JP2023119151A - All-solid battery - Google Patents

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杏奈 広渡
Anna Hirowatari
敏和 小高
Toshikazu Kotaka
幸一郎 青谷
Koichiro Aotani
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Abstract

To provide an all-solid battery in which short-circuiting at an outer peripheral end portion is suppressed.SOLUTION: An all-solid battery is provided, comprising: a positive electrode active material layer 15; a negative electrode active material layer 13; a solid electrolyte layer 17 interposed between the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13, and including a solid electrolyte; a carbon-containing layer 12 arranged between the negative electrode active material layer 13 and the solid electrolyte layer 17, and including carbon material; and a metal portion 14 which is provided at an outer peripheral edge portion of the negative electrode active material layer and can be alloyed with lithium.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、全固体電池に関する。 The present invention relates to all-solid-state batteries.

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

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、及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 as compared with consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, laptop 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及びエネルギー密度の大幅な向上が図れる。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes have been actively conducted. A solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid. Therefore, in the all-solid secondary battery, in principle, various problems due to the combustible organic electrolyte, unlike the conventional liquid-type lithium secondary battery, do not occur. In general, the use of high-potential, large-capacity positive electrode materials and large-capacity negative electrode materials can significantly improve the output density and energy density of the battery.

しかしながら、全固体二次電池では、充放電を繰り返す中で、電池中に析出したデンドライトが成長し、これにより正極と負極とが連通することにより短絡が生じうるという問題があった。この問題に対して、全固体二次電池の固体電解質層と負極活物質層との間に、炭素を含有する層を設けることにより、デンドライトの析出や成長を抑制し、それにより短絡を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献1)。 However, the all-solid secondary battery has a problem that dendrites deposited in the battery grow during repeated charging and discharging, and this causes a short circuit due to communication between the positive electrode and the negative electrode. To address this problem, a layer containing carbon is provided between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer of the all-solid secondary battery to suppress the deposition and growth of dendrites, thereby suppressing the short circuit. A technique is known (for example, Patent Document 1).

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

しかしながら、本発明者らが検討したところ、前述のような固体電解質層と負極活物質層の間に炭素を含有する層を設けた全固体電池は、全固体電池の外周端部における端部短絡を十分に抑制できないことが判明した。 However, as a result of investigation by the present inventors, the all-solid-state battery provided with a layer containing carbon between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer as described above has an edge short circuit at the outer peripheral edge of the all-solid-state battery. was found not to be adequately suppressed.

そこで本発明は、外周端部における端部短絡を抑制した全固体電池を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an all-solid-state battery in which edge short-circuiting at the outer peripheral edge is suppressed.

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、全固体電池において、負極活物質層の外周縁部にリチウムと合金化可能である金属部を設けることにより、上記課題が解決されることを見出し、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, the present inventors have found that the above problems can be solved by providing a metal portion that can be alloyed with lithium in the outer peripheral portion of the negative electrode active material layer in an all-solid-state battery, and have completed the present invention.

本発明の一形態に係る全固体電池は、正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、前記負極活物質層及び前記固体電解質層の間に配置され、炭素材料を含む炭素含有層と、前記負極活物質層の外周縁部に設けられ、リチウムと合金化可能である金属部と、を備える。 An all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention includes a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a solid electrolyte, A carbon-containing layer containing a carbon material, which is arranged between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and a metal portion which is provided at the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer and which can be alloyed with lithium. Prepare.

本発明によれば、外周端部における端部短絡を抑制した全固体電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the all-solid-state battery which suppressed the edge short circuit in the outer peripheral edge part can be provided.

図1は、本発明の一実施形態に係る積層型電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a stacked battery according to one 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A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 the test cell A. FIG. 図4は、試験用セルBの断面図である。4 is a cross-sectional view of the test cell B. FIG. 図5は、試験用セルBの充放電曲線を表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing charge/discharge curves of the test cell B. FIG. 図6は、負極活物質層及び金属部からなる層の平面図である。FIG. 6 is a plan view of a layer composed of a negative electrode active material layer and a metal portion. 図7は、図1及び図2に示す積層型電池の発電要素を構成する単電池層の断面を拡大して表示した概略図である。FIG. 7 is a schematic view showing an enlarged cross-section of a single cell layer that constitutes a power generating element of the stacked battery shown in FIGS. 1 and 2. FIG.

本発明の一形態は、正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、負極活物質層及び固体電解質層の間に配置され、炭素材料を含む炭素含有層と、負極活物質層の外周縁部に設けられ、リチウムと合金化可能である金属部と、を備えた全固体電池である。 One embodiment of the present invention includes a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a solid electrolyte, a negative electrode active material layer and The all-solid-state battery includes a carbon-containing layer containing a carbon material disposed between solid electrolyte layers, and a metal portion provided on the outer peripheral edge portion of the negative electrode active material layer and capable of being alloyed with lithium.

