JP5696353B2 - All solid state battery system - Google Patents

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Description

本発明は、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制でき、出力特性に優れた全固体電池システムに関する。   The present invention relates to an all-solid-state battery system that can suppress an increase in internal resistance during high temperature use and has excellent output characteristics.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として優れた電池(例えばリチウム電池)の開発が重要視されている。また、情報関連機器や通信関連機器以外の分野では、例えば自動車産業界において、電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるリチウム電池等の開発が進められている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, the development of batteries (eg, lithium batteries) that are excellent as power sources has been regarded as important. In fields other than information-related equipment and communication-related equipment, for example, in the automobile industry, development of lithium batteries and the like used for electric cars and hybrid cars is being promoted.

ここで、従来市販されているリチウム電池には、可燃性の有機溶媒を用いた有機電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対して、液体電解質を固体電解質に変更した全固体電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。   Here, since a commercially available lithium battery uses an organic electrolyte solution that uses a flammable organic solvent, a structure for preventing the installation of a safety device and preventing a short circuit that suppresses the temperature rise at the time of a short circuit. Improvements in materials are necessary. In contrast, an all-solid-state battery in which the liquid electrolyte is changed to a solid electrolyte does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and the manufacturing cost and productivity are considered excellent. Yes.

このような全固体電池の分野において、従来から、硫化物固体電解質材料が知られている。特許文献1においては、正極活物質にコバルト酸リチウム、硫化物固体電解質材料にLiS−P結晶化ガラスを用いた全固体電池が開示されている。この全固体電池は、硫化物固体電解質材料が架橋硫黄を有するため、Liイオン伝導性が高く、高出力化を図ることができるという利点を有する。しかしながら、架橋硫黄を有する硫化物固体電解質材料は、高温使用時に、硫化物固体電解質材料の化学劣化が生じやすく、内部抵抗が増大するという問題がある。そのため、高温使用による高出力化を図ることができないという問題がある。また、非特許文献1においても、種々の硫化物固体電解質材料が開示されている。また、非特許文献2においては、Liイオン伝導体であるLi11の結晶構造が開示されている。 Conventionally, sulfide solid electrolyte materials are known in the field of such all-solid batteries. Patent Document 1 discloses an all-solid battery using lithium cobaltate as a positive electrode active material and Li 2 S—P 2 S 5 crystallized glass as a sulfide solid electrolyte material. This all-solid-state battery has the advantage that Li ion conductivity is high and the output can be increased because the sulfide solid electrolyte material has cross-linked sulfur. However, the sulfide solid electrolyte material having bridging sulfur has a problem in that the chemical resistance of the sulfide solid electrolyte material is likely to occur during high temperature use, and the internal resistance increases. Therefore, there is a problem that it is not possible to achieve high output due to high temperature use. Non-Patent Document 1 also discloses various sulfide solid electrolyte materials. Non-Patent Document 2 discloses a crystal structure of Li 7 S 3 P 11 which is a Li ion conductor.

特開2002−109955号公報JP 2002-109955 A

Akitoshi Hayashi et al., “Characterization of Li2S-SiS2-Li3MO3 (M=B, Al, Ga and In) oxysulfide glasses and their application to solid state lithium secondary batteries”, Solid State Ionics, 152-153 (2002) 285-290Akitoshi Hayashi et al., “Characterization of Li2S-SiS2-Li3MO3 (M = B, Al, Ga and In) oxysulfide glasses and their application to solid state lithium secondary batteries”, Solid State Ionics, 152-153 (2002) 285- 290 Hisanori Yamane et al., “Crystal structure of a superionic conductor, Li7P3S11”, Solid State Ionics, 178 (2007) 1163-1167Hisanori Yamane et al., “Crystal structure of a superionic conductor, Li7P3S11”, Solid State Ionics, 178 (2007) 1163-1167

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制でき、出力特性に優れた全固体電池システムを提供することを主目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide an all-solid-state battery system that can suppress an increase in internal resistance during high temperature use and has excellent output characteristics.

上記課題を解決すべく、本発明においては、正極活物質を含有する正極活物質層、負極活物質を含有する負極活物質層、並びに、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層を有する全固体電池と、上記全固体電池を40℃以上に加温する加温手段とを有し、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とする全固体電池システムを提供する。   In order to solve the above problems, in the present invention, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a gap between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. An all-solid battery having the formed solid electrolyte layer, and a heating means for heating the all-solid battery to 40 ° C. or higher, and the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer Provided is an all-solid battery system characterized in that at least one contains a sulfide solid electrolyte material substantially free of bridging sulfur.

本発明によれば、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いることで、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制することができる。これにより、出力特性に優れた全固体電池システムとすることができる。   According to the present invention, an increase in internal resistance during high temperature use can be suppressed by using a sulfide solid electrolyte material that has substantially no cross-linking sulfur. Thereby, it can be set as the all-solid-state battery system excellent in the output characteristic.

上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料が、LiS−P材料、LiS−SiS材料、LiS−GeS材料またはLiS−Al材料であることが好ましく、LiS−P材料であることがより好ましい。Liイオン伝導性が優れているからである。 In the above invention, the sulfide solid electrolyte material is a Li 2 S—P 2 S 5 material, a Li 2 S—SiS 2 material, a Li 2 S—GeS 2 material, or a Li 2 S—Al 2 S 3 material. it is preferred, more preferably Li 2 S-P 2 S 5 material. This is because the Li ion conductivity is excellent.

上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料が、硫化物ガラスまたは結晶化硫化物ガラスであることが好ましい。硫化物ガラスは、結晶化硫化物ガラスに比べて柔らかいため、全固体電池を作製した際に活物質の膨張収縮を吸収でき、サイクル特性が優れるという利点を有する。一方、結晶化硫化物ガラスは、硫化物ガラスに比べて、Liイオン伝導性が高くなる可能性があるという利点を有する。   In the said invention, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material is sulfide glass or crystallized sulfide glass. Since sulfide glass is softer than crystallized sulfide glass, it has the advantage that it can absorb the expansion and contraction of the active material when an all-solid battery is produced and has excellent cycle characteristics. On the other hand, crystallized sulfide glass has an advantage that Li ion conductivity may be higher than sulfide glass.

上記発明においては、上記正極活物質が、酸化物正極活物質であることが好ましい。酸化物正極活物質を用いることにより、エネルギー密度の高い全固体電池とすることができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said positive electrode active material is an oxide positive electrode active material. This is because by using the oxide positive electrode active material, an all-solid battery having a high energy density can be obtained.

本発明の全固体電池システムにおいては、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制できるという効果を奏する。   In the all-solid-state battery system of this invention, there exists an effect that the increase in internal resistance at the time of high temperature use can be suppressed.

本発明の全固体電池システムの一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the all-solid-state battery system of this invention. 本発明における発熱体を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the heat generating body in this invention. 全固体電池の発電要素を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the electric power generation element of an all-solid-state battery. 充放電サイクル数と内部抵抗増加率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between charging / discharging cycle number and internal resistance increase rate. 実施例1で得られた全固体リチウム二次電池の作動温度および内部抵抗の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the operating temperature and internal resistance of the all solid lithium secondary battery obtained in Example 1. FIG. 実施例1における正極合材等に対するラマン分光測定の結果である。It is the result of the Raman spectroscopic measurement with respect to the positive electrode compound material etc. in Example 1. FIG. 比較例1における正極合材等に対するラマン分光測定の結果である。It is the result of the Raman spectroscopic measurement with respect to the positive electrode compound material etc. in the comparative example 1. 実施例2における正極合材等に対するラマン分光測定の結果である。It is the result of the Raman spectroscopic measurement with respect to the positive electrode compound material etc. in Example 2. FIG. 実施例3における正極合材等に対するラマン分光測定の結果である。It is a result of the Raman spectroscopic measurement with respect to the positive electrode compound material etc. in Example 3. FIG. 参考例1−1〜1−5で得られた硫化物固体電解質材料のラマン分光測定の結果である。It is a result of the Raman spectroscopic measurement of the sulfide solid electrolyte material obtained in Reference Examples 1-1 to 1-5. 参考例1−1、1−3、1−4、1−6で得られた硫化物固体電解質材料のX線回折測定の結果である。It is a result of the X-ray-diffraction measurement of the sulfide solid electrolyte material obtained by the reference examples 1-1, 1-3, 1-4, and 1-6.

以下、本発明の全固体電池システムについて詳細に説明する。   Hereinafter, the all solid state battery system of the present invention will be described in detail.

本発明の全固体電池システムは、正極活物質を含有する正極活物質層、負極活物質を含有する負極活物質層、並びに、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層を有する全固体電池と、上記全固体電池を40℃以上に加温する加温手段とを有し、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするものである。   The all-solid-state battery system of the present invention is formed between a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. An all-solid battery having a solid electrolyte layer and a heating means for heating the all-solid battery to 40 ° C. or higher, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer is And a sulfide solid electrolyte material substantially free from bridging sulfur.

