JP6973189B2 - All solid state battery - Google Patents
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Description
本開示は、全固体電池に関する。 The present disclosure relates to an all-solid-state battery.
全固体電池は、正極層および負極層の間に固体電解質層を有する電池である。例えば、特許文献1には、Siを含む負極活物質微粒子と、黒鉛等の導電性微粒子とを含む無機固体電解質微粒子を用いた負極合材が開示されている。この技術は、エネルギー密度およびサイクル特性が高い全固体リチウム電池を提供することを目的としている。
An all-solid-state battery is a battery having a solid electrolyte layer between a positive electrode layer and a negative electrode layer. For example,
特許文献2には、活物質として炭素粒子を含有する下層と、活物質としてLiと合金を形成し得る金属を含有する上層とが積層された非水系二次電池用負極が開示されている。この技術は、高容量で長寿命な非水系二次電池用負極を提供することを目的としている。また、特許文献3には、シリコンを含む活物質の粒子を含む活物質層を備え、粒子の表面の少なくとも一部が金属材料の層で被覆されていると共に、該粒子どうしの間に空隙が形成された非水電解液二次電池用負極であって、最表面に炭素材料の粒子を含む層を有する非水電解液二次電池用負極が開示されている。この技術は、負極全体の電子伝導性が向上し、充放電効率やサイクル特性が向上し得る非水系電解液二次電池用負極を提供することを目的としている。さらに、特許文献4には、黒鉛層および非晶質シリコン層を含む活物質と、集電体とを備えたリチウム2次電池用電極が開示されている。この技術は、充放電を繰り返した際に充放電容量の低下をより抑制することのできるリチウム2次電池用電極を提供することを目的としている。さらにまた、特許文献5には、Si等の合金系負極活物質粒子、分散媒、固体電解質、導電助剤を含む負極活物質層用ペーストを用いて形成された負極活物質層が開示されている。この技術は、サイクル特性の向上した全固体電池システムを提供することを目的としている。
全固体電池は、負極層に含まれる負極活物質としてSi系活物質を用い、Si系活物質の充填率を高めることで、負極層の高エネルギー密度化を達成することができる。一方、Si系活物質は、充電中の体積膨張が大きく、負極層が膨張しやすい。例えば、外装体を用いて外部拘束を行うことで電池の膨張を抑制することができるが、負極層の膨張が大きいときには外装体が大型化してしまうため、電池全体としてのエネルギー密度が低下してしまう。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、負極活物質としてSi系活物質を用いた全固体電池であって、負極層のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑えることが可能な全固体電池を提供することを主目的とする。 The all-solid-state battery uses a Si-based active material as the negative electrode active material contained in the negative electrode layer, and by increasing the filling rate of the Si-based active material, it is possible to achieve a high energy density of the negative electrode layer. On the other hand, the Si-based active material has a large volume expansion during charging, and the negative electrode layer tends to expand. For example, the expansion of the battery can be suppressed by performing external restraint using the exterior body, but when the expansion of the negative electrode layer is large, the exterior body becomes large, so that the energy density of the battery as a whole decreases. It ends up. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and is an all-solid-state battery using a Si-based active material as a negative electrode active material, and is a negative electrode layer being charged while maintaining good energy density of the negative electrode layer. The main purpose is to provide an all-solid-state battery capable of suppressing the volume expansion of the battery.
上記課題を達成するために、本開示においては、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体が、この順で配置された全固体電池であって、上記負極層は、上記固体電解質層側から順にA層およびB層を有し、上記A層は、炭素系活物質を含み、上記B層は、Si合金系活物質を含み、上記B層に含まれるSi合金系活物質に対する、上記A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)は、0.18以上0.43以下である、全固体電池を提供する。 In order to achieve the above object, in the present disclosure, the negative electrode current collector, the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode layer and the positive electrode current collector are all-solid-state batteries arranged in this order, and the negative electrode layer. Has an A layer and a B layer in this order from the solid electrolyte layer side, the A layer contains a carbon-based active material, the B layer contains a Si alloy-based active material, and Si contained in the B layer. Provided is an all-solid-state battery in which the weight ratio (C / Si weight ratio) of the carbon-based active material contained in the layer A to the alloy-based active material is 0.18 or more and 0.43 or less.
本開示によれば、負極層がA層およびB層を有することにより、負極層のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑えることが全固体電池を提供することができる。 According to the present disclosure, by having the negative electrode layer having the A layer and the B layer, it is possible to provide an all-solid-state battery by suppressing the volume expansion of the negative electrode layer during charging while maintaining good energy density of the negative electrode layer. Can be done.
本開示の全固体電池は、負極層のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑えることできるという効果を奏する。 The all-solid-state battery of the present disclosure has an effect that the volume expansion of the negative electrode layer during charging can be suppressed while maintaining good energy density of the negative electrode layer.
以下、本開示の全固体電池について、詳細に説明する。 Hereinafter, the all-solid-state battery of the present disclosure will be described in detail.
本開示の全固体電池は、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体が、この順で配置された全固体電池であって、上記負極層は、上記固体電解質層側から順にA層およびB層を有し、上記A層は、炭素系活物質を含み、上記B層は、Si合金系活物質を含み、上記B層に含まれるSi合金系活物質に対する、上記A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)は、0.18以上0.43以下である、電池である。 The all-solid-state battery of the present disclosure is an all-solid-state battery in which a negative electrode current collector, a negative electrode layer, a solid electrolyte layer, a positive electrode layer, and a positive electrode current collector are arranged in this order, and the negative electrode layer is the solid electrolyte. It has A layer and B layer in order from the layer side, the A layer contains a carbon-based active material, the B layer contains a Si alloy-based active material, and the Si alloy-based active material contained in the B layer The battery has a weight ratio (C / Si weight ratio) of the carbon-based active material contained in the A layer of 0.18 or more and 0.43 or less.
本開示の全固体電池について、図面を参照して説明する。図1は、本開示の全固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に例示する全固体電池10は、負極集電体1、負極層2、固体電解質層3、正極層4、正極集電体5が、この順で配置された構成を有する。また、図1の全固体電池10は、上述した部材が電池ケース6に収納された例を示している。図2は、本開示における負極層を説明するための概略断面図である。図2に例示する負極層2は、固体電解質層3側から順にA層2AおよびB層2Bを有し、A層2Aは、炭素系活物質を含み、B層2Bは、Si系活物質を含み、B層2Bに含まれるSi系活物質に対する、A層2Aに含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)は、0.18以上0.43以下である。
The all-solid-state battery of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all-solid-state battery of the present disclosure. The all-solid-
本開示によれば、負極層がA層およびB層を有することにより、負極層のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑えることが全固体電池を提供することができる。具体的な理由については、次のようなことが推測される。 According to the present disclosure, by having the negative electrode layer having the A layer and the B layer, it is possible to provide an all-solid-state battery by suppressing the volume expansion of the negative electrode layer during charging while maintaining good energy density of the negative electrode layer. Can be done. The following can be inferred as the specific reason.