以下、図面を参照しながら、上述した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。以下では、全固体電池の一形態である、非双極型(内部並列接続型)で扁平積層型の全固体二次電池(以下、単に「積層型電池」や「全固体電池」とも称する)を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体二次電池を構成する固体電解質は、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という利点がある。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及びエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 Hereinafter, the above-described 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. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios. In the following, a non-bipolar (internal parallel connection type) flat laminated all-solid secondary battery (hereinafter also simply referred to as “laminated battery” or “all-solid battery”), which is one form of all-solid-state battery, will be described. The present invention will be explained by way of example. As described above, the solid electrolyte that constitutes the all-solid secondary battery is a material that is mainly composed of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid state. Therefore, in the all-solid secondary battery, there is an advantage that, in principle, various problems due to the combustible organic electrolyte, unlike conventional liquid-type lithium secondary batteries, do not occur. In general, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials also has the advantage that the power density and energy density of the battery can be greatly improved.

図1は、本発明の一実施形態に係る積層型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。 FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a stacked battery according to one 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.

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正極集電板27、負極集電板25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、正極集電板27及び負極集電板25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 positive collector plate 27 and a negative collector plate 25 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.

また、図1に示す集電板(27、25)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板27と負極集電板25とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板27と負極集電板25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。 In addition, there are no particular restrictions on how the collector plates (27, 25) shown in FIG. 1 can be taken out. The positive current collecting plate 27 and the negative current collecting plate 25 may be pulled out from the same side, or the positive current collecting plate 27 and the negative current collecting plate 25 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、炭素含有層12と、負極とが積層され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を含有する正極活物質層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。ここで、負極活物質層13の外周縁部には、負極活物質層13の全周を囲むように金属部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 configuration in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, a carbon-containing layer 12, and a negative electrode are laminated. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 containing a positive electrode active material are arranged on both sides of a positive electrode current collector 11″. The negative electrode contains a negative electrode active material on both sides of a negative electrode current collector 11′. It has a structure in which an active material layer 13 is arranged, and a metal portion 14 is provided at the outer peripheral portion of the negative electrode active material layer 13 so as to surround the entire circumference of the negative electrode active material layer 13 .

より具体的には、図2に示す積層型電池10aを構成する単電池層19は、1つの正極活物質層15と、負極活物質層13及び金属部14からなる層とが、固体電解質層17及び炭素含有層12を介して対向するようにして積層された構成を有する。すなわち、単電池層19は、正極集電体11”、正極活物質層15、固体電解質層17、炭素含有層12、負極活物質層13及び金属部14からなる層、並びに負極集電体11’がこの順に積層された構成を有する。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言える。 More specifically, the single cell layer 19 that constitutes the stacked battery 10a shown in FIG. 17 and the carbon-containing layer 12 are laminated so as to face each other. That is, the single cell layer 19 includes the positive electrode current collector 11″, the positive electrode active material layer 15, the solid electrolyte layer 17, the carbon-containing layer 12, the negative electrode active material layer 13, and the metal part 14, and the negative electrode current collector 11. ' are laminated in this order.Therefore, it can be said that the laminated battery 10a shown in FIG.

正極集電体11”及び負極集電体11’には、各電極(正極及び負極)と導通される正極集電板(タブ)27及び負極集電板(タブ)25がそれぞれ取り付けられる。そして、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及び負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リード及び負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”及び負極集電体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。 A positive electrode current collector (tab) 27 and a negative electrode current collector (tab) 25 are attached to the positive electrode current collector 11″ and the negative electrode current collector 11′, respectively. , and is led out of the laminate film 29 so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29, which is a battery exterior material. Accordingly, they may be attached to the positive current collector 11″ and the negative current collector 11′ of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown).

以下、本形態に係る全固体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 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は、充電過程において負極集電体上にリチウム金属を析出させる、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リチウム金属からなる層が、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リチウム金属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。
[Negative electrode active material layer]
The all-solid-state battery according to this embodiment is a so-called lithium deposition type battery in which lithium metal is deposited on the negative electrode current collector during the charging process. In this case, the layer composed of lithium metal 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 situation, a certain amount of the negative electrode active material layer made of lithium metal may be arranged at the time of complete discharge.

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.

[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-LiPS4、LiPS、LiS-P-LiI、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、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 - Li2O , Li2SP 2S5 - Li2O -LiI, Li2SP2S5-LiCl , Li2SP2S5 - LiBr , 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。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 solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. 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.