本発明によれば、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いることで、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制することができる。これにより、出力特性に優れた全固体電池システムとすることができる。一般的に、固体電解質材料のイオン伝導度の温度依存性は、アレニウスプロットに従うため、高温になれば固体電解質材料のLiイオン伝導度は高くなり、電池の内部抵抗は低下する。しかしながら、架橋硫黄を有する硫化物固体電解質材料を用いた電池を、高温で作動させると、熱により架橋硫黄の部位で反応が生じ、硫化物固体電解質材料が化学劣化し、電池の内部抵抗は増大するという問題がある。これに対して、本発明においては、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いることで、熱による硫化物固体電解質材料の化学劣化を抑制することができ、内部抵抗の増大を抑制することができる。その結果、出力特性に優れた全固体電池システムとすることができる。すなわち、本発明においては、硫化物固体電解質材料の架橋硫黄が、熱的に不安定である点に着目し、その架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いることで、高温使用時における内部抵抗の増大を抑制できることを見出したのである。   According to the present invention, an increase in internal resistance during high temperature use can be suppressed by using a sulfide solid electrolyte material that has substantially no cross-linking sulfur. Thereby, it can be set as the all-solid-state battery system excellent in the output characteristic. In general, the temperature dependence of the ionic conductivity of the solid electrolyte material follows the Arrhenius plot. Therefore, the Li ion conductivity of the solid electrolyte material increases and the internal resistance of the battery decreases as the temperature rises. However, if a battery using a sulfide solid electrolyte material having bridging sulfur is operated at a high temperature, a reaction occurs at the site of the bridging sulfur due to heat, the sulfide solid electrolyte material chemically deteriorates, and the internal resistance of the battery increases. There is a problem of doing. On the other hand, in the present invention, by using a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur, chemical deterioration of the sulfide solid electrolyte material due to heat can be suppressed, and the internal resistance can be increased. Can be suppressed. As a result, an all-solid battery system with excellent output characteristics can be obtained. That is, in the present invention, focusing on the fact that the bridging sulfur of the sulfide solid electrolyte material is thermally unstable, by using the sulfide solid electrolyte material that does not have the bridging sulfur, It has been found that the increase in resistance can be suppressed.

なお、上述した非特許文献1には、架橋硫黄を含む硫化物固体電解質材料を用いた全固体電池を、70℃にて充放電した実験結果が開示されている(非特許文献1のFig.6)。しかしながら、その実験で用いられた95(0.6LiS・0.4SiS)・5LiBOは、その製造方法を考慮すると架橋硫黄を有するものであると考えられ、高温使用時に硫化物固体電解質材料が化学劣化し、内部抵抗は増大していると考えられる。また、本発明における全固体電池は、固体電解質層を用いるものである。仮に、液体電解質(電解液)を用いた場合、40℃以上の高温域では、電解液の分解が顕著になるため、通常このような高温域で使用することは困難である。そのため、40℃以上の加温手段を用いるという特徴は、固体電解質層を有する全固体電池特有の特徴であると考えられる。 Note that Non-Patent Document 1 described above discloses an experimental result of charging and discharging an all-solid battery using a sulfide solid electrolyte material containing bridging sulfur at 70 ° C. (FIG. 1 of Non-Patent Document 1). 6). However, 95 (0.6Li 2 S · 0.4SiS 2 ) · 5Li 3 BO 3 used in the experiment is considered to have bridging sulfur in view of the production method, and sulfides are used during high temperature use. It is considered that the solid electrolyte material is chemically deteriorated and the internal resistance is increased. Moreover, the all-solid-state battery in this invention uses a solid electrolyte layer. If a liquid electrolyte (electrolytic solution) is used, the decomposition of the electrolytic solution becomes significant at a high temperature range of 40 ° C. or higher, and thus it is usually difficult to use at such a high temperature range. Therefore, the feature of using a heating means of 40 ° C. or higher is considered to be a feature unique to an all-solid battery having a solid electrolyte layer.

図1は、本発明の全固体電池システムの一例を示す概略断面図である。図1に示される全固体電池システム20は、全固体電池10と、発熱体11、その発熱体11の温度を検知する温度検知部12、および発熱体11の温度を制御する制御部13からなる加温手段とから構成されるものである。さらに、全固体電池10は、正極活物質層1と、負極活物質層2と、固体電解質層3と、電池ケース4とを有する。本発明においては、加温手段が全固体電池10を40℃以上に加温し、さらに、正極活物質層1、負極活物質層2および固体電解質層3の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有することを大きな特徴とする。   FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the all solid state battery system of the present invention. An all solid state battery system 20 shown in FIG. 1 includes an all solid state battery 10, a heating element 11, a temperature detection unit 12 that detects the temperature of the heating element 11, and a control unit 13 that controls the temperature of the heating element 11. It is comprised from a heating means. Further, the all solid state battery 10 includes a positive electrode active material layer 1, a negative electrode active material layer 2, a solid electrolyte layer 3, and a battery case 4. In the present invention, the heating means heats the all-solid battery 10 to 40 ° C. or higher, and at least one of the positive electrode active material layer 1, the negative electrode active material layer 2, and the solid electrolyte layer 3 is substantially crosslinked sulfur. The main feature is that it contains a sulfide solid electrolyte material that does not contain any of the above.

次に、熱による硫化物固体電解質材料の化学劣化について、硫化物固体電解質材料がLiS−P材料である場合を用いて説明する。硫化物固体電解質材料がLiS−P材料である場合、合成時のLiSおよびPの割合や、熱処理の条件等によって、下記のPSユニットやPユニットが形成される。 Next, chemical degradation of the sulfide solid electrolyte material due to heat will be described using a case where the sulfide solid electrolyte material is a Li 2 S—P 2 S 5 material. When the sulfide solid electrolyte material is a Li 2 S—P 2 S 5 material, depending on the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 during synthesis, heat treatment conditions, and the like, the following PS 4 units and P 2 S 7 are used. A unit is formed.

Figure 0005696353
Figure 0005696353

PSユニットは架橋硫黄を有しないものであり、Pユニットは架橋硫黄を有するものである。後述する実施例に記載するように、PSユニットは熱的安定性が高く、例えば40℃以上の高い温度で電池を作動させたとしても、その構造を維持することができる。これに対して、Pユニットは熱的安定性が低い(架橋硫黄の反応性が高い)ため、高い温度で電池を作動させると、その構造を維持することができず、下記のようにPユニットに変化してしまう。 The PS 4 unit has no cross-linking sulfur, and the P 2 S 7 unit has cross-linking sulfur. As described in the examples described later, the PS 4 unit has high thermal stability, and can maintain its structure even when the battery is operated at a high temperature of 40 ° C. or higher, for example. On the other hand, since the P 2 S 7 unit has low thermal stability (high reactivity of crosslinking sulfur), when the battery is operated at a high temperature, the structure cannot be maintained. To P 2 S 6 units.

Figure 0005696353
Figure 0005696353

このPユニットの結晶であるLiは、Liイオン伝導性が低いことが知られており、その結果、電池の内部抵抗は増大すると考えられる。このように、架橋硫黄を有する硫化物固体電解質材料を用いると、熱により架橋硫黄の部位で反応が生じ、硫化物固体電解質材料が化学劣化し、電池の内部抵抗は増大してしまうという問題がある。これに対して、本発明においては、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いることで、硫化物固体電解質材料の化学劣化を抑制し、高温使用時における電池の内部抵抗の増大を抑制することができるのである。
以下、本発明の全固体電池システムについて、構成ごとに説明する。
Li 4 P 2 S 6 , which is a crystal of this P 2 S 6 unit, is known to have low Li ion conductivity, and as a result, the internal resistance of the battery is considered to increase. Thus, when a sulfide solid electrolyte material having crosslinked sulfur is used, a reaction occurs at the site of the crosslinked sulfur due to heat, the sulfide solid electrolyte material is chemically deteriorated, and the internal resistance of the battery increases. is there. On the other hand, in the present invention, by using a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur, chemical deterioration of the sulfide solid electrolyte material is suppressed, and the internal resistance of the battery at the time of high temperature use is increased. Can be suppressed.
Hereinafter, the all-solid-state battery system of this invention is demonstrated for every structure.

1.全固体電池
本発明における全固体電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有するものである。
1. All-solid battery The all-solid battery in the present invention is formed between a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. A solid electrolyte layer.

(1)固体電解質層
まず、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。固体電解質層に用いられる固体電解質材料は、イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、中でも、硫化物固体電解質材料であることが好ましい。イオン伝導性が高いからである。特に、本発明においては、固体電解質層に用いられている硫化物固体電解質材料が、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料であることが好ましい。高温使用時における内部抵抗が小さい電池を得ることができるからである。
(1) Solid electrolyte layer First, the solid electrolyte layer in this invention is demonstrated. The solid electrolyte layer in the present invention is a layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The solid electrolyte material used for the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it has ion conductivity, but among them, a sulfide solid electrolyte material is preferable. This is because ionic conductivity is high. In particular, in the present invention, it is preferable that the sulfide solid electrolyte material used for the solid electrolyte layer is a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur. This is because a battery having a low internal resistance when used at a high temperature can be obtained.

なお、本発明における全固体電池は、固体電解質層、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有すれば良い。中でも、本発明においては、少なくとも固体電解質層が、上記硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。固体電解質層は、電池の内部抵抗に与える影響が大きいからである。さらに、本発明においては、少なくとも固体電解質層および正極活物質層が、上記硫化物固体電解質材料を含有することがより好ましい。正極活物質と上記硫化物固体電解質材料との反応を抑制することで、内部抵抗の増大をさらに抑制することができるからである。特に、本発明においては、固体電解質層、正極活物質層および負極活物質層の全てが、上記硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。   In the all solid state battery of the present invention, at least one of the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer may contain a sulfide solid electrolyte material that does not substantially contain cross-linked sulfur. Among them, in the present invention, it is preferable that at least the solid electrolyte layer contains the sulfide solid electrolyte material. This is because the solid electrolyte layer has a great influence on the internal resistance of the battery. Furthermore, in the present invention, it is more preferable that at least the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer contain the sulfide solid electrolyte material. This is because an increase in internal resistance can be further suppressed by suppressing the reaction between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte material. In particular, in the present invention, it is preferable that all of the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer contain the sulfide solid electrolyte material.

