JP6099407B2 - All-solid-state energy storage device - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池等の、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を用いた全固体蓄電素子に関する。   The present invention relates to an all-solid-state energy storage device using a solid electrolyte having lithium ion conductivity, such as a lithium ion capacitor and a lithium ion secondary battery.

近年、リチウムイオン二次電池が高いエネルギー密度の観点から注目されている。しかしながら、現在広く使用されているリチウムイオン二次電池は、可燃性の有機溶媒にリチウム塩を溶解した有機電解液が主流であるため、液漏れ等に対する安全性の確保が重要な課題となっている。これに対して、電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体電池が、可燃性の有機溶媒を使用する必要が無い安全性の高い電池として提案されている。   In recent years, lithium ion secondary batteries have attracted attention from the viewpoint of high energy density. However, since lithium ion secondary batteries currently widely used are mainly organic electrolytes in which lithium salts are dissolved in flammable organic solvents, it is important to ensure safety against liquid leakage and the like. Yes. On the other hand, an all-solid battery using a solid electrolyte instead of an electrolytic solution has been proposed as a highly safe battery that does not require the use of a flammable organic solvent.

そのような全固体電池として、Ni−Co−Al系の配向正極活物質膜を用いた全固体電池が提案されている。例えば、特許文献1(特許第4745463号公報)には、一般式:Li(Ni,Co,Al)O(式中、0.9≦p≦1.3、0.6<x≦0.9、0.1<y≦0.3、0≦z≦0.2、x+y+z=1)で表され、層状岩塩構造を有する活物質膜が開示されており、(003)面が粒子の板面と交差するように配向されることで、固体型リチウム二次電池の正極材料として用いた際における高容量と高レート特性との同時実現を可能としている。このような構成の電池では、配向によりリチウムイオン及び電子の伝導性が向上しているため、導電助剤、バインダー等を用いることなく、セラミックス板形態の正極活物質のみで電極を構成することができ、高い容量密度が実現可能となる。その上、正極活物質のリチウム出入り面が固体電解質と界面を形成するため、小さな損失で充放電が可能な固体電池が提供可能である。 As such an all solid state battery, an all solid state battery using a Ni—Co—Al based positive electrode active material film has been proposed. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4745463) discloses a general formula: Li p (Ni x , Co y , Al z ) O 2 (where 0.9 ≦ p ≦ 1.3, 0.6 < x ≦ 0.9, 0.1 <y ≦ 0.3, 0 ≦ z ≦ 0.2, x + y + z = 1), and an active material film having a layered rock salt structure is disclosed, and (003) plane Is oriented so as to intersect the plate surface of the particles, so that high capacity and high rate characteristics can be realized simultaneously when used as a positive electrode material of a solid-state lithium secondary battery. In the battery having such a configuration, since the conductivity of lithium ions and electrons is improved by the orientation, the electrode can be constituted only by the positive electrode active material in the form of a ceramic plate without using a conductive auxiliary agent, a binder, or the like. And a high capacity density can be realized. In addition, since the lithium entrance / exit surface of the positive electrode active material forms an interface with the solid electrolyte, it is possible to provide a solid battery that can be charged and discharged with a small loss.

ところで、リチウムイオン電池では、正極と負極で異なる活物質が用いられている。すなわちリチウム挿入(insertion)にともなう酸化還元電位が貴な物質が正極として、卑な物質が負極として使用される。このように電池の端子電極は極性を有することから、電池の実装においては極性を識別して行われる必要がある。特に、1辺が5mm以下のような小型電池の場合には、実装における製造コストや作業負荷が大きい。このような問題に対し、特許文献2(特開2011−146202号公報)では、一つの電池セルの正極ともう一つの電池セルの負極が同じ端子電極に接続されるように電池セルを配置した無極性電池セル、すなわち実装において極性の識別が不要な電池セルが開示されている。しかしながら、このような構成では、一つの電池セルの正極ともう一つの電池セルの負極とが短絡している状態となるため、損失が大きくなるものと考えられる。   By the way, in the lithium ion battery, different active materials are used for the positive electrode and the negative electrode. That is, a material having a noble oxidation-reduction potential associated with lithium insertion is used as a positive electrode, and a base material is used as a negative electrode. Thus, since the terminal electrode of a battery has polarity, in mounting of a battery, it is necessary to identify and perform polarity. In particular, in the case of a small battery having a side of 5 mm or less, the manufacturing cost and work load in mounting are large. For such a problem, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-146202), the battery cell is arranged so that the positive electrode of one battery cell and the negative electrode of another battery cell are connected to the same terminal electrode. Nonpolar battery cells, that is, battery cells that do not require identification of polarity in mounting, are disclosed. However, in such a configuration, since the positive electrode of one battery cell and the negative electrode of another battery cell are short-circuited, it is considered that the loss increases.

一方、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質としては、LiLaZr12(以下、LLZという)系の組成を有するガーネット型のセラミックス材料が注目されている。例えば、特許文献3(特開2011−051800号公報)には、LLZの基本元素であるLi,La及びZrに加えてAlを加えることで、緻密性やリチウムイオン伝導率を向上できることが開示されている。特許文献4(特開2011−073962号公報)には、LLZの基本元素であるLi、La及びZrに加えてNb及び/又はTaを加えることで、リチウムイオン伝導率を更に向上できることが開示されている。特許文献5(特開2011−073963号公報)には、Li、La、Zr及びAlを含み、Laに対するLiのモル比を2.0〜2.5とすることで、緻密性を更に向上できることが開示されている。 On the other hand, as a solid electrolyte having lithium ion conductivity, a garnet-type ceramic material having a Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as LLZ) -based composition has attracted attention. For example, Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-051800) discloses that the addition of Al in addition to Li, La and Zr, which are basic elements of LLZ, can improve the density and lithium ion conductivity. ing. Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-073962) discloses that lithium ion conductivity can be further improved by adding Nb and / or Ta in addition to Li, La, and Zr, which are basic elements of LLZ. ing. Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-073963) includes Li, La, Zr, and Al, and the density can be further improved by setting the molar ratio of Li to La to 2.0 to 2.5. Is disclosed.

特許第4745463号公報Japanese Patent No. 4745463 特開2011−146202号公報JP 2011-146202 A 特開2011−051800号公報JP 2011-051800 A 特開2011−073962号公報JP 2011-073962 A 特開2011−073963号公報JP 2011-073963 A

本発明者らは、今般、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を、リチウムイオンを吸蔵脱離可能なリチウム−遷移金属系複合酸化物からなる二枚の電極間で挟持させる構成とすることで、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、少ない損失で双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子を提供できるとの知見を得た。   In general, the present inventors have a configuration in which a solid electrolyte having lithium ion conductivity is sandwiched between two electrodes made of a lithium-transition metal composite oxide capable of inserting and extracting lithium ions, The inventor has obtained knowledge that it is possible to provide a non-polar power storage element that can be charged / discharged in both directions with little loss, while having an extremely simple configuration that does not require polarity identification.

したがって、本発明の目的は、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、少ない損失で双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a non-polar storage element that can be charged and discharged bidirectionally with little loss, while having a very simple configuration that does not require polarity identification.

本発明の一態様によれば、
リチウムイオンを吸蔵脱離可能なリチウム−遷移金属系複合酸化物からなる第一電極及び第二電極と、
前記第一電極及び前記第二電極の間に介在され、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質と、
を備えた、全固体蓄電素子が提供される。
According to one aspect of the invention,
A first electrode and a second electrode made of a lithium-transition metal composite oxide capable of absorbing and desorbing lithium ions;
A solid electrolyte interposed between the first electrode and the second electrode and having lithium ion conductivity;
An all-solid-state energy storage device is provided.

本発明による全固体蓄電素子の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the all-solid-state electrical storage element by this invention. 本発明による全固体蓄電素子の充電(I)から放電(II)を経て逆充電(III)に至る一連の過程及びその逆の過程における、リチウムイオン量及び酸化還元の平衡電位の変化を説明する図である。図中、Eは蓄電素子の電位差を、Emaxは平衡電位の最大値を、Eminは平衡電位の最小値を、Eeqは放電完了時の平衡電位を示す。A change in lithium ion content and oxidation-reduction equilibrium potential in a series of processes from charging (I) to discharging (II) to reverse charging (III) of the all-solid-state energy storage device according to the present invention and vice versa will be described. FIG. In the figure, E represents the potential difference of the power storage elements, E max represents the maximum value of the equilibrium potential, E min represents the minimum value of the equilibrium potential, and E eq represents the equilibrium potential at the completion of discharge. 第一電極及び第二電極における酸化還元電位とリチウムイオン量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the oxidation reduction potential in a 1st electrode and a 2nd electrode, and the amount of lithium ions. 本発明によるスタック型の全固体蓄電素子の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a stack-type all-solid-state energy storage device according to the present invention.