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、正極活物質を含む。正極活物質の種類としては、特に制限されないが、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。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及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(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、Ni及び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。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The type of positive electrode active material is not particularly limited, but layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li(Ni--Mn--Co)O 2 , LiMn 2 O 4 and LiNi 0 Spinel -type active materials such as .5Mn1.5O4 , olivine - type active materials such as LiFePO4 and LiMnPO4 , and Si - containing active materials such as Li2FeSiO4 and Li2MnSiO4 . As an oxide active material other than the above, for example, Li 4 Ti 5 O 12 can be mentioned. Among them, composite oxides containing lithium and nickel are preferably used, and more preferably Li(Ni--Mn--Co) O 2 and those in which a part of these transition metals are replaced with other elements (hereinafter , also simply referred to as “NMC composite oxide”) is used. The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni and Co are arranged in an orderly manner) atomic layer are alternately stacked via an oxygen atomic layer. It contains one Li atom, and the amount of Li that can be extracted is twice that of the spinel-based lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, and a high capacity can be obtained.

NMC複合酸化物は、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。 NMC 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.

さらに、硫黄系正極活物質が用いられるのも好ましい実施形態の1つである。硫黄系正極活物質としては、有機硫黄化合物又は無機硫黄化合物の粒子又は薄膜が挙げられ、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及び硫黄変性ポリアクリロニトリル、及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、又はチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄(S)、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、NiS、NiS、CuS、FeS、LiS、MoS、MoS等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、FeS及びMoSが好ましく、S-カーボンコンポジット、TiS及び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、これらを加熱処理又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、又は、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 Furthermore, it is also one of preferred embodiments that a sulfur-based positive electrode active material is used. Examples of the sulfur-based positive electrode active material 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 them, 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 preferred. Here, sulfur-modified polyacrylonitrile is sulfur-atom-containing modified polyacrylonitrile obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating the mixture under an inert gas or under reduced pressure. Its putative structure is described, for example, in Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028, polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic structure, and at least part of S is bonded to C. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and further peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 and 929 cm -1 . do. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferable because of their excellent stability. Specifically, sulfur (S), S-carbon composites, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, 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-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 the powder, or a state in which a plurality of these states are combined.

場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。ただし、正極活物質の全量100質量%に占める硫黄を含む正極活物質の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In some cases, two or more positive electrode active materials may be used together. It goes without saying that positive electrode active materials other than those described above may be used. However, the ratio of the content of the sulfur-containing positive electrode active material to 100% by mass of the total amount of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and still more preferably 80% by mass. more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、35~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90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 in the positive electrode active material layer is not particularly limited. more preferred.

また、正極活物質層もまた、固体電解質を含むことが好ましく、当該固体電解質は硫化物固体電解質を含むことがより好ましい。硫化物固体電解質などの固体電解質の具体的な形態及び好ましい形態については、上述した固体電解質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。 The positive electrode active material layer also preferably contains a solid electrolyte, and more preferably the solid electrolyte contains a sulfide solid electrolyte. As for the specific form and preferred form of the solid electrolyte such as the sulfide solid electrolyte, those described in the above section of the solid electrolyte layer can be similarly employed.

正極活物質層は、正極活物質及び固体電解質に加えて、導電助剤及び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。バインダは、上述した固体電解質層の欄において説明したものを適宜用いることができる。 The positive electrode active material layer may further contain at least one of a conductive aid and a binder in addition to the positive electrode active material and the solid electrolyte. As the binder, those described in the section of the solid electrolyte layer can be appropriately used.

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.

正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く、より好ましくは40~100μmである。 The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but for example, it is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, more preferably 40 to 100 μm.

[炭素含有層]
本形態に係る全固体電池は、負極活物質層と固体電解質層との間に配置され、炭素材料を含有する炭素含有層を有する。全固体電池が当該炭素含有層を有することにより、デンドライトの析出、成長が抑制され得る。
[Carbon-containing layer]
The all-solid-state battery according to this embodiment has a carbon-containing layer that is arranged between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer and contains a carbon material. Precipitation and growth of dendrites can be suppressed by having the carbon-containing layer in the all-solid-state battery.

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。なかでも、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及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. Of these, 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。炭素含有層に含有され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 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. Since the specific form of the binder contained in the carbon-containing layer is the same as described above, detailed description is omitted here.

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、炭素材料及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、又は、炭素材料及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 a 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、デンドライトの析出及び成長をよりいっそう抑制できる。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 precipitation and growth of dendrites can be further suppressed. When the thickness of the carbon-containing layer is 50 μm or less, it is possible to suppress a decrease in energy density.

炭素含有層の外周端部は、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際に、固体電解質層の外周端部と重なるように位置するか、又は固体電解質層の外周端部よりも内側に位置することが好ましい。加えて、炭素含有層の外周端部は、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際に、金属部の外周端部と重なるように位置するか、又は金属部の外周端部よりも外側に位置することが好ましい。これらの位置に炭素含有層の外周端部があることにより、全固体電池のエネルギー密度が高まり得る。 The outer peripheral edge of the carbon-containing layer is positioned so as to overlap with the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer, or is positioned inside the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed in plan. is preferably located in In addition, when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed from above, the outer peripheral edge of the carbon-containing layer is positioned so as to overlap with the outer peripheral edge of the metal part, or is positioned closer to the outer peripheral edge of the metal part than the outer peripheral edge of the metal part. It is preferably located on the outside. Having the outer edges of the carbon-containing layer at these locations can increase the energy density of the all-solid-state battery.

