tired. If a positive electrode layer having a good crystal structure cannot be obtained, sufficient charge/discharge characteristics cannot be obtained, and a high-performance solid-state battery may not be obtained.

正極層の正極活物質にLCPO系材料を用い、固体電解質にLAGP系材料を用いる固体電池について、優れた充放電特性を実現し、その高性能化を実現するためには、良好な結晶構造を有する正極層を得ること、そのような正極層が得られるような焼成条件を用いて固体電池の製造を行うことが望ましい。以下、正極層に起因した性能の低下を抑えることのできる固体電池について説明する。 For a solid battery using an LCPO-based material for the positive electrode active material of the positive electrode layer and an LAGP-based material for the solid electrolyte, in order to achieve excellent charge-discharge characteristics and high performance, it is necessary to have a good crystal structure. It is desirable to obtain a positive electrode layer having such a positive electrode layer, and to manufacture a solid-state battery using firing conditions that allow such a positive electrode layer to be obtained. A solid battery capable of suppressing deterioration in performance due to the positive electrode layer will be described below.

尚、以下の説明では、LCPO系材料を単に「LCPO」とも言い、LCPOとしてLiCoPを用いる場合を例にする。また、LAGP系材料を単に「LAGP」とも言う。 In the following description, the LCPO-based material is also simply referred to as "LCPO", and the case of using Li 2 CoP 2 O 7 as LCPO is taken as an example. Also, the LAGP-based material is simply referred to as "LAGP".

[固体電池の製造]
はじめに、固体電池の正極層及び負極層、並びにそれらの間に設けられる電解質層の形成に用いられる材料の例について説明する。
[Manufacturing of solid-state batteries]
First, examples of materials used to form a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided therebetween in a solid battery will be described.

(LCPO粉体)
まず、LCPOの組成に基づく量のLi原料、Co原料及びP原料の粉体が準備される。Li原料の粉体には、例えば、LiNO(硝酸リチウム)が用いられる。Co原料の粉体には、例えば、Co(NO又はCo(NO・6HO(硝酸コバルト)が用いられる。P原料の粉体には、例えば、NHPO(リン酸二水素アンモニウム)が用いられる。これらの原料粉体が、後述する焼成により得られるLCPO、ここではLiCoPの組成となるように秤量され、準備される。
(LCPO powder)
First, powders of Li raw material, Co raw material and P raw material are prepared in amounts based on the composition of LCPO. As the Li raw material powder, for example, Li 2 NO 3 (lithium nitrate) is used. For example, Co(NO 3 ) 2 or Co(NO 3 ) 2.6H 2 O (cobalt nitrate) is used as the Co raw material powder. For example, NH 4 H 2 PO 4 (ammonium dihydrogen phosphate) is used as the P raw material powder. These raw material powders are weighed and prepared so as to have a composition of LCPO obtained by firing as described later, here Li 2 CoP 2 O 7 .

準備されたLi原料、Co原料及びP原料と、更にクエン酸及び純水とが、ビーカー等の容器内で混合され、その容器がホットプレート等を用いて加熱され、水分が蒸発される。水分の蒸発によって得られた混合物は、メノウ乳鉢等を用いて粉砕され、粉砕後の混合物は、600℃~700℃の温度で2時間~6時間、焼成される。焼成によって得られた焼成体は、所定の平均粒径(例えば7μm)の粉体となるようにメノウ乳鉢等を用いて粉砕され、粉砕されたものがボールミル等を用いて更に粉砕される。これにより、所定の平均粒径(例えば1μm)に調整されたLCPO粉体が得られる。 The prepared Li raw material, Co raw material and P raw material, and further citric acid and pure water are mixed in a container such as a beaker, and the container is heated using a hot plate or the like to evaporate water. The mixture obtained by evaporating water is pulverized using an agate mortar or the like, and the pulverized mixture is calcined at a temperature of 600° C. to 700° C. for 2 to 6 hours. The sintered body obtained by sintering is pulverized using an agate mortar or the like so as to obtain a powder having a predetermined average particle size (for example, 7 μm), and the pulverized material is further pulverized using a ball mill or the like. As a result, LCPO powder adjusted to a predetermined average particle size (for example, 1 μm) is obtained.

例えばこのような方法により、固体電池の正極層の正極活物質として用いられるLCPO粉体が準備される。
尚、LCPOのLi原料には、LiCO(炭酸リチウム)等の他のLi化合物が用いられてもよく、Co原料には、CoCO(炭酸コバルト)等の他のCo化合物を用いることもできる。また、LCPOの形成には、上記のようなLi原料、Co原料及びP原料をクエン酸と共に液中で混合する湿式プロセスのほか、クエン酸を用いずにLi原料、Co原料及びP原料をそれらに純水を添加しながら混合する湿式プロセス、或いはクエン酸及び純水を使用しない乾式プロセス等、他の方法が採用されてもよい。
For example, by such a method, LCPO powder used as a positive electrode active material for a positive electrode layer of a solid battery is prepared.
Note that other Li compounds such as Li 2 CO 3 (lithium carbonate) may be used as the Li raw material for LCPO, and other Co compounds such as CoCO 3 (cobalt carbonate) may be used as the Co raw material. can also In forming LCPO, in addition to the above-mentioned wet process of mixing the Li, Co and P raw materials with citric acid in a liquid, the Li raw material, the Co raw material and the P raw material are mixed without using citric acid. Other methods may be adopted, such as a wet process in which pure water is added while mixing, or a dry process in which citric acid and pure water are not used.

(LAGP粉体)
LAGPは、固相法を用いて形成することができる。まず、LAGPの原料となるLiCO、Al(酸化アルミニウム)、GeO(酸化ゲルマニウム)及びNHPOの粉末が所定の組成比となるように秤量され、準備される。これらの原料粉体が、磁性乳鉢やボールミル等を用いて混合され、混合によって得られた混合物は、温度300℃~400℃で3時間~5時間、仮焼成される。仮焼成によって得られた粉体は、温度1200℃~1400℃で1時間~2時間の熱処理によって溶解される。溶解によって得られた材料は、急冷され、ガラス化される。これにより、非晶質のLAGP粉体が得られる。また、このようにして得られた非晶質のLAGP粉体は、例えば、600℃~900℃の条件で焼成されてもよい。これにより、結晶質のLAGP粉体が得られる。得られたLAGP粉体は、粉砕されて目的の粒径(平均粒径D50)に調整される。
(LAGP powder)
LAGPs can be formed using solid-phase methods. First, powders of Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 (aluminum oxide), GeO 2 (germanium oxide) and NH 4 H 2 PO 4 as raw materials for LAGP are weighed and prepared so as to have a predetermined composition ratio. be. These raw material powders are mixed using a magnetic mortar, ball mill, or the like, and the mixture obtained by mixing is calcined at a temperature of 300° C. to 400° C. for 3 to 5 hours. The powder obtained by calcination is melted by heat treatment at a temperature of 1200° C. to 1400° C. for 1 hour to 2 hours. The material obtained by melting is quenched and vitrified. Thereby, an amorphous LAGP powder is obtained. In addition, the amorphous LAGP powder thus obtained may be sintered at, for example, 600°C to 900°C. This gives a crystalline LAGP powder. The obtained LAGP powder is pulverized and adjusted to the target particle size (average particle size D50).

例えば、このような方法により、固体電池の電解質層、並びに正極層及び負極層に用いられるLAGP粉体が準備される。固体電池の電解質層、正極層及び負極層には、非晶質のLAGP粉体が用いられてもよいし、結晶質のLAGP粉体が用いられてもよい。固体電池の電解質層、正極層及び負極層には、非晶質のLAGP粉体と結晶質のLAGP粉体の両方が用いられてもよい。 For example, such a method prepares the LAGP powder used for the electrolyte layer and the cathode and anode layers of a solid-state battery. Amorphous LAGP powder or crystalline LAGP powder may be used for the electrolyte layer, positive electrode layer, and negative electrode layer of the solid battery. Both amorphous LAGP powder and crystalline LAGP powder may be used in the electrolyte layer, positive electrode layer and negative electrode layer of the solid battery.

(電解質層材料)
一例として、上記方法によって得られたLAGP粉体(非晶質及び結晶質のLAGP粉体の一方又は両方)が、バインダー、溶剤等と混合され、ドクターブレード法等によってポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)フィルム等のキャリアに塗工され、電解質層用グリーンシートが形成される。
(Electrolyte layer material)
As an example, the LAGP powder obtained by the above method (one or both of amorphous and crystalline LAGP powder) is mixed with a binder, a solvent, etc., and polyethylene terephthalate (PET) is obtained by a doctor blade method or the like. ) is coated on a carrier such as a film to form a green sheet for the electrolyte layer.

例えば、LAGP粉体をセラミック粉体とし、そのセラミック粉体に対し、バインダーを一定量添加すると共に、溶剤として無水アルコールを一定量添加することで得た混合物を、ボールミル等で混合し、ペースト状の電解質層材料を形成する。形成されたペースト状の電解質層材料を、真空中で脱泡した後、ドクターブレード法にてPETフィルム上に塗工し、電解質層に対応するシート状の電解質層材料を形成する。例えば、このようにして1回の塗工で形成された1枚のシート状の電解質層材料を、電解質層用グリーンシートとすることができる。また、目的の厚さに調整するため、1回の塗工で形成された1枚のシート状の電解質層材料を、複数枚積層して圧着し、電解質層用グリーンシートとすることもできる。1枚の又は複数枚積層されたシート状の電解質層材料を含む電解質層用グリーンシートは、所定の平面サイズとなるように裁断されてもよい。例えば、このようにして形成される電解質層用グリーンシートが、固体電池の電解質層の形成に用いられる。 For example, LAGP powder is used as ceramic powder, and a certain amount of binder is added to the ceramic powder, and a mixture obtained by adding a certain amount of anhydrous alcohol as a solvent is mixed with a ball mill or the like to form a paste. of the electrolyte layer material. The formed paste-like electrolyte layer material is defoamed in vacuum and then coated on a PET film by a doctor blade method to form a sheet-like electrolyte layer material corresponding to the electrolyte layer. For example, one sheet-like electrolyte layer material formed by one coating in this manner can be used as the electrolyte layer green sheet. Further, in order to adjust the desired thickness, a plurality of sheets of the sheet-like electrolyte layer material formed by one coating may be laminated and pressure-bonded to form a green sheet for the electrolyte layer. The electrolyte layer green sheet containing one or a plurality of laminated sheet-like electrolyte layer materials may be cut into a predetermined planar size. For example, the electrolyte layer green sheet thus formed is used to form the electrolyte layer of a solid battery.

(正極層材料)
一例として、上記方法によって得られたLAGP粉体(非晶質及び結晶質のLAGP粉体の一方又は両方)、導電助剤、正極活物質、バインダー、溶剤、可塑剤等が混合され、ドクターブレード法にてPETフィルム等のキャリアに塗工され、正極層用グリーンシートが形成される。正極活物質には、LCPO、ここではLiCoPが用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン又はカーボンナノチューブ等のカーボン材料、鉄シリサイド等の導電性材料が用いられる。
(Positive electrode layer material)
As an example, the LAGP powder obtained by the above method (one or both of amorphous and crystalline LAGP powder), a conductive aid, a positive electrode active material, a binder, a solvent, a plasticizer, etc. are mixed, and a doctor blade A carrier such as a PET film is coated by a method to form a positive electrode layer green sheet. LCPO, here Li 2 CoP 2 O 7 is used as the positive electrode active material. Examples of conductive aids include carbon materials such as carbon nanofibers, carbon black, graphite, graphene, and carbon nanotubes, and conductive materials such as iron silicide.

