JP7074362B2 - All-solid-state battery and negative electrode - Google Patents

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Description

本発明は、全固体電池及び負極に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery and a negative electrode.

近年の携帯電子機器、ハイブリッド車等の高性能化により、それに用いられる電池(特にリチウムイオン二次電池等の二次電池)には、益々の高容量化が求められている。しかし、現行のリチウム二次電池では負極に比べて正極の高容量化が遅れており、最近盛んに研究開発されている高容量型のLi(Ni,Mn,Co)O2系材料でも250~300 mAh/g程度である。さらにEV開発が本格化する中、不足する資源も相まって価格が倍以上に高騰している。Due to the recent improvement in the performance of portable electronic devices and hybrid vehicles, the batteries used therein (particularly secondary batteries such as lithium ion secondary batteries) are required to have higher capacities. However, with the current lithium secondary batteries, the capacity of the positive electrode has been delayed compared to that of the negative electrode, and even with the high-capacity Li (Ni, Mn, Co) O 2 materials that have been actively researched and developed recently, 250 ~ It is about 300 mAh / g. Furthermore, as EV development begins in earnest, prices have more than doubled due to the lack of resources.

硫黄は理論容量が約1670mAh/gと高く、また、資源量が豊富で安価であるため、高容量電極材料の有望な候補の一つである。しかしながら、単体硫黄は導電性が低く、また、有機電解液を用いた電池系(リチウム二次電池等)においては、充放電過程で生成する多硫化リチウムが電解液に溶出して負極等に析出し、容量低下を引き起こすという問題がある。 Sulfur has a high theoretical capacity of about 1670 mAh / g, and is one of the promising candidates for high-capacity electrode materials because of its abundant resources and low cost. However, elemental sulfur has low conductivity, and in a battery system using an organic electrolytic solution (lithium secondary battery, etc.), lithium polysulfide generated in the charge / discharge process elutes into the electrolytic solution and precipitates on the negative electrode, etc. However, there is a problem of causing a decrease in capacity.

これを解決するため、単体硫黄を樹脂、ピッチ等の様々な有機材料と複合化し、導電性を付与するとともに多硫化リチウムの電解液中への溶出及び拡散を抑制する試みが種々行われている(例えば、特許文献1~3及び非特許文献1~4等)。これら硫黄-炭素複合体は、比較的高い容量を示すとともに、比較的良好なサイクル特性を示すことが報告されている。 In order to solve this, various attempts have been made to combine elemental sulfur with various organic materials such as resin and pitch to impart conductivity and suppress elution and diffusion of lithium polysulfide into the electrolytic solution. (For example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 to 4 and the like). It has been reported that these sulfur-carbon complexes exhibit relatively high capacity and relatively good cycle characteristics.

従来、これら硫黄-炭素複合体は、多孔性カーボン等の炭素材料や、ポリアクリロニトリル(PAN)、ピッチ等の固体有機物を炭素源の原料として用いており、単体硫黄又は硫黄を含む原料と加熱することにより作製されてきた。特に、PANを原料に用いて作製した有機硫黄材料は、サイクル劣化の少ない電極材料として有望な候補材料に挙げられている。 Conventionally, these sulfur-carbon composites use a carbon material such as porous carbon or a solid organic substance such as polyacrylonitrile (PAN) or pitch as a raw material for a carbon source, and heat the raw material with elemental sulfur or a raw material containing sulfur. It has been produced by. In particular, an organic sulfur material produced using PAN as a raw material is listed as a promising candidate material as an electrode material with less cycle deterioration.

また、電池の安全性向上のために、可燃性の有機電解液ではなく、リチウムイオン導電性のある硫化物固体電解質を用いた全固体電池が提案されている。例えば、PANを用いた有機硫黄材料による、全固体電池が紹介されている(非特許文献1)。ここで、全固体電池であれば、硫黄成分溶出の問題も解消されると期待されている。 Further, in order to improve the safety of the battery, an all-solid-state battery using a sulfide solid electrolyte having lithium ion conductivity instead of a flammable organic electrolyte has been proposed. For example, an all-solid-state battery made of an organic sulfur material using PAN has been introduced (Non-Patent Document 1). Here, if it is an all-solid-state battery, it is expected that the problem of sulfur component elution will be solved.

これらの硫黄系正極材料を電池として用いる場合、これまでの酸化物正極と違い、正極にリチウムが含有されていないことが、電池を組むうえで問題となる。そこで、硫黄系正極にリチウムを付与したり、負極をリチウム自体で構成したり、或いは、シリコン負極にリチウムを保持させたりすることが検討されている(非特許文献2)。 When these sulfur-based positive electrode materials are used as a battery, unlike conventional oxide positive electrodes, the fact that the positive electrode does not contain lithium is a problem in assembling the battery. Therefore, it has been studied to add lithium to the sulfur-based positive electrode, to configure the negative electrode with lithium itself, or to have the silicon negative electrode hold lithium (Non-Patent Document 2).

硫黄系正極材料を用いる場合、容量の大きな負極が必要となる。負極はこれまでグラファイトが用いられてきたが、高容量正極に対して負極に用いた場合は、これまでより大きな目付(めつけ:単位面積当たりの活物質充填量、mg/cm)が必要となり、嵩張ることから電池に求められるエネルギー密度が低下するため、望ましくない。When a sulfur-based positive electrode material is used, a negative electrode having a large capacity is required. Graphite has been used for the negative electrode so far, but when it is used for the negative electrode for a high-capacity positive electrode, a larger grain size (meshing: active material filling amount per unit area, mg / cm 2 ) is required. This is not desirable because it is bulky and the energy density required for the battery is reduced.

リチウムを持たない高容量の硫黄系正極材料を電池として用いる場合、同じく大容量の負極であるリチウム箔やシリコンが望まれている。シリコンもリチウムをもたないためシリコンにリチウムをまえもってドープした電極、シリコン負極とリチウム箔を電池容器に同梱して電解液の注入によりシリコンおよび正極にリチウムをドープする方法により利用されている。しかし、有機電解液を用いたシリコンへ電気化学的にリチウムをドープしたのちに、電解液を除去し、全固体電池に組み込む方法がなされてきたが、時間とプロセスコストがかかる点に課題がある。 When a high-capacity sulfur-based positive electrode material that does not have lithium is used as a battery, lithium foil or silicon, which is also a large-capacity negative electrode, is desired. Since silicon also does not have lithium, it is used by a method in which an electrode in which lithium is doped in advance, a silicon negative electrode and a lithium foil are bundled in a battery container, and the silicon and the positive electrode are doped with lithium by injecting an electrolytic solution. However, a method has been made in which lithium is electrochemically doped into silicon using an organic electrolytic solution, then the electrolytic solution is removed and incorporated into an all-solid-state battery, but there is a problem in that time and process cost are required. ..

全固体電池の電極は、活物質と固体電解質および導電助剤を混合し、ゴム系バインダー等と混合してヘプタンなどの溶媒で混合したスラリーをグローブボックス中でアルミ箔または銅箔などの基材に塗工する方法が行われている。これらの作業は固体電解質が水分により劣化してしまうため高価なグローブボックス環境で行われており、設備や操作に制約を受ける。一方、通常の塗工した電極は、容量の大きな活物質を扱う場合ポリイミド等をバインダーとして作製され、固体電解質を含んでいないので、全固体電池に組み込んだ場合リチウムイオンを拡散させることに困難があると考えられてきた。グローブボックス外での通常の方法により電極が作製できれば製造上大きな利点となる。 For the electrodes of an all-solid-state battery, a slurry in which an active material, a solid electrolyte, and a conductive auxiliary agent are mixed, mixed with a rubber-based binder, etc., and mixed with a solvent such as heptane is mixed in a glove box as a base material such as aluminum foil or copper foil. The method of coating is done. These operations are performed in an expensive glove box environment because the solid electrolyte is deteriorated by moisture, and are restricted by equipment and operation. On the other hand, ordinary coated electrodes are manufactured using polyimide or the like as a binder when handling a large-capacity active material and do not contain a solid electrolyte, so that it is difficult to diffuse lithium ions when incorporated into an all-solid-state battery. It has been thought that there is. It would be a great manufacturing advantage if the electrodes could be manufactured by the usual method outside the glove box.

電解質が固体である全固体電池においては、電極と固体電解質の接触が重要である。固体電解質にリチウムを蒸着する方法や、粉末リチウムなどでは動作する場合もあったが、固体電解質とリチウム箔では電池として動作が困難であるといわれていた。 In an all-solid-state battery in which the electrolyte is solid, contact between the electrode and the solid electrolyte is important. In some cases, the method of depositing lithium on a solid electrolyte or powdered lithium could be used, but it was said that it was difficult to operate as a battery with a solid electrolyte and lithium foil.

こうした固体電解質を用いた全固体電池において、正極にリチウムを含有させる、リチウム箔を負極として用いる、シリコン負極にリチウムを簡便な方法で含有させる、或いは、通常の方法で作製した電極を全固体電池に組み込む、等といった態様が可能になれば、容量が大きく、安全性が高く、また、低コストの全固体リチウムイオン二次電池を構築することができる。 In an all-solid-state battery using such a solid electrolyte, an electrode containing lithium in a positive electrode, using a lithium foil as a negative electrode, containing lithium in a silicon negative electrode by a simple method, or an electrode manufactured by a normal method is used as an all-solid-state battery. If it becomes possible to incorporate it into an all-solid-state lithium-ion secondary battery, it is possible to construct an all-solid-state lithium-ion secondary battery having a large capacity, high safety, and low cost.

そこで、アルコールを原料として硫黄と加熱還流することにより高容量の硫黄系正極材料を作製することが報告されている(非特許文献4)。 Therefore, it has been reported that a high-capacity sulfur-based positive electrode material is produced by heating and refluxing alcohol with sulfur as a raw material (Non-Patent Document 4).

さらに、シリコン負極の全固体電池への利用も提案されている(非特許文献5)。 Further, it has been proposed to use a silicon negative electrode for an all-solid-state battery (Non-Patent Document 5).

しかしながら、より放電容量の大きな全固体電池や、そのための負極が求められているというのが実情であった。 However, the reality is that there is a demand for an all-solid-state battery with a larger discharge capacity and a negative electrode for that purpose.

日本国特許第5164286号公報Japanese Patent No. 5164286 日本国特許第5142162号公報Japanese Patent No. 5142162 国際公開第2010/044437号International Publication No. 2010/0444437 日本国特許第6206900号公報Japanese Patent No. 6206900

J. E. Trevey et al., J. Electrochem. Soc., 159, A1019 (2012).J. E. Trevey et al., J. Electrochem. Soc., 159, A1019 (2012). 境哲男監修「レアメタルフリー二次電池の最新技術動向」シーエムシー出版(2013)Supervised by Tetsuo Sakai "Latest Technology Trends in Rare Metal Free Secondary Batteries" CMC Publishing (2013) X. Ji et al., Nat. Mater., 8, 500 (2009).X. Ji et al., Nat. Mater., 8, 500 (2009). T. Takeuchi et al., J. Electrochem. Soc., 164, A6288 (2017).T. Takeuchi et al., J. Electrochem. Soc., 164, A6288 (2017). N. Machida et al., Solid State Ionics, 176, 473-479 (2005).N. Machida et al., Solid State Ionics, 176, 473-479 (2005).

上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、放電容量の大きな全固体電池、及び全固体電池用の負極を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having a large discharge capacity and a negative electrode for an all-solid-state battery.

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、正極、固体電解質、及び負極を所定の材料で構成することで放電容量の大きな電池を得ることができることを見出した。本発明者らは、かかる知見に基づきさらに研究を重ね、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventors have found that a battery having a large discharge capacity can be obtained by constituting the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode with predetermined materials. The present inventors have further studied based on such findings, and have completed the present invention.

