JP5187502B2 - Lithium battery - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質層を備えるリチウム電池に関するものである。   The present invention relates to a lithium battery including a solid electrolyte layer.

携帯機器といった比較的小型の電気機器の電源に、リチウムイオン二次電池(以下、単にリチウム電池と呼ぶ)が利用されている。リチウム電池は、正極層と負極層と、これら層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する電解質層とを備える。   Lithium ion secondary batteries (hereinafter simply referred to as lithium batteries) are used as power sources for relatively small electric devices such as portable devices. The lithium battery includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer that mediates conduction of lithium ions between these layers.

近年、このリチウム電池として、正・負極間のリチウムの伝導に有機電解液を用いない全固体型リチウム電池が提案されている。全固体型リチウム電池は、電解質層として固体電解質層を使用しており、有機溶媒系の電解液を用いることに伴う問題、例えば、電解液の漏れによる安全性の問題、高温時に有機電解液がその沸点を超えて揮発することによる耐熱性の問題などを解消することができる。この固体電解質層には、リチウムイオン伝導性が高く、絶縁性に優れる硫化物系の物質が広く利用されている。   In recent years, an all solid-state lithium battery that does not use an organic electrolyte for lithium conduction between the positive and negative electrodes has been proposed as this lithium battery. All solid-state lithium batteries use a solid electrolyte layer as the electrolyte layer, and problems associated with the use of organic solvent-based electrolytes, such as safety problems due to electrolyte leakage, The heat resistance problem caused by volatilization exceeding the boiling point can be solved. For this solid electrolyte layer, a sulfide-based substance having high lithium ion conductivity and excellent insulating properties is widely used.

上述した利点を有する一方で、固体電解質層を用いた全固体型リチウム電池は、有機電解液を使用したリチウム電池と比較して、容量が低い(即ち、出力特性が悪い)という問題を有していた。このような問題点の原因は、リチウムイオンが、固体電解質層の硫化物イオンよりも正極層の酸化物イオンに引き寄せられ易いため、硫化物固体電解質の正極層側領域に、リチウムイオンが欠乏した層(空乏層)が形成されるためである(非特許文献1や非特許文献2を参照)。この空乏層は、リチウムイオンが欠乏しているために電気抵抗値が高く、電池の容量を低下させる。   While having the advantages described above, the all-solid-state lithium battery using the solid electrolyte layer has a problem that the capacity is low (that is, the output characteristics are poor) as compared with the lithium battery using the organic electrolyte. It was. The cause of such a problem is that lithium ions are more likely to be attracted to oxide ions in the positive electrode layer than sulfide ions in the solid electrolyte layer, so the lithium ion deficiency is present in the positive electrode layer side region of the sulfide solid electrolyte. This is because a layer (depletion layer) is formed (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). This depletion layer is deficient in lithium ions and thus has a high electrical resistance value, which reduces the capacity of the battery.

このような問題点を解決する技術として、非特許文献1や2では、正極活物質(LiCoO2)の表面にリチウムイオン伝導性の酸化物をコーティングしている。このコーティングにより、リチウムイオンの移動が制限され、硫化物固体電解質層において空乏層が形成されることを抑制し、その結果、リチウム電池の出力特性の向上を実現している。 As a technique for solving such problems, in Non-Patent Documents 1 and 2, the surface of the positive electrode active material (LiCoO 2 ) is coated with a lithium ion conductive oxide. This coating restricts the movement of lithium ions and suppresses the formation of a depletion layer in the sulfide solid electrolyte layer. As a result, the output characteristics of the lithium battery are improved.

