JP5677181B2 - Solid electrolyte and secondary battery using the same - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質およびそれを用いた二次電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte and a secondary battery using the same.

近年、二次電池は携帯電話やノートPCだけでなく、電気自動車用バッテリーとしてもその用途を広げている。   In recent years, secondary batteries have been used not only for mobile phones and notebook PCs but also as batteries for electric vehicles.

これらの電池に共通して要求されているものは、長時間使用の指標となる高容量化である。二次電池における高容量化の手法としては、容量の大きな電極材料を用いる方法や、高い放電電圧を示す正極材料の適用、電解質の固体化などが挙げられる。   What is commonly required for these batteries is an increase in capacity that is an indicator of long-term use. Methods for increasing the capacity of the secondary battery include a method using an electrode material having a large capacity, application of a positive electrode material exhibiting a high discharge voltage, solidification of an electrolyte, and the like.

中でも電解質として固体電解質を用いる二次電池は、安全面やエネルギー密度の点から多くのメリットが有り、例えば、特許文献1では、ニオブ酸リチウム(LiNbO)あるいはタンタル酸リチウム(LiTaO)がガラス状固体電解質として用いられ、さらに特許文献2では、LiNbOにAlを含有させることでLiイオン伝導率を高めている。また、特許文献3では、LiNbO−LiNb複合体を固体電解質として用いることを提案している。 Among them, a secondary battery using a solid electrolyte as an electrolyte has many advantages in terms of safety and energy density. For example, in Patent Document 1, lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ) is glass. Further, in Patent Document 2, the Li ion conductivity is increased by adding Al 2 O 3 to LiNbO 3 . Patent Document 3 proposes using a LiNbO 3 —LiNb 3 O 8 complex as a solid electrolyte.

特開昭59−71264号公報JP 59-71264 A 特開2009−218124号公報JP 2009-218124 A 特開2010−251257号公報JP 2010-251257 A

しかしながら、特許文献1、2に記載された固体電解質では、成形体中の有機化合物等の成分が残り難い400℃を超える温度で熱処理すると、Liイオン伝導率が低下するといった課題があった。   However, the solid electrolytes described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that the Li ion conductivity is lowered when heat treatment is performed at a temperature exceeding 400 ° C. in which components such as organic compounds are hardly left in the molded body.

また、このような固体電解質を用いた二次電池では、固体電解質自体のLiイオン伝導率を維持するために固体電解質と電極との接合が低温で行われ、接合が不充分なために電極を構成する活物質と固体電解質の界面のLiイオン伝導率が低くなる。そのため、特許文献1では、正極活物質に固体電解質材を添加することで、正極と固体電解質とのLiイオン伝導パスを形成している。しかし、このような方法では、活物質の正極内に占める割合が低くなるため、電池としてのエネルギー密度が低下するといった課題があった。   In addition, in such a secondary battery using a solid electrolyte, the solid electrolyte and the electrode are joined at a low temperature in order to maintain the Li ion conductivity of the solid electrolyte itself, and the electrode is used because of insufficient joining. Li ion conductivity at the interface between the active material and the solid electrolyte to be formed is lowered. Therefore, in Patent Document 1, a Li ion conduction path between the positive electrode and the solid electrolyte is formed by adding a solid electrolyte material to the positive electrode active material. However, in such a method, since the ratio of the active material in the positive electrode is low, there is a problem that the energy density as a battery is reduced.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、高いLiイオン伝導率を維持できるニオブ酸リチウム系の固体電解質およびそれを用いた高容量の二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a lithium niobate-based solid electrolyte capable of maintaining high Li ion conductivity and a high-capacity secondary battery using the same.

本発明の固体電解質は、LiとNbとの酸化物からなる固体電解質であって、前記酸化物がZrを含有しているとともに、前記酸化物中に含まれる前記Liに対する前記Zrの比率が、3mol%以上であることを特徴とする。
The solid electrolyte of the present invention is a solid electrolyte composed of an oxide of Li and Nb, and the oxide contains Zr, and the ratio of Zr to Li contained in the oxide is It is characterized by being 3 mol% or more .

本発明の二次電池は、上述の固体電解質と、該固体電解質を挟んで対向するように配置された正極と負極とを有する発電要素を具備してなり、前記正極および前記負極が酸化物焼結体であることを特徴とする。
A secondary battery according to the present invention includes a power generation element having the above-described solid electrolyte and a positive electrode and a negative electrode arranged so as to face each other with the solid electrolyte interposed therebetween. It is a ligation.