即ち、本発明は、以下の全固体電池及び負極を提供する。
項1.
有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質、及び、リチウム層を有する負極を備えることを特徴とする、全固体電池。
項2.
前記正極は、ポリイミド系樹脂バインダーを含有する、項1に記載の全固体電池。
項3.
前記リチウム層を有する負極は、前記リチウム層並びに、
銅、チタン及びステンレスからなる群より選択される1種以上を含む遷移金属層との積層体であり、
前記リチウム層は、前記硫化物系固体電解質と前記遷移金属層との間に設けられている、項1又は2に記載の全固体電池。
項4.
基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られることを特徴とする、負極。
項5.
ポリイミド系樹脂バインダーを含有する有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物系固体電解質、及び項4に記載の負極を有する、全固体電池。
項6.
前記硫化物系固体電解質は、ゴム系バインダーを含有する、項5に記載の全固体電池。
That is, the present invention provides the following all-solid-state battery and negative electrode.
Item 1.
An all-solid-state battery comprising an organic sulfur-based positive electrode, a sulfide-based solid electrolyte containing chlorine and / or bromine, and a negative electrode having a lithium layer.
Item 2.
Item 2. The all-solid-state battery according to Item 1, wherein the positive electrode contains a polyimide resin binder.
Item 3.
The negative electrode having the lithium layer includes the lithium layer and the negative electrode.
It is a laminate with a transition metal layer containing one or more selected from the group consisting of copper, titanium and stainless steel.
Item 2. The all-solid-state battery according to Item 1 or 2, wherein the lithium layer is provided between the sulfide-based solid electrolyte and the transition metal layer.
Item 4.
A negative electrode, which is obtained by applying molten lithium to a silicon particle-containing polyimide resin binder layer provided on one side of a base material.
Item 5.
An all-solid-state battery having an organic sulfur-based positive electrode containing a polyimide resin binder, a sulfide-based solid electrolyte containing chlorine and / or bromine, and a negative electrode according to Item 4.
Item 6.
Item 5. The all-solid-state battery according to Item 5, wherein the sulfide-based solid electrolyte contains a rubber-based binder.

本発明に係る全固体電池及び負極によれば、放電容量の大きな全固体電池を得ることができる。 According to the all-solid-state battery and the negative electrode according to the present invention, an all-solid-state battery having a large discharge capacity can be obtained.

実施例1の全固体電池の断面概略図。The sectional view of the all-solid-state battery of Example 1. FIG. 実施例1の全固体電池の充放電曲線。Charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 1. 比較例1の電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the battery of Comparative Example 1. 実施例2の全固体電池の断面概略図。The sectional view of the all-solid-state battery of Example 2. FIG. 実施例2の全固体電池の充放電曲線。Charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 2. 実施例3の全固体電池の充放電曲線。Charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 3. 比較例2の全固体電池の充放電曲線。Charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Comparative Example 2. 実施例4の全固体電池の断面概略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 4. 実施例4の全固体電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 4. 実施例5の全固体電池の断面概略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 5. 実施例5の全固体電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 5. 実施例6の全固体電池の断面概略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 6. 実施例6の全固体電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 6. 実施例7の全固体電池の断面概略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 7. 実施例7の全固体電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 7. 実施例8の全固体電池の断面外略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 8. 実施例8の全固体電池の充放電曲線。The charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 8. 実施例9の全固体電池の断面外略図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-state battery of Example 9. 実施例9の全固体電池の充放電曲線。Charge / discharge curve of the all-solid-state battery of Example 9.

(全固体電池)
本発明の全固体電池は、有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質、及び、リチウム層を有する負極を備えることを特徴とする。なお、本明細書において、「A~B」との態様で数値範囲を示す場合、その両端の数値A及びBを含むものと定義する。また、本発明の全固体電池には、使用する材料に応じて、全固体リチウム二次電池、及び全固体リチウム-硫黄二次電池などが包含され、勿論これらに限定されない。
(All solid state battery)
The all-solid-state battery of the present invention is characterized by comprising an organic sulfur-based positive electrode, a sulfide-based solid electrolyte containing chlorine and / or bromine, and a negative electrode having a lithium layer. In addition, in this specification, when a numerical value range is shown in the aspect of "A to B", it is defined as including the numerical values A and B at both ends thereof. Further, the all-solid-state battery of the present invention includes, and is not limited to, an all-solid-state lithium secondary battery, an all-solid-state lithium-sulfur secondary battery, and the like, depending on the material used.

有機硫黄系正極
有機硫黄系正極としては、ポリアクリロニトリル、ピッチ、ゴム、アントラセン、アミン類、ポリエチレングリコール、カルボン酸、直鎖アルコール等を原料とした材料を使用して得ることが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。とりわけ、直鎖アルコールを硫黄と還流熱処理することにより得られたコンポジット(硫化1-ノナノール)を材料として有機硫黄系正極を構成することが好ましい。
Organic sulfur-based positive electrode The organic sulfur-based positive electrode can be obtained by using a material made of polyacrylonitrile, pitch, rubber, anthracene, amines, polyethylene glycol, carboxylic acid, linear alcohol and the like as raw materials. These can be used alone or in combination of two or more. In particular, it is preferable to construct an organic sulfur-based positive electrode using a composite (1-nonanol sulfide) obtained by reflux heat-treating a linear alcohol with sulfur as a material.

上記の有機硫黄系正極の製造に使用する材料(以下、有機硫黄系正極材料ともいう。)は、原料を硫黄と接触させ290~310℃で加熱することにより得られるものが好ましく、アモルファス状であることが好ましい。ポリマーとしての性質があり、元素組成は知られているものの、構造等は不明である。 The material used for producing the above-mentioned organic sulfur-based positive electrode (hereinafter, also referred to as an organic sulfur-based positive electrode material) is preferably obtained by contacting the raw material with sulfur and heating at 290 to 310 ° C., and is in an amorphous state. It is preferable to have. Although it has properties as a polymer and its elemental composition is known, its structure and the like are unknown.

有機硫黄系正極材料は、密度1.6~2.0g/cm(より好ましくは、密度1.7~1.9g/cm)の比較的密度の低い黒色固体であることが好ましい。酸化物系正極材料と異なり、酸素を実質的に含有しないため、充電状態で200℃以上となっても酸素を放出して有機電解液を燃焼させて火災を引き起こすことはない。また、300℃の高温でも分解しづらく、安定性が高い。The organic sulfur-based positive electrode material is preferably a relatively low-density black solid having a density of 1.6 to 2.0 g / cm 3 (more preferably 1.7 to 1.9 g / cm 3 ). Unlike the oxide-based positive electrode material, since it does not substantially contain oxygen, it does not release oxygen and burn the organic electrolyte to cause a fire even when the temperature reaches 200 ° C. or higher in a charged state. In addition, it is difficult to decompose even at a high temperature of 300 ° C. and has high stability.

また、有機硫黄系正極材料を使用した正極を用いて全固体電池を構成することにより、充分な放電容量を有する全固体電池を得ることができる。正極を製造する際にLiCoO2、LiNi0.333Co0.333Mn0.333O2,およびLiNi0.8Co0.15Al0.05O2等の酸化物系正極材料を使用した場合、得られる全固体電池の充分な放電容量を確保することができない。Further, by constructing an all-solid-state battery using a positive electrode using an organic sulfur-based positive electrode material, an all-solid-state battery having a sufficient discharge capacity can be obtained. Sufficient discharge capacity of the resulting all-solid-state battery when oxide-based positive electrode materials such as LiCo O 2 , LiNi 0.333 Co 0.333 Mn 0.333 O 2 , and LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 are used in the production of the positive electrode. Cannot be secured.

一方で、有機硫黄系正極材料は、導電性が10-8~10-10S/cmと低いため、アセチレンブラック等をさらに導電助剤として使用し、正極を構成することも好ましい。On the other hand, since the organic sulfur-based positive electrode material has a low conductivity of 10-8 to 10-10 S / cm, it is also preferable to use acetylene black or the like as a conductive auxiliary agent to form a positive electrode.

これらの材料は、容量が大きいためリチウムの吸蔵放出量が比較的大きく、このため膨張収縮量が大きい。強固なポリイミドバインダーにおいては、従来のPVDF等のバインダーに比べて正極の破壊が起きづらく、高容量特性が長期の使用が可能である。現状全固体電池においては、硫化物系固体電解質と反応しにくい低極性溶媒(固体電解質に強く結合する酸素や水酸基を有しない)によりゴム系バインダーと固体電解質をスラリーとして大面積電極が塗工により作製されている。このような電極の作製方法では、膨張収縮の激しい硫黄系正極材料の利用は困難であることから、ポリイミド系樹脂バインダーを用いて製造された正極が利用できれば、全固体電池の工業化に寄与することとなる。 Since these materials have a large capacity, the amount of lithium stored and released is relatively large, and therefore the amount of expansion and contraction is large. In a strong polyimide binder, the positive electrode is less likely to be broken as compared with a conventional binder such as PVDF, and high capacity characteristics can be used for a long period of time. Currently, in all-solid-state batteries, a large-area electrode is coated with a rubber-based binder and a solid electrolyte as a slurry using a low-polarity solvent that does not easily react with sulfide-based solid electrolytes (does not have oxygen or hydroxyl groups that strongly bind to solid electrolytes). It has been made. Since it is difficult to use a sulfur-based positive electrode material with severe expansion and contraction in such an electrode manufacturing method, if a positive electrode manufactured using a polyimide resin binder can be used, it will contribute to the industrialization of all-solid-state batteries. It becomes.

有機硫黄系正極材料およびシリコンを通常の有機溶媒系電解液で使用する場合、その容量が大きいことから酸化物系正極と比べると単位重量当たり5倍前後のリチウムが出入りし、材料粒子の膨張・収縮が充放電に伴って起きる。この体積変化のため電極内で粒子をつなぎとめていたバインダーの破壊が起き、電極粒子と導電助剤との接触が妨げられることから電極特性が損なわれる。そこで、電極の破壊が起きないような強固な結合をもつポリイミド系樹脂をバインダーとして用いることが、好ましい。 When an organic sulfur-based positive electrode material and silicon are used in a normal organic solvent-based electrolytic solution, lithium is about 5 times per unit weight in and out of the oxide-based positive electrode due to its large capacity, and the material particles expand. Shrinkage occurs with charge and discharge. Due to this volume change, the binder that holds the particles in the electrode is destroyed, and the contact between the electrode particles and the conductive auxiliary agent is hindered, so that the electrode characteristics are impaired. Therefore, it is preferable to use a polyimide resin having a strong bond so that the electrode is not broken as a binder.

ポリイミド系樹脂バインダーとしては、全固体電池を含む二次電池の製造に使用される公知のポリイミド系樹脂バインダーを、広く使用することができる。 As the polyimide resin binder, a known polyimide resin binder used for manufacturing a secondary battery including an all-solid-state battery can be widely used.

具体的には、下記一般式(I)で表わされるような、デュポン社のカプトンH(登録商標)や、また、市販IST社のスカイボンド(登録商標)、ドリームボンド(登録商標)を挙げることができ、勿論これらに限定されない。後述するポリイミドの構成要素であるジアミンと酸無水物のうち、ポリイミド化したのち固体電解質と反応する-OHや-NH等の極性基を有しないような分子を組み合わせることでポリイミド前駆体であるポリアミック酸を構成することができ、かかるポリイミド系樹脂バインダーも好適に使用することが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。 Specific examples include Kapton H (registered trademark) of DuPont, Skybond (registered trademark) and Dreambond (registered trademark) of commercial IST, as represented by the following general formula (I). Of course, it is not limited to these. Of the diamines and acid anhydrides that are the constituent elements of polyimide, which will be described later, polyamics, which are polyimide precursors, are combined by combining molecules that do not have polar groups, such as -OH and -NH, that react with solid electrolytes after being polyimideized. An acid can be formed, and such a polyimide-based resin binder can also be preferably used. These can be used alone or in combination of two or more.

