JP2023119150A - All-solid battery and method of manufacturing activated all-solid battery - Google Patents

All-solid battery and method of manufacturing activated all-solid battery Download PDF

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Anna Hirowatari
敏和 小高
Toshikazu Kotaka
幸一郎 青谷
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Abstract

To provide means enabling an all-solid battery to function, the all-solid battery comprising a carbon-containing layer at a negative electrode side and using a lithium-free positive electrode active material as positive electrode active material.SOLUTION: An all-solid battery is provided, having: a negative electrode active material layer that includes at least one kind of negative electrode active material selected from a group consisting of metallic lithium and lithium-containing alloys; a positive electrode active material layer that includes lithium-free positive electrode active material; a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer; and a carbon-containing layer that is interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and includes carbon material that can occlude lithium. In the all-solid battery, the positive electrode active material layer further includes a lithium-containing positive electrode active material, and a capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material is equal to or more than that of the carbon material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、全固体電池およびアクティベーション済全固体電池の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an all-solid-state battery and a method for manufacturing an activated all-solid-state battery.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is earnestly desired. In the automotive industry, expectations are high for the introduction of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV) to reduce carbon dioxide emissions. Batteries are being actively developed.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for motor driving are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, notebook computers, and the like. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy among all practical batteries, have attracted attention and are being rapidly developed.

ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Lithium secondary batteries, which are currently widely used, use a combustible organic electrolyte as an electrolyte. Such a liquid-type lithium secondary battery requires stricter safety measures against liquid leakage, short circuit, overcharge, etc. than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。正極活物質として硫化物系材料を用い、負極活物質として金属リチウムやリチウム含有合金を用いた全固体リチウム二次電池は、その有望な候補である。 Therefore, in recent years, extensive research and development has been made on all-solid lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes. A solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid. Therefore, in the all-solid lithium secondary battery, in principle, various problems due to the combustible organic electrolytic solution do not occur unlike conventional liquid-type lithium secondary batteries. In general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material can significantly improve the output density and energy density of the battery. A promising candidate is an all-solid lithium secondary battery that uses a sulfide-based material as a positive electrode active material and metallic lithium or a lithium-containing alloy as a negative electrode active material.

ところで、リチウム二次電池においては、その充電の進行に伴って負極電位が低下する。負極電位が低下して0V(vs. Li/Li)を下回ると、負極において金属リチウムが析出してデンドライト(樹枝状結晶)が析出する(この現象を金属リチウムの電析とも称する)。金属リチウムの電析が発生すると、析出したデンドライトが固体電解質層を貫通することで電池の内部短絡が引き起こされるという問題がある。 By the way, in a lithium secondary battery, the negative electrode potential decreases as the charging progresses. When the negative electrode potential drops below 0 V (vs. Li/Li + ), metallic lithium precipitates and dendrites (dendritic crystals) precipitate on the negative electrode (this phenomenon is also referred to as metallic lithium electrodeposition). When the electrodeposition of metallic lithium occurs, there is a problem that the deposited dendrite penetrates the solid electrolyte layer and causes an internal short circuit of the battery.

デンドライトの形成を抑制することを目的として、例えば特許文献1には、負極集電体、カーボンブラックを含む負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、および正極集電体を積層してなる全固体電池が開示されている。当該全固体電池を充電すると、負極集電体と負極活物質層との間にリチウムを含む金属層が堆積する。負極活物質層は、金属層の保護層として機能し得、またデンドライトの堆積および成長を阻害し得る。 For the purpose of suppressing the formation of dendrites, for example, in Patent Document 1, a negative electrode current collector, a negative electrode active material layer containing carbon black, a solid electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector are laminated. An all-solid-state battery is disclosed. When the all-solid-state battery is charged, a metal layer containing lithium is deposited between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. The negative electrode active material layer may function as a protective layer for the metal layer and may inhibit the deposition and growth of dendrites.

また、特許文献1には負極活物質層の充電容量を超えて充電する(すなわち、負極活物質層を過充電する)ことを特徴とする全固体電池の充電方法が開示されている。当該充電方法によると、充電の初期には、負極活物質層にリチウムが吸蔵されるが、負極活物質層の充電容量を超えて充電が行われると、負極集電体と負極活物質層との間にリチウムが析出し、金属層が形成される。 Further, Patent Literature 1 discloses a charging method for an all-solid-state battery characterized by charging beyond the charge capacity of the negative electrode active material layer (that is, overcharging the negative electrode active material layer). According to this charging method, lithium is occluded in the negative electrode active material layer at the initial stage of charging. Lithium is deposited between and forms a metal layer.

米国特許出願公開第2019/0157723号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2019/0157723

特許文献1に記載の技術によると、全固体電池の製造において正極活物質としてリチウム含有正極活物質が用いられる。 According to the technique described in Patent Document 1, a lithium-containing positive electrode active material is used as a positive electrode active material in manufacturing an all-solid-state battery.

一方、リチウム含有正極活物質はコストが高いため、コストの低いリチウム非含有正極活物質を用いて全固体電池を製造したいという要望がある。リチウム非含有正極活物質を用いた正極を採用する場合、負極活物質として金属リチウムやリチウム含有合金を用いて、初回の電池動作を放電からスタートさせるという方法が考えられる。 On the other hand, since lithium-containing positive electrode active materials are expensive, there is a demand to manufacture all-solid-state batteries using low-cost lithium-free positive electrode active materials. When adopting a positive electrode using a positive electrode active material that does not contain lithium, it is conceivable to use metal lithium or a lithium-containing alloy as the negative electrode active material and start the initial battery operation from discharging.

しかしながら、本発明者らが検討したところ、上記のような放電からスタートさせる方法では、過電圧が発生し電池が機能しないという問題が生じることが判明した。 However, as a result of investigation by the present inventors, it has been found that the method of starting from discharge as described above causes a problem that an overvoltage is generated and the battery does not function.

そこで、本発明は、負極側に炭素含有層を備え、正極活物質としてリチウム非含有正極活物質を用いた全固体電池において、電池を機能させることができる手段を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide means capable of operating a battery in an all-solid-state battery that includes a carbon-containing layer on the negative electrode side and uses a positive electrode active material that does not contain lithium as a positive electrode active material.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、リチウム非含有正極活物質に加えて、炭素含有層に吸蔵可能なリチウム量と同量以上の量のリチウムを吸蔵するリチウム含有正極活物質を用いて正極活物質層を構成することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. As a result, in addition to the lithium-free positive electrode active material, a lithium-containing positive electrode active material that absorbs lithium in an amount equal to or greater than the amount of lithium that can be absorbed in the carbon-containing layer is used to form the positive electrode active material layer. , found that the above problems could be solved, and completed the present invention.

