JP2023119152A - All-solid battery - Google Patents

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lithium
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杏奈 広渡
Anna Hirowatari
敏和 小高
Toshikazu Kotaka
幸一郎 青谷
Koichiro Aotani
湧紀 角田
Yuki Tsunoda
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Nissan Motor Co Ltd
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Renault SAS
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

To provide means enabling suppression of short-circuiting at an end portion of a power generation element of an all-solid battery.SOLUTION: An all-solid battery is provided, comprising a power generation element in which a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a carbon-containing layer, and a positive electrode active material layer are sequentially laminated. In the all-solid battery, when seeing the power generation element in a plan view, the positive electrode active material layer is comprised of: a center portion that includes both lithium-free positive electrode active material and lithium-containing positive electrode active material; and an outer peripheral edge portion that includes the lithium-free positive electrode active material and arbitrarily includes the lithium-containing positive electrode active material. A capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material included in the center portion of the positive electrode active material layer is equal to or more than that of carbon material included in a region overlapped with the center portion of the positive electrode active material layer, of the carbon-containing layer. A capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material included in the outer peripheral edge portion of the positive electrode active material layer is less than that of carbon material included in a region overlapped with the outer peripheral edge portion of the positive electrode active material layer, of the carbon-containing layer.SELECTED DRAWING: Figure 4

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。 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.

従来、全固体リチウム二次電池の1種として、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が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このようなリチウム析出型の全固体リチウム二次電池の充電過程においては、固体電解質層と負極集電体との間にリチウム金属が析出する。特許文献1には、リチウム二次電池の発電要素を構成する負極集電体と固体電解質層との間に無定形炭素(例えば、カーボンブラック)等の微粒子を含む微粒子層(炭素含有層)を配置する技術が開示されている。特許文献1によれば、このような構成とすることにより、充電時に上記微粒子層と負極集電体との間にリチウム金属が析出したときに当該微粒子層がリチウム金属層に対する保護層の役割を果たすとともに、リチウム金属層からのデンドライトの成長を抑制する結果、リチウム二次電池の短絡やそれに起因する容量の低下などが防止されるとされている。 Conventionally, as one type of all-solid-state lithium secondary battery, there is known a so-called lithium deposition type battery in which lithium metal is deposited on a negative electrode current collector in the charging process (see, for example, Patent Document 1). In the charging process of such a lithium deposition type all-solid lithium secondary battery, lithium metal is deposited between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector. In Patent Document 1, a fine particle layer (carbon-containing layer) containing fine particles such as amorphous carbon (for example, carbon black) is provided between a negative electrode current collector and a solid electrolyte layer, which constitute power generation elements of a lithium secondary battery. Techniques for placement are disclosed. According to Patent Document 1, with such a structure, when lithium metal is deposited between the fine particle layer and the negative electrode current collector during charging, the fine particle layer serves as a protective layer for the lithium metal layer. In addition, as a result of suppressing the growth of dendrites from the lithium metal layer, the short circuit of the lithium secondary battery and the resulting decrease in capacity can be prevented.

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、本発明者らの検討によると、特許文献1に記載された技術を用いたとしても、依然として発電要素の端部における短絡を防止することができない場合があることが判明した。 However, according to the studies of the present inventors, it has been found that even if the technique described in Patent Document 1 is used, there are still cases where it is not possible to prevent a short circuit at the end of the power generation element.

そこで、本発明は、全固体電池の発電要素の端部における短絡を抑制しう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 a means capable of suppressing a short circuit at the end of a power generation element of an all-solid-state battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その過程で、正極側から負極側へリチウムが移動する初回充電時に、負極集電体と固体電解質層との間に介在する炭素含有層中に含まれる炭素材料にリチウムが吸蔵されることで、当該炭素含有層にリチウム伝導性が付与されるという知見を得た。この知見に基づくと、炭素含有層にリチウム伝導性を付与するのに充分な量のリチウムを含むリチウム含有正極活物質を正極活物質層の中心部のみに配置することで、発電要素を平面視した際に、炭素含有層の正極活物質層の中心部と重複する領域(炭素含有層の中心部)のみに充分なリチウム伝導性が付与される。一方、これ以外の領域(炭素含有層の外周縁部)のリチウム伝導性は低いまま維持される。これにより、発電要素の端部における充放電反応が抑制される結果、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. In the process, during the initial charge in which lithium moves from the positive electrode side to the negative electrode side, lithium is occluded by the carbon material contained in the carbon-containing layer interposed between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. The inventors have found that the carbon-containing layer is imparted with lithium conductivity. Based on this knowledge, by arranging a lithium-containing positive electrode active material containing lithium in an amount sufficient to impart lithium conductivity to the carbon-containing layer only in the central portion of the positive electrode active material layer, the power generation element can be obtained in a plan view. At this time, sufficient lithium conductivity is imparted only to the region of the carbon-containing layer that overlaps the center portion of the positive electrode active material layer (the center portion of the carbon-containing layer). On the other hand, the lithium conductivity of the other region (peripheral edge of the carbon-containing layer) remains low. As a result of suppressing the charge/discharge reaction at the ends of the power generation element, the present inventors have found that the above problems can be solved, and have 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およびリチウム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発電要素を備える。そして、前記発電要素を平面視した際に、前記正極活物質層は、前記リチウム非含有正極活物質および前記リチウム含有正極活物質を共に含む中心部と、前記リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、前記リチウム含有正極活物質を任意に含む外周縁部と、から構成される点;および、前記正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]以上であり、前記正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]未満である点を特徴とする。 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, a lithium-free positive electrode active material, and a lithium-containing positive electrode active material. A positive electrode active material layer containing a substance, a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, and a lithium-absorbing material interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer A power generating element having a carbon-containing layer comprising a carbon material is provided. When the power generation element is viewed from above, the positive electrode active material layer includes a central portion containing both the lithium-free positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material, and the lithium-free positive electrode active material, and an outer peripheral portion that optionally contains the lithium-containing positive electrode active material; and the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the central portion of the positive electrode active material layer The capacity [mAh] of the carbon material contained in the containing layer overlapping with the central portion of the positive electrode active material layer is equal to or greater than the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer [ mAh] is less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region of the carbon-containing layer overlapping the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer.