(i)実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料
次に、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料について説明する。ここで、「架橋硫黄」とは、硫化物固体電解質材料を合成時に生じる−S−結合の硫黄元素をいう。例えば、上記硫化物固体電解質材料がLiS−P材料の場合、SP−S−PS(上述したPユニット)の硫黄元素等が該当する。このような架橋硫黄は、熱の影響を受けやすく、高温使用時における内部抵抗増加の原因となる。
(I) Sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur Next, a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur will be described. Here, “bridged sulfur” refers to a sulfur element having an —S— bond generated during the synthesis of the sulfide solid electrolyte material. For example, when the sulfide solid electrolyte material is a Li 2 S—P 2 S 5 material, a sulfur element of S 3 P—S—PS 3 (P 2 S 7 unit described above) or the like is applicable. Such bridging sulfur is susceptible to heat and causes an increase in internal resistance when used at high temperatures.

「実質的に架橋硫黄を有しない」ことは、ラマン分光スペクトルの測定により、確認することができる。例えば、上記硫化物固体電解質材料がLiS−P材料である場合、Pユニットのピークは、通常402cm−1に表れる。そのため、本発明においては、このピークが検出されないことが好ましい。また、PSユニットのピークは、通常417cm−1に表れる。本発明においては、402cm−1における強度I402が、417cm−1における強度I417よりも小さいことが好ましい。より具体的には、強度I417に対して、強度I402は、例えば70%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましく、35%以下であることがさらに好ましい。なお、「実質的に架橋硫黄を有しない」ことは、ラマン分光スペクトルの測定結果以外にも、硫化物固体電解質材料を合成する際の原料組成比、NMRの測定結果を用いても確認することができる。 “Substantially no cross-linking sulfur” can be confirmed by measurement of Raman spectroscopy. For example, when the sulfide solid electrolyte material is Li 2 S—P 2 S 5 material, the peak of P 2 S 7 unit usually appears at 402 cm −1 . Therefore, in the present invention, it is preferable that this peak is not detected. Moreover, the peak of PS 4 units usually appears at 417 cm −1 . In the present invention, the intensity I 402 at 402 cm -1 is preferably smaller than the intensity I 417 at 417 cm -1. More specifically, the strength I 402 is preferably 70% or less, more preferably 50% or less, and even more preferably 35% or less with respect to the strength I 417 . Note that “substantially no cross-linked sulfur” can be confirmed by using the raw material composition ratio when synthesizing the sulfide solid electrolyte material and the NMR measurement result in addition to the measurement result of the Raman spectrum. Can do.

実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料としては、具体的には、LiSと、第13族〜第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなるものを挙げることができる。このような原料組成物を用いて上記硫化物固体電解質材料を合成する方法としては、例えば非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法および溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。 Specifically, as the sulfide solid electrolyte material having substantially no crosslinking sulfur, a material composition containing Li 2 S and a sulfide of an element belonging to Group 13 to Group 15 is used. Can be mentioned. Examples of a method for synthesizing the sulfide solid electrolyte material using such a raw material composition include an amorphization method. Examples of the amorphization method include a mechanical milling method and a melt quenching method, and among them, the mechanical milling method is preferable. This is because processing at room temperature is possible, and the manufacturing process can be simplified.

上記第13族〜第15族の元素としては、例えばAl、Si、Ge、P、As、Sb等を挙げることができる。また、第13族〜第15族の元素の硫化物としては、具体的には、Al、SiS、GeS、P、P、As、Sb等を挙げることができる。中でも、本発明においては、第14族または第15族の硫化物を用いることが好ましい。特に、本発明においては、LiSと、第13族〜第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなる上記硫化物固体電解質材料が、LiS−P材料、LiS−SiS材料、LiS−GeS材料またはLiS−Al材料であることが好ましく、LiS−P材料であることがより好ましい。Liイオン伝導性が優れているからである。 Examples of the Group 13 to Group 15 elements include Al, Si, Ge, P, As, and Sb. Moreover, as a sulfide of an element of Group 13 to Group 15, specifically, Al 2 S 3 , SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 3 , P 2 S 5 , As 2 S 3 , Sb 2 S 3 etc. can be mentioned. Among these, in the present invention, it is preferable to use a Group 14 or Group 15 sulfide. In particular, in the present invention, the sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and a sulfide of an element belonging to Group 13 to Group 15 is Li 2 S—P 2 S. 5 materials, Li 2 S—SiS 2 material, Li 2 S—GeS 2 material or Li 2 S—Al 2 S 3 material are preferable, and Li 2 S—P 2 S 5 material is more preferable. This is because the Li ion conductivity is excellent.

また、上記硫化物固体電解質材料が、LiSを含有する原料組成物を用いてなるものである場合、上記硫化物固体電解質材料は、実質的にLiSを有しないことが好ましい。「実質的にLiSを有しない」とは、出発原料に由来するLiSを実質的に含有しないことをいう。LiSは、熱の影響を受けやすく、高温使用時における内部抵抗増加の原因となり得る。「実質的にLiSを有しない」ことは、X線回折により、確認することができる。具体的には、LiSのピーク(2θ=27.0°、31.2°、44.8°、53.1°)を有しない場合は、LiSを実質的に含有しないと判断することができる。なお、原料組成物におけるLiSの割合が大きすぎると、上記硫化物固体電解質材料がLiSを含む傾向にあり、逆に、原料組成物におけるLiSの割合が小さすぎると、上記硫化物固体電解質材料が上述した架橋硫黄を含む傾向にある。 Also, the sulfide solid electrolyte material, if it is made by using the raw material composition containing Li 2 S, the sulfide solid electrolyte material preferably has substantially no Li 2 S. By "substantially free of Li 2 S" it means that it does not contain Li 2 S derived from starting materials substantially. Li 2 S is susceptible to heat and can cause an increase in internal resistance when used at high temperatures. “Substantially no Li 2 S” can be confirmed by X-ray diffraction. Specifically, when it does not have a Li 2 S peak (2θ = 27.0 °, 31.2 °, 44.8 °, 53.1 °), it is determined that it does not substantially contain Li 2 S. can do. If the ratio of Li 2 S in the raw material composition is too large, the sulfide solid electrolyte material tends to contain Li 2 S. Conversely, if the ratio of Li 2 S in the raw material composition is too small, The sulfide solid electrolyte material tends to contain the above-mentioned crosslinked sulfur.

また、上記硫化物固体電解質材料が、実質的に架橋硫黄およびLiSを有しない場合、通常、上記硫化物固体電解質材料は、オルト組成またはその近傍の組成を有している。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいう。本発明においては、硫化物で最もLiSが付加している結晶組成をオルト組成という。例えば、LiS−P系ではLiPSがオルト組成に該当し、LiS−Al系ではLiAlSがオルト組成に該当し、LiS−SiS系ではLiSiSがオルト組成に該当し、LiS−GeS系ではLiGeSがオルト組成に該当する。例えば、LiS−P系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびPの割合は、モル換算で、LiS:P=75:25である。同様に、LiS−Al系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびAlの割合は、モル換算で、LiS:Al=75:25である。一方、LiS−SiS系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびよびSiSの割合は、モル換算で、LiS:SiS=66.7:33.3である。同様に、LiS−GeS系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびGeSの割合は、モル換算で、LiS:GeS=66.7:33.3である。 When the sulfide solid electrolyte material does not substantially contain bridging sulfur and Li 2 S, the sulfide solid electrolyte material usually has an ortho composition or a composition in the vicinity thereof. Here, ortho generally refers to one having the highest degree of hydration among oxo acids obtained by hydrating the same oxide. In the present invention, the crystal composition in which Li 2 S is added most in the sulfide is called the ortho composition. For example, in the Li 2 S—P 2 S 5 system, Li 3 PS 4 corresponds to the ortho composition, in the Li 2 S—Al 2 S 3 system, Li 3 AlS 3 corresponds to the ortho composition, and Li 2 S—SiS 2. In the system, Li 4 SiS 4 corresponds to the ortho composition, and in the Li 2 S—GeS 2 system, Li 4 GeS 4 corresponds to the ortho composition. For example, in the case of a Li 2 S—P 2 S 5 based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 to obtain the ortho composition is Li 2 S: P 2 S 5 = 75 in terms of mole. : 25. Similarly, in the case of a Li 2 S—Al 2 S 3 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and Al 2 S 3 to obtain the ortho composition is Li 2 S: Al 2 S 3 = 75:25. On the other hand, in the case of a Li 2 S—SiS 2 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and SiS 2 to obtain the ortho composition is Li 2 S: SiS 2 = 66.7: 33. 3. Similarly, in the case of a Li 2 S—GeS 2 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and GeS 2 to obtain the ortho composition is Li 2 S: GeS 2 = 66.7: 33. 3.

