JP6068237B2 - Electrolyte-negative electrode structure and lithium ion secondary battery comprising the same - Google Patents

Electrolyte-negative electrode structure and lithium ion secondary battery comprising the same Download PDF

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Description

本発明は、電解質−負極構造体及びそれを備えるリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte-negative electrode structure and a lithium ion secondary battery including the same.

リチウムイオン二次電池において、近年、電池容量を大きくするために、シリコン、酸化シリコン、酸化スズ等のリチウムイオンと反応して化合物を生成することによりリチウムイオンを吸蔵可能な高容量材料を負極活物質として用いることが検討されている。例えば、集電体としての銅箔上にシリコンからなる負極活物質層を蒸着してなる負極と、該負極に接して配置されたセパレータに、有機溶媒に支持塩を溶解した電解液を含浸させてなる電解質とを備えるリチウムイオン二次電池が提案されている(特許文献1参照)。   In recent years, in order to increase the battery capacity of lithium ion secondary batteries, a high capacity material capable of occluding lithium ions by reacting with lithium ions such as silicon, silicon oxide and tin oxide to form a compound is used. Use as a substance is under consideration. For example, a negative electrode formed by depositing a negative electrode active material layer made of silicon on a copper foil as a current collector, and a separator disposed in contact with the negative electrode are impregnated with an electrolyte solution in which a supporting salt is dissolved in an organic solvent. There has been proposed a lithium ion secondary battery comprising an electrolyte as described above (see Patent Document 1).

国際公開第01/029913号International Publication No. 01/029913

しかしながら、前記リチウムイオン二次電池は、充放電によるリチウムイオンの吸蔵及び放出に伴い、該負極活物質層が大きく膨張及び収縮する。この結果、充放電を繰り返すと、前記膨張及び収縮によって発生する応力により、前記負極活物質層にクラックが発生し該負極活物質層が前記集電体から剥離して、サイクル性能が低下するという不都合がある。   However, in the lithium ion secondary battery, the negative electrode active material layer greatly expands and contracts as lithium ions are occluded and released by charging and discharging. As a result, when charging / discharging is repeated, the negative electrode active material layer is cracked by the stress generated by the expansion and contraction, and the negative electrode active material layer is peeled off from the current collector, resulting in a decrease in cycle performance. There is an inconvenience.

本発明は、かかる不都合を解消して、リチウムイオン二次電池に用いて充放電を繰り返した際に、サイクル性能の低下を抑制することができる構成を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記構成を備えるリチウムイオン二次電池を提供することも目的とする。   An object of the present invention is to provide a configuration that can eliminate such inconvenience and can suppress a decrease in cycle performance when charging and discharging are repeated for a lithium ion secondary battery. Furthermore, this invention also aims at providing a lithium ion secondary battery provided with the said structure.

かかる目的を達成するために、本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられる電解質−負極構造体であって、集電体上にリチウムイオンを吸蔵可能な材料からなる負極活物質層を形成してなる負極と、リチウムイオン伝導性を有する無機粒子、該無機粒子を結着するとともに高分子ゲルを含浸可能な有機高分子、及びリチウムイオン伝導性を有する電解液を保持するとともに該有機高分子に含浸される高分子ゲルを含む固体電解質とを備え、該負極活物質層と該固体電解質とが該有機高分子を媒体として一体化していて、該無機粒子は、化学式Li7−yLa3−xZr2−y12(式中、AはY、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属であり、xは0≦x<3の範囲であり、MはNb又はTaであり、yは0≦y<2の範囲である)で表され、ガーネット型構造を備える複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面を被覆する被覆膜とを備え、該被覆膜は、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含むことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides an electrolyte-negative electrode structure used in a lithium ion secondary battery, in which a negative electrode active material layer made of a material capable of occluding lithium ions is formed on a current collector. A negative electrode, inorganic particles having lithium ion conductivity, an organic polymer capable of binding the inorganic particles and impregnating a polymer gel, and holding an electrolyte having lithium ion conductivity and the organic polymer The negative electrode active material layer and the solid electrolyte are integrated using the organic polymer as a medium, and the inorganic particles have the chemical formula Li 7-y La 3. during -x a x Zr 2-y M y O 12 ( wherein, a is Y, Nd, Sm, is any one metal selected from the group consisting of Gd, x is in the range of 0 ≦ x <3 And M is Nb or T And y is in the range of 0 ≦ y <2, and a composite metal oxide having a garnet structure and a coating film that covers the surface of the composite metal oxide, The film includes one or more metal oxides selected from the group consisting of Li, Y, and Zr.

本発明の電解質−負極構造体において、前記固体電解質は、前記有機高分子によって前記無機粒子が結着されるとともに、該有機高分子に前記電解液を保持する前記高分子ゲルが含浸されている。そして、前記固体電解質と前記集電体上に形成された負極活物質層とが前記有機高分子により接合されて一体化している。また、前記固体電解質を構成する前記無機粒子が前記複合金属酸化物の表面に前記酸化物からなる被覆膜を備えることにより、該固体電解質と前記負極活物質層とがより密着されている。以上により、前記電解質−負極構造体は、リチウムイオン二次電池に用いるとき、充放電に伴って前記負極活物質層が膨張及び収縮を繰り返しても、該膨張及び収縮により発生する応力を前記固体電解質によって緩和することができる。   In the electrolyte-negative electrode structure of the present invention, the solid electrolyte is impregnated with the inorganic particles by the organic polymer, and the organic polymer is impregnated with the polymer gel that holds the electrolytic solution. . And the said solid electrolyte and the negative electrode active material layer formed on the said collector are joined and integrated by the said organic polymer. Moreover, when the inorganic particles constituting the solid electrolyte are provided with a coating film made of the oxide on the surface of the composite metal oxide, the solid electrolyte and the negative electrode active material layer are more closely attached. As described above, when the electrolyte-negative electrode structure is used for a lithium ion secondary battery, even if the negative electrode active material layer repeatedly expands and contracts due to charge and discharge, the solid-state stress generated by the expansion and contraction is increased. It can be mitigated by the electrolyte.

また、本発明の電解質−負極構造体において、前記無機粒子は、化学式Li7−yLa3−xZr2−y12(式中、AはY、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属であり、xは0≦x<3の範囲であり、MはNb又はTaであり、yは0≦y<2の範囲である)で表され、ガーネット型構造を備える複合金属酸化物を備えている。 In the electrolyte-negative electrode structure according to the present invention, the inorganic particles may have the chemical formula Li 7-y La 3-x A x Zr 2- y My O 12 (wherein A represents Y, Nd, Sm, Gd). Any one metal selected from the group consisting of: x is in the range of 0 ≦ x <3, M is Nb or Ta, and y is in the range of 0 ≦ y <2. And a composite metal oxide having a garnet-type structure.

前記複合金属酸化物は、Li/Li電極反応の電位を基準とする還元電位が、リチウムイオンを吸蔵可能な材料からなる負極活物質層として用いられるリチウム、シリコン、スズ等よりも小さい。このため、本発明の電解質−負極構造体は、リチウムイオン二次電池に用いるときに、電池反応とは別に、前記固体電解質と前記負極活物質層との界面において酸化還元反応が生じることを抑制し、該固体電解質が還元されて劣化することを防ぐことができる。 In the composite metal oxide, the reduction potential based on the potential of the Li + / Li electrode reaction is smaller than lithium, silicon, tin or the like used as the negative electrode active material layer made of a material capable of occluding lithium ions. For this reason, the electrolyte-negative electrode structure of the present invention suppresses the occurrence of a redox reaction at the interface between the solid electrolyte and the negative electrode active material layer separately from the battery reaction when used in a lithium ion secondary battery. And it can prevent that this solid electrolyte reduces and deteriorates.

したがって、本発明の電解質−負極構造体によれば、前記応力によって前記負極活物質層が前記集電体から剥離することを防ぐことができるとともに前記固体電解質が劣化することを防ぐことができるので、サイクル性能の低下を抑制することができる。   Therefore, according to the electrolyte-negative electrode structure of the present invention, it is possible to prevent the negative electrode active material layer from being peeled off from the current collector by the stress and to prevent the solid electrolyte from deteriorating. It is possible to suppress a decrease in cycle performance.