Advanced Materials 2006.18,2226-2229Advanced Materials 2006.18,2226-2229 第47回電池討論会講演要旨集 p542-543 平成18年11月20日発行Proceedings of the 47th Battery Symposium p542-543 Published on November 20, 2006

しかし、上記非特許文献1や2のリチウム電池は、生産性が悪いため、近年の携帯機器の発達に伴うリチウム電池の需要拡大に対して不利である。具体的には、これらの文献では、静電噴霧法により活物質表面にコーティングを形成しているが、この静電噴霧法によるコートは、技術的に難しく、また煩雑である。つまり、この文献に記載されるリチウム電池は、生産コストが高く、生産効率も悪いので、リチウム電池の需要拡大の要請に応えることが難しい。   However, the lithium batteries described in Non-Patent Documents 1 and 2 have a low productivity, which is disadvantageous for increasing demand for lithium batteries accompanying the recent development of portable devices. Specifically, in these documents, a coating is formed on the surface of an active material by an electrostatic spraying method. However, coating by this electrostatic spraying method is technically difficult and complicated. In other words, the lithium battery described in this document has a high production cost and poor production efficiency, so it is difficult to meet the demand for increasing demand for lithium batteries.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、固体電解質を用いながらも、高容量で生産性に優れるリチウム電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a lithium battery having high capacity and excellent productivity while using a solid electrolyte.

従来から種々の化合物で正極活物質を構成することは行われていたが、近年では、リチウム電池としたときに作動電圧を高くでき、しかも容量を大きくできるコバルト酸リチウムで正極活物質を構成することが一般的である。そのため、非特許文献1や2でも、硫化物固体電解質層を備えるリチウム電池において正極活物質としてコバルト酸リチウムを利用しており、他の化合物については検討されていなかった。本発明者は、硫化物固体電解質層を備えるリチウム電池において、各層を構成する化合物の組み合わせを再度検討した。その結果、硫化物固体電解質に対して、正極活物質をニッケル酸リチウムとしたときに、リチウム電池の性能が向上することが明らかになった。この知見に基づき、本発明を規定する。   Conventionally, the positive electrode active material has been composed of various compounds, but in recent years, the positive electrode active material is composed of lithium cobalt oxide that can increase the operating voltage and increase the capacity when a lithium battery is used. It is common. Therefore, even in Non-Patent Documents 1 and 2, lithium cobaltate is used as a positive electrode active material in a lithium battery including a sulfide solid electrolyte layer, and other compounds have not been studied. This inventor examined again the combination of the compound which comprises each layer in a lithium battery provided with a sulfide solid electrolyte layer. As a result, it became clear that when the positive electrode active material is lithium nickelate, the performance of the lithium battery is improved with respect to the sulfide solid electrolyte. Based on this finding, the present invention is defined.

本発明リチウム電池は、正極層と、負極層と、これら両層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する硫化物固体電解質層とを具え、正極層に含有される正極活物質として結晶質のニッケル酸リチウムを用いることを特徴とする。   The lithium battery of the present invention comprises a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a sulfide solid electrolyte layer that mediates lithium ion conduction between the two layers. Crystalline nickel is used as a positive electrode active material contained in the positive electrode layer. It is characterized by using lithium acid.

本発明の構成となすことにより、硫化物固体電解質層における空乏層の形成を低減することができるので、有機電解液を使用した従来のリチウム電池に匹敵する容量を備えるリチウム電池とすることができる。また、正極層にニッケル酸リチウムを使用することにより、コバルト酸リチウムを使用した従来電池のように活物質粒子の表面に空乏層の形成を抑制するためのコーティングを施す必要がなく、生産性良くリチウム電池を製造することができる。これは、コバルト酸リチウムよりもニッケル酸リチウムの方が、空乏層の形成要因であってリチウムイオンが固体電解質の硫化物よりも正極層の酸化物に引き寄せられ易いという傾向が小さいからであると推察される。   Since the formation of a depletion layer in the sulfide solid electrolyte layer can be reduced by employing the configuration of the present invention, a lithium battery having a capacity comparable to a conventional lithium battery using an organic electrolyte can be obtained. . In addition, by using lithium nickelate for the positive electrode layer, there is no need to apply a coating for suppressing the formation of a depletion layer on the surface of the active material particles as in the conventional battery using lithium cobaltate, and the productivity is high. Lithium batteries can be manufactured. This is because lithium nickelate is a cause of formation of a depletion layer and lithium ions are less likely to be attracted to the oxide of the positive electrode layer than sulfide of solid electrolyte than lithium cobaltate. Inferred.

