JP5731278B2 - All-solid-state lithium ion battery - Google Patents

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Description

本発明は、全固体リチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to an all solid lithium ion battery.

無機固体電解質を用い、電極にも有機物を用いない全固体リチウムイオン電池は、有機電解液の漏液や有機電解液からのガス発生の心配がないため、安全な電池として期待されている。また、全固体リチウムイオン電池は、液系の電池と比較して電池反応以外の副反応が生じることが少ないため、液系の電池に比べて長寿命化が期待できる。   An all-solid-state lithium ion battery that uses an inorganic solid electrolyte and does not use organic substances as an electrode is expected to be a safe battery because there is no concern about leakage of the organic electrolyte or gas generation from the organic electrolyte. In addition, the all-solid-state lithium ion battery is less likely to cause side reactions other than the battery reaction as compared with the liquid battery, and thus can be expected to have a longer life than the liquid battery.

全固体リチウムイオン電池の一例として、固体電解質層の両側に正極層と負極層がそれぞれ積層されたものが挙げられる。特に、無機固体電解質層として焼結体を用いる場合、固体電解質層又はその未焼成体と、正極層及び負極層の未焼成体とを積層し、これらを同時に焼成することによって、電極や固体電解質の焼結体が同時に作製され、且つこれらの界面が良好に接合される。そのため、全固体リチウムイオン電池の製造工程を少なくすることで製造コストを低減すること、及び、電極層及び固体電解質層の接合界面におけるイオンの移動抵抗を低減することが期待される。   As an example of the all-solid-state lithium ion battery, a battery in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are laminated on both sides of a solid electrolyte layer can be given. In particular, when a sintered body is used as the inorganic solid electrolyte layer, a solid electrolyte layer or an unsintered body thereof is laminated with unsintered bodies of a positive electrode layer and a negative electrode layer, and these are fired at the same time, whereby an electrode or a solid electrolyte is obtained. These sintered bodies are produced at the same time, and these interfaces are well bonded. Therefore, it is expected to reduce the manufacturing cost by reducing the manufacturing process of the all-solid-state lithium ion battery and to reduce the ion transfer resistance at the junction interface between the electrode layer and the solid electrolyte layer.

ここで、特許文献1には、正極層、負極層及び固体電解質層に含まれるポリアニオンをPOやSOから構成し、これらを同一の化学構造にすることで、全固体電池の内部におけるイオン伝導性を向上させる技術が開示されている。 Here, in Patent Document 1, the polyanion contained in the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer is composed of PO 4 and SO 4 , and these are made to have the same chemical structure, so that A technique for improving conductivity is disclosed.

また、非特許文献1には、正極層に含まれる正極活物質を構成するポリアニオンをSiOやBOから構成する技術が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a technique in which a polyanion constituting a positive electrode active material contained in a positive electrode layer is composed of SiO 4 or BO 3 .

特開2007−258165号公報JP 2007-258165 A

山田淳夫「新しいオキソ酸正極材料の構造と電極特性」、第68回新電池構想部会講演会資料、電気化学会電池技術委員会新電池構想部会、平成21年3月2日、p.1−10Ikuo Yamada “Structure and electrode properties of new oxoacid cathode materials”, materials for the 68th New Battery Concept Committee Meeting, New Battery Concept Section, Electrochemical Society Battery Technology Committee, March 2, 2009, p. 1-10

しかし、特許文献1や非特許文献1に開示された組み合わせでは、充放電電圧の高電圧化が困難であるため、全固体電池の高出力化に課題が残る。特に、正極活物質を構成するポリアニオンをPOよりも電気陰性度の低いSiOで構成した場合には、全固体電池の出力電圧を高めるために、微粒子化やカーボンとの複合化を行うことに加えて、空気中の水分との副反応を低減させる必要がある。また、正極活物質を構成するポリアニオンをBOで構成した場合も、全固体電池の出力電圧は不十分である。 However, in the combination disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, it is difficult to increase the charge / discharge voltage, and thus there remains a problem in increasing the output of the all-solid-state battery. In particular, when the polyanion constituting the positive electrode active material is composed of SiO 4 having an electronegativity lower than that of PO 4 , fine particles and complexing with carbon are performed in order to increase the output voltage of the all-solid-state battery. In addition, it is necessary to reduce side reactions with moisture in the air. Also, when the polyanion constituting the positive electrode active material was composed of BO 3, the output voltage of the all-solid-state battery is insufficient.

また、特に全固体リチウムイオン電池を二次電池として用いる場合、充放電のサイクルを繰り返すうちに、電極活物質の酸化、還元又は分解等によって電極活物質としての機能が損なわれたり、イオン伝導を阻害する化合物が生成されたりするため、二次電池の繰り返しの充放電によって放電容量が低下し易く、サイクル特性が低い問題点がある。例えば、オリビン(LiFePO)構造を持ち、リン酸塩からなる正極活物質を含有する全固体リチウムイオン電池は、充電の際に正極活物質がLiを脱離することで、LiM2+PO⇔M3+PO→M2+ のような中心金属Mの還元が起こり易くなることで、不可逆的な分解反応が生じ易くなる。 In particular, when an all-solid-state lithium ion battery is used as a secondary battery, the function as an electrode active material may be impaired due to oxidation, reduction, or decomposition of the electrode active material while the charge / discharge cycle is repeated. Since the compound which inhibits is produced | generated, there exists a problem that a discharge capacity tends to fall by the repeated charging / discharging of a secondary battery, and cycling characteristics are low. For example, an all-solid-state lithium ion battery having a olivine (LiFePO 4 ) structure and containing a positive electrode active material made of a phosphate has LiM 2+ PO 4 ⇔ as the positive electrode active material desorbs Li during charging. Since the reduction of the central metal M such as M 3+ PO 4 → M 2+ 2 P 2 O 7 is likely to occur, an irreversible decomposition reaction is likely to occur.

すなわち、電極層‐固体電解質層の界面が焼成によって良好に接合されたとしても、電極活物質の化学反応による劣化等が生じることで、結果として大電流の充放電が困難になる。   That is, even if the electrode layer-solid electrolyte layer interface is satisfactorily bonded by firing, deterioration due to a chemical reaction of the electrode active material occurs, and as a result, charging and discharging of a large current becomes difficult.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、出力電圧が高く、且つ繰り返しの充放電によっても放電容量が低下し難い全固体リチウムイオン電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an all-solid-state lithium ion battery that has a high output voltage and is less likely to have a reduced discharge capacity even after repeated charge and discharge. There is.

本発明者等は、このような状況を鑑みて鋭意研究を重ねた結果、正極活物質のポリアニオン部位を特定の組成範囲内にすることで、全固体電池の出力電圧が維持されながらも、充電時におけるLiの脱離による正極活物質の不可逆的な分解反応が抑えられることを見出した。具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。   As a result of intensive studies in view of such a situation, the present inventors made charging while maintaining the output voltage of the all-solid-state battery by keeping the polyanion portion of the positive electrode active material within a specific composition range. It was found that the irreversible decomposition reaction of the positive electrode active material due to Li desorption at the time can be suppressed. Specifically, the present invention provides the following.

(1) LiAlからなる正極活物質と、リチウムイオン伝導性の固体電解質と、を含有する正極層を有する全固体リチウムイオン電池。
ここで、0.9≦x≦1.9、0≦y≦0.5、0.5≦z≦0.95、0.5≦q≦0.95及び0.05≦r≦0.5を満たし、MはFe、Mn、Co、Niから選ばれる1種以上であり、EはB、Siから選ばれる1種以上である。
(1) Li x Al y M z P q E r O 4 positive electrode active material made, all-solid-state lithium-ion battery having a positive electrode layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.
Here, 0.9 ≦ x ≦ 1.9, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0.5 ≦ z ≦ 0.95, 0.5 ≦ q ≦ 0.95 and 0.05 ≦ r ≦ 0.5 M is one or more selected from Fe, Mn, Co, and Ni, and E is one or more selected from B and Si.

(2) 正極層に前記正極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、固体電解質の前記正極活物質に対する質量の比が1/9以上9以下である(1)に記載の全固体リチウムイオン電池。   (2) The positive electrode layer includes the positive electrode active material and a lithium ion conductive solid electrolyte, and a mass ratio of the solid electrolyte to the positive electrode active material is 1/9 or more and 9 or less. All solid lithium ion battery.

(3) 前記正極活物質が炭素で被覆されている(1)又は(2)に記載の全固体リチウムイオン電池。   (3) The all-solid-state lithium ion battery according to (1) or (2), wherein the positive electrode active material is coated with carbon.

(4) 前記正極層に導電助剤が1質量%以上20質量%以下含まれている(1)から(3)のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。   (4) The all-solid-state lithium ion battery in any one of (1) to (3) in which the said positive electrode layer contains 1 mass% or more and 20 mass% or less of conductive support agents.

(5) 前記リチウムイオン伝導性の固体電解質は、Li1+x+z(Al,Sc,Y,Ga,La)(Ti,Zr,Ge)2−x3−zSi12(0≦X≦1、0≦Z<1)、γ−LiPO、ガーネット構造、ペロブスカイト構造、LiS−Pのいずれかの結晶を含むことを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。 (5) The lithium ion conductive solid electrolyte is Li 1 + x + z (Al, Sc, Y, Ga, La) x (Ti, Zr, Ge) 2−x P 3−z Si z O 12 (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Z <1), γ-Li 3 PO 4 , a garnet structure, a perovskite structure, or a Li 2 S—P 2 S 5 crystal, comprising (1) to (4) The all-solid-state lithium ion battery in any one.

本発明によれば、出力電圧が高く、且つサイクル特性の高い全固体リチウムイオン電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state lithium ion battery having a high output voltage and high cycle characteristics.

本発明の実施例1の正極活物質に対してX線回折(XRD)を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed X-ray diffraction (XRD) with respect to the positive electrode active material of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の正極半電池における、充放電のサイクル数と放電容量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cycle number of charging / discharging and discharge capacity in the positive electrode half cell of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の正極半電池における、正極活物質のSi及びBの含有量と放電容量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between content of Si and B of a positive electrode active material, and discharge capacity in the positive electrode half-cell of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2の全固体リチウムイオン電池における、充放電のサイクル数と放電容量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cycle number of charging / discharging and discharge capacity in the all-solid-state lithium ion battery of Example 2 of this invention.

本発明の全固体リチウムイオン電池は、LiAlを正極活物質とし、電解質がリチウムイオン伝導性の固体電解質である。ここで、0.9≦x≦1.9、0≦y≦0.5、0.5≦z≦0.95、0.5≦q≦0.95及び0.05≦r≦0.5を満たし、MはFe、Mn、Co、Niから選ばれる1種以上であり、EはB、Siから選ばれる1種以上である。正極活物質のポリアニオン部位のうち、特にB及びSiのうち1種以上とPとを併用し、その組成比を特定の範囲内にすることで、全固体電池の出力電圧が高く維持されながらも、充電時におけるLiの脱離による正極活物質のM3+からM2+への還元を伴う不可逆的な分解反応が抑えられる。そのため、出力電圧が高く、且つ二次電池として用いたときにサイクル特性の高い全固体リチウムイオン電池を提供することができる。 All-solid-state lithium-ion batteries of the present invention, the Li x Al y M z P q E r O 4 as the positive electrode active material, the electrolyte is a lithium ion conductive solid electrolyte. Here, 0.9 ≦ x ≦ 1.9, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0.5 ≦ z ≦ 0.95, 0.5 ≦ q ≦ 0.95 and 0.05 ≦ r ≦ 0.5 M is one or more selected from Fe, Mn, Co, and Ni, and E is one or more selected from B and Si. Among the polyanion sites of the positive electrode active material, in particular, one or more of B and Si and P are used in combination, and the composition ratio is within a specific range, while the output voltage of the all-solid-state battery is maintained high. The irreversible decomposition reaction accompanying the reduction of the positive electrode active material from M 3+ to M 2+ due to the elimination of Li during charging is suppressed. Therefore, an all-solid-state lithium ion battery having a high output voltage and high cycle characteristics when used as a secondary battery can be provided.

以下、本発明の全固体リチウムイオン電池及びその製造方法の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の趣旨を限定するものではない。   Hereinafter, embodiments of the all-solid-state lithium ion battery and the method for producing the same of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and within the scope of the object of the present invention, Changes can be made as appropriate. In addition, although description may be abbreviate | omitted suitably about the location where description overlaps, the meaning of invention is not limited.

