JP6709065B2 - Solid electrolyte composition, sheet for all-solid secondary battery and all-solid secondary battery, and sheet for all-solid secondary battery and method for manufacturing all-solid secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質組成物、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池、並びに、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte composition, an all-solid secondary battery sheet and an all-solid secondary battery, and a method for manufacturing an all-solid secondary battery sheet and an all-solid secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、負極と、正極と、負極及び正極の間に挟まれた電解質とを有し、両極間にリチウムイオンを往復移動させることにより充放電を可能とした蓄電池である。リチウムイオン二次電池には、従来、電解質として有機電解液が用いられてきた。しかし、有機電解液は液漏れを生じやすく、また、過充電または過放電により電池内部で短絡が生じ発火するおそれもあり、信頼性と安全性のさらなる向上が求められている。
かかる状況下、有機電解液に代えて、無機固体電解質を用いた全固体二次電池が注目されている。全固体二次電池は負極、電解質および正極のすべてが固体からなり、有機電解液を用いた電池の課題とされる安全性ないし信頼性を大きく改善することができ、また長寿命化も可能になるとされる。さらに、全固体二次電池は、電極と電解質を直接並べて直列に配した構造とすることができる。そのため、有機電解液を用いた二次電池に比べて高エネルギー密度化が可能となり、電気自動車や大型蓄電池等への応用が期待されている。
A lithium ion secondary battery is a storage battery that has a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode, and can charge and discharge by moving lithium ions back and forth between both electrodes. Organic electrolytes have been conventionally used as electrolytes in lithium ion secondary batteries. However, the organic electrolyte is liable to leak, and there is a risk of short circuit inside the battery due to overcharging or overdischarging, which may cause ignition, and further improvement in reliability and safety is required.
Under such circumstances, an all-solid secondary battery using an inorganic solid electrolyte in place of the organic electrolytic solution has been receiving attention. The all-solid secondary battery has a solid negative electrode, electrolyte, and positive electrode, which can greatly improve the safety or reliability, which is a problem of batteries using organic electrolytes, and also enables longer life. Will be. Further, the all-solid-state secondary battery can have a structure in which electrodes and electrolytes are directly arranged and arranged in series. Therefore, higher energy density can be achieved as compared with a secondary battery using an organic electrolytic solution, and it is expected to be applied to an electric vehicle, a large storage battery, or the like.
このような全固体二次電池において、結着剤を用いることが、提案されている。例えば、特許文献1には、環状で環内にC=C不飽和結合を有するエステルもしくはその誘導体の重合体を含有するリチウム電池が記載されている。 It has been proposed to use a binder in such an all solid state secondary battery. For example, Patent Document 1 describes a lithium battery containing a polymer of an ester or a derivative thereof which is cyclic and has a C=C unsaturated bond in the ring.
近年、全固体二次電池の開発が急速に進行しており、全固体二次電池に求められる性能も高くなっている。特に、全固体二次電池が適用される製品の種類が増えるのに伴い、過酷な条件下での使用に耐えうる全固体二次電池の開発が望まれている。 In recent years, the development of all-solid-state secondary batteries has progressed rapidly, and the performance required for all-solid-state secondary batteries has also increased. In particular, with the increase in the types of products to which the all-solid-state secondary battery is applied, it is desired to develop an all-solid-state secondary battery that can be used under severe conditions.
全固体二次電池に用いる無機固体電解質として、硫化物系無機固体電解質はイオン伝導性が高いことが知られている。しかし、上記特許文献1に記載のリチウム電池では、硫化物系無機固体電解質である硫化物ガラスは、水分および酸素に対する安定性が乏しいとして、酸化物系無機固体電解質を採用している。 As an inorganic solid electrolyte used for an all-solid secondary battery, a sulfide-based inorganic solid electrolyte is known to have high ionic conductivity. However, in the lithium battery described in Patent Document 1, the sulfide glass, which is a sulfide-based inorganic solid electrolyte, employs an oxide-based inorganic solid electrolyte because it has poor stability against moisture and oxygen.
本発明は、全固体二次電池において、低温(例えば10℃)で一定期間使用される場合にも、良好なサイクル特性を実現できる固体電解質組成物を提供することを課題とする。また、本発明は、上記固体電解質組成物を用いた、全固体二次電池用シートおよび全固体二次電池を提供することを課題とする。さらに、本発明は、上記全固体二次電池用シートおよび全固体二次電池それぞれの製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a solid electrolyte composition that can realize good cycle characteristics even when used in a low temperature (for example, 10° C.) for a certain period of time in an all solid state secondary battery. Another object of the present invention is to provide a sheet for an all-solid secondary battery and an all-solid secondary battery using the above solid electrolyte composition. Further, it is an object of the present invention to provide a sheet for an all-solid secondary battery and a method for producing each of the all-solid secondary batteries.
本発明者らは、鋭意検討の結果、特定の二重結合を有する化合物および硫化物系無機固体電解質を含有する全固体二次電池は、電気化学作用時に、硫化物系無機固体電解質由来の硫黄原子を含む被膜が、硫化物系無機固体電解質表面に形成され、活物質と硫化物系無機固体電解質間の親和性が向上し、サイクル特性を向上できること、を見出した。本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成されるに至ったものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that an all-solid-state secondary battery containing a compound having a specific double bond and a sulfide-based inorganic solid electrolyte exhibits sulfur derived from the sulfide-based inorganic solid electrolyte during electrochemical action. It has been found that a film containing atoms is formed on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte, the affinity between the active material and the sulfide-based inorganic solid electrolyte is improved, and the cycle characteristics can be improved. The present invention has been completed through further studies based on these findings.
すなわち、上記の課題は以下の手段により解決された。
<1>周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質を含有する固体電解質組成物であって、
電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物または電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物を含有し、C=O結合を有する化合物が下記(A)に記載の化合物であり、S=O結合を有する化合物が下記(B)に記載の化合物である固体電解質組成物。
(A)分子内にカーボネート基およびハロゲン原子を有するカーボネート化合物
(B)サルファイト化合物、スルホン酸エステル化合物またはスルホン化合物
That is, the above problem was solved by the following means.
<1> A solid electrolyte composition containing a sulfide-based inorganic solid electrolyte having ion conductivity of a metal belonging to
A compound having a C=O bond which forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action or a compound having an S=O bond which forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action , C = O compounds with bonds Ri compound der described below (a), a solid electrolyte composition is a compound according to the compound having an S = O bond below (B).
(A) Carbonate compound having a carbonate group and a halogen atom in the molecule
(B) Sulfite compound, sulfonate compound or sulfone compound
<2>カーボネート化合物が下記一般式(A1)で表され、サルファイト化合物、スルホン酸エステル化合物およびスルホン化合物が、それぞれ下記一般式(B1)、(B2)および(B3)の各式で表される<1>に記載の固体電解質組成物。
< 2 > The carbonate compound is represented by the following general formula (A1), and the sulfite compound, the sulfonate compound and the sulfone compound are each represented by the following general formulas (B1), (B2) and (B3). < 1 > The solid electrolyte composition according to < 1 >.
<3>(A)に記載された化合物および(B)に記載された化合物がそれぞれ分子内に環状構造を有する<1>または<2>に記載の固体電解質組成物。
< 3 > The solid electrolyte composition according to < 1 > or < 2 >, in which the compound described in (A) and the compound described in (B) each have a cyclic structure in the molecule.
<4>一般式(A1)、(B1)、(B2)および(B3)の各式で表される化合物が、それぞれ下記一般式(A1−2)、(B1−2)、(B2−2)および(B3−2)の各式で表される化合物である<2>に記載の固体電解質組成物。
一般式(B1−2)において、βは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B2−2)において、L1は−O−またはアルキレン基を表す。χは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B3−2)において、複数のL2は各々独立してアルキレン基を表す。δは4員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
< 4 > The compounds represented by the formulas (A1), (B1), (B2) and (B3) are respectively represented by the following formulas (A1-2), (B1-2) and (B2-2). ) And (B3-2) are the compounds represented by the formulas < 2> .
In the general formula (B1-2), β represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In formula (B2-2), L 1 represents -O- or an alkylene group. χ represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In the general formula (B3-2), each L 2 independently represents an alkylene group. δ represents an atomic group necessary for forming a ring having 4 or more members.
<5>電極活物質を含有する<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<6>電極活物質が、負極活物質である<5>に記載の固体電解質組成物。
<7> <1>〜<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物の層を基材上に有する全固体二次電池用シート。
<8>正極活物質層と負極活物質層と固体電解質層とを具備する全固体二次電池であって、正極活物質層、負極活物質層、および固体電解質層の少なくともいずれか1層が、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物からなる層である全固体二次電池。
<9> <1>〜<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を基材上に配置し、これを製膜する全固体二次電池用シートの製造方法。
<10> <9>に記載の製造方法を介して、全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
< 5 > The solid electrolyte composition according to any one of <1> to < 4 >, which contains an electrode active material.
< 6 > The solid electrolyte composition according to < 5 >, wherein the electrode active material is a negative electrode active material.
< 7 > An all-solid secondary battery sheet having a layer of the solid electrolyte composition according to any one of <1> to < 6 > on a substrate.
< 8 > An all-solid-state secondary battery comprising a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer, wherein at least one layer selected from a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer. , An all-solid secondary battery which is a layer formed of the solid electrolyte composition according to any one of <1> to < 6 >.
< 9 > A method for producing a sheet for an all-solid secondary battery, which comprises disposing the solid electrolyte composition according to any one of <1> to < 6 > on a substrate and forming a film from the same.
< 10 > A method for manufacturing an all-solid secondary battery, which manufactures an all-solid secondary battery through the manufacturing method according to < 9 >.
本明細書において、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物とは、還元または酸化反応により生じた、ラジカルアニオンまたはラジカルカチオン成分が硫化物系無機固体電解質の表面成分(例えばP−S結合)と相互作用して被膜を形成しうる化合物のことをいう。この際、ハロゲン化物等を放出し、硫化物系無機固体電解質の表面の活性点をキャッピングすることで、抵抗上昇を抑制する化合物がより好ましい。一方、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物も同様に定義される。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、単に「アクリル」又は「(メタ)アクリル」と記載するときは、メタアクリル及び/又はアクリルを意味する。
In the present specification, a compound having a C═O bond that forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action means a radical anion or a radical cation component generated by a reduction or oxidation reaction. It refers to a compound capable of interacting with the surface component (for example, PS bond) of the solid electrolyte to form a film. At this time, a compound that suppresses an increase in resistance by releasing a halide or the like and capping an active site on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is more preferable. On the other hand, a compound having an S═O bond that forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action is similarly defined.
In the present specification, the numerical range represented by using "to" means a range including the numerical values before and after "to" as the lower limit value and the upper limit value.
In the present specification, when simply described as “acrylic” or “(meth)acrylic”, it means methacrylic and/or acrylic.
本発明の固体電解質組成物は、全固体二次電池の固体電解質層および/または活物質層の材料として用いたときに、低温で一定期間使用される場合にも、良好なサイクル特性を実現できるという優れた効果を奏する。また、本発明の全固体二次電池用シートおよび全固体二次電池は、上記の優れた効果を奏する固体電解質組成物を利用し、優れた性能を発揮する。
また、本発明の製造方法によれば、本発明の、全固体二次電池用シートおよび全固体二次電池それぞれを好適に製造することができる。
The solid electrolyte composition of the present invention, when used as a material for a solid electrolyte layer and/or an active material layer of an all-solid secondary battery, can realize good cycle characteristics even when used at a low temperature for a certain period of time. It has an excellent effect. Moreover, the sheet for all-solid-state secondary batteries and the all-solid-state secondary batteries of the present invention utilize the solid electrolyte composition having the above-described excellent effects, and exhibit excellent performance.
Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, the sheet for all-solid-state secondary battery and the all-solid-state secondary battery of the present invention can be preferably manufactured.
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質と、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物または電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物とを含む。
以下、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質を「硫化物系無機固体電解質」または「無機固体電解質」と称することもある。また、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物、および、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物のいずれか、又は、両方を合わせて、「特定の添加剤」と称することもある。
以下、その好ましい実施形態について説明するが、まず、本発明の固体電解質組成物を用いた全固体二次電池について説明する。
The solid electrolyte composition of the present invention comprises a sulfide-based inorganic solid electrolyte having ion conductivity of a metal belonging to
Hereinafter, a sulfide-based inorganic solid electrolyte having conductivity of ions of a metal belonging to
Hereinafter, preferred embodiments thereof will be described. First, an all-solid secondary battery using the solid electrolyte composition of the present invention will be described.
[全固体二次電池]
本発明の全固体二次電池は、正極と、この正極に対向する負極と、正極及び負極の間の固体電解質層とを有する。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有する。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、後述する本発明の固体電解質組成物で形成されることが好ましく、中でも、負極活物質層が本発明の固体電解質組成物で形成されることがより好ましい。
固体電解質組成物で形成された活物質層又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、固体電解質組成物の固形分におけるものと同じである。
以下に、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
[All solid state secondary battery]
The all-solid secondary battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode has a positive electrode active material layer on the positive electrode current collector. The negative electrode has a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector.
At least one layer of the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and the solid electrolyte layer is preferably formed of the solid electrolyte composition of the present invention described below, and among them, the negative electrode active material layer is the solid electrolyte composition of the present invention. More preferably, it is formed of a material.
The active material layer or the solid electrolyte layer formed of the solid electrolyte composition is preferably the same in the solid content of the solid electrolyte composition with regard to the component species to be contained and the content ratio thereof.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、この順に積層してなる構造を有しており、隣接する層同士は直に接触している。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e−)が供給され、そこにリチウムイオン(Li+)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li+)が正極側に戻され、作動部位6に電子を供給することができる。図示した全固体二次電池の例では、作動部位6に電球をモデル的に採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an all solid state secondary battery (lithium ion secondary battery) according to a preferred embodiment of the present invention. The all-solid-state
〔正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層〕
全固体二次電池10においては、負極活物質層が本発明の固体電解質組成物で形成されている。
すなわち、固体電解質層3は、硫化物系無機固体電解質を含む。固体電解質層は、通常、正極活物質及び/又は負極活物質を含まない。
正極活物質層4及び負極活物質層2は、それぞれ、正極活物質又は負極活物質を含み、さらに、硫化物系無機固体電解質を含む。負極活物質層2は、さらに特定の添加剤を含む。活物質層が硫化物系無機固体電解質を含有するとイオン伝導度を向上させることができる。
正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する硫化物系無機固体電解質は、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明において、正極活物質層及び負極活物質層のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、活物質層又は電極活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
[Positive electrode active material layer, solid electrolyte layer, negative electrode active material layer]
In the all solid state
That is, the
Each of the positive electrode active material layer 4 and the negative electrode
The sulfide-based inorganic solid electrolytes contained in the positive electrode active material layer 4, the
In the present invention, either or both of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be simply referred to as an active material layer or an electrode active material layer. Further, either or both of the positive electrode active material and the negative electrode active material may be simply referred to as an active material or an electrode active material.
本発明において、上記特定の添加剤を硫化物系無機固体電解質および活物質等の固体粒子と組み合わせて用いる(含有する)と、全固体二次電池において、良好なサイクル特性を実現できる。
その理由は定かではないが、次のように、考えられる。特に、負極表面で、電気化学作用により、特定の添加剤が、硫化物系無機固体電解質と反応し、硫化物系無機固体電解質表面に生成する被膜が、充放電の過程で生成するリチウムデンドライトの発生を抑制すると推定される。また、硫化物系無機固体電解質および/または特定の添加剤由来のO原子およびS原子により余剰のLiイオンがトラップされると考えられる。さらに、上記被膜の活物質に対する親和性が高いことによりイオン伝導性が向上すると考えられる。これらの作用により、本発明の全固体二次電池は、良好なサイクル特性を示すと考えられる。
なお、上記被膜は、特定の添加剤が結合することにより形成されると考えられ、結合するための反応起因は、主に活物質の電気化学作用にともなう、ラジカルアニオン/カチオンから生じると推定される。
In the present invention, when the above-mentioned specific additive is used (contained) in combination with solid particles such as a sulfide-based inorganic solid electrolyte and an active material, good cycle characteristics can be realized in an all-solid secondary battery.
