JP7059909B2 - 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、正極および負極の間に固体電解質層を有する電池であり、可燃性の有機溶媒を含む電解液を有する液系電池に比べて、安全装置の簡素化が図りやすいという利点を有する。 The all-solid-state battery is a battery having a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode, and has an advantage that the safety device can be easily simplified as compared with a liquid-based battery having an electrolytic solution containing a flammable organic solvent. ..

例えば、特許文献1には、Si系活物質と導電助剤と集電体とが金属結合により結ばれた負極を有するリチウムイオン二次電池が開示されている。また、特許文献2には、硫化物固体電解質と負極活物質とを有し、負極活物質はSiまたはSnを含有する炭素材料を有する複合粒子であり、SiまたはSnの粒子径が94nm以下で、負極活物質の粒子径が15μm以下であり、負極の空隙率が5%~30%である全固体電池用負極が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a lithium ion secondary battery having a negative electrode in which a Si-based active material, a conductive auxiliary agent, and a current collector are bonded by a metal bond. Further, Patent Document 2 describes composite particles having a sulfide solid electrolyte and a negative electrode active material, and the negative electrode active material having a carbon material containing Si or Sn, and the particle size of Si or Sn is 94 nm or less. Disclosed is a negative electrode for an all-solid-state battery in which the particle size of the negative electrode active material is 15 μm or less and the void ratio of the negative electrode is 5% to 30%.

特開2010-218848号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-2188848 特開2017-054720号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-054720

Si系活物質は、充放電時の体積変化が大きいため、充放電サイクルを繰り返すたびに、抵抗が増加しやすい。本開示は、上記実情に鑑みてなされものであり、サイクル特性が良好な全固体電池を提供することを主目的とする。 Since the volume of the Si-based active material changes greatly during charging / discharging, the resistance tends to increase every time the charging / discharging cycle is repeated. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide an all-solid-state battery having good cycle characteristics.

上記課題を解決するために、本開示においては、正極層と、負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、上記負極層は、Si系活物質を含有し、上記Si系活物質は、複数の一次粒子を有する二次粒子であり、上記二次粒子の体積をVとし、上記二次粒子の空隙体積をVとした場合に、上記Vに対する上記Vの割合(V/V)が、0.3以上、0.6以下であり、上記Si系活物質が、上記複数の一次粒子の間に針状の導電材を含有する、全固体電池を提供する。 In order to solve the above problems, in the present disclosure, the all-solid-state battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer is the negative electrode layer. Contains a Si-based active material, and the Si - based active material is a secondary particle having a plurality of primary particles, the volume of the secondary particle is VP, and the void volume of the secondary particle is VV . When, the ratio of the VV to the VP (VV / VP) is 0.3 or more and 0.6 or less, and the Si - based active material is placed between the plurality of primary particles. Provided is an all-solid-state battery containing a needle-shaped conductive material.

本開示によれば、V/Vが特定の範囲にあること、Si系活物質が複数の一次粒子の間に針状の導電材を含有することにより、サイクル特性が良好な全固体電池とすることができる。 According to the present disclosure, an all-solid-state battery having good cycle characteristics due to the fact that VV / VP is in a specific range and that the Si - based active material contains a needle-shaped conductive material between a plurality of primary particles. Can be.

本開示における全固体電池は、サイクル特性が良好であるという効果を奏する。 The all-solid-state battery in the present disclosure has the effect of having good cycle characteristics.

本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the all-solid-state battery in this disclosure. 本開示における負極活物質の断面のイメージ図である。It is an image diagram of the cross section of the negative electrode active material in this disclosure. 実施例および比較例の結果を示したグラフである。It is a graph which showed the result of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の結果を基にした、空隙率と抵抗増加率との関係を模式的に示した図である。It is a figure which showed schematically the relationship between the porosity and the resistance increase rate based on the result of an Example and a comparative example.

以下、本開示における全固体電池について、詳細に説明する。 Hereinafter, the all-solid-state battery in the present disclosure will be described in detail.

図1は、本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。また、図2は、本開示におけるSi系活物質の断面のイメージ図である。図1に示した全固体電池10は、正極層1と、負極層2と、正極層1および負極層2の間に形成された固体電解質層3とを有する。さらに、全固体電池10は、正極層1の集電を行う正極集電体4と、負極層2の集電を行う負極集電体5とを有する。負極層2は、複数の一次粒子を有する二次粒子であるSi系活物質を含有する。また、図2に示したように、本開示におけるSi系活物質は、針状の導電材を一次粒子の間に含有し、二次粒子の内部に空隙を有している。また、二次粒子の体積をVとし、二次粒子の空隙体積をVとした場合にV/Vが特定の範囲にある。なお、本開示において、V/Vを単に空隙率とも称する場合がある。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an all-solid-state battery in the present disclosure. Further, FIG. 2 is an image diagram of a cross section of the Si-based active material in the present disclosure. The all-solid-state battery 10 shown in FIG. 1 has a positive electrode layer 1, a negative electrode layer 2, and a solid electrolyte layer 3 formed between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2. Further, the all-solid-state battery 10 has a positive electrode current collector 4 that collects electricity from the positive electrode layer 1 and a negative electrode current collector 5 that collects electricity from the negative electrode layer 2. The negative electrode layer 2 contains a Si-based active material which is a secondary particle having a plurality of primary particles. Further, as shown in FIG. 2, the Si-based active material in the present disclosure contains a needle-shaped conductive material between the primary particles and has voids inside the secondary particles. Further, when the volume of the secondary particles is VP and the void volume of the secondary particles is V V , V V / VP is in a specific range. In the present disclosure, VV / VP may be simply referred to as porosity.