上述したように、全固体電池は、負極層に含まれる負極活物質としてSi系活物質を用い、Si系活物質の充填率を高めることで、負極層の高エネルギー密度化を達成することができる。一方、Si系活物質は、他の活物質に比べて、リチウムイオンの挿入脱離反応による体積変化が3〜4倍と非常に大きいという特徴がある。また、Si系活物質は、高充填化すると、充電中の体積膨張が大きくなる傾向にある。したがって、負極層に含まれる負極活物質としてSi系活物質を用いた場合には、Si系活物質の体積膨張を負極層内で吸収することができず、結果として負極層が膨張しやすい。負極層が膨張してしまうと、負極層に割れが生じる場合があり、この場合、負極層と固体電解質層との間でのイオンパスや電子パスの経路が切れてしまうおそれがある。いわゆる、パス切れが発生するおそれがある。例えば、外装体を用いて外部拘束を行うことで電池の膨張を抑制することができるが、負極層の膨張が大きいときには外装体が大型化してしまうため、電池全体としてのエネルギー密度が低下してしまう。 As described above, the all-solid-state battery uses a Si-based active material as the negative electrode active material contained in the negative electrode layer, and by increasing the filling rate of the Si-based active material, it is possible to achieve a high energy density of the negative electrode layer. can. On the other hand, the Si-based active material is characterized in that the volume change due to the insertion / desorption reaction of lithium ions is very large, 3 to 4 times, as compared with other active materials. Further, when the Si-based active material is highly filled, the volume expansion during charging tends to increase. Therefore, when a Si-based active material is used as the negative electrode active material contained in the negative electrode layer, the volume expansion of the Si-based active material cannot be absorbed in the negative electrode layer, and as a result, the negative electrode layer tends to expand. If the negative electrode layer expands, the negative electrode layer may crack, and in this case, the path of the ion path or the electron path between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer may be cut off. So-called broken paths may occur. For example, the expansion of the battery can be suppressed by performing external restraint using the exterior body, but when the expansion of the negative electrode layer is large, the exterior body becomes large, so that the energy density of the battery as a whole decreases. It ends up.
これに対し、本開示によれば、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体が、この順で配置された全固体電池であって、上記負極層は、上記固体電解質層側から順にA層およびB層を有し、上記A層は、炭素系活物質を含み、上記B層は、Si合金系活物質を含み、上記B層に含まれるSi合金系活物質に対する、上記A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)は、0.18以上0.43以下である、全固体電池を提供することにより、上記課題を解決することできる。このような理由としては、以下のことが考えられる。すなわち、負極層がSi系活物質を有する層(B層)の他に、Si系活物質よりも柔らかい炭素系活物質を有する層(A層)を有することにより、B層中のSi系活物質が体積膨張した場合であっても、A層中の炭素系活物質がクッション材として機能する。そのため、負極層としての体積膨張を緩和することができると考えられる。また、負極層としての体積膨張が緩和された場合には、外装体を小型化(軽装化)することができるため、電池全体としてのエネルギー密度の低下を抑制することができると考えられる。さらに、負極層におけるA層が固体電解質層側に配置され、B層が負極層側に配置されていることにより、Si系活物質を含むB層のみを高圧プレスして形成することができる。したがって、B層中のSi系活物質を高充填化することができ、電極の高エネルギー密度化を図ることができると考えられる。 On the other hand, according to the present disclosure, the negative electrode current collector, the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode layer and the positive electrode current collector are all-solid-state batteries arranged in this order, and the negative electrode layer is the above. It has A layer and B layer in order from the solid electrolyte layer side, the A layer contains a carbon-based active material, the B layer contains a Si alloy-based active material, and the Si alloy-based activity contained in the B layer. The above problem is solved by providing an all-solid-state battery in which the weight ratio (C / Si weight ratio) of the carbon-based active material contained in the layer A to the material is 0.18 or more and 0.43 or less. Can be done. The following are possible reasons for this. That is, by having the negative electrode layer having a layer (A layer) having a carbon-based active material softer than the Si-based active material in addition to the layer having the Si-based active material (B layer), the Si-based activity in the B layer Even when the material expands in volume, the carbon-based active material in the A layer functions as a cushioning material. Therefore, it is considered that the volume expansion as the negative electrode layer can be alleviated. Further, when the volume expansion as the negative electrode layer is alleviated, it is considered that the outer body can be miniaturized (lightened), so that the decrease in the energy density of the battery as a whole can be suppressed. Further, since the A layer in the negative electrode layer is arranged on the solid electrolyte layer side and the B layer is arranged on the negative electrode layer side, only the B layer containing the Si-based active material can be formed by high-pressure pressing. Therefore, it is considered that the Si-based active material in the B layer can be highly filled, and the energy density of the electrode can be increased.
1.負極層
負極層は、負極集電体と固体電解質層との間に配置される層である。また、負極層は、固体電解質層側から順に、A層およびB層を有する。
1. 1. Negative electrode layer The negative electrode layer is a layer arranged between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. Further, the negative electrode layer has an A layer and a B layer in order from the solid electrolyte layer side.
負極層は、A層およびB層の2層を有する。負極層はA層およびB層のみを有する2層構造であってもよく、A層およびB層以外のその他の層を有する3層以上の多層構造であってもよい。負極層を構成するA層およびB層は、固体電解質層側からA層およびB層がこの順で積層されていればよいが、A層およびB層が直接接触して積層されていることが好ましい。本開示の効果を十分に得ることができるからである。 The negative electrode layer has two layers, an A layer and a B layer. The negative electrode layer may have a two-layer structure having only the A layer and the B layer, or may have a multi-layer structure having three or more layers having other layers other than the A layer and the B layer. The A layer and the B layer constituting the negative electrode layer may be laminated in this order from the solid electrolyte layer side, but the A layer and the B layer may be laminated in direct contact with each other. preferable. This is because the effects of the present disclosure can be sufficiently obtained.
以下、負極層を構成するA層およびB層について説明する。 Hereinafter, the A layer and the B layer constituting the negative electrode layer will be described.
(1)A層
A層は、後述するB層の固体電解質層側に配置される層である。また、A層は、炭素系活物質を含む。
(1) Layer A The layer A is a layer arranged on the solid electrolyte layer side of the layer B, which will be described later. Further, the layer A contains a carbon-based active material.
炭素系活物質は、リチウムイオンの挿入脱離反応により充放電を行う活物質である。また、例えば後述するB層に含まれるSi系活物質が、リチウムイオンの挿入反応により体積膨張した際に、A層に含まれる炭素系活物質がクッション材として機能し、Si系活物質の体積膨張による影響を低減することができる。 The carbon-based active material is an active material that is charged and discharged by the insertion / desorption reaction of lithium ions. Further, for example, when the Si-based active material contained in the B layer, which will be described later, expands in volume due to the insertion reaction of lithium ions, the carbon-based active material contained in the A layer functions as a cushioning material, and the volume of the Si-based active material is increased. The effect of expansion can be reduced.