全固体蓄電素子
図1に、本発明による全固体蓄電素子の構成を模式的に示す。図1に示される全固体蓄電素子10は、第一電極12、第二電極14及び固体電解質16を備えてなる。第一電極12及び第二電極14は共に、リチウムイオンを吸蔵脱離可能なリチウム−遷移金属系複合酸化物からなる(comprise)。固体電解質16は、第一電極12及び第二電極14の間に介在され、リチウムイオン伝導性を有する。このように、第一電極12及び第二電極14は構成に相違は無く、荷電状態ないし印加電圧に応じて正負極いずれにも機能しうる無極性電極である。すなわち、リチウムイオンを吸蔵脱離可能な電極12,14を無極性電極として用い、リチウムイオン伝導性の固体電解質16と組み合わせることで、電極間電位差に応じてリチウムイオンが電極12,14間で双方向に移動可能となる。これは、第一電極12及び第二電極14を構成するリチウム−遷移金属系複合酸化物は、リチウムイオンの吸蔵により酸化還元電位が低下し、かつ、リチウムイオンの脱離により酸化還元電位が上昇する性質を一般的に有するからである。このようにリチウムイオンの吸蔵や脱離に応じて酸化還元電位が変化することで、充放電が可能となる。したがって、このような性質を有する両電極12,14間にリチウムイオン伝導性を有する固体電解質16を介在させることで正負極を問わずに双方向の充放電が可能となり、無極性蓄電素子としての機能が確保される。すなわち、充電においては、リチウムイオン量が等しくなるように初期設定された第一電極12及び第二電極14間に電圧が印加されると、高電位側の電極から固体電解質を経て低電位の電極にリチウムイオンが移動する結果、電荷が蓄積される。一方、放電においては、低電位側の電極から固体電解質を経て高電位の電極にリチウムイオンが移動する結果、両電極は等電位となり電位差はゼロとなる。そして、第一電極12及び第二電極14は構成に相違は無いので、逆方向に充電させた場合であっても同様の原理により電荷が蓄積されて放電される。
All-solid-state electricity storage device FIG. 1 schematically shows the configuration of an all-solid-state electricity storage device according to the present invention. The all-solid-state energy storage device 10 shown in FIG. 1 includes a first electrode 12, a second electrode 14, and a solid electrolyte 16. Both the first electrode 12 and the second electrode 14 are composed of a lithium-transition metal composite oxide capable of absorbing and desorbing lithium ions. The solid electrolyte 16 is interposed between the first electrode 12 and the second electrode 14 and has lithium ion conductivity. Thus, the first electrode 12 and the second electrode 14 have no difference in configuration, and are nonpolar electrodes that can function as either a positive electrode or a negative electrode depending on the charged state or applied voltage. That is, by using the electrodes 12 and 14 capable of occluding and desorbing lithium ions as non-polar electrodes and combining with the lithium ion conductive solid electrolyte 16, both lithium ions are transferred between the electrodes 12 and 14 in accordance with the potential difference between the electrodes. It becomes possible to move in the direction. This is because the lithium-transition metal composite oxide constituting the first electrode 12 and the second electrode 14 has a reduced redox potential due to occlusion of lithium ions and an increased redox potential due to lithium ion desorption. This is because it generally has the property of As described above, charging / discharging can be performed by changing the oxidation-reduction potential in accordance with insertion and extraction of lithium ions. Therefore, by interposing the solid electrolyte 16 having lithium ion conductivity between the electrodes 12 and 14 having such properties, bidirectional charge / discharge can be performed regardless of the positive and negative electrodes, and as a nonpolar storage element Function is secured. That is, in charging, when a voltage is applied between the first electrode 12 and the second electrode 14 that are initially set so that the amounts of lithium ions are equal, a low potential electrode passes from the high potential side electrode through the solid electrolyte. As a result of the movement of lithium ions, the charge is accumulated. On the other hand, in the discharge, lithium ions move from the low potential side electrode to the high potential electrode through the solid electrolyte. As a result, both electrodes become equipotential and the potential difference becomes zero. Since the first electrode 12 and the second electrode 14 have no difference in configuration, charges are accumulated and discharged according to the same principle even when charged in the opposite direction.

したがって、第一電極の組成がLix−αMO(式中、MはLi及びO以外の構成元素、x及びyは任意の数であり、0<α<xである)で表されるとき、第二電極の組成がLix+αMOと表され、第一電極の組成がLix+αMOで表されるとき、第二電極の組成がLix−αMOと表されることができる。この表現を用いて上述の充放電を説明する図が図2に示される。まず、図2の「II 放電」に示されるように、放電完了時における蓄電素子10の電位差Eは0であり(すなわち両電極は等しい平衡電位Eeqを有する)リチウムの量を示す係数xは第一電極12及び第二電極14共に同じ値である。そして、蓄電素子10が充電されると、図2の「I 充電」に示されるように、第一電極12の平衡電位がEminと低下してリチウムイオンの供給及び挿入によりリチウム量がx+αに増加する一方、第二電極14の平衡電位がEmaxと上昇してリチウムイオンの脱離及び放出によりリチウム量がx−αに減少する結果、蓄電素子10には電位差E=Emax−Emin>0が生じる。なお、この充電とは逆方向に充電を行った場合には、図2の「III 逆充電」に示されるように「I 充電」の場合と第一電極12及び第二電極14における電位及びリチウム量の関係が逆転し、蓄電素子10には反対の電位差E=Emin−Emax<0が生じる。このように、本発明による蓄電素子10は無極性の極めて簡素な構成でありながら双方向に充放電可能である。また、特開2011−146202号公報にみられるような正負極間を短絡するような構成を採る必要も無いので、少ない損失で充放電可能である。その上、実装において極性の識別が不要となるので、製造コストや作業負荷も低減できる。 Therefore, the composition of the first electrode is represented by Li x-α MO y (wherein M is a constituent element other than Li and O, x and y are arbitrary numbers, and 0 <α <x). When the composition of the second electrode is expressed as Li x + α MO y and the composition of the first electrode is expressed as Li x + α MO y , the composition of the second electrode may be expressed as Li x-α MO y. it can. A diagram for explaining the above-described charging / discharging using this expression is shown in FIG. First, as shown in “II discharge” in FIG. 2, the potential difference E of the electric storage element 10 at the completion of discharge is 0 (that is, both electrodes have equal equilibrium potential E eq ). The coefficient x indicating the amount of lithium is Both the first electrode 12 and the second electrode 14 have the same value. When the storage element 10 is charged, as shown in “I charge” in FIG. 2, the equilibrium potential of the first electrode 12 is reduced to E min and the lithium amount is increased to x + α by supplying and inserting lithium ions. On the other hand, the equilibrium potential of the second electrode 14 increases to E max and the amount of lithium decreases to x−α due to desorption and release of lithium ions. As a result, the potential difference E = E max −E min > 0 results. When charging is performed in the opposite direction to this charging, as shown in “III reverse charging” in FIG. 2, the potential and lithium in the case of “I charging” and the first electrode 12 and the second electrode 14 The relationship between the quantities is reversed, and an opposite potential difference E = E min −E max <0 is generated in the electric storage element 10. As described above, the power storage device 10 according to the present invention can be charged and discharged bidirectionally while having a very simple configuration with no polarity. In addition, since it is not necessary to adopt a configuration in which the positive and negative electrodes are short-circuited as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-146202, charging and discharging can be performed with little loss. In addition, since it is not necessary to identify the polarity in mounting, the manufacturing cost and workload can be reduced.

特に、リチウムイオンキャパシタとして望ましい特性を得るためには、後述する図3にも例示されるように、リチウムイオンの吸蔵や脱離に応じて酸化還元の平衡電位が最大値Emax(或いは最低値Emin)から最低値Emin(或いは最大値Emax)に向かって連続的に変化する特性が望まれる。このような特性は、層状岩塩構造のリチウム−遷移金属系複合酸化物の多くが有する特性であるが、それ以外の構造のリチウム−遷移金属系複合酸化物であってもこの特性を有しているかぎり、リチウムイオンキャパシタに好適に使用可能である。図3に、Li(Ni,Co,Al)Oで表される組成を有する第一電極及び第二電極を用いた蓄電素子における、第一電極及び第二電極における酸化還元電位とリチウムイオン量との関係を示す。図3から明らかなように、充電、放電及び逆充電の一連の過程において、第一電極の挙動と第二電極の挙動は完全に対称的なものであるため、双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子として機能しうる。 In particular, in order to obtain desirable characteristics as a lithium ion capacitor, as illustrated in FIG. 3 to be described later, the oxidation-reduction equilibrium potential is increased to a maximum value E max (or a minimum value) in accordance with insertion and extraction of lithium ions. A characteristic that continuously changes from E min ) to the minimum value E min (or the maximum value E max ) is desired. Such characteristics are the characteristics of many lithium-transition metal composite oxides with a layered rock salt structure, but even lithium-transition metal composite oxides with other structures have this characteristic. As long as it is, it can be suitably used for a lithium ion capacitor. FIG. 3 shows redox potentials and lithium ions in the first electrode and the second electrode in a power storage device using the first electrode and the second electrode having a composition represented by Li x (Ni, Co, Al) O 2. The relationship with quantity is shown. As is clear from FIG. 3, the behavior of the first electrode and the behavior of the second electrode are completely symmetrical in a series of processes of charging, discharging and reverse charging. It can function as an electrical storage element.

第一電極及び第二電極
第一電極12及び第二電極14は、リチウムイオンを吸蔵脱離可能なリチウム−遷移金属系複合酸化物からなり(comprise)、典型的にはセラミックス焼結体である。リチウムイオンを確実に吸蔵脱離可能とするためには、リチウム−遷移金属系複合酸化物は所望量のリチウムが電気化学的処理等により脱離されたものであるのが好ましい。リチウム−遷移金属系複合酸化物は、層状岩塩構造又はスピネル構造を有するのが好ましく、より好ましくは層状岩塩構造を有する。層状岩塩構造は、リチウムイオンの吸蔵により酸化還元電位が低下し、リチウムイオンの脱離により酸化還元電位が上昇する性質があり、好ましく、中でもニッケルを多く含む組成は、同一結晶相でリチウムイオンを多く脱挿入できるため、結晶相転移にともなう体積変化によるサイクル劣化が抑えられる点で、特に好ましい。ここで、層状岩塩構造とは、リチウム以外の遷移金属系層とリチウム層とが酸素原子の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち、リチウム以外の遷移金属等のイオン層とリチウムイオン層とが酸化物イオンを挟んで交互に積層された結晶構造(典型的にはα−NaFeO型構造:立方晶岩塩型構造の[111]軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列した構造)をいう。層状岩塩構造を有するリチウム−遷移金属系複合酸化物の典型例としては、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル・マンガン酸リチウム、ニッケル・コバルト酸リチウム、コバルト・ニッケル・マンガン酸リチウム、コバルト・マンガン酸リチウム等が挙げられ、これらの材料に、Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Ge,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ag,Sn,Sb,Te,Ba,Bi等の元素が1種以上更に含まれていてもよい。
The first electrode and the second electrode The first electrode 12 and the second electrode 14 are composed of a lithium-transition metal-based composite oxide capable of inserting and extracting lithium ions, and are typically ceramic sintered bodies. . In order to make it possible to occlude and desorb lithium ions with certainty, the lithium-transition metal-based composite oxide is preferably one in which a desired amount of lithium has been desorbed by electrochemical treatment or the like. The lithium-transition metal-based composite oxide preferably has a layered rock salt structure or a spinel structure, and more preferably has a layered rock salt structure. The layered rock salt structure has the property that the oxidation-reduction potential decreases due to occlusion of lithium ions, and the oxidation-reduction potential increases due to the elimination of lithium ions. Since many insertions can be removed, it is particularly preferable in that cycle deterioration due to volume change accompanying crystal phase transition can be suppressed. Here, the layered rock salt structure is a crystal structure in which transition metal layers other than lithium and lithium layers are alternately stacked with an oxygen atom layer interposed therebetween, that is, an ion layer and lithium ions of transition metals other than lithium. Crystal structure in which layers are alternately stacked with oxide ions in between (typically α-NaFeO 2 type structure: structure in which transition metal and lithium are regularly arranged in the [111] axis direction of cubic rock salt type structure ). Typical examples of the lithium-transition metal composite oxide having a layered rock salt structure include lithium nickelate, lithium manganate, nickel / lithium manganate, nickel / lithium cobaltate, cobalt / nickel / lithium manganate, cobalt / manganese. Examples of these materials include Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, and the like. One or more elements such as Sb, Te, Ba, Bi and the like may be further included.