本発明によれば、高いLiイオン伝導率を安定に維持できる固体電解質を実現できる。このような固体電解質を用いた二次電池では、固体電解質と酸化物焼結体からなる電極とを強固に接合して界面におけるLiイオン伝導率を高めることができ、高容量の二次電池を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a solid electrolyte high have Li ion conductivity can be maintained stably. In the secondary battery using such a solid electrolyte, the solid electrolyte and the electrode made of the oxide sintered body can be firmly joined to increase the Li ion conductivity at the interface. realizable.

本発明の二次電池の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the secondary battery of this invention. 本発明の二次電池の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the secondary battery of this invention. Zrを3mol%含有する固体電解質の交流インピーダンス法による電荷移動抵抗の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the charge transfer resistance by the alternating current impedance method of the solid electrolyte containing 3 mol% of Zr. Zrを10mol%含有する固体電解質の交流インピーダンス法による電荷移動抵抗の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the charge transfer resistance by the alternating current impedance method of the solid electrolyte containing 10 mol% of Zr. Zrを30mol%含有する固体電解質の交流インピーダンス法による電荷移動抵抗の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the charge transfer resistance by the alternating current impedance method of the solid electrolyte containing 30 mol% of Zr. Zrを含有しない固体電解質の交流インピーダンス法による電荷移動抵抗の測定結果を示すグラフであり、(a)は400℃で熱処理した場合、(b)は500℃および600℃で熱処理した場合である。It is a graph which shows the measurement result of the charge transfer resistance by the alternating current impedance method of the solid electrolyte which does not contain Zr, (a) is a case where it heat-processes at 400 degreeC, (b) is a case where it heat-processes at 500 degreeC and 600 degreeC.

本実施形態の固体電解質は、Zrを含有するLiとNbとの酸化物からなるもので、そのZr含有量は、Liに対して3mol%以上、50mol%以下であることが望ましい。Zr含有量を3mol%以上とすることにより、固体電解質を400℃を超える温度で熱処理した場合でも、結晶化による固体電解質のLiイオン伝導率の低下を抑制することができる。また、LiとNbとの酸化物のLiイオン伝導率は、Liに対して50mol%のZrを含有していても維持されるが、より高いイオン伝導性を実現する点から、Zr含有量は30mol%以下であることが望ましい。このような固体電解質は、材料自体の
Liイオン伝導率が高く、高温における結晶化が抑制されるため、400℃を超える温度、さらには500℃以上で熱処理を行っても高いLiイオン伝導率を有する固体電解質とすることができる。固体電解質中のZr含有量は、蛍光X線やICP等の元素分析により確認できる。
The solid electrolyte of the present embodiment is made of an oxide of Li and Nb containing Zr, and the Zr content is desirably 3 mol% or more and 50 mol% or less with respect to Li. By setting the Zr content to 3 mol% or more, even when the solid electrolyte is heat-treated at a temperature exceeding 400 ° C., a decrease in Li ion conductivity of the solid electrolyte due to crystallization can be suppressed. Further, the Li ion conductivity of the oxide of Li and Nb is maintained even when 50 mol% of Zr is contained with respect to Li, but from the viewpoint of realizing higher ion conductivity, the Zr content is It is desirable that it is 30 mol% or less. Such a solid electrolyte has high Li ion conductivity of the material itself, and crystallization at high temperature is suppressed. Therefore, even when heat treatment is performed at a temperature exceeding 400 ° C. It can be set as the solid electrolyte which has. The Zr content in the solid electrolyte can be confirmed by elemental analysis such as X-ray fluorescence and ICP.

LiとNbとの酸化物とは、LiNbO、LiNb等やこれらが混在する酸化物をいい、結晶質であっても非晶質であってもよく、それが混在していても構わない。ただし、イオン伝導性の点からLiとNbとの酸化物の結晶性は低い方が好ましい。LiとNbとの酸化物の結晶性は、X線回折(XRD)測定から判断でき、結晶化が進むと結晶面の回折ピーク強度が大きくなり、回折ピークの半値幅が小さくなるため、結晶面の回折ピークの半値幅から結晶子径を算出し、結晶子径が小さいものほど結晶性が低いとした。 The oxide of Li and Nb refers to LiNbO 3 , LiNb 3 O 8 or the like and oxides in which these are mixed, and may be crystalline or amorphous, I do not care. However, it is preferable that the crystallinity of the oxide of Li and Nb is low from the viewpoint of ion conductivity. The crystallinity of the oxide of Li and Nb can be judged from X-ray diffraction (XRD) measurement. As crystallization progresses, the diffraction peak intensity of the crystal plane increases and the half-value width of the diffraction peak decreases. The crystallite diameter was calculated from the half-width of the diffraction peak, and the smaller the crystallite diameter, the lower the crystallinity.