本発明の一形態に係る全固体電池は、金属リチウムおよびリチウム含有合金からなる群から選択される少なくとも1種の負極活物質を含む負極活物質層、リチウム非含有正極活物質を含む正極活物質層、負極活物質層と正極活物質層との間に介在する固体電解質層、および負極活物質層と固体電解質層との間に介在する、リチウムを吸蔵可能な炭素材料を含む炭素含有層を有する。そして、正極活物質層がリチウム含有正極活物質をさらに含み、リチウム含有正極活物質の容量が、炭素材料の容量以上である。 An all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention includes a negative electrode active material layer containing at least one negative electrode active material selected from the group consisting of metallic lithium and lithium-containing alloys, and a positive electrode active material containing a lithium-free positive electrode active material. a layer, a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, and a carbon-containing layer interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer and containing a carbon material capable of absorbing lithium. have. The positive electrode active material layer further includes a lithium-containing positive electrode active material, and the capacity of the lithium-containing positive electrode active material is equal to or greater than the capacity of the carbon material.

本発明によれば、初回充電時にリチウム含有正極活物質からリチウムが放出され炭素含有層中の炭素材料に吸蔵されることにより、電池を機能させるのに十分なリチウム伝導性が炭素含有層に付与される。その後の放電時に、負極活物質から放出されたリチウムは、炭素含有層および固体電解質層を通過してリチウム非含有正極活物質に吸蔵される。その結果、負極側に炭素含有層を備え、正極活物質としてリチウム非含有正極活物質を用いた全固体電池において、電池を機能させることができる。 According to the present invention, during the initial charge, lithium is released from the lithium-containing positive electrode active material and absorbed by the carbon material in the carbon-containing layer, thereby imparting sufficient lithium conductivity to the carbon-containing layer to allow the battery to function. be done. During subsequent discharge, lithium released from the negative electrode active material passes through the carbon-containing layer and the solid electrolyte layer and is absorbed into the non-lithium-containing positive electrode active material. As a result, an all-solid battery having a carbon-containing layer on the negative electrode side and using a lithium-free positive electrode active material as a positive electrode active material can function.

図1は、本発明の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウム二次電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated all-solid lithium secondary battery that is an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view along line 2-2 shown in FIG. 図3は、試験用セルの充放電曲線を表すグラフである。FIG. 3 is a graph showing charge-discharge curves of test cells. 図4は、炭素材料の容量の測定における充電曲線を表すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a charge curve for measuring the capacity of carbon materials.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims and is not limited only to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

本発明の一形態に係る全固体電池は、金属リチウムおよびリチウム含有合金からなる群から選択される少なくとも1種の負極活物質を含む負極活物質層、リチウム非含有正極活物質を含む正極活物質層、負極活物質層と正極活物質層との間に介在する固体電解質層、および負極活物質層と固体電解質層との間に介在する、リチウムを吸蔵可能な炭素材料を含む炭素含有層を有する。そして、正極活物質層がリチウム含有正極活物質をさらに含み、リチウム含有正極活物質の容量が、炭素材料の容量以上である。 An all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention includes a negative electrode active material layer containing at least one negative electrode active material selected from the group consisting of metallic lithium and lithium-containing alloys, and a positive electrode active material containing a lithium-free positive electrode active material. a layer, a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, and a carbon-containing layer interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer and containing a carbon material capable of absorbing lithium. have. The positive electrode active material layer further includes a lithium-containing positive electrode active material, and the capacity of the lithium-containing positive electrode active material is equal to or greater than the capacity of the carbon material.

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

図1に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 1, the laminated battery 10a has a rectangular flat shape, and from both sides thereof, a negative electrode collector plate 25 and a positive electrode collector plate 27 for extracting electric power are pulled out. there is The power generation element 21 is wrapped by the battery exterior material (laminate film 29) of the laminated battery 10a, and the periphery thereof is heat-sealed. It is sealed in the pulled out state.

図1に示す集電板(25、27)の取り出しは、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。 There are no particular restrictions on how the collector plates (25, 27) shown in FIG. 1 can be taken out. The negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be pulled out from the same side, or the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be divided into a plurality of pieces and pulled out from each side. It is not limited to what is shown in FIG. 1, such as good.

図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11”の両面に正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。そして、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。さらに、図2に示す積層型電池10aにおいては、負極活物質層13と固体電解質層17との間に、リチウムを吸蔵可能な炭素材料を含む炭素含有層14が設けられている。 As shown in FIG. 2, the laminate type battery 10a of the present embodiment has a structure in which a flat and substantially rectangular power generation element 21 in which charge/discharge reactions actually progress is sealed inside a laminate film 29 that is a battery exterior material. have Here, the power generation element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are laminated. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 are arranged on both sides of a positive electrode current collector 11″. The negative electrode has negative electrode active material layers 13 containing a negative electrode active material arranged on both surfaces of the negative electrode current collector 11′. One positive electrode active material layer 15 and the adjacent negative electrode active material layer 13 face each other with the solid electrolyte layer 17 interposed therebetween, and the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode are arranged in this structure. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode form one single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in FIG. 2, lithium is occluded between the negative electrode active material layer 13 and the solid electrolyte layer 17. A carbon-containing layer 14 is provided which comprises a possible carbon material.

図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’、11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost negative electrode current collectors positioned on both outermost layers of the power generating element 21 have the negative electrode active material layer 13 only on one side, but the active material layer is provided on both sides. may be That is, a current collector having active material layers on both sides may be used as it is as the current collector for the outermost layer, instead of using the current collector exclusively for the outermost layer having the active material layer on only one side. In some cases, the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 may be used as the negative electrode and the positive electrode, respectively, without using the current collectors (11', 11'').

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

以下、本形態に係る全固体リチウム二次電池の主要な構成部材について説明する。 Main constituent members of the all-solid lithium secondary battery according to the present embodiment will be described below.

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

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or the like may be used. Alternatively, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among them, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoint of electronic conductivity, battery operating potential, adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering, and the like.

また、導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Moreover, as the resin having conductivity, a resin obtained by adding a conductive filler to a non-conductive polymer material can be used.

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. Moreover, from the viewpoint of blocking movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer to be described later themselves have conductivity and can exhibit a current collecting function, a current collector is used as a member separate from these electrode active material layers. No need. In such a form, the negative electrode active material layer to be described later constitutes the negative electrode as it is, and the positive electrode active material layer to be described later constitutes the positive electrode as it is.

[負極活物質層]
本形態に係る全固体電池において、負極活物質層は、金属リチウムおよびリチウム含有合金からなる群から選択される少なくとも1種の負極活物質を必須に含む。リチウム含有合金としては、特に制限されないが、例えば、Liと、In、Al、Si、Sn、Mg、Au、AgおよびZnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、金属リチウムまたはリチウム含有合金を必須に含むのであれば、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
[Negative electrode active material layer]
In the all-solid-state battery according to this embodiment, the negative electrode active material layer essentially contains at least one negative electrode active material selected from the group consisting of metallic lithium and lithium-containing alloys. Examples of lithium-containing alloys include, but are not particularly limited to, alloys of Li and at least one of In, Al, Si, Sn, Mg, Au, Ag and Zn. In some cases, two or more kinds of negative electrode active materials may be used together. Needless to say, negative electrode active materials other than those described above may be used as long as they essentially contain metallic lithium or a lithium-containing alloy.

