JP6431707B2 - Electrode layer for all solid state battery and all solid state battery - Google Patents

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Description

本発明は全固体電池用電極層および全固体電池に関し、特に、リチウムイオンが電気伝導を担う全固体電池用の電極層および全固体電池に関する。   The present invention relates to an electrode layer for an all solid state battery and an all solid state battery, and more particularly to an electrode layer for an all solid state battery in which lithium ions are responsible for electrical conduction and an all solid state battery.

近年、携帯情報端末、携帯電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、更には定置型蓄電システムなどの用途において、リチウムイオン二次電池の需要が増加している。しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は、電解液として可燃性の有機溶媒を使用しており、有機溶媒が漏れないように強固な外装を必要とする。また、携帯型のパソコン等においては、万が一電解液が漏れ出した時のリスクに備えた構造を取る必要があるなど、機器の構造に対する制約も出ている。   In recent years, the demand for lithium ion secondary batteries has increased in applications such as portable information terminals, portable electronic devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and stationary power storage systems. However, the current lithium ion secondary battery uses a flammable organic solvent as an electrolyte, and requires a strong exterior so that the organic solvent does not leak. In addition, in a portable personal computer or the like, there are restrictions on the structure of the device, such as the need to take a structure in preparation for the risk that the electrolyte should leak.

更には、自動車や飛行機等の移動体にまでその用途が広がり、定置型のリチウムイオン二次電池においては大きな容量が求められている。このような状況の下、安全性が従来よりも重視される傾向にあり、有機溶媒等の有害な物質を使用しない全固体リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。   Furthermore, the use is extended to mobile bodies such as automobiles and airplanes, and a large capacity is required for stationary lithium ion secondary batteries. Under such circumstances, safety tends to be more important than before, and efforts are being made to develop all-solid lithium ion secondary batteries that do not use harmful substances such as organic solvents.

全固体リチウムイオン二次電池における固体電解質として、酸化物、リン酸化合物、有機高分子、硫化物等を使用することが検討されている。しかしながら、酸化物およびリン酸化合物は、酸化還元に対する耐性が弱く、リチウムイオン二次電池において安定に存在することが難しい。また負極として金属リチウムや低結晶性カーボン、黒鉛等の材料を用いた場合に、固体電解質と負極とが反応してしまうという欠点も有する(特許文献1)。   The use of oxides, phosphate compounds, organic polymers, sulfides and the like as solid electrolytes in all solid-state lithium ion secondary batteries has been studied. However, oxides and phosphoric acid compounds have low resistance to oxidation and reduction, and it is difficult to stably exist in lithium ion secondary batteries. Moreover, when materials, such as metallic lithium, low crystalline carbon, and graphite, are used as a negative electrode, it also has the fault that a solid electrolyte and a negative electrode will react (patent document 1).

さらに、酸化物やリン酸化合物は、その粒子が堅いという特性を有する。従って、これらの材料を使用して固体電解質層を形成するには、一般的に600℃以上の高い温度での焼結を必要とし、手間がかかる。更には、固体電解質層の材料として酸化物やリン酸化合物を使用した場合、電極活物質との間の界面抵抗が大きくなってしまうという欠点も有する。有機高分子については、室温におけるリチウムイオン伝導性が低く、温度が下がると急激に伝導性が低くなるという欠点を有する。   Furthermore, oxides and phosphoric acid compounds have the property that their particles are hard. Therefore, in order to form a solid electrolyte layer using these materials, it is generally necessary to sinter at a high temperature of 600 ° C. or more, which is troublesome. Furthermore, when an oxide or a phosphoric acid compound is used as the material for the solid electrolyte layer, there is a disadvantage that the interfacial resistance with the electrode active material is increased. The organic polymer has a drawback that the lithium ion conductivity at room temperature is low and the conductivity rapidly decreases as the temperature decreases.

一方、硫化物は、室温で1.0×10−3S/cm以上(特許文献2)および0.2×10−3S/cm以上(特許文献3)という高いリチウムイオン伝導性を有することが知られている。さらに、粒子がやわらかいことから、コールドプレスにて固体電解質層を作製することが可能であり、且つ接触界面を容易に良好な状態とすることができる。しかしながら、硫化物固体電解質材料としてGeやSiを含む材料を使用した場合(特許文献2および特許文献4)、これらの材料は還元されやすいという問題を有する。また、単セルにおいて高電圧を確保できるリチウム金属やカーボン系活物質に代表される電極電位が0V付近(Li基準)の負極活物質を用いて電池を構成すると(特許文献4)、硫化物固体電解質の還元反応が生じてしまうという問題もある。 On the other hand, sulfide has high lithium ion conductivity of 1.0 × 10 −3 S / cm or more (Patent Document 2) and 0.2 × 10 −3 S / cm or more (Patent Document 3) at room temperature. It has been known. Furthermore, since the particles are soft, it is possible to produce a solid electrolyte layer by a cold press and to easily bring the contact interface into a good state. However, when materials containing Ge or Si are used as the sulfide solid electrolyte material (Patent Document 2 and Patent Document 4), these materials have a problem that they are easily reduced. Further, when a battery is formed using a negative electrode active material having an electrode potential of about 0 V (Li standard) typified by lithium metal or a carbon-based active material capable of securing a high voltage in a single cell (Patent Document 4), a sulfide solid There is also a problem that a reduction reaction of the electrolyte occurs.

上記のような問題を防ぐために、負極活物質の表面に皮膜を設ける方法(特許文献5)、固体電解質の組成を工夫する方法(特許文献6〜10)等が提案されている。特に、特許文献10ではPを含む固体電解質が使用されているが、このような硫化物固体電解質を使用した場合であっても、負極活物質との反応に対する懸念は残る(非特許文献1)。また、負極の安定性は、固体電解質層中の微量不純物によって変わりやすく、その制御は容易ではない。このようなことから、リチウムイオン伝導性が高く、電極活物質の安定性に悪影響を及ぼさず、且つ隣接する物質との間に良好な界面を形成することができる固体電解質が切望されている。 In order to prevent the above problems, a method of providing a film on the surface of the negative electrode active material (Patent Document 5), a method of devising the composition of the solid electrolyte (Patent Documents 6 to 10), and the like have been proposed. In particular, in Patent Document 10, a solid electrolyte containing P 2 S 5 is used, but even when such a sulfide solid electrolyte is used, there remains a concern about the reaction with the negative electrode active material (non-patent). Reference 1). Further, the stability of the negative electrode is easily changed by a small amount of impurities in the solid electrolyte layer, and its control is not easy. For this reason, a solid electrolyte that has high lithium ion conductivity, does not adversely affect the stability of the electrode active material, and can form a good interface with an adjacent material is desired.

新しいリチウムイオン伝導性固体電解質に関しては、2007年にLiBHの高温相が高いリチウムイオン伝導性を有することが報告され(非特許文献2)、2009年にはLiBHにLiIを加えることによってできる固溶体が、室温においても高温相を保つことができることが報告された(非特許文献3および特許文献11;以下、例えばLiBH等の錯体水素化物を含むイオン伝導体を錯体水素化物固体電解質とも称する)。LiBHは密度が小さく、これらを固体電解質として用いた場合には軽い電池が作成できる。また、200℃までは安定であり、耐熱性の電池を作成することも可能である。この錯体水素化物固体電解質を用いて電池を構成することが検討されており、特に負極に金属リチウムを使用する場合において効果を発揮することが開示されている(特許文献12および特許文献13)。 Regarding the new lithium ion conductive solid electrolyte, it was reported in 2007 that the high temperature phase of LiBH 4 has a high lithium ion conductivity (Non-patent Document 2), and in 2009 it can be achieved by adding LiI to LiBH 4. It was reported that the solid solution can maintain a high-temperature phase even at room temperature (Non-patent Document 3 and Patent Document 11; hereinafter, an ion conductor containing a complex hydride such as LiBH 4 is also referred to as a complex hydride solid electrolyte. ). LiBH 4 has a low density, and when these are used as a solid electrolyte, a light battery can be produced. Further, it is stable up to 200 ° C., and a heat-resistant battery can be produced. It has been studied to construct a battery using this complex hydride solid electrolyte, and it is disclosed that the effect is exhibited particularly when metallic lithium is used for the negative electrode (Patent Documents 12 and 13).

しかし、LiBHを含む固体電解質は、一般的に使用される正極活物質である酸化物、例えばLiCoOを還元してしまうという欠点を有している。これを防ぐ手法としては、パルスレーザー堆積法(PLD;Pulse Laser Deposition)にて製膜した100nmのLiCoO層上にLiPOを約10nmコートすることによって、120℃での充放電サイクルが可能なことが報告されている(非特許文献4)。しかしながら、これは、バルク型ではなく気相成膜を用いて製造された薄膜電池であるため、一つのセル当たりの容量をバルク型ほど確保できず、生産性も良くないという欠点を有する。 However, the solid electrolyte containing LiBH 4 has a drawback of reducing an oxide, for example, LiCoO 2, which is a commonly used positive electrode active material. As a technique for preventing this, a charge / discharge cycle at 120 ° C. can be achieved by coating about 10 nm of Li 3 PO 4 on a 100 nm LiCoO 2 layer formed by pulsed laser deposition (PLD; Pulse Laser Deposition). It has been reported that this is possible (Non-Patent Document 4). However, since this is a thin film battery manufactured using vapor phase film deposition instead of the bulk type, it has a drawback that the capacity per cell cannot be secured as in the bulk type and the productivity is not good.

特定の正極活物質を用いることによって、錯体水素化物による還元を回避する方法も見出されているが、使用可能な正極活物質が極めて限定される(例えば、ポリアセン系骨格構造を有する多環芳香族炭化水素、ペロブスカイト型フッ化物等)(特許文献12)。また、これらの正極活物質は、現在市販されているリチウムイオン二次電池に一般的に使用されている酸化物型正極活物質ではなく、長期安定性に関する実績もない。特許文献12には、酸化物型正極活物質に特定のイオン伝導体や炭素をコートしたものが還元されにくいことも述べられているが、実施例で示しているデータは充電時の還元作用を示しているのに留まり、必ずしも充放電を繰り返した時の効果を述べてはいない。   Although a method for avoiding reduction by complex hydride by using a specific positive electrode active material has been found, usable positive electrode active materials are extremely limited (for example, polycyclic aroma having a polyacene skeleton structure). Group hydrocarbons, perovskite-type fluorides, etc.) (Patent Document 12). Moreover, these positive electrode active materials are not the oxide type positive electrode active materials generally used for the lithium ion secondary battery currently marketed, and there is no track record regarding long-term stability. Patent Document 12 also states that an oxide-type positive electrode active material coated with a specific ion conductor or carbon is difficult to reduce, but the data shown in the examples shows the reducing action during charging. It does not necessarily describe the effect when charging and discharging are repeated.

なお、非特許文献4においては、LiBHによるLiCoOの還元は充電中に生じることが示されおり、非特許文献4のFig.1には充放電サイクルを重ねることで、電池抵抗が増大していくことが明確に示されている。このことから、錯体水素化物による正極活物質の還元を短期的に抑えるだけではなく、充放電を繰り返した後においても電池抵抗の増大を抑制できる有効な手段が求められていると言える。 Non-Patent Document 4 shows that reduction of LiCoO 2 by LiBH 4 occurs during charging. 1 clearly shows that the battery resistance increases with repeated charge and discharge cycles. From this, it can be said that there is a demand for an effective means that not only suppresses the reduction of the positive electrode active material by the complex hydride in the short term but also suppresses the increase in battery resistance even after repeated charge and discharge.

