JP5197918B2 - All-solid lithium ion secondary battery and solid electrolyte - Google Patents
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Description
この発明は、主としてリチウムイオン二次電池に好適な固体電解質およびこの固体電解質を備えたリチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte suitable mainly for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery equipped with the solid electrolyte.
従来から、リチウムイオン二次電池における電解質としては、一般に非水系の電解液をセパレータと称される微多孔膜に含浸させた電解質が使用されていたが、近年、このような液体が中心の電解質に替わり、高分子で構成されたポリマー電解質を用いたリチウムイオン二次電池(ポリマー電池)が注目されるようになってきた。
このポリマー電池は、ポリマー中に液体の電解液を含浸させたゲル状の電解質を使用しており、ポリマー中に電解液が保持されるため、漏液がしにくいため、電池の安全性が向上し、また電池の形状にも自由性があること等の利点があった。
Conventionally, as an electrolyte in a lithium ion secondary battery, an electrolyte obtained by impregnating a microporous membrane called a separator with a nonaqueous electrolytic solution has been used, but in recent years, such a liquid is mainly used as an electrolyte. Instead, lithium ion secondary batteries (polymer batteries) using polymer electrolytes composed of polymers have been attracting attention.
This polymer battery uses a gel electrolyte in which a liquid electrolyte is impregnated in a polymer, and since the electrolyte is retained in the polymer, it is difficult to leak, thus improving battery safety. In addition, there are advantages such as freedom in the shape of the battery.
ここで、このようなポリマー電解質は電解液のみに比べ、リチウムイオンの導電性が低いため、このポリマー電解質の厚みを薄くすることが行なわれるようになった。しかし、このようにポリマー電解質を薄くした場合その機械的強度が低くなって、電池の作製時にこのポリマー電解質が破壊され、正極と負極とが短絡し易いという問題があった。 Here, since such a polymer electrolyte has lower conductivity of lithium ions than the electrolytic solution alone, the thickness of the polymer electrolyte has been reduced. However, when the polymer electrolyte is made thin in this way, its mechanical strength is lowered, and this polymer electrolyte is destroyed at the time of producing a battery, so that there is a problem that the positive electrode and the negative electrode are easily short-circuited.
そこで、従来においては、特許文献1に示されるように、電解質中にアルミナ等の無機酸化物を添加して固体電解質とし、機械的強度を向上させることが提案された。アルミナ以外にもシリカやアルミン酸リチウム等の無機酸化物が提案されている。
Therefore, conventionally, as disclosed in
しかし、アルミナ等の無機酸化物を電解質中に添加させると、固体電解質におけるリチウムイオンの導電性が大きく低下する問題がある。またこの固体電解質を備えたリチウム二次電池において充放電を繰り返して行なうと、電解質と上記の無機酸化物とが反応して、リチウム二次電池における充放電サイクル特性が大きく低下してしまうなど問題があった。 However, when an inorganic oxide such as alumina is added to the electrolyte, there is a problem that the conductivity of lithium ions in the solid electrolyte is greatly reduced. In addition, if charging / discharging is repeated in a lithium secondary battery equipped with this solid electrolyte, the electrolyte reacts with the inorganic oxide, and the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery are greatly reduced. was there.
また、ポリマー固体電解質を含むリチウムイオン二次電池は、ポリマーの特性上、温度変化による熱膨張や収縮、イオン伝導度の急激な変化が避けられない。そのためこのようなポリマー固体電解質を含むリチウムイオン二次電池は、耐熱温度が低く、広い温度範囲において使用することが不可能であった。
この発明は、全固体型のリチウムイオン二次電池において、耐熱温度が高く、広い温度範囲にて使用する事ができ、電池容量も高く、また充放電サイクル特性も良好で、長期的に安定して使用できる固体電解質または全固体型リチウム二次電池を提供することを課題とするものである。 This invention is an all-solid-state lithium ion secondary battery that has a high heat resistance, can be used in a wide temperature range, has a high battery capacity, good charge / discharge cycle characteristics, and is stable over the long term. It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte or an all solid lithium secondary battery that can be used.
本発明者は、上記課題を解決するためには、電池の安全性の観点から固体電解質中に電解液を含まない事、さらに耐熱温度向上の観点から固体電解質中に有機物を含まない構成とすることが重要であることを見いだした。さらに、このような条件のもとでも優れた実用性を有する固体電解質、リチウムイオン二次電池の構成について鋭意試験研究を行った結果、固体電解質中に特定の組成のリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質、特にリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含むこと、またはその様な固体電解質を利用した二次電池の正極および/または負極においても特定の組成のリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質、特にリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有させることによって、従来の全固体電解質型電池と比べて、耐熱温度が高く、広い温度範囲にて使用する事ができ、電池容量も高く、また充放電サイクル特性も良好で、長期的に安定して使用できる固体電解質または全固体型リチウム二次電池が得られることを見いだしたものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor does not include an electrolyte in the solid electrolyte from the viewpoint of battery safety, and further does not include an organic substance in the solid electrolyte from the viewpoint of improving the heat-resistant temperature. I found it important. Furthermore, as a result of intensive studies and research on the configuration of solid electrolytes and lithium ion secondary batteries having excellent practicality under such conditions, lithium ion conductive crystals of a specific composition were found in the solid electrolytes. An inorganic substance containing lithium ion conductive glass ceramics, or an inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal having a specific composition also in the positive electrode and / or negative electrode of a secondary battery using such a solid electrolyte, In particular, by including lithium ion conductive glass ceramics, it has higher heat resistance, can be used in a wide temperature range, and has a high battery capacity and charge / discharge cycle characteristics compared to conventional all solid electrolyte batteries. Found that a solid electrolyte or an all-solid-state lithium secondary battery that can be used stably for a long period of time is obtained. Those were.
すなわち、本発明の第1の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質を含有し、有機物、電解液を含まないことを特徴とする固体電解質である。 That is, the first configuration of the present invention is a solid electrolyte characterized in that it contains an inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal and does not contain an organic substance or an electrolytic solution.
本発明の第2の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質が、イオン伝導を阻害する空孔または結晶粒界を含まない事を特徴とする本発明の第1の構成の固体電解質である。 According to a second configuration of the present invention, the solid electrolyte of the first configuration of the present invention is characterized in that the inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal does not contain vacancies or crystal grain boundaries that inhibit ion conduction. It is.
ここで、本明細書においてイオン伝導を阻害する空孔または結晶粒界とは、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質全体の伝導度を該無機物質中のリチウムイオン伝導性結晶そのものの伝導度に対し、1/10以下へ減少させる空孔や結晶粒界等のイオン伝導性阻害因子をさす。 Here, in this specification, the vacancy or grain boundary that inhibits ion conduction refers to the conductivity of the entire inorganic substance including lithium ion conductive crystals, and the conductivity of the lithium ion conductive crystal itself in the inorganic substance. On the other hand, it refers to ionic conductivity inhibiting factors such as vacancies and grain boundaries that are reduced to 1/10 or less.
本発明の第3の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質がリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスである本発明の第1または2のいずれかの構成の固体電解質である。 A third configuration of the present invention is the solid electrolyte according to the first or second configuration of the present invention, wherein the inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal is a lithium ion conductive glass ceramic.
本発明の第4の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質粉体またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉体と、Liを含む無機化合物を含有することを特徴とする本発明の第1から3のいずれかの構成の固体電解質である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an inorganic substance powder or lithium ion conductive glass ceramic powder containing lithium ion conductive crystals, and an inorganic compound containing Li. To 3. A solid electrolyte having any one of the constitutions 3 to 3.
本発明の第5の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質粉体またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉体は、10−4Scm−1以上のイオン伝導度を有し、平均粒径が9μm以下であり、固体電解質中に50〜95質量%含有されることを特徴とする本発明の第4の構成の固体電解質である。 In the fifth configuration of the present invention, the inorganic substance powder or lithium ion conductive glass ceramic powder containing lithium ion conductive crystals has an ion conductivity of 10 −4 Scm −1 or more, and an average particle size Is 9 μm or less, and is contained in the solid electrolyte in an amount of 50 to 95% by mass.
本発明の第6の構成は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが薄板状であることを特徴とする本発明の第3の構成の固体電解質である。 A sixth configuration of the present invention is the solid electrolyte of the third configuration of the present invention, characterized in that the lithium ion conductive glass ceramic is in a thin plate shape.
本発明の第7の構成は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの厚さが15μm〜200μmであることを特徴とする本発明の第6の構成の固体電解質である。 The seventh configuration of the present invention is the solid electrolyte of the sixth configuration of the present invention, wherein the lithium ion conductive glass ceramic has a thickness of 15 μm to 200 μm.
本発明の第8の構成は、イオン伝導度が10−5Scm−1以上であることを特徴とする本発明の第1から7のいずれかの構成の固体電解質である。 An eighth configuration of the present invention is the solid electrolyte according to any one of the first to seventh configurations of the present invention, wherein the ionic conductivity is 10 −5 Scm −1 or more.
本発明の第9の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、主結晶相がLi1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12ただし、0≦x≦1、0≦y≦1であることを特徴とする本発明の第1から8のいずれかの構成の固体電解質である。 According to a ninth configuration of the present invention, an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or a lithium ion conductive glass ceramic has a main crystal phase of Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 , The solid electrolyte according to any one of the first to eighth aspects of the present invention, wherein 0 ≦ x ≦ 1 and 0 ≦ y ≦ 1.
本発明の第10の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、mol%表示で、
Li2O:12〜18%、および
Al2O3+Ga2O3:5〜10%、および
TiO2+GeO2:35〜45%、および
SiO2:1〜10%、および
P2O5:30〜40%
の各成分を含有することを特徴とする本発明の第1から9のいずれかの構成の固体電解質である。
In the tenth configuration of the present invention, an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or lithium ion conductive glass ceramics is expressed in mol%.
Li 2 O: 12~18%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 5~10%, and TiO 2 + GeO 2: 35~45% , and
The solid electrolyte according to any one of the first to ninth aspects of the present invention is characterized by containing the following components.
本発明の第11の構成は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、質量%表示で、
Li2O:3〜10%、および
Al2O3+Ga2O3:5〜20%、および
TiO2+GeO2:25〜40%、および
SiO2:0.5〜8%、および
P2O5:40〜55%
の各成分を含有することを特徴とする本発明の第1から9のいずれかの構成の固体電解質である。
In an eleventh configuration of the present invention, the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic is represented by mass%,
Li 2 O: 3~10%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 5~20%, and TiO 2 + GeO 2: 25~40% , and SiO 2: 0.5~8%, and P 2 O 5 : 40-55%
The solid electrolyte according to any one of the first to ninth aspects of the present invention is characterized by containing the following components.