好ましい一形態に係る全固体電池は、充電過程において負極集電体上に金属リチウムを析出させる、いわゆるリチウム析出型のものである。この場合、充電過程において負極集電体上に析出する金属リチウムからなる層が、負極活物質層となる。したがって、充電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは大きくなり、放電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは小さくなる。完全放電時には負極活物質層は存在していなくともよいが、場合によってはある程度の金属リチウムからなる負極活物質層を完全放電時において配置しておいてもよい。 An all-solid-state battery according to a preferred embodiment is a so-called lithium deposition type battery in which metallic lithium is deposited on a negative electrode current collector during charging. In this case, the layer composed of metallic lithium deposited on the negative electrode current collector during the charging process becomes the negative electrode active material layer. Therefore, the thickness of the negative electrode active material layer increases as the charging process progresses, and the thickness of the negative electrode active material layer decreases as the discharging process progresses. Although the negative electrode active material layer does not have to exist at the time of complete discharge, depending on the case, a certain amount of the negative electrode active material layer made of metallic lithium may be arranged at the time of complete discharge.

他の好ましい一形態に係る全固体電池は、負極集電体上に、負極活物質層としてリチウム含有合金からなる層が配置された負極を有する。この場合、充電過程の進行に伴ってリチウム含有合金にリチウムが吸蔵されることにより負極活物質層の厚さが大きくなり、放電過程の進行に伴ってリチウム含有合金からリチウムが放出されることにより負極活物質層の厚さは小さくなる。 An all-solid-state battery according to another preferred embodiment has a negative electrode in which a layer made of a lithium-containing alloy is arranged as a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector. In this case, as the charging process progresses, lithium is absorbed into the lithium-containing alloy, thereby increasing the thickness of the negative electrode active material layer. As the discharging process progresses, lithium is released from the lithium-containing alloy. The thickness of the negative electrode active material layer is reduced.

完全充電時における負極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer at the time of full charge varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

[炭素含有層]
炭素含有層は負極活物質層と固体電解質層との間に介在する層であって、リチウムを吸蔵可能な炭素材料を含有する。
[Carbon-containing layer]
The carbon-containing layer is a layer interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and contains a carbon material capable of intercalating lithium.

炭素材料は、特に制限されないが、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラファイト、ハードカーボン等が挙げられる。中でも、カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックおよびサーマルランプブラックからなる群から選択させる少なくとも1種であることがより好ましい。 The carbon material is not particularly limited, but carbon black (specifically, acetylene black, Ketjenblack (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.), carbon nanotubes (CNT), graphite, hard carbon etc. Among them, carbon black is preferred, and at least one selected from the group consisting of acetylene black, Ketjenblack (registered trademark), furnace black, channel black and thermal lamp black is more preferred.

炭素含有層における炭素材料の含有量は、特に制限されないが、50~100質量%の範囲内であることが好ましく、70~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましく、95~100質量%であることが特に好ましい。 The content of the carbon material in the carbon-containing layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 to 100% by mass, more preferably in the range of 70 to 100% by mass, and 90 to 100% by mass. is more preferably within the range of , particularly preferably 95 to 100% by mass.

炭素含有層は、炭素材料のみで自立膜を作製可能であれば、炭素材料のみからなるものであってもよいが、必要に応じてバインダを含んでもよい。バインダとしては、特に限定されないが、例えば、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 The carbon-containing layer may consist of only a carbon material as long as a self-supporting film can be produced only from the carbon material, and may contain a binder as necessary. Examples of the binder include, but are not limited to, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, Polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene・Styrene block copolymers and their hydrogenated products, thermoplastic polymers such as styrene/isoprene/styrene block copolymers and their hydrogenated products, tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene・Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride ( PVF) and other fluororesins, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubbers (VDF-HFP fluororubbers), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubbers (VDF-HFP-TFE fluororubbers) , vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-per Vinylidene fluoride fluororubber such as fluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluororubber (VDF-CTFE fluororubber), epoxy resin, carboxymethyl cellulose, and the like. Among them, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

炭素含有層におけるバインダの含有量は、特に制限されないが、1~10質量%の範囲内であることが好ましく、2~5質量%の範囲内であることがより好ましい。バインダの含有量が1質量%以上であれば十分な強度を有する炭素含有層が形成できる。バインダの含有量が10質量%以下であれば、エネルギー密度の低下を抑制できる。 Although the content of the binder in the carbon-containing layer is not particularly limited, it is preferably in the range of 1 to 10% by mass, more preferably in the range of 2 to 5% by mass. If the content of the binder is 1% by mass or more, a carbon-containing layer having sufficient strength can be formed. If the content of the binder is 10% by mass or less, a decrease in energy density can be suppressed.

炭素含有層は、炭素材料およびバインダ以外の成分を含まないものであることが好ましい。よって、好ましい一形態によると、炭素含有層は、炭素材料のみからなる、または、炭素材料およびバインダのみからなる。 The carbon-containing layer preferably does not contain components other than the carbon material and the binder. Therefore, according to one preferred embodiment, the carbon-containing layer consists of only the carbon material, or consists of the carbon material and the binder.

炭素含有層の厚さは、特に制限されないが、1~50μmの範囲内であることが好ましく、5~40μmの範囲内であることがより好ましく、10~30μmの範囲内であることがさらに好ましい。炭素含有層の厚さが1μm以上であると、炭素含有層が有する機能を十分に発揮できる。炭素含有層の厚さが50μm以下であると、エネルギー密度の低下を抑制できる。 Although the thickness of the carbon-containing layer is not particularly limited, it is preferably in the range of 1 to 50 μm, more preferably in the range of 5 to 40 μm, even more preferably in the range of 10 to 30 μm. . When the thickness of the carbon-containing layer is 1 μm or more, the function of the carbon-containing layer can be fully exhibited. When the thickness of the carbon-containing layer is 50 μm or less, it is possible to suppress a decrease in energy density.

[固体電解質層]
固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、負極活物質層と正極活物質層との間に介在する層である。固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられる。イオン伝導度が高いという観点からは、固体電解質は、硫化物固体電解質を含むことが好ましい。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte as a main component and interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer. The solid electrolyte is not particularly limited, but includes, for example, a sulfide solid electrolyte and an oxide solid electrolyte. From the viewpoint of high ionic conductivity, the solid electrolyte preferably contains a sulfide solid electrolyte.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS、LiPS、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of sulfide solid electrolytes include LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 SP 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , LiI - Li3PS4 , LiI -LiBr- Li3PS4 , Li3PS4 , Li2SP2S5 - LiI , Li2SP2S5 - LiCl, Li2SP2S 5 -LiBr , Li2SP2S5 -Li2O , Li2SP2S5- Li2O -LiI , Li2S - SiS2 , Li2S - SiS2 - LiI , Li2 S—SiS 2 —LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, Li 2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn and Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers, and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In). The description of “Li 2 SP 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、LiS-Pを主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI--Li 3 PS 4 , LiI--LiBr--Li 3 PS 4 and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li—P—S solid electrolytes called LPS (eg, Li 7 P 3 S 11 ). As the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing the element P, and more preferably a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogens (F, Cl, Br, I).

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

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

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

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

固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100% by mass, more preferably in the range of 50 to 100% by mass, and in the range of 90 to 100% by mass. is more preferable.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. Since the specific form of the binder that can be contained in the solid electrolyte layer is the same as described above, detailed description is omitted here.