炭素系活物質は、後述するSi系活物質が膨張収縮した際に生じる応力を緩和することができる程度の変形性(軟らかさ、クッション性)を有することが好ましい。ここで、炭素系活物質のクッション性とは、例えば、後述するB層に含まれるSi系活物質が、リチウムイオンの挿入反応により体積膨張した際に、Si系活物質の当該体積膨張を吸収・緩和する性質をいう。炭素系活物質の変形性は、例えば、炭素系活物質の単粒子に対し、プレス成形圧相当の荷重を印加し、その後、荷重を除荷して粒子を復元し、再度同じ荷重を印加した際の炭素系活物質の変形量を測定することにより算出することができる。測定には、ドライルーム内に設置した微小圧縮試験機(島津製作所、MCT-210)を用いることができる。具体的に、炭素系活物質の単粒子に対する荷重をF(N)、荷重を印加した際の炭素系活物質の変形量をΔx(m)としたときに、測定温度25℃の条件下で、Δx/Fの値が所定の範囲内であることが好ましい。炭素系活物質の変形量は、例えば、5.0×10−7m/N以上であり、8.3×10−7m/N以上であることが好ましく、1.7×10−6m/N以上であることが好ましい。一方、炭素系活物質の変形量は、例えば、5.0×10−6m/N以下であり、4.0×10−6m/N以下であることが好ましい。炭素系活物質の変形量は、例えば、コアとなる炭素材料の表面への非晶質炭素の被覆量により調整することができる。A層に含まれる全ての炭素系活物質中の非晶質炭素量は、例えば0wt%であってもよく、0wt%より大きくてもよく、6wt%以上であってもよい。一方、A層に含まれる全ての炭素系活物質中の非晶質炭素量は、例えば60wt%以下であり、40wt%以下であってもよく、20wt%以下であってもよい。なお、非晶質炭素の被覆方法としては、一般的に周知の方法と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。 The carbon-based active material preferably has a deformability (softness, cushioning property) to such an extent that the stress generated when the Si-based active material described later expands and contracts can be relaxed. Here, the cushioning property of the carbon-based active material means, for example, that when the Si-based active material contained in the B layer, which will be described later, expands in volume due to the insertion reaction of lithium ions, the volume expansion of the Si-based active material is absorbed.・ It refers to the property of mitigation. For the deformability of the carbon-based active material, for example, a load equivalent to the press forming pressure was applied to a single particle of the carbon-based active material, then the load was removed to restore the particles, and the same load was applied again. It can be calculated by measuring the amount of deformation of the carbon-based active material. A microcompression tester (Shimadzu Corporation, MCT-210) installed in a dry room can be used for the measurement. Specifically, when the load on a single particle of the carbon-based active material is F (N) and the deformation amount of the carbon-based active material when the load is applied is Δx (m), the measurement temperature is 25 ° C. , Δx / F values are preferably within a predetermined range. The amount of deformation of the carbon-based active material is, for example, 5.0 × 10 -7 m / N or more, preferably 8.3 × 10 -7 m / N or more, and 1.7 × 10 -6 m or more. It is preferably / N or more. On the other hand, the amount of deformation of the carbon-based active material is, for example, 5.0 × 10-6 m / N or less, and preferably 4.0 × 10-6 m / N or less. The amount of deformation of the carbon-based active material can be adjusted, for example, by the amount of amorphous carbon coated on the surface of the core carbon material. The amount of amorphous carbon in all the carbon-based active materials contained in the layer A may be, for example, 0 wt%, larger than 0 wt%, or 6 wt% or more. On the other hand, the amount of amorphous carbon in all the carbon-based active materials contained in the layer A is, for example, 60 wt% or less, 40 wt% or less, or 20 wt% or less. Since the method for coating amorphous carbon can be the same as a generally known method, the description here is omitted.
炭素系活物質は、例えば、上述のようなクッション性を有する活物質が好ましい。このような炭素系活物質としては、例えば、天然黒鉛(グラファイト)およびその改良体、人造黒鉛(例えばMCMB)、難黒鉛化材料(ハードカーボン)、易黒鉛化性材料(ソフトカーボン)等が挙げら、中でもグラファイトを用いることが好ましい。結晶性が高く、理論容量も比較的高いからである。 As the carbon-based active material, for example, an active material having a cushioning property as described above is preferable. Examples of such carbon-based active materials include natural graphite (graphite) and its improved product, artificial graphite (for example, MCMB), non-graphitizable material (hard carbon), easily graphitizable material (soft carbon), and the like. Among them, it is preferable to use graphite. This is because the crystallinity is high and the theoretical capacity is relatively high.
A層に含まれる活物質は、1種のみであってもよく、2種以上であってもよい。A層に含まれる活物質が2種以上である場合には、炭素系活物質以外の活物質を有していてもよいが、A層中の全ての活物質の中で、炭素系活物質の量が最も多いことが好ましい。炭素系活物質以外の活物質としては、一般的な負極活物質が挙げられ、例えばIn、Al等の金属活物質が挙げられる。 The active material contained in the layer A may be only one kind or two or more kinds. When the active material contained in the A layer is two or more kinds, it may have an active material other than the carbon-based active material, but among all the active materials in the A layer, the carbon-based active material. It is preferable that the amount of is the largest. Examples of the active material other than the carbon-based active material include general negative electrode active materials, and examples thereof include metal active materials such as In and Al.
炭素系活物質の形状は、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状が挙げられ、中でも粒子形状であることが好ましい。また、炭素系活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば0.1μm以上であり、1μm以上であってもよい。一方、炭素系活物質が粒子形状である場合の平均粒径は、例えば、100μm以下でり、50μm以下であってもよい。なお、炭素系活物質の平均粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される粒径を測定して、平均することにより求めることができる。 Examples of the shape of the carbon-based active material include a particle shape such as a true spherical shape and an elliptical spherical shape, and a thin film shape, and the particle shape is preferable. When the carbon-based active material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is, for example, 0.1 μm or more, and may be 1 μm or more. On the other hand, when the carbon-based active material has a particle shape, the average particle size may be, for example, 100 μm or less, and may be 50 μm or less. The average particle size of the carbon-based active material can be obtained by, for example, measuring the particle size observed by a scanning electron microscope (SEM) and averaging the particle size.
A層中の炭素系活物質の含有量は、例えば後述するB層に含まれるSi系活物質が、リチウムイオンの挿入反応により体積膨張した際に、A層がクッション材としての機能を発揮することができる程度の含有量であることが好ましく、炭素系活物質の種類等に応じて適宜調整することができる。具体的には、B層に含まれるSi系活物質に対する、A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)が、0.18以上0.43以下となる。本開示においては、上記C/Si重量比が、例えば、0.25以上であり、0.30以上であってもよく、0.35以上であってもよい。上記C/Si重量比が、上述した範囲であることにより、負極層の膨張を抑制することができる。したがって、仮に、外装体を用いて外部拘束を行うことで電池の膨張を抑制する場合であっても、従来のような大型の外装体ではなく、小型の外装体を用いることが可能となり、結果として、電池全体としてのエネルギー密度の低下を抑制することが可能となる。 Regarding the content of the carbon-based active material in the A layer, for example, when the Si-based active material contained in the B layer, which will be described later, expands in volume due to the insertion reaction of lithium ions, the A layer exerts a function as a cushioning material. The content is preferably such that it can be used, and can be appropriately adjusted according to the type of carbon-based active material and the like. Specifically, the weight ratio (C / Si weight ratio) of the carbon-based active material contained in the A layer to the Si-based active material contained in the B layer is 0.18 or more and 0.43 or less. In the present disclosure, the C / Si weight ratio may be, for example, 0.25 or more, 0.30 or more, or 0.35 or more. When the C / Si weight ratio is in the above range, the expansion of the negative electrode layer can be suppressed. Therefore, even if the expansion of the battery is suppressed by externally restraining the battery using the exterior body, it is possible to use a small exterior body instead of the conventional large exterior body. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the energy density of the battery as a whole.
A層の充填率は、負極層中でのパス切れを抑制することができる程度であることが好ましく、後述するB層の充填率よりも低いことが好ましい。具体的には、B層の充填率とA層の充填率との差が、例えば0.5%以上であり、3.0%以上であってもよく、5.0%以上であってもよい。また、A層の充填率は、例えば、80%以上であり、85%以上であってもよい。一方、A層の充填率は、例えば、95%以下であり、90%以下であってもよい。なお、A層の充填率は、以下の式により求めることができる。
(充填率)=(A層が密である場合の理論上の体積)/(A層の実際の体積)×100
また、A層が密である場合の理論上の体積は、活物質の質量を、活物質の比重で除することにより求めることができる。
The filling rate of the A layer is preferably such that the path breakage in the negative electrode layer can be suppressed, and is preferably lower than the filling rate of the B layer described later. Specifically, the difference between the filling rate of the B layer and the filling rate of the A layer is, for example, 0.5% or more, may be 3.0% or more, or may be 5.0% or more. good. Further, the filling factor of the A layer is, for example, 80% or more, and may be 85% or more. On the other hand, the filling factor of the A layer is, for example, 95% or less, and may be 90% or less. The filling factor of the A layer can be obtained by the following formula.
