JP7113424B2 - Lithium-sulfur solid state battery, positive electrode sheet for battery, negative electrode sheet for battery, laminated battery - Google Patents

Lithium-sulfur solid state battery, positive electrode sheet for battery, negative electrode sheet for battery, laminated battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウム硫黄固体電池、電池用正極シート、電池用負極シート、積層電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lithium-sulfur solid-state battery, a positive electrode sheet for batteries, a negative electrode sheet for batteries , and a laminated battery.

近年、電子機器や通信機器等のポータブル化やコードレス化が急速に進展している。これら電子機器や通信機器の電源として、エネルギー密度が高く、負荷特性に優れた二次電池が要望されており、高電圧、高エネルギー密度で、サイクル特性にも優れるリチウム二次電池の利用が拡大している。
一方、電気自動車の普及や、自然エネルギーの利用の推進には、さらに大きなエネルギー密度の電池が必要とされる。そこで、LiCoO等のリチウム複合酸化物を正極の構成材料とするリチウムイオン二次電池に替わる、新たなリチウム二次電池の開発が望まれている。
2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices, communication devices, and the like are rapidly becoming portable and cordless. As a power source for these electronic devices and communication devices, secondary batteries with high energy density and excellent load characteristics are in demand, and the use of lithium secondary batteries with high voltage, high energy density and excellent cycle characteristics is expanding. is doing.
On the other hand, the popularization of electric vehicles and the promotion of the use of natural energy require batteries with even higher energy densities. Therefore, it is desired to develop a new lithium secondary battery to replace the lithium ion secondary battery in which a lithium composite oxide such as LiCoO 2 is used as a constituent material of the positive electrode.

硫黄は、1672mAh/gと極めて高い理論容量密度を有しており、硫黄を正極の構成材料とするリチウム硫黄電池は、電池の中でも、理論的に最も高エネルギー密度を達成できる可能性を有している。そこで、リチウム硫黄電池の研究開発が盛んに行われるようになってきている。 Sulfur has an extremely high theoretical capacity density of 1672 mAh / g, and a lithium-sulfur battery that uses sulfur as a positive electrode constituent material has the potential to achieve the highest theoretical energy density among batteries. ing. Therefore, research and development of lithium-sulfur batteries have been actively carried out.

リチウム硫黄電池の電解質として、有機電解液を用いた場合には、充放電の際などに硫黄分子や反応中間体(例えば、多硫化リチウム等)等が有機電解液中に溶解して拡散することで、自己放電や負極の劣化が惹き起こされ、電池性能が低下するという問題点がある。
そこで、このような問題点を解決するために、電解液に塩酸や硝酸等の酸を添加して電解液を改質する方法(特許文献1参照)、正極の構成材料として、ケッチェンブラックに硫黄ナノ粒子を内包した複合体を用いる方法(特許文献2参照)等が提案されている。
When an organic electrolyte is used as the electrolyte for a lithium-sulfur battery, sulfur molecules and reaction intermediates (e.g., lithium polysulfide, etc.) dissolve and diffuse into the organic electrolyte during charging and discharging. Therefore, there is a problem that self-discharge and deterioration of the negative electrode are induced, and the battery performance is deteriorated.
Therefore, in order to solve such problems, a method of modifying the electrolyte by adding an acid such as hydrochloric acid or nitric acid to the electrolyte (see Patent Document 1), Ketjenblack as a constituent material of the positive electrode A method using a composite containing sulfur nanoparticles (see Patent Document 2) and the like have been proposed.

特開2013-114920号公報JP 2013-114920 A 特開2012-204332号公報JP 2012-204332 A

しかし、特許文献1及び2で開示されている方法では、電解質自体が液状であるため、硫黄分子や反応中間体が電解液に溶解することを完全には抑制できず、充分な効果を得られないという問題点があった。
このような電解液を用いた場合の問題点を解決する方法として、固体電解質を用いる方法がある。しかし、固体電解質を備えたリチウム硫黄固体電池は、まだ技術的に充分に検討されておらず、大きな改善の余地がある。
However, in the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2, since the electrolyte itself is liquid, the dissolution of sulfur molecules and reaction intermediates in the electrolyte cannot be completely suppressed, and sufficient effects cannot be obtained. There was a problem that there was no
A method of using a solid electrolyte is available as a method of solving the problem when using such an electrolytic solution. However, lithium-sulfur solid-state batteries with solid electrolytes have not yet been fully explored technically, and there is considerable room for improvement.

例えば、固体電解質はセラミック材料が好適とされる。また、リチウム硫黄固体電池のエネルギー密度向上のためには固体電解質の薄型化が有効であることが種々報告されている。しかしながら、セラミック製の固体電解質は割れやすいため、実用上の観点では、強度確保等のためある程度の厚みを確保した板状のものを使用する電池構造が一般的であった。 For example, the solid electrolyte is preferably a ceramic material. Various reports have also been made that thinning the solid electrolyte is effective for improving the energy density of the lithium-sulfur solid-state battery. However, since ceramic solid electrolytes are easily cracked, from a practical point of view, the general battery structure uses a plate-like one with a certain thickness to ensure strength.

本発明の態様が解決しようとする課題は、固体電解質を薄型化しても固体電解質の割れを生じにくく、取り扱い性を良好に確保できるリチウム硫黄固体電池、電池用正極シート、電池用負極シート、積層電池を提供することである。 The problem to be solved by the aspects of the present invention is that the solid electrolyte is less likely to crack even if the solid electrolyte is made thinner, and the lithium-sulfur solid battery, the positive electrode sheet for batteries, the negative electrode sheet for batteries , and the stack can ensure good handleability. It is to provide a layer battery.

上記課題を解決するために、本発明では以下の態様を提供する。
第1の態様のリチウム硫黄固体電池は、10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有する硫黄正極と、シート状に形成され可撓性を有するリチウム負極と、前記固体電解質と前記リチウム負極との間に配置されたリチウムイオン伝導層と、前記固電解質を介して前記リチウムイオン伝導層とは逆側に配置された前記硫黄正極と前記リチウム負極とを保持して前記硫黄正極と前記リチウム負極との間の距離の増大を規制する保持部材とを備え、前記硫黄正極は、導電性材料によって形成され表面に開口する穴部が多数存在する導電性シートと、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄及びイオン液体のみあるいは硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有し、前記導電性シートの前記穴部に収容された正極材とを有し、前記リチウムイオン伝導層は、多孔質体または繊維集合体である可撓性シート状の本体部にイオン液体が含浸され、かつ、前記リチウム負極と前記固体電解質との間でリチウムイオンを伝導させる、ものである。
第2の態様の電池用正極シートは、10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有する前記硫黄正極とを備え、前記硫黄正極は、導電性材料によって形成され表面に開口する穴部が多数存在する導電性シートと、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄及びイオン液体のみあるいは硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有し、前記導電性シートの前記穴部に収容された正極材とを有する、可撓性を有するものである。
第3の態様の電池用負極シートは、10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有するリチウム負極と、前記固体電解質と前記リチウム負極との間に配置されたリチウムイオン伝導層と、を備え、前記リチウムイオン伝導層は、多孔質体または繊維集合体である可撓性シート状の本体部にイオン液体が含浸され、かつ、前記リチウム負極と前記固体電解質との間でリチウムイオンを伝導させる、可撓性を有するものである
第4の態様の積層電池は、第1の態様のリチウム硫黄固体電池、第2の態様の電池用正極シート、第3の態様の電池用負極シートから選択される2以上を積層して構成されたものである。
前記固体電解質は酸化物系材料によって形成されていても良い。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following aspects.
The lithium-sulfur solid-state battery of the first aspect includes a solid electrolyte formed in a sheet with a thickness of 10 to 500 μm, a flexible sulfur positive electrode formed in a sheet, and a flexible sheet formed in a sheet. a lithium negative electrode; a lithium ion conductive layer disposed between the solid electrolyte and the lithium negative electrode; and the sulfur positive electrode and the lithium disposed on the opposite side of the lithium ion conductive layer with the solid electrolyte interposed therebetween. and a holding member for holding the negative electrode and restricting an increase in the distance between the sulfur positive electrode and the lithium negative electrode, wherein the sulfur positive electrode is formed of a conductive material and has a large number of holes opening on the surface. A conductive sheet and sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid containing only sulfur and an ionic liquid or all of sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid, and are accommodated in the holes of the conductive sheet. The lithium ion conductive layer has a flexible sheet-like main body that is a porous body or a fiber assembly impregnated with an ionic liquid, and the lithium ion conductive layer is a mixture of the lithium negative electrode and the solid electrolyte. It conducts lithium ions between them.
A positive electrode sheet for a battery according to a second aspect includes a solid electrolyte formed in a sheet shape having a thickness of 10 to 500 μm, and the sulfur positive electrode formed in a sheet shape and having flexibility, and the sulfur positive electrode is electrically conductive. A conductive sheet formed of a material and having a large number of holes opening on the surface, and only sulfur and ionic liquid among sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid, or all of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid and a positive electrode material accommodated in the hole of the conductive sheet.
The battery negative electrode sheet of the third aspect includes a solid electrolyte formed in a sheet shape with a thickness of 10 to 500 μm, a flexible lithium negative electrode formed in a sheet shape, and between the solid electrolyte and the lithium negative electrode a lithium ion conductive layer disposed in the lithium ion conductive layer, the lithium ion conductive layer is a flexible sheet-like main body portion that is a porous body or a fiber assembly is impregnated with an ionic liquid, and the lithium negative electrode and It has flexibility and conducts lithium ions with the solid electrolyte .
The laminated battery of the fourth aspect is configured by laminating two or more selected from the lithium sulfur solid state battery of the first aspect, the positive electrode sheet for batteries of the second aspect, and the negative electrode sheet for batteries of the third aspect. It is a thing.
The solid electrolyte may be made of an oxide-based material.

本発明の態様に係るリチウム硫黄固体電池によれば、硫黄正極とリチウム負極との間にシート状の固体電解質とリチウムイオン伝導層とを挟み込んだ構成により、固体電解質が10~500μm厚のシート状であっても固体電解質の割れが生じにくい。このため、本発明の態様に係るリチウム硫黄固体電池は良好な取り扱い性を確保できる。 According to the lithium-sulfur solid-state battery according to the aspect of the present invention, the sheet-shaped solid electrolyte and the lithium ion conductive layer are sandwiched between the sulfur positive electrode and the lithium negative electrode, so that the solid electrolyte is a sheet-shaped with a thickness of 10 to 500 μm. Even if it is, cracking of the solid electrolyte is less likely to occur. Therefore, the lithium-sulfur solid-state battery according to the aspect of the present invention can ensure good handleability.