本発明によれば、全固体電池の発電要素の端部における短絡を抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the short circuit in the edge part of the electric power generation element of an all-solid-state battery can be suppressed.

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、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a positive electrode active material layer included in a stacked battery according to one embodiment of the present invention. 図4は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to an embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電後の状態を表す拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a state after initial charge of a single cell layer included in a stacked battery according to an embodiment of the present invention. 図6は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層を表す拡大断面図である。FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a positive electrode active material layer included in a layered battery according to one embodiment of the present invention. 図7は、本発明の他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層を表す拡大断面図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view showing a positive electrode active material layer included in a layered battery according to another embodiment of the present invention. 図8は、本発明のさらに他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層を表す拡大断面図である。FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing a positive electrode active material layer included in a layered battery according to still another embodiment of the present invention. 図9は、本発明のさらに他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層を表す拡大断面図である。FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing a positive electrode active material layer included in a layered battery according to still another embodiment of the present invention. 図10は、試験用セルの充放電曲線を表すグラフである。FIG. 10 is a graph showing charge/discharge curves of test cells. 図11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. 11 is a graph showing a charge curve in measuring the capacity of carbon materials. 図12は、本発明の他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to another embodiment of the present invention. 図13は、本発明のさらに他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to still another embodiment of the present invention. 図14は、本発明のさらに他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to still another embodiment of the present invention. 図15は、本発明のさらに他の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to still another embodiment of 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およびリチウム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発電要素を備える。そして、前記発電要素を平面視した際に、前記正極活物質層は、前記リチウム非含有正極活物質および前記リチウム含有正極活物質を共に含む中心部と、前記リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、前記リチウム含有正極活物質を任意に含む外周縁部と、から構成される点;および、前記正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]以上であり、前記正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]未満である点を特徴とする。 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, a lithium-free positive electrode active material, and a lithium-containing positive electrode active material. A positive electrode active material layer containing a substance, a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, and a lithium-absorbing material interposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer A power generating element having a carbon-containing layer comprising a carbon material is provided. When the power generation element is viewed from above, the positive electrode active material layer includes a central portion containing both the lithium-free positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material, and the lithium-free positive electrode active material, and an outer peripheral portion that optionally contains the lithium-containing positive electrode active material; and the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the central portion of the positive electrode active material layer The capacity [mAh] of the carbon material contained in the containing layer overlapping with the central portion of the positive electrode active material layer is equal to or greater than the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer [ mAh] is less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region of the carbon-containing layer overlapping the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer.

以下、図面を参照しながら、本形態を説明するが、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。 Hereinafter, the present embodiment 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 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.

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14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とこれに隣接する炭素含有層14および負極活物質層13の積層体とが、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17、炭素含有層14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17、炭素含有層14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。なお、積層型電池10aには、加圧部材によって発電要素21の積層方向に拘束圧力が付与されている(図示せず)。そのため、発電要素21の体積は、一定に保たれている。 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 14, 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 laminate of the carbon-containing layer 14 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the solid electrolyte layer 17 interposed therebetween. , the solid electrolyte layer 17, the carbon-containing layer 14 and the negative electrode are laminated in this order, whereby the adjacent positive electrode, the solid electrolyte layer 17, the carbon-containing layer 14 and the negative electrode constitute one cell layer 19. 2 can be said to have a configuration in which a plurality of unit cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Constraining pressure (not shown) is applied by a member in the stacking direction of the power generating element 21. Therefore, the volume of the power generating element 21 is kept constant.

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).

図3は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層の平面図である。図3に示すように、本実施形態において、正極活物質層15は、発電要素21を平面視した際に、中心部15aと、外周縁部15b(正極活物質層15から中心部15aを除くロの字型の領域)との2つの領域から構成される。 FIG. 3 is a plan view of a positive electrode active material layer included in a stacked battery according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the positive electrode active material layer 15 includes a central portion 15a and an outer peripheral edge portion 15b (excluding the central portion 15a from the positive electrode active material layer 15) when the power generation element 21 is viewed from above. square-shaped area).

