JP6909409B2 - Sulfide-based all-solid-state battery - Google Patents

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Description

本発明は、硫化物系固体電解質を含む硫化物系全固体電池に関する。 The present invention relates to a sulfide-based all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte.

近年、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源等として、リチウムイオン電池に代表される二次電池が用いられている。リチウムイオン電池では、電解質イオンであるリチウムイオンが正負極間を行き来することで充放電が行われ、負極活物質からリチウムイオンが放出されて正極活物質に吸蔵されたときの電気化学反応に基き外部回路に電流を取り出すことができる。電解質として、従来では液体状の非水電解液が主として用いられていたが、非水電解液は、活物質と濡れることによって良好な反応界面を形成し得る半面、可燃性であることから安全性に課題を残している。そのため、固体状の固体電解質を用いた全固体電池の実用化が精力的に進められている(例えば、特許文献1〜2参照)。 In recent years, secondary batteries typified by lithium ion batteries have been used as vehicle drive power sources for electric vehicles (EVs), hybrid vehicles (HVs), plug-in hybrid vehicles (PHVs), and the like. In a lithium ion battery, charge and discharge are performed by moving lithium ions, which are electrolyte ions, back and forth between the positive and negative electrodes, and based on the electrochemical reaction when lithium ions are released from the negative electrode active material and stored in the positive electrode active material. Current can be taken out to an external circuit. Conventionally, a liquid non-aqueous electrolyte solution has been mainly used as the electrolyte, but the non-aqueous electrolyte solution is safe because it is flammable while it can form a good reaction interface when it gets wet with an active material. There are still issues left. Therefore, the practical application of an all-solid-state battery using a solid solid electrolyte is being energetically promoted (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

固体電解質には、大きく分けて酸化物系固体電解質と硫化物系固体電解質の二種類が知られている。酸化物系固体電解質は、一般に化学的安定性に優れるために取扱性が良好であるが、イオン伝導性が低いという課題がある。一方の硫化物系固体電解質は、イオン伝導性に優れるが、化学的に不安定になりやすく、大気中の水分と反応して分解したり、意図せず他の元素と反応したりするという特性がある。例えば、硫化物系固体電解質に含まれる硫黄(S)成分は、温度環境や電圧環境の変動等によって、負極集電体として汎用されている銅(Cu)等と反応してCuS等の反応生成物を析出し得る。このことは、固体電解質の消費による容量低下を招いたり、固体電解質層の短絡を引き起こすという問題がある。 There are roughly two types of solid electrolytes known: oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes. Oxide-based solid electrolytes are generally easy to handle because they are excellent in chemical stability, but have a problem of low ionic conductivity. On the other hand, the sulfide-based solid electrolyte has excellent ionic conductivity, but tends to be chemically unstable, and has the property of reacting with moisture in the atmosphere to decompose or unintentionally reacting with other elements. There is. For example, the sulfur (S) component contained in the sulfide-based solid electrolyte reacts with copper (Cu) or the like, which is widely used as a negative electrode current collector, due to fluctuations in the temperature environment or voltage environment, and reacts with CuS or the like. Things can be deposited. This causes problems such as a decrease in capacity due to consumption of the solid electrolyte and a short circuit of the solid electrolyte layer.

特開2015−005421号公報JP 2015-005421 特開2015−069848号公報JP 2015-069848

例えば特許文献1には、硫化物系固体電解質材料を負極活物質層に含む全固体電池において、表面粗さを適切に調整した負極集電体の表面に、炭素材料を含む導電性膜を備えることが開示されている。これにより、集電体の粗い表面によって導電性膜が破損することを抑制しつつ、高温環境下や電圧変動環境下においても、集電体のCuと固体電解質材料のSとの反応を抑制できことが記載されている。また特許文献2には、硫化物系固体電解質材料を負極活物質層に含む全固体電池において、負極集電体としてのCu箔の表面に、導電性元素をスパッタしてコーディングすることが開示されている。これによっても、集電体のCuと固体電解質材料のSとが反応することを抑制できるとともに、固体電解質の消費による容量低下を抑制できることが記載されている。 For example, in Patent Document 1, in an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte material in the negative electrode active material layer, a conductive film containing a carbon material is provided on the surface of a negative electrode current collector whose surface roughness is appropriately adjusted. Is disclosed. As a result, it is possible to suppress the reaction between Cu of the current collector and S of the solid electrolyte material even in a high temperature environment or a voltage fluctuation environment while suppressing damage to the conductive film due to the rough surface of the current collector. It is stated that. Further, Patent Document 2 discloses that in an all-solid-state battery containing a sulfide-based solid electrolyte material in the negative electrode active material layer, a conductive element is sputtered and coded on the surface of a Cu foil as a negative electrode current collector. ing. It is also described that this also suppresses the reaction between Cu in the current collector and S in the solid electrolyte material, and suppresses a decrease in capacity due to consumption of the solid electrolyte.

しかしながら、本発明者らの検討によると、集電体に炭素材料を含む導電性膜が形成されると、この炭素材料にリチウムイオンが吸蔵されて不可逆容量が増大してしまうことを知見した。また、スパッタは生産性の面において不利であり、改善の余地があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池性能を低下させる反応生成物の形成の抑制と不可逆容量の低減とを両立することができる硫化物系全固体電池を提供することである。
However, according to the study by the present inventors, it has been found that when a conductive film containing a carbon material is formed on the current collector, lithium ions are occluded in the carbon material and the irreversible capacity increases. In addition, spatter is disadvantageous in terms of productivity, and there is room for improvement.
The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a sulfide-based all-solid-state battery capable of both suppressing the formation of reaction products that deteriorate the battery performance and reducing the irreversible capacity. To provide.

ここに開示される硫化物系全固体電池は、正極、固体電解質層および負極を備え、上記負極は、銅(Cu)、鉄(Fe)およびニッケル(Ni)の少なくとも1種を含む集電体と、硫化物固体電解質材料および負極活物質を含有する負極活物質層と、上記集電体と上記負極活物質層との間に配置される導電性中間層と、を含んでいる。そして上記導電性中間層は、マイエナイト型化合物を含む。 The sulfide-based all-solid-state battery disclosed herein includes a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode, and the negative electrode is a current collector containing at least one of copper (Cu), iron (Fe), and nickel (Ni). And a negative electrode active material layer containing a sulfide solid electrolyte material and a negative electrode active material, and a conductive intermediate layer arranged between the current collector and the negative electrode active material layer. The conductive intermediate layer contains a mayenite type compound.

マイエナイト型化合物は、金属に匹敵する高い電子伝導性を有し得るが、リチウムイオンとの反応性は有さずリチウムイオンを吸蔵および消費することがない。したがって、マイエナイト型化合物を用いて導電性中間層を構成することにより、導電性中間層に起因する不可逆容量の発生を防止して、負極活物質層と集電体との間の導電性を高めることができる。また、マイエナイト型化合物を含む導電性中間層は、スパッタ法に限定されることなく、塗布法等によっても、高い電子伝導性を備えるものとして簡便に形成できる点において有利である。さらに、マイエナイト型化合物は300℃程度までの熱安定性や耐電圧特性が高く破損の心配が低い。したがって、集電体を構成するCu、FeおよびNi等の金属元素が環境温度や電圧の上昇に伴い拡散して、固体電解質材料に含まれるSと反応することを好適に抑制することができる。ここに開示される技術によると、電池性能を低下させる反応生成物の形成の抑制と不可逆容量の低減とを両立することができる硫化物系全固体電池が実現される。 The mayenite-type compound may have high electron conductivity comparable to that of a metal, but has no reactivity with lithium ions and does not occlude and consume lithium ions. Therefore, by forming the conductive intermediate layer using the mayenite type compound, the generation of irreversible capacitance due to the conductive intermediate layer is prevented, and the conductivity between the negative electrode active material layer and the current collector is enhanced. be able to. Further, the conductive intermediate layer containing the mayenite type compound is advantageous in that it can be easily formed as having high electron conductivity by a coating method or the like without being limited to the sputtering method. Further, the mayenite type compound has high thermal stability up to about 300 ° C. and withstand voltage characteristics, and there is little concern about damage. Therefore, it is possible to preferably suppress metal elements such as Cu, Fe, and Ni constituting the current collector from diffusing as the environmental temperature and voltage rise and reacting with S contained in the solid electrolyte material. According to the technique disclosed herein, a sulfide-based all-solid-state battery capable of both suppressing the formation of reaction products that deteriorate the battery performance and reducing the irreversible capacity is realized.