本発明の第12の構成は、本発明の第1から11のいずれかの構成の固体電解質を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池である。 A twelfth configuration of the present invention is a lithium ion secondary battery comprising the solid electrolyte according to any one of the first to eleventh configurations of the present invention.
本発明の第13の構成は、正極および/または負極にリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質を含有することを特徴とする本発明の第12の構成のリチウムイオン二次電池である。 A thirteenth configuration of the present invention is the lithium ion secondary battery according to the twelfth configuration of the present invention, wherein the positive electrode and / or the negative electrode contains an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals.
本発明の第14の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質が、イオン伝導を阻害する空孔または結晶粒界を含まない事を特徴とする本発明の第13の構成のリチウムイオン二次電池である。 According to a fourteenth aspect of the present invention, the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals contained in the positive electrode and / or the negative electrode does not contain vacancies or crystal grain boundaries that inhibit ion conduction. This is a lithium ion secondary battery having the thirteenth configuration.
本発明の第15の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質がリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスであることを特徴とする本発明の第13または14のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in any one of the thirteenth and fourteenth aspects of the present invention, the inorganic substance containing a lithium ion conductive crystal contained in the positive electrode and / or the negative electrode is a lithium ion conductive glass ceramic. This is a lithium ion secondary battery having such a configuration.
本発明の第16の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの平均粒径は、該リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含む正極および/または負極の活物質の平均粒径の1/5以下であることを特徴とする本発明の第13から15のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。 According to a sixteenth configuration of the present invention, the average particle diameter of the inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramic containing lithium ion conductive crystals contained in the positive electrode and / or the negative electrode is inorganic containing the lithium ion conductive crystals. The lithium ion secondary material according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects of the present invention, characterized in that the average particle diameter of the active material of the positive electrode and / or negative electrode containing the material or lithium ion conductive glass ceramics is 1/5 or less. Next battery.
本発明の第17の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの含有量は、含まれる正極および/または負極の活物質に対して2〜35質量%であることを特徴とする本発明の第13から16のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。 According to a seventeenth configuration of the present invention, the content of the inorganic material or lithium ion conductive glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal contained in the positive electrode and / or the negative electrode depends on the positive electrode and / or negative electrode active material contained therein. The lithium ion secondary battery according to any one of the thirteenth to sixteenth aspects of the present invention is characterized by being 2 to 35% by mass.
本発明の第18の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、mol%表示で、
Li2O:12〜18%、および
Al2O3+Ga2O3:5〜10%、および
TiO2+GeO2:35〜45%、および
SiO2:1〜10%、および
P2O5:30〜40%
の各成分を含有することを特徴とする本発明の第13から17のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。
According to an eighteenth configuration of the present invention, an inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal contained in a positive electrode and / or a negative electrode is expressed in mol%,
Li 2 O: 12~18%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 5~10%, and TiO 2 + GeO 2: 35~45% , and
The lithium ion secondary battery according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects of the present invention is characterized by containing the following components.
本発明の第19の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、質量%表示で、
Li2O:3〜10%、および
Al2O3+Ga2O3:5〜20%、および
TiO2+GeO2:25〜40%、および
SiO2:0.5〜8%、および
P2O5:40〜55%
の各成分を含有することを特徴とする本発明の第13から17のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。
According to a nineteenth configuration of the present invention, an inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal contained in a positive electrode and / or a negative electrode is represented by mass%,
Li 2 O: 3~10%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 5~20%, and TiO 2 + GeO 2: 25~40% , and SiO 2: 0.5~8%, and P 2 O 5 : 40-55%
The lithium ion secondary battery according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects of the present invention is characterized by containing the following components.
本発明の第20の構成は、正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、主結晶相がLi1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴とする本発明の第13から19のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。 In a twentieth configuration of the present invention, an inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal contained in a positive electrode and / or a negative electrode has a main crystal phase of Li 1 + x + y Al x Ti 2−x Si y. The lithium ion secondary battery according to any one of the thirteenth to nineteenth aspects of the present invention, wherein P 3−y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
本発明の第21の構成は、固体電解質に含有されるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスと同じ無機物質またはガラスセラミックスを正極および/または負極に含有することを特徴とする本発明の第13から17のいずれかの構成のリチウムイオン二次電池である。 According to a twenty-first configuration of the present invention, the positive electrode and / or the negative electrode contains the same inorganic substance or glass ceramic as the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or lithium ion conductive glass ceramic contained in the solid electrolyte. The lithium ion secondary battery according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects of the present invention is characterized.
本発明の構成について詳細に説明する。
本発明の固体電解質は有機物および電解液を含まない。このような構成とすることによって、電解液の漏液による危険を回避することができる。また、温度変化による熱膨張・収縮が少なくかつ伝導度の急激な変化がなくなり、耐熱温度が高くなるため広い温度範囲において良好に使用することが可能となる。
The configuration of the present invention will be described in detail.
The solid electrolyte of the present invention does not contain organic matter and electrolyte. By setting it as such a structure, the danger by the electrolyte leakage can be avoided. In addition, thermal expansion / contraction due to temperature change is small, there is no sudden change in conductivity, and the heat-resistant temperature becomes high, so that it can be used well in a wide temperature range.
従って、本発明の固体電解質に含有されるリチウムイオン伝導性物質は無機物質であることが好ましく、結晶の粒子間や結晶中に空孔が殆ど無い材料が得られ、良好なイオン伝導度を示すことから、この無機物質は特にガラスセラミックスが好ましい。 Therefore, the lithium ion conductive substance contained in the solid electrolyte of the present invention is preferably an inorganic substance, and a material having almost no vacancies between crystal grains or in the crystal is obtained, and exhibits good ionic conductivity. Therefore, this inorganic substance is particularly preferably glass ceramics.
ここで、本発明において有機物および電解液を含まないとは、人為的に意図して含有させないことを意味し、不純物として混入される場合または、製造の工程で含有させるがその後の工程で除去する時に、意図せず少量残存する場合を含む。 Here, in the present invention, not containing organic substances and electrolyte means that it is not intentionally contained, and when it is mixed as an impurity or contained in a manufacturing process, it is removed in a subsequent process. In some cases, a small amount remains unintentionally.
本明細書において、ガラスセラミックスとは、ガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる材料であり、非晶質固体と結晶から成る材料をいう。また、ガラスセラミックスとは、結晶の粒子間や結晶中に空孔が殆ど無ければガラス相すべてを結晶相に相転移させた材料、すなわち、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものも含む。一般に言われるセラミックスや焼結体はその製造工程上、結晶の粒子間や結晶中の空孔や結晶粒界の存在が避けられず、ガラスセラミックスとは区別することができる。
特にイオン伝導に関しては、セラミックスの場合は空孔や結晶粒界の存在により、結晶粒子自体の伝導度よりもかなり低い値となってしまう。ガラスセラミックスは結晶化工程の制御により結晶間の伝導度の低下を抑えることができ、結晶粒子と同程度の伝導度を保つことができる。
In this specification, the glass ceramic is a material obtained by precipitating a crystal phase in a glass phase by heat-treating glass, and means a material composed of an amorphous solid and a crystal. Glass ceramic is a material in which the entire glass phase is phase-transformed into a crystal phase if there are almost no vacancies between crystal grains or in the crystal, that is, the crystal amount (crystallinity) in the material is 100% by mass. Also included. Generally speaking, ceramics and sintered bodies are inevitably present in the production process between crystal grains and in the presence of vacancies and crystal grain boundaries in crystals, and can be distinguished from glass ceramics.
In particular, with regard to ionic conduction, in the case of ceramics, due to the presence of vacancies and crystal grain boundaries, the value is considerably lower than the conductivity of the crystal grains themselves. Glass ceramics can suppress a decrease in conductivity between crystals by controlling the crystallization process, and can maintain the same conductivity as crystal grains.
上述の通り、ガラスセラミックスはその製造上結晶の粒子間や結晶中にイオン伝導を阻害する空孔や結晶粒界がない為、一般に言われるセラミックや焼結体と比較して、良好なイオン伝導度を示す。 As described above, glass ceramics have better ionic conductivity than ceramics and sintered bodies, which are generally referred to, because there are no vacancies or grain boundaries that impede ionic conduction between the crystal grains or in the crystals. Degrees.
本発明のリチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有した固体電解質は、電池として使用した場合、薄い方がリチウムイオンの移動距離が短いため高出力の電池が得られ、また単位体積当りの電極面積が広く確保できるため高容量の電池が得られる。そこで、固体電解質として用いるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉体を含有した固体電解質の厚さは60μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、40μm以下が最も好ましい。固体電解質をガラスセラミックスの薄板とした場合はこの薄板の厚さが固体電解質の厚さとなり、固体電解質の厚さは200μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が最も好ましい。 When the solid electrolyte containing an inorganic substance having lithium ion conductive crystals or a lithium ion conductive glass ceramic of the present invention is used as a battery, a thin battery has a shorter lithium ion transfer distance, and thus a high output battery can be obtained. In addition, since a large electrode area per unit volume can be secured, a high-capacity battery can be obtained. Therefore, the thickness of the solid electrolyte containing lithium ion conductive glass ceramic powder used as the solid electrolyte is preferably 60 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 40 μm or less. When the solid electrolyte is a glass ceramic thin plate, the thickness of the thin plate becomes the thickness of the solid electrolyte, and the thickness of the solid electrolyte is preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, and most preferably 100 μm or less.
しかし、過度に薄いと固体電解質の機械的強度が低下し、運搬時、電池製造時等に固体電解質のみを取り扱うことが困難になり、実際の工業的な電池製造においては好ましくない。したがって、前記の観点から固体電解質の厚さは15μm以上が好ましく、20μm以上である事がより好ましく、25μm以上であることが最も好ましい。 However, if the thickness is excessively thin, the mechanical strength of the solid electrolyte is lowered, and it becomes difficult to handle only the solid electrolyte during transportation, battery production, etc., which is not preferable in actual industrial battery production. Therefore, from the above viewpoint, the thickness of the solid electrolyte is preferably 15 μm or more, more preferably 20 μm or more, and most preferably 25 μm or more.
リチウム二次電池の充放電時におけるリチウムイオンの移動性は、電解質のリチウムイオン伝導度およびリチウムイオン輸率に依存する。したがって、固体電解質並びに、正極および/または負極に含有される、リチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスのイオン伝導度は、1×10−4S・cm−1以上であることが好ましく、5×10−4S・cm−1以上であることがより好ましく、1×10−3S・cm−1以上であることが最も好ましく、リチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有した固体電解質のイオン伝導度は1×10−5S・cm−1以上であることが好ましく、5×10−5S・cm−1以上であることがより好ましく、1×10−4S・cm−1以上であることが最も好ましい。 The mobility of lithium ions during charging and discharging of a lithium secondary battery depends on the lithium ion conductivity and the lithium ion transport number of the electrolyte. Therefore, the ionic conductivity of the solid electrolyte and the inorganic substance having lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic contained in the positive electrode and / or the negative electrode is 1 × 10 −4 S · cm −1 or more. Preferably, it is 5 × 10 −4 S · cm −1 or more, more preferably 1 × 10 −3 S · cm −1 or more, and has a lithium ion conductive crystal. The ionic conductivity of the solid electrolyte containing an inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramics is preferably 1 × 10 −5 S · cm −1 or more, and preferably 5 × 10 −5 S · cm −1 or more. Is more preferable, and 1 × 10 −4 S · cm −1 or more is most preferable.