上記原料組成物が、LiSおよびPを含有する場合、上記原料組成物はLiSおよびPのみを含有するものであっても良く、その他の化合物を有するものであっても良い。LiSおよびPの割合は、モル換算で、LiS:P=70〜85:15〜30の範囲内であることが好ましく、LiS:P=70〜80:20〜30の範囲内であることがより好ましく、LiS:P=72〜78:22〜28の範囲内であることがさらに好ましい。両者の割合を、オルト組成を得る割合(LiS:P=75:25)およびその近傍を含む範囲とすることで、高温使用時における内部抵抗の増大をさらに抑制できるからである。なお、上記原料組成物が、LiSおよびAlを含有する場合、LiSおよびAlの割合等は、上述したLiSおよびPの割合等と同様であることが好ましい。 The raw material composition is, when containing Li 2 S and P 2 S 5, the material composition may be one containing only Li 2 S and P 2 S 5, those with other compounds There may be. The ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably in the range of Li 2 S: P 2 S 5 = 70 to 85:15 to 30 in terms of mole, and Li 2 S: P 2 S 5 = More preferably, it is in the range of 70-80: 20-30, and more preferably in the range of Li 2 S: P 2 S 5 = 72-78: 22-28. It is because the increase in internal resistance at the time of high temperature use can be further suppressed by setting the ratio of both to a range including the ratio (Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25) for obtaining the ortho composition and the vicinity thereof. . Incidentally, the raw material composition is, when containing Li 2 S and Al 2 S 3, the ratio or the like of Li 2 S and Al 2 S 3 is the same as the ratio or the like of Li 2 S and P 2 S 5 mentioned above Preferably there is.

一方、上記原料組成物が、LiSおよびSiSを含有する場合、上記原料組成物はLiSおよびSiSのみを含有するものであっても良く、その他の化合物を有するものであっても良い。LiSおよびSiSの割合は、モル換算で、LiS:SiS=50〜80:20〜50の範囲内であることが好ましく、LiS:SiS=55〜75:25〜45の範囲内であることがより好ましく、LiS:SiS=60〜70:30〜40の範囲内であることがさらに好ましい。両者の割合を、オルト組成を得る割合(LiS:SiS=66.7:33.3)およびその近傍を含む範囲とすることで、高温使用時における内部抵抗の増大をさらに抑制できるからである。なお、上記原料組成物が、LiSおよびGeSを含有する場合、LiSおよびGeSの割合等は、上述したLiSおよびSiSの割合等と同様であることが好ましい。 On the other hand, when the raw material composition contains Li 2 S and SiS 2 , the raw material composition may contain only Li 2 S and SiS 2 , and has other compounds. Also good. The ratio of Li 2 S and SiS 2 is preferably in the range of Li 2 S: SiS 2 = 50 to 80:20 to 50 in terms of mole, and Li 2 S: SiS 2 = 55 to 75:25. more preferably in the range of 45, Li 2 S: SiS 2 = 60~70: and even more preferably within the range of 30 to 40. By setting the ratio of both to a ratio including the ratio of obtaining the ortho composition (Li 2 S: SiS 2 = 66.7: 33.3) and the vicinity thereof, an increase in internal resistance during high temperature use can be further suppressed. It is. Incidentally, the raw material composition is, when containing Li 2 S and GeS 2, proportion and the like of Li 2 S and GeS 2 are preferably the same as the ratio or the like of Li 2 S and SiS 2 described above.

また、上記原料組成物に用いられるLiSは、不純物が少ないことが好ましい。副反応を抑制することができるからである。LiSの合成方法としては、例えば特開平7−330312号公報に記載された方法等を挙げることができる。さらに、LiSは、WO2005/040039に記載された方法等を用いて精製されていることが好ましい。また、上記原料組成物は、LiS、および第13族〜第15族の元素の硫化物の他に、LiPO、LiSiO、LiGeO、LiBOおよびLiAlOからなる群から選択される少なくとも一種のオルトオキソ酸リチウムを含有していても良い。このようなオルトオキソ酸リチウムを加えることで、より安定な硫化物固体電解質材料を得ることができる。 Further, Li 2 S used in the raw material composition is preferably less impurities. This is because side reactions can be suppressed. Examples of the method for synthesizing Li 2 S include the method described in JP-A-7-330312. Furthermore, Li 2 S is preferably purified using the method described in WO2005 / 040039. In addition to Li 2 S and Group 13 to Group 15 element sulfides, the raw material composition includes Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3, and Li 3 BO 3. It may contain at least one kind of lithium orthooxo acid selected from the group consisting of 3 AlO 3 . By adding such a lithium orthooxo acid, a more stable sulfide solid electrolyte material can be obtained.

また、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料は、硫化物ガラスであっても良く、結晶化硫化物ガラスであっても良い。硫化物ガラスは、結晶化硫化物ガラスに比べて柔らかいため、全固体電池を作製した際に活物質の膨張収縮を吸収でき、サイクル特性が優れると考えられる。一方、結晶化硫化物ガラスは、硫化物ガラスに比べて、Liイオン伝導性が高くなる可能性がある。また、硫化物ガラスは、例えば、上記原料組成物に対して、上述した非晶質化処理を行うことで得ることができる。一方、結晶化硫化物ガラスは、例えば、硫化物ガラスを熱処理することで得ることができる。すなわち、原料組成物に対して、非晶質化処理および熱処理を順次行うことにより、結晶化硫化物ガラスを得ることができる。なお、熱処理の条件によっては、架橋硫黄およびLiSが生成する可能性や安定相が生成する可能性があるため、本発明においては、これらが生成しないように、熱処理温度および熱処理時間を調整することが好ましい。特に、本発明における結晶化硫化物ガラスは、安定相を有しないことが好ましい。 In addition, the sulfide solid electrolyte material having substantially no crosslinking sulfur may be sulfide glass or crystallized sulfide glass. Since sulfide glass is softer than crystallized sulfide glass, it can be considered that the expansion and contraction of the active material can be absorbed when an all-solid battery is produced, and the cycle characteristics are excellent. On the other hand, crystallized sulfide glass may have higher Li ion conductivity than sulfide glass. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing the above-described amorphization treatment on the raw material composition. On the other hand, crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass. That is, crystallized sulfide glass can be obtained by sequentially performing an amorphization process and a heat treatment on the raw material composition. Depending on the heat treatment conditions, bridging sulfur and Li 2 S may be generated or a stable phase may be generated. Therefore, in the present invention, the heat treatment temperature and the heat treatment time are adjusted so that they are not formed. It is preferable to do. In particular, the crystallized sulfide glass in the present invention preferably has no stable phase.

熱処理の温度は、例えば270℃以上が好ましく、280℃以上であることがより好ましく、285℃以上であることがさらに好ましい。一方、熱処理の温度は、例えば310℃以下が好ましく、300℃以下であることがより好ましく、295℃以下であることがさらに好ましい。また、熱処理の時間は、例えば、1分間以上2時間以下の範囲内であり、30分間以上1時間以下の範囲内であることがより好ましい。また、本発明においては、まず、室温から昇温を行い、次に、上述した温度および時間の範囲内で熱処理を行い、最後に、室温まで降温させる。すなわち、本発明における熱処理の時間は、通常、昇温時間および降温時間を含まない保持時間である。熱処理を行う方法としては、例えば、焼成炉を用いる方法、成膜時の乾燥炉を用いる方法、ホットロールプレスを用いる方法等を挙げることができる。   The temperature of the heat treatment is, for example, preferably 270 ° C. or higher, more preferably 280 ° C. or higher, and further preferably 285 ° C. or higher. On the other hand, the temperature of the heat treatment is preferably, for example, 310 ° C. or less, more preferably 300 ° C. or less, and further preferably 295 ° C. or less. The heat treatment time is, for example, in the range of 1 minute to 2 hours, and more preferably in the range of 30 minutes to 1 hour. In the present invention, first, the temperature is raised from room temperature, then, heat treatment is performed within the above-described temperature and time range, and finally, the temperature is lowered to room temperature. That is, the heat treatment time in the present invention is usually a holding time that does not include the temperature raising time and the temperature lowering time. Examples of the method for performing heat treatment include a method using a baking furnace, a method using a drying furnace during film formation, and a method using a hot roll press.

また、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導度の値が高いことが好ましい。常温でのLiイオン伝導度は、例えば10−5S/cm以上であることが好ましく、10−4S/cm以上であることがより好ましい。また、上記硫化物固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができ、中でも真球状または楕円球状であることが好ましい。また、上記硫化物固体電解質材料が粒子状である場合、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the sulfide solid electrolyte material which does not have bridge | crosslinking sulfur substantially has a high value of Li ion conductivity. The Li ion conductivity at room temperature is, for example, preferably 10 −5 S / cm or more, and more preferably 10 −4 S / cm or more. Further, examples of the shape of the sulfide solid electrolyte material include particles, and among them, a spherical shape or an oval shape is preferable. Moreover, when the said sulfide solid electrolyte material is a particulate form, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-50 micrometers, for example.

(ii)固体電解質層
上述したように、本発明における固体電解質層は、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有することが好ましく、その含有量は多いことが好ましい。高温使用時における内部抵抗がさらに小さい電池を得ることができるからである。固体電解質層に含まれる上記硫化物固体電解質材料の割合は、例えば10体積%〜100体積%の範囲内、中でも50体積%〜100体積%の範囲内であることが好ましい。特に、本発明においては、固体電解質層が上記硫化物固体電解質材料のみから構成されていることが好ましい。なお、本発明における固体電解質層は、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料以外の固体電解質材料を含有していても良く、可撓性を付与する結着材を含有していても良い。また、固体電解質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。
(Ii) Solid Electrolyte Layer As described above, the solid electrolyte layer in the present invention preferably contains a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur, and the content thereof is preferably large. This is because a battery having a smaller internal resistance when used at high temperatures can be obtained. The ratio of the sulfide solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10% to 100% by volume, and more preferably in the range of 50% to 100% by volume. In particular, in the present invention, it is preferable that the solid electrolyte layer is composed only of the sulfide solid electrolyte material. In addition, the solid electrolyte layer in the present invention may contain a solid electrolyte material other than a sulfide solid electrolyte material that substantially does not have cross-linked sulfur, and contains a binder that imparts flexibility. Also good. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably in the range of, for example, 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm. Examples of the method for forming the solid electrolyte layer include a method for compression molding a solid electrolyte material.