すなわち、リチウム−遷移金属系複合酸化物は、LiM1O又はLi(M1,M2)O(式中、0<z<1、M1はNi,Mn及びCoからなる群から選択される少なくとも一種の遷移金属元素、M2はMg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Ge,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ag,Sn,Sb,Te,Ba及びBiからなる群から選択される少なくとも一種の元素である)で表される組成を有するのが好ましく、より好ましくはLi(M1,M2)Oで表され、M1がNi及びCoであり、M2はMg,Al及びZrからなる群から選択される少なくとも一種である組成であり、さらに好ましくはLi(M1,M2)Oで表され、M1がNi及びCoであり、M2がAlである。このような組成はいずれも層状岩塩構造を採ることができる。M1及びM2の合計量に占めるNiの割合が原子比は0.6以上であるのが好ましい。Liの係数zは第一電極及び第二電極の荷電状態によって変動しうるが、上記の組成は無電荷状態(蓄電素子に電荷が蓄積されていない状態)における組成を意味する。典型的には、無電荷状態においてzが0.4〜0.7の範囲であり、電荷蓄積時においてzが0.2〜1.0の範囲で変動可能である。なお、M1がNi及びCoであり、M2がAlである、Li(Ni,Co,Al)O系組成のセラミックスはNCAセラミックスと称されることがある。特に好ましいNCAセラミックスは、無電荷状態において、一般式:Li(Ni,Co,Al)O(式中、0<z<1、0.6<a≦0.9、0.1<b≦0.3、0≦c≦0.2、a+b+c=1)で表され、層状岩塩構造を有するものである。 That is, the lithium-transition metal composite oxide is Li z M1O 2 or Li z (M1, M2) O 2 (where 0 <z <1, M1 is selected from the group consisting of Ni, Mn, and Co). At least one transition metal element, M2 is Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, Te , Ba and Bi, which is at least one element selected from the group consisting of, and more preferably Li z (M1, M2) O 2 , where M1 is Ni and Co. M2 is a composition that is at least one selected from the group consisting of Mg, Al, and Zr, more preferably Li z (M1, M2) O 2 , M1 is Ni and Co, and M2 Is Al . Any of such compositions can take a layered rock salt structure. The atomic ratio of Ni in the total amount of M1 and M2 is preferably 0.6 or more. Although the coefficient z of Li can vary depending on the charge states of the first electrode and the second electrode, the above composition means a composition in an uncharged state (a state in which no charge is accumulated in the storage element). Typically, z is in a range of 0.4 to 0.7 in an uncharged state, and z can be varied in a range of 0.2 to 1.0 during charge accumulation. Note that a ceramic having a Li z (Ni, Co, Al) O 2 -based composition in which M1 is Ni and Co and M2 is Al may be referred to as NCA ceramics. Particularly preferred NCA ceramics have a general formula: Li z (Ni a , Co b , Al c ) O 2 (where 0 <z <1, 0.6 <a ≦ 0.9, 0. 1 <b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.2, a + b + c = 1), and has a layered rock salt structure.

典型的には、リチウム−遷移金属系複合酸化物は、複数の結晶粒子からなる多結晶体であり、これら複数の結晶粒子が配向されてなるのが好ましい。この配向は、層状岩塩構造の(003)面が電極の板面(主面(principal surface))と交差するように配向しているのが好ましく、より好ましくは(003)以外の面(例えば(104)面)が電極の板面と平行に配向しているのが好ましい。これにより、リチウムイオンの挿脱が容易となり、蓄電素子を構成した場合におけるレート特性が向上する。このような電極における配向度は、電極の板面からのX線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度(ピーク強度)の比率[003]/[104]で評価することができ、好ましい[003]/[104]比は2以下であり、より好ましくは1以下であり、さらに好ましくは0.5以下である。なお、このような低い[003]/[104]比は、電極の板面や内部において板面と平行に(003)面が出現している割合が減っていることを意味する。   Typically, the lithium-transition metal composite oxide is a polycrystalline body composed of a plurality of crystal particles, and the plurality of crystal particles are preferably oriented. This orientation is preferably such that the (003) plane of the layered rock salt structure intersects the plate surface (principal surface) of the electrode, more preferably a plane other than (003) (for example, ( 104) surface) is preferably oriented parallel to the plate surface of the electrode. This facilitates insertion / removal of lithium ions, and improves the rate characteristics when a power storage element is configured. The degree of orientation in such an electrode is evaluated by the ratio [003] / [104] of the diffraction intensity (peak intensity) by the (003) plane to the diffraction intensity by the (104) plane in X-ray diffraction from the plate surface of the electrode. The preferred [003] / [104] ratio is 2 or less, more preferably 1 or less, and even more preferably 0.5 or less. Note that such a low [003] / [104] ratio means that the ratio of appearance of the (003) plane parallel to the plate surface on the plate surface or inside of the electrode is reduced.

第一電極12及び第二電極14は、リチウム−遷移金属系複合酸化物からなる。第一電極及び第二電極はリチウム−遷移金属系複合酸化物以外にも導電助剤、バインダー等の任意成分を含むものであってもよいが、このような任意成分を実質的に含まない構成とすることも可能である。例えば、結晶粒子が配向されてなるリチウム−遷移金属系複合酸化物を用いる場合には、導電助剤等を使用することなくイオン移動度を向上させることができるので、活物質充填率を最大限に高めることができる。したがって、電極12,14はリチウム−遷移金属系複合酸化物のみから実質的になる(consisting essentially of)のが好ましく、より好ましくはリチウム−遷移金属系複合酸化物のみからなる(consisting of)。   The first electrode 12 and the second electrode 14 are made of a lithium-transition metal complex oxide. The first electrode and the second electrode may contain optional components such as a conductive additive and a binder in addition to the lithium-transition metal-based composite oxide, but the configuration does not substantially include such optional components. It is also possible. For example, in the case of using a lithium-transition metal composite oxide in which crystal grains are oriented, ion mobility can be improved without using a conductive auxiliary agent, etc., so that the active material filling rate can be maximized. Can be increased. Therefore, it is preferable that the electrodes 12 and 14 consist essentially of only the lithium-transition metal composite oxide, and more preferably consist only of the lithium-transition metal composite oxide.

第一電極12及び第二電極14は、気孔を有するのが好ましい。電極中に気孔が存在することで、充放電によるリチウムイオンの挿脱に伴う膨張ないし収縮によって生じうる応力を緩和することができる。さらに、接合時に生じる熱膨張係数の違い(例えばNCAセラミックスでは8.0×10−6、LLZセラミックスでは4.0×10−6)に起因する割れやクラックの発生を抑制する。これにより、緻密な板同士の接合で起こりうる界面での剥離も効果的に防止することができる。第一及び第二電極は3〜30%の空隙率を有するのが好ましく、より好ましくは5〜25%であり、さらに好ましくは10〜20%である。空隙率(voidage)は、第一及び第二電極おける気孔(開気孔及び閉気孔を含む)の体積比率であり、気孔率(porosity)と称されることもあり、電極の嵩密度と真密度とから算出可能である。全気孔に占める開気孔の容積比率(開気孔比率)は70%以上であるのが好ましく、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは95%以上である。開気孔とは電極の外部と連通した孔を意味し、この開気孔の中に電解質を充填させることができればレート特性の更なる改善が期待される。この開気孔比率は、例えば、嵩密度から求められる開気孔と閉気孔との合計と、見かけ密度から求められる閉気孔とから算出可能である。この開気孔比率の算出に用いられるパラメータは、アルキメデス法等を用いて測定可能である。 The first electrode 12 and the second electrode 14 preferably have pores. The presence of pores in the electrode can relieve stress that may be caused by expansion or contraction associated with insertion and removal of lithium ions due to charge and discharge. Moreover, the difference in thermal expansion coefficient caused during bonding (e.g., 8.0 × 10 -6 at NCA ceramics, the LLZ ceramic 4.0 × 10 -6) suppressing generation of cracks and cracks due to. As a result, it is possible to effectively prevent peeling at the interface that may occur when the dense plates are joined together. The first and second electrodes preferably have a porosity of 3 to 30%, more preferably 5 to 25%, and still more preferably 10 to 20%. The voidage is the volume ratio of pores (including open pores and closed pores) in the first and second electrodes, and is sometimes referred to as porosity, and the bulk density and true density of the electrodes. And can be calculated from The volume ratio (open pore ratio) of open pores to all pores is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and further preferably 95% or more. The open pores mean pores communicating with the outside of the electrode, and if the electrolyte can be filled in the open pores, further improvement in rate characteristics is expected. This open pore ratio can be calculated from, for example, the total of open pores and closed pores obtained from the bulk density and the closed pores obtained from the apparent density. The parameter used for calculation of the open pore ratio can be measured using Archimedes method or the like.

このような気孔を有するリチウム−遷移金属系複合酸化物は、予め作製された電極活物質前駆体粒子から製造するのが好ましい。この電極活物質前駆体粒子は、リチウムを導入することにより、層状岩塩構造を有するリチウム−遷移金属系複合酸化物を含有する電極活物質となり得る前駆体粒子であるのが好ましい。特に好ましい電極活物質前駆体粒子は、略球状に形成されるとともに内部に多数の空隙がほぼ均一に設けられ、平均粒径D50(体積基準)が0.5〜5μmであり、比表面積が3〜25m/gであり、タップ密度を理論密度で除した値である相対タップ密度が0.25〜0.4である。このような条件を満たすと、その後の成形工程及び焼成工程(リチウム導入工程)を経て電極活物質を生成させる際に、焼成環境が安定化されるとともにリチウム導入(拡散)状態が均一化され、それにより内部の微細構造が可及的に均一化される。また、最終目的物である電極活物質の形状安定性ならびに結晶学的な合成度が良好となる。 The lithium-transition metal composite oxide having such pores is preferably produced from electrode active material precursor particles prepared in advance. The electrode active material precursor particles are preferably precursor particles that can become an electrode active material containing a lithium-transition metal composite oxide having a layered rock salt structure by introducing lithium. Particularly preferred electrode active material precursor particles are formed in a substantially spherical shape, and a large number of voids are provided almost uniformly therein, the average particle diameter D50 (volume basis) is 0.5 to 5 μm, and the specific surface area is 3 ~25m a 2 / g, relative tap density is a value obtained by dividing the tap density by the theoretical density of 0.25 to 0.4. When such conditions are satisfied, when the electrode active material is generated through the subsequent molding step and firing step (lithium introduction step), the firing environment is stabilized and the lithium introduction (diffusion) state is made uniform, Thereby, the internal fine structure is made as uniform as possible. Further, the shape stability and crystallographic synthesis degree of the electrode active material which is the final object are improved.