(Filling factor) = (Theoretical volume when layer A is dense) / (Actual volume of layer A) x 100
Further, the theoretical volume when the layer A is dense can be obtained by dividing the mass of the active material by the specific gravity of the active material.
A層は、通常、固体電解質を含有する。固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有するものであればよく、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質等の無機固体電解質が挙げられる。本開示においては、中でも、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質を用いることが好ましく、硫化物固体電解質を用いることがより好ましい。硫化物固体電解質は、イオン伝導性が高い点で好ましく、酸化物固体電解質は化学的安定性が高い点で好ましい。なお、ハロゲン化物固体電解質とは、ハロゲンを含有する無機固体電解質をいう。 The A layer usually contains a solid electrolyte. The solid electrolyte may be any one having lithium ion conductivity, and examples thereof include inorganic solid electrolytes such as sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, nitride solid electrolytes, and halide solid electrolytes. In the present disclosure, among them, it is preferable to use a sulfide solid electrolyte or an oxide solid electrolyte, and it is more preferable to use a sulfide solid electrolyte. The sulfide solid electrolyte is preferable in that it has high ionic conductivity, and the oxide solid electrolyte is preferable in that it has high chemical stability. The halide solid electrolyte means an inorganic solid electrolyte containing a halogen.
硫化物固体電解質としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiI−LiBr、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2、Li2S―SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LixMOy(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。なお、上記「Li2S−P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
The sulfide solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5,
硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温におけるリチウムイオン伝導度は、例えば、1×10−5S/cm以上であることが好ましく、1×10−4S/cm以上であることがより好ましい。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill or the like) on the raw material composition. Further, the crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Further, the lithium ion conductivity of the sulfide solid electrolyte at room temperature is preferably, for example, 1 × 10 -5 S / cm or more, and more preferably 1 × 10 -4 S / cm or more.
酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等を挙げることができる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlxGe2−x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物が挙げられる。中でも上記酸化物固体電解質は、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3であることが好ましい。また、NASICON型構造を有する化合物の他の例としては、例えば、一般式Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物が挙げられる。中でも上記酸化物固体電解質は、Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3であることが好ましい。また、酸化物固体電解質の他の例としては、例えば、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)等が挙げられる。 Examples of the oxide solid electrolyte include compounds having a NASICON type structure and the like. As an example of the compound having a NASION type structure, a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) can be mentioned. Above all, the oxide solid electrolyte is preferably Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3. Further, as another example of the compound having a NASICON type structure, for example, a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) can be mentioned. Above all, the oxide solid electrolyte is preferably Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3. Further, as another example of the oxide solid electrolyte, for example, LiLaTIO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO. (For example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and the like.
固体電解質の形状としては、例えば粒子状、薄膜状等を挙げることができる。固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上であり、10nm以上であってもよい。一方、固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば100μm以下であり、30μm以下である。 Examples of the shape of the solid electrolyte include particles and thin films. The average particle size (D 50 ) of the solid electrolyte is, for example, 1 nm or more, and may be 10 nm or more. On the other hand, the average particle size (D 50 ) of the solid electrolyte is, for example, 100 μm or less, and 30 μm or less.
A層における固体電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、10重量%以上90重量%以下であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the A layer is not particularly limited, but is preferably 10% by weight or more and 90% by weight or less, for example.
A層は、必要に応じて、結着材および導電化材を有していてもよい。A層が導電化材を有することにより、電子伝導性が向上する。結着材としては、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸等が挙げられる。また、導電化材としては、例えば、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、気相成長カーボン、黒鉛等の炭素材料等が挙げられる。 The A layer may have a binder and a conductive material, if necessary. Since the A layer has a conductive material, the electron conductivity is improved. Examples of the binder include polyimide, polyamide-imide, polyacrylic acid and the like. Examples of the conductive material include carbon materials such as mesocarbon microbeads (MCMB), acetylene black, ketjen black, carbon black, coke, carbon fiber, gas phase growth carbon, and graphite.
(2)B層
B層は、上述したA層の固体電解質層とは反対の面側に配置される層である。また、B層は、Si系活物質を含む。
(2) B layer The B layer is a layer arranged on the surface side opposite to the above-mentioned solid electrolyte layer of the A layer. Further, the B layer contains a Si-based active material.
Si系活物質は、上述した炭素系活物質よりも充放電電位(リチウムイオンの挿入脱離電位)が貴であってもよく卑であってもよいが、炭素系活物質よりも充放電電位が貴であることが好ましい。Si系活物質の充放電位が炭素系活物質よりも貴であることにより、充電初期においてSi系活物質へのリチウムイオン挿入脱離反応が、炭素系活物質へのリチウムイオン挿入脱離反応よりも先に起こる。このため、Si系活物質は体積が膨張した状態となるが、上述した炭素系活物質により上記膨張が緩和されるため、負極層内において効果的に自己拘束力が掛かった状態にすることができる。なお、Si系活物質が炭素系活物質よりも充放電電位が貴であることは、例えば、サイクリックボルタンメトリ−法による測定を行うことにより確認することができる。 The Si-based active material may have a noble or lower charge / discharge potential (lithium ion insertion / desorption potential) than the carbon-based active material described above, but the charge / discharge potential is higher than that of the carbon-based active material. Is preferably noble. Since the charge / discharge position of the Si-based active material is more noble than that of the carbon-based active material, the lithium ion insertion / desorption reaction into the Si-based active material is the lithium ion insertion / desorption reaction into the carbon-based active material at the initial stage of charging. It happens before. Therefore, the volume of the Si-based active material is expanded, but the above-mentioned carbon-based active material alleviates the expansion, so that the self-binding force can be effectively applied in the negative electrode layer. can. It can be confirmed that the Si-based active material has a higher charge / discharge potential than the carbon-based active material, for example, by performing a measurement by the cyclic voltammetry method.
Si系活物質は、リチウムと合金化反応を起こす活物質である。Si系活物質は、少なくともSi元素を含む活物質であり、Si元素の単体であってもよく、Si元素を含む合金であってもよい。上記Si元素を含む合金は、Si元素以外に、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、チタンおよびクロム等の元素を含むことが好ましい。また、上記Si元素を含む合金は、Si元素を主成分として含有することが好ましい。 The Si-based active material is an active material that causes an alloying reaction with lithium. The Si-based active material is an active material containing at least a Si element, and may be a simple substance of the Si element or an alloy containing the Si element. The alloy containing the Si element preferably contains, for example, elements such as iron, cobalt, nickel, titanium and chromium in addition to the Si element. Further, the alloy containing the Si element preferably contains the Si element as a main component.