また、本発明の電解質−負極構造体において、前記無機粒子を構成する前記複合金属酸化物を被覆する被覆膜は、Zr酸化物を含むことが好ましく、サイクル性能の低下を抑制する効果をより得ることができる。   Moreover, in the electrolyte-negative electrode structure of the present invention, the coating film covering the composite metal oxide constituting the inorganic particles preferably contains a Zr oxide, and more effectively suppresses the deterioration in cycle performance. Can be obtained.

さらに、本発明の電解質−負極構造体は、リチウムイオン二次電池に適用することができる。   Furthermore, the electrolyte-negative electrode structure of the present invention can be applied to a lithium ion secondary battery.

本実施形態の電解質−負極構造体を備えるリチウムイオン二次電池の構成を示す説明的断面図。Explanatory sectional drawing which shows the structure of a lithium ion secondary battery provided with the electrolyte-negative electrode structure of this embodiment. 本実施形態の電解質−負極構造体の接合面を示す断面画像。Sectional image which shows the junction surface of the electrolyte-negative electrode structure of this embodiment. 本実施形態の電解質−負極構造体を備えるリチウムイオン二次電池のサイクル性能を示すグラフ。The graph which shows the cycle performance of a lithium ion secondary battery provided with the electrolyte-negative electrode structure of this embodiment.

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、正極活物質を含む正極2と、負極集電体3上に負極活物質層4を形成してなる負極5と、該正極2及び該負極5の間に配設された固体電解質6とを備える。リチウムイオン二次電池1では、負極活物質層4と固体電解質6とが一体化されて電解質−負極構造体7が形成されている。   As shown in FIG. 1, a lithium ion secondary battery 1 of this embodiment includes a positive electrode 2 containing a positive electrode active material, a negative electrode 5 formed by forming a negative electrode active material layer 4 on a negative electrode current collector 3, A solid electrolyte 6 disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 5. In the lithium ion secondary battery 1, the negative electrode active material layer 4 and the solid electrolyte 6 are integrated to form an electrolyte-negative electrode structure 7.

正極2は、例えば、正極集電体上に正極活物質層を圧着して形成してなるものを用いることができる。   As the positive electrode 2, for example, one formed by pressure-bonding a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector can be used.

前記正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等からなる金属箔、金属板を用いることができる。   As the positive electrode current collector, for example, a metal foil or a metal plate made of aluminum, stainless steel, or the like can be used.

前記正極活物質層は、例えば、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属酸化物との複合酸化物、遷移金属硫化物、有機化合物等の正極活物質を含んでいる。具体的には、前記遷移金属酸化物としては、例えば、MnO、V、V12、TiO等を用いることができる。また、前記リチウムと遷移金属酸化物との複合酸化物としては、例えば、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等を用いることができる。また、前記遷移金属硫化物としては、例えば、TiS、FeS、MoS等を用いることができる。また、前記有機化合物としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物、N−フルオロピリジニウム塩等を用いることができる。さらに、前記正極活物質として、オリビン構造を有するリン酸鉄リチウムを用いることもできる。 The positive electrode active material layer includes, for example, a positive electrode active material such as a transition metal oxide, a composite oxide of lithium and a transition metal oxide, a transition metal sulfide, or an organic compound. Specifically, as the transition metal oxide, for example, MnO, V 2 O 3 , V 6 O 12 , TiO 2 or the like can be used. In addition, as a composite oxide of lithium and a transition metal oxide, for example, lithium nickelate, lithium cobaltate, or the like can be used. As examples of the transition metal sulfides, for example, can be used TiS, FeS, and MoS 2 and the like. As the organic compound, polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide compounds, polysulfide compounds, N-fluoropyridinium salts, and the like can be used. Furthermore, lithium iron phosphate having an olivine structure can be used as the positive electrode active material.

負極5は、負極集電体3と、該負極集電体3の片面に圧着され負極活物質を含む負極活物質層4とからなる。   The negative electrode 5 includes a negative electrode current collector 3 and a negative electrode active material layer 4 that is pressure-bonded to one surface of the negative electrode current collector 3 and contains a negative electrode active material.

負極集電体3は、例えば、銅、SUSからなる金属箔、金属板を用いることができる。   For the negative electrode current collector 3, for example, a metal foil or a metal plate made of copper or SUS can be used.

負極活物質層4は、例えば、リチウムを吸蔵可能な高容量材料からなる金属、カーボン等の負極活物質を含んでいる。前記金属としては、例えば、リチウム、シリコン、スズ、及びこれらの金属を含む酸化物及び合金を用いることができる。   The negative electrode active material layer 4 includes, for example, a negative electrode active material such as a metal or carbon made of a high capacity material capable of occluding lithium. As the metal, for example, lithium, silicon, tin, and oxides and alloys containing these metals can be used.

固体電解質6は、リチウムイオン伝導性を有する無機粒子、該無機粒子を結着するとともに高分子ゲルを含浸可能な有機高分子、及びリチウムイオン伝導性を有する電解液を保持するとともに該有機高分子に含浸される高分子ゲルを含んでいる。   The solid electrolyte 6 includes inorganic particles having lithium ion conductivity, an organic polymer that binds the inorganic particles and can be impregnated with a polymer gel, and holds an electrolytic solution having lithium ion conductivity and the organic polymer. The polymer gel is impregnated into.

前記無機粒子は、粉末状の複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面を被覆する被覆膜とからなる。前記複合金属酸化物は、化学式Li7−yLa3−xZr2−y12(式中、AはY、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属であり、xは0≦x<3の範囲であり、MはNb又はTaであり、yは0≦y<2の範囲である)で表され、ガーネット型構造を備えている。前記被覆膜は、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含む。 The inorganic particles include a powdered composite metal oxide and a coating film that covers the surface of the composite metal oxide. The complex metal oxide chemical formula Li 7-y La 3-x A x Zr 2-y M y O 12 ( wherein, A is Y, Nd, Sm, any one selected from the group consisting of Gd X is in the range of 0 ≦ x <3, M is Nb or Ta, and y is in the range of 0 ≦ y <2, and has a garnet-type structure. The coating film includes an oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr.

前記無機粒子は、例えば、次のようにして調製することができる。まず、Li化合物とLa化合物とZr化合物とに加えて、必要に応じて、Y、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属の化合物と、Nb又はTaの化合物とを、ボールミル、ミキサー等の粉砕、混合機器により、粉砕、混合して混合物を得る。   The inorganic particles can be prepared, for example, as follows. First, in addition to the Li compound, the La compound, and the Zr compound, if necessary, any one metal compound selected from the group consisting of Y, Nd, Sm, and Gd, and an Nb or Ta compound. The mixture is pulverized and mixed with a pulverizing and mixing device such as a ball mill or a mixer to obtain a mixture.

前記Li化合物としては、例えば、LiOH又はその水和物、LiCO、LiNO、CHCOOLi等を挙げることができる。前記La化合物としては、La、La(OH)、La(CO、La(NO、(CHCOO)La等を挙げることができる。前記Zr化合物としては、Zr、ZrO(NO、ZrO(CHCOO)、Zr(OH)CO、ZrO等を挙げることができる。 As the Li compound, for example, a LiOH or a hydrate thereof, Li 2 CO 3, LiNO 3 , CH 3 COOLi like. Examples of the La compound include La 2 O 3 , La (OH) 3 , La 2 (CO 3 ) 3 , La (NO 3 ) 3 , (CH 3 COO) 3 La, and the like. Examples of the Zr compound include Zr 2 O 2 , ZrO (NO 3 ) 2 , ZrO (CH 3 COO) 2 , Zr (OH) 2 CO 3 , ZrO 2 and the like.