また、本実施形態における固体電解質中のZrは、XRD測定においてZrO等のZr化合物に起因する回折ピークが確認されないことから、LiとNbとの酸化物に固溶していると考えられる。 In addition, Zr in the solid electrolyte in the present embodiment is considered to be dissolved in an oxide of Li and Nb because a diffraction peak due to a Zr compound such as ZrO 2 is not confirmed in XRD measurement.

また、本実施形態のZrを含有するLiとNbとの酸化物からなる固体電解質は、原料としてZrを含有するLiとNbとの酸化物の形成に必要な材料以外は積極的に添加しない。ただし原料やバインダ、さらには工程に起因する不純物量は、1質量%以下、さらには0.5質量%以下、好ましくは0.2質量%以下が良い。不純物の構成元素としてはCa、Na、Zn、C等が挙げられる。   Moreover, the solid electrolyte which consists of the oxide of Li and Nb containing Zr of this embodiment does not add positively except a material required for formation of the oxide of Li and Nb containing Zr as a raw material. However, the amount of impurities due to raw materials, binders, and processes is 1% by mass or less, further 0.5% by mass or less, and preferably 0.2% by mass or less. Examples of the constituent elements of impurities include Ca, Na, Zn, and C.

固体電解質の厚みは、正極と負極との間で電気的なショートを起こさない厚みが必要であり、少なくとも30nm以上、さらには50nm以上、より好ましくは80nm以上がよい。また、厚すぎるとLiイオン伝導の抵抗が大きくなるため、1μm以下、さらには500nm以下とすることが好ましい。   The thickness of the solid electrolyte needs to be a thickness that does not cause an electrical short between the positive electrode and the negative electrode, and is preferably at least 30 nm, further 50 nm, more preferably 80 nm. Moreover, since resistance of Li ion conduction will become large when too thick, it is preferable to set it as 1 micrometer or less, Furthermore, it is 500 nm or less.

本実施形態の固体電解質は、例えばゾルゲル法、沈殿法などの手法により作製できる。ゾルゲル法では、Nb、LiおよびZrのアルコキシドから固体電解質前駆体ゾルを作製し、それを用いて薄膜状に成形したものを400℃を超える温度で熱処理すればよい。   The solid electrolyte of the present embodiment can be produced by a technique such as a sol-gel method or a precipitation method. In the sol-gel method, a solid electrolyte precursor sol is prepared from an alkoxide of Nb, Li, and Zr, and a thin film formed using the sol is processed at a temperature exceeding 400 ° C.

例えばNbのアルコキシドとしては、ペンタメトキシニオブ、ペンタエトキシニオブ、ペンタ―i―プロポキシニオブ、ペンタ―n―プロポキシニオブ、ペンタ―i―ブトキシニオブ、ペンタ―n―ブトキシニオブ、ペンタ―sec―ブトキシニオブ、ニオブアルミニウム―i―プロポキシドなどを用いることができる。   For example, Nb alkoxides include pentamethoxyniobium, pentaethoxyniobium, penta-i-propoxyniobium, penta-n-propoxyniobium, penta-i-butoxyniobium, penta-n-butoxyniobium, penta-sec-butoxyniobium, Niobium aluminum-i-propoxide or the like can be used.

また、Liのアルコキシドとしては、メトキシリチウム、エトキシリチウム、i―プロポキシリチウム、n―プロポキシリチウム、i―ブトキシリチウム、n―ブトキシリチウム、sec―ブトキシリチウム、t―ブトキシリチウム、ジピバロイルメタナトリチウムなどを用いることができる。   As the alkoxide of Li, methoxy lithium, ethoxy lithium, i-propoxy lithium, n-propoxy lithium, i-butoxy lithium, n-butoxy lithium, sec-butoxy lithium, t-butoxy lithium, dipivaloylmethanato lithium Etc. can be used.

これらのNbおよびLiのアルコキシドを、メタノールやエタノール、IPAなどのアルコールに溶解させ、さらに硝酸や塩酸などの酸やアンモニアなどのアルカリを触媒として水とともに添加し、Zrを含有しない固体電解質前駆体ゾルを作製する。   These Nb and Li alkoxides are dissolved in alcohols such as methanol, ethanol, and IPA, and then added with water using an acid such as nitric acid or hydrochloric acid, or an alkali such as ammonia as a catalyst, and a solid electrolyte precursor sol containing no Zr. Is made.