B層に含まれる活物質は、1種のみであってもよく、2種以上であってもよい。B層に含まれる活物質が2種以上である場合には、Si系活物質以外の活物質を有していてもよいが、B層中の全ての活物質の中で、Si系活物質の量が最も多いことが好ましい。Si系活物質以外の活物質としては、一般的な負極活物質が挙げられ、例えばIn、Al等の金属活物質、およびメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン活物質等が挙げられる。 The active material contained in the B layer may be only one kind or two or more kinds. When the active material contained in the B layer is two or more kinds, it may have an active material other than the Si-based active material, but among all the active materials in the B layer, the Si-based active material It is preferable that the amount of is the largest. Examples of the active material other than the Si-based active material include general negative electrode active materials, such as metal active materials such as In and Al, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), and hard carbon. , Carbon active material such as soft carbon and the like.
Si系活物質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、針状、薄膜状等を挙げることができ、中でも粒子形状であることが好ましい。また、Si系活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、5nm以上であり、50nm以上であってもよい。一方、Si系活物質が粒子形状であるときの平均粒径(D50)は、例えば、50μm以下である。なお、Si系活物質の平均粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される粒径を測定して、平均することにより求めることができる。 Examples of the shape of the Si-based active material include a particle shape such as a true spherical shape and an elliptical spherical shape, a needle shape, a thin film shape, and the like, and the particle shape is particularly preferable. When the Si-based active material has a particle shape, its average particle size (D 50 ) is, for example, 5 nm or more, and may be 50 nm or more. On the other hand, when the Si-based active material has a particle shape, the average particle size (D 50 ) is, for example, 50 μm or less. The average particle size of the Si-based active material can be obtained by, for example, measuring the particle size observed by a scanning electron microscope (SEM) and averaging the particle size.
B層中のSi系活物質の含有量は、B層に含まれるSi系活物質に対する、A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)が、0.18以上0.43以下を達成することができればよく、上述したA層中の炭素系活物質の含有量に応じて適宜変更することができる。したがって、B層中のSi系活物質の含有量についての詳細な説明は省略する。 Regarding the content of the Si-based active material in the B layer, the weight ratio (C / Si weight ratio) of the carbon-based active material contained in the A layer to the Si-based active material contained in the B layer is 0.18 or more and 0. It suffices if .43 or less can be achieved, and can be appropriately changed depending on the content of the carbon-based active material in the above-mentioned A layer. Therefore, a detailed description of the content of the Si-based active material in the B layer will be omitted.
B層の充填率は、負極層中でのパス切れを抑制することができる程度であることが好ましく、負極層の高エネルギー密度化を達成するといった観点から、より高いことが好ましい。例えば、上述したA層の充填率よりも、B層の充填率が高いことが好ましい。具体的なB層の充填率は、例えば、85%以上であり、90%以上であってもよい。一方、B層の充填率は、例えば、95%以下である。なお、B層の充填率は、以下の式により求めることができる。
(充填率)=(B層が密である場合の理論上の体積)/(B層の実際の体積)×100
また、B層が密である場合の理論上の体積は、活物質の質量を、活物質の比重で除することにより求めることができる。
The filling rate of the B layer is preferably such that the path breakage in the negative electrode layer can be suppressed, and is preferably higher from the viewpoint of achieving high energy density of the negative electrode layer. For example, it is preferable that the filling rate of the B layer is higher than the filling rate of the A layer described above. The specific filling factor of the B layer is, for example, 85% or more, and may be 90% or more. On the other hand, the filling rate of the B layer is, for example, 95% or less. The filling factor of the B layer can be calculated by the following formula.
(Filling factor) = (Theoretical volume when the B layer is dense) / (Actual volume of the B layer) × 100
Further, the theoretical volume when the B layer is dense can be obtained by dividing the mass of the active material by the specific gravity of the active material.
B層の充填率をA層の充填率よりも高める方法としては、例えば、以下のような方法が挙げられる。すなわち、負極集電体の一方の面に、B層を形成するためのB層形成用組成物を塗布・乾燥させてB層を形成するB層形成工程、負極集電体およびB層の積層体を厚み方向に加圧するプレス工程、B層の負極集電体とは反対側の面にA層を形成するためのA層形成用組成物を塗布・乾燥させてA層を形成するA層形成工程を、この順で有する方法が挙げられる。 Examples of the method for increasing the filling rate of the B layer to be higher than the filling rate of the A layer include the following methods. That is, the B layer forming step of applying and drying the B layer forming composition for forming the B layer on one surface of the negative electrode current collector to form the B layer, the negative electrode current collector and the lamination of the B layer. A layer that forms the A layer by applying and drying the composition for forming the A layer on the surface of the B layer opposite to the negative electrode current collector in the pressing process that pressurizes the body in the thickness direction. Examples thereof include a method in which the forming steps are carried out in this order.
B層は、通常、固体電解質を含有する。なお、固体電解質については、上記「(1)A層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。 The B layer usually contains a solid electrolyte. Since the solid electrolyte can be the same as the content described in the above section "(1) Layer A", the description here is omitted.
B層は、必要に応じて、結着材および導電化材を有していてもよい。なお、結着材および導電化材については、上記「(1)A層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。 The B layer may have a binder and a conductive material, if necessary. The binding material and the conductive material can be the same as those described in the above section "(1) Layer A", and thus the description thereof is omitted here.
(3)負極層
負極層に含まれる全ての活物質(負極活物質)の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましい。負極層に含まれる負極活物質の含有量は、例えば60wt%以上であり、70wt%以上であることが好ましい。一方、負極層に含まれる負極活物質の含有量は、例えば99wt%以下であり、95wt%以下であってもよい。
(3) Negative electrode layer The content of all active materials (negative electrode active materials) contained in the negative electrode layer is preferably higher from the viewpoint of capacity. The content of the negative electrode active material contained in the negative electrode layer is, for example, 60 wt% or more, preferably 70 wt% or more. On the other hand, the content of the negative electrode active material contained in the negative electrode layer is, for example, 99 wt% or less, and may be 95 wt% or less.
負極層の厚みは、全固体電池の構成によって大きく異なるが、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。 The thickness of the negative electrode layer varies greatly depending on the configuration of the all-solid-state battery, but can be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
負極層の形成方法としては、例えば、後述する実施例の方法が挙げられる。 Examples of the method for forming the negative electrode layer include the methods of Examples described later.
2.正極層
正極層は、少なくとも正極活物質層を含む層である。正極層は、必要に応じて、固体電解質、結着材および導電化材の少なくとも一つを含んでいてもよい。
2. 2. Positive electrode layer The positive electrode layer is a layer including at least a positive electrode active material layer. The positive electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a binder and a conductive material, if necessary.
正極活物質としては、全固体電池の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等が挙げられる。正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状型活物質、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、Li1+xMn2−x−yMyO4(MがAl、Mg、Co、Fe、Ni、Znから選択される一種以上である。)等のスピネル型活物質、チタン酸リチウム(LixTiOy)、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4等のオリビン型活物質等が挙げられる。
The positive electrode active material is appropriately selected according to the type of the all-solid-state battery, and examples thereof include an oxide active material and a sulfide active material. Examples of the positive electrode active material include a rock salt layered active material such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, and lithium manganate (lithium manganate (LiNiO 2). LiMn 2 O 4 ), Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , Li 1 + x Mn 2- xy My O 4 (M is selected from Al, Mg, Co, Fe, Ni, Zn). at least one is.) spinel active materials such as
正極層に用いられる固体電解質、結着材および導電化材については、上述した「1.負極層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。 The solid electrolyte, the binder, and the conductive material used for the positive electrode layer can be the same as those described in the above-mentioned "1. Negative electrode layer", and thus the description thereof is omitted here.