10~500μm厚のシート状の固体電解質は可撓性を確保することが容易である。
リチウムイオン伝導層は、多孔質体または繊維集合体である可撓性の本体部にイオン液体が含浸された構成により可撓性を確保できる。
このため、本発明の態様に係るリチウム硫黄固体電池は、可撓性の硫黄正極と可撓性のリチウム負極との間にシート状の固体電解質とリチウムイオン伝導層とを挟み込んだ構成により可撓性を確保でき、湾曲させる等の様々な使用形態を採ることが可能になる。
A sheet-like solid electrolyte with a thickness of 10 to 500 μm can easily ensure flexibility.
The lithium ion conductive layer can ensure flexibility by a configuration in which a flexible main body portion, which is a porous body or a fiber assembly, is impregnated with an ionic liquid.
For this reason, the lithium-sulfur solid-state battery according to the aspect of the present invention is flexible by a configuration in which a sheet-like solid electrolyte and a lithium ion conductive layer are sandwiched between a flexible sulfur positive electrode and a flexible lithium negative electrode. It is possible to secure the flexibility and to adopt various usage patterns such as curving.

本発明の態様に係る電池用正極シートは、10~500μm厚のシート状の固体電解質及び可撓性シート状の硫黄正極のそれぞれの可撓性によって可撓性を確保できる。
本発明の態様に係る電池用負極シートは、10~500μm厚のシート状の固体電解質、リチウムイオン伝導層、及び可撓性シート状のリチウム負極のそれぞれの可撓性によって可撓性を確保できる。
The positive electrode sheet for a battery according to the aspect of the present invention can ensure flexibility due to the flexibility of the sheet-like solid electrolyte and the flexible sheet-like sulfur positive electrode having a thickness of 10 to 500 μm.
The battery negative electrode sheet according to the aspect of the present invention can ensure flexibility by the flexibility of each of the sheet-like solid electrolyte having a thickness of 10 to 500 μm, the lithium ion conductive layer, and the flexible sheet-like lithium negative electrode. .

リチウム硫黄固体電池、電池用正極シート、電池用負極シートから選択される2以上を積層して構成された積層電池は、リチウム硫黄固体電池、電池用正極シート、電池用負極シートから選択、積層する電池またはシートの数によって、サイズや出力を柔軟に調整できる。 Lithium-sulfur solid battery, positive electrode sheet for battery, laminated battery configured by stacking two or more selected from negative electrode sheet for battery is selected from lithium-sulfur solid battery, positive electrode sheet for battery, negative electrode sheet for battery, and laminated Size and output can be flexibly adjusted depending on the number of batteries or sheets.

本発明の実施形態に係るリチウム硫黄固体電池の要部の一例を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a main part of a lithium-sulfur solid state battery according to an embodiment of the invention; FIG. 図1のリチウム硫黄固体電池を円筒状に巻いて形成した筒状電池、及び筒状電池を用いて構成した集電材付き筒状電池の一例を示す斜視図である。1. It is a perspective view which shows an example of the cylindrical battery with a current collector comprised using the cylindrical battery which wound the lithium-sulfur solid-state battery of FIG. 1 cylindrically, and the cylindrical battery. 図2の筒状電池をその軸線方向片側から見た構造を示す図である。FIG. 3 is a view showing the structure of the cylindrical battery of FIG. 2 viewed from one side in the axial direction; 図3の筒状電池の部分拡大図である。4 is a partially enlarged view of the cylindrical battery of FIG. 3; FIG. 電池用正極シートの一例を示す断面図である。It is a sectional view showing an example of a positive electrode sheet for batteries. 電池用負極シートの一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a negative electrode sheet for a battery; FIG.

<<リチウム硫黄固体電池>>
以下、本発明の実施形態に係るリチウム硫黄固体電池について、図面を参照して説明する。
なお、以降の説明で用いる図は、本発明の特徴を分かり易くするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。
<<Lithium sulfur solid state battery>>
Hereinafter, lithium-sulfur solid state batteries according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, in order to make it easier to understand the features of the present invention, there are cases where the main parts are enlarged for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. not necessarily.

図1は、本発明の1実施形態に係るリチウム硫黄固体電池10の要部構造を示す正断面図である。
図1に示すリチウム硫黄固体電池10は、硫黄正極11と、リチウム負極12と、固体電解質13と、リチウムイオン伝導層14と、保持部材15を備えて構成されている。
固体電解質13及びリチウムイオン伝導層14は、硫黄正極11とリチウム負極12との間に挟み込まれている。
リチウムイオン伝導層14は、固体電解質13とリチウム負極12との間に挟み込まれている。
FIG. 1 is a front cross-sectional view showing the essential structure of a lithium-sulfur solid-state battery 10 according to one embodiment of the present invention.
A lithium-sulfur solid-state battery 10 shown in FIG.
Solid electrolyte 13 and lithium ion conductive layer 14 are sandwiched between sulfur positive electrode 11 and lithium negative electrode 12 .
Lithium ion conductive layer 14 is sandwiched between solid electrolyte 13 and lithium negative electrode 12 .

図1に示すリチウム硫黄固体電池10において、硫黄正極11、リチウム負極12、固体電解質13は、それぞれ可撓性のシート状に形成されている。
リチウム硫黄固体電池10は、硫黄正極11、固体電解質13、リチウムイオン伝導層14、リチウム負極12をこの順で積層した構造となっている。
In the lithium-sulfur solid-state battery 10 shown in FIG. 1, the sulfur positive electrode 11, the lithium negative electrode 12, and the solid electrolyte 13 are each formed in a flexible sheet shape.
A lithium-sulfur solid-state battery 10 has a structure in which a sulfur positive electrode 11, a solid electrolyte 13, a lithium ion conductive layer 14, and a lithium negative electrode 12 are laminated in this order.

リチウムイオン伝導層14は、多孔質体、または繊維状の材料が集合し層を構成している繊維質のもの(本明細書においては、「繊維集合体」と称することがある)である可撓性シート状の本体部にイオン液体が含浸されたものである。
リチウムイオン伝導層14のうち、前記空隙部を有し、イオン液体を保持するとともに、リチウムイオン伝導層の形状を維持している部位を、本明細書においては、「本体部」と称する。すなわち、リチウムイオン伝導層14は、前記本体部と、前記本体部によって保持されているイオン液体と、を含む。
The lithium-ion conductive layer 14 may be a porous material or a fibrous material in which fibrous materials aggregate to form a layer (in this specification, may be referred to as a “fiber assembly”). A flexible sheet-like main body is impregnated with an ionic liquid.
In the present specification, the portion of the lithium ion conductive layer 14 that has the voids, holds the ionic liquid, and maintains the shape of the lithium ion conductive layer is referred to as a "main body portion". That is, the lithium ion conductive layer 14 includes the body portion and the ionic liquid retained by the body portion.

可撓性シート状の本体部は、例えば、紙類、合成樹脂製の多孔質体、合成樹脂またはガラス製の繊維によって繊維集合体等を挙げることができる。また、本体部は、イオン液体を含浸させる前の状態において、その厚み方向に貫通する空隙部が多数存在する構成のものである。 Examples of the flexible sheet-like main body include papers, synthetic resin porous bodies, and fiber aggregates made of synthetic resin or glass fibers. In addition, the main body has a configuration in which a large number of voids penetrating in the thickness direction exist before being impregnated with the ionic liquid.

本体部の厚み方向はリチウムイオン伝導層14の厚み方向に一致する。
リチウムイオン伝導層14のイオン液体は本体部の空隙部等に保持されている。
イオン液体を保持した空隙部は、リチウムイオン伝導層14のその一方の面(本明細書においては、「第1面」と称することがある)14aから他方の面(本明細書においては、「第2面」と称することがある)14bにまで到達するように存在する。
したがって、リチウムイオン伝導層14を介して、リチウム負極12と固体電解質13との間においては、液状物や微細な物質の移動が可能となっている。
The thickness direction of the main body coincides with the thickness direction of the lithium ion conductive layer 14 .
The ionic liquid of the lithium ion conductive layer 14 is held in the gaps of the main body.
The void holding the ionic liquid extends from one surface (in this specification, sometimes referred to as "first surface") 14a of lithium ion conductive layer 14 to the other surface (in this specification, " (sometimes referred to as the second surface) 14b.
Therefore, liquid substances and fine substances can be transferred between the lithium negative electrode 12 and the solid electrolyte 13 via the lithium ion conductive layer 14 .