一方、本発明の固体電解質に含有させる高いイオン伝導度を有するリチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質粉体またはリチウムイオン伝導性のガラスセラミックス粉体としては、リチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質またはリチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを粉砕したものを使用する。この粉体は、固体電解質中に均一に分散されていることが固体電解質のイオン伝導性、及び機械的強度の点で好ましい。分散性を良好にするため、また固体電解質の厚さを所望のものとするために、粉体の粒径は、平均で9μm以下が好ましく、6μm以下がより好ましく、3μm以下が最も好ましい。 On the other hand, the inorganic substance powder having a lithium ion conductive crystal having high ion conductivity or the lithium ion conductive glass ceramic powder to be contained in the solid electrolyte of the present invention is an inorganic substance having a lithium ion conductive crystal. A material or lithium ion conductive glass ceramic pulverized is used. This powder is preferably dispersed uniformly in the solid electrolyte from the viewpoint of ion conductivity and mechanical strength of the solid electrolyte. In order to improve dispersibility and to obtain a desired solid electrolyte thickness, the average particle size of the powder is preferably 9 μm or less, more preferably 6 μm or less, and most preferably 3 μm or less.
本発明の固体電解質に含有されるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスまたは、本発明のリチウムイオン二次電池の正極および/または負極に含有されるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、母ガラスがLi2O−Al2O3−TiO2−SiO2−P2O5系の組成であり、このガラスを熱処理して結晶化させ、その際の主結晶相がLi1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴としたガラスセラミックスである。良好なイオン伝導度の観点からより好ましくは、0≦x≦0.4、0<y≦0.6、最も好ましくは0.1≦x≦0.3、0.1<y≦0.4である。 The lithium ion conductive glass ceramics contained in the solid electrolyte of the present invention or the lithium ion conductive glass ceramics contained in the positive electrode and / or negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention has a base glass of Li 2 O— Al 2 O 3 —TiO 2 —SiO 2 —P 2 O 5 -based composition, this glass is crystallized by heat treatment, and the main crystal phase at that time is Li 1 + x + y Al x Ti 2−x Si y P 3 a glass ceramics is characterized by a -y O 12 (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1). From the viewpoint of good ionic conductivity, more preferably 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6, most preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.1 <y ≦ 0.4. It is.
本発明の固体電解質に含有されるリチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質または、本発明のリチウムイオン二次電池の正極および/または負極に含有されるリチウムイオン伝導性の結晶を有する無機物質は、主結晶相がLi1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴とする。良好なイオン伝導度の観点からより好ましくは、0≦x≦0.4、0<y≦0.6、最も好ましくは0.1≦x≦0.3、0.1<y≦0.4である。 An inorganic substance having a lithium ion conductive crystal contained in the solid electrolyte of the present invention or an inorganic substance having a lithium ion conductive crystal contained in the positive electrode and / or negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention is the main crystalline phase is characterized by a Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1). From the viewpoint of good ionic conductivity, more preferably 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6, most preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.1 <y ≦ 0.4. It is.
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを構成する各々の成分のmol%で表わされる組成比と効果について具体的に説明する。 The composition ratio and the effect expressed by mol% of each component constituting the lithium ion conductive glass ceramic will be specifically described.
Li2O成分はLi+イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに欠かせない成分である。良好な伝導率を得るためには含有量の下限は12%であることが好ましく、13%であることがより好ましく、14%であることが最も好ましい。上限は18%であることが好ましく、17%であることがより好ましく、16%であることが最も好ましい。 The Li 2 O component is an essential component for providing Li + ion carriers and providing lithium ion conductivity. In order to obtain good conductivity, the lower limit of the content is preferably 12%, more preferably 13%, and most preferably 14%. The upper limit is preferably 18%, more preferably 17%, and most preferably 16%.
Al2O3成分は、母ガラスの熱的な安定を高めることができると同時に、Al3+イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率向上にも効果がある。この効果を得るためには、含有量の下限が5%であることが好ましく、5.5%であることがより好ましく、6%であることが最も好ましい。しかし含有量が10%を超えると、かえってガラスの熱的な安定性が悪くなりガラスセラミックスの伝導率も低下してしまうため、含有量の上限は10%とするのが好ましい。尚、より好ましい含有量の上限は9.5%であり、最も好ましい含有量の上限は9%である。 The Al 2 O 3 component can enhance the thermal stability of the mother glass, and at the same time, Al 3+ ions are dissolved in the crystal phase, and are effective in improving lithium ion conductivity. In order to obtain this effect, the lower limit of the content is preferably 5%, more preferably 5.5%, and most preferably 6%. However, if the content exceeds 10%, the thermal stability of the glass is deteriorated and the conductivity of the glass ceramic is also lowered. Therefore, the upper limit of the content is preferably 10%. In addition, the upper limit of more preferable content is 9.5%, and the upper limit of the most preferable content is 9%.
TiO2成分およびGe2O3成分はガラスの形成に寄与し,また前記結晶相の構成成分でもあり,ガラスにおいても前記結晶においても両者が連続的に置換しあうことが可能である。ガラス化するために少なくともどちらかを含まなければならないが、前記の結晶相が主相としてガラスから析出し高い伝導率を得るためには、両成分の合計の含有量の下限が35%であることが好ましく、36%であることがより好ましく、37%であることが最も好ましい。また両成分の合計の含有量の上限は45%であることが好ましく、43%であることがより好ましく、42%であることが最も好ましい。 The TiO 2 component and the Ge 2 O 3 component contribute to the formation of glass and are also constituents of the crystal phase, and both can be continuously substituted in the glass and the crystal. In order to vitrify, at least one of them must be included. In order to obtain a high conductivity by precipitating the crystal phase as a main phase from the glass, the lower limit of the total content of both components is 35%. Preferably, it is 36%, more preferably 37%. Further, the upper limit of the total content of both components is preferably 45%, more preferably 43%, and most preferably 42%.
SiO2成分は、母ガラスの溶融性および熱的な安定性を高めることができると同時に、Si4+イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率の向上にも寄与する。この効果を十分に得るためには含有量の下限は1%であることが好ましく、2%であることがより好ましく、3%であることが最も好ましい。しかしその含有量が10%を超えると、かえって伝導率が低下してしまうため、含有量の上限は10%とすることが好ましく、8%とすることがより好ましく、7%とすることが最も好ましい。 The SiO 2 component can improve the meltability and thermal stability of the mother glass, and at the same time, Si 4+ ions are dissolved in the crystal phase, contributing to an improvement in lithium ion conductivity. In order to sufficiently obtain this effect, the lower limit of the content is preferably 1%, more preferably 2%, and most preferably 3%. However, if the content exceeds 10%, the conductivity will be lowered. Therefore, the upper limit of the content is preferably 10%, more preferably 8%, and most preferably 7%. preferable.
P2O5成分はガラスの形成に必須の成分であり,また前記結晶相の構成成分でもある。含有量が30%未満であるとガラス化しにくくなるので、含有量の下限は30%であることが好ましく、32%であることがより好ましく、33%であることが最も好ましい。また含有量が40%を越えると前記結晶相がガラスから析出しにくく、所望の特性が得られにくくなるため、含有量の上限は40%とすることが好ましく、39%とすることがより好ましく、38%とすることが最も好ましい。 The P 2 O 5 component is an essential component for the formation of glass, and is also a constituent component of the crystal phase. If the content is less than 30%, vitrification becomes difficult, so the lower limit of the content is preferably 30%, more preferably 32%, and most preferably 33%. Further, if the content exceeds 40%, the crystal phase hardly precipitates from the glass and it becomes difficult to obtain desired characteristics. Therefore, the upper limit of the content is preferably 40%, more preferably 39%. , 38% is most preferable.
上記のmol%で表わされた組成比で得られる効果と同様の効果を得るための質量%で表わされた上記各成分の組成比は以下のようになる。 The composition ratio of each of the above-described components expressed by mass% for obtaining the same effect as that obtained by the composition ratio expressed by mol% is as follows.
Li2O成分は、含有量の下限は3質量%であることが好ましく、4質量%であることがより好ましく、5質量%であることが最も好ましい。上限は10質量%であることが好ましく、9質量%であることがより好ましく、8質量%であることが最も好ましい。 The lower limit of the content of the Li 2 O component is preferably 3% by mass, more preferably 4% by mass, and most preferably 5% by mass. The upper limit is preferably 10% by mass, more preferably 9% by mass, and most preferably 8% by mass.
Al2O3成分は、含有量の下限が5質量%であることが好ましく、6質量%であることがより好ましく、7質量%であることが最も好ましい。含有量の上限は20質量%とするのが好ましい。より好ましい含有量の上限は19質量%であり、最も好ましい含有量の上限は18質量%である。 The lower limit of the content of the Al 2 O 3 component is preferably 5% by mass, more preferably 6% by mass, and most preferably 7% by mass. The upper limit of the content is preferably 20% by mass. A more preferable upper limit of the content is 19% by mass, and a most preferable upper limit of the content is 18% by mass.
TiO2およびGeO2成分は、両成分の合計の含有量の下限が25質量%であることが好ましく、26質量%であることがより好ましく、27質量%であることが最も好ましい。また両成分の合計の含有量の上限は40質量%であることが好ましく、39質量%であることがより好ましく、38質量%であることが最も好ましい。 The lower limit of the total content of both components of the TiO 2 and GeO 2 components is preferably 25% by mass, more preferably 26% by mass, and most preferably 27% by mass. The upper limit of the total content of both components is preferably 40% by mass, more preferably 39% by mass, and most preferably 38% by mass.
SiO2成分は、含有量の下限は0.5質量%であることが好ましく、1質量%であることがより好ましく、2質量%であることが最も好ましい。含有量の上限は8質量%とすることが好ましく、7質量%とすることがより好ましく、6質量%とすることが最も好ましい。 The lower limit of the content of the SiO 2 component is preferably 0.5% by mass, more preferably 1% by mass, and most preferably 2% by mass. The upper limit of the content is preferably 8% by mass, more preferably 7% by mass, and most preferably 6% by mass.