[全固体リチウムイオン電池]
本発明の全固体リチウムイオン電池は、固体電解質層を挟んで正極層と負極層の2つの無機固体からなる電極層を有しており、それぞれの電極層には集電体が接合されている。なお、本明細書では、正極層及び負極層を電極層と総称し、正極活物質及び負極活物質を電極活物質と総称する。
[All-solid-state lithium-ion battery]
The all-solid-state lithium ion battery of the present invention has an electrode layer made of two inorganic solids, a positive electrode layer and a negative electrode layer, across a solid electrolyte layer, and a current collector is bonded to each electrode layer. . In this specification, the positive electrode layer and the negative electrode layer are collectively referred to as an electrode layer, and the positive electrode active material and the negative electrode active material are collectively referred to as an electrode active material.

<正極層>
本実施態様における正極層は、少なくとも正極活物質と、固体電解質とからなるが、導電助剤を含んでいてもよい。
<Positive electrode layer>
The positive electrode layer in this embodiment is composed of at least a positive electrode active material and a solid electrolyte, but may contain a conductive additive.

(正極活物質)
このうち正極活物質は、LiAl(ここで、0.9≦x≦1.9、0≦y≦0.5、0.5≦z≦0.95、0.5≦q≦0.95及び0.05≦r≦0.5を満たし、MはFe、Mn、Co、Niから選ばれる1種以上であり、EはB、Siから選ばれる1種以上)からなる。正極活物質としてLiAlを用い、正極活物質を構成する各成分の比率を所定の範囲内にすることにより、正極活物質のポリアニオン部位に電気陰性度の高いPが含まれるため、全固体電池の出力電圧の低下が抑制される。それとともに、Pより価数の小さいSiやBが用いられることにより、ポリアニオン構造が電子過剰になることで、充電時における正極活物質のM3+からM2+への還元を伴う不可逆的な分解反応が抑制される。また、充放電を繰り返すことによる正極活物質の構造面での劣化が抑制される。そのため、出力電圧が高く、且つ二次電池として用いたときにサイクル特性の高い全固体リチウムイオン電池を提供することができる。
(Positive electrode active material)
Among these, the positive electrode active material is Li x Al y M z P q Er O 4 (where 0.9 ≦ x ≦ 1.9, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0.5 ≦ z ≦ 0.95). 0.5 ≦ q ≦ 0.95 and 0.05 ≦ r ≦ 0.5 are satisfied, M is one or more selected from Fe, Mn, Co, and Ni, and E is selected from B and Si. More than species). Using Li x Al y M z P q E r O 4 as the positive electrode active material, by setting the percentage of each component constituting the positive electrode active material within a predetermined range, the electronegativity to polyanion site of the positive electrode active material Since high P is contained, the fall of the output voltage of an all-solid-state battery is suppressed. At the same time, by using Si or B having a valence smaller than P, the polyanion structure becomes electron-excess, so that the irreversible decomposition reaction accompanied by reduction of the positive electrode active material from M 3+ to M 2+ during charging. Is suppressed. Further, deterioration in the structure of the positive electrode active material due to repeated charge and discharge is suppressed. Therefore, an all-solid-state lithium ion battery having a high output voltage and high cycle characteristics when used as a secondary battery can be provided.

ここで、上式におけるMは、Fe、Mn、Co及びNiから選ばれる1種以上であるが、少なくともCoを含んでいることがより好ましく、CoとNiの固溶体であることが最も好ましい。これにより、電子伝導性の確保と、充放電電圧の高電圧化を図ることができる。このとき、Co及びNiの含有量の和に対するNiの含有量の割合は、5〜70mol%であることが好ましく、7〜65mol%であることがより好ましく、10〜60mol%であることが最も好ましい。   Here, M in the above formula is one or more selected from Fe, Mn, Co, and Ni, but it is more preferable that it contains at least Co, and most preferably a solid solution of Co and Ni. Thereby, it is possible to ensure the electron conductivity and increase the charge / discharge voltage. At this time, the ratio of the Ni content to the sum of the Co and Ni contents is preferably 5 to 70 mol%, more preferably 7 to 65 mol%, and most preferably 10 to 60 mol%. preferable.

また、上式におけるEは、Si及びBから選ばれる1種以上であるが、少なくともSiを含んでいることがより好ましく、Siであることが最も好ましい。これにより、Pとの価数の差が小さいSiが正極活物質に含まれることで、正極活物質の結晶構造がオリビン構造を維持し易くなることで、正極活物質がリチウムイオンの吸蔵及び放出を行い易くなるため、放電容量や出力電圧を高めることができる。   Further, E in the above formula is at least one selected from Si and B, but it is more preferable that at least Si is contained, and Si is most preferable. Accordingly, Si having a small difference in valence with P is contained in the positive electrode active material, so that the positive electrode active material can easily maintain the olivine structure, so that the positive electrode active material can occlude and release lithium ions. Therefore, the discharge capacity and the output voltage can be increased.

ここで、式中のrは、0.05以上0.5以下が好ましく、0.05以上0.2以下がより好ましく、0.1以上0.2以下が最も好ましい。また、式中のqは、0.5以上0.95以下が好ましく、0.8以上0.95以下がより好ましく、0.8以上0.9以下が最も好ましい。特に、rを0.05以上にしつつqを0.95以下にすることで、充電時の正極活物質の不可逆的な還元反応が低減されるため、よりサイクル特性の高い二次電池を得ることができる。一方で、rを0.5以下にしつつqを0.5以上にすることで、正極活物質がオリビン構造を維持し易くなるため、放電容量や出力電圧を高めることができる。また、式中のr及びqの合計は、0.90以上1以下であることが好ましく、0.95以上1以下であることがより好ましく、1であることが最も好ましい。これにより、正極活物質のポリアニオン部位にP、Si及びB以外の元素が入り難くなるため、正極活物質のオリビン構造を維持し易くできる。   Here, r in the formula is preferably from 0.05 to 0.5, more preferably from 0.05 to 0.2, and most preferably from 0.1 to 0.2. Further, q in the formula is preferably from 0.5 to 0.95, more preferably from 0.8 to 0.95, and most preferably from 0.8 to 0.9. In particular, by setting r to 0.05 or more and q to 0.95 or less, the irreversible reduction reaction of the positive electrode active material during charging is reduced, so that a secondary battery with higher cycle characteristics can be obtained. Can do. On the other hand, when r is 0.5 or less and q is 0.5 or more, the positive electrode active material can easily maintain the olivine structure, so that the discharge capacity and the output voltage can be increased. The total of r and q in the formula is preferably 0.90 or more and 1 or less, more preferably 0.95 or more and 1 or less, and most preferably 1. This makes it difficult for elements other than P, Si, and B to enter the polyanion portion of the positive electrode active material, so that the olivine structure of the positive electrode active material can be easily maintained.

このような正極活物質として、例えばLi1.1Co0.5Ni0.50.9Si0.1、Li1.4Co0.5Ni0.50.80.2、Li1.2Co0.5Ni0.50.8Si0.2、Li1.5Co0.5Ni0.50.5Si0.5、Li1.05Co0.5Ni0.50.95Si0.05等を用いることができる。その中でも特に、全固体リチウムイオン電池のサイクル特性をより高められる観点で、Li1.1Co0.5Ni0.50.9Si0.1が好ましい。 As such a positive electrode active material, for example, Li 1.1 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.9 Si 0.1 O 4 , Li 1.4 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.8 B 0 .2 O 4 , Li 1.2 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.8 Si 0.2 O 4 , Li 1.5 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.5 Si 0.5 O 4 Li 1.05 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.95 Si 0.05 O 4 or the like can be used. Among these, Li 1.1 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.9 Si 0.1 O 4 is particularly preferable from the viewpoint of further improving the cycle characteristics of the all-solid-state lithium ion battery.

正極層中の正極活物質の含有量は、正極層の材料の全体に対し、1質量%以上20質量%以下であることが好ましい。特にこの含有量を1質量%以上にすることで、全固体リチウムイオン電池の放電容量を高めることができる。そのため、正極活物質の含有量は、好ましくは1質量%、より好ましくは2質量%、最も好ましくは4質量%を下限とする。一方で、この含有量を20質量%以下にすることで、固体電解質電極層のイオン伝導性や電子伝導性が高められることで、より高い充放電特性を確保し易くできる。そのため、正極活物質の含有量は、好ましくは20質量%、より好ましくは15質量%、最も好ましくは10質量%を上限とする。   The content of the positive electrode active material in the positive electrode layer is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the entire material of the positive electrode layer. In particular, when the content is 1% by mass or more, the discharge capacity of the all-solid-state lithium ion battery can be increased. Therefore, the lower limit of the content of the positive electrode active material is preferably 1% by mass, more preferably 2% by mass, and most preferably 4% by mass. On the other hand, by setting the content to 20% by mass or less, the ion conductivity and the electronic conductivity of the solid electrolyte electrode layer can be increased, so that higher charge / discharge characteristics can be easily ensured. Therefore, the upper limit of the content of the positive electrode active material is preferably 20% by mass, more preferably 15% by mass, and most preferably 10% by mass.

本実施形態における正極活物質の結晶粒界の表面には、炭素等の導電体からなる被覆層が形成されていることも好ましい。これにより、正極活物質の結晶粒界に導電性を有する被覆層が存在し易くなるため、リチウムイオンの吸蔵及び放出に伴う電子の授受をよりスムーズに行うことができる。この効果を得るためには、正極活物質の結晶粒界に形成される被覆層の厚さは、1nm以上1μm以下が好ましく、3nm以上100nm以下がより好ましく、5nm以上10nm以下が最も好ましい。また、この効果を得るためには、この被覆層の被覆面積を、正極活物質の結晶粒界の表面積の5%以上にすることが好ましく、40%以上にすることがより好ましく、60%以上にすることが最も好ましい。一方で、リチウムイオンが伝導する経路を確保して放電容量の低下を抑える観点では、この被覆層の被覆面積を、正極活物質の結晶粒界の表面積の99%以下にすることが好ましく、98%以下にすることがより好ましく、95%以下にすることが最も好ましい。   It is also preferable that a coating layer made of a conductor such as carbon is formed on the surface of the crystal grain boundary of the positive electrode active material in the present embodiment. Thereby, since it becomes easy for the coating layer which has electroconductivity to exist in the crystal grain boundary of a positive electrode active material, transfer of the electron accompanying occlusion and discharge | release of lithium ion can be performed more smoothly. In order to obtain this effect, the thickness of the coating layer formed at the crystal grain boundary of the positive electrode active material is preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 3 nm to 100 nm, and most preferably 5 nm to 10 nm. In order to obtain this effect, the covering area of the coating layer is preferably 5% or more of the surface area of the crystal grain boundary of the positive electrode active material, more preferably 40% or more, and 60% or more. Most preferably. On the other hand, from the viewpoint of securing a path through which lithium ions are conducted and suppressing a decrease in discharge capacity, the covering area of the covering layer is preferably 99% or less of the surface area of the crystal grain boundary of the positive electrode active material. % Or less is more preferable, and 95% or less is most preferable.

ここで、電極活物質の結晶粒界に形成される被覆層の厚さは、電極層を削り出し、微粉末状態にした試料をTEM(透過型電子顕微鏡)で観察することにより測定することができる。また、結晶粒界の表面積のうち被覆層が被覆している面積の割合は、3次元的な測定が困難であるため、TEM像に現われる結晶粒界の輪郭の長さの合計に対する被覆層の長さの割合をこの面積の割合とする。TEMで結晶粒界を観察できない場合は、EPMAによるマッピング分析によって観察することで、同様に存在面積割合を求めることができる。被覆層が被覆している面積の割合は、電極層の全ての部位について測定しなくてもよく、任意に選んだ部位のTEM観察像での測定値を用いることができる。また、特異的に電極層の一部の部位(例えば電極層の体積の3%以下)で被覆層が被覆している面積の割合が他の部位と異なっていても、他の部位が本発明で規定する被覆層の面積の割合に合致するのであれば、その電極層は本発明の効果を得ることができる。   Here, the thickness of the coating layer formed at the crystal grain boundary of the electrode active material can be measured by slicing the electrode layer and observing a sample in a fine powder state with a TEM (transmission electron microscope). it can. Further, since the ratio of the area covered by the coating layer to the surface area of the crystal grain boundary is difficult to measure three-dimensionally, the coating layer has a total length of the boundary of the crystal grain boundary appearing in the TEM image. Let the ratio of length be the ratio of this area. When the crystal grain boundary cannot be observed with TEM, the existing area ratio can be obtained in the same manner by observing by mapping analysis with EPMA. The ratio of the area covered by the coating layer may not be measured for all the parts of the electrode layer, and a measured value in a TEM observation image of an arbitrarily selected part can be used. In addition, even if the ratio of the area covered by the coating layer in a specific part of the electrode layer (for example, 3% or less of the volume of the electrode layer) is different from the other part, the other part is in the present invention. The electrode layer can obtain the effects of the present invention as long as it matches the area ratio of the coating layer defined in (1).