[金属部]
本形態に係る全固体電池は、負極活物質層の外周縁部に設けられ、リチウムと合金化可能である金属部を有する。このように金属部を配置することにより、全固体電池における端部短絡を防ぐことができる。また、本実施形態のように、金属部は、負極活物質層の外周縁部の全周にわたって設けられていることが好ましい。これにより、負極活物質層の外周端部の全周にわたってデンドライトの発生が防止されうる。
[Metal part]
The all-solid-state battery according to this embodiment has a metal part that is provided on the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer and that can be alloyed with lithium. By arranging the metal parts in this way, it is possible to prevent end short circuits in the all-solid-state battery. Moreover, it is preferable that the metal portion is provided over the entire circumference of the outer peripheral portion of the negative electrode active material layer as in the present embodiment. As a result, dendrites can be prevented from being generated over the entire periphery of the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer.

本発明者らは、下記の実験1及び実験2の結果から、金属部を負極活物質層の外周縁部に配置するで、全固体電池における端部短絡を抑制できることを見出した。 From the results of Experiments 1 and 2 below, the present inventors have found that arranging the metal part on the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer can suppress end short circuits in an all-solid-state battery.

〈実験1〉
《試験用セルAの作製》
まず、試験用セルAとして、リチウム対称セルを作製した。より詳細には、不活性雰囲気下において正極集電体(SUS箔)、金属リチウム、固体電解質層(LiPSCl)、炭素含有層(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Aを作製した。
<Experiment 1>
<<Preparation of test cell A>>
First, as the test cell A, a lithium symmetrical cell was produced. More specifically, under an inert atmosphere, a positive electrode current collector (SUS foil), metallic lithium, a solid electrolyte layer (Li 6 PS 5 Cl), a carbon-containing layer (prepared using furnace black), metallic lithium, Negative electrode current collectors (SUS foil) were laminated in this order. Then, it was sandwiched between the positive electrode current collector (made of SUS) and the negative electrode current collector (made of SUS), and sealed in a pressurized container capable of blocking the outside air while applying a restraining pressure of 20 MPa. was made.

《充放電試験》
次に、試験用セルA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。
[電圧範囲]-2.0~2.0V
[充電過程]0.2mA/cm
[放電過程]0.2mA/cm
[終始条件]電流容量 6.0mAh/cm
《Charging and discharging test》
Next, the test cell A 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.
[Voltage range] -2.0 to 2.0V
[Charging process] 0.2 mA/cm 2
[Discharge process] 0.2 mA/cm 2
[Terminal conditions] Current capacity 6.0 mAh/cm 2 .

図3は、試験用セルA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 the test cell A. FIG. 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.

実験1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わかる。 From the results of Experiment 1, in an all-solid-state battery having a carbon-containing layer on the negative electrode side, lithium released from the positive electrode active material during the initial charge is occluded by the carbon material in the carbon-containing layer. It turns out that a function expresses.

〈実験2〉
《試験用セルBの作製》
次に、試験用セルBとしてリチウム/インジウム非対称セル(図4中の22)を作製した。より詳細には、図4に示すように、正極集電体11”(SUS箔)、リチウム金属箔層15’、固体電解質層17、炭素含有層12(ファーネスブラックを用いて作製したもの)、インジウム(In)箔14’、負極集電体11’(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Bを作製した。
<Experiment 2>
<<Preparation of test cell B>>
Next, a lithium/indium asymmetric cell (22 in FIG. 4) was produced as a test cell B. More specifically, as shown in FIG. 4, a positive electrode current collector 11″ (SUS foil), a lithium metal foil layer 15′, a solid electrolyte layer 17, a carbon-containing layer 12 (made using furnace black), An indium (In) foil 14' and a negative electrode current collector 11' (SUS foil) were laminated in this order, and sandwiched between the positive electrode current collector (made of SUS) and the negative electrode current collector (made of SUS). A test cell B was prepared by encapsulating in a pressurized container that can be shut off under a confining pressure of 20 MPa.