図4は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電前の状態を表した拡大断面図である。図5は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる単電池層の初回充電後の状態を表した拡大断面図である。図4および図5において、正極活物質層および炭素含有層における灰色部分はリチウムが存在することを示す。図4に示す初回充電前の状態において、正極活物質層15の中心部15aは、リチウム非含有正極活物質(「□」で示される)およびリチウム含有正極活物質(灰色の「○」で示される)を含み、正極活物質層15の外周縁部15bは、リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、リチウム含有正極活物質を含まない。そして、リチウム含有正極活物質の容量[mAh]は、炭素含有層14の正極活物質層の中心部15aと重複する領域14a(炭素含有層の中心部)に含まれる炭素材料(「△」で示される)の容量[mAh]以上となっている。図4の構成を有する電池を充電すると、図5に示すように、発電要素を平面視した際に、炭素含有層14における領域14aに含まれる炭素材料にリチウムが吸蔵される(リチウムを放出したリチウム含有正極活物質を「○」で示し、リチウムを吸蔵した炭素材料を灰色の「△」で示す))。これにより、領域14aはリチウム伝導性を有するものとなる。一方、炭素含有層14におけるその他の領域(炭素含有層の外周縁部)14bは、正極活物質層の中心部15aと重複しないため(正極活物質層の外周縁部15b(リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、リチウム含有正極活物質を含まない)と重複するため)、炭素材料にリチウムが吸蔵されない。よって、領域14bのリチウム伝導性は低く、この領域ではリチウムの移動が妨げられる。これにより、正極活物質層15の外周縁部15bと重複する領域における充放電反応が抑制されることで、発電要素21の端部における短絡が防止されるのである。 FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state before initial charging of a single cell layer included in a stacked battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the state after the first charge of the single cell layer included in the stacked battery according to one embodiment of the present invention. In FIGS. 4 and 5, gray portions in the positive electrode active material layer and the carbon-containing layer indicate the presence of lithium. In the state before the initial charge shown in FIG. ), and the outer peripheral edge portion 15b of the positive electrode active material layer 15 contains a non-lithium-containing positive electrode active material and does not contain a lithium-containing positive electrode active material. Then, the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material is the carbon material ("Δ" shown) is greater than or equal to the capacity [mAh]. When the battery having the configuration shown in FIG. 4 is charged, as shown in FIG. 5, lithium is occluded in the carbon material contained in the region 14a of the carbon-containing layer 14 (lithium is released) when the power generation element is viewed from above. The lithium-containing positive electrode active material is indicated by "○", and the lithium-occluded carbon material is indicated by gray "△")). Thereby, the region 14a becomes lithium conductive. On the other hand, the other region (peripheral edge portion of the carbon-containing layer) 14b in the carbon-containing layer 14 does not overlap with the central portion 15a of the positive electrode active material layer (outer peripheral edge portion 15b of the positive electrode active material layer (lithium-free positive electrode active material layer). containing a substance and not containing a lithium-containing positive electrode active material), lithium is not occluded by the carbon material. Thus, the lithium conductivity in region 14b is low and lithium migration is impeded in this region. This suppresses the charge-discharge reaction in the region overlapping the outer edge portion 15b of the positive electrode active material layer 15, thereby preventing a short circuit at the end portion of the power generation element 21. FIG.

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-state 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%以上であれば充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充分に発揮できる。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, the decrease in energy density can be suppressed.

[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、楕円球状等の粒子状、薄膜状等が挙げられる。固体電解質が粒子状である場合、その平均粒子径(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、平均粒子径(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 particles such as a spherical shape and an ellipsoidal shape, and a thin film shape. When the solid electrolyte is particulate, its average particle diameter ( D50 ) 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 ( D50 ) 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]
本形態に係る全固体電池において、正極活物質層は、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を必須に含む。
[Positive electrode active material layer]
In the all-solid-state battery according to this embodiment, the positive electrode active material layer essentially contains 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 preferred. 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。正極活物質が粒子状である場合、その平均粒子径(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 particulate, its average particle diameter (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, 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、40~100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 100% 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、正極活物質層の総質量に対して、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は、発電要素を平面視した際に、正極活物質層が、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をともに含む中心部と、リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、リチウム含有正極活物質を任意に含む外周縁部と、から構成される点;および、正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]以上であり、正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]未満である点に特徴を有する。このような構成とすることにより、正極活物質層の中心部と重複する領域の炭素含有層(炭素含有層の中心部)には充分なリチウム伝導性が付与される。一方、これ以外の領域(炭素含有層の外周縁部)のリチウム伝導性は低いまま維持される。これにより、全固体電池の発電要素の端部における充放電反応が抑制され、端部における短絡が発生しにくくなるのである。なお、外周縁部は、炭素含有層の正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]未満である限りにおいて、リチウム含有正極活物質を含んでもよい。ただし、発電要素の端部における短絡をよりいっそう抑制する観点から、外周縁部は、リチウム含有正極活物質を含まないことが好ましい。 In the all-solid-state battery according to the present embodiment, when the power generation element is viewed from above, the positive electrode active material layer has a central portion containing both the lithium-free positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material, and the lithium-free positive electrode active material. and a peripheral edge portion optionally containing a lithium-containing positive electrode active material; and the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the center portion of the positive electrode active material layer The capacity [mAh] of the carbon material contained in the region overlapping the center portion of the positive electrode active material layer of the layer is equal to or greater than the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer. It is characterized in that it is less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region of the carbon-containing layer that overlaps the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer. With such a structure, sufficient lithium conductivity is imparted to the carbon-containing layer (the central portion of the carbon-containing layer) in the region overlapping the central portion of the positive electrode active material layer. On the other hand, the lithium conductivity of the other region (peripheral edge of the carbon-containing layer) remains low. As a result, the charge/discharge reaction at the ends of the power generation element of the all-solid-state battery is suppressed, and short circuits at the ends are less likely to occur. Note that the outer peripheral portion may contain a lithium-containing positive electrode active material as long as it is less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region overlapping the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer of the carbon-containing layer. However, from the viewpoint of further suppressing short circuits at the ends of the power generation element, the outer peripheral edge preferably does not contain the lithium-containing positive electrode active material.