The reason is not clear, but it can be considered as follows. In particular, on the surface of the negative electrode, a specific additive reacts with the sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action, and a film formed on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is a lithium dendrite formed during the charge/discharge process. It is estimated to suppress the outbreak. Further, it is considered that excess Li ions are trapped by the O and S atoms derived from the sulfide-based inorganic solid electrolyte and/or the specific additive. Further, it is considered that the high affinity of the coating film for the active material improves the ionic conductivity. Due to these actions, the all-solid-state secondary battery of the present invention is considered to exhibit good cycle characteristics.
Incidentally, the above-mentioned film is considered to be formed by the binding of a specific additive, and the cause of the reaction for binding is presumed to be mainly caused by the radical anion/cation accompanying the electrochemical action of the active material. It
正極活物質層4、固体電解質層3、負極活物質層2の厚さは特に限定されない。一般的な電池の寸法を考慮すると、上記各層の厚さは10〜1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。本発明の全固体二次電池においては、正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることがさらに好ましい。
The thicknesses of the positive electrode active material layer 4, the
〔集電体(金属箔)〕
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼がより好ましい。
[Current collector (metal foil)]
The positive electrode
In the present invention, either or both of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be simply referred to as a current collector.
As a material for forming the positive electrode current collector, aluminum, aluminum alloy, stainless steel, nickel, titanium, etc., as well as aluminum or stainless steel whose surface is treated with carbon, nickel, titanium or silver (a thin film is formed) Those), and among them, aluminum and aluminum alloys are more preferable.
As the material for forming the negative electrode current collector, in addition to aluminum, copper, copper alloy, stainless steel, nickel, titanium, etc., the surface of aluminum, copper, copper alloy, stainless steel is treated with carbon, nickel, titanium or silver. It is preferable to use aluminum, copper, a copper alloy, and stainless steel.
集電体の形状は、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
The shape of the current collector is usually a film sheet, but a net, a punch, a lath, a porous body, a foam, a molded body of fibers, and the like can also be used.
The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm. Further, it is also preferable that the surface of the current collector is made uneven by surface treatment.
本発明において、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層及び正極集電体の各層の間又はその外側には、機能性の層や部材等を適宜介在ないし配設してもよい。また、各層は単層で構成されていても、複層で構成されていてもよい。 In the present invention, a functional layer or member is appropriately interposed or disposed between or outside each layer of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector. You may. Each layer may be composed of a single layer or multiple layers.
〔筐体〕
上記の各層を配置して全固体二次電池の基本構造を作製することができる。用途によってはこのまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためにはさらに適当な筐体に封入して用いる。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金製のものおよびステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
(Case)
The basic structure of an all-solid-state secondary battery can be produced by arranging the above layers. Depending on the application, it may be used as it is as an all-solid-state secondary battery, but in order to obtain the form of a dry battery, it is further enclosed in a suitable casing for use. The housing may be made of metal or resin (plastic). When using a metallic thing, the thing made from an aluminum alloy and the thing made from stainless steel can be mentioned, for example. The metallic casing is preferably divided into a casing on the positive electrode side and a casing on the negative electrode side and electrically connected to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively. It is preferable that the housing on the positive electrode side and the housing on the negative electrode side are joined and integrated via a gasket for preventing a short circuit.
[固体電解質組成物]
本発明の固体電解質組成物は、上記の通りであり、以下に具体的に説明する。
[Solid electrolyte composition]
The solid electrolyte composition of the present invention is as described above, and will be specifically described below.
(無機固体電解質)
本発明の固体電解質組成物は、硫化物系無機固体電解質を含有する。
無機固体電解質の固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導度材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液やポリマー中でカチオン及びアニオンが解離又は遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族又は第2族に属する金属元素のイオンの伝導性を有するものであれば、特に限定されず、電子伝導性を有さないものが一般的である。本発明の全固体二次電池がリチウムイオン電池の場合、硫化物系無機固体電解質は、リチウムイオンのイオン伝導度を有することが好ましい。
本発明において、活物質と無機固体電解質との間により良好な界面を形成することができる観点から、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質が用いられる。
−硫化物系無機固体電解質−
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子(S)を含有し、かつ、周期律表第1族又は第2族に属する金属元素のイオン伝導度を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導度を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
例えば下記式(1)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導度無機固体電解質が挙げられ、好ましい。
(Inorganic solid electrolyte)
The solid electrolyte composition of the present invention contains a sulfide-based inorganic solid electrolyte.
The solid electrolyte of the inorganic solid electrolyte is a solid electrolyte in which ions can move. Since it does not contain an organic substance as a main ionic conductivity material, it is an organic solid electrolyte (a polymer electrolyte represented by polyethylene oxide (PEO) or the like, or an organic solid electrolyte represented by lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) or the like. Electrolyte salt) is clearly distinguished. Further, since the inorganic solid electrolyte is solid in the steady state, it is not dissociated or released into cations and anions. In this respect, it is also clearly distinguished from inorganic electrolyte salts (LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), LiCl, etc.) in which cations and anions are dissociated or released in the electrolytic solution or polymer. .. The inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity of a metal element belonging to Group 1 or
In the present invention, from the viewpoint that a better interface can be formed between the active material and the inorganic solid electrolyte, a sulfide-based inorganic material having ion conductivity of a metal belonging to
-Sulfide inorganic solid electrolyte-
The sulfide-based inorganic solid electrolyte is one that contains a sulfur atom (S), has the ionic conductivity of a metal element belonging to
For example, a lithium ion conductivity inorganic solid electrolyte satisfying the composition represented by the following formula (1) can be mentioned, which is preferable.
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (1) L a1 M b1 P c1 S d1 A e1 (1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。
Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。中でも、B、Sn、Si、Al又はGeが好ましく、Sn、Al又はGeがより好ましい。
Aは、I、Br、Cl又はFを示し、I又はBrが好ましく、Iが特に好ましい。
L、M及びAは、それぞれ、上記元素の1種又は2種以上とすることができる。
a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜1:1:2〜12:0〜5を満たす。a1はさらに、1〜9が好ましく、1.5〜4がより好ましい。b1は0〜0.5が好ましい。d1はさらに、3〜7が好ましく、3.25〜4.5がより好ましい。e1はさらに、0〜3が好ましく、0〜1がより好ましい。
In the formula, L represents an element selected from Li, Na and K, and Li is preferable.
M represents an element selected from B, Zn, Sn, Si, Cu, Ga, Sb, Al and Ge. Among them, B, Sn, Si, Al or Ge is preferable, and Sn, Al or Ge is more preferable.
A represents I, Br, Cl or F, preferably I or Br, and particularly preferably I.
Each of L, M and A can be one or more of the above elements.
a1 to e1 represent the composition ratio of each element, and a1:b1:c1:d1:e1 satisfies 1 to 12:0 to 1:1:2 to 12:0 to 5. Further, a1 is preferably 1 to 9, and more preferably 1.5 to 4. b1 is preferably 0 to 0.5. 3-7 are preferable and, as for d1, 3.25-4.5 are more preferable. Further, e1 is preferably 0 to 3, and more preferably 0 to 1.
式(1)において、L、M、P、S及びAの組成比は、好ましくはb1、e1が0であり、より好ましくはb1=0、e1=0で且つa1、c1及びd1の比がa1:c1:d1=1〜9:1:3〜7であり、さらに好ましくはb1=0、e1=0で且つa1:c1:d1=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。各元素の組成比は、後述するように、硫化物系無機固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。 In the formula (1), the composition ratio of L, M, P, S and A is preferably such that b1 and e1 are 0, more preferably b1=0, e1=0 and the ratio of a1, c1 and d1 is a1:c1:d1=1-9:1:3-7, more preferably b1=0, e1=0 and a1:c1:d1=1.5-4:1:3.25-4. It is 5. The composition ratio of each element can be controlled by adjusting the compounding quantity of the raw material compound at the time of producing a sulfide-based inorganic solid electrolyte, as described later.
硫化物系無機固体電解質は、非結晶(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみが結晶化していてもよい。例えば、Li、P及びSを含有するLi−P−S系ガラス、又はLi、P及びSを含有するLi−P−S系ガラスセラミックスを用いることができる。
硫化物系無機固体電解質は、[1]硫化リチウム(Li2S)と硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、[2]硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄の少なくとも一方、又は[3]硫化リチウムと硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))と単体燐及び単体硫黄の少なくとも一方、の反応により製造することができる。
The sulfide-based inorganic solid electrolyte may be non-crystalline (glass) or crystallized (glass-ceramic), or only a part thereof may be crystallized. For example, Li-P-S based glass containing Li, P and S, or Li-P-S based glass ceramics containing Li, P and S can be used.
The sulfide-based inorganic solid electrolyte includes [1] lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus sulfide (for example, phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 )), [2] lithium sulfide and at least one of elemental phosphorus and elemental sulfur, Alternatively, [3] it can be produced by the reaction of lithium sulfide with phosphorus sulfide (for example, phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 )) and at least one of elemental phosphorus and elemental sulfur.
Li−P−S系ガラス及びLi−P−S系ガラスセラミックスにおける、Li2SとP2S5との比率は、Li2S:P2S5のモル比で、好ましくは65:35〜85:15、より好ましくは68:32〜77:23である。Li2SとP2S5との比率をこの範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度をより高めることができる。具体的には、リチウムイオン伝導度を好ましくは1×10−4S/cm以上、より好ましくは1×10−3S/cm以上とすることができる。上限は特にないが、1×10−1S/cm以下であることが実際的である。
In Li-P-S based glass and Li-P-S based glass ceramics, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is,
硫化物系無機固体電解質の具体的な化合物例としては、例えば、Li2Sと、第13族〜第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなるものを挙げることができる。より具体的には、Li2S−P2S5、Li2S−LiI−P2S5、Li2S−LiI−Li2O−P2S5、Li2S−LiBr−P2S5、Li2S−Li2O−P2S5、Li2S−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5−P2O5、Li2S−P2S5−SiS2、Li2S−P2S5−SnS、Li2S−P2S5−Al2S3、Li2S−GeS2、Li2S−GeS2−ZnS、Li2S−Ga2S3、Li2S−GeS2−Ga2S3、Li2S−GeS2−P2S5、Li2S−GeS2−Sb2S5、Li2S−GeS2−Al2S3、Li2S−SiS2、Li2S−Al2S3、Li2S−SiS2−Al2S3、Li2S−SiS2−P2S5、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−Li4SiO4、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li10GeP2S12などが挙げられる。その中でも、Li2S−P2S5、Li2S−GeS2−Ga2S3、Li2S−SiS2−P2S5、Li2S−SiS2−Li4SiO4、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−LiI−Li2O−P2S5、Li2S−Li2O−P2S5、Li2S−Li3PO4−P2S5、Li2S−GeS2−P2S5、Li10GeP2S12からなる結晶質、非晶質若しくは結晶質と非晶質混合の原料組成物が、高いリチウムイオン伝導度を有するので好ましい。このような原料組成物を用いて硫化物系無機固体電解質材料を合成する方法としては、例えば非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法及び溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。
中でも、Li2S−P2S5、LGPS(Li10GeP2S12)、Li2S−P2S5−SiS2等が好ましい。
Specific examples of the sulfide-based inorganic solid electrolyte include, for example, those obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and a sulfide of an element of
Among them, Li 2 S-P 2 S 5, LGPS (
無機固体電解質は粒子であることが好ましい。粒子状の無機固体電解質の体積平均粒子径は特に制限されないが、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。上限としては、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。なお、無機固体電解質の体積平均粒子径の測定は、以下の手順で行う。無機固体電解質粒子を、水(水に不安定な物質の場合はヘプタン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、体積平均粒子径を得る。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。 The inorganic solid electrolyte is preferably particles. The volume average particle diameter of the particulate inorganic solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. The upper limit is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. The volume average particle size of the inorganic solid electrolyte is measured by the following procedure. The inorganic solid electrolyte particles are prepared by diluting a 1% by mass dispersion liquid in a 20 mL sample bottle with water (heptane in the case of a substance which is unstable to water). The diluted dispersion sample is irradiated with ultrasonic waves of 1 kHz for 10 minutes, and immediately thereafter, used for the test. Using this dispersion liquid sample, using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer LA-920 (trade name, manufactured by HORIBA), data was captured 50 times using a measuring quartz cell at a temperature of 25° C., Obtain the volume average particle size. For other detailed conditions and the like, refer to the description of JISZ8828:2013 “Particle size analysis-dynamic light scattering method” as necessary. Five samples are prepared for each level, and the average value is adopted.
無機固体電解質の固体電解質組成物中における含有量は、界面抵抗の低減及び電池特性維持効果(サイクル特性の向上)の両立を考慮したとき、固形分100質量%において、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、同様の観点から、99質量%以下であることが好ましく、90質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることが特に好ましい。
ただし、正極活物質又は負極活物質を含有する場合、固体電解質組成物中の無機固体電解質の含有量は、正極活物質又は負極活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
なお、本明細書において固形分とは、窒素雰囲気下170℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒体以外の成分を指す。
無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The content of the inorganic solid electrolyte in the solid electrolyte composition should be 1% by mass or more at a solid content of 100% by mass in consideration of reduction of interface resistance and maintenance of battery characteristics (improvement of cycle characteristics). Is more preferable, 3% by mass or more is more preferable, and 5% by mass or more is particularly preferable. From the same viewpoint, the upper limit is preferably 99% by mass or less, more preferably 90% by mass or less, and particularly preferably 80% by mass or less.
However, when the positive electrode active material or the negative electrode active material is contained, the content of the inorganic solid electrolyte in the solid electrolyte composition is such that the total content of the positive electrode active material or the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte is in the above range. Is preferred.
In the present specification, the solid content means a component that does not disappear by volatilization or evaporation when a drying process is performed at 170° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. Typically, it refers to components other than the dispersion medium described below.
The inorganic solid electrolytes may be used alone or in combination of two or more.
(特定の添加剤)
本発明の固体電解質組成物は、電気化学作用(例えば、電気化学反応)により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物または電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物を含有する。
以下、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物をC=O化合物と称することもある。一方、電気化学作用により硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物をS=O化合物と称することもある。
(Specific additives)
The solid electrolyte composition of the present invention is a compound having a C═O bond that forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action (for example, an electrochemical reaction) or a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action. It contains a compound having an S=O bond that forms a film on the surface.
Hereinafter, a compound having a C=O bond that forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action may be referred to as a C=O compound. On the other hand, a compound having an S=O bond that forms a film on the surface of a sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action may be referred to as an S=O compound.
本発明において、全固体二次電池稼動範囲である電位で酸化もしくは還元し、反応活性点を効果的に被覆することが可能であるため、上記C=O化合物が下記(A)に記載の化合物であり、上記S=O化合物が下記(B)に記載の化合物であることが好ましい。
(A)分子内にカーボネート基(−OC(=O)O−)およびハロゲン原子を有するカーボネート化合物
(B)サルファイト化合物、スルホン酸エステル化合物またはスルホン化合物
In the present invention, since it is possible to oxidize or reduce at a potential within the operating range of an all-solid-state secondary battery and effectively coat reaction reactive sites, the above C═O compound is a compound described in (A) below. And it is preferable that the S═O compound is a compound described in (B) below.
(A) Carbonate compound having a carbonate group (-OC(=O)O-) and a halogen atom in the molecule (B) Sulfite compound, sulfonate compound or sulfone compound
本発明において、酸素原子および硫黄原子が硫化物系無機固体電解質と親和性の高い被膜を形成するため、上記カーボネート化合物が下記一般式(A1)で表され、上記サルファイト化合物、スルホン酸エステル化合物およびスルホン化合物が、それぞれ下記一般式(B1)、(B2)および(B3)各式で表されることが好ましい。 In the present invention, since the oxygen atom and the sulfur atom form a film having high affinity with the sulfide-based inorganic solid electrolyte, the carbonate compound is represented by the following general formula (A1), and the sulfite compound and the sulfonate compound are And the sulfone compound are preferably represented by the following general formulas (B1), (B2) and (B3), respectively.