固体電解質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the target all-solid-state battery, but from the viewpoint of improving the volume energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, More preferably, it is 400 μm or less. On the other hand, the lower limit of the thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and still more preferably 10 μm or more.

[正極活物質層]
正極活物質層は、リチウムを吸蔵可能な正極活物質を含む。そして、本発明において、正極活物質層は、リチウム非含有正極活物質と、リチウム含有正極活物質とを必須に含む。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material capable of intercalating lithium. In the present invention, the positive electrode active material layer essentially includes a non-lithium-containing positive electrode active material and a lithium-containing positive electrode active material.

(リチウム非含有正極活物質)
本明細書において、リチウム非含有正極活物質とは、リチウム元素を含まない正極活物質を指す。リチウム非含有正極活物質としては、特に制限されないが、遷移金属酸化物および遷移金属フッ化物や、硫黄系正極活物質が挙げられる。
(Lithium-free positive electrode active material)
In this specification, the lithium-free positive electrode active material refers to a positive electrode active material that does not contain lithium element. Examples of lithium-free positive electrode active materials include, but are not limited to, transition metal oxides, transition metal fluorides, and sulfur-based positive electrode active materials.

遷移金属酸化物および遷移金属フッ化物の具体例としては、酸化チタン(TiO)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タングステン(WO)、フッ化鉄(II)(FeF)、五酸化バナジウム(V)、酸化鉄(FeO)、二酸化マンガン(MnO)などが挙げられる。 Specific examples of transition metal oxides and transition metal fluorides include titanium oxide (TiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), iron fluoride (II) (FeF 2 ), vanadium oxide ( V2O5 ), iron oxide ( FeOx ), manganese dioxide ( MnO2 ) , and the like.

硫黄系正極活物質としては、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられ、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄(S)、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、NiS、NiS、CuS、FeS、MoS、MoS等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、FeSおよびMoSが好ましく、S、S-カーボンコンポジット、TiSおよびFeSがより好ましい。ここで、S-カーボンコンポジットとは、硫黄粉末と炭素材料とを含み、これらを加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、炭素材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態、硫黄と炭素材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態、細かな硫黄粉末の表面や内部に炭素材料が分布している状態、または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 Examples of sulfur-based positive electrode active materials include particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds, which can release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging by utilizing the oxidation-reduction reaction of sulfur. Any substance that can Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by compounds described in WO 2010/044437, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polysulfide carbon, and the like. Among these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate group, or a thioamide group are more preferable. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferable because of their excellent stability. Specifically, sulfur (S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , MoS 2 , MoS 3 and the like. Among them, S,S-carbon composites, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, and S,S-carbon composites, TiS 2 and FeS 2 are more preferred. Here, the S-carbon composite includes a sulfur powder and a carbon material, and is in a composite state by subjecting them to heat treatment or mechanical mixing. More specifically, the state in which sulfur is distributed on the surface and in the pores of the carbon material, the state in which sulfur and the carbon material are uniformly dispersed at the nano level and are aggregated into particles, and the state in which fine sulfur It is a state in which the carbon material is distributed on the surface or inside of the powder, or a state in which a plurality of these states are combined.

場合によっては、2種以上のリチウム非含有正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外のリチウム非含有正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more lithium-free positive electrode active materials may be used in combination. Of course, lithium-free positive electrode active materials other than those described above may also be used.

(リチウム含有正極活物質)
本明細書において、リチウム含有正極活物質とは、リチウム元素を含む正極活物質を指す。リチウム含有正極活物質としては、特に制限されないが、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O、Li(Ni-Co-Al)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。なかでも、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が好ましく用いられ、さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)またはLi(Ni-Co-Al)O(以下、単に「NCA複合酸化物」とも称する)およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたものが用いられ、特に好ましくはNMC複合酸化物が用いられる。NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Lithium-containing positive electrode active material)
In this specification, the lithium-containing positive electrode active material refers to a positive electrode active material containing lithium element. The lithium-containing positive electrode active material is not particularly limited, but layered rock salts such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li(Ni--Mn--Co)O 2 and Li(Ni--Co--Al)O 2 type active materials, spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , Si such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Contained active material and the like can be mentioned. As an oxide active material other than the above, for example, Li 4 Ti 5 O 12 can be mentioned. Among them, a composite oxide containing lithium and nickel is preferably used, and more preferably Li(Ni—Mn—Co)O 2 (hereinafter simply referred to as “NMC composite oxide”) or Li(Ni—Co —Al)O 2 (hereinafter also simply referred to as “NCA composite oxide”) and transition metals partially substituted with other elements are used, and NMC composite oxide is particularly preferably used. NMC composite oxides and NCA composite oxides have a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metal (Mn, Ni and Co are arranged in an orderly manner) atomic layers are alternately stacked via oxygen atomic layers, and the transition metal One Li atom is contained per one atom of M, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, and a high capacity can be obtained.

NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物には、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。ただし、NCA複合酸化物の遷移金属元素を置換しうる他の金属元素はAl以外のものである。より具体的には、LiNi0.8Co0.1Al0.1、LiNi0.8Mn0.1Co0.1、LiNi0.88Mn0.06Co0.06およびLiNi0.5Mn0.3Co0.2等が挙げられる。 NMC composite oxides and NCA composite oxides also include composite oxides in which a portion of the transition metal element is replaced with another metal element, as described above. Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, and Cu. , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, Cr, more preferably Ti, Zr, Al, Mg, or Cr from the viewpoint of improving cycle characteristics. However, other metal elements that can substitute for the transition metal elements of the NCA composite oxide are those other than Al. More specifically , LiNi0.8Co0.1Al0.1O2 , LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 , LiNi0.88Mn0.06Co0.06O2 _ _ _ _ and LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 and the like.

場合によっては、2種以上のリチウム含有正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外のリチウム含有正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more lithium-containing positive electrode active materials may be used in combination. It goes without saying that a lithium-containing positive electrode active material other than the above may be used.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like. When the positive electrode active material is in the form of particles, its average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and still more preferably 100 nm. to 20 μm, particularly preferably 1 to 20 μm.

正極活物質層における正極活物質(リチウム非含有正極活物質およびリチウム含有正極活物質の合計量)の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material (the total amount of the non-lithium-containing positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material) in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is, for example, within the range of 40 to 99% by mass. preferably in the range of 50 to 90% by mass.

正極活物質層は、必要に応じて、固体電解質、導電助剤、バインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。固体電解質およびバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The positive electrode active material layer may further contain at least one of a solid electrolyte, a conductive aid, and a binder, if necessary. Since the specific forms of the solid electrolyte and the binder are the same as those described above, detailed description thereof is omitted here.

導電助剤としては、特に制限されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 The conductive aid is not particularly limited, but for example, metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, titanium, alloys or metal oxides containing these metals; carbon fiber (specifically, Vapor grown carbon fiber (VGCF), polyacrylonitrile carbon fiber, pitch carbon fiber, rayon carbon fiber, activated carbon fiber, etc.), carbon nanotubes (CNT), carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.), but are not limited thereto. In addition, a particulate ceramic material or resin material coated with the above metal material by plating or the like can also be used as a conductive aid. Among these conductive aids, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon. , silver, gold, and carbon, and more preferably at least one carbon. These conductive aids may be used alone or in combination of two or more.