また、Y化合物としては、Y、Y(CO、Y(NO、(CHCOO)Y等を挙げることができる。Nd化合物としては、Nd、Nd(CO、Nd(NO、(CHCOO)Nd等を挙げることができる。Sm化合物としては、Sm、Sm(CO、Sm(NO、(CHCOO)Sm等を挙げることができる。Gd化合物としては、Gd、Gd(CO、Gd(NO、(CHCOO)Gd等を挙げることができる。 Examples of the Y compound include Y 2 O 3 , Y 2 (CO 3 ) 3 , Y (NO 3 ) 3 , (CH 3 COO) 3 Y, and the like. Examples of the Nd compound include Nd 2 O 3 , Nd 2 (CO 3 ) 3 , Nd (NO 3 ) 3 , (CH 3 COO) 3 Nd, and the like. Examples of the Sm compound include Sm 2 O 3 , Sm 2 (CO 3 ) 3 , Sm (NO 3 ) 3 , (CH 3 COO) 3 Sm, and the like. Examples of the Gd compound include Gd 2 O 3 , Gd 2 (CO 3 ) 3 , Gd (NO 3 ) 3 , (CH 3 COO) 3 Gd, and the like.

また、Nb化合物としては、Nb、NbO、NbCl、LiNbO等を挙げることができる。Ta化合物としては、Ta、TaCl、LiTaO等を挙げることができる。 Examples of the Nb compound include Nb 2 O 5 , NbO 2 , NbCl 5 , LiNbO 3 and the like. Examples of the Ta compound include Ta 2 O 5 , TaCl 5 , LiTaO 3 and the like.

次に、得られた混合物を、850〜950℃の範囲の温度で5〜7時間の範囲の時間一次焼成する。次に、前記一次焼成により得られた焼成体を再度ボールミル、ミキサー等の粉砕、混合機器により、粉砕、混合した後、1000〜1200℃の範囲の温度で6〜12時間の範囲の時間保持して二次焼成することにより、前記粉末状の複合金属酸化物を調製する。   The resulting mixture is then primarily fired at a temperature in the range of 850-950 ° C. for a time in the range of 5-7 hours. Next, the fired body obtained by the primary firing is pulverized and mixed again by a ball mill, a mixer or the like using a mixing device, and then held at a temperature in the range of 1000 to 1200 ° C. for 6 to 12 hours. The powdery composite metal oxide is prepared by secondary firing.

前記粉末状の複合金属酸化物は、リチウムイオン伝導性材料として用いるために、20μm以下の粒径を備えることが好ましく、10μm以下が特に好ましい。20μmより大きな粒径の粒子が多く含まれる場合には、前記焼成により得られた前記無機粒子を、例えば、ボールミル、ミキサー等の粉砕、混合機器により粉砕して、20μm以下の粒径を備えるようにする。前記無機粒子の粒径を20μm以下にすることにより、固体電解質6中に存在する該無機粒子の密度を高くすることができるとともに固体電解質6自体を肉薄に形成して抵抗を小さくすることができる。   In order to use the powdery composite metal oxide as a lithium ion conductive material, it is preferable to have a particle size of 20 μm or less, particularly preferably 10 μm or less. When many particles having a particle size larger than 20 μm are contained, the inorganic particles obtained by the baking are pulverized by, for example, a ball mill, a mixer or the like, and mixed by a mixing device so as to have a particle size of 20 μm or less. To. By setting the particle size of the inorganic particles to 20 μm or less, the density of the inorganic particles present in the solid electrolyte 6 can be increased, and the solid electrolyte 6 itself can be formed thin to reduce the resistance. .

次に、Li、La、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の化合物を溶媒に添加して撹拌することにより混合して、該金属の化合物が溶解又は分散された溶液を調製する。   Next, one or more metal compounds selected from the group consisting of Li, La, and Zr are added to a solvent and mixed by stirring to prepare a solution in which the metal compound is dissolved or dispersed. .

Liを含む化合物としては、例えば、酸化リチウム、過酸化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、硝酸リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウム、リチウムエトキシド等のリチウムアルコキシド化合物等を用いることができる。   Examples of the compound containing Li include lithium alkoxide compounds such as lithium oxide, lithium peroxide, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, lithium chloride, lithium fluoride, and lithium ethoxide. .

Yを含む化合物としては、例えば、酸化イットリウム、水酸化イットリウム、炭酸イットリウム、酢酸イットリウム、硝酸イットリウム、塩化イットリウム、フッ化イットリウム、リン酸イットリウム、イットリウムアセチルアセトナート、イットリウムイソプロポキシド等のイットリウムアルコキシド化合物等を用いることができる。   Examples of the compound containing Y include yttrium alkoxide compounds such as yttrium oxide, yttrium hydroxide, yttrium carbonate, yttrium acetate, yttrium nitrate, yttrium chloride, yttrium fluoride, yttrium phosphate, yttrium acetylacetonate, and yttrium isopropoxide. Etc. can be used.

Zrを含む化合物としては、水酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭酸塩基性ジルコニウム、オキシ酢酸ジルコニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、塩化ジルコニウム、オキシ塩化ジルコニウム、フッ化ジルコニウム、ジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムエトキシド等のジルコニウムアルコキシド化合物等を用いることができる。   Zr-containing compounds include zirconium hydroxide, zirconium oxide, carbonate basic zirconium, zirconium oxyacetate, zirconium oxynitrate, zirconium chloride, zirconium oxychloride, zirconium fluoride, zirconium acetylacetonate, zirconium ethoxide, and other zirconium alkoxides. A compound or the like can be used.

前記溶媒としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、トルエン、シクロヘキサン等を用いることができ、これらの混合物を用いることもできる。   As the solvent, water, methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, ethylene glycol, toluene, cyclohexane and the like can be used, and a mixture thereof can also be used.

次に、得られた粉末状の複合金属酸化物を、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の化合物が溶解又は分散された溶液に添加して撹拌することにより混合して、該複合金属酸化物の表面に該溶液を付着させる。このとき、前記1種以上の金属の化合物は、前記複合金属酸化物に対してその合計が1〜10mol%であるようにすることにより、該複合金属酸化物の表面に前記溶液を確実に付着させることができる。また、前記撹拌を40〜80℃の温度で1分〜6時間の時間行うことにより、前記複合金属酸化物の表面に前記溶液を確実に付着させるとともに前記被覆膜を適当な厚さに調節することができる。さらに、前記粉末状の複合金属酸化物と前記溶液とを混合する代わりに、該粉末状の複合金属酸化物を前記溶媒に溶解又は分散させた溶液と、前記1種以上の金属の化合物を前記溶媒に溶解または分散させた溶液とを混合してもよく、該複合金属酸化物と該1種以上の金属の化合物とを混合した後に前記溶媒に溶解又は分散させてもよい。   Next, the obtained powdered composite metal oxide is mixed by adding to a solution in which one or more metal compounds selected from the group consisting of Li, Y, and Zr are dissolved or dispersed and stirring. Then, the solution is adhered to the surface of the composite metal oxide. At this time, the solution of the one or more kinds of metals is surely adhered to the surface of the composite metal oxide by making the total amount thereof be 1 to 10 mol% with respect to the composite metal oxide. Can be made. Further, by performing the stirring at a temperature of 40 to 80 ° C. for 1 minute to 6 hours, the solution is surely adhered to the surface of the composite metal oxide and the coating film is adjusted to an appropriate thickness. can do. Further, instead of mixing the powdery composite metal oxide and the solution, a solution in which the powdered composite metal oxide is dissolved or dispersed in the solvent, and the compound of one or more kinds of metals is added. A solution dissolved or dispersed in a solvent may be mixed, or the mixed metal oxide and the one or more metal compounds may be mixed and then dissolved or dispersed in the solvent.