一般式中、RA1、RB1、RB21およびRB22は、互いに独立して1価の置換基を表す。RB3は、炭素原子で硫黄原子に結合する1価の置換基を表す。複数のRA1、複数のRB1および複数のRB3は、それぞれ互いに同じであっても異なっていても良く、複数のRA1同士、複数のRB1同士、RB21とRB22、および複数のRB3同士は、各一般式で表される化合物において、それぞれ環を形成していてもよい。RA1の少なくとも1つは、少なくとも1つのハロゲン原子を有する。 In the general formula, R A1 , R B1 , R B21 and R B22 each independently represent a monovalent substituent. R B3 represents a monovalent substituent bonded to a sulfur atom by a carbon atom. Multiple R A1, the plurality of R B1 and a plurality of R B3, may be different be the same as each other, respectively, among the plurality of R A1, a plurality of R B1 between, R B21 and R B22, and a plurality of R B3s may form a ring in the compound represented by each general formula. At least one R A1 has at least one halogen atom.
RA1、RB1、RB21およびRB22で表される1価の置換基ならびにRB3で表される炭素原子で硫黄原子に結合する1価の置換基の具体例として、後述の置換基Zから選択される置換基が挙げられる。 Specific examples of the monovalent substituent represented by R A1 , R B1 , R B21 and R B22 and the monovalent substituent bonded to the sulfur atom by the carbon atom represented by R B3 include the substituent Z described below. Substituents selected from
一般式(A1)において、RA1で表される1価の置換基のうち少なくとも1つは、少なくとも1つのハロゲン原子を有する。ハロゲン原子の具体例として、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子が挙げられ、フッ素原子が中でも好ましい。
一般式(A1)において、RA1で表される1価の置換基として、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルキルシリル基またはアリールシリル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基又はエチル基が特に好ましい。アルキル基は、末端の炭素原子にハロゲン原子を有することが好ましく、末端の炭素原子全ての水素原子がハロゲン原子で置換されていることがより好ましく、パーフルオロアルキル基が特に好ましい。
In the general formula (A1), at least one of the monovalent substituents represented by R A1 has at least one halogen atom. Specific examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, and a fluorine atom is preferable among them.
In the general formula (A1), the monovalent substituent represented by R A1 is an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkylsilyl group or an arylsilyl group in the substituent Z described later. Is preferred, and an alkyl group is more preferred. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group. The alkyl group preferably has a halogen atom at the terminal carbon atom, more preferably all the hydrogen atoms of the terminal carbon atoms are replaced with halogen atoms, and particularly preferably a perfluoroalkyl group.
一般式(B1)において、RB1で表される1価の置換基として、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルキルシリル基またはアリールシリル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基またはエチル基が特に好ましい。 In the general formula (B1), the monovalent substituent represented by R B1 is an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkylsilyl group or an arylsilyl group in the substituent Z described later. Is preferred, and an alkyl group is more preferred. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group.
一般式(B2)において、RB21で表される1価の置換基として、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、ヘテロ環基、アミノ基アルキルシリル基またはアリールシリル基が好ましく、アルキル基、アリール基またはアルケニル基がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基またはエチル基が特に好ましい。アリール基の炭素原子数は、6〜12がより好ましく、6〜8がさらに好ましく、フェニル基が特に好ましい。
一般式(B2)において、RB22で表される1価の置換基として、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基、ヘテロ環基、アルキルシリル基またはアリールシリル基が好ましく、アルキル基またはアリール基がより好ましく、アルキル基が特に好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基またはエチル基が特に好ましい。アルキル基はRA1が有するハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)を有していてもよい。アリール基の炭素原子数は、6〜12がより好ましく、6〜8がさらに好ましく、フェニル基が特に好ましい。
In the general formula (B2), as the monovalent substituent represented by R B21 , an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, a heterocyclic group, an amino group alkyl in the below-described substituent Z is represented. A silyl group or an arylsilyl group is preferable, and an alkyl group, an aryl group or an alkenyl group is more preferable. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group. The aryl group preferably has 6 to 12 carbon atoms, more preferably has 6 to 8 carbon atoms, and particularly preferably a phenyl group.
In the general formula (B2), the monovalent substituent represented by R B22 is an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a heterocyclic group, an alkylsilyl group or an arylsilyl group in the substituent Z described later. Is preferred, an alkyl group or an aryl group is more preferred, and an alkyl group is particularly preferred. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group. The alkyl group may have a halogen atom (preferably a fluorine atom) which R A1 has. The aryl group preferably has 6 to 12 carbon atoms, more preferably has 6 to 8 carbon atoms, and particularly preferably a phenyl group.
一般式(B3)において、RB3で表される1価の置換基として、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基、ヘテロ環基、アルキルシリル基またはアリールシリル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい。アリール基の炭素原子数は、6〜12がより好ましく、6〜8がさらに好ましく、6が特に好ましい。 In the general formula (B3), the monovalent substituent represented by R B3 is an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a heterocyclic group, an alkylsilyl group or an arylsilyl group in the substituent Z described later. Is preferred, and an alkyl group is more preferred. 1-10 are more preferable, as for carbon number of an alkyl group, 1-5 are more preferable, and 1-3 are especially preferable. The aryl group preferably has 6 to 12 carbon atoms, more preferably has 6 to 8 carbon atoms, and particularly preferably has 6 carbon atoms.
本発明において、電気化学作用にともない、開環し形成される被膜がより強固であり、全固体二次電池が長期間使用されてもその間維持されることが可能なことから、(A)または(B)に記載された化合物は、それぞれ分子内に環状構造を有することが好ましい。 In the present invention, the coating formed by ring opening due to the electrochemical action is stronger and can be maintained during the long-term use of the all-solid-state secondary battery. The compound described in (B) preferably has a cyclic structure in the molecule.
一般式(A1)、(B1)、(B2)および(B3)の各式で表される化合物が、それぞれ下記一般式(A1−2)、(B1−2)、(B2−2)および(B3−2)の各式で表される化合物であることが好ましい。 The compounds represented by the formulas (A1), (B1), (B2) and (B3) are respectively represented by the following formulas (A1-2), (B1-2), (B2-2) and (B2-2). It is preferably a compound represented by each formula of B3-2).
一般式(A1−2)において、αは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表し、一般式(A1−2)で表される化合物は、ハロゲン原子を少なくとも1つ有する。
一般式(B1−2)において、βは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B2−2)において、L1は−O−またはアルキレン基を表す。χは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B3−2)において、複数のL2は各々独立してアルキレン基を表す。δは4員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
In the general formula (A1-2), α represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members, and the compound represented by the general formula (A1-2) has at least one halogen atom.
In the general formula (B1-2), β represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In formula (B2-2), L 1 represents -O- or an alkylene group. χ represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In the general formula (B3-2), each L 2 independently represents an alkylene group. δ represents an atomic group necessary for forming a ring having 4 or more members.
一般式(A1−2)における5員以上の環を形成するのに必要な原子群の環構成原子は、炭素原子および酸素原子から選択される原子であることが好ましい。なお、一般式(A1−2)における環は、非芳香族性の環が好ましい。
一般式(A1−2)における環は、5〜8員環であることが好ましく、5または6員環であることがより好ましく、5員環であることが特に好ましい。一般式(A1−2)における環は、少なくとも1つのハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)を有し、1〜3つのハロゲン原子を有することが好ましく、1または2つのハロゲン原子を有することがより好ましく、1つのハロゲン原子を有することがより好ましい。一般式(A1−2)における環が置換基を有する場合、この置換基がハロゲン原子を有していてもよい。
一般式(A1−2)における環が有する置換基としては、後述の置換基Zにおける、アルキル基、ハロゲン原子、アリール基、アルケニル基またはアルキニル基が好ましく、フッ化アルキル基またはフッ素原子がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基またはエチル基が特に好ましい。
The ring-constituting atoms of the atomic group necessary for forming a 5-membered or more-membered ring in formula (A1-2) are preferably atoms selected from carbon atoms and oxygen atoms. The ring in general formula (A1-2) is preferably a non-aromatic ring.
The ring in formula (A1-2) is preferably a 5- to 8-membered ring, more preferably a 5- or 6-membered ring, and particularly preferably a 5-membered ring. The ring in formula (A1-2) has at least one halogen atom (preferably a fluorine atom), preferably has 1 to 3 halogen atoms, and more preferably has 1 or 2 halogen atoms. It is more preferred to have one halogen atom. When the ring in the general formula (A1-2) has a substituent, this substituent may have a halogen atom.
As the substituent which the ring in the general formula (A1-2) has, an alkyl group, a halogen atom, an aryl group, an alkenyl group or an alkynyl group in the substituent Z described later is preferable, and a fluorinated alkyl group or a fluorine atom is more preferable. . The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group or an ethyl group.
一般式(B1−2)における5員以上の環を形成するのに必要な原子群の環構成原子は、硫黄原子、炭素原子および酸素原子から選択される原子であることが好ましい。なお、一般式(B1−2)における環は、非芳香族性の環が好ましい。
一般式(B1−2)における環は、5〜8員環であることが好ましく、5または6員環であることがより好ましく、5員環であることが特に好ましい。
一般式(B1−2)における環は置換基を有してもよい。一般式(B1−2)における環が有する置換基としては、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アリール基、アルケニル基またはアルキニル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基が特に好ましい。
The ring-constituting atoms of the atomic group necessary for forming a 5-membered or more ring in the general formula (B1-2) are preferably atoms selected from a sulfur atom, a carbon atom and an oxygen atom. In addition, the ring in the general formula (B1-2) is preferably a non-aromatic ring.
The ring in general formula (B1-2) is preferably a 5- to 8-membered ring, more preferably a 5- or 6-membered ring, and particularly preferably a 5-membered ring.
The ring in formula (B1-2) may have a substituent. As the substituent which the ring in the general formula (B1-2) has, an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group or an alkynyl group in the substituent Z described later is preferable, and an alkyl group is more preferable. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group.
一般式(B2−2)における5員以上の環を形成するのに必要な原子群の環構成原子は、硫黄原子、炭素原子および酸素原子から選択される原子であることが好ましい。なお、一般式(B2−2)における環は、非芳香族性の環が好ましい。
L1で表されるアルキレン基は、炭素原子数1〜5のアルキレン基が好ましく、炭素原子数1〜3のアルキレン基がより好ましい。アルキレン基の具体例として、メチレン、エチレン、プロピレンが挙げられる。なお、L1で表されるアルキレン基は置換基を有していてもよく、置換基の具体例として、後述の置換基Zから選択される置換基が挙げられる。
一般式(B2−2)における環は、5〜8員環であることが好ましく、5または6員環であることがより好ましく、5員環であることが特に好ましい。
一般式(B2−2)における環は置換基を有してもよい。一般式(B2−2)における環が有する置換基としては、後述の置換基Zにおけるアルキル基が好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基が特に好ましい。
The ring-constituting atoms of the atomic group necessary for forming a 5-membered or more-membered ring in the general formula (B2-2) are preferably atoms selected from a sulfur atom, a carbon atom and an oxygen atom. The ring in general formula (B2-2) is preferably a non-aromatic ring.
The alkylene group represented by L 1 is preferably an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms, and more preferably an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms. Specific examples of the alkylene group include methylene, ethylene and propylene. The alkylene group represented by L 1 may have a substituent, and specific examples of the substituent include a substituent selected from the substituent Z described later.
The ring in general formula (B2-2) is preferably a 5- to 8-membered ring, more preferably a 5- or 6-membered ring, and particularly preferably a 5-membered ring.
The ring in general formula (B2-2) may have a substituent. As the substituent which the ring in the general formula (B2-2) has, an alkyl group in the substituent Z described later is preferable. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group.
一般式(B3−2)における4員以上の環を形成するのに必要な原子群の環構成原子は、硫黄原子および炭素原子から選択される原子であることが好ましい。なお、一般式(B3−2)における環は、非芳香族性の環が好ましい。
L2で表されるアルキレン基は、炭素原子数1〜5のアルキレン基が好ましく、炭素原子数1〜3のアルキレン基がより好ましい。アルキレン基の具体例として、メチレン、エチレン、プロピレンが挙げられる。なお、L2で表されるアルキレン基は置換基を有していてもよく、置換基の具体例として、後述の置換基Zから選択される置換基が挙げられる。
一般式(B3−2)における環は、4〜8員環であることが好ましく、5または6員環であることがより好ましく、5員環であることが特に好ましい。
一般式(B3−2)における環は置換基を有してもよい。一般式(B3−2)における環が有する置換基としては、後述の置換基Zにおける、アルキル基、アリール基、アルケニル基、アルキニル基または=Oが好ましく、アルキル基および=Oが好ましい。アルキル基の炭素原子数は、1〜10がより好ましく、1〜5がさらに好ましく、メチル基が特に好ましい。
The ring-constituting atoms of the atomic group necessary for forming a 4-membered or more-membered ring in the general formula (B3-2) are preferably atoms selected from a sulfur atom and a carbon atom. The ring in general formula (B3-2) is preferably a non-aromatic ring.
The alkylene group represented by L 2 is preferably an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms, and more preferably an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms. Specific examples of the alkylene group include methylene, ethylene and propylene. The alkylene group represented by L 2 may have a substituent, and specific examples of the substituent include a substituent selected from the substituent Z described later.
The ring in formula (B3-2) is preferably a 4- to 8-membered ring, more preferably a 5- or 6-membered ring, and particularly preferably a 5-membered ring.
The ring in general formula (B3-2) may have a substituent. As the substituent which the ring in the general formula (B3-2) has, an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkynyl group or =O in the substituent Z described later is preferable, and an alkyl group and =O are preferable. The alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms, and particularly preferably a methyl group.
本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本明細書において置換または無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、その基に適宜の置換基を有していてもよい意味である。これは置換または無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、下記置換基Zが挙げられる。
In the present specification, the expression of a compound (for example, when it is referred to as a compound at the end) includes the compound itself, a salt thereof, and an ion thereof. Further, it is meant to include a derivative in which a part of the derivative is changed, such as by introducing a substituent, within a range in which a desired effect is exhibited.
In the present specification, with respect to a substituent which is not specified to be substituted or unsubstituted (the same applies to the linking group), it means that the group may have an appropriate substituent. This is also synonymous with compounds that do not specify substituted or unsubstituted. The following substituent Z is mentioned as a preferable substituent.
また、本明細書において、単に、YYY基(例えば、アルキル基)と記載されている場合、YYY基は、この基に対応する下記置換基Zの中から選択される。
置換基Zとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等、ただし本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味である。)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、アラルキル基(好ましくは炭素数7〜23のアラルキル基、例えば、ベンジル、フェネチル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5又は6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、テトラヒドロピラン、テトラヒドロフラン、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等、ただし本明細書においてアルコキシ基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1−ナフチルオキシカルボニル、3−メチルフェノキシカルボニル、4−メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル等)、アリーロイル基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイル基、例えば、ベンゾイル等、ただし本明細書においてアシル基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等、ただし本明細書においてアシルオキシ基というときには通常アリーロイルオキシ基を含む意味である。)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数6〜22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、アルキルシリル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルシリル基、例えば、モノメチルシリル、ジメチルシリル、トリメチルシリル、トリエチルシリル等)、アリールシリル基(好ましくは炭素原子数6〜42のアリールシリル基、例えば、トリフェニルシリル等)、アルコキシシリル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等)、アリールオキシシリル基(好ましくは炭素原子数6〜42のアリールオキシシリル基、例えば、トリフェニルオキシシリル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホリル基、例えば、−OP(=O)(RP)2)、ホスホニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホニル基、例えば、−P(=O)(RP)2)、ホスフィニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスフィニル基、例えば、−P(RP)2)、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルイミノ基((メタ)アクリルアミド基)、ヒドロキシ基、チオール基、カルボキシ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)および=Oが挙げられる。
また、これらの置換基Zで挙げた各基は、上記の置換基Zがさらに置換していてもよい。
化合物、置換基または連結基等がアルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基および/またはアルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
Further, in the present specification, when simply described as a YYY group (for example, an alkyl group), the YYY group is selected from the following substituents Z corresponding to this group.
Examples of the substituent Z include the followings.