導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The shape of the conductive aid is preferably particulate or fibrous. When the conductive agent is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be powdery, spherical, rod-like, needle-like, plate-like, columnar, amorphous, scaly, spindle-like, or the like. I don't mind.

導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle size (primary particle size) of the conductive additive in the form of particles is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive aid" means the maximum distance L among the distances between any two points on the outline of the conductive aid. The value of the "average particle size of the conductive aid" is the particle size of particles observed in several to several tens of fields using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). shall be calculated as the average value of

正極活物質層が導電助剤を含む場合、当該正極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、正極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、正極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the positive electrode active material layer contains a conductive aid, the content of the conductive aid in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10% by mass with respect to the total weight of the positive electrode active material layer. , more preferably 2 to 8% by mass, more preferably 4 to 7% by mass. Within such a range, it is possible to form a stronger electron conduction path in the positive electrode active material layer, which can effectively contribute to the improvement of battery characteristics.

本形態に係る全固体電池においては、上述した正極活物質層に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、上述した炭素含有層に含まれる炭素材料の容量[mAh]以上である点にも特徴を有する。本発明者らは、下記の実験結果より、上記構成を有することで、初回充電時に電池を機能させるのに十分なリチウム伝導性が炭素含有層に付与され(炭素含有層がアクティベーションされ)、その結果、電池を機能させることが可能なことを見出した。 In the all-solid-state battery according to the present embodiment, the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer described above is equal to or greater than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the carbon-containing layer described above. Also has characteristics. The present inventors have found from the following experimental results that the carbon-containing layer is provided with sufficient lithium conductivity to allow the battery to function during the initial charge (the carbon-containing layer is activated) by having the above configuration, As a result, it was found that the battery can be made to function.

《試験用セルの作製》
まず、試験用セルとして、リチウム対称セルを作製した。より詳細には、正極集電体(SUS箔)、金属リチウム、固体電解質層(LiPSCl)、炭素含有層(米国特許出願公開第2019/0157723号明細書の段落「0136」~「0138」に準じて、炭素材料としてファーネスブラックを用いて作製したもの)、金属リチウム、負極集電体(SUS箔)をこの順で積層した。そして、正極集電体(SUS製)および負極集電体(SUS製)で挟持し、外気を遮断可能な加圧容器を用いて20MPaの拘束圧力を付与した状態で封入し、試験用セルを作製した。
<<Preparation of test cell>>
First, a lithium symmetrical cell was produced as a test cell. More specifically, positive electrode current collector (SUS foil), metallic lithium, solid electrolyte layer (Li 6 PS 5 Cl), carbon-containing layer (U.S. Patent Application Publication No. 2019/0157723, paragraphs "0136" to " 0138” using furnace black as a carbon material), metal lithium, and a negative electrode current collector (SUS foil) were laminated in this order. Then, it is sandwiched between a positive electrode current collector (made of SUS) and a negative electrode current collector (made of SUS), and sealed under a pressure of 20 MPa using a pressurized container that can block the outside air, and a test cell is formed. made.

《充放電試験》
次に、試験用セルについて、下記の手法により充放電試験を行った。なお、測定は25℃に設定した定温恒温槽中で行った。充放電条件は下記のとおりである。
《Charging and discharging test》
Next, the test cell was subjected to a charge/discharge test by the following method. In addition, the measurement was performed in a constant temperature constant temperature bath set at 25°C. The charging/discharging conditions are as follows.

[電圧範囲]-2.0~2.0V
[充電過程]0.2mA/cm
[放電過程]0.2mA/cm
[終止条件]電流容量6.0mAh/cm
[Voltage range] -2.0 to 2.0V
[Charging process] 0.2 mA/cm 2
[Discharge process] 0.2 mA/cm 2
[Termination conditions] Current capacity 6.0 mAh/cm 2 .

図3は、試験用セルの充放電曲線を表すグラフである。初回の操作として充電を行った場合、図3に示すように、充電およびその後の放電を行うことができた。初回の操作として放電を行った場合、図3に示すように、過電圧が大きくなり、電池として機能しないことがわかった。 FIG. 3 is a graph showing charge-discharge curves of test cells. When charging was performed as the first operation, as shown in FIG. 3, charging and subsequent discharging could be performed. It was found that when discharging was performed as the first operation, as shown in FIG. 3, the overvoltage increased and the battery did not function.

以上の結果より、負極側に炭素含有層を備えた全固体電池においては、初回充電時に正極活物質から放出されたリチウムが炭素含有層中の炭素材料に吸蔵されることで、電池としての機能が発現することが示唆された。このことから、正極活物質としてリチウム非含有正極活物質を含む全固体電池においても、炭素含有層に含まれる炭素材料の容量以上の容量を有するリチウム含有正極活物質を正極活物質に含ませ、当該炭素材料の容量以上の初回充電を行うことにより、電池を機能させることができることがわかる。 From the above results, in an all-solid-state battery with a carbon-containing layer on the negative electrode side, the lithium released from the positive electrode active material during the initial charge is occluded by the carbon material in the carbon-containing layer, so that the battery functions. was suggested to be expressed. For this reason, even in an all-solid-state battery containing a lithium-free positive electrode active material as a positive electrode active material, the positive electrode active material contains a lithium-containing positive electrode active material having a capacity greater than or equal to the capacity of the carbon material contained in the carbon-containing layer, It can be seen that the battery can be made to function by performing an initial charge equal to or greater than the capacity of the carbon material.

ここで、「リチウム含有正極活物質の容量」は、対象となるリチウム含有正極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダを含有する正極活物質層;固体電解質層;ならびに負極として金属リチウムを備えたいわゆるハーフセルを用いて測定することができる。例えば、セルを適当な面圧(好ましくは100MPa以下、例えば20MPa)を付与した状態で、不活性雰囲気を担保可能な評価治具に設置する。そして、セルを充放電装置に接続し、25℃にて一定電流(好ましくは1/20[C]、より好ましくは1/100[C])で充電する(正極から負極へと一定電流を流す)ことで、リチウム含有正極活物質から負極へリチウムを移動させる。この際のセル電圧の挙動を計測し、その挙動からリチウム含有正極活物質の電流容量[mAh]を決定する。カットオフ電圧は正極活物質の種類によって異なるが、一般的にはハーフセル電圧が急峻に低減する部分を終端電圧とする。充電開始からカットオフまでの時間(h)と一定充電電流(mA/cm)との積が単位面積あたりの正極活物質層が有する容量[mAh/cm]となる。そして、当該値と正極活物質層の面積との積を算出することにより、正極活物質層が有する容量、すなわち、ハーフセルに用いたリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が求められる。なお、測定対象の全固体電池に含まれるリチウム含有正極活物質の質量[g]と、ハーフセルに用いたリチウム含有正極活物質の質量[g]とが異なる場合は、ハーフセルに用いたリチウム含有正極活物質の容量[mAh]をハーフセルに用いたリチウム含有正極活物質の質量[g]で除した値[mAh/g]に、測定対象の全固体電池に含まれるリチウム含有正極活物質の質量[g]を掛けることで、リチウム含有正極活物質の容量[mAh]を求めることができる。 Here, the "capacity of the lithium-containing positive electrode active material" includes a positive electrode active material layer containing the target lithium-containing positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive aid and a binder; a solid electrolyte layer; and metal lithium as a negative electrode. It can also be measured using a so-called half cell. For example, the cell is placed on an evaluation jig capable of ensuring an inert atmosphere while applying an appropriate surface pressure (preferably 100 MPa or less, for example 20 MPa). Then, the cell is connected to a charging and discharging device and charged at a constant current (preferably 1/20 [C], more preferably 1/100 [C]) at 25 ° C. (a constant current is passed from the positive electrode to the negative electrode ) to move lithium from the lithium-containing positive electrode active material to the negative electrode. The behavior of the cell voltage at this time is measured, and the current capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material is determined from the behavior. The cut-off voltage varies depending on the type of positive electrode active material, but generally the portion where the half-cell voltage drops steeply is taken as the termination voltage. The product of the time (h) from the start of charging to cutoff and the constant charging current (mA/cm 2 ) is the capacity per unit area of the positive electrode active material layer [mAh/cm 2 ]. Then, by calculating the product of this value and the area of the positive electrode active material layer, the capacity of the positive electrode active material layer, that is, the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half cell is obtained. If the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the all-solid-state battery to be measured is different from the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half-cell, the lithium-containing positive electrode used in the half-cell The value [mAh/g] obtained by dividing the capacity [mAh] of the active material by the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half cell is added to the mass of the lithium-containing positive electrode active material [ g], the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material can be obtained.