さらに、リチウムイオン伝導層14のイオン液体中には、リチウムイオンが溶解可能である。したがって、リチウムイオン伝導層14を介して、リチウム負極12と固体電解質13との間(リチウムイオン伝導層14中のその厚さT14の方向)においては、リチウムイオンが容易に伝導可能となっている。 Furthermore, lithium ions can be dissolved in the ionic liquid of the lithium ion conductive layer 14 . Therefore, lithium ions can be easily conducted between the lithium negative electrode 12 and the solid electrolyte 13 (in the direction of the thickness T14 in the lithium ion conductive layer 14 ) through the lithium ion conductive layer 14. there is

リチウム硫黄固体電池10においては、リチウムイオン伝導層14が存在することにより、リチウムイオン伝導層14中のイオン液体によって、リチウムイオン伝導層14中、換言するとリチウム負極12と固体電解質13との間、において、金属リチウムの析出が抑制される。ここで、「リチウムイオン伝導層14中で金属リチウムの析出が抑制される」とは、「リチウムイオン伝導層14中で金属リチウムが全く析出しないか、又はリチウムイオン伝導層14中で金属リチウムが析出したとしても、その析出量が微量であること」を意味する。したがって、リチウムイオン伝導層14は、リチウム負極12と固体電解質13との間で、円滑にリチウムイオンを伝導させる。さらに、このように金属リチウムの析出が抑制されることで、固体電解質13中においても、金属リチウムの析出が抑制される。すなわち、リチウム硫黄固体電池10においては、リチウムイオン伝導層14から、固体電解質13を介して、硫黄正極11までの間で、金属リチウムが連続的に析出することが抑制される。その結果、リチウム硫黄固体電池10においては、例えば、充放電を行ったときに、短絡(ショート)と固体電解質の割れの発生を抑制できる。 In the lithium-sulfur solid-state battery 10, due to the presence of the lithium ion conductive layer 14, the ionic liquid in the lithium ion conductive layer 14 causes the lithium ion conductive layer 14, in other words, between the lithium negative electrode 12 and the solid electrolyte 13, , deposition of metallic lithium is suppressed. Here, "the deposition of metallic lithium is suppressed in the lithium ion conductive layer 14" means "no metallic lithium is deposited in the lithium ion conductive layer 14, or no metallic lithium is deposited in the lithium ion conductive layer 14. Even if it precipitates, the amount of precipitation is very small." Therefore, the lithium ion conductive layer 14 smoothly conducts lithium ions between the lithium negative electrode 12 and the solid electrolyte 13 . Furthermore, by suppressing the deposition of metallic lithium in this way, the deposition of metallic lithium is also suppressed in the solid electrolyte 13 . That is, in the lithium-sulfur solid-state battery 10 , continuous deposition of metallic lithium from the lithium-ion conductive layer 14 to the sulfur positive electrode 11 via the solid electrolyte 13 is suppressed. As a result, in the lithium-sulfur solid-state battery 10, for example, short circuits and cracks in the solid electrolyte can be suppressed during charging and discharging.

リチウム硫黄固体電池10においては、例えば、硫黄正極11及びリチウム負極12に、さらに、それぞれ外部回路との接続用の端子が設けられる。
また、リチウム硫黄固体電池10においては、さらに必要に応じて、上述の硫黄正極11、固体電解質13、リチウムイオン伝導層14及びリチウム負極12の積層構造全体が、容器中に収納される。
また、リチウム硫黄固体電池10は、さらに必要に応じて、リチウムイオン伝導層14中のイオン液体が、リチウム硫黄固体電池10の外部に漏出することを抑制する機構(漏出抑制機構)を備えていてもよい。例えば、前記容器が、このような漏出抑制機構を兼ねてもよい。
次に、本実施形態のリチウム硫黄固体電池の各層の構成について、詳細に説明する。
In the lithium-sulfur solid-state battery 10, for example, the sulfur positive electrode 11 and the lithium negative electrode 12 are further provided with terminals for connection to external circuits.
In addition, in the lithium-sulfur solid-state battery 10, the entire laminated structure of the sulfur positive electrode 11, the solid electrolyte 13, the lithium ion conductive layer 14 and the lithium negative electrode 12 is housed in a container, if necessary.
In addition, the lithium-sulfur solid-state battery 10 further optionally has a mechanism (leakage suppression mechanism) that suppresses leakage of the ionic liquid in the lithium-ion conductive layer 14 to the outside of the lithium-sulfur solid-state battery 10. good too. For example, the container may also serve as such a leakage suppression mechanism.
Next, the configuration of each layer of the lithium-sulfur solid-state battery of this embodiment will be described in detail.

まず、硫黄正極について詳しく説明する。
本実施形態のリチウム硫黄固体電池における硫黄正極は、硫黄を含有し、正極として機能するものであれば、特に限定されない。
First, the sulfur positive electrode will be described in detail.
The sulfur positive electrode in the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment is not particularly limited as long as it contains sulfur and functions as a positive electrode.

ただし、好ましい硫黄正極11としては、表面に開口する穴部が多数存在する導電性シートと、導電性シートの穴部に収容された正極材とを有するものが挙げられる。
導電性シートは可撓性を有するものを採用する。導電性シートの穴部に正極材が収容された硫黄正極11は可撓性を有するシート状に形成されている。
However, a preferable sulfur positive electrode 11 includes a conductive sheet having a large number of holes opening on the surface thereof, and a positive electrode material accommodated in the holes of the conductive sheet.
A flexible conductive sheet is used. The sulfur positive electrode 11 in which the positive electrode material is accommodated in the holes of the conductive sheet is formed in a flexible sheet shape.

正極材は、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄のみを含有するもの、硫黄及びイオン液体のみを含有するもの、あるいは硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有するものである。
正極材は、導電性シートの穴部だけでなく、導電性シートの外周面の一部または全体を覆って存在していても良い。
以下、硫黄正極のこれら構成材料について、詳細に説明する。
まず、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有する正極材を有する硫黄正極について説明する。
The positive electrode material contains only sulfur among sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid, a material containing only sulfur and an ionic liquid, or a material containing all of sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid. is.
The positive electrode material may be present covering not only the holes of the conductive sheet but also a part or the whole of the outer peripheral surface of the conductive sheet.
These constituent materials of the sulfur positive electrode will be described in detail below.
First, a sulfur positive electrode having a positive electrode material containing all of sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid will be described.

[導電性シート]
導電性シートの穴部は、硫黄正極の導電性シート以外の構成成分、すなわち、正極材を保持する。そして、導電性シートは、正極集電体として機能し得る。
また、導電性シートの穴部は、導電性シート表面に開口しており、導電性シートに対して、後から硫黄等の各成分を加えることで、これら成分を保持させることが可能となっている。
[Conductive sheet]
The holes in the conductive sheet hold the constituent components of the sulfur positive electrode other than the conductive sheet, that is, the positive electrode material. And the conductive sheet can function as a positive electrode current collector.
In addition, the holes of the conductive sheet are open on the surface of the conductive sheet, and by adding each component such as sulfur to the conductive sheet later, it is possible to retain these components. there is

導電性シートの穴部は、上記の条件を満たす限り、その形状は特に限定されない。
例えば、穴部は、1個又は2個以上の他の穴部と連通しいてもよいし、他の穴部と連通することなく、独立していてもよい。
また、穴部は、導電性シートを貫通していてもよいし、導電性シートを貫通しない非貫通のものであってもよい。
The shape of the holes in the conductive sheet is not particularly limited as long as the above conditions are satisfied.
For example, a hole may communicate with one or more other holes, or may be independent without communicating with other holes.
Moreover, the hole may penetrate the conductive sheet, or may not penetrate the conductive sheet.

導電性シートの形態としては、例えば、繊維集合体(導電性の繊維状材料が集合し、層を構成している繊維質のもの)等が挙げられる。
導電性シートを構成する繊維集合体は、例えば、繊維状の材料が互いに絡み合って構成されているものであってもよいし、繊維状の材料が規則的又は不規則的に積み重なって構成されていてもよい。
繊維集合体である導電性シートの穴部は、互いに離間する繊維状材料間の領域等、繊維集合体内の繊維状材料が存在しない領域のうち導電性シート表面に開口するものを指す。
Examples of the form of the conductive sheet include a fiber aggregate (a fibrous material in which conductive fibrous materials are aggregated to form a layer).
The fiber assembly that constitutes the conductive sheet may be, for example, a structure in which fibrous materials are entangled with each other, or a structure in which fibrous materials are regularly or irregularly stacked. may
The holes of the conductive sheet, which is a fiber assembly, refer to those regions, such as regions between fibrous materials that are spaced apart from each other, in which fibrous material does not exist in the fiber assembly and that are open to the surface of the conductive sheet.

導電性シートの穴部は、正極材によって隙間無く埋め込まれていても良いし、正極材によって埋め込まれていない空隙がある程度存在しても良い。
繊維集合体である導電性シートを含む硫黄正極は、繊維集合体を構成する繊維状材料が、繊維集合体内の繊維状材料が存在しない領域に充填された正極材中に埋め込まれた構成である。
The holes of the conductive sheet may be filled with the positive electrode material without gaps, or there may be some gaps that are not filled with the positive electrode material.
A sulfur positive electrode containing a conductive sheet that is a fiber assembly has a configuration in which a fibrous material that constitutes the fiber assembly is embedded in a positive electrode material filled in a region in the fiber assembly where the fibrous material does not exist. .

導電性シートの構成材料は、導電性を有していればよいが、硫黄との反応性を有しないものが好ましい。
導電性シートの構成材料として、より具体的には、例えば、炭素、金属(単体金属、合金)等が挙げられる。
なかでも、導電性シートの好ましい構成材料としては、正極集電体の構成材料が挙げられ、より具体的には、例えば、炭素、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等が挙げられる。
The constituent material of the conductive sheet may be conductive, but preferably has no reactivity with sulfur.
More specifically, examples of the constituent material of the conductive sheet include carbon, metals (single metals, alloys), and the like.
Among them, preferred constituent materials of the conductive sheet include constituent materials of the positive electrode current collector, more specifically, carbon, copper, aluminum, titanium, nickel, stainless steel, and the like.

導電性シートの構成材料は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。 The constituent materials of the conductive sheet may be of one type or two or more types, and when two or more types are used, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

好ましい導電性シートとしては、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス等が挙げられる。 Preferred conductive sheets include, for example, carbon felt and carbon cloth.

導電性シートの厚さは、特に限定されず、適用する電池の目的に応じて適宜設定すればよい。通常、導電性シートの厚さは、50~30000μmであることが好ましく、100~3000μmであることがより好ましい。 The thickness of the conductive sheet is not particularly limited, and may be appropriately set according to the purpose of the battery to be applied. Generally, the thickness of the conductive sheet is preferably 50-30000 μm, more preferably 100-3000 μm.

なお、導電性シートの表面における凹凸度が高い場合など、導電性シートの厚さが導電性シートの部位によって明確に変動している場合には、最大の厚さを導電性シートの厚さとする(導電性シートの最も厚い部位の厚さを導電性シートの厚さとする)。これは、導電性シートに限らず、すべての層(後述する硫黄正極、リチウム負極、固体電解質)の厚さについても、同様である。 In addition, when the thickness of the conductive sheet clearly varies depending on the part of the conductive sheet, such as when the surface of the conductive sheet has a high degree of unevenness, the maximum thickness is the thickness of the conductive sheet. (The thickness of the thickest part of the conductive sheet is defined as the thickness of the conductive sheet). This applies not only to the thickness of the conductive sheet but also to the thickness of all layers (sulfur positive electrode, lithium negative electrode, solid electrolyte, which will be described later).