好ましくは、リチウム−遷移金属系複合酸化物は、(a)リチウム複合酸化物の主原料を構成する遷移金属水酸化物の板状粒子が多数含まれるとともに内部に多数の空隙がほぼ均一に設けられた造粒体を形成する、造粒工程と、(b)造粒体を熱処理することで電極活物質前駆体粒子を形成する、熱処理工程と、(c)多数の電極活物質前駆体粒子を所定形状に成形することで成形体を得る、成形工程と、(d)成形体を焼成することでリチウム複合酸化物を生成させる、焼成工程とを有する方法によって製造される。造粒工程(a)は、遷移金属水酸化物を含む原料粉末を湿式で粉砕しつつ混合することにより調製されたスラリーを噴霧乾燥することで造粒体を形成する工程とするのが好ましい。特に、二流体ノズル方式の噴霧乾燥が好適に使用可能である。原料粉末には、ニッケル及びコバルトの水酸化物が遷移金属水酸化物として含まれていてもよい。また、原料粉末には、アルミニウム酸化物の水和物あるいはアルミニウム水酸化物等の遷移金属以外の金属化合物が含まれていてもよい。リチウム化合物は、成形時あるいは成形後焼成前に添加され得る。すなわち、例えば、リチウム化合物は、成形時に電極活物質前駆体粒子とともに上述の成形用スラリーに添加され得る。あるいは、リチウム化合物を含まない成形体を一旦仮焼成(成形体仮焼成)した後、かかる仮焼成成形体とリチウム化合物とが混合されたものを焼成する(本焼成)という二段階で焼成(リチウム導入)工程が行われてもよい。   Preferably, the lithium-transition metal composite oxide includes (a) a large number of transition metal hydroxide plate-like particles constituting the main raw material of the lithium composite oxide, and a large number of voids are provided substantially uniformly therein. A granulation step for forming the granulated body, (b) a heat treatment step for forming electrode active material precursor particles by heat-treating the granulation body, and (c) a number of electrode active material precursor particles. It is manufactured by a method having a molding step of obtaining a molded body by molding the material into a predetermined shape and (d) a firing step of producing a lithium composite oxide by firing the molded body. The granulation step (a) is preferably a step of forming a granulated body by spray drying a slurry prepared by mixing raw material powder containing a transition metal hydroxide while being pulverized wet. In particular, spray drying using a two-fluid nozzle system can be suitably used. The raw material powder may contain nickel and cobalt hydroxides as transition metal hydroxides. The raw material powder may contain a metal compound other than a transition metal such as an aluminum oxide hydrate or an aluminum hydroxide. The lithium compound can be added at the time of molding or before firing after molding. That is, for example, the lithium compound can be added to the above-described molding slurry together with the electrode active material precursor particles at the time of molding. Alternatively, a compact that does not contain a lithium compound is temporarily calcined (molded calcined), and then a mixture of the calcined compact and the lithium compound is calcined (main calcining) in two stages (lithium Step) may be performed.

第一電極12及び第二電極14は典型的には板状の形状を有し、その寸法は特に限定されないが、厚さは単位面積当りの活物質容量の観点から、0.1〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μm、さらに好ましくは50〜100μmであり、板面の大きさは電極作製の容易さの観点から、0.2mm×0.2mm〜10mm×10mmが好ましく、より好ましくは0.5mm×0.5mm〜2mm×2mmである。   The first electrode 12 and the second electrode 14 typically have a plate shape and the dimensions thereof are not particularly limited, but the thickness is 0.1 to 300 μm from the viewpoint of the active material capacity per unit area. It is preferably 10 to 200 μm, more preferably 50 to 100 μm, and the size of the plate surface is preferably 0.2 mm × 0.2 mm to 10 mm × 10 mm, more preferably from the viewpoint of ease of electrode production. It is 0.5 mm x 0.5 mm to 2 mm x 2 mm.

本発明の好ましい態様によれば、第一電極12及び第二電極14がそれぞれ複数枚用意され、該複数の第一電極12が板状固体電解質16の一方の面上にタイル状に配列され、かつ、複数の第二電極14が板状固体電解質16の他方の面上にタイル状に配列されてなる。これにより、電極内で活物質をより高密度に充填可能になるという利点がある。   According to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of first electrodes 12 and a plurality of second electrodes 14 are prepared, and the plurality of first electrodes 12 are arranged in a tile shape on one surface of the plate-like solid electrolyte 16, A plurality of second electrodes 14 are arranged in a tile shape on the other surface of the plate-like solid electrolyte 16. Accordingly, there is an advantage that the active material can be filled in the electrode with higher density.

第一電極12及び第二電極14には固体電解質16と反対側に集電体をさらに設けられていてもよい。集電体としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等で形成された膜や箔であってよく、例えばスパッタリング法により形成される。   The first electrode 12 and the second electrode 14 may be further provided with a current collector on the side opposite to the solid electrolyte 16. The current collector may be a film or foil formed of gold, silver, copper, aluminum, nickel or the like, and is formed by, for example, a sputtering method.

固体電解質
固体電解質16は、リチウムイオン伝導性を有する無機固体電解質である。リチウムイオン伝導性無機固体電解質の好ましい例としては、ガーネット系セラミックス材料、窒化物系セラミックス材料、ペロブスカイト系セラミックス材料、及びリン酸系セラミックス材料からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。ガーネット系セラミックス材料の例としては、Li−La−Zr−O系材料(具体的には、LiLaZr12など)、Li−La−Ta−O系材料(具体的には、LiLaTa12など)が挙げられ、特開2011−051800号公報、特開2011−073962号公報及び特開2011−073963号公報に記載されているものも用いることができる。窒化物系セラミックス材料の例としては、LiN、LiPONなどが挙げられる。ペロブスカイト系セラミックス材料の例としては、Li−La−Zr−O系材料(具体的には、LiLa1−xTi(0.04≦x≦0.14)など)が挙げられる。リン酸系セラミックス材料の例としては、Li−Al−Ti−P−O,Li−Al−Ge−P−O、及びLi−Al−Ti−Si−P−O(具体的には、Li1+x+yAlTi2−xSi3−y12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)など)が挙げられる。
The solid electrolyte 16 is an inorganic solid electrolyte having lithium ion conductivity. Preferable examples of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte include at least one selected from the group consisting of garnet-based ceramic materials, nitride-based ceramic materials, perovskite-based ceramic materials, and phosphate-based ceramic materials. Examples of garnet ceramic material, Li-La-Zr-O-based material (specifically, such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), the Li-La-Ta-O-based material (specifically, Li 7 La 3 Ta 2 O 12 ) can be used, and those described in JP 2011-051800 A, JP 2011-073962 A, and JP 2011-073963 A can also be used. Examples of nitride ceramic materials include Li 3 N, LiPON, and the like. Examples of the perovskite-based ceramic material include Li-La-Zr-O-based materials (specifically, LiLa 1-x Ti x O 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.14) and the like). Examples of phosphoric acid-based ceramic materials include Li-Al-Ti-PO, Li-Al-Ge-PO, and Li-Al-Ti-Si-PO (specifically, Li 1 + x + y al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4,0 <y ≦ 0.6) , and the like).

特に好ましいリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、ガーネット系セラミックス材料である。とりわけ、Li、La、Zr及びOを含んで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物焼結体が、焼結性に優れて緻密化しやすく、かつ、イオン伝導率も高いことから好ましい。この種の組成のガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はLLZ結晶構造と呼ばれ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(LiLaZr12)に類似のXRDパターンを有する。なお、No.422259と比較すると構成元素が異なり、またセラミックス中のLi濃度などが異なる可能性があるため、回折角度や回折強度比が異なる場合もある。Laに対するLiのモル数の比Li/Laは2.0以上2.5以下であることが好ましく、Laに対するZrのモル比Zr/Laは0.5以上0.67以下であるのが好ましい。このガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はNb及び/又はTaをさらに含んで構成されるものであってもよい。すなわち、LLZのZrの一部がNb及びTaのいずれか一方又は双方で置換されることにより、置換前に比べて伝導率を向上させることができる。ZrのNb及び/又はTaによる置換量(モル比)は、(Nb+Ta)/Laのモル比が0.03以上0.20以下となる量にすることが好ましい。また、このガーネット系酸化物焼結体はAl及び/又はMgをさらに含んでいるのが好ましく、これらの元素は結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在していてもよい。Alの添加量は焼結体の0.01〜1質量%とするのが好ましく、Laに対するAlのモル比Al/Laは、0.008〜0.12であるのが好ましい。Mgの添加量は0.01〜1質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05〜0.30質量%である。Laに対するMgのモル比Mg/Laは、0.0016〜0.07であるのが好ましい。このようなLLZ系セラミックスの製造は、特開2011−051800号公報、特開2011−073962号公報及び特開2011−073963号公報に記載されるような公知の手法に従って又はそれを適宜修正することにより行うことができる。 A particularly preferable lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is a garnet-based ceramic material. In particular, an oxide sintered body having a garnet type or a garnet type-like crystal structure containing Li, La, Zr and O is excellent in sinterability and easily densified, and has high ionic conductivity. Therefore, it is preferable. A garnet-type or garnet-like crystal structure of this type of composition is called an LLZ crystal structure, and is referred to as an X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database). It has an XRD pattern similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ). In addition, No. Compared to 422259, the constituent elements are different and the Li concentration in the ceramics may be different, so the diffraction angle and the diffraction intensity ratio may be different. The molar ratio Li / La of Li to La is preferably 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio Zr / La to La is preferably 0.5 or more and 0.67 or less. This garnet-type or garnet-like crystal structure may further comprise Nb and / or Ta. That is, by replacing a part of Zr of LLZ with one or both of Nb and Ta, the conductivity can be improved as compared with that before the substitution. The substitution amount (molar ratio) of Zr with Nb and / or Ta is preferably set such that the molar ratio of (Nb + Ta) / La is 0.03 or more and 0.20 or less. The garnet-based oxide sintered body preferably further contains Al and / or Mg, and these elements may exist in the crystal lattice or may exist in other than the crystal lattice. The addition amount of Al is preferably 0.01 to 1% by mass of the sintered body, and the molar ratio Al / La to La is preferably 0.008 to 0.12. The addition amount of Mg is preferably 0.01 to 1% by mass or more, and more preferably 0.05 to 0.30% by mass. It is preferable that the molar ratio Mg / La of Mg to La is 0.0016 to 0.07. Such LLZ-based ceramics can be manufactured according to known methods as described in JP 2011-051800 A, JP 2011-073962 A and JP 2011-073963, or appropriately modified. Can be performed.