例えば、LAGP粉体と正極活物質とを、質量比で50:50となるように混合したものをセラミック粉体とし、そのセラミック粉体に対し、バインダーを一定量添加すると共に、溶媒として無水アルコールを一定量添加することで得た混合物を、ボールミル等で混合し、ペースト状の正極層材料を形成する。形成されたペースト状の正極層材料を、真空中で脱泡した後、ドクターブレード法にてPETフィルム上に塗工し、正極層に対応するシート状の正極層材料を形成する。例えば、このようにして1回の塗工で形成された1枚のシート状の正極層材料を、正極層用グリーンシートとすることができる。また、目的の厚さ及び正極活物質量に調整するため、1回の塗工で形成された1枚のシート状の正極層材料を、複数枚積層して圧着し、正極層用グリーンシートとすることもできる。1枚の又は複数枚積層されたシート状の正極層材料を含む正極層用グリーンシートは、所定の平面サイズとなるように裁断されてもよい。例えば、このようにして形成される正極層用グリーンシートが、固体電池の正極層の形成に用いられる。 For example, the LAGP powder and the positive electrode active material are mixed at a mass ratio of 50:50 to form a ceramic powder, and a certain amount of binder is added to the ceramic powder, and anhydrous alcohol is used as a solvent A mixture obtained by adding a certain amount of is mixed with a ball mill or the like to form a paste-like positive electrode layer material. The formed paste-like positive electrode layer material is defoamed in vacuum, and then coated on a PET film by a doctor blade method to form a sheet-like positive electrode layer material corresponding to the positive electrode layer. For example, one sheet-like positive electrode layer material formed by one coating in this manner can be used as a positive electrode layer green sheet. In addition, in order to adjust the desired thickness and amount of positive electrode active material, a plurality of sheet-shaped positive electrode layer materials formed by one coating are laminated and pressure-bonded to form a positive electrode layer green sheet. You can also A positive electrode layer green sheet containing one or a plurality of laminated sheet-shaped positive electrode layer materials may be cut into a predetermined planar size. For example, the positive electrode layer green sheet thus formed is used for forming the positive electrode layer of a solid battery.

また、別の例として、上記方法によって得られたLAGP粉体、導電助剤、正極活物質、バインダー、分散剤、可塑剤、非水系溶剤等が混合され、ペースト状の正極層材料である正極層用ペーストが形成される。例えば、このようにして形成される正極層用ペーストが、固体電池の正極層の、スクリーン印刷による形成に用いられる。 As another example, the LAGP powder obtained by the above method, a conductive aid, a positive electrode active material, a binder, a dispersant, a plasticizer, a non-aqueous solvent, etc. are mixed, and the positive electrode which is a paste positive electrode layer material A layer paste is formed. For example, the positive electrode layer paste thus formed is used for forming the positive electrode layer of a solid battery by screen printing.

(負極層材料)
一例として、上記方法によって得られたLAGP粉体(非晶質及び結晶質のLAGP粉体の一方又は両方)、導電助剤、負極活物質、バインダー、溶剤、可塑剤等が混合され、ドクターブレード法にてPETフィルム等のキャリアに塗工され、負極層用グリーンシートが形成される。負極活物質には、TiO(酸化チタン)、Nb(酸化ニオブ)、Li(PO(リン酸バナジウムリチウム)又はLiTi12(チタン酸リチウム)等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン又はカーボンナノチューブ等のカーボン材料、鉄シリサイド等の導電性材料が用いられる。
(Negative electrode layer material)
As an example, the LAGP powder obtained by the above method (one or both of amorphous and crystalline LAGP powder), a conductive aid, a negative electrode active material, a binder, a solvent, a plasticizer, etc. are mixed, and a doctor blade A carrier such as a PET film is coated by a method to form a negative electrode layer green sheet. The negative electrode active material includes TiO 2 (titanium oxide), Nb 2 O 5 (niobium oxide), Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 (lithium vanadium phosphate), Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate), and the like. is used. Examples of conductive aids include carbon materials such as carbon nanofibers, carbon black, graphite, graphene, and carbon nanotubes, and conductive materials such as iron silicide.

例えば、LAGP粉体と負極活物質とを、質量比で50:50となるように混合したものをセラミック粉体とし、そのセラミック粉体に対し、バインダーを一定量添加すると共に、溶媒として無水アルコールを一定量添加することで得た混合物を、ボールミル等で混合し、ペースト状の負極層材料を形成する。形成されたペースト状の負極層材料を、真空中で脱泡した後、ドクターブレード法にてPETフィルム上に塗工し、負極層に対応するシート状の負極層材料を形成する。例えば、このようにして1回の塗工で形成された1枚のシート状の負極層材料を、負極層用グリーンシートとすることができる。また、目的の厚さ及び負極活物質量に調整するため、1回の塗工で形成された1枚のシート状の負極層材料を、複数枚積層して圧着し、負極層用グリーンシートとすることもできる。1枚の又は複数枚積層されたシート状の負極層材料を含む負極層用グリーンシートは、所定の平面サイズとなるように裁断されてもよい。例えば、このようにして形成される負極層用グリーンシートが、固体電池の負極層の形成に用いられる。 For example, the LAGP powder and the negative electrode active material are mixed in a mass ratio of 50:50 to form a ceramic powder. A mixture obtained by adding a certain amount of is mixed with a ball mill or the like to form a paste-like negative electrode layer material. The formed paste-like negative electrode layer material is defoamed in a vacuum, and then coated on a PET film by a doctor blade method to form a sheet-like negative electrode layer material corresponding to the negative electrode layer. For example, one sheet-shaped negative electrode layer material formed by one coating in this way can be used as a negative electrode layer green sheet. In addition, in order to adjust the desired thickness and amount of the negative electrode active material, a plurality of sheet-shaped negative electrode layer materials formed by one coating are laminated and pressure-bonded to form a negative electrode layer green sheet. You can also A negative electrode layer green sheet containing one or a plurality of laminated sheet-like negative electrode layer materials may be cut into a predetermined planar size. For example, the negative electrode layer green sheet thus formed is used for forming the negative electrode layer of a solid battery.

また、別の例として、上記方法によって得られたLAGP粉体、導電助剤、負極活物質、バインダー、分散剤、可塑剤、非水系溶剤等が混合され、ペースト状の負極層材料である負極層用ペーストが形成される。例えば、このようにして形成される負極層用ペーストが、固体電池の負極層の、スクリーン印刷による形成に用いられる。 As another example, the LAGP powder obtained by the above method, a conductive aid, a negative electrode active material, a binder, a dispersant, a plasticizer, a non-aqueous solvent, etc. are mixed, and a negative electrode that is a paste negative electrode layer material A layer paste is formed. For example, the negative electrode layer paste thus formed is used for forming the negative electrode layer of a solid battery by screen printing.

続いて、上記のような材料を用いた固体電池の製造方法の例について説明する。
図1は固体電池の製造フローの一例を示す図である。
固体電池の製造では、まず、正極層、電解質層及び負極層の材料の積層体が形成される(ステップS1)。形成された積層体は、残存するバインダー等を熱分解するために熱処理され、脱脂が行われる(ステップS2)。脱脂後の積層体は、更に焼成され、正極層、電解質層及び負極層の焼結が行われる(ステップS3)。そして、焼成後の積層体の、電解質層を挟む正極層及び負極層の表面にそれぞれ、金属等を用いて集電体が形成される(ステップS4)。これにより、固体電池の基本構造が形成される。図1に示すステップS1~S4の各工程について、図2~図5を参照して説明する。
Next, an example of a method for manufacturing a solid-state battery using the above materials will be described.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the production flow of a solid-state battery.
In manufacturing a solid-state battery, first, a laminate of materials for a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer is formed (step S1). The formed laminate is heat-treated to thermally decompose the remaining binder and the like, and is degreased (step S2). The laminate after degreasing is further fired to sinter the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer (step S3). Then, current collectors are formed using a metal or the like on the surfaces of the positive electrode layer and the negative electrode layer sandwiching the electrolyte layer in the laminated body after firing (step S4). This forms the basic structure of the solid-state battery. Each process of steps S1 to S4 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 5. FIG.

(積層体形成)
図2は積層体形成工程の第1の例について説明する図である。図2(A)には正極層用、電解質層用及び負極層用のグリーンシート群の圧着工程の一例の要部断面図を模式的に示し、図2(B)には圧着されたグリーンシート群の一例の要部断面図を模式的に示している。
(Laminate formation)
FIG. 2 is a diagram for explaining a first example of the laminate forming process. FIG. 2(A) schematically shows a cross-sectional view of an essential part of an example of a step of crimping the green sheets for the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer, and FIG. 2(B) shows the crimped green sheets. A cross-sectional view of a main part of an example of a group is schematically shown.

図1のステップS1に示す積層体形成工程では、例えば、図2(A)及び図2(B)に示すような方法が用いられる。即ち、図2(A)に示すように、上記方法を用いて準備された正極層用グリーンシート11、電解質層用グリーンシート31及び負極層用グリーンシート21が、正極層用グリーンシート11と負極層用グリーンシート21との間に電解質層用グリーンシート31が挟まれるようにして積層され、圧着される。これにより、図2(B)に示すような積層体2が得られる。 In the layered body forming step shown in step S1 of FIG. 1, for example, a method as shown in FIGS. 2A and 2B is used. That is, as shown in FIG. 2A, the positive electrode layer green sheet 11, the electrolyte layer green sheet 31, and the negative electrode layer green sheet 21 prepared by the above method are combined into the positive electrode layer green sheet 11 and the negative electrode layer green sheet. The electrolyte layer green sheet 31 is sandwiched between the electrolyte layer green sheet 21 and the layer green sheet 21 , and laminated and pressure-bonded. Thereby, the laminate 2 as shown in FIG. 2B is obtained.

尚、正極層用グリーンシート11及び負極層用グリーンシート21にはそれぞれ、1枚のグリーンシートに限らず、複数枚のグリーンシートを所定の厚さ及び活物質量となるように予め積層して圧着したものが用いられてもよい。電解質層用グリーンシート31には、1枚のグリーンシートに限らず、複数枚のグリーンシートを所定の厚さとなるように予め積層して圧着したものが用いられてもよい。 Each of the positive electrode layer green sheet 11 and the negative electrode layer green sheet 21 is not limited to one green sheet, and a plurality of green sheets may be laminated in advance so as to have a predetermined thickness and amount of active material. A crimped one may also be used. The electrolyte layer green sheet 31 is not limited to one green sheet, and a plurality of green sheets may be laminated in advance to have a predetermined thickness and pressure-bonded.

図3は積層体形成工程の第2の例について説明する図である。図3(A)には正極層用ペーストの塗工工程の一例の要部断面図を模式的に示し、図3(B)には負極層用ペーストの塗工工程の一例の要部断面図を模式的に示している。 FIG. 3 is a diagram for explaining a second example of the laminate forming process. FIG. 3A schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of the positive electrode layer paste coating process, and FIG. 3B is a main part cross-sectional view of an example of the negative electrode layer paste coating process. is schematically shown.

図1のステップS1に示す積層体の形成では、例えば、図3(A)及び図3(B)に示すような方法が用いられてもよい。この方法では、例えば、図3(A)に示すように、上記方法を用いて準備された電解質層用グリーンシート31の一方の面に、上記方法を用いて準備された正極層用ペースト12がスクリーン印刷によって塗工される。塗工後、乾燥が行われ、正極層用ペースト12中の溶剤が除去される。図3(B)に示すように、電解質層用グリーンシート31の他方の面に、上記方法を用いて準備された負極層用ペースト22がスクリーン印刷によって塗工される。塗工後、乾燥が行われ、負極層用ペースト22中の溶剤が除去される。これにより、図3(B)に示すような積層体2が得られる。 For example, the method shown in FIGS. 3(A) and 3(B) may be used in the formation of the laminate shown in step S1 of FIG. In this method, for example, as shown in FIG. 3A, the positive electrode layer paste 12 prepared by the above method is applied to one surface of the electrolyte layer green sheet 31 prepared by the above method. It is applied by screen printing. After coating, drying is performed to remove the solvent in the positive electrode layer paste 12 . As shown in FIG. 3B, the negative electrode layer paste 22 prepared by the method described above is applied to the other surface of the electrolyte layer green sheet 31 by screen printing. After coating, drying is performed to remove the solvent in the negative electrode layer paste 22 . Thereby, the laminate 2 as shown in FIG. 3B is obtained.

尚、正極層用ペースト12及び負極層用ペースト22のスクリーン印刷による塗工は、所定の厚さ及び活物質量となるように、複数回行われてもよい。この場合、溶剤除去のための乾燥は、各回のスクリーン印刷後に都度行われてもよいし、複数回のスクリーン印刷後に一括で行われてもよい。また、電解質層用グリーンシート31には、1枚のグリーンシートに限らず、複数枚のグリーンシートを所定の厚さとなるように予め積層して圧着したものが用いられてもよい。 The application of the positive electrode layer paste 12 and the negative electrode layer paste 22 by screen printing may be performed multiple times so as to obtain a predetermined thickness and amount of active material. In this case, the drying for removing the solvent may be performed after each screen printing, or may be performed collectively after a plurality of screen printings. Further, the electrolyte layer green sheet 31 is not limited to one green sheet, and a plurality of green sheets may be laminated in advance so as to have a predetermined thickness and press-bonded.