次に、前記1種以上の金属の化合物を含む溶液が表面に付着された前記複合金属酸化物を加熱して該溶液中の前記溶媒を除去することにより、前記1種以上の金属の化合物が表面に付着された前記複合金属酸化物を得る。前記溶媒の除去は、例えば、次のようにして行うことができる。まず、前記複合金属酸化物と前記1種以上の金属の化合物を含む溶液とを混合した混合溶液を濾過して、該1種以上の金属の化合物を含む溶液が表面に付着した前記複合金属酸化物と前記溶媒とを分離する。次に、前記濾過により得られた残渣を加熱することにより、該粉末状の複合金属酸化物の表面に付着した溶液中の溶媒を除去する。或いは、前記複合金属酸化物と前記1種以上の金属の化合物を含む溶液とを混合した混合溶液をロータリーエバポレーターで処理することにより、前記粉末状の複合金属酸化物の表面に付着した溶液中の溶媒を除去してもよい。   Next, by heating the composite metal oxide having a solution containing the one or more metal compounds attached to the surface to remove the solvent in the solution, the one or more metal compounds are obtained. The composite metal oxide adhered to the surface is obtained. The removal of the solvent can be performed, for example, as follows. First, a mixed solution obtained by mixing the composite metal oxide and a solution containing one or more kinds of metal compounds is filtered, and the composite metal oxidation in which the solution containing the one or more kinds of metal compounds is attached to the surface The product and the solvent are separated. Next, the solvent in the solution adhering to the surface of the powdered composite metal oxide is removed by heating the residue obtained by the filtration. Alternatively, by treating a mixed solution obtained by mixing the composite metal oxide and the solution containing the one or more metal compounds with a rotary evaporator, the solution in the solution attached to the surface of the powdered composite metal oxide The solvent may be removed.

次に、前記Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の化合物が表面に付着された前記複合金属酸化物を、300〜800℃の温度で1〜6時間焼成することにより、該1種以上の金属の化合物を酸化する。以上により、前記複合金属酸化物の表面が、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含む被覆膜によって被覆された前記無機粒子を得ることができる。前記Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物としては、例えば、LiO、Li、Y、LiYO、ZrO、LiZrO、LiZr、LiZr、Zr1−x2−x/2(0<x<0.6)、La2−xZr(0<x<1)等を挙げることができ、中でもY、LiYO、ZrO、LiZrOを好適に用いることができる。前記1種以上の金属の酸化物を含む被覆膜は、抵抗及び重量の増大を防ぐために、100nm以下の厚さとすることが好ましい。 Next, firing the composite metal oxide having one or more metal compounds selected from the group consisting of Li, Y, and Zr attached to the surface at a temperature of 300 to 800 ° C. for 1 to 6 hours. To oxidize the one or more metal compounds. As described above, the inorganic particles in which the surface of the composite metal oxide is coated with the coating film containing an oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr can be obtained. Examples of the oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr include, for example, Li 2 O, Li 2 O 2 , Y 2 O 3 , LiYO 2 , ZrO 2 , and Li 2 ZrO 3. , Li 4 Zr 3 O 8 , Li 6 Zr 2 O 7 , Zr 1-x Y x O 2−x / 2 (0 <x <0.6), La 2−x Y x Zr 2 O 7 (0 < x <1) and the like can be mentioned, among which Y 2 O 3 , LiYO 2 , ZrO 2 , and Li 2 ZrO 3 can be preferably used. The coating film containing one or more metal oxides preferably has a thickness of 100 nm or less in order to prevent an increase in resistance and weight.

固体電解質6を構成する前記有機高分子は、前記無機粒子の結着剤として作用し前記高分子ゲルを含浸可能であるとともに、リチウム二次電池の作動電圧において安定であることが求められる。前記有機高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリイミド、アクリル樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)からなる群から選択される1種又は2種以上の樹脂を用いることができる。   The organic polymer constituting the solid electrolyte 6 is required to act as a binder for the inorganic particles and to be impregnated with the polymer gel and to be stable at the operating voltage of the lithium secondary battery. Examples of the organic polymer include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride, polyimide, acrylic resin, styrene butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC). One or two or more resins selected from the group can be used.

固体電解質6を構成する前記高分子ゲルは、支持塩としてのリチウム塩及び該リチウム塩を溶解する有機溶媒からなる電解液と、該電解液を保持する高分子とからなる。前記高分子ゲルは、リチウムイオン伝導性と高分子ゲルとしての機械的強度とを両立するために、30〜95質量%の範囲の前記電解液を保持することが好ましく、50〜95質量%の範囲の該電解液を保持することが特に好ましい。   The polymer gel constituting the solid electrolyte 6 is composed of an electrolytic solution composed of a lithium salt as a supporting salt and an organic solvent that dissolves the lithium salt, and a polymer that holds the electrolytic solution. In order to achieve both lithium ion conductivity and mechanical strength as the polymer gel, the polymer gel preferably holds the electrolytic solution in a range of 30 to 95% by mass, and 50 to 95% by mass. It is particularly preferred to retain a range of the electrolyte.

前記リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiCFSO、LiN(CFSO等を用いることができる。 Examples of the lithium salt, for example, can be used LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiN (CF 3 SO 2) 2 and the like.

前記有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ-ブチロラクトン(γ−BL)等の環状エステル、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)等の鎖状エステル等を用いることができる。   Examples of the organic solvent include cyclic esters such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC). ) And the like can be used.

前記高分子ゲルを構成する高分子としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)等の熱可塑性有機高分子等を用いることができる。   As the polymer constituting the polymer gel, for example, a thermoplastic organic polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), or the like can be used.

固体電解質6において、前記無機粒子と前記有機高分子とを99:1〜95:5の質量比とし、前記無機粒子と前記高分子ゲルと前記有機高分子とを77:8:15〜38:32:30の範囲の体積比とすることが好ましい。このようにすると、固体電解質6中に前記無機粒子及び前記高分子ゲルが均一に分散して該固体電解質6全体に亘ってリチウムイオンの伝導経路を形成することができ、優れたリチウムイオン伝導性を得ることができる。また、前記有機高分子が前記無機粒子を結着して、固体電解質6としての構造を確実に形成することができる。   In the solid electrolyte 6, the inorganic particles and the organic polymer have a mass ratio of 99: 1 to 95: 5, and the inorganic particles, the polymer gel, and the organic polymer are mixed in 77: 8: 15 to 38: A volume ratio in the range of 32:30 is preferable. In this way, the inorganic particles and the polymer gel can be uniformly dispersed in the solid electrolyte 6 to form a lithium ion conduction path throughout the solid electrolyte 6, and excellent lithium ion conductivity. Can be obtained. Further, the organic polymer binds the inorganic particles, so that the structure as the solid electrolyte 6 can be surely formed.

電解質−負極構造体7は、固体電解質6と負極活物質層4とが前記有機高分子によって接合されて一体化されている。   In the electrolyte-negative electrode structure 7, the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 are joined and integrated by the organic polymer.

電解質−負極構造体7は、例えば、次のようにして形成することができる。まず、前記無機粒子と前記有機高分子とを混合して形成したペーストを、ドクターブレードを用いたキャスティング法により、負極5の負極活物質層4上に成膜した後、乾燥させることにより、負極5と該ペーストの乾燥体6aとからなる積層体を形成する。次に、得られた積層体を加圧することにより、負極5と乾燥体6aとを接合して一体化させて接合体7aを形成する。   The electrolyte-negative electrode structure 7 can be formed, for example, as follows. First, a paste formed by mixing the inorganic particles and the organic polymer is formed on the negative electrode active material layer 4 of the negative electrode 5 by a casting method using a doctor blade, and then dried. 5 and a dry body 6a of the paste are formed. Next, by pressurizing the obtained laminate, the negative electrode 5 and the dry body 6a are joined and integrated to form the joined body 7a.

次に、リチウムイオン伝導性を有する電解液と、前記高分子ゲルを構成する高分子の粉末とを混合してゾル状液体を調製する。次に、得られたゾル状液体を接合体7aに圧入することにより接合体7aの乾燥体6aに含浸させた後、自然冷却し、該ゾル状液体をゲル化することにより、電解質−負極構造体7を得ることができる。   Next, an electrolytic solution having lithium ion conductivity and a polymer powder constituting the polymer gel are mixed to prepare a sol-like liquid. Next, the obtained sol-like liquid is pressed into the joined body 7a to impregnate the dried body 6a of the joined body 7a, and then naturally cooled to gel the sol-like liquid, thereby forming an electrolyte-negative electrode structure. The body 7 can be obtained.