Zrのアルコキシドとしては、テトラメトキシジルコニウム、テトラエトキシジルコニウム、テトラ―i―プロポキシジルコニウム、テトラ―n―プロポキシジルコニウム、テトラ―i―ブトキシジルコニウム、テトラ―n―ブトキシジルコニウム、テトラ―sec―ブトキシジルコニウム、テトラ―t―ブトキシジルコニウム、(イソプロポキシ)トリス(ジピバロイルメタナト)ジルコニウム、テトラキス(ジピバロイルメタナト)ジルコニウム、テトラキス(エチルメチルアミノ)ジルコニウムなどを用いることができる。   Zr alkoxides include tetramethoxy zirconium, tetraethoxy zirconium, tetra-i-propoxy zirconium, tetra-n-propoxy zirconium, tetra-i-butoxy zirconium, tetra-n-butoxy zirconium, tetra-sec-butoxy zirconium, tetra -T-Butoxyzirconium, (isopropoxy) tris (dipivaloylmethanato) zirconium, tetrakis (dipivaloylmethanato) zirconium, tetrakis (ethylmethylamino) zirconium and the like can be used.

アルコールに溶解したZrのアルコキシドを、Zrを含有しない固体電解質前駆体ゾルに、Liに対してZrが3mol%以上、50mol%以下となるように添加して混合することで、Zrを含有する固体電解質前駆体ゾル(以下、単に前駆体ゾルとも言う)が得られる。このとき、前駆体ゾル中に含まれる前駆体ゾルを安定化させるために、40〜70℃で還流を行ってもよい。   A Zr-containing solid is obtained by adding a Zr alkoxide dissolved in alcohol to a solid electrolyte precursor sol containing no Zr so that Zr is 3 mol% or more and 50 mol% or less with respect to Li. An electrolyte precursor sol (hereinafter also simply referred to as a precursor sol) is obtained. At this time, in order to stabilize the precursor sol contained in the precursor sol, reflux may be performed at 40 to 70 ° C.

得られた前駆体ゾルを用いて、例えばディップ法やスピンコート法等により電極上に固体電解質前駆体薄膜を形成し、400℃を超える温度で熱処理することで、Zrを含有するLiとNbとの酸化物からなる固体電解質を得ることができる。このようにして得られた固体電解質は、内部から有機化合物等の不純物が除去され、Liイオン伝導率の高い固体電解質となる。   Using the obtained precursor sol, a solid electrolyte precursor thin film is formed on the electrode by, for example, a dip method or a spin coat method, and heat-treated at a temperature exceeding 400 ° C., so that Li and Nb containing Zr A solid electrolyte composed of the oxide can be obtained. The solid electrolyte thus obtained is a solid electrolyte having a high Li ion conductivity by removing impurities such as organic compounds from the inside.

以上、ゾルゲル法により本実施形態の固体電解質を作製する方法を説明したが、本実施形態の固体電解質の作製法は、上記方法に限定されるものではなく、Zrを含有するLiとNbとの酸化物の固体電解質を、サブミクロンの厚さで形成可能な周知の薄膜形成法を適用できる。   As described above, the method for producing the solid electrolyte of the present embodiment by the sol-gel method has been described. However, the method for producing the solid electrolyte of the present embodiment is not limited to the above-described method. A known thin film forming method capable of forming an oxide solid electrolyte with a thickness of submicron can be applied.

このようにして得られた固体電解質を、図1に示すような、正極1、固体電解質層2、負極3が順次積層された発電要素8の固体電解質層2として用い、二次電池を構成するこ
とで、エネルギー密度が高く、高容量の二次電池が得られる。また、図2に示すように、発電要素8を、集電体4を介して複数個接続してもよい。
The solid electrolyte thus obtained is used as the solid electrolyte layer 2 of the power generation element 8 in which the positive electrode 1, the solid electrolyte layer 2, and the negative electrode 3 are sequentially laminated as shown in FIG. Thus, a secondary battery having a high energy density and a high capacity can be obtained. In addition, as shown in FIG. 2, a plurality of power generation elements 8 may be connected via the current collector 4.

正極1は少なくとも正極活物質からなり、正極活物質としてはLiCoO、LiNiO、LiCrO、LiVOなどの層状化合物やLiMMn2-x(Mは、C
o、Ni、Fe、CrおよびCuのうち少なくとも1種)などのスピネル化合物、LiFePO、LiCoPOなどのオリビン系材料などを用いることができる。
The positive electrode 1 is composed of at least a positive electrode active material. As the positive electrode active material, a layered compound such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiCrO 2 , LiVO 2 , LiM x Mn 2 -x O 4 (M is C
o, at least one of Ni, Fe, Cr and Cu), and olivine-based materials such as LiFePO 4 and LiCoPO 4 can be used.

負極3は少なくとも負極活物質からなり、負極活物質としては遷移金属酸化物、リチウム含有遷移金属酸化物などを用いることができる。   The negative electrode 3 is made of at least a negative electrode active material, and a transition metal oxide, a lithium-containing transition metal oxide, or the like can be used as the negative electrode active material.