一実施形態に係る硫化物系全固体電池の構成を概略的に示した断面模式図である。It is sectional drawing which showed schematic the structure of the sulfide-based all-solid-state battery which concerns on one Embodiment. 実施例におけるCu拡散試験の様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of the Cu diffusion test in an Example. Cu拡散試験における各例の電極板の抵抗の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the resistance of the electrode plate of each example in a Cu diffusion test. Cu拡散試験後の各例の電極板の断面の電子顕微鏡像である。It is an electron microscope image of the cross section of the electrode plate of each example after a Cu diffusion test.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において数値範囲を示す「X〜Y」との表記は、X以上Y以下を意味する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in the art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art. In this specification, the notation "X to Y" indicating a numerical range means X or more and Y or less.

図1は、一実施形態に係る硫化物系全固体電池(以下、単に「全固体電池」という場合がある)1の構造を模式的に示す断面図である。全固体電池1は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。ここに開示される全固体電池1は、負極10、固体電解質層20および正極30を備えている。これら負極10、固体電解質層20および正極30は発電要素であり、図示しない電池ケースに収容されて密閉されている。以下、各構成要素について説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a sulfide-based all-solid-state battery (hereinafter, may be simply referred to as “all-solid-state battery”) 1 according to the embodiment. The all-solid-state battery 1 is a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged, and is, for example, a lithium ion battery. The all-solid-state battery 1 disclosed herein includes a negative electrode 10, a solid electrolyte layer 20, and a positive electrode 30. The negative electrode 10, the solid electrolyte layer 20, and the positive electrode 30 are power generation elements, and are housed in a battery case (not shown) and sealed. Hereinafter, each component will be described.

固体電解質層20は、固体電解質材料を主体として含む。固体電解質層20は、必要に応じて結着剤(バインダ)を含むことができる。この場合、例えば、固体電解質層20は、粉体状の固体電解質材料と結着剤とを適当な分散媒中で混練してなる固体電解質ペーストを基材の表面に塗布し、乾燥することによって簡便に作製することができる。ここでいう基材は、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等のキャリアシートであってもよいし、後述する負極10または正極30等の表面であってもよい。
また、本明細書において、「主体とする」とは、特にことわりのない限り、当該成分が50質量%以上含まれることを意味し、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上、例えば80質量%以上含まれる態様であり得る。
The solid electrolyte layer 20 mainly contains a solid electrolyte material. The solid electrolyte layer 20 may contain a binder, if necessary. In this case, for example, the solid electrolyte layer 20 is formed by applying a solid electrolyte paste obtained by kneading a powdery solid electrolyte material and a binder in an appropriate dispersion medium to the surface of the base material and drying the solid electrolyte layer 20. It can be easily produced. The base material referred to here may be a carrier sheet such as a polyethylene terephthalate (PET) film, or may be a surface such as a negative electrode 10 or a positive electrode 30 described later.
Further, in the present specification, "mainly" means that the component is contained in an amount of 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, unless otherwise specified. For example, it may be an embodiment containing 80% by mass or more.

固体電解質材料としては、例えば、リチウムイオン伝導性を有するが、電子伝導性は示さない各種の化合物を好適に用いることができる。このような固体電解質材料としては、具体的には、例えば、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P25、LiI−Li2S−B23、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P25、LiI−Li3PO4−P25、LiI−Li3PS4−LiBr、Li2S−P25、Li2S−P25−LiI−LiBrおよびLi2S−P25−GeS2等の非晶質硫化物、Li2O−B23−P25、Li2O−SiO2、Li2O−B23、およびLi2O−B23−ZnO等の非晶質酸化物、Li10GeP212等の結晶質硫化物、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO43、Li1+x+y xTi2-xSiy3-y12(Aは、AlまたはGa、0≦x≦0.4、0<y≦0.6)、[(A 1/2Li1/21-zz]TiO3(Aは、La、Pr、Nd、またはSm、CはSrまたはBa、0≦z≦0.5)、Li5La3Ta212、Li7La3Zr212、Li6BaLa2Ta212、およびLi3.6Si0.60.44等の結晶質酸化物、Li3PO(4-3/2w)w(w<1)等の結晶質酸窒化物、Li3N等の結晶質窒化物、ならびに、LiI、LiI−Al23、およびLi3N−LiI−LiOH等の結晶質ヨウ化物等が例示される。なかでも優れたリチウムイオン伝導性を有する点で、硫化物系の固体電解質材料を好ましく用いることができ、特に非晶質硫化物からなる硫化物系固体電解質材料を好ましく用いることができる。 As the solid electrolyte material, for example, various compounds having lithium ion conductivity but not electron conductivity can be preferably used. Such solid electrolyte material, specifically, for example, Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-B 2 S 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI -Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4- LiBr, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -Li I-Li Br and Li 2 SP 2 S 5 Amorphous sulfides such as −GeS 2 , Li 2 O−B 2 O 3 −P 2 O 5 , Li 2 O−SiO 2 , Li 2 O−B 2 O 3 , and Li 2 O−B 2 O 3 Amorphous oxides such as −ZnO, crystalline sulfides such as Li 10 GeP 2 S 12 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , Li 1 + x + y A 1 x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (A 1 is Al or Ga, 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6), [(A 2 1/2 Li 1/2 ) 1-z C z ] TiO 3 (A 2 is La, Pr, Nd, or Sm, C is Sr or Ba, 0 ≦ z ≦ 0.5), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li Crystalline oxides such as 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 and Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , crystalline acid nitrides such as Li 3 PO (4-3 / 2w) N w (w <1), Li crystalline nitride such as 3 N, and, LiI, LiI-Al 2 O 3, and Li 3 crystalline iodide such as N-LiI-LiOH and the like. Among them, a sulfide-based solid electrolyte material can be preferably used because it has excellent lithium ion conductivity, and a sulfide-based solid electrolyte material made of amorphous sulfide can be particularly preferably used.

なお、固体電解質としては、リチウム塩を含むポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、またはポリアクリロニトリル等の半固体のポリマー電解質も使用することができる。
固体電解質層20の厚みは特に制限されない。固体電解質層20の厚みは、例えば、20μm以上であって、200μm以下、典型的には100μm以下、例えば50μm以下とすることが例示される。
As the solid electrolyte, a semi-solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide containing a lithium salt, polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride, or polyacrylonitrile can also be used.
The thickness of the solid electrolyte layer 20 is not particularly limited. It is exemplified that the thickness of the solid electrolyte layer 20 is, for example, 20 μm or more and 200 μm or less, typically 100 μm or less, for example, 50 μm or less.