特開2000−223156号公報JP 2000-223156 A 国際公開第2011/118801号International Publication No. 2011/118801 特開2012−43646号公報JP 2012-43646 A 特開2006−277997号公報JP 2006-277797 A 特開2011−150942号公報JP 2011-150942 A 特許第3149524号公報Japanese Patent No. 3149524 特許第3163741号公報Japanese Patent No. 3163374 特許第3343934号公報Japanese Patent No. 3343934 特許第4165536号公報Japanese Patent No. 4165536 特開2003−68361号公報JP 2003-68361 A 特許第5187703号公報Japanese Patent No. 5187703 特開2012−209106号公報JP2012-209106A 特開2012−209104号公報JP2012-209104A

SEIテクニカルレビュー、2005年9月、第167号、p.54−60SEI Technical Review, September 2005, No. 167, p. 54-60 Applied PhysiCS Letters(2007) 91、p.224103Applied PhysiCS Letters (2007) 91, p. 224103 JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY(2009)、131、p.894−895JOURNAL OF THE AMERICA CHEMICAL SOCIETY (2009), 131, p. 894-895 Journal of Power Sources(2013)、226、p.61−64Journal of Power Sources (2013), 226, p. 61-64

発明者らは、錯体水素化物固体電解質および活物質により構成される電極層について鋭意検討した。その結果、錯体水素化物固体電解質を含む電極層は、充放電時の電圧が高い場合、錯体水素化物が副反応によって分解を起こして変質してしまうことを新たに見出した。
上記問題点を解決すべく、本発明は、イオン伝導性が高く、且つ安定性に優れた全固体電池を得るための電極層およびそのような電極層を含む全固体電池を提供することを目的とする。
The inventors diligently studied an electrode layer composed of a complex hydride solid electrolyte and an active material. As a result, it has been newly found that an electrode layer containing a complex hydride solid electrolyte undergoes degradation due to decomposition of the complex hydride due to side reactions when the voltage during charging and discharging is high.
In order to solve the above problems, the present invention has an object to provide an electrode layer for obtaining an all-solid battery having high ion conductivity and excellent stability, and an all-solid battery including such an electrode layer. And

本発明者らは、上記課題を解決できる電極層の構成として、錯体水素化物固体電解質と電極電位が比較的低い特定の活物質を組み合わせることが有効であることを見出した。よって、本発明は、例えば以下の通りである。
[1] 活物質と錯体水素化物固体電解質とを含む電極層であって、前記活物質はチタン酸リチウムを含む電極層。
[2] 前記チタン酸リチウムは、LiTi、LiTi12およびLiTiからなる群より選択される[1]に記載の電極層。
[3] 前記チタン酸リチウムは、LiTi12である[2]に記載の電極層。
[4] 前記錯体水素化物固体電解質は、LiBHまたはLiBHと下記式(1)で表されるアルカリ金属化合物との混合物である、[1]〜[3]のいずれかに記載の電極層:
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子またはNH基を表す。]。
[5] 前記アルカリ金属化合物は、ハロゲン化ルビジウム、ハロゲン化リチウム、ハロゲン化セシウムおよびリチウムアミドからなる群より選択される[4]に記載の電極層。
[6] 前記電極層は正極層であり、前記錯体水素化物固体電解質はLiBHであり、前記正極層に含まれる全活物質の90重量%以上が、リチウム基準で1.20V〜1.80Vの電極電位を有する活物質である、[1]〜[5]のいずれかに記載の電極層。
[7] 前記電極層は正極層であり、前記錯体水素化物固体電解質は3LiBH−LiIであり、前記正極層に含まれる全活物質の90重量%以上が、リチウム基準で1.20V〜2.70Vの電極電位を有する活物質である、[1]〜[5]のいずれかに記載の電極層。
[8] 正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置されたリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層とを具備し、
前記正極層または前記負極層のいずれか一方は、[1]〜[7]のいずれかに記載の電極層である
全固体電池。
[9] 前記負極層が[1]〜[5]のいずれかに記載の電極層である、[8]に記載の全固体電池。
[10] 前記正極層が[1]〜[7]のいずれかに記載の電極層である、[8]に記載の全固体電池。
[11] 前記正極層に含まれる錯体水素化物固体電解質はLiBHであり、前記正極層にかかる上限充電電圧はリチウム基準で1.55V〜1.80Vである、[10]に記載の全固体電池。
[12] 前記正極層に含まれる錯体水素化物固体電解質は3LiBH−LiIであり、前記正極層にかかる上限充電電圧はリチウム基準で1.55V〜2.70Vである、[10]に記載の全固体電池。
The present inventors have found that it is effective to combine a complex hydride solid electrolyte and a specific active material having a relatively low electrode potential as a configuration of an electrode layer that can solve the above-described problems. Therefore, the present invention is as follows, for example.
[1] An electrode layer comprising an active material and a complex hydride solid electrolyte, wherein the active material comprises lithium titanate.
[2] The electrode layer according to [1], wherein the lithium titanate is selected from the group consisting of LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 and Li 2 Ti 3 O 7 .
[3] The electrode layer according to [2], wherein the lithium titanate is Li 4 Ti 5 O 12 .
[4] The electrode layer according to any one of [1] to [3], wherein the complex hydride solid electrolyte is a mixture of LiBH 4 or LiBH 4 and an alkali metal compound represented by the following formula (1). :
MX (1)
[In formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of lithium atom, rubidium atom and cesium atom, X represents a halogen atom or an NH 2 group. ].
[5] The electrode layer according to [4], wherein the alkali metal compound is selected from the group consisting of rubidium halide, lithium halide, cesium halide, and lithium amide.
[6] The electrode layer is a positive electrode layer, the complex hydride solid electrolyte is LiBH 4 , and 90% by weight or more of the total active material contained in the positive electrode layer is 1.20 V to 1.80 V based on lithium. The electrode layer according to any one of [1] to [5], which is an active material having an electrode potential of
[7] The electrode layer is a positive electrode layer, the complex hydride solid electrolyte is 3LiBH 4 -LiI, and 90% by weight or more of the total active material contained in the positive electrode layer is 1.20 V to 2 on a lithium basis. The electrode layer according to any one of [1] to [5], which is an active material having an electrode potential of 70V.
[8] A positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
Either the said positive electrode layer or the said negative electrode layer is an all-solid-state battery which is an electrode layer in any one of [1]-[7].
[9] The all solid state battery according to [8], wherein the negative electrode layer is the electrode layer according to any one of [1] to [5].
[10] The all solid state battery according to [8], wherein the positive electrode layer is the electrode layer according to any one of [1] to [7].
[11] The complex hydride solid electrolyte contained in the positive electrode layer is LiBH 4, the upper limit charge voltage applied to the positive electrode layer is 1.55V~1.80V based on lithium, total solids according to [10] battery.
[12] The complex hydride solid electrolyte contained in the positive electrode layer is 3LiBH 4 -LiI, and the upper limit charging voltage applied to the positive electrode layer is 1.55 V to 2.70 V based on lithium, All solid battery.

本発明によれば、イオン伝導性が高く、且つ安定性に優れた全固体電池を得るための電極層およびそのような電極層を含む全固体電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an electrode layer for obtaining an all-solid battery having high ion conductivity and excellent stability, and an all-solid battery including such an electrode layer.

本発明の実施形態に係る全固体電池の断面図。Sectional drawing of the all-solid-state battery which concerns on embodiment of this invention. 実施例1で作製した全固体電池の充電容量およびクーロン効率の推移を示す図。The figure which shows transition of the charge capacity of the all-solid-state battery produced in Example 1, and coulomb efficiency. 実施例2で作製した全固体電池の充電容量およびクーロン効率の推移を示す図。The figure which shows transition of the charge capacity of the all-solid-state battery produced in Example 2, and coulomb efficiency. 実施例1で作製した全固体電池について、1、2および20サイクル目の充放電曲線を示す図(充放電試験1)。The figure which shows the charge-and-discharge curve of 1, 2 and 20th cycle about the all-solid-state battery produced in Example 1 (charge-discharge test 1). 実施例1で作製した全固体電池について、1および2サイクル目の充放電曲線を示す図(充放電試験2)。The figure which shows the charging / discharging curve of 1st and 2nd cycles about the all-solid-state battery produced in Example 1 (charging / discharging test 2). 実施例2で作製した全固体電池について、1、2および20サイクル目の充放電曲線を示す図。The figure which shows the charging / discharging curve of 1, 2 and 20th cycle about the all-solid-state battery produced in Example 2. FIG. 比較例1で作製した全固体電池について、1サイクル目の充放電曲線を示す図。The figure which shows the charging / discharging curve of the 1st cycle about the all-solid-state battery produced by the comparative example 1. FIG. 比較例2で作製した全固体電池について、1サイクル目の充放電曲線を示す図。The figure which shows the charging / discharging curve of the 1st cycle about the all-solid-state battery produced by the comparative example 2. FIG.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する材料、構成等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。   Embodiments of the present invention will be described below. The materials, configurations, and the like described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.

1.電極層
本発明の1つの実施形態によると、活物質と錯体水素化物固体電解質とを含む電極層であって、活物質がチタン酸リチウムを含む電極層が提供される。この電極層は、好ましくは全固体電池において使用される電極層であり、より好ましくは全固体リチウムイオン二次電池において使用される電極層である。本発明の電極層は、負極層および正極層のいずれにも使用することができ、必要に応じて、導電助剤、結着材等をさらに含有していてもよい。以下、チタン酸リチウム、錯体水素化物固体電解質、および電極層に使用され得るその他の材料を合わせて「電極材料」とも称する。
1. Electrode Layer According to one embodiment of the present invention, there is provided an electrode layer comprising an active material and a complex hydride solid electrolyte, wherein the active material comprises lithium titanate. This electrode layer is preferably an electrode layer used in an all-solid battery, and more preferably an electrode layer used in an all-solid lithium ion secondary battery. The electrode layer of the present invention can be used for both the negative electrode layer and the positive electrode layer, and may further contain a conductive additive, a binder, and the like as necessary. Hereinafter, lithium titanate, complex hydride solid electrolyte, and other materials that can be used for the electrode layer are also collectively referred to as “electrode material”.

以下、電極材料について詳細に説明する。
(1)チタン酸リチウム
本発明の電極層は、活物質としてチタン酸リチウムを含む。チタン酸リチウムとしては、スピネル型のLiTi、スピネル型のLiTi12、ラムスデライト型のLiTi等を用いることができ、好ましくはスピネル型のLiTi12である。LiTi12は、Li4/3Ti5/3やLi[Li1/6Ti5/6と表記されることもあり、空間群はFd−3mEである。これにリチウムイオンが挿入されると、岩塩型の構造に変化する特徴を有する。
Hereinafter, the electrode material will be described in detail.
(1) Lithium titanate The electrode layer of the present invention contains lithium titanate as an active material. As lithium titanate, spinel-type LiTi 2 O 4 , spinel-type Li 4 Ti 5 O 12 , ramsdellite-type Li 2 Ti 3 O 7, etc. can be used, and preferably spinel-type Li 4 Ti 5. O is 12. Li 4 Ti 5 O 12 may be expressed as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li [Li 1/6 Ti 5/6 ] 2 O 4 , and the space group is Fd-3mE. When lithium ions are inserted into this, the structure changes to a rock salt type structure.

チタン酸リチウムのようにリチウムおよびチタンを含む酸化物からなる活物質の製法は様々であり、液相法、固相法等、いずれの手法を用いて製造されたものでもよい。   There are various methods for producing an active material made of an oxide containing lithium and titanium, such as lithium titanate, and any method such as a liquid phase method or a solid phase method may be used.

チタン酸リチウムの粒子径は、電子顕微鏡で観察した際に0.05〜200μmの範囲であることが好ましく、より好ましくは0.1〜100μmである。出力型の電極を作製したい場合には、粒径の小さいものを使用する方が良い。   The particle size of lithium titanate is preferably in the range of 0.05 to 200 μm, more preferably 0.1 to 100 μm, when observed with an electron microscope. When it is desired to produce an output type electrode, it is better to use an electrode having a small particle size.

上述したように、発明者らは、錯体水素化物固体電解質を含む電極層は、充放電時の電圧が高い場合、錯体水素化物が副反応によって分解を起こして変質してしまうことを見出した。本発明では、活物質として電極電位が比較的低いチタン酸リチウムを使用することにより、充放電時の電圧の上昇を抑えることができ、そのため、錯体水素化物の副反応による分解も防ぐことができる。よって、上記で具体例を示したような電極電位(リチウム基準)が1.0〜1.8Vのチタン酸リチウムが好ましい。また、上述したように、錯体水素化物を固体電解質として使用した場合、正極活物質の還元が懸念される。しかしながら、チタン酸リチウムは錯体水素化物による還元を受けにくい。そのため、チタン酸リチウムを正極活物質として使用することにより、錯体水素化物による正極活物質の還元を懸念することなく、リチウムイオン伝導性の高い錯体水素化物を固体電解質として使用することができる。このように、チタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を含む電極層を全固体電池の電極層として使用することにより錯体水素化物の副反応による分解が抑制され、また、上記電極層を正極層として使用した場合には、正極活物質の還元も防ぐことができる。その結果、充放電サイクルを繰り返しても長期間にわたって安定に動作する全固体電池を提供することができる。   As described above, the inventors have found that an electrode layer containing a complex hydride solid electrolyte is deteriorated by decomposition of the complex hydride due to a side reaction when the voltage during charging and discharging is high. In the present invention, by using lithium titanate having a relatively low electrode potential as an active material, it is possible to suppress an increase in voltage during charging and discharging, and therefore it is possible to prevent decomposition due to side reaction of the complex hydride. . Therefore, lithium titanate having an electrode potential (based on lithium) of 1.0 to 1.8 V as shown in the above specific example is preferable. Further, as described above, when the complex hydride is used as a solid electrolyte, there is a concern about reduction of the positive electrode active material. However, lithium titanate is less susceptible to reduction by complex hydrides. Therefore, by using lithium titanate as a positive electrode active material, a complex hydride having high lithium ion conductivity can be used as a solid electrolyte without concern about reduction of the positive electrode active material by the complex hydride. Thus, by using an electrode layer containing lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte as an electrode layer of an all-solid battery, decomposition due to side reaction of the complex hydride is suppressed, and the electrode layer is used as a positive electrode layer. When used, the reduction of the positive electrode active material can also be prevented. As a result, it is possible to provide an all solid state battery that operates stably over a long period of time even when the charge / discharge cycle is repeated.