P2O5成分は、含有量の下限は40質量%であることが好ましく、41質量%であることがより好ましく、42質量%であることが最も好ましい。含有量の上限は55質量%とすることが好ましく、54質量%とすることがより好ましく、53質量%とすることが最も好ましい。 The lower limit of the content of the P 2 O 5 component is preferably 40% by mass, more preferably 41% by mass, and most preferably 42% by mass. The upper limit of the content is preferably 55% by mass, more preferably 54% by mass, and most preferably 53% by mass.
上述の組成の場合、溶融ガラスをキャストして容易にガラスを得ることができ、このガラスを熱処理して得られた上記結晶相をもつガラスセラミックスは高いリチウムイオン伝導性を有する。 In the case of the above-mentioned composition, glass can be easily obtained by casting molten glass, and glass ceramics having the crystal phase obtained by heat-treating this glass have high lithium ion conductivity.
また、上記の組成以外にも、類似の結晶構造を有するガラスセラミックスであれば、Al2O3をGa2O3、TiO2をGeO2に一部または全部置換することも可能である。さらに、ガラスセラミックスの製造の際、その融点を下げるまたはガラスの安定性を上げるために、イオン伝導性を下げない範囲で他の原料を微量添加することも可能である。
In addition to the composition of the well, as long as the glass-ceramics having a crystal structure similar to, it is also possible to replace part or all of the Al 2 O 3 and Ga 2 O 3,
固体電解質にリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックス粉体を含有する場合は、Liを含む無機化合物を同時に含有することが好ましい。これはLiを含む無機化合物がバインダーの役割を果たし、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質の粒子またはガラスセラミックス粒子を結合させる働きを持つからである。
Liを含む無機化合物としてはLi3PO4、LiPO3、LiI、LiN、Li2O、Li2O2、LiF等が挙げられる。
特に、これらのLiを含む無機化合物は、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスと混合して焼結させた際に、焼結温度・雰囲気を調整することにより、軟化または溶融させることが可能である。軟化または溶融したLiを含む無機化合物は、ガラスセラミックス粒子の隙間に流れ込み、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスを強固に結合させることが可能である。
When the solid electrolyte contains an inorganic substance or glass ceramic powder containing lithium ion conductive crystals, it is preferable to contain an inorganic compound containing Li simultaneously. This is because an inorganic compound containing Li serves as a binder and serves to bind inorganic particles or glass ceramic particles containing lithium ion conductive crystals.
Examples of the inorganic compound containing Li include Li 3 PO 4 , LiPO 3 , LiI, LiN, Li 2 O, Li 2 O 2 , and LiF.
In particular, these inorganic compounds containing Li are softened or melted by adjusting the sintering temperature / atmosphere when they are mixed and sintered with an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or glass ceramics. It is possible. The softened or melted inorganic compound containing Li flows into the gaps between the glass ceramic particles, and can firmly bond the inorganic substance or glass ceramic containing lithium ion conductive crystals.
ここで、固体電解質中に高いイオン伝導度を有するリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性のガラスセラミックス粉体を含有させる際、その量が少ないと、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスの高いリチウムイオン伝導性が固体電解質にみられない。一方、その量が多くなりすぎるとバインダーとして働く無機物の含有量が少なくなり、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックス−無機物の接着が弱く、上記のリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックス粉体の間におけるリチウムイオンの移動性が悪くなり、また強度も低下する。そこで、本発明の固体電解質中におけるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉体の含有量の下限としては50質量%が好ましく、60質量%がより好ましく、70重量%が最も好ましい。また、上限としては98質量%が好ましく、97質量%がより好ましく、96質量%が最も好ましい。 Here, when an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals having high ion conductivity or lithium ion conductive glass ceramic powder is contained in the solid electrolyte, if the amount is small, the lithium ion conductive crystals High lithium ion conductivity of inorganic substances containing glass or glass ceramics is not observed in solid electrolytes. On the other hand, if the amount is too large, the content of the inorganic substance acting as a binder decreases, the adhesion between the inorganic substance or glass ceramic-inorganic substance including the lithium ion conductive crystal is weak, and the above lithium ion conductive crystal is included. The mobility of lithium ions between inorganic substances or glass ceramic powders is deteriorated, and the strength is also reduced. Therefore, the lower limit of the content of the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic powder in the solid electrolyte of the present invention is preferably 50% by mass, more preferably 60% by mass, and 70% by weight. % Is most preferred. Moreover, as an upper limit, 98 mass% is preferable, 97 mass% is more preferable, and 96 mass% is the most preferable.
本発明のリチウムイオン二次電池の正極は、少なくとも後述の正極活物質を含む構成である。また、正極合材と正極集電体を含む構成であることが好ましい。負極は、少なくとも後述の負極活物質を含む構成である。また、負極合材と負極集電体を含む構成であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池の正極合材および/または負極合材は、活物質と、イオン伝導助剤および/または電子伝導助剤と、それらを固定するバインダーとを含む構成であることが好ましい。
The positive electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention is configured to include at least a positive electrode active material described later. Moreover, it is preferable that it is the structure containing a positive electrode compound material and a positive electrode electrical power collector. The negative electrode includes at least a negative electrode active material described later. Moreover, it is preferable that it is the structure containing a negative electrode compound material and a negative electrode electrical power collector.
The positive electrode mixture and / or the negative electrode mixture of the lithium ion secondary battery of the present invention may include an active material, an ion conduction aid and / or an electron conduction aid, and a binder for fixing them. preferable.
また、正極合材および/または負極合材を作製する際は、溶剤を用いて活物質と伝導助剤、バインダーを単純に混合、乾燥するだけで簡単に作製できる。(本明細書においてはこれを単純混合方法とする。) Moreover, when producing a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture, it can be produced simply by simply mixing and drying an active material, a conductive additive and a binder using a solvent. (In this specification, this is a simple mixing method.)
できる限りイオン伝導助剤の添加量を減らしてより高容量の電池を得るという観点からは、正極合材および/または負極合材の作製は単純混合方法によるのではなく、活物質粒子の表面にイオン伝導助剤および/または電子伝導助剤がバインダーによって固定されている状態となる混合方法を用いることがより好ましい。(本明細書においてはこれを固定化混合方法とする。)
正極合材、負極合材は充放電により活物質からのLiイオンの脱離および挿入により体積変化が生じる。そして、活物質の膨張、収縮により電子伝導助剤およびイオン伝導助剤が活物質から徐々に剥離され、Liの脱挿入のできない活物質の量が増え、結果としてサイクル劣化を引き起こす可能性がある。 固定化混合方法によって活物質表面に粒子の細かい電子伝導助剤およびイオン伝導助剤がバインダーによって固定されていれば、活物質の膨張・収縮の際も剥離が少なく、充放電に伴う容量劣化が少なく、かつ単位体積および重量あたりの電池容量を低下させることもなくイオン伝導助剤の添加が可能になる。
From the viewpoint of obtaining a battery with a higher capacity by reducing the addition amount of the ion conduction aid as much as possible, the preparation of the positive electrode mixture and / or the negative electrode mixture is not performed by a simple mixing method, but on the surface of the active material particles. It is more preferable to use a mixing method in which the ion conduction aid and / or the electron conduction aid are fixed by a binder. (In this specification, this is referred to as an immobilization mixing method.)
The positive electrode composite material and the negative electrode composite material undergo a volume change due to desorption and insertion of Li ions from the active material by charge and discharge. Then, due to the expansion and contraction of the active material, the electron conduction aid and the ion conduction aid are gradually peeled off from the active material, and the amount of the active material that cannot be desorbed from Li increases, resulting in cycle deterioration. . If the electron conduction assistant and ion conduction assistant with fine particles are fixed to the active material surface by a binder method, there will be little peeling during expansion and contraction of the active material, and capacity degradation due to charge and discharge will be reduced. It is possible to add an ion conduction auxiliary agent without reducing the battery capacity per unit volume and weight.
固定化混合方法としては、以下の方法を用いることが好ましい。すなわち、活物質を高速で流動または回転させたところに、溶剤を用いて伝導助剤とバインダーをスラリー化した分散液を投入または噴霧し、溶剤の沸点以上の温度にて乾燥させるものである。活物質と伝導助剤を混合する場合、粒径の差が大きいほどインターラクティブミクスチャーが起こりやすくなり、大きな活物質粒子に微粉の伝導助剤が付着する傾向が大となって、活物質表面に伝導助剤の層が形成される。
固定化混合方法は、この方法に限らず、充分に粒径に差のある活物質と伝導助剤をバインダーと共に溶剤に分散させ、熱風乾燥、凍結乾燥する方法を用いることも可能である。また、従来からの造粒、表面コーティング技術を用いることも可能である。
As an immobilization mixing method, it is preferable to use the following method. That is, when the active material is flowed or rotated at a high speed, a dispersion obtained by slurrying a conductive additive and a binder using a solvent is charged or sprayed and dried at a temperature equal to or higher than the boiling point of the solvent. When mixing the active material and conduction aid, the larger the difference in particle size, the easier the interactive mixture will occur, and the greater the tendency for finer conduction aids to adhere to the large active material particles. A layer of auxiliaries is formed.
The immobilization mixing method is not limited to this method, and it is also possible to use a method in which an active material and a conduction aid having a sufficiently different particle size are dispersed in a solvent together with a binder, followed by hot air drying and freeze drying. It is also possible to use conventional granulation and surface coating techniques.
本発明のリチウムイオン二次電池の正極に使用する活物質としては、リチウムの吸蔵,放出が可能な遷移金属化合物を用いることができ、例えば、マンガン,コバルト,ニッケル,バナジウム,ニオブ、モリブデン、チタン、鉄、リンから選ばれる少なくとも1種を含む遷移金属酸化物等を使用することができる。ほとんどの活物質材料は、電子伝導性およびイオン伝導性が乏しいため、電子伝導助剤として、導電性の炭素、黒鉛、炭素繊維、金属粉末、金属繊維、電子伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。また、イオン伝導助剤として、イオン伝導性のガラスセラミックス、イオン伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。電子・イオン伝導助剤の添加量は、正極活物質に対して、3〜35質量%の範囲であることが好ましく、2.5〜30質量%であることがより好ましく、3〜25質量%であることが最も好ましい。 As the active material used for the positive electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention, a transition metal compound capable of occluding and releasing lithium can be used. For example, manganese, cobalt, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, titanium , Transition metal oxides containing at least one selected from iron and phosphorus can be used. Since most active material materials have poor electron conductivity and ion conductivity, conductive carbon, graphite, carbon fiber, metal powder, metal fiber, electron conductive polymer, etc. should be added as an electron conduction aid. preferable. Moreover, it is preferable to add ion-conductive glass ceramics, ion-conductive polymers, and the like as the ion conduction aid. The addition amount of the electron / ion conduction auxiliary agent is preferably in the range of 3 to 35% by mass, more preferably 2.5 to 30% by mass, and 3 to 25% by mass with respect to the positive electrode active material. Most preferably.