固体電解質16は典型的には板状の形状を有し、その寸法は特に限定されないが、厚さは充放電レート特性と機械的強度の観点から、0.005〜5mmが好ましく、より好ましくは0.01〜2mm、さらに好ましくは0.05〜1mmであり、板面の大きさは充放電容量と機械的強度の観点から、0.2mm×0.2mm〜500mm×500mmが好ましく、より好ましくは0.5mm×0.5mm〜200mm×200mmである。   The solid electrolyte 16 typically has a plate-like shape, and its dimensions are not particularly limited, but the thickness is preferably 0.005 to 5 mm, more preferably from the viewpoint of charge / discharge rate characteristics and mechanical strength. 0.01 to 2 mm, more preferably 0.05 to 1 mm, and the size of the plate surface is preferably 0.2 mm × 0.2 mm to 500 mm × 500 mm, more preferably from the viewpoint of charge / discharge capacity and mechanical strength. Is 0.5 mm × 0.5 mm to 200 mm × 200 mm.

スタック型全固体蓄電素子
図1に示される全固体蓄電素子10は一対の第一電極12及び第二電極14を有する単位セル型の全固体蓄電素子の例であるが、図4に示されるように、複数個の全固体蓄電素子が集電体を介して複数個積層されてなる、スタック型の全固体蓄電素子として構成されてもよい。図4に示されるスタック型全固体蓄電素子20は、図1に示される全固体蓄電素子10と同様の構成を有する、複数個の単位セル型全固体蓄電素子10a,10b,10c,10dが集電体22a,22b,22cを介して積層されてなる。このような積層構造とすることで、複数の単位セルが直列又は並列に接続された積層セルを構築することができる。直列で接続される場合、互いに隣り合う第一電極12a,12b,12cと第二電極14b,14c,14dは集電体22a,22b,22cによってイオン的に絶縁、すなわちリチウムイオンの通過が遮断されるように隔離されて構成されるのが好ましく、この構成は、例えばピンホール等の欠陥が無くなる程度に厚くする集電体を形成することにより実現可能である。このように複数ないし多数の単位セルを直列に配線することで高い電圧を取り出せる蓄電素子が得られる。なお、スタック型全固体蓄電素子20において、上端の第一電極12dの外側と下端の第二電極14aの外側には外部集電体が更に設けられてよいのは勿論である。
Stacked all-solid-state energy storage device The all-solid-state energy storage device 10 shown in FIG. 1 is an example of a unit cell-type all-solid-state energy storage device having a pair of first electrode 12 and second electrode 14, but as shown in FIG. In addition, a plurality of all-solid-state energy storage devices may be stacked as a stack type all-solid-state energy storage device. The stack type all-solid-state energy storage device 20 shown in FIG. 4 has a configuration similar to that of the all-solid-state energy storage device 10 shown in FIG. 1 and includes a plurality of unit cell type all-solid-state energy storage devices 10a, 10b, 10c, 10d. It is laminated via electric bodies 22a, 22b and 22c. With such a stacked structure, a stacked cell in which a plurality of unit cells are connected in series or in parallel can be constructed. When connected in series, the first electrodes 12a, 12b, 12c and the second electrodes 14b, 14c, 14d adjacent to each other are ionically insulated by the current collectors 22a, 22b, 22c, that is, the passage of lithium ions is blocked. It is preferable to be configured so as to be isolated, and this configuration can be realized by forming a current collector that is thick enough to eliminate defects such as pinholes. As described above, a power storage element capable of extracting a high voltage can be obtained by wiring a plurality or many unit cells in series. Of course, in the stack type all-solid-state energy storage device 20, an external current collector may be further provided outside the first electrode 12d at the upper end and the second electrode 14a at the lower end.

本発明の好ましい態様によれば、集電体22a,22b,22cは、リチウム−遷移金属系複合酸化物からなる活物質板24a,24b,24cの各々の内部に埋め込まれた内部集電体として構成されることができ、活物質板24a,24b,24cの一面側が第一電極12a,12b,12cを構成し、他面側が第二電極14a,14b,14cを構成する。この場合には活物質板24a,24b,24cは内部集電体22a,22b,22cと共に一体焼成された一体化焼結体の形態であるのがより好ましい。このとき、活物質板24a,24b,24cは、第一電極12a及び第二電極14bの組合せ、第一電極12b及び第二電極14cの組合せ、並びに第一電極12c及び第二電極14dの組合せをそれぞれ対応し、それぞれの組合せが実質的に一つの電極として機能しうる。この場合、実効的に、集電体両主面に配設されたリチウム一遷移金属系複合酸化物の総厚みとして電極は働くため、蓄電素子の充放電容量は低下しないことになる。また、実効的に働く電極(リチウム一遷移金属系複合酸化物)の厚みを薄くできるので、充放電レートが向上しうる。その上、リチウム一遷移金属系複合酸化物層が薄くなっても、内部集電体に把持され、かつ集電体両主面に配設されるため、電極としての機械的強度は向上しうる。このような態様による電極は、例えば、リチウム一遷移金属系複合酸化物の前駆体(グリーンシート等)で集電体のグリーン体を挟むように積層及び圧着して焼成することによって焼結体電極として作製してもよいし、あるいは集電体の箔の両面に、エアロゾルデポジション、パウダージェットデポジション、溶射等により、リチウム一遷移金属系複合酸化物の層を形成し、その後熱処理ないし焼成を行うことによって作製してもよい。   According to a preferred aspect of the present invention, the current collectors 22a, 22b, and 22c are internal current collectors embedded in each of the active material plates 24a, 24b, and 24c made of a lithium-transition metal composite oxide. One side of the active material plates 24a, 24b, and 24c constitutes the first electrodes 12a, 12b, and 12c, and the other side constitutes the second electrodes 14a, 14b, and 14c. In this case, the active material plates 24a, 24b, and 24c are more preferably in the form of an integrated sintered body that is integrally fired together with the internal current collectors 22a, 22b, and 22c. At this time, the active material plates 24a, 24b, and 24c are a combination of the first electrode 12a and the second electrode 14b, a combination of the first electrode 12b and the second electrode 14c, and a combination of the first electrode 12c and the second electrode 14d. Corresponding to each other, each combination can function substantially as one electrode. In this case, the electrode works effectively as the total thickness of the lithium-transition metal-based composite oxide disposed on both main surfaces of the current collector, so that the charge / discharge capacity of the storage element does not decrease. Moreover, since the thickness of the electrode (lithium one transition metal-based composite oxide) that works effectively can be reduced, the charge / discharge rate can be improved. In addition, even if the lithium-transition metal-based composite oxide layer becomes thin, the mechanical strength as an electrode can be improved because it is held by the internal current collector and disposed on both main surfaces of the current collector. . The electrode according to such an embodiment is, for example, a sintered body electrode obtained by laminating, pressing, and firing so as to sandwich a green body of a current collector with a precursor of a lithium monotransition metal-based composite oxide (green sheet or the like). Alternatively, a layer of lithium-transition metal composite oxide is formed on both sides of the current collector foil by aerosol deposition, powder jet deposition, thermal spraying, etc., and then heat treatment or firing is performed. You may produce by doing.

製造方法
本発明による蓄電素子はいかなる方法により製造されたものであってもよい。本発明の好ましい態様によれば、蓄電素子の製造は、(a)いずれもセラミックス焼結体からなる、第一電極、固体電解質及び第二電極を積層して積層体を得る工程と、(b)この積層体に加熱及び加圧を同時に施して固相反応により一体化させる工程と、(c)所望により第一電極及び第二電極から所望量のリチウムを脱離する工程とを含む方法により行うことができる。このように、本態様に用いられる電極及び固体電解質はいずれもセラミックス焼結体で構成されるため、圧粉体、グリーンシート及び気相合成薄膜ではない。本態様の方法では、このセラミックス焼結体からなる電極/固体電解質/電極の積層体に加熱及び加圧を同時に施すことで、第一電極、固体電解質及び第二電極を固相反応により一体化させることができる。このセラミックス焼結体同士の接合は、グリーンシートの積層で必要とされるような粉末同士の焼結を要しないので、加圧下にて比較的低温で行うことが可能であり、その結果、焼結温度等の極めて高い温度域において高活性の異種粉末間で起こりうる高抵抗な反応層の生成を抑制することができる。その上、同時加熱及び加圧により得られる複合体の接合界面の密着性は驚くほど高い。このように、本態様の方法によれば、比較的低温での接合を可能にして界面における高抵抗な反応層の生成を抑制するとともに、界面における電極及び固体電解質の密着性を高めて接合面積を最大化することができる。このような特徴を有する電極/固体電解質/電極複合体を用いることで、薄型でありながら極めて高い容量の全固体蓄電素子の提供が可能となる。
Manufacturing Method The power storage device according to the present invention may be manufactured by any method. According to a preferred embodiment of the present invention, the production of the electricity storage device includes (a) a step of obtaining a laminate by laminating a first electrode, a solid electrolyte and a second electrode, both of which are made of a ceramic sintered body, and (b) ) By a method comprising heating and pressurizing the laminate simultaneously and integrating them by solid phase reaction; and (c) optionally desorbing a desired amount of lithium from the first electrode and the second electrode. It can be carried out. As described above, since the electrode and the solid electrolyte used in this embodiment are both formed of a ceramic sintered body, they are not a green compact, a green sheet, and a vapor-phase synthetic thin film. In the method of this aspect, the first electrode, the solid electrolyte, and the second electrode are integrated by a solid-phase reaction by simultaneously heating and pressing the electrode / solid electrolyte / electrode laminate comprising the ceramic sintered body. Can be made. The bonding between the sintered ceramics does not require the sintering of the powders as required for the lamination of the green sheets, and can be performed at a relatively low temperature under pressure. It is possible to suppress the formation of a high-resistance reaction layer that can occur between different types of highly active powders in an extremely high temperature range such as a sintering temperature. Moreover, the adhesion of the composite interface obtained by simultaneous heating and pressing is surprisingly high. As described above, according to the method of this aspect, bonding at a relatively low temperature is enabled to suppress the formation of a high-resistance reaction layer at the interface, and the adhesion between the electrode and the solid electrolyte at the interface is increased to increase the bonding area. Can be maximized. By using the electrode / solid electrolyte / electrode composite having such characteristics, it is possible to provide an all-solid-state energy storage device having an extremely high capacity while being thin.

本態様による加熱及び加圧は同時に行われるものであり、加熱しながら加圧している段階を含んでいればよく、加熱及び加圧のタイミングにずれがあってもよい。加熱及び加圧を同時に行う手法の例としては、ホットプレス法(HP)、熱間静水圧プレス法(HIP)、放電プラズマ焼結法(SPS)が挙げられるが、量産性が高く、製造コストを安く抑えることができることからホットプレス法(HP)が好ましい。   The heating and pressurization according to this aspect are performed simultaneously, and it is sufficient that the step of pressurizing while heating is included, and there may be a deviation in the timing of heating and pressurization. Examples of methods for performing heating and pressurization simultaneously include hot press method (HP), hot isostatic press method (HIP), and discharge plasma sintering method (SPS). Is preferable because the hot pressing method (HP) is preferable.