(脱脂及び焼成)
図4は脱脂及び焼成工程の一例について説明する図である。図4(A)には脱脂工程の一例の要部断面図を模式的に示し、図4(B)には焼成工程の一例の要部断面図を模式的に示している。
(degreasing and firing)
FIG. 4 is a diagram explaining an example of the degreasing and baking process. FIG. 4A schematically shows a cross-sectional view of essential parts of an example of the degreasing process, and FIG. 4B schematically shows a cross-sectional view of essential parts of an example of the baking process.

図1のステップS2に示す脱脂工程では、例えば、図4(A)に示すように、ステップS1で得られた積層体2が、大気雰囲気中、300℃~600℃程度の温度で熱処理され、積層体2中に残存するバインダー等の熱分解による除去、即ち、脱脂が行われる。脱脂工程における熱処理の温度は、積層体2の形成に用いられた正極層用グリーンシート11又は正極層用ペースト12、電解質層用グリーンシート31、負極層用グリーンシート21又は負極層用ペースト22に含有されるバインダーの熱分解温度に基づいて設定することができる。 In the degreasing step shown in step S2 of FIG. 1, for example, as shown in FIG. The binder and the like remaining in the laminate 2 are removed by thermal decomposition, that is, degreasing is performed. The temperature of the heat treatment in the degreasing step varies depending on the positive electrode layer green sheet 11 or the positive electrode layer paste 12, the electrolyte layer green sheet 31, the negative electrode layer green sheet 21 or the negative electrode layer paste 22 used to form the laminate 2. It can be set based on the thermal decomposition temperature of the binder contained.

尚、このような脱脂の際、積層体2の形成に用いられた正極層用グリーンシート11又は正極層用ペースト12、電解質層用グリーンシート31、負極層用グリーンシート21又は負極層用ペースト22に含有されるLAGP等の一部の焼結が行われてよい。脱脂のための熱処理は、後述のような焼成炉100(図4(B))を用いて行われてよい。 At the time of such degreasing, the positive electrode layer green sheet 11 or the positive electrode layer paste 12, the electrolyte layer green sheet 31, the negative electrode layer green sheet 21 or the negative electrode layer paste 22 used to form the laminate 2 were removed. Some sintering, such as the LAGP contained in the may be performed. The heat treatment for degreasing may be performed using a firing furnace 100 (FIG. 4(B)) as described later.

図1のステップS3に示す焼成工程では、例えば、図4(B)に示すように、ステップS2で得られた脱脂後の積層体2が、焼成炉100に搬入される。そして、搬入された積層体2は、窒素等の不活性ガス雰囲気中、例えば、脱脂よりも高い温度で、焼成が行われる。このような焼成により、脱脂後の積層体2に含有されるLAGP等の焼結が行われる。 In the firing step shown in step S3 of FIG. 1, for example, the degreased laminate 2 obtained in step S2 is carried into a firing furnace 100 as shown in FIG. 4B. Then, the loaded laminate 2 is fired in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, for example, at a temperature higher than that for degreasing. By such firing, LAGP and the like contained in the degreased laminate 2 are sintered.

(集電体形成)
図5は集電体形成工程の一例について説明する図である。図5(A)には集電体形成工程前の一例の要部断面図を模式的に示している。図5(B)には集電体形成工程の一例の要部断面図を模式的に示している。
(Current collector formation)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the current collector forming process. FIG. 5A schematically shows a cross-sectional view of an example of essential parts before the step of forming a current collector. FIG. 5B schematically shows a cross-sectional view of an essential part of an example of the current collector forming step.

上記のような焼成により、図5(A)に示すような、焼成後の正極層10、電解質層30及び負極層20を有する固体電池本体1aが形成される。このような固体電池本体1aの正極層10及び負極層20の表面にそれぞれ、図5(B)に示すように、集電体40及び集電体50が形成される。例えば、集電体40及び集電体50として、正極層10及び負極層20の表面にそれぞれ、スパッタリングや蒸着によってAu(金)等の金属の薄膜が形成される。尚、集電体40及び集電体50には、AuやAg(銀)等の各種金属粒子や炭素粒子等の導電性粒子を含有した導電性ペーストの塗工及び焼成によって得られるものが用いられてもよい。 By the firing as described above, the solid battery body 1a having the positive electrode layer 10, the electrolyte layer 30 and the negative electrode layer 20 after firing is formed as shown in FIG. 5(A). As shown in FIG. 5B, a current collector 40 and a current collector 50 are formed on the surfaces of the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 of the solid battery body 1a, respectively. For example, as the current collector 40 and the current collector 50, thin films of a metal such as Au (gold) are formed on the surfaces of the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20, respectively, by sputtering or vapor deposition. The current collector 40 and the current collector 50 are obtained by coating and firing a conductive paste containing various metal particles such as Au and Ag (silver) and conductive particles such as carbon particles. may be

以上のような方法を用い、正極層10及び負極層20とそれらの間に設けられた電解質層30とを有する固体電池本体1aの、正極層10及び負極層20にそれぞれ接続された集電体40及び集電体50を備える、固体電池1が得られる。 Current collectors respectively connected to the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 of the solid battery main body 1a having the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 and the electrolyte layer 30 provided therebetween using the above method. A solid state battery 1 comprising 40 and a current collector 50 is obtained.

固体電池1の充電時には、正極層10から電解質層30を介して負極層20にリチウムイオンが伝導して取り込まれ、放電時には、負極層20から電解質層30を介して正極層10にリチウムイオンが伝導して取り込まれる。固体電池1では、このようなリチウムイオン伝導によって充放電動作が実現される。 When the solid-state battery 1 is charged, lithium ions are conducted from the positive electrode layer 10 through the electrolyte layer 30 to the negative electrode layer 20 and incorporated therein. transmitted and taken in. In the solid-state battery 1, charging and discharging operations are realized by such lithium ion conduction.

尚、ここでは、電解質層30、正極層10及び負極層20を各1層備えた固体電池本体1aの、その正極層10及び負極層20にそれぞれ集電体40及び集電体50を接続した固体電池1を例にした。このほか、複数の正極層10及び複数の負極層20を、間に電解質層30を介して交互に積層し、これを脱脂及び焼成して固体電池本体を形成し、その固体電池本体の複数の正極層10に接続される集電体及び複数の負極層20に接続される集電体を形成し、積層型の固体電池を得ることもできる。 Here, a current collector 40 and a current collector 50 are connected to the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 of the solid battery main body 1a having the electrolyte layer 30, the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20, respectively. A solid battery 1 is taken as an example. In addition, a plurality of positive electrode layers 10 and a plurality of negative electrode layers 20 are alternately laminated with an electrolyte layer 30 interposed therebetween, degreased and fired to form a solid battery body, and a plurality of solid battery body layers are formed. A current collector connected to the positive electrode layer 10 and a current collector connected to a plurality of negative electrode layers 20 may be formed to obtain a stacked solid-state battery.

[固体電池の評価]
次に、上記のような方法に従い各種条件を用いて形成された固体電池1を評価した結果について説明する。ここでは、固体電池1の評価のため、以下のような固体電池1の試料を作製した。
[Evaluation of Solid Battery]
Next, evaluation results of the solid-state battery 1 formed under various conditions according to the above method will be described. Here, for evaluation of the solid battery 1, the following samples of the solid battery 1 were produced.

(正極層)
正極層10の正極活物質には、LCPO、ここではLiCoPを用いた。正極層10のLCPOには、Li原料にLiNO、Co原料にCo(NO・6HO、P原料にNHPOを用い、これらをクエン酸と共に純水中で混合し、水分の蒸発後、ボールミルで平均粒径0.5μmまで粉砕したものを用いた。
(positive electrode layer)
LCPO, which is Li 2 CoP 2 O 7 here, was used as the positive electrode active material of the positive electrode layer 10 . For the LCPO of the positive electrode layer 10, Li 2 NO 3 is used as the Li raw material, Co(NO 3 ) 2.6H 2 O as the Co raw material, and NH 4 H 2 PO 4 as the P raw material. , and after evaporating the moisture, pulverized with a ball mill to an average particle size of 0.5 μm was used.

正極層10の固体電解質には、LAGPを用いた。正極層10のLAGPには、原料にLiCO、Al、GeO及びNHPOを用い、これらを磁性乳鉢、更にボールミルで混合し、その混合物をアルミナルツボに入れて300℃で5時間仮焼成し、1300℃で2時間の熱処理により溶融して急冷する方法(溶融急冷法)で得られた非晶質のLAGPを、ボールミルで平均粒径1.0μmまで粉砕したものを用いた。正極層10の固体電解質のLAGPとして、次の表1に示すような、平均粒径D50[μm]及びBET比表面積[m/g]の異なる2種類のLAGPを用いた。 LAGP was used as the solid electrolyte of the positive electrode layer 10 . Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 , GeO 2 and NH 4 H 2 PO 4 are used as raw materials for the LAGP of the positive electrode layer 10, these are mixed in a magnetic mortar and then in a ball mill, and the mixture is placed in an alumina crucible. Amorphous LAGP obtained by a method of calcining at 300 ° C. for 5 hours and melting and quenching by heat treatment at 1300 ° C. for 2 hours (melting quenching method) is pulverized to an average particle size of 1.0 μm with a ball mill. I used what I did. As the LAGP of the solid electrolyte of the positive electrode layer 10, two types of LAGP having different average particle diameter D50 [μm] and BET specific surface area [m 2 /g] as shown in Table 1 below were used.

Figure 2023060626000002
Figure 2023060626000002

正極層10の導電助剤には、カーボンナノチューブ(CNT)を用いた。
LCPO、LAGP及びCNTを、LCPO:LAGP:CNT=3.88:5.82:0.3の重量比で混合し、これにバインダー、分散剤、可塑剤及び非水系溶剤を所定の比率で加えて混練し、スクリーン印刷に用いる正極層用ペースト12を形成した。
A carbon nanotube (CNT) was used as a conductive aid for the positive electrode layer 10 .
LCPO, LAGP and CNT are mixed at a weight ratio of LCPO:LAGP:CNT=3.88:5.82:0.3, and binder, dispersant, plasticizer and non-aqueous solvent are added at predetermined ratios. to form a positive electrode layer paste 12 used for screen printing.

(電解質層)
電解質層30の固体電解質には、LAGPを用いた。電解質層30のLAGPには、正極層10と同様の溶融急冷法で得られた非晶質のLAGPを、ボールミルで平均粒径1.0μmまで粉砕したものを用いた。これにバインダー、分散剤、可塑剤及び非水系溶剤を所定の比率で加えて混練し、ドクターブレード法により、厚さ200μmの電解質層用グリーンシート31を形成した。
(Electrolyte layer)
LAGP was used as the solid electrolyte of the electrolyte layer 30 . As the LAGP of the electrolyte layer 30, amorphous LAGP obtained by the same melt quenching method as used for the positive electrode layer 10 was pulverized to an average particle size of 1.0 μm with a ball mill. A binder, a dispersant, a plasticizer, and a non-aqueous solvent were added thereto in a predetermined ratio and kneaded, and a 200 μm-thick electrolyte layer green sheet 31 was formed by a doctor blade method.

(負極層)
負極層20の負極活物質には、平均粒径1.0μmのTiOを用いた。負極層20の固体電解質及び導電助剤には正極層10と同様のものを用い、正極層10と同様にして、スクリーン印刷に用いる負極層用ペースト22を形成した。
(Negative electrode layer)
TiO 2 with an average particle size of 1.0 μm was used as the negative electrode active material of the negative electrode layer 20 . The solid electrolyte and conductive aid for the negative electrode layer 20 were the same as those for the positive electrode layer 10 , and the negative electrode layer paste 22 used for screen printing was formed in the same manner as for the positive electrode layer 10 .