また、このリチウム二次電池において、その負極に使用する活物質としては、金属リチウムやリチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金などリチウムの吸蔵、放出が可能な合金、チタンやバナジウムなどの遷移金属酸化物、及びグラファイトや黒鉛などのカーボン系の材料を使用することが好ましい。活物質に電子伝導性が乏しい場合は、電子伝導助剤として、導電性の炭素、黒鉛、炭素繊維、金属粉末、金属繊維、電子伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。また、イオン伝導助剤として、イオン伝導性のガラスセラミックス、イオン伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。電子・イオン伝導助剤の添加量は、負極活物質に対して、3〜35質量%の範囲であることが好ましく、2.5〜30質量%であることがより好ましく、3〜25質量%であることが最も好ましい。 In this lithium secondary battery, the active material used for the negative electrode includes metal lithium, lithium-aluminum alloy, lithium-indium alloy and other alloys capable of occluding and releasing lithium, and transition metal oxidation such as titanium and vanadium. And carbon materials such as graphite and graphite are preferably used. When the active material has poor electron conductivity, it is preferable to add conductive carbon, graphite, carbon fiber, metal powder, metal fiber, electron conductive polymer or the like as an electron conduction aid. Moreover, it is preferable to add ion-conductive glass ceramics, ion-conductive polymers, and the like as the ion conduction aid. The addition amount of the electron / ion conduction auxiliary agent is preferably in the range of 3 to 35% by mass, more preferably 2.5 to 30% by mass, and 3 to 25% by mass with respect to the negative electrode active material. Most preferably.
イオン伝導助剤としてリチウムイオン二次電池の正極および/または負極にリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有させる場合には粉体であることが好ましい。 When the positive electrode and / or the negative electrode of the lithium ion secondary battery contains an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or lithium ion conductive glass ceramics as an ion conduction aid, a powder is preferable.
前記リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉体の平均粒径は、単純混合方法によって正極および/または負極合材を作製する場合には、前記リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含む正極および/または負極の活物質の平均粒径の1/5以下であることが好ましく、1/7以下がより好ましく、1/10以下が最も好ましい。助剤であるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスの平均粒径を活物質と比較して充分に小さくすることにより、活物質との接触面積が増大し、電池の容量を低下させない程度の添加によって充分なイオン伝導性の付与が行なわれるからである。リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスの平均粒径が正極および/または負極活物質と同じであるかまたは大きい場合、正極材および/または負極材に充分なイオン伝導性を付与させるためには、多量のリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスを含有させる必要がある。例えば、同じ粒径の場合、活物質と同量またはそれ以上のリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスの添加が必要となり、正極材料中の活物質含有量が小さくなるため、高容量の電池が得られない。 The average particle size of the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic powder is determined when the positive electrode and / or negative electrode mixture is prepared by a simple mixing method. It is preferably 1/5 or less, more preferably 1/7 or less, and more preferably 1/10 or less of the average particle diameter of the positive electrode and / or negative electrode active material containing an inorganic substance containing crystals or lithium ion conductive glass ceramics. Most preferred. By making the average particle diameter of inorganic materials or glass ceramics containing lithium ion conductive crystals as auxiliary agents sufficiently small compared to the active material, the contact area with the active material is increased and the capacity of the battery is reduced. This is because sufficient ion conductivity is imparted by adding such an amount that does not occur. When the average particle size of the inorganic material or glass ceramic containing lithium ion conductive crystals is the same as or larger than that of the positive electrode and / or negative electrode active material, sufficient ion conductivity is imparted to the positive electrode material and / or the negative electrode material. For this purpose, it is necessary to contain an inorganic substance or glass ceramics containing a large amount of lithium ion conductive crystals. For example, in the case of the same particle size, it is necessary to add an inorganic material or glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal in the same amount or more as the active material, and the active material content in the positive electrode material is reduced. A battery with a capacity cannot be obtained.
単純混合方法によって正極合材および/または負極合材を作製する場合、イオン伝導助剤として正極および/または負極に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの含有量は、良好な充放電を行うために正極合材および/または負極合材に充分なイオン伝導性を付与させる必要があるため、前記リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含む正極および/または負極の活物質に対して10質量%以上とすることが好ましく、12質量%以上とすることがより好ましく、15質量%以上とすることが最も好ましい。一方、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの含有量を多くすると、正極合材および/または負極合材中の活物質の含有率が少なくなり、単位体積または単位重量あたりの電池容量が低下してしまうため、含有量は35質量%以下とすることが好ましく、30質量%以下とすることがより好ましく、25質量%以下とすることが最も好ましい。 In the case of producing a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture by a simple mixing method, an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or lithium ion conductive glass ceramics contained in the positive electrode and / or negative electrode as an ion conduction aid The amount of the inorganic material or lithium ion conductive material containing the lithium ion conductive crystal is necessary to impart sufficient ion conductivity to the positive electrode mixture and / or the negative electrode mixture in order to perform good charge / discharge. It is preferable to set it as 10 mass% or more with respect to the active material of the positive electrode and / or negative electrode containing glass ceramics, it is more preferable to set it as 12 mass% or more, and it is most preferable to set it as 15 mass% or more. On the other hand, when the content of the inorganic material containing lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic is increased, the content of the active material in the positive electrode mixture and / or the negative electrode mixture decreases, and the unit volume or unit Since the battery capacity per weight is reduced, the content is preferably 35% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, and most preferably 25% by mass or less.
固定化混合方法によって正極合材および/または負極合材を作製する場合には、リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの平均粒径は、前記リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含む正極および/または負極の活物質の平均粒径の1/5以下であることが好ましく、1/7以下であることがより好ましく1/10以下であることが最も好ましい。 イオン伝導助剤の含有量は単純混合方法を用いた場合と比較して少量で効果が得られるので、高容量の電池を得るためには、その含有量は前記リチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含む正極および/または負極の活物質に対して2質量%以上が好ましく、2.5質量%以上がより好ましく、3質量%以上が最も好ましい。活物質を多く含有させるためにリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの上限は15質量%以下が好ましく、12質量%以下がより好ましく、10質量%以下が最も好ましい。また電子伝導助剤に関しても同様であり、伝導助剤の粒径をより小さくすることにより、従来よりも少量で同等またはそれ以上の伝導付与の効果が得られる。 When a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture is prepared by an immobilization mixing method, the average particle size of the inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal is the lithium ion conductive It is preferably 1/5 or less, more preferably 1/7 or less, of the average particle diameter of the active material of the positive electrode and / or negative electrode containing an inorganic substance containing crystals or lithium ion conductive glass ceramics. Most preferably: The content of the ion conduction auxiliary agent can be obtained in a small amount as compared with the case where the simple mixing method is used. Therefore, in order to obtain a high capacity battery, the content includes the lithium ion conductive crystal. The content is preferably 2% by mass or more, more preferably 2.5% by mass or more, and most preferably 3% by mass or more based on the active material of the positive electrode and / or the negative electrode containing an inorganic substance or lithium ion conductive glass ceramics. In order to contain a large amount of the active material, the upper limit of the inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or the lithium ion conductive glass ceramic is preferably 15% by mass or less, more preferably 12% by mass or less, and most preferably 10% by mass or less. . The same applies to the electron conduction assistant, and by making the particle diameter of the conduction assistant smaller, the effect of imparting conductivity equal to or higher than that of the conventional one can be obtained with a smaller amount.
正極および負極に含有するリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはイオン伝導性ガラスセラミックスは、固体電解質に含有されるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスと同じものであることがより好ましい。これらが同じものであると電解質と電極材に含まれるイオン移動機構が統一されるため、電解質―電極間のイオン移動がスムーズに行え、より高出力・高容量の電池が提供できる。ここで同じリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスであるとは、同じ結晶系を有するリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスであることを意味する。電極中の主にイオン移動を担うリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスは、電解質中に含まれるリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはガラスセラミックスと同じ移動機構を有することにより、電池内の総てのイオン移動経路が等しくなり、イオン移動障壁が小さくなる。 The inorganic substance or ion conductive glass ceramic containing lithium ion conductive crystals contained in the positive electrode and the negative electrode may be the same as the inorganic substance or glass ceramic containing lithium ion conductive crystals contained in the solid electrolyte. More preferred. If they are the same, the ion transfer mechanism contained in the electrolyte and the electrode material is unified, so that ion transfer between the electrolyte and the electrode can be performed smoothly, and a battery with higher output and higher capacity can be provided. Here, an inorganic substance or glass ceramic containing the same lithium ion conductive crystal means an inorganic substance or glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal having the same crystal system. An inorganic substance or glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal mainly responsible for ion migration in an electrode has the same movement mechanism as an inorganic substance or glass ceramic containing a lithium ion conductive crystal contained in an electrolyte. , All the ion migration paths in the battery become equal, and the ion migration barrier becomes smaller.
活物質、伝導助剤を混合、結着して正極合材および/または負極合材を作製する際に使用するバインダーとしては、PVdFやPTFE、SBRゴムなどを用いることができるが、イオン伝導性の付与ができるため、イオン伝導性のバインダーを用いることがより好ましい。
ここで、イオン伝導性のバインダーとしては、高分子材料を用いることができる。例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素樹脂(ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド等)、ポリアミド類、ポリエステル類ポリアクリレートやこれらの共重合体、これらの架橋構造体、またはこれらの混合物を用いることができ、またこれらのポリマーに任意のLi塩として、例えば、LiBF4、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、有機イオン性のポリスルフィドなどを添加することによりイオン伝導性を付与させたバインダーを用いることができる。
PVdF, PTFE, SBR rubber, etc. can be used as the binder used when preparing and preparing a positive electrode mixture and / or negative electrode mixture by mixing and binding an active material and a conduction aid. It is more preferable to use an ion conductive binder.
Here, a polymer material can be used as the ion conductive binder. For example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, fluorine resin (polyolefin, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, etc.), polyamides, polyester polyacrylates and copolymers thereof, and cross-linked structures thereof , Or mixtures thereof, and any Li salt for these polymers, for example, LiBF 4 , LiSO 3 CF 3 , LiSO 3 CH 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 A binder imparted with ionic conductivity by adding C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , organic ionic polysulfide, or the like can be used.
本発明によれば、漏液の問題のない全固体型のリチウムイオン二次電池において、耐熱温度が高く、広い温度範囲にて使用する事ができ、電池容量も高く、また充放電サイクル特性も良好で、長期的に安定して使用できる固体電解質または全固体型リチウム二次電池を提供することができる According to the present invention, in an all-solid-state lithium ion secondary battery having no leakage problem, the heat resistant temperature is high, it can be used in a wide temperature range, the battery capacity is high, and the charge / discharge cycle characteristics are also high. It is possible to provide a solid electrolyte or an all solid-state lithium secondary battery that is good and can be used stably over a long period of time.