Alkyl group (preferably alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, for example, methyl, ethyl, isopropyl, t-butyl, pentyl, heptyl, 1-ethylpentyl, benzyl, 2-ethoxyethyl, 1-carboxymethyl, etc.), alkenyl A group (preferably an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, for example, vinyl, allyl, oleyl, etc.), an alkynyl group (preferably an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, for example, ethynyl, butadiynyl, phenylethynyl, etc.), Cycloalkyl group (preferably a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, for example, cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, 4-methylcyclohexyl, etc. However, when the alkyl group is used in the present specification, it is usually meant to include a cycloalkyl group. ), an aryl group (preferably an aryl group having 6 to 26 carbon atoms, for example, phenyl, 1-naphthyl, 4-methoxyphenyl, 2-chlorophenyl, 3-methylphenyl, etc.), an aralkyl group (preferably having 7 carbon atoms). To 23 aralkyl groups such as benzyl and phenethyl, heterocyclic groups (preferably having 2 to 20 carbon atoms, preferably 5 or 6 having at least one oxygen atom, sulfur atom, nitrogen atom). Member-membered heterocyclic groups are preferred, for example, tetrahydropyran, tetrahydrofuran, 2-pyridyl, 4-pyridyl, 2-imidazolyl, 2-benzimidazolyl, 2-thiazolyl, 2-oxazolyl, pyrrolidone groups), alkoxy groups (preferably). An alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, for example, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, benzyloxy, etc., an aryloxy group (preferably an aryloxy group having 6 to 26 carbon atoms, for example, phenoxy, 1-naphthyloxy, 3-Methylphenoxy, 4-methoxyphenoxy and the like, however, when the alkoxy group is used in the present specification, it usually means that it includes an aryloyl group.), an alkoxycarbonyl group (preferably an alkoxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, for example, Ethoxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl, etc., an aryloxycarbonyl group (preferably an aryloxycarbonyl group having 6 to 26 carbon atoms, for example, phenoxycarbonyl, 1-naphthyloxycarbonyl, 3-methylphenoxycarbonyl, 4-methoxy. Phenoxycarbonyl, etc.), amino group (preferably amino group having 0 to 20 carbon atoms, alkylamido) Group, including an amino group and an arylamino group, for example, amino, N,N-dimethylamino, N,N-diethylamino, N-ethylamino, anilino, etc., sulfamoyl group (preferably a sulfamoyl group having 0 to 20 carbon atoms, For example, N,N-dimethylsulfamoyl, N-phenylsulfamoyl, etc.), an acyl group (preferably an acyl group having 1 to 20 carbon atoms, for example, acetyl, propionyl, butyryl, etc.), an aryloyl group (preferably An aryloyl group having 7 to 23 carbon atoms, for example, benzoyl, etc., but when referred to as an acyl group in the present specification, it is usually meant to include an aryloyl group. ), an acyloxy group (preferably an acyloxy group having 1 to 20 carbon atoms, for example, acetyloxy and the like), an aryloyloxy group (preferably an aryloyloxy group having 7 to 23 carbon atoms, for example, benzoyloxy and the like, In the present specification, an acyloxy group is meant to include an aryloyloxy group, a carbamoyl group (preferably a carbamoyl group having 1 to 20 carbon atoms, for example, N,N-dimethylcarbamoyl, N-phenylcarbamoyl, etc.). ), an acylamino group (preferably an acylamino group having 1 to 20 carbon atoms, for example, acetylamino, benzoylamino, etc.), an alkylthio group (preferably an alkylthio group having 1 to 20 carbon atoms, for example, methylthio, ethylthio, isopropylthio. , Benzylthio, etc.), an arylthio group (preferably an arylthio group having 6 to 26 carbon atoms, for example, phenylthio, 1-naphthylthio, 3-methylphenylthio, 4-methoxyphenylthio, etc.), an alkylsulfonyl group (preferably carbon atoms). An alkylsulfonyl group having 1 to 20 atoms, such as methylsulfonyl, ethylsulfonyl, etc., an arylsulfonyl group (preferably an arylsulfonyl group having 6 to 22 carbon atoms, such as benzenesulfonyl), an alkylsilyl group (preferably carbon). An alkylsilyl group having 1 to 20 atoms, for example, monomethylsilyl, dimethylsilyl, trimethylsilyl, triethylsilyl, etc.), an arylsilyl group (preferably an arylsilyl group having 6 to 42 carbon atoms, for example, triphenylsilyl, etc.), An alkoxysilyl group (preferably an alkoxysilyl group having 1 to 20 carbon atoms, for example, monomethoxysilyl, dimethoxysilyl, trimethoxysilyl, triethoxysilyl, etc.), an aryloxysilyl group (preferably having 6 to 42 carbon atoms) aryloxy silyl group, for example, triphenyl oxysilyl etc.), a phosphoryl group (preferably phosphoryl group of 0-20 carbon atoms, for example, -OP (= O) (R P) 2), a phosphonyl group (preferably a carbon phosphonyl group atoms from 0 to 20, for example, -P (= O) (R P) 2), a phosphinyl group (preferably a phosphinyl group having 0 to 20 carbon atoms, for example, -P (R P) 2) , (Meth)acryloyl group, (meth)acryloyloxy group, (meth)acryloylimino group ((meth)acrylamide group), hydroxy group, thiol group , Carboxy group, phosphoric acid group, phosphonic acid group, sulfonic acid group, cyano group, halogen atom (eg, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom) and ═O.
In addition, each of the groups listed as the substituent Z may be further substituted with the above-mentioned substituent Z.
When the compound, the substituent, the linking group or the like contains an alkyl group, an alkylene group, an alkenyl group, an alkenylene group, an alkynyl group and/or an alkynylene group, these may be cyclic or linear, or linear or branched. It may be substituted or not as described above.
以下、特定の添加剤の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されない。 Specific examples of specific additives are shown below, but the present invention is not limited thereto.
上記特定の添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記特定の添加剤は、常法により合成することができる。 The above-mentioned specific additives may be used alone or in combination of two or more. The above-mentioned specific additive can be synthesized by a conventional method.
固体電解質組成物中における、硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成し得る特定の添加剤の含有量は、特に限定されず、固形分100質量%において、0.01〜20質量%が好ましく、0.05〜10質量%がより好ましく、0.1〜5質量%が特に好ましい。 The content of the specific additive capable of forming a film on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte in the solid electrolyte composition is not particularly limited, and is preferably 0.01 to 20 mass% at 100 mass% solid content. , 0.05 to 10 mass% is more preferable, and 0.1 to 5 mass% is particularly preferable.
(活物質)
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第1族又は第2族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な活物質を含有してもよい。活物質としては、以下に説明するが、正極活物質及び負極活物質が挙げられ、正極活物質である遷移金属酸化物、又は、負極活物質である炭素質材料が好ましい。本発明の固体電解質組成物は、特に還元反応により形成される被膜が強固であり、硫化物系無機固体電解質との親和性が高い被膜を形成することが可能であるため、負極活物質を含有することが好ましい。
本発明において、活物質(正極活物質、負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極層用組成物(正極層用組成物、負極層用組成物)ということがある。
(Active material)
The solid electrolyte composition of the present invention may contain an active material capable of inserting and releasing ions of a metal element belonging to
In the present invention, the solid electrolyte composition containing the active material (positive electrode active material, negative electrode active material) may be referred to as an electrode layer composition (positive electrode layer composition, negative electrode layer composition).
−正極活物質−
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物や、硫黄などのLiと複合化できる元素などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、CuおよびVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、PまたはBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物および(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
-Cathode active material-
The positive electrode active material that may be contained in the solid electrolyte composition of the present invention is preferably one that can reversibly insert and release lithium ions. The material is not particularly limited as long as it has the above characteristics, and may be a transition metal oxide, an element that can be complexed with Li such as sulfur, or the like.
Among them, as the positive electrode active material, a transition metal oxide having preferably used a transition metal oxide, a transition metal element M a a (Co, Ni, Fe, Mn , 1 or more elements selected from Cu and V) The thing is more preferable. Further, the element M b (elements of Group 1 (Ia) other than lithium, elements of Group 1 (Ia), elements of Group 2 (IIa), Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Elements such as Sb, Bi, Si, P or B) may be mixed. The mixing amount, 0~30mol% is preferred for the amount of the transition metal element M a (100mol%). That the molar ratio of li / M a is synthesized by mixing so that 0.3 to 2.2 is more preferable.
Specific examples of the transition metal oxide include (MA) a transition metal oxide having a layered rock salt type structure, (MB) a transition metal oxide having a spinel type structure, (MC) a lithium-containing transition metal phosphate compound, (MD) ) Lithium-containing transition metal halogenated phosphoric acid compounds and (ME) lithium-containing transition metal silicic acid compounds.
(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiCoO2(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi2O2(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])およびLiNi0.5Mn0.5O2(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8およびLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類およびLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩およびLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4およびLi2CoSiO4が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO、NCA又はNMCがより好ましい。
Specific examples of the transition metal oxide having a (MA) layered rock salt structure include LiCoO 2 (lithium cobalt oxide [LCO]), LiNi 2 O 2 (lithium nickelate) LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05. O 2 (lithium nickel cobalt aluminum oxide [NCA]), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (lithium nickel manganese cobalt oxide [NMC]) and LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 (manganese) Lithium nickelate).
Specific examples of the transition metal oxide having a (MB) spinel structure include LiCoMnO 4, Li 2 FeMn 3 O 8 , Li 2 CuMn 3 O 8 , Li 2 CrMn 3 O 8 and Li 2 NiMn 3 O 8. ..
Examples of the (MC) lithium-containing transition metal phosphate compound include olivine-type iron phosphate salts such as LiFePO 4 and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , iron pyrophosphates such as LiFeP 2 O 7 and LiCoPO 4. Cobalt phosphates and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 (lithium vanadium phosphate), and monoclinic NASICON type vanadium phosphate salts.
(MD) as the lithium-containing transition metal halogenated phosphate compound, for example,
Examples of the (ME) lithium-containing transition metal silicic acid compound include Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4, and Li 2 CoSiO 4 .
In the present invention, a transition metal oxide having a (MA) layered rock salt structure is preferable, and LCO, NCA or NMC is more preferable.
正極活物質の形状は特に制限されないが粒子状が好ましい。正極活物質の体積平均粒子径(球換算平均粒子径)は特に限定されない。例えば、0.1〜50μmとすることができる。正極活物質を所定の粒子径にするには、通常の粉砕機や分級機を用いればよい。焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。正極活物質粒子の体積平均粒子径(球換算平均粒子径)は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて測定することができる。 The shape of the positive electrode active material is not particularly limited, but a particle shape is preferable. The volume average particle diameter (sphere-converted average particle diameter) of the positive electrode active material is not particularly limited. For example, it can be 0.1 to 50 μm. In order to make the positive electrode active material have a predetermined particle size, an ordinary crusher or classifier may be used. The positive electrode active material obtained by the firing method may be used after washing with water, an acidic aqueous solution, an alkaline aqueous solution, or an organic solvent. The volume average particle diameter (sphere-converted average particle diameter) of the positive electrode active material particles can be measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device LA-920 (trade name, manufactured by HORIBA).
上記正極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
The positive electrode active material may be used alone or in combination of two or more.
When the positive electrode active material layer is formed, the mass (mg) (unit weight) of the positive electrode active material per unit area (cm 2 ) of the positive electrode active material layer is not particularly limited. It can be appropriately determined according to the designed battery capacity.
正極活物質の、固体電解質組成物中における含有量は、特に限定されず、固形分100質量%において、10〜99質量%が好ましく、30〜95質量%がより好ましく、50〜90質量%がさらに好ましく、60〜90質量%が特に好ましい。 The content of the positive electrode active material in the solid electrolyte composition is not particularly limited and is preferably 10 to 99% by mass, more preferably 30 to 95% by mass, and 50 to 90% by mass in 100% by mass of solid content. More preferably, 60 to 90 mass% is particularly preferable.
−負極活物質−
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫等の金属酸化物、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体およびリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、Sn、SiおよびIn等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。中でも、炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵および放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
-Negative electrode active material-
The negative electrode active material that may be contained in the solid electrolyte composition of the present invention is preferably one that can reversibly insert and release lithium ions. The material is not particularly limited as long as it has the above characteristics, carbonaceous materials, metal oxides such as tin oxide, silicon oxide, metal composite oxides, lithium simple substances and lithium alloys such as lithium aluminum alloys, and , Sn, Si, In, and other metals capable of forming an alloy with lithium. Among them, carbonaceous materials or lithium composite oxides are preferably used from the viewpoint of reliability. Further, the metal composite oxide is preferably capable of inserting and extracting lithium. The material is not particularly limited, but it is preferable that titanium and/or lithium is contained as a constituent component from the viewpoint of high current density charge/discharge characteristics.
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、アセチレンブラック(AB)等のカーボンブラック、黒鉛(天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛等)、及びPAN(ポリアクリロニトリル)系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA(ポリビニルアルコール)系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカーおよび平板状の黒鉛等を挙げることもできる。 The carbonaceous material used as the negative electrode active material is a material consisting essentially of carbon. For example, petroleum pitch, carbon black such as acetylene black (AB), graphite (natural graphite, artificial graphite such as vapor-grown graphite), and PAN (polyacrylonitrile)-based resins and furfuryl alcohol resins A carbonaceous material obtained by firing a resin can be used. Further, various carbon fibers such as PAN-based carbon fibers, cellulose-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, dehydrated PVA (polyvinyl alcohol)-based carbon fibers, lignin carbon fibers, glassy carbon fibers, activated carbon fibers, etc. Examples thereof include mesophase microspheres, graphite whiskers, and tabular graphite.
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素質材料と黒鉛系炭素質材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報および/または同3−45473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物および特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。 These carbonaceous materials can be divided into non-graphitizable carbonaceous materials and graphitic carbonaceous materials depending on the degree of graphitization. Further, the carbonaceous material preferably has the interplanar spacing, the density and the crystallite size described in JP-A-62-122066, JP-A-2-6856 and/or JP-A-3-45473. .. The carbonaceous material does not have to be a single material, and a mixture of natural graphite and artificial graphite described in JP-A-5-90844 and graphite having a coating layer described in JP-A-6-4516 may be used. You can also
負極活物質として適用される金属酸化物及び金属複合酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、さらに金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイトも好ましく用いられる。ここでいう非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20°〜40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40°以上70°以下に見られる結晶性の回折線の内最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であるのが好ましく、5倍以下であるのがより好ましく、結晶性の回折線を有さないことが特に好ましい。 As the metal oxide and metal composite oxide applied as the negative electrode active material, an amorphous oxide is particularly preferable, and chalcogenite which is a reaction product of a metal element and an element of Group 16 of the periodic table is also preferably used. Be done. The term "amorphous" as used herein refers to an X-ray diffraction method using CuKα rays, which has a broad scattering band having an apex in the region of 20 to 40 at a 2θ value, and a crystalline diffraction line. May have. The strongest intensity of the crystalline diffraction lines observed at 2θ values of 40° or more and 70° or less is 100 times or less than the diffraction line intensity of the apex of the broad scattering band observed at 2θ values of 20° or more and 40° or less. Is more preferable, it is more preferably 5 times or less, and it is particularly preferable not to have a crystalline diffraction line.
上記非晶質酸化物及びカルコゲナイドからなる化合物群の中でも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族〜15(VB)族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、SbおよびBiの1種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、及びカルコゲナイドが特に好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、例えば、Ga2O3、SiO、GeO、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb2O4、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O8i2O3、Bi2O4、SnSiO3、GeS、SnS、SnS2、PbS、PbS2、Sb2S3、Sb2S5およびSnSiS3が好ましく挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、Li2SnO2であってもよい。 Among the compounds consisting of the above amorphous oxides and chalcogenides, amorphous oxides of metalloid elements and chalcogenides are more preferable, and elements of Group 13 (IIIB) to 15 (VB) of the periodic table, Al , Ga, Si, Sn, Ge, Pb, Sb and Bi alone or a combination of two or more thereof, and chalcogenide are particularly preferable. Specific examples of preferable amorphous oxides and chalcogenides include Ga 2 O 3 , SiO, GeO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 2 O 4 , Pb 3 O 4 , and Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 8 i 2 O 3 , Bi 2 O 4 , SnSiO 3 , GeS, SnS, SnS 2 , PbS, PbS 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 S 5 and SnSiS. 3 is preferably mentioned. In addition, these may be a composite oxide with lithium oxide, for example, Li 2 SnO 2 .