[導電助剤]
導電助剤は、公知のものでよく、具体的なものとしては、例えば、黒鉛(グラファイト);ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック;カーボンナノチューブ;グラフェン;フラーレン等が挙げられる。
硫黄正極が含有する導電助剤は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
[Conductive agent]
The conductive aid may be a known one, and specific examples thereof include graphite; carbon black such as ketjen black and acetylene black; carbon nanotube; graphene; fullerene and the like.
The conductive aid contained in the sulfur positive electrode may be of one type or two or more types, and when two or more types are used, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

硫黄正極において、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量に対する、硫黄及び導電助剤の合計含有量の割合([硫黄正極の硫黄及び導電助剤の合計含有量(質量部)]/[硫黄正極の硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量(質量部)]×100)は、特に限定されないが、60~95質量%であることが好ましく、70~85質量%であることがより好ましい。前記合計含有量の割合が前記下限値以上であることで、電池の充放電特性がより向上する。前記合計含有量の割合が前記上限値以下であることで、硫黄及び導電助剤以外の成分を用いたことによる効果が、より顕著に得られる。 In the sulfur positive electrode, the ratio of the total content of sulfur and conductive aid to the total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid ([total content of sulfur and conductive aid in sulfur positive electrode (parts by mass)] /[Total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid in sulfur positive electrode (parts by mass)] × 100) is not particularly limited, but is preferably 60 to 95% by mass, preferably 70 to 85% by mass. is more preferable. When the ratio of the total content is equal to or higher than the lower limit, the charge/discharge characteristics of the battery are further improved. When the ratio of the total content is equal to or less than the upper limit, the effect of using components other than sulfur and the conductive aid can be obtained more remarkably.

硫黄正極において、[硫黄の含有量(質量部)]:[導電助剤の含有量(質量部)]の質量比は、特に限定されないが、30:70~70:30であることが好ましく、45:55~65:35であることがより好ましい。硫黄の含有量の比率が高いほど、電池の充放電特性がより向上し、導電助剤の含有量の比率が高いほど、硫黄正極の導電性がより向上する。 In the sulfur positive electrode, the mass ratio of [sulfur content (parts by mass)]:[conductivity aid content (parts by mass)] is not particularly limited, but is preferably 30:70 to 70:30, It is more preferably 45:55 to 65:35. The higher the sulfur content ratio, the better the charge/discharge characteristics of the battery, and the higher the conductive aid content ratio, the better the conductivity of the sulfur positive electrode.

硫黄正極において、硫黄及び導電助剤は、複合体を形成していてもよい。
例えば、硫黄と、炭素含有材料(例えば、ケッチェンブラック等)と、を混合し、焼成することで、硫黄-炭素複合体が得られる。このような、複合体も、硫黄正極の含有成分として好適である。
In the sulfur positive electrode, sulfur and the conductive aid may form a composite.
For example, a sulfur-carbon composite can be obtained by mixing sulfur and a carbon-containing material (eg, Ketjenblack, etc.) and firing the mixture. Such a composite is also suitable as a component contained in the sulfur positive electrode.

[バインダー]
前記バインダーは、公知のものでよく、具体的なものとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-六フッ化プロピレン共重合体(PVDF-HFP)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリエチレングリコール(PEG)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリルニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)等が挙げられる。
硫黄正極が含有するバインダーは、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
[binder]
The binder may be a known one, and specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-propylene hexafluoride copolymer (PVDF-HFP), polyacrylic acid (PAA), Polylithium acrylate (PAALi), styrene-butadiene rubber (SBR), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylonitrile (PAN), polyimide (PI) etc.
The binder contained in the sulfur positive electrode may be of one type or two or more types, and when there are two or more types, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

硫黄正極において、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量に対する、バインダーの含有量の割合([硫黄正極のバインダーの含有量(質量部)]/[硫黄正極の硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量(質量部)]×100)は、特に限定されないが、3~15質量%であることが好ましく、5~9質量%であることがより好ましい。前記含有量の割合が前記下限値以上であることで、硫黄正極の構造をより安定して維持できる。前記含有量の割合が前記上限値以下であることで、電池の充放電特性がより向上する。 In the sulfur positive electrode, the ratio of the content of the binder to the total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid ([binder content of sulfur positive electrode (parts by mass)] / [sulfur positive electrode, conductive aid , total content of binder and ionic liquid (parts by mass)]×100) is not particularly limited, but is preferably 3 to 15% by mass, more preferably 5 to 9% by mass. When the content ratio is equal to or higher than the lower limit, the structure of the sulfur positive electrode can be more stably maintained. When the content ratio is equal to or less than the upper limit, the charge/discharge characteristics of the battery are further improved.

[イオン液体]
硫黄正極が含有する前記イオン液体は、リチウムイオンを容易に移動させるための成分である。イオン液体は、高温安定性に優れるとともに、リチウムイオンを容易に移動させることが可能である。硫黄正極がイオン液体を含有していることにより、硫黄正極と固体電解質との接触面積が小さいものの、イオン液体が硫黄正極と固体電解質との間でリチウムイオンを移動させる。したがって、このような硫黄正極を用いた固体電池は、固体電解質を用いているにも関わらず、硫黄正極界面での界面抵抗値が小さくなり、より優れた電池特性を有する。
[Ionic liquid]
The ionic liquid contained in the sulfur positive electrode is a component for easily moving lithium ions. The ionic liquid has excellent high-temperature stability and can easily move lithium ions. Since the sulfur positive electrode contains the ionic liquid, although the contact area between the sulfur positive electrode and the solid electrolyte is small, the ionic liquid moves lithium ions between the sulfur positive electrode and the solid electrolyte. Therefore, a solid battery using such a sulfur positive electrode has a smaller interfacial resistance value at the interface of the sulfur positive electrode, and has better battery characteristics, in spite of using a solid electrolyte.

前記イオン液体は、例えば、公知のものから適宜選択できる。
ただし、イオン液体は、例えば、170℃未満の温度範囲で、硫黄の溶解度が低いものほど好ましく、硫黄を溶解させないものが特に好ましい。
The ionic liquid can be appropriately selected from known ones, for example.
However, the ionic liquid preferably has a lower solubility of sulfur in a temperature range of, for example, less than 170° C., and particularly preferably does not dissolve sulfur.

イオン液体としては、例えば、170℃未満の温度で液状のイオン性化合物、溶媒和イオン液体等が挙げられる。 Examples of ionic liquids include ionic compounds that are liquid at a temperature of less than 170° C., solvated ionic liquids, and the like.

(170℃未満の温度で液状のイオン性化合物)
前記イオン性化合物を構成するカチオン部は、有機カチオン及び無機カチオンのいずれでもよいが、有機カチオンであることが好ましい。
前記イオン性化合物を構成するアニオン部も、有機アニオン及び無機アニオンのいずれでもよい。
(Ionic compound liquid at a temperature of less than 170°C)
The cation moiety constituting the ionic compound may be either an organic cation or an inorganic cation, but is preferably an organic cation.
The anion part constituting the ionic compound may be either an organic anion or an inorganic anion.

前記カチオン部のうち、有機カチオンとしては、例えば、イミダゾリウムカチオン(imidazolium cation)、ピリジニウムカチオン(pyridinium cation)、ピロリジニウムカチオン(pyrrolidinium cation)、ホスホニウムカチオン(phosphonium cation)、アンモニウムカチオン(ammonium cation)、スルホニウムカチオン(sulfonium cation)等が挙げられる。
ただし、前記有機カチオンは、これらに限定されない。
Among the cation moieties, organic cations include, for example, imidazolium cation, pyridinium cation, pyrrolidinium cation, phosphonium cation, and ammonium cation. , sulfonium cation, and the like.
However, the organic cation is not limited to these.

前記アニオン部のうち、有機アニオンとしては、例えば、メチルサルフェートアニオン(CHSO )、エチルサルフェートアニオン(CSO )等のアルキルサルフェートアニオン(alkylsulfate anion);
トシレートアニオン(CHSO );
メタンスルホネートアニオン(CHSO )、エタンスルホネートアニオン(CSO )、ブタンスルホネートアニオン(CSO )等のアルカンスルホネートアニオン(alkanesulfonate anion);
トリフルオロメタンスルホネートアニオン(CFSO )、ペンタフルオロエタンスルホネートアニオン(CSO )、ヘプタフルオロプロパンスルホネートアニオン(CSO )、ノナフルオロブタンスルホネートアニオン(CSO )等のパーフルオロアルカンスルホネートアニオン(perfluoroalkanesulfonate anion);
ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン((CFSO)N)、ビス(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドアニオン((CSO)N)、ノナフルオロ-N-[(トリフルオロメタン)スルホニル]ブタンスルホニルイミドアニオン((CFSO)(CSO)N)、N,N-ヘキサフルオロ-1,3-ジスルホニルイミドアニオン(SOCFCFCFSO)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミドアニオン(perfluoroalkanesulfonylimide anion);
アセテートアニオン(CHCOO);
ハイドロジェンサルフェートアニオン(HSO );等が挙げられる。
ただし、前記有機アニオンは、これらに限定されない。
Among the anion moieties, organic anions include alkylsulfate anions such as methylsulfate anion (CH 3 SO 4 ) and ethylsulfate anion (C 2 H 5 SO 4 );
Tosylate anion (CH 3 C 6 H 4 SO 3 );
alkanesulfonate anions such as methanesulfonate anion (CH 3 SO 3 ), ethanesulfonate anion (C 2 H 5 SO 3 ), butanesulfonate anion (C 4 H 9 SO 3 );
trifluoromethanesulfonate anion (CF 3 SO 3 ), pentafluoroethanesulfonate anion (C 2 F 5 SO 3 ), heptafluoropropanesulfonate anion (C 3 H 7 SO 3 ), nonafluorobutanesulfonate anion (C 4 perfluoroalkanesulfonate anions such as H 9 SO 3 );
Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion ((CF 3 SO 2 )N ), bis(nonafluorobutanesulfonyl)imide anion ((C 4 F 9 SO 2 )N ), nonafluoro-N-[(trifluoromethane) sulfonyl]butanesulfonylimide anion ((CF 3 SO 2 )(C 4 F 9 SO 2 )N ), N,N-hexafluoro-1,3-disulfonylimide anion (SO 2 CF 2 CF 2 CF 2 SO 2 N ) and other perfluoroalkanesulfonylimide anions;
Acetate anion (CH 3 COO );
hydrogen sulfate anion (HSO 4 ); and the like.
However, the organic anions are not limited to these.