本開示によれば、V/Vが特定の範囲にあること、Si系活物質が一次粒子の間に針状の導電材を含有することにより、サイクル特性が良好な全固体電池とすることができる。具体的には、特定の割合で空隙を有する二次粒子であるSi系活物質を用い、また、針状の導電材が一次粒子の間に含有されることで、Si系活物質の体積変化を抑制でき、例えば、Si系活物質と固体電解質との間にクラックが発生することを抑制できる。その結果、抵抗の上昇を抑制(イオン伝導性の低下を抑制)でき、サイクル特性が良好な全固体電池が得られる。Si系活物質の体積変化を抑制できる理由は、複数の一次粒子の間に針状の導電材があることで、導電材がフィラーとして働き、Si系活物質の骨格維持に寄与するためと推定される。 According to the present disclosure, the VV / VP is in a specific range, and the Si - based active material contains a needle-shaped conductive material between the primary particles, whereby an all-solid-state battery having good cycle characteristics is obtained. be able to. Specifically, a Si-based active material, which is a secondary particle having voids at a specific ratio, is used, and a needle-shaped conductive material is contained between the primary particles to change the volume of the Si-based active material. For example, it is possible to suppress the generation of cracks between the Si-based active material and the solid electrolyte. As a result, an all-solid-state battery that can suppress an increase in resistance (suppress a decrease in ion conductivity) and has good cycle characteristics can be obtained. It is presumed that the reason why the volume change of the Si-based active material can be suppressed is that the needle-shaped conductive material exists between the plurality of primary particles, and the conductive material acts as a filler and contributes to the maintenance of the skeleton of the Si-based active material. Will be done.

1.負極層
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。
1. 1. Negative electrode layer The negative electrode layer is a layer containing at least a negative electrode active material.

負極層は、負極活物質として、Si系活物質を含有する。Si系活物質は、Liと合金化可能な活物質であることが好ましい。Si系活物質としては、例えば、Si単体、Si合金、Si酸化物が挙げられる。Si合金は、Si元素を主成分として含有することが好ましい。Si合金中のSi元素の割合は、例えば、50mol%以上であってもよく、70mol%以上であってもよく、90mol%以上であってもよい。Si酸化物としては、例えばSiOが挙げられる。 The negative electrode layer contains a Si-based active material as the negative electrode active material. The Si-based active material is preferably an active material that can be alloyed with Li. Examples of the Si-based active material include simple substances of Si, Si alloys, and Si oxides. The Si alloy preferably contains a Si element as a main component. The ratio of the Si element in the Si alloy may be, for example, 50 mol% or more, 70 mol% or more, or 90 mol% or more. Examples of the Si oxide include SiO.

Si系活物質は、複数の一次粒子を有する二次粒子である。また、二次粒子の体積をVとし、二次粒子の空隙体積をVとし、Vに対するVの割合をV/Vとする。V/Vの値は0.3以上であり、例えば0.35以上であってもよく、0.4以上であってもよい。一方、V/Vの値は0.6以下であり、例えば0.55以下であってもよく、0.5以下であってもよい。V/Vの値が小さすぎると、二次粒子において膨張を吸収しきれなくなり、抵抗率が増加する恐れがある。また、V/Vの値が大きすぎると、二次粒子において使われない空間が増え、一次粒子の孤立やSi系活物質と固体電解質の接触が切れやすくなる恐れがある。 The Si-based active material is a secondary particle having a plurality of primary particles. Further, the volume of the secondary particles is VP, the void volume of the secondary particles is VV , and the ratio of VV to VP is VV / VP . The value of V V / VP is 0.3 or more, for example, 0.35 or more, or 0.4 or more. On the other hand, the value of V V / VP is 0.6 or less, for example, 0.55 or less, or 0.5 or less. If the value of V V / VP is too small, the secondary particles cannot absorb the expansion and may increase the resistivity. Further, if the value of V V / VP is too large, the space not used in the secondary particles increases, and there is a risk that the primary particles are isolated and the contact between the Si-based active material and the solid electrolyte is easily broken.

およびVは、走査型電子顕微鏡(SEM)によるSi系活物質の断面画像を測定することにより求めることができる。言い換えると、Vは、Si系活物質の断面における外形面積として近似でき、Vは、Si系活物質の断面における空隙面積として近似できる。断面画像から1つの二次粒子を特定し、その外形から外形面積Sを求め、その空隙ら空隙面積Sを求める。これらの値からS/Sを求める。この操作を他の二次粒子に対しても行い、S/Sの平均値を求める。サンプル数は多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。S/Sの平均値を、V/Vとして採用する。 VV and VP can be determined by measuring a cross - sectional image of a Si-based active material with a scanning electron microscope (SEM). In other words, VP can be approximated as the external area in the cross section of the Si - based active material, and VV can be approximated as the void area in the cross section of the Si-based active material. One secondary particle is specified from the cross - sectional image, the outer shape area SP is obtained from the outer shape thereof, and the void area SV is obtained from the voids. Obtain S V / SP from these values. This operation is also performed for other secondary particles, and the average value of SV / SP is obtained. The number of samples is preferably large, for example, 20 or more, 50 or more, or 100 or more. The average value of S V / SP is adopted as V V / VP.