《充放電試験》
次に、試験用セルB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。
本試験では、初回の操作として充電を行った後、放電を行った。
[電圧範囲]-2.0~2.0V
[充電過程]0.2mA/cm
[放電過程]0.2mA/cm
[終始条件]電流容量 8.0mAh/cm
《Charging and discharging test》
Next, the test cell B 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.
In this test, charging was performed as the first operation, and then discharging was performed.
[Voltage range] -2.0 to 2.0V
[Charging process] 0.2 mA/cm 2
[Discharge process] 0.2 mA/cm 2
[Terminal conditions] Current capacity 8.0 mAh/cm 2

《試験用セルBの評価結果》
図5は、試験用セルBの充放電曲線を表すグラフである。図5に示すように、初回の操作としての充電は問題なく進行したが、30分の休止の後に放電操作を行ったところ放電を行うことができなった。これは、前述の実験1の結果を考慮すると、充電時に炭素含有層に含まれる炭素材料にリチウムが吸蔵されるものの、放電時に何らかの原因で負極側からのリチウムの移動が妨げられたことを意味する。前述の実験1と実験2との負極側の構成を比較すると、実験1では炭素含有層と金属リチウムとが隣接しているのに対し、実験2では炭素含有層とインジウムとが隣接している点で相違する。
<<Evaluation result of test cell B>>
FIG. 5 is a graph showing charge/discharge curves of the test cell B. FIG. As shown in FIG. 5, the charging as the first operation proceeded without any problem, but when the discharging operation was performed after the rest of 30 minutes, the discharging could not be performed. Considering the results of Experiment 1 described above, this means that although lithium is occluded by the carbon material contained in the carbon-containing layer during charging, the movement of lithium from the negative electrode side is hindered for some reason during discharging. do. Comparing the configurations on the negative electrode side of Experiments 1 and 2 described above, in Experiment 1, the carbon-containing layer and metallic lithium are adjacent to each other, while in Experiment 2, the carbon-containing layer and indium are adjacent to each other. They are different in that respect.

本発明者らは、実験2において、充電時に炭素材料に吸蔵されたリチウムが、炭素含有層に隣接するインジウムに移動し、合金化されたことにより、炭素含有層のリチウム伝導性が失われ(炭素含有層がディアクティベーションされ)、試験用セルBが放電することができない状態となったと推察している。炭素含有層からリチウム伝導性が失われる理由は、リチウムが金属部と合金化された状態のほうが、炭素含有層中に吸蔵された状態よりも電位が高く、エネルギー的に安定なためである。これにより、一度炭素含有層に吸蔵されたリチウムイオンが炭素含有層からよりエネルギー的に安定な金属部へ移動するため、炭素含有層からリチウム伝導性が失われる(炭素含有層がディアクティベーションされる)と考えられる。 In Experiment 2, the present inventors found that the lithium absorbed by the carbon material during charging moved to indium adjacent to the carbon-containing layer and was alloyed, so that the carbon-containing layer lost its lithium conductivity ( It is speculated that the carbon-containing layer was deactivated) and the test cell B became incapable of discharging. The reason why the carbon-containing layer loses lithium conductivity is that the state in which lithium is alloyed with the metal portion has a higher potential than the state in which lithium is occluded in the carbon-containing layer, and is energetically stable. As a result, the lithium ions once occluded in the carbon-containing layer move from the carbon-containing layer to the more energetically stable metal portion, so that the carbon-containing layer loses lithium conductivity (the carbon-containing layer is deactivated). ).

これらの結果から、負極活物質層としてリチウム金属を配置し、インジウムのようなリチウムと合金化可能である金属部を、全固体電池の負極活物質層の外周縁部に設けることで、リチウム金属と隣接する部分の炭素含有層については充放電が可能なリチウム伝導性が付与された状態を維持しつつ、金属部に隣接する部分の炭素含有層はリチウム伝導性が失われる(ディアクティベーションされる)。これにより、全固体電池の外周端部の充放電が行われなくなるため、短絡の要因となるデンドライトの発生が防止され、全固体電池における端部短絡を抑制できる。 From these results, by disposing lithium metal as the negative electrode active material layer and providing a metal portion such as indium that can be alloyed with lithium in the outer peripheral portion of the negative electrode active material layer of the all-solid-state battery, lithium metal The carbon-containing layer in the portion adjacent to the metal portion loses the lithium conductivity (deactivated) while maintaining the lithium conductivity that allows charging and discharging. ). As a result, charging and discharging of the outer peripheral end portion of the all-solid-state battery are not performed, thereby preventing the generation of dendrites that cause a short circuit and suppressing the end-short circuit in the all-solid-state battery.

金属部に用いることができる物質は、リチウムと合金化可能であれば、特に制限されない。しかしながら、リチウム単体で存在する場合よりも合金化された状態の電位が高く安定であり、合金化しやすいという観点から、金属部に用いることができる物質は、インジウム(In)、すず(Sn)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、銀(Ag)、金(Au)、及び白金(Pt)からなる群から選択されることが好ましい。また、リチウムが炭素含有層中に吸蔵された状態よりも合金化された状態のほうの電位が高く、炭素含有層から効率よくリチウムを引き抜くことができるという観点から、金属部に用いることができる物質は、インジウム(In)、すず(Sn)、アルミニウム(Al)、及びシリコン(Si)からなる群から選択されることがより好ましく、インジウムであることが特に好ましい。 A substance that can be used for the metal part is not particularly limited as long as it can be alloyed with lithium. However, from the viewpoint that the potential in the alloyed state is higher and more stable than in the case where lithium is present alone, and is easily alloyed, the substances that can be used for the metal portion include indium (In), tin (Sn), It is preferably selected from the group consisting of zinc (Zn), aluminum (Al), silicon (Si), silver (Ag), gold (Au) and platinum (Pt). In addition, it can be used for the metal portion from the viewpoint that lithium can be efficiently extracted from the carbon-containing layer because the potential in the alloyed state is higher than that in the state where lithium is occluded in the carbon-containing layer. More preferably, the material is selected from the group consisting of indium (In), tin (Sn), aluminum (Al), and silicon (Si), with indium being particularly preferred.