加熱は600〜800℃の温度で行われるのが好ましく、より好ましくは650〜750℃であり、さらに好ましくは675〜725℃である。加圧は5〜3000kgf/cmの圧力で行われるのが好ましく、より好ましくは500〜2500kgf/cm、より好ましくは1000〜2000kgf/cmである。また、狙いの圧力への到達時間は、0.1〜10hで行われるのが好ましく、1〜7hで行われるのがより好ましく、3〜5hで行われるのがさらに好ましい。さらに、加圧開始のタイミングは、焼成プロファイルにおける昇温過程終了後であることが好ましい。加熱及び加圧は0.05〜10時間行われるのが好ましく、より好ましくは1〜8時間、さらに好ましくは2〜5時間である。このような範囲内であると、界面における高抵抗な反応層の生成をより一層確実に抑制するとともに、界面における電極及び固体電解質の密着性をより一層高めることができる。 Heating is preferably performed at a temperature of 600 to 800 ° C, more preferably 650 to 750 ° C, and even more preferably 675 to 725 ° C. Pressurization is preferably carried out at a pressure of 5~3000kgf / cm 2, more preferably 500~2500kgf / cm 2, more preferably 1000~2000kgf / cm 2. Further, the time to reach the target pressure is preferably 0.1 to 10 hours, more preferably 1 to 7 hours, and further preferably 3 to 5 hours. Furthermore, it is preferable that the timing of the pressurization start is after the end of the temperature raising process in the firing profile. Heating and pressing are preferably performed for 0.05 to 10 hours, more preferably 1 to 8 hours, and further preferably 2 to 5 hours. Within such a range, the formation of a high-resistance reaction layer at the interface can be more reliably suppressed, and the adhesion between the electrode and the solid electrolyte at the interface can be further enhanced.

なお、板状正極活物質と板状固体電解質の界面抵抗を低減する目的で、板状正極活物質上、もしくは板状固体電解質上に、板状正極活物質と板状固体電解質を固相反応で一体化する際に形成される反応層の抵抗をより小さくするような元素からなる層(たとえば厚さ数十nm以下のNbOからなる薄膜)を形成しておいてもよい。   In order to reduce the interfacial resistance between the plate-like positive electrode active material and the plate-like solid electrolyte, the plate-like positive electrode active material and the plate-like solid electrolyte are subjected to a solid phase reaction on the plate-like positive electrode active material or on the plate-like solid electrolyte. A layer made of an element (for example, a thin film made of NbO having a thickness of several tens of nanometers or less) may be formed so as to reduce the resistance of the reaction layer formed at the time of integration.

こうして得られた電極/固体電解質/電極複合体はリチウム脱離工程に付されるのが好ましい。リチウムの脱離は、第一電極及び第二電極を構成するリチウム−遷移金属系複合酸化物をリチウムイオンの吸蔵及び脱離のいずれも可能な状態に初期設定するための工程であり、公知の電気化学的手法に従って行うことができる。リチウム脱離手法の好ましい例としては次の手順が挙げられる。すなわち、第一電極及び第二電極をそれぞれ外部端子と配線した状態でAr等の不活性雰囲気中で電解液とともにセルに封入する。このとき、電解液は有機溶媒に所望量のLiPFを溶解させたものであってよい。そして、電解液中に金属リチウム極を別途配線する。そして、金属リチウム極と、第一電極及び第二電極の各電極との間に電圧をかけることで、第一電極及び第二電極の組成が、両極とも同じLiが低減された組成(例えばLi0.6(Ni,Co,Al)O)になるように充電処理を行うことで所望量のリチウムを脱離する。充電処理後の蓄電素子はセルから取り出し、好ましくは真空中で、適宜乾燥すればよい。 The electrode / solid electrolyte / electrode composite thus obtained is preferably subjected to a lithium desorption process. Lithium desorption is a process for initially setting the lithium-transition metal composite oxide constituting the first electrode and the second electrode to a state in which both of lithium ion occlusion and desorption are possible. This can be done according to electrochemical techniques. The following procedure is mentioned as a preferable example of the lithium desorption technique. That is, the first electrode and the second electrode are sealed in the cell together with the electrolytic solution in an inert atmosphere such as Ar in a state where the first electrode and the second electrode are respectively wired to the external terminals. At this time, the electrolytic solution may be obtained by dissolving a desired amount of LiPF 6 in an organic solvent. Then, a metal lithium electrode is separately wired in the electrolytic solution. Then, by applying a voltage between the metal lithium electrode and each of the first electrode and the second electrode, the composition of the first electrode and the second electrode is a composition in which the same Li is reduced in both electrodes (for example, Li A desired amount of lithium is desorbed by performing a charging process so as to be 0.6 (Ni, Co, Al) O 2 ). The power storage element after the charging process is taken out of the cell and preferably dried appropriately in a vacuum.

上記のようにして適量のリチウムが脱離されて同一組成に初期設定された第一電極及び第二電極は、いずれもリチウムイオンの吸蔵脱離が可能となっており、その結果、これらの電極を備えた蓄電素子は、双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子として機能しうる。   As described above, the first electrode and the second electrode, which are initially set to the same composition by desorbing an appropriate amount of lithium, can both occlude and desorb lithium ions. As a result, these electrodes The storage element provided with can function as a nonpolar storage element that can be charged and discharged in both directions.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例1:NCAセラミックス板の作製
本発明において第一電極及び第二電極として用いられるNCAセラミックス板を以下の手順で作製した。
Example 1 Production of NCA Ceramic Plate NCA ceramic plates used as the first electrode and the second electrode in the present invention were produced by the following procedure.

(1)スラリー調製
Ni(OH)粉末(株式会社高純度化学研究所製)81.6重量部、Co(OH)粉末(和光純薬工業株式会社製)15.0重量部、及びAl・HO粉末(SASOL社製)3.4重量部を秤量して、原料粉末を用意した。次に、純水97.3重量部、分散剤(日油株式会社製:品番AKM−0521)0.4重量部、消泡剤としての1−オクタノール(片山化学株式会社製)0.2重量部、及びバインダー(日本酢ビ・ポバール株式会社製:品番PV3)2.0重量部からなるビヒクルを作製した。こうして得られたビヒクルと原料粉末を湿式で混合及び粉砕することで、スラリーを調製した。この混合及び粉砕は、直径2mmのジルコニアボールを用いたボールミルで24時間処理した後、直径0.1mmのジルコニアビーズを用いたビーズミルで40分間処理することによって行った。
(1) Slurry preparation 81.6 parts by weight of Ni (OH) 2 powder (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), 15.0 parts by weight of Co (OH) 2 powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and Al A raw material powder was prepared by weighing 3.4 parts by weight of 2 O 3 .H 2 O powder (manufactured by SASOL). Next, 97.3 parts by weight of pure water, 0.4 part by weight of a dispersant (manufactured by NOF Corporation: Part No. AKM-0521), 0.2 weight of 1-octanol (made by Katayama Chemical Co., Ltd.) as an antifoaming agent Part and a binder (Nippon Vinegar Poval Co., Ltd. product: PV3) 2.0 parts by weight was produced. The vehicle and raw material powder thus obtained were mixed and pulverized in a wet manner to prepare a slurry. This mixing and pulverization was performed by treating for 24 hours with a ball mill using zirconia balls having a diameter of 2 mm and then treating with a bead mill using zirconia beads having a diameter of 0.1 mm for 40 minutes.

(2)造粒
得られたスラリーを二流体ノズル方式のスプレードライヤーに投入することにより、造粒体を形成した。スプレードライヤーの噴出圧力、ノズル径、循環風量等のパラメータを適宜調整することで、種々の大きさの造粒体を形成することが可能である。
(2) Granulation The obtained slurry was put into a two-fluid nozzle type spray dryer to form a granulated body. By appropriately adjusting parameters such as the spray pressure of the spray dryer, the nozzle diameter, and the circulating air volume, it is possible to form granulated bodies of various sizes.

(3)熱処理(仮焼成)
得られた造粒体を1100℃で3時間(大気雰囲気)熱処理して、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの複合酸化物((Ni0.8,Co0.15,Al0.05)O)の粒子である、電極活物質前駆体粒子を得た。得られた電極活物質前駆体粒子を以下に示される分析したところ、平均粒径D50(体積基準)は2.3μmであり、比表面積は12m/gであり、相対タップ密度は0.3であった。
<平均粒径D50>
水を分散媒として電極活物質前駆体粒子の粉末試料を分散させたものを、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製 型番「LA−700」)に投入することで、平均粒径D50(体積基準)を測定した。
<相対タップ密度>
電極活物質前駆体粒子の粉末試料を入れたメスシリンダを市販のタップ密度測定装置を用いて200回タッピングした後、(粉末重量)/(粉末のかさ体積)を算出することによって、タップ密度を求めた。その後、得られたタップ密度を理論密度で除することで、相対タップ密度[無次元値]を算出した。
(3) Heat treatment (temporary firing)
The obtained granule was heat-treated at 1100 ° C. for 3 hours (atmospheric atmosphere) to form a composite oxide of nickel, cobalt, and aluminum ((Ni 0.8 , Co 0.15 , Al 0.05 ) O). Electrode active material precursor particles, which are particles, were obtained. When the obtained electrode active material precursor particles were analyzed as shown below, the average particle diameter D50 (volume basis) was 2.3 μm, the specific surface area was 12 m 2 / g, and the relative tap density was 0.3. Met.
<Average particle diameter D50>
By dispersing a powder sample of electrode active material precursor particles using water as a dispersion medium into a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (model number “LA-700” manufactured by Horiba, Ltd.), the average The particle size D50 (volume basis) was measured.
<Relative tap density>
After tapping a graduated cylinder containing a powder sample of electrode active material precursor particles 200 times using a commercially available tap density measuring device, the tap density is calculated by calculating (powder weight) / (powder bulk volume). Asked. Thereafter, the relative tap density [dimensional value] was calculated by dividing the obtained tap density by the theoretical density.