また、本開示において、上記一次粒子の長辺長さをaとし、短辺長さをbとし、aに対するbの割合をb/aとした場合、b/aの値は、例えば0.5以上であり、0.6以上であってもよく、0.8以上であってもよい。一方、b/aの値は、1であってもよく、1未満であってもよい。このような一次粒子を用いると、よりサイクル特性が良好な全固体電池が得られる。 Further, in the present disclosure, when the long side length of the primary particle is a, the short side length is b, and the ratio of b to a is b / a, the value of b / a is, for example, 0.5. It may be 0.6 or more, and may be 0.8 or more. On the other hand, the value of b / a may be 1 or less than 1. When such primary particles are used, an all-solid-state battery having better cycle characteristics can be obtained.

長辺長さaおよび短辺長さbは、一次粒子の断面画像を測定することにより求めることができる。具体的に、断面画像から1つの一次粒子を特定し、特定された領域に直線を引き、最も大きい長さ部分を長辺aとする。一方、長辺aと直交し、かつ、最も小さい長さ部分を短辺bとする。これらの値からb/aを求める。この操作を他の一次粒子に対しても行い、b/aの平均値を求める。サンプル数は多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。 The long side length a and the short side length b can be obtained by measuring a cross-sectional image of the primary particle. Specifically, one primary particle is specified from the cross-sectional image, a straight line is drawn in the specified region, and the longest portion is defined as the long side a. On the other hand, a portion orthogonal to the long side a and having the smallest length is defined as the short side b. B / a is obtained from these values. This operation is also performed for other primary particles, and the average value of b / a is obtained. The number of samples is preferably large, for example, 20 or more, 50 or more, or 100 or more.

一次粒子の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、例えば50nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、一次粒子の平均粒径(D50)は、例えば1μm以下であり、500nm以下であってもよい。 The average particle size (D 50 ) of the primary particles is not particularly limited, but is, for example, 50 nm or more, and may be 100 nm or more. On the other hand, the average particle size (D 50 ) of the primary particles is, for example, 1 μm or less, and may be 500 nm or less.

本開示におけるSi系活物質は、複数の一次粒子の間に針状の導電材を含有する。本開示における針状とは、長辺の長さが短辺の長さの2倍以上の細長い形状を指す。また、針状とは、直線形状でも曲線形状でもよく、棒状とも繊維状ともいうことができる。また、複数の針状の導電材が絡み合って存在していてもよい。このような導電材が、複数の一次粒子の間に存在することでフィラーの役割を担い、Si系活物質の膨張および収縮時のSi系活物質の骨格維持に好影響を与えることができると推定される。 The Si-based active material in the present disclosure contains a needle-shaped conductive material between a plurality of primary particles. The needle shape in the present disclosure refers to an elongated shape in which the length of the long side is at least twice the length of the short side. Further, the needle shape may be a linear shape or a curved shape, and may be referred to as a rod shape or a fibrous shape. Further, a plurality of needle-shaped conductive materials may be entangled and exist. It is said that such a conductive material can play a role of a filler by being present between a plurality of primary particles, and can have a positive effect on the skeleton maintenance of the Si-based active material during expansion and contraction of the Si-based active material. Presumed.

本開示における導電材は、針状であれば特に限定されないが、例えば、VGCF(気相法炭素繊維)、CNT(カーボンナノチューブ)等が挙げられる。 The conductive material in the present disclosure is not particularly limited as long as it is needle-shaped, and examples thereof include VGCF (gas phase carbon fiber) and CNT (carbon nanotube).

本開示における針状の導電材では、長辺の長さは、短辺の長さの2倍以上であり、例えば、10倍以上でもよく、50倍以上でもよい。一方で、長辺の長さは、短辺の長さの500倍以下でもよく、100倍以下でもよい。 In the needle-shaped conductive material in the present disclosure, the length of the long side is twice or more the length of the short side, and may be, for example, 10 times or more, or 50 times or more. On the other hand, the length of the long side may be 500 times or less or 100 times or less the length of the short side.

本開示における針状の導電材の長辺は、例えば5μm以上、15μm以下である。また、本開示における針状の導電材の短辺は、例えば50nm以上、200nm以下である。 The long side of the needle-shaped conductive material in the present disclosure is, for example, 5 μm or more and 15 μm or less. Further, the short side of the needle-shaped conductive material in the present disclosure is, for example, 50 nm or more and 200 nm or less.

本開示におけるSi系活物質は、例えば粒状といった針状以外の導電材を含有しないことが好ましいが、僅かであれば含有していてもよい。粒状の導電材としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等が挙げられる。 The Si-based active material in the present disclosure preferably does not contain a conductive material other than needle-like, such as granules, but may contain a small amount. Examples of the granular conductive material include acetylene black (AB) and Ketjen black (KB).