「炭素材料の容量」は、正極として金属リチウム;固体電解質層;負極として対象となる炭素材料を含む炭素含有層および負極集電体を備えたいわゆるハーフセルを用いて測定することができる。例えば、セルを適当な面圧(好ましくは40MPa以下、例えば20MPa)を付与した状態で、不活性雰囲気を担保可能な評価治具に設置する。そして、セルを充放電装置に接続し、25℃にて一定電流(好ましくは0.2mA/cm、より好ましくは0.05mA/cm、さらに好ましくは0.01mA/cm)で充電する(正極から負極へと一定電流を流す)ことで、正極から炭素含有層および負極へリチウムを移動させる。この際のセル電圧の挙動を計測した結果を図4に示す。炭素材料は一般的にそのリチウム化度によってその標準電極電位が変化することが知られており、またその電位は金属リチウムの有する電極電位よりも高いことが知られている。そのため、充電開始前はセル電圧として負の値を示す。充電反応が進み、炭素材料のリチウム化度が高くなるにつれ、その標準電極電位は金属リチウムのそれに漸近していき、最終的には金属リチウムの電位とほぼ同等となるため、セル電圧はあるところで飽和する。図4において、充電開始から飽和した時点(曲線の傾きが0となった時点)までの領域(a)では炭素材料にリチウムが吸蔵される。飽和した時点以後の領域(b)ではリチウムが負極で堆積する。そして、充電開始から飽和した時点の時間(h)と一定充電電流(mA/cm)との積が単位面積あたりの炭素含有層が有する容量[mAh/cm]となる。そして、当該値と炭素含有層の面積との積を算出することにより、炭素含有層が有する容量、すなわち、ハーフセルに用いた炭素材料の容量[mAh]が求められる。なお、測定対象の全固体電池に含まれる炭素材料の質量[g]と、ハーフセルに用いた炭素材料の質量[g]とが異なる場合は、ハーフセルに用いた炭素材料の容量[mAh]をハーフセルに用いた炭素材料の質量[g]で除した値[mAh/g]に、測定対象の全固体電池に含まれる炭素材料の質量[g]を掛けることで、炭素材料の容量[mAh]を求めることができる。 The “capacity of the carbon material” can be measured using a so-called half cell equipped with metallic lithium as the positive electrode; a solid electrolyte layer; and a negative electrode current collector and a carbon-containing layer containing the target carbon material as the negative electrode. For example, the cell is placed on an evaluation jig capable of ensuring an inert atmosphere while applying an appropriate surface pressure (preferably 40 MPa or less, for example 20 MPa). Then, the cell is connected to a charging/discharging device and charged at a constant current (preferably 0.2 mA/cm 2 , more preferably 0.05 mA/cm 2 , still more preferably 0.01 mA/cm 2 ) at 25°C. Lithium is transferred from the positive electrode to the carbon-containing layer and the negative electrode (a constant current is applied from the positive electrode to the negative electrode). FIG. 4 shows the result of measuring the behavior of the cell voltage at this time. It is known that the standard electrode potential of carbon materials generally changes depending on the degree of lithiation thereof, and the potential is known to be higher than the electrode potential of metallic lithium. Therefore, before the start of charging, the cell voltage shows a negative value. As the charging reaction progresses and the degree of lithiation of the carbon material increases, the standard electrode potential approaches that of metallic lithium, and finally becomes almost the same as the potential of metallic lithium. Saturate. In FIG. 4, lithium is occluded in the carbon material in a region (a) from the start of charging to the point of saturation (the point of time when the slope of the curve becomes 0). Lithium deposits at the negative electrode in region (b) after the saturation point. The product of the time (h) from the start of charging until saturation and the constant charging current (mA/cm 2 ) is the capacity per unit area of the carbon-containing layer [mAh/cm 2 ]. Then, by calculating the product of this value and the area of the carbon-containing layer, the capacity of the carbon-containing layer, that is, the capacity [mAh] of the carbon material used in the half-cell is obtained. If the mass [g] of the carbon material contained in the all-solid-state battery to be measured is different from the mass [g] of the carbon material used in the half cell, the capacity [mAh] of the carbon material used in the half cell is By multiplying the value [mAh/g] divided by the mass [g] of the carbon material used for the measurement by the mass [g] of the carbon material contained in the all-solid-state battery to be measured, the capacity [mAh] of the carbon material is can ask.

炭素材料の容量[mAh]に対するリチウム含有正極活物質の容量[mAh](リチウム含有正極活物質の容量[mAh]/炭素材料の容量[mAh])の比は、必須に1以上であり、エネルギー密度の向上やコスト低減の観点から、好ましくは1~2であり、より好ましくは1~1.5であり、さらに好ましくは1~1.2である。 The ratio of the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material to the capacity [mAh] of the carbon material (capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material/capacity [mAh] of the carbon material) is essentially 1 or more, and energy It is preferably 1 to 2, more preferably 1 to 1.5, still more preferably 1 to 1.2, from the viewpoint of improving the density and reducing the cost.

本形態に係る全固体電池においては、上述した負極活物質層に含まれる負極活物質の容量[mAh]が、上述した正極活物質層に含まれるリチウム非含有正極活物質の容量[mAh]以上であることが好ましい。このような構成を有することにより、正極活物質を有効に活用することができ、エネルギー密度の向上を図ることができる。 In the all-solid-state battery according to the present embodiment, the capacity [mAh] of the negative electrode active material included in the negative electrode active material layer described above is equal to or greater than the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material included in the positive electrode active material layer described above. is preferably With such a configuration, the positive electrode active material can be effectively used, and the energy density can be improved.