またバインダとしては、この種の電池のバルク層(すなわち、粉体材料から形成される固体電解質層20、負極活物質層14、正極活物質層34)の形成に使用されるバインダと同様のものを適宜採用することができる。例えば、酢酸ビニル共重合体等のビニル樹脂、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリエチレン等のエチレン系樹脂、ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイド、エチルセルロース等のセルロース樹脂、アクリル樹脂、ニトリルゴム、ブチルゴム、ポリブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、多硫化ゴム、フッ素ゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム等のゴム類等のポリマー材料を好ましく採用し得る。この種の電池のバルク層におけるバインダの割合は厳密には制限されず、例えば、層構成材料を100質量%として、10質量%以下が適切であり、5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。 The binder is the same as the binder used for forming the bulk layer of this type of battery (that is, the solid electrolyte layer 20 formed from the powder material, the negative electrode active material layer 14, and the positive electrode active material layer 34). Can be adopted as appropriate. For example, vinyl resins such as vinyl acetate copolymers, vinyl halide resins such as polyvinyl fluoride and vinylidene fluoride (PVdF), ethylene resins such as polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene and polyethylene, and polyethylene oxide (PEO). ) And other polyalkylene oxides, ethyl cellulose and other cellulose resins, acrylic resins, nitrile rubbers, butyl rubbers, polybutadiene rubbers, styrene butadiene rubbers (SBR), polysulfide rubbers, fluororubbers, acrylonitrile butadiene rubbers and other rubbers and other polymer materials. It can be preferably adopted. The proportion of binder in the bulk layer of this type of battery is not strictly limited, for example, assuming that the layer constituent material is 100% by mass, 10% by mass or less is appropriate, 5% by mass or less is preferable, and 3% by mass or less. Is more preferable.

負極10は、負極集電体12と、負極活物質層14と、負極集電体12と負極活物質層14との間に配置される導電性中間層16を備えている。これらの各層は互いに固着されている。
負極集電体12としては、電子導電性の良好な金属製のシートを好適に用いることができ、例えば銅(Cu)やニッケル(Ni)、鉄(Fe)、およびこれらと他の元素との合金(例えばSUS鋼)等の金属箔が好適である。なかでも、電子伝導性が高いために電池反応に反応ムラが起き難く、熱伝導性が高いために熱引きが良いとの観点から、負極集電体12としてはCu箔等の銅を好ましく用いることができる。集電体12の厚みは活物質層14の寸法等にもよるため特に制限されないが、例えば、5μm以上500μm以下が好ましく、10μm以上100μm以下程度がより好ましい。
The negative electrode 10 includes a negative electrode current collector 12, a negative electrode active material layer 14, and a conductive intermediate layer 16 arranged between the negative electrode current collector 12 and the negative electrode active material layer 14. Each of these layers is fixed to each other.
As the negative electrode current collector 12, a metal sheet having good electron conductivity can be preferably used, for example, copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), and these and other elements. Metal foils such as alloys (eg, SUS steel) are suitable. Among them, copper such as Cu foil is preferably used as the negative electrode current collector 12 from the viewpoint that reaction unevenness is unlikely to occur in the battery reaction due to its high electron conductivity and heat dissipation is good due to its high thermal conductivity. be able to. The thickness of the current collector 12 is not particularly limited because it depends on the dimensions of the active material layer 14 and the like, but is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 100 μm or less.

導電性中間層16は、マイエナイト型化合物を主体として含む。これに限定されるものではないが、導電性中間層16は、必要に応じて結着剤をさらに含むことができ、例えば、粉体状のマイエナイト型化合物と結着剤とを適当な分散媒中で混練してなる中間層ペーストを負極集電体12の表面に塗布し、乾燥することによって簡便に作製することができる。結着剤およびその割合は、上述の固体電解質層20の欄に記載したのと同様であってよい。 The conductive intermediate layer 16 mainly contains a mayenite type compound. Although not limited to this, the conductive intermediate layer 16 can further contain a binder, if necessary, and for example, a powdery mayenite-type compound and a binder are suitable as a dispersion medium. It can be easily produced by applying the intermediate layer paste kneaded in the medium to the surface of the negative electrode current collector 12 and drying it. The binder and its proportions may be similar to those described in the column of solid electrolyte layer 20 described above.

ここに開示される全固体電池において特徴的なマイエナイト型化合物は、ドイツのマイエン地方に産出するセメント鉱物に由来する化合物であり、一般式:12AeO・7Al;で表される代表組成を有している。なお、式中のAeは、周期律表の2族元素から選択される少なくとも1種であり、典型的には、カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)の少なくとも1種を含む。この元素Aeは、いずれか1種が単独で含まれていてもよいし、2種以上が組み合わされて含まれていてもよい。なかでも、Caが含まれている形態が好ましい。Aeとして2種以上の元素が含まれる場合には、Caがより最も高い含有率(例えば50atm%超過)で含まれることが好適である。 Characteristic mayenite type compound in the all-solid-state cell disclosed herein is a compound derived from cement minerals produced in Mayen region of Germany, the general formula: 12AeO · 7Al 2 O 3; a representative composition represented by Have. In addition, Ae in the formula is at least one kind selected from the group 2 element of the periodic table, and typically contains at least one kind of calcium (Ca) and strontium (Sr). Any one of the elements Ae may be contained alone, or two or more of them may be contained in combination. Of these, a form containing Ca is preferable. When two or more elements are contained as Ae, it is preferable that Ca is contained at the highest content (for example, exceeding 50 atm%).

マイエナイト型化合物は、例えば、Ae2+(Ca2+)、Al3+、O2-によって構成される直径約0.4nmのケージ(籠)状の構造体が、三次元的に連結された特徴的な結晶構造を備えている。このケージを構成する骨格は、正電荷を帯びており、単位格子当たり12個のケージを形成している。そしてこのケージの1/6は、結晶の電気的中性条件を満たすために、内部に酸素イオン(O2-)が一つ導入されている。すなわち、マイエナイト方化合物は、酸化物イオン包接アルミノケイ酸塩であるといえる。このケージ内の酸素イオンは、骨格を構成する他の酸素イオンとは化学的に異なる特性を有しており、このため、ケージ内の酸素イオンは、特にフリー酸素イオンと呼ばれる。そして、このマイエナイト型化合物は、通常は電子伝導性を示さないが、このフリー酸素イオンの一部または全部を電子(e-)や水素化物イオン(H-)等の陰イオンで置換することで電子伝導性が付与される。一例として、フリー酸素イオンを水素化物イオンで置換すると、紫外線の照射によって永続的な電気伝導性が発現される。また、フリー酸素イオンを電子で置換すると、室温で安定なエレクトライド(電子化物)となり、金属的電気伝導性が発現される。ここに開示される電極材料において、マイエナイト型化合物は、フリー酸素イオンが陰イオンで置換された導電性マイエナイト型化合物であってよく、フリー酸素イオンを電子で置換したエレクトライドであることがより好ましい。 In the mayenite type compound, for example, a cage-like structure having a diameter of about 0.4 nm composed of Ae 2+ (Ca 2+ ), Al 3+ , and O 2- is three-dimensionally linked. It has a characteristic crystal structure. The skeletons that make up this cage are positively charged, forming 12 cages per unit cell. One oxygen ion (O2- ) is introduced into 1/6 of this cage in order to satisfy the electrical neutrality condition of the crystal. That is, it can be said that the myenite compound is an oxide ion-encapsulating aluminosilicate. The oxygen ions in the cage have properties that are chemically different from the other oxygen ions that make up the skeleton, and therefore the oxygen ions in the cage are particularly called free oxygen ions. Then, the mayenite type compound is not normally exhibit electron conductivity, a part or all of the free oxygen ions electrons by replacing with such anions (e - -) and hydride ion (H) Electron conductivity is imparted. As an example, when free oxygen ions are replaced with hydride ions, permanent electrical conductivity is exhibited by irradiation with ultraviolet rays. Further, when free oxygen ions are replaced with electrons, they become stable electrides (electrons) at room temperature, and metallic electrical conductivity is exhibited. In the electrode material disclosed herein, the mayenite-type compound may be a conductive mayenite-type compound in which free oxygen ions are substituted with anions, and more preferably an electride in which free oxygen ions are substituted with electrons. ..