(2)正極活物質層
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、正極活物質層に含まれる固体電解質材料が、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料であることが好ましい。高温使用時における内部抵抗が小さい電池を得ることができるからである。正極活物質層に含まれる硫化物固体電解質材料の割合は、全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。
(2) Positive electrode active material layer Next, the positive electrode active material layer in this invention is demonstrated. The positive electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material and a binder as necessary. In particular, in the present invention, it is preferable that the solid electrolyte material contained in the positive electrode active material layer is a sulfide solid electrolyte material substantially free from cross-linked sulfur. This is because a battery having a low internal resistance when used at a high temperature can be obtained. The ratio of the sulfide solid electrolyte material contained in the positive electrode active material layer varies depending on the type of the all-solid-state battery. For example, it is in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, particularly 1% by volume to 60% by volume. It is preferable that it exists in the range of 10 volume%-50 volume% especially.

また、本発明における正極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば酸化物正極活物質を挙げることができる。酸化物正極活物質を用いることにより、エネルギー密度の高い全固体電池とすることができる。例えば、全固体リチウム電池に用いられる酸化物正極活物質としては、一般式Li(Mは遷移金属元素であり、x=0.02〜2.2、y=1〜2、z=1.4〜4)で表される正極活物質を挙げることができる。上記一般式において、Mは、Co、Mn、Ni、V、FeおよびSiからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましく、Co、NiおよびMnからなる群から選択される少なくとも一種であることがより好ましい。このような酸化物正極活物質としては、具体的には、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMn、Li(Ni0.5Mn1.5)O、LiFeSiO、LiMnSiO等を挙げることができる。また、上記一般式Li以外の酸化物正極活物質としては、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型正極活物質を挙げることができる。 In addition, the positive electrode active material in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include an oxide positive electrode active material. By using an oxide positive electrode active material, an all-solid battery with high energy density can be obtained. For example, as an oxide positive electrode active material used for an all solid lithium battery, a general formula Li x M y O z (M is a transition metal element, x = 0.02 to 2.2, y = 1 to 2, The positive electrode active material represented by z = 1.4-4) can be mentioned. In the above general formula, M is preferably at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, V, Fe and Si, and is at least one selected from the group consisting of Co, Ni and Mn. It is more preferable. As such an oxide positive electrode active material, specifically, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li ( Ni 0.5 Mn 1.5) O 4, Li 2 FeSiO 4, Li 2 MnSiO 4 , and the like. In addition, examples of the oxide positive electrode active material other than the above general formula Li x M y O z include olivine-type positive electrode active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 .

正極活物質の形状としては、例えば粒子状を挙げることができ、中でも真球状または楕円球状であることが好ましい。また、正極活物質が粒子状である場合、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層における正極活物質の含有量は、例えば10体積%〜90体積%の範囲内であることが好ましく、30体積%〜70体積%の範囲内であることがより好ましい。   Examples of the shape of the positive electrode active material include particles, and among them, a spherical shape or an elliptical shape is preferable. Moreover, when a positive electrode active material is a particulate form, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-50 micrometers, for example. In addition, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 10% by volume to 90% by volume, for example, and more preferably in the range of 30% by volume to 70% by volume.

本発明における正極活物質層は、さらに導電化材を含有していても良い。導電化材の添加により、正極活物質層の導電性を向上させることができる。導電化材としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。また、本発明における正極活物質層は、さらに結着材を含有していても良い。結着材の添加により、正極活物質層に可撓性を付与することができる。結着材としては、例えばフッ素含有樹脂等を挙げることができる。また、正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば1μm〜200μmの範囲内である。   The positive electrode active material layer in the present invention may further contain a conductive material. By adding a conductive material, the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. Moreover, the positive electrode active material layer in the present invention may further contain a binder. By adding a binder, flexibility can be imparted to the positive electrode active material layer. Examples of the binder include fluorine-containing resins. Moreover, although the thickness of a positive electrode active material layer changes with kinds of the target all-solid-state battery, it exists in the range of 1 micrometer-200 micrometers, for example.

(3)負極活物質層
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、負極活物質層に含まれる固体電解質材料が、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料であることが好ましい。高温使用時における内部抵抗が小さい電池を得ることができるからである。負極活物質層に含まれる硫化物固体電解質材料の割合は、全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。
(3) Negative electrode active material layer Next, the negative electrode active material layer in this invention is demonstrated. The negative electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material and a binder as necessary. In particular, in the present invention, it is preferable that the solid electrolyte material contained in the negative electrode active material layer is a sulfide solid electrolyte material substantially free from cross-linked sulfur. This is because a battery having a low internal resistance when used at a high temperature can be obtained. The ratio of the sulfide solid electrolyte material contained in the negative electrode active material layer varies depending on the type of the all-solid-state battery. For example, it is in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, and in particular, 1% by volume to 60% by volume. It is preferable that it exists in the range of 10 volume%-50 volume% especially.

また、負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。また、負極活物質の形状は、箔状であっても良く、粒子状であっても良い。負極活物質の形状が粒子状である場合、その平均粒径は、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、負極活物質層における負極活物質の含有量は、例えば10体積%〜90体積%の範囲内であることが好ましく、30体積%〜70体積%の範囲内であることがより好ましい。なお、負極活物質層に用いられる固体電解質材料、導電化材および結着材については、上述した正極活物質層における場合と同様である。また、負極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば1μm〜200μmの範囲内である。   Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. Examples of the metal active material include In, Al, Si, and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. The shape of the negative electrode active material may be a foil shape or a particulate shape. When the shape of the negative electrode active material is particulate, the average particle size is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm, for example. Further, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 10% by volume to 90% by volume, and more preferably in the range of 30% by volume to 70% by volume. Note that the solid electrolyte material, the conductive material, and the binder used for the negative electrode active material layer are the same as those in the positive electrode active material layer described above. Moreover, although the thickness of a negative electrode active material layer changes with kinds of the target all-solid-state battery, it exists in the range of 1 micrometer-200 micrometers, for example.

(4)その他の構成
本発明における全固体電池は、上述した正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な全固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。また、本発明の全固体電池は、発電要素を絶縁リングの内部に形成したものであっても良い。
(4) Other configurations The all-solid battery in the present invention has at least the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. Among them, SUS is preferable. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Of these, SUS is preferable. In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the all solid state battery. Moreover, the battery case of a general all-solid-state battery can be used for the battery case used for this invention. Examples of the battery case include a SUS battery case. Further, the all solid state battery of the present invention may be one in which the power generating element is formed inside the insulating ring.

(5)全固体電池
本発明における全固体電池の種類としては、全固体リチウム電池、全固体ナトリウム電池、全固体マグネシウム電池および全固体カルシウム電池等を挙げることができ、中でも、全固体リチウム電池および全固体ナトリウム電池が好ましく、特に、全固体リチウム電池が好ましい。また、本発明における全固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。本発明における全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができ、中でも角型およびラミネート型が好ましく、特にラミネート型が好ましい。
(5) All-solid battery Examples of the all-solid battery in the present invention include an all-solid lithium battery, an all-solid sodium battery, an all-solid magnesium battery, and an all-solid calcium battery. An all solid sodium battery is preferred, and an all solid lithium battery is particularly preferred. Further, the all solid state battery in the present invention may be a primary battery or a secondary battery, and among them, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as an in-vehicle battery. Examples of the shape of the all solid state battery in the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type. Among them, a square type and a laminate type are preferable, and a laminate type is particularly preferable.

本発明における全固体電池の製造方法は、上述した全固体電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。全固体電池の製造方法の一例としては、正極活物質層を構成する材料、固体電解質層を構成する材料、および負極活物質層を構成する材料を順次プレスすることにより、発電要素を作製し、この発電要素を電池ケースの内部に収納し、電池ケースをかしめる方法等を挙げることができる。   The method for producing an all-solid battery in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described all-solid battery, and a method similar to a method for producing a general all-solid battery may be used. it can. As an example of a method for producing an all-solid-state battery, a power generation element is manufactured by sequentially pressing a material constituting the positive electrode active material layer, a material constituting the solid electrolyte layer, and a material constituting the negative electrode active material layer, A method of storing the power generation element in the battery case and caulking the battery case can be exemplified.

また、本発明においては、上述した全固体電池の使用方法を提供することができる。具体的には、正極活物質を含有する正極活物質層、負極活物質を含有する負極活物質層、並びに、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層を有する全固体電池の使用方法であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を含有し、40℃以上で作動させることを特徴とする全固体電池の使用方法を提供することができる。   Moreover, in this invention, the usage method of the all-solid-state battery mentioned above can be provided. Specifically, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer 40. A method for using an all solid state battery, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer contains a sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur, It is possible to provide a method for using an all-solid battery, which is characterized by operating at a temperature of 0 ° C. or higher.

2.加温手段
次に、本発明における加温手段について説明する。本発明における加温手段は、上記全固体電池を40℃以上に加温する手段である。本発明においては、全固体電池を60℃以上に加温することが好ましい。温度が低すぎると、充分に内部抵抗を抑制できない可能性があるからである。一方、本発明においては、全固体電池を500℃以下に加温することが好ましく、360℃以下に加温することがより好ましい。温度が高すぎると、Liイオン伝導性の観点からは好ましいものの、固体電解質材料の劣化が顕著になるからである。
2. Next, the heating means in the present invention will be described. The heating means in the present invention is means for heating the all solid state battery to 40 ° C. or higher. In the present invention, it is preferable that the all solid state battery is heated to 60 ° C. or higher. This is because if the temperature is too low, the internal resistance may not be sufficiently suppressed. On the other hand, in the present invention, the all solid state battery is preferably heated to 500 ° C. or lower, more preferably 360 ° C. or lower. When the temperature is too high, it is preferable from the viewpoint of Li ion conductivity, but the deterioration of the solid electrolyte material becomes remarkable.