なお、正極1および負極3には、活物質以外のものが含まれていてもよいが、実質的に活物質から形成されていることがエネルギー密度の向上および高容量化の面から望ましい。   The positive electrode 1 and the negative electrode 3 may contain materials other than the active material. However, it is desirable that the positive electrode 1 and the negative electrode 3 are substantially formed of the active material from the viewpoint of improving the energy density and increasing the capacity.

また、正極1および負極3は、活物質からなる緻密な焼結体であることが好ましい。正極1および負極3を緻密な焼結体とすることで、対峙する固体電解質層2との接合面積を大きくすることができる。すなわち、ボイドなどの欠陥の多い電極では欠陥部分には固体電解質層2との接合界面が形成されないため、イオン伝導パスが減少し内部抵抗が増加して電池性能が低下することになる。理想的には焼結体の気孔率は0%であることが望ましいが、許容できる気孔率として15%以下とすることが好ましく、さらには10%以下が好ましい。   The positive electrode 1 and the negative electrode 3 are preferably dense sintered bodies made of an active material. By using the positive electrode 1 and the negative electrode 3 as dense sintered bodies, the bonding area with the solid electrolyte layer 2 facing each other can be increased. That is, in an electrode having many defects such as voids, a bonding interface with the solid electrolyte layer 2 is not formed in the defective portion, so that the ion conduction path is reduced, the internal resistance is increased, and the battery performance is lowered. Ideally, the porosity of the sintered body is desirably 0%, but the acceptable porosity is preferably 15% or less, and more preferably 10% or less.

次に本実施形態の二次電池の製法の一例を説明する。本実施形態の二次電池は、例えばゾルゲル法などで作製されたNb、LiおよびZrを含有する固体電解質前駆体ゾルを、正極1および負極3の表面に、それぞれ第1固体電解質前駆体膜および第2固体電解質前駆体膜としてディップ法やスピンコート法などによって薄膜形成し、さらに固体電解質前駆体膜同士を張り合わせて400℃を超える温度、好ましくは500℃以上での熱処理によって接合することで作製できる。   Next, an example of the manufacturing method of the secondary battery of this embodiment will be described. The secondary battery of the present embodiment includes, for example, a solid electrolyte precursor sol containing Nb, Li, and Zr produced by, for example, a sol-gel method on the surfaces of the positive electrode 1 and the negative electrode 3, and the first solid electrolyte precursor film and Prepared by forming a thin film as a second solid electrolyte precursor film by dipping or spin coating, and bonding the solid electrolyte precursor films together by heat treatment at a temperature exceeding 400 ° C., preferably at 500 ° C. or higher. it can.

正極1あるいは負極3を作製する方法は、特に限定するものではなく、例えばそれぞれの活物質をプレス成形したり、活物質のグリーンシートを形状加工したものを脱脂・焼成して焼結体を作製し、それぞれの電極とすることができる。また、正極1や負極3となる電極活物質の成形体やグリーンシートに、それぞれ第1固体電解質前駆体膜および第2固体電解質前駆体膜を形成した後、固体電解質前駆体膜同士を張り合わせて焼成することにより、電極の緻密化と、電極と固体電解質との接合とを同時に行ってもよい。   The method for producing the positive electrode 1 or the negative electrode 3 is not particularly limited. For example, each active material is press-molded, or a green sheet of the active material is shaped and degreased and fired to produce a sintered body. And it can be set as each electrode. Moreover, after forming the 1st solid electrolyte precursor film | membrane and the 2nd solid electrolyte precursor film | membrane in the molded object and green sheet of the electrode active material used as the positive electrode 1 or the negative electrode 3, respectively, the solid electrolyte precursor film | membranes are bonded together. The electrode may be densified and the electrode and the solid electrolyte may be joined simultaneously by firing.

まず、正極活物質として、LiCoOの粉体、負極活物質としてLiTi12の粉体を用い、これらの活物質とブチラール等のバインダとを、必要に応じて分散剤や可塑剤を加えた、水またはトルエン等の有機溶剤を溶媒として、周知の方法でそれぞれ混合し、正極用および負極用のスラリーを作製する。活物質である粉体には、BやLi、Siの酸化物などを焼結助剤として添加してもよい。この場合、焼結助剤の添加量は、活物質に対して5重量%以下とすることが、電極の活物質充填率を高める点で好ましい。 First, LiCoO 2 powder is used as the positive electrode active material, and Li 4 Ti 5 O 12 powder is used as the negative electrode active material, and these active materials and a binder such as butyral are used as a dispersant or a plasticizer as necessary. Using water or an organic solvent such as toluene as a solvent, they are mixed by a known method to prepare slurry for positive electrode and negative electrode. B, Li, Si oxide or the like may be added to the powder as the active material as a sintering aid. In this case, the addition amount of the sintering aid is preferably 5% by weight or less with respect to the active material from the viewpoint of increasing the active material filling rate of the electrode.