なお、以上のマイエナイト型化合物は、結晶格子の骨格であるケージ構造が保持される範囲において、元素AeとAlとの割合が変動してもよい。AeとAlとのモル比は、例えば13:12〜11:16の範囲にあるものが好適である。また、元素AeおよびAlは、ケージ構造が保持される範囲において、一部または全部が他の元素に置換されていてもよい。 In the above mayenite type compound, the ratio of the elements Ae and Al may vary within the range in which the cage structure which is the skeleton of the crystal lattice is maintained. The molar ratio of Ae to Al is preferably in the range of, for example, 13: 12-11: 16. Further, the elements Ae and Al may be partially or wholly replaced with other elements as long as the cage structure is maintained.

導電性中間層16の厚みは特に制限されない。導電性中間層16の電気抵抗と嵩の増大を考慮すると、導電性中間層16はできるだけ薄い方が好ましく、例えば、導電性中間層16に集電体構成イオン等が通過できる大きさの貫通孔が形成され得ないような厚みであるとよい。具体的には、導電性中間層16の厚み(平均厚みである。以下同じ。)は、例えば、約100nm以上であってよく、約50μm以下、例えば約10μm以下とするとよい。一例として、導電性中間層16を、めっき法、スパッタ法、蒸着法、液相法等の薄膜形成法により緻密な膜として形成する場合は、厚みは100nm〜数μm(例えば100nm〜3μm)程度であってよい。また他の一例として、導電性中間層16を、粉体含有ペーストを用いた印刷法、塗布法等により相対的に粗な膜として形成する場合は、厚みは数μm〜10μm(例えば3〜10μm)程度とするとよい。この場合、マイエナイト型化合物としては、平均粒子径が0.1〜5μm程度の粉体を用いるとよい。 The thickness of the conductive intermediate layer 16 is not particularly limited. Considering the increase in electrical resistance and bulk of the conductive intermediate layer 16, it is preferable that the conductive intermediate layer 16 is as thin as possible. For example, a through hole having a size that allows current collector constituent ions and the like to pass through the conductive intermediate layer 16. It is preferable that the thickness is such that Specifically, the thickness of the conductive intermediate layer 16 (which is the average thickness; the same applies hereinafter) may be, for example, about 100 nm or more, and may be about 50 μm or less, for example, about 10 μm or less. As an example, when the conductive intermediate layer 16 is formed as a dense film by a thin film forming method such as a plating method, a sputtering method, a vapor deposition method, or a liquid phase method, the thickness is about 100 nm to several μm (for example, 100 nm to 3 μm). It may be. As another example, when the conductive intermediate layer 16 is formed as a relatively coarse film by a printing method using a powder-containing paste, a coating method, or the like, the thickness is several μm to 10 μm (for example, 3 to 10 μm). ) It should be about. In this case, as the mayenite type compound, it is preferable to use a powder having an average particle size of about 0.1 to 5 μm.

負極活物質層14は、負極活物質を主体として含み、さらに硫化物系固体電解質材料を含んでいる。これに限定されるものではないが、負極活物質層14は、必要に応じて結着剤をさらに含むことができ、例えば、粉体状の負極活物質材料および硫化物系固体電解質材料と結着剤とを適当な分散媒中で混練してなる負極ペーストを、導電性中間層16の表面に塗布し、乾燥することによって簡便に作製することができる。結着剤およびその割合は、上述の固体電解質層20の欄に記載したのと同様であってよい。 The negative electrode active material layer 14 mainly contains the negative electrode active material, and further contains a sulfide-based solid electrolyte material. Although not limited to this, the negative electrode active material layer 14 may further contain a binder if necessary, and for example, it may be combined with a powdery negative electrode active material material and a sulfide-based solid electrolyte material. A negative electrode paste obtained by kneading the coating agent in an appropriate dispersion medium can be easily prepared by applying it to the surface of the conductive intermediate layer 16 and drying it. The binder and its proportions may be similar to those described in the column of solid electrolyte layer 20 described above.

負極活物質は、電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な材料であればよい。このような負極活物質は、後述する正極活物質との間に明確な制限はなく、2種類の活物質材料の充放電電位を比較して、充放電電位が相対的に貴な電位を示すものを正極活物質として、相対的に卑な電位を示すものを負極活物質として用いることができる。このような負極活物質材料としては、典型的には、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ等の炭素材料、チタン酸リチウム、リン酸金属リチウム、酸化バナジウムおよび酸化モリブデン等の酸化物、硫化チタン、リチウムコバルト窒化物、リチウムシリコン酸化物、リチウム金属(Li)、シリコン(Si)およびスズ(Sn)ならびにこれらの酸化物(例えば、SiO、SnO)、リチウム合金(例えば、LiM、Mは、C、Sn、Si、Al、Ge、Sb、またはP)、リチウム貯蔵性金属間化合物(例えば、MgxやM Sb、MはSn、Ge、またはSb、MはIn、Cu、またはMn)、ならびに、これらの誘導体や複合体が挙げられる。なかでも、エネルギー密度の観点から、天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛等の黒鉛系材料を好ましく用いることができる。かかる黒鉛系材料は、少なくとも一部の表面に非晶質炭素が配置されているものを好ましく用いることができる。より好ましくは、粒状炭素の表面のほぼ全てを非晶質炭素の膜で被覆された形態である。 The negative electrode active material may be any material that can reversibly occlude and release the charge carrier. Such a negative electrode active material has no clear limitation with the positive electrode active material described later, and the charge / discharge potentials show relatively noble potentials by comparing the charge / discharge potentials of the two types of active materials. A material having a relatively low potential can be used as a positive electrode active material, and a material having a relatively low potential can be used as a negative electrode active material. Typical negative electrode active material materials include carbon materials such as graphite (graphite), non-graphitized carbon (hard carbon), easily graphitized carbon (soft carbon), and carbon nanotubes, lithium titanate, and phosphorus. Oxides such as lithium metal acid, vanadium oxide and molybdenum oxide, titanium sulfide, lithium cobalt nitride, lithium silicon oxide, lithium metal (Li), silicon (Si) and tin (Sn) and their oxides (eg, for example. SiO, SnO 2 ), lithium alloys (eg, LiM 1 , M 1 are C, Sn, Si, Al, Ge, Sb, or P), lithium-storable intermetallic compounds (eg, Mg x M 2 and M 3). y Sb, M 2 is Sn, Ge, or Sb, M 3 is In, Cu, or Mn), and derivatives and complexes thereof. Among them, graphite-based materials such as natural graphite (stone ink) and artificial graphite can be preferably used from the viewpoint of energy density. As the graphite-based material, those in which amorphous carbon is arranged on at least a part of the surface can be preferably used. More preferably, almost the entire surface of the granular carbon is coated with an amorphous carbon film.