本発明における加温手段は、上記全固体電池を加温することができる手段であれば特に限定されるものではない。加温手段の一例としては、発熱体を用いる方法を挙げることができる。発熱体の設置位置は、全固体電池の電池ケースの外部であっても良く、内部であっても良い。電池ケースの外部に発熱体を設置する場合、内部に発熱体を設置する場合と比べて、電極反応によって発熱体が劣化することを防止でき、耐久性に優れた全固体電池システムを得ることができるという利点を有する。一方、電池ケースの内部に発熱体を設置する場合、効率良く全固体電池を加温することができるという利点を有する。   The heating means in the present invention is not particularly limited as long as it can heat the all solid state battery. As an example of the heating means, a method using a heating element can be mentioned. The installation position of the heating element may be outside or inside the battery case of the all solid state battery. When the heating element is installed outside the battery case, it is possible to prevent the heating element from being deteriorated by the electrode reaction and to obtain an all-solid battery system with excellent durability, compared to the case where the heating element is installed inside. It has the advantage of being able to. On the other hand, when the heating element is installed inside the battery case, there is an advantage that the all solid state battery can be efficiently heated.

また、電池ケースの外部に発熱体を設置する場合、図2(a)に示すように、発熱体11は電池ケース4の外表面に接するように配置されていても良く、図2(b)に示すように、発熱体11は電池ケース4の外表面との間に所定の間隔を設けて配置されていても良い。前者は電池ケースを効率良く加温することができるという利点を有し、後者は発熱体を設置する位置の制約が少なくなり設計が容易になるという利点を有する。さらに、発熱体が電池ケースの外表面に接するように配置されている場合、発熱体は電池ケースの全面を覆っていても良く、電池ケースの一部を覆っていても良い。一方、発熱体が電池ケースの外表面との間に所定の間隔を設けて配置されている場合、発熱体は電池ケースの全面を囲むように配置されていても良く、電池ケースの一部を加温できるように配置されていても良い。   When the heating element is installed outside the battery case, the heating element 11 may be disposed so as to contact the outer surface of the battery case 4 as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the heating element 11 may be arranged with a predetermined interval between the outer surface of the battery case 4. The former has the advantage that the battery case can be efficiently heated, and the latter has the advantage that the design of the heating element is reduced and the design is easy. Furthermore, when the heating element is disposed so as to contact the outer surface of the battery case, the heating element may cover the entire surface of the battery case or may cover a part of the battery case. On the other hand, when the heating element is arranged with a predetermined gap between the outer surface of the battery case, the heating element may be arranged so as to surround the entire surface of the battery case. You may arrange | position so that it can heat.

また、電池ケースの内部に発熱体を設置する場合、発熱体の設置位置は特に限定されるものではないが、例えば図2(c)に示すように、発熱体11が電池ケース4の内表面に形成される場合を挙げることができる。さらに、この場合、発熱体11と、正極活物質層1、負極活物質層2および固体電解質層3とが接する表面に、発熱体11の劣化を防止する保護層(図示せず)が形成されていても良い。   When the heating element is installed inside the battery case, the installation position of the heating element is not particularly limited. For example, as shown in FIG. Can be mentioned. Further, in this case, a protective layer (not shown) for preventing the heating element 11 from being deteriorated is formed on the surface where the heating element 11 is in contact with the positive electrode active material layer 1, the negative electrode active material layer 2 and the solid electrolyte layer 3. May be.

本発明における発熱体の一例としては、電気抵抗により発熱するものを挙げることができる。具体的には、鉄−クロム−アルミ発熱体、ニッケル−クロム発熱体等の金属発熱体を挙げることができる。また、本発明における発熱体の他の例としては、筒状部材の内部に加温されたガスまたは液体を流すことにより発熱するものを挙げることができる。特に、本発明の全固体電池システムを車載用に用いる場合は、全固体電池を加温する方法として、内燃機関等の発熱体を用いる方法、筒状部材の内部に排ガスを流す方法等を挙げることができる。   As an example of the heating element in the present invention, one that generates heat by electric resistance can be cited. Specific examples include metal heating elements such as iron-chromium-aluminum heating elements and nickel-chromium heating elements. As another example of the heating element in the present invention, one that generates heat by flowing a heated gas or liquid into the inside of the cylindrical member can be exemplified. In particular, when the all-solid battery system of the present invention is used for in-vehicle use, examples of methods for heating the all-solid battery include a method using a heating element such as an internal combustion engine, a method of flowing exhaust gas inside a cylindrical member, and the like. be able to.

一方、本発明における加温手段の他の例としては、マイクロ波を照射する手段等を挙げることができる。   On the other hand, other examples of the heating means in the present invention include means for irradiating microwaves.

また、本発明における加温手段は、必要に応じて、全固体電池の温度を検知する温度検知部や、発熱体の温度を制御する制御部を有していても良い。   Moreover, the heating means in this invention may have a temperature detection part which detects the temperature of an all-solid-state battery, and a control part which controls the temperature of a heat generating body as needed.

3.全固体電池システム
本発明の全固体電池システムは、上述した全固体電池および加温手段を有するものであれば特に限定されるものではない。中でも、本発明の全固体電池システムは、高電流密度で作動させるものであることが好ましい。作動時の電流密度は、例えば0.1mA/cm〜1000mA/cmの範囲内、中でも1mA/cm〜100mA/cmの範囲内であることが好ましい。また、上述した全固体電池の使用方法においては、上記範囲の電流密度で作動させることが好ましい。
3. All-solid-state battery system The all-solid-state battery system of this invention will not be specifically limited if it has the all-solid-state battery and heating means which were mentioned above. Among these, the all solid state battery system of the present invention is preferably operated at a high current density. Current density during operation, for example in the range of 0.1mA / cm 2 ~1000mA / cm 2 , preferably in the range Of these the 1mA / cm 2 ~100mA / cm 2 . Moreover, in the usage method of the all-solid-state battery mentioned above, it is preferable to operate | move with the current density of the said range.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
(架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料の合成)
出発原料として、硫化リチウム(LiS)と五硫化リン(P)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P=75:25(モル比)となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行った。これにより、硫化物固体電解質材料(75LiS・25Pガラス)を得た。
[Example 1]
(Synthesis of sulfide solid electrolyte material without bridging sulfur)
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were used. These powders were weighed in a glove box under an argon atmosphere so that Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 (molar ratio) and mixed in an agate mortar to obtain a raw material composition. Next, 1 g of the obtained raw material composition was put into a 45 ml zirconia pot, and zirconia balls (Φ10 mm, 10 pieces) were put into it, and the pot was completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 40 hours. This gave sulfide solid electrolyte material (75Li 2 S · 25P 2 S 5 glass).

得られた硫化物固体電解質材料をラマン分光で測定したところ、架橋硫黄を有しないPSユニットのピーク(417cm−1のピーク)が観察され、架橋硫黄を有するPユニットのピーク(402cm−1のピーク)は確認されなかった。そのため、架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料が得られたことが確認された。 When the obtained sulfide solid electrolyte material was measured by Raman spectroscopy, a peak of PS 4 unit (417 cm −1 peak) having no bridging sulfur was observed, and a peak of P 2 S 7 unit having bridging sulfur (402 cm). -1 peak) was not confirmed. Therefore, it was confirmed that a sulfide solid electrolyte material having no crosslinking sulfur was obtained.

(全固体リチウム二次電池の作製)
得られた硫化物固体電解質材料(75LiS・25Pガラス)を用い、不活性雰囲気下で、全固体リチウム二次電池を作製した。まず、プレス機を用いて、図3に示すような発電要素Aを作製した。ここで、正極活物質層1を構成する材料として、LiCoO(8.9mg)および75LiS・25Pガラス(3.8mg)を有する正極合材を用いた。また、負極活物質層2を構成する材料として、グラファイト(4.71mg)および75LiS・25Pガラス(4.71mg)を有する負極合材を用いた。また、固体電解質層3を構成する材料として75LiS・25Pガラス(51mg)を用いた。
(Preparation of all-solid lithium secondary battery)
Using the obtained sulfide solid electrolyte material (75Li 2 S · 25P 2 S 5 glass), an all-solid lithium secondary battery was produced under an inert atmosphere. First, a power generation element A as shown in FIG. 3 was produced using a press. Here, as a material constituting the positive electrode active material layer 1, a positive electrode mixture having LiCoO 2 (8.9 mg) and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 glass (3.8 mg) was used. Further, as a material constituting the negative electrode active material layer 2, a negative electrode mixture having graphite (4.71 mg) and 75Li 2 S.25P 2 S 5 glass (4.71 mg) was used. Further, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 glass (51 mg) was used as a material constituting the solid electrolyte layer 3.