作製したスラリーをポリエチレンテレフタレート(PET)製フィルム上にドクターブレードやコーターなど周知の方法によって塗工、乾燥し、例えば厚みが約200μmのグリーンシートを作製する。得られたグリーンシートを所望の形状に打ち抜き、必要に応じて脱脂処理を行った後、焼成することで、正極1および負極3となる焼結体が得られる。焼成は通常500℃〜1100℃程度で行うが、焼成温度はこの範囲に限られるものではなく、原料粉末である活物質の焼結性に応じて適宜選択すればよい。   The produced slurry is coated and dried on a polyethylene terephthalate (PET) film by a known method such as a doctor blade or a coater to produce a green sheet having a thickness of about 200 μm, for example. The obtained green sheet is punched into a desired shape, degreased as necessary, and then fired to obtain a sintered body that becomes the positive electrode 1 and the negative electrode 3. The firing is usually performed at about 500 ° C. to 1100 ° C., but the firing temperature is not limited to this range, and may be appropriately selected according to the sinterability of the active material as the raw material powder.

このようにして作製した正極1および負極3の表面に、前述のゾルゲル法で得られた固体電解質前駆体ゾルをディップ法やスピンコート法などにより塗布し、第1固体電解質前駆体膜および第2固体電解質前駆体膜である薄膜を形成する。薄膜の厚みは、正極1と負極3との間で電気的なショートを起こさない厚みが必要であり、第1固体電解質前駆体膜および第2固体電解質前駆体膜をあわせた固体電解質層2の厚みは、30nm以上、好ましくは50nm以上、さらに好ましくは80nm以上がよい。また、厚すぎるとLiイオン伝導の抵抗が大きくなるため、1μm以下、さらには500nm以下とすることが好ましい。   The solid electrolyte precursor sol obtained by the above-described sol-gel method is applied to the surfaces of the positive electrode 1 and the negative electrode 3 thus produced by a dip method, a spin coating method, or the like, and the first solid electrolyte precursor film and the second A thin film that is a solid electrolyte precursor film is formed. The thickness of the thin film needs to be a thickness that does not cause an electrical short between the positive electrode 1 and the negative electrode 3, and the thickness of the solid electrolyte layer 2 including the first solid electrolyte precursor film and the second solid electrolyte precursor film. The thickness is 30 nm or more, preferably 50 nm or more, and more preferably 80 nm or more. Moreover, since resistance of Li ion conduction will become large when too thick, it is preferable to set it as 1 micrometer or less, Furthermore, it is 500 nm or less.

次に、正極1および負極3の上に形成された第1固体電解質前駆体膜と第2固体電解質前駆体膜とを張り合わせて、熱処理によって接合することで発電要素8を得ることができる。熱処理温度は400℃を超える温度であり、元素の拡散を考えると500℃以上が好ましい。また、接合界面の密着性を高めるため、ホットプレス等の手法により熱処理時に加圧を行ってもよい。   Next, the power generation element 8 can be obtained by bonding the first solid electrolyte precursor film and the second solid electrolyte precursor film formed on the positive electrode 1 and the negative electrode 3 and bonding them by heat treatment. The heat treatment temperature is higher than 400 ° C., and preferably 500 ° C. or higher in view of element diffusion. Moreover, in order to improve the adhesiveness of a joining interface, you may pressurize at the time of heat processing by methods, such as a hot press.

このようにして形成された発電要素8は、収納容器内に収容されて使用される。収納容器は、ラミネート型リチウムイオン電池や、図1に示すような従来のコイン電池などで使用されている外装体5、7および集電体4がいずれも適用可能である。例えば、図2に示すように、アルミニウムや亜鉛、鉄、ニッケル、ステンレスなどからなる電子伝導性を有する金属板をプレス成形法などによって加工した蓋材である外装体7と、内部に複数の発電要素8を積層して収納した電槽本体である外装体5とを、絶縁材6(絶縁パッキン)を介在させてかしめて封止することもできる。なお、図2では、固体電解質を、正極と負極に挟まれるように配置して積層した発電要素8を、集電体を介して3個直列に接続しているが、接続する発電要素8の個数および接続方式については、用途によって異なるものであり特に限定されるものではない。   The power generation element 8 formed in this way is used by being accommodated in a storage container. As the storage container, any of the outer casings 5 and 7 and the current collector 4 used in a laminated lithium ion battery or a conventional coin battery as shown in FIG. 1 can be applied. For example, as shown in FIG. 2, an exterior body 7 that is a lid material obtained by processing a metal plate having electronic conductivity made of aluminum, zinc, iron, nickel, stainless steel, or the like by a press molding method, and a plurality of power generation units therein. It is also possible to seal the exterior body 5, which is a battery case body in which the elements 8 are stacked and accommodated, with an insulating material 6 (insulating packing) interposed therebetween. In FIG. 2, three power generation elements 8 in which a solid electrolyte is disposed and stacked so as to be sandwiched between a positive electrode and a negative electrode are connected in series via a current collector. The number and connection method differ depending on the application and are not particularly limited.