本明細書において、「負極活物質層の外周縁部」とは、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際の、負極活物質層の外周端部よりも外側に位置する、負極活物質層の周辺領域を意味する。好ましくは、「負極活物質層の外周縁部」は、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際、負極活物質層の外周端部よりも外側であって、炭素含有層の外周端部よりも内側の領域であってもよい。より具体的には、平面視した際の負極活物質層が四角形である場合において、図6に示すように、金属部14は、負極活物質層13の全周を囲むように配置される額縁状(フレーム状)の形状を有する。ここで、負極活物質層13の全周にわたって金属部14の内周端部は負極活物質層13の外周端部と接している。金属部14の幅Wは、0mmを越え50mm以下であることが好ましく、1mm以上25mm以下であることがより好ましく、2mm以上10mm以下であることがさらに好ましい。 In this specification, the term “peripheral edge of the negative electrode active material layer” refers to the negative electrode active material layer located outside the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed in plan. It means the peripheral area of the material layer. Preferably, the "peripheral edge of the negative electrode active material layer" is outside the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer and the outer peripheral edge of the carbon-containing layer when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed from above. It may be a region inside the portion. More specifically, when the negative electrode active material layer is rectangular in plan view, as shown in FIG. It has a shape (frame shape). Here, the inner peripheral end portion of the metal portion 14 is in contact with the outer peripheral end portion of the negative electrode active material layer 13 over the entire circumference of the negative electrode active material layer 13 . The width W of the metal portion 14 is preferably more than 0 mm and 50 mm or less, more preferably 1 mm or more and 25 mm or less, and even more preferably 2 mm or more and 10 mm or less.

金属部は、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際に、金属部の内周端部が、正極活物質層の外周端部よりも外側に位置し、金属部の外周端部が、固体電解質層の外周端部以内に位置することが好ましい。ここで、金属部の外周端部が固体電解質層の外周端部以内に位置するとは、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際に、金属部の外周端部が固体電解質層の外周端部と重なる位置に存在すること、又は金属部の外周端部が固体電解質層の外周端部よりも内側に位置することを意味する。なかでも、金属部は、本実施形態に係る全固体電池を平面視した際に、金属部の外周端部が固体電解質層の外周端部よりも内側に位置することがより好ましい。 When the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed in plan, the metal part has an inner peripheral edge located outside the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer, and an outer peripheral edge of the metal part is located outside the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer. , preferably located within the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer. Here, the expression that the outer peripheral end portion of the metal portion is positioned within the outer peripheral end portion of the solid electrolyte layer means that when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed from above, the outer peripheral end portion of the metal portion is positioned within the outer peripheral end portion of the solid electrolyte layer. It means that it exists at a position overlapping with the edge, or that the outer peripheral edge of the metal part is located inside the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer. In particular, when the all-solid-state battery according to the present embodiment is viewed from above, it is more preferable that the outer peripheral end portion of the metal portion be located inside the outer peripheral end portion of the solid electrolyte layer.

図7は、図1及び図2に示す積層型電池10aの発電要素21を構成する単電池層19の断面を拡大して表示した概略図である。図7では、金属部の内周端部(図7中、点線で示す;14a)が正極活物質層15の外周端部よりも外側に位置し、且つ金属部14の外周端部(図中に破線で示す14b)が固体電解質層17の外周端部よりも内側に位置する、単電池層19の一実施形態の概略図が示されている。また、図7に示すように、金属部14は、少なくとも一部が炭素含有層12と接するように配置されている。 FIG. 7 is a schematic view showing an enlarged cross section of the single cell layer 19 that constitutes the power generating element 21 of the stacked battery 10a shown in FIGS. In FIG. 7, the inner peripheral edge of the metal portion (indicated by a dotted line in FIG. 7; 14a) is located outside the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer 15, and the outer peripheral edge of the metal portion 14 ( 14b) shown in dashed lines is located inside the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer 17, a schematic view of an embodiment of the cell layer 19 is shown. Moreover, as shown in FIG. 7 , the metal portion 14 is arranged so that at least a portion of the metal portion 14 is in contact with the carbon-containing layer 12 .