Si系活物質における針状の導電材の割合は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%以上であり、1重量%以上であってもよい。また、導電材の割合は、例えば、10重量%以下であり、5重量%以下であってもよい。導電材の割合が小さすぎると、本開示における効果を十分に享受できない恐れがある。一方、導電材の割合が大きすぎると、生産性が悪化する恐れがある。 The ratio of the needle-shaped conductive material in the Si-based active material is not particularly limited, but is, for example, 0.5% by weight or more, and may be 1% by weight or more. The proportion of the conductive material is, for example, 10% by weight or less, and may be 5% by weight or less. If the proportion of the conductive material is too small, the effects in the present disclosure may not be fully enjoyed. On the other hand, if the proportion of the conductive material is too large, the productivity may deteriorate.

Si系活物質は、隣り合う一次粒子の間に、バインダーが存在していてもよい。バインダーとしては、例えばポリイミドが挙げられる。また、負極層に使用される一般的なバインダーを用いてもよい。Si系活物質に含まれるバインダーの割合は、例えば0.5重量%以上であり、1重量%以上であってもよい。一方、Si系活物質に含まれるバインダーの割合は、例えば5重量%以下である。 In the Si-based active material, a binder may be present between adjacent primary particles. Examples of the binder include polyimide. Further, a general binder used for the negative electrode layer may be used. The proportion of the binder contained in the Si-based active material is, for example, 0.5% by weight or more, and may be 1% by weight or more. On the other hand, the proportion of the binder contained in the Si-based active material is, for example, 5% by weight or less.

Si系活物質の製造方法としては、例えば、Si系活物質の一次粒子と、導電材(第一の導電材とも称する)と、バインダーと、分散媒とを含有するスラリーを準備する準備工程と、上記スラリーに造粒処理を行う造粒工程とを有する方法が挙げられる。スラリーに用いられる分散媒としては、例えば水が挙げられる。また、バインダーとしては、例えば、ポリイミドの前駆体(ポリアミック酸)が挙げられる。また、スラリーの形成方法としては、Si系活物質の一次粒子と、第一の導電材と、バインダーと、分散媒とを含有する混合物に対して、プラネタリーミキサー等の混練装置を用いて混練する方法が挙げられる。スラリーの固形分濃度は、例えば、5重量%以上、30重量%以下である。 As a method for producing a Si-based active material, for example, a preparatory step for preparing a slurry containing primary particles of the Si-based active material, a conductive material (also referred to as a first conductive material), a binder, and a dispersion medium. , A method having a granulation step of performing a granulation treatment on the slurry can be mentioned. Examples of the dispersion medium used for the slurry include water. Further, as the binder, for example, a precursor of polyimide (polyamic acid) can be mentioned. As a method for forming a slurry, a mixture containing primary particles of a Si-based active material, a first conductive material, a binder, and a dispersion medium is kneaded using a kneading device such as a planetary mixer. There is a way to do it. The solid content concentration of the slurry is, for example, 5% by weight or more and 30% by weight or less.

一方、造粒処理としては、例えば、ノズルタイプのスプレードライヤーを用いる処理が挙げられる。送液量は、例えば、20mL/h以上、200mL/h以下である。噴霧ガス圧は、例えば、0.1MPa以上、0.4MPa以下である。また、乾燥温度は、例えば、140℃以上、200℃以下である。また、例えばスラリーが、バインダーとしてポリイミドの前駆体を含有する場合、造粒工程の後に、熱処理を行い、ポリイミドを形成することが好ましい。熱処理温度は、例えば、250℃以上、350℃以下である。熱処理時間は、例えば、1時間以上、10時間以下である。熱処理雰囲気は、不活性雰囲気または真空であることが好ましい。Si系活物質の酸化を防止できるからである。 On the other hand, examples of the granulation process include a process using a nozzle-type spray dryer. The amount of liquid to be sent is, for example, 20 mL / h or more and 200 mL / h or less. The spray gas pressure is, for example, 0.1 MPa or more and 0.4 MPa or less. The drying temperature is, for example, 140 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Further, for example, when the slurry contains a polyimide precursor as a binder, it is preferable to perform heat treatment after the granulation step to form the polyimide. The heat treatment temperature is, for example, 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. The heat treatment time is, for example, 1 hour or more and 10 hours or less. The heat treatment atmosphere is preferably an inert atmosphere or a vacuum. This is because the oxidation of Si-based active substances can be prevented.

Si系活物質の空隙は、製造条件を適宜設定することによって調整できる。例えば、スラリーの固形分を少なくすると、空隙は大きくなる傾向にある。一方、例えば、バインダー量を多くすると、空隙は小さくなる傾向にある。 The voids of the Si-based active material can be adjusted by appropriately setting the production conditions. For example, when the solid content of the slurry is reduced, the voids tend to increase. On the other hand, for example, when the amount of the binder is increased, the voids tend to become smaller.

負極層は、負極活物質として、Si系活物質のみを含有していてもよく、他の活物質を含有していてもよい。後者の場合、全ての負極活物質におけるSi系活物質の割合が、50重量%以上であってもよく、70重量%以上であってもよく、90重量%以上であってもよい。 The negative electrode layer may contain only a Si-based active material as the negative electrode active material, or may contain another active material. In the latter case, the ratio of the Si-based active material in all the negative electrode active materials may be 50% by weight or more, 70% by weight or more, or 90% by weight or more.