(Liイオン伝導率測定サンプルの作製)
まず、Nb、LiおよびZrを含有する固体電解質前駆体ゾルを作製した。Nbのアルコキシドとしてペンタエトキシニオブ、Liのアルコキシドとしてリチウムエトキシドを用い、これらをエタノールを溶媒として混合した。Nb、Li、エタノールの混合比は、モル比にして1:1:100とした。この混合溶液に、Liに対してモル比で0.1の硝酸を水とともに添加して混合し、Zrを含有しない固体電解質前駆体ゾルを作製した。次に、Zrのアルコキシドとしてジルコニウムテトラ‐n‐ブトキシドを用い、これを1ブタノール溶液に90重量%溶解させたものを、Zrを含有しない固体電解質前駆体ゾルに所定量添加し、十分混合させることでZrを含有する固体電解質前駆体ゾル(以下、単に前駆体ゾルとも言う)を作製した。前駆体ゾル中のLiに対するZrの添加量を表1に示す。
(Preparation of Li ion conductivity measurement sample)
First, a solid electrolyte precursor sol containing Nb, Li and Zr was prepared. Pentaethoxyniobium was used as the alkoxide of Nb, lithium ethoxide was used as the alkoxide of Li, and these were mixed using ethanol as a solvent. The mixing ratio of Nb, Li, and ethanol was 1: 1: 100 as a molar ratio. Nitric acid having a molar ratio of 0.1 with respect to Li was added to and mixed with this mixed solution to prepare a solid electrolyte precursor sol containing no Zr. Next, using zirconium tetra-n-butoxide as the alkoxide of Zr and adding 90% by weight of this in 1-butanol solution to a solid electrolyte precursor sol containing no Zr, and mixing well. A solid electrolyte precursor sol containing Zr (hereinafter also simply referred to as precursor sol) was prepared. Table 1 shows the amount of Zr added to Li in the precursor sol.

得られた前駆体ゾルを用いて、ガラス上にPtを蒸着して形成した電極上に、スピンコートで固体電解質前駆体膜を成膜し、400℃〜600℃の各温度で熱処理して、面積1.77cm、厚さ0.3μmの固体電解質膜を作製し、その表面にPtを測定用電極として蒸着した。なお、作製した固体電解質膜のZr含有量は、ICP分析により添加量と同等であることを確認した。 Using the obtained precursor sol, a solid electrolyte precursor film was formed by spin coating on an electrode formed by vapor-depositing Pt on glass, and heat-treated at each temperature of 400 ° C. to 600 ° C., A solid electrolyte membrane having an area of 1.77 cm 2 and a thickness of 0.3 μm was prepared, and Pt was deposited on the surface as a measurement electrode. In addition, it confirmed that Zr content of the produced solid electrolyte membrane was equivalent to the addition amount by ICP analysis.

(Liイオン伝導率の測定)
得られた固体電解質膜のLiイオン伝導率を、交流インピーダンス法(通称:コールコールプロット)によって測定した。測定装置はフランスBio−Logic社製VSPを用いた。イオンブロッキング状態で、室温にて周波数1MHzから100mHzまでの抵
抗値を測定し、Liイオン伝導率を以下の式により算出した。
(Measurement of Li ion conductivity)
Li ion conductivity of the obtained solid electrolyte membrane was measured by an AC impedance method (common name: Cole-Cole plot). The measurement apparatus used was VSP manufactured by France Bio-Logic. In an ion blocking state, a resistance value from a frequency of 1 MHz to 100 mHz was measured at room temperature, and Li ion conductivity was calculated by the following equation.

Figure 0005677181
Figure 0005677181

なお、固体電解質膜の抵抗測定値Rは、グラフプロットの実軸切片(円弧の半径)の値に相当する。また、固体電解質膜の厚みtは、固体電解質膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、3箇所の厚みを測定した平均値である。   The resistance measurement value R of the solid electrolyte membrane corresponds to the value of the real axis intercept (arc radius) of the graph plot. The thickness t of the solid electrolyte membrane is an average value obtained by observing the cross section of the solid electrolyte membrane with a scanning electron microscope (SEM) and measuring the thickness at three locations.