本実施形態の電解質−負極構造体7において、固体電解質6は、有機高分子によって前記無機粒子が結着されるとともに、該有機高分子に前記電解液を保持する前記高分子ゲルが含浸されている。そして、固体電解質6と負極集電体3上に形成された負極活物質層4とが前記有機高分子により接合されて一体化している。また、固体電解質6を構成する前記無機粒子が前記複合金属酸化物の表面に前記酸化物からなる前記被覆膜を備えることにより、固体電解質6と負極活物質層4とがより密着されている。以上により、電解質−負極構造体7は、リチウムイオン二次電池1に用いるとき、充放電に伴って負極活物質層4が膨張及び収縮を繰り返しても、該膨張及び収縮により発生する応力を固体電解質6によって緩和することができる。   In the electrolyte-negative electrode structure 7 of the present embodiment, the solid electrolyte 6 includes the inorganic particles bound by an organic polymer and the organic polymer impregnated with the polymer gel that holds the electrolytic solution. Yes. The solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 formed on the negative electrode current collector 3 are joined and integrated by the organic polymer. Further, the inorganic particles constituting the solid electrolyte 6 are provided with the coating film made of the oxide on the surface of the composite metal oxide, whereby the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 are more closely adhered to each other. . As described above, when the electrolyte-negative electrode structure 7 is used in the lithium ion secondary battery 1, even if the negative electrode active material layer 4 repeatedly expands and contracts due to charge and discharge, the stress generated by the expansion and contraction is solid. It can be relaxed by the electrolyte 6.

また、本実施形態の電解質−負極構造体7において、固体電解質6を構成する前記無機粒子は、前記化学式で表されガーネット型構造を備える複合金属酸化物を備える。前記複合う金属酸化物は、Li/Li電極反応の電位を基準とするとき、−1.67〜−0.06Vの範囲の還元電位を有する。一方、負極活物質層4を構成するリチウムイオンを吸蔵可能な前記高容量材料は、例えばシリコンが0.5V、酸化シリコンが0.5V、スズが1.0Vの還元電位を有している。すなわち、前記複合金属酸化物は、リチウムイオンを吸蔵可能な前記高容量材料と比較して、還元電位が小さい。したがって、本実施形態の電解質−負極構造体7は、リチウムイオン二次電池1に用いるときに、電池反応とは別に、固体電解質6と負極活物質層4との界面において酸化還元反応が生じることを抑制し、該固体電解質6が還元されて劣化することを防ぐことができる。 Moreover, in the electrolyte-negative electrode structure 7 of this embodiment, the inorganic particles constituting the solid electrolyte 6 include a composite metal oxide represented by the chemical formula and having a garnet structure. The composite metal oxide has a reduction potential in the range of −1.67 to −0.06 V, based on the potential of the Li + / Li electrode reaction. On the other hand, the high-capacity material that can occlude lithium ions constituting the negative electrode active material layer 4 has a reduction potential of 0.5 V for silicon, 0.5 V for silicon oxide, and 1.0 V for tin, for example. That is, the composite metal oxide has a lower reduction potential than the high-capacity material capable of occluding lithium ions. Therefore, when the electrolyte-negative electrode structure 7 of the present embodiment is used for the lithium ion secondary battery 1, an oxidation-reduction reaction occurs at the interface between the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 separately from the battery reaction. It is possible to prevent the solid electrolyte 6 from being reduced and deteriorated.

したがって、本実施形態の電解質−負極構造体7によれば、前記応力によって負極活物質層4が負極集電体3から剥離することを防ぐことができるとともに固体電解質6が劣化することを防ぐことができるので、サイクル性能の低下を抑制することができる。   Therefore, according to the electrolyte-negative electrode structure 7 of the present embodiment, it is possible to prevent the negative electrode active material layer 4 from being peeled off from the negative electrode current collector 3 due to the stress and to prevent the solid electrolyte 6 from deteriorating. Therefore, a decrease in cycle performance can be suppressed.

また、電解質−負極構造体7は、固体電解質6と負極活物質層4とが一体化していることにより良好に接触しているので、固体電解質6と負極活物質層4との間の接触抵抗を抑制することができる。   Moreover, since the electrolyte-negative electrode structure 7 is in good contact with the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 that are integrated, the contact resistance between the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 is good. Can be suppressed.

また、電解質−負極構造体7は、固体電解質6を、従来技術のように単独で取り扱うのではなく、負極5で支持された状態で取り扱うことができ優れた取り扱い性を得ることができるとともに、固体電解質6について所要の強度を確保して破損を回避することができる。   In addition, the electrolyte-negative electrode structure 7 can handle the solid electrolyte 6 in a state supported by the negative electrode 5 instead of handling the solid electrolyte 6 alone as in the prior art, and can obtain excellent handling properties. The solid electrolyte 6 can be secured to a required strength to avoid breakage.

尚、前記還元電位は、第一原理計算法、具体的には、第一原理電子状態計算プログラムであるVASP(Vienna Ab initio Simulation Package)を用いて、GGA(Generalized Gradient Approximation)/PAW(Projector Augmented Wave)法で、カットオフエネルギー480eV、k点=3×3×3の条件により算出することができる。   The reduction potential is calculated by using a first principle calculation method, specifically, a first principle electronic state calculation program VASP (Vienna Ab initio Simulation Package), GGA (Generalized Gradient Approximation) / PAW (Projector Augmented). Wave) method can be calculated under the conditions of cutoff energy 480 eV and k point = 3 × 3 × 3.

次に、本実施形態の実施例及び比較例を示す。   Next, examples and comparative examples of the present embodiment are shown.

〔実施例1〕
〔1.酸化物で被覆された無機粒子の調製〕
本実施例では、まず、水酸化リチウム一水和物を、真空雰囲気下350℃の温度で6時間加熱し脱水処理することにより、水酸化リチウム無水物を得た。また、酸化ランタンを、大気雰囲気下、950℃の温度で24時間加熱することにより、脱水及び脱炭酸処理した。
[Example 1]
[1. Preparation of oxide-coated inorganic particles]
In this example, lithium hydroxide monohydrate was first subjected to dehydration treatment by heating at 350 ° C. for 6 hours in a vacuum atmosphere to obtain lithium hydroxide anhydride. In addition, lanthanum oxide was dehydrated and decarboxylated by heating at 950 ° C. for 24 hours in an air atmosphere.

次に、得られた水酸化リチウム無水物と、脱水及び脱炭酸された酸化ランタンとに加えて、酸化ジルコニウムを、Li:La:Zr=7.7:3:2のモル比となるように混合して、遊星型ボールミルを用いて、360rpmの回転数で3時間粉砕混合し、混合原料を得た。   Next, in addition to the obtained lithium hydroxide anhydride and dehydrated and decarboxylated lanthanum oxide, zirconium oxide is added so that the molar ratio is Li: La: Zr = 7.7: 3: 2. After mixing, using a planetary ball mill, the mixture was pulverized and mixed at 360 rpm for 3 hours to obtain a mixed raw material.

得られた混合原料をアルミナ製坩堝に収容し、大気雰囲気下、900℃の温度で6時間保持して一次焼成することにより、粉末状の一次焼成物を得た。   The obtained mixed raw material was accommodated in an alumina crucible, and held in an air atmosphere at a temperature of 900 ° C. for 6 hours to perform primary firing, thereby obtaining a powdery primary fired product.

次に、得られた一次焼成物を、遊星型ボールミルを用いて360rpmの回転数で3時間粉砕した後にアルミナ製坩堝に収容し、大気雰囲気下、1050℃の温度で6時間保持して二次焼成することにより、粉末状の複合金属酸化物を得た。前記複合金属酸化物は、化学式LiLaZr12で表され、ガーネット型構造を備える複合金属酸化物からなり、リチウムイオン伝導性を有する。尚、前記化学式LiLaZr12は、前記Li7−yLa3−xZr2−y12においてx=0且つy=0の場合に相当する。得られた粉末状の複合金属酸化物は、平均粒径が8.5μmであった。 Next, the obtained primary fired product was pulverized for 3 hours at 360 rpm using a planetary ball mill, and then stored in an alumina crucible, and kept in an air atmosphere at a temperature of 1050 ° C. for 6 hours to obtain a secondary product. By firing, a powdered composite metal oxide was obtained. The composite metal oxide is represented by a chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , is composed of a composite metal oxide having a garnet structure, and has lithium ion conductivity. The chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 corresponds to the case where x = 0 and y = 0 in the Li 7-y La 3-x A x Zr 2- y My O 12 . The obtained powdery composite metal oxide had an average particle size of 8.5 μm.