本発明の電極層は、チタン酸リチウム以外の活物質を含んでもよい。チタン酸リチウム以外の活物質としては、α−Fe、LiCoO、LiCo4、LiMnO、LiMn、LiMn4、LiMnCoO4、LiMnCoO4、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNi0.5Mn0.5、LiNiMn、LiVO、V、LiV、LiC rO、LiFePO、LiCoPO、LiMnPO、LiVOPO、LiNiO、LiNi4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiFeSiO、LiMnSiO、LiFeBO等を挙げることができる。 The electrode layer of the present invention may contain an active material other than lithium titanate. As active materials other than lithium titanate, α-Fe 2 O 3 , LiCoO 2 , LiCo 2 O 4 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4, LiMnCoO 4 , Li 2 MnCoO 4 , LiNi 0 .8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , Li 2 NiMn 3 O 8 , LiVO 2 , V 2 O 3 , LiV 3 O 3 , LiCrO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiVOPO 4 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , LiFeBO 3, etc. it can.

電極層に含まれる活物質全量に対するチタン酸リチウムの割合は、90重量%以上であることが好ましく、95重量%であることがより好ましく、98重量%以上であることがさらに好ましい。   The ratio of lithium titanate to the total amount of the active material contained in the electrode layer is preferably 90% by weight or more, more preferably 95% by weight, and further preferably 98% by weight or more.

本発明の電極層においては、活物質(複数種であってもよい)と錯体水素化物固体電解質とがバルク型で存在することが好ましい。一方、チタン酸リチウムは、チタン酸リチウム以外の活物質の表面を被覆する被覆層として使用され得ることが知られている。このような態様で使用される場合、上述した充放電時の電圧の制限の必要性に鑑みると、チタン酸リチウム以外の活物質として、錯体水素化物の副反応を起こす電圧よりも高い電極電位を有する活物質を用いることは好ましくない。錯体水素化物の副反応を起こす電圧よりも高い電極電位を有する活物質を用いることは、錯体水素化物の副反応を起こす電圧よりも低い電圧で充放電を行い、被覆層のチタン酸リチウムの容量のみを使用して電池を動作させれば不可能ではないが、電極全体での容量密度は低下する。   In the electrode layer of the present invention, it is preferable that the active material (may be plural types) and the complex hydride solid electrolyte exist in a bulk type. On the other hand, it is known that lithium titanate can be used as a coating layer that covers the surface of an active material other than lithium titanate. When used in such an embodiment, in view of the necessity of limiting the voltage during charge and discharge described above, as an active material other than lithium titanate, an electrode potential higher than the voltage causing a side reaction of the complex hydride is used. It is not preferable to use an active material. The use of an active material having an electrode potential higher than the voltage causing the side reaction of the complex hydride charges and discharges at a voltage lower than the voltage causing the side reaction of the complex hydride, and the capacity of the lithium titanate of the coating layer However, it is not impossible if the battery is operated using only the electrode, but the capacity density of the entire electrode is lowered.

特に正極層において、正極活物質にチタン酸リチウムをはじめとしたイオン伝導体をコートすることは、硫化物系固体電解質を使用した全固体電池について、よく知られたものである。正極活物質と硫化物系固体電解質が直接接触すると、接触した界面から50nm程度の範囲において元素拡散(活物質中の遷移金属が固体電解質側に、固体電解質の構成元素が活物質側に、それぞれ拡散する)が生じることが知られている(例えば、「全固体リチウムイオン二次電池の開発と製造技術」,サイエンス&テクノノロジー出版,p149〜p151)。すなわち、チタン酸リチウムを含む被覆層が元素拡散が生じる範囲内の膜厚を有する場合、チタン酸リチウムは純粋な状態で存在しておらず、純粋なチタン酸リチウムに対して電極電位のずれが生じていると考えられる。また、このような被覆層は、その厚さが厚くなると抵抗層となることも知られている(「全固体リチウムイオン二次電池の開発と製造技術」,p62〜p68)。これらの現象は、硫化物固体電解質を使用した場合のみならず、錯体水素化物固体電解質を使用した場合にも生じる可能性が十分に考えられる(「全固体リチウムイオン二次電池の開発と製造技術」,p62)。   Particularly, in the positive electrode layer, coating of the positive electrode active material with an ion conductor such as lithium titanate is well known for all solid state batteries using a sulfide-based solid electrolyte. When the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte are in direct contact, element diffusion in the range of about 50 nm from the contact interface (the transition metal in the active material is on the solid electrolyte side, the constituent elements of the solid electrolyte are on the active material side, respectively (For example, “Development and manufacturing technology of an all-solid-state lithium ion secondary battery”, Science & Technology Publishing, p149-p151). That is, when the coating layer containing lithium titanate has a thickness within a range where element diffusion occurs, lithium titanate does not exist in a pure state, and the electrode potential shifts with respect to pure lithium titanate. It is thought that it has occurred. It is also known that such a coating layer becomes a resistance layer when the thickness is increased ("Development and manufacturing technology of an all-solid-state lithium ion secondary battery", p62 to p68). These phenomena are considered to occur not only when using sulfide solid electrolytes but also when using complex hydride solid electrolytes ("Development and manufacturing technology of all-solid lithium ion secondary batteries"). ", P62).

上記のような正極活物質にチタン酸リチウムをコートするという技術を用いて、本発明の目的の1つである錯体水素化物固体電解質にかかる電位を低く抑えて副反応の発生を防止することを達成しようとすると、種々の問題が生じ得る。例えば、電極電位が高い公知の活物質にチタン酸リチウムをコートした場合、副反応による錯体水素化物固体電解質の分解を防ぐためには、チタン酸リチウムの容量のみを使用して低い電圧で充放電を行う必要がある。よって、チタン酸リチウムを含む被覆層の厚みを大きくする必要があり、少なくとも元素拡散の影響をほぼ受けなくなる50nm以上の膜厚を確保することが必要である。被覆層の膜厚は、例えば100nm以上にする必要があり、好ましくは500nm以上、より好ましくは1000nm以上、特に好ましくは2000nm以上にする必要がある。上述したように、被覆層の膜厚を大きくすることにより、抵抗層となり得る。従って、正極活物質をチタン酸リチウムでコートするという公知の方法において、被覆層の膜厚を上記のような大きな範囲に設定することは想定されておらず、そのような必要性もない。以上の通り、正極活物質をチタン酸リチウムでコートする公知の方法においては、固体電解質の分解を抑制することは想定されていないと言える。   Using the technology of coating the positive electrode active material as described above with lithium titanate, the potential applied to the complex hydride solid electrolyte, which is one of the objects of the present invention, is suppressed to prevent the occurrence of side reactions. Various problems can arise when trying to achieve. For example, when lithium titanate is coated on a known active material having a high electrode potential, in order to prevent decomposition of the complex hydride solid electrolyte due to side reactions, charging and discharging is performed at a low voltage using only the lithium titanate capacity. There is a need to do. Therefore, it is necessary to increase the thickness of the coating layer containing lithium titanate, and it is necessary to secure a film thickness of 50 nm or more that is hardly affected by element diffusion. The film thickness of the coating layer needs to be, for example, 100 nm or more, preferably 500 nm or more, more preferably 1000 nm or more, and particularly preferably 2000 nm or more. As described above, the resistance layer can be formed by increasing the thickness of the coating layer. Therefore, in the known method of coating the positive electrode active material with lithium titanate, it is not assumed that the film thickness of the coating layer is set in the large range as described above, and there is no such necessity. As described above, it can be said that the known method of coating the positive electrode active material with lithium titanate is not supposed to suppress the decomposition of the solid electrolyte.

(2)錯体水素化物固体電解質
錯体水素化物固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する錯体水素化物を含む材料であれば、特に限定されない。例えば、錯体水素化物固体電解質は、LiBHまたはLiBHと下記式(1)で表されるアルカリ金属化合物との混合物である:
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子またはNH基を表す。]。
上記式(1)におけるXとしてのハロゲン原子は、ヨウ素原子、臭素原子、フッ素原子、塩素原子等であってよい。Xは、ヨウ素原子、臭素原子またはNH基であることが好ましく、ヨウ素原子またはNH基であることがより好ましい。
(2) Complex hydride solid electrolyte The complex hydride solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a material containing a complex hydride having lithium ion conductivity. For example, the complex hydride solid electrolyte is LiBH 4 or a mixture of LiBH 4 and an alkali metal compound represented by the following formula (1):
MX (1)
[In formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of lithium atom, rubidium atom and cesium atom, X represents a halogen atom or an NH 2 group. ].
The halogen atom as X in the formula (1) may be an iodine atom, a bromine atom, a fluorine atom, a chlorine atom or the like. X is preferably an iodine atom, a bromine atom or an NH 2 group, and more preferably an iodine atom or an NH 2 group.

具体的には、アルカリ金属化合物は、ハロゲン化リチウム(例えば、LiI、LiBr、LiFまたはLiCl)、ハロゲン化ルビジウム(例えば、RbI、RbBr、RbFまたはRbCl)、ハロゲン化セシウム(例えば、CsI、CsBr、CsFまたはCsCl)、あるいはリチウムアミド(LiNH)であることが好ましく、LiI、RbI、CsIまたはLiNHであることがより好ましい。アルカリ金属化合物は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。好ましい組合せとしては、LiIとRbIとの組合せが挙げられる。 Specifically, the alkali metal compound includes lithium halide (eg, LiI, LiBr, LiF or LiCl), rubidium halide (eg, RbI, RbBr, RbF or RbCl), cesium halide (eg, CsI, CsBr, CsF or CsCl) or lithium amide (LiNH 2 ) is preferable, and LiI, RbI, CsI, or LiNH 2 is more preferable. An alkali metal compound may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. A preferred combination includes a combination of LiI and RbI.

LiBHおよびアルカリ金属化合物としては、各々公知の化合物を使用することができる。また、これら化合物の純度は、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。純度が上記範囲である化合物は、固体電解質としての性能が高いためである。 As LiBH 4 and the alkali metal compound, known compounds can be used respectively. Further, the purity of these compounds is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more. This is because a compound having a purity within the above range has high performance as a solid electrolyte.

LiBHとアルカリ金属化合物とのモル比は、1:1〜20:1であることが好ましく、2:1〜7:1であることがより好ましい。モル比を上記範囲とすることにより、電極層中のLiBHの量を十分に確保することができ、高いイオン伝導性を得ることができる。一方、LiBHの量が多すぎると、高温相(高イオン伝導相)の転移温度が低下しにくく、LiBHの高温相の転移温度(115℃)未満において十分なイオン伝導性を得られない傾向にある。 The molar ratio of LiBH 4 to the alkali metal compound is preferably 1: 1 to 20: 1, and more preferably 2: 1 to 7: 1. By setting the molar ratio within the above range, a sufficient amount of LiBH 4 in the electrode layer can be ensured, and high ion conductivity can be obtained. On the other hand, if the amount of LiBH 4 is too large, the transition temperature of the high-temperature phase (high ion conduction phase) is difficult to decrease, and sufficient ion conductivity cannot be obtained at a temperature lower than the transition temperature (115 ° C.) of the high-temperature phase of LiBH 4. There is a tendency.

2種以上のアルカリ金属化合物を併用する場合、その混合比は特に限定されない。例えば、LiIと他のアルカリ金属化合物(好ましくはRbIまたはCsI)とを併用する場合においては、LiIと他のアルカリ金属化合物とのモル比=1:1〜20:1であることが好ましく、5:1〜20:1であることがより好ましい。このような混合比とすることにより、リチウムドープ後に材料が残存した場合に、固体電解質として好ましく作用するためである。   When using 2 or more types of alkali metal compounds together, the mixing ratio is not particularly limited. For example, when LiI and another alkali metal compound (preferably RbI or CsI) are used in combination, the molar ratio between LiI and the other alkali metal compound is preferably 1: 1 to 20: 1. : More preferably, it is 1-20: 1. This is because such a mixture ratio preferably acts as a solid electrolyte when the material remains after lithium doping.