また、負極層用ペースト22として、負極活物質に平均粒径1.0μmのNbを用い、正極層10と同様の固体電解質及び導電助剤を用いたものも形成した。
(積層並びに脱脂及び焼成)
電解質層用グリーンシート31の一方の面に正極層用ペースト12のスクリーン印刷を行い、電解質層用グリーンシート31の他方の面に負極層用ペースト22のスクリーン印刷を行い、積層体2を形成した。
Further, as the negative electrode layer paste 22, Nb 2 O 5 having an average particle size of 1.0 μm was used as the negative electrode active material, and the same solid electrolyte and conductive aid as those of the positive electrode layer 10 were used.
(Lamination and degreasing and firing)
The positive electrode layer paste 12 was screen-printed on one surface of the electrolyte layer green sheet 31 , and the negative electrode layer paste 22 was screen-printed on the other surface of the electrolyte layer green sheet 31 to form the laminate 2 . .

形成した積層体2に対し、次のような条件で脱脂及び焼成を行った。
脱脂については、大気フロー雰囲気中、昇温速度50℃/時間で昇温し、500℃で5時間保持し、自然冷却により降温する条件を用いた。
The formed laminate 2 was degreased and fired under the following conditions.
For degreasing, the temperature was raised at a rate of 50° C./hour in an air flow atmosphere, held at 500° C. for 5 hours, and cooled by natural cooling.

焼成については、窒素フロー雰囲気中、昇温速度50℃/時間で昇温し、525℃~650℃の範囲における所定の温度(525℃,537℃,550℃,563℃,575℃,587℃,600℃,612℃,625℃,637℃,650℃のうちのいずれかの温度)で5時間保持し、自然冷却により降温する条件を用いた。 For firing, the temperature is raised at a rate of temperature rise of 50°C/hour in a nitrogen flow atmosphere, and the prescribed temperature in the range of 525°C to 650°C (525°C, 537°C, 550°C, 563°C, 575°C, 587°C , 600.degree. C., 612.degree. C., 625.degree.

積層体2に対し、このような脱脂及び焼成により、脱脂後の焼成温度を変えた複数の固体電池本体1a、即ち、各々電解質層30並びにそれを挟む正極層10及び負極層20を有する複数の固体電池本体1aを形成した。 By such degreasing and sintering of the laminate 2, a plurality of solid battery main bodies 1a having different sintering temperatures after degreasing, that is, a plurality of solid battery bodies 1a each having an electrolyte layer 30 and a positive electrode layer 10 and a negative electrode layer 20 sandwiching the electrolyte layer 30 are formed. A solid battery main body 1a was formed.

(集電体)
脱脂後の焼成温度を変えて形成した各固体電池本体1aの正極層10及び負極層20の表面にそれぞれ、Auをスパッタリングし、集電体40及び集電体50を形成した。これにより、固体電池1を形成した。
(current collector)
Au was sputtered on the surface of the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 of each solid battery main body 1a formed by changing the baking temperature after degreasing to form the current collector 40 and the current collector 50, respectively. Thus, a solid battery 1 was formed.

上記のようにして複数の固体電池1の試料を作製した。作製した試料の正極活物質、負極活物質、固体電解質及び焼成温度の組み合わせを表2にまとめる。 A plurality of samples of the solid state battery 1 were produced as described above. Table 2 summarizes the combinations of the positive electrode active material, negative electrode active material, solid electrolyte, and firing temperature of the prepared samples.

Figure 2023060626000003
Figure 2023060626000003

尚、以下では、試料No.1~7のように、正極活物質にLCPO(LiCoP)、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1(表1)を用いた試料を、「LCPO/TiO/LAGP-1」とも記す。試料No.8~14のように、正極活物質にLCPO(LiCoP)、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2(表1)を用いた試料を、「LCPO/TiO/LAGP-2」とも記す。試料No.15~22のように、正極活物質にLCPO(LiCoP)、負極活物質にNb、固体電解質にLAGP-1(表1)を用いた試料を、「LCPO/Nb/LAGP-1」とも記す。 In addition, below, sample No. 1 to 7, samples using LCPO (Li 2 CoP 2 O 7 ) as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 (Table 1) as the solid electrolyte were labeled as “LCPO/TiO 2 / Also referred to as "LAGP-1". Sample no. 8 to 14, samples using LCPO (Li 2 CoP 2 O 7 ) as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 (Table 1) as the solid electrolyte were labeled as “LCPO/TiO 2 / Also referred to as "LAGP-2". Sample no. 15 to 22, samples using LCPO (Li 2 CoP 2 O 7 ) as the positive electrode active material, Nb 2 O 5 as the negative electrode active material, and LAGP-1 (Table 1) as the solid electrolyte are referred to as “LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1”.

(充放電特性)
上記のようにして作製された複数の固体電池1の試料、即ち、表2の試料No.1~22について、次のような条件で充放電を行い、容量(セル容量)及び電圧(セル電圧)を測定した。ここで、充電には、室温にて電池電圧が3.6Vになるまで1/20Cのレートで定電流充電を行う条件を用いた。放電には、室温にて電池電圧が0.5Vになるまで1/20Cのレートで定電流放電を行う条件を用いた。
(Charging and discharging characteristics)
A plurality of samples of the solid state battery 1 manufactured as described above, that is, sample No. 1 to 22 were charged and discharged under the following conditions, and the capacity (cell capacity) and voltage (cell voltage) were measured. Here, charging was performed under the condition of constant current charging at a rate of 1/20 C until the battery voltage reached 3.6 V at room temperature. For the discharge, conditions were used in which constant current discharge was performed at a rate of 1/20 C until the battery voltage reached 0.5 V at room temperature.

(X線回折測定)
上記のようにして得られた複数の固体電池1の試料について、露出させた正極層10(厚さ5μm)のX線回折(X-Ray Diffraction;XRD)測定を行った。XRD測定によって得られたXRDスペクトルから、所定の回折ピークの強度比(単に「比」とも言う)を求めた。XRD測定は、固体電池1の各試料を正極層10が最表面になる(露出する)ように設置し、Cu(銅)のKα線(CuKα線)を用い、スリット幅5mm、管電圧40kV、管電流30mA、回折角度2θ=5°~20°を0.1°/分のスピードで測定する条件を用いて行った。
(X-ray diffraction measurement)
X-Ray Diffraction (XRD) measurement of the exposed positive electrode layer 10 (thickness: 5 μm) was performed on the plurality of samples of the solid battery 1 obtained as described above. From the XRD spectrum obtained by the XRD measurement, the intensity ratio (simply referred to as "ratio") of a given diffraction peak was obtained. For XRD measurement, each sample of the solid battery 1 is installed so that the positive electrode layer 10 is the outermost surface (exposed), Cu (copper) Kα rays (CuKα rays) are used, the slit width is 5 mm, the tube voltage is 40 kV, Measurement was performed under the conditions of a tube current of 30 mA and a diffraction angle 2θ of 5° to 20° at a speed of 0.1°/min.

また、上記のようにして得られた複数の固体電池1の試料について、露出させた負極層20について、所定の回折角度2θの範囲のXRD測定を行った。
<焼成後正極層特性と固体電池性能との関係>
まず、焼成後の正極層10の特性と固体電池1の性能との関係の一例について述べる。
In addition, XRD measurement was performed on the exposed negative electrode layer 20 of a plurality of samples of the solid battery 1 obtained as described above within a predetermined range of diffraction angles 2θ.
<Relationship between positive electrode layer characteristics after firing and solid battery performance>
First, an example of the relationship between the properties of the positive electrode layer 10 after firing and the performance of the solid battery 1 will be described.

図6は正極層のXRDスペクトルの例を示す図である。図6には、上記表2に示した試料No.15~21、即ち、正極活物質にLCPO、負極活物質にNb、固体電解質にLAGP-1を用い、焼成温度を563℃~637℃とした試料No.15~21(LCPO/Nb/LAGP-1)の、正極層10のXRDスペクトルを示している。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the XRD spectrum of the positive electrode layer. FIG. 6 shows sample Nos. shown in Table 2 above. 15 to 21, that is, sample Nos. using LCPO as the positive electrode active material, Nb 2 O 5 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte, and firing at a temperature of 563°C to 637°C. 15-21 (LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1) XRD spectra of cathode layer 10 are shown.

図6に示す正極層10のXRDスペクトルから、焼成温度が637℃(試料No.21)の場合には、LCPOに帰属される回折ピーク、及びLAGPに帰属される回折ピークのほかに、LiAl(P(PO(「LAPP」と言う)に帰属すると考えられる回折ピークが現れる。 From the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 shown in FIG. 6, when the firing temperature is 637° C. (sample No. 21), in addition to the diffraction peaks attributed to LCPO and the diffraction peaks attributed to LAGP, Li 9 Diffraction peaks appear that are attributed to Al 3 (P 2 O 7 ) 3 (PO 4 ) 2 (referred to as “LAPP”).

図6に示す正極層10のXRDスペクトルから、焼成温度が587℃~625℃(試料No.17~20)の場合には、LCPOに帰属される回折ピーク、及びLAGPに帰属される回折ピークが現れる。或いは、焼成温度が587℃~625℃(試料No.17~20)の場合には、LCPO及びLAGPに帰属される回折ピークのほかに、LAPPに帰属すると考えられる回折ピークが現れる。 From the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 shown in FIG. 6, when the firing temperature is 587° C. to 625° C. (Sample Nos. 17 to 20), a diffraction peak attributed to LCPO and a diffraction peak attributed to LAGP are observed. appear. Alternatively, when the firing temperature is 587° C. to 625° C. (Sample Nos. 17 to 20), diffraction peaks attributed to LAPP appear in addition to diffraction peaks attributed to LCPO and LAGP.

図6に示す正極層10のXRDスペクトルから、焼成温度が575℃以下(試料No.15,16)の場合には、LAPPに帰属すると考えられる回折ピークは現れない。
尚、正極層10のXRDスペクトルには、LiAlP(ピロリン酸アルミニウムリチウム)に帰属されると考えられる回折ピークが現れる場合もある。
From the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 shown in FIG. 6, when the firing temperature is 575° C. or less (Samples Nos. 15 and 16), no diffraction peak attributed to LAPP appears.
The XRD spectrum of the positive electrode layer 10 may have a diffraction peak attributed to LiAlP 2 O 7 (lithium aluminum pyrophosphate).

この図6に示すような正極層10のXRDスペクトルから得られる知見に基づき、上記表2に示したような試料群について得られる正極層10のXRDスペクトルから、次のような所定の回折角度2θに現れる回折ピークの強度比を求める。即ち、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Q[-]を求める。 Based on the knowledge obtained from the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 as shown in FIG. Find the intensity ratio of the diffraction peaks appearing at . That is, the ratio P/Q[-] of the diffraction peak intensity P at the diffraction angle 2θ=13.0±0.2° to the diffraction peak intensity Q at the diffraction angle 2θ=14.35±0.2° is obtained.

ここで、回折角度2θ=12.9°にはLCPO(110)に帰属される回折ピークが現れ、回折角度2θ=13.1°にはLAPP(002)に帰属される回折ピークが現れる。上記回折角度2θ=13.0±0.2°には、LCPO(110)に帰属される回折ピークと、LAPP(002)に帰属されると考えられる回折ピークとが重なって現れるものと推察される。また、上記回折角度2θ=14.35°には、LCPO(11-1)に帰属される回折ピークが現れる。 Here, a diffraction peak attributed to LCPO (110) appears at the diffraction angle 2θ=12.9°, and a diffraction peak attributed to LAPP (002) appears at the diffraction angle 2θ=13.1°. At the diffraction angle 2θ=13.0±0.2°, it is assumed that the diffraction peak attributed to LCPO (110) and the diffraction peak attributed to LAPP (002) overlap. be. Moreover, a diffraction peak attributed to LCPO (11-1) appears at the diffraction angle 2θ=14.35°.