Figure 0007074362000001
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尚、上記カプトンH(登録商標)の製造に際しては、公知の方法を広く採用することが可能であり、例えば、次のようにして製造することができる。下記一般式(II)で表わされる4,4'-Diaminodiphenyl Etherと、下記一般式(III)で表わされる1,2,4,5-Benzenetetracarboxylic Dianhydrideを1対1のモル比で秤量し、それぞれ1-Methyl-2-pyrrolidoneのような有機溶媒中に溶かしてから混合し、アミノ基と2つあるカルボキシル基の1つとが結合をつくった(-CO-NH-)ポリアミック酸を作製する。この状態では粘り気のある溶液であって、電極塗工に好ましい粘度をあたえる。電極材料75~85質量パーセントにポリアミック酸(原料質量で)10~20質量パーセント、導電助剤としてアセチレンブラックを1~10質量パーセントで混合し、正極ならアルミ箔、負極なら銅箔に塗工し、乾燥後、アルミ箔なら不活性ガス雰囲気、銅箔なら水素雰囲気で250~300℃で30分~2時間焼成すると、ポリアミック酸から水が脱離して近接するカルボキシル基2つがアミノ基と結合しイミド結合(-CO-N-CO-)となることでポリイミドに変化し、ポリイミド塗工電極を作製することができる。 In the production of the above-mentioned Kapton H (registered trademark), a known method can be widely adopted, and for example, it can be produced as follows. The 4,4'-Diaminodiphenyl Ether represented by the following general formula (II) and the 1,2,4,5-Benzenetetracarboxylic Dianhydride represented by the following general formula (III) are weighed at a molar ratio of 1: 1 and 1 each. -Dissolve in an organic solvent such as Methyl-2-pyrrolidone and then mix to create a (-CO-NH-) polyamic acid in which the amino group and one of the two carboxyl groups form a bond. In this state, it is a viscous solution and gives a preferable viscosity to the electrode coating. A polyamic acid (by mass of raw material) of 10 to 20% by mass and acetylene black as a conductive auxiliary agent are mixed at 75 to 85% by mass of the electrode material at 1 to 10% by mass, and coated on aluminum foil for the positive electrode and copper foil for the negative electrode. After drying, when the aluminum foil is fired in an inert gas atmosphere and the copper foil is fired in a hydrogen atmosphere at 250 to 300 ° C. for 30 minutes to 2 hours, water is desorbed from the polyamic acid and two adjacent carboxyl groups are bonded to the amino group. By forming an imide bond (-CO-N-CO-), it changes to polyimide, and a polyimide coated electrode can be manufactured.

Figure 0007074362000002
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Figure 0007074362000003
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ポリイミド系樹脂バインダーの含有量は、例えば、正極100質量部あたり、10~20質量部とすることが好ましい。かかる構成を有することにより、充放電特性の良い全固体電池を得ることができる。 The content of the polyimide resin binder is preferably, for example, 10 to 20 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode. By having such a configuration, an all-solid-state battery having good charge / discharge characteristics can be obtained.

正極の厚みは、目付量を増加させるために、5μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。一方、固体電解質との良好な接触を確保するため、正極の厚みは、20μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the positive electrode is preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm or more in order to increase the basis weight. On the other hand, in order to ensure good contact with the solid electrolyte, the thickness of the positive electrode is preferably 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less.

硫化物固体電解質
硫化物固体電解質としては、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物固体電解質であれば特に限定はなく、Li6PS5ClやLi6PS5Brなどを使用することが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。塩素も臭素も含有しない硫化物固体電解質を使用して全固体電池を作製した場合、後述する負極の材質によっては、電極での充放電を阻害する界面を形成する場合がある。中でも、導電性が高くリチウム金属への耐性が高いという理由から、塩素及び/又は臭素を含有するArgyrodite型構造を有する硫化物固体電解質を使用することが、好ましい。
Solid sulfide electrolyte The solid sulfide electrolyte is not particularly limited as long as it is a sulfide solid electrolyte containing chlorine and / or bromine, and Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, etc. can be used. be. These can be used alone or in combination of two or more. When an all-solid-state battery is manufactured using a sulfide solid electrolyte containing neither chlorine nor bromine, an interface that hinders charging / discharging at the electrode may be formed depending on the material of the negative electrode described later. Above all, it is preferable to use a sulfide solid electrolyte having an Argyrodite type structure containing chlorine and / or bromine because of its high conductivity and high resistance to lithium metal.

また、上記の例示した塩素及び/又は臭素を含有する硫化物固体電解質(以下、単に固体電解質ともいう。)の中でも、導電率が比較的良く、希少元素の使用量が比較的少なく、そして合成が容易であることから、Li6PS5ClおよびLi6PS5Brの何れか又は双方を使用することが特に好ましい。またLi6PS5ClおよびLi6PS5Brは、後述する負極においてリチウム箔を使用した際にリチウム箔に安定した動作を示すため、特に持続性の高い充放電を行うことが可能になる。Further, among the above-exemplified sulfide solid electrolytes containing chlorine and / or bromine (hereinafter, also simply referred to as solid electrolytes), the conductivity is relatively good, the amount of rare elements used is relatively small, and synthesis is performed. It is particularly preferable to use either or both of Li 6 PS 5 Cl and Li 6 PS 5 Br because of the ease of use. In addition, Li 6 PS 5 Cl and Li 6 PS 5 Br show stable operation on the lithium foil when the lithium foil is used in the negative electrode described later, so that it is possible to perform charge / discharge with particularly high sustainability.

固体電解質は、280~320MPaの圧力で粒界消失し、高い導電性を発現することができる。実験室での電解質は、10mmΦの金属管もしくは、ポリエチレンテレフタレート管中において90~110mgを130~150MPaの圧力でダイスにより押し固め、その片面に正極を、もう片面に負極を290~310MPa(10mmΦに2t)の圧力で圧着させることにより電池を構築することが可能となる。 The solid electrolyte disappears at grain boundaries at a pressure of 280 to 320 MPa and can exhibit high conductivity. The electrolyte in the laboratory is 90 to 110 mg in a 10 mmΦ metal tube or polyethylene terephthalate tube pressed with a die at a pressure of 130 to 150 MPa, with a positive electrode on one side and a negative electrode on the other side at 290 to 310 MPa (10 mmΦ). It is possible to construct a battery by crimping with a pressure of 2t).

固体電解質は塗工によりシート化、もしくは、電極上に固体電解質を塗工することで薄くすることが好ましい。塗工を行うことにより、電池の重量と、電極活物質量とのバランスを良好に保つことができる。Li6PS5Cl及びLi6PS5Brの何れか又は双方を100mgヘプタンと乳鉢で混合しゴム系バインダー(MP-10)3mgをヘプタンに溶解させた液を加え、スラリーを作製することが好ましい。このスラリーを、後述する有機硫黄系正極材料とポリイミドをバインダーとして作製した電極に塗工することで、電極-電解質薄層体を作製することができる。It is preferable that the solid electrolyte is made into a sheet by coating or thinned by coating the solid electrolyte on the electrode. By performing the coating, it is possible to maintain a good balance between the weight of the battery and the amount of the electrode active material. It is preferable to prepare a slurry by mixing either or both of Li 6 PS 5 Cl and Li 6 PS 5 Br with 100 mg heptane in a mortar and adding a solution in which 3 mg of a rubber binder (MP-10) is dissolved in heptane. .. By applying this slurry to an electrode prepared by using an organosulfur-based positive electrode material and polyimide as a binder, which will be described later, an electrode-electrolyte thin layer can be produced.

固体電解質は、固体でありながら電位の低い負極と、電位の高い正極の間にあってリチウムイオンのみを伝導させることができる。硫化物系固体電解質は、一般的に用いられる酸化物系正極とは良好な界面を形成しないため、LiNbO3等の種々のコーティングを正極材料粒子に施すことが好ましいが、有機硫黄系正極材料には特段のコーティングを施さなくとも円滑な充放電を行うことができる。The solid electrolyte is solid but can conduct only lithium ions between a negative electrode having a low potential and a positive electrode having a high potential. Since the sulfide-based solid electrolyte does not form a good interface with the generally used oxide-based positive electrode, it is preferable to apply various coatings such as LiNbO 3 to the positive electrode material particles, but the organic sulfur-based positive electrode material is used. Can perform smooth charging and discharging without any special coating.

また、固体電解質により実質的に構成される固体電解質部は、固体電解質以外に、バインダーを含んでいてもよい。ここで使用されるバインダーとしては、全固体電池の固体電解質の製造に使用されるバインダーとして公知のものを広く使用することができる。具体的には、ゴム系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンジフルオライドなどを挙げることができる。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。但し、使用時の耐久性の観点から、ゴム系バインダーを使用することが好ましい。かかるゴム系バインダーとしては、公知のゴム系バインダーを広く採用することができる。 Further, the solid electrolyte portion substantially composed of the solid electrolyte may contain a binder in addition to the solid electrolyte. As the binder used here, a binder known as a binder used for producing a solid electrolyte of an all-solid-state battery can be widely used. Specific examples thereof include rubber-based binders, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene difluoride and the like. These can be used alone or in combination of two or more. However, from the viewpoint of durability during use, it is preferable to use a rubber-based binder. As such a rubber-based binder, a known rubber-based binder can be widely adopted.

この際、バインダーの配合量は、イオン電導を妨げないようにするために、固体電解質部100質量部あたり、バインダーの固形分換算で、1~3質量部とすることが好ましい。 At this time, the blending amount of the binder is preferably 1 to 3 parts by mass in terms of the solid content of the binder per 100 parts by mass of the solid electrolyte portion so as not to interfere with the ion conduction.

固体電解質により実質的に構成される固体電解質部の厚みは、電池の電気抵抗を低減させるために、0.04~0.3mmとすることが好ましく、0.05~0.1mmとすることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte portion substantially composed of the solid electrolyte is preferably 0.04 to 0.3 mm, preferably 0.05 to 0.1 mm, in order to reduce the electric resistance of the battery. More preferred.

負極1(リチウム箔型又は遷移金属層へのリチウム塗布型)
本発明の全固体電池は、リチウム層を有する負極1を備える。リチウム層を構成するリチウムの純度は、99質量%以上の純度であることが好ましい。不純物としては、Na、K、Al、Ca、Fe、Si、N等を挙げることができ、勿論これらに限定されない。リチウム純度の上限としては特に制限はなく、例えば100質量%であってもよい。
Negative electrode 1 (lithium foil type or lithium coating type on transition metal layer)
The all-solid-state battery of the present invention includes a negative electrode 1 having a lithium layer. The purity of lithium constituting the lithium layer is preferably 99% by mass or more. Examples of the impurities include, but are not limited to, Na, K, Al, Ca, Fe, Si, N and the like. The upper limit of the lithium purity is not particularly limited, and may be, for example, 100% by mass.

リチウム層の厚みは、作製上の取り扱いやすさという理由から、0.005mm以上であることが好ましく、0.01mm以上であることがより好ましい。一方、圧縮時に貫入による短絡を防ぐという理由から、リチウム層の厚みは、0.1mm以下であることが好ましく、0.05mm以下であることがより好ましい。 The thickness of the lithium layer is preferably 0.005 mm or more, and more preferably 0.01 mm or more, because it is easy to handle in manufacturing. On the other hand, the thickness of the lithium layer is preferably 0.1 mm or less, and more preferably 0.05 mm or less, for the reason of preventing a short circuit due to penetration during compression.

リチウム層の形成方法は、公知の方法により形成することができ、特に限定はない。具体的には、リチウム箔を使用し、該リチウム箔自体をリチウム層として構成してもよいし、溶融リチウムを後述する遷移金属層に塗布する等の方法でリチウム層を形成してもよい。 The method for forming the lithium layer can be formed by a known method, and is not particularly limited. Specifically, a lithium foil may be used, and the lithium foil itself may be configured as a lithium layer, or the lithium layer may be formed by a method such as applying molten lithium to a transition metal layer described later.