本発明の一形態として、硫化物固体電解質層は、Li2S-P2S5を含むことが好ましい。本発明における固体電解質は、硫化物系であれば特に限定されるわけではなく、例えば、Li2S-P2S5以外にも、L-P-S-O系であっても良いが、特に、Li2S-P2S5であれば、固体電解質層と負極層との間の界面抵抗値を低下させることができ、その結果、電池の性能を向上させることができる As one mode of the present invention, a sulfide solid electrolyte layer preferably contains Li 2 SP 2 S 5. The solid electrolyte in the present invention is not particularly limited as long as it is sulfide-based, and for example, it may be LPSO-based other than Li 2 SP 2 S 5 , and in particular, Li 2 SP 2 S 5 If so, the interface resistance value between the solid electrolyte layer and the negative electrode layer can be reduced, and as a result, the performance of the battery can be improved.

また、本発明の一形態として、正極層は、0.5質量%〜5質量%のアルミニウムおよび5質量%〜20質量%のコバルトの少なくとも一種以上を含有することが好ましい。この構成によれば、正極層の電気抵抗を低下させることができると共に、電池としたときの容量を向上させることができるので、電池全体の性能を向上させることができる。正極活物質に含有されるアルミニウムとコバルトは、ニッケル酸リチウムと化合物を構成している。   Moreover, as one form of this invention, it is preferable that a positive electrode layer contains at least 1 type or more of 0.5 mass%-5 mass% aluminum and 5 mass%-20 mass% cobalt. According to this configuration, the electrical resistance of the positive electrode layer can be reduced and the capacity of the battery can be improved, so that the performance of the entire battery can be improved. Aluminum and cobalt contained in the positive electrode active material constitute a compound with lithium nickelate.

さらに、本発明の一形態として、正極活物質の平均粒径が3〜10μmであることが好ましい。正極活物質は、一般に電子伝導度が低いため、正極層全体の内部抵抗が高くなり易い。正極活物質の平均粒径を上記範囲とすると、活物質粒子間の隙間が小さい状態で正極層を構成することができ、活物質粒子同士の接触面積が大きくなるので、粒子間の電子伝導性を改善し、もって正極層の内部抵抗を低くすることができる。   Furthermore, as one form of this invention, it is preferable that the average particle diameter of a positive electrode active material is 3-10 micrometers. Since the positive electrode active material generally has a low electronic conductivity, the internal resistance of the entire positive electrode layer tends to be high. When the average particle diameter of the positive electrode active material is within the above range, the positive electrode layer can be formed with a small gap between the active material particles, and the contact area between the active material particles is increased, so that the electron conductivity between the particles is increased. Thus, the internal resistance of the positive electrode layer can be lowered.

本発明リチウム電池は、硫化物固体電解質層を備えるにもかかわらず、固体電解質層における空乏層の形成を抑制でき、有機電解液を使用した従来の電池に匹敵する容量を備える電池とすることができる。また、本発明リチウム電池は、空乏層の形成を抑制するために正極活物質の表面にコーティングを施すなどの煩雑な操作を経ることなく製造することができる。   Although the lithium battery of the present invention includes a sulfide solid electrolyte layer, the lithium battery can suppress the formation of a depletion layer in the solid electrolyte layer, and has a capacity comparable to that of a conventional battery using an organic electrolyte. it can. In addition, the lithium battery of the present invention can be manufactured without complicated operations such as coating the surface of the positive electrode active material in order to suppress the formation of a depletion layer.

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

≪全体構成≫
図1は、本実施の形態におけるリチウム電池の縦断面図である。このリチウム電池1は、正極集電体層11の上に、正極層13、固体電解質層(SE層)15、負極層14、負極集電体層12の順に積層された構成を有している。
≪Overall structure≫
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a lithium battery according to the present embodiment. This lithium battery 1 has a configuration in which a positive electrode layer 13, a solid electrolyte layer (SE layer) 15, a negative electrode layer 14, and a negative electrode current collector layer 12 are laminated on a positive electrode current collector layer 11 in this order. .