LCPOのみの試料について得られるXRDスペクトルの場合、比P/Qは、LCPO(11-1)の回折ピーク強度に対するLCPO(110)の回折ピーク強度の比、即ち、理論強度比となる。正極活物質であるLCPOと固体電解質であるLAGPとを含有する正極層10の焼成後のXRDスペクトルの比P/Qが、理論強度比よりも大きくなる場合には、回折角度2θ=12.9°のLCPO(110)の回折ピークに、回折角度2θ=13.1°のLAPP(002)の回折ピークが重なって現れているものと推察される。比P/Qの値から、固体電池1の焼成後の正極層10内における、LAPPと考えられる結晶相の存在に関する情報が得られるものと推察される。 For XRD spectra obtained for LCPO-only samples, the ratio P/Q is the ratio of the diffraction peak intensity of LCPO (110) to that of LCPO (11-1), ie, the theoretical intensity ratio. When the ratio P/Q of the XRD spectrum after firing of the positive electrode layer 10 containing LCPO as the positive electrode active material and LAGP as the solid electrolyte is larger than the theoretical intensity ratio, the diffraction angle 2θ=12.9. It is presumed that the diffraction peak of LAPP (002) with a diffraction angle of 2θ=13.1° is superimposed on the diffraction peak of LCPO (110) with 2θ=13.1°. It is presumed that the value of the ratio P/Q provides information on the existence of a crystal phase, which is considered to be LAPP, in the positive electrode layer 10 after firing of the solid battery 1 .

図7は焼成温度と正極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。図7には、上記表2に示した試料群のいくつかについて、焼成温度[℃]に対し、所定の回折ピーク強度比、即ち、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Q[-]をプロットしている。 FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the firing temperature and the predetermined diffraction peak intensity ratio of the positive electrode layer. FIG. 7 shows a predetermined diffraction peak intensity ratio, that is, a diffraction peak at a diffraction angle 2θ=14.35±0.2° with respect to the firing temperature [° C.] for some of the sample groups shown in Table 2 above. The ratio P/Q[−] of the diffraction peak intensity P at the diffraction angle 2θ=13.0±0.2° to the intensity Q is plotted.

正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.3,4,5,6,7(LCPO/TiO/LAGP-1)では、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃,650℃と高くなっていくのに伴い、比P/Qが増加する傾向が認められる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. In 3, 4, 5, 6, 7 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1), the ratio P/ A tendency for Q to increase is recognized.

正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた試料No.9,11,12,13,14(LCPO/TiO/LAGP-2)でも同様に、焼成温度が537℃,563℃,600℃,637℃,650℃と高くなっていくのに伴い、比P/Qが増加する傾向が認められる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte. Similarly, in 9, 11, 12, 13, and 14 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2), as the firing temperature increased to 537°C, 563°C, 600°C, 637°C, and 650°C, the ratio A tendency for P/Q to increase is recognized.

正極活物質にLCPO、負極活物質にNb、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.15,16,17,18,19,20,21(LCPO/Nb/LAGP-1)でも同様に、焼成温度が563℃,575℃,587℃,600℃,612℃,625℃,637℃と高くなっていくのに伴い、比P/Qが増加する傾向が認められる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, Nb 2 O 5 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. 15, 16, 17, 18, 19, 20, and 21 (LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1) also had firing temperatures of 563°C, 575°C, 587°C, 600°C, 612°C, 625°C, As the temperature rises to 637°C, the tendency of the ratio P/Q to increase is recognized.

図7に示すように、焼成温度に対して比P/Qをプロットすると、焼成温度が高くなっていくのに伴って比P/Qが増加する傾向が認められ、焼成温度600℃付近から比P/Qが比較的急峻に増加する傾向が認められる。 As shown in FIG. 7, when the ratio P/Q is plotted against the firing temperature, it is observed that the ratio P/Q tends to increase as the firing temperature increases, and the ratio P/Q increases from around 600 ° C. A tendency for P/Q to increase relatively sharply is recognized.

図8は焼成温度と放電容量及び抵抗との関係の第1の例を示す図である。図8には、上記表2に示した試料群のうち、負極活物質にTiOを用いたいくつかの試料について、焼成温度[℃]に対し、充放電の3サイクル後の放電容量(3rd放電容量(2V))[mAh/g-LCPO]、及び充電後のIRドロップから見積もった抵抗(3rd充電後抵抗)[kΩ]をプロットしている。 FIG. 8 is a diagram showing a first example of the relationship between the firing temperature and the discharge capacity and resistance. FIG . 8 shows the discharge capacity (3rd Discharge capacity (2V)) [mAh/g-LCPO] and resistance estimated from the IR drop after charging (resistance after 3rd charging) [kΩ] are plotted.

正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.3,4,5,6,7(LCPO/TiO/LAGP-1)では、焼成温度が563℃を下回る場合、抵抗の上昇に伴って放電容量が低下する傾向が認められ、焼成温度が563℃,600℃,637℃の場合、抵抗が比較的低く、放電容量が30mAh/g以上と比較的高くなる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. In 3, 4, 5, 6, and 7 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1), when the firing temperature is lower than 563°C, the discharge capacity tends to decrease as the resistance increases. C., 600.degree. C., and 637.degree.

正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた試料No.8,9,10,11,12,13,14(LCPO/TiO/LAGP-2)では、焼成温度が550℃を下回る場合及び637℃を上回る場合、抵抗の上昇に伴って放電容量が低下する傾向が認められ、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃では、抵抗が比較的低く、放電容量が30mAh/g以上と比較的高くなる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte. 8, 9, 10, 11, 12, 13, and 14 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2), when the firing temperature is below 550°C and above 637°C, the discharge capacity decreases as the resistance increases. At the firing temperatures of 550° C., 563° C., 600° C. and 637° C., the resistance is relatively low and the discharge capacity is relatively high at 30 mAh/g or more.

図8に示すように、負極活物質にTiOを用いた試料では、その種類により、一定の焼成温度範囲内において、抵抗が比較的低くなる傾向、及び放電容量が比較的高くなる傾向が認められる。 As shown in FIG. 8, in the samples using TiO 2 as the negative electrode active material, the resistance tended to be relatively low and the discharge capacity tended to be relatively high within a certain firing temperature range, depending on the type. be done.

図9は焼成温度と放電容量及び抵抗との関係の第2の例を示す図である。図9には、上記表2に示した試料群のうち、負極活物質にNbを用いた試料について、焼成温度[℃]に対し、充放電の5サイクル後の放電容量(5th放電容量(2V))[mAh/g-LCPO]、及び充電後のIRドロップから見積もった抵抗(5th充電後抵抗)[kΩ]をプロットしている。 FIG. 9 is a diagram showing a second example of the relationship between the firing temperature and the discharge capacity and resistance. FIG . 9 shows the discharge capacity after 5 charge/discharge cycles (5th discharge The capacity (2V)) [mAh/g-LCPO] and the resistance (resistance after 5th charge) [kΩ] estimated from the IR drop after charging are plotted.

正極活物質にLCPO、負極活物質にNb、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.15,16,17,18,19,20,21,22(LCPO/Nb/LAGP-1)では、焼成温度が587℃を下回る場合及び625℃を上回る場合、抵抗の上昇に伴って放電容量が低下する傾向が認められ、焼成温度が587℃,600℃,612℃,625℃では、抵抗が比較的低く、放電容量が70mAh/g以上と比較的高くなる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, Nb 2 O 5 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 (LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1), when the firing temperature is below 587°C and above 625°C, the resistance increases with A tendency for the discharge capacity to decrease is recognized, and at the firing temperatures of 587° C., 600° C., 612° C. and 625° C., the resistance is relatively low and the discharge capacity is relatively high at 70 mAh/g or more.

図9に示すように、負極活物質にNbを用いた試料でも、上記図8と同様に、一定の焼成温度範囲内において、抵抗が比較的低くなる傾向、及び放電容量が比較的高くなる傾向が認められる。 As shown in FIG. 9, even in the sample using Nb 2 O 5 as the negative electrode active material, the resistance tends to be relatively low and the discharge capacity is relatively low within a certain firing temperature range, as in FIG. A tendency to increase is recognized.

上記図7~図9に示したような結果から、負極活物質にTiOを用いた試料No.1~7のうち、試料No.3~7について得られた、焼成温度[℃]に対する比P/Q[-]、放電容量[mAh/g-LCPO]、抵抗[kΩ]の値を表3にまとめる。 From the results shown in FIGS. 7 to 9, sample No. 2 using TiO 2 as the negative electrode active material was found. Among samples 1 to 7, sample No. Table 3 summarizes the ratio P/Q [−], discharge capacity [mAh/g-LCPO], and resistance [kΩ] with respect to firing temperature [° C.] obtained for 3 to 7.

Figure 2023060626000004
Figure 2023060626000004

また、負極活物質にTiOを用いた試料No.8~14について得られた、焼成温度[℃]に対する比P/Q[-]、放電容量[mAh/g-LCPO]、抵抗[kΩ]の値を表4にまとめる。 Further, sample No. using TiO 2 as the negative electrode active material. Table 4 summarizes the ratio P/Q [−], discharge capacity [mAh/g-LCPO], and resistance [kΩ] with respect to firing temperature [° C.] obtained for Nos. 8 to 14.

Figure 2023060626000005
Figure 2023060626000005

また、負極活物質にNbを用いた試料No.15~22について得られた、焼成温度[℃]に対する比P/Q[-]、放電容量[mAh/g-LCPO]、抵抗[kΩ]の値を表5にまとめる。 Also, sample No. using Nb 2 O 5 as the negative electrode active material. Table 5 summarizes the ratio P/Q [−], discharge capacity [mAh/g-LCPO], and resistance [kΩ] with respect to firing temperature [° C.] obtained for Nos. 15 to 22.

Figure 2023060626000006
Figure 2023060626000006

表3~表5より、抵抗が比較的低い一定値以下となる時の比P/Qの範囲、及び放電容量が比較的高い一定値以上となる時の比P/Qの範囲を求める。例えば、抵抗が3.8kΩ以下となる時の比P/Qの範囲、及び放電容量が30mAh/g以上となるような比P/Qの範囲(表3~表5の太枠内の比P/Qの範囲)を求めると、0.074<P/Q<5.744となる。尚、表4において、焼成温度550℃の時の比P/Qは、上記図7に示したような傾向(焼成温度の上昇に伴い比P/Qが増加する傾向)から、焼成温度537℃の時の比P/Q=0.077と、焼成温度563℃の時の比P/Q=0.083との間の値(>0.074)と推定される。また、後述のような充放電特性の測定結果(図15,16及び表8,9)から得られる知見に鑑み、比P/Qの範囲の設定において、焼成温度が650℃の試料のデータは除外している。 From Tables 3 to 5, the range of the ratio P/Q when the resistance is below a relatively low constant value and the range of the ratio P/Q when the discharge capacity is above a relatively high constant value are determined. For example, the range of the ratio P/Q when the resistance is 3.8 kΩ or less, and the range of the ratio P/Q when the discharge capacity is 30 mAh/g or more (the ratio P in the thick frame of Tables 3 to 5 /Q), 0.074<P/Q<5.744. In Table 4, the ratio P/Q at a firing temperature of 550° C. is based on the tendency shown in FIG. and the ratio P/Q=0.083 at the firing temperature of 563° C. (>0.074). In addition, in view of the knowledge obtained from the measurement results of the charge-discharge characteristics (Figs. 15 and 16 and Tables 8 and 9) described later, in setting the range of the ratio P/Q, the data of the sample with a firing temperature of 650 ° C. Excluded.

ここで、表3~表5より、0.074<P/Q<0.083の範囲では、安定的に低抵抗且つ高放電容量とならない可能性がある。このことから、より安定的に低抵抗且つ高放電容量となる比P/Qの範囲として、0.083<P/Q<5.744という範囲を求めることもできる。焼成後の正極層10のXRDスペクトルから得られる比P/Qが、上記のような0.074<P/Q<5.744の範囲、或いはこのような0.083<P/Q<5.744の範囲であると、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることが可能になると言うことができる。 Here, from Tables 3 to 5, in the range of 0.074<P/Q<0.083, there is a possibility that low resistance and high discharge capacity cannot be stably achieved. From this, the range of 0.083<P/Q<5.744 can be obtained as the range of the ratio P/Q in which the low resistance and the high discharge capacity are obtained more stably. The ratio P/Q obtained from the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing is in the range of 0.074<P/Q<5.744 as described above, or 0.083<P/Q<5.744 as described above. 744 range, it can be said that it is possible to obtain a solid battery 1 with a relatively low resistance and a solid battery 1 with a relatively high discharge capacity.