(固体電解質)
固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する材料を用いることができ、例えばLiN、LISICON類、ペロブスカイト構造を有するLa0.55Li0.35TiO、NASICON型構造を有する物質(例えば、Li1+XAl(Ti,Ge)2−X(PO、Li1+xAlTi2−x(PO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO及びLiTi12等の一般式Li1+x+z(Al,Sc,Y,Ga,La)(Ti,Zr,Ge)2−x3−zSi12(0≦X≦1、0≦Z<1)で表される物質、並びにγ−LiPO、等)、ガーネット構造、LiS−Pの少なくともいずれかの結晶を含む材料を用いることができる。これにより、電極層と固体電解質層との間にリチウムイオンの伝導経路が形成され易くなり、リチウムイオンの伝導が促進されることで、全固体リチウムイオン電池の内部抵抗が低減されるため、より出力電圧の高い全固体リチウムイオン電池を作製することができる。
(Solid electrolyte)
As the solid electrolyte, a material having lithium ion conductivity can be used. For example, LiN, LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 having a perovskite structure, a substance having a NASICON type structure (for example, Li 1 + X Al x (Ti, Ge) 2- X (PO 4) 3, Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4) 3, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3 and LiTi 2 P 3 O 12 and other general formulas Li 1 + x + z (Al, Sc, Y, Ga, La) x (Ti, Zr, Ge) 2−x P 3−z Si z O 12 (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Z < A material including at least one of the substance represented by 1) and γ-Li 3 PO 4 , etc.), a garnet structure, and Li 2 S—P 2 S 5 can be used. As a result, a lithium ion conduction path is easily formed between the electrode layer and the solid electrolyte layer, and the lithium ion conduction is promoted to reduce the internal resistance of the all solid lithium ion battery. An all-solid-state lithium ion battery with a high output voltage can be produced.

その中でも特に、Li1+x+z2−jSi3−z12(但し、j、x、y、zは0≦x≦0.8、0≦z≦0.6、yは0≦y≦0.6、jは0≦j≦0.6を満たし、EはAl、Gaから選ばれる1種以上、GはGe、Ti、Zr、Y、Scから選ばれる1種類以上)の結晶を含む物質はリチウムイオン伝導度が高く、化学的に安定しており、扱いが容易であるという利点がある。また、この結晶は特定組成のガラスを熱処理することにより、ガラスセラミックス中の結晶として析出させる事が可能である。この結晶を含有するガラスセラミックスの粒子は、粒子中においてイオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しない点で好ましい。 Among them, Li 1 + x + z E y G 2 -j Si z P 3 -z O 12 (where j, x, y, and z are 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ z ≦ 0.6, and y is 0) ≦ y ≦ 0.6, j satisfies 0 ≦ j ≦ 0.6, E is one or more selected from Al and Ga, and G is one or more selected from Ge, Ti, Zr, Y, and Sc) A substance containing crystals has an advantage that it has high lithium ion conductivity, is chemically stable, and is easy to handle. Further, this crystal can be precipitated as a crystal in glass ceramics by heat-treating a glass having a specific composition. The glass-ceramic particles containing this crystal are preferable in that they have almost no vacancies or crystal grain boundaries that hinder ion conduction.

ここで、ガラスセラミックスは、アモルファスガラスを熱処理することにより、ガラス相中に結晶相が析出することで得られる物質であり、非晶質固体と結晶とからなる物質をいう。更に、ガラス相の全てを結晶相に相転移させた物質、すなわち、物質中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものを含む。   Here, the glass ceramic is a substance obtained by heat-treating an amorphous glass to precipitate a crystal phase in the glass phase, and means a substance composed of an amorphous solid and a crystal. Further, it includes a substance in which all of the glass phase is phase-transitioned into a crystalline phase, that is, a substance whose crystal amount (crystallinity) in the substance is 100% by mass.

熱処理によって上記結晶を析出しうる原ガラスとしては、
酸化物基準のmol%表示で、
LiO:10〜25%、
Al+Ga:0.5〜15%、
TiO+GeO+ZrO+Y+Sc:25〜50%、
SiO:0〜15%、及び
:26〜40%
の組成範囲のガラス原料を溶融及び急冷することで得られるガラスが挙げられる。
As the raw glass that can precipitate the crystal by heat treatment,
In mol% display based on oxide,
Li 2 O: 10 to 25%,
Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 0.5~15%,
TiO 2 + GeO 2 + ZrO 2 + Y 2 O 3 + Sc 2 O 3 : 25 to 50%,
SiO 2: 0~15%, and P 2 O 5: 26~40%
Glass obtained by melting and quenching a glass raw material having the composition range of

ここで、正極層に固体電解質を含有させる手段としては、上記ガラスセラミックスの粉末、又はガラスセラミックスの原ガラスの粉末を、正極活物質や導電助剤に混合する手段が挙げられる。ここで、原ガラスの粉末を用いる場合、固体電解質層や電極層を焼成する際にガラス粉末中に結晶を析出させてガラスセラミックスを形成することができる。すなわち、上記結晶を析出しうる原ガラスは、焼結後にリチウムイオン伝導性を発現しうる無機固体である。   Here, as a means for causing the positive electrode layer to contain a solid electrolyte, there is a means for mixing the glass ceramic powder or glass ceramic raw glass powder into a positive electrode active material or a conductive additive. Here, when the raw glass powder is used, the glass ceramics can be formed by precipitating crystals in the glass powder when firing the solid electrolyte layer or the electrode layer. That is, the raw glass capable of precipitating the crystals is an inorganic solid that can exhibit lithium ion conductivity after sintering.

正極層における固体電解質の含有量は、正極層中の正極活物質に対する質量比で1/9以上9以下であることが好ましく、2/8以上6/4以下であることがより好ましく、3/7以上4/6以下であることが最も好ましい。正極活物質としてLiAlを用い、且つ正極活物質に対する固体電解質の量を規定することにより、電極層を焼成する際や全固体リチウムイオン電池を充電する際に、正極層と固体電解質層との界面や正極活物質と固体電解質との粒界における正極活物質の分解や、イオン伝導を大きく阻害する化合物の生成が効果的に抑制されるため、全固体リチウムイオン電池の放電容量を高め、且つサイクル特性を向上することができる。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode layer is preferably 1/9 or more and 9 or less, more preferably 2/8 or more and 6/4 or less, by mass ratio with respect to the positive electrode active material in the positive electrode layer. Most preferably, it is 7 or more and 4/6 or less. Using Li x Al y M z P q E r O 4 as a cathode active material, and by defining the amount of the solid electrolyte to positive electrode active material, when charging the all-solid-state lithium-ion batteries and during the firing of the electrode layer In addition, since the decomposition of the positive electrode active material at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer and the grain boundary between the positive electrode active material and the solid electrolyte and the generation of compounds that greatly inhibit ionic conduction are effectively suppressed, The discharge capacity of the lithium ion battery can be increased and the cycle characteristics can be improved.

(導電助剤)
本実施態様では、導電助剤として、炭素、並びにNi、Fe、Mn、Co、Mo、Cr、Ag及びCuの少なくとも1種以上からなる金属及びこれらの合金を用いることできる。また、チタンやステンレス、アルミニウム等の金属や、白金、銀、金、ロジウム等の貴金属を用いてもよい。また、WOやSnOのような金属酸化物を用いてもよい。このような電子伝導性の高い材料を導電助剤として用いることで、電極層中に形成された狭い電子伝導経路を通じて伝導できる電流量が増大するため、全固体リチウムイオン電池の充放電特性を高めることができる。
(Conductive aid)
In this embodiment, carbon, a metal composed of at least one of Ni, Fe, Mn, Co, Mo, Cr, Ag, and Cu, and alloys thereof can be used as the conductive assistant. Alternatively, a metal such as titanium, stainless steel, or aluminum, or a noble metal such as platinum, silver, gold, or rhodium may be used. It may also be used metal oxides such as WO 3 or SnO 2. By using such a material having a high electron conductivity as a conductive additive, the amount of current that can be conducted through the narrow electron conduction path formed in the electrode layer increases, so the charge / discharge characteristics of the all-solid-state lithium ion battery are improved. be able to.

導電助剤の含有率は、放電容量と正極層の電子伝導性のバランスを考慮し、含まれる正極層の電極材料全体に対し、1質量%以上20質量%以下であることが好ましく、2質量%以上15質量%以下であることがより好ましく、4質量%以上10質量%以下であることが最も好ましい。   The content of the conductive auxiliary agent is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the entire electrode material of the positive electrode layer in consideration of the balance between the discharge capacity and the electron conductivity of the positive electrode layer. % To 15% by mass is more preferable, and 4% to 10% by mass is most preferable.

<負極層>
本実施態様における負極層は、少なくとも負極活物質を含有することが好ましい。また、これら負極活物質に加えて、上述の固体電解質及び導電助剤を加えてもよい。
<Negative electrode layer>
The negative electrode layer in this embodiment preferably contains at least a negative electrode active material. In addition to these negative electrode active materials, the above-mentioned solid electrolyte and conductive aid may be added.

(負極活物質)
負極活物質は、NASICON型、オリビン型、スピネル型の結晶を含む酸化物、若しくは非晶質金属酸化物、又は金属合金等から選ばれる少なくとも1種以上であることが好ましい。その中でも特に、Li1+x+zAlTiSi3−z12(但しx、y、zは0≦x≦0.8、0≦z≦0.6、yは0≦y≦0.6を満たす)、Li(PO、LiFe(PO、LiFePO、LiTi12、LiTiO、TiO、SiO(0.25≦x≦2)、CuSnからなることがより好ましい。これにより、固体電解質と負極活物質とが接合し易くなり、固体電解質と正極活物質との間でのリチウムイオンの受け渡しが行われ易くなるため、全固体リチウムイオン電池の充放電特性をより高めることができる。特に、LiTiO及び/又はTiOからなることで、負極電位を低くできることで、全固体リチウムイオン電池からの出力電圧をより高くすることができる。負極活物質の具体例としては、例えばLi(PO、LiFe(PO、LiFePO、LiTi12、SiO(0.25≦x≦2)、CuSnを用いることができる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material is preferably at least one selected from an oxide containing NASICON, olivine, and spinel crystals, an amorphous metal oxide, or a metal alloy. Among them, Li 1 + x + z Al y Ti 2 Si z P 3-z O 12 (where x, y, and z are 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ z ≦ 0.6, and y is 0 ≦ y ≦ 0. 6), Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiFePO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO, TiO 2 , SiO x (0.25 ≦ x ≦ 2 ), Cu 6 Sn 5 is more preferable. This facilitates the joining of the solid electrolyte and the negative electrode active material, and facilitates the transfer of lithium ions between the solid electrolyte and the positive electrode active material, thereby further improving the charge / discharge characteristics of the all solid lithium ion battery. be able to. In particular, by comprising LiTiO and / or TiO x , the negative electrode potential can be lowered, so that the output voltage from the all-solid-state lithium ion battery can be further increased. Specific examples of the negative electrode active material include Li 2 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiFePO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , SiO x (0.25 ≦ x ≦ 2). ), Cu 6 Sn 5 can be used.

ここで、負極活物質は、正極活物質と同様に炭素からなる被覆層が形成されていることも好ましい。これにより、負極活物質の結晶粒界に導電性を有する被覆層が存在し易くなるため、リチウムイオンの吸蔵及び放出に伴う電子の授受をよりスムーズに行うことができる。負極活物質の結晶粒界に形成される被覆層の好ましい厚さと、負極活物質の結晶粒界の表面積に占める被覆層の好ましい被覆面積の割合は、正極活物質と同様である。   Here, it is also preferable that the negative electrode active material is formed with a coating layer made of carbon similarly to the positive electrode active material. Thereby, since it becomes easy for the coating layer which has electroconductivity to exist in the crystal grain boundary of a negative electrode active material, the transfer of the electron accompanying occlusion and discharge | release of lithium ion can be performed more smoothly. The preferred thickness of the coating layer formed at the crystal grain boundary of the negative electrode active material and the ratio of the preferred coating area of the coating layer to the surface area of the crystal grain boundary of the negative electrode active material are the same as those of the positive electrode active material.

(固体電解質)
負極層に固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量は、負極活物質に対する質量比で、1/9以上10以下が好ましく、2/8以上6/4以下がより好ましく、3/7以上4/6以下が最も好ましい。これにより、負極層に接合される固体電解質層と、負極層中の活物質とのリチウムイオン伝導パスが良好に形成されるため、負極層中のリチウムイオン伝導性を高めることができ、全固体リチウムイオン電池の出力電圧を高めることができる。
(Solid electrolyte)
When the negative electrode layer contains a solid electrolyte, the mass ratio of the solid electrolyte to the negative electrode active material is preferably 1/9 or more and 10 or less, more preferably 2/8 or more and 6/4 or less, and 3/7 or more. 4/6 or less is most preferable. Thereby, since the lithium ion conduction path between the solid electrolyte layer joined to the negative electrode layer and the active material in the negative electrode layer is well formed, the lithium ion conductivity in the negative electrode layer can be increased, The output voltage of the lithium ion battery can be increased.