≪各構成部材≫
(正極集電体層)
正極集電体層11は、所定の厚さを有する金属製の薄板であり、後述する各層を支持する基板の役割を兼ねている。正極集電体層11としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が好適に利用できる。
≪Each component≫
(Positive electrode current collector layer)
The positive electrode current collector layer 11 is a thin metal plate having a predetermined thickness, and also serves as a substrate for supporting each layer described later. As the positive electrode current collector layer 11, one selected from aluminum (Al), nickel (Ni), alloys thereof, and stainless steel can be suitably used.

(正極層)
正極層13は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層である。本発明のリチウム電池では、正極活物質として、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)を使用する。通常、正極活物質をニッケル酸リチウムとしても、コバルト酸リチウム(LiCoO2)としても、電池容量に大差はないが、後述するようにSE層を硫化物系から構成する場合は、ニッケル酸リチウムを用いたほうが極めて大容量となる。
(Positive electrode layer)
The positive electrode layer 13 is a layer containing an active material that occludes and releases lithium ions. In the lithium battery of the present invention, lithium nickelate (LiNiO 2 ) is used as the positive electrode active material. Normally, there is no significant difference in battery capacity regardless of whether the positive electrode active material is lithium nickelate or lithium cobaltate (LiCoO 2 ). However, when the SE layer is composed of a sulfide system as described later, lithium nickelate is used. The capacity is extremely large when used.

また、正極層13の正極活物質であるニッケル酸リチウムは、アルミニウムおよびコバルトの少なくとも一種以上を含有することが好ましい。アルミニウムの含有量は0.5質量%〜5質量%が好ましい。また、コバルトの含有量は5質量%〜20質量%が好ましい。   The lithium nickelate that is the positive electrode active material of the positive electrode layer 13 preferably contains at least one of aluminum and cobalt. The content of aluminum is preferably 0.5% by mass to 5% by mass. The cobalt content is preferably 5% by mass to 20% by mass.

正極層13は、さらに導電助剤を含んでいても良い。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラックといったカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、酸化ルテニウム、酸化チタン、アルミニウムやニッケルなどの金属繊維からなるものが利用できる。特に、カーボンブラックは、少量で高い導電性を確保できて好ましい。   The positive electrode layer 13 may further contain a conductive additive. As a conductive support agent, what consists of metal fibers, such as carbon black, such as acetylene black, natural graphite, thermal expansion graphite, carbon fiber, ruthenium oxide, titanium oxide, aluminum, and nickel, can be utilized, for example. In particular, carbon black is preferable because it can secure high conductivity in a small amount.

また、正極層13は、正極層内でのリチウムイオンの伝導性を向上させるために固体電解質粒子を含有していても良い。固体電解質粒子としては、後述するSE層15を構成する化合物などを利用することができる。   The positive electrode layer 13 may contain solid electrolyte particles in order to improve the lithium ion conductivity in the positive electrode layer. As the solid electrolyte particles, a compound constituting the SE layer 15 described later can be used.

上述した正極層13の形成方法としては、PVD法やCVD法などの乾式法あるいは塗布法やスクリーン印刷法などの湿式法を使用できる。湿式法を利用するのであれば、正極層に結着剤を含有させて、活物質同士、あるいは、活物質と活物質以外の物質(電解質粒子や導電助剤)などを結着するようにしても良い。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などを使用することができる。   As a method for forming the positive electrode layer 13 described above, a dry method such as a PVD method or a CVD method, or a wet method such as a coating method or a screen printing method can be used. If a wet method is used, a binder is included in the positive electrode layer so that the active materials are bound to each other, or the active material and a material other than the active material (electrolyte particles and conductive aid). Also good. As such a binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), or the like can be used.