これらの材料を用いて、まず、1ton/cmの圧力でプレスを行うことで固体電解質層3を形成し、次に、得られた固体電解質層3の一方の表面に正極合材を添加し、1ton/cmの圧力でプレスを行うことで正極活物質層1を形成し、最後に、固体電解質層3の他方の表面に負極合材を添加し、4.3ton/cmの圧力でプレスを行うことで負極活物質層2を形成した。これにより、発電要素Aを得た。その後、この発電要素Aを用いて、全固体リチウム二次電池を得た。 Using these materials, first, the solid electrolyte layer 3 is formed by pressing at a pressure of 1 ton / cm 2 , and then a positive electrode mixture is added to one surface of the obtained solid electrolyte layer 3. The positive electrode active material layer 1 is formed by pressing at a pressure of 1 ton / cm 2. Finally, the negative electrode mixture is added to the other surface of the solid electrolyte layer 3, and the pressure is 4.3 ton / cm 2 . The negative electrode active material layer 2 was formed by pressing. Thereby, the electric power generation element A was obtained. Then, using this power generation element A, an all-solid lithium secondary battery was obtained.

[比較例1]
出発原料として、硫化リチウム(LiS)と五硫化リン(P)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P=70:30(モル比)となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行った。その後、アルゴン雰囲気中、290℃で1時間熱処理を行うことにより、硫化物固体電解質材料(70LiS・30P結晶化ガラス(Li11結晶化ガラスとも称する))を得た。
[Comparative Example 1]
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were used. These powders were weighed in a glove box under an argon atmosphere so that Li 2 S: P 2 S 5 = 70: 30 (molar ratio) and mixed in an agate mortar to obtain a raw material composition. Next, 1 g of the obtained raw material composition was put into a 45 ml zirconia pot, and zirconia balls (Φ10 mm, 10 pieces) were put into it, and the pot was completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 40 hours. Thereafter, heat treatment is performed at 290 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to obtain a sulfide solid electrolyte material (70Li 2 S.30P 2 S 5 crystallized glass (also referred to as Li 7 P 3 S 11 crystallized glass)). It was.

得られた硫化物固体電解質材料をラマン分光で測定したところ、架橋硫黄を有するPユニットのピーク(402cm−1のピーク)が確認された。そのため、架橋硫黄を有する硫化物固体電解質材料が得られたことが確認された。また、得られた硫化物固体電解質材料を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム二次電池を得た。 When the obtained sulfide solid electrolyte material was measured by Raman spectroscopy, a peak of P 2 S 7 unit having bridging sulfur (peak of 402 cm −1 ) was confirmed. Therefore, it was confirmed that a sulfide solid electrolyte material having bridging sulfur was obtained. Further, an all solid lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained sulfide solid electrolyte material was used.

[評価1]
(充放電評価)
実施例1および比較例1で得られた全固体リチウム二次電池を用いて、充放電評価を行った。充放電評価では、まず、0.1Cで3.96VまでCV充電を行い、その後、5mVの電圧でソーラートロンを用い、インピーダンス測定により電池の内部抵抗(初期内部抵抗)を求めた。その後、4.1V−3Vの間で充放電を0.1Cで繰り返し、10サイクル毎に、3.96Vまで充電しインピーダンス測定により電池の内部抵抗を求める操作を行った。また、充放電時の作動温度は60℃であり、充放電時の拘束圧は1ton/cmであった。その結果を図4に示す。
[Evaluation 1]
(Charge / discharge evaluation)
Using the all-solid lithium secondary battery obtained in Example 1 and Comparative Example 1, charge / discharge evaluation was performed. In the charge / discharge evaluation, first, CV charge was performed at 0.1 C to 3.96 V, and then the internal resistance (initial internal resistance) of the battery was determined by impedance measurement using a solartron at a voltage of 5 mV. Thereafter, charging / discharging was repeated at 0.1 C between 4.1 V and 3 V, and every 10 cycles, the battery was charged to 3.96 V and the internal resistance of the battery was determined by impedance measurement. Moreover, the operating temperature at the time of charging / discharging was 60 degreeC, and the restraint pressure at the time of charging / discharging was 1 ton / cm < 2 >. The result is shown in FIG.

図4は、10サイクル目、20サイクル目、30サイクル目における内部抵抗増加率を示すものである。なお、各サイクルの内部抵抗増加率は、初期内部抵抗を対する増加率である。図4に示されるように、60℃での充放電において、実施例1の全固体リチウム二次電池は、比較例1の全固体リチウム二次電池よりも内部抵抗の増大を抑制できることが確認された。   FIG. 4 shows the rate of increase in internal resistance at the 10th, 20th, and 30th cycles. The internal resistance increase rate in each cycle is an increase rate with respect to the initial internal resistance. As shown in FIG. 4, it was confirmed that, in charging / discharging at 60 ° C., the all solid lithium secondary battery of Example 1 can suppress the increase in internal resistance more than the all solid lithium secondary battery of Comparative Example 1. It was.

また、図5に、実施例1で得られた全固体リチウム二次電池の作動温度および内部抵抗の関係を示す。なお、この内部抵抗の値は、60℃および25℃における初期内部抵抗を比較したものである。その結果、内部抵抗の値は、作動温度25℃では132Ωとなり、作動温度60℃では30Ωとなった。このように、作動温度を高くすることで、電池の内部抵抗を抑制できることが確認された。   FIG. 5 shows the relationship between the operating temperature and the internal resistance of the all solid lithium secondary battery obtained in Example 1. The value of the internal resistance is a comparison of the initial internal resistance at 60 ° C. and 25 ° C. As a result, the value of the internal resistance was 132Ω at an operating temperature of 25 ° C., and 30Ω at an operating temperature of 60 ° C. Thus, it was confirmed that the internal resistance of the battery can be suppressed by increasing the operating temperature.

(ラマン分光測定)
上記の30サイクルの充放電を行った後、実施例1および比較例1で得られた全固体リチウム二次電池の正極合材を取り出し、顕微ラマン測定を行った。測定にはArレーザー(488nm)を用い、出力を6.0mWとした。なお、参照用として、充放電前の正極合材についても顕微ラマン測定を行った。その結果を図6および図7に示す。図6に示すように、実施例1の充放電前の正極合材は、PSユニットのピーク(417cm−1のピーク)を有し、実施例1の充放電後の正極合材も同様のピークを有していた。このことから、充放電後であっても、硫化物固体電解質材料のPSユニットは変化せず、硫化物固体電解質材料が化学劣化しないことが確認された。
(Raman spectroscopy measurement)
After charging and discharging for 30 cycles as described above, the positive electrode mixture of the all-solid lithium secondary battery obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was taken out, and microscopic Raman measurement was performed. An Ar laser (488 nm) was used for the measurement, and the output was 6.0 mW. For reference, micro Raman measurement was also performed on the positive electrode mixture before charging and discharging. The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 6, the positive electrode mixture before charging / discharging of Example 1 has a PS 4 unit peak (417 cm −1 peak), and the positive electrode mixture after charging / discharging of Example 1 is the same. It had a peak. From this, even after charge and discharge, it was confirmed that the PS 4 unit of the sulfide solid electrolyte material was not changed and the sulfide solid electrolyte material was not chemically deteriorated.

一方、図7に示すように、比較例1の充放電前の正極合材は、架橋硫黄を有するPユニットのピーク(402cm−1のピーク)を有していた。これに対して、比較例1の充放電後の正極合材は、Pユニットのピークが消失し、Pユニットのピーク(380cm−1のピーク)が生成していた。このことから、比較例1のように、架橋硫黄を有する硫化物固体電解質材料を用いると、60℃での充放電において、Pユニットが低Liイオン伝導性のPユニットに変化し、その結果、上記図4のように、内部抵抗増加率が増大したと考えられる。これに対して、本発明のように、架橋硫黄を有しない硫化物固体電解質材料を用いると、Pユニットの分解が生じないため、内部抵抗増加率を低減することができたと考えられる。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the positive electrode mixture before charging / discharging of Comparative Example 1 had a peak of P 2 S 7 unit (peak of 402 cm −1 ) having crosslinked sulfur. On the other hand, in the positive electrode mixture after charging and discharging in Comparative Example 1, the peak of P 2 S 7 unit disappeared and the peak of P 2 S 6 unit (peak of 380 cm −1 ) was generated. From this, when the sulfide solid electrolyte material having bridging sulfur is used as in Comparative Example 1, the P 2 S 7 unit becomes a low Li ion conductive P 2 S 6 unit in charge / discharge at 60 ° C. As a result, the rate of increase in internal resistance is thought to have increased as shown in FIG. On the other hand, when a sulfide solid electrolyte material having no bridging sulfur is used as in the present invention, the P 2 S 7 unit is not decomposed, so that the internal resistance increase rate can be reduced. .

[実施例2]
出発原料として、硫化リチウム(LiS)と五硫化リン(P)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P=75:25(モル比)となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行った。その後、アルゴン雰囲気中、290℃で1時間熱処理を行うことにより、硫化物固体電解質材料(75LiS・25P結晶化ガラス)を得た。
[Example 2]
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were used. These powders were weighed in a glove box under an argon atmosphere so that Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 (molar ratio) and mixed in an agate mortar to obtain a raw material composition. Next, 1 g of the obtained raw material composition was put into a 45 ml zirconia pot, and zirconia balls (Φ10 mm, 10 pieces) were put into it, and the pot was completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 40 hours. Then, in an argon atmosphere for 1 hour by a heat treatment at 290 ° C., to obtain a sulfide solid electrolyte material (75Li 2 S · 25P 2 S 5 crystallized glass).

その後、LiCoO(8.9mg)と、75LiS・25P結晶化ガラス(3.8mg)とを混合し、正極合材を得た。この正極合材に対して、60℃で30日間保存する保存試験を行った。なお、保存試験はアルゴン雰囲気下で行った。 Then, LiCoO 2 (8.9 mg) and 75Li 2 S · 25P 2 S 5 crystallized glass (3.8 mg) were mixed to obtain a positive electrode mixture. The positive electrode mixture was subjected to a storage test for 30 days at 60 ° C. The storage test was performed in an argon atmosphere.