また、本発明の全固体電池における負極1は、上述のリチウム層と、より導電率を有する遷移金属層との積層体であることが好ましい。ここで、リチウム箔は、硫化物系固体電解質と遷移金属層との間に設けられることが好ましい。遷移金属層に含まれる金属としては、リチウムと合金を形成しづらい金属であれば特に限定はなく、例えば、銅、チタン、及びステンレスからなる群より選択される1種以上であることが好ましく、もちろんこれらに限定されない。 Further, the negative electrode 1 in the all-solid-state battery of the present invention is preferably a laminate of the above-mentioned lithium layer and a transition metal layer having higher conductivity. Here, the lithium foil is preferably provided between the sulfide-based solid electrolyte and the transition metal layer. The metal contained in the transition metal layer is not particularly limited as long as it is a metal that is difficult to alloy with lithium, and is preferably one or more selected from the group consisting of, for example, copper, titanium, and stainless steel. Of course, it is not limited to these.

遷移金属層に含まれる銅、チタン及びステンレスからなる群より選択される1種以上の金属は、例えば、遷移金属層中に99質量%以上含まれることが好ましい。尚、本明細書において、遷移金属層中にステンレスが99質量%以上含まれるとは、遷移金属層中にステンレス鋼を構成する成分が99質量%以上含まれる(換言すれば、後述する不純物が遷移金属層中に1質量%未満である。)ことであると定義される。不純物としては、例えば、Ag、Sn等を挙げることができ、勿論これらに限定されない。銅の純度の上限としては特に制限はなく、例えば100質量%であってもよい。 One or more metals selected from the group consisting of copper, titanium and stainless steel contained in the transition metal layer are preferably contained in, for example, 99% by mass or more in the transition metal layer. In the present specification, when the transition metal layer contains 99% by mass or more of stainless steel, the transition metal layer contains 99% by mass or more of the components constituting the stainless steel (in other words, impurities described later are contained. It is defined as less than 1% by weight in the transition metal layer). Examples of impurities include, for example, Ag, Sn, and the like, and of course, the impurities are not limited thereto. The upper limit of the purity of copper is not particularly limited, and may be, for example, 100% by mass.

遷移金属層の厚みは、充放電に伴う変形応力に耐えるようにするために、0.005mm以上であることが好ましく、0.01mm以上であることがより好ましい。一方、重量当たりのエネルギーを考慮し、0.03mm以下であることが好ましく、0.02mm以下であることがより好ましい。 The thickness of the transition metal layer is preferably 0.005 mm or more, more preferably 0.01 mm or more, in order to withstand the deformation stress associated with charging and discharging. On the other hand, considering the energy per weight, it is preferably 0.03 mm or less, and more preferably 0.02 mm or less.

遷移金属層の形成方法としては、公知の方法を広く採用することが可能であり、特に限定はない。具体的には、遷移金属箔を積層する方法を挙げることができる。 As a method for forming the transition metal layer, a known method can be widely adopted, and there is no particular limitation. Specifically, a method of laminating transition metal foils can be mentioned.

ここで、遷移金属層に含まれる遷移金属としては、上記したもの以外に、ニッケル及び/又はインジウムを採用しても、一定の放電容量を有する全固体電池を得ることは可能である。 Here, even if nickel and / or indium are used as the transition metal contained in the transition metal layer in addition to those described above, it is possible to obtain an all-solid-state battery having a constant discharge capacity.

また、上記遷移金属層に替えてカーボン層を使用しても、一定の放電容量を有する全固体電池を得ることができると考えられる。しかし、放電容量の大きな有機硫黄系正極材料であっても、リチウム層の支持体に上記遷移金属層を採用すれば、負極を嵩低く構成できるという利点があるため、設計上からも、上記遷移金属層を採用することが好ましい。 Further, it is considered that an all-solid-state battery having a constant discharge capacity can be obtained even if a carbon layer is used instead of the transition metal layer. However, even if the organic sulfur-based positive electrode material has a large discharge capacity, if the transition metal layer is used for the support of the lithium layer, there is an advantage that the negative electrode can be configured in a bulky manner. It is preferable to use a metal layer.

(負極2及び該負極を使用した全固体電池)
負極2(樹脂バインダー層へのリチウム塗布型)
また、本発明の負極2は、基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られることを特徴とする。
(Negative electrode 2 and all-solid-state battery using the negative electrode)
Negative electrode 2 (lithium coating type on resin binder layer)
Further, the negative electrode 2 of the present invention is characterized in that it is obtained by applying molten lithium to a silicon particle-containing polyimide resin binder layer provided on one side of a base material.

基材としては、二次電池の負極に使用される公知の基材を広く使用することができる。具体的には、銅、ステンレス、チタン、ニッケル等を使用することができる。中でも、取り扱いやすさやコスト面を考慮し、銅を使用することが好ましい。基材の材料としては、上記した中から1種単独の金属を使用してもよいが、2種以上の金属からなる合金として使用してもよい。 As the base material, a known base material used for the negative electrode of the secondary battery can be widely used. Specifically, copper, stainless steel, titanium, nickel and the like can be used. Above all, it is preferable to use copper in consideration of ease of handling and cost. As the material of the base material, one of the above-mentioned metals may be used alone, or an alloy composed of two or more kinds of metals may be used.

基材の厚さは、重量低減と充放電に伴う変形応力に耐えるようにするために、0.005~0.02mmとすることが好ましい。 The thickness of the base material is preferably 0.005 to 0.02 mm in order to reduce the weight and withstand the deformation stress associated with charging and discharging.

シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層は、ポリイミド系樹脂をバインダーとして、シリコン粒子を略均一に分散させたものを基材の片面に付着させることにより、得ることができる。ここで、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に含まれるシリコン粒子とポリイミド系樹脂バインダーの含有比率は、質量比にして(シリコン粒子):(固形成分換算でのポリイミド系樹脂バインダー)=7:1~4:1が好ましい。かかる比率で配合されていることにより、膨張する活物質による電極の破壊を防ぐことができる。 The silicon particle-containing polyimide resin binder layer can be obtained by using a polyimide resin as a binder and adhering a material in which silicon particles are substantially uniformly dispersed to one side of a base material. Here, the content ratio of the silicon particles contained in the polyimide resin binder layer containing silicon particles to the polyimide resin binder is the mass ratio (silicon particles): (polyimide resin binder in terms of solid component) = 7: 1. ~ 4: 1 is preferable. By blending in such a ratio, it is possible to prevent the electrode from being destroyed by the expanding active material.

ポリイミド系樹脂バインダーとしては、上述したものと同様のものを使用することができる。 As the polyimide resin binder, the same ones as those described above can be used.

シリコン粒子の粒径は、0.03~5マイクロメートルが好ましく、0.05~1マイクロメートルがより好ましい。かかる数値範囲とすることにより、膨張による電極の破壊を防ぐことができる。尚、シリコン粒子の粒径は、XRDのピークの半値幅を解析することにより求めることができる。 The particle size of the silicon particles is preferably 0.03 to 5 micrometers, more preferably 0.05 to 1 micrometer. By setting this numerical range, it is possible to prevent the electrode from being destroyed due to expansion. The particle size of the silicon particles can be obtained by analyzing the half width of the peak of XRD.

シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層は、さらに、アセチレンブラックなどの導電助剤を含有してもよい。導電助剤としては、アセチレンブラックの他に、気相成長カーボンファイバー(具体的な製品として、昭和電工社の気相法炭素繊維VGCF(登録商標);Vapor Grown Carbon Fiberがある。)、多壁カーボンナノチューブ、ナノサイズカーボン(具体的な製品として、Timcal社のカーボン系導電助剤SuperP(登録商標)がある。)、カーボンナノファイバー、グラフェン等を挙げることができる。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。 The silicon particle-containing polyimide resin binder layer may further contain a conductive auxiliary agent such as acetylene black. As conductive aids, in addition to acetylene black, vapor phase growth carbon fiber (specific products include vapor phase method carbon fiber VGCF (registered trademark); Vapor Grown Carbon Fiber of Showa Denko Co., Ltd.) and multi-walled. Examples thereof include carbon nanotubes, nano-sized carbon (specific products include Timcal's carbon-based conductive auxiliary agent SuperP (registered trademark)), carbon nanofibers, and graphene. These can be used alone or in combination of two or more.

シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層中における導電助剤の含有量は、導電性の確保とイオン導電性を考慮し、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層100質量%中に、2~8質量%とすることが好ましい。 The content of the conductive auxiliary agent in the silicon particle-containing polyimide resin binder layer is 2 to 8% by mass in 100% by mass of the silicon particle-containing polyimide resin binder layer in consideration of ensuring conductivity and ionic conductivity. It is preferable to do so.

尚、基材上に上記シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層を設けるための方法としては、上述したポリイミド系樹脂バインダーにシリコン粒子、そして必要に応じて適宜アセチレンブラックを分散させた組成物を、基材に塗工することによって得ることができる。 As a method for providing the silicon particle-containing polyimide resin binder layer on the substrate, a composition in which silicon particles and, if necessary, acetylene black are appropriately dispersed in the polyimide resin binder described above is used as a base. It can be obtained by coating the material.

シリコンは、前述の硫黄系正極材料よりも容量が大きいためリチウムの吸蔵放出量が比較的大きく、このため膨張収縮量が大きい。従来のPVDF等のバインダーでは正極そのものの破壊が起きることから、強固なポリイミド系樹脂バインダーにおいて高容量特性が長期の使用を可能にしてきたという経緯があった。現状全固体電池においては、硫化物系固体電解質と反応しにくい低極性溶媒(固体電解質に強く結合する酸素や水酸基を有しない)によりゴム系バインダーと固体電解質をスラリーとして大面積電極が塗工により作製されている。このような電極の作製方法では、膨張収縮の激しい硫黄系正極材料正極やシリコン負極の利用は困難であることから、ポリイミド系樹脂バインダーを用いた従来方法で製作された電極が利用できれば、全固体電池の工業化に寄与することとなる。 Since silicon has a larger capacity than the above-mentioned sulfur-based positive electrode material, the amount of lithium stored and released is relatively large, and therefore the amount of expansion and contraction is large. Since the positive electrode itself is destroyed in the conventional binder such as PVDF, the high capacity characteristic of the strong polyimide resin binder has made it possible to use it for a long period of time. Currently, in all-solid-state batteries, a large-area electrode is coated with a rubber-based binder and a solid electrolyte as a slurry using a low-polarity solvent that does not easily react with sulfide-based solid electrolytes (does not have oxygen or hydroxyl groups that strongly bind to solid electrolytes). It has been made. In such an electrode manufacturing method, it is difficult to use a sulfur-based positive electrode material positive electrode or a silicon negative electrode that expands and contracts rapidly. Therefore, if an electrode manufactured by a conventional method using a polyimide resin binder can be used, it is an all-solid-state battery. It will contribute to the industrialization of batteries.

シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層の厚みは、電池の高容量化を考慮し、0.005mm以上とすることが好ましく、0.01mm以上とすることがより好ましい。また、固体電解質との接触について考慮し、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層の厚みは0.03mm以下とすることが好ましく、0.02mm以下とすることがより好ましい。 The thickness of the silicon particle-containing polyimide resin binder layer is preferably 0.005 mm or more, and more preferably 0.01 mm or more in consideration of increasing the capacity of the battery. Further, in consideration of contact with the solid electrolyte, the thickness of the silicon particle-containing polyimide resin binder layer is preferably 0.03 mm or less, and more preferably 0.02 mm or less.

本発明の負極2は、上記のシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られる。溶融させる温度は、リチウムの融点が180.5℃であることから185~220度とすることが好ましい。 The negative electrode 2 of the present invention is obtained by applying molten lithium to the above-mentioned silicon particle-containing polyimide resin binder layer. The melting temperature is preferably 185 to 220 ° C because the melting point of lithium is 180.5 ° C.