(固体電解質層)
固体電解質層(SE層)15は、硫化物で構成されるリチウムイオン伝導体である。このSE層15は、リチウムイオン伝導度(20℃)が10-5S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.999以上であることが好ましい。特に、リチウムイオン伝導度が10-4S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.9999以上であることが好ましい。また、SE層15は、電子伝導率が10-8S/cm以下であることが好ましい。SE層15の材質としては、硫化物、例えば、Li、P、S、OからなるLi-P-S-Oや、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sのアモルファス膜あるいは多結晶膜などで構成することが好ましい。特に、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sで構成したSE層とすると、このSE層と負活物質層との間の界面抵抗値を低下させることができ、その結果、電池の性能を向上させることができる。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer (SE layer) 15 is a lithium ion conductor made of sulfide. The SE layer 15 preferably has a lithium ion conductivity (20 ° C.) of 10 −5 S / cm or more and a lithium ion transport number of 0.999 or more. In particular, the lithium ion conductivity is preferably 10 −4 S / cm or more and the lithium ion transport number is preferably 0.9999 or more. The SE layer 15 preferably has an electronic conductivity of 10 −8 S / cm or less. Examples of the material of the SE layer 15 include sulfides such as Li-PSO composed of Li, P, S, and O, and Li-PS amorphous film or polycrystalline film composed of Li 2 S and P 2 S 5. It is preferable to configure. In particular, when the SE layer is composed of Li-PS composed of Li 2 S and P 2 S 5 , the interface resistance value between the SE layer and the negative active material layer can be reduced. Performance can be improved.

SE層15の形成方法としては、固相法や気相堆積法を使用することができる。固相法としては、例えば、メカニカルミリング法を使用して原料粉末を作製し、この原料粉末をプレス成型して形成することが挙げられる。一方、気相堆積法としては、例えば、PVD法、CVD法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。気相堆積法によりSE層を形成した場合、固相法によりSE層を形成した場合よりも、SE層の厚さを薄くすることができる。   As a method for forming the SE layer 15, a solid phase method or a vapor deposition method can be used. Examples of the solid phase method include forming a raw material powder using a mechanical milling method and press forming the raw material powder. On the other hand, examples of the vapor deposition method include a PVD method and a CVD method. Specifically, examples of the PVD method include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a laser ablation method, and examples of the CVD method include a thermal CVD method and a plasma CVD method. When the SE layer is formed by the vapor deposition method, the thickness of the SE layer can be made thinner than when the SE layer is formed by the solid phase method.

(負極集電体層)
負極集電体層12は、負極層14の上に形成される金属膜である。負極集電体層12としては、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が好適に利用できる。なお、負極集電体層12も、正極集電体層11の場合と同様に、PVD法やCVD法で形成することができる。
(Negative electrode current collector layer)
The negative electrode current collector layer 12 is a metal film formed on the negative electrode layer 14. As the negative electrode current collector layer 12, one selected from copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and alloys thereof can be suitably used. The negative electrode current collector layer 12 can also be formed by a PVD method or a CVD method as in the case of the positive electrode current collector layer 11.

(負極層)
負極層14は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。例えば、負極層14として、Li金属及びLi金属と合金を形成することのできる元素よりなる群より選ばれる1つ、若しくはこれらの混合物又は合金が好適に使用できる。Liと合金を形成することのできる金属としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、及びインジウム(In)よりなる群より選ばれる少なくとも一つ(以下、合金化材料という)が良い。このような元素を含有した負極層は、負極層自体に集電体としての機能を持たせることができ、かつリチウムイオンの吸蔵・放出能力が高く好ましい。
(Negative electrode layer)
The negative electrode layer 14 is composed of a layer containing an active material that occludes and releases lithium ions. For example, as the negative electrode layer 14, one selected from the group consisting of Li metal and an element capable of forming an alloy with Li metal, or a mixture or alloy thereof can be suitably used. The metal capable of forming an alloy with Li is at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), silicon (Si), tin (Sn), bismuth (Bi), and indium (In) (hereinafter, referred to as “metal”). Alloyed material). A negative electrode layer containing such an element is preferable because the negative electrode layer itself can have a function as a current collector and has a high ability to occlude and release lithium ions.