負極層における負極活物質の割合は、例えば20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、負極層における負極活物質の割合は、95重量%以下であり、90重量%以下であってもよく、80重量%以下であってもよい。 The ratio of the negative electrode active material in the negative electrode layer is, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, or 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the negative electrode active material in the negative electrode layer is 95% by weight or less, 90% by weight or less, or 80% by weight or less.

また、負極層は、必要に応じて、固体電解質およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。上記固体電解質としては、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。硫化物固体電解質としては、例えば、Li元素、X元素(Xは、P、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、Inの少なくとも一種である)、および、S元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質は、O元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。また、酸化物固体電解質としては、例えば、Li元素、Y元素(Yは、Nb、B、Al、Si、P、Ti、Zr、Mo、W、Sの少なくとも一種である)、および、O元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、窒化物固体電解質としては、例えばLiNが挙げられ、ハロゲン化物固体電解質としては、例えばLiCl、LiI、LiBrが挙げられる。上記バインダーとしては、例えば、ブチレンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ化物系バインダーが挙げられる。 Further, the negative electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte and a binder, if necessary. Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes such as sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, nitride solid electrolytes, and halide solid electrolytes. Examples of the sulfide solid electrolyte include Li element, X element (X is at least one of P, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, and In), and a solid electrolyte containing S element. Can be mentioned. Further, the sulfide solid electrolyte may further contain at least one of an O element and a halogen element. Examples of the oxide solid electrolyte include Li element, Y element (Y is at least one of Nb, B, Al, Si, P, Ti, Zr, Mo, W, and S), and O element. Examples thereof include solid electrolytes containing. Examples of the nitride solid electrolyte include Li 3N, and examples of the halide solid electrolyte include LiCl , LiI, and LiBr. Examples of the binder include rubber-based binders such as butylene rubber (BR) and styrene-butadiene rubber (SBR), and fluoride-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

また、負極層は、Si系活物質に含まれる導電材(第一の導電材)以外に、第二の導電材を含有していてもよい。第二の導電材としては、例えば、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の繊維状炭素材料が挙げられる。第二の導電材は、第一の導電材と異なっていてもよく、同じであってもよいが、同じである方が好ましい。 Further, the negative electrode layer may contain a second conductive material in addition to the conductive material (first conductive material) contained in the Si-based active material. Examples of the second conductive material include a carbon material. Examples of the carbon material include particulate carbon materials such as acetylene black and ketjen black, and fibrous carbon materials such as carbon fibers, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. The second conductive material may be different from the first conductive material and may be the same, but it is preferable that the second conductive material is the same.

負極層が第一の導電材および第二の導電材を含有する場合、負極層中の全ての導電材における第一の導電材の割合が、50重量%以上であってもよく、70重量%以上であってもよく、90重量%以上であってもよい。 When the negative electrode layer contains the first conductive material and the second conductive material, the ratio of the first conductive material in all the conductive materials in the negative electrode layer may be 50% by weight or more, 70% by weight. It may be 90% by weight or more, and may be 90% by weight or more.

負極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。負極層の形成方法としては、例えば、上述した造粒処理後のSiO系活物質、および分散媒を少なくとも含有するスラリーを塗工し、乾燥する方法が挙げられる。なお、第二の導電材は、上記スラリーを調製する際に添加すればよい。 The thickness of the negative electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. Examples of the method for forming the negative electrode layer include a method of applying and drying a slurry containing at least the SiO-based active material after the granulation treatment and the dispersion medium described above. The second conductive material may be added when preparing the above slurry.

2.正極層
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。
2. 2. Positive electrode layer The positive electrode layer is a layer containing at least a positive electrode active material. Further, the positive electrode layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material and a binder, if necessary.

正極活物質としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、LiTi12、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO等のオリビン型活物質が挙げられる。また、正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていてもよい。正極活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。 Examples of the positive electrode active material include an oxide active material. Examples of the oxide active material include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Examples thereof include spinel-type active materials such as Ti 5 O 12 and Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , and olivine-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCoPO 4 . Further, a coat layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the positive electrode active material. This is because the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte can be suppressed.

正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均二次粒子(D50)は、特に限定されないが、例えば10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、正極活物質の平均二次粒子径(D50)は、例えば50μm以下であり、20μm以下であってもよい。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particles. The average secondary particles (D 50 ) of the positive electrode active material are not particularly limited, but are, for example, 10 nm or more, and may be 100 nm or more. On the other hand, the average secondary particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, 50 μm or less, and may be 20 μm or less.

正極層における正極活物質の割合は、例えば、20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、正極活物質の割合は、例えば、80重量%以下であり、70重量%以下であってもよく、60重量%以下であってもよい。 The ratio of the positive electrode active material in the positive electrode layer is, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, or 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the positive electrode active material is, for example, 80% by weight or less, 70% by weight or less, or 60% by weight or less.

正極層に用いられる、固体電解質およびバインダーについては、上記「1.負極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。 Since the solid electrolyte and the binder used for the positive electrode layer are the same as those described in "1. Negative electrode layer" above, the description thereof is omitted here.

上記導電材としては、例えば、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の繊維状炭素材料が挙げられる。 Examples of the conductive material include a carbon material. Examples of the carbon material include particulate carbon materials such as acetylene black and ketjen black, and fibrous carbon materials such as carbon fibers, carbon nanotubes, and carbon nanofibers.