正極層の厚みは、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。 The thickness of the positive electrode layer can be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
正極層に含まれる正極活物質は、表面に被覆層が形成されていてもよい。正極活物質の表面に被覆層が形成されていることにより、正極活物質と固体電解質との反応を抑制することができ、出力特性に優れた電固体電池を得ることができる。被覆層の材料は、イオン伝導性を有し、かつ活物質や固体電解質と接触して流動せず、被覆層の形態を維持することが可能な材料であることが好ましい。被覆層の材料としては、例えば、LiNbO3、Li3PO4、Li4Ti5O12等が挙げられる。被覆層の厚みは、例えば0.1nm以上あり、1nm以上であってもよい。一方、被覆層の厚みは、例えば100nm以下であり、20nm以下であってもよい。正極活物質表面における被覆層の被覆率は、例えば50%以上であり、80%以上であってもよい。 A coating layer may be formed on the surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode layer. Since the coating layer is formed on the surface of the positive electrode active material, the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte can be suppressed, and an electric solid-state battery having excellent output characteristics can be obtained. The material of the coating layer is preferably a material that has ionic conductivity, does not flow in contact with an active material or a solid electrolyte, and can maintain the morphology of the coating layer. Examples of the material of the coating layer include LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 and the like. The thickness of the coating layer is, for example, 0.1 nm or more, and may be 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coating layer is, for example, 100 nm or less, and may be 20 nm or less. The coverage of the coating layer on the surface of the positive electrode active material is, for example, 50% or more, and may be 80% or more.
3.固体電解質層
負極層および正極層の間に形成される。固体電解質層は、固体電解質を含有する層である。固体電解質層は、必要に応じて、結着材を含有していてもよい。
3. 3. Solid electrolyte layer Formed between the negative electrode layer and the positive electrode layer. The solid electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte. The solid electrolyte layer may contain a binder, if necessary.
固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10重量%以上であり、50重量%以上であってもよい。一方、上記固体電解質の含有量は、例えば、100重量%以下である。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, 10% by weight or more, and may be 50% by weight or more. On the other hand, the content of the solid electrolyte is, for example, 100% by weight or less.
固体電解質層に用いられる固体電解質および結着材については、上述した「1.負極層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。 The solid electrolyte and the binder used for the solid electrolyte layer can be the same as those described in the above-mentioned "1. Negative electrode layer", and thus the description thereof is omitted here.
固体電解質層の厚みは、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。 The thickness of the solid electrolyte layer can be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
4.負極集電体
負極集電体は、負極層の集電を行う機能を有する。負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等が挙げられる。負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。
4. Negative electrode current collector The negative electrode current collector has a function of collecting current in the negative electrode layer. Examples of the material of the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel and carbon. It is preferable to appropriately select the thickness, shape, etc. of the negative electrode current collector according to the application of the all-solid-state battery.
5.正極集電体
正極集電体は、正極層の集電を行う機能を有するものである。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等が挙げられる。正極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。
5. Positive electrode current collector The positive electrode current collector has a function of collecting current from the positive electrode layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium and carbon. It is preferable to appropriately select the thickness, shape, etc. of the positive electrode current collector according to the application of the all-solid-state battery.
6.拘束部材
拘束部材は、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体が、この順で積層した積層体に、積層方向の拘束圧力を与えることができればよく、全固体電池の拘束部材として使用可能な公知の拘束部材を用いることができる。例えば、積層体の両表面を挟む板状部と、2つの板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結され、ねじ構造等により拘束圧力を調整する調整部を有する拘束部材が挙げられる。調整部によって、積層体に所望の拘束圧力を与えることができる。
6. Restraint member The restraint member may be an all-solid-state battery as long as the negative electrode current collector, the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the positive electrode current collector can apply a restraining pressure in the stacking direction to the laminated body in this order. A known restraint member that can be used as the restraint member of the battery can be used. For example, there are a plate-shaped portion that sandwiches both surfaces of the laminated body, a rod-shaped portion that connects the two plate-shaped portions, and a restraining member that is connected to the rod-shaped portion and has an adjusting portion that adjusts the restraining pressure by a screw structure or the like. .. The adjusting part can apply a desired restraining pressure to the laminate.
拘束圧力は、特に限定されるものではないが、例えば、初回充電前に0.1ton/cm2以上であることが好ましく、1ton/cm2以上であってもよく、5ton/cm2以上であってもよい。拘束圧力を大きくすることで、各層の接触を良好にしやすいという利点があるためである。一方、拘束圧力は、例えば、100ton/cm2以下であり、50ton/cm2以下であってもよく、20ton/cm2であってもよい。本開示においては、負極層の膨張を抑制することができるため、拘束圧力を比較的低くすることができ、拘束部材の小型化を図ることができる。 Constraining pressure is not particularly limited, for example, is preferably 0.1ton / cm 2 or more prior to the initial charge may also be 1 ton / cm 2 or more, a in 5 ton / cm 2 or more You may. This is because there is an advantage that the contact of each layer can be easily improved by increasing the restraining pressure. On the other hand, the restraining pressure is, for example, 100 ton / cm 2 or less, 50 ton / cm 2 or less, or 20 ton / cm 2 . In the present disclosure, since the expansion of the negative electrode layer can be suppressed, the restraining pressure can be relatively low, and the restraining member can be miniaturized.
7.全固体電池
全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。全固体電池の形状としては、例えばコイン型、ラミネート型、円筒型および角型等が挙げられる。
7. All-solid-state battery The all-solid-state battery may be a primary battery or a secondary battery, but a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful as an in-vehicle battery, for example. Examples of the shape of the all-solid-state battery include a coin type, a laminated type, a cylindrical type, a square type, and the like.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。 The present disclosure is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an example, and any one having substantially the same structure as the technical idea described in the claims of the present disclosure and having the same effect and effect is the present invention. Included in the technical scope of the disclosure.
以下に実施例を示して本開示をさらに具体的に説明する。 The present disclosure will be described in more detail with reference to Examples below.
[実施例1]
<固体電解質の合成>
Li2S(日本化学工業株式会社製)とP2S5(アルドリッチ社製)を出発原料として、Li2Sを0.7656g、P2S5を1.2344g秤量し、メノウ乳鉢で5分混合し、その後、ヘプタンを4g入れ、遊星型ボールミルを用い40時間メカニカルミリングすることで、硫化物固体電解質を得た。
[Example 1]
<Synthesis of solid electrolyte>
Using Li 2 S (manufactured by Nippon Chemical Industrial Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) as starting materials, weigh 0.7656 g of Li 2 S and 1.2344 g of P 2 S 5 and weigh them in an agate mortar for 5 minutes. After mixing, 4 g of heptane was added and mechanically milled for 40 hours using a planetary ball mill to obtain a sulfide solid electrolyte.
<全固体電池の作製>
以下のようにして、全固体電池を作製した。
<Manufacturing of all-solid-state battery>
An all-solid-state battery was manufactured as follows.
(正極層形成用組成物の作製)
LiNbO3(被覆層)でコーティングされたLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(正極活物質)12.5mgと、上記固体電解質3.53mgと、VGCF(導電化材、昭和電工株式会社製)0.460mgとを秤量し、混合することで正極層形成用組成物を得た。
(Preparation of composition for forming positive electrode layer)
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (positive electrode active material) coated with LiNbO 3 (coating layer) 12.5 mg, the above solid electrolyte 3.53 mg, and VGCF (conductive material, Showa Denko) (Manufactured by Co., Ltd.) 0.460 mg was weighed and mixed to obtain a composition for forming a positive electrode layer.