前記アニオン部のうち、無機アニオンとしては、例えば、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン(N(SOF) );ヘキサフルオロホスフェートアニオン(PF );テトラフルオロボレートアニオン(BF );塩化物イオン(Cl)、臭化物イオン(Br)、ヨウ化物イオン(I)等のハライドアニオン(halide anion);テトラクロロアルミネートアニオン(AlCl )、チオシアネートアニオン(SCN)等が挙げられる。
ただし、前記無機アニオンは、これらに限定されない。
Among the anion moieties, inorganic anions include, for example, bis(fluorosulfonyl)imide anion (N(SO 2 F) 2 ); hexafluorophosphate anion (PF 6 ); tetrafluoroborate anion (BF 4 ). ; halide anions such as chloride ion (Cl - ), bromide ion (Br - ), iodide ion (I - ); tetrachloroaluminate anion (AlCl 4 - ), thiocyanate anion (SCN - ), etc. is mentioned.
However, the inorganic anions are not limited to these.

前記イオン性化合物としては、例えば、上記のいずれかのカチオン部と、上記のいずれかのアニオン部と、の組み合わせで構成されたものが挙げられる。 Examples of the ionic compound include those composed of a combination of any of the above cation moieties and any of the above anion moieties.

カチオン部がイミダゾリウムカチオンであるイオン液体としては、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-メチル-3-プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムメタンスルホネート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムメタンスルホネート、1,2,3-トリメチルイミダゾリウムメチルサルフェート、メチルイミダゾリウムクロライド、メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロアルミネート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロアルミネート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアセテート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムアセテート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムエチルサルフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムメチルサルフェート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムチオシアネート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムチオシアネート、1-エチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムエチルサルフェート等が挙げられる。 Examples of the ionic liquid whose cation moiety is an imidazolium cation include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1 -methyl-3-propylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3- Methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1-butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1,2,3-trimethylimidazolium methylsulfate, methylimidazolium chloride, methylimidazolium hydrochloride Gensulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium Lithium tetrachloroaluminate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroaluminate, 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate, 1-ethyl-3-methylimidazolium Lithium ethyl sulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium methyl sulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ethyl sulfate and the like.

カチオン部がピリジニウムカチオンであるイオン液体としては、例えば、1-ブチルピリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルピリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。 Examples of ionic liquids in which the cation moiety is a pyridinium cation include 1-butylpyridinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and 1-butyl-3-methylpyridinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide.

カチオン部がピロリジニウムカチオンであるイオン液体としては、例えば、1-メチル-1-プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。 Ionic liquids in which the cation moiety is a pyrrolidinium cation include, for example, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide and the like.

カチオン部がホスホニウムカチオンであるイオン液体としては、例えば、テトラブチルホスホニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、トリブチルドデシルホスホニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。 Examples of ionic liquids in which the cation moiety is a phosphonium cation include tetrabutylphosphonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and tributyldodecylphosphonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide.

カチオン部がアンモニウムカチオンであるイオン液体としては、例えば、メチルトリブチルアンモニウムメチルサルフェート、ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、トリメチルへキシルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。 Examples of ionic liquids in which the cation moiety is an ammonium cation include methyltributylammonium methylsulfate, butyltrimethylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, and trimethylhexylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide.

(溶媒和イオン液体)
前記溶媒和イオン液体で好ましいものとしては、例えば、グライム-リチウム塩錯体からなるもの等が挙げられる。
(solvated ionic liquid)
Preferred solvated ionic liquids include, for example, those comprising a glyme-lithium salt complex.

前記グライム-リチウム塩錯体におけるリチウム塩としては、例えば、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiN(SOF)、本明細書においては、「LiFSI」と略記することがある)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(SOCF、本明細書においては、「LiTFSI」と略記することがある)等が挙げられる。 Examples of the lithium salt in the glyme-lithium salt complex include lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiN(SO 2 F) 2 , herein sometimes abbreviated as “LiFSI”), lithium bis ( trifluoromethanesulfonyl)imide (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , sometimes abbreviated as “LiTFSI” in this specification), and the like.

前記グライム-リチウム塩錯体におけるグライムとしては、例えば、トリエチレングリコールジメチルエーテル(CH(OCHCHOCH、トリグライム)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(CH(OCHCHOCH、テトラグライム)等が挙げられる。 Examples of glyme in the glyme-lithium salt complex include triethylene glycol dimethyl ether (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 , triglyme), tetraethylene glycol dimethyl ether (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 4 OCH 3 , tetraglyme) and the like.

前記グライム-リチウム塩錯体としては、例えば、グライム1分子とリチウム塩1分子とで構成された錯体等が挙げられるが、グライム-リチウム塩錯体はこれに限定されない。 Examples of the glyme-lithium salt complex include a complex composed of one glyme molecule and one lithium salt molecule, but the glyme-lithium salt complex is not limited thereto.

前記グライム-リチウム塩錯体は、例えば、リチウム塩とグライムとを、リチウム塩(モル):グライム(モル)のモル比が、好ましくは10:90~90:10となるように、混合することで作製できる。 The glyme-lithium salt complex is obtained, for example, by mixing a lithium salt and glyme such that the molar ratio of lithium salt (mol): glyme (mol) is preferably 10:90 to 90:10. can be made.

好ましいグライム-リチウム塩錯体としては、例えば、トリグライム-LiFSI錯体、テトラグライム-LiFSI錯体、トリグライム-LiTFSI錯体、テトラグライム-LiTFSI錯体等が挙げられる。 Preferred glyme-lithium salt complexes include, for example, triglyme-LiFSI complex, tetraglyme-LiFSI complex, triglyme-LiTFSI complex, tetraglyme-LiTFSI complex, and the like.

硫黄正極が含有するイオン液体は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。 The ionic liquids contained in the sulfur positive electrode may be of one type or two or more types, and when there are two or more types, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

硫黄正極が含有するイオン液体は、上記の中でも、グライム-リチウム塩錯体からなる溶媒和イオン液体であることが好ましい。 The ionic liquid contained in the sulfur positive electrode is preferably a solvated ionic liquid comprising a glyme-lithium salt complex among the above.

硫黄正極において、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量に対する、イオン液体の含有量の割合([硫黄正極のイオン液体の含有量(質量部)]/[硫黄正極の硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量(質量部)]×100)は、特に限定されないが、5~20質量%であることが好ましく、9~15質量%であることがより好ましい。前記含有量の割合が前記下限値以上であることで、硫黄正極の導電性がより向上する。前記含有量の割合が前記上限値以下であることで、電池の充放電特性がより向上する。 In the sulfur positive electrode, the ratio of the content of the ionic liquid to the total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid ([content of the ionic liquid of the sulfur positive electrode (parts by mass)] / [sulfur of the sulfur positive electrode, conductivity The total content of auxiliary agent, binder and ionic liquid (parts by mass)]×100) is not particularly limited, but is preferably 5 to 20% by mass, more preferably 9 to 15% by mass. When the content ratio is equal to or higher than the lower limit value, the conductivity of the sulfur positive electrode is further improved. When the content ratio is equal to or less than the upper limit, the charge/discharge characteristics of the battery are further improved.

[その他の成分]
硫黄正極は、本発明の効果を損なわない範囲内において、導電性シート以外の構成成分として、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体以外に、その他の成分(ただし、後述する溶媒を除く)を含有していてもよい。
前記その他の成分は、特に限定されず、目的に応じて任意に選択できる。
硫黄正極が含有するその他の成分は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
[Other ingredients]
The sulfur positive electrode contains other components (excluding the solvent described later) in addition to sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid as constituent components other than the conductive sheet within a range that does not impair the effects of the present invention. may contain.
The other components are not particularly limited and can be arbitrarily selected according to the purpose.
The other components contained in the sulfur positive electrode may be of one type or two or more types, and when there are two or more types, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

硫黄正極において、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量に対する、前記その他の成分の含有量の割合([硫黄正極のその他の成分の含有量(質量部)]/[硫黄正極の硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の総含有量(質量部)]×100)は、特に限定されないが、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることがさらに好ましく、1質量%以下であることが特に好ましく、0質量%であってもよい。 In the sulfur positive electrode, the ratio of the content of the other components to the total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid ([content of other components of the sulfur positive electrode (parts by mass)] / [of the sulfur positive electrode The total content of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid (parts by mass)] × 100) is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, It is more preferably 3% by mass or less, particularly preferably 1% by mass or less, and may be 0% by mass.

硫黄正極において、導電性シートの質量に対する、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の合計質量の割合([硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の合計質量]/[導電性シートの質量]×100)は、15~45質量%であることが好ましく、25~40質量%であることがより好ましい。 In the sulfur positive electrode, the ratio of the total mass of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid to the mass of the conductive sheet ([total mass of sulfur, conductive aid, binder and ionic liquid] / [mass of conductive sheet] ×100) is preferably 15 to 45% by mass, more preferably 25 to 40% by mass.

<硫黄正極の製造方法>
上述の、集電体(正極集電体)上に正極活物質層を備えて構成された硫黄正極等、公知の硫黄正極は、公知の方法で製造すればよい。
一方、前記導電性シートを備えた硫黄正極は、例えば、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体を含有する正極材(正極材形成組成物)を、前記導電性シートに含浸させる工程を有する製造方法で、製造できる。そして、前記製造方法は、さらに、含浸させた正極材形成組成物を乾燥させる工程等、他の工程を有していてもよい。
但し、この硫黄正極の製造方法では、導電性シートに含浸させる正極材形成組成物中に可燃性ガスを発生する有機溶媒が含まれる場合、導電性シートに正極材形成組成物を含浸させる工程の後に、乾燥工程あるいは留去等によって、正極材形成組成物から可燃性ガスを発生する有機溶媒を除去する。
以下、このような硫黄正極の製造方法について説明する。
<Method for producing sulfur positive electrode>
A known sulfur positive electrode, such as the above-described sulfur positive electrode configured by providing a positive electrode active material layer on a current collector (positive electrode current collector), may be produced by a known method.
On the other hand, the sulfur positive electrode provided with the conductive sheet is manufactured by impregnating the conductive sheet with a positive electrode material (positive electrode material forming composition) containing, for example, sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid. method can be manufactured. The manufacturing method may further include other steps such as a step of drying the impregnated positive electrode material-forming composition.
However, in this method for producing a sulfur positive electrode, if the positive electrode material-forming composition impregnated into the conductive sheet contains an organic solvent that generates a combustible gas, the step of impregnating the conductive sheet with the positive electrode material-forming composition is performed. Afterwards, the organic solvent that generates combustible gas is removed from the positive electrode material-forming composition by a drying process, distillation, or the like.
A method for producing such a sulfur positive electrode will be described below.