錯体水素化物固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=24.0±1.0deg、25.6±1.2deg、27.3±1.2deg、35.4±1.5degおよび42.2±2.0degに回折ピークを有することが好ましい。少なくとも2θ=23.7±0.7deg、25.2±0.8deg、26.9±0.8deg、35.0±1.0degおよび41.3±1.0degに回折ピークを有することがより好ましく、少なくとも2θ=23.6±0.5deg、24.9±0.5deg、26.7±0.5deg、34.6±0.5degおよび40.9±0.5degに回折ピークを有することが特に好ましい。また、少なくとも2θ=23.6±0.3deg、24.9±0.3deg、26.7±0.3deg、34.6±0.3degおよび40.9±0.3degに回折ピークを有することがさらに好ましい。これら5領域の回折ピークは、LiBHの高温相の回折ピークに相当するものである。LiBHの高温相の転移温度未満においてもこのように5領域に回折ピークを有する材料は、上記転移温度未満においても高いイオン伝導性を示す傾向にある。 The complex hydride solid electrolyte has at least 2θ = 24.0 ± 1.0 deg, 25.6 ± 1.2 deg, 27.3 ± 1.2 deg, 35 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.540540). It is preferable to have diffraction peaks at 4 ± 1.5 deg and 42.2 ± 2.0 deg. It is more preferable to have diffraction peaks at 2θ = 23.7 ± 0.7 deg, 25.2 ± 0.8 deg, 26.9 ± 0.8 deg, 35.0 ± 1.0 deg, and 41.3 ± 1.0 deg. Preferably, it has a diffraction peak at 2θ = 23.6 ± 0.5 deg, 24.9 ± 0.5 deg, 26.7 ± 0.5 deg, 34.6 ± 0.5 deg, and 40.9 ± 0.5 deg. Is particularly preferred. Further, it has diffraction peaks at least at 2θ = 23.6 ± 0.3 deg, 24.9 ± 0.3 deg, 26.7 ± 0.3 deg, 34.6 ± 0.3 deg, and 40.9 ± 0.3 deg. Is more preferable. The diffraction peaks in these five regions correspond to the diffraction peaks of the high temperature phase of LiBH 4 . Even when the temperature is lower than the transition temperature of the high temperature phase of LiBH 4, the material having the diffraction peak in the five regions as described above tends to exhibit high ionic conductivity even when the temperature is lower than the transition temperature.

錯体水素化物固体電解質の製造方法は特に限定されないが、メカニカルミリングや特許第5187703号公報に記載の溶融混合等によって製造することが好ましい。   The method for producing the complex hydride solid electrolyte is not particularly limited, but it is preferably produced by mechanical milling or melt mixing described in Japanese Patent No. 5187703.

(3)導電助剤
電極層に用いられる導電助剤としては、所望の導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料からなる導電助剤を挙げることができる。具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。
(3) Conductive auxiliary agent The conductive auxiliary agent used for the electrode layer is not particularly limited as long as it has a desired conductivity, and examples thereof include a conductive auxiliary agent made of a carbon material. Specific examples include carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber.

電極層における導電助剤の含有量は、所望の電子伝導性を確保できる範囲であれば、より少ないことが好ましい。電極材料に対する導電助剤の含有量は、例えば0.1質量%〜40質量%であり、1質量%〜20質量%であることが好ましい。   The content of the conductive additive in the electrode layer is preferably smaller as long as desired electronic conductivity can be secured. Content of the conductive support agent with respect to electrode material is 0.1 mass%-40 mass%, for example, and it is preferable that they are 1 mass%-20 mass%.

(4)結着剤
電極層に用いられる結着剤としては、一般的にリチウムイオン二次電池の正極層に用いられているものであれば使用することが可能である。例えば、ポリシロキサン、ポリアルキレングリコール、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)等を使用することができる。必要に応じて、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤も使用することができる。
(4) Binder As the binder used for the electrode layer, any binder generally used for a positive electrode layer of a lithium ion secondary battery can be used. For example, polysiloxane, polyalkylene glycol, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH), or the like can be used. If necessary, a thickener such as carboxymethylcellulose (CMC) can also be used.

また、結着剤として、電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、結着剤が導電助剤の機能も発揮するので、導電助剤を添加しなくてもよい。   Further, as the binder, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binding agent also functions as a conductive assistant, it is not necessary to add a conductive assistant.

結着剤の含有量は特に限定されないが、活物質、導電助剤および結着剤の質量の和を基準にして、0.1〜10質量%であることが好ましく、0.1〜4質量%であることがより好ましい。結着剤の量が過剰になると、電極層中の活物質の割合が低下して、エネルギー密度が低下することになることから、電極層の成型強度を十分に保持できる最低限の量とすることが好ましい。なお、リチウム含有錯体水素化物および硫黄系電極活物質は、結着剤としての機能を少なからず有していることから、これらの材料を電極材料として使用する場合には、結着剤を使用しないで電極層を作製することも可能である。   Although content of a binder is not specifically limited, It is preferable that it is 0.1-10 mass% on the basis of the sum of the mass of an active material, a conductive support agent, and a binder, 0.1-4 mass % Is more preferable. If the amount of the binder is excessive, the ratio of the active material in the electrode layer is reduced and the energy density is lowered. Therefore, the amount of the binder is set to a minimum amount that can sufficiently maintain the molding strength of the electrode layer. It is preferable. Note that the lithium-containing complex hydride and the sulfur-based electrode active material have a considerable function as a binder, and therefore when these materials are used as electrode materials, no binder is used. It is also possible to produce an electrode layer.

続いて、電極層の作製方法について説明する。
まず、チタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を含む電極材料を混合する。混合は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。混合の方法としては、特に限定されるものではないが、ライカイ機、ボールミル、遊星型ボールミル、ビーズミル、自転・公転ミキサー、高速攪拌型の混合装置、タンブラーミキサー等を使用した方法が挙げられる。ただし、遊星型ボールミルを用いた混合に代表されるような、混合時に大きなエネルギーが与えられる手法を用いると、混合のみならずチタン酸リチウムと錯体水素化物が反応する可能性があり、マイルドに混合できるライカイ機、タンブラーミキサー、自転・公転ミキサー等を使用することが好ましい。小さな規模で行う時には、手作業による乳鉢混合が好ましい。混合は乾式で行うことが好ましいが、耐還元性を有する溶媒下で実施することもできる。溶媒を用いる場合には、非プロトン性の非水溶媒が好ましく、より具体的にはテトラヒドロフランやジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等を挙げることができる。
Next, a method for manufacturing the electrode layer will be described.
First, an electrode material containing lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte is mixed. The mixing is preferably performed in an inert gas atmosphere such as argon or helium. The mixing method is not particularly limited, and examples thereof include a method using a reika machine, a ball mill, a planetary ball mill, a bead mill, a rotation / revolution mixer, a high-speed stirring type mixing apparatus, a tumbler mixer, and the like. However, using a method that gives large energy during mixing, such as mixing using a planetary ball mill, there is a possibility that not only mixing but lithium titanate and complex hydride will react, and mild mixing will occur. It is preferable to use a reiki machine, a tumbler mixer, a rotation / revolution mixer, and the like. When done on a small scale, manual mortar mixing is preferred. The mixing is preferably carried out dry, but it can also be carried out in a solvent having reduction resistance. When a solvent is used, an aprotic non-aqueous solvent is preferable, and more specific examples include ether solvents such as tetrahydrofuran and diethyl ether, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and the like. it can.

電極層におけるチタン酸リチウムと錯体水素化物固体電解質との割合は、電極層の形状が維持でき、かつ、必要なイオン伝導性が確保できる範囲内であればチタン酸リチウムの割合が高い方がよい。例えば、重量比でチタン酸リチウム:錯体水素化物固体電解質=9:1〜1:9の範囲内であることが好ましく、8:2〜2:8であることがより好ましい。   The proportion of lithium titanate and complex hydride solid electrolyte in the electrode layer is preferably higher if the shape of the electrode layer can be maintained and the necessary ion conductivity can be ensured. . For example, the lithium titanate: complex hydride solid electrolyte in a weight ratio is preferably in the range of 9: 1 to 1: 9, and more preferably 8: 2 to 2: 8.

電極層は、通常用いられる方法により作製できる。例えば、上記のように混合した電極材料を集電体上に塗布し、集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去することにより製造することができる。   The electrode layer can be produced by a commonly used method. For example, it can manufacture by apply | coating the electrode material mixed as mentioned above on a collector, and removing the solvent in the coating material apply | coated on the collector.

使用できる集電体としては、特に限定はなく、従来からリチウムイオン二次電池用の集電体として使用されている材料、例えば、アルミ、ステンレス、銅、ニッケルまたはそれらの合金の薄板やメッシュを用いることができる。また、カーボン不織布、カーボン織布なども集電体として使用できる。   The current collector that can be used is not particularly limited, and materials conventionally used as current collectors for lithium ion secondary batteries, such as thin plates and meshes of aluminum, stainless steel, copper, nickel, or alloys thereof, can be used. Can be used. Moreover, a carbon nonwoven fabric, a carbon woven fabric, etc. can be used as a collector.

電極材料を集電体上に塗布する際に使用する溶媒としては、例えば、テトラヒドロフランやジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性の非水溶媒を用いることができる。   Examples of the solvent used when applying the electrode material on the current collector include ether solvents such as tetrahydrofuran and diethyl ether, and aprotic such as N-methyl-2-pyrrolidone and N, N-dimethylformamide. Non-aqueous solvents can be used.

塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極層を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a coating method, The method employ | adopted when producing an electrode layer normally can be used. Examples thereof include a slit die coating method and a doctor blade method.

集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去する方法は特に限定されず、塗料が塗布された集電体を、例えば80〜150℃の雰囲気下で乾燥させればよい。   The method for removing the solvent in the paint applied on the current collector is not particularly limited, and the current collector applied with the paint may be dried, for example, in an atmosphere of 80 to 150 ° C.

そして、このようにして作製された電極層を、必要に応じて、例えばロールプレス装置等によりプレス処理すればよい。ロールプレスの線圧は例えば、10〜50kgf/cmとすることができる。   And what is necessary is just to press-process the electrode layer produced in this way with a roll press apparatus etc. as needed. The linear pressure of the roll press can be, for example, 10 to 50 kgf / cm.

なお、溶媒を用いずに、電極材料の混合粉末をプレスで成型する方法、混合粉末を集電体にのせた後で振動を与える方法や電極材料をヘラ等で押し込むなどして集電体の多孔部分へ充填する方法にて電極層を作製することも可能である。また、予め電極材料を成型してから集電体と接着したり、電極材料を固体電解質層や他方の電極層と一体成型した後に、集電体と接着することも可能である。   In addition, without using a solvent, a method of forming a mixed powder of an electrode material with a press, a method of applying vibration after placing the mixed powder on a current collector, or pressing an electrode material with a spatula, etc. It is also possible to produce the electrode layer by a method of filling the porous portion. Alternatively, the electrode material can be molded in advance and then bonded to the current collector, or the electrode material can be integrally molded with the solid electrolyte layer or the other electrode layer and then bonded to the current collector.

電極層の厚さは、電極として機能する限り特に限定されないが、1μm〜1000μmであることが好ましく、10μm〜200μmであることがより好ましい。   Although the thickness of an electrode layer is not specifically limited as long as it functions as an electrode, it is preferable that they are 1 micrometer-1000 micrometers, and it is more preferable that they are 10 micrometers-200 micrometers.

2.全固体電池
本発明の電極層は、全固体電池の正極層もしくは負極層のいずれか一方に使用することができる。よって、本発明の1つの実施形態によると、上記電極層を具備する全固体電池が提供される。
すなわち、本発明の全固体電池は、正極層と、負極層と、正極層と負極層との間に配置されたリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層とを具備し、正極層または負極層のいずれか一方は、上述したチタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を含む電極層である。
2. All-solid-state battery The electrode layer of this invention can be used for either the positive electrode layer or the negative electrode layer of an all-solid-state battery. Therefore, according to one embodiment of the present invention, an all-solid battery including the electrode layer is provided.
That is, the all solid state battery of the present invention comprises a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Either one is an electrode layer containing the above-described lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte.