(4)成形
得られた電極活物質前駆体粒子粉末100重量部、分散媒(キシレン:ブタノール=1:1)50重量部、バインダーとしてのポリビニルブチラール(積水化学工業株式会社製:品番BM−2、)10重量部、可塑剤としてのDOP(Di(2-ethylhexyl)phthalate:黒金化成株式会社製)4.5重量部、及び分散剤(花王株式会社製 製品名「レオドールSPO−30」)3重量部を秤量し、乳鉢で予備混練した後、トリロールを用いて混練することで、(ブルックフィールド社製LVT型粘度計を用いて測定して)2000〜3000cPの粘度を有する成形用スラリーを調製した。こうして得られた成形用スラリーを用いて、ドクターブレード法により、厚さ50μmのシートを形成した。乾燥後のシートに対して打ち抜き加工を施すことによって、1mm四方のグリーンシート成形体を得た。
(4) Molding 100 parts by weight of the obtained electrode active material precursor particle powder, 50 parts by weight of a dispersion medium (xylene: butanol = 1: 1), polyvinyl butyral as a binder (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd .: product number BM-2) )) 10 parts by weight, DOP (Di (2-ethylhexyl) phthalate: manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) 4.5 parts by weight as a plasticizer, and a dispersant (product name “Reodol SPO-30” manufactured by Kao Corporation) 3 parts by weight are weighed, pre-kneaded in a mortar, and then kneaded using a tri-roll to measure a molding slurry having a viscosity of 2000 to 3000 cP (measured using a Brookfield LVT viscometer). Prepared. A sheet having a thickness of 50 μm was formed by the doctor blade method using the molding slurry thus obtained. By punching the dried sheet, a 1 mm square green sheet molded body was obtained.

(5)焼成(リチウム導入)
上述のようにして得られた1mm四方のグリーンシート成形体を、大気雰囲気中で900℃にて熱処理することで、成形体の脱脂及び仮焼成を行った。かかる成形体仮焼成の温度は、上述の熱処理(造粒体仮焼成)温度よりも低い。これは、成形体の仮焼成時に内部の粒子間の焼結の進行を抑制することで、後続する本焼成時にリチウムが均一に拡散及び反応するようにするためである。
(5) Firing (Lithium introduction)
The 1 mm square green sheet molded body obtained as described above was heat-treated at 900 ° C. in an air atmosphere, whereby the molded body was degreased and pre-fired. The temperature of the green body preliminary firing is lower than the above-described heat treatment (granulated body preliminary firing) temperature. This is because lithium is uniformly diffused and reacted during the subsequent main firing by suppressing the progress of sintering between the internal particles during the temporary firing of the molded body.

一方、水酸化リチウムのエタノール分散液を以下のようにして調製した。まず、LiOH・HO粉末(和光純薬工業株式会社製)を、ジェットミルを用いて、電子顕微鏡観察による目視粒径で1〜5μmになるように粉砕した。この粉末をエタノール(片山化学株式会社製)100重量部に対し1重量部の割合で加えたものを、超音波により、粉末が目視によって確認することができなくなるまで分散させた。 On the other hand, an ethanol dispersion of lithium hydroxide was prepared as follows. First, LiOH.H 2 O powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was pulverized using a jet mill so as to have a visual particle diameter of 1 to 5 μm by observation with an electron microscope. What added this powder in the ratio of 1 weight part with respect to 100 weight part of ethanol (made by Katayama Chemical Co., Ltd.) was disperse | distributed until it became impossible to confirm powder visually by an ultrasonic wave.

上記仮焼成成形体の両面に対して、上記水酸化リチウムのエタノール分散液をエアブラシによって所定量スプレーしたものを、750℃で10時間(酸素雰囲気)熱処理することで、Li(Ni0.8,Co0.15,Al0.05)Oの組成を有するNCAセラミックス板を電極として得た。得られた電極を以下に示される手順で分析したところ、空隙率は15%、開気孔比率は95%、回折強度(ピーク強度)の比率[003]/[104]は0.5であった。
<空隙率>
空隙率は、相対密度から計算される値(空隙率=1−相対密度)である。相対密度は、アルキメデス法で求めた嵩密度を、ピクノメータを用いて求めた真密度で除して求めた値である。嵩密度の測定では、空隙中に存在する空気を十分に追い出すために、試料を水中で煮沸処理をした。
<開気孔比率>
開気孔比率は、閉気孔率と全気孔率から計算によって求められる値(開気孔比率=開気孔/全気孔=開気孔/(開気孔+閉気孔))である。閉気孔率は、アルキメデス法で測定した見かけ密度より求められる。また、全気孔率は、同じくアルキメデス法で測定した嵩密度より求められる。
<回折強度(ピーク強度)比率>
回折強度(ピーク強度)比率の測定は、φ5〜10mm程度の大きさに加工した電極活物質層用セラミックス板を、XRD測定用の試料フォルダに載せ、XRD装置(株式会社リガク製製品名「RINT-TTRIII」)を用いて、電極の表面に対してX線を照射したときのXRDプロファイルを測定し、(104)面による回折強度(ピーク高さ)に対する(003)面による回折強度(ピーク高さ)の比率を求めることにより行った。この測定方法によれば、板面の結晶面に平行に存在する結晶面、すなわち板面方向に配向する結晶面による回折プロファイルが得られる。
A solution obtained by spraying a predetermined amount of the ethanol dispersion of lithium hydroxide with an airbrush onto both surfaces of the calcined molded body is heat-treated at 750 ° C. for 10 hours (oxygen atmosphere), whereby Li (Ni 0.8 , An NCA ceramic plate having a composition of Co 0.15 , Al 0.05 ) O 2 was obtained as an electrode. When the obtained electrode was analyzed by the procedure shown below, the porosity was 15%, the open pore ratio was 95%, and the diffraction intensity (peak intensity) ratio [003] / [104] was 0.5. .
<Porosity>
The porosity is a value calculated from the relative density (porosity = 1−relative density). The relative density is a value obtained by dividing the bulk density obtained by the Archimedes method by the true density obtained using a pycnometer. In the measurement of the bulk density, the sample was boiled in water in order to sufficiently expel the air present in the voids.
<Open pore ratio>
The open pore ratio is a value obtained by calculation from the closed porosity and the total porosity (open pore ratio = open pores / total pores = open pores / (open pores + closed pores)). The closed porosity is obtained from the apparent density measured by the Archimedes method. The total porosity is determined from the bulk density measured by the Archimedes method.
<Diffraction intensity (peak intensity) ratio>
The diffraction intensity (peak intensity) ratio is measured by placing a ceramic plate for an electrode active material layer processed to a size of about φ5 to 10 mm in a sample folder for XRD measurement, and an XRD apparatus (product name “RINT, manufactured by Rigaku Corporation”). -TTRIII ") was used to measure the XRD profile when the surface of the electrode was irradiated with X-rays, and the diffraction intensity (peak height) from the (003) plane relative to the diffraction intensity (peak height) from the (104) plane This was done by determining the ratio of According to this measuring method, a diffraction profile can be obtained from a crystal plane parallel to the crystal plane of the plate plane, that is, a crystal plane oriented in the plate plane direction.

例2:LLZセラミックス板の作製
本発明において固体電解質として用いられるLLZセラミックス板を以下の手順で作製した。
Example 2: Production of LLZ ceramic plate An LLZ ceramic plate used as a solid electrolyte in the present invention was produced by the following procedure.

焼成用原料調製のための各原料成分として、水酸化リチウム(関東化学株式会社)、水酸化ランタン(信越化学工業株式会社)、酸化ジルコニウム(東ソー株式会社)、酸化タンタルを用意した。これらの粉末をLiOH:La(OH):ZrO:Ta=7:3:1.625:0.1875になるように秤量及び配合し、ライカイ機にて混合して焼成用原料を得た。 Lithium hydroxide (Kanto Chemical Co., Inc.), lanthanum hydroxide (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), zirconium oxide (Tosoh Corp.), and tantalum oxide were prepared as raw material components for preparing the raw material for firing. These powders are weighed and blended so as to be LiOH: La (OH) 3 : ZrO 2 : Ta 2 O 5 = 7: 3: 1.625: 0.1875, and mixed by a laika machine to be a raw material for firing. Got.

第一の焼成工程として、上記焼成用原料をアルミナ坩堝に入れて大気雰囲気で600℃/時間にて昇温し900℃にて6時間保持した。   As the first firing step, the firing raw material was placed in an alumina crucible, heated at 600 ° C./hour in the air atmosphere, and held at 900 ° C. for 6 hours.

第二の焼成工程として、第一の焼成工程で得られた粉末に対しγ−AlをAl濃度が0.08wt%となるように添加し、この粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて3時間粉砕した。この粉砕粉を篩通しした後、得られた粉末を、金型を用いて約100MPaにてプレス成形してペレット状にした。得られたペレットをマグネシア製のセッター上に乗せ、セッターごと表1に示されるとおりマグネシア製のサヤ内に入れて、Ar雰囲気にて200℃/時間で昇温し、1000℃で36時間保持することにより、35mm×18mmのサイズで厚さ11mmの焼結体を得て、そこから1.5mm×1.5mmのサイズで厚さ0.2mmのLLZセラミックス板を固体電解質として得た。なお、Ar雰囲気として、事前に容量約3Lの炉内を真空引きした後、純度99.99%以上のArガスを電気炉に2L/分で流した。 As a second firing step, γ-Al 2 O 3 is added to the powder obtained in the first firing step so that the Al concentration is 0.08 wt%, and this powder and cobblestone are mixed to form a vibration mill. And milled for 3 hours. After pulverizing this pulverized powder, the obtained powder was press-molded at about 100 MPa using a mold into pellets. Place the obtained pellets on a magnesia setter, place the setter in a magnesia sheath as shown in Table 1, raise the temperature at 200 ° C./hour in an Ar atmosphere, and hold at 1000 ° C. for 36 hours. Thus, a sintered body having a size of 35 mm × 18 mm and a thickness of 11 mm was obtained, and an LLZ ceramic plate having a size of 1.5 mm × 1.5 mm and a thickness of 0.2 mm was obtained therefrom as a solid electrolyte. As the Ar atmosphere, the inside of the furnace having a capacity of about 3 L was evacuated in advance, and then Ar gas having a purity of 99.99% or more was flowed into the electric furnace at 2 L / min.

得られた焼結体試料の上下面を研磨した後、以下に示される各種の評価ないし測定を行った。焼結体試料のX線回折測定を行ったところ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(LiLaZr12)類似の結晶構造が得られた。このことから、得られた試料がLLZ結晶構造の特徴を有することが確認された。また、焼結体試料のAl及びMg含有量を把握するため、誘導結合プラズマ発光分析(ICP分析)により化学分析を行ったところ、Al含有量は0.08wt%、Mg含有量は0.07wt%であった。 After polishing the upper and lower surfaces of the obtained sintered body sample, various evaluations and measurements shown below were performed. When the X-ray diffraction measurement of the sintered body sample was performed, an X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database) was obtained. A crystal structure similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) was obtained. From this, it was confirmed that the obtained sample has the characteristics of the LLZ crystal structure. Further, in order to grasp the Al and Mg contents of the sintered body sample, when chemical analysis was performed by inductively coupled plasma emission analysis (ICP analysis), the Al content was 0.08 wt% and the Mg content was 0.07 wt. %Met.