本明細書において、正極活物質層の「中心部」および「外周縁部」は、外周縁部にリチウム含有正極活物質が含まれない場合と、外周縁部にリチウム含有正極活物質が含まれる場合とで、それぞれ以下の手法により判断される。すなわち、外周縁部にリチウム含有正極活物質が含まれない場合は、走査型電子顕微鏡(SEM)による正極活物質層の平面方向についての観察画像において、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いてリチウムの元素マッピングを行い、リチウム元素のカウント数を指標として判別することができる。より詳細には、正極活物質層の外周端から内側に向かってリチウム元素が最初に観察される地点を中心部と外周縁部との境界とする。そして、当該境界で囲まれた領域(境界を含む)を「中心部」、これ例外の領域を「外周縁部」と判断する。一方、正極活物質層の外周縁部にリチウム含有正極活物質が含まれる場合は、本形態に係る全固体電池を初回充電する。これにより、正極活物質層の中心部および外周縁部に存在していたリチウム含有正極活物質からリチウムが放出され、炭素含有層にリチウムが吸蔵される。ここで、本形態に係る全固体電池は正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]は、炭素含有層の正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]以上であるのに対し、正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]は、炭素含有層の正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]未満である。このため、正極活物質層の中心部と重複する領域の炭素含有層に含まれる炭素材料は、初回充電により吸蔵可能な上限量までリチウムを吸蔵しているため、それ以上の量のリチウムを吸蔵できない。これに対し、正極活物質層の外周縁部と重複する領域の炭素含有層に含まれる炭素材料は、初回充電によっても吸蔵可能な上限値までリチウムが吸蔵されないため、さらにリチウムを吸蔵することが可能である。よって、初回充電後に炭素含有層に含まれる炭素材料がさらにリチウムを吸蔵できるか否かを確認することにより、これに対応する位置の正極活物質層が、外周縁部であるか中心部であるかを判断することができる。 In this specification, the “central portion” and the “peripheral edge portion” of the positive electrode active material layer refer to the case where the outer peripheral portion does not contain the lithium-containing positive electrode active material, and the case where the outer peripheral portion contains the lithium-containing positive electrode active material. Each case is determined by the following methods. That is, when the lithium-containing positive electrode active material is not contained in the outer peripheral portion, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) is performed on an observation image of the positive electrode active material layer in the plane direction with a scanning electron microscope (SEM). Elemental mapping of lithium can be performed using this method, and the count number of lithium elements can be used as an index for determination. More specifically, the boundary between the central portion and the outer peripheral portion is defined as the point where the lithium element is first observed inward from the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer. Then, the area surrounded by the boundary (including the boundary) is determined as the "central part", and the area other than this is determined as the "peripheral edge part". On the other hand, when the lithium-containing positive electrode active material is included in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer, the all-solid-state battery according to the present embodiment is charged for the first time. As a result, lithium is released from the lithium-containing positive electrode active material present in the central portion and the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer, and lithium is absorbed into the carbon-containing layer. Here, 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 center of the positive electrode active material layer is included in the region overlapping the center of the positive electrode active material layer of the carbon-containing layer. The capacity [mAh] of the carbon material contained in the positive electrode active material layer is greater than or equal to the capacity [mAh] of the carbon material contained in the positive electrode active material layer, whereas the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer is is less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region overlapping with . For this reason, the carbon material contained in the carbon-containing layer in the region overlapping with the central portion of the positive electrode active material layer absorbs lithium up to the upper limit amount that can be absorbed by the initial charge, and thus absorbs more lithium. Can not. On the other hand, the carbon material contained in the carbon-containing layer in the region overlapping with the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer does not occlude lithium up to the upper limit of the amount of lithium that can be occluded even during the initial charge, so it is possible to occlude more lithium. It is possible. Therefore, by confirming whether or not the carbon material contained in the carbon-containing layer can further occlude lithium after the initial charge, the positive electrode active material layer at the corresponding position is either the outer peripheral portion or the central portion. You can judge whether

本形態に係る全固体電池において、正極活物質層における中心部と外周縁部との境界は、正極活物質層の外周端よりも内側に位置する。言い換えれば、正極活物質層の外周端の全周にわたって「外周縁部」が存在する。このような構成とすることにより、発電要素の端部における短絡を抑制できる。また、リチウム非含有正極活物質はリチウム含有正極活物質よりもコストが低いことから、リチウム非含有正極活物質と、炭素含有層にリチウム伝導性を付与するのに充分な量のリチウム含有正極活物質とを用いて正極活物質層を構成することで、全固体電池のコスト低減を図ることができる。 In the all-solid-state battery according to the present embodiment, the boundary between the central portion and the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer is located inside the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer. In other words, the “peripheral edge portion” exists along the entire circumference of the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer. With such a configuration, short circuits at the ends of the power generation element can be suppressed. Also, since the non-lithium-containing cathode active material is less costly than the lithium-containing cathode active material, the non-lithium-containing cathode active material and a sufficient amount of the lithium-containing cathode active material to impart lithium conductivity to the carbon-containing layer can be used. The cost of the all-solid-state battery can be reduced by configuring the positive electrode active material layer using the material.

発電要素を平面視した際の、中心部および外周縁部の形状やサイズ等は特に制限されない。発電要素を平面視した際の、中心部の形状は、正極活物質層が矩形である場合には、中心部も矩形であることが好ましく、この際、外周縁部は正極活物質層から中心部を除いたロの字型の形状となる。発電要素を平面視した際の、中心部のサイズは、全固体電池のエネルギー密度を向上させる観点から、短絡を防止しうるのに充分な外周縁部が確保できる限りにおいて、大きい方が好ましい。具体的には、正極活物質層のサイズに対する中心部のサイズの比が0.80以上0.98以下であることが好ましく、0.85以上0.98以下であることがより好ましく、0.90以上0.98以下であることがさらに好ましく、0.95以上0.98以下であることが特に好ましい。外周縁部の幅(正極活物質層の外周端から中心部と外周縁部との境界までの距離)も特に制限されないが、1mm以上5cm以下が好ましく、2mm以上3cm以下がより好ましく、5mm以上2cm以下がさらに好ましい。外周縁部の幅を上記範囲内とすることにより、発電要素の端部における短絡がよりいっそう抑制されうる。 There are no particular restrictions on the shape, size, etc. of the central portion and the outer peripheral portion when the power generation element is viewed from above. When the positive electrode active material layer is rectangular, the shape of the central portion when the power generating element is viewed in plan is preferably rectangular, and in this case, the outer peripheral edge portion extends from the positive electrode active material layer to the center. It becomes a square shape without the part. From the viewpoint of improving the energy density of the all-solid-state battery, the size of the central portion of the power generation element when viewed from above is preferably large as long as the outer peripheral portion is large enough to prevent short circuits. Specifically, the ratio of the size of the central portion to the size of the positive electrode active material layer is preferably 0.80 or more and 0.98 or less, more preferably 0.85 or more and 0.98 or less, and 0.85 or more and 0.98 or less. It is more preferably 90 or more and 0.98 or less, and particularly preferably 0.95 or more and 0.98 or less. The width of the outer peripheral portion (the distance from the outer peripheral end of the positive electrode active material layer to the boundary between the central portion and the outer peripheral portion) is also not particularly limited, but is preferably 1 mm or more and 5 cm or less, more preferably 2 mm or more and 3 cm or less, and 5 mm or more. 2 cm or less is more preferable. By setting the width of the outer peripheral portion within the above range, short circuits at the ends of the power generation element can be further suppressed.