負極活物質層14の層内でのリチウムイオン伝導性を高めるために、換言すると、リチウムイオンの伝導パスを増大させる目的で、負極活物質層14は、硫化物からなる固体電解質材料を好ましく含むことができる。硫化物からなる硫化物系固体電解質材料は、上記の固体電解質層20の欄に記載した非晶質硫化物や結晶質硫化物からなる固体電解質材料であってよい。固体電解質層20が硫化物系固体電解質材料によって構成される場合、負極活物質層14は、当該固体電解質層20を構成する硫化物系固体電解質材料と同種または同一の固体電解質材料を含むことが好ましい。負極活物質層14に含有させる固体電解質材料の割合は、活物質材料と固体電解質材料の合計を100質量%としたとき、例えば、60質量%以下とすることができ、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。また、固体電解質材料の割合は、10質量%以上が適切であり、20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。なお、負極活物質と固体電解質との界面に高抵抗の反応層が形成されて、界面抵抗が高くなる虞がある。したがって、このような事象を抑制するために、負極活物質材料を構成する粒子は、リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物で被覆しておいてもよい。 In order to enhance the lithium ion conductivity in the negative electrode active material layer 14, in other words, for the purpose of increasing the conduction path of lithium ions, the negative electrode active material layer 14 preferably contains a solid electrolyte material composed of sulfide. be able to. The sulfide-based solid electrolyte material made of sulfide may be the solid electrolyte material made of amorphous sulfide or crystalline sulfide described in the above column of solid electrolyte layer 20. When the solid electrolyte layer 20 is composed of a sulfide-based solid electrolyte material, the negative electrode active material layer 14 may contain the same or the same solid electrolyte material as the sulfide-based solid electrolyte material constituting the solid electrolyte layer 20. preferable. The ratio of the solid electrolyte material contained in the negative electrode active material layer 14 can be, for example, 60% by mass or less, preferably 50% by mass or less, when the total of the active material material and the solid electrolyte material is 100% by mass. , 40% by mass or less is more preferable. The proportion of the solid electrolyte material is preferably 10% by mass or more, preferably 20% by mass or more, and more preferably 30% by mass or more. A high-resistance reaction layer may be formed at the interface between the negative electrode active material and the solid electrolyte, and the interface resistance may increase. Therefore, in order to suppress such an event, the particles constituting the negative electrode active material may be coated with a crystalline oxide having lithium ion conductivity.

負極活物質層14の厚みは特に制限されない。大電流を瞬時に供給する用途の全固体電池においては、負極活物質層14の厚みは電気抵抗が高くなり過ぎない範囲で厚いほうが好ましい。例えば、負極活物質層14の厚みは、例えば、50μm以上であって、300μm以下、典型的には200μm以下、例えば100μm以下とすることができる。 The thickness of the negative electrode active material layer 14 is not particularly limited. In an all-solid-state battery for which a large current is instantly supplied, the thickness of the negative electrode active material layer 14 is preferably thick as long as the electrical resistance does not become too high. For example, the thickness of the negative electrode active material layer 14 can be, for example, 50 μm or more and 300 μm or less, typically 200 μm or less, for example 100 μm or less.

正極30は、正極集電体32と、正極集電体32の上に固着された正極活物質層34と、を備えている。正極集電体32としては、導電性の良好な金属製のシートを好適に用いることができ、例えばアルミニウムや、鉄合金(例えば各種SUS鋼等)等の金属箔が好適である。正極活物質層34は、正極活物質を主体として含み、さらに固体電解質材料を含むことができる。これに限定されるものではないが、正極活物質層34は、必要に応じて結着剤をさらに含むことができ、例えば、粉体状の正極活物質材料および固体電解質材料と結着剤とを適当な分散媒中で混練してなる正極ペーストを、正極集電体32の表面に塗布し、乾燥することによって簡便に作製することができる。結着剤およびその割合は、上述の固体電解質層20の欄に記載したのと同様であってよい。 The positive electrode 30 includes a positive electrode current collector 32 and a positive electrode active material layer 34 fixed on the positive electrode current collector 32. As the positive electrode current collector 32, a metal sheet having good conductivity can be preferably used, and for example, a metal foil such as aluminum or an iron alloy (for example, various SUS steels) is suitable. The positive electrode active material layer 34 contains the positive electrode active material as a main component, and may further contain a solid electrolyte material. Although not limited to this, the positive electrode active material layer 34 may further contain a binder, if necessary, and includes, for example, a powdery positive electrode active material material, a solid electrolyte material, and a binder. Can be easily produced by applying a positive electrode paste obtained by kneading in an appropriate dispersion medium to the surface of the positive electrode current collector 32 and drying the mixture. The binder and its proportions may be similar to those described in the column of solid electrolyte layer 20 described above.

正極活物質は、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な材料であればよい。全固体リチウム二次電池の正極活物質の好適例としては、リチウムニッケル含有複合酸化物、リチウムコバルト含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルト含有複合酸化物、リチウムマンガン含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。高耐久の観点からは、通常使用時の作動電位が金属リチウム基準で4.2V以下である、層状構造のリチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物等の、いわゆる4V級の正極活物質が好ましい。また、一度に高い出力を実現するとの観点からは、作動電位が金属リチウム基準で4.2Vを越えて約5.2V以下である、スピネル構造のリチウムニッケルマンガン酸化物等のいわゆる5V級の正極活物質が好ましい。 The positive electrode active material may be any material that can reversibly store and release charge carriers. Preferable examples of the positive electrode active material of the all-solid lithium secondary battery include lithium nickel-containing composite oxide, lithium cobalt-containing composite oxide, lithium nickel cobalt-containing composite oxide, lithium manganese-containing composite oxide, and lithium nickel cobalt manganese-containing. Examples thereof include lithium transition metal composite oxides such as composite oxides. From the viewpoint of high durability, a so-called 4V class positive electrode active material such as a layered lithium nickel cobalt manganese-containing composite oxide having an operating potential of 4.2V or less based on metallic lithium is preferable. From the viewpoint of achieving high output at one time, a so-called 5V class cathode such as lithium nickel manganese oxide having a spinel structure having an operating potential exceeding 4.2V and about 5.2V or less based on metallic lithium is used. Active material is preferred.

正極活物質層34の層内でのリチウムイオン伝導性を高めるために、正極活物質層34は、上述のとおり固体電解質材料を好ましく含むことができる。この場合、正極活物質層34に含有させる固体電解質材料は、固体電解質層20を構成する固体電解質材料と同種または同一の材料であることが好ましい。正極活物質層34に含有させる固体電解質材料の割合は、活物質材料と固体電解質材料の合計を100質量%としたとき、例えば、60質量%以下とすることができ、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。また、固体電解質材料の割合は、10質量%以上が適切であり、20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。なお、正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗の反応層が形成されて、界面抵抗が高くなる虞がある。したがって、このような事象を抑制するために、正極活物質材料を構成する粒子は、リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物で被覆しておいてもよい。 In order to enhance the lithium ion conductivity in the positive electrode active material layer 34, the positive electrode active material layer 34 can preferably contain a solid electrolyte material as described above. In this case, the solid electrolyte material contained in the positive electrode active material layer 34 is preferably the same type or the same material as the solid electrolyte material constituting the solid electrolyte layer 20. The ratio of the solid electrolyte material contained in the positive electrode active material layer 34 can be, for example, 60% by mass or less, preferably 50% by mass or less, when the total of the active material material and the solid electrolyte material is 100% by mass. , 40% by mass or less is more preferable. The proportion of the solid electrolyte material is preferably 10% by mass or more, preferably 20% by mass or more, and more preferably 30% by mass or more. A high-resistance reaction layer may be formed at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and the interface resistance may increase. Therefore, in order to suppress such an event, the particles constituting the positive electrode active material may be coated with a crystalline oxide having lithium ion conductivity.