上述した負極層14の形成方法は、気相堆積法を利用できる。その他、金属箔をSE層の上に重ねて、プレスあるいは電気化学的手法によりSE層上に密着させ、負極層を形成しても良い。   A vapor phase deposition method can be used as the method for forming the negative electrode layer 14 described above. In addition, a negative electrode layer may be formed by stacking a metal foil on the SE layer and closely contacting the SE layer with a press or an electrochemical technique.

≪リチウム電池の製造方法≫
リチウム電池を製造するには、各層を支持する基板を兼ねる正極集電体層11の上に、正極層13、SE層15、負極層14、負極集電体層12の順に積層することで作製する。また、正極集電体層11、正極層13およびSE層15を積層した積層体を作製すると共に、この積層体とは別個に負極集電体層12と負極層14とからなる積層体を作製し、これら二つの積層体を重ね合わせることでリチウム電池1を作製しても良い。
≪Method of manufacturing lithium battery≫
To manufacture a lithium battery, the positive electrode layer 13, the SE layer 15, the negative electrode layer 14, and the negative electrode current collector layer 12 are stacked in this order on the positive electrode current collector layer 11 that also serves as a substrate that supports each layer. To do. In addition, a laminated body in which the positive electrode current collector layer 11, the positive electrode layer 13, and the SE layer 15 are laminated, and a laminated body including the negative electrode current collector layer 12 and the negative electrode layer 14 is produced separately from the laminated body. Then, the lithium battery 1 may be manufactured by superimposing these two laminates.

以下、実施形態において説明した構成のコインセル型のリチウム電池(試料1〜5、11〜15、101)を実際に作製し、電池の内部抵抗(Ωcm2)と容量(μAh)を測定することで、電池の性能を評価した。 Hereinafter, by actually producing coin cell type lithium batteries (samples 1-5, 11-15, 101) having the configuration described in the embodiment, and measuring the internal resistance (Ωcm 2 ) and capacity (μAh) of the battery The battery performance was evaluated.

<試料1>
≪材料の準備≫
まず、硫化リチウム(Li2S)及び五硫化リン(P2S5)を原料とし、メカニカルミリング法で硫化物粒子を作製した。硫化物粒子のリチウムイオン伝導度は5×10-4S/cmであった。
<Sample 1>
≪Material preparation≫
First, sulfide particles were prepared by mechanical milling using lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) as raw materials. The lithium ion conductivity of the sulfide particles was 5 × 10 −4 S / cm.

正極集電体として、厚さ0.5mmのSUS316Lからなる薄板を用意した。この薄板は、電池の各層を支持する基材の役割も兼ねる。   A thin plate made of SUS316L having a thickness of 0.5 mm was prepared as a positive electrode current collector. This thin plate also serves as a base material for supporting each layer of the battery.

正極層の活物質として、平均粒径8μmの結晶質のニッケル酸リチウムの粉末を用意した。このニッケル酸リチウムの粉末と硫化物粒子とを、質量比70:30の比で乳鉢を用いて混合し、正極材料を作製した。ニッケル酸リチウムにはアルミニウムとコバルトが添加されており、アルミニウムの含有量は、1.5質量%、コバルトの含有量は9質量%であった。   As an active material for the positive electrode layer, crystalline lithium nickelate powder having an average particle diameter of 8 μm was prepared. The lithium nickelate powder and sulfide particles were mixed at a mass ratio of 70:30 using a mortar to produce a positive electrode material. Aluminum and cobalt were added to lithium nickelate, and the aluminum content was 1.5% by mass and the cobalt content was 9% by mass.

負極層として、インジウム箔を用意した。インジウム箔の厚さは100μmであった。   An indium foil was prepared as the negative electrode layer. The thickness of the indium foil was 100 μm.