<固体電解質層>
固体電解質層は、正極層と負極層とを物理的に離間し、且つ、正極層と負極層との間のリチウムイオンの伝導を担う。正極層と負極層は、固体電解質層に接合されている。ここで、正極層及び負極層のうち一方が焼成によって接合されていることが好ましく、正極層及び負極層の両方が焼成によって接合されていることがより好ましい。これにより、全固体リチウムイオン電池の内部におけるリチウムイオンの伝導性を高め、且つ全固体リチウムイオン電池の機械的強度を高めることができる。
<Solid electrolyte layer>
The solid electrolyte layer physically separates the positive electrode layer and the negative electrode layer and is responsible for conduction of lithium ions between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The positive electrode layer and the negative electrode layer are joined to the solid electrolyte layer. Here, one of the positive electrode layer and the negative electrode layer is preferably bonded by firing, and more preferably both the positive electrode layer and the negative electrode layer are bonded by baking. Thereby, the conductivity of the lithium ion inside the all-solid-state lithium ion battery can be increased, and the mechanical strength of the all-solid-state lithium ion battery can be increased.

本実施態様における固体電解質層は、少なくとも上述の固体電解質を含有することが好ましい。   The solid electrolyte layer in this embodiment preferably contains at least the above-mentioned solid electrolyte.

なお、本発明の全固体リチウムイオン電池に含まれる固体電解質、電極活物質及び導電助剤の含有量とこれらの組成は、全固体リチウムイオン電池を構成する固体電解質層及び/又は電極層を削り出して、電界放出形透過電子顕微鏡(FE−TEM)に搭載されたエネルギー損出分析装置若しくはX線分析装置、又は電界放出形走査顕微鏡(FE−SEM)に搭載されたX線分析装置を用いて特定することが可能である。このような定量分析や点分析を用いることで、例えば正極層中での正極活物質の存在の有無や、その含有量がわかる。ここで、X線分析装置を用いた場合、LiOは直接分析できないため、他の構成成分から電荷を算出することで、LiO含有量を推定することが可能である。 The contents of the solid electrolyte, electrode active material, and conductive additive contained in the all solid lithium ion battery of the present invention and the composition thereof are determined by shaving the solid electrolyte layer and / or electrode layer constituting the all solid lithium ion battery. Using an energy loss analyzer or X-ray analyzer mounted on a field emission transmission electron microscope (FE-TEM), or an X-ray analyzer mounted on a field emission scanning microscope (FE-SEM) Can be specified. By using such quantitative analysis or point analysis, for example, the presence or absence of the positive electrode active material in the positive electrode layer and its content can be known. Here, when an X-ray analyzer is used, since Li 2 O cannot be directly analyzed, the Li 2 O content can be estimated by calculating the charge from other components.

[全固体リチウムイオン電池の作製]
本発明の全固体リチウムイオン電池は、電極層前駆体と固体電解質層前駆体を焼成し、電極層と固体電解質層を形成することで作製できる。より具体的には、電極層前駆体及び固体電解質層前駆体を各々焼成した後に積層し、再度焼成して各層を接合する方法や、電極層前駆体又は固体電解質層前駆体のいずれかの層を焼成して焼結体とした後に当該焼結体上に他の前駆体を積層し、焼結体と前駆体を同時に焼成して接合する方法や、2以上の層の前駆体を積層し同時に焼成することで焼結体を形成しつつ層間を接合する方法等が挙げられるが、これらに限定されず種々の態様を用いることができる。なお、本発明において電極層前駆体及び固体電解質層前駆体は、それぞれ電極層の未焼成体、固体電解質層の未焼成体を意味する。
[Production of all-solid-state lithium-ion batteries]
The all solid lithium ion battery of the present invention can be produced by firing the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor to form the electrode layer and the solid electrolyte layer. More specifically, the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor are each fired, stacked, and fired again to join the layers, or any one of the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor. After firing the sinter into a sintered body, another precursor is laminated on the sintered body, and the sintered body and the precursor are fired at the same time, and two or more layer precursors are laminated. Although the method of joining an interlayer etc. is formed, forming a sintered compact by baking simultaneously, It is not limited to these, A various aspect can be used. In the present invention, the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor mean an unfired body of the electrode layer and an unfired body of the solid electrolyte layer, respectively.

(原料の混合)
電極層前駆体及び固体電解質層前駆体を作製するにあたり、まず、粉末状の固体電解質に、必要に応じて電極活物質及び導電助剤等を混合して、原料組成物を作製する。これにより、原料組成物が均一に混合されることで、各構成要素の偏在が低減される。そのため、特に電極層においては、電極活物質を固体電解質と導電助剤の双方に隣接し易くでき、所望の高い放電容量と出力電圧を得易くできる。
(Mixing of raw materials)
In preparing the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor, first, a raw material composition is prepared by mixing the powdered solid electrolyte with an electrode active material, a conductive auxiliary agent, and the like as necessary. Thereby, uneven distribution of each component is reduced by mixing a raw material composition uniformly. Therefore, particularly in the electrode layer, the electrode active material can be easily adjacent to both the solid electrolyte and the conductive additive, and desired high discharge capacity and output voltage can be easily obtained.

電極層の原料組成物を作製する具体的な態様としては、例えば粉末状の固体電解質、電極活物質及び導電助剤に、溶剤やバインダが混合された原料組成物を作製する態様が挙げられる。また、固体電解質の原料組成物を作製する具体的な態様としては、例えば粉末状の固体電解質に、溶剤やバインダが混合された原料組成物を作製する態様が挙げられる。これにより、常温で原料組成物に流動性がもたらされるため、原料組成物の成形を容易に行うことができる。しかし、本実施態様では、原料組成物に含まれる溶剤やバインダを低減することが好ましく、これらを全く含まないことが最も好ましい。これにより、電極層前駆体及び固体電解質層前駆体を焼成した際に溶剤やバインダ等の揮発が低減されるため、より空隙が少なく、充放電特性の高い全固体リチウムイオン電池を得ることができる。   As a specific aspect for preparing the raw material composition for the electrode layer, for example, an aspect for preparing a raw material composition in which a powdered solid electrolyte, an electrode active material, and a conductive additive are mixed with a solvent or a binder can be cited. Moreover, as a specific aspect which produces the raw material composition of a solid electrolyte, the aspect which produces the raw material composition by which the solvent and binder were mixed, for example with the powdery solid electrolyte is mentioned. Thereby, since fluidity | liquidity is brought to a raw material composition at normal temperature, shaping | molding of a raw material composition can be performed easily. However, in this embodiment, it is preferable to reduce the solvent and binder contained in the raw material composition, and it is most preferable that these are not contained at all. Thereby, when the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor are baked, the volatilization of the solvent, the binder, and the like is reduced, so that it is possible to obtain an all solid lithium ion battery with fewer voids and high charge / discharge characteristics. .

ここで、電極層や固体電解質層の原料組成物に含まれる固体電解質粉末や電極活物質粉末は、上述の結晶相を有するもの、又は上述の結晶相を形成しうるものであればよく、結晶、ガラスセラミックス又は原ガラスの形態であってもよい。特に、本発明で用いられる正極活物質は、各構成元素の酸化物、炭酸塩、リン酸塩等を化学量論比に従って均一に混合し、これを焼成して結晶相を生成することで作製することができる。   Here, the solid electrolyte powder and the electrode active material powder contained in the raw material composition of the electrode layer and the solid electrolyte layer may be those having the above crystal phase or those capable of forming the above crystal phase, It may be in the form of glass ceramics or raw glass. In particular, the positive electrode active material used in the present invention is prepared by uniformly mixing oxides, carbonates, phosphates, and the like of each constituent element according to the stoichiometric ratio, and firing this to produce a crystalline phase. can do.

このうち、固体電解質層の原料組成物に含まれる固体電解質粉末の平均粒子径は、0.1μm〜3μmが好ましく、0.1μm〜1μmがより好ましく、0.1μm〜0.6μmが最も好ましい。このように固体電解質粉末の平均粒子径を小さくすることで、固体電解質層が緻密に形成されて空隙が低減されるため、電極層や固体電解質層のイオン伝導率を高め、全固体リチウムイオン電池の充放電特性を高めることができる。また、固体電解質粉末の平均粒子径を0.1μm以上にすることで、固体電解質粉末の粉砕に要する時間を低減できる。   Among these, the average particle diameter of the solid electrolyte powder contained in the raw material composition of the solid electrolyte layer is preferably 0.1 μm to 3 μm, more preferably 0.1 μm to 1 μm, and most preferably 0.1 μm to 0.6 μm. By reducing the average particle diameter of the solid electrolyte powder in this way, the solid electrolyte layer is densely formed and the voids are reduced, so that the ionic conductivity of the electrode layer and the solid electrolyte layer is increased, and the all solid lithium ion battery The charge / discharge characteristics can be improved. Further, by setting the average particle diameter of the solid electrolyte powder to 0.1 μm or more, the time required for pulverizing the solid electrolyte powder can be reduced.

一方で、電極層の原料組成物に含まれる電極活物質粉末の平均粒子径は、0.1μm〜10μmが好ましく、0.1μm〜3μmがより好ましく、0.1μm〜1μmが最も好ましい。また、電極層の原料組成物に含まれる固体電解質粉末の平均粒子径は、0.1μm〜10μmが好ましく、0.1μm〜1μmがより好ましく、0.1μm〜0.6μmが最も好ましい。このように、電極層の原料組成物に含まれる電極活物質粉末及び固体電解質粉末の平均粒子径を小さくすることで、電極層内でリチウムイオンをやりとりする反応面積が増加するため、全固体リチウムイオン電池の充放電特性を高めることができる。また、これらの粉末の平均粒子径を0.1μm以上にすることで、固体電解質粉末の粉砕に要する時間を低減できる。   On the other hand, the average particle diameter of the electrode active material powder contained in the raw material composition of the electrode layer is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 3 μm, and most preferably 0.1 μm to 1 μm. The average particle size of the solid electrolyte powder contained in the electrode layer material composition is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 1 μm, and most preferably 0.1 μm to 0.6 μm. Thus, by reducing the average particle size of the electrode active material powder and the solid electrolyte powder contained in the raw material composition of the electrode layer, the reaction area for exchanging lithium ions in the electrode layer is increased. The charge / discharge characteristics of the ion battery can be enhanced. Further, by setting the average particle size of these powders to 0.1 μm or more, the time required for pulverizing the solid electrolyte powder can be reduced.

また、電極層の原料組成物に必要に応じて含まれる導電助材粉末の平均粒子径は、10nm〜3μmが好ましく、10nm〜1μmがより好ましく、10nm〜50nmが最も好ましい。これにより、導電助材によって電極活物質粉末との電子のやり取りが行われ易くなるため、全固体リチウムイオン電池の放電容量を高めることができる。また、導電助材粉末の平均粒子径を10nm以上にすることで、導電助材粉末の粉砕に要する時間を低減できる。   The average particle diameter of the conductive additive powder contained in the electrode layer raw material composition as necessary is preferably 10 nm to 3 μm, more preferably 10 nm to 1 μm, and most preferably 10 nm to 50 nm. Thereby, since it becomes easy to exchange electrons with the electrode active material powder by the conductive additive, the discharge capacity of the all-solid-state lithium ion battery can be increased. Further, by setting the average particle diameter of the conductive additive powder to 10 nm or more, the time required for pulverizing the conductive additive powder can be reduced.

本明細書における「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置によって測定される体積基準でのD50(累積50%径)であり、具体的には日機装株式会社製の粒度分析計マイクロトラックMT3300EXII、又は、ベックマン・コールター社製サブミクロン粒子アナライザーN5によって測定した値を用いることができる。なお、前記平均粒子径は表わした値である。   The “average particle diameter” in the present specification is D50 (cumulative 50% diameter) on a volume basis measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device, and specifically, a particle size analyzer manufactured by Nikkiso Co., Ltd. A value measured by Microtrac MT3300EXII or a submicron particle analyzer N5 manufactured by Beckman Coulter can be used. The average particle diameter is a value represented.

このとき、電極層の原料組成物の作製に先立って、電極活物質粉末の表面に導電体からなる被覆層を形成してもよい。例えば、電極活物質粉末とスクロースやグルコース等の糖類の水溶液を混合しながら水分を乾燥し、黒鉛坩堝内の不活性雰囲気下で熱処理することで、炭素からなる被覆層を電極活物質粉末に形成できる。   At this time, a coating layer made of a conductor may be formed on the surface of the electrode active material powder prior to preparation of the raw material composition for the electrode layer. For example, by drying the moisture while mixing the electrode active material powder and an aqueous solution of saccharides such as sucrose and glucose, heat treatment under an inert atmosphere in the graphite crucible forms a coating layer made of carbon on the electrode active material powder it can.