正極活物質層34の厚みは特に制限されない。大電流を瞬時に供給する用途の全固体電池においては、負極活物質層14の厚みは電気抵抗が高くなり過ぎない範囲で厚いほうが好ましい。例えば、正極活物質層34の厚みは、例えば、50μm以上であって、300μm以下、典型的には200μm以下、例えば100μm以下とすることができる。 The thickness of the positive electrode active material layer 34 is not particularly limited. In an all-solid-state battery for which a large current is instantly supplied, the thickness of the negative electrode active material layer 14 is preferably thick as long as the electrical resistance does not become too high. For example, the thickness of the positive electrode active material layer 34 can be, for example, 50 μm or more and 300 μm or less, typically 200 μm or less, for example 100 μm or less.

以上のようにして構成される発電要素は、図示しない電池ケースに収容されて密閉されることで、意図しない水分の含有や酸化等による固体電解質材料の分解・劣化等が抑制されている。電池ケースの形態は限定されず、角型(直方体型)、円筒型、ラミネートパック型のいずれであってもよく、その材質も、金属製、強化プラスチック製、金属箔と樹脂シートのラミネートシート等であってよい。電池ケースには、例えば電池ケースの内部と外部とを連通する正極外部接続端子および負極外部接続端子を設けることができ、これら正負の外部接続端子は、それぞれ正極集電体32および負極集電体12に電気的に接続することができる。これにより、発電要素から外部負荷に電力を取り出すことができる。 The power generation element configured as described above is housed in a battery case (not shown) and sealed, so that decomposition / deterioration of the solid electrolyte material due to unintended water content or oxidation is suppressed. The form of the battery case is not limited, and may be a square type (rectangular parallelepiped type), a cylindrical type, or a laminated pack type, and the material thereof is metal, reinforced plastic, laminated sheet of metal leaf and resin sheet, etc. It may be. The battery case may be provided with, for example, a positive electrode external connection terminal and a negative electrode external connection terminal that communicate the inside and the outside of the battery case, and these positive and negative external connection terminals are a positive electrode current collector 32 and a negative electrode current collector, respectively. It can be electrically connected to 12. As a result, electric power can be extracted from the power generation element to the external load.

また、全固体電池は、上記の各層が粉体材料から構成されるバルクタイプの全固体電池である場合、粉体材料を構成する粒子間での界面抵抗を低減する目的や、高エネルギー密度を実現する目的等で、各層の積層方向(集電体に直交する方向)に圧縮応力を印加する場合がある。このような圧縮応力は、例えば、0.1MPa以上程度であってよく、1MPa以上が好ましく、2MPa以上がより好ましく、5MPa以上が特に好ましく、例えば10MPa以上であってよい。圧縮応力の上限は特に限定されず、例えば、使用する圧縮応力印加装置等が全固体電池1に印加することができる最大応力に応じて適宜設定することができる。このような平均拘束圧としては、例えば、50MPa以下程度、例えば20MPa以下等とすることができる。このような高い圧縮応力は、非水電解液を使用する液系二次電池の圧縮応力の約5〜10倍以上であり得る。 Further, when the all-solid-state battery is a bulk type all-solid-state battery in which each of the above layers is made of a powder material, the purpose is to reduce the interfacial resistance between the particles constituting the powder material and to achieve a high energy density. For the purpose of realizing this, compressive stress may be applied in the stacking direction of each layer (direction orthogonal to the current collector). Such compressive stress may be, for example, about 0.1 MPa or more, preferably 1 MPa or more, more preferably 2 MPa or more, particularly preferably 5 MPa or more, and for example, 10 MPa or more. The upper limit of the compressive stress is not particularly limited, and for example, it can be appropriately set according to the maximum stress that can be applied to the all-solid-state battery 1 by the compressive stress application device or the like to be used. Such an average restraining pressure can be, for example, about 50 MPa or less, for example, 20 MPa or less. Such a high compressive stress can be about 5 to 10 times or more the compressive stress of a liquid-based secondary battery using a non-aqueous electrolytic solution.

ここで、導電性中間層16を備えない全固体電池において、負極活物質層14が硫化物系固体電解質材料を含み、かつ、発電要素が加圧された状態で電圧を印加すると、負極集電体と負極活物質層14に含まれる硫化物系固体電解質材料に由来する硫黄(S)成分とが界面で反応して反応生成物(例えば、CuS、FeS、NiS等の硫化物)を形成し得る。また、負極活物質層14中の固体電解質材料を分解させるため、負極活物質層14の電子伝導性や電気化学反応が阻害されてしまう。さらに、この反応生成物は、負極活物質層14内に拡散し、延いては固体電解質層20中にまで拡散する虞がある。すると例えば硫化銅(例えばCuS)は、電荷担体であるリチウムイオンと次式に従い反応して、電荷担体を消費し、電池性能を低下させうる。
CuS + 2Li → LiS + Cu
さらに、硫化銅は電子伝導性に優れることから、固体電解質層20中に拡散すると固体電解質層20の電気絶縁性を損ねて短絡を招き得るために避けるべき存在である。
Here, in an all-solid-state battery not provided with the conductive intermediate layer 16, when a voltage is applied while the negative electrode active material layer 14 contains a sulfide-based solid electrolyte material and the power generation element is pressurized, negative electrode current collection is performed. The body and the sulfur (S) component derived from the sulfide-based solid electrolyte material contained in the negative electrode active material layer 14 react at the interface to form a reaction product (for example, a sulfide such as CuS, FeS, NiS). obtain. Further, since the solid electrolyte material in the negative electrode active material layer 14 is decomposed, the electron conductivity and the electrochemical reaction of the negative electrode active material layer 14 are hindered. Further, this reaction product may diffuse into the negative electrode active material layer 14 and eventually into the solid electrolyte layer 20. Then, for example, copper sulfide (for example, CuS) can react with lithium ions, which are charge carriers, according to the following equation to consume the charge carriers and reduce the battery performance.
CuS + 2Li + → Li 2 S + Cu
Further, since copper sulfide is excellent in electron conductivity, it should be avoided because if it diffuses into the solid electrolyte layer 20, it may impair the electrical insulation property of the solid electrolyte layer 20 and cause a short circuit.

これに対し、ここに開示される全固体電池は、負極集電体12と負極活物質層14との間に、マイエナイト化合物を含む導電性中間層16が配置されている。したがって、たとえ全固体電池が加圧された状態で電圧を印加されていても、導電性中間層16が負極集電体12と負極活物質層14との接触を好適に防止することから、負極集電体12と負極活物質層14との反応は防止される。このことにより、上述の電荷担体および固体電解質材料の消費や、電池性能の低下、さらには固体電解質層20の短絡等の問題が好適に抑制される。さらに、マイエナイト化合物は、電子伝導性に優れた材料であることから、負極集電体12と負極活物質層14との間の電気抵抗を低く抑えることができる。 On the other hand, in the all-solid-state battery disclosed here, a conductive intermediate layer 16 containing a mayenite compound is arranged between the negative electrode current collector 12 and the negative electrode active material layer 14. Therefore, even if a voltage is applied while the all-solid-state battery is pressurized, the conductive intermediate layer 16 preferably prevents contact between the negative electrode current collector 12 and the negative electrode active material layer 14, and thus the negative electrode. The reaction between the current collector 12 and the negative electrode active material layer 14 is prevented. This preferably suppresses problems such as consumption of the above-mentioned charge carrier and solid electrolyte material, deterioration of battery performance, and short circuit of the solid electrolyte layer 20. Further, since the mayenite compound is a material having excellent electron conductivity, the electric resistance between the negative electrode current collector 12 and the negative electrode active material layer 14 can be suppressed low.