以下、本発明の電極層を正極層として使用する場合を「第1実施形態」として、本発明の電極層を負極層として使用する場合を「第2実施形態」として詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の1つの実施形態によると、正極層と、負極層と、正極層と負極層との間に配置されたリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層とを具備し、正極層は、上述したチタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を含む電極層である全固体電池が提供される。全固体電池の構成について、図1を参照して説明する。
Hereinafter, the case where the electrode layer of the present invention is used as a positive electrode layer will be described as a “first embodiment”, and the case where the electrode layer of the present invention is used as a negative electrode layer will be described in detail as a “second embodiment”.
(First embodiment)
According to one embodiment of the present invention, a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer are provided. An all solid state battery is provided that is an electrode layer comprising lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte. The configuration of the all solid state battery will be described with reference to FIG.

図1は、本発明の全固体電池の断面図である。
本発明における全固体電池10は、例えば、全固体リチウムイオン二次電池であり、携帯電話、パソコン、自動車等をはじめとする各種機器において使用することができる。全固体電池10は、正極層1と負極層3との間に固体電解質層2が配置された構造を有する。第1実施形態においては、正極層1として、上述したチタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を共に含む電極層を用いる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an all solid state battery of the present invention.
The all solid state battery 10 in the present invention is, for example, an all solid state lithium ion secondary battery, and can be used in various devices such as a mobile phone, a personal computer, and an automobile. The all solid state battery 10 has a structure in which a solid electrolyte layer 2 is disposed between a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 3. In the first embodiment, as the positive electrode layer 1, an electrode layer containing both the above-described lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte is used.

(1)正極層
正極層1の構成および作製方法については、上記「1.電極層」の項目で説明した通りである。なお、正極層1に含まれる活物質の電極電位としては、正極層1に使用される錯体水素化物固体電解質の副反応が生じる電位より下であれば、より高い方が電池のエネルギー密度が向上することから、好ましい。
(1) Positive electrode layer About the structure and preparation method of the positive electrode layer 1, it is as having demonstrated by the item of the said "1. electrode layer." In addition, if the electrode potential of the active material contained in the positive electrode layer 1 is lower than the potential at which a side reaction of the complex hydride solid electrolyte used in the positive electrode layer 1 occurs, the higher the energy density of the battery is improved. Therefore, it is preferable.

具体的には、正極層1に使用される錯体水素化物固体電解質がLiBHである場合、正極層1に含まれる全活物質の90重量%以上が、リチウム基準で1.20V〜1.80Vの電極電位を有する活物質であることが好ましく、上記範囲の電極電位を有する活物質が95重量%以上であることがより好ましく、98重量%以上であることがさらに好ましい。
正極層1に含まれる錯体水素化物固体電解質が3LiBH−LiIである場合、正極層1に含まれる全活物質の90重量%以上がリチウム基準で1.20V〜2.70Vの電極電位を有する活物質であることが好ましく、上記範囲の電極電位を有する活物質が95重量%以上であることがより好ましく、98重量%以上であることがさらに好ましい。
Specifically, when the complex hydride solid electrolyte used for the positive electrode layer 1 is LiBH 4 , 90% by weight or more of the total active material contained in the positive electrode layer 1 is 1.20 V to 1.80 V based on lithium. It is preferable that the active material has an electrode potential of 95% by weight or more, more preferably 98% by weight or more.
When the complex hydride solid electrolyte contained in the positive electrode layer 1 is 3LiBH 4 -LiI, 90% by weight or more of the total active material contained in the positive electrode layer 1 has an electrode potential of 1.20 V to 2.70 V based on lithium. An active material is preferable, and an active material having an electrode potential in the above range is more preferably 95% by weight or more, and further preferably 98% by weight or more.

(2)固体電解質層
固体電解質層2は、正極層1と負極層3との間に配置されるリチウムイオン伝導性を有する層であり、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質から形成される。固体電解質としては、錯体水素化物固体電解質、酸化物系材料、硫化物系材料、高分子系材料、LiN等を用いることができる。より具体的には、酸化物ガラスであるLiPO−LiSiOおよびLiBO−LiSiO;ペロブスカイト型酸化物であるLa0.5Li0.5TiO;NASICON型酸化物であるLi1.3Al0.3Ti1.7(POおよびLi1.5Al0.5Ge1.5(PO;LISICON型酸化物であるLi14Zn(GeO、LiPOおよびLiSiO;ガーネット型酸化物であるLiLaZr12、LiLaTa12およびLiLaNb12;硫化物ガラスまたは硫化物ガラスセラミックである、LiS−P、80LiS−20P、70LiS−27P−3PおよびLiS−SiS;thio−LISICON型材料であるLi3.25Ge0.250.75、LiSiS、LiGeSおよびLiPS;高いリチウムイオン伝導性を示すLi10GeP12;LiPOを一部分窒化したLIPONと称される材料である、Li3.3PO3.80.22およびLi2.9PO3.30.46;ポリマー系材料であるポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリ(シアノエトキシビニル)誘導体(CNPVA)等が挙げられる。中でも、上述の正極層1との間の界面状態が良好となることから、錯体水素化物固体電解質が好ましい。錯体水素化物固体電解質としては、上記「1.電極層、(2)錯体水素化物固体電解質」で述べたものと同様の材料を使用することができる。
(2) Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer 2 is a layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 3, and is formed from a solid electrolyte having lithium ion conductivity. As the solid electrolyte, a complex hydride solid electrolyte, an oxide-based material, a sulfide-based material, a polymer-based material, Li 3 N, or the like can be used. More specifically, Li 3 PO 4 —Li 4 SiO 4 and Li 3 BO 4 —Li 4 SiO 4 which are oxide glasses; La 0.5 Li 0.5 TiO 3 which is a perovskite oxide; NASICON type Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 which are oxides; Li 14 Zn which is a LISICON type oxide ( GeO 4 ) 4 , Li 3 PO 4 and Li 4 SiO 4 ; Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 5 La 3 Ta 2 O 12 and Li 5 La 3 Nb 2 O 12 which are garnet-type oxides; sulfide glass or sulfide glass ceramics, Li 2 S-P 2 S 5, 80Li 2 S-20P 2 S 5, 70Li 2 S-27P 2 S 5 -3P 2 5 and Li 2 S-SiS 2; thio -LISICON type material in which Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 4 SiS 4, Li 4 GeS 4 and Li 3 PS 4; high lithium ion conductivity Li 10 GeP 2 S 12 ; Li 3.3 PO 3.8 N 0.22 and Li 2.9 PO 3.3 N 0 , which are materials called LIPON obtained by partially nitriding Li 3 PO 4 .46 ; polymer materials such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, poly (cyanoethoxyvinyl) derivatives (CPVA) and the like. Among these, a complex hydride solid electrolyte is preferable because the interface state with the positive electrode layer 1 is good. As the complex hydride solid electrolyte, the same materials as those described above in “1. Electrode layer, (2) Complex hydride solid electrolyte” can be used.

固体電解質層2は、必要に応じて、上記以外の材料を含んでいてもよい。例えば、結着材を用いてシート状とした固体電解質層を使用することも可能である。また、正極層1および負極層3において使用される電極材料に適応させるために、固体電解質層2を2層以上とすることも可能である。   The solid electrolyte layer 2 may contain materials other than those described above as necessary. For example, it is possible to use a solid electrolyte layer formed into a sheet shape using a binder. Moreover, in order to adapt to the electrode material used in the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 3, the solid electrolyte layer 2 can also be made into two or more layers.

固体電解質層2の厚みは薄い方が好ましい。具体的には、0.05μm〜1000μmの範囲であることが好ましく、0.1μm〜200μmの範囲であることがより好ましい。   The thickness of the solid electrolyte layer 2 is preferably thinner. Specifically, it is preferably in the range of 0.05 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 200 μm.

(3)負極層
負極層3は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質、導電助剤、結着材等を含有していてもよい。
(3) Negative electrode layer The negative electrode layer 3 is a layer containing at least a negative electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a conductive additive, a binder, and the like as necessary.

負極活物質としては、例えば、金属活物質およびカーボン活物質等を使用することができる。上記金属活物質としては、例えばLi、In、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。また、上記カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。中でも、電池のエネルギー密度が向上して動作電圧が高まるため、負極としての電極電位がより低くなる活物質を用いることが好ましい。そのような負極活物質としては、Li、カーボン活物質およびSiが挙げられる。   As the negative electrode active material, for example, a metal active material and a carbon active material can be used. Examples of the metal active material include Li, In, Al, Si, and Sn. Examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Especially, since the energy density of a battery improves and operating voltage increases, it is preferable to use the active material from which the electrode potential as a negative electrode becomes lower. Examples of such a negative electrode active material include Li, a carbon active material, and Si.

負極層3に用いられる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、且つ負極活物質との間で安定なものであれば特に限定されないが、例えば、錯体水素化物固体電解質を使用することができる。錯体水素化物固体電解質は比較的柔らかいため、グラファイト等の負極活物質との間で良好な界面を形成できると共に、還元に対して安定であることから好ましい。負極層3は、負極活物質と固体電解質とを共に含むバルク型であることが好ましい。負極層3に含まれる錯体水素化物固体電解質としては、上記「1.電極層、(2)錯体水素化物固体電解質」で述べたものと同様の材料を使用することができる。特に、負極層3と固体電解質層2に、同一の錯体水素化物固体電解質が含まれることが好ましい。異なる組成の固体電解質を含む層が接すると、固体電解質同士が反応したり、各層の間で固体電解質構成元素の拡散が生じる可能性が高く、それによってリチウムイオン伝導性が低下することがあるためである。   The solid electrolyte used for the negative electrode layer 3 is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity and is stable with the negative electrode active material. For example, a complex hydride solid electrolyte may be used. it can. Since the complex hydride solid electrolyte is relatively soft, it can form a favorable interface with a negative electrode active material such as graphite and is preferable because it is stable against reduction. The negative electrode layer 3 is preferably a bulk type containing both the negative electrode active material and the solid electrolyte. As the complex hydride solid electrolyte contained in the negative electrode layer 3, the same materials as those described above in “1. Electrode layer, (2) Complex hydride solid electrolyte” can be used. In particular, the negative electrode layer 3 and the solid electrolyte layer 2 preferably contain the same complex hydride solid electrolyte. When layers containing solid electrolytes with different compositions come into contact, it is highly possible that the solid electrolytes will react with each other or that the constituent elements of the solid electrolyte will diffuse between the layers, which may reduce lithium ion conductivity. It is.

負極活物質と固体電解質との割合は、負極層3の形状が維持でき、かつ、必要なイオン伝導性が確保できる範囲内であれば負極活物質の割合が高い方がよい。例えば、重量比で負極活物質:固体電解質=9:1〜1:9の範囲内であることが好ましく、8:2〜2:8であることがより好ましい。   The ratio of the negative electrode active material to the solid electrolyte is preferably higher as long as the shape of the negative electrode layer 3 can be maintained and the necessary ion conductivity can be ensured. For example, the weight ratio of negative electrode active material: solid electrolyte is preferably in the range of 9: 1 to 1: 9, more preferably 8: 2 to 2: 8.

負極層3に用いられる導電助剤としては、正極層1における導電助剤と同様のものを使用することができる。負極層形成材料に対する導電助剤の含有量は、例えば0.1質量%〜20質量%であり、3質量%〜15質量%であることが好ましい。   As the conductive additive used for the negative electrode layer 3, the same conductive additive as the positive electrode layer 1 can be used. Content of the conductive support agent with respect to a negative electrode layer forming material is 0.1 mass%-20 mass%, for example, and it is preferable that they are 3 mass%-15 mass%.

負極層3に用いられる結着剤としては、一般的にリチウムイオン二次電池の負極層に用いられているものであれば使用することが可能である。例えば、ポリシロキサン、ポリアルキレングリコール、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸等が挙げられる。必要に応じて、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤も使用することができる。   As a binder used for the negative electrode layer 3, if it is generally used for the negative electrode layer of a lithium ion secondary battery, it can be used. Examples thereof include polysiloxane, polyalkylene glycol, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and polyacrylic acid. If necessary, a thickener such as carboxymethylcellulose (CMC) can also be used.

負極層3の厚さは、負極層として機能する限り限定されないが、0.05μm〜1000μmであることが好ましく、0.1μm〜200μmであることがより好ましい。   Although the thickness of the negative electrode layer 3 is not limited as long as it functions as a negative electrode layer, it is preferably 0.05 μm to 1000 μm, and more preferably 0.1 μm to 200 μm.

(第2実施形態)
本発明の1つの実施形態によると、正極層と、負極層と、正極層と負極層との間に配置されたリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層とを具備し、負極層は、上述したチタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を含む電極層である全固体電池が提供される。全固体電池の構成は、上記第1実施形態と同じであるため、図1を再び参照して説明する。第2実施形態においては、負極層3として、上述したチタン酸リチウムおよび錯体水素化物固体電解質を共に含む電極層を用いる。
(Second Embodiment)
According to one embodiment of the present invention, a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer are provided. An all solid state battery is provided that is an electrode layer comprising lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte. Since the configuration of the all-solid-state battery is the same as that of the first embodiment, it will be described with reference to FIG. 1 again. In the second embodiment, as the negative electrode layer 3, an electrode layer containing both the above-described lithium titanate and a complex hydride solid electrolyte is used.