負極活物質はチタン原子を含有することも好ましい。より具体的にはLi4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。 It is also preferable that the negative electrode active material contains a titanium atom. More specifically, Li 4 Ti 5 O 12 (lithium titanate [LTO]) is excellent in rapid charging/discharging characteristics because of its small volume fluctuation at the time of inserting and extracting lithium ions, suppressing deterioration of the electrode, and suppressing lithium ion secondary It is preferable in that the life of the battery can be improved.
本発明においては、ハードカーボン又は黒鉛が好ましく用いられる。なお、本発明において、上記炭素質材料は1種単独でも2種以上を組み合わせて用いてもよい。 In the present invention, hard carbon or graphite is preferably used. In the present invention, the carbonaceous materials may be used alone or in combination of two or more.
負極活物質の形状は特に制限されないが粒子状が好ましい。負極活物質の平均粒子径は、0.1〜60μmが好ましい。所定の粒子径にするには、通常の粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミルおよび旋回気流型ジェットミルや篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒子径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式および湿式ともに用いることができる。負極活物質粒子の平均粒子径は、前述の正極活物質の体積平均粒子径の測定方法と同様の方法により測定することができる。 The shape of the negative electrode active material is not particularly limited, but a particle shape is preferable. The average particle diameter of the negative electrode active material is preferably 0.1 to 60 μm. An ordinary crusher or classifier is used to obtain a predetermined particle size. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a swirling airflow type jet mill, a sieve and the like are preferably used. At the time of pulverization, wet pulverization in which water or an organic solvent such as methanol is allowed to coexist can be performed as necessary. In order to obtain the desired particle size, it is preferable to carry out classification. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier, or the like can be used as necessary. Classification can be used both dry and wet. The average particle diameter of the negative electrode active material particles can be measured by the same method as the method for measuring the volume average particle diameter of the positive electrode active material described above.
上記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。 The chemical formula of the compound obtained by the above calcination method can be calculated from the mass difference of the powder before and after calcination as a simple method, and as a simple method.
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵および放出できる炭素材料や、リチウム、リチウム合金、リチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。 Examples of the negative electrode active material that can be used in combination with the amorphous oxide negative electrode active material centered on Sn, Si, and Ge include carbon materials that can store and release lithium ions or lithium metal, lithium, lithium alloys, and lithium. A metal that can be alloyed with is suitable.
本発明においては、Si系の負極を適用することも好ましい。一般的にSi負極は、炭素負極(黒鉛およびアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位重量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。 In the present invention, it is also preferable to apply a Si-based negative electrode. Generally, a Si negative electrode can occlude more Li ions than a carbon negative electrode (graphite, acetylene black, etc.). That is, the storage amount of Li ions per unit weight increases. Therefore, the battery capacity can be increased. As a result, there is an advantage that the battery drive time can be lengthened.
上記負極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
The negative electrode active material may be used alone or in combination of two or more.
When the negative electrode active material layer is formed, the mass (mg) (unit weight) of the negative electrode active material per unit area (cm 2 ) of the negative electrode active material layer is not particularly limited. It can be appropriately determined according to the designed battery capacity.
負極活物質の、固体電解質組成物中における含有量は、特に限定されず、固形分100質量%において、10〜99質量%であることが好ましく、20〜90質量%がより好ましく、30〜80質量%であることがより好ましく、40〜70質量%であることがさらに好ましい。 The content of the negative electrode active material in the solid electrolyte composition is not particularly limited, and is preferably 10 to 99% by mass, more preferably 20 to 90% by mass, and 30 to 80% based on 100% by mass of the solid content. It is more preferably mass%, and further preferably 40 to 70 mass%.
(バインダー)
本発明の固体電解質組成物はバインダーを含有してもよい。
本発明で使用するバインダーは、有機ポリマーであれば特に限定されない。
本発明に用いることができるバインダーは、通常、電池材料の正極または負極用結着剤として用いられるバインダーが好ましく、特に制限はなく、例えば、以下に述べる樹脂からなるバインダーが好ましい。特に粒状バインダーが好ましい。
(binder)
The solid electrolyte composition of the present invention may contain a binder.
The binder used in the present invention is not particularly limited as long as it is an organic polymer.
The binder that can be used in the present invention is generally preferably a binder used as a binder for a positive electrode or a negative electrode of a battery material, and is not particularly limited, and for example, a binder made of the resin described below is preferable. A granular binder is particularly preferable.
含フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニレンジフルオリド(PVdF)、ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンの共重合物(PVdF−HFP)が挙げられる。本発明において、PVdF−HFPが好ましく用いられる。
炭化水素系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレンが挙げられる。
アクリル樹脂としては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリ(メタ)アクリル酸エチル、ポリ(メタ)アクリル酸イソプロピル、ポリ(メタ)アクリル酸イソブチル、ポリ(メタ)アクリル酸ブチル、ポリ(メタ)アクリル酸ヘキシル、ポリ(メタ)アクリル酸オクチル、ポリ(メタ)アクリル酸ドデシル、ポリ(メタ)アクリル酸ステアリル、ポリ(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸ベンジル、ポリ(メタ)アクリル酸グリシジル、ポリ(メタ)アクリル酸ジメチルアミノプロピル、およびこれら樹脂を構成するモノマーの共重合体が挙げられる。
またそのほかのビニル系モノマーとの共重合体も好適に用いられる。例えばポリ(メタ)アクリル酸メチルーポリスチレン共重合体、ポリ(メタ)アクリル酸メチルーアクリロニトリル共重合体およびポリ(メタ)アクリル酸ブチルーアクリロニトリル-スチレン共重合体が挙げられる。
これらは1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Examples of the fluorine-containing resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylene difluoride (PVdF), and a copolymer of polyvinylene difluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP). In the present invention, PVdF-HFP is preferably used.
Examples of the hydrocarbon-based thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber (SBR), hydrogenated styrene butadiene rubber (HSBR), butylene rubber, acrylonitrile butadiene rubber, polybutadiene and polyisoprene.
Examples of the acrylic resin include methyl poly(meth)acrylate, ethyl poly(meth)acrylate, isopropyl poly(meth)acrylate, isobutyl poly(meth)acrylate, butyl poly(meth)acrylate, and poly(meth)acrylate. ) Hexyl acrylate, octyl poly(meth)acrylate, dodecyl poly(meth)acrylate, stearyl poly(meth)acrylate, 2-hydroxyethyl poly(meth)acrylate, poly(meth)acrylic acid, poly(meth) ) Benzyl acrylate, glycidyl poly(meth)acrylate, dimethylaminopropyl poly(meth)acrylate, and copolymers of the monomers constituting these resins.
Copolymers with other vinyl monomers are also preferably used. Examples thereof include poly(meth)acrylate-polystyrene copolymers, poly(meth)acrylate-acrylonitrile copolymers, and poly(meth)acrylate-butyl-acrylonitrile-styrene copolymers.
These may be used alone or in combination of two or more.
本発明に用いられるバインダーを構成するポリマーの水分濃度は、100ppm(質量基準)以下が好ましい。
また、本発明に用いられるバインダーを構成するポリマーは、晶析させて乾燥させてもよく、ポリマー溶液をそのまま用いてもよい。金属系触媒(ウレタン化、ポリエステル化触媒=スズ、チタン、ビスマス)は少ない方が好ましい。共重合体中の金属濃度は、100ppm(質量基準)以下が好ましい。
The water concentration of the polymer constituting the binder used in the present invention is preferably 100 ppm (mass basis) or less.
Further, the polymer constituting the binder used in the present invention may be crystallized and dried, or the polymer solution may be used as it is. It is preferable that the amount of the metal-based catalyst (urethane-forming or polyester-forming catalyst = tin, titanium, bismuth) is small. The metal concentration in the copolymer is preferably 100 ppm (mass basis) or less.
本発明に用いられるバインダーを構成するポリマーの質量平均分子量は10,000以上が好ましく、20,000以上がより好ましく、50,000以上がさらに好ましい。上限としては、1,000,000以下が好ましく、200,000以下がより好ましく、100,000以下がさらに好ましい。 The weight average molecular weight of the polymer constituting the binder used in the present invention is preferably 10,000 or more, more preferably 20,000 or more, still more preferably 50,000 or more. The upper limit is preferably 1,000,000 or less, more preferably 200,000 or less, still more preferably 100,000 or less.
バインダーの固体電解質組成物中での含有量は、全固体二次電池に用いたときの良好な界面抵抗の低減性とその維持性を考慮すると、固形成分100質量%において、0.01質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、1質量%以上がさらに好ましい。上限としては、電池特性の観点から、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、3質量%以下がさらに好ましい。
本発明では、バインダーの質量に対する、無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+活物質の質量)/バインダーの質量]は、1,000〜1の範囲が好ましい。この比率はさらに500〜2がより好ましく、100〜10がさらに好ましい。
The content of the binder in the solid electrolyte composition is 0.01% by mass at 100% by mass of the solid component, in consideration of the good interfacial resistance reduction property and its maintainability when used in an all-solid secondary battery. The above is preferable, 0.1% by mass or more is more preferable, and 1% by mass or more is further preferable. From the viewpoint of battery characteristics, the upper limit is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and further preferably 3% by mass or less.
In the present invention, the mass ratio [(mass of inorganic solid electrolyte+mass of active material)/mass of binder] of the total mass (total mass) of the inorganic solid electrolyte and the active material to the mass of the binder is 1,000 to 1 A range is preferred. This ratio is more preferably 500 to 2, and even more preferably 100 to 10.
(分散媒体)
本発明の固体電解質組成物は、分散媒体を含有することが好ましい。
分散媒体は、上記の各成分を分散させるものであればよく、例えば、各種の有機溶媒が挙げられる。分散媒体の具体例としては下記のものが挙げられる。
アルコール化合物溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、2−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオールが挙げられる。
エーテル化合物溶媒としては、アルキレングリコールアルキルエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等)、ジアルキルエーテル(ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル等)、環状エーテル(テトラヒドロフラン、ジオキサン(1,2−、1,3−及び1,4−の各異性体を含む)等)が挙げられる。
アミド化合物溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロパンアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドなどが挙げられる。
アミノ化合物溶媒としては、例えば、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリブチルアミンなどが挙げられる。
ケトン化合物溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンが挙げられる。
芳香族化合物溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
脂肪族化合物溶媒としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンなどが挙げられる。
ニトリル化合物溶媒としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル、イソブチロニトリルなどが挙げられる。
エステル化合物溶媒としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酪酸ブチル、ペンタン酸ブチルなどが挙げられる。
非水系分散媒体としては、上記芳香族化合物溶媒、脂肪族化合物溶媒等が挙げられる。
(Dispersion medium)
The solid electrolyte composition of the present invention preferably contains a dispersion medium.
The dispersion medium may be any one as long as it can disperse each of the above components, and examples thereof include various organic solvents. Specific examples of the dispersion medium include the following.
Examples of the alcohol compound solvent include methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 2-butanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,6-hexanediol, cyclohexanediol, sorbitol, xylitol, and the like. Examples thereof include 2-methyl-2,4-pentanediol, 1,3-butanediol, and 1,4-butanediol.
As the ether compound solvent, alkylene glycol alkyl ether (ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol, dipropylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene Glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, etc.), dialkyl ether (dimethyl ether, diethyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, etc.), cyclic ether (tetrahydrofuran, dioxane (1,2-, 1, (Including each isomer of 3- and 1,4-))).
Examples of the amide compound solvent include N,N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 2-pyrrolidinone, ε-caprolactam, formamide, and N. -Methylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpropanamide, hexamethylphosphoric triamide and the like can be mentioned.
Examples of the amino compound solvent include triethylamine, diisopropylethylamine, tributylamine and the like.
Examples of the ketone compound solvent include acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone.
Examples of the aromatic compound solvent include benzene, toluene, xylene and the like.
Examples of the aliphatic compound solvent include hexane, heptane, octane, decane and the like.
Examples of the nitrile compound solvent include acetonitrile, propyronitrile, isobutyronitrile and the like.
Examples of the ester compound solvent include ethyl acetate, butyl acetate, propyl acetate, butyl butyrate, and butyl pentanoate.
Examples of the non-aqueous dispersion medium include the above aromatic compound solvents and aliphatic compound solvents.
本発明においては、中でも、アミノ化合物溶媒、エーテル化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、脂肪族化合物溶媒が好ましく、エーテル化合物溶媒、芳香族化合物溶媒及び脂肪族化合物溶媒がさらに好ましく、ジブチルエーテル、トルエン及びヘプタンが特に好ましい。この組み合わせを選定することにより、硫化物系無機固体電解質に対して活性な官能基が含まれないため硫化物系無機固体電解質を安定に取り扱え、好ましい。
上記分散媒体は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In the present invention, among them, an amino compound solvent, an ether compound solvent, a ketone compound solvent, an aromatic compound solvent, an aliphatic compound solvent is preferable, an ether compound solvent, an aromatic compound solvent and an aliphatic compound solvent are more preferable, and dibutyl ether. , Toluene and heptane are particularly preferred. By selecting this combination, a functional group active to the sulfide-based inorganic solid electrolyte is not contained, so that the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be stably handled, which is preferable.
The dispersion medium may be used alone or in combination of two or more.
本発明において、固体電解質組成物中の、分散媒体の含有量は、固体電解質組成物の粘度と乾燥負荷とのバランスを考慮して適宜に設定することができる。一般的には、固体電解質組成物中、20〜99質量%が好ましく、25〜70質量%がより好ましく、30〜60質量%が特に好ましい。 In the present invention, the content of the dispersion medium in the solid electrolyte composition can be appropriately set in consideration of the balance between the viscosity of the solid electrolyte composition and the drying load. Generally, 20 to 99% by mass is preferable, 25 to 70% by mass is more preferable, and 30 to 60% by mass is particularly preferable in the solid electrolyte composition.
(導電助剤)
本発明の固体電解質組成物は、活物質の電子導電性を向上させる等のために用いられる導電助剤を適宜必要に応じて含有してもよい。導電助剤としては、一般的な導電助剤を用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラックおよびファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維およびカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェンやフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅およびニッケルなどの金属粉、金属繊維でも良く、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレンおよびポリフェニレン誘導体などの導電性高分子を用いてもよい。またこれらの内1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明の固体電解質組成物が導電助剤を含む場合、固体電解質組成物中の導電助剤の含有量は、0〜10質量%が好ましい。
(Conductive agent)
The solid electrolyte composition of the present invention may optionally contain a conductive auxiliary agent used for improving the electronic conductivity of the active material, etc. As the conductive auxiliary agent, a general conductive auxiliary agent can be used. For example, electron conductive materials such as graphites such as natural graphite and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, Ketjen black and furnace black, amorphous carbon such as needle coke, vapor grown carbon fibers and carbon nanotubes. It may be carbon fiber such as, carbonaceous material such as graphene or fullerene, metal powder such as copper and nickel, metal fiber, conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene and polyphenylene derivative. May be used. One of these may be used, or two or more may be used.
When the solid electrolyte composition of the present invention contains a conduction aid, the content of the conduction aid in the solid electrolyte composition is preferably 0 to 10% by mass.
(リチウム塩)
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩を含有することも好ましい。
リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はない。例えば、LiTFSIおよび特開2015−088486号公報の段落0082〜0085記載のリチウム塩が挙げられる。
(Lithium salt)
The solid electrolyte composition of the present invention also preferably contains a lithium salt.
As the lithium salt, a lithium salt that is usually used in products of this type is preferable and there is no particular limitation. Examples thereof include LiTFSI and the lithium salts described in paragraphs 0082 to 0085 of JP-A-2005-088486.
リチウム塩の含有量は、固体電解質100質量部に対して0質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。 The content of the lithium salt is preferably 0 parts by mass or more and more preferably 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the solid electrolyte. The upper limit is preferably 50 parts by mass or less, more preferably 20 parts by mass or less.