[正極材]
好ましい正極材形成組成物としては、例えば、硫黄、導電助剤、バインダー、イオン液体、溶媒、及び必要に応じて前記その他の成分を含有するものが挙げられる。
[Cathode material]
Preferred positive electrode material-forming compositions include, for example, those containing sulfur, a conductive aid, a binder, an ionic liquid, a solvent, and, if necessary, the above other components.

前記溶媒は、上述の硫黄等の各成分を溶解又は分散させ、正極材形成組成物に適度な流動性を付与するための成分である。
なお、本明細書においては、特に断りのない限り、如何なるイオン液体も溶媒には包含されない(すべてのイオン液体は溶媒として取り扱わない)ものとする。
The solvent is a component for dissolving or dispersing each component such as sulfur described above and imparting appropriate fluidity to the positive electrode material-forming composition.
In this specification, unless otherwise specified, any ionic liquid is not included in the solvent (all ionic liquids are not treated as solvents).

溶媒は、上述の硫黄等の各成分の種類に応じて任意に選択でき、好ましいものとしては、有機溶媒が挙げられる。
前記有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール等のアルコール;N-メチルピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)等のアミド;アセトン等のケトン等が挙げられる。
正極材(正極材形成組成物)が含有する溶媒は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
正極材形成組成物の溶媒の含有量は、特に限定されず、溶媒以外の成分の種類に応じて、適宜調節できる。
The solvent can be arbitrarily selected according to the type of each component such as sulfur described above, and organic solvents are preferred.
Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol; amides such as N-methylpyrrolidone (NMP) and N,N-dimethylformamide (DMF); ketones such as acetone. mentioned.
The solvent contained in the positive electrode material (positive electrode material-forming composition) may be of one type or two or more types, and when there are two or more types, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose. .
The content of the solvent in the positive electrode material-forming composition is not particularly limited, and can be adjusted as appropriate according to the types of components other than the solvent.

正極材における、溶媒以外の成分の総含有量に対する、硫黄の含有量の割合([正極材の硫黄の含有量(質量)]/[正極材の、溶媒以外の成分の総含有量(質量部)]×100)は、硫黄正極における、硫黄、導電助剤、バインダー、イオン液体及び前記その他の成分の総含有量に対する、硫黄の含有量の割合([硫黄正極の硫黄の含有量(質量部)]/[硫黄正極の、硫黄、導電助剤、バインダー、イオン液体及び前記その他の成分の総含有量(質量部)]×100)と同じである。これは、硫黄以外の、導電助剤、バインダー、イオン液体及び前記その他の成分でも同じである。 The ratio of the sulfur content to the total content of components other than the solvent in the positive electrode material ([content of sulfur in the positive electrode material (mass)] / [total content of components other than the solvent in the positive electrode material (parts by mass )] × 100) is the ratio of sulfur content to the total content of sulfur, conductive aid, binder, ionic liquid and other components in the sulfur positive electrode ([sulfur content of sulfur positive electrode (parts by mass )]/[total content of sulfur, conductive aid, binder, ionic liquid and other components in the sulfur positive electrode (parts by mass)]×100). This is the same for conductive aids, binders, ionic liquids and other components other than sulfur.

正極材形成組成物は、上述の硫黄等の各成分を配合することで得られる。
各成分の配合時における添加順序は特に限定されず、2種以上の成分を同時に添加してもよい。
溶媒を用いる場合には、溶媒を溶媒以外のいずれかの成分(すなわち、上述の硫黄、導電助剤、バインダー、イオン液体及び前記その他の成分のいずれかの成分)と混合して、この成分を予め希釈しておくことで用いてもよいし、上述の溶媒以外のいずれかの成分を予め希釈しておくことなく、溶媒をこれら成分と混合することで用いてもよい。
The positive electrode material-forming composition is obtained by blending each component such as sulfur described above.
There are no particular restrictions on the order of addition of each component when blending, and two or more components may be added at the same time.
When using a solvent, the solvent is mixed with any component other than the solvent (that is, any component of the above sulfur, conductive aid, binder, ionic liquid and other components), and this component is It may be used by diluting in advance, or may be used by mixing the solvent with any of the components other than the above-mentioned solvent without diluting them in advance.

配合時に各成分を混合する方法は特に限定されず、撹拌棒、撹拌子又は撹拌翼等を回転させて混合する方法;ミキサーを用いて混合する方法;超音波を加えて混合する方法等、公知の方法から適宜選択すればよい。
各成分の添加及び混合時の温度並びに時間は、各成分が劣化しない限り特に限定されない。通常、混合時の温度は、15~30℃であることが好ましい。
The method of mixing each component at the time of blending is not particularly limited, and known methods include a method of mixing by rotating a stirring rod, a stirrer, or a stirring blade; a method of mixing using a mixer; a method of mixing by applying ultrasonic waves. method can be selected as appropriate.
The temperature and time during the addition and mixing of each component are not particularly limited as long as each component does not deteriorate. Generally, the temperature during mixing is preferably 15 to 30°C.

各成分を添加及び混合して得られた正極材形成組成物は、そのまま導電性シートへの含浸に用いてもよいし、例えば、添加した溶媒の一部を留去等によって除去するなど、何らかの操作を追加して行って得られたものを、導電性シートへの含浸に用いてもよい。 The positive electrode material-forming composition obtained by adding and mixing each component may be used as it is for impregnating the conductive sheet, or for example, by removing a part of the added solvent by distillation or the like. The result of additional operations may be used to impregnate the conductive sheet.

正極材形成組成物の導電性シートへの含浸は、例えば、液状である正極材形成組成物を導電性シートに塗工する方法、液状である正極材に導電性シートを浸漬する方法等により、行うことができる。
正極材形成組成物は、公知の方法で導電性シートに塗工できる。
導電性シートへ含浸させる正極材の温度は、特に限定されないが、例えば、15~30℃とすることができる。ただし、これは、前記温度の一例である。
The impregnation of the conductive sheet with the positive electrode material-forming composition is performed by, for example, a method of coating the conductive sheet with the positive electrode material-forming composition in a liquid state, a method of immersing the conductive sheet in the positive electrode material in a liquid state, or the like. It can be carried out.
The positive electrode material-forming composition can be applied to the conductive sheet by a known method.
Although the temperature of the positive electrode material impregnated into the conductive sheet is not particularly limited, it can be, for example, 15 to 30.degree. However, this is an example of said temperature.

正極材形成組成物の乾燥は、公知の方法で常圧下又は減圧下で行うことができる。例えば、好ましくは70~90℃、8~24時間の条件で乾燥させることができるが、乾燥条件はこれに限定されない。
なお、硫黄正極は、導電性シートに含浸させた正極材形成組成物の有機溶媒を乾燥、留去等によって除去したものを、リチウム硫黄固体電池10の組み立てに用いる。
Drying of the positive electrode material-forming composition can be performed under normal pressure or reduced pressure by a known method. For example, it is preferably dried under conditions of 70 to 90° C. for 8 to 24 hours, but the drying conditions are not limited thereto.
The sulfur positive electrode is used in the assembly of the lithium-sulfur solid-state battery 10 after removing the organic solvent from the positive electrode material-forming composition impregnated in the conductive sheet by drying, distillation, or the like.

次に、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄のみを含有する正極材を導電性シートの穴部に有する硫黄正極について説明する。
この硫黄正極の製造方法は、熱溶融状態の硫黄、あるいは硫黄を溶媒に溶解させた硫黄溶液を導電性シートの穴部に充填して導電性シートに含浸させる。導電性シートに熱溶融状態の硫黄を含浸させる場合は、導電性シートに含浸させた熱溶融状態の硫黄の冷却固化によって穴部内に硫黄が収容された構成の硫黄正極が得られる。
導電性シートに硫黄溶液を含浸させる場合は、硫黄溶液を導電性シートに含浸させた後、乾燥工程にて溶媒を除去することで、穴部内に硫黄が収容された構成の硫黄正極が得られる。
Next, a sulfur positive electrode having a positive electrode material containing only sulfur out of sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid in the holes of the conductive sheet will be described.
In this method for producing a sulfur positive electrode, hot molten sulfur or a sulfur solution obtained by dissolving sulfur in a solvent is filled into the holes of the conductive sheet to impregnate the conductive sheet. When the conductive sheet is impregnated with sulfur in a hot molten state, the sulfur in the hot molten state impregnated in the conductive sheet is cooled and solidified to obtain a sulfur positive electrode in which sulfur is contained in the holes.
When the conductive sheet is impregnated with the sulfur solution, the conductive sheet is impregnated with the sulfur solution, and then the solvent is removed in a drying process to obtain a sulfur positive electrode having a structure in which sulfur is contained in the holes. .

次に、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄及びイオン液体のみを含有する正極材を導電性シートの穴部に有する硫黄正極について説明する。
正極材のイオン液体は、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有する正極材で採用可能なイオン液体と同様のものを採用できる。
Next, a sulfur positive electrode having a positive electrode material containing only sulfur and an ionic liquid out of sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid in the holes of the conductive sheet will be described.
The ionic liquid of the positive electrode material can be the same as the ionic liquid that can be used in the positive electrode material containing all of sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid.