(1)正極層
正極層1は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極層1は、必要に応じて、固体電解質、導電助剤、結着材等を含有していてもよい。
(1) Positive electrode layer The positive electrode layer 1 is a layer containing at least a positive electrode active material. The positive electrode layer 1 may contain a solid electrolyte, a conductive additive, a binder, and the like as necessary.

正極活物質としては、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であれば使用することができ例えば、遷移金属を有する金属酸化物、硫黄系正極活物質、有機系正極活物質、コンバージョン反応を利用したFeFやVFをあげることができる。 Any positive electrode active material can be used as long as it can release lithium ions during charging and occlude lithium ions during discharge. For example, a metal oxide having a transition metal, a sulfur-based positive electrode active material, organic Examples of the positive electrode active material include FeF 3 and VF 3 using a conversion reaction.

遷移金属を有する金属酸化物としては、遷移金属であるMn、Co、Ni、Fe、Cr、Vのうちいずれか1つ以上とリチウムとを含む金属酸化物の粒子や薄膜を用いることができる。具体的には、α−Fe、LiCoO、LiCo4、LiMnO、LiMn、LiMn4、LiMnCoO4、LiMnCoO4、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNi0.5Mn0.5、LiNiMn、LiVO、V、LiV、LiC rO、LiFePO、LiCoPO、LiMnPO、LiVOPO、LiNiO、LiNi4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiFeSiO、LiMnSiO、LiFeBO等を挙げることができる。その中でも、LiCoO、LiMnO、LiMn、LiMn、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNi0.5Mn0.5、LiNiMn、LiFePO、LiCoPO、LiMnPO、LiVOPO、LiNiOおよびLiNi1/3Co1/3Mn1/3が好ましい。 As the metal oxide having a transition metal, particles or a thin film of metal oxide containing at least one of transition metals Mn, Co, Ni, Fe, Cr, and V and lithium can be used. Specifically, α-Fe 2 O 3 , LiCoO 2 , LiCo 2 O 4 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4, LiMnCoO 4 , Li 2 MnCoO 4 , LiNi 0.8 Co 0. 15 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , Li 2 NiMn 3 O 8 , LiVO 2 , V 2 O 3 , LiV 3 O 3 , LiCrO 2 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiVOPO 4 , LiNiO 2 , LiNi 2 O 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , LiFeBO 3 and the like. Among them, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , Li 2 NiMn 3 O 8 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiVOPO 4 , LiNiO 2 and LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 are preferred.

硫黄系正極活物質としては、S、TiS、TiS、TiS4、NiS、NiS、CuS、FeS、LiS、MoS、硫黄変性ポリアクリトニトリル、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ジスルフィド化合物等を挙げることができる。その中でも、TiS、TiS、TiS4、NiS、NiS、FeS、LiS、MoS、硫黄変性ポリアクリトニトリル、ルベアン酸(ジチオオキサミド)が好ましい。 Sulfur-based positive electrode active materials include S, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 3 , sulfur-modified polyacrylonitrile, rubeanic acid (dithiooxamide), disulfide compound Etc. Among them, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , FeS 2 , Li 2 S, MoS 3 , sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid (dithiooxamide) are preferable.

有機系正極活物質としては、2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシル−4−イルメタクリレートやポリテトラメチルピペリジノキシビニルエーテルに代表されるラジカル化合物、キノン化合物、ラジアレン化合物、テトラシアキノジメタン、フェナンジオキシド等をあげることができる。その中でも、ラジカル化合物、キノン化合物は大きな理論容量を有し、放電容量を比較的良好に維持できることから好ましい。   Examples of organic positive electrode active materials include radical compounds represented by 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxyl-4-yl methacrylate and polytetramethylpiperidinoxyvinyl ether, quinone compounds, radialene compounds, tetra Examples thereof include cyanquinodimethane and phenane dioxide. Among them, radical compounds and quinone compounds are preferable because they have a large theoretical capacity and can maintain a relatively good discharge capacity.

正極層1に用いられる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、且つ正極活物質との間で安定なものであれば特に限定されない。例えば、錯体水素化物固体電解質、酸化物固体電解質、リン酸化合物固体電解質、硫化物固体電解質、およびこれらの混合系である酸硫化物系固体電解質等を挙げることができるが、使用する正極活物質によって、適切な固体電解質を用いればよい。例えば、錯体水素化物固体電解質を用いる場合には、上述したように錯体水素化物による正極活物質の還元が懸念されるため、還元されやすい正極活物質は不向きである。また、錯体水素化物固体電解質を用いる場合には、充放電時の電圧が高いと錯体水素化物が副反応による分解を起こして変質してしまうという問題が生じ得るため、電極電位が高くなるような活物質も不向きである。活物質による制限がなければ、錯体水素化物固体電解質や硫化物固体電解質を用いることが好ましい。錯体水素化物固体電解質や硫化物固体電解質は比較的柔らかいため、固い遷移金属酸化物正極活物質との間であっても良好な界面を形成できる。正極層1は、正極活物質と固体電解質とを共に含むバルク型であることが好ましい。   The solid electrolyte used for the positive electrode layer 1 is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity and is stable with the positive electrode active material. For example, a complex hydride solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, a phosphoric acid compound solid electrolyte, a sulfide solid electrolyte, and a mixed system thereof, such as an oxysulfide solid electrolyte, can be mentioned. Therefore, an appropriate solid electrolyte may be used. For example, in the case of using a complex hydride solid electrolyte, since there is a concern about the reduction of the positive electrode active material by the complex hydride as described above, a positive electrode active material that is easily reduced is not suitable. In addition, when using a complex hydride solid electrolyte, if the voltage during charging and discharging is high, the complex hydride may decompose due to side reactions and change in quality. Active materials are also unsuitable. Unless there is a restriction by the active material, it is preferable to use a complex hydride solid electrolyte or a sulfide solid electrolyte. Since the complex hydride solid electrolyte and the sulfide solid electrolyte are relatively soft, a good interface can be formed even between the solid transition metal oxide positive electrode active material. The positive electrode layer 1 is preferably a bulk type containing both a positive electrode active material and a solid electrolyte.

正極層1に用いられる各固体電解質の詳細に関しては、上記第1実施形態の「(2)固体電解質層」で述べたものと同様である。   The details of each solid electrolyte used for the positive electrode layer 1 are the same as those described in “(2) Solid electrolyte layer” of the first embodiment.

正極層1における正極活物質と固体電解質との割合は、正極の形状が維持でき、かつ、必要なイオン伝導性が確保できる範囲内であれば正極活物質の割合が高い方がよい。例えば、重量比で正極活物質:固体電解質=9:1〜2:8の範囲内であることが好ましく、8:2〜4:6であることがより好ましい。   The ratio of the positive electrode active material to the solid electrolyte in the positive electrode layer 1 is preferably as high as possible if the shape of the positive electrode can be maintained and the necessary ionic conductivity can be ensured. For example, the weight ratio of positive electrode active material: solid electrolyte is preferably in the range of 9: 1 to 2: 8, and more preferably 8: 2 to 4: 6.

正極層1に用いられる導電助剤としては、所望の導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料からなる導電助剤を挙げることができる。具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。   The conductive aid used for the positive electrode layer 1 is not particularly limited as long as it has desired conductivity, and examples thereof include a conductive aid made of a carbon material. Specific examples include carbon black, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber.

正極層1における導電助剤の含有量は、所望の電子伝導性を確保できる範囲であれば、より少ないことが好ましい。正極層形成材料に対する導電助剤の割合は、例えば0.1質量%〜20質量%であり、3質量%〜15質量%であることが好ましい。   The content of the conductive auxiliary in the positive electrode layer 1 is preferably smaller as long as desired electronic conductivity can be secured. The ratio of the conductive additive to the positive electrode layer forming material is, for example, 0.1% by mass to 20% by mass, and preferably 3% by mass to 15% by mass.

正極層1に用いられる結着剤としては、一般的にリチウム二次電池の正極層に用いられているものであれば使用することが可能である。例えば、ポリシロキサン、ポリアルキレングリコール、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)等を使用することができる。必要に応じて、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤も使用することができる。   As the binder used for the positive electrode layer 1, any binder generally used for the positive electrode layer of a lithium secondary battery can be used. For example, polysiloxane, polyalkylene glycol, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH), or the like can be used. If necessary, a thickener such as carboxymethylcellulose (CMC) can also be used.

正極活物質と固体電解質、導電助剤または集電体との界面状態を改善するために、正極活物質の粒子や薄膜に対して被覆層を設けることも可能である。具体的な方法としては、以下の特許文献に記載の方法が挙げられる。例えば硫化物固体電解質を用いた場合に効果的な被覆層として、特開2012−054151号公報では異種イオン伝導体界面で発生する空乏層の制御のためにLiNbOを用いている。また、特開2011−159639号公報には、正極活物質に対してLiNbOやLiTi12の被覆層を設けることにより、界面抵抗が低減されることが開示されている。さらに、特開2008−103280号公報には、正極を被覆することによりレート特性が改善されることが開示されている。その被覆材としては、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物等が挙げられており、具体的には、LiTi12、LiTaO、LiNbO、LiAlO、LiZrO、LiWO、LiTiO、Li、LiPO、LiMoOおよびLiBOが挙げられている。 In order to improve the interface state between the positive electrode active material and the solid electrolyte, conductive additive or current collector, a coating layer can be provided on the particles or thin film of the positive electrode active material. Specific methods include those described in the following patent documents. For example, as an effective coating layer when a sulfide solid electrolyte is used, Japanese Patent Laid-Open No. 2012-054151 uses LiNbO 3 for controlling a depletion layer generated at the interface between different types of ionic conductors. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-159639 discloses that the interface resistance is reduced by providing a coating layer of LiNbO 3 or Li 4 Ti 5 O 12 on the positive electrode active material. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-103280 discloses that rate characteristics are improved by coating the positive electrode. Examples of the coating material include titanate spinel, tantalum oxide, niobium oxide, and the like. Specifically, Li 4 Ti 5 O 12 , LiTaO 3 , LiNbO 3 , LiAlO 2 , Li 2 ZrO. 3 , Li 2 WO 4 , Li 2 TiO 3 , Li 2 B 4 O 7 , Li 3 PO 4 , Li 2 MoO 4 and LiBO 2 .

また、電子伝導性の低いLiFePOやLiCoPOに代表されるオリビン型の構造を有する活物質を使用する場合、電荷移動反応を円滑に行わせるために活物質を炭素で被覆することが行われ得るが、この手法は本発明においても有効である。 In addition, when using an active material having an olivine type structure typified by LiFePO 4 or LiCoPO 4 having a low electron conductivity, the active material is coated with carbon in order to facilitate a charge transfer reaction. However, this technique is also effective in the present invention.

正極層1の厚さは、正極層として機能する限り特に限定されないが、0.05μm〜1000μmであることが好ましく、0.1μm〜200μmであることがより好ましい。   The thickness of the positive electrode layer 1 is not particularly limited as long as it functions as a positive electrode layer, but is preferably 0.05 μm to 1000 μm, and more preferably 0.1 μm to 200 μm.

(2)固体電解質層
固体電解質層2の構成および作製方法については、上記第1実施形態の「(2)固体電解質層」の項目で説明した通りである。
(2) Solid Electrolyte Layer The configuration and manufacturing method of the solid electrolyte layer 2 are as described in the item “(2) Solid electrolyte layer” in the first embodiment.

(3)負極層
負極層3の構成および作製方法については、上記「1.電極層」の項目で説明した通りである。
(3) Negative Electrode Layer The configuration and production method of the negative electrode layer 3 are as described in the above item “1. Electrode layer”.