ここで、「負極活物質の容量」は、正極として金属リチウム;固体電解質層;ならびに対象となる負極活物質を含有する負極活物質層を備えたいわゆるハーフセルを用いて測定することができる。例えば、セルを適当な面圧(好ましくは100MPa以下、例えば20MPa)を付与した状態で、不活性雰囲気を担保可能な評価治具に設置する。そして、セルを充放電装置に接続し、25℃にて一定電流(好ましくは1/20[C]、より好ましくは1/100[C])で放電する(負極から正極へと一定電流を流す)ことで、負極活物質から正極へリチウムを移動させる。この際のセル電圧の挙動を計測し、その挙動から負極活物質の電流容量[mAh]を決定する。カットオフ電圧は負極活物質の種類によって異なるが、一般的にはハーフセル電圧が急峻に低減する部分を終端電圧とする。放電開始からカットオフまでの時間(h)と一定放電電流(mA/cm)との積が単位面積あたりの負極活物質層が有する容量[mAh/cm]となる。そして、当該値と負極活物質層の面積との積を算出することにより、負極活物質層が有する容量、すなわち、ハーフセルに用いた負極活物質の容量[mAh]が求められる。なお、測定対象の全固体電池に含まれる負極活物質の質量[g]と、ハーフセルに用いた負極活物質の質量[g]とが異なる場合は、ハーフセルに用いた負極活物質の容量[mAh]をハーフセルに用いた負極活物質の質量[g]で除した値[mAh/g]に、測定対象の全固体電池に含まれる負極活物質の質量[g]を掛けることで、負極活物質の容量[mAh]を求めることができる。 Here, the "capacity of the negative electrode active material" can be measured using a so-called half cell provided with a negative electrode active material layer containing metallic lithium as a positive electrode; a solid electrolyte layer; and a target negative electrode active material. For example, the cell is placed on an evaluation jig capable of ensuring an inert atmosphere while applying an appropriate surface pressure (preferably 100 MPa or less, for example 20 MPa). Then, the cell is connected to a charge/discharge device and discharged at a constant current (preferably 1/20 [C], more preferably 1/100 [C]) at 25 ° C. (a constant current flows from the negative electrode to the positive electrode ) to move lithium from the negative electrode active material to the positive electrode. The behavior of the cell voltage at this time is measured, and the current capacity [mAh] of the negative electrode active material is determined from the behavior. The cut-off voltage varies depending on the type of negative electrode active material, but generally the portion where the half-cell voltage drops steeply is taken as the termination voltage. The product of the time (h) from the start of discharge to cutoff and the constant discharge current (mA/cm 2 ) is the capacity per unit area of the negative electrode active material layer [mAh/cm 2 ]. Then, by calculating the product of this value and the area of the negative electrode active material layer, the capacity of the negative electrode active material layer, that is, the capacity [mAh] of the negative electrode active material used in the half cell is obtained. If the mass [g] of the negative electrode active material contained in the all-solid-state battery to be measured is different from the mass [g] of the negative electrode active material used in the half cell, the capacity [mAh ] divided by the mass [g] of the negative electrode active material used in the half cell [mAh/g], and by multiplying the mass [g] of the negative electrode active material contained in the all-solid-state battery to be measured, the negative electrode active material capacity [mAh] can be obtained.

「リチウム非含有正極活物質の容量」は、対象となるリチウム非含有正極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダを含有する正極活物質層;固体電解質層;ならびに負極として金属リチウムを備えたいわゆるハーフセルを用いて測定することができる。例えば、セルを適当な面圧(好ましくは100MPa以下、例えば20MPa)を付与した状態で、不活性雰囲気を担保可能な評価治具に設置する。そして、セルを充放電装置に接続し、25℃にて一定電流(好ましくは1/20[C]、より好ましくは1/100[C])で放電する(負極から正極へと一定電流を流す)ことで、負極からリチウム非含有正極活物質へリチウムを移動させる。この際のセル電圧の挙動を計測し、その挙動からリチウム非含有正極活物質の電流容量[mAh]を決定する。カットオフ電圧は正極活物質の種類によって異なるが、一般的にはハーフセル電圧が急峻に低減する部分を終端電圧とする。放電開始からカットオフまでの時間(h)と一定放電電流(mA/cm)との積が単位面積あたりの正極活物質層が有する容量[mAh/cm]となる。そして、当該値と正極活物質層の面積との積を算出することにより、正極活物質層が有する容量、すなわち、ハーフセルに用いたリチウム非含有正極活物質の容量[mAh]が求められる。なお、測定対象の全固体電池に含まれるリチウム非含有正極活物質の質量[g]と、ハーフセルに用いたリチウム非含有正極活物質の質量[g]とが異なる場合は、ハーフセルに用いたリチウム非含有正極活物質の容量[mAh]をハーフセルに用いたリチウム非含有正極活物質の質量[g]で除した値[mAh/g]に、測定対象の全固体電池に含まれるリチウム非含有正極活物質の質量[g]を掛けることで、リチウム非含有正極活物質の容量[mAh]を求めることができる。 "Capacity of lithium-free positive electrode active material" refers to a positive electrode active material layer containing a target lithium-free positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive aid, and a binder; a solid electrolyte layer; and metallic lithium as a negative electrode. It can be measured using a so-called half cell. For example, the cell is placed on an evaluation jig capable of ensuring an inert atmosphere while applying an appropriate surface pressure (preferably 100 MPa or less, for example 20 MPa). Then, the cell is connected to a charge/discharge device and discharged at a constant current (preferably 1/20 [C], more preferably 1/100 [C]) at 25 ° C. (a constant current flows from the negative electrode to the positive electrode ) to transfer lithium from the negative electrode to the lithium-free positive electrode active material. The behavior of the cell voltage at this time is measured, and the current capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material is determined from the behavior. The cut-off voltage varies depending on the type of positive electrode active material, but generally the portion where the half-cell voltage drops steeply is taken as the termination voltage. The product of the time (h) from the start of discharge to cutoff and the constant discharge current (mA/cm 2 ) is the capacity per unit area of the positive electrode active material layer [mAh/cm 2 ]. Then, by calculating the product of this value and the area of the positive electrode active material layer, the capacity of the positive electrode active material layer, that is, the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material used in the half cell is obtained. If the mass [g] of the lithium-free positive electrode active material contained in the all-solid-state battery to be measured is different from the mass [g] of the lithium-free positive electrode active material used in the half cell, the lithium used in the half cell The value [mAh/g] obtained by dividing the capacity [mAh] of the non-containing positive electrode active material by the mass [g] of the lithium-free positive electrode active material used in the half cell is the lithium-free positive electrode contained in the all-solid-state battery to be measured. By multiplying by the mass [g] of the active material, the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material can be obtained.

リチウム非含有正極活物質の容量[mAh]に対する負極活物質の容量[mAh](負極活物質の容量[mAh]/リチウム非含有正極活物質の容量[mAh])の比は、好ましくは1以上であり、エネルギー密度の向上やコスト低減の観点から、より好ましくは1~2であり、さらに好ましくは1~1.5であり、特に好ましくは1~1.2である。 The ratio of the capacity [mAh] of the negative electrode active material to the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material (the capacity [mAh] of the negative electrode active material/the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material) is preferably 1 or more. From the viewpoint of improving energy density and reducing costs, it is more preferably 1 to 2, still more preferably 1 to 1.5, and particularly preferably 1 to 1.2.