本形態に係る全固体電池において、中心部には、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が共に含まれる。正極活物質層はリチウム伝導性を有するため、中心部において、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積層方向における配置は制限されない。図6は、本発明の一実施形態に係る積層型電池に含まれる正極活物質層の初回充電前の状態を表す拡大断面図である。図6の実施形態では、リチウム含有正極活物質は中心部の厚さ方向の全体にわたって均一に存在する。また、正極活物質層の他の実施形態として、例えば、図7~図9に示す実施形態が挙げられる。図7の実施形態では、リチウム含有正極活物質が中心部の固体電解質層側の1/2厚さの領域のみに存在している。図8の実施形態では、リチウム含有正極活物質が中心部の固体電解質層側とは反対側の1/2厚さの領域のみに存在している。 In the all-solid-state battery according to this embodiment, the central portion contains both the non-lithium-containing positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material. Since the positive electrode active material layer has lithium conductivity, the arrangement of the non-lithium-containing positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material in the stacking direction in the central portion is not limited. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing the state of the positive electrode active material layer included in the layered battery according to one embodiment of the present invention before the first charge. In the embodiment of FIG. 6, the lithium-containing positive electrode active material is uniformly present throughout the thickness of the central portion. Other embodiments of the positive electrode active material layer include, for example, the embodiments shown in FIGS. 7 to 9. FIG. In the embodiment of FIG. 7, the lithium-containing positive electrode active material is present only in the half-thickness region on the solid electrolyte layer side of the central portion. In the embodiment of FIG. 8, the lithium-containing positive electrode active material is present only in the half-thickness region on the side opposite to the solid electrolyte layer side of the central portion.

また、本形態に係る全固体電池において、正極活物質層の中心部の厚さと、外周縁部の厚さとは、図6~図8に示すように、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。中心部の厚さと、外周縁部の厚さとが異なる場合としては、例えば、図9に示すように、中心部が相対的に厚く、外周縁部が相対的に薄く構成される実施形態が挙げられる。ただし、発電要素の積層方向に拘束圧力を付与する際に面方向に均一に圧力を印加する観点から、中心部の厚さと外周縁部との厚さとは近い値であることが好ましい。より詳細には、正極活物質層の中心部の厚さに対する、正極活物質層の外周縁部の厚さの比が、0.90以上1.10以下であることが好ましく、0.95以上1.05以下であることがより好ましく、0.98以上1.02以下であることがさらに好ましく、1.00であることが特に好ましい。なお、本明細書において、中心部の厚さは、異なる数~数十か所についてそれぞれ厚さを測定し、それらの算術平均値として算出される値を意味するものとする。外周縁部の厚さについても同様である。 In addition, in the all-solid-state battery according to the present embodiment, the thickness of the central portion of the positive electrode active material layer and the thickness of the outer peripheral portion may be the same or different, as shown in FIGS. may be When the thickness of the central portion and the thickness of the outer peripheral portion are different, for example, as shown in FIG. 9, there is an embodiment in which the central portion is relatively thick and the outer peripheral portion is relatively thin. be done. However, it is preferable that the thickness of the central portion and the thickness of the outer peripheral portion are close to each other from the viewpoint of applying a uniform pressure in the surface direction when applying the confining pressure in the stacking direction of the power generating element. More specifically, the ratio of the thickness of the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer to the thickness of the central portion of the positive electrode active material layer is preferably 0.90 or more and 1.10 or less, and is preferably 0.95 or more. It is more preferably 1.05 or less, further preferably 0.98 or more and 1.02 or less, and particularly preferably 1.00. In this specification, the thickness of the central portion means a value calculated as an arithmetic mean value of the thicknesses measured at several to several tens of different locations. The same applies to the thickness of the outer peripheral edge.

本形態に係る全固体電池においては、正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]以上であり、正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]未満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充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 center of the positive electrode active material layer is included in the region overlapping the center of the positive electrode active material layer of the carbon-containing layer. A region where the capacity [mAh] of the carbon material is equal to or greater than the capacity [mAh] of the carbon material and the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer overlaps with the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer of the carbon-containing layer. It is also characterized by being less than the capacity [mAh] of the carbon material contained in. The inventors of the present invention have found from the following experimental results that the carbon-containing layer is provided with lithium conductivity sufficient for 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10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10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10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. 10 is a graph showing charge/discharge curves of test cells. When charging was performed as the first operation, as shown in FIG. 10, charging and subsequent discharging could be performed. When discharging was performed as the first operation, as shown in FIG. 10, it was found that 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.