(電極層前駆体及び固体電解質層前駆体の形成)
次いで、原料組成物を成形して、電極層前駆体及び固体電解質層前駆体を形成する。これにより、原料組成物が所定の形状の電極層前駆体及び固体電解質層前駆体に成形されるため、所定の形状を有する全固体電池を得易くできる。
(Formation of electrode layer precursor and solid electrolyte layer precursor)
Next, the raw material composition is molded to form an electrode layer precursor and a solid electrolyte layer precursor. Thereby, since a raw material composition is shape | molded by the electrode layer precursor of a predetermined shape, and a solid electrolyte layer precursor, it can be easy to obtain the all-solid-state battery which has a predetermined shape.

原料組成物を成形する具体的態様としては、成形型の内部に原料組成物を供給し、この原料組成物の表面を平らにする工程を有することが好ましい。また、原料組成物を加圧することで成形してもよい。これにより、粉末状の原料組成物が成形型の内部に一定の厚さで供給されて電極層前駆体や固体電解質層前駆体が形成されるため、電極層前駆体や固体電解質層前駆体を焼成した際に一定の厚さを有する正極層、負極層及び/又は固体電解質層を形成し易くできる。原料組成物の表面を平らにする工程としては、例えば成形型の開口と同じ形状及び大きさの断面を有する棒状の部材を用いることができる。   As a specific aspect of molding the raw material composition, it is preferable to have a step of supplying the raw material composition into the inside of a mold and flattening the surface of the raw material composition. Moreover, you may shape | mold by pressurizing a raw material composition. As a result, the powdery raw material composition is supplied to the inside of the mold at a constant thickness to form the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor. When fired, a positive electrode layer, a negative electrode layer and / or a solid electrolyte layer having a certain thickness can be easily formed. As the step of flattening the surface of the raw material composition, for example, a rod-shaped member having the same shape and size as the opening of the mold can be used.

また、電極層前駆体や固体電解質層前駆体は、上述のように原料組成物を加圧成形することで形成してもよいが、原料組成物からグリーンシートを形成することで電極層前駆体や固体電解質層前駆体を作製してもよい。これにより、薄板状や任意の形状への成形が容易になるため、任意の形状の全固体リチウムイオン電池を作製できる。   In addition, the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor may be formed by pressure forming the raw material composition as described above, but the electrode layer precursor is formed by forming a green sheet from the raw material composition. Alternatively, a solid electrolyte layer precursor may be produced. Thereby, since it becomes easy to form into a thin plate shape or an arbitrary shape, an all-solid-state lithium ion battery having an arbitrary shape can be manufactured.

ここで、グリーンシートは、上述の原料組成物の粉末に有機バインダや可塑剤、溶剤等を混合して混合スラリーを形成し、この混合スラリーを薄板状に成形した後で、溶剤を揮発して形成される未焼成体を意味する。グリーンシートの成形は、ドクターブレード、カレンダ法、スピンコート及びディップコーティング等の塗布法、印刷法、ダイコーター法、並びにスプレー法等により行うことができる。焼成前のグリーンシートは柔軟なため、任意の形状に切断することや、積層することも可能である。   Here, the green sheet is formed by mixing an organic binder, a plasticizer, a solvent and the like with the powder of the raw material composition described above to form a mixed slurry, and after forming the mixed slurry into a thin plate shape, the solvent is volatilized. It means the green body to be formed. The green sheet can be formed by a doctor blade, a calendar method, a coating method such as spin coating and dip coating, a printing method, a die coater method, and a spray method. Since the green sheet before firing is flexible, it can be cut into any shape or laminated.

有機バインダとしては、プレス成形やラバープレス、押し出し成形、射出成形用の成形助剤として市販されている汎用のバインダを用いることができる。具体的には、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチルメタアクリレート、及びビニル系の共重合物等を用いることができる。混合スラリーの全体量に対する有機バインダの含有量は、所望の形状のグリーンシートを得易くするため、好ましくは1質量%、より好ましくは3質量%、最も好ましくは5質量%を下限とする。また、混合スラリーの全体量に対する有機バインダの含有量は、脱脂後の空隙を低減し易くするため、好ましくは50質量%、より好ましくは40質量%、最も好ましくは30質量%を上限とする。   As the organic binder, a general-purpose binder that is commercially available as a molding aid for press molding, rubber press, extrusion molding, or injection molding can be used. Specifically, acrylic resin, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, methacrylic resin, urethane resin, butyl methacrylate, vinyl-based copolymer, and the like can be used. The content of the organic binder with respect to the total amount of the mixed slurry is preferably 1% by mass, more preferably 3% by mass, and most preferably 5% by mass in order to easily obtain a green sheet having a desired shape. Further, the content of the organic binder with respect to the total amount of the mixed slurry is preferably 50% by mass, more preferably 40% by mass, and most preferably 30% by mass, in order to easily reduce voids after degreasing.

溶剤は、原料組成物の粉末を均質に分散する為に用いてもよい。溶剤としては、PVA、IPA、ブタノール、トルエン、キシレン、アセトニトリル、NMP等の公知の材料を使用することができるが、環境への影響を低減できる点ではアルコール又は水が好ましい。また、より均質で緻密な固体電解質を得るために、分散剤を適量添加することも可能であり、混合スラリーの混合時及び乾燥時の泡抜きを良好にするため、界面活性剤等を適量添加してもよい。   The solvent may be used for uniformly dispersing the powder of the raw material composition. As the solvent, known materials such as PVA, IPA, butanol, toluene, xylene, acetonitrile, NMP and the like can be used, but alcohol or water is preferable in that the influence on the environment can be reduced. In addition, in order to obtain a more homogeneous and dense solid electrolyte, it is also possible to add an appropriate amount of a dispersant, and in order to improve foam removal during mixing and drying of the mixed slurry, an appropriate amount of a surfactant or the like is added. May be.

また、グリーンシートには、Liを含む無機化合物を同時に含有することも好ましい。これにより、Liを含む無機化合物が焼結助剤(バインダ)として働くため、焼成時に粒子同士をより強固に結合させることができる。Liを含む無機化合物としては、LiPO、LiPO、LiI、LiN、LiO、Li及びLiF等が挙げられる。 Moreover, it is also preferable to contain simultaneously the inorganic compound containing Li in a green sheet. Thereby, since the inorganic compound containing Li works as a sintering aid (binder), the particles can be bonded more firmly at the time of firing. Examples of the inorganic compound containing Li include Li 3 PO 4 , LiPO 3 , LiI, LiN, Li 2 O, Li 2 O 2, and LiF.

1回の成形によって形成されるグリーンシートの厚みは、300μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が最も好ましい。これにより、グリーンシートを乾燥させる際にシート中に残留する溶媒が少なくなるため、グリーンシートの表面へのクラックの発生を低減できる。一方で、1回の成形によって形成されるグリーンシートの厚みは、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上が最も好ましい。これにより、グリーンシートが破損し難くなるため、安定したハンドリング性をもたせることができる。また、焼成後の固体電解質層や電極層を所望の厚みとするために、同種のグリーンシートを積層してもよい。また焼成後の固体電解質層の緻密性をより向上させるために、グリーンシートをロールプレスや一軸、等方加圧等によって加圧してもよい。   The thickness of the green sheet formed by one molding is preferably 300 μm or less, more preferably 150 μm or less, and most preferably 100 μm or less. As a result, when the green sheet is dried, the amount of the solvent remaining in the sheet is reduced, so that the occurrence of cracks on the surface of the green sheet can be reduced. On the other hand, the thickness of the green sheet formed by one molding is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and most preferably 10 μm or more. Thereby, since it becomes difficult to damage a green sheet, the stable handling property can be given. Moreover, in order to make the solid electrolyte layer and electrode layer after firing have a desired thickness, the same type of green sheets may be laminated. In order to further improve the denseness of the solid electrolyte layer after firing, the green sheet may be pressed by a roll press, uniaxial, isotropic pressurization or the like.

グリーンシートを積層して固体電解質層前駆体や電極層前駆体を作製する場合、積層後のグリーンシートの厚みの上限値は、焼成時間を短縮する観点から2mm以下が好ましく、1mm以下がより好ましく、800μm以下が最も好ましい。また、グリーンシートの厚みの下限値は、焼成によるうねりを低減するため、30μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましく、200μm以上が最も好ましい。また、グリーンシートの積層体が焼成される際に撓んだり破損したりすることを防ぐ為に、これらのグリーンシートを支持体上に積層して焼成することも好ましい。   When a green sheet is laminated to produce a solid electrolyte layer precursor or an electrode layer precursor, the upper limit of the thickness of the green sheet after lamination is preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less from the viewpoint of shortening the firing time. 800 μm or less is most preferable. Further, the lower limit value of the thickness of the green sheet is preferably 30 μm or more, more preferably 100 μm or more, and most preferably 200 μm or more in order to reduce waviness due to firing. In order to prevent the green sheet laminate from being bent or damaged when fired, it is also preferable to laminate these green sheets on a support and fire.

(電極層前駆体及び固体電解質層前駆体の焼成)
次いで、電極層前駆体及び固体電解質層前駆体を焼成する。これにより、固体電解質層前駆体や電極層前駆体を構成する固体電解質、電極活物質及び導電助剤が強固に結びつくため、リチウムイオン伝導性が高く、且つ機械的強度の高い電極層及び/又は固体電解質層を作製できる。
(Baking of electrode layer precursor and solid electrolyte layer precursor)
Next, the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor are fired. As a result, the solid electrolyte, the electrode active material, and the conductive additive constituting the solid electrolyte layer precursor and the electrode layer precursor are firmly bound, and therefore, the electrode layer having high lithium ion conductivity and high mechanical strength and / or A solid electrolyte layer can be produced.

ここで、電極層前駆体を焼成する際の最高温度は、固体電解質、電極活物質及び導電助剤の結合が強固になり、且つこれらが溶融したり相変化したりしない範囲で設定することが好ましい。すなわち、この最高温度は、750℃以上1100℃以下が好ましく、850℃以上1050℃以下がより好ましく、900℃以上1000℃以下が最も好ましい。一方で、固体電解質層前駆体を焼成する際の最高温度も、同様にして750℃以上1100℃以下が好ましく、850℃以上1050℃以下がより好ましく、900℃以上1000℃以下が最も好ましい。   Here, the maximum temperature when firing the electrode layer precursor can be set within a range in which the solid electrolyte, the electrode active material, and the conductive additive are firmly bonded and do not melt or change phase. preferable. That is, the maximum temperature is preferably 750 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, more preferably 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and most preferably 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. On the other hand, the maximum temperature when firing the solid electrolyte layer precursor is preferably 750 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, more preferably 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and most preferably 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

このとき、正極活物質としてLiAlを用いることで、正極層を作製する際に焼成を行っても、正極活物質の熱分解が起こり難くなり、且つ、正極活物質と固体電解質の界面においてイオン伝導を大きく阻害する化合物が生成され難くなる。そのため、より充放電容量の大きな全固体リチウムイオン電池を提供することができる。また、これにより固体電解質と正極活物質とが直接結合し易くなり、固体電解質と正極活物質との間でのリチウムイオンの受け渡しが行われ易くなるため、より充放電特性の高い全固体リチウムイオン電池を提供することができる。 In this case, the use of the Li x Al y M z P q E r O 4 as the positive electrode active material, even when the firing in making the positive electrode layer, hardly occur thermal decomposition of the positive electrode active material, and, It becomes difficult to produce a compound that greatly inhibits ion conduction at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte. Therefore, it is possible to provide an all solid lithium ion battery having a larger charge / discharge capacity. This also facilitates the direct bonding between the solid electrolyte and the positive electrode active material, and facilitates the transfer of lithium ions between the solid electrolyte and the positive electrode active material. A battery can be provided.

電極層前駆体や固体電解質層前駆体を焼成する際、N、H、He、Ar、CO、CO及びCHから選ばれる少なくとも1種のガスを含む雰囲気で焼成することが好ましい。これにより、固体電解質、電極活物質及び導電助剤や熱処理装置の変質や焼失を抑制することができる。 When the electrode layer precursor or the solid electrolyte layer precursor is fired, it is preferably fired in an atmosphere containing at least one gas selected from N 2 , H 2 , He, Ar, CO 2 , CO, and CH 4 . Thereby, deterioration and burning of a solid electrolyte, an electrode active material, a conductive additive, and a heat treatment apparatus can be suppressed.