(分散剤)
本発明の固体電解質組成物は、分散剤を含有してもよい。分散剤を添加することで電極活物質及び無機固体電解質のいずれかの含有量が高い場合においてもその凝集を抑制し、均一な活物質層及び固体電解質層を形成することができる。
分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。例えば、分子量200以上3000未満の低分子又はオリゴマーからなり、官能基群(I)で示される官能基と、炭素数8以上のアルキル基又は炭素数10以上のアリール基を同一分子内に含有するものが好ましい。
官能基群(I):酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、メルカプト基及びヒドロキシ基(酸性基、塩基性窒素原子を有する基、アルコキシシリル基、シアノ基、メルカプト基及びヒドロキシ基が好ましく、カルボキシ基、スルホン酸基、シアノ基、アミノ基、ヒドロキシ基がより好ましい。)
本発明の全固体二次電池において、分散剤を含む層がある場合、層中の分散剤の含有量は、0.2〜10質量%が好ましい。
(Dispersant)
The solid electrolyte composition of the present invention may contain a dispersant. By adding the dispersant, even if the content of either the electrode active material or the inorganic solid electrolyte is high, the aggregation thereof can be suppressed and a uniform active material layer and solid electrolyte layer can be formed.
As the dispersant, those usually used in all solid state secondary batteries can be appropriately selected and used. For example, it is composed of a low molecular weight or oligomer having a molecular weight of 200 or more and less than 3000 and contains a functional group represented by the functional group group (I) and an alkyl group having 8 or more carbon atoms or an aryl group having 10 or more carbon atoms in the same molecule. Those are preferable.
Functional group (I): acidic group, group having basic nitrogen atom, (meth)acrylic group, (meth)acrylamide group, alkoxysilyl group, epoxy group, oxetanyl group, isocyanate group, cyano group, mercapto group and hydroxy Group (preferably acidic group, group having basic nitrogen atom, alkoxysilyl group, cyano group, mercapto group and hydroxy group, more preferably carboxy group, sulfonic acid group, cyano group, amino group and hydroxy group)
In the all solid state secondary battery of the present invention, when there is a layer containing a dispersant, the content of the dispersant in the layer is preferably 0.2 to 10% by mass.
(固体電解質組成物の調製)
本発明の固体電解質組成物は、無機固体電解質及び特定の添加剤と、必要により他の成分とを、混合又は添加することにより、製造できる。例えば、各種の混合機を用いて上記成分を混合することにより、製造できる。混合条件としては、特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサ―、ブレードミキサ―、ロールミル、ニーダーおよびディスクミルが挙げられる。
固体電解質組成物の製造方法においては、負極活物質、特定の添加剤および分散媒体を10〜50℃、1〜10時間混合(攪拌)した後、分散媒体を留去し、真空乾燥させることで負極活物質に、特定の添加剤を被覆させる工程を含むことが好ましい。この工程を含む製造方法においては、特定の添加剤で被覆された負極活物質および無機固体電解質と、必要により他の成分とを、混合又は添加することにより、固体電解質組成物を製造できる。
(Preparation of solid electrolyte composition)
The solid electrolyte composition of the present invention can be produced by mixing or adding an inorganic solid electrolyte and a specific additive, and optionally other components. For example, it can be produced by mixing the above components using various mixers. The mixing conditions are not particularly limited, and examples thereof include a ball mill, a bead mill, a planetary mixer, a blade mixer, a roll mill, a kneader and a disc mill.
In the method for producing the solid electrolyte composition, the negative electrode active material, the specific additive and the dispersion medium are mixed (stirred) at 10 to 50° C. for 1 to 10 hours, and then the dispersion medium is distilled off and vacuum dried. It is preferable to include a step of coating the negative electrode active material with a specific additive. In the production method including this step, the solid electrolyte composition can be produced by mixing or adding the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte coated with the specific additive, and optionally other components.
[全固体二次電池用シート]
本発明の全固体二次電池用シートとは、全固体二次電池に用いられるシートであり、その用途に応じて種々の態様を含む。例えば、固体電解質層に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用固体電解質シートともいう)、電極又は電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用電極シート)等が挙げられる。本発明において、これら各種のシートをまとめて全固体二次電池用シートということがある。
[Sheet for solid-state secondary battery]
The sheet for all-solid-state secondary batteries of the present invention is a sheet used for all-solid-state secondary batteries, and includes various aspects depending on its use. For example, a sheet preferably used for a solid electrolyte layer (also referred to as a solid electrolyte sheet for all solid state secondary battery), a sheet preferably used for an electrode or a laminate of an electrode and a solid electrolyte layer (electrode sheet for all solid state secondary battery) Etc. In the present invention, these various sheets may be collectively referred to as an all-solid-state secondary battery sheet.
本発明に用いられる全固体二次電池用シートは、基材上に固体電解質層又は活物質層(電極層)を有するシートである。この全固体二次電池用シートは、基材と固体電解質層又は活物質層を有していれば、他の層を有してもよいが、活物質層を有するものは後述する全固体二次電池用電極シートに分類する。他の層としては、例えば、保護層、集電体、コート層(集電体、固体電解質層、活物質層)等が挙げられる。
本発明に用いられる全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、固体電解質層と保護層とを基材上に、この順で有するシートが挙げられる。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、上記集電体で説明した材料、有機材料、無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、セルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラス、セラミック等が挙げられる。
The sheet for all-solid-state secondary batteries used in the present invention is a sheet having a solid electrolyte layer or an active material layer (electrode layer) on a base material. The sheet for an all-solid secondary battery may have other layers as long as it has a base material and a solid electrolyte layer or an active material layer, but one having an active material layer is an all-solid secondary battery described later. It is classified as an electrode sheet for secondary batteries. Examples of the other layer include a protective layer, a current collector, and a coat layer (current collector, solid electrolyte layer, active material layer).
Examples of the solid electrolyte sheet for an all-solid secondary battery used in the present invention include a sheet having a solid electrolyte layer and a protective layer on a substrate in this order.
The base material is not particularly limited as long as it can support the solid electrolyte layer, and examples thereof include sheet materials (plate-like materials) such as the materials, organic materials, and inorganic materials described for the current collector. Examples of the organic material include various polymers, and specific examples thereof include polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene, and cellulose. Examples of the inorganic material include glass and ceramics.
全固体二次電池用シートの固体電解質層の構成および層厚は、本発明の全固体二次電池において説明した固体電解質層の構成および層厚と同じである。
このシートは、固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
The configuration and layer thickness of the solid electrolyte layer of the sheet for all-solid secondary battery are the same as the configuration and layer thickness of the solid electrolyte layer described in the all-solid secondary battery of the present invention.
This sheet is obtained by forming (coating and drying) the solid electrolyte composition on a substrate (which may be via other layers) to form a solid electrolyte layer on the substrate.
本発明の全固体二次電池用電極シート(単に「本発明の電極シート」ともいう。)は、本発明の全固体二次電池の活物質層を形成するための、集電体としての金属箔上に活物質層を有する電極シートである。この電極シートは、通常、集電体及び活物質層を有するシートであるが、集電体、活物質層及び固体電解質層をこの順に有する態様、並びに、集電体、活物質層、固体電解質層及び活物質層をこの順に有する態様も含まれる。
電極シートを構成する各層の構成、層厚は、本発明の全固体二次電池において説明した各層の構成、層厚と同じである。
電極シートは、本発明の、活物質を含有する固体電解質組成物を金属箔上に製膜(塗布乾燥)して、金属箔上に活物質層を形成することにより、得られる。
The electrode sheet for an all-solid secondary battery of the present invention (also simply referred to as the “electrode sheet of the present invention”) is a metal as a current collector for forming an active material layer of the all-solid secondary battery of the present invention. It is an electrode sheet having an active material layer on a foil. This electrode sheet is usually a sheet having a current collector and an active material layer, but an embodiment having a current collector, an active material layer and a solid electrolyte layer in this order, as well as a current collector, an active material layer and a solid electrolyte. A mode having a layer and an active material layer in this order is also included.
The constitution and layer thickness of each layer constituting the electrode sheet are the same as the constitution and layer thickness of each layer described in the all solid state secondary battery of the present invention.
The electrode sheet is obtained by forming (coating and drying) the solid electrolyte composition of the present invention containing an active material on a metal foil to form an active material layer on the metal foil.
[全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造]
全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造は、常法によって行うことができる。具体的には、全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートは、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下詳述する。
[Manufacture of all-solid-state secondary battery and electrode sheet for all-solid-state secondary battery]
The all-solid secondary battery and the electrode sheet for the all-solid secondary battery can be manufactured by a conventional method. Specifically, an all-solid secondary battery and an electrode sheet for an all-solid secondary battery can be produced by forming the above layers using the solid electrolyte composition of the present invention. This will be described in detail below.
本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質組成物を、集電体となる金属箔上に塗布し、塗膜を形成(製膜)する工程を含む(介する)方法により、製造できる。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極層用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。さらに、固体電解質層の上に、負極用材料(負極層用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。必要によりこれを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることができる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
The all-solid secondary battery of the present invention is produced by a method including (intermediately) applying the solid electrolyte composition of the present invention onto a metal foil serving as a current collector, and forming (coating) a coating film. it can.
For example, a solid electrolyte composition containing a positive electrode active material is applied as a positive electrode material (composition for a positive electrode layer) onto a metal foil that is a positive electrode current collector to form a positive electrode active material layer, and an all-solid electrolyte layer is formed. A positive electrode sheet for a secondary battery is produced. Then, a solid electrolyte composition for forming a solid electrolyte layer is applied onto the positive electrode active material layer to form a solid electrolyte layer. Further, a solid electrolyte composition containing a negative electrode active material is applied as a negative electrode material (negative electrode layer composition) on the solid electrolyte layer to form a negative electrode active material layer. To obtain an all-solid secondary battery having a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer by stacking a negative electrode current collector (metal foil) on the negative electrode active material layer. You can If necessary, this can be enclosed in a housing to form a desired all-solid-state secondary battery.
Further, the formation method of each layer is reversed, and a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a positive electrode active material layer are formed on the negative electrode current collector, and the positive electrode current collector is stacked to manufacture an all-solid secondary battery. You can also do it.
別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シートを作製する。また、負極集電体である金属箔上に、負極用材料(負極層用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して負極活物質層を形成し、全固体二次電池用負極シートを作製する。次いで、これらシートのいずれか一方の活物質層の上に、上記のようにして、固体電解質層を形成する。さらに、固体電解質層の上に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートの他方を、固体電解質層と活物質層とが接するように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。さらに、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
Another method is as follows. That is, the positive electrode sheet for all solid state secondary batteries is produced as described above. Further, a solid electrolyte composition containing a negative electrode active material is applied as a negative electrode material (a composition for a negative electrode layer) onto a metal foil which is a negative electrode current collector to form a negative electrode active material layer. A negative electrode sheet for a secondary battery is produced. Then, the solid electrolyte layer is formed on one of the active material layers of these sheets as described above. Further, the other of the positive electrode sheet for all-solid secondary battery and the negative electrode sheet for all-solid secondary battery is laminated on the solid electrolyte layer so that the solid electrolyte layer and the active material layer are in contact with each other. In this way, the all solid state secondary battery can be manufactured.
The following method can be given as another method. That is, as described above, the positive electrode sheet for all solid state secondary batteries and the negative electrode sheet for all solid state secondary batteries are produced. Separately from this, the solid electrolyte composition is applied onto a substrate to prepare a solid electrolyte sheet for an all-solid secondary battery including a solid electrolyte layer. Further, the positive electrode sheet for all-solid secondary battery and the negative electrode sheet for all-solid secondary battery are laminated so as to sandwich the solid electrolyte layer peeled from the base material. In this way, the all solid state secondary battery can be manufactured.
上記の形成法の組み合わせによっても全固体二次電池を製造することができる。例えば、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート、全固体二次電池用負極シート及び全固体二次電池用固体電解質シートをそれぞれ作製する。次いで、全固体二次電池用負極シート上に、基材から剥がした固体電解質層を積層した後に、上記全固体二次電池用正極シートと張り合わせることで全固体二次電池を製造することができる。この方法において、固体電解質層を全固体二次電池用正極シートに積層し、全固体二次電池用負極シートと張り合わせることもできる。 An all-solid-state secondary battery can also be manufactured by a combination of the above forming methods. For example, the positive electrode sheet for all-solid secondary batteries, the negative electrode sheet for all-solid secondary batteries, and the solid electrolyte sheet for all-solid secondary batteries are each produced as mentioned above. Then, after stacking the solid electrolyte layer peeled from the substrate on the negative electrode sheet for all-solid secondary battery, it is possible to produce an all-solid secondary battery by laminating with the positive electrode sheet for all-solid secondary battery it can. In this method, the solid electrolyte layer may be laminated on the positive electrode sheet for the all-solid secondary battery and laminated with the negative electrode sheet for the all-solid secondary battery.
(各層の形成(成膜))
固体電解質組成物の塗布方法は、特に限定されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布、バーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に限定されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下がさらに好ましい。このような温度範囲で加熱することで、分散媒体を除去し、固体状態にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性と、非加圧でも良好なイオン伝導度を得ることができる。
(Formation of each layer (deposition))
The method for applying the solid electrolyte composition is not particularly limited and can be appropriately selected. Examples thereof include coating (preferably wet coating), spray coating, spin coating, dip coating, slit coating, stripe coating, and bar coating.
At this time, the solid electrolyte composition may be subjected to a drying treatment after coating, or may be subjected to a multilayer treatment and then drying treatment. The drying temperature is not particularly limited. The lower limit is preferably 30°C or higher, more preferably 60°C or higher, even more preferably 80°C or higher. The upper limit is preferably 300°C or lower, more preferably 250°C or lower, and further preferably 200°C or lower. By heating in such a temperature range, the dispersion medium can be removed and a solid state can be obtained. It is also preferable because the temperature is not raised too high and each member of the all solid state secondary battery is not damaged. As a result, in the all-solid-state secondary battery, excellent overall performance can be obtained, and good binding properties and good ionic conductivity can be obtained even without pressure.
塗布した固体電解質組成物、又は、全固体二次電池を作製した後に、各層又は全固体二次電池を加圧することが好ましい。また、各層を積層した状態で加圧することも好ましい。加圧方法としては油圧シリンダープレス機等が挙げられる。加圧力としては、特に限定されず、一般的には50〜1500MPaの範囲であることが好ましい。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては、特に限定されず、一般的には30〜300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。一方、無機固体電解質とバインダーが共存する場合、バインダーを形成する上記ポリマーのガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。ただし、一般的には上記ポリマーの融点を越えない温度である。
加圧は塗布溶媒又は分散媒体をあらかじめ乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒体が残存している状態で行ってもよい。
It is preferable to pressurize each layer or the all-solid-state secondary battery after producing the applied solid electrolyte composition or the all-solid-state secondary battery. Further, it is also preferable to apply pressure in a state where each layer is laminated. Examples of the pressurizing method include a hydraulic cylinder press machine and the like. The pressing force is not particularly limited and is generally preferably in the range of 50 to 1500 MPa.
Further, the applied solid electrolyte composition may be heated at the same time as pressurization. The heating temperature is not particularly limited and is generally in the range of 30 to 300°C. It is also possible to press at a temperature higher than the glass transition temperature of the inorganic solid electrolyte. On the other hand, when the inorganic solid electrolyte and the binder coexist, it is possible to press at a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer forming the binder. However, generally, the temperature does not exceed the melting point of the polymer.
The pressurization may be performed in a state where the coating solvent or dispersion medium is dried in advance, or may be performed in a state where the solvent or dispersion medium remains.
加圧中の雰囲気としては、特に限定されず、大気下、乾燥空気下(露点−20℃以下)、不活性ガス中(例えばアルゴンガス中、ヘリウムガス中、窒素ガス中)などいずれでもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積や膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
The atmosphere during pressurization is not particularly limited, and may be under air, under dry air (dew point −20° C. or lower), in an inert gas (eg, argon gas, helium gas, nitrogen gas).