この正極材を有する硫黄正極の製造方法の一例は、まず、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄のみを含有する正極材を導電性シートの穴部に有する硫黄正極を製造する。次に、この硫黄正極のイオン液体への浸潰、硫黄正極へのイオン液体の塗布等によって、導電性シートの穴部内の硫黄が充填されていない空隙部にイオン液体を充填し、穴部内に硫黄とイオン液体とが収容された構成の硫黄正極を得る。
但し、この硫黄正極の製造方法では、イオン液体に溶媒を混合した混合液を導電性シートの穴部内の空隙部に充填しても良い。イオン液体に可燃性ガスを発生する有機溶媒を混合した混合液を使用する場合は、導電性シートに混合液を含浸させる工程の後に、乾燥工程あるいは留去等によって、混合液から有機溶媒を除去する。
An example of a method for producing a sulfur positive electrode having this positive electrode material is to first produce a sulfur positive electrode having a positive electrode material containing only sulfur among sulfur, a conductive aid, a binder, and an ionic liquid in a hole of a conductive sheet. Next, by immersing the sulfur positive electrode in the ionic liquid, applying the ionic liquid to the sulfur positive electrode, etc., the ionic liquid is filled in the voids in the holes of the conductive sheet that are not filled with sulfur, and the holes are filled with the ionic liquid. A sulfur positive electrode having a structure containing sulfur and an ionic liquid is obtained.
However, in this method for producing a sulfur positive electrode, the gaps in the holes of the conductive sheet may be filled with a mixture of the ionic liquid and the solvent. When using a mixture of an ionic liquid and an organic solvent that generates a combustible gas, after impregnating the conductive sheet with the mixture, remove the organic solvent from the mixture by drying or distillation. do.

硫黄正極の種類によらず、硫黄正極の厚さは、特に限定されず、適用する電池の目的に応じて適宜設定すればよい。硫黄正極の厚さは、50~30000μmであることが好ましく、100~3000μmであることがより好ましい。 Regardless of the type of sulfur positive electrode, the thickness of the sulfur positive electrode is not particularly limited, and may be appropriately set according to the purpose of the battery to which it is applied. The thickness of the sulfur positive electrode is preferably 50-30000 μm, more preferably 100-3000 μm.

次に、固体電解質13を説明する。
固体電解質13の構成材料は、結晶性材料、アモルファス材料及びガラス材料のいずれであってもよい。
固体電解質13の構成材料として、より具体的には、例えば、硫化物を含まず、かつ酸化物を含むもの(本明細書においては「酸化物系材料」と称することがある)、少なくとも硫化物を含むもの(本明細書においては「硫化物系材料」と称することがある)等、公知のものが挙げられる。
Next, the solid electrolyte 13 will be explained.
The constituent material of the solid electrolyte 13 may be any of a crystalline material, an amorphous material, and a glass material.
More specifically, the constituent material of the solid electrolyte 13 is, for example, a material containing no sulfide and containing an oxide (in this specification, may be referred to as an "oxide-based material"), at least a sulfide (which may be referred to herein as a “sulfide-based material”) and other known materials.

前記酸化物系材料としては、例えば、LiLaZr12(LLZ)、Li2.9PO3.30.46(LIPON)、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO、50LiSiO・50LiBO、Li3.6Si0.60.4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO、LiLaTa12、Li0.33La0.55TiO(LLT)等が挙げられる。
また、前記酸化物系材料としては、例えば、LiLaZr12(LLZ)等の複合酸化物に、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ビスマス等の元素が添加(ドープ)されたものも挙げられる。ここで、添加される元素は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
Examples of the oxide-based material include Li7La3Zr2O12 ( LLZ ), Li2.9PO3.3N0.46 ( LIPON ) , La0.51Li0.34TiO2.94 , Li1.3Al0.3Ti1.7 ( PO4 ) 3 , 50Li4SiO4.50Li3BO3 , Li3.6Si0.6P0.4O4 , Li1.07Al0 _ _ _ .69 Ti1.46 ( PO4 ) 3 , Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4 ) 3 , Li5La3Ta2O12 , Li0.33La0.55TiO3 ( LLT) and the like.
Examples of the oxide-based material include those obtained by adding (doping) elements such as aluminum, tantalum, niobium, and bismuth to composite oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ). be done. Here, only one element or two or more elements may be added, and when two or more elements are added, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

前記硫化物系材料としては、例えば、Li10GeP12(LGPS)、Li3.25Ge0.250.75、30LiS・26B・44LiI、63LiS・36SiS・1LiPO、57LiS・38SiS・5LiSiO、70LiS・30P(LISPS)、50LiS・50GeS、Li11、Li3.250.95等が挙げられる。 Examples of the sulfide - based material include Li10GeP2S12 ( LGPS ), Li3.25Ge0.25P0.75S4 , 30Li2S.26B2S3.44LiI , 63Li2S . 36SiS2.1Li3PO4 , 57Li2S.38SiS2.5Li4SiO4 , 70Li2S.30P2S5 ( LISPS ) , 50Li2S.50GeS2 , Li7P3S11 , Li3.25 _ _ P 0.95 S 4 and the like.

固体電解質13の構成材料は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。 The constituent materials of the solid electrolyte 13 may be of one type or two or more types, and when there are two or more types, their combination and ratio can be arbitrarily selected according to the purpose.

固体電解質13の構成材料は、大気中における安定性が高く、緻密性が高い固体電解質13を作製できる点から、前記酸化物系材料であることが好ましい。 The constituent material of the solid electrolyte 13 is preferably the above-described oxide-based material because it has high stability in the air and can produce a highly dense solid electrolyte 13 .

固体電解質13の厚さは、特に限定されず、適用する電池の目的に応じて適宜設定すればよい。固体電解質13の厚さは、10~1200μmであることが好ましい。固体電解質の厚さが前記下限値以上であることで、その製造及び取り扱い性がより良好となる。固体電解質の厚さが前記上限値以下であることで、リチウム硫黄固体電池の抵抗値がより低減される。 The thickness of the solid electrolyte 13 is not particularly limited, and may be appropriately set according to the purpose of the battery to be applied. The thickness of the solid electrolyte 13 is preferably 10-1200 μm. When the thickness of the solid electrolyte is equal to or greater than the lower limit, the manufacturing and handling properties thereof are further improved. When the thickness of the solid electrolyte is equal to or less than the upper limit, the resistance value of the lithium-sulfur solid-state battery is further reduced.

固体電解質13は、例えば、その目的とする種類に応じて、金属酸化物、金属水酸化物、金属硫化物等の原料を選択し、この原料を焼成することで製造できる。原料の使用量は、固体電解質13における各金属の原子数比等を考慮して、適宜設定すればよい。 The solid electrolyte 13 can be manufactured by, for example, selecting raw materials such as metal oxides, metal hydroxides, and metal sulfides according to the intended type and firing the raw materials. The amount of raw material to be used may be appropriately set in consideration of the atomic number ratio of each metal in the solid electrolyte 13 and the like.

固体電解質13は、例えば、その全体を粉状材料の圧粉によって成形した成形体を焼成して製造する。また、固体電解質13の製造方法としては、例えば粉状材料の圧粉によって作製したシート(以下、圧粉シート、とも言う)を複数積層し焼成、一体化して得ることもできる。
また、固体電解質13は、その原料の焼成後の粉体を溶媒に分散させた組成物を硫黄正極11、あるいはリチウムイオン伝導層14のイオン液体含浸前の本体部に塗布して乾燥させるか、別途、板材等の被塗物に前記組成物を塗布して乾燥させた層状物を被塗物から剥がして使用することも可能である。前記組成物には、バインダーや電解液などを目的に応じて追加することも可能である。
The solid electrolyte 13 is manufactured, for example, by sintering a molded body obtained by compacting a powdery material. As a method for producing the solid electrolyte 13, for example, a plurality of sheets produced by compacting a powdery material (hereinafter also referred to as compacted powder sheets) can be stacked, fired, and integrated.
In addition, the solid electrolyte 13 is formed by applying a composition obtained by dispersing the powder of the raw material after firing in a solvent to the sulfur positive electrode 11 or the main body portion of the lithium ion conductive layer 14 before impregnation with the ionic liquid and drying it. Separately, it is also possible to apply the composition to an object to be coated, such as a board, and dry the layered product, which is peeled off from the object to be coated. It is also possible to add a binder, an electrolytic solution, or the like to the composition according to the purpose.

10~500μm厚のシート状の固体電解質13は可撓性を確保できる。
また、この固体電解質13は、可撓性シート状の硫黄正極11と可撓性シート状のリチウム負極12との間に可撓性のリチウムイオン伝導層14とともに挟み込まれることで、湾曲させても割れにくく、硫黄正極11、リチウム負極12及びリチウムイオン伝導層14に追従させるようにして湾曲させることができる。
The sheet-like solid electrolyte 13 with a thickness of 10 to 500 μm can ensure flexibility.
In addition, the solid electrolyte 13 is sandwiched between the flexible sheet-like sulfur positive electrode 11 and the flexible sheet-like lithium negative electrode 12 together with the flexible lithium ion conductive layer 14, so that the solid electrolyte 13 can be curved. It is hard to break and can be curved so as to follow the sulfur positive electrode 11 , the lithium negative electrode 12 and the lithium ion conductive layer 14 .

リチウム負極12は種々の電池にて使用されている周知のリチウム負極を使用可能である。
リチウム負極の厚さは、湾曲曲げ性を考慮して10~2000μmであることが好ましく、100~1000μmであることがより好ましい。
The lithium negative electrode 12 can be a well-known lithium negative electrode used in various batteries.
The thickness of the lithium negative electrode is preferably 10 to 2000 μm, more preferably 100 to 1000 μm, in consideration of bending flexibility.

次に、リチウムイオン伝導層14について説明する。
本実施形態のリチウム硫黄固体電池におけるリチウムイオン伝導層は、先の説明のとおり、イオン液体を含有し、かつ、リチウム負極と固体電解質との間でリチウムイオンを伝導させる層である。
先の説明のとおり、前記リチウムイオン伝導層は、本体部と、イオン液体と、を含む。
Next, the lithium ion conductive layer 14 will be described.
As described above, the lithium ion conductive layer in the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment is a layer that contains an ionic liquid and conducts lithium ions between the lithium negative electrode and the solid electrolyte.
As described above, the lithium ion conductive layer includes a main body and an ionic liquid.