上記知見を応用すると、正極活物質層のリチウム含有正極活物質の量により、発電要素を平面視した際の対応する位置における炭素含有層のリチウム伝導性を制御することが可能となる。よって、正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]以上であり、正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、炭素含有層の正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる炭素材料の容量[mAh]未満となるように、正極活物質層中のリチウム含有正極活物質の配置を制御することにより、炭素含有層の中心部におけるリチウム伝導性を充分に高い状態としつつ、外周縁部におけるリチウム伝導性を低く保つことが可能となる。その結果、全固体電池の発電要素の端部における充放電反応が抑制され、端部における短絡が発生しにくくなる。 By applying the above knowledge, it becomes possible to control the lithium conductivity of the carbon-containing layer at the corresponding position when the power generating element is viewed from above, depending on the amount of the lithium-containing positive electrode active material in the positive electrode active material layer. Therefore, the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the center of the positive electrode active material layer is equal to or greater than the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region overlapping the center of the positive electrode active material layer of the carbon-containing layer. and the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material included in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer is the capacity of the carbon material included in the region where the carbon-containing layer overlaps the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer [ By controlling the arrangement of the lithium-containing positive electrode active material in the positive electrode active material layer so as to be less than mAh], the lithium conductivity in the central portion of the carbon-containing layer is sufficiently high, while the lithium in the outer peripheral portion It becomes possible to keep the conductivity low. As a result, charge-discharge reactions at the ends of the power generation element of the all-solid-state battery are suppressed, and short circuits at the ends are less likely to occur.

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、測定対象の部位(正極活物質層の中心部または外周縁部)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、測定対象の部位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、測定対象の部位に含まれる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. The mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the portion to be measured (the central portion or the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer) and the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half cell are If different, the value [mAh/g] obtained by dividing the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half-cell by the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material used in the half-cell is included in the part to be measured. By multiplying the mass [g] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the measurement target, the capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the measurement target portion 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11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11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、測定対象の部位(炭素含有層の中心部または外周縁部)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、測定対象の部位に含まれる炭素材料の質量[g]を掛けることで、測定対象の部位に含まれる炭素材料の容量[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. 11 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. 11, 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 part to be measured (the central part or the outer peripheral part of the carbon-containing layer) is different from the mass [g] of the carbon material used for the half-cell, By multiplying the value [mAh/g] obtained by dividing the capacity [mAh] of the carbon material used in the half cell by the mass [g] of the carbon material used in the half cell by the mass [g] of the carbon material contained in the part to be measured, It is possible to obtain the capacity [mAh] of the carbon material contained in the site to be measured.

炭素含有層の中心部に含まれる炭素材料の容量[mAh]に対する正極活物質層の中心部に含まれ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 capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the center of the positive electrode active material layer with respect to the capacity [mAh] of the carbon material contained in the center of the carbon-containing layer (the capacity of the lithium-containing positive electrode active material [mAh] / carbon The ratio of the capacity [mAh]) of the materials is essentially 1 or more, and from the viewpoint of improving energy density and reducing costs, it is preferably 1 to 2, more preferably 1 to 1.5, and still more preferably. is between 1 and 1.2.