The pressing time may be short time (for example, within several hours) and high pressure may be applied, or long time (one day or more) and medium pressure may be applied. Other than the sheet for all-solid-state secondary batteries, for example, in the case of all-solid-state secondary batteries, a retainer (screw tightening pressure, etc.) for all-solid-state secondary batteries can be used in order to keep applying a moderate pressure.
The pressing pressure may be uniform or different with respect to the pressed portion such as the sheet surface.
The pressing pressure can be changed according to the area and film thickness of the pressed portion. It is also possible to change the same site stepwise with different pressures.
The pressed surface may be smooth or roughened.
(初期化)
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
(Initialization)
The all-solid-state secondary battery manufactured as described above is preferably initialized after manufacturing or before use. The initialization is not particularly limited, and can be performed, for example, by performing initial charge/discharge in a state where the press pressure is increased, and then releasing the pressure until it becomes a general working pressure of the all solid state secondary battery.
〔全固体二次電池の用途〕
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源およびメモリーカードが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラおよび医療機器(ペースメーカー、補聴器および肩もみ機など)などが挙げられる。さらに、各種軍需用および宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
[Applications of all solid state secondary battery]
The all-solid secondary battery of the present invention can be applied to various uses. The application mode is not particularly limited. For example, when it is mounted on an electronic device, for example, a notebook computer, a pen input computer, a mobile computer, an electronic book player, a mobile phone, a cordless phone handset, a pager, a handy terminal, a mobile fax, a mobile phone. Examples include copy, portable printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini disk, electric shaver, transceiver, electronic organizer, calculator, portable tape recorder, radio, backup power supply and memory card. Other consumer products include automobiles, electric vehicles, motors, lighting equipment, toys, game machines, road conditioners, watches, strobes, cameras and medical equipment (pacemakers, hearing aids, shoulder massagers, etc.), and the like. Further, it can be used for various munitions and for space. It can also be combined with a solar cell.
中でも、高容量かつ高レート放電特性が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。例えば、今後大容量化が予想される蓄電設備等においては高い安全性が必須となりさらに電池性能の両立が要求される。また、電気自動車などは高容量の二次電池を搭載し、家庭で日々充電が行われる用途が想定され、過充電時に対して一層の安全性が求められる。本発明によれば、このような使用形態に好適に対応してその優れた効果を発揮することができる。 Above all, it is preferably applied to applications requiring high capacity and high rate discharge characteristics. For example, in power storage equipment and the like, which is expected to have a large capacity in the future, high safety is essential and further compatibility of battery performance is required. In addition, an electric vehicle or the like is equipped with a high-capacity secondary battery and is expected to be used for daily charging at home. Therefore, further safety against overcharging is required. According to the present invention, it is possible to suitably respond to such a usage pattern and to exhibit its excellent effects.
全固体二次電池とは、正極、負極および電解質がともに固体で構成された二次電池をいう。換言すれば、電解質としてカーボネート系の溶媒を用いるような電解液型の二次電池とは区別される。このなかで、本発明は無機全固体二次電池を前提とする。全固体二次電池には、電解質としてポリエチレンオキサイド等の高分子化合物を用いる有機(高分子)全固体二次電池と、上記のLi−P−S系ガラス等を用いる無機全固体二次電池とに区分される。なお、無機全固体二次電池に高分子化合物を適用することは妨げられず、正極活物質、負極活物質、無機固体電解質粒子のバインダー粒子として高分子化合物を適用することができる。
無機固体電解質は、上述した、ポリエチレンオキサイド等の高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi−P−S系ガラスが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがあるが、上記のイオン輸送材料としての電解質と区別するときにはこれを「電解質塩」又は「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては例えばLiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド)が挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集や偏在が生じていてもよい。また、特に固体電解質組成物というときには、基本的に固体電解質層等を形成するための材料となる組成物(典型的にはペースト状)を指し、上記組成物を硬化して形成した電解質層等はこれに含まれないものとする。
The all-solid-state secondary battery refers to a secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are all solid. In other words, it is distinguished from an electrolytic solution type secondary battery in which a carbonate-based solvent is used as the electrolyte. Among these, the present invention is premised on an inorganic all solid state secondary battery. The all-solid-state secondary battery includes an organic (polymer) all-solid-state secondary battery that uses a polymer compound such as polyethylene oxide as an electrolyte, and an inorganic all-solid-state secondary battery that uses the above Li-PS glass. It is divided into. The application of the polymer compound to the inorganic all-solid secondary battery is not hindered, and the polymer compound can be applied as the binder particles of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the inorganic solid electrolyte particles.
The inorganic solid electrolyte is distinguished from the above-mentioned electrolyte (polymer electrolyte) using a polymer compound such as polyethylene oxide as an ion conductive medium, and the inorganic compound serves as an ion conductive medium. As a specific example, the above-mentioned Li-P-S based glass can be mentioned. The inorganic solid electrolyte itself does not release cations (Li ions) but exhibits an ion transport function. On the other hand, a material that is added to the electrolytic solution or the solid electrolyte layer and serves as a supply source of ions that release cations (Li ions) may be referred to as an electrolyte, but is distinguished from the above-described electrolyte as an ion transport material. When it does, it is called the "electrolyte salt" or "supporting electrolyte". Examples of the electrolyte salt include LiTFSI (lithium bistrifluoromethanesulfonyl imide).
In the present invention, the term "composition" means a mixture in which two or more components are uniformly mixed. However, it is sufficient that the uniformity is substantially maintained, and a part of the particles may be aggregated or unevenly distributed within a range in which a desired effect is obtained. Further, particularly when referring to a solid electrolyte composition, it basically refers to a composition (typically a paste) that is a material for forming a solid electrolyte layer and the like, and an electrolyte layer and the like formed by curing the above composition. Is not included in this.
以下に、実施例に基づき本発明についてさらに詳細に説明する。なお、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。以下の実施例において組成を表す「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。また、表中において使用する「−」は、その列の組成を有しないこと等を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The present invention is not limited to this. In the following examples, "parts" and "%" representing compositions are based on mass unless otherwise specified. In addition, "-" used in the table means that it does not have the composition of the row.
(例示化合物)
−合成−
下記表1〜3に示す添加剤の列に記載の上記例示化合物のうち合成により調製したものの合成例を以下に示す。
AA1−2
ジクロロエチレンカーボネートにフッ化カリウムを反応させることにより合成した。
AA1−5
米国特許第6,180,800号明細書を参照して、3,3,3−トリフルオロプロパン−1,2−ジオールとジメチルカーボネートを塩基性条件で反応させることで合成した。
AA1−6
クロロメチルエチレンカーボネート(CAS No.2463−45−8)にフッ化カリウムを反応させることにより合成した。
AA1−13
クロロエチレンカーボネートにヨウ化カリウムを反応させることにより合成した。
BB1−2
1,3−プロパンジオールとチオニルクロライドを反応させることで合成した。
BB1−3
1,2−プロパンジオールとチオニルクロライドを反応させることで合成した。
BB3−1
チエタンと過酸化水素水を酢酸中で反応させることで合成した。
BB3−5
ペンタメチレンサフファイドと過マンガン酸カリウムを水/メチレンクロライド中で反応させることにより合成した。
(Exemplified compound)
-Synthesis-
Among the above-exemplified compounds listed in the column of additives shown in Tables 1 to 3 below, examples of synthesis of those prepared by synthesis are shown below.
AA1-2
It was synthesized by reacting dichloroethylene carbonate with potassium fluoride.
AA1-5
It was synthesized by reacting 3,3,3-trifluoropropane-1,2-diol and dimethyl carbonate under basic conditions with reference to US Pat. No. 6,180,800.
AA1-6
It was synthesized by reacting chloromethylethylene carbonate (CAS No. 2463-45-8) with potassium fluoride.
AA1-13
It was synthesized by reacting chloroethylene carbonate with potassium iodide.
BB1-2
It was synthesized by reacting 1,3-propanediol and thionyl chloride.
BB1-3
It was synthesized by reacting 1,2-propanediol and thionyl chloride.
BB3-1
It was synthesized by reacting thietane with hydrogen peroxide in acetic acid.
BB3-5
It was synthesized by reacting pentamethylene sulphide with potassium permanganate in water/methylene chloride.
−市販品−
下記表1〜3に示す添加剤の列に記載の上記例示化合物のうちの市販品を以下に示す。
AA1−1
東京化成工業社製 4−fluoro−1,3,−dioxolan−2−one
AA1−8
東京化成工業社製 Bis(2,2,2−trifluoroethyl) carbonate
BB1−1
キシダ化学社製 Ethylene sulfite
BB1−4
キシダ化学社製 Dimethyl sulfone
BB1−5
東京化成工業社製 Din−propyl sulfite
BB2−1
アルドリッチ社製 1,3,2−Dioxathiolane 2,2−dioxide
BB2−3
キシダ化学社製 Propane Sultone
BB2−4
和光純薬社製 2,4−Butanesultone
BB2−6
キシダ化学社製 Methanesulfonic acid methyl ester
BB2−7
キシダ化学社製 Benzensulfonic acid methyl ester
BB3−2
キシダ化学社製 Sulfolane
BB3−3
キシダ化学社製 3−Methyl sulfolane
BB3−7
キシダ化学社製 Dimethyl sulfone
BB3−8
キシダ化学社製 Ethylehtyl sulfone
BB3−9
キシダ化学社製 Diphenyl sulfone
-Commercial item-
Commercially available products of the above-exemplified compounds described in the columns of additives shown in Tables 1 to 3 below are shown below.
AA1-1
Tokyo Chemical Industry 4-fluoro-1,3,-dioxolan-2-one
AA1-8
Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Bis(2,2,2-trifluoroethyl)carbonate
BB1-1
Kishida Chemical's Ethylene Sulfite
BB1-4
Kishida Chemical Co., Ltd. Dimethyl sulfone
BB1-5
Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. Din-proper sulfite
BB2-1
Aldrich's 1,3,2-
BB2-3
Kishida Chemical Co. Propane Sultone
BB2-4
Wako
BB2-6
Kishida Chemical's Methanesulfonic acid methyl ester
BB2-7
KENSIDA CHEMICAL CO., LTD. Benzensulfonic acid methyl ester
BB3-2
Sulfolane manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.
BB3-3
Kishida Chemical Co., Ltd. 3-Methyl sulfolane
BB3-7
Kishida Chemical Co., Ltd. Dimethyl sulfone
BB3-8
Kissida Chemical's Ethylhtyl sulphone
BB3-9
Diphenyl Sulfone manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.
(例示化合物以外の添加剤)
下記表1〜3に示す添加剤の列に記載のeX−1は、特開2002−42876号公報を参照してトルエン溶液中にビニレンカーボネート及びベンゾイルパーオキサイドを添加し、60℃で20時間攪拌し、溶剤を留去することで合成したビニレンカーボネートの重合体である。
また、eX−2はエチレンカーボネートである。
(Additives other than the exemplified compounds)
The eX-1 described in the column of additives shown in Tables 1 to 3 below is a mixture of vinylene carbonate and benzoyl peroxide added to a toluene solution with reference to JP-A-2002-42876, and the mixture is stirred at 60° C. for 20 hours. Then, it is a polymer of vinylene carbonate synthesized by distilling off the solvent.
In addition, eX-2 is ethylene carbonate.
(負極活物質の修飾)
300mL三口フラスコに、負極活物質として黒鉛10g、例示化合物(AA1−1)(下記表3の添加剤)0.1g、分散溶媒としてテトラヒドロフラン90mLを投入し、スターラーを用いて25 ℃で、2時間攪拌を行った。その後、分散溶媒を留去し、真空乾燥を行うことで、例示化合物(AA1−1)で修飾された負極活物質(NA1)を得た。
負極活物質(NA1)と同様にして、例示化合物(BB1−1)で修飾された負極活物質(NB1)および例示化合物(BB2−3)で修飾された負極活物質(NB2)を調製した。
(Modification of negative electrode active material)
In a 300 mL three-necked flask, 10 g of graphite as a negative electrode active material, 0.1 g of Exemplified compound (AA1-1) (additive in Table 3 below), and 90 mL of tetrahydrofuran as a dispersion solvent were charged, and a stirrer was used at 25° C. for 2 hours. Stirring was performed. Then, the dispersion solvent was distilled off, and vacuum drying was performed to obtain a negative electrode active material (NA1) modified with the exemplary compound (AA1-1).
Similarly to the negative electrode active material (NA1), a negative electrode active material (NB1) modified with the exemplary compound (BB1-1) and a negative electrode active material (NB2) modified with the exemplary compound (BB2-3) were prepared.
(硫化物系無機固体電解質の合成)
アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g及び五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。Li2S及びP2S5の混合比は、モル比でLi2S:P2S5=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP−7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li−P−Sガラス、L−P−Sと表記することがある。)6.20gを得た。
(Synthesis of sulfide-based inorganic solid electrolyte)
2.42 g of lithium sulfide (Li 2 S, manufactured by Aldrich, purity >99.98%) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , manufactured by Aldrich) in a glove box under an argon atmosphere (dew point −70° C.). , Purity >99%) 3.90 g were weighed and put into an agate mortar and mixed for 5 minutes using an agate pestle. The mixing ratio of Li 2 S and P 2 S 5 was set to Li 2 S:P 2 S 5 =75:25 in terms of molar ratio.
66 g of zirconia beads having a diameter of 5 mm was placed in a zirconia 45 mL container (manufactured by Fritsch), and the entire mixture of the above lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide was placed therein, and the container was completely sealed under an argon atmosphere. A sulfide-based inorganic solid electrolyte of yellow powder is obtained by setting the container in a planetary ball mill P-7 (trade name, manufactured by Fritsch) manufactured by Fritsch Co., and performing mechanical milling at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 510 rpm for 20 hours. (Li-P-S glass, sometimes expressed as L-P-S.) 6.20 g was obtained.
<固体電解質組成物の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で合成した硫化物系無機固体電解質Li−P−S系ガラス9.3g、バインダーとしてPVdF−HFP(ポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン共重合体(アルケマ社製)0.7g、分散媒体としてジブチルエーテル15g、例示化合物(AA1−1)(下記表1の添加剤)0.1gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(商品名、フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間攪拌を続けた。このようにして、固体電解質組成物(SS−1)を調製した。
組成を下記表1のようにした以外は、固体電解質組成物(SS−1)と同様にして、固体電解質組成物(SS−1)以外の下記表1に示す固体電解質組成物を調製した。
<Preparation of solid electrolyte composition>
180 zirconia beads having a diameter of 5 mm were placed in a zirconia 45 mL container (manufactured by Fritsch), 9.3 g of the sulfide-based inorganic solid electrolyte Li-P-S-based glass synthesized above, and PVdF-HFP (polyfluoride) as a binder. 0.7 g of vinylidene hexafluoropropylene copolymer (manufactured by Arkema), 15 g of dibutyl ether as a dispersion medium, and 0.1 g of Exemplified Compound (AA1-1) (additive in Table 1 below) were added. Was set in a planetary ball mill P-7 (trade name, manufactured by Fritsch Co.), and stirring was continued for 2 hours at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 300 rpm, thus preparing a solid electrolyte composition (SS-1). ..
Solid electrolyte compositions shown in the following Table 1 other than the solid electrolyte composition (SS-1) were prepared in the same manner as the solid electrolyte composition (SS-1) except that the composition was changed as shown in Table 1 below.
<表の注>
添加量はすべて「グラム(g)」である。
<Note of table>
All additions are in "grams (g)".
<正極層用組成物(SA−1)の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチェ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記合成したLi−P−S系ガラス1.9g、例示化合物(AA1−1)(下記表2の添加剤)0.1g、バインダーとしてPVdF−HFPを0.15g、分散媒体としてトルエン20gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間攪拌を続けた後、活物質としてNMC(日本化学工業社製)7.9gを容器に投入し、再びこの容器を遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数200rpmで15分間攪拌を続け、正極層組成物(SA−1)を得た。
組成を下記表2のようにした以外は、正極層用組成物(SA−1)と同様にして、正極層用組成物(SA−1)以外の下記表2に示す正極層用組成物を調製した。
<Preparation of positive electrode layer composition (SA-1)>
180 zirconia beads having a diameter of 5 mm were placed in a zirconia 45 mL container (manufactured by Fritsche), and 1.9 g of the above-synthesized Li-P-S-based glass, exemplary compound (AA1-1) (additives in Table 2 below) ) 0.1 g, PVdF-HFP as a binder 0.15 g, and toluene as a dispersion medium 20 g. After that, this container was set in a planetary ball mill P-7 (manufactured by Fritsch) and stirred at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 300 rpm for 2 hours, and then 7.9 g of NMC (manufactured by Nippon Kagaku Kogyo) as an active material. The mixture was placed in a container, the container was set again on the planetary ball mill P-7, and stirring was continued for 15 minutes at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 200 rpm to obtain a positive electrode layer composition (SA-1).