3.全固体電池の作製方法
上述した各層を作製して積層し、全固体電池を製造するが、各層の作製方法および積層方法については、特に限定されるものではない。例えば、固体電解質や電極活物質を溶媒に分散させてスラリー状としたものをドクターブレード、スピンコート等により塗布し、それを圧延することにより製膜する方法;真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を用いて成膜および積層を行う気相法;ホットプレスまたは温度をかけないコールドプレスによって粉末を成形し、それを積層していくプレス法等がある。比較的やわらかい錯体水素化物固体電解質や硫化物固体電解質を用いる場合には、各層をプレスによって成形および積層して電池を作製することが特に好ましい。プレス方法としては、加温して行うホットプレスと加温しないコールドプレスとがあるが、固体電解質と活物質の組み合わせによって適切な方を選べばよい。プレスにて各層を一体成型することが好ましく、その際の圧力は、50〜800MPaであることが好ましく、114〜500MPaであることがより好ましい。上記範囲の圧力でプレスを行うことにより、粒子間の空隙が少なく、密着性が良好な層を得ることができるため、イオン導電性の観点から好ましい。必要以上に圧力を高くすることは、高価な材質の加圧装置や成形容器を使用する必要が生じると共に、それらの耐用寿命が短くなることから実用的ではない。
3. Production method of all solid state battery Each layer described above is produced and laminated to produce an all solid state battery. However, the production method and lamination method of each layer are not particularly limited. For example, a method in which a solid electrolyte or electrode active material is dispersed in a solvent to form a slurry, and is applied by a doctor blade, spin coating, etc., and rolled to form a film; a vacuum deposition method, an ion plating method, There are a vapor phase method in which a film is formed and laminated using a sputtering method, a laser ablation method, etc .; a press method in which powder is formed by hot pressing or cold pressing without applying temperature, and then laminated. In the case of using a relatively soft complex hydride solid electrolyte or sulfide solid electrolyte, it is particularly preferable to produce a battery by molding and laminating each layer by pressing. As a pressing method, there are a hot press that is heated and a cold press that is not heated. An appropriate method may be selected depending on the combination of the solid electrolyte and the active material. Each layer is preferably integrally formed by pressing, and the pressure at that time is preferably 50 to 800 MPa, and more preferably 114 to 500 MPa. By pressing at a pressure in the above range, a layer having few voids between particles and good adhesion can be obtained, which is preferable from the viewpoint of ion conductivity. Increasing the pressure more than necessary is not practical because it is necessary to use a pressure device or a molded container made of an expensive material and the useful life thereof is shortened.

4.充放電時の電圧条件
上述した通り、錯体水素化物固体電解質を含む電極層は、充放電時の電圧が高い場合、錯体水素化物が副反応による分解を起こして変質し得る。分解を生じる電圧は、使用する錯体水素化物固体電解質によって異なるが、例えばLiBHを使用する場合には、リチウム基準で1.80V以下の電圧で充電することが好ましく、上限充電電圧を1.55V〜1.80Vとすることがより好ましい。また、3LiBH−LiIを使用する場合には、リチウム基準で2.70V以下の電圧で充電することが好ましく、上限充電電圧を1.55V〜2.70Vとすることがより好ましい。上記範囲の電圧で充電することにより、錯体水素化物固体電解質の副反応による分解を防ぐことができる。また、本発明のように電極活物質としてチタン酸リチウムを使用することにより、上記範囲の電圧で充電することが可能である。
4). Voltage Conditions During Charge / Discharge As described above, when the voltage during charge / discharge is high, the electrode layer containing the complex hydride solid electrolyte may be deteriorated due to decomposition of the complex hydride due to side reactions. The voltage that causes decomposition varies depending on the complex hydride solid electrolyte to be used. For example, when LiBH 4 is used, charging is preferably performed at a voltage of 1.80 V or less on the basis of lithium, and the upper limit charging voltage is 1.55 V. More preferably, it is set to ˜1.80V. Also, when using 3LiBH 4 -LiI is preferably charged by 2.70V or less of the voltage based on lithium, it is more preferable that the upper limit charge voltage and 1.55V~2.70V. By charging at a voltage in the above range, decomposition due to side reaction of the complex hydride solid electrolyte can be prevented. In addition, by using lithium titanate as an electrode active material as in the present invention, it is possible to charge at a voltage in the above range.

従って、本発明の1つの実施形態によると、上記電極層は正極層であり、正極層における錯体水素化物固体電解質はLiBHであり、正極層にかかる上限充電電圧はリチウム基準で1.55V〜1.80Vである全固体電池が提供される。
また、本発明の他の実施形態によると、上記電極層は正極層であり、正極層における錯体水素化物固体電解質は3LiBH−LiIであり、正極層にかかる上限充電電圧はリチウム基準で1.55V〜2.70Vである全固体電池が提供される。
Therefore, according to one embodiment of the present invention, the electrode layer is a positive electrode layer, the complex hydride solid electrolyte in the positive electrode layer is LiBH 4 , and the upper limit charging voltage applied to the positive electrode layer is 1.55 V to An all-solid battery that is 1.80V is provided.
According to another embodiment of the present invention, the electrode layer is a positive electrode layer, the complex hydride solid electrolyte in the positive electrode layer is 3LiBH 4 -LiI, and the upper limit charging voltage applied to the positive electrode layer is 1. An all solid state battery is provided that is between 55V and 2.70V.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明の内容がこれにより限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, the content of this invention is not limited by this.

<実施例1>
(錯体水素化物固体電解質の調製)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiBH(シグマ・アルドリッチ社製、純度90%)を計り取り、メノウ乳鉢にて粉砕し、錯体水素化物固体電解質(LiBH)を得た。
<Example 1>
(Preparation of complex hydride solid electrolyte)
In a glove box under an argon atmosphere, LiBH 4 (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 90%) was weighed and ground in an agate mortar to obtain a complex hydride solid electrolyte (LiBH 4 ).

(正極層粉末の調製)
活物質LiTi12(東邦チタニウム社製):錯体水素化物固体電解質(LiBH):カーボンブラック(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.9%)=38:55:7(重量比)とした粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。活物質LiTi12の電極電位(リチウム基準)は、1.5Vである。
(Preparation of positive electrode layer powder)
Active material Li 4 Ti 5 O 12 (manufactured by Toho Titanium Co.): complex hydride solid electrolyte (LiBH 4 ): carbon black (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.9%) = 38: 55: 7 (weight ratio) The powder was measured in a glove box and mixed in a mortar to obtain a positive electrode layer powder. The electrode potential (lithium reference) of the active material Li 4 Ti 5 O 12 is 1.5V.

(全固体電池の作製)
上記で調製した錯体水素化物固体電解質の粉末を直径8mmの粉末錠剤成形機に入れ、圧力143MPaにて円盤状にプレス成形した(錯体水素化物固体電解質層の形成)。成形物を取り出すことなく、上記で調製した正極層粉末を錠剤成形機に入れ、圧力285MPaにて一体成型した。このようにして、正極層(75μm)および錯体水素化物固体電解質層(600μm)が積層された円盤状のペレットを得た。このペレットの正極層の反対側に、厚さ200μm、φ8mmの金属リチウム箔(本城金属社製)を貼り付けてLi負極層とし、SUS304製の電池試験セルに入れて全固体二次電池とした。
(Production of all-solid battery)
The powder of the complex hydride solid electrolyte prepared above was put into a powder tablet molding machine having a diameter of 8 mm, and press-molded into a disk shape at a pressure of 143 MPa (formation of complex hydride solid electrolyte layer). Without removing the molded product, the positive electrode layer powder prepared above was put into a tablet molding machine and integrally molded at a pressure of 285 MPa. In this way, a disk-shaped pellet in which the positive electrode layer (75 μm) and the complex hydride solid electrolyte layer (600 μm) were laminated was obtained. A lithium metal foil (made by Honjo Metal Co., Ltd.) with a thickness of 200 μm and φ8 mm is pasted on the opposite side of the positive electrode layer of this pellet to form a Li negative electrode layer, put into a battery test cell made of SUS304, and an all-solid secondary battery did.

(充放電試験1)
上記のように作製した全固体電池について、ポテンショスタット/ガルバノスタット(Bio−Logic製VMP3)を用い、試験温度120℃、カットオフ電圧1.4〜1.7V、0.1Cレートの条件の下で定電流にて放電から充放電を行い、充放電容量を求めた。なお、充電後と放電後にはそれぞれ3分間の休止を設けた。2サイクル目の放電開始直前の開回路電圧は1.67Vであった。また、この時の(LiTi12の容量)/(LiTi12の理論容量=175)は96.6%であり、理論値である電極電位よりも少し高い電位で、十分にチタン酸リチウムの容量をほぼ全量引き出せていることがわかる。
(Charge / discharge test 1)
For the all-solid-state battery produced as described above, a potentiostat / galvanostat (Bio-Logic VMP3) was used under the conditions of a test temperature of 120 ° C., a cutoff voltage of 1.4 to 1.7 V, and a 0.1 C rate. The battery was charged and discharged from a discharge at a constant current to obtain a charge / discharge capacity. In addition, the rest for 3 minutes was provided after charge and discharge, respectively. The open circuit voltage immediately before the start of the second cycle discharge was 1.67V. Moreover, (Capacity of Li 4 Ti 5 O 12 ) / (Theoretical capacity of Li 4 Ti 5 O 12 = 175) at this time is 96.6%, which is a potential slightly higher than the electrode potential which is a theoretical value. It can be seen that the capacity of lithium titanate can be fully extracted.

(充放電試験2)
1サイクル目のカットオフ電圧を1.1〜2.0Vとし、2サイクル目以降はカットオフ電圧を1.4〜1.7Vとした以外は、充放電試験1と同様に充放電を行い、充放電容量を求めた。充電時に電圧が1.8Vより少し高くなった時点から、大きな不可逆容量が生じた。これは、LiBHが副反応によって分解していることによると推測される。すなわち、LiBHにリチウム基準で1.8V以上の電圧をかけると、サイクル試験の初期にLiBHが副反応によって分解されることに起因する大きな不可逆容量が引き起こされると共に、固体電解質の変質が生じ得ると考えられる。高い電圧で充放電サイクルを繰り返すことによりこのような固体電解質の変質が繰り返し生じると、長期のサイクル試験に対して悪影響を及ぼし得る。従って、実施例1のような構成を有する電池を長期にわたって安定に使用するためには、充電時にリチウム基準で1.8Vを超える電圧がかからないようにすることが好ましいと言える。1および2サイクル目の放電開始直前の開回路電圧は、それぞれ1.83Vおよび1.67Vであった。
(Charge / discharge test 2)
The charge / discharge is performed in the same manner as in the charge / discharge test 1 except that the cut-off voltage at the first cycle is 1.1 to 2.0 V and the cut-off voltage is 1.4 to 1.7 V after the second cycle. The charge / discharge capacity was determined. A large irreversible capacity was generated from the time when the voltage was slightly higher than 1.8 V during charging. This is presumed to be due to LiBH 4 being decomposed by side reactions. That is, when a voltage of 1.8 V or more is applied to LiBH 4 on the basis of lithium, a large irreversible capacity is caused due to the decomposition of LiBH 4 by a side reaction at the beginning of the cycle test, and the solid electrolyte is deteriorated. It is thought to get. If such a solid electrolyte is repeatedly altered by repeating a charge / discharge cycle at a high voltage, it may adversely affect a long-term cycle test. Therefore, in order to stably use the battery having the configuration as in Example 1 over a long period of time, it can be said that it is preferable not to apply a voltage exceeding 1.8 V on the basis of lithium during charging. The open circuit voltages immediately before the start of discharge in the first and second cycles were 1.83 V and 1.67 V, respectively.

<実施例2>
(錯体水素化物固体電解質の調製)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiBH(シグマ・アルドリッチ社製、純度90%)とLiI(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.999%)とを、LiBH:LiI=3:1のモル比になるようにメノウ乳鉢にて混合した。次に、混合した出発原料を45mLのSUJ−2製ポットに投入し、さらにSUJ−2製ボール(φ7mm、20個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチェ製P7)に取り付け、回転数400rpmで5時間メカニカルミリングを行い、錯体水素化物固体電解質(3LiBH−LiI)を得た。
<Example 2>
(Preparation of complex hydride solid electrolyte)
In a glove box under an argon atmosphere, LiBH 4 (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 90%) and LiI (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.999%) are mixed with a mole of LiBH 4 : LiI = 3: 1. It mixed in the agate mortar so that it might become ratio. Next, the mixed starting materials were charged into a 45 mL SUJ-2 pot, and SUJ-2 balls (φ7 mm, 20 pieces) were further charged to completely seal the pot. This pot was attached to a planetary ball mill (P7 manufactured by Frichche), and mechanical milling was performed at a rotation speed of 400 rpm for 5 hours to obtain a complex hydride solid electrolyte (3LiBH 4 -LiI).

(正極層粉末の調製)
活物質LiTi12(東邦チタニウム社製):錯体水素化物固体電解質(3LiBH−LiI):カーボンブラック(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.9%)=27:64:9(重量比)となるように、粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。活物質LiTi12の電極電位(リチウム基準)は、1.5Vである。
(Preparation of positive electrode layer powder)
Active material Li 4 Ti 5 O 12 (manufactured by Toho Titanium): Complex hydride solid electrolyte (3LiBH 4 -LiI): Carbon black (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.9%) = 27: 64: 9 (weight) The powder was weighed in a glove box and mixed in a mortar to obtain a positive electrode layer powder. The electrode potential (lithium reference) of the active material Li 4 Ti 5 O 12 is 1.5V.