シリコンには、受け取ったリチウムを有効に利用できない欠点が存在している。初回放電時受け取ったリチウムの7割しか充電により取り出せず、以降その7割分のリチウムを正極とやり取りするため、使えなくなった3割分のリチウムを不可逆容量と呼ぶ。このシリコンの不可逆容量をあらかじめ解消する方法には、電解液中で電気化学的にリチウムと反応させ、不可逆反応分のリチウムと硫黄とのやり取りに使うリチウムをあらかじめ持たせておく、リチウムプリドープという方法が行われている。時間と手間と設備が必要となるため電池工業的に量産化が困難である。本発明の負極2は、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布するという構成を採用することにより、リチウムプリドープを達成している。 Silicon has the drawback that the received lithium cannot be used effectively. Only 70% of the lithium received at the time of initial discharge can be taken out by charging, and since 70% of the lithium is exchanged with the positive electrode, 30% of the lithium that can no longer be used is called irreversible capacity. The method of eliminating the irreversible capacity of silicon in advance is called lithium pre-doping, in which lithium is electrochemically reacted in the electrolytic solution and the lithium used for the exchange between the irreversible reaction lithium and sulfur is stored in advance. The method is done. Mass production is difficult in the battery industry because it requires time, effort and equipment. The negative electrode 2 of the present invention achieves lithium pre-doping by adopting a configuration in which molten lithium is applied to a silicon particle-containing polyimide resin binder layer.

シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを接触させることにより、シリコンポリイミド電極のシリコン粒子をシリコン-リチウム合金粒子に変化させることができる。粉末の合材電極と異なり、単位面積当たり質量が小さく、大面積化が可能で、これを全固体電池において有機硫黄系正極材料とともに全固体電池を構築することができる。 By bringing molten lithium into contact with the silicon particle-containing polyimide resin binder layer, the silicon particles of the silicon polyimide electrode can be changed into silicon-lithium alloy particles. Unlike the powder mixture electrode, the mass per unit area is small and the area can be increased, and this can be used to construct an all-solid-state battery together with an organic sulfur-based positive electrode material in an all-solid-state battery.

溶融リチウムの塗布量は、電池の目付量を増加させること、また、不可逆容量除去と正極容量とのバランスについても考慮し、0.2mg/cm2~1.2mg/cm2とすることが好ましい。The amount of molten lithium applied is preferably 0.2 mg / cm 2 to 1.2 mg / cm 2 in consideration of increasing the basis weight of the battery and the balance between the irreversible capacity removal and the positive electrode capacity.

溶融リチウムは塗布後、全てシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層中のシリコン粒子と合金を形成し、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層上にさらにリチウム層が形成されないような態様であってもよい。一方、充分量の溶融リチウムを塗布した場合には、シリコン粒子と合金を形成しない余剰のリチウムが、シリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層上にリチウム層を形成することになる。該リチウム層の量は、正極の不可逆容量を解消するためにこのリチウムを用いることを考慮して、0.03mg/cm2~0.5mg/cm2であることが好ましく、0.06mg/cm2~0.36mg/cm2であることがより好ましい。After coating, the molten lithium may form an alloy with the silicon particles in the silicon particle-containing polyimide resin binder layer, and the lithium layer may not be further formed on the silicon particle-containing polyimide resin binder layer. On the other hand, when a sufficient amount of molten lithium is applied, the surplus lithium that does not form an alloy with the silicon particles forms a lithium layer on the silicon particle-containing polyimide resin binder layer. The amount of the lithium layer is preferably 0.03 mg / cm 2 to 0.5 mg / cm 2 , preferably 0.06 mg / cm 2 to 0.36, in consideration of using this lithium to eliminate the irreversible capacity of the positive electrode. More preferably, it is mg / cm 2 .

ポリイミドをバインダーに用いて作製した電極は、合材電極のように比較的量比の多い固体電解質と粒子が緊密に接触しているわけではない。しかしながら、ポリイミドのポリマー鎖に含まれる酸素や窒素を伝ってイオンの移動がなされているためか、それとも硫化物系固体電解質のやわらかさにより、電解質粒子が電極の隙間に押し込められることなどにより、イオン電導が可能となる。 Electrodes made using polyimide as a binder do not have particles in close contact with a solid electrolyte having a relatively large amount ratio, unlike a mixture electrode. However, the ions are transferred through oxygen and nitrogen contained in the polymer chain of the polyimide, or the electrolyte particles are pushed into the gaps between the electrodes due to the softness of the sulfide-based solid electrolyte. Conduction is possible.

正極及び全固体電池
また本発明の負極(上記した負極1又は2)に、上述した正極を組み合わせた全固体電池とすることも、好ましい。
Positive electrode and all-solid-state battery It is also preferable to use an all-solid-state battery in which the above-mentioned positive electrode is combined with the negative electrode of the present invention (the above-mentioned negative electrode 1 or 2).

ここで使用する固体電解質としては、上述した塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質を使用することができる。その中でも、ゴム系バインダーを含むものが特に好ましい。ゴム系バインダーを使用することにより、固体電解質の表面劣化を防ぐことができる。 As the solid electrolyte used here, the above-mentioned sulfide-based solid electrolyte containing chlorine and / or bromine can be used. Among them, those containing a rubber-based binder are particularly preferable. By using a rubber-based binder, surface deterioration of the solid electrolyte can be prevented.

使用するゴム系バインダーは、二次電池の固体電解質に使用される公知のゴム系バインダーを使用することが可能であり、特に限定はない。具体的には、MP-10、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム等を使用することが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。 The rubber-based binder used can be a known rubber-based binder used for the solid electrolyte of the secondary battery, and is not particularly limited. Specifically, MP-10, isoprene rubber, styrene-butadiene rubber, nitrile rubber and the like can be used. These can be used alone or in combination of two or more.

この際、バインダーの配合量は、電解質層のシートとしての構造を保ちつつ添加による抵抗増加を抑制するという理由から、固体電解質部100質量部あたり、バインダーの固形分換算で、1~5質量部とすることが好ましい。 At this time, the blending amount of the binder is 1 to 5 parts by mass in terms of the solid content of the binder per 100 parts by mass of the solid electrolyte part because the resistance increase due to the addition is suppressed while maintaining the structure of the electrolyte layer as a sheet. Is preferable.

固体電解質により実質的に構成される固体電解質部の厚みは、取り扱いやすさと抵抗低減という理由から、0.04~0.15mmとすることが好ましく、0.05~0.1mmとすることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte portion substantially composed of the solid electrolyte is preferably 0.04 to 0.15 mm, more preferably 0.05 to 0.1 mm, from the viewpoint of ease of handling and reduction of resistance. preferable.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these examples, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention.

以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)硫化1-ノナノール/Li 6 PS 5 Cl/InLi合金負極全固体リチウム二次電池
硫黄(細井化学99.9%)42.35g、アセチレンブラック(デンカブラック)0.65g、1-ノナノール(1-Nonanol、シグマアルドリッチ98%)1.30gを石英タンマン管(内径80mm、長さ300mm)にいれた。その後、熱電対とガスの出口・入り口をとりつけたシリコーンゴム栓にて密閉にたもち、シリコーンチューブにより窒素ガスを供給し、内部を窒素雰囲気にした。電気炉400℃に設定し試料温度を300℃に保ち、1時間おきに2mlの1-ノナノールを加え、合計10mlを追加し、4時間熱処理を行った。粗生成物を粉砕し、窒素気流下で300℃にして未反応の硫黄を4時間除去し、黒色粉末の硫化1-ノナノール4.75gを得た。
(Example 1) 1-nonanol sulfide / Li 6 PS 5 Cl / InLi alloy negative electrode all-solid-state lithium secondary battery
Sulfur (Hosoi Kagaku 99.9%) 42.35 g, acetylene black (Denka black) 0.65 g, 1-Nonanol (1-Nonanol, Sigma-Aldrich 98%) 1.30 g were placed in a quartz tanman tube (inner diameter 80 mm, length 300 mm). After that, it was sealed with a silicone rubber stopper equipped with a thermocouple and a gas outlet / inlet, and nitrogen gas was supplied through a silicone tube to create a nitrogen atmosphere inside. The sample temperature was kept at 300 ° C in an electric furnace at 400 ° C, 2 ml of 1-nonanol was added every hour, a total of 10 ml was added, and heat treatment was performed for 4 hours. The crude product was pulverized and heated to 300 ° C. under a nitrogen stream to remove unreacted sulfur for 4 hours to give 4.75 g of 1-nonanol sulfide as a black powder.

固体電解質は吸湿性が高いため、これらを扱う作業は以下断らない限りすべてアルゴン雰囲気下で行った。固体電解質Li6PS5Clは、LiCl(Wako、99%)0.638g、硫化リチウム(Li2S、三津和化学99.9%)1.714g、五硫化二りん(P2S5,シグマアルドリッチ、99%)1.658gを、ジルコニアポットにジルコニア製円盤をいれ、伊藤製作所製実験用振動式カップミル(MC-4A)にて30分混合した。混合粉を15mmΦのカーボン製ダイスにより1tの力でプレス成型し、ペレットを作製した。ペレットを金るつぼにいれ、石英試験管中真空下で550℃に加熱し、2時間焼成した。得られた生成物を乳鉢で粉砕し標準の固体電解質として用いた。この固体電解質をXRD(RINT TTR-III; 理学製)測定により、8重量パーセントの硫化リチウムが残留する92重量パーセントのLi6PS5Clであることを確認した。10.1mmΦのダイスで約100mgの固体電解質粉を圧縮した(29MPa)ペレットについて、導電率測定を行い、これまで一般的に用いられてきた75Li2S-25P2S5の10倍近い2.2×10-3S/cmの導電率を持つ材料であることを確認した。Since solid electrolytes have high hygroscopicity, all work dealing with them was carried out in an argon atmosphere unless otherwise specified. The solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl is LiCl (Wako, 99%) 0.638 g, lithium sulfide (Li 2 S, Mitsuwa Kagaku 99.9%) 1.714 g, diphosphorus sulfide (P 2 S 5 , Sigma Aldrich, 99%). ) 1.658 g was placed in a zirconia pot and mixed with an experimental vibrating cup mill (MC-4A) manufactured by Ito Seisakusho for 30 minutes. The mixed powder was press-molded with a force of 1 ton using a 15 mmΦ carbon die to prepare pellets. The pellets were placed in a gold crucible, heated to 550 ° C. in a quartz test tube under vacuum, and calcined for 2 hours. The resulting product was ground in a mortar and used as a standard solid electrolyte. This solid electrolyte was measured by XRD (RINT TTR-III; Rigaku) to confirm that it was 92% by weight Li 6 PS 5 Cl with 8% by weight of lithium sulfide remaining. Conductivity was measured on pellets compressed (29MPa) of about 100mg of solid electrolyte powder with a 10.1mmΦ die, and 2.2 × 10 which is nearly 10 times that of 75Li 2 S-25P 2 S 5 which has been generally used so far. It was confirmed that the material had a conductivity of -3 S / cm.