次に、得られた粉末状の複合金属酸化物を、該複合金属酸化物に対して5mol%のジルコニウムエトキシドをエタノールに溶解した溶液に添加し、ホットスターラーを用いて50℃の温度で1時間撹拌することにより混合して、該複合金属酸化物の表面にジルコニウムエトキシドを含む溶液を付着させた。   Next, the obtained powdery composite metal oxide is added to a solution obtained by dissolving 5 mol% of zirconium ethoxide in ethanol with respect to the composite metal oxide, and 1 at a temperature of 50 ° C. using a hot stirrer. By mixing for a period of time, the solution containing zirconium ethoxide was adhered to the surface of the composite metal oxide.

次に、ジルコニウムエトキシドを含む溶液が表面に付着された複合金属酸化物を、吸引濾過して固液分離を行った後、得られた濾物を120℃の温度で12時間減圧乾燥させることにより、該濾物に含まれる2−プロパノールを除去した。次に、2−プロパノールが除去された濾物を5℃/分の速度で600℃の温度に昇温し、600℃の温度で6時間保持することにより、無機粒子を得た。得られた無機粒子は、化学式LiLaZr12で表わされるガーネット型構造を備える複合金属酸化物の表面が、酸化ジルコニウムを含む被覆層により被覆されている。 Next, the composite metal oxide having a solution containing zirconium ethoxide attached to the surface is subjected to solid filtration by suction filtration, and then the obtained residue is dried under reduced pressure at a temperature of 120 ° C. for 12 hours. Thus, 2-propanol contained in the filtrate was removed. Next, the filtrate from which 2-propanol was removed was heated to a temperature of 600 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and held at a temperature of 600 ° C. for 6 hours to obtain inorganic particles. In the obtained inorganic particles, the surface of the composite metal oxide having a garnet structure represented by the chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is covered with a coating layer containing zirconium oxide.

〔2.無機粒子及び有機高分子を含むペーストの調製〕
次に、有機高分子として、40質量%のスチレンブタジエンゴム(SBR)分散液と、1.5質量%のカルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液と用い、得られた無機粒子と、SBRと、CMCとを、98:1:1の質量比で混合し、自転・公転ミキサーを用いて撹拌することにより混合物を得た。次に、得られた混合物を、脱泡した後、薄膜旋回型ミキサーを用いて混合することにより、無機粒子及び有機高分子を含むペーストとして、前記無機粒子とSBRとCMCとが分散した第1のペーストを調製した。
[2. Preparation of paste containing inorganic particles and organic polymer]
Next, as an organic polymer, 40% by mass of styrene butadiene rubber (SBR) dispersion and 1.5% by mass of carboxymethylcellulose (CMC) aqueous solution were used, and the obtained inorganic particles, SBR, and CMC were used. The mixture was obtained by mixing at a mass ratio of 98: 1: 1 and stirring using a rotation / revolution mixer. Next, after defoaming the obtained mixture, the inorganic particles, SBR, and CMC were dispersed as a paste containing inorganic particles and an organic polymer by mixing using a thin-film swirling mixer. A paste was prepared.

〔3.負極の作製〕
次に、Si粉末(平均粒子径10μm)と、ケッチェンブラック(商品名:EC600JD、ライオン株式会社、以下、KBと略記する)と、フレーク状の銅粉末(三井金属鉱業株式会社)と、固形分を40質量%含有するポリアミック酸溶液(商品名:SKYBOND700、株式会社I.S.T)とを、75:5:5:15の質量比で混合し、自転・公転ミキサーを用いて撹拌することにより混合物を得た。次に、得られた混合物を、脱泡した後、薄膜旋回型ミキサーを用いて混合することにより、前記Si粉末と、KBと、銅粉末と、ポリアミック酸とが分散した第2のペーストを得た。
[3. Production of negative electrode]
Next, Si powder (average particle size 10 μm), Ketjen black (trade name: EC600JD, Lion Corporation, hereinafter abbreviated as KB), flaky copper powder (Mitsui Metal Mining Co., Ltd.), solid A polyamic acid solution containing 40% by mass (trade name: SKYBOND700, I.S.T.) is mixed at a mass ratio of 75: 5: 5: 15 and stirred using a rotation / revolution mixer. This gave a mixture. Next, after defoaming the obtained mixture, the second paste in which the Si powder, KB, copper powder, and polyamic acid are dispersed is obtained by mixing using a thin film swirling mixer. It was.

次に、ドクターブレードを用いるキャスティング法により、厚さ約40μmの電解銅箔(福田金属箔粉工業株式会社)からなる負極集電体3上に、前記第2のペーストからなる薄膜を形成し、その後、200Paの真空下、300℃の温度で3時間加熱することにより、ポリアミック酸を重合させるとともに、イミド化させて、厚さ約50μmの負極活物質層4を形成した。この結果、負極活物質層4が負極集電体3上に形成してなる負極5を得た。   Next, a thin film made of the second paste is formed on the negative electrode current collector 3 made of an electrolytic copper foil (Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.) having a thickness of about 40 μm by a casting method using a doctor blade, Thereafter, the polyamic acid was polymerized and imidized by heating at a temperature of 300 ° C. under a vacuum of 200 Pa to form the negative electrode active material layer 4 having a thickness of about 50 μm. As a result, a negative electrode 5 in which the negative electrode active material layer 4 was formed on the negative electrode current collector 3 was obtained.

〔4.電解質−負極構造体の作製〕
次に、ドクターブレードを用いるキャスティング法により、得られた負極5の負極活物質層4上に、前記第1のペーストからなる薄膜を形成し、70℃の温度で2時間加熱して乾燥させることにより、負極5と該第1のペーストの乾燥体6aとからなる積層体を形成した。次に、得られた積層体を直径17mmの円形に切断した後、20MPaの圧力で加圧して負極活物質層4と第1のペーストの乾燥体6aとを接合して一体化させ、その後200Paの真空下、150℃の温度で加熱することにより、接合体7aを形成した。
[4. Preparation of electrolyte-negative electrode structure]
Next, a thin film made of the first paste is formed on the negative electrode active material layer 4 of the obtained negative electrode 5 by a casting method using a doctor blade, and dried by heating at a temperature of 70 ° C. for 2 hours. Thus, a laminate composed of the negative electrode 5 and the dried body 6a of the first paste was formed. Next, after cutting the obtained laminate into a circle having a diameter of 17 mm, the negative electrode active material layer 4 and the dry body 6a of the first paste are joined and integrated by pressurizing with a pressure of 20 MPa, and then 200 Pa. The joined body 7a was formed by heating at a temperature of 150 ° C. under a vacuum of.

次に、得られた接合体7aについて、SEMにより断面を観察した。図2に接合体7aの断面画像を示す。図2から、前記無機粒子及び前記有機高分子からなる乾燥体6aと負極活物質層4とが一体化していることが明らかである。   Next, a cross section of the obtained bonded body 7a was observed by SEM. FIG. 2 shows a cross-sectional image of the joined body 7a. From FIG. 2, it is clear that the dry body 6a made of the inorganic particles and the organic polymer and the negative electrode active material layer 4 are integrated.

次に、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とを1:1の体積比で混合してなる有機溶媒に、支持塩としてのLiPFを0.8mol/Lの濃度で溶解し、リチウムイオン伝導性を有する電解液を調製した。得られた電解液88質量部とポリアクリロニトリル粉末(分子量:150000)とを、アルゴン雰囲気下、120℃の温度で混合してゾル状液体を調製した。 Next, LiPF 6 as a supporting salt is dissolved at a concentration of 0.8 mol / L in an organic solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) at a volume ratio of 1: 1. An electrolytic solution having ionic conductivity was prepared. 88 parts by mass of the obtained electrolytic solution and polyacrylonitrile powder (molecular weight: 150,000) were mixed at a temperature of 120 ° C. in an argon atmosphere to prepare a sol-like liquid.