換言すれば、焼成後の正極層10のXRDスペクトルから得られる比P/Qが、0.074<P/Q<5.744の範囲、或いは0.083<P/Q<5.744の範囲となるような焼成温度条件で焼成を行うと、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることが可能になると言うこともできる。即ち、正極活物質がLCPO、負極活物質がTiO、固体電解質がLAGP-1の場合(LCPO/TiO/LAGP-1;表3)であれば、焼成温度は563℃~637℃の範囲、或いは600℃~637℃の範囲が好ましい。また、正極活物質がLCPO、負極活物質がTiO、固体電解質がLAGP-2の場合(LCPO/TiO/LAGP-2;表4)であれば、焼成温度は537℃~637℃の範囲、或いは563℃~637℃の範囲が好ましい。また、正極活物質がLCPO、負極活物質がNb、固体電解質がLAGP-1の場合(LCPO/Nb/LAGP-1;表5)であれば、焼成温度は575℃~625℃の範囲、或いは587℃~625℃の範囲が好ましい。 In other words, the ratio P/Q obtained from the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing is in the range of 0.074<P/Q<5.744, or in the range of 0.083<P/Q<5.744. It can be said that the solid battery 1 with relatively low resistance and the solid battery 1 with relatively high discharge capacity can be obtained by performing the firing under the firing temperature condition. That is, when the positive electrode active material is LCPO, the negative electrode active material is TiO 2 , and the solid electrolyte is LAGP-1 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1; Table 3), the firing temperature is in the range of 563°C to 637°C. , or preferably in the range of 600°C to 637°C. When the positive electrode active material is LCPO, the negative electrode active material is TiO 2 , and the solid electrolyte is LAGP-2 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2; Table 4), the firing temperature is in the range of 537°C to 637°C. , or a range of 563° C. to 637° C. is preferred. When the positive electrode active material is LCPO, the negative electrode active material is Nb 2 O 5 , and the solid electrolyte is LAGP-1 (LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1; Table 5), the firing temperature is 575° C. A range of 625°C, alternatively a range of 587°C to 625°C is preferred.

前述のように、Pは、焼成後の正極層10のXRDスペクトルにおける回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度であり、Qは、焼成後の正極層10のXRDスペクトルにおける回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度である。回折角度2θ=12.9°にはLCPO(110)に帰属される回折ピークが現れ、回折角度2θ=13.1°にはLAPP(002)に帰属される回折ピークが現れる。回折角度2θ=13.0±0.2°にはLCPO(110)とLAPP(002)とに帰属されると考えられる回折ピークとが重なって現れるものと推察される。また、回折角度2θ=14.35°にはLCPO(11-1)に帰属される回折ピークが現れる。 As described above, P is the diffraction peak intensity at the diffraction angle 2θ=13.0±0.2° in the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing, and Q is the intensity of the diffraction peak in the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing. Diffraction peak intensity at diffraction angle 2θ=14.35±0.2°. A diffraction peak attributed to LCPO (110) appears at the diffraction angle 2θ=12.9°, and a diffraction peak attributed to LAPP (002) appears at the diffraction angle 2θ=13.1°. It is presumed that diffraction peaks attributed to LCPO (110) and LAPP (002) overlap at the diffraction angle 2θ=13.0±0.2°. Also, a diffraction peak attributed to LCPO (11-1) appears at the diffraction angle 2θ=14.35°.

図7より、焼成温度が高くなっていくと、比P/Qが増加する傾向が認められることから、焼成温度が高くなるのに伴い、正極層10内にLAPPが生成され易くなると考えられる。 From FIG. 7, it can be seen that the ratio P/Q tends to increase as the firing temperature rises.

焼成温度が一定温度を上回ると、LCPO及びLAGPのほか、LAPPが過剰に生成され、これが抵抗層となって放電容量が低下するものと考えられる。一方、焼成温度が一定温度を下回ると、LAGPのイオン伝導性が高められず、LCPOとLAGPとの間に良好な粒子界面状態が形成されず、放電容量が低下するものと考えられる。 If the firing temperature exceeds a certain temperature, LAPP is excessively produced in addition to LCPO and LAGP. On the other hand, if the firing temperature is lower than a certain temperature, the ionic conductivity of LAGP cannot be enhanced, and a favorable particle interface state cannot be formed between LCPO and LAGP.

焼成温度が適切な範囲であると、LAPPの過剰な生成が抑えられると共に、LCPOとLAGPとの間に良好な粒子界面状態が形成され、十分な放電容量が得られるものと考えられる。 It is believed that when the firing temperature is within the appropriate range, excessive generation of LAPP can be suppressed, and a favorable particle interface state can be formed between LCPO and LAGP, resulting in sufficient discharge capacity.

例えば、LCPO/Nb/LAGP-1の場合、焼成温度が587℃~625℃(試料No.17~20)では、LAPPの過剰な生成が抑えられると共に、LCPOとLAGPとの間に良好な粒子界面状態が形成される。その一方、焼成温度が575℃以下(試料No.15,16)では、焼成温度が587℃~625℃(試料No.17~20)の場合に比べて、LAPPの生成が更に抑えられ、LCPOとLAGPとの間に良好な粒子界面状態が形成され難くなることが起こり得る可能性があるものと考えられる。 For example, in the case of LCPO/Nb 2 O 5 /LAGP-1, when the firing temperature is 587° C. to 625° C. (Sample Nos. 17 to 20), the excessive production of LAPP is suppressed and the gap between LCPO and LAGP is reduced. Good grain interface conditions are formed. On the other hand, when the firing temperature is 575° C. or lower (Sample Nos. 15 and 16), the formation of LAPP is further suppressed compared to the case where the firing temperature is 587° C. to 625° C. (Samples No. 17 to 20). It is thought that it may be possible that it becomes difficult to form a good grain interface state between the and LAGP.

焼成後の正極層10のXRDスペクトルから得られる比P/Qが、上記のような0.074<P/Q<5.744の範囲、或いは0.083<P/Q<5.744の範囲であると、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることができる。正極層10に用いられる材料に応じて、焼成後の正極層10のXRDスペクトルから得られる比P/Qが0.074<P/Q<5.744の範囲、或いは0.083<P/Q<5.744の範囲となるような焼成温度条件で焼成を行うと、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることができる。 The ratio P/Q obtained from the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing is in the range of 0.074<P/Q<5.744 as described above, or in the range of 0.083<P/Q<5.744. Then, a solid battery 1 with relatively low resistance and a solid battery 1 with relatively high discharge capacity can be obtained. Depending on the material used for the positive electrode layer 10, the ratio P/Q obtained from the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 after firing is in the range of 0.074<P/Q<5.744, or 0.083<P/Q. If the firing is performed under the firing temperature condition within the range of <5.744, the solid battery 1 with relatively low resistance and the solid battery 1 with relatively high discharge capacity can be obtained.

正極層10に用いられる材料に基づいて設定される所定の焼成温度範囲で得られ、正極層10のXRDスペクトルにおける比P/Qが、0.074<P/Q<5.744の範囲、或いは0.083<P/Q<5.744の範囲となる固体電池1によれば、良好な結晶構造を有する正極層10が形成され、正極層10に起因した抵抗の上昇及び充放電特性の低下が抑えられる。これにより、優れた特性の正極層10を備えた高性能の固体電池1が実現される。 It is obtained in a predetermined firing temperature range set based on the material used for the positive electrode layer 10, and the ratio P/Q in the XRD spectrum of the positive electrode layer 10 is in the range of 0.074<P/Q<5.744, or According to the solid battery 1 in the range of 0.083<P/Q<5.744, the positive electrode layer 10 having a favorable crystal structure is formed, and the positive electrode layer 10 causes an increase in resistance and a decrease in charge/discharge characteristics. is suppressed. Thereby, a high-performance solid-state battery 1 having a positive electrode layer 10 with excellent characteristics is realized.

<焼成後負極層特性と固体電池性能との関係>
次に、焼成後の負極層20の特性と固体電池1の性能との関係の一例について述べる。
図10及び図11は負極層のXRDスペクトルの例を示す図である。図10には、上記表2に示した試料No.3~7(正極活物質LCPO/負極活物質TiO/固体電解質LAGP-1/焼成温度550℃~650℃)の負極層20のXRDスペクトルを示している。図11には、上記表2に示した試料No.10~14(正極活物質LCPO/負極活物質TiO/固体電解質LAGP-2/焼成温度550℃~650℃)の負極層20のXRDスペクトルを示している。
<Relationship between negative electrode layer characteristics after firing and solid battery performance>
Next, an example of the relationship between the properties of the negative electrode layer 20 after firing and the performance of the solid battery 1 will be described.
10 and 11 are diagrams showing examples of XRD spectra of the negative electrode layer. FIG. 10 shows sample Nos. shown in Table 2 above. 3 to 7 (positive electrode active material LCPO/negative electrode active material TiO 2 /solid electrolyte LAGP-1/firing temperature 550° C. to 650° C.). FIG. 11 shows sample Nos. shown in Table 2 above. 10 to 14 (positive electrode active material LCPO/negative electrode active material TiO 2 /solid electrolyte LAGP-2/firing temperature 550° C. to 650° C.).

図10及び図11に示すような負極層20のXRDスペクトルから、次のような所定の回折角度2θに現れる回折ピークの強度比を求める。即ち、回折角度2θ=48.7±0.2°の回折ピーク強度Sに対する、回折角度2θ=48.0±0.2°の回折ピーク強度Rの比R/S[-]を求める。ここで、回折角度2θ=48.0°にはTiO(200)に帰属される回折ピークが現れる。回折角度2θ=48.7°にはLAGP(128)に帰属される回折ピークが現れる。 From the XRD spectrum of the negative electrode layer 20 as shown in FIGS. 10 and 11, the intensity ratio of diffraction peaks appearing at a given diffraction angle 2θ is obtained as follows. That is, the ratio R/S[-] of the diffraction peak intensity R at the diffraction angle 2θ=48.0±0.2° to the diffraction peak intensity S at the diffraction angle 2θ=48.7±0.2° is obtained. Here, a diffraction peak attributed to TiO 2 (200) appears at the diffraction angle 2θ=48.0°. A diffraction peak attributed to LAGP (128) appears at the diffraction angle 2θ=48.7°.

図12は焼成温度と負極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。図12には、上記表2に示した試料群のいくつかについて、焼成温度[℃]に対し、所定の回折ピーク強度比、即ち、回折角度2θ=48.7±0.2°の回折ピーク強度Sに対する、回折角度2θ=48.0±0.2°の回折ピーク強度Rの比R/S[-]をプロットしている。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the relationship between the firing temperature and the predetermined diffraction peak intensity ratio of the negative electrode layer. FIG. 12 shows a predetermined diffraction peak intensity ratio, that is, a diffraction peak at a diffraction angle 2θ = 48.7 ± 0.2° with respect to the firing temperature [°C] for some of the sample groups shown in Table 2 above. The ratio R/S[−] of the diffraction peak intensity R at the diffraction angle 2θ=48.0±0.2° to the intensity S is plotted.

正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.3,4,5,6,7(LCPO/TiO/LAGP-1)では、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃,650℃と高くなっていくのに伴い、比R/Sが減少する傾向が認められる。正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた試料No.9,10,11,12,13,14(LCPO/TiO/LAGP-2)でも同様に、焼成温度が537℃,550℃,563℃,600℃,637℃,650℃と高くなっていくのに伴い、比R/Sが減少する傾向が認められる。図12に示すように、焼成温度に対して比R/Sをプロットすると、焼成温度が高くなっていくのに伴って比R/Sが減少する傾向が認められ、焼成温度550℃付近で比R/Sが比較的急峻に減少する傾向が認められる。 Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. In 3, 4, 5, 6, 7 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1), the ratio R/ A tendency for S to decrease is recognized. Sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte. In 9, 10, 11, 12, 13, and 14 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2), the firing temperature increased to 537°C, 550°C, 563°C, 600°C, 637°C, and 650°C. It is observed that the ratio R/S tends to decrease as the As shown in FIG. 12, when the ratio R/S is plotted against the sintering temperature, it is observed that the ratio R/S tends to decrease as the sintering temperature increases. R/S tends to decrease relatively sharply.

図12より、焼成温度が550℃を上回る範囲では、TiO(200)の回折ピーク強度RとLAGP(128)の回折ピーク強度Sとが同程度(比R/Sが1程度)になっており、TiOとLAGPとの間で良好な粒子界面状態が形成されるものと考えられる。 From FIG. 12, in the range where the firing temperature exceeds 550° C., the diffraction peak intensity R of TiO 2 (200) and the diffraction peak intensity S of LAGP (128) are approximately the same (the ratio R/S is approximately 1). It is believed that good grain interface conditions are formed between TiO 2 and LAGP.