≪電池の作製≫
内径10mmの金型の底に金型の内径に一致する外径を有する正極集電体を配置し、その上に20mgの正極材料、50mgの硫化物粒子、インジウム箔の順に積層し、プレスすることで全固体型のリチウム電池を作製した。プレスの際の圧力はおよそ500MPaとした。
≪Battery fabrication≫
A positive electrode current collector having an outer diameter corresponding to the inner diameter of the mold is placed at the bottom of the mold having an inner diameter of 10 mm, and 20 mg of the positive electrode material, 50 mg of sulfide particles, and indium foil are laminated in this order and pressed. Thus, an all solid-state lithium battery was produced. The pressure during pressing was approximately 500 MPa.

最後に、積層体の外周を外装材で覆ってリチウム電池を作製した。リチウム電池は、集電体から端子を取れるようにしてある。   Finally, the outer periphery of the laminate was covered with an exterior material to produce a lithium battery. The lithium battery is designed to have a terminal from the current collector.

<試料2〜5>
試料2〜5では、試料1のリチウム電池とは正極層の組成が異なるリチウム電池を作製した。試料2は、正極層にアルミニウムのみを添加し、その含有量が0.5質量%、試料3は、正極層にアルミニウムのみを添加し、その含有量が5質量%であった。また、試料4は、正極層にコバルトのみを添加し、その含有量が5質量%、試料5は、正極層にコバルトのみを添加し、その含有量が20質量%であった。これら試料2〜5は、正極層以外の層の組成や膜厚、各層の形成方法などは試料1と同様である。
<Samples 2-5>
In Samples 2 to 5, lithium batteries having a positive electrode layer composition different from that of Sample 1 were prepared. In sample 2, only aluminum was added to the positive electrode layer, and the content was 0.5% by mass. In sample 3, only aluminum was added to the positive electrode layer, and the content was 5% by mass. Sample 4 added only cobalt to the positive electrode layer, and its content was 5 mass%. Sample 5 added only cobalt to the positive electrode layer, and its content was 20 mass%. In Samples 2 to 5, the composition and thickness of layers other than the positive electrode layer, the formation method of each layer, and the like are the same as Sample 1.

<試料11>
試料11では、正極層に意図的にアルミニウムとコバルトを添加しなかったリチウム電池を作成した。正極層以外の構成は試料1と同様である。
<Sample 11>
In Sample 11, a lithium battery was prepared in which aluminum and cobalt were not intentionally added to the positive electrode layer. The configuration other than the positive electrode layer is the same as that of Sample 1.

<試料12〜15>
試料12では、正極層におけるアルミニウム含有量を0.4質量%としたリチウム電池、試料13では、アルミニウム含有量を10質量%としたリチウム電池を作製した。また、試料14では、正極層におけるコバルト含有量を4質量%としたリチウム電池を、試料15では、コバルト含有量を25質量%としたリチウム電池を作製した。
<Samples 12-15>
Sample 12 was a lithium battery with an aluminum content of 0.4% by mass in the positive electrode layer, and sample 13 was a lithium battery with an aluminum content of 10% by mass. In Sample 14, a lithium battery having a cobalt content of 4% by mass in the positive electrode layer was prepared. In Sample 15, a lithium battery having a cobalt content of 25% by mass was prepared.

<試料101>
試料101では、正極材料の準備の際にニッケル酸リチウム粉末の代わりにコバルト酸リチウム粉末を用いた従来のリチウム電池を作製した。この点以外は、試料11と同様である。
<Sample 101>
For sample 101, a conventional lithium battery using lithium cobaltate powder instead of lithium nickelate powder was prepared during the preparation of the positive electrode material. Except this point, it is the same as Sample 11.

上述した試料1〜5、11〜15、101のリチウム電池を使用して、充放電試験を実施し、各リチウム電池の容量(μAh)を測定した。試験条件は、充電上限電圧3.7V、放電下限電圧2.0V、充放電電流0.05mAとした。また、交流インピーダンス法により、各電池の内部抵抗(Ωcm2)を測定した。これら測定の結果を表1に示す。 Using the lithium batteries of Samples 1 to 5, 11 to 15, and 101 described above, a charge / discharge test was performed, and the capacity (μAh) of each lithium battery was measured. The test conditions were a charge upper limit voltage of 3.7 V, a discharge lower limit voltage of 2.0 V, and a charge / discharge current of 0.05 mA. Further, the internal resistance (Ωcm 2 ) of each battery was measured by an AC impedance method. The results of these measurements are shown in Table 1.