焼成後の電極層の厚さは、5μm〜1mmが好ましく、10μm〜500μmがより好ましく、20〜100μmが最も好ましい。ここで、電極層が厚すぎると電極層中のイオン移動抵抗が大きくなり、電極層が薄すぎると放電容量が小さくなる。また、一方の電極層(例えば負極層)に支持体としての機能を付与させる場合、電極層の厚さは2mmを上限としてもよい。
一方で、焼結後の固体電解質層の厚さは、負極と正極を隔離することができれば十分であり、薄いほうが好ましい。しかしながら、機械的強度との兼ね合いから、1μm〜100μmが好ましく、1μm〜50μmがより好ましく、1μm〜20μmが最も好ましい。
The thickness of the electrode layer after firing is preferably 5 μm to 1 mm, more preferably 10 μm to 500 μm, and most preferably 20 to 100 μm. Here, if the electrode layer is too thick, the ion migration resistance in the electrode layer increases, and if the electrode layer is too thin, the discharge capacity decreases. In addition, in the case where one electrode layer (for example, the negative electrode layer) is provided with a function as a support, the thickness of the electrode layer may have an upper limit of 2 mm.
On the other hand, the thickness of the solid electrolyte layer after sintering is sufficient if the negative electrode and the positive electrode can be separated, and a thinner one is preferable. However, in consideration of mechanical strength, 1 μm to 100 μm is preferable, 1 μm to 50 μm is more preferable, and 1 μm to 20 μm is most preferable.

なお、本実施形態の全固体リチウムイオン電池を作製するにあたり、形成された電極層上に集電体を積層してもよい。集電体を積層する手段としては、薄膜状の金属層を焼成後の電極層に積層してもよく、電極層前駆体に集電体やその前駆体を積層した後で焼成を行って接合してもよい。また、電極層の電子伝導性が高ければ、集電体はなくてもよい。   In preparing the all solid lithium ion battery of this embodiment, a current collector may be stacked on the formed electrode layer. As a means for laminating the current collector, a thin metal layer may be laminated on the electrode layer after firing, and the current collector and its precursor are laminated on the electrode layer precursor, followed by firing and bonding. May be. Further, if the electrode layer has high electron conductivity, the current collector may be omitted.

以下、本発明の全固体リチウムイオン電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。   Hereinafter, the all-solid-state lithium ion battery of the present invention will be described with specific examples.

[固体電解質の原ガラスの作製]
原料としてHPO、Al(PO、LiCO、SiO及びTiOを用い、これらを酸化物換算のmol%でPが35.0%、Alが7.5%、LiOが15.0%、TiOが38.0%、SiOが4.5%になるように秤量して均一に混合した後に白金ポットに入れ、電気炉中で1500℃に加熱してガラス融液を撹拌しながら4時間熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状ガラスを得た。
[Preparation of solid electrolyte raw glass]
As raw materials, H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 and TiO 2 were used, and these were mol% in terms of oxide, P 2 O 5 was 35.0%, Al 2 O 3 Is 7.5%, Li 2 O is 15.0%, TiO 2 is 38.0%, and SiO 2 is 4.5%. The glass melt was melted for 4 hours with stirring at 1500 ° C. Thereafter, the glass melt was dropped into running water to obtain flaky glass.

このフレーク状ガラスをラボスケールのジェットミルで粉砕して、ジルコニア製の回転ローラーにより分級を行い、平均粒子径20μmの粉末を作製した。この粉末を遊星ボールミル、アトライター及びビーズミル等で更に粉砕し、平均粒子径0.6μmのリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(固体電解質)の原ガラス粉末(以後原ガラス粉末とする)を得た。   This flaky glass was pulverized with a lab-scale jet mill and classified by a zirconia rotating roller to prepare a powder having an average particle diameter of 20 μm. This powder was further pulverized by a planetary ball mill, an attritor, a bead mill or the like to obtain an original glass powder (hereinafter referred to as an original glass powder) of lithium ion conductive glass ceramics (solid electrolyte) having an average particle diameter of 0.6 μm.

[正極活物質の作製]
原料として、LiCO、CoO、NiO、LiPO、SiO、HBOを用い、Li、Co、Ni,P、Si,Bが表1に記載された各正極活物質の化学量論比になるように秤量し、均一に混合した後にアルミナるつぼに入れ、電気炉中1000℃で1時間焼成し、正極活物質を得た。また、これと同様の手順で、Li1+xCo0.5Ni0.51−xSi及びLi1+2xCo0.5Ni0.51−x(x=0〜0.6)からなる正極活物質を得た。このうち、正極活物質Li1.2Co0.5Ni0.50.8Si0.2のX線回折(XRD)パターンを図1に示す。
[Preparation of positive electrode active material]
Li 2 CO 3 , CoO, NiO, LiPO 3 , SiO 2 , H 3 BO 3 were used as raw materials, and Li, Co, Ni, P, Si, B stoichiometric amounts of each positive electrode active material listed in Table 1 They were weighed so as to achieve a theoretical ratio, mixed uniformly, then placed in an alumina crucible, and fired at 1000 ° C. for 1 hour in an electric furnace to obtain a positive electrode active material. In the same procedure, Li 1 + x Co 0.5 Ni 0.5 P 1-x Si x O 4 and Li 1 + 2x Co 0.5 Ni 0.5 P 1-x B x O 4 (x = 0 To 0.6) was obtained. Among these, the X-ray diffraction (XRD) pattern of the positive electrode active material Li 1.2 Co 0.5 Ni 0.5 P 0.8 Si 0.2 O 4 is shown in FIG.

[正極活物質の前処理]
得られた正極活物質に対して粉砕処理を行った。正極活物質10gに、変性エタノール40gと直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)200gを250ccジルコニアポットに入れ、遊星ボールミルを用いて250rpmで100分間にわたり粉砕処理を行った。その後、ジルコニアボールを直径0.5mmのもの300gに変更して、300rpmで100分間にわたり粉砕処理を行った。粉砕後の正極活物質の粒子径は、体積基準でのD50(累積50%径)で概ね0.5μmであった。この正極活物質を80℃で10時間にわたり乾燥し、乾燥した正極活物質を120ccプラカップに移し、直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)を150g入れ、120rpmで15時間にわたり解砕処理を行った。粉砕後の正極活物質の平均粒子径は、体積基準でのD50(累積50%径)で概ね2.0μmであった。
[Pretreatment of positive electrode active material]
The obtained positive electrode active material was pulverized. To 10 g of the positive electrode active material, 40 g of denatured ethanol and 200 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ balls, manufactured by Tosoh Corporation) were placed in a 250 cc zirconia pot, and pulverized at 250 rpm for 100 minutes using a planetary ball mill. Thereafter, the zirconia balls were changed to 300 g having a diameter of 0.5 mm, and pulverization was performed at 300 rpm for 100 minutes. The particle diameter of the positive electrode active material after pulverization was approximately 0.5 μm in terms of D50 (cumulative 50% diameter) on a volume basis. This positive electrode active material was dried at 80 ° C. for 10 hours, the dried positive electrode active material was transferred to a 120 cc plastic cup, 150 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ ball, manufactured by Tosoh Corporation) were added, and crushed at 120 rpm for 15 hours. Processed. The average particle diameter of the positive electrode active material after pulverization was approximately 2.0 μm in terms of D50 (cumulative 50% diameter) on a volume basis.

[多孔質正極層前駆体グリーンシートの作製]
表1に示す分量で、正極活物質と、原ガラス粉末、造孔剤(ポリマービーズ Φ6μm)、アクリルバインダ、分散剤、消泡剤及び脱イオン水を調合し、これらを120ccのプラカップ内に入れ、直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)150gを用いて12時間にわたり遊星ボールミルを用いて混合を行い、正極スラリーを調製した。この正極スラリーをドクターブレード法でPETフィルム上に100μmギャップでシート状に成形した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは30μmであり、これを多孔質正極層前駆体グリーンシートとした。
[Preparation of porous positive electrode layer precursor green sheet]
Prepare the positive electrode active material, raw glass powder, pore former (polymer beads Φ6μm), acrylic binder, dispersant, antifoaming agent and deionized water in the amounts shown in Table 1 and place them in a 120cc plastic cup. A positive electrode slurry was prepared by using a planetary ball mill for 12 hours using 150 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ ball, manufactured by Tosoh Corporation). This positive electrode slurry was formed into a sheet shape with a 100 μm gap on a PET film by a doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 30 μm, and was used as a porous positive electrode layer precursor green sheet.

Figure 0005731278
Figure 0005731278

[固体電解質層前駆体グリーンシートの作製]
原ガラス粉末140.0g(平均粒子径0.6μm)、アクリルバインダ140.0g、分散剤7.0g、消泡剤3.0g、可塑剤2.0g及び脱イオン水90.0gを調合し、YTZボール(株式会社ニッカトー製、直径10mm)を入れて12時間にわたり遊星ボールミルで混合し、固体電解質スラリーを調製した。この固体電解質スラリーをドクターブレード法でPETフィルム上に100μmギャップでシート状に成形した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは25μmであり、このシートを固体電解質層前駆体グリーンシートとした。
[Preparation of solid electrolyte layer precursor green sheet]
140.0 g of raw glass powder (average particle size 0.6 μm), acrylic binder 140.0 g, dispersant 7.0 g, antifoaming agent 3.0 g, plasticizer 2.0 g and deionized water 90.0 g were prepared, A YTZ ball (made by Nikkato Co., Ltd., diameter: 10 mm) was put and mixed for 12 hours with a planetary ball mill to prepare a solid electrolyte slurry. This solid electrolyte slurry was formed into a sheet shape with a 100 μm gap on a PET film by a doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 25 μm, and this sheet was used as a solid electrolyte layer precursor green sheet.

[グリーンシート焼結体を得る工程(積層及び焼成)]
多孔質正極層前駆体グリーンシート及び固体電解質層前駆体グリーンシートを焼成して正極多孔質体を得た。ここでは、多孔質正極層前駆体グリーンシートと固体電解質層前駆体グリーンシートを積層し、これらを同時に焼成した。具体的には、多孔質正極層前駆体グリーンシートを2枚と、固体電解質層前駆体グリーンシートを12枚と、を順番に積層し、温水ラミネーター装置(WIP装置、日機装株式会社製)にて80℃、2tの荷重で1分間加圧処理した後、直径30mmの大きさにくり貫き、石英板(直径40mm、厚さ1mm)で挟んで、空気を流通させながら950℃で10分間にわたり焼成した。これにより、正極層となる正極活物質を含んだ多孔質体と、固体電解質層とが焼結により接合された積層体を作製した。
[Step of obtaining green sheet sintered body (lamination and firing)]
The porous positive electrode layer precursor green sheet and the solid electrolyte layer precursor green sheet were fired to obtain a positive electrode porous body. Here, a porous positive electrode layer precursor green sheet and a solid electrolyte layer precursor green sheet were laminated and fired simultaneously. Specifically, two porous positive electrode layer precursor green sheets and 12 solid electrolyte layer precursor green sheets are laminated in order, and a hot water laminator device (WIP device, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) is used. After pressurizing for 1 minute under a load of 80 ° C and 2t, cut into a size of 30mm in diameter, sandwiched by a quartz plate (diameter 40mm, thickness 1mm), and fired at 950 ° C for 10 minutes while circulating air did. Thereby, the laminated body by which the porous body containing the positive electrode active material used as a positive electrode layer and the solid electrolyte layer were joined by sintering was produced.

[導電助材粉末の充填]
積層体の正極層に形成された多孔質体に導電助材粉末を充填した。導電助材を含むスラリーとして、導電ペースト(ライオン株式会社製、ライオンペーストW−370C)を用いた。これは導電助材として平均粒子径が0.04μmのケッチェンブラックを含み、溶媒は水であり、スラリーの濃度は16wt%である。このスラリーを、スピンコーターを用いて前記積層体の正極層多孔質体に充填した。スラリーを充填した後、積層体の外周を#1000番の耐水研磨紙で研磨し、正極側と負極側の絶縁を保持した。その後、電気炉で180℃に加熱して積層体を焼成した。
[Filling conductive additive powder]
A conductive material powder was filled in the porous body formed in the positive electrode layer of the laminate. As a slurry containing a conductive additive, a conductive paste (manufactured by Lion Corporation, Lion Paste W-370C) was used. This includes ketjen black having an average particle size of 0.04 μm as a conductive additive, the solvent is water, and the concentration of the slurry is 16 wt%. This slurry was filled in the positive electrode layer porous body of the laminate using a spin coater. After the slurry was filled, the outer periphery of the laminate was polished with # 1000 water-resistant abrasive paper to maintain insulation between the positive electrode side and the negative electrode side. Thereafter, the laminate was fired by heating to 180 ° C. in an electric furnace.