本形態に係る正極活物質層の製造方法は、特に制限されず、公知の蒸着法や塗布法を適宜採用することができる。蒸着法の具体例としては、(i)基材表面の外周縁部を形成する部分をマスキングし、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同時にまたは順次蒸着して中心部を形成する。その後、中心部の表面および正極活物質層の外周端部となる部分よりも外側の領域をマスキングするとともに外周縁部のマスキング材を除去する。そして、基材が露出した部分にリチウム非含有正極活物質を蒸着して外周縁部を形成する方法;(ii)基材表面の中心部を形成する部分および正極活物質層の外周端部となる部分よりも外側の領域をマスキングし、リチウム非含有正極活物質を蒸着して外周端部を形成する。その後、外周端部の表面をマスキングするとともに中心部のマスキング材を除去する。そして、基材が露出した部分に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同時にまたは順次蒸着して中心部を形成する方法が挙げられる。塗布法の具体例としては、(iii)基材表面の外周縁部を形成する部分をマスキングし、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含むスラリーを塗布および乾燥して中心部を形成する。その後、中心部の表面および正極活物質層の外周端部となる部分よりも外側の領域をマスキングするとともに外周縁部のマスキング材を除去する。そして、基材が露出した部分にリチウム非含有正極活物質を含むスラリーを塗布および乾燥して外周縁部を形成する方法;(iv)基材表面の中心部を形成する部分および正極活物質層の外周端部となる部分よりも外側の領域をマスキングし、リチウム非含有正極活物質を含むスラリーを塗布および乾燥して外周縁部を形成する。その後、外周端部の表面をマスキングするとともに中心部のマスキング材を除去する。そして、基材が露出した部分に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含むスラリーを塗布および乾燥して中心部を形成する方法が挙げられる。なお、上記(iii)および(iv)の塗布法においては、中心部を形成する際に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共に含むスラリーを用いたが、正極活物質としてリチウム非含有正極活物質のみを含むスラリーと、正極活物質としてリチウム含有正極活物質のみを含むスラリーとを別々に調製してもよい。そして、正極活物質としてリチウム非含有正極活物質のみを含むスラリーを塗布および乾燥した後、リチウム含有正極活物質のみを含むスラリーを塗布および乾燥して、2層からなる中心部を形成する。あるいは、正極活物質としてリチウム含有正極活物質のみを含むスラリーを塗布および乾燥した後、リチウム非含有正極活物質のみを含むスラリーを塗布および乾燥して、2層からなる中心部を形成しても構わない。 The method for manufacturing the positive electrode active material layer according to this embodiment is not particularly limited, and a known vapor deposition method or coating method can be appropriately employed. As a specific example of the vapor deposition method, (i) the part forming the outer peripheral edge of the substrate surface is masked, and the lithium-free positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material are simultaneously or sequentially deposited to form the central part. Form. After that, the surface of the central portion and the region outside the outer edge portion of the positive electrode active material layer are masked, and the masking material on the outer edge portion is removed. Then, a method of forming a peripheral edge portion by vapor-depositing a non-lithium-containing positive electrode active material on the exposed portion of the substrate; A region outside the region is masked, and a non-lithium-containing positive electrode active material is vapor-deposited to form an outer peripheral edge. After that, while masking the surface of the outer peripheral edge, the masking material in the center is removed. Then, a non-lithium-containing positive electrode active material and a lithium-containing positive electrode active material are simultaneously or sequentially deposited on the exposed portion of the substrate to form the central portion. As a specific example of the coating method, (iii) a portion forming the outer peripheral edge of the substrate surface is masked, and a slurry containing a non-lithium-containing positive electrode active material and a lithium-containing positive electrode active material is applied and dried to form a central part. form a part. After that, the surface of the central portion and the region outside the outer edge portion of the positive electrode active material layer are masked, and the masking material on the outer edge portion is removed. Then, a method of applying a slurry containing a non-lithium-containing positive electrode active material to the exposed portion of the substrate and drying it to form an outer peripheral portion; (iv) a portion forming the central portion of the substrate surface and the positive electrode active material layer; A region outside the outer peripheral end portion of is masked, and a slurry containing a non-lithium-containing positive electrode active material is applied and dried to form an outer peripheral edge portion. After that, while masking the surface of the outer peripheral edge, the masking material in the center is removed. Then, there is a method of applying slurry containing a non-lithium-containing positive electrode active material and a lithium-containing positive electrode active material to the exposed portion of the base material and drying it to form the central portion. In the coating methods (iii) and (iv) above, a slurry containing both a lithium-free positive electrode active material and a lithium-containing positive electrode active material was used to form the central portion. A slurry containing only a lithium-free positive electrode active material and a slurry containing only a lithium-containing positive electrode active material as a positive electrode active material may be separately prepared. Then, a slurry containing only a non-lithium-containing positive electrode active material as a positive electrode active material is applied and dried, and then a slurry containing only a lithium-containing positive electrode active material is applied and dried to form a two-layer central portion. Alternatively, a slurry containing only a lithium-containing positive electrode active material as a positive electrode active material is applied and dried, and then a slurry containing only a non-lithium-containing positive electrode active material is applied and dried to form a two-layer core. I do not care.

上記の方法により基材表面に正極活物質層を形成した後、固体電解質層に正極活物質層の露出面を重ねて転写することで、固体電解質層と正極活物質層との積層体を得ることができる。また、基材に代えて、固体電解質層に直接正極活物質層を形成してもよい。この場合も上記で説明した方法と同様に、蒸着法または塗布法により正極活物質層を形成することができる。 After the positive electrode active material layer is formed on the base material surface by the above method, the exposed surface of the positive electrode active material layer is superimposed on the solid electrolyte layer and transferred to obtain a laminate of the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer. be able to. Alternatively, the positive electrode active material layer may be formed directly on the solid electrolyte layer instead of the base material. Also in this case, the positive electrode active material layer can be formed by a vapor deposition method or a coating method in the same manner as described above.

次に、発電要素を構成する各層のサイズについて説明する。本形態に係る全固体電池においては、発電要素を平面視した際に、負極活物質層の外周端は、(1a)正極活物質層の中心部の外周端と同じ位置に位置するか、または、図12に示す実施形態のように(1b)正極活物質層の中心部の外周端よりも外側に位置することが好ましい。中でも、上記(1b)の実施形態がより好ましい。このような構成とすることにより、充放電に主に関与する面積が減少することによる容量低下を防ぐことができる。 Next, the size of each layer constituting the power generation element will be described. In the all-solid-state battery according to the present embodiment, when the power generating element is viewed in plan, the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer is (1a) positioned at the same position as the outer peripheral edge of the central portion of the positive electrode active material layer, or , as in the embodiment shown in FIG. 12, (1b) preferably positioned outside the outer peripheral edge of the central portion of the positive electrode active material layer. Among them, the above embodiment (1b) is more preferable. With such a structure, it is possible to prevent a decrease in capacity due to a decrease in the area mainly involved in charging and discharging.

本形態に係る全固体電池においては、発電要素を平面視した際に、炭素含有層の外周端は、(2a)負極活物質層の外周端と同じ位置に位置するか、または、図13に示す実施形態のように(2b)負極活物質層の外周端よりも外側に位置することが好ましい。中でも、上記(2b)の実施形態がより好ましい。このような構成とすることにより、炭素含有層が物理的な障壁となることため、発電要素の端部における短絡をよりいっそう抑制できる。 In the all-solid-state battery according to this embodiment, when the power generating element is viewed from above, the outer peripheral edge of the carbon-containing layer is located at the same position as (2a) the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer, or As in the embodiment shown (2b), it is preferably located outside the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer. Among them, the above embodiment (2b) is more preferable. With such a configuration, the carbon-containing layer acts as a physical barrier, so short circuits at the ends of the power generating element can be further suppressed.