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

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

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

本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to this embodiment has a structure in which a plurality of single cell layers are connected in parallel, so that it has a high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.

[アクティベーション済全固体電池の製造方法]
上述したように、本形態に係る全固体電池は、電池製造後の初回充電時において、電池を機能させるのに十分なリチウム伝導性が炭素含有層に付与される(炭素含有層がアクティベーションされる)。よって、本発明の他の一形態によると、上述した本発明の一形態に係る全固体電池を製造する工程(以下、工程1とも称する)と、当該全固体電池に前記炭素材料の容量[mAh]以上の初回充電を行う工程(以下、工程2とも称する)とを含む、アクティベーション済全固体電池の製造方法が提供される。以下、各工程について順に説明する。
[Method for manufacturing activated all-solid-state battery]
As described above, in the all-solid-state battery according to the present embodiment, sufficient lithium conductivity is imparted to the carbon-containing layer to make the battery function during the initial charge after battery manufacture (the carbon-containing layer is activated). ). Therefore, according to another aspect of the present invention, the step of manufacturing the all-solid-state battery according to one aspect of the present invention described above (hereinafter also referred to as step 1), and the capacity [mAh of the carbon material in the all-solid-state battery ] A method for manufacturing an activated all-solid-state battery is provided, which includes the step of performing the above initial charging (hereinafter also referred to as step 2). Each step will be described below in order.

(工程1)
工程1では、上述した本発明の一形態に係る全固体電池を製造する。本発明の一形態に係る全固体電池は、正極活物質層、固体電解質層、炭素含有層および負極活物質層が順次積層されてなるものであるが、各層は当業者が公知の知見を適宜参照することにより容易に製造することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。また、リチウム含有正極活物質の容量[mAh]を炭素材料の容量[mAh]以上とする手法や、負極活物質の容量[mAh]をリチウム非含有正極活物質の容量[mAh]以上とする手法については、各材料の単位質量あたりの容量を上述の方法で求めた後、全固体電池に含まれるこれらの材料の容量が所定の関係となるように、配合量を適宜調節すればよい。
(Step 1)
In step 1, the all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention described above is manufactured. An all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention is formed by sequentially stacking a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a carbon-containing layer, and a negative electrode active material layer. A detailed description is omitted here because it can be easily manufactured by referring to it. In addition, a method of making the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material equal to or higher than the capacity [mAh] of the carbon material, or a method of making the capacity [mAh] of the negative electrode active material equal to or higher than the capacity [mAh] of the lithium-free positive electrode active material. For, after obtaining the capacity per unit mass of each material by the above-described method, the blending amount may be appropriately adjusted so that the capacities of these materials contained in the all-solid-state battery have a predetermined relationship.

(工程2)
工程2では、工程1で製造した全固体電池(充放電を行う前の全固体電池)に炭素材料の容量[mAh]以上の初回充電を行う。ここでいう、「炭素材料の容量」は上述の定義と同様である。工程1で製造した全固体電池は、正極活物質層に炭素材料の容量以上の容量を有するリチウム含有正極活物質を含有するものであるため、初回充電においてSOC(State of Charge)が100%となるように充電操作を行うことにより、全固体電池に対して炭素材料の容量[mAh]以上の充電を行ったこととなる。初回充電の具体的な手法は、特に制限されないが、セルに加圧部材を用いて積層方向に好ましくは5~100MPaの範囲内、より好ましくは5~50MPaの範囲内の拘束圧力を付与した状態で、好ましくは10~60℃の範囲内、より好ましくは20~40℃の範囲内の温度で一定電流にて充電を行う。この際の充電レート(C)は小さい方が好ましく、具体的には、1/20[C]以下であることが好ましく、1/100[C]以下であることがより好ましい。充電レート(C)の下限値は特に制限されないが、1/1000[C]以上であることが好ましく、1/500[C]以上であることがより好ましい。なお、1Cとは、その電流値で1時間充電すると、ちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値である。
(Step 2)
In step 2, the all-solid-state battery (all-solid-state battery before charging and discharging) manufactured in step 1 is initially charged to a capacity [mAh] or more of the carbon material. The "capacity of the carbon material" here is the same as defined above. Since the all-solid-state battery manufactured in step 1 contains a lithium-containing positive electrode active material having a capacity equal to or greater than the capacity of the carbon material in the positive electrode active material layer, the SOC (State of Charge) is 100% in the initial charge. By performing the charging operation in such a manner that the all-solid-state battery is charged to the capacity [mAh] or more of the carbon material. The specific method of the initial charge is not particularly limited, but a pressure member is used in the cell to apply a confining pressure preferably in the range of 5 to 100 MPa, more preferably in the range of 5 to 50 MPa in the stacking direction. The charging is performed at a constant current at a temperature preferably within the range of 10 to 60°C, more preferably within the range of 20 to 40°C. The charging rate (C) at this time is preferably as low as possible, specifically, preferably 1/20 [C] or less, more preferably 1/100 [C] or less. Although the lower limit of the charging rate (C) is not particularly limited, it is preferably 1/1000 [C] or more, more preferably 1/500 [C] or more. Note that 1C is a current value at which the battery is fully charged (100% charged) when charged for one hour at that current value.

10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
14 炭素含有層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム。
10a laminated battery,
11' negative electrode current collector,
11″ cathode current collector,
13 negative electrode active material layer,
14 carbon-containing layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation elements,
25 negative electrode current collector,
27 positive current collector,
29 Laminate film.

Claims (3)

金属リチウムおよびリチウム含有合金からなる群から選択される少なくとも1種の負極活物質を含む負極活物質層、
リチウム非含有正極活物質を含む正極活物質層、
前記負極活物質層と前記正極活物質層との間に介在する固体電解質層、および
前記負極活物質層と前記固体電解質層との間に介在する、リチウムを吸蔵可能な炭素材料を含む炭素含有層を有する全固体電池において、
前記正極活物質層がリチウム含有正極活物質をさらに含み、
前記リチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素材料の容量[mAh]以上である、全固体電池。
a negative electrode active material layer containing at least one negative electrode active material selected from the group consisting of metallic lithium and lithium-containing alloys;
a positive electrode active material layer comprising a lithium-free positive electrode active material;
a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer; In an all-solid-state battery having a layer,
the positive electrode active material layer further comprises a lithium-containing positive electrode active material;
An all-solid battery, wherein the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material is equal to or greater than the capacity [mAh] of the carbon material.
前記負極活物質の容量[mAh]が、前記リチウム非含有正極活物質の容量[mAh]以上である、請求項1に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the capacity [mAh] of the negative electrode active material is equal to or greater than the capacity [mAh] of the non-lithium-containing positive electrode active material. 請求項1または2に記載の全固体電池を製造する工程と、
前記全固体電池に前記炭素材料の容量[mAh]以上の初回充電を行う工程と、
を含む、アクティベーション済全固体電池の製造方法。
A step of manufacturing the all-solid-state battery according to claim 1 or 2;
A step of initially charging the all-solid-state battery to a capacity [mAh] or more of the carbon material;
A method for manufacturing an activated all-solid-state battery, comprising:
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