硫化1-ノナノール39mg、固体電解質57mg、アセチレンブラック6mgを混合し、正極合材を作製した。固体電解質77mgを10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を10mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、インジウム箔(ニラコ製99.99%、0.05mmt、10mmΦ)、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、9mmΦ)、インジウム箔(ニラコ製99.99%、0.2mmt、8mmΦ)、をこの順につけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/固体電解質/LiIn電池を作製した。実施例1の電池の断面概略図は、図1の通りである。この電池を、2.4-0.4Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図2に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量970mAh/gを示した。充電により硫黄の酸化がおきて、硫化1-ノナノールからリチウムイオンが取り出され、再度放電により硫黄の還元がおき、容量691mAh/gを示した。硫黄系正極材料は一般に、この2回目の放電容量が可逆容量に近く、初回放電では可逆容量を超える不可逆容量(約280mAh/g)を含んでいる。インジウムリチウム合金負極が十全に動作することが一般に知られているので、硫化1-ノナノール正極は高容量691mAh/gを示す材料であることが分かった。 A positive electrode mixture was prepared by mixing 1-nonanol sulfide (39 mg), a solid electrolyte (57 mg), and acetylene black (6 mg). 77 mg of solid electrolyte was placed in a 10.1 mmΦ pet tube and compressed with a stainless die with a force of 1 ton to create a solid electrolyte disk in the PET tube. 10 mg of the positive electrode mixture was put on one side of the solid electrolyte disk and pressed with a force of 2.5 tons. On the other side of the solid electrolyte disk, indium foil (Niraco 99.99%, 0.05mmt, 10mmΦ), lithium foil (Honjo Metal 0.2mmt, 9mmΦ), indium foil (Niraco 99.99%, 0.2mmt, 8mmΦ), 1 ton of force was applied in this order and compressed to prepare a 1-nonanol sulfide / solid electrolyte / LiIn battery. The schematic cross-sectional view of the battery of Example 1 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged in the range of 2.4-0.4V, starting from discharging and fixing at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 2, in the initial discharge, sulfur of 1-nonanol sulfide was reduced, lithium ions were occluded, and the capacity was 970 mAh / g. Oxidation of sulfur occurred by charging, lithium ions were extracted from 1-nonanol sulfide, and reduction of sulfur occurred by discharging again, showing a capacity of 691 mAh / g. Sulfur-based positive electrode materials generally contain an irreversible capacity (about 280 mAh / g) in which the second discharge capacity is close to the reversible capacity and the first discharge exceeds the reversible capacity. Since it is generally known that the indium-lithium alloy negative electrode operates satisfactorily, it was found that the 1-nonanol sulfide positive electrode is a material exhibiting a high capacity of 691 mAh / g.

(比較例1)硫化1-ノナノール/1MLiPF 6 +EC/DMC(3:7)/Liリチウム二次電池
全固体電池との比較のため、硫化1-ノナノールを一般的な有機電解液を用いた電池に組み込み比較を行った。
(Comparative Example 1) 1-nonanol sulfide / 1MLiPF 6 + EC / DMC (3: 7) / Li lithium secondary battery
For comparison with the all-solid-state battery, 1-nonanol sulfide was incorporated into a battery using a general organic electrolyte and compared.

硫化1-ノナノール6.1mgをアセチレンブラック5.0mgと混合し、PTFE0.5mgを加えて正極合材とした。キシダ化学製混合電解液1MLiPF6+EC/DMC(3:7)を2滴、正極合材に落とし、電解液に浸したポリプロピレン製セパレータ21mmΦを2枚、ワットマン製グラスフィルター15mmΦ、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt)15mmΦを乗せて電池を構成した。3-1Vの範囲で0.1mAの電流で放電から初めて10サイクルさせた。図3に示すように、2回目放電容量は、467mAh/gだった。このことから、全固体電池において、通常の液電池を上回る放電容量が得られていたことが分かった。 6.1 mg of 1-nonanol sulfide was mixed with 5.0 mg of acetylene black, and 0.5 mg of PTFE was added to prepare a positive electrode mixture. 2 drops of Kishida Chemical mixed electrolyte 1MLiPF6 + EC / DMC (3: 7) dropped on the positive electrode mixture, 2 polypropylene separators 21mmΦ soaked in the electrolyte, Watman glass filter 15mmΦ, lithium foil (Honjo Metal) The battery was constructed by mounting 0.2mmt) 15mmΦ made by Japan. It was cycled for the first time from discharge with a current of 0.1 mA in the range of 3-1 V. As shown in FIG. 3, the second discharge capacity was 467 mAh / g. From this, it was found that the all-solid-state battery had a discharge capacity higher than that of a normal liquid battery.

(実施例2)硫化1-ノナノール/Li 6 PS 5 Cl/Li負極全固体リチウム二次電池
硫化1-ノナノール39mg、固体電解質57mg、アセチレンブラック6mgを混合し、正極合材を作製した。固体電解質89.5mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を8.2mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、9mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/固体電解質/Li電池を作製した。実施例2の電池の断面概略図は、図4の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図5に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量977mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量646mAh/gを示し、10サイクル後も413mAh/gを保った。金属リチウムを負極に用いた場合、全固体電池では、針状に成長したリチウムデンドライトが正極に接触して短絡を引き起こすことがしられている。その場合充電時の曲線に乱れや伸びが見られる場合があるが、この電池ではそれらが観察されず充放電を行うことができたことから、リチウム箔を負極として利用できる電池系であることが示された。
(Example 2) 1-nonanol sulfide / Li 6 PS 5 Cl / Li Negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
A positive electrode mixture was prepared by mixing 1-nonanol sulfide (39 mg), a solid electrolyte (57 mg), and acetylene black (6 mg). 89.5 mg of solid electrolyte was placed in a 10.1 mmΦ pet tube and compressed with a stainless die with a force of 1 ton to create a solid electrolyte disk in the PET tube. 8.2 mg of the positive electrode mixture was put on one side of the solid electrolyte disk and pressed with a force of 2.5 tons. A lithium foil (0.2 mmt, 9 mmΦ made by Honjo Metal) was attached to the other surface of the solid electrolyte disk and compressed by applying a force of 1 ton to prepare a 1-nonanol sulfide / solid electrolyte / Li battery. A schematic cross-sectional view of the battery of the second embodiment is as shown in FIG. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 5, in the initial discharge, sulfur of 1-nonanol sulfide was reduced, lithium ions were occluded, and the capacity was 977 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 646 mAh / g, and it was maintained at 413 mAh / g even after 10 cycles. When metallic lithium is used as the negative electrode, in an all-solid-state battery, needle-shaped lithium dendrites come into contact with the positive electrode and cause a short circuit. In that case, the curve at the time of charging may be disturbed or stretched, but since these were not observed in this battery and charging / discharging could be performed, it is possible to use a lithium foil as a negative electrode. Shown.

(実施例3)硫化1-ノナノール/Li 6 PS 5 Br/Li負極全固体リチウム二次電池
Li6PS5Brは、LiBr(キシダ化学、95%)0.555g、硫化リチウム(Li2S、三津和化学99.9%)0.734g、五硫化二りん(P2S5,シグマアルドリッチ、99%)0.710gを、ジルコニアポットにジルコニア製円盤をいれ、伊藤製作所製実験用振動式カップミル(MC-4A)にて30分混合した。混合粉を15mmΦのカーボン製ダイスにより1tの力でプレス成型し、ペレットを作製した。ペレットを金るつぼにいれ、石英試験管中真空下で550℃に加熱し、2時間焼成した。得られた生成物を乳鉢で粉砕し固体電解質Li6PS5Brとして用いた。このLi6PS5BrをXRD(RINT TTR-III; 理学製)測定により、8重量パーセントの硫化リチウムが残留する92重量パーセントのLi6PS5Brであることを確認した。10.1mmΦのダイスで約100mgの固体電解質粉を圧縮した(29MPa)ペレットについて、導電率測定を行い、2.1×10-3 S/cmの導電率を持つ材料であることを確認した。
硫化1-ノナノール39mg、固体電解質57mg、アセチレンブラック6mgを混合し、正極合材を作製した。Li6PS5Br91.6mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を11.2mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、8mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/固体電解質/Li電池を作製した。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図6に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量880mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量516mAh/gを示した。この電池でも充電時の短絡を示すような現象は観察されなかった。
(Example 3) 1-nonanol sulfide / Li 6 PS 5 Br / Li Negative electrode all-solid-state lithium secondary battery
Li 6 PS 5 Br is LiBr (Kishida Chemical, 95%) 0.555g, Lithium Sulfide (Li 2 S, Mitsuwa Chemical 99.9%) 0.734g, Diphosphorus Sulfide (P 2 S 5 , Sigma Aldrich, 99%) 0.710 g was placed in a zirconia pot with a zirconia disk, and mixed for 30 minutes with an experimental vibrating cup mill (MC-4A) manufactured by Ito Seisakusho. The mixed powder was press-molded with a force of 1 ton using a 15 mmΦ carbon die to prepare pellets. The pellets were placed in a gold crucible, heated to 550 ° C. in a quartz test tube under vacuum, and calcined for 2 hours. The obtained product was pulverized in a mortar and used as a solid electrolyte Li 6 PS 5 Br. This Li 6 PS 5 Br was measured by XRD (RINT TTR-III; Rigaku), and it was confirmed that it was 92% by weight Li 6 PS 5 Br with 8% by weight of lithium sulfide remaining. Conductivity measurements were performed on pellets (29 MPa) in which approximately 100 mg of solid electrolyte powder was compressed with a 10.1 mmΦ die, and it was confirmed that the material had a conductivity of 2.1 × 10 -3 S / cm.
A positive electrode mixture was prepared by mixing 1-nonanol sulfide (39 mg), a solid electrolyte (57 mg), and acetylene black (6 mg). Li 6 PS 5 Br91.6mg was put into a 10.1mmΦ pet tube and compressed with a stainless die with a force of 1t to create a solid electrolyte disk in the PET tube. 11.2 mg of positive electrode mixture was put on one side of the solid electrolyte disk and pressed with a force of 2.5 tons. A lithium foil (0.2 mmt, 8 mmΦ made by Honjo Metal) was attached to the other surface of the solid electrolyte disk and compressed by applying a force of 1 ton to prepare a 1-nonanol sulfide / solid electrolyte / Li battery. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 6, in the initial discharge, sulfur of 1-nonanol sulfide was reduced, lithium ions were occluded, and the capacity was 880 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 516 mAh / g. Even with this battery, no phenomenon indicating a short circuit during charging was observed.

(比較例2)硫化1-ノナノール/Li 6 PS 5 I/リチウム負極全固体リチウム二次電池
LiI(キシダ化学、97%)0.744g、硫化リチウム(Li2S、三津和化学99.9%)0.638g、五硫化二りん(P2S5,シグマアルドリッチ、99%)0.618gを、ジルコニアポットにジルコニア製円盤をいれ、伊藤製作所製実験用振動式カップミル(MC-4A)にて30分混合した。混合粉を15mmΦのカーボン製ダイスにより1tの力でプレス成型し、ペレットを作製した。ペレットを金るつぼにいれ、石英試験管中真空下で550℃に加熱し、2時間焼成した。得られた生成物を振動式カップミル(MC-4A)にて30分粉砕を4回繰り返し、得られた粉体を固体電解質Li6PS5Iとして用いた。このLi6PS5IをXRD(RINT TTR-III; 理学製)測定により、硫化リチウムが少量残留するLi6PS5Iであることを確認した。10.1mmΦのダイスで約100mgの固体電解質粉を圧縮した(29MPa)ペレットについて、導電率測定を行い、0.5×10-3 S/cmの導電率を持つ材料であることを確認した。
(Comparative Example 2) 1-nonanol sulfide / Li 6 PS 5 I / lithium negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
LiI (Kishida Kagaku, 97%) 0.744g, Lithium Sulfur Sulfur (Li 2 S, Mitsuwa Kagaku 99.9%) 0.638g, Diphosphorus Sulfide (P 2 S 5 , Sigma-Aldrich, 99%) 0.618g in a zirconia pot A zirconia disk was inserted, and the mixture was mixed with an experimental vibrating cup mill (MC-4A) manufactured by Ito Seisakusho for 30 minutes. The mixed powder was press-molded with a force of 1 ton using a 15 mmΦ carbon die to prepare pellets. The pellets were placed in a gold crucible, heated to 550 ° C. in a quartz test tube under vacuum, and calcined for 2 hours. The obtained product was pulverized four times for 30 minutes with a vibrating cup mill (MC-4A), and the obtained powder was used as a solid electrolyte Li 6 PS 5 I. This Li 6 PS 5 I was confirmed to be Li 6 PS 5 I with a small amount of lithium sulfide remaining by XRD (RINT TTR-III; manufactured by Rigaku) measurement. Conductivity measurements were performed on pellets (29 MPa) in which approximately 100 mg of solid electrolyte powder was compressed with a 10.1 mmΦ die, and it was confirmed that the material had a conductivity of 0.5 × 10 -3 S / cm.