(全固体電池の作製)
上記で調製した固体電解質および正極層粉末を用いた以外は、実施例1と同様に全固体電池を作製した。
(Production of all-solid battery)
An all-solid battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the solid electrolyte and positive electrode layer powder prepared above were used.

(充放電試験)
ポテンショスタット/ガルバノスタット(Bio−Logic製VMP3)を用い、試験温度25℃、カットオフ電圧1.1〜2.1V、0.1Cレートの条件の下で定電流にて放電から充放電を行い、充放電容量を求めた。なお、充電後と放電後にはそれぞれ3分間の休止を設けた。2サイクル目の放電開始直前の開回路電圧は1.76Vであった。
(Charge / discharge test)
Using a potentiostat / galvanostat (Bio-Logic VMP3), the battery was charged and discharged from discharge at a constant current under conditions of a test temperature of 25 ° C., a cut-off voltage of 1.1 to 2.1 V, and a 0.1 C rate. The charge / discharge capacity was determined. In addition, the rest for 3 minutes was provided after charge and discharge, respectively. The open circuit voltage immediately before the start of discharge in the second cycle was 1.76V.

<比較例1>
(正極層粉末の調製)
正極活物質LiCoO(日本化学工業製日本化学工業製セルシードC−5H):錯体水素化物固体電解質(LiBH):カーボンブラック(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.9%)=40:60:6(重量比)とした粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。活物質LiCoOの電極電位(リチウム基準)は、3.95Vである。
上記の正極層粉末を用いた以外は、実施例1と同様に全固体電池を作製した。充放電試験については、充電より試験を開始し、カットオフ電圧を3.2〜4.2Vとした以外は、実施例1と同様に行った。充電時に、1.8V付近から大きな不可逆容量が生じた。1サイクル目の放電開始直前の開回路電圧は3.43Vであった。
<Comparative Example 1>
(Preparation of positive electrode layer powder)
Cathode active material LiCoO 2 (manufactured by Nippon Chemical Industry, cell seed C-5H): complex hydride solid electrolyte (LiBH 4 ): carbon black (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.9%) = 40:60: 6 (weight ratio) was weighed in a glove box and mixed in a mortar to obtain a positive electrode layer powder. The electrode potential (lithium reference) of the active material LiCoO 2 is 3.95V.
An all-solid battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode layer powder was used. The charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 except that the test was started from charging and the cut-off voltage was set to 3.2 to 4.2V. During charging, a large irreversible capacity occurred from around 1.8V. The open circuit voltage immediately before the start of discharge in the first cycle was 3.43V.

<比較例2>
(正極層粉末の調製)
正極活物質LiCoO(日本化学工業製日本化学工業製セルシードC−5H):錯体水素化物固体電解質(3LiBH−LiI):カーボンブラック(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.9%)=40:60:6(重量比)とした粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。活物質LiCoOの電極電位(リチウム基準)は、3.95Vである。
上記の正極層粉末を用いた以外は、実施例1と同様に全固体電池を作製した。充放電試験については、充電より試験を開始し、カットオフ電圧を3.2〜4.2Vとした以外は、実施例2と同様に行った。充電時に2.70V付近の電圧から、大きな不可逆容量が生じた。1サイクル目の放電開始直前の開回路電圧は3.86Vであった。
<Comparative Example 2>
(Preparation of positive electrode layer powder)
Cathode active material LiCoO 2 (manufactured by Nippon Chemical Industry, cell seed C-5H): complex hydride solid electrolyte (3LiBH 4 -LiI): carbon black (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.9%) = 40: The powder made into 60: 6 (weight ratio) was measured in the glove box, and it mixed in the mortar, and was set as the positive electrode layer powder. The electrode potential (lithium reference) of the active material LiCoO 2 is 3.95V.
An all-solid battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode layer powder was used. The charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 2 except that the test was started from charging and the cut-off voltage was set to 3.2 to 4.2V. A large irreversible capacity was generated from a voltage near 2.70 V during charging. The open circuit voltage immediately before the start of discharge in the first cycle was 3.86V.

<比較例3>
(正極層粉末の調製)
正極活物質LiFePO(SLFP−ES01):錯体水素化物固体電解質(LiBH):カーボンブラック(シグマ・アルドリッチ社製、純度99.9%)=40:60:6(重量比)とした粉末をグローブボックス内で計り取り、乳鉢にて混合して正極層粉末とした。活物質LiFePOの電極電位(リチウム基準)は、3.4Vである。
上記の正極層粉末を用いた以外は、実施例1と同様に全固体電池を作製した。充放電試験については、充電より試験を開始し、カットオフ電圧を2.5〜3.8Vとした以外は、実施例1と同様に行った。
<Comparative Example 3>
(Preparation of positive electrode layer powder)
Positive electrode active material LiFePO 4 (SLFP-ES01): Complex hydride solid electrolyte (LiBH 4 ): Carbon black (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.9%) = 40: 60: 6 (weight ratio) Weighed in a glove box and mixed in a mortar to obtain a positive electrode layer powder. The electrode potential (lithium reference) of the active material LiFePO 4 is 3.4V.
An all-solid battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode layer powder was used. The charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 except that the test was started from charging and the cut-off voltage was set to 2.5 to 3.8V.

実施例1で作製した電池の充電容量の推移を図2に、実施例2で作製した電池の充電容量の推移を図3に示した。実施例1および2の充放電曲線を、それぞれ図4(実施例1の充放電試験1;1、2および20サイクル目)、図5(実施例1の充放電試験2;1および2サイクル目)ならびに図6(実施例2;1、2および20サイクル目)に示した。比較例1および2の、1サイクル目の充放電曲線を、それぞれ図7および8に示した。実施例1〜2および比較例1〜3で作製した電池について、2サイクル目および20サイクル目における、電池抵抗、クーロン効率および充電容量を、以下の表1に示す。なお、充電容量は、試験した電池で得られた充電容量を正極活物質1g当たりの値として算出した。電池抵抗は、放電開始直後のIRドロップより算出した。クーロン効率は、充電容量/放電容量より算出した。なお、「放電容量得られず」とは、活物質1g当たりの放電容量が5mAh未満であることを示す。
FIG. 2 shows the transition of the charging capacity of the battery manufactured in Example 1, and FIG. 3 shows the transition of the charging capacity of the battery manufactured in Example 2. The charge / discharge curves of Examples 1 and 2 are shown in FIG. 4 (Charge / Discharge Test 1 of Example 1; 1st, 2nd and 20th cycles) and FIG. 5 (Charge / Discharge Test 2 of Example 1; 1st and 2nd cycles, respectively). ) And FIG. 6 (Example 2; 1, 2 and 20th cycles). The charge / discharge curves in the first cycle of Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. Table 1 below shows battery resistance, coulomb efficiency, and charge capacity in the second and twentieth cycles for the batteries produced in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3. In addition, the charge capacity was calculated as the value per 1 g of the positive electrode active material, based on the charge capacity obtained with the tested battery. The battery resistance was calculated from the IR drop immediately after the start of discharge. Coulomb efficiency was calculated from charge capacity / discharge capacity. “No discharge capacity is obtained” means that the discharge capacity per 1 g of the active material is less than 5 mAh.

比較例1〜3については、放電容量が得られず(活物質1g当たりの放電容量が5mAh未満)、電池として機能しなかった。これは、比較例1〜3では、錯体水素化物固体電解質によって正極活物質が還元されたこと、および電極電位の比較的高い正極活物質を使用したことにより錯体水素化物固体電解質が副反応によって分解したことに由来すると考えられる。
一方、本発明の全固体電池は、充電時の大きな不可逆容量を回避でき、充放電サイクルを繰り返しても電池抵抗が増大しにくく、それに伴い放電容量も低下しにくいことが分かる。従って、本発明の全固体電池は、長期にわたって安定に動作可能であると言える。また、本発明の全固体電池は、充放電サイクルを繰り返した後であってもクーロン効率が低下しにくいという利点も有することが分かった。これらの結果より、本発明においては、錯体水素化物によるチタン酸リチウムの還元がほとんど生じないと共に、充放電時の電圧負荷による錯体水素化物固体電解質の副反応による分解が回避できていると言える。
About Comparative Examples 1-3, the discharge capacity was not obtained (the discharge capacity per 1g of active material was less than 5 mAh), and it did not function as a battery. In Comparative Examples 1 to 3, the complex hydride solid electrolyte was decomposed by a side reaction because the cathode active material was reduced by the complex hydride solid electrolyte and the cathode active material having a relatively high electrode potential was used. It is thought that it originates in having done.
On the other hand, it can be seen that the all solid state battery of the present invention can avoid a large irreversible capacity at the time of charging, and the battery resistance is hardly increased even when the charge / discharge cycle is repeated, and the discharge capacity is not easily lowered accordingly. Therefore, it can be said that the all solid state battery of the present invention can operate stably over a long period of time. Moreover, it turned out that the all-solid-state battery of this invention also has the advantage that coulomb efficiency does not fall easily even after repeating a charging / discharging cycle. From these results, it can be said that in the present invention, the reduction of lithium titanate by the complex hydride hardly occurs, and the decomposition by the side reaction of the complex hydride solid electrolyte due to the voltage load at the time of charging and discharging can be avoided.

具体的には、正極層に混合される固体電解質がLiBHの場合には正極層にかかる充電電圧を1.8V以下(リチウム基準)に、3LiBH−LiIの場合には正極層にかかる充電電圧を2.70V以下(リチウム基準)にすることにより、大きな不可逆容量が生じることを回避できることが分かった。
さらに、上述したように、本発明によると、錯体水素化物による正極活物質の還元を懸念することなくリチウムイオン伝導性の高い錯体水素化物を固体電解質として使用することができる。また、活物質と固体電解質との間で良好な界面が形成される結果、界面抵抗が低くなり、電池全体のリチウムイオン伝導性を向上させることもできる。
Specifically, when the solid electrolyte mixed in the positive electrode layer is LiBH 4 , the charge voltage applied to the positive electrode layer is 1.8 V or less (lithium reference), and in the case of 3LiBH 4 -LiI, the charge applied to the positive electrode layer. It has been found that a large irreversible capacity can be avoided by setting the voltage to 2.70 V or lower (lithium reference).
Furthermore, as described above, according to the present invention, a complex hydride having high lithium ion conductivity can be used as the solid electrolyte without concern about reduction of the positive electrode active material by the complex hydride. Moreover, as a result of forming a good interface between the active material and the solid electrolyte, the interface resistance is lowered, and the lithium ion conductivity of the entire battery can be improved.

1…正極層、2…固体電解質層、3…負極層、10…全固体電池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer, 2 ... Solid electrolyte layer, 3 ... Negative electrode layer, 10 ... All-solid-state battery.

Claims (5)

活物質と錯体水素化物固体電解質とを含む正極層であって、前記活物質はチタン酸リチウムを含み、前記錯体水素化物固体電解質はLiBH であり、前記正極層に含まれる全活物質の90重量%以上が、リチウム基準で1.20V〜1.80Vの電極電位を有する活物質である正極層。 A positive electrode layer containing an active material and a complex hydride solid electrolyte, the active material is seen containing a lithium titanate, the complex hydrides solid electrolyte is LiBH 4, of Zenkatsu material contained in the positive electrode layer 90 wt% or more, the positive electrode layer as an active material having an electrode potential of 1.20V~1.80V based on lithium. 前記チタン酸リチウムは、LiTi、LiTi12およびLiTiからなる群より選択される請求項1に記載の正極層。 The lithium titanate, LiTi 2 O 4, Li 4 Ti 5 O positive layer according to claim 1, from 12 and Li 2 the group consisting of Ti 3 O 7 is selected. 前記チタン酸リチウムは、LiTi12である請求項2に記載の正極層。 The lithium titanate, the cathode layer of claim 2 wherein the Li 4 Ti 5 O 12. 正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置されたリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層とを具備し、
前記正極層は、請求項1〜のいずれか1項に記載の正極層である
全固体電池。
Comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer having lithium ion conductivity disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer;
The positive electrode layer, all-solid-state battery is a positive electrode layer according to any one of claims 1-3.
記正極層にかかる上限充電電圧はリチウム基準で1.55V〜1.80Vである、請求項に記載の全固体電池。 The upper limit charge voltage according to the prior SL positive electrode layer is 1.55V~1.80V based on lithium, all-solid-state battery according to claim 4.
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