正極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。正極層の形成方法としては、例えば、正極活物質および分散媒を少なくとも含有するスラリーを塗工し、乾燥する方法が挙げられる。 The thickness of the positive electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. Examples of the method for forming the positive electrode layer include a method in which a slurry containing at least a positive electrode active material and a dispersion medium is applied and dried.

3.固体電解質層
固体電解質層は、正極層および負極層の間に配置される層である。固体電解質層は、固体電解質を少なくとも含有し、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質およびバインダーについては、上記「1.負極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。中でも、固体電解質層は、固体電解質として硫化物固体電解質を含有することが好ましい。
3. 3. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer is a layer arranged between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The solid electrolyte layer may contain at least a solid electrolyte and, if necessary, a binder. Since the solid electrolyte and the binder are the same as those described in "1. Negative electrode layer" above, the description thereof is omitted here. Above all, the solid electrolyte layer preferably contains a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte.

固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質を圧縮成形する方法が挙げられる。 The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. Examples of the method for forming the solid electrolyte layer include a method of compression molding a solid electrolyte.

4.その他の部材
本開示における全固体電池は、上述した負極層、正極層および固体電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極層の集電を行う正極集電体、および、負極層の集電を行う負極集電体を有する。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が挙げられる。一方、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が挙げられる。なお、正極集電体および負極集電体の厚さ、形状については、電池の用途に応じて適宜選択することが好ましい。また、本開示における全固体電池は、上述した負極層、正極層および固体電解質層を収納する電池ケースを有していてもよい。
4. Other Members The all-solid-state battery in the present disclosure has at least the above-mentioned negative electrode layer, positive electrode layer and solid electrolyte layer. Further, usually, it has a positive electrode current collector that collects electricity from the positive electrode layer and a negative electrode current collector that collects electricity from the negative electrode layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium and carbon. On the other hand, examples of the material of the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel and carbon. It is preferable to appropriately select the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector according to the application of the battery. Further, the all-solid-state battery in the present disclosure may have a battery case for accommodating the above-mentioned negative electrode layer, positive electrode layer and solid electrolyte layer.

5.全固体電池
本開示における全固体電池は、全固体リチウム電池であることが好ましい。また、本開示における全固体電池は、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。また、本開示における全固体電池は、単電池であってもよく、積層電池であってもよい。積層電池は、モノポーラ型積層電池(並列接続型の積層電池)であってもよく、バイポーラ型積層電池(直列接続型の積層電池)であってもよい。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、円筒型および角型が挙げられる。
5. All-solid-state battery The all-solid-state battery in the present disclosure is preferably an all-solid-state lithium battery. Further, the all-solid-state battery in the present disclosure 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. Further, the all-solid-state battery in the present disclosure may be a single battery or a laminated battery. The laminated battery may be a monopolar type laminated battery (parallel connection type laminated battery) or a bipolar type laminated battery (series connection type laminated battery). Examples of the shape of the all-solid-state battery include a coin type, a laminated type, a cylindrical type, and a square type.

なお、本開示は、上記実施形態に限定されない。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技術は、いかなる技術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-described embodiment is an example, and any technique having substantially the same structure as the technical idea described in the claims of the present disclosure and exhibiting the same action and effect is the present invention. Included in the technical scope of the disclosure.

[実施例1]
(正極構造体の作製)
正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)および硫化物固体電解質(LiI-LiO-LiS-P)を、正極活物質:硫化物固体電解質=75:25の重量比で秤量した。その後、正極活物質100重量部に対して、PVDFバインダーが1.5重量部、導電材(VGCF、昭和電工社製)が3.0重量部となるように秤量した。これらの材料を混合し、酪酸ブチルを添加し、固形分率が63重量%となるように調整した。その後、超音波ホモジナイザーを用いて1分間混練し、正極スラリーを得た。得られた正極スラリーを、正極集電体(Al箔、昭和電工社製)の表面に、アプリケータ(350μm)を用いて塗工し、加熱乾燥した。その後、25℃、線圧1ton/cmでロールプレスし、正極集電体および正極層を有する正極構造体を得た。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode structure)
Positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and sulfide solid electrolyte (LiI-Li 2 O-Li 2 SP 2 S 5 ), positive electrode active material: sulfide solid electrolyte Weighed at a weight ratio of = 75:25. Then, the PVDF binder was weighed to 1.5 parts by weight and the conductive material (VGCF, manufactured by Showa Denko KK) was weighed to 3.0 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material. These materials were mixed and butyl butyrate was added to adjust the solid content to 63% by weight. Then, it was kneaded for 1 minute using an ultrasonic homogenizer to obtain a positive electrode slurry. The obtained positive electrode slurry was applied to the surface of a positive electrode current collector (Al foil, manufactured by Showa Denko KK) using an applicator (350 μm), and dried by heating. Then, it was roll-pressed at 25 ° C. and a linear pressure of 1 ton / cm to obtain a positive electrode structure having a positive electrode current collector and a positive electrode layer.