次に、接合体7aに対して前記ゾル状液体を圧入により含浸させて室温で12時間静置することにより、接合体7aに存在する空孔を該ゾル状液体で満たすとともに、該ゾル状液体を自然冷却してゲル化した。以上により、固体電解質6と負極5の負極活物質層4とが一体化した電解質−負極構造体7を形成した。得られた電解質−負極構造体7において、前記無機粒子とSBR及びCMCからなる前記有機高分子との体積比は、81.8:18.2であった。   Next, the joined body 7a is impregnated with the sol-like liquid by press-fitting and allowed to stand at room temperature for 12 hours, so that the pores present in the joined body 7a are filled with the sol-like liquid and the sol-like liquid is filled. Was naturally cooled and gelled. Thus, an electrolyte-negative electrode structure 7 in which the solid electrolyte 6 and the negative electrode active material layer 4 of the negative electrode 5 were integrated was formed. In the obtained electrolyte-negative electrode structure 7, the volume ratio of the inorganic particles to the organic polymer composed of SBR and CMC was 81.8: 18.2.

〔5.正極及びリチウムイオン二次電池の作製〕
次に、カーボンコートされたLiFePO粉末(宝泉株式会社製)と、導電助剤としてのケッチェンブラック(商品名:EC600JD、株式会社ライオン製)と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、88:6:6の質量比で、溶媒としてエタノールを用いて混合し、正極混合物を得た。
[5. Preparation of positive electrode and lithium ion secondary battery]
Next, carbon-coated LiFePO 4 powder (manufactured by Hosen Co., Ltd.), ketjen black (trade name: EC600JD, manufactured by Lion Corporation) as a conductive additive, and polytetrafluoroethylene (as a binder) PTFE) at a mass ratio of 88: 6: 6 using ethanol as a solvent to obtain a positive electrode mixture.

得られた正極混合物を、直径16mmのダイスでペレット状に成形した後、正極集電体としてのステンレス製メッシュ(SUS316L)に圧着することにより、該正極集電体上に正極活物質としてのLiFePOを含む正極活物質層を形成してなる正極2を得た。 The obtained positive electrode mixture was formed into a pellet shape with a die having a diameter of 16 mm, and then pressed onto a stainless mesh (SUS316L) as a positive electrode current collector, whereby LiFePO as a positive electrode active material was formed on the positive electrode current collector. A positive electrode 2 formed by forming a positive electrode active material layer containing 4 was obtained.

次に、本実施例で得られた電解質−負極構造体7の固体電解質6に正極2を密着させることにより、リチウムイオン二次電池1を作製した。   Next, the lithium ion secondary battery 1 was produced by sticking the positive electrode 2 to the solid electrolyte 6 of the electrolyte-negative electrode structure 7 obtained in this example.

〔6.リチウムイオン二次電池のサイクル性能の評価〕
本実施例で得られた電解質−負極構造体7を備えるリチウムイオン二次電池を電気化学測定装置(東方技研株式会社製)に装着した。次に、25℃の温度下において、正極2と負極5との間に電流を印加してセル電圧が4.0Vになるまで充電した後に、セル電圧が2.0Vになるまで放電する操作を100サイクル繰り返すことにより、サイクル性能を評価した。前記電流の印加は0.375mA/cmの電流密度で行った。各サイクル終了時における放電容量密度を図3に示し、100サイクル目の放電容量密度を表1に示す。
[6. (Evaluation of cycle performance of lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery provided with the electrolyte-negative electrode structure 7 obtained in this example was mounted on an electrochemical measurement device (manufactured by Toho Giken Co., Ltd.). Next, an operation of applying a current between the positive electrode 2 and the negative electrode 5 at a temperature of 25 ° C. to charge the cell voltage to 4.0 V and then discharging the cell voltage to 2.0 V is performed. The cycle performance was evaluated by repeating 100 cycles. The current application was performed at a current density of 0.375 mA / cm 2 . The discharge capacity density at the end of each cycle is shown in FIG. 3, and the discharge capacity density at the 100th cycle is shown in Table 1.

〔実施例2〕
本実施例では、まず、前記5mol%のジルコニウムエトキシドをエタノールに溶解した溶液に代えて、前記複合金属酸化物に対して5mol%のジルコニウムエトキシド及び5mol%のリチウムエトキシドをエタノールに溶解した溶液を用いた以外は、実施例1と全く同一にして、無機粒子を調製した。得られた無機粒子は、化学式LiLaZr12で表わされるガーネット型構造を備える複合金属酸化物の表面が、酸化ジルコニウム及びジルコニウム酸リチウムを含む被覆層により被覆されている。
[Example 2]
In this example, first, instead of the solution in which 5 mol% of zirconium ethoxide was dissolved in ethanol, 5 mol% of zirconium ethoxide and 5 mol% of lithium ethoxide were dissolved in ethanol with respect to the composite metal oxide. Inorganic particles were prepared in the same manner as in Example 1 except that the solution was used. In the obtained inorganic particles, the surface of the composite metal oxide having a garnet structure represented by the chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is coated with a coating layer containing zirconium oxide and lithium zirconate.

次に、本実施例で得られた無機粒子を用いた以外は実施例1と全く同一にして、リチウムイオン二次電池1を作製した。   Next, a lithium ion secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the inorganic particles obtained in this example were used.

次に、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池1を用いた以外は実施例1と全く同一にして、サイクル性能を評価した。100サイクル目の放電容量密度を表1に示す。   Next, the cycle performance was evaluated in exactly the same manner as in Example 1 except that the lithium ion secondary battery 1 obtained in this example was used. Table 1 shows the discharge capacity density at the 100th cycle.

〔実施例3〕
本実施例では、まず、前記5mol%のジルコニウムエトキシドをエタノールに溶解した溶液に代えて、該複合金属酸化物に対して5mol%のイットリウムイソプロポキシド及び5mol%のリチウムイソプロポキシドを2−プロパノール溶液に溶解した溶液を用いた以外は、実施例1と全く同一にして、無機粒子を調製した。得られた無機粒子は、化学式LiLaZr12で表わされるガーネット型構造を備える複合金属酸化物の表面が、酸化イットリウム及びイットリウム酸リチウムを含む被覆層により被覆されている。
Example 3
In this example, first, instead of the solution of 5 mol% of zirconium ethoxide dissolved in ethanol, 5 mol% of yttrium isopropoxide and 5 mol% of lithium isopropoxide were added to the composite metal oxide. Inorganic particles were prepared in the same manner as in Example 1 except that a solution dissolved in a propanol solution was used. In the obtained inorganic particles, the surface of the composite metal oxide having a garnet structure represented by the chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is coated with a coating layer containing yttrium oxide and lithium yttrium oxide.

次に、本実施例で得られた無機粒子を用いた以外は実施例1と全く同一にして、リチウムイオン二次電池1を作製した。   Next, a lithium ion secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the inorganic particles obtained in this example were used.

次に、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池1を用いた以外は実施例1と全く同一にして、サイクル性能を評価した。100サイクル目の放電容量密度を表1に示す。   Next, the cycle performance was evaluated in exactly the same manner as in Example 1 except that the lithium ion secondary battery 1 obtained in this example was used. Table 1 shows the discharge capacity density at the 100th cycle.

〔実施例4〕
本実施例では、まず、前記5mol%のジルコニウムエトキシドをエタノールに溶解した溶液に代えて、該複合金属酸化物に対して5mol%のイットリウムイソプロポキシド及び10mol%のリチウムイソプロポキシドを2−プロパノール溶液に溶解した溶液を用いた以外は、実施例1と全く同一にして、無機粒子を調製した。得られた無機粒子は、化学式LiLaZr12で表わされるガーネット型構造を備える複合金属酸化物の表面が、酸化イットリウム及びイットリウム酸リチウムを含む被覆層により被覆されている。
Example 4
In this example, first, instead of the solution of 5 mol% of zirconium ethoxide dissolved in ethanol, 5 mol% of yttrium isopropoxide and 10 mol% of lithium isopropoxide were added to the composite metal oxide. Inorganic particles were prepared in the same manner as in Example 1 except that a solution dissolved in a propanol solution was used. In the obtained inorganic particles, the surface of the composite metal oxide having a garnet structure represented by the chemical formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is coated with a coating layer containing yttrium oxide and lithium yttrium oxide.