Figure 0005187502
Figure 0005187502

表1の結果から明らかなように、硫化物系のSE層を備える電池において、正極活物質をニッケル酸リチウムで構成した試料11は、正極活物質をコバルト酸リチウムで構成した試料101よりも容量が高く、内部抵抗が小さかった。また、ニッケル酸リチウムを活物質とする正極層にアルミニウムやコバルトを所定量添加した試料1〜5は、試料11よりもさらに容量が高く、内部抵抗が小さかった。さらに、正極層に含有されるアルミニウムやコバルトの量が所定範囲からはずれている試料12〜15は、試料1〜5に比べて総合的な電池性能に劣るものの、正極活物質をコバルト酸リチウムで構成した試料101よりも電池性能に優れていた。   As is clear from the results in Table 1, in the battery having a sulfide-based SE layer, the sample 11 in which the positive electrode active material is composed of lithium nickelate has a capacity higher than that of the sample 101 in which the positive electrode active material is composed of lithium cobalt oxide. The internal resistance was small. Samples 1 to 5 in which a predetermined amount of aluminum or cobalt was added to the positive electrode layer using lithium nickelate as an active material had a higher capacity and a lower internal resistance than sample 11. Further, Samples 12 to 15 in which the amount of aluminum or cobalt contained in the positive electrode layer is out of the predetermined range are inferior in overall battery performance compared to Samples 1 to 5, but the positive electrode active material is lithium cobaltate. The battery performance was superior to that of the constructed sample 101.

なお、本発明の実施形態は、上述したものに限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   The embodiments of the present invention are not limited to those described above, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.

本発明リチウム電池は、携帯機器などの電源として好適に利用することができる。   The lithium battery of the present invention can be suitably used as a power source for portable devices and the like.

完全積層構造の本発明リチウム電池の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of this invention lithium battery of a perfect laminated structure.

符号の説明Explanation of symbols

1 リチウム電池
11 正極集電体層 12 負極集電体層
13 正極層 14 負極層
15 固体電解質層(SE層)
1 Lithium battery
11 Positive electrode current collector layer 12 Negative electrode current collector layer
13 Positive electrode layer 14 Negative electrode layer
15 Solid electrolyte layer (SE layer)

Claims (4)

正極層と、負極層と、これら両層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する硫化物固体電解質層とを具えるリチウム電池であって、
前記正極層は、正極活物質粒子と、固体電解質粒子と、を含み、
前記正極活物質粒子は、0.5質量%〜5質量%のアルミニウムおよび5質量%〜20質量%のコバルトの少なくとも一種以上を含有する結晶質のニッケル酸リチウムで、その平均粒径が3〜10μmであることを特徴とするリチウム電池。
A lithium battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a sulfide solid electrolyte layer that mediates conduction of lithium ions between the two layers,
The positive electrode layer includes positive electrode active material particles and solid electrolyte particles,
The positive active material particles with crystalline lithium nickelate containing at least one or more kinds of 0.5% to 5% by weight of aluminum and 5% to 20% by weight cobalt, an average particle diameter of 3 to A lithium battery having a thickness of 10 μm .
前記硫化物固体電解質層は、LiS−Pを含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム電池。 The lithium battery according to claim 1, wherein the sulfide solid electrolyte layer includes Li 2 S—P 2 S 5 . 前記正極活物質粒子は、アルミニウムおよびコバルトの両方を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム電池。The lithium battery according to claim 1 or 2, wherein the positive electrode active material particles contain both aluminum and cobalt. 前記硫化物固体電解質層は、気相堆積法によって形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム電池。The lithium battery according to claim 1, wherein the sulfide solid electrolyte layer is formed by a vapor deposition method.
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