The composition for the positive electrode layer shown in the following Table 2 other than the composition for the positive electrode layer (SA-1) was obtained in the same manner as the composition for the positive electrode layer (SA-1) except that the composition was changed as shown in Table 2 below. Prepared.
<表の注>
添加量はすべて「グラム(g)」である。
NMC:Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 ニッケル、マンガン、コバルト酸リチウム(日本化学工業)
LCO:LiCoO2(コバルト酸リチウム)
NCA:LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム)
<Note of table>
All additions are in "grams (g)".
NMC: Li(Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 )O 2 nickel, manganese, lithium cobalt oxide (Nippon Kagaku Kogyo)
LCO: LiCoO 2 (lithium cobalt oxide)
NCA: LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05 O 2 (nickel cobalt aluminum aluminate)
<負極層用組成物の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチェ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で合成したLi−P−S系ガラス4g、バインダーとしてPVdF−HFP 0.2g、例示化合物(AA1−1)(下記表3の添加剤)0.01g、分散媒体としてトルエン20gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、活物質として黒鉛6gを容器に投入し、再びこの容器を遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数200rpmで15分間攪拌を続け、負極層用組成物(SB−1)を得た。
組成を下記表3のようにした以外は、正極層用組成物(SB−1)と同様にして、正極層用組成物(SB−1)以外の下記表3に示す正極層用組成物を調製した。
<Preparation of composition for negative electrode layer>
180 pieces of zirconia beads having a diameter of 5 mm were placed in a zirconia 45 mL container (manufactured by Fritsche), 4 g of the Li-P-S based glass synthesized above, 0.2 g of PVdF-HFP as a binder, and an exemplified compound (AA1-1). ) (Additive of Table 3 below) 0.01 g, and toluene 20 g as a dispersion medium. Then, this container was set in a planetary ball mill P-7 (manufactured by Fritsch) and stirred at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 300 rpm for 2 hours. Thereafter, 6 g of graphite as an active material was charged into a container, the container was set again in a planetary ball mill P-7, and stirring was continued for 15 minutes at a temperature of 25° C. and a rotation speed of 200 rpm to prepare a negative electrode layer composition (SB-1). Got
A positive electrode layer composition shown in the following Table 3 other than the positive electrode layer composition (SB-1) was prepared in the same manner as the positive electrode layer composition (SB-1) except that the composition was changed as shown in Table 3 below. Prepared.
<表の注>
・添加量はすべて「グラム(g)」である。
・NA1、NB1およびNB2:上記調製した、例示化合物(AA1−1)で修飾された負極活物質(NA1)、例示化合物(BB1−1)で修飾された負極活物質(NB1)および例示化合物(BB2−3)で修飾された負極活物質(NB2)を調製した。
・負極層用組成物(SB’−1)〜(SB’−3)において、負極活物質の添加量は、黒鉛と黒鉛を被覆している添加剤との合計量である。
<Note of table>
-The addition amount is all "gram (g)".
NA1, NB1 and NB2: the negative electrode active material (NA1) modified with the exemplary compound (AA1-1), the negative electrode active material (NB1) modified with the exemplary compound (BB1-1) and the exemplary compound (prepared above. A negative electrode active material (NB2) modified with BB2-3) was prepared.
In the negative electrode layer compositions (SB'-1) to (SB'-3), the amount of the negative electrode active material added is the total amount of the graphite and the additive coating the graphite.
<全固体二次電池用電極シートの作製>
上記で調製した正極層用組成物(SA−1)を厚み20μmのアルミ箔(集電体)上に、アプリケーター(商品名 SA−201ベーカー式アプリケータ、テスター産業社製)により塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、正極層用組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、加熱(120℃)しながら加圧し(180MPa、1分)、正極活物質層/アルミ箔の積層構造を有する全固体二次電池用正極シートを作製した。正極活物質層の厚みは90μmであった。
次いで、得られた正極活物質層上に、上記で調製した固体電解質組成物(eS−1)を、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに100℃で1時間加熱し、厚み50μmの固体電解質層を形成した。
次いで、得られた固体電解質質層上に、上記で調製した負極用組成物(eB−1)を、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、厚み100μmの負極活物質層を形成した。負極活物質層上に厚み20μmの銅箔を合わせ、ヒートプレス機を用いて、120℃加熱しながら加圧し(600MPa、1分)、全固体二次電池用電極シートを作製した。
<Preparation of electrode sheet for all solid state secondary battery>
The positive electrode layer composition (SA-1) prepared above was applied onto an aluminum foil (current collector) having a thickness of 20 μm with an applicator (trade name: SA-201 Baker type applicator, manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.), and 80 After heating at 0°C for 1 hour, it was further heated at 110°C for 1 hour to dry the positive electrode layer composition. Then, using a heat press machine, it pressurized (180 MPa, 1 minute), heating (120 degreeC), and produced the positive electrode sheet for all solid secondary batteries which has a laminated structure of a positive electrode active material layer/aluminum foil. The thickness of the positive electrode active material layer was 90 μm.
Then, on the obtained positive electrode active material layer, the solid electrolyte composition (eS-1) prepared above was applied by the above-mentioned Baker type applicator, heated at 80°C for 1 hour, and further heated at 100°C for 1 hour. Then, a solid electrolyte layer having a thickness of 50 μm was formed.
Then, on the obtained solid electrolyte layer, the composition for a negative electrode (eB-1) prepared above was applied by the above-mentioned Baker type applicator, heated at 80°C for 1 hour, and further heated at 110°C for 1 hour. Then, a negative electrode active material layer having a thickness of 100 μm was formed. A copper foil having a thickness of 20 μm was placed on the negative electrode active material layer, and pressed using a heat press while heating at 120° C. (600 MPa, 1 minute) to prepare an electrode sheet for an all-solid secondary battery.
<全固体二次電池の作製>
上記で得られた全固体二次電池用電極シートを直径14.5mmの円板状に切り出した。直径14.5mmに切り出した直径14.5mmの全固体二次電池用電極シートをスペーサーとワッシャーを組み込んだステンレス製の2032型コインケース11に入れ、コインケース11をかしめることで、図2に示す、実施例1−1の全固体二次電池を作製した。
このようにして製造した全固体二次電池は、図1に示す層構成を有する。
層構成を下記表4のようにした以外は、実施例1−1の全固体二次電池と同様にして、実施例1−1以外の下記表4に示す全固体二次電池を作製した。
<Preparation of all solid state secondary battery>
The electrode sheet for an all-solid secondary battery obtained above was cut into a disk shape having a diameter of 14.5 mm. The electrode sheet for an all-solid-state secondary battery with a diameter of 14.5 mm cut out into a diameter of 14.5 mm is put into a stainless steel 2032
The all-solid-state secondary battery manufactured in this way has the layer structure shown in FIG.
An all-solid secondary battery shown in Table 4 below other than that of Example 1-1 was produced in the same manner as the all-solid secondary battery of Example 1-1, except that the layer structure was as shown in Table 4 below.
<電池特性試験>
上記作製した全固体二次電池(以下、単に「電池」とも称する。について、下記電池特性試験を行った。
<Battery characteristics test>
The following solid-state secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “battery”) manufactured as described above was subjected to the following battery characteristic test.
−試験例1. 4.2Vサイクル試験 −
上記で作製した電池を用い、30℃で充電電流値0.35mA、放電電流値0.7mAで4.2V〜3.0Vの充放電を4回繰り返した。
その後、サイクル試験として、30℃環境下、充放電電流値0.7mAの条件で4.2V〜3.0Vの充放電を繰り返す試験を実施した。
このサイクル試験において、1サイクル目の放電容量を100%としたときの、放電容量が80%となるサイクル数を評価した。下記表4には、サイクル数を記載した。
この試験により、4.2Vで電池を稼動した際の固体電解質副反応に起因する電池劣化を観察することができる。
-Test Example 1. 4.2V cycle test −
Using the battery produced above, charging/discharging at 4.2V-3.0V was repeated four times at 30° C. with a charging current value of 0.35 mA and a discharging current value of 0.7 mA.
Thereafter, as a cycle test, a test in which charging/discharging of 4.2V to 3.0V was repeated under a condition of a charging/discharging current value of 0.7 mA under a 30° C. environment was carried out.
In this cycle test, the number of cycles at which the discharge capacity was 80% when the discharge capacity at the first cycle was 100% was evaluated. The number of cycles is shown in Table 4 below.
By this test, it is possible to observe battery deterioration caused by a solid electrolyte side reaction when the battery is operated at 4.2V.
−試験例2. 10℃−4.2Vサイクル試験−
上記で作製した電池を用い、30℃で充電電流値0.35mA、放電電流値0.7mAで4.2V〜3.0Vの充放電を4回繰り返した。この電池を用い、充電電流値0.35mA、放電電流値7mAで充放電を行い、放電容量を測定した。
その後、サイクル試験として10℃環境下、充放電電流値0.7mAの条件で、4.2V〜3.0Vの充放電を50回繰り返す試験を実施した。その後、充電電流値0.35mA、放電電流値7mAで充放電を行い、サイクル試験後の放電容量を測定した。
以下の計算式により、10℃サイクル試験前後での放電時容量維持率を評価した。下記表4には、放電容量維持率(%)を単位「%」を省略して記載した。
-Test example 2. 10°C-4.2V cycle test-
Using the battery produced above, charging/discharging at 4.2V-3.0V was repeated four times at 30° C. with a charging current value of 0.35 mA and a discharging current value of 0.7 mA. Using this battery, charging/discharging was performed at a charging current value of 0.35 mA and a discharging current value of 7 mA, and the discharge capacity was measured.
Thereafter, as a cycle test, a test in which charge/discharge at 4.2 V to 3.0 V was repeated 50 times under a condition of a charge/discharge current value of 0.7 mA under a 10° C. environment was carried out. Then, charging/discharging was performed at a charging current value of 0.35 mA and a discharging current value of 7 mA, and the discharge capacity after the cycle test was measured.
The following formula was used to evaluate the capacity retention rate during discharge before and after the 10° C. cycle test. In Table 4 below, the discharge capacity retention rate (%) is described by omitting the unit “%”.
放電容量維持率(%)=50サイクル終了後の2C電流値における放電容量
/サイクル試験前の2C電流値における放電容量×100
Discharge capacity maintenance rate (%) = discharge capacity at 2C current value after 50 cycles
/Discharge capacity at 2C current value before cycle test×100
この試験により、10℃(低温)で電池を稼働した際の固体電解質副反応に起因する電池劣化を観察することができる。 By this test, it is possible to observe battery deterioration due to a solid electrolyte side reaction when the battery is operated at 10° C. (low temperature).
<被膜の形成の確認>
硫化物系無機固体電解質と活物質接触面の断面を集束イオンビーム走査電子顕微鏡(FIB−SEM)(Carl Zdeiss社製商品名:Auriga)で調整した。この断面に対し、エネルギー分散型X線分光法(TEM−EDX)により、組成分析を行い、硫化物系無機固体電解質−活物質界面の元素分布(C、O、ハロゲンおよびSの分布)を確認した。
下記表4の実施例1−1〜1−44では硫化物系無機固体電解質−活物質界面の表面にC、Oおよびハロゲン、または、C、SおよびOが観察され、硫化物系無機固体電解質表面において被膜が形成されたことを確認した。
一方、下記表4の比較例1−1〜1−9では硫化物系無機固体電解質−活物質界面にCおよびO等の特定の添加剤に由来する元素が観察されず、硫化物系無機固体電解質表面において被膜が形成されなかったことを確認した。
<Confirmation of film formation>
The cross section of the contact surface between the sulfide-based inorganic solid electrolyte and the active material was adjusted with a focused ion beam scanning electron microscope (FIB-SEM) (Carl Zdeiss trade name: Auriga). Composition analysis was performed on this cross section by energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX) to confirm the element distribution (distribution of C, O, halogen and S) at the sulfide-based inorganic solid electrolyte-active material interface. did.
In Examples 1-1 to 1-44 of Table 4 below, C, O and halogen, or C, S and O were observed on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte-active material interface, and the sulfide-based inorganic solid electrolyte It was confirmed that a film was formed on the surface.
On the other hand, in Comparative Examples 1-1 to 1-9 in Table 4 below, elements derived from specific additives such as C and O were not observed at the sulfide-based inorganic solid electrolyte-active material interface, and the sulfide-based inorganic solid It was confirmed that no film was formed on the surface of the electrolyte.
表4から、本発明の固体電解質組成物を用いて、全固体二次電池における正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層のいずれかの層を形成した全固体二次電池は、上記試験例1.および2.のいずれにおいても良好な結果を示した。本発明の全固体二次電池は、低温(10℃)稼働においても優れたサイクル特性を示すことがわかる。
これに対して、全固体二次電池におけるいずれの層も、特定の添加剤を含有していない比較例の全固体二次電池は、4.2V電池稼働における電池劣化の抑制および低温稼働のサイクル特性のいずれも十分ではなかった。
From Table 4, the solid electrolyte composition of the present invention is used to form an all-solid secondary battery in which any one of the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer in the all-solid secondary battery is formed. Test Example 1. And 2. In all cases, good results were shown. It can be seen that the all-solid secondary battery of the present invention exhibits excellent cycle characteristics even at low temperature (10° C.) operation.
On the other hand, the all-solid-state secondary battery of the comparative example, in which none of the layers in the all-solid-state secondary battery contains a specific additive, suppresses battery deterioration during 4.2V battery operation and low-temperature operation cycle. None of the properties were satisfactory.
1 負極集電体
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 コインケース
12 全固体二次電池用シート
13 サイクル特性評価用セル(コイン電池)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode
Claims (10)
電気化学作用により前記硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するC=O結合を有する化合物または電気化学作用により前記硫化物系無機固体電解質表面において被膜を形成するS=O結合を有する化合物を含有し、前記C=O結合を有する化合物が下記(A)に記載の化合物であり、前記S=O結合を有する化合物が下記(B)に記載の化合物である固体電解質組成物。
(A)分子内にカーボネート基およびハロゲン原子を有するカーボネート化合物
(B)サルファイト化合物、スルホン酸エステル化合物またはスルホン化合物 A solid electrolyte composition containing a sulfide-based inorganic solid electrolyte having ion conductivity of a metal belonging to Group 1 or 2 of the periodic table,
A compound having a C=O bond forming a film on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action, or a compound having an S=O bond forming a film on the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte by an electrochemical action. containing the C = compound having O bonds Ri compound der described below (a), a solid electrolyte composition is a compound according the compound having a S = O bonds in the following (B).
(A) Carbonate compound having a carbonate group and a halogen atom in the molecule
(B) Sulfite compound, sulfonate compound or sulfone compound
一般式(B1−2)において、βは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B2−2)において、L1は−O−またはアルキレン基を表す。χは5員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。
一般式(B3−2)において、複数のL2は各々独立してアルキレン基を表す。δは4員以上の環を形成するのに必要な原子群を表す。 The compounds represented by the formulas (A1), (B1), (B2) and (B3) are respectively represented by the following formulas (A1-2), (B1-2), (B2-2) and The solid electrolyte composition according to claim 2 , which is a compound represented by each formula of (B3-2).
In the general formula (B1-2), β represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In formula (B2-2), L 1 represents -O- or an alkylene group. χ represents an atomic group necessary for forming a ring having 5 or more members.
In the general formula (B3-2), each L 2 independently represents an alkylene group. δ represents an atomic group necessary for forming a ring having 4 or more members.
An all-solid-state secondary battery manufacturing method for manufacturing an all-solid-state secondary battery through the manufacturing method according to claim 9 .
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