(負極活物質の作製)
Si粒子(一次粒子)と、長さが6μmで直径が150nmの導電材(VGCF、昭和電工社製)と、ポリイミドの前駆体(ポリアミック酸)と、水とを混合し、プラネタリーミキサーで混練し、スラリーを得た。得られたスラリーを、ノズルタイプのスプレードライヤーを用いて乾燥し、造粒した。その後、不活性雰囲気下で熱処理を行い、負極活物質を得た。
(Preparation of negative electrode active material)
Si particles (primary particles), a conductive material (VGCF, manufactured by Showa Denko KK) with a length of 6 μm and a diameter of 150 nm, a polyimide precursor (polyamic acid), and water are mixed and kneaded with a planetary mixer. And obtained a slurry. The obtained slurry was dried using a nozzle-type spray dryer and granulated. Then, the heat treatment was carried out in an inert atmosphere to obtain a negative electrode active material.

(負極構造体の作製)
作製した負極活物質および硫化物固体電解質(LiI-LiO-LiS-P)を、負極活物質:硫化物固体電解質=58:42の重量比で秤量した。その後、負極活物質100重量部に対して、PVDFバインダーが1.5重量部、導電材(VGCF)が5.0重量部となるように秤量した。これらの材料を混合し、酪酸ブチルを添加し、固形分率が63重量%となるように調整した。その後、超音波ホモジナイザーを用いて1分間混練し、負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを、負極集電体(Cu箔)の表面に、アプリケータを用いて塗工し、加熱乾燥した。その後、25℃、線圧1ton/cmでロールプレスし、負極集電体および負極層を有する負極構造体を得た。なお、正極容量に対する負極容量が2.5となるように、負極層の厚さを調整した。
(Manufacturing of negative electrode structure)
The prepared negative electrode active material and sulfide solid electrolyte (LiI-Li 2 O-Li 2 SP 2 S 5 ) were weighed in a weight ratio of negative electrode active material: sulfide solid electrolyte = 58: 42. Then, the PVDF binder was weighed to 1.5 parts by weight and the conductive material (VGCF) was weighed to 5.0 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. These materials were mixed and butyl butyrate was added to adjust the solid content to 63% by weight. Then, it was kneaded for 1 minute using an ultrasonic homogenizer to obtain a negative electrode slurry. The obtained negative electrode slurry was applied to the surface of the negative electrode current collector (Cu foil) using an applicator and dried by heating. Then, it was roll-pressed at 25 ° C. and a linear pressure of 1 ton / cm to obtain a negative electrode structure having a negative electrode current collector and a negative electrode layer. The thickness of the negative electrode layer was adjusted so that the negative electrode capacity was 2.5 with respect to the positive electrode capacity.

(電池の作製)
正極構造体の正極層と、負極構造体の負極層とを、固体電解質層を介して対向するように配置し、5tonでプレスすることにより、電池を得た。
(Battery production)
A battery was obtained by arranging the positive electrode layer of the positive electrode structure and the negative electrode layer of the negative electrode structure so as to face each other via the solid electrolyte layer and pressing them at 5 tons.

[実施例2~3]
表1に示したように、負極活物質の空隙率を変更したこと以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
[Examples 2 to 3]
As shown in Table 1, a battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the porosity of the negative electrode active material was changed.

[実施例4~7]
表2に示したように、導電材含有量を変更したこと以外は、実施例2(空隙率0.5)と同様にして電池を得た。
[Examples 4 to 7]
As shown in Table 2, a battery was obtained in the same manner as in Example 2 (porosity 0.5) except that the content of the conductive material was changed.

[比較例1~5]
表1に示したように、負極活物質が導電材を含まないこと、負極活物質の空隙率を変更したこと以外は実施例1と同様にして電池を得た。
[Comparative Examples 1 to 5]
As shown in Table 1, a battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material did not contain a conductive material and the porosity of the negative electrode active material was changed.

[比較例6~10]
表1に示したように、空隙率を変更したこと、負極活物質が針状の導電材(VGCF)を含まず粒状の導電材(AB)のみを含むこと以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
[Comparative Examples 6 to 10]
As shown in Table 1, the same as in Example 1 except that the porosity was changed and the negative electrode active material did not contain the needle-shaped conductive material (VGCF) but contained only the granular conductive material (AB). I got a battery.

[比較例11~12]
表1に示したように、負極活物質の空隙率を変更したこと以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
[Comparative Examples 11 to 12]
As shown in Table 1, a battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the porosity of the negative electrode active material was changed.

実施例1~7および比較例1~12で得られた負極活物質の断面画像をSEMにより取得し、V/Vを求めた。その結果を表1および表2に示す。 Cross-sectional images of the negative electrode active materials obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 12 were obtained by SEM, and VV / VP was obtained. The results are shown in Tables 1 and 2.

[評価]
実施例1~7および比較例1~12で得られた電池に対して、60℃、下限SOC10%、上限SOC90%の条件で、500サイクルの充放電を行った。なお、SOCは、state of chargeを意味する。1サイクル目および500サイクル目の電池に対して、DCIR法により内部抵抗を測定した。DCIR法の測定条件は、以下の通りである。
OCV電位:3.5V
電流密度:15mA/cm
放電時間:10秒間
1サイクル目における抵抗に対する500サイクル目における抵抗の割合を、抵抗増加率ΔRとして求めた。その結果を表1、表2、および図3に示す。
[evaluation]
The batteries obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 12 were charged and discharged for 500 cycles under the conditions of 60 ° C., a lower limit SOC of 10%, and an upper limit SOC of 90%. Note that SOC means state of charge. The internal resistance of the 1st cycle and 500th cycle batteries was measured by the DCIR method. The measurement conditions of the DCIR method are as follows.
OCV potential: 3.5V
Current density: 15mA / cm 2
Discharge time: 10 seconds The ratio of the resistance at the 500th cycle to the resistance at the 1st cycle was determined as the resistance increase rate ΔR. The results are shown in Table 1, Table 2, and FIG.