[ポリマー電解質の作製]
ゼオスパン7.7g(日本ゼオン株式会社製)とLiTFSI2.3g(森田化学工業株式会社製)、変性エタノール70.0gを調合した後、自転・公転ミキサーを用いて1400rpmで大気圧で10分間撹拌した後、150torrに減圧して3分間撹拌して脱泡した。得られたゲル状ポリマーをドクターブレード法でPETフィルム上に700μmギャップでシート状に成型した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは50μmであり、このシートをポリマー電解質とした。
[Production of polymer electrolyte]
After preparing 7.7 g of Zeospan (manufactured by ZEON CORPORATION), 2.3 g of LiTFSI (manufactured by Morita Chemical Co., Ltd.) and 70.0 g of denatured ethanol, the mixture was stirred at 1400 rpm at atmospheric pressure for 10 minutes using a rotating / revolving mixer. Thereafter, the pressure was reduced to 150 torr and the mixture was stirred for 3 minutes to degas. The obtained gel polymer was molded into a sheet with a 700 μm gap on a PET film by the doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 50 μm, and this sheet was used as a polymer electrolyte.

[電池化]
作製した積層体の固体電解質層にポリマー電解質を貼り付け、ポリマー電解質の上に直径20mmにカットしたリチウム金属を貼り付け、正極半電池のセルを作製した。このセルのリチウム金属の側に、直径25mmの円形に幅5mmのリードをつけた厚さ25μmの銅箔を集電体として配置し、負極を形成した。一方で、セルの正極層には、直径25mmの円形に幅5mmのリードをつけた厚さ25μmのアルミ箔を集電体として配置し、正極を形成した。これらをアルミのラミネートフィルムで真空パックすることで、セルと銅箔及びアルミ箔の接触を確保した。
[Battery]
A polymer electrolyte was affixed to the solid electrolyte layer of the produced laminate, and lithium metal cut to a diameter of 20 mm was affixed on the polymer electrolyte to produce a positive electrode half-cell cell. On the lithium metal side of the cell, a copper foil with a thickness of 25 μm, in which a lead with a width of 5 mm was attached in a circle with a diameter of 25 mm, was arranged as a current collector to form a negative electrode. On the other hand, in the positive electrode layer of the cell, an aluminum foil having a thickness of 25 μm obtained by attaching a lead having a width of 5 mm to a circle having a diameter of 25 mm was disposed as a current collector to form a positive electrode. These were vacuum-packed with an aluminum laminate film to ensure contact between the cell, copper foil and aluminum foil.

[充放電試験]
作製した正極半電池について、充放電サイクル試験を行い、充放電サイクル数に対する単位重量(正極基準)の放電容量の推移を測定した。
充電は、充電電圧が表2に示した電圧になるまで充電レート0.05Cで充電し、その後充電電圧を維持しながら、充電容量が理論容量に達したところで充電を終了した。充電後、放電レート0.05Cで放電し、放電電圧が3.0Vとなった時点で放電を終了した。ここで、充電及び放電を1サイクルとして50サイクル繰り返し、各サイクル後の放電容量を測定した。なお、充放電時の環境温度及び測定温度は60℃とした。
[Charge / discharge test]
About the produced positive electrode half cell, the charge / discharge cycle test was done and transition of the discharge capacity of the unit weight (positive electrode reference | standard) with respect to the number of charge / discharge cycles was measured.
Charging was performed at a charge rate of 0.05 C until the charging voltage reached the voltage shown in Table 2, and then the charging was terminated when the charging capacity reached the theoretical capacity while maintaining the charging voltage. After charging, the battery was discharged at a discharge rate of 0.05 C, and the discharge was terminated when the discharge voltage reached 3.0V. Here, 50 cycles were repeated with charging and discharging as one cycle, and the discharge capacity after each cycle was measured. In addition, the environmental temperature and measurement temperature at the time of charging / discharging were 60 degreeC.

[結果]
本実施例で作製した正極半電池の充放電試験結果は、表2のようになった。また、本実施例で作製した正極半電池における、充放電サイクル数と放電容量との関係を図2に、正極活物質のSi及びBの含有量と放電容量との関係を図3に示す。
[result]
Table 2 shows the results of the charge / discharge test of the positive electrode half-cell produced in this example. FIG. 2 shows the relationship between the number of charge / discharge cycles and the discharge capacity in the positive electrode half-cell produced in this example, and FIG. 3 shows the relationship between the contents of Si and B in the positive electrode active material and the discharge capacity.

Figure 0005731278
Figure 0005731278

表1及び図2に示すように、本発明の実施例(1−A〜1−E)における、充放電試験を1サイクルだけ行った後の放電容量に対する、充放電試験を50サイクル行った後の放電容量の比率を表すサイクル維持率は、36%以上であった。一方で、本発明の比較例(1−a・1−b)におけるサイクル維持率は26%以下であった。従って、本発明の実施例で作製した正極半電池は、比較例の正極半電池よりもサイクル特性が向上していることが明らかになった。このため、本発明の全固体リチウムイオン電池は、より高いサイクル特性を有していることが推察される。   As shown in Table 1 and FIG. 2, after performing 50 cycles of the charge / discharge test for the discharge capacity after performing the charge / discharge test for only one cycle in the examples (1-A to 1-E) of the present invention. The cycle retention ratio representing the ratio of the discharge capacity was 36% or more. On the other hand, the cycle maintenance factor in the comparative example (1-a · 1-b) of the present invention was 26% or less. Therefore, it became clear that the positive electrode half cell produced in the example of the present invention has improved cycle characteristics as compared with the positive electrode half cell of the comparative example. For this reason, it is guessed that the all-solid-state lithium ion battery of this invention has higher cycling characteristics.

また、図3に示すように、正極活物質のポリアニオン部位のPのうち5%以上SiやBに置換したものは、置換しないものに比べてサイクル維持率が高められることが明らかになった。その一方で、正極活物質のポリアニオン部位のPのうち50%以上をSiやBに置換したものは、置換しないものよりもサイクル維持率が劣ることが明らかになった。このため、本発明の全固体リチウムイオン電池は、正極活物質のポリアニオン部位のPのうち5%以上50%以下の範囲でSiやBに置換したものが、より高いサイクル特性を有していることが推察される。   Further, as shown in FIG. 3, it was found that the cycle retention rate was increased when 5% or more of P in the polyanion portion of the positive electrode active material was substituted with Si or B compared with the case where P was not substituted. On the other hand, it has been clarified that those in which 50% or more of P in the polyanion portion of the positive electrode active material is substituted with Si or B have a lower cycle maintenance ratio than those without substitution. For this reason, the all-solid-state lithium ion battery of the present invention has higher cycle characteristics when it is replaced with Si or B in the range of 5% to 50% of P in the polyanion portion of the positive electrode active material. It is inferred.

また、図3に示すように、正極活物質のポリアニオン部位のPをSiに置換したものは、ポリアニオン部位のPをBに置換したものに比べてサイクル維持率が高いことも明らかになった。このため、本発明の全固体リチウムイオン電池は、正極活物質のポリアニオン部位のPをSiに置換したものが、より高いサイクル特性を有していることが推察される。   Further, as shown in FIG. 3, it was also clarified that those in which P in the polyanion portion of the positive electrode active material was replaced with Si had a higher cycle retention rate than those in which P in the polyanion portion was replaced with B. For this reason, it is guessed that the all-solid-state lithium ion battery of the present invention has higher cycle characteristics when the P in the polyanion portion of the positive electrode active material is replaced with Si.

[固体電解質の原ガラスの作製]
実施例1と同様の手順で、平均粒子径0.6μmのリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(固体電解質)の原ガラス粉末(以後原ガラス粉末とする)を得た。
[Preparation of solid electrolyte raw glass]
A raw glass powder (hereinafter referred to as raw glass powder) of lithium ion conductive glass ceramics (solid electrolyte) having an average particle diameter of 0.6 μm was obtained in the same procedure as in Example 1.

[正極活物質の作製]
原料として、LiCO、CoO、NiO、LiPO、SiO、HBOを用い、Li、Co、Ni,P、Si,Bが表3に記載された各正極活物質の化学量論比になるように秤量し、均一に混合した後にアルミナるつぼに入れ、電気炉中1000℃で1時間焼成し、正極活物質を得た。
[Preparation of positive electrode active material]
Li 2 CO 3 , CoO, NiO, LiPO 3 , SiO 2 , H 3 BO 3 were used as raw materials, and Li, Co, Ni, P, Si, B stoichiometry of each positive electrode active material listed in Table 3 They were weighed so as to achieve a theoretical ratio, mixed uniformly, then placed in an alumina crucible, and fired at 1000 ° C. for 1 hour in an electric furnace to obtain a positive electrode active material.

[正極活物質の前処理]
得られた正極活物質に対して粉砕処理を行った。正極活物質10gに、変性エタノール40gと直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)200gを250ccジルコニアポットに入れ、遊星ボールミルを用いて250rpmで100分間にわたり粉砕処理を行った。その後、ジルコニアボールを直径0.5mmのもの300gに変更して、300rpmで100分間にわたり粉砕処理を行った。粉砕後の正極活物質の粒子径は、体積基準でのD50(累積50%径)で概ね0.5μmであった。この正極活物質を80℃で10時間にわたり乾燥し、乾燥した正極活物質を120ccプラカップに移し、直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)を150g入れ、120rpmで15時間にわたり解砕処理を行った。粉砕後の正極活物質の平均粒子径は、体積基準でのD50(累積50%径)で概ね2.0μmであった。
[Pretreatment of positive electrode active material]
The obtained positive electrode active material was pulverized. To 10 g of the positive electrode active material, 40 g of denatured ethanol and 200 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ balls, manufactured by Tosoh Corporation) were placed in a 250 cc zirconia pot, and pulverized at 250 rpm for 100 minutes using a planetary ball mill. Thereafter, the zirconia balls were changed to 300 g having a diameter of 0.5 mm, and pulverization was performed at 300 rpm for 100 minutes. The particle diameter of the positive electrode active material after pulverization was approximately 0.5 μm in terms of D50 (cumulative 50% diameter) on a volume basis. This positive electrode active material was dried at 80 ° C. for 10 hours, the dried positive electrode active material was transferred to a 120 cc plastic cup, 150 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ ball, manufactured by Tosoh Corporation) were added, and crushed at 120 rpm for 15 hours. Processed. The average particle diameter of the positive electrode active material after pulverization was approximately 2.0 μm in terms of D50 (cumulative 50% diameter) on a volume basis.

[負極活物質の前処理]
負極活物質LiTi12に対して表面処理を行った。平均粒子径(体積基準D50)20μmの負極活物質10gに20重量%スクロース溶液2.5gを加え、乳鉢で混合して乾燥した後に炭素坩堝に入れた。炭素坩堝の上方にグラファイト粉末の入った皿を配置し、600℃の窒素雰囲気で3時間にわたり焼成した。
[Pretreatment of negative electrode active material]
The negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12 was subjected to a surface treatment. 2.5 g of a 20 wt% sucrose solution was added to 10 g of a negative electrode active material having an average particle size (volume basis D50) of 20 μm, mixed in a mortar and dried, and then placed in a carbon crucible. A dish containing graphite powder was placed above the carbon crucible and fired in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 3 hours.

[多孔質正極層前駆体グリーンシートの作製]
表3に示す分量で、正極活物質と、原ガラス粉末、造孔剤(ポリマービーズ Φ6μm)、アクリルバインダ、分散剤、消泡剤及び脱イオン水を調合し、これらを120ccのプラカップ内に入れ、直径10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー株式会社製)150gを用いて12時間にわたり遊星ボールミルを用いて混合を行い、正極スラリーを調製した。この正極スラリーをドクターブレード法でPETフィルム上に100μmギャップでシート状に成形した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは30μmであり、これを多孔質正極層前駆体グリーンシートとした。
[Preparation of porous positive electrode layer precursor green sheet]
Prepare the positive electrode active material, raw glass powder, pore former (polymer beads Φ6μm), acrylic binder, dispersant, antifoaming agent and deionized water in the amounts shown in Table 3, and place them in a 120cc plastic cup. A positive electrode slurry was prepared by using a planetary ball mill for 12 hours using 150 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (YTZ ball, manufactured by Tosoh Corporation). This positive electrode slurry was formed into a sheet shape with a 100 μm gap on a PET film by a doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 30 μm, and was used as a porous positive electrode layer precursor green sheet.