(B層形成用組成物の作製)
シリコン粉末(Si系活物質)2.00mgと、上記固体電解質1.55mgと、VGCF(導電化材、昭和電工株式会社製)0.16mgとを秤量した。次に、PVDFを75mol%含有するバインダを5wt%の濃度で有機溶媒に溶かし、溶かした状態で0.8mg混合したものを、B層形成用組成物とした。
(Preparation of composition for forming B layer)
2.00 mg of silicon powder (Si-based active material), 1.55 mg of the solid electrolyte, and 0.16 mg of VGCF (conductive material, manufactured by Showa Denko KK) were weighed. Next, a binder containing 75 mol% of PVDF was dissolved in an organic solvent at a concentration of 5 wt%, and a mixture of 0.8 mg in the dissolved state was used as a B layer forming composition.
(A層形成用組成物の作製)
天然黒鉛(炭素系活物質)0.86mg、上記固体電解質0.70mgを秤量し、上記バインダを0.6mg混合したものを、A層形成用組成物とした。
(Preparation of composition for forming layer A)
0.86 mg of natural graphite (carbon-based active material) and 0.70 mg of the solid electrolyte were weighed, and 0.6 mg of the binder was mixed to prepare a composition for forming the A layer.
(全固体電池の作製)
1cm2のセラミックス製の型に、上記B層形成用組成物を入れ、6ton/cm2でプレスしてB層を作製し、型かた取り出した。次に、同じく1cm2のセラミックス製の型に、上記固体電解質15mgを秤量し、1ton/cm2でプレスし固体電解質層を作製し、その一方の面に上記で作製したA層形成用組成物を入れ、1ton/cm2でプレスしてA層を作製した。次に、A層の固体電解質層とは反対側の面に、上記B層を配置し、1ton/cm2で最終プレスをした。また、正極集電体にアルミニウム箔を用い、負極集電体に銅箔を用いた。このようにして、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体が、この順で配置された全固体電池を得た。なお、A層に含まれる炭素性活物質と、B層に含まれるSi系活物質との重量比(C/Si重量比)は、0.18となるように調整した。
(Manufacturing of all-solid-state battery)
The composition for forming the B layer was placed in a 1 cm 2 ceramic mold and pressed at 6 ton / cm 2 to prepare a B layer, and the mold was taken out. Next, similar to the
[比較例1]
A層を形成せず、B層のプレス圧を1ton/cm2としたこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 1]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the A layer was not formed and the press pressure of the B layer was 1 ton / cm 2.
[比較例2]
A層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 2]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the A layer was not formed.
[比較例3]
炭素系活物質とSi系活物質とを混合した負極層用組成物を用いて負極層を形成したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 3]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode layer was formed by using a composition for a negative electrode layer in which a carbon-based active material and a Si-based active material were mixed.
[評価]
実施例1、比較例1〜3で得られた全固体電池に対して、以下のような電池特性評価を行った。
[evaluation]
The following battery characteristics were evaluated for the all-solid-state batteries obtained in Examples 1 and Comparative Examples 1 to 3.
(負極のエネルギー密度)
負極のエネルギー密度について評価した。負極のエネルギー密度は、以下の式から算出した。
(負極のエネルギー密度)=(初回放電容量)×(初回放電電圧)÷(負極体積)
結果は表1および図3に示す。なお、表1に示すエネルギー密度の値は、比較例1のエネルギー密度を100としたときの相対値である。
(Negative electrode energy density)
The energy density of the negative electrode was evaluated. The energy density of the negative electrode was calculated from the following formula.
(Negative electrode energy density) = (Initial discharge capacity) x (Initial discharge voltage) ÷ (Negative electrode volume)
The results are shown in Table 1 and FIG. The energy density values shown in Table 1 are relative values when the energy density of Comparative Example 1 is 100.
(拘束圧増加量)
実施例1、比較例1〜3で得られた全固体電池を、拘束治具で挟み、1MPaの拘束圧下で拘束圧増加量を評価した。具体的には、全固体電池を0.5mAで4.35VまでCC/CV充電した際に起こる拘束圧増加量を、小型圧縮型ロードセル(共和電業株式会社製 LCX−A−10KN−ID)を用いて測定した。結果は、表1および図3に示す。なお、表1に示す拘束圧増加量は、比較例1としてB層のみを形成した場合(A層を形成しなかった場合)の拘束圧増加量を100としたときの比(%)である。
(Increase in restraint pressure)
The all-solid-state batteries obtained in Examples 1 and Comparative Examples 1 to 3 were sandwiched between restraint jigs, and the amount of increase in restraint pressure was evaluated under a restraint pressure of 1 MPa. Specifically, a small compression type load cell (LCX-A-10KN-ID manufactured by Kyowa Electric Co., Ltd.) can be used to measure the amount of restraint pressure increase that occurs when an all-solid-state battery is charged to 4.35 V at 0.5 mA by CC / CV. Was measured using. The results are shown in Table 1 and FIG. The amount of increase in the restraint pressure shown in Table 1 is the ratio (%) when the amount of increase in the restraint pressure is 100 when only the B layer is formed (when the A layer is not formed) as Comparative Example 1. ..
Si系活物質を含むB層のみを形成した(炭素系活物質を含むA層を形成しなかった)比較例1および比較例2を比べた結果、表1および図3に示すように、B層のプレス成形圧が1ton/cm2の比較例1に比べて、プレス成形圧が6ton/cm2の比較例2の方が、B層の充填率が高まったことに伴い負極のエネルギー密度が向上したが、一方で、拘束圧増加量も増大した。この結果からは、B層の充填率が高まったことで、よりB層(負極層)が膨張しやすくなったことが分かった。次に、Si系活物質と炭素系活物質を混合した負極層を用いた比較例3と、Si系活物質を含むB層および炭素系活物質を含むA層を有する負極層を用いた実施例1とを比べた。その結果、表1および図3に示すように、負極層が炭素系活物質を含むという点で、比較例3および実施例1の負極のエネルギー密度は同程度であったものの、負極層がA層およびB層を有する実施例1の方が、拘束圧増加量が低減した。このことから、Si系活物質を含む層(B層)および炭素系活物質を含む層(A層)がそれぞれ別層であることで、負極層のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑制できることが分かった。 As a result of comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which only the B layer containing the Si-based active material was formed (the A layer containing the carbon-based active material was not formed), B was shown in Table 1 and FIG. press molding pressure of the layer as compared with the comparative example 1 of 1 ton / cm 2, towards the press molding pressure of Comparative example 2 of 6 ton / cm 2 is the energy density of the negative electrode due to the filling rate is increased in the layer B It improved, but on the other hand, the amount of increase in restraining pressure also increased. From this result, it was found that the B layer (negative electrode layer) was more likely to expand due to the increased filling rate of the B layer. Next, Comparative Example 3 using a negative electrode layer in which a Si-based active material and a carbon-based active material were mixed, and a negative electrode layer having a B layer containing a Si-based active material and an A layer containing a carbon-based active material were used. Compared with Example 1. As a result, as shown in Table 1 and FIG. 3, the energy densities of the negative electrodes of Comparative Example 3 and Example 1 were similar in that the negative electrode layer contained a carbon-based active material, but the negative electrode layer was A. In Example 1 having a layer and a layer B, the amount of increase in the restraining pressure was reduced. Therefore, since the layer containing the Si-based active material (B layer) and the layer containing the carbon-based active material (A layer) are separate layers, the negative electrode layer is being charged while maintaining good energy density. It was found that the volume expansion of the negative electrode layer of the above can be suppressed.