例3:NCA/LLZ/NCA全固体蓄電素子及びコインセルの作製及び評価
1.5mm平方に加工した厚さ1mmのLLZセラミックス板を、1mm平方のNCAセラミックス板2枚で挟んだ。この積層体の上下面を焼成冶具との癒着防止用Pt箔で挟み、焼成条件700℃で5時間、2000kgf/cmの圧力でホットプレスにより焼成して、NCA/LLZ/NCA複合体を得た。
Example 3: Production and evaluation of NCA / LLZ / NCA all-solid-state electricity storage element and coin cell A 1 mm thick LLZ ceramic plate processed to 1.5 mm square was sandwiched between two 1 mm square NCA ceramic plates. The upper and lower surfaces of this laminate are sandwiched between Pt foils for preventing adhesion to a firing jig, and fired by hot pressing at a pressure of 2000 kgf / cm 2 at a firing condition of 700 ° C. for 5 hours to obtain an NCA / LLZ / NCA composite. It was.

次いで、得られたNCA/LLZ/NCA複合体をリチウム脱離処理に付した。具体的には、NCA/LLZ/NCA複合体を、それぞれのNCA極を外部端子と配線した状態で、Ar雰囲気中で、電解液とともにビーカーセルに封入した。なお、ここで用いた電解液は、エチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)を等体積比で混合した有機溶媒に、LiPFを1mol/Lの濃度となるように溶解することにより調製したものである。さらに電解液中に金属リチウム極を別途配線し、金属リチウム極と、それぞれのNCA極の間に電圧をかけることで、NCA極の組成が両極ともLi0.6(Ni,Co,Al)Oになるように充電処理を行った。充電処理後のNCA/LLZ/NCA複合体をビーカーセルから取り出し、真空中80℃で乾燥処理をした。 Next, the obtained NCA / LLZ / NCA composite was subjected to lithium desorption treatment. Specifically, the NCA / LLZ / NCA composite was encapsulated in a beaker cell together with the electrolyte in an Ar atmosphere with each NCA electrode wired to an external terminal. In addition, the electrolyte solution used here was prepared by dissolving LiPF 6 in an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at an equal volume ratio so as to have a concentration of 1 mol / L. Is. Furthermore, by separately wiring a metal lithium electrode in the electrolyte and applying a voltage between the metal lithium electrode and each NCA electrode, the composition of the NCA electrode is Li 0.6 (Ni, Co, Al) O for both electrodes. The charging process was performed to be 2 . The NCA / LLZ / NCA complex after the charge treatment was taken out from the beaker cell and dried at 80 ° C. in a vacuum.

こうして得られたNCA/LLZ/NCA複合体の両面に、厚さ500ÅのAu膜をスパッタリングにより形成して集電体とした。次に、このAu/NCA/LLZ/NCA/Au複合体をステンレス製CR2032ケースに組み込み、コインセルとした。   An Au film having a thickness of 500 mm was formed on both sides of the NCA / LLZ / NCA composite thus obtained by sputtering to obtain a current collector. Next, this Au / NCA / LLZ / NCA / Au composite was incorporated into a stainless steel CR2032 case to form a coin cell.

このコインセルに対して、0.7Vの充電電圧及び−0.7Vの放電電圧で充放電を行ったところ、順方向及び逆方向の充放電がいずれも正常に行われることが確認できた。このように、本発明によれば、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、少ない損失で双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子の提供が可能となる。   When this coin cell was charged and discharged at a charge voltage of 0.7 V and a discharge voltage of -0.7 V, it was confirmed that both charge and discharge in the forward direction and the reverse direction were normally performed. As described above, according to the present invention, it is possible to provide a non-polar storage element that can be charged / discharged bidirectionally with a small loss, while having a very simple configuration that does not require polarity identification.

Claims (19)

リチウムイオンを吸蔵脱離可能なリチウム−遷移金属系複合酸化物からなる第一電極及び第二電極と、
前記第一電極及び前記第二電極の間に介在され、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質と、
を備え、前記リチウム−遷移金属系複合酸化物が、無電荷状態において、Li M1O 又はLi (M1,M2)O (式中、0<z<1、M1はNi,Mn及びCoからなる群から選択される少なくとも一種の遷移金属元素、M2はMg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Ge,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ag,Sn,Sb,Te,Ba及びBiからなる群から選択される少なくとも一種の元素である)で表される組成を有する無極性の全固体蓄電素子。
A first electrode and a second electrode made of a lithium-transition metal composite oxide capable of absorbing and desorbing lithium ions;
A solid electrolyte interposed between the first electrode and the second electrode and having lithium ion conductivity;
Wherein the lithium-transition metal-based composite oxide is Li z M1O 2 or Li z (M1, M2) O 2 (where 0 <z <1, M1 represents Ni, Mn and Co in an uncharged state ) At least one transition metal element selected from the group consisting of M2, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, A nonpolar all solid state storage element having a composition represented by (at least one element selected from the group consisting of Ag, Sn, Sb, Te, Ba and Bi) .
前記リチウム−遷移金属系複合酸化物が、リチウムイオンの吸蔵により酸化還元電位が低下し、かつ、リチウムイオンの脱離により酸化還元電位が上昇する性質を有する、請求項1に記載の全固体蓄電素子。   The all-solid-state electricity storage according to claim 1, wherein the lithium-transition metal-based composite oxide has a property that a redox potential decreases due to occlusion of lithium ions and a redox potential increases due to elimination of lithium ions. element. 前記リチウム−遷移金属系複合酸化物が、層状岩塩構造又はスピネル構造を有する、請求項1又は2のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state electricity storage element as described in any one of Claim 1 or 2 with which the said lithium- transition metal type complex oxide has a layered rock salt structure or a spinel structure. 前記リチウム−遷移金属系複合酸化物が、層状岩塩構造を有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state electrical storage element as described in any one of Claims 1-3 with which the said lithium- transition metal type complex oxide has a layered rock salt structure. 無電荷状態においてzが0.4〜0.7の範囲であり、電荷蓄積時においてzが0.2〜1.0の範囲で変動可能である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 Z is in the range of 0.4 to 0.7 in the uncharged state, z can be varied in the range of 0.2 to 1.0 at the time of charge accumulation, in any one of claims 1 to 4 The all-solid-state electricity storage element of description. 前記リチウム−遷移金属系複合酸化物の組成がLi(M1,M2)Oで表され、M1がNi及びCoであり、M2はMg,Al,Zrからなる群から選択される少なくとも一種である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 The composition of the lithium-transition metal composite oxide is represented by Li z (M1, M2) O 2 , M1 is Ni and Co, and M2 is at least one selected from the group consisting of Mg, Al, and Zr. The all-solid-state electrical storage element as described in any one of Claims 1-5 . 前記リチウム−遷移金属系複合酸化物の組成がLi(M1,M2)Oで表され、M1がNi及びCoであり、M2がAlである、請求項のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 The lithium - composition of the transition metal based composite oxide is represented by Li z (M1, M2) O 2, M1 is Ni and Co, M2 is Al, in any one of claims 1 to 6, The all-solid-state electricity storage element of description. M1及びM2の合計量に占めるNiの割合が原子比で0.6以上である、請求項のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 Ratio of Ni to the total amount of M1 and M2 is less than 0.6 in atomic ratio, all-solid battery element according to any one of claims 1 to 7. 前記リチウム−遷移金属系複合酸化物が複数の結晶粒子からなる多結晶体であり、該複数の結晶粒子が配向されてなる、請求項1〜のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state energy storage device according to any one of claims 1 to 8 , wherein the lithium-transition metal composite oxide is a polycrystal formed of a plurality of crystal particles, and the plurality of crystal particles are oriented. . 前記第一電極及び前記第二電極が気孔を有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 Said first electrode and said having a second electrode pores, all-solid battery element according to any one of claims 1-9. 前記第一電極及び前記第二電極が3〜30%の空隙率を有する、請求項10に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state energy storage device according to claim 10 , wherein the first electrode and the second electrode have a porosity of 3 to 30%. 全気孔に占める開気孔の容積比率が70%以上である、請求項10又は11に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state energy storage device according to claim 10 or 11 , wherein the volume ratio of open pores to all pores is 70% or more. 前記固体電解質がガーネット系セラミックス材料である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 Wherein the solid electrolyte is a garnet ceramic material, all-solid battery element according to any one of claims 1 to 12. 前記ガーネット系セラミックス材料が、少なくともLi、La、Zr及びOを含んで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物焼結体である、請求項13に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state electric storage element according to claim 13 , wherein the garnet-based ceramic material is an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-like crystal structure including at least Li, La, Zr, and O. . 前記ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造がNb及び/又はTaをさらに含んで構成される、請求項14に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state electric storage element according to claim 14 , wherein the garnet-type or garnet-like crystal structure further includes Nb and / or Ta. 前記酸化物焼結体がAl及び/又はMgをさらに含む、請求項14又は15に記載の全固体蓄電素子。 The all-solid-state electric storage element according to claim 14 or 15 , wherein the oxide sintered body further contains Al and / or Mg. 前記第一電極及び前記第二電極が複数用意され、且つ前記固体電解質は板状の形状を有し、該複数の第一電極が前記板状固体電解質の一方の面上にタイル状に配列され、かつ、前記複数の第二電極が前記板状固体電解質の他方の面上にタイル状に配列されてなる、請求項1〜16のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子。 A plurality of the first electrode and the second electrode are prepared, and the solid electrolyte has a plate shape, and the plurality of first electrodes are arranged in a tile shape on one surface of the plate solid electrolyte. The all-solid-state energy storage device according to any one of claims 1 to 16 , wherein the plurality of second electrodes are arranged in a tile shape on the other surface of the plate-like solid electrolyte. 複数個の請求項1〜17のいずれか一項に記載の全固体蓄電素子が集電体を介して複数個積層されてなる、スタック型全固体蓄電素子。 A stack type all-solid-state energy storage device, wherein a plurality of all-solid-state energy storage devices according to any one of claims 1 to 17 are stacked via a current collector. 前記全固体蓄電素子のうち隣接する全固体蓄電素子の前記第一電極、前記第二電極及び前記集電体で活物質板を構成し、前記集電体が前記活物質板の内部に埋め込まれた内部集電体として構成され、前記活物質板の一面側が前記第一電極を構成し、前記活物質板の他面側が前記第二電極を構成する、請求項18に記載のスタック型全固体蓄電素子。
Wherein the first electrode of the all-solid battery element of adjacent ones of the all-solid battery element, constitutes an active material plate with the second electrode and the current collector, the current collector is embedded in the interior of the active material plate 19. The stacked all-solid body according to claim 18 , wherein the stack is configured as an internal current collector, wherein one side of the active material plate constitutes the first electrode, and the other side of the active material plate constitutes the second electrode. Power storage element.
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