Figure 0005731278
Figure 0005731278

[固体電解質層前駆体グリーンシートの作製]
原ガラス粉末140.0g(平均粒子径0.6μm)、アクリルバインダ140.0g、分散剤7.0g、消泡剤3.0g、可塑剤2.0g及び脱イオン水90.0gを調合し、YTZボール(株式会社ニッカトー製、直径10mm)を入れて12時間にわたり遊星ボールミルで混合し、固体電解質スラリーを調製した。この固体電解質スラリーをドクターブレード法でPETフィルム上に100μmギャップでシート状に成形した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは25μmであり、このシートを固体電解質層前駆体グリーンシートとした。
[Preparation of solid electrolyte layer precursor green sheet]
140.0 g of raw glass powder (average particle size 0.6 μm), acrylic binder 140.0 g, dispersant 7.0 g, antifoaming agent 3.0 g, plasticizer 2.0 g and deionized water 90.0 g were prepared, A YTZ ball (made by Nikkato Co., Ltd., diameter: 10 mm) was put and mixed for 12 hours with a planetary ball mill to prepare a solid electrolyte slurry. This solid electrolyte slurry was formed into a sheet shape with a 100 μm gap on a PET film by a doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 25 μm, and this sheet was used as a solid electrolyte layer precursor green sheet.

[多孔質負極層前駆体グリーンシートの作製]
表4に示す分量で、原ガラス粉末(平均粒子径0.6μm)と、造孔剤である球状カーボン(平均粒子径20μm)、バインダ、分散剤、消泡剤及び脱イオン水を調合し、YTZボール(株式会社ニッカトー製、直径10mm)を入れて12時間にわたり遊星ボールミルで混合し、負極スラリーを調製した。この負極スラリーをドクターブレード法でPETフィルム上に100μmギャップでシート状に成型した。成形を行った後乾燥し、PETフィルムから離型した。成形されたシートの厚みは30μmであり、このシートを多孔質負極層前駆体グリーンシートとした。
[Preparation of porous negative electrode layer precursor green sheet]
In the amount shown in Table 4, raw glass powder (average particle size 0.6 μm), spherical carbon (average particle size 20 μm) as a pore-forming agent, binder, dispersant, antifoaming agent and deionized water are prepared, A YTZ ball (made by Nikkato Co., Ltd., diameter: 10 mm) was put and mixed for 12 hours with a planetary ball mill to prepare a negative electrode slurry. This negative electrode slurry was molded into a sheet with a 100 μm gap on a PET film by the doctor blade method. After forming, it was dried and released from the PET film. The formed sheet had a thickness of 30 μm, and this sheet was used as a porous negative electrode layer precursor green sheet.

Figure 0005731278
Figure 0005731278

[グリーンシート焼結体を得る工程(積層及び焼成)]
多孔質正極層前駆体グリーンシート及び多孔質負極層前駆体グリーンシートを焼成して多孔質体を得た。ここでは、多孔質正極層前駆体グリーンシート、固体電解質層前駆体グリーンシート及び多孔質負極層前駆体グリーンシートを積層し、これらを同時に焼成した。具体的には、多孔質正極層前駆体グリーンシートを2枚と、固体電解質層前駆体グリーンシートを12枚と、多孔質負極層前駆体グリーンシートを2枚と、を順番に積層し、温水ラミネーター装置(WIP装置、日機装株式会社製)にて2tの荷重で1分間加圧処理した後、直径30mmの大きさにくり貫き、石英板(直径40mm、厚さ1mm)で挟んで、空気を流通させながら950℃で10分間焼成した。これにより、正極層となる正極活物質を含んだ多孔質体と、固体電解質層と、負極層となる多孔質体とが焼結により接合された積層体を作製した。
[Step of obtaining green sheet sintered body (lamination and firing)]
The porous positive electrode layer precursor green sheet and the porous negative electrode layer precursor green sheet were fired to obtain a porous body. Here, a porous positive electrode layer precursor green sheet, a solid electrolyte layer precursor green sheet and a porous negative electrode layer precursor green sheet were laminated and fired simultaneously. Specifically, two porous positive electrode layer precursor green sheets, 12 solid electrolyte layer precursor green sheets, and two porous negative electrode layer precursor green sheets are laminated in order, After pressurizing with a laminator device (WIP device, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) with a load of 2 t for 1 minute, it is punched into a diameter of 30 mm, sandwiched between quartz plates (diameter 40 mm, thickness 1 mm), and air Firing was carried out at 950 ° C. for 10 minutes while flowing. Thereby, the laminated body by which the porous body containing the positive electrode active material used as a positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the porous body used as a negative electrode layer were joined by sintering was produced.

[負極活物質の充填]
表5に示す分量の表面処理をした負極活物質と、2.0gのアクリルバインダと、0.2gの分散剤と、6.0gの変性エタノールとを混合し、負極スラリーを調製した。これを積層体の負極層となる多孔質体に塗布し、周縁部のスラリーをウエスで拭き取った後、大気中でスラリーを乾燥させた後、500℃の窒素雰囲気で10分間にわたり焼成した。
[Filling of negative electrode active material]
A negative electrode active material subjected to the surface treatment in the amount shown in Table 5, 2.0 g of an acrylic binder, 0.2 g of a dispersant, and 6.0 g of modified ethanol were mixed to prepare a negative electrode slurry. This was applied to a porous body to be the negative electrode layer of the laminate, and the slurry at the peripheral edge was wiped off with a waste cloth. The slurry was dried in the air, and then fired in a nitrogen atmosphere at 500 ° C. for 10 minutes.

[導電助材粉末の充填]
積層体の正極層及び負極層に形成された多孔質体に導電助材粉末を充填した。導電助材を含むスラリーとして、導電ペースト(ライオン株式会社製、ライオンペーストW−370C)を用いた。これは導電助材として平均粒子径が0.04μmのケッチェンブラックを含み、溶媒は水であり、スラリーの濃度は16wt%である。このスラリーを、スピンコーターを用いて前記積層体の正極層多孔質体に充填した。スラリーを充填した後、積層体の外周を#1000番の耐水研磨紙で研磨し、正極側と負極側の絶縁を保持した。その後、電気炉で150℃に加熱して積層体を焼成し、全固体リチウムイオン電池のセルを作製した。
[Filling conductive additive powder]
The conductive material powder was filled in the porous body formed in the positive electrode layer and the negative electrode layer of the laminate. As a slurry containing a conductive additive, a conductive paste (manufactured by Lion Corporation, Lion Paste W-370C) was used. This includes ketjen black having an average particle size of 0.04 μm as a conductive additive, the solvent is water, and the concentration of the slurry is 16 wt%. This slurry was filled in the positive electrode layer porous body of the laminate using a spin coater. After the slurry was filled, the outer periphery of the laminate was polished with # 1000 water-resistant abrasive paper to maintain insulation between the positive electrode side and the negative electrode side. Then, it heated at 150 degreeC with the electric furnace, the laminated body was baked, and the cell of the all-solid-state lithium ion battery was produced.

[電池化]
作製したセルの負極層に、直径25mmの円形に幅5mmのリードをつけた厚さ25μmの銅箔を配置し、負極を形成した。一方でセルの正極層には、直径25mmの円形に幅5mmのリードをつけた厚さ25μmのアルミ箔を配置し、正極を形成した。これらをアルミのラミネートフィルムで真空パックすることで、セルと銅箔及びアルミ箔の接触を確保した。
[Battery]
A copper foil with a thickness of 25 μm, in which a lead with a width of 5 mm was attached in a circle with a diameter of 25 mm, was placed on the negative electrode layer of the produced cell, thereby forming a negative electrode. On the other hand, an aluminum foil having a thickness of 25 μm, in which a lead having a width of 5 mm was attached to a circular shape having a diameter of 25 mm, was disposed on the positive electrode layer of the cell to form a positive electrode. These were vacuum-packed with an aluminum laminate film to ensure contact between the cell, copper foil and aluminum foil.

[充放電試験]
作製した全固体リチウムイオン電池について、充放電サイクル試験を行い、充放電サイクル数に対する単位重量(正極基準)の放電容量の推移を測定した。
充電は、充電電圧が4Vになるまで充電レート0.05Cで充電し、その後充電電圧4Vを維持しながら、充電容量が理論容量に達したところで充電を終了した。充電後、放電レート0.05Cで放電し、放電電圧が0.01Vとなった時点で放電を終了した。ここで、充電及び放電を1サイクルとして50サイクル繰り返し、各サイクル後の放電容量を測定した。なお、充放電時の環境温度及び測定温度は120℃とした。
[Charge / discharge test]
About the produced all-solid-state lithium ion battery, the charging / discharging cycle test was done and transition of the discharge capacity of the unit weight (positive electrode reference | standard) with respect to the number of charging / discharging cycles was measured.
Charging was performed at a charging rate of 0.05 C until the charging voltage reached 4 V, and then the charging was terminated when the charging capacity reached the theoretical capacity while maintaining the charging voltage of 4 V. After charging, the battery was discharged at a discharge rate of 0.05C, and the discharge was terminated when the discharge voltage reached 0.01V. Here, 50 cycles were repeated with charging and discharging as one cycle, and the discharge capacity after each cycle was measured. In addition, the environmental temperature and measurement temperature at the time of charging / discharging were 120 degreeC.

[結果]
本実施例で作製した全固体リチウムイオン電池の充放電試験結果は、表5のようになった。また、本実施例で作製した全固体リチウムイオン電池における、充放電のサイクル数と放電容量との関係を図4に示す。
[result]
Table 5 shows the charge / discharge test results of the all-solid-state lithium ion battery produced in this example. FIG. 4 shows the relationship between the number of charge / discharge cycles and the discharge capacity in the all-solid-state lithium ion battery produced in this example.

Figure 0005731278
Figure 0005731278

表1及び図2に示すように、本発明の実施例(2−A)における、充放電試験を1サイクルだけ行った後の放電容量に対する、充放電試験を50サイクル行った後の放電容量の比率を表すサイクル維持率は、56%であった。一方で、本発明の比較例(2−a)におけるサイクル維持率は1%であった。従って、本発明の実施例の全固体リチウムイオン電池は、比較例の全固体リチウムイオン電池よりもサイクル特性が向上していることが明らかになった。   As shown in Table 1 and FIG. 2, in the example (2-A) of the present invention, the discharge capacity after 50 cycles of the charge / discharge test with respect to the discharge capacity after 1 cycle of the charge / discharge test. The cycle maintenance ratio representing the ratio was 56%. On the other hand, the cycle maintenance factor in Comparative Example (2-a) of the present invention was 1%. Therefore, it became clear that the all-solid-state lithium ion battery of the example of the present invention has improved cycle characteristics as compared with the all-solid-state lithium ion battery of the comparative example.

以上、本発明を例示の目的で詳細に説明したが、本実施例はあくまで例示の目的のみであって、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく多くの改変を当業者により成し得ることが理解されよう。   Although the present invention has been described in detail for the purpose of illustration, this embodiment is only for the purpose of illustration, and many modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention. Will be understood.

Claims (5)

Liからなる正極活物質と、リチウムイオン伝導性の固体電解質と、を含有する正極層を有することを特徴とする全固体リチウムイオン電池。
ここで、1.05≦x≦1.9、z=1.0、0.5≦q≦0.95及び0.05≦r≦0.5を満たし、r及びqの合計が1であり、MはCo、Niから選ばれる1種以上であり、EはB、Siから選ばれる1種以上である。
Li x M z P q E and the positive electrode active material made r O 4, all-solid-state lithium ion battery characterized by having a positive electrode layer containing lithium ion conductive solid electrolyte, a.
Here, 1.05 ≦ x ≦ 1.9, z = 1.0, 0.5 ≦ q ≦ 0.95 and 0.05 ≦ r ≦ 0.5 are satisfied, and the sum of r and q is 1. , M is at least one selected from Co and Ni, and E is at least one selected from B and Si.
正極層に前記正極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、固体電解質の前記正極活物質に対する質量の比が1/9以上9以下である請求項1に記載の全固体リチウムイオン電池。   2. The all solid lithium according to claim 1, wherein the positive electrode layer includes the positive electrode active material and a lithium ion conductive solid electrolyte, and a mass ratio of the solid electrolyte to the positive electrode active material is 1/9 or more and 9 or less. Ion battery. 前記正極活物質が炭素で被覆されている請求項1又は2に記載の全固体リチウムイオン電池。   The all-solid-state lithium ion battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material is coated with carbon. 前記正極層に導電助剤が1質量%以上20質量%以下含まれている請求項1から3のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。   The all-solid-state lithium ion battery in any one of Claim 1 to 3 in which the conductive support agent is contained in the said positive electrode layer 1 mass% or more and 20 mass% or less. 前記リチウムイオン伝導性の固体電解質は、Li1+x+z(Al,Sc,Y,Ga,La)(Ti,Zr,Ge)2−x3−zSi12(0≦X≦1、0≦Z<1)、γ−LiPO、ガーネット構造、ペロブスカイト構造、LiS−Pのいずれかの結晶を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。
The lithium ion conductive solid electrolyte is Li 1 + x + z (Al, Sc, Y, Ga, La) x (Ti, Zr, Ge) 2−x P 3−z Si z O 12 (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Z <1), γ-Li 3 PO 4 , garnet structure, perovskite structure, any crystal of Li 2 S—P 2 S 5 , All solid lithium ion battery.
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