以下、本発明に係るリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有した固体電解質およびこれを用いたリチウムイオン二次電池について、具体的な実施例を挙げて説明すると共に、比較例を挙げこの実施例に係るリチウムイオン伝導性の結晶を含む無機物質またはリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有した固体電解質およびこれを備えたリチウムイオン二次電池が優れている点を明らかにする。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。 Hereinafter, a solid electrolyte containing an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals or a lithium ion conductive glass ceramic according to the present invention and a lithium ion secondary battery using the same will be described with specific examples. In addition, a comparative example is given and it is clear that a solid electrolyte containing a lithium ion conductive glass ceramic and an inorganic substance containing lithium ion conductive crystals according to this example and a lithium ion secondary battery including the same are excellent. To. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following Example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.
[実施例1]
(リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの作製)
原料としてH3PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用し、これらを酸化物換算のmol%でP2O5を35.0%、Al2O3を7.5%、Li2Oを15.0%、TiO2を38.0%、SiO2を4.5%といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中1500℃でガラス融液を撹拌しながら3時間加熱熔解した。その後、ガラス融液をステンレス製の成形機にて厚さ0.3mmの薄板状に成形し、950℃で12時間の熱処理により結晶化を行い、ガラスセラミックスの薄板を作製した。
また、同じ組成のガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状のガラスを得、このガラスを950℃で12時間の熱処理により結晶化を行い、ガラスセラミックスを得た。得られたガラスセラミックスのフレークをボールミルにより粉砕し、平均粒径1.5μm、最大粒径7μmのガラスセラミックスの微粉体Aを得た。この微粉体Aをさらに湿式ボールミルにて微粉砕し、平均粒径0.2μm、最大粒径0.3μmのガラスセラミックス微粉体を含有するスラリーBを得た。
これらガラスセラミックスは、粉末X線回折法により、Li1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)が主結晶相であることが確認された。
(固体電解質の作製)
上記で得られたガラスセラミックスの薄板を厚さ40μmまで研磨を行い、直径16mmに打ち抜き、固体電解質を作製した。
(正極の作製)
正極の活物質として市販のコバルト酸リチウムLiCoO2(平均粒径6μm)と、電子伝導助剤としてアセチレンブラック(平均粒径50nm)を正極活物質に対して5質量%と、および結着剤としてLiBF4を添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをエタノール溶媒を用い、真空撹拌脱泡装置を用いて混合した。この混合物を厚さ16μmの正極集電体であるアルミニウムシート上に均一に塗布した後、これを120℃の温度で乾燥させて正極を作製した。正極合材の厚みは30μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて正極を作製した。
(負極の作製)
負極の作製には、負極活物質として市販の黒鉛粉末(平均粒径10μm)と、および結着剤としてLiBF4を添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをエタノール溶媒を用い、真空撹拌脱泡装置を用いて混合した。この混合物を負極集電体である厚さ12μmの銅シートに塗布した後、これを120℃の温度で乾燥させてシート状になった負極を作製した。負極材の厚みは20μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて負極を作製した。
(電池の組み立て)
上記の正極、電解質、負極を順次重ね合わせ、150℃の乾燥雰囲気下にて一軸プレス後、コインセルに封入した。この電池の内部構造の断面図を図1に示す。
組み立てた電池を、25℃の室温にて、定電流100μA/cm2、充電4.2V、放電3.0Vのカットオフ電圧にて充放電測定を行った。初期放電容量は0.80mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、0.56mAhと初期の70%の容量を維持していた。
[Example 1]
(Production of lithium ion conductive glass ceramics)
H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , and TiO 2 are used as raw materials, and these are mol% in terms of oxide, P 2 O 5 is 35.0%, Al 2 O 3 is 7.5%, Li 2 O is 15.0%, TiO 2 is 38.0% and SiO 2 is 4.5%. Then, the glass melt was heated and melted at 1500 ° C. in an electric furnace for 3 hours while stirring. Thereafter, the glass melt was formed into a thin plate having a thickness of 0.3 mm with a stainless steel molding machine, and crystallized by heat treatment at 950 ° C. for 12 hours to produce a thin plate of glass ceramics.
Further, a glass melt having the same composition was dropped into running water to obtain flaky glass, which was crystallized by heat treatment at 950 ° C. for 12 hours to obtain glass ceramics. The obtained glass ceramic flakes were pulverized by a ball mill to obtain a glass ceramic fine powder A having an average particle diameter of 1.5 μm and a maximum particle diameter of 7 μm. The fine powder A was further finely pulverized by a wet ball mill to obtain a slurry B containing glass ceramic fine powder having an average particle size of 0.2 μm and a maximum particle size of 0.3 μm.
These glass ceramics have Li 1 + x + y Al x Ti 2 -x Si y P 3 -yO 12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6) as the main crystal phase by powder X-ray diffraction method. It was confirmed that there was.
(Production of solid electrolyte)
The glass ceramic thin plate obtained above was polished to a thickness of 40 μm and punched to a diameter of 16 mm to produce a solid electrolyte.
(Preparation of positive electrode)
Commercially available lithium cobalt oxide LiCoO2 (average particle size 6 μm) as the positive electrode active material, acetylene black (average particle size 50 nm) as the electron conduction
(Preparation of negative electrode)
For the production of the negative electrode, a commercially available graphite powder (
(Battery assembly)
The above positive electrode, electrolyte, and negative electrode were sequentially stacked, uniaxially pressed in a dry atmosphere at 150 ° C., and then sealed in a coin cell. A cross-sectional view of the internal structure of this battery is shown in FIG.
The assembled battery was subjected to charge / discharge measurement at a room temperature of 25 ° C. with a constant current of 100 μA / cm 2 , a charge of 4.2 V, and a discharge of 3.0 V. The initial discharge capacity was 0.80 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 0.56 mAh, which was 70% of the initial capacity.
[実施例2]
正極および負極にガラスセラミックスの微粉体スラリーBを正極活物質および負極活物質に対して固形分でそれぞれ20質量%を含有させ、その他は実施例1と同じ構成の電池を組み立て、実施例1と同じ条件にて充放電測定を行った。初期放電容量は、1.20mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、1.15mAhと初期の96%の容量を維持していた。
[Example 2]
A positive electrode and a negative electrode were mixed with a glass ceramic fine powder slurry B in a solid content of 20% by mass with respect to the positive electrode active material and the negative electrode active material, respectively. The charge / discharge measurement was performed under the same conditions. The initial discharge capacity was 1.20 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 1.15 mAh, which was 96% of the initial capacity.
実施例1、2は初期放電容量も大きく、充放電サイクルに伴う容量劣化も小さい。正極と負極にリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有させた実施例2は特に良好な値を示した。 In Examples 1 and 2, the initial discharge capacity is large, and the capacity deterioration associated with the charge / discharge cycle is small. Example 2 in which lithium ion conductive glass ceramics were contained in the positive electrode and the negative electrode showed particularly good values.
[実施例3]
(固体電解質の作製)
実施例1で得られたガラスセラミックス粉体Aと5質量%のLi3PO4を混合し、CIP(Cold Isostatic Press)を用いてφ20mmのペレット状に成形した。成形したペレットをHIP(Hot Isostatic Press)を用いて1000℃にて焼結後、研削、研磨を行い、φ16mm、厚さ0.08mmの固体電解質を作製した。ここではLi3PO4が溶融し、粉体であるガラスセラミックスをバインドする液相焼結法を用いている。
(正極の作製)
正極合材の作製には、市販の流動造粒装置を用いた。電子伝導助剤としてケッチェンブラック(平均粒径40nm)を正極活物質に対して5質量%と、イオン伝導助剤として平均粒径1.5μmのガラスセラミックスの微粉体A(実施例1にて作製)を正極活物質に対して10質量%と、および結着剤としてLiTFSIを添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをエタノール溶媒を用いて混合しスプレー懸濁液を調整した。
正極の活物質には、市販のマンガン酸リチウムLiMn2O4(平均粒径10μm)を用い、この正極活物質材料を流動造粒装置に入れ、90℃の温度で流動している正極活物質に対して、調整したスプレー懸濁液を噴霧し、溶媒であるエタノールを揮発させることにより、活物質の粒子表面に電子伝導助剤とイオン伝導助剤を固定した。この表面を覆われた正極合材を再度エタノールを用いて軽く分散させ、厚さ20μmの正極集電体であるアルミニウムシート上に均一に塗布した後、これを再度120℃の温度で乾燥させて正極を作製した。正極合材の厚みは35μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて正極を作製した。
(負極の作製)
負極合材の作製には、正極材と同じ市販の流動造粒装置を用いた。電子伝導助剤としてケッチェンブラック(平均粒径40nm)を負極活物質に対して5質量%と、イオン伝導助剤として平均粒径1.5μmのガラスセラミックスの微粉体A(実施例1にて作製)を負極活物質に対して10質量%と、および結着剤としてLiTFSIを添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをエタノール溶媒を用いて混合しスプレー懸濁液を調整した。
負極の活物質には、市販のチタン酸リチウムLi4Ti5O12を造粒し、平均粒径を3μmとしたものを用いた。この負極活物質を流動造粒装置に入れ、90℃の温度で流動している負極活物質に対して、調整したスプレー懸濁液を噴霧し、溶媒であるエタノールを揮発させることにより、活物質の粒子表面に電子伝導助剤とイオン伝導助剤を固定した。この表面を覆われた負極合材を再度エタノールを用いて軽く分散させ、厚さ18μmの負極集電体である銅シート上に均一に塗布した後、これを再度120℃の温度で乾燥させて負極を作製した。負極合材の厚みは25μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて正極を作製した。
(電池の組み立て)
上記の正極、電解質、負極を順次重ね合わせ、150℃の乾燥雰囲気下にて一軸プレス後、コインセルに封入した。組み立てた電池を、25℃の室温にて、定電流60μA/cm2、充電4.0V、放電3.0Vのカットオフ電圧にて充放電測定を行った。初期放電容量は、0.95mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、0.76mAhと初期の70%の容量を維持していた。
[Example 3]
(Production of solid electrolyte)
The glass ceramic powder A obtained in Example 1 and 5% by mass of Li 3 PO 4 were mixed and formed into a pellet shape of φ20 mm using CIP (Cold Isostatic Press). The molded pellets were sintered at 1000 ° C. using HIP (Hot Isostatic Press), then ground and polished to produce a solid electrolyte having a diameter of 16 mm and a thickness of 0.08 mm. Here, a liquid phase sintering method is used in which Li 3 PO 4 melts and binds glass ceramics that is powder.