図3〜6は、それぞれ試料No.1〜4の交流インピーダンス測定結果を示すグラフである。Zrを含有しない試料No.4では、図6(a)に示す熱処理温度400℃の場合の電気抵抗値(約900Ω)に対し、熱処理温度500℃および600℃の場合には、図6(b)に示すように100kΩ以上とオーダーの異なる電気抵抗値となり、電気抵抗が大きく増加していた。   3 to 6 show Sample No. It is a graph which shows the alternating current impedance measurement result of 1-4. Sample No. containing no Zr. 4, the electrical resistance value (about 900Ω) when the heat treatment temperature is 400 ° C. shown in FIG. 6A is 100 kΩ or more as shown in FIG. 6B when the heat treatment temperatures are 500 ° C. and 600 ° C. The electric resistance value was different from the order, and the electric resistance was greatly increased.

一方、Zrを添加した試料No.1〜3ではいずれにおいても、図3〜5に示すように、熱処理の高温化に伴い電荷移動抵抗も増加するがそのオーダーは変わらず、熱処理温度による電荷移動抵抗の増加率は小さいことがわかる。   On the other hand, sample no. In any of 1 to 3, as shown in FIGS. 3 to 5, the charge transfer resistance increases as the temperature of the heat treatment increases, but the order does not change, and the rate of increase of the charge transfer resistance due to the heat treatment temperature is small. .

なお、Zr添加量が少ないと高温で熱処理した場合の電荷移動抵抗が大きくなる傾向にあり、Zr添加量が多いと400℃のような低温で熱処理した場合でも電荷移動抵抗が大きくなる傾向が見られた。   When the amount of Zr added is small, the charge transfer resistance tends to increase when heat-treated at a high temperature, and when the amount of Zr added is large, the charge transfer resistance tends to increase even when heat-treated at a low temperature such as 400 ° C. It was.

以上のように、LiとNbとの酸化物にZrを添加することによって、高温での熱処理による電荷移動抵抗の増大が大幅に抑制され、高いLiイオン伝導を示す固体電解質が得られることがわかる。   As described above, it can be seen that by adding Zr to an oxide of Li and Nb, an increase in charge transfer resistance due to heat treatment at a high temperature is significantly suppressed, and a solid electrolyte exhibiting high Li ion conduction can be obtained. .

以上の結果をもとに、600℃で熱処理を行った試料No.1〜4の固体電解質膜について、前述の式から算出したLiイオン伝導率と、XRD測定から得られたLiNbOの結晶子径を表1に示す。なお、結晶子径はLiNbOの(012)面の回折ピークの半値幅を用いて、以下の式から算出した。 Based on the above results, Sample No. Table 1 shows the Li ion conductivity calculated from the above formula and the crystallite diameter of LiNbO 3 obtained from the XRD measurement for the solid electrolyte membranes 1 to 4. The crystallite diameter was calculated from the following formula using the half width of the diffraction peak of the (012) plane of LiNbO 3 .

Figure 0005677181
Figure 0005677181

Figure 0005677181
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このように、Zrを含有する試料No.1〜3の固体電解質では、600℃で熱処理を行っても結晶子径が小さく結晶化が抑制されており、1×10−7S/cm以上の高いLiイオン伝導率を示す実用的な固体電解質であった。 Thus, the sample No. containing Zr. In the solid electrolytes 1 to 3, a practical solid exhibiting a high Li ion conductivity of 1 × 10 −7 S / cm or more because the crystallite size is small and crystallization is suppressed even when heat treatment is performed at 600 ° C. It was an electrolyte.

1・・・正極
2・・・固体電解質層
3・・・負極
4・・・集電体
5、7・・・外装体
6・・・絶縁材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode 2 ... Solid electrolyte layer 3 ... Negative electrode 4 ... Current collector 5, 7 ... Exterior body 6 ... Insulating material

Claims (3)

LiとNbとの酸化物からなる固体電解質であって、前記酸化物がZrを含有しているとともに、前記酸化物中に含まれる前記Liに対する前記Zrの比率が、3mol%以上であることを特徴とする固体電解質。 A solid electrolyte comprising an oxide of Li and Nb , wherein the oxide contains Zr, and the ratio of Zr to Li contained in the oxide is 3 mol% or more. A solid electrolyte. 請求項1に記載の固体電解質と、該固体電解質を挟んで対向するように配置された正極と負極とを有する発電要素を具備してなり、前記正極および前記負極が酸化物焼結体であることを特徴とする二次電池。 A power generation element comprising the solid electrolyte according to claim 1 and a positive electrode and a negative electrode arranged so as to face each other with the solid electrolyte interposed therebetween, wherein the positive electrode and the negative electrode are oxide sintered bodies. A secondary battery characterized by that. 前記発電要素が、集電体を介して複数個接続されていることを特徴とする請求項に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 2 , wherein a plurality of the power generation elements are connected via a current collector.
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