また、従来は、導電性中間層16として炭素質材料を含む層が集電体の表面に設けられることがあった。炭素質材料は、電子伝導パスを形成する点において好ましい材料であるが、リチウムイオンを吸収してしまう点において不可逆容量を増大させるという欠点がある。これに対し、マイエナイト化合物は、例えば炭素質材料とは異なり電荷担体であるリチウムイオンを吸蔵することがない。したがって、ここに開示される技術では、導電性中間層16が電荷担体を吸蔵することによる容量低下の問題は生じない。
つまり、ここに開示される技術によって、電池性能を低下させる反応生成物の形成の抑制と不可逆容量の低減とを両立することができる硫化物系全固体電池が実現される。
Further, conventionally, a layer containing a carbonaceous material may be provided on the surface of the current collector as the conductive intermediate layer 16. A carbonaceous material is a preferable material in terms of forming an electron conduction path, but has a drawback of increasing an irreversible capacity in that it absorbs lithium ions. On the other hand, the mayenite compound does not occlude lithium ion, which is a charge carrier, unlike a carbonaceous material, for example. Therefore, in the technique disclosed herein, the problem of capacity reduction due to the conductive intermediate layer 16 occluding the charge carrier does not occur.
That is, the technique disclosed herein realizes a sulfide-based all-solid-state battery capable of both suppressing the formation of reaction products that deteriorate the battery performance and reducing the irreversible capacity.

なお、上記の反応生成物の形成は高温環境で促進されることから、上記特性は、屋外で保管されたり、エンジン等の高温発熱装置等とともに設置される、高温環境に晒される可能性のある用途の全固体電池において求められやすい。また、このような電池性能の低減の抑制と不可逆容量の低減との両立は、高エネルギー密度等の高い電池性能が長期にわたって求められる用途で使用される全固体電池において特に求められる。したがって、ここに開示される非水電解液二次電池は、例えば、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載されるモータ駆動用の主電池等として特に好適に利用することができる。 Since the formation of the above reaction products is promoted in a high temperature environment, the above characteristics may be exposed to a high temperature environment that is stored outdoors or installed together with a high temperature heating device such as an engine. It is easy to find in all-solid-state batteries for applications. Further, both suppression of such reduction in battery performance and reduction in irreversible capacity are particularly required for all-solid-state batteries used in applications where high battery performance such as high energy density is required for a long period of time. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein can be particularly preferably used as a main battery for driving a motor mounted on a vehicle such as a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, or an electric vehicle. can.

以下、具体的な実施例として、ここに開示される硫化物系全固体電池に備えられる電極を作製し、その特性を評価した。なお、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, as a specific example, electrodes provided in the sulfide-based all-solid-state battery disclosed herein were produced, and their characteristics were evaluated. It should be noted that the present invention is not intended to be limited to those shown in such specific examples.

(例1)
集電体として銅箔を用い、この銅箔に硫化物固体電解質を含む電極層を保持させて、例1の電極板を形成した。硫化物系固体電解質としては、平均粒子径が2μmの10LiI−15LiBr−85(0.75LiS−0.25P)粉末を用いた。なお、集電体と硫化物系固体電解質との反応を促進的に確認する目的と、固体電解質層中を反応生成物が拡散することを確認する目的で、電極材料としては硫化物系固体電解質を100%の割合で用い、負極活物質材料は配合しなかった。また、硫化物固体電解質粉末にはバインダとしてPVdFを5質量%の割合で配合し、厚み約300〜350μmの電極層(ここでは固体電解質(SE)層)を形成した。
(Example 1)
A copper foil was used as the current collector, and the copper foil was allowed to hold an electrode layer containing a sulfide solid electrolyte to form the electrode plate of Example 1. As the sulfide-based solid electrolyte, 10LiI-15LiBr-85 (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 ) powder having an average particle size of 2 μm was used. The electrode material is a sulfide-based solid electrolyte for the purpose of promoting the reaction between the current collector and the sulfide-based solid electrolyte and for the purpose of confirming that the reaction product diffuses in the solid electrolyte layer. Was used at a ratio of 100%, and no negative electrode active material was blended. Further, PVdF was blended as a binder in a proportion of 5% by mass in the sulfide solid electrolyte powder to form an electrode layer (here, a solid electrolyte (SE) layer) having a thickness of about 300 to 350 μm.

(例2)
また、集電体として銅箔を用い、この銅箔の表面に中間層を設けてから、中間層上に例1と同様の電極層を形成して、例2の電極板を形成した。なお、中間層材料としては、平均粒子径が5μmのマイエナイト粉末を用い、SE層の形成と同様にして厚み40μmの中間層を形成した。ここでは、中間層による集電体材料の銅(Cu)の拡散をより確実に抑制した例とするために、中間層の厚みを約40μmと厚めに設定している。
(Example 2)
Further, a copper foil was used as the current collector, an intermediate layer was provided on the surface of the copper foil, and then an electrode layer similar to that of Example 1 was formed on the intermediate layer to form an electrode plate of Example 2. As the intermediate layer material, mayenite powder having an average particle diameter of 5 μm was used, and an intermediate layer having a thickness of 40 μm was formed in the same manner as the formation of the SE layer. Here, in order to make an example in which the diffusion of copper (Cu) as a current collector material by the intermediate layer is more reliably suppressed, the thickness of the intermediate layer is set to be as thick as about 40 μm.

(Cu拡散試験)
このようにして用意した例1および例2の電極板を、図2に示すように2枚のSUS板で挟み、250℃で、厚み方向に10MPaの圧力を印加するホットプレスを1時間施した。同時に、SUS板間の抵抗を経時的に測定し、SE層の電子伝導性の変化を調べた。なお、10MPaの加圧は、電池の内部抵抗低減のための拘束荷重を模している。250℃への加熱は、集電体と固体電解質成分との反応を促進させるために実施している。得られた抵抗測定の結果を図3に示した。
(Cu diffusion test)
The electrode plates of Examples 1 and 2 prepared in this manner were sandwiched between two SUS plates as shown in FIG. 2, and hot-pressed at 250 ° C. to apply a pressure of 10 MPa in the thickness direction was applied for 1 hour. .. At the same time, the resistance between the SUS plates was measured over time to examine the change in the electron conductivity of the SE layer. The pressurization of 10 MPa imitates a restraining load for reducing the internal resistance of the battery. Heating to 250 ° C. is carried out to promote the reaction between the current collector and the solid electrolyte component. The results of the obtained resistance measurement are shown in FIG.

高温環境下では、集電体材料である銅(Cu)が拡散しやすく、SE層中に含まれる硫黄(S)と副反応を生じ得る。そこで、ホットプレス後の例1および例2の電極板について、厚み方向の断面を電子顕微鏡で観察するとともに、SE層の(a)表面と、(b)厚み方向の中央と、(c)集電体側とについて構成元素の定量分析を行った。これらの結果を、図4と下記の表1に示した。図4の(例1)の観察像の四角で囲んだ領域が、定量分析を行った領域である。(例2)では、一つの四角で例示したように、空隙のない断面領域を定量分析領域として選択するようにした。 In a high temperature environment, copper (Cu), which is a current collector material, easily diffuses and may cause a side reaction with sulfur (S) contained in the SE layer. Therefore, with respect to the electrode plates of Examples 1 and 2 after hot pressing, the cross section in the thickness direction is observed with an electron microscope, and the (a) surface of the SE layer, (b) the center in the thickness direction, and (c) collection. Quantitative analysis of the constituent elements was performed on the electron side. These results are shown in FIG. 4 and Table 1 below. The area surrounded by the square in the observation image of FIG. 4 (Example 1) is the area where the quantitative analysis was performed. In (Example 2), as illustrated by one square, the cross-sectional region without voids is selected as the quantitative analysis region.