(Preparation of positive electrode)
A commercially available fluidized granulator was used for producing the positive electrode mixture. 5% by mass of ketjen black (average particle size of 40 nm) as an electron conduction aid with respect to the positive electrode active material, and glass ceramic fine powder A having an average particle size of 1.5 μm as an ion conduction aid (in Example 1) Preparation) was mixed with 10 mass% of the positive electrode active material, and a polymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide added with LiTFSI as a binder using an ethanol solvent to prepare a spray suspension.
As the positive electrode active material, commercially available lithium manganate LiMn 2 O 4 (
(Preparation of negative electrode)
For the production of the negative electrode mixture, the same commercially available fluidized granulator as the positive electrode material was used. 5% by mass of ketjen black (average particle size of 40 nm) as an electron conduction aid with respect to the negative electrode active material, and glass ceramic fine powder A having an average particle size of 1.5 μm as an ion conduction aid (in Example 1) Preparation) was mixed with 10 mass% of the negative electrode active material, and a polymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide added with LiTFSI as a binder using an ethanol solvent to prepare a spray suspension.
As the negative electrode active material, a commercially available lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 was granulated to have an average particle size of 3 μm. This negative electrode active material is put into a fluidized granulator, the prepared spray suspension is sprayed on the negative electrode active material flowing at a temperature of 90 ° C., and ethanol as a solvent is volatilized. An electron conduction aid and an ion conduction aid were fixed on the particle surface. After the surface-coated negative electrode mixture was lightly dispersed again using ethanol and uniformly applied onto a copper sheet as a negative electrode current collector having a thickness of 18 μm, this was again dried at a temperature of 120 ° C. A negative electrode was produced. The thickness of the negative electrode mixture was 25 μm, and this was punched into a diameter of 15 mm to produce a positive electrode.
(Battery assembly)
The above positive electrode, electrolyte, and negative electrode were sequentially stacked, uniaxially pressed in a dry atmosphere at 150 ° C., and then sealed in a coin cell. The assembled battery was subjected to charge / discharge measurement at a room temperature of 25 ° C. with a constant current of 60 μA / cm 2 , a charge of 4.0 V, and a discharge voltage of 3.0 V. The initial discharge capacity was 0.95 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 0.76 mAh, which was 70% of the initial capacity.
[実施例4]
実施例3の正極および負極それぞれに用いたガラスセラミックスの微粉体Aの代りに、実施例1で作製したスラリーBを正極および負極のイオン伝導助剤として正極活物質および負極活物質に対してそれぞれ固形分で5質量%を用い、その他は実施例3の電池と同様の製法、構成で電池を組み立て、実施例3と同じ条件にて充放電測定を行った。初期放電容量は、1.43mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、1.31mAhと初期の92%の容量を維持していた。
[Example 4]
Instead of the glass ceramic fine powder A used for each of the positive electrode and the negative electrode of Example 3, the slurry B prepared in Example 1 was used as an ion conduction aid for the positive electrode and the negative electrode with respect to the positive electrode active material and the negative electrode active material, respectively. The battery was assembled with the same manufacturing method and configuration as the battery of Example 3 except that 5% by mass was used as the solid content, and charge / discharge measurement was performed under the same conditions as in Example 3. The initial discharge capacity was 1.43 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles maintained 1.31 mAh, which was 92% of the initial capacity.
実施例3と実施例4の充放電サイクルに伴う放電容量の変化を図3に示した。
実施例3、4は初期放電容量も大きく、充放電サイクルに伴う容量劣化も小さい。正極と負極に含有しているリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの粒径がより小さい実施例4は特に良好な値を示した。
The change of the discharge capacity accompanying the charging / discharging cycle of Example 3 and Example 4 was shown in FIG.
In Examples 3 and 4, the initial discharge capacity is large, and the capacity deterioration associated with the charge / discharge cycle is small. Example 4 in which the particle size of the lithium ion conductive glass ceramic contained in the positive electrode and the negative electrode was smaller showed a particularly good value.
[実施例5]
(正極の作製)
正極合材の作製には、市販のスプレードライ装置を用いた。正極の活物質として、コバルト置換したコバルト酸リチウムLiNi0.8Co0.2O2(平均粒径3μm)と、電子伝導助剤としてカーボンナノファイバー(平均径80nm)を正極活物質に対して2質量%と、平均粒径50nmのSiO2微粉体を正極活物質に対して4質量%と、および結着剤としてLiTFSIを添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをメタノールとエタノールの混合溶媒を用いて混合し、懸濁液を調整した。この懸濁液を撹拌しながらスプレードライ装置にてスプレー乾燥し、溶媒を揮発させることにより、活物質の粒子表面に電子伝導助剤とイオン伝導助剤を固定した。この表面を覆われた正極合材をエタノール溶媒を用いて軽く分散させ、厚さ20μmの正極集電体であるアルミニウムシート上に均一に塗布した後、これを再度120℃の温度で乾燥させて正極を作製した。正極合材の厚みは40μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて正極を作製した。
(負極の作製)
負極合材の作製には、正極材と同じ市販のスプレードライ装置を用いた。負極の活物質として、市販のチタン酸リチウムLi4Ti5O12を造粒し、平均粒径を3μmとしたものと、電子伝導助剤としてカーボンナノファイバー(平均径80nm)を負極活物質に対して2質量%と、平均粒径50nmのSiO2微粉体を負極活物質に対して3質量%と、および結着剤としてLiTFSIを添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物とをメタノールとエタノールの混合溶媒を用いて混合し、懸濁液を調整した。この懸濁液を撹拌しながらスプレードライ装置にてスプレー乾燥し、溶媒を揮発させることにより、活物質の粒子表面に電子伝導助剤とイオン伝導助剤を固定した。この表面を覆われた負極合材をエタノール溶媒を用いて軽く分散させ、厚さ18μmの負極集電体である銅シート上に均一に塗布した後、これを再度120℃の温度で乾燥させて負極を作製した。負極合材の厚みは40μmであり、これを直径15mmに打ち抜いて正極を作製した。
(電池の組み立て)
上記の正極、実施例4で作製した電解質、負極を順次重ね合わせ、150℃の乾燥雰囲気下にて一軸プレス後、コインセルに封入した。組み立てた電池を、25℃の室温にて、定電流60μA/cm2、充電4.0V、放電3.0Vのカットオフ電圧にて充放電測定を行った。初期放電容量は、0.58mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、0.46mAhと初期の80%程度の容量を維持していた
[Example 5]
(Preparation of positive electrode)
A commercially available spray drying apparatus was used for producing the positive electrode mixture. Cobalt-substituted lithium cobaltate LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 (average particle size 3 μm) as an active material for the positive electrode and carbon nanofibers (average diameter 80 nm) as an electron conduction aid for the positive electrode
(Preparation of negative electrode)
For the production of the negative electrode mixture, the same commercially available spray drying apparatus as that for the positive electrode material was used. As a negative electrode active material, commercially available lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 was granulated to have an average particle size of 3 μm, and carbon nanofibers (average diameter of 80 nm) as an electron conduction aid were used as the negative electrode active material. On the other hand, 2% by mass, 3% by mass of SiO 2 fine powder having an average particle diameter of 50 nm with respect to the negative electrode active material, and a polymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide to which LiTFSI was added as a binder were combined with methanol and ethanol. The mixed solvent was used to prepare a suspension. The suspension was spray-dried with a spray-drying apparatus while stirring, and the solvent was volatilized to fix the electron conduction aid and the ion conduction aid on the surface of the active material particles. The surface-covered negative electrode mixture was lightly dispersed using an ethanol solvent, and uniformly coated on a copper sheet as a negative electrode current collector having a thickness of 18 μm, and then dried again at a temperature of 120 ° C. A negative electrode was produced. The thickness of the negative electrode mixture was 40 μm, and this was punched into a diameter of 15 mm to produce a positive electrode.
(Battery assembly)
The above positive electrode, the electrolyte prepared in Example 4 and the negative electrode were sequentially superposed, uniaxially pressed in a dry atmosphere at 150 ° C., and sealed in a coin cell. The assembled battery was subjected to charge / discharge measurement at a room temperature of 25 ° C. with a constant current of 60 μA / cm 2 , a charge of 4.0 V, and a discharge voltage of 3.0 V. The initial discharge capacity was 0.58 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 0.46 mAh, which was about 80% of the initial capacity.
[実施例6]
実施例5の電池において正極・負極それぞれに含まれる平均粒径50nmのSiO2微粉体の代りに、イオン伝導助剤としてガラスセラミックスの微粉体スラリーB(実施例1にて作製)を正極には正極活物質に対して固形分で4質量%、負極には負極活物質に対して3質量%用い、その他は実施例5の電池と同様の製法、構成で電池を組み立て、実施例5と同じ条件にて充放電測定を行った。初期放電容量は、2.18mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、2.07mAhと初期の95%の容量を維持していた。
[Example 6]
In the battery of Example 5, instead of the SiO 2 fine powder having an average particle diameter of 50 nm contained in each of the positive electrode and the negative electrode, a glass ceramic fine powder slurry B (prepared in Example 1) as an ion conduction aid was used for the positive electrode. The battery was assembled with the same production method and configuration as the battery of Example 5 except that 4% by mass in solid content with respect to the positive electrode active material and 3% by mass with respect to the negative electrode active material were used for the negative electrode. The charge / discharge measurement was performed under the conditions. The initial discharge capacity was 2.18 mAh, and the discharge capacity after 20 cycles was maintained at 2.07 mAh, which was 95% of the initial capacity.
実施例5と実施例6の充放電サイクルに伴う放電容量の変化を図4に示した。
実施例5、6は初期放電容量も大きく、充放電サイクルに伴う容量劣化も小さい。正極と負極にリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有させた実施例6は特に良好な値を示した。
The change of the discharge capacity accompanying the charging / discharging cycle of Example 5 and Example 6 was shown in FIG.
In Examples 5 and 6, the initial discharge capacity is large, and the capacity deterioration associated with the charge / discharge cycle is also small. Example 6 in which lithium ion conductive glass ceramics were contained in the positive electrode and the negative electrode showed particularly good values.