図13は放電容量と負極層の所定の回折ピーク強度比との関係の一例を示す図である。図13には、上記表2に示した試料群のうち、負極活物質にTiOを用いたいくつかの試料について、充放電の3サイクル後の放電容量(3rd放電容量(2V))[mAh/g-TiO]に対し、負極層20のXRDスペクトルから得られる比R/Sをプロットしている。 FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the discharge capacity and the predetermined diffraction peak intensity ratio of the negative electrode layer. FIG. 13 shows the discharge capacity ( 3rd discharge capacity (2V)) [mAh /g-TiO 2 ], the ratio R/S obtained from the XRD spectrum of the negative electrode layer 20 is plotted.

図13より、TiO(200)の回折ピーク強度RとLAGP(128)の回折ピーク強度Sとが同程度(比R/Sが1程度)になっていると、40mAh/g以上といった比較的高い放電容量が得られる傾向が認められる。 From FIG. 13, when the diffraction peak intensity R of TiO 2 (200) and the diffraction peak intensity S of LAGP (128) are approximately the same (the ratio R/S is approximately 1), the comparative A tendency to obtain a high discharge capacity is recognized.

上記図10~図13に示したような結果から、負極活物質にTiOを用いた試料No.3~7について得られた、焼成温度[℃]に対する比R/S[-]、放電容量[mAh/g-TiO]、抵抗[kΩ]の値を表6にまとめる。 From the results as shown in FIGS. 10 to 13, sample No. 2 using TiO 2 as the negative electrode active material. Table 6 summarizes the ratio R/S [−], discharge capacity [mAh/g-TiO 2 ], and resistance [kΩ] with respect to firing temperature [° C.] obtained for Nos. 3 to 7.

Figure 2023060626000007
Figure 2023060626000007

また、負極活物質にTiOを用いた試料No.8~14について得られた、焼成温度[℃]に対する比R/S[-]、放電容量[mAh/g-TiO]、抵抗[kΩ]の値を表7にまとめる。 Further, sample No. using TiO 2 as the negative electrode active material. Table 7 summarizes the values of the ratio R/S [−], discharge capacity [mAh/g-TiO 2 ], and resistance [kΩ] with respect to the firing temperature [° C.] obtained for Nos. 8 to 14.

Figure 2023060626000008
Figure 2023060626000008

表6及び表7より、抵抗が比較的低い一定値以下となる時の比R/Sの範囲、及び放電容量が比較的高い一定値以上となる時の比R/Sの範囲を求める。例えば、抵抗が1.7kΩ以下となる時の比R/Sの範囲、及び放電容量が10mAh/g以上となるような比R/Sの範囲(表6及び表7の太枠内の比R/Sの範囲)を求めると、0.958<R/S<4.340となる。また、例えば、抵抗が1kΩ以下となる時の比R/Sの範囲、及び放電容量が50mAh/g以上となるような比R/Sの範囲を求めると、0.958<R/S<1.575となる。尚、後述のような充放電特性の測定結果(図15,16及び表8,9)から得られる知見に鑑み、比R/Sの範囲の設定において、焼成温度が650℃の試料のデータは除外している。焼成後の負極層20のXRDスペクトルから得られる比R/Sが、このような0.958<R/S<4.340の範囲、或いは0.958<R/S<1.575の範囲であると、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることが可能になると言うことができる。 From Tables 6 and 7, the range of the ratio R/S when the resistance is below a relatively low constant value and the range of the ratio R/S when the discharge capacity is above a relatively high constant value are determined. For example, the range of the ratio R / S when the resistance is 1.7 kΩ or less, and the range of the ratio R / S when the discharge capacity is 10 mAh / g or more (Ratio R in the thick frame of Tables 6 and 7 /S range) yields 0.958<R/S<4.340. Further, for example, when the range of the ratio R/S when the resistance is 1 kΩ or less and the range of the ratio R/S when the discharge capacity is 50 mAh/g or more are obtained, 0.958<R/S<1 0.575. In addition, in view of the knowledge obtained from the measurement results of charge-discharge characteristics (Figs. 15 and 16 and Tables 8 and 9) described later, in setting the range of the ratio R / S, the data of the sample with a firing temperature of 650 ° C. Excluded. In the range of 0.958<R/S<4.340 or in the range of 0.958<R/S<1.575, the ratio R/S obtained from the XRD spectrum of the negative electrode layer 20 after firing is Then, it can be said that it is possible to obtain a solid battery 1 with relatively low resistance and a solid battery 1 with relatively high discharge capacity.

換言すれば、焼成後の負極層20のXRDスペクトルから得られる比R/Sが、0.958<R/S<4.340の範囲、或いは0.958<R/S<1.575の範囲となるような焼成温度条件で焼成を行うと、抵抗が比較的低い固体電池1、放電容量が比較的高い固体電池1を得ることが可能になると言うこともできる。即ち、正極活物質がLCPO、負極活物質がTiO、固体電解質がLAGP-1の場合(LCPO/TiO/LAGP-1;表6)であれば、焼成温度は563℃~637℃の範囲が好ましい。また、正極活物質がLCPO、負極活物質がTiO、固体電解質がLAGP-2の場合(LCPO/TiO/LAGP-2;表7)であれば、焼成温度は537℃~637℃の範囲、或いは550℃~637℃の範囲が好ましい。 In other words, the ratio R/S obtained from the XRD spectrum of the negative electrode layer 20 after firing is in the range of 0.958<R/S<4.340 or in the range of 0.958<R/S<1.575. It can be said that the solid battery 1 with relatively low resistance and the solid battery 1 with relatively high discharge capacity can be obtained by performing the firing under the firing temperature condition. That is, when the positive electrode active material is LCPO, the negative electrode active material is TiO 2 , and the solid electrolyte is LAGP-1 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1; Table 6), the firing temperature is in the range of 563°C to 637°C. is preferred. When the positive electrode active material is LCPO, the negative electrode active material is TiO 2 , and the solid electrolyte is LAGP-2 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2; Table 7), the firing temperature is in the range of 537°C to 637°C. , or preferably in the range of 550°C to 637°C.

負極層20に用いられる材料に基づいて設定される所定の焼成温度範囲で得られ、負極層20のXRDスペクトルにおける比R/Sが、0.958<R/S<4.340の範囲、或いは0.958<R/S<1.575の範囲となる固体電池1によれば、良好な結晶構造を有する負極層20が形成され、負極層20に起因した抵抗の上昇及び充放電特性の低下が抑えられる。これにより、優れた特性の負極層20を備えた高性能の固体電池1が実現される。 It is obtained in a predetermined firing temperature range set based on the material used for the negative electrode layer 20, and the ratio R / S in the XRD spectrum of the negative electrode layer 20 is in the range of 0.958 < R / S < 4.340, or According to the solid battery 1 in the range of 0.958<R/S<1.575, the negative electrode layer 20 having a favorable crystal structure is formed, and the negative electrode layer 20 causes an increase in resistance and a decrease in charge/discharge characteristics. is suppressed. As a result, a high-performance solid-state battery 1 having a negative electrode layer 20 with excellent characteristics is realized.

<固体電池の体積エネルギー密度>
次に、固体電池1の体積エネルギー密度を評価した結果について述べる。
図14及び図15は固体電池の充放電特性の測定結果の例を示す図である。
<Volume energy density of solid-state battery>
Next, the results of evaluating the volumetric energy density of the solid-state battery 1 will be described.
14 and 15 are diagrams showing examples of measurement results of charge/discharge characteristics of solid-state batteries.

図14には、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.3~7(LCPO/TiO/LAGP-1)の充放電特性の測定結果を示している。ここで、図14(A)は試料No.3(焼成温度550℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図14(B)は試料No.4(焼成温度563℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図14(C)は試料No.5(焼成温度600℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図14(D)は試料No.6(焼成温度637℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図14(E)は試料No.7(焼成温度650℃)の充放電特性の測定結果の一例である。 FIG. 14 shows sample No. LCPO using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte. 3 to 7 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1) shows measurement results of charge-discharge characteristics. Here, FIG. 14A shows sample No. 14(B) is an example of measurement results of charge-discharge characteristics of Sample No. 3 (firing temperature: 550° C.). 4 (firing temperature: 563° C.), and FIG. 5 (firing temperature of 600° C.), and FIG. 6 (firing temperature of 637° C.), and FIG. 7 (firing temperature: 650° C.).

また、図15には、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた試料No.10~14(LCPO/TiO/LAGP-2)の充放電特性の測定結果を示している。ここで、図15(A)は試料No.10(焼成温度550℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図15(B)は試料No.11(焼成温度563℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図15(C)は試料No.12(焼成温度600℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図15(D)は試料No.13(焼成温度637℃)の充放電特性の測定結果の一例であり、図15(E)は試料No.14(焼成温度650℃)の充放電特性の測定結果の一例である。 15 also shows sample No. 1 using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte. 10 to 14 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2) shows measurement results of charge-discharge characteristics. Here, FIG. 15A shows sample No. 10 (firing temperature: 550° C.), and FIG. 11 (firing temperature: 563° C.), and FIG. 12 (firing temperature of 600° C.), and FIG. 13 (firing temperature: 637° C.), and FIG. 14 (firing temperature: 650° C.).

図14の充放電特性の測定結果に基づいて求められる固体電池1の平均放電電圧[V]、放電容量[mAh]、セルエネルギー[mWh]、体積エネルギー密度[mWh/L]を表8にまとめる。 Table 8 summarizes the average discharge voltage [V], discharge capacity [mAh], cell energy [mWh], and volumetric energy density [mWh/L] of the solid battery 1 obtained based on the measurement results of the charge-discharge characteristics in FIG. .

Figure 2023060626000009
Figure 2023060626000009

また、図15の充放電特性の測定結果に基づいて求められる固体電池1の平均放電電圧[V]、放電容量[mAh]、セルエネルギー[mWh]、体積エネルギー密度[mWh/L]を表9にまとめる。 Table 9 shows the average discharge voltage [V], discharge capacity [mAh], cell energy [mWh], and volumetric energy density [mWh/L] of the solid battery 1 obtained based on the measurement results of the charge-discharge characteristics of FIG. Summarize in

Figure 2023060626000010
Figure 2023060626000010

図14及び図15より、焼成温度が650℃(又は650℃以上)の固体電池1(図14(E)及び図15(E))では、3.5Vまで電圧を増加させるためのセル容量が多く必要となるため、他の焼成温度の場合と同じ条件の充電では充電量が不足し、放電容量も低下してしまうことが確認された。尚、このような知見に鑑み、比P/Q及び比R/Sの範囲の設定において、焼成温度が650℃の試料のデータは除外している。 14 and 15, the solid battery 1 (FIGS. 14(E) and 15(E)) with a firing temperature of 650° C. (or 650° C. or higher) has a cell capacity for increasing the voltage to 3.5 V. Therefore, it was confirmed that charging under the same conditions as in the case of other firing temperatures would result in an insufficient amount of charge and a decrease in discharge capacity. In view of such knowledge, the data of the sample with the firing temperature of 650° C. is excluded in setting the ranges of the ratio P/Q and the ratio R/S.

表8より、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた試料No.3~7(LCPO/TiO/LAGP-1)では、焼成温度が563℃,600℃,637℃の時、40mWh/Lを上回る体積エネルギー密度(表8の太枠内)が得られる。焼成温度が563℃,600℃,637℃の時には、上記表3(太枠内)に示したように、抵抗が比較的低くなり放電容量が比較的高くなるような固体電池1を実現することのできる正極層10が得られると共に、上記表6(太枠内)に示したように、抵抗が比較的低くなり放電容量が比較的高くなるような固体電池1を実現することのできる負極層20が得られる。 From Table 8, sample No. LCPO was used as the positive electrode active material, TiO 2 was used as the negative electrode active material, and LAGP-1 was used as the solid electrolyte. With 3 to 7 (LCPO/TiO 2 /LAGP-1), volumetric energy densities exceeding 40 mWh/L (inside the bold frame in Table 8) are obtained at firing temperatures of 563°C, 600°C and 637°C. When the firing temperature is 563° C., 600° C., and 637° C., as shown in Table 3 (within the thick frame), the solid battery 1 has a relatively low resistance and a relatively high discharge capacity. A positive electrode layer 10 that can be obtained, and as shown in Table 6 (within the thick frame), a negative electrode layer that can realize a solid battery 1 that has a relatively low resistance and a relatively high discharge capacity. 20 is obtained.