[実施例2]
C/Si重量比を0.43にしたこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Example 2]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the C / Si weight ratio was set to 0.43.
[比較例4]
C/Si重量比を1.00にしたこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 4]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the C / Si weight ratio was set to 1.00.
[比較例5]
C/Si重量比を2.33にしたこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 5]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the C / Si weight ratio was set to 2.33.
[評価]
実施例1、2、比較例2、4、5で得られた全固体電池に対して、以下のような電池特性評価を行った。
[evaluation]
The following battery characteristics were evaluated for the all-solid-state batteries obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2, 4 and 5.
(負極のエネルギー密度)
上述した実施例1、比較例1〜3と同様にして負極のエネルギー密度を評価した。
(Negative electrode energy density)
The energy density of the negative electrode was evaluated in the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described above.
(拘束圧増加量)
上述した実施例1、比較例1〜3と同様にして拘束圧増加量を評価した。
(Increase in restraint pressure)
The amount of increase in the restraining pressure was evaluated in the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described above.
A層を有しない負極層を用いた比較例2と、A層およびB層を有する負極層を用い、かつC/Si重量比が0.18である実施例1とを比べた結果、表2および図4に示すように、比較例2では拘束圧増加量が増大したのに対し、実施例1では負極のエネルギー密度を良好に維持しつつ、拘束圧増加量が低減し、充電中の負極層の体積膨張を大幅に抑制できることが分かった。また、C/Si重量比が0.43である実施例2においても、実施例1と同様に充填中の負極層の体積膨張を大幅に抑制できることが分かった。この結果から、Cの重量が増えるとともに拘束圧増加量の低減を図ることができ、C/Si重量比を0.18以上とすることで、上記効果が得られることが分かった。一方、C/Si重量比が1.00である比較例4およびC/Si重量比が2.33である比較例5では、Cの重量の増大に伴い拘束圧増加量は低減したものの、負極のエネルギー密度が大幅に低下し、負極のエネルギー密度を維持することができなかった。この結果から、負極のエネルギー密度を良好に維持しつつ、充電中の負極層の体積膨張を抑制するためには、Cの重量が増えすぎてはならず、C/Si重量比を0.43以下とすることで上記効果が得られることが分かった。 Table 2 shows the results of comparing Comparative Example 2 using the negative electrode layer without the A layer and Example 1 using the negative electrode layer having the A layer and the B layer and having a C / Si weight ratio of 0.18. As shown in FIG. 4, while the amount of increase in the confining pressure increased in Comparative Example 2, in Example 1, the amount of increase in the confining pressure decreased while maintaining good energy density of the negative electrode, and the negative electrode being charged. It was found that the volume expansion of the layer can be significantly suppressed. Further, it was also found that in Example 2 having a C / Si weight ratio of 0.43, the volume expansion of the negative electrode layer during filling can be significantly suppressed as in Example 1. From this result, it was found that the amount of increase in the restraining pressure can be reduced as the weight of C increases, and the above effect can be obtained by setting the C / Si weight ratio to 0.18 or more. On the other hand, in Comparative Example 4 having a C / Si weight ratio of 1.00 and Comparative Example 5 having a C / Si weight ratio of 2.33, the amount of increase in the restraining pressure decreased as the weight of C increased, but the negative electrode. The energy density of the negative electrode was significantly reduced, and the energy density of the negative electrode could not be maintained. From this result, in order to suppress the volume expansion of the negative electrode layer during charging while maintaining the energy density of the negative electrode well, the weight of C must not increase too much, and the C / Si weight ratio is 0.43. It was found that the above effect can be obtained by the following.
[実施例3]
炭素系活物質である天然黒鉛へ非晶質炭素を被覆したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。なお、A層中の全炭素系活物質に含まれる非晶質炭素量は6wt%であった。
[Example 3]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that natural graphite, which is a carbon-based active material, was coated with amorphous carbon. The amount of amorphous carbon contained in the total carbon-based active material in the layer A was 6 wt%.
[実施例4]
炭素系活物質である天然黒鉛へ非晶質炭素を被覆したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。なお、A層中の全炭素系活物質に含まれる非晶質炭素量は20wt%であった。
[Example 4]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that natural graphite, which is a carbon-based active material, was coated with amorphous carbon. The amount of amorphous carbon contained in the total carbon-based active material in the layer A was 20 wt%.
[評価]
実施例1、3、4、比較例2で得られた全固体電池に対して、以下のような電池特性評価を行った。
[evaluation]
The following battery characteristics were evaluated for the all-solid-state batteries obtained in Examples 1, 3, 4, and Comparative Example 2.
(負極のエネルギー密度)
上述した実施例1、比較例1〜3と同様にして負極のエネルギー密度を評価した。
(Negative electrode energy density)
The energy density of the negative electrode was evaluated in the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described above.
(拘束圧増加量)
上述した実施例1、比較例1〜3と同様にして拘束圧増加量を評価した。
(Increase in restraint pressure)
The amount of increase in the restraining pressure was evaluated in the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 described above.
(A層中の炭素系活物質の変形性)
A層中の炭素系活物質の変形性については、上記「1.負極層 (1)A層」の項に記載した算出方法と同様の方法により求めることができるため、ここでの記載は省略する。
(Deformability of carbon-based active material in layer A)
Since the deformability of the carbon-based active material in the A layer can be obtained by the same method as the calculation method described in the above section "1. Negative electrode layer (1) A layer", the description here is omitted. do.
A層に含まれる炭素系活物質の変形性を調整した結果、表3および図5に示すように、A層中の炭素系活物質の変形性が1.7×10−6m/N(実施例3)近傍で、拘束圧増加量を効果的に低減することができた。この結果から、A層に含まれる炭素系活物質の変形性を1.7×10−6m/N近傍に調整することで、B層に含まれるSi系活物質の膨張を十分に緩和することができ、充電中の負極層の体積膨張を効果的に抑制できること分かった。 As a result of adjusting the deformability of the carbon-based active material contained in the A layer, as shown in Table 3 and FIG. 5, the deformability of the carbon-based active material in the A layer is 1.7 × 10 -6 m / N ( In the vicinity of Example 3), the amount of increase in the restraining pressure could be effectively reduced. From this result, by adjusting the deformability of the carbon-based active material contained in the A layer to the vicinity of 1.7 × 10-6 m / N, the expansion of the Si-based active material contained in the B layer is sufficiently alleviated. It was found that the volume expansion of the negative electrode layer during charging could be effectively suppressed.
1 … 負極集電体
2 … 負極層
3 … 固体電解質層
4 … 正極層
5 … 正極集電体
6 … 電池ケース
10 … 全固体電池
1 ...
Claims (1)
前記負極層は、前記固体電解質層側から順にA層およびB層を有し、
前記A層は、炭素系活物質を含み、
前記B層は、Si系活物質を含み、
前記B層に含まれるSi系活物質に対する、前記A層に含まれる炭素系活物質の重量比(C/Si重量比)は、0.18以上0.43以下であり、
前記炭素系活物質は、グラファイトである、全固体電池。 The negative electrode current collector, the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the positive electrode current collector are all-solid-state batteries arranged in this order.
The negative electrode layer has an A layer and a B layer in order from the solid electrolyte layer side.
The layer A contains a carbon-based active material and contains a carbon-based active material.
The B layer contains a Si-based active material and contains a Si-based active material.
For Si based active material contained in the B layer, the weight ratio of the carbon-based active material contained in the A layer (C / Si weight ratio) state, and are 0.18 or 0.43 or less,
The carbonaceous active material, Ru graphite der, all-solid-state battery.
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