[本体部]
リチウムイオン伝導層の前記本体部としては、先の説明のとおり、多孔質体、繊維集合体等が挙げられる。
リチウムイオン伝導層の本体部は、リチウム硫黄固体電池の作動時の温度条件下において、リチウム負極と反応せず、溶解せず、変質しないものが好ましい。ここで、「本体部の変質」とは、本体部の成分の組成が変化することを意味する。リチウム硫黄固体電池の作動時の温度は、硫黄正極の種類に応じて、適宜設定できる。公知の硫黄正極、又は硫黄正極(I)を用いる場合には、リチウム硫黄固体電池の作動時の温度は、例えば、好ましくは110℃以下、より好ましくは100℃以下である。したがって、この場合のリチウムイオン伝導層の本体部は、例えば、120℃程度の温度条件下において安定なものが好ましい。一方、硫黄正極(II)を用いる場合には、リチウム硫黄固体電池の作動時の温度は、好ましくは110~160℃である。したがって、この場合のリチウムイオン伝導層の本体部は、このような温度条件下において安定なものが好ましい。
[Body part]
As described above, the body portion of the lithium ion conductive layer includes a porous body, a fiber assembly, and the like.
The body portion of the lithium ion conductive layer preferably does not react with, dissolve, or degrade with the lithium negative electrode under the temperature conditions during operation of the lithium-sulfur solid-state battery. Here, "alteration of the main body" means that the composition of the components of the main body changes. The operating temperature of the lithium-sulfur solid-state battery can be appropriately set according to the type of sulfur positive electrode. When a known sulfur positive electrode or sulfur positive electrode (I) is used, the operating temperature of the lithium-sulfur solid state battery is, for example, preferably 110° C. or lower, more preferably 100° C. or lower. Therefore, the body of the lithium ion conductive layer in this case is preferably stable under temperature conditions of, for example, about 120.degree. On the other hand, when the sulfur positive electrode (II) is used, the operating temperature of the lithium sulfur solid state battery is preferably 110 to 160°C. Therefore, the body of the lithium ion conductive layer in this case is preferably stable under such temperature conditions.

このような本体部のうち、前記多孔質体又は繊維集合体の構成材料としては、例えば、合成樹脂、ガラス、紙類等が挙げられ、合成樹脂又はガラスであることが好ましい。
なかでも、前記本体部の構成材料は、ポリイミド又はガラスであることがより好ましい。すなわち、リチウムイオン伝導層は、その構成材料として、ポリイミド又はガラスを含むことがより好ましい。
Among such main bodies, the constituent material of the porous body or fiber assembly includes, for example, synthetic resin, glass, paper, etc., and is preferably synthetic resin or glass.
Among others, it is more preferable that the constituent material of the main body is polyimide or glass. That is, the lithium ion conductive layer more preferably contains polyimide or glass as its constituent material.

リチウムイオン伝導層の本体部の構成材料は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。 The constituent material of the body portion of the lithium ion conductive layer may be of one type or two or more types, and when two or more types are used, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

[イオン液体]
リチウムイオン伝導層が含有するイオン液体としては、上述の硫黄正極が含有するイオン液体と同様のもの(例えば、170℃未満の温度で液状のイオン性化合物、溶媒和イオン液体等)が挙げられる。
[Ionic liquid]
Examples of the ionic liquid contained in the lithium ion conductive layer include the same ionic liquids contained in the sulfur positive electrode described above (eg, ionic compounds that are liquid at a temperature of less than 170° C., solvated ionic liquids, etc.).

リチウムイオン伝導層が含有するイオン液体は、1種のみでもよいし、2種以上でもよく、2種以上である場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。 The ionic liquid contained in the lithium ion conductive layer may be of one type or two or more types, and when two or more types are used, the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected according to the purpose.

リチウムイオン伝導層が含有するイオン液体は、上述の硫黄正極が含有するイオン液体と同一であってもよいし、異なっていてもよい。 The ionic liquid contained in the lithium ion conductive layer may be the same as or different from the ionic liquid contained in the sulfur positive electrode described above.

リチウムイオン伝導層が含有するイオン液体は、グライム-リチウム塩錯体からなる溶媒和イオン液体であることが好ましい。リチウムイオン伝導層がこのようなイオン液体を含有することで、固体電解質中での金属リチウムの析出抑制効果がより高くなる。 The ionic liquid contained in the lithium ion conductive layer is preferably a solvated ionic liquid comprising a glyme-lithium salt complex. By containing such an ionic liquid in the lithium ion conductive layer, the effect of suppressing deposition of metallic lithium in the solid electrolyte is further enhanced.

リチウムイオン伝導層のイオン液体の含有量は、特に限定されない。
ただし、リチウムイオン伝導層の前記本体部中の空隙部の合計体積に対する、リチウムイオン伝導層に保持されているイオン液体の合計体積の割合([リチウムイオン伝導層に保持されているイオン液体の合計体積]/[リチウムイオン伝導層の本体部中の空隙部の合計体積]×100)は、常温下において、80~120体積%であることが好ましい。前記割合が前記下限値以上であることで、固体電解質中での金属リチウムの析出抑制効果がより高くなる。前記割合が前記上限値以下であることで、イオン液体の過剰使用が抑制される。
前記割合が100体積%より大きくなり得るのは、リチウムイオン伝導層中、前記本体部の空隙部以外にも、イオン液体が存在し得るからである。
なお、本明細書において、「常温」とは、特に冷やしたり、熱したりしない温度、すなわち平常の温度を意味し、例えば、15~25℃の温度等が挙げられる。
The content of the ionic liquid in the lithium ion conductive layer is not particularly limited.
However, the ratio of the total volume of the ionic liquid retained in the lithium ion conductive layer to the total volume of the voids in the main body of the lithium ion conductive layer ([Total ionic liquid retained in the lithium ion conductive layer Volume]/[total volume of voids in main body of lithium ion conductive layer]×100) is preferably 80 to 120% by volume at room temperature. When the ratio is equal to or higher than the lower limit, the effect of suppressing deposition of metallic lithium in the solid electrolyte becomes higher. Excessive use of the ionic liquid is suppressed because the ratio is equal to or less than the upper limit.
The reason why the ratio can be greater than 100% by volume is that the ionic liquid can exist in the lithium ion conductive layer in addition to the voids of the main body.
In this specification, the term "ordinary temperature" means a temperature at which no particular cooling or heating is applied, that is, a normal temperature.

リチウムイオン伝導層は、1層(単層)からなるものであってもよいし、2層以上の複数層からなるものであってもよい。リチウムイオン伝導層が複数層からなる場合、これら複数層は、互いに同一でも異なっていてもよく、これら複数層の組み合わせは特に限定されない。
なお、本明細書においては、リチウムイオン伝導層の場合に限らず、「複数層が互いに同一でも異なっていてもよい」とは、「すべての層が同一であってもよいし、すべての層が異なっていてもよいし、一部の層のみが同一であってもよい」ことを意味し、さらに「複数層が互いに異なる」とは、「各層の構成材料及び厚さの少なくとも一方が互いに異なる」ことを意味する。
The lithium ion conductive layer may consist of one layer (single layer), or may consist of multiple layers of two or more layers. When the lithium ion conductive layer consists of multiple layers, these multiple layers may be the same or different, and the combination of these multiple layers is not particularly limited.
In this specification, not only in the case of the lithium ion conductive layer, the phrase "multiple layers may be the same or different" means "all layers may be the same or all layers may be the same. may be different, or only some of the layers may be the same", and further, "multiple layers are different from each other" means that "at least one of the constituent material and thickness of each layer is different from each other means 'different'.

リチウムイオン伝導層の厚さ(例えば、図1に示すリチウム硫黄固体電池10の場合であれば、リチウムイオン伝導層14の厚さT14)は、特に限定されない。
複数層からなるリチウムイオン伝導層の厚さとは、リチウムイオン伝導層を構成するすべての層の合計の厚さを意味する。
The thickness of the lithium ion conductive layer (for example, in the case of the lithium-sulfur solid state battery 10 shown in FIG. 1, the thickness T 14 of the lithium ion conductive layer 14) is not particularly limited.
The thickness of the lithium ion conductive layer consisting of multiple layers means the total thickness of all layers constituting the lithium ion conductive layer.

ただし、固体電解質中での金属リチウムの析出抑制効果がより高くなる点では、リチウムイオン伝導層の厚さは、10μm以上であることが好ましい。リチウムイオン伝導層の厚さが、前記下限値以上であることで、リチウムイオン伝導層中で金属リチウムが析出しなくなるか、又は、リチウムイオン伝導層中で微量の金属リチウムが析出したとしても、その影響が固体電解質中に及ぶことがない。結果として、リチウム硫黄固体電池においては、リチウムイオン伝導層から固体電解質を介して、硫黄正極までの間で、金属リチウムが連続的に析出することが抑制される。 However, the thickness of the lithium ion conductive layer is preferably 10 μm or more from the point of view that the effect of suppressing deposition of metallic lithium in the solid electrolyte becomes higher. When the thickness of the lithium ion conductive layer is equal to or greater than the lower limit, metallic lithium will not precipitate in the lithium ion conductive layer, or even if a trace amount of metallic lithium precipitates in the lithium ion conductive layer, The influence does not extend to the solid electrolyte. As a result, in the lithium-sulfur solid-state battery, continuous deposition of metallic lithium from the lithium-ion conductive layer through the solid electrolyte to the sulfur positive electrode is suppressed.

一方、リチウムイオン伝導層の厚さが過剰にならない(より適正となる)点では、リチウムイオン伝導層の厚さは、100μm以下であることが好ましい。
通常、リチウムイオン伝導層が薄くなるほど、リチウムイオン伝導層での抵抗値が減少し、リチウム硫黄固体電池のエネルギー密度が高くなる。
On the other hand, the thickness of the lithium ion conductive layer is preferably 100 μm or less so that the thickness of the lithium ion conductive layer does not become excessive (more appropriate).
Generally, the thinner the lithium ion conducting layer, the lower the resistance across the lithium ion conducting layer and the higher the energy density of the lithium sulfur solid state battery.

リチウムイオン伝導層は、例えば、前記本体部の構成材料と、イオン液体と、必要に応じて溶媒と、を含有する第1原料組成物を調製し、リチウムイオン伝導層の形成対象面に、前記第1原料組成物を塗工し、必要に応じて乾燥させることで形成できる。この方法は、本体部とリチウムイオン伝導層の形成を同時に行う方法である。溶媒を用いない場合には、塗工した第1原料組成物の乾燥は不要である。 For the lithium ion conductive layer, for example, a first raw