Figure 0006909409
Figure 0006909409

図3に示すように、例1の電極板は、250℃の高温加圧環境下で数分以内に抵抗が低下し始め、電子伝導性を発現すること、すなわち短絡することがわかった。このことから、例1の電極板では、高温において集電体として用いたCuがSE層中に拡散し、電気良導体である硫化銅(例えばCuS)を形成したものと考えられる。これに対し、例2の電極板は、250℃の高温加圧環境下で1時間保持しても抵抗に有意な変化は見られず、SE層が本来有する電気絶縁性を維持し得ることがわかった。 As shown in FIG. 3, it was found that the electrode plate of Example 1 began to decrease in resistance within a few minutes under a high temperature and pressurization environment of 250 ° C., and exhibited electron conductivity, that is, a short circuit. From this, it is considered that in the electrode plate of Example 1, Cu used as a current collector at a high temperature diffused into the SE layer to form copper sulfide (for example, CuS) which is a good electric conductor. On the other hand, the electrode plate of Example 2 did not show a significant change in resistance even when held for 1 hour in a high temperature and pressurization environment of 250 ° C., and the electrical insulation property inherent in the SE layer could be maintained. all right.

図4に示すように、電極板の顕微鏡観察から、例1の電極板におけるSE層は、Cu箔に接する側の端部から約191μmまでの領域において明瞭な変色が見られた。表1に示すように、例1の電極板のSE層では、Cu箔の近傍から厚み方向の中央付近まで50質量%を超えるCuが検出されており、変色した領域にCuが多く拡散していることがわかった。
これに対し、例2の電極板については顕微鏡観察でもSE層に大きな変化は見られず、定性分析によってもSE層中にCuが検出されることもなかった。この結果は、抵抗測定の結果ともよく一致する。
以上のことから、例2の電極板では、集電体の表面に形成した中間層であるマイエナイト層が、250℃という高温環境においてもCuの拡散を抑制し、SE層の短絡を防止したことが確認できた。
As shown in FIG. 4, from the microscopic observation of the electrode plate, the SE layer in the electrode plate of Example 1 showed a clear discoloration in the region from the end on the side in contact with the Cu foil to about 191 μm. As shown in Table 1, in the SE layer of the electrode plate of Example 1, more than 50% by mass of Cu was detected from the vicinity of the Cu foil to the vicinity of the center in the thickness direction, and a large amount of Cu was diffused in the discolored region. It turned out that there was.
On the other hand, with respect to the electrode plate of Example 2, no significant change was observed in the SE layer by microscopic observation, and Cu was not detected in the SE layer by qualitative analysis. This result is in good agreement with the result of resistance measurement.
From the above, in the electrode plate of Example 2, the mayenite layer, which is an intermediate layer formed on the surface of the current collector, suppressed the diffusion of Cu even in a high temperature environment of 250 ° C. and prevented the SE layer from being short-circuited. Was confirmed.

参考までに、例1のマイエナイト層を設けなかった電極板については、保持時間1時間でCuSが電極板から191μmの位置にまで多量に形成されていた。かかる条件におけるCuの拡散速度は、0.053μm/sである。一例として、標準的な全固体電池における負極活物質層の厚みを40μm、固体電解質層の厚みを15μmと仮定すると、このような電池は上記Cuの拡散速度を適用すると、約17分で正極に到達することとなる。したがって、集電体の表面にマイエナイト層を設けておくことで、250℃の高温環境で17分間で短絡してしまう全固体電池の短絡を防止できることがわかった。 For reference, in the electrode plate without the mayenite layer of Example 1, a large amount of CuS was formed up to a position of 191 μm from the electrode plate with a holding time of 1 hour. The diffusion rate of Cu under such conditions is 0.053 μm / s. As an example, assuming that the thickness of the negative electrode active material layer in a standard all-solid-state battery is 40 μm and the thickness of the solid electrolyte layer is 15 μm, such a battery becomes a positive electrode in about 17 minutes when the diffusion rate of Cu is applied. It will be reached. Therefore, it was found that by providing the mayenite layer on the surface of the current collector, it is possible to prevent a short circuit of the all-solid-state battery, which is short-circuited in 17 minutes in a high temperature environment of 250 ° C.

以上、本発明の作用効果について詳細に説明したが、上記実施例は例示にすぎない。ここで開示される発明には、上述の具体例を様々に変形、変更したものを適用することができる。例えば、図1に示した例では、全固体電池1は、各一つずつの負極10と固体電解質層20と正極30との積層からなる発電要素を一つのみ備えていた。しかしながら、全固体電池1の構成はこれに限定されない。例えば、全固体電池1は、負極集電体12の両面に導電性中間層16と負極活物質層14とを備え、正極集電体32の両面に正極活物質層34を備え、複数の負極10と正極30との間を複数の固体電解質層20によって電気的に絶縁するように構成されていてもよい。換言すると、全固体電池1は、複数の発電要素を積層状態で備えていてもよい。これにより、高容量の全固体電池1を簡便に実現することができる。 The effects of the present invention have been described in detail above, but the above examples are merely examples. Various modifications and modifications of the above-mentioned specific examples can be applied to the invention disclosed here. For example, in the example shown in FIG. 1, the all-solid-state battery 1 includes only one power generation element, each of which is composed of a stack of a negative electrode 10, a solid electrolyte layer 20, and a positive electrode 30. However, the configuration of the all-solid-state battery 1 is not limited to this. For example, the all-solid-state battery 1 includes a conductive intermediate layer 16 and a negative electrode active material layer 14 on both sides of the negative electrode current collector 12, and a positive electrode active material layer 34 on both sides of the positive electrode current collector 32, and a plurality of negative electrodes. It may be configured to electrically insulate between the 10 and the positive electrode 30 by a plurality of solid electrolyte layers 20. In other words, the all-solid-state battery 1 may include a plurality of power generation elements in a stacked state. Thereby, the high-capacity all-solid-state battery 1 can be easily realized.

1 硫化物系全固体電池
10 負極
12 負極集電体
14 負極活物質層
16 導電性中間層
20 固体電解質層
30 正極
1 Sulfide-based all-solid-state battery 10 Negative electrode 12 Negative electrode current collector 14 Negative electrode active material layer 16 Conductive intermediate layer 20 Solid electrolyte layer 30 Positive electrode

Claims (1)

正極、固体電解質層および負極を備え、
前記負極は、
銅、鉄およびニッケルの少なくとも1種を含む集電体と、
硫化物固体電解質材料および負極活物質を含有する負極活物質層と、
前記集電体と前記負極活物質層との間に配置される導電性中間層と、を含み、
前記導電性中間層は、マイエナイト型化合物を含む、硫化物系全固体電池。
With positive electrode, solid electrolyte layer and negative electrode,
The negative electrode is
With a current collector containing at least one of copper, iron and nickel,
A negative electrode active material layer containing a sulfide solid electrolyte material and a negative electrode active material,
Includes a conductive intermediate layer disposed between the current collector and the negative electrode active material layer.
The conductive intermediate layer is a sulfide-based all-solid-state battery containing a mayenite-type compound.
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