金属部の内周端部が正極活物質層の外周端部よりも外側に位置することにより、炭素含有層のリチウム伝導性が失われた充放電に関わらない領域が正極活物質層と重なることがなくなる。これにより、正極活物質層中の正極活物質を充放電反応に効率よく使用することが可能となり、全固体電池のエネルギー密度が上がる。また、金属部の外周端部が、固体電解質層の外周端部以内に位置することで、余分な金属部を減らすことができるため、全固体電池のエネルギー密度をさらに上げることができる。 Since the inner peripheral edge of the metal part is located outside the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer, the region not related to charging and discharging where the carbon-containing layer loses lithium conductivity overlaps with the positive electrode active material layer. disappears. As a result, the positive electrode active material in the positive electrode active material layer can be efficiently used for charge-discharge reactions, and the energy density of the all-solid-state battery increases. In addition, since the outer peripheral edge of the metal part is positioned within the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer, the extra metal part can be reduced, so that the energy density of the all-solid-state battery can be further increased.

金属部の厚みは、AC比(CAn/Cca)に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚み以下であることが好ましい。ここで、「AC比に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚み」は以下の方法で算出することができる。 The thickness of the metal part is preferably equal to or less than the thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio (C An /C ca ). Here, the "thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio" can be calculated by the following method.

まず、AC比は、正極活物質層の電極容量目付(Cca:mAh/cm)に対する負極活物質層の電極容量目付(CAn:mAh/cm)の比から求められる比(CAn/Cca)である。当該AC比は一般的に1以上となるように設計される。AC比が1以下の場合、正極活物質層の容量の一部は余剰分として充放電に使用されない状態となる。一般的に正極活物質は高コストであるため、正極活物質を無駄なく使用するためにAC比は1以上となるように、すなわち負極活物質層の電極容量目付が正極活物質層の電極容量目付と同じ又はより多くなるように設計されるのが一般的である。ここでAC比に基づく「負極活物質層の負極余剰容量分」は、当該AC比と1との差分に、Ccaを乗じた値であり、下記式(1)より求められる値である。 First , the AC ratio is a ratio ( C An /C ca ). The AC ratio is generally designed to be 1 or more. When the AC ratio is 1 or less, part of the capacity of the positive electrode active material layer is left unused for charging and discharging. Since the positive electrode active material is generally expensive, in order to use the positive electrode active material without waste, the AC ratio should be 1 or more, that is, the electrode capacity basis weight of the negative electrode active material layer should be equal to the electrode capacity of the positive electrode active material layer. It is generally designed to be the same as or greater than the basis weight. Here, the "negative electrode surplus capacity of the negative electrode active material layer" based on the AC ratio is a value obtained by multiplying the difference between the AC ratio and 1 by Cca , which is obtained from the following formula (1).

次に、この負極余剰容量(mAh/cm)を、負極活物質に用いた物質の質量あたりの理論容量(mAh/g;例えば、リチウムの場合は3862mAh/g)と、密度(g/cm;例えば、リチウムの場合は0.534g/cm)との積(体積当たりの理論容量(mAh/cm))で除する。これにより負極活物質層の余剰容量分から、負極余剰容量の厚み(cm)が算出される。 Next, this negative electrode surplus capacity (mAh/cm 2 ) is calculated by dividing the theoretical capacity per mass of the material used for the negative electrode active material (mAh/g; for example, 3862 mAh/g in the case of lithium) and the density (g/cm 3 ; for example, 0.534 g/cm 3 for lithium) and divided by the product (theoretical capacity per volume (mAh/cm 3 )). Thus, the thickness (cm) of the negative electrode surplus capacity is calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer.

このAC比に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚みよりも金属部の厚みが薄いことが好ましい理由は、以下のメカニズムが考えられる。 The reason why the thickness of the metal portion is preferably thinner than the thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio is considered to be due to the following mechanism.

一般的に、負極活物質層(特に、負極活物質がリチウム金属やリチウム含有合金からなる場合)は充電により膨張し、放電により収縮する。このため、全固体電池では、積層方向に面圧をかけ、負極活物質層が、正極活物質層や固体電解質層を含む積層体から乖離することを防いでいる。ここで、金属部の厚みが、AC比に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚みよりも厚い場合、完全放電した際の負極活物質層の厚み(すなわち、負極活物質が最も薄くなった状態)よりも、金属部の厚みが厚くなり、負極活物質層に面圧をかける際の妨げになると考えられる。逆に言うと、金属部の厚みが、AC比に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚みよりも薄ければ、負極活物質層に面圧をかける際の妨げとならずに、負極活物質層に十分に圧力をかけることができ、負極活物質層を積層体に十分に密着させることができると考えられる。別の言い方をすると、金属部の厚みは、完全放電した際の最も薄くなった負極活物質層の厚みよりも薄いことが好ましいとも言える。 In general, the negative electrode active material layer (especially when the negative electrode active material is lithium metal or lithium-containing alloy) expands upon charging and contracts upon discharging. Therefore, in the all-solid-state battery, surface pressure is applied in the stacking direction to prevent the negative electrode active material layer from separating from the stack including the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer. Here, when the thickness of the metal part is greater than the thickness calculated from the excess capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio, the thickness of the negative electrode active material layer when completely discharged (that is, the thickness of the negative electrode active material is the thinnest) It is considered that the thickness of the metal part becomes thicker than in the state where it is flat), and it becomes an obstacle when the surface pressure is applied to the negative electrode active material layer. Conversely, if the thickness of the metal part is thinner than the thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio, it does not hinder the application of surface pressure to the negative electrode active material layer. It is considered that sufficient pressure can be applied to the negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer can be sufficiently adhered to the laminate. In other words, it can be said that the thickness of the metal part is preferably thinner than the thickness of the negative electrode active material layer, which is the thinnest when completely discharged.