硫化1-ノナノール38mg、Li6PS5Iを64mg、アセチレンブラック5mgを混合し、正極合材を作製した。
Li6PS5I107mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を10mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、10mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/ Li6PS5I/リチウム電池を作製した。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図7に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量1041mAh/gを示した。2サイクル目の充電時微短絡を示す充電曲線の断裂や振動がみられ、3サイクル以降では充電容量が極端に大きくなる様子が見られた。2サイクル目の放電容量が715mAh/gと高いものの、短絡により効率は低下するためLi6PS5I固体電解質はなんらかの工夫をしなければリチウム箔を負極として利用できないことが分かった。
A positive electrode mixture was prepared by mixing 38 mg of 1-nonanol sulfide, 64 mg of Li 6 PS 5 I, and 5 mg of acetylene black.
Li 6 PS 5 I107mg was put into a 10.1mmΦ pet tube and compressed with a stainless die with a force of 1t to create a solid electrolyte disk in the PET tube. 10 mg of the positive electrode mixture was put on one side of the solid electrolyte disk and pressed with a force of 2.5 tons. A lithium foil (0.2 mmt, 10 mmΦ made by Honjo Metal) was attached to the other surface of the solid electrolyte disk and compressed by applying a force of 1 ton to prepare a 1-nonanol sulfide / Li 6 PS 5 I / lithium battery. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 7, in the initial discharge, sulfur of 1-nonanol sulfide was reduced, lithium ions were occluded, and the capacity was 1041 mAh / g. The charging curve, which indicates a slight short circuit during charging in the second cycle, was torn and vibrated, and the charging capacity was seen to become extremely large after the third cycle. Although the discharge capacity in the second cycle is as high as 715 mAh / g, it was found that the lithium foil cannot be used as the negative electrode for the Li 6 PS 5 I solid electrolyte unless some measures are taken because the efficiency decreases due to a short circuit.

(実施例4)ポリイミド塗工硫化1-ノナノール正極/Li 6 PS 5 Cl/Li箔負極全固体リチウム二次電池
有機硫黄系正極材料は、従来の有機電解液を用いた電池ではリチウム吸蔵にともなう膨張にも電極が破壊されないポリイミドをバインダーとして使用することでよい特性の電極が得られている(非特許文献1)。このようなよく知られた手法で作製された電極を全固体電池に持ち込むことができれば、電池の工業生産上大きな利点となる。硫化1-ノナノールのポリイミド電極を作製し、全固体電池に適用した。
(Example 4) Polyimide coating 1-nonanol sulfide positive electrode / Li 6 PS 5 Cl / Li foil negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
As the organic sulfur-based positive electrode material, an electrode having good characteristics can be obtained by using a polyimide as a binder, in which the electrode is not destroyed by expansion due to lithium occlusion in a battery using a conventional organic electrolytic solution (Non-Patent Document 1). ). If electrodes manufactured by such a well-known method can be brought into an all-solid-state battery, it will be a great advantage in the industrial production of the battery. A polyimide electrode of 1-nonanol sulfide was prepared and applied to an all-solid-state battery.

ポリイミドとして、カプトンHを用いた。カプトンHを構成するモノマー2種を溶液として混合し前駆体を作製した。4,4'-Diaminodiphenyl Ether(Wako) 2.0024g(10mmol)をN-メチル-2-ピロリドーン(キシダ化学、99.5%)18.0761gに溶かした。一方、1,2,4,5-Benzenetetracarboxylic Dianhydride(Wako)2.1849g(10mmol)をN-メチル-2-ピロリドーン 18.013gに溶かした。ぞれぞれ透明な一方の液をもう一方の液に加えたところ茶色に変色し、攪拌によりレモンイエローの溶液となってわずかに発熱した。この際、アミノ基とカルボキシル基が結合してポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液となった。この液の固形分は10重量パーセントである。 Kapton H was used as the polyimide. Two monomers constituting Kapton H were mixed as a solution to prepare a precursor. 2.0024 g (10 mmol) of 4,4'-Diaminodiphenyl Ether (Wako) was dissolved in 18.0761 g of N-methyl-2-pyrrolidone (Kishida Chemistry, 99.5%). On the other hand, 2.1849 g (10 mmol) of 1,2,4,5-Benzenetetracarboxylic Dianhydride (Wako) was dissolved in 18.013 g of N-methyl-2-pyrrolidone. When one of the transparent liquids was added to the other liquid, the color turned brown, and by stirring, it became a lemon yellow solution and slightly generated heat. At this time, the amino group and the carboxyl group were bonded to form a polyamic acid solution which is a precursor of polyimide. The solid content of this liquid is 10 weight percent.

硫化1-ノナノール0.2003gを乳鉢ですりつぶし、アセチレンブラック0.0126gと乾式で乳鉢混合後、 N-メチル-2-ピロリドーンを約1ml、上記ポリアミック酸溶液0.345ml(0.375g)を加えて混合した。粘性のあるスラリーとなった。ドクターブレードで塗工厚みを150ミクロンに設定してスラリーをアルミ箔に塗工した。70℃で1晩乾燥してから、窒素気流下300℃で1時間焼成した。作製した電極は以下硫化1-ノナノールポリイミド電極と記述する。 0.2003 g of 1-nonanol sulfide was ground in a mortar and mixed with 0.0126 g of acetylene black in a dry manner, and then about 1 ml of N-methyl-2-pyrrolidone and 0.345 ml (0.375 g) of the above polyamic acid solution were added and mixed. It became a viscous slurry. The slurry was coated on aluminum foil with the coating thickness set to 150 microns with a doctor blade. After drying at 70 ° C. overnight, it was calcined at 300 ° C. for 1 hour under a nitrogen stream. The produced electrode is hereinafter referred to as a 1-nonanol polyimide sulfide electrode.

この硫化1-ノナノールポリイミド電極をグローブボックス中で直径10mmにうちぬき、基材のアルミ箔の質量を差し引くと1.1mgの活物質が塗布されており、このうち硫化1-ノナノールは0.88mgであった。ダイスにPET管を乗せ、PET管内に硫化1-ノナノールポリイミド電極をいれ、電極面に固体電解質Li6PS5Cl 81.6mgを乗せ2tでプレスした。固体電解質のもう一方の面にリチウム箔(0.2mmt、8mmΦ)を乗せて1tの力をかけてプレスし電池を作製した。実施例4の電池の断面概略図は、図8の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図9に示すように、初回放電では容量915mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量は442mAh/gを示し、実施例2の合材電極に比べ容量は低いものの、リチウムイオン二次電池正極としては比較的大きな容量を示し、従来のグローブボックス外での電極作製法により得られた硫化1-ノナノールポリイミド電極が動作可能であることが分かった。When this 1-nonanol sulfide polyimide electrode is punched out to a diameter of 10 mm in a glove box and the mass of the aluminum foil of the base material is subtracted, 1.1 mg of active material is applied, of which 0.88 mg is 1-nonanol sulfide. rice field. A PET tube was placed on a die, a 1-nonanol sulfide polyimide electrode was placed in the PET tube, and a solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl 81.6 mg was placed on the electrode surface and pressed with 2 tons. A lithium foil (0.2 mmt, 8 mmΦ) was placed on the other surface of the solid electrolyte and pressed with a force of 1 ton to prepare a battery. A schematic cross-sectional view of the battery of Example 4 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 9, the initial discharge showed a capacity of 915 mAh / g. The discharge capacity in the second cycle was 442 mAh / g, which was lower than that of the mixed-material electrode of Example 2, but showed a relatively large capacity as a positive electrode of a lithium ion secondary battery, and was an electrode outside the conventional glove box. It was found that the 1-nonanol sulfide polyimide electrode obtained by the production method was operable.

全固体電池の電極は、固体電解質と活物質およびアセチレンブラックをゴム系のバインダー等で混合したスラリーをアルゴン雰囲気中で塗工して作製されている。硫化1-ノナノールポリイミド電極は簡便な従来法で作製されている点が優れている。硫化1-ノナノールは、ポリイミドとアセチレンブラックにくるまれており、イオン電導に寄与する固体電解質は接触していても含まれていないため、イオン電導の一部はポリイミド鎖に含まれる酸素や窒素の非共有電子対等を伝っているのではないかと考えられる。 The electrodes of the all-solid-state battery are manufactured by coating a slurry in which a solid electrolyte, an active substance, and acetylene black are mixed with a rubber-based binder or the like in an argon atmosphere. The 1-nonanol sulfide polyimide electrode is excellent in that it is manufactured by a simple conventional method. Since 1-nonanol sulfide is wrapped in polyimide and acetylene black and does not contain a solid electrolyte that contributes to ion conduction even if it is in contact with it, part of the ion conduction is that of oxygen and nitrogen contained in the polyimide chain. It is thought that it is transmitted through non-shared electronic equality.

(実施例5)硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/Li 6 PS 5 Cl/ リチウム塗布銅箔負極全固体リチウム二次電池
やわらかいリチウム箔は全固体電池作製に不可欠な高い圧力の圧縮により、固体電解質のひびなどの小さな隙間を通って正極につきぬけ、短絡を引き起こすことがあり、工業的にリチウム箔そのものを用いることは困難である。そこで、リチウムを薄く銅箔に塗工し、用いることを検討した。
(Example 5) 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode / Li 6 PS 5 Cl / lithium coated copper foil negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
Due to the high pressure compression that is indispensable for manufacturing all-solid-state batteries, soft lithium foil may pass through small gaps such as cracks in the solid electrolyte and cause a short circuit, making it difficult to use lithium foil itself industrially. Is. Therefore, it was considered to apply lithium thinly to the copper foil and use it.

銅箔に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、銅箔に薄く広げることができた。銅箔上のリチウムの目付は1.65mg/cm2であり、負極の容量に換算して6.4mAh/cm2となった。4 mg of metallic lithium foil was placed on the copper foil, heated with a soldering iron to melt it, and spread thinly on the copper foil. The basis weight of lithium on the copper foil was 1.65 mg / cm 2 , which was 6.4 mAh / cm 2 in terms of the capacity of the negative electrode.

このリチウム塗工銅箔を直径10.1mmのペット管にいれ、そのうえから固体電解質Li6PS5Clを77.8mgいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮した。その上から前述の硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極(10mmφ、5.2mg、基材Al箔4.1mg、活物質0.9mg)をいれ、2.5tの力でプレスし電池を作製した。実施例5の電池の断面概略図は、図10の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図11に示すように、初回放電では容量746mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量312mAh/gを示した。リチウムを塗布した銅箔を負極として利用できる電池系であることが示された。This lithium-coated copper foil was put into a PET tube with a diameter of 10.1 mm, 77.8 mg of solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl was put into it, and 1 ton of force was applied to compress it with a stainless die. A battery was prepared by adding the above-mentioned 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode (10 mmφ, 5.2 mg, base material Al foil 4.1 mg, active material 0.9 mg) from above and pressing with a force of 2.5 tons. The schematic cross-sectional view of the battery of Example 5 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 11, the initial discharge showed a capacity of 746 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 312 mAh / g. It was shown that it is a battery system in which a copper foil coated with lithium can be used as a negative electrode.

(実施例6)硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/Li 6 PS 5 Cl/ リチウム塗布チタン箔負極全固体リチウム二次電池
チタン箔(ニラコ製99.5%、0.02mmt)に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、薄く広げてリチウム層を形成した。チタン箔上のリチウムの目付は1.8mg/cm2であり、負極の容量に換算して7.0mAh/cm2であった。
(Example 6) 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode / Li 6 PS 5 Cl / lithium coated titanium foil negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
4 mg of metallic lithium foil was placed on a titanium foil (99.5% made by Niraco, 0.02 mmt), heated with a soldering iron to melt it, and spread thinly to form a lithium layer. The basis weight of lithium on the titanium foil was 1.8 mg / cm 2 , which was 7.0 mAh / cm 2 in terms of the capacity of the negative electrode.