Figure 0007059909000001
Figure 0007059909000001

Figure 0007059909000002
Figure 0007059909000002

表1および図3に示したように、実施例1~3は、比較例1~12に比べて、ΔRが小さかった。このように、V/Vが特定の範囲にあること、Si系活物質が針状の導電材を含有することにより、サイクル特性が良好な全固体電池を得られることが確認された。 As shown in Table 1 and FIG. 3, ΔR of Examples 1 to 3 was smaller than that of Comparative Examples 1 to 12. As described above, it was confirmed that the V V / VP is in a specific range and the Si - based active material contains a needle-shaped conductive material, so that an all-solid-state battery having good cycle characteristics can be obtained.

実施例および比較例の結果より、空隙率(V/V)と抵抗増加率(ΔR)との関係を模式的に図4に示す。図3および図4から、空隙体積の割合が小さすぎると、ΔRが大きくなった。これは、充放電によるSi系活物質の体積変化を十分に緩和できなかったためと推測される。また、V/Vの値が大きすぎても、すなわち、空隙体積の割合が大きすぎても、ΔRが大きくなった。これは、負極層におけるSi系活物質および固体電解質の接合が外れやすくなったためと推測される。また、空隙率は0.5付近が最も好ましいことが示唆された。
また、Si系活物質が導電材を含まない場合と、粒状の導電材のみを含む場合とでは抵抗増加率に違いは見られなかった。一方で、Si系活物質が針状の導電材を含む場合では抵抗増加率が顕著に抑制されていた。これは、針状の導電材がフィラーの役割を担い、膨張収縮時の増量体の骨格維持に好影響を与えたためと推定される。
From the results of Examples and Comparative Examples, the relationship between the porosity ( VV / VP) and the resistance increase rate ( ΔR ) is schematically shown in FIG. From FIGS. 3 and 4, if the ratio of the void volume was too small, ΔR became large. It is presumed that this is because the volume change of the Si-based active material due to charging and discharging could not be sufficiently mitigated. Further, even if the value of V V / VP is too large, that is, even if the ratio of the void volume is too large, ΔR becomes large. It is presumed that this is because the bonding between the Si-based active material and the solid electrolyte in the negative electrode layer is likely to come off. It was also suggested that the porosity is most preferably around 0.5.
Further, there was no difference in the resistance increase rate between the case where the Si-based active material did not contain the conductive material and the case where the Si-based active material contained only the granular conductive material. On the other hand, when the Si-based active material contains a needle-shaped conductive material, the resistance increase rate is remarkably suppressed. It is presumed that this is because the needle-shaped conductive material plays the role of a filler and has a positive effect on the skeleton maintenance of the weight-increasing body during expansion and contraction.

また、表2に示したように、導電材の量が多くなるほどΔRが小さくなることが確認されたが、生産技術の観点から、0.5重量%以上、10重量%以下が適当であると考えられる。 Further, as shown in Table 2, it was confirmed that ΔR becomes smaller as the amount of the conductive material increases, but from the viewpoint of production technology, 0.5% by weight or more and 10% by weight or less is appropriate. Conceivable.

1 …正極層
2 …負極層
3 …固体電解質層
4 …正極集電体
5 …負極集電体
10 …全固体電池
1 ... Positive electrode layer 2 ... Negative electrode layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode current collector 5 ... Negative electrode current collector 10 ... All-solid-state battery

Claims (1)

正極層と、負極層と、前記正極層および前記負極層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、
前記負極層は、Si系活物質を含有し、
前記Si系活物質は、複数の一次粒子を有する二次粒子であり、
前記二次粒子は、隣り合う前記一次粒子の間にバインダーが存在する粒子であり、かつ、内部に空隙を有し、
前記二次粒子の体積をVとし、前記二次粒子の空隙体積をVとした場合に、前記Vに対する前記Vの割合(V/V)が、0.3以上、0.6以下であり、
前記Si系活物質が、前記複数の一次粒子の間に針状の導電材を含有し、
前記V および前記V は、前記Si系活物質の断面画像を走査型電子顕微鏡により測定することで求められる、全固体電池。
An all-solid-state battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer.
The negative electrode layer contains a Si-based active material and contains
The Si-based active material is a secondary particle having a plurality of primary particles, and is a secondary particle.
The secondary particles are particles in which a binder exists between the adjacent primary particles and have voids inside.
When the volume of the secondary particles is VP and the void volume of the secondary particles is VV , the ratio of the VV to the VP ( VV / VP ) is 0.3 or more, 0. .6 or less,
The Si-based active material contains a needle-shaped conductive material between the plurality of primary particles, and the Si-based active material contains a needle-shaped conductive material.
The VP and the VV are all - solid-state batteries obtained by measuring a cross-sectional image of the Si-based active material with a scanning electron microscope .
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