金属部の厚みは、上述した通り、AC比に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚みよりも薄いことが好ましい。より具体的には、金属部の厚みの上限は、100μm以下であることが好ましく、80μm以下であることがより好ましく、50μm以下であることがさらに好ましい。一方で金属部の厚みの下限は、当該金属部と接する領域の炭素含有層に含まれるリチウムイオンを合金化できる容量があれば、特に制限されない。具体的には、金属部の厚みの下限は、1μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることがさらに好ましい。 As described above, the thickness of the metal portion is preferably thinner than the thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio. More specifically, the upper limit of the thickness of the metal portion is preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less, and even more preferably 50 μm or less. On the other hand, the lower limit of the thickness of the metal portion is not particularly limited as long as it has a capacity capable of alloying the lithium ions contained in the carbon-containing layer in the region in contact with the metal portion. Specifically, the lower limit of the thickness of the metal portion is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 10 μm or more.

上記のAC比は、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 above AC ratio is preferably 1 to 2, more preferably 1 to 1.5, still more preferably 1 to 1.2, from the viewpoint of improving energy density and reducing costs.

[正極集電板及び負極集電板]
集電板を構成する材料は、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、正極集電板と負極集電板とでは、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 collector 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 current collector plate and the negative electrode current collector plate.

[正極リード及び負極リード]
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。正極及び負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン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-ion 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及び図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を用いた袋状のケースが用いられうる。
[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 containing aluminum that can cover the power generation element is used. sell.

以上、全固体二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of the all-solid secondary battery has been described above, the present invention is not limited only to the configuration described in the embodiment described above, and can be appropriately modified based on the description of the claims. It is possible.

例えば、本形態に係る全固体二次電池において、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 For example, in the all-solid secondary battery according to the present embodiment, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). The amount of the liquid electrolyte (electrolyte solution) that can be contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but the amount is such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and the liquid electrolyte (electrolyte solution) does not leak. is preferably the amount of

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

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

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

10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
12 炭素含有層、
13 負極活物質層、
14 金属部、
14’ インジウム箔、
15 正極活物質層、
15’ リチウム金属箔層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
22 試験用セルB、
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,
12 carbon-containing layer,
13 negative electrode active material layer,
14 metal part,
14' indium foil,
15 positive electrode active material layer,
15' lithium metal foil layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation element,
22 test cell B,
25 negative electrode current collector,
27 positive current collector,
29 Laminate film.

Claims (5)

正極活物質層と、
負極活物質層と、
前記正極活物質層及び前記負極活物質層の間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、
前記負極活物質層及び前記固体電解質層の間に配置され、炭素材料を含む炭素含有層と、
前記負極活物質層の外周縁部に設けられ、リチウムと合金化可能である金属部と、を備えた、全固体電池。
a positive electrode active material layer;
a negative electrode active material layer;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a solid electrolyte;
a carbon-containing layer disposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer and containing a carbon material;
An all-solid-state battery, comprising: a metal part that is provided on the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer and that can be alloyed with lithium.
平面視した際に、前記金属部の内周端部が、前記正極活物質層の外周端部よりも外側に位置し、前記金属部の外周端部が、前記固体電解質層の外周端部以内に位置する、請求項1に記載の全固体電池。 When viewed from above, the inner peripheral end of the metal portion is located outside the outer peripheral end of the positive electrode active material layer, and the outer peripheral end of the metal portion is within the outer peripheral end of the solid electrolyte layer. The all-solid-state battery according to claim 1, located at . 前記金属部の厚みが、AC比(CAn/Cca)に基づく負極活物質層の余剰容量分から算出される厚み以下である、請求項1又は2に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the metal portion is equal to or less than the thickness calculated from the surplus capacity of the negative electrode active material layer based on the AC ratio (C An /C ca ). 前記負極活物質層に含まれる負極活物質がリチウム金属である、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is lithium metal. 前記金属部が、インジウム、すず、亜鉛、アルミニウム、シリコン、銀、金、及び白金からなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal part contains at least one selected from the group consisting of indium, tin, zinc, aluminum, silicon, silver, gold, and platinum. .
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