即ち、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた固体電池1では、焼成温度が563℃,600℃,637℃の時、正極層10について比P/Qが0.074<P/Q<5.744の範囲にあり、負極層20について比R/Sが0.958<R/S<4.340の範囲にあり、40mWh/Lを上回る体積エネルギー密度が得られる。 That is, in the solid battery 1 using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-1 as the solid electrolyte, the ratio P/ Q is in the range of 0.074<P/Q<5.744, the ratio R/S is in the range of 0.958<R/S<4.340 for the negative electrode layer 20, and the volumetric energy is greater than 40 mWh/L density is obtained.

従って、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-1を用いた場合には、焼成温度が563℃,600℃,637℃の時、低抵抗且つ高放電容量で、更に高体積エネルギー密度である、高性能の固体電池1が実現されると言うことができる。 Therefore, when LCPO is used as the positive electrode active material, TiO 2 is used as the negative electrode active material, and LAGP-1 is used as the solid electrolyte, low resistance and high discharge capacity can be achieved at firing temperatures of 563° C., 600° C., and 637° C. Furthermore, it can be said that a high-performance solid-state battery 1 with a high volumetric energy density is realized.

また、表9より、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた試料No.10~14(LCPO/TiO/LAGP-2)では、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃の時、39mWh/L超という、概ね40mWh/Lを上回る体積エネルギー密度(表9の太枠内)が得られる。焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃の時には、上記表4(太枠内)に示したように、抵抗が比較的低くなり放電容量が比較的高くなるような固体電池1を実現することのできる正極層10が得られると共に、上記表7(太枠内)に示したように、抵抗が比較的低くなり放電容量が比較的高くなるような固体電池1を実現することのできる負極層20が得られる。 Further, from Table 9, sample No. using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte. In 10 to 14 (LCPO/TiO 2 /LAGP-2), when the firing temperature is 550 ° C., 563 ° C., 600 ° C., 637 ° C., the volumetric energy density exceeds 39 mWh / L, which is generally higher than 40 mWh / L (Table 9 ) is obtained. When the firing temperature was 550° C., 563° C., 600° C., and 637° C., as shown in Table 4 (within the bold frame), solid-state battery 1 with relatively low resistance and relatively high discharge capacity was obtained. It is possible to obtain a positive electrode layer 10 that can be realized, and to realize a solid battery 1 that has a relatively low resistance and a relatively high discharge capacity, as shown in Table 7 (within the thick frame). A negative electrode layer 20 is obtained.

即ち、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた固体電池1では、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃の時、正極層10について比P/Qが0.074<P/Q<5.744の範囲にあり、負極層20について比R/Sが0.958<R/S<4.340の範囲にあり、39mWh/L超の体積エネルギー密度が得られる。尚、焼成温度が550℃の時の比P/Qは、上記図7に示したような傾向(焼成温度の上昇に伴い比P/Qが増加する傾向)から、焼成温度537℃の時の比P/Q=0.077と、焼成温度563℃の時の比P/Q=0.083との間の値(>0.074)と推定される。 That is, in the solid battery 1 using LCPO as the positive electrode active material, TiO 2 as the negative electrode active material, and LAGP-2 as the solid electrolyte, the positive electrode layer 10 was The ratio P/Q is in the range of 0.074<P/Q<5.744, the ratio R/S of the negative electrode layer 20 is in the range of 0.958<R/S<4.340, and the A volumetric energy density of . The ratio P/Q when the firing temperature is 550°C is the same as that when the firing temperature is 537°C, from the tendency shown in FIG. A value (>0.074) between the ratio P/Q=0.077 and the ratio P/Q=0.083 at a firing temperature of 563° C. is estimated.

従って、正極活物質にLCPO、負極活物質にTiO、固体電解質にLAGP-2を用いた場合には、焼成温度が550℃,563℃,600℃,637℃の時、低抵抗且つ高放電容量で、更に高体積エネルギー密度である、高性能の固体電池1が実現されると言うことができる。 Therefore, when LCPO is used as the positive electrode active material, TiO 2 is used as the negative electrode active material, and LAGP-2 is used as the solid electrolyte, low resistance and high discharge are obtained when the firing temperatures are 550° C., 563° C., 600° C., and 637° C. It can be said that a high-performance solid-state battery 1 with high capacity and high volumetric energy density is realized.

以上の説明では、LCPOとしてLiCoPを用いる場合を例にしたが、LiCoPに限らず、一般式LiCo1-x2-y(MはTi、V、Cr、Ni及びFeのうちのいずれか1種、AはB、C、Al、Si、Ga及びGeのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)で表されるLCPOを用いる場合について、上記同様の効果が得られる。 In the above description, the case of using Li 2 CoP 2 O 7 as LCPO was taken as an example, but Li 2 CoP 2 O 7 is not limited to Li 2 CoP 2 O 7 and the general formula Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti, V, Cr, Ni and Fe, A is any one of B, C, Al, Si, Ga and Ge, 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤0.07), the same effect as described above can be obtained.

1 固体電池
1a 固体電池本体
2 積層体
10 正極層
11 正極層用グリーンシート
12 正極層用ペースト
20 負極層
21 負極層用グリーンシート
22 負極層用ペースト
30 電解質層
31 電解質層用グリーンシート
40,50 集電体
100 焼成炉
Reference Signs List 1 solid battery 1a solid battery body 2 laminate 10 positive electrode layer 11 green sheet for positive electrode layer 12 paste for positive electrode layer 20 negative electrode layer 21 green sheet for negative electrode layer 22 paste for negative electrode layer 30 electrolyte layer 31 green sheet for electrolyte layer 40,50 Current collector 100 Firing furnace

Claims (8)

正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる電解質層とを有し、
前記正極層の、CuKα線を用いて測定される第1のX線回折スペクトルに、
LiCo1-x2-y(MはTi,V,Cr,Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB,C,Al,Si,Ga,Geのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)と、
第1のLi1+mAlGe2-m(PO(0<m<1)と
に帰属される回折ピークが含まれ、
前記第1のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Qが、
0.074<P/Q<5.744
の範囲であることを特徴とする固体電池。
having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer;
In the first X-ray diffraction spectrum of the positive electrode layer measured using CuKα rays,
Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti, V, Cr, Ni and Fe; A is B, C, Al, Si, Ga and Ge; any one of 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 0.07); and
containing diffraction peaks assigned to the first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1) and
Ratio P/ Q is
0.074<P/Q<5.744
A solid state battery characterized by a range of
前記正極層は、LiAl(P(POを含むことを特徴とする請求項1に記載の固体電池。 The solid state battery of claim 1, wherein the positive electrode layer comprises Li9Al3 ( P2O7 ) 3 ( PO4 ) 2 . 前記負極層の、CuKα線を用いて測定される第2のX線回折スペクトルに、
TiOと、
第2のLi1+nAlGe2-n(PO(0<n<1)と
に帰属される回折ピークが含まれ、
前記第2のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=48.7±0.2°の回折ピーク強度Sに対する、回折角度2θ=48.0±0.2°の回折ピーク強度Rの比R/Sが、
0.958<R/S<4.340
の範囲であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体電池。
In the second X-ray diffraction spectrum of the negative electrode layer measured using CuKα rays,
TiO2 ;
a second Li 1+n Al n Ge 2-n (PO 4 ) 3 (0<n<1) and a diffraction peak assigned to
Ratio of the diffraction peak intensity R at the diffraction angle 2θ = 48.0 ± 0.2° to the diffraction peak intensity S at the diffraction angle 2θ = 48.7 ± 0.2° in the second X-ray diffraction spectrum R / S is
0.958<R/S<4.340
3. The solid state battery according to claim 1 or 2, wherein the range is .
体積エネルギー密度が39mWh/L超であることを特徴とする請求項3に記載の固体電池。 4. The solid state battery of claim 3, having a volumetric energy density greater than 39 mWh/L. 正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる電解質層とを有する積層体を形成する工程と、
前記積層体を不活性ガス雰囲気で焼成する工程と
を含み、
焼成前の前記積層体における前記正極層に、
LiCo1-x2-y(MはTi,V,Cr,Ni,Feのうちのいずれか1種、AはB,C,Al,Si,Ga,Geのうちのいずれか1種、0≦x<1、0≦y≦0.07)と、
第1のLi1+mAlGe2-m(PO(0<m<1)と
が含まれ、
前記積層体を焼成する工程では、
焼成後の前記積層体における前記正極層の、CuKα線を用いて測定される第1のX線回折スペクトルに、
前記LiCo1-x2-yと、
前記第1のLi1+mAlGe2-m(PO
に帰属される回折ピークが含まれ、
前記第1のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=14.35±0.2°の回折ピーク強度Qに対する、回折角度2θ=13.0±0.2°の回折ピーク強度Pの比P/Qが、
0.074<P/Q<5.744
の範囲となる焼成温度条件で、前記積層体を焼成することを特徴とする固体電池の製造方法。
forming a laminate having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer provided between the positive electrode layer and the negative electrode layer;
and firing the laminate in an inert gas atmosphere,
In the positive electrode layer in the laminate before firing,
Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 (M is any one of Ti, V, Cr, Ni and Fe; A is B, C, Al, Si, Ga and Ge; any one of 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 0.07); and
a first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 (0<m<1) and
In the step of firing the laminate,
In the first X-ray diffraction spectrum measured using CuKα rays of the positive electrode layer in the laminated body after firing,
the Li 2 Co 1-x M x P 2-y A y O 7 and
including a diffraction peak attributed to the first Li 1+m Al m Ge 2-m (PO 4 ) 3 and
Ratio P/ Q is
0.074<P/Q<5.744
A method for producing a solid battery, characterized in that the laminate is fired under firing temperature conditions within the range of
焼成後の前記積層体における前記正極層は、LiAl(P(POを含むことを特徴とする請求項5に記載の固体電池の製造方法。 6. The method of manufacturing a solid-state battery according to claim 5, wherein the positive electrode layer in the laminated body after firing contains Li9Al3 ( P2O7 ) 3 ( PO4 ) 2 . 焼成前の前記積層体における前記負極層に、
TiOと、
第2のLi1+nAlGe2-n(PO(0<n<1)と
が含まれ、
前記積層体を焼成する工程では、
焼成後の前記積層体における前記負極層の、CuKα線を用いて測定される第2のX線回折スペクトルに、
前記TiOと、
前記第2のLi1+nAlGe2-n(PO
に帰属される回折ピークが含まれ、
前記第2のX線回折スペクトルの、回折角度2θ=48.7±0.2°の回折ピーク強度Sに対する、回折角度2θ=48.0±0.2°の回折ピーク強度Rの比R/Sが、
0.958<R/S<4.340
の範囲となる焼成温度条件で、前記積層体を焼成することを特徴とする請求項5又は6に記載の固体電池の製造方法。
In the negative electrode layer in the laminate before firing,
TiO2 ;
a second Li 1+n Al n Ge 2-n (PO 4 ) 3 (0<n<1) and
In the step of firing the laminate,
In the second X-ray diffraction spectrum of the negative electrode layer in the laminated body after firing, which is measured using CuKα rays,
the TiO2 ;
including a diffraction peak attributed to the second Li 1+n Al n Ge 2-n (PO 4 ) 3 and
Ratio of the diffraction peak intensity R at the diffraction angle 2θ = 48.0 ± 0.2° to the diffraction peak intensity S at the diffraction angle 2θ = 48.7 ± 0.2° in the second X-ray diffraction spectrum R / S is
0.958<R/S<4.340
7. The method of manufacturing a solid-state battery according to claim 5, wherein the laminate is fired under a firing temperature condition within the range of .
前記積層体を用いて製造される固体電池の体積エネルギー密度が39mWh/L超であることを特徴とする請求項7に記載の固体電池の製造方法。
8. The method of manufacturing a solid-state battery according to claim 7, wherein the solid-state battery manufactured using the laminate has a volumetric energy density of more than 39 mWh/L.
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