[実施例7]
(正極の作製)
正極の活物質には市販のコバルト酸リチウムLiCoO2(平均粒径6μm)を用い、正極合材の作製には、高速処理装置を用いた。コバルト酸リチウムを5000rpmで高速で混合させ、そこに電子伝導助剤としてケッチェンブラック(平均粒径40nm)を正極活物質に対して5質量%と、および結着剤としてLiBF4を添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物を正極活物質に対して9質量%とを分散させたエタノール溶剤を少しずつスプレーし、正極活物質への伝導助剤の埋め込みを行い、120℃に真空乾燥させて正極合材を作製した。
(負極の作製)
スパッタにより表面にCuを成膜した厚さ0.2mmの金属Li箔をφ15mmのサイズに打ち抜き、負極材とした。
(電池の組み立て)
上記にて作製した正極、実施例4で作製した固体電解質、負極を重ねて、150℃の乾燥雰囲気にて一軸プレスを行い、コイン型のセルに封入して、コイン電池を組み立てた。
組み立てた電池を、25℃の室温および80℃にて、定電流0.1mA/cm2、充電4.2V、放電3.0Vのカットオフ電圧にて充放電測定を行った。25℃における初期放電容量は、2.9mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、2.5mAhと初期の85%の容量を維持していた。80℃における初期放電容量は、4.2mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、3.9mAhと初期の90%の容量を維持していた。
[Example 7]
(Preparation of positive electrode)
Commercially available lithium cobaltate LiCoO 2 (average particle size 6 μm) was used as the positive electrode active material, and a high-speed processing apparatus was used for the production of the positive electrode mixture. Polyethylene in which lithium cobaltate was mixed at a high speed of 5000 rpm, and ketjen black (average particle size 40 nm) as an electron conduction aid was added to 5% by mass with respect to the positive electrode active material, and LiBF 4 was added as a binder. An ethanol solvent in which a polymer of oxide and polypropylene oxide is dispersed in an amount of 9% by mass with respect to the positive electrode active material is sprayed little by little, a conductive agent is embedded in the positive electrode active material, and vacuum dried at 120 ° C. A positive electrode mixture was produced.
(Preparation of negative electrode)
A metal Li foil having a thickness of 0.2 mm with a Cu film formed on the surface by sputtering was punched into a size of φ15 mm to obtain a negative electrode material.
(Battery assembly)
The positive electrode prepared above, the solid electrolyte prepared in Example 4, and the negative electrode were stacked, uniaxially pressed in a dry atmosphere at 150 ° C., and sealed in a coin-type cell to assemble a coin battery.
The assembled battery was subjected to charge / discharge measurement at a room temperature of 25 ° C. and 80 ° C. with a constant current of 0.1 mA / cm 2 , a charge of 4.2 V, and a discharge of 3.0 V. The initial discharge capacity at 25 ° C. was 2.9 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 2.5 mAh, maintaining the initial capacity of 85%. The initial discharge capacity at 80 ° C. was 4.2 mAh, and the discharge capacity after 20 cycles was maintained at 3.9 mAh, which was 90% of the initial capacity.
[実施例8]
実施例7の電池において、正極にさらにガラスセラミックスの微粉体スラリーB(実施例1にて作製)を正極活物質に対して固形分で7質量%含有させ、LiBF4を添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物の含有量を正極活物質に対して2質量%としたこと以外は、実施例7と同様の製法、構成の電池を組み立てた。実施例7と同じ条件にて充放電測定を行った結果、25℃における初期放電容量は、4.1mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、3.9mAhと初期の95%の容量を維持していた。80℃における初期放電容量は、4.5mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、4.1mAhと初期の90%の容量を維持していた。
実施例7と実施例8の放電容量の比較を表1に示した。実施例7、8は初期放電容量も大きく、充放電サイクルに伴う容量劣化も小さい。正極にリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有させた実施例8は25℃の室温においては、特に良好な値を示した。
[Example 8]
In the battery of Example 7, polyethylene oxide and polypropylene containing LiBF 4 added to the positive electrode containing further 7% by mass of a solid powder slurry B of glass ceramic (produced in Example 1) in solid content with respect to the positive electrode active material. A battery having the same manufacturing method and configuration as in Example 7 was assembled except that the content of the oxide polymer was 2% by mass with respect to the positive electrode active material. As a result of charge / discharge measurement under the same conditions as in Example 7, the initial discharge capacity at 25 ° C. was 4.1 mAh, and the discharge capacity after 20 cycles was 3.9 mAh, which is 95% of the initial value. The capacity of was maintained. The initial discharge capacity at 80 ° C. was 4.5 mAh, and the discharge capacity after repeating 20 cycles was 4.1 mAh, maintaining the initial 90% capacity.
A comparison of the discharge capacities of Example 7 and Example 8 is shown in Table 1. In Examples 7 and 8, the initial discharge capacity is large, and the capacity deterioration associated with the charge / discharge cycle is small. Example 8 in which lithium ion conductive glass ceramic was contained in the positive electrode showed a particularly good value at room temperature of 25 ° C.
[比較例]
(固体電解質の作製)
イオン伝導性セラミックスであるLiIを平均粒径2μmに粉砕したものをCIPを用いてφ20mmのペレット状に成形した。成形したペレットを350℃にて焼結後、研削、研磨を行い、φ16mm、厚さ0.08mmの固体電解質を作製した。
(電池の組み立て)
実施例7と同じ正極、上記にて作製した固体電解質、実施例7と同じ負極を重ねて一軸プレスを行い、コイン型のセルに封入して、コイン電池を組み立てた。25℃の室温にて、定電流0.1mA/cm2、充電4.2V、放電3.0Vのカットオフ電圧にて充放電測定を行った。初期放電容量は、1.1mAhであり、20回サイクルを繰り返した後の放電容量は、0.3mAhと大きな容量が低下した。
[Comparative example]
(Production of solid electrolyte)
A material obtained by grinding LiI, which is an ion conductive ceramic, to an average particle size of 2 μm was formed into a pellet shape of φ20 mm using CIP. The molded pellets were sintered at 350 ° C., and then ground and polished to produce a solid electrolyte having a diameter of 16 mm and a thickness of 0.08 mm.
(Battery assembly)
The same positive electrode as in Example 7, the solid electrolyte prepared above, and the same negative electrode as in Example 7 were stacked and uniaxially pressed, and sealed in a coin-type cell to assemble a coin battery. Charge and discharge measurements were performed at a room temperature of 25 ° C. with a constant current of 0.1 mA /
以上述べたように、本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有したリチウムイオン二次電池は、有機電解液を含まない全固体電池であっても高出力であり充放電サイクル特性も良好な電池であることがわかる。 As described above, the lithium ion secondary battery containing the lithium ion conductive glass ceramic of the present invention is a battery having high output and good charge / discharge cycle characteristics even if it is an all solid battery not containing an organic electrolyte. It can be seen that it is.
無機化合物およびリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを含有する本発明の電解質は、リチウムイオン伝導性が高く、電気化学的に安定であるため、リチウムイオン二次電池用の電解質だけではなく、リチウム一次電池やハイブリッドキャパシタと称される電気化学キャパシタ、色素増感型太陽電池、リチウムイオンを電荷移動担体とする他の電気化学素子への応用も可能である。 Since the electrolyte of the present invention containing an inorganic compound and lithium ion conductive glass ceramics has high lithium ion conductivity and is electrochemically stable, not only an electrolyte for a lithium ion secondary battery but also a lithium primary battery or Applications to electrochemical capacitors called hybrid capacitors, dye-sensitized solar cells, and other electrochemical devices using lithium ions as charge transfer carriers are also possible.
以下にその他の電気化学素子としての例をいくつか挙げる。
電解質上に、任意の感応電極を取り付けることにより、様々なガスセンサーや検知器に応用することができる。例えば、炭酸塩を電極にすると炭酸ガスセンサー、硝酸塩を含む電極にするとNOxセンサー、硫酸塩を含む電極にするとSOxセンサーに応用することができる。また、電解セルを組むことにより、排ガス中に含まれるNOx、SOx等の分解・捕集装置用の電解質にも応用できる。
Some examples of other electrochemical elements are given below.
By attaching an arbitrary sensitive electrode on the electrolyte, it can be applied to various gas sensors and detectors. For example, a carbonate gas sensor can be applied to a carbon dioxide gas sensor, a nitrate-containing electrode can be applied to a NOx sensor, and a sulfate-containing electrode can be applied to a SOx sensor. Further, by incorporating an electrolytic cell, it can be applied to an electrolyte for a decomposition / collection device such as NOx and SOx contained in exhaust gas.
電解質上にLiイオンの挿脱離により着色または変色する無機化合物または有機化合物を取り付け、その上にITOなどの透明電極を取り付けることによりエレクトロクロミック素子を構成することが可能であり、消費電力が少なく、メモリー性のあるエレクトロクロミックディスプレィを提供することができる。 An electrochromic device can be configured by attaching an inorganic compound or organic compound that is colored or discolored by insertion and removal of Li ions on the electrolyte, and by attaching a transparent electrode such as ITO thereon. An electrochromic display having a memory property can be provided.
本発明の電解質のイオン伝導経路は、リチウムイオンに最適なサイズとなっているため、他のアルカリイオンが存在している場合でもリチウムイオンを選択的に通すことができる。そのため、リチウムイオン選択捕集装置の隔膜またはLiイオン選択電極用隔膜として使用することができる。また、透過するリチウムイオンの速度は、イオンの質量が小さいほど速いため、リチウムイオンの同位体分離に適用することができる。これにより核融合炉燃料のトリチウム生成ブランケット材に必要な濃縮6Li(天然存在比で7.42%)の濃縮および分離が可能になる。 Since the ion conduction path of the electrolyte of the present invention has an optimum size for lithium ions, lithium ions can be selectively passed even when other alkali ions are present. Therefore, it can be used as a diaphragm for a lithium ion selective collection device or a diaphragm for a Li ion selective electrode. Moreover, since the speed of the lithium ion which permeate | transmits is so high that the mass of ion is small, it can apply to the isotope separation of lithium ion. This makes it possible to concentrate and separate the concentrated 6Li (7.42% in natural abundance) necessary for the tritium production blanket material for fusion reactor fuel.
電解質および電極材に含有しているリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス粉末は、リチウムイオン伝導性が高く、電気化学的に安定であるため、他の樹脂や塗料に練り込むことにより、イオン伝導性付与、帯電防止、表面電位制御等の添加剤として使用することができる。 The lithium ion conductive glass ceramic powder contained in the electrolyte and the electrode material has high lithium ion conductivity and is electrochemically stable. Therefore, by kneading into other resins and paints, imparting ion conductivity, It can be used as an additive for antistatic and surface potential control.
1:正極集電体
2:正極合材
3:固体電解質
4:負極合材
5:負極集電体
1: Positive current collector 2: Positive electrode mixture 3: Solid electrolyte 4: Negative electrode mixture 5: Negative electrode current collector
Claims (7)
Li2O:12〜18%、および
Al2O3+Ga2O3:5〜10%、および
TiO2+GeO2:35〜45%、および
SiO2:1〜10%、および
P2O5:30〜40%
の各成分を含有することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の固体電解質。 The powder is expressed in mol%,
Li 2 O: 12~18%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 5~10%, and TiO 2 + GeO 2: 35~45% , and SiO 2: 1~10%, and P 2 O 5: 30-40%
Each of these components is contained, The solid electrolyte in any one of Claim 1 to 5 characterized by the above-mentioned.
Lithium-ion secondary battery characterized by comprising a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6.
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