[実施例3]
出発原料として、硫化リチウム(LiS)と五硫化リン(P)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS:P=80:20(モル比)となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行った。これにより、硫化物固体電解質材料(80LiS・20Pガラス)を得た。
[Example 3]
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were used. These powders were weighed in a glove box under an argon atmosphere so that Li 2 S: P 2 S 5 = 80: 20 (molar ratio) and mixed in an agate mortar to obtain a raw material composition. Next, 1 g of the obtained raw material composition was put into a 45 ml zirconia pot, and zirconia balls (Φ10 mm, 10 pieces) were put into it, and the pot was completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 40 hours. This gave sulfide solid electrolyte material (80Li 2 S · 20P 2 S 5 glass).

その後、LiCoO(8.9mg)と、80LiS・20Pガラス(3.8mg)とを混合し、正極合材を得た。この正極合材に対して、60℃で30日間保存する保存試験を行った。なお、保存試験はアルゴン雰囲気下で行った。 Thereafter, LiCoO 2 (8.9 mg) and 80Li 2 S.20P 2 S 5 glass (3.8 mg) were mixed to obtain a positive electrode mixture. The positive electrode mixture was subjected to a storage test for 30 days at 60 ° C. The storage test was performed in an argon atmosphere.

[評価2]
(ラマン分光測定)
実施例2で得られた保存試験後の正極合材、実施例2における合材作製前の75LiS・25P結晶化ガラス、実施例3で得られた保存試験後の正極合材、および実施例3における合材作製前の80LiS・20Pガラスに対して、上述した評価1と同様の条件で、ラマン分光スペクトルを測定した。その結果を図8および図9に示す。図8に示すように、実施例2における合材作製前の75LiS・25P結晶化ガラスは、PSユニットのピーク(417cm−1のピーク)を有し、実施例2で得られた保存試験後の正極合材も同様のピークを有していた。このことから、60℃30日間の保存試験を行った場合であっても、硫化物固体電解質材料のPSユニットは変化せず、硫化物固体電解質材料が化学劣化しないことが確認された。また、図9に示すように、実施例2における合材作製前の80LiS・20Pガラスは、PSユニットのピーク(417cm−1のピーク)を有し、実施例3で得られた保存試験後の正極合材も同様のピークを有していた。このことから、60℃30日間の保存試験を行った場合であっても、硫化物固体電解質材料のPSユニットは変化せず、硫化物固体電解質材料が化学劣化しないことが確認された。
[Evaluation 2]
(Raman spectroscopy measurement)
Positive electrode mixture after storage test obtained in Example 2, 75Li 2 S · 25P 2 S 5 crystallized glass before preparation of composite material in Example 2, positive electrode mixture after storage test obtained in Example 3 For the 80Li 2 S · 20P 2 S 5 glass before preparation of the composite material in Example 3, a Raman spectrum was measured under the same conditions as in Evaluation 1 described above. The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 8, the 75Li 2 S · 25P 2 S 5 crystallized glass before preparation of the composite material in Example 2 has a peak of PS 4 units (peak of 417 cm −1 ) and is obtained in Example 2. The obtained positive electrode mixture after the storage test had the same peak. From this, it was confirmed that even when a storage test at 60 ° C. for 30 days was performed, the PS 4 unit of the sulfide solid electrolyte material did not change and the sulfide solid electrolyte material did not chemically deteriorate. Further, as shown in FIG. 9, the 80Li 2 S · 20P 2 S 5 glass before preparation of the composite material in Example 2 has a peak of PS 4 units (417 cm −1 peak), and is obtained in Example 3. The obtained positive electrode mixture after the storage test had the same peak. From this, it was confirmed that even when a storage test at 60 ° C. for 30 days was performed, the PS 4 unit of the sulfide solid electrolyte material did not change and the sulfide solid electrolyte material did not chemically deteriorate.

[参考例1−1〜1−6]
出発原料として、硫化リチウム(LiS)と五硫化リン(P)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、xLiS・(100−x)Pの組成において、x=50のモル比となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料を得た(参考例1−1)。また、xLiS・(100−x)Pの組成において、xの値を、それぞれx=66.7、70、75、80、100に変化させたこと以外は、参考例1−1と同様にして、硫化物固体電解質材料を得た(参考例1−2〜1−6)。
[Reference Examples 1-1 to 1-6]
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) were used. In a glove box under an argon atmosphere, these powders were weighed so as to have a molar ratio of x = 50 in the composition of xLi 2 S · (100-x) P 2 S 5 and mixed in an agate mortar. A composition was obtained. Next, 1 g of the obtained raw material composition was put into a 45 ml zirconia pot, and zirconia balls (Φ10 mm, 10 pieces) were put into it, and the pot was completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill, and mechanical milling was performed at a rotational speed of 370 rpm for 40 hours to obtain a sulfide solid electrolyte material (Reference Example 1-1). Further, in the composition of xLi 2 S · (100−x) P 2 S 5 , except that the value of x was changed to x = 66.7, 70, 75, 80, 100, Reference Example 1- In the same manner as in Example 1, sulfide solid electrolyte materials were obtained (Reference Examples 1-2 to 1-6).

参考例1−1〜1−5で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、ラマン分光測定を行った。その結果を図10に示す。図10に示されるように、参考例1−1(x=50)および参考例1−2(x=66.7)では、Pユニットのピーク(402cm−1付近のピーク)が確認された。これに対して、参考例1−3〜1−5(それぞれx=70、75、80)では、Pユニットのピークは確認されず、PSユニットのピーク(417cm−1付近のピーク)が確認された。これにより、参考例1−3〜1−5で得られた硫化物固体電解質材料は、実質的に架橋硫黄を有していないことが確認された。 Raman spectroscopic measurement was performed using the sulfide solid electrolyte material obtained in Reference Examples 1-1 to 1-5. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 10, in Reference Example 1-1 (x = 50) and Reference Example 1-2 (x = 66.7), a peak of P 2 S 7 unit (peak near 402 cm −1 ) was confirmed. It was done. On the other hand, in Reference Examples 1-3 to 1-5 (x = 70, 75, 80, respectively), the peak of P 2 S 7 unit was not confirmed, but the peak of PS 4 unit (peak around 417 cm −1). ) Was confirmed. Thereby, it was confirmed that the sulfide solid electrolyte material obtained in Reference Examples 1-3 to 1-5 has substantially no cross-linking sulfur.

また、参考例1−1、1−3、1−4、1−6で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、X線回折測定を行った。その結果を図11に示す。図11に示されるように、参考例1−6(x=100)では、LiSのピークが確認されたが、参考例1−1、1−3、参考例1−4では、LiSのピークが確認されなかった。これにより、参考例1−1、1−3、比較例1−4で得られた硫化物固体電解質材料は、実質的にLiSを有していないことが確認された。 Moreover, X-ray diffraction measurement was performed using the sulfide solid electrolyte material obtained in Reference Examples 1-1, 1-3, 1-4, and 1-6. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 11, the peak of Li 2 S was confirmed in Reference Example 1-6 (x = 100), but in Reference Examples 1-1 and 1-3 and Reference Example 1-4, Li 2 No S peak was observed. This confirmed that the sulfide solid electrolyte materials obtained in Reference Examples 1-1 and 1-3 and Comparative Example 1-4 did not substantially contain Li 2 S.

1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
10 … 全固体電池
11 … 発熱体
12 … 温度検知部
13 … 制御部
20 … 全固体電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Solid electrolyte layer 10 ... All-solid-state battery 11 ... Heating body 12 ... Temperature detection part 13 ... Control part 20 ... All-solid-state battery system

Claims (6)

正極活物質を含有する正極活物質層、負極活物質を含有する負極活物質層、並びに、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質層を有する全固体電池と、前記全固体電池を40℃以上に加温する加温手段とを有し、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも一つが、実質的に架橋硫黄およびLiSを有しない粒子状の硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とする全固体電池システム。
An all-solid battery having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer; And a heating means for heating the all solid state battery to 40 ° C. or higher,
At least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer contains a particulate sulfide solid electrolyte material substantially free of cross-linked sulfur and Li 2 S. Solid battery system.
前記加温手段が、前記全固体電池を60℃以上に加温する手段であることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池システム。   2. The all solid state battery system according to claim 1, wherein the heating means is means for heating the all solid state battery to 60 [deg.] C. or more. 前記硫化物固体電解質材料が、LiS−P材料、LiS−SiS材料、LiS−GeS材料またはLiS−Al材料であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の全固体電池システム。 The sulfide solid electrolyte material is a Li 2 S—P 2 S 5 material, a Li 2 S—SiS 2 material, a Li 2 S—GeS 2 material, or a Li 2 S—Al 2 S 3 material. The all-solid-state battery system of Claim 1 or Claim 2. 前記硫化物固体電解質材料が、LiS−P材料であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の全固体電池システム。 The sulfide solid electrolyte material, all-solid-state cell system according to any one of claims of claims 1 to 3, characterized in that the Li 2 S-P 2 S 5 material. 前記硫化物固体電解質材料が、硫化物ガラスまたは結晶化硫化物ガラスであることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の全固体電池ステム。   The all-solid-state battery stem according to any one of claims 1 to 4, wherein the sulfide solid electrolyte material is sulfide glass or crystallized sulfide glass. 前記正極活物質が、酸化物正極活物質であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかの請求項に記載の全固体電池システム。   The all-solid-state battery system according to any one of claims 1 to 5, wherein the positive electrode active material is an oxide positive electrode active material.
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