次に、本実施例で得られた無機粒子を用いた以外は実施例1と全く同一にして、リチウムイオン二次電池1を作製した。   Next, a lithium ion secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the inorganic particles obtained in this example were used.

次に、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池1を用いた以外は実施例1と全く同一にして、サイクル性能を評価した。100サイクル目の放電容量密度を表1に示す。   Next, the cycle performance was evaluated in exactly the same manner as in Example 1 except that the lithium ion secondary battery 1 obtained in this example was used. Table 1 shows the discharge capacity density at the 100th cycle.

〔比較例1〕
本比較例では、実施例1と全く同一にして前記粉末状の複合金属酸化物を調製し、該複合金属酸化物を無機粒子とした。得られた無機粒子は、前記複合金属酸化物の表面に被覆層を備えていない。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, the powdery composite metal oxide was prepared exactly as in Example 1, and the composite metal oxide was used as inorganic particles. The obtained inorganic particles do not have a coating layer on the surface of the composite metal oxide.

次に、本比較例で得られた無機粒子を用いた以外は実施例1と全く同一にして、リチウムイオン二次電池1を作製した。   Next, a lithium ion secondary battery 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the inorganic particles obtained in this comparative example were used.

次に、本比較例で得られたリチウムイオン二次電池1を用いた以外は実施例1と全く同一にして、サイクル性能を評価した。各サイクル終了時における放電容量密度を図3に示し、100サイクル目の放電容量密度を表1に示す。   Next, the cycle performance was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the lithium ion secondary battery 1 obtained in this comparative example was used. The discharge capacity density at the end of each cycle is shown in FIG. 3, and the discharge capacity density at the 100th cycle is shown in Table 1.

図3から、   From FIG.

図3から、電解質−負極構造体7を構成する無機粒子が前記複合金属酸化物の表面に酸化ジルコニウムを含む被覆層を備える実施例1のリチウムイオン二次電池1は、該複合金属酸化物の表面に被覆層を全く備えていない比較例1のリチウムイオン二次電池1と比較して、充放電を繰り返したときに、サイクル性能が優れていることが明らかである。   From FIG. 3, the lithium ion secondary battery 1 of Example 1 in which the inorganic particles constituting the electrolyte-negative electrode structure 7 have a coating layer containing zirconium oxide on the surface of the composite metal oxide is As compared with the lithium ion secondary battery 1 of Comparative Example 1 having no coating layer on the surface, it is clear that the cycle performance is excellent when charging and discharging are repeated.

また、表1から、電解質−負極構造体7を構成する無機粒子が前記複合金属酸化物の表面に、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含む被覆層を備える実施例1−4のリチウムイオン二次電池は、該複合金属酸化物の表面に被覆層を全く備えていない比較例1のリチウムイオン二次電池1と比較して、100サイクル目の充放電において優れた放電容量密度を備えることが明らかである。また、前記無機粒子がZr酸化物を含む被覆層を備える実施例1−2のリチウムイオン二次電池1は、100サイクル目の充放電において特に優れた放電容量密度を備えることが明らかである。   Further, from Table 1, the inorganic particles constituting the electrolyte-negative electrode structure 7 are coated with the oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr on the surface of the composite metal oxide. Compared with the lithium ion secondary battery 1 of Comparative Example 1 in which the lithium ion secondary battery of Example 1-4 including the layer does not include any coating layer on the surface of the composite metal oxide, the 100th cycle It is clear that it has an excellent discharge capacity density in charge and discharge. Moreover, it is clear that the lithium ion secondary battery 1 of Example 1-2 in which the inorganic particles have a coating layer containing a Zr oxide has a particularly excellent discharge capacity density in charge and discharge at the 100th cycle.

1…リチウムイオン二次電池、 3…集電体(負極集電体)、 4…負極活物質層、 5…負極、 6…固体電解質、 7…電解質−負極構造体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lithium ion secondary battery, 3 ... Current collector (negative electrode current collector), 4 ... Negative electrode active material layer, 5 ... Negative electrode, 6 ... Solid electrolyte, 7 ... Electrolyte-negative electrode structure.

Claims (3)

リチウムイオン二次電池に用いられる電解質−負極構造体であって、
集電体上にリチウムイオンを吸蔵可能な材料からなる負極活物質層を形成してなる負極と、
リチウムイオン伝導性を有する無機粒子、該無機粒子を結着するとともに高分子ゲルを含浸可能な有機高分子、及びリチウムイオン伝導性を有する電解液を保持するとともに該有機高分子に含浸される高分子ゲルを含む固体電解質とを備え、
該負極活物質層と該固体電解質とが該有機高分子を媒体として一体化していて、
該無機粒子は、化学式Li7−yLa3−xZr2−y12(式中、AはY、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属であり、xは0≦x<3の範囲であり、MはNb又はTaであり、yは0≦y<2の範囲である)で表され、ガーネット型構造を備える複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面を被覆する被覆膜とを備え、該被覆膜は、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含むことを特徴とする電解質−負極構造体。
An electrolyte-negative electrode structure used in a lithium ion secondary battery,
A negative electrode formed by forming a negative electrode active material layer made of a material capable of occluding lithium ions on a current collector;
Inorganic particles having lithium ion conductivity, organic polymers that bind the inorganic particles and can be impregnated with a polymer gel, and high electrolytes that retain an electrolyte having lithium ion conductivity and are impregnated in the organic polymer A solid electrolyte containing a molecular gel,
The negative electrode active material layer and the solid electrolyte are integrated using the organic polymer as a medium,
Inorganic particles, the chemical formula Li 7-y La 3-x A x Zr 2-y M y O 12 ( wherein, A is Y, Nd, Sm, any one metal selected from the group consisting of Gd X is in the range of 0 ≦ x <3, M is Nb or Ta, and y is in the range of 0 ≦ y <2, and a composite metal oxide having a garnet-type structure, A coating film that covers the surface of the composite metal oxide, the coating film including an oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr Electrolyte-negative electrode structure.
請求項1記載の電解質−負極構造体において、
前記被覆膜は、Zr酸化物を含むことを特徴とする電解質−負極構造体。
The electrolyte-negative electrode structure according to claim 1,
The coating film comprises an electrolyte-negative electrode structure containing a Zr oxide.
集電体上にリチウムイオンを吸蔵可能な材料からなる負極活物質層を形成してなる負極と、
リチウムイオン伝導性を有する無機粒子、該無機粒子を結着するとともに高分子ゲルを含浸可能な有機高分子、及びリチウムイオン伝導性を有する電解液を保持するとともに該有機高分子に含浸される高分子ゲルを含む固体電解質とを備え、
該負極活物質層と該固体電解質とが該有機高分子を媒体として一体化していて、
該無機粒子は、化学式Li7−yLa3−xZr2−y12(式中、AはY、Nd、Sm、Gdからなる群から選択されるいずれか1種の金属であり、xは0≦x<3の範囲であり、MはNb又はTaであり、yは0≦y<2の範囲である)で表され、ガーネット型構造を備える複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面を被覆する被覆膜とを備え、該被覆膜は、Li、Y、Zrからなる群から選択される1種以上の金属の酸化物を含む電解質−負極構造体を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A negative electrode formed by forming a negative electrode active material layer made of a material capable of occluding lithium ions on a current collector;
Inorganic particles having lithium ion conductivity, organic polymers that bind the inorganic particles and can be impregnated with a polymer gel, and high electrolytes that retain an electrolyte having lithium ion conductivity and are impregnated in the organic polymer A solid electrolyte containing a molecular gel,
The negative electrode active material layer and the solid electrolyte are integrated using the organic polymer as a medium,
Inorganic particles, the chemical formula Li 7-y La 3-x A x Zr 2-y M y O 12 ( wherein, A is Y, Nd, Sm, any one metal selected from the group consisting of Gd X is in the range of 0 ≦ x <3, M is Nb or Ta, and y is in the range of 0 ≦ y <2, and a composite metal oxide having a garnet-type structure, A coating film that covers the surface of the composite metal oxide, wherein the coating film includes an oxide of one or more metals selected from the group consisting of Li, Y, and Zr. A lithium ion secondary battery comprising:
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