このリチウム塗工チタン箔を10.1mmΦのペット管にいれ、そのうえから固体電解質Li6PS5Clを78.9mgいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮した。その上から前述の硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極(10mmφ、5.1mg、基材Al箔4.1mg、活物質0.8mg)をいれ、2.5tの力でプレスし電池を作製した。実施例6の電池の断面概略図は、図12の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図13に示すように、初回放電では容量573mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量583mAh/gを示した。放電容量や10サイクル時の容量は銅箔基材を用いた場合を上回る値を示した。リチウムを塗布したチタン箔を負極として利用できる電池系であることが示された。This lithium-coated titanium foil was placed in a 10.1 mmΦ pet tube, and then 78.9 mg of the solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl was placed and compressed with a stainless die using a force of 1 ton. A battery was prepared by adding the above-mentioned 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode (10 mmφ, 5.1 mg, base material Al foil 4.1 mg, active material 0.8 mg) from above and pressing with a force of 2.5 tons. A schematic cross-sectional view of the battery of Example 6 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 13, the initial discharge showed a capacity of 573 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 583 mAh / g. The discharge capacity and the capacity at 10 cycles were higher than those when the copper foil base material was used. It was shown that it is a battery system in which a titanium foil coated with lithium can be used as a negative electrode.

(実施例7)硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/Li 6 PS 5 Cl/ リチウム塗布ステンレス箔負極全固体リチウム二次電池
ステンレス箔(ニラコ製SUS316、0.01mmt)に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、薄く広げてリチウム層を形成した。ステンレス箔上のリチウムの目付は1.0mg/cm2であり、負極の容量に換算して3.9mAh/cm2となった。
(Example 7) 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode / Li 6 PS 5 Cl / lithium coated stainless steel foil negative electrode All-solid-state lithium secondary battery
4 mg of metallic lithium foil was placed on a stainless steel foil (SUS316, 0.01 mmt manufactured by Niraco), heated with a soldering iron to melt it, and spread thinly to form a lithium layer. The basis weight of lithium on the stainless steel foil was 1.0 mg / cm 2 , which was 3.9 mAh / cm 2 in terms of the capacity of the negative electrode.

このリチウム塗工ステンレス箔を10.1mmΦのペット管にいれ、そのうえから固体電解質Li6PS5Clを75.0mgいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮した。その上から前述の硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極(10mmφ、5.4mg、基材Al箔4.1mg、活物質1.0mg)をいれ、2.5tの力でプレスし電池を作製した。実施例7の電池の断面概略図は、図14の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図15に示すように、初回放電では容量908mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量433mAh/gを示した。放電容量や10サイクル時の容量は銅箔基材を用いた場合を上回る値を示した。リチウムを塗布したステンレス箔を負極として利用できる電池系であることが示された。This lithium-coated stainless steel foil was placed in a 10.1 mmΦ pet tube, and then 75.0 mg of the solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl was placed and compressed with a stainless die using a force of 1 ton. A battery was prepared by adding the above-mentioned 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode (10 mmφ, 5.4 mg, base material Al foil 4.1 mg, active material 1.0 mg) from above and pressing with a force of 2.5 tons. A schematic cross-sectional view of the battery of Example 7 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged by starting from discharging in the range of 3-1V and fixing it at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 15, the initial discharge showed a capacity of 908 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 433 mAh / g. The discharge capacity and the capacity at 10 cycles were higher than those when the copper foil base material was used. It was shown that it is a battery system in which a stainless steel foil coated with lithium can be used as a negative electrode.

(実施例8)硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/Li 6 PS 5 Cl/ リチウム塗布シリコンポリイミド塗工負極からなる全固体リチウム二次電池
短時間にシリコンにリチウムを担持させる方法として、硫黄系正極が持っていないリチウムを負極に担わせることで、電池系を完成してしまうという発想のもとにリチウム塗工シリコンポリイミド負極を検討した。
(Example 8) 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode / Li 6 PS 5 Cl / lithium coated silicon polyimide coated all-solid-state lithium secondary battery consisting of negative electrode
As a method of supporting lithium on silicon in a short time, we examined a lithium-coated silicon polyimide negative electrode based on the idea that the battery system would be completed by carrying lithium, which the sulfur-based positive electrode does not have, on the negative electrode. ..

シリコンポリイミド負極の作製方法は以下の通り。ナノシリコン(粒径:30~50nm、Nanostructured & Amorphous Materials)をアセチレンブラックとポリイミドの前駆体であるポリアミック酸(スカイボンド、IST製)とを重量比80: 5: 15で、N-メチル-2-ピロリドーン (NMP)を溶媒として混合しスラリーを作製し、このスラリーを、銅箔上に塗工後、80℃で乾燥し、真空中300℃で10時間処理してポリイミド化を行って、シリコン量が1.5mg/cm2のシリコンポリイミド電極シートを作製した。このシリコンポリイミド電極に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、電極上に薄く広げることができた。The method for manufacturing the silicon polyimide negative electrode is as follows. Nanosilicon (particle size: 30-50 nm, Nanostructured & Amorphous Materials) is mixed with acetylene black and polyamic acid (Skybond, manufactured by IST), which is a precursor of polyimide, at a weight ratio of 80: 5: 15, N-methyl-2. -Mix pyrrolidone (NMP) as a solvent to prepare a slurry, apply this slurry on a copper foil, dry it at 80 ° C, treat it in vacuum at 300 ° C for 10 hours to make it polyimide, and perform siliconization. A silicon polyimide electrode sheet having an amount of 1.5 mg / cm 2 was prepared. 4 mg of metallic lithium foil was placed on this silicon polyimide electrode, heated with a soldering iron to melt it, and spread thinly on the electrode.

このリチウム塗布シリコンポリイミド負極7.6mg(10mmφ、リチウム1.1mg、シリコンポリイミド1.0mg、基材銅箔5.5mg)を10.1mmΦのペット管にいれ、そのうえから固体電解質Li6PS5Clを74.0mgいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮した。その上から前述の硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極5.3mg(10mmφ、基材Al箔4.0mg、活物質1.0mg)をいれ、2.5tの力でプレスし電池を作製した。実施例8の電池の断面概略図は、図16の通りである。この電池を、2.7-0.7Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図17に示すように、初回放電では容量1081mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量517mAh/gを示した。これにより、正極も負極もポリイミドをバインダーに用いた従来の方法により作製したものが硫化物固体電解質を用いた全固体電池においてフルセルとして使用可能であることが示された。Put this lithium-coated silicon polyimide negative electrode 7.6 mg (10 mmφ, lithium 1.1 mg, silicon polyimide 1.0 mg, base copper foil 5.5 mg) in a 10.1 mmΦ pet tube, and then put 74.0 mg of solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl. It was compressed with a stainless die with a force of 1 ton. The above-mentioned 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode 5.3 mg (10 mmφ, base material Al foil 4.0 mg, active material 1.0 mg) was put on it and pressed with a force of 2.5 tons to prepare a battery. The schematic cross-sectional view of the battery of Example 8 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged in the range of 2.7-0.7V, starting from discharging and fixing at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 17, the initial discharge showed a capacity of 1081 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 517 mAh / g. This indicates that both the positive electrode and the negative electrode manufactured by the conventional method using polyimide as a binder can be used as a full cell in an all-solid-state battery using a sulfide solid electrolyte.

(実施例9)硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/ Li 6 PS 5 Cl+ゴムバインダー塗工電解質/ リチウム塗布シリコンポリイミド塗工負極からなる全固体リチウム二次電池
実施例8の硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/ 圧粉Li6PS5Cl/ リチウム塗布シリコンポリイミド塗工負極からなる全固体リチウム二次電池は、電解質である圧粉Li6PS5Clが74mgと、電池全体の質量の85%を占める。この電解質を低減することが電池のエネルギー密度に寄与する。そこで、ゴム系バインダーにより電解質スラリーを作製し、正極への塗工により電池の軽量化、薄層化を検討した。
(Example 9) 1-nonanol sulfide + acetylene black polyimide coated positive electrode / Li 6 PS 5 Cl + rubber binder coated electrolyte / lithium coated silicon polyimide coated all-solid-state lithium secondary battery consisting of negative electrode
The all-solid-state lithium secondary battery composed of the polyimide coated positive electrode of 1-nonanol sulfide + acetylene black of Example 8 positive electrode / dust Li 6 PS 5 Cl / lithium coated silicon polyimide coated negative electrode is the compact Li 6 PS which is an electrolyte. 5 Cl is 74 mg, which accounts for 85% of the total mass of the battery. Reducing this electrolyte contributes to the energy density of the battery. Therefore, an electrolyte slurry was prepared with a rubber-based binder, and the weight and layer thickness of the battery were examined by applying it to the positive electrode.

実施例8で用いたものと同様なポリイミドをバインダーとした負極、リチウム塗布シリコンポリイミド負極8.9mg(10mmφ、リチウム2.4mg、シリコンポリイミド1.0mg、基材銅箔5.5mg)を用いた。また、固体電解質(Li6PS5Cl)107.1mgにヘプタン(キシダ化学、99%)0.7ml、ゴム系バインダー(MP-10)1.4mgを含むヘプタン溶液(3滴)を加えスラリーを作製し、硫化1-ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極(10mmφの質量5.7mg、基材Al箔4.1mg、活物質1.3mg、固体電解質+ゴムバインダーの質量14.9mg)に塗工した。この塗工電極の10mmφの質量は20.6mgであった。A negative electrode using polyimide as a binder and a lithium-coated silicon polyimide negative electrode 8.9 mg (10 mmφ, lithium 2.4 mg, silicon polyimide 1.0 mg, base copper foil 5.5 mg) similar to those used in Example 8 were used. In addition, a heptane solution (3 drops) containing 0.7 ml of heptane (Kishida Chemical, 99%) and 1.4 mg of rubber-based binder (MP-10) was added to 107.1 mg of solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) to prepare a slurry. It was applied to a polyimide coated positive electrode of 1-nonanol sulfide + acetylene black (mass of 10 mmφ, mass 5.7 mg, base material Al foil 4.1 mg, active material 1.3 mg, solid electrolyte + rubber binder mass 14.9 mg). The mass of 10 mmφ of this coated electrode was 20.6 mg.

このリチウム塗布シリコンポリイミド負極を重ねて10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで2tの力をかけて圧縮し電池を作製した。実施例9の電池の断面概略図は、図18の通りである。この電池を、3.0-0.6Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図19に示すように、初回放電では容量582mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量173mAh/gを示した。圧粉した固体電解質よりも容量は低下しているものの塗工固体電解質のゴムバインダーを用いることで、電池全体の質量は29.5mgと圧粉電池の86.9mgの3分の一となり、厚みも0.70mmから0.24mmに薄くつくることができた。実用に要求される体積で動作する電池を作製することができた。 This lithium-coated silicon polyimide negative electrode was placed on top of each other and placed in a 10.1 mmΦ pet tube, and compressed with a stainless die using a force of 2 tons to prepare a battery. A schematic cross-sectional view of the battery of Example 9 is as shown in FIG. This battery was charged and discharged in the range of 3.0-0.6V, starting from discharging and fixing at a current of 0.05mA. As shown in FIG. 19, the initial discharge showed a capacity of 582 mAh / g. The discharge capacity of the second cycle was 173 mAh / g. Although the capacity is lower than that of the compacted solid electrolyte, by using the rubber binder of the coated solid electrolyte, the total weight of the battery is 29.5 mg, which is one-third of the 86.9 mg of the compacted battery, and the thickness is 0.70. I was able to make it as thin as 0.24 mm from mm. We were able to manufacture a battery that operates at the volume required for practical use.

Claims (2)

ポリイミド系樹脂バインダーを含有する有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物系固体電解質、及び基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られる負極を有する、全固体電池Molten lithium is applied to an organic sulfur-based positive electrode containing a polyimide resin binder, a sulfide-based solid electrolyte containing chlorine and / or bromine, and a silicon particle-containing polyimide resin binder layer provided on one side of a substrate. An all-solid-state battery having a negative electrode obtained from the above. 前記硫化物系固体電解質は、ゴム系バインダーを含有する、請求項に記載の全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1 , wherein the sulfide-based solid electrolyte contains a rubber-based binder.
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