本形態に係る全固体電池においては、発電要素を平面視した際に、固体電解質層の外周端は、(3a)炭素含有層の外周端と同じ位置に位置するか、または、図14に示す実施形態のように(3b)炭素含有層の外周端よりも外側に位置することが好ましい。中でも、上記(3b)の実施形態がより好ましい。このような構成とすることにより、充放電に関与する面積が減少することによる容量低下を防ぐことができる。このような構成とすることにより、固体電解質層が物理的な障壁となることため、発電要素の端部における短絡をよりいっそう抑制できる。 In the all-solid-state battery according to this embodiment, when the power generating element is viewed from above, the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer is located at the same position as the outer peripheral edge of the (3a) carbon-containing layer, or is shown in FIG. It is preferably located outside the outer peripheral edge of the (3b) carbon-containing layer as in the embodiment. Above all, the above embodiment (3b) is more preferable. With such a structure, it is possible to prevent a decrease in capacity due to a decrease in the area involved in charging and discharging. With such a configuration, the solid electrolyte layer acts as a physical barrier, so short circuits at the ends of the power generating element can be further suppressed.

本形態に係る全固体電池においては、発電要素を平面視した際の正極活物質層の外周縁部の幅が、(4a)発電要素の積層方向における正極活物質層の厚さおよび固体電解質層の厚さの和と同じであるか、または、図15に示す実施形態のように(4b)当該和よりも大きいことが好ましい。中でも、上記(4b)の実施形態がより好ましい。このような構成とすることにより、正極活物質層の面方向へのリチウムの拡散の影響を小さくすることができるため、発電要素の端部における短絡をよりいっそう抑制できる。 In the all-solid-state battery according to the present embodiment, the width of the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer when the power generating element is viewed from above is (4a) the thickness of the positive electrode active material layer in the stacking direction of the power generating element and the solid electrolyte layer. or, as in the embodiment shown in FIG. 15, (4b) greater than that sum. Among them, the above embodiment (4b) is more preferable. With such a configuration, the influence of diffusion of lithium in the surface direction of the positive electrode active material layer can be reduced, so that short circuits at the ends of the power generating element can be further suppressed.

[正極集電板および負極集電板]
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.

[正極リードおよび負極リード]
また、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]
Also, the current collector and the current collector plate may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode 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、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。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 a bag-like case using a laminated film containing aluminum that can cover the power generation element can also be used. 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.

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、
14a 炭素含有層の中心部、
14b 炭素含有層の外周縁部、
15 正極活物質層、
15a 正極活物質層の中心部、
15b 正極活物質層の外周縁部、
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,
14a central part of the carbon-containing layer,
14b the outer edge of the carbon-containing layer,
15 positive electrode active material layer,
15a central part of the positive electrode active material layer,
15b outer peripheral edge of the positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation element,
25 negative electrode current collector,
27 positive current collector,
29 Laminate film.

Claims (6)

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およびリチウム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発電要素を備えた全固体電池において、
前記発電要素を平面視した際に、前記正極活物質層は、前記リチウム非含有正極活物質および前記リチウム含有正極活物質を共に含む中心部と、前記リチウム非含有正極活物質を含み、かつ、前記リチウム含有正極活物質を任意に含む外周縁部と、から構成され、
前記正極活物質層の中心部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の中心部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]以上であり、
前記正極活物質層の外周縁部に含まれるリチウム含有正極活物質の容量[mAh]が、前記炭素含有層の前記正極活物質層の外周縁部と重複する領域に含まれる前記炭素材料の容量[mAh]未満である、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 and a lithium-containing 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 with a power generation element having a layer,
When the power generating element is viewed from above, the positive electrode active material layer includes a central portion containing both the lithium-free positive electrode active material and the lithium-containing positive electrode active material, and the lithium-free positive electrode active material, and and an outer peripheral portion optionally containing the lithium-containing positive electrode active material,
The capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the central portion of the positive electrode active material layer is the capacity [mAh] of the carbon material contained in the region where the carbon-containing layer overlaps the central portion of the positive electrode active material layer. ] is greater than or equal to
The capacity [mAh] of the lithium-containing positive electrode active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer is the capacity of the carbon material contained in the region where the carbon-containing layer overlaps the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer. An all-solid-state battery that is less than [mAh].
前記正極活物質層の外周縁部は、リチウム含有正極活物質を含まない、請求項1に記載の、全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the outer peripheral portion of said positive electrode active material layer does not contain a lithium-containing positive electrode active material. 前記発電要素を平面視した際に、前記負極活物質層の外周端は、前記正極活物質層の中心部の外周端と同じ位置に位置するか、または、前記正極活物質層の中心部の外周端よりも外側に位置する、請求項1または2に記載の全固体電池。 When the power generating element is viewed from above, the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer is positioned at the same position as the outer peripheral edge of the central portion of the positive electrode active material layer, or The all-solid-state battery according to claim 1 or 2, located outside the outer peripheral edge. 前記発電要素を平面視した際に、前記炭素含有層の外周端は、前記負極活物質層の外周端と同じ位置に位置するか、または、前記負極活物質層の外周端よりも外側に位置する、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体電池。 When the power generating element is viewed from above, the outer peripheral edge of the carbon-containing layer is positioned at the same position as the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer, or is positioned outside the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer. The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3. 前記発電要素を平面視した際の前記正極活物質層の外周縁部の幅が、前記発電要素の積層方向における前記正極活物質層の厚さおよび前記固体電解質層の厚さの和と同じであるか、または、当該和よりも大きい、請求項1~4のいずれか1項に記載の全固体電池。 The width of the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer when the power generating element is viewed from above is the same as the sum of the thickness of the positive electrode active material layer and the thickness of the solid electrolyte layer in the stacking direction of the power generating element. The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4, wherein there is or is greater than the sum. 前記正極活物質層の中心部の厚さに対する、前記正極活物質層の外周縁部の厚さの比が、0.90~1.10である、請求項1~5のいずれか1項に記載の全固体電池。 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio of the thickness of the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer to the thickness of the central portion of the positive electrode active material layer is 0.90 to 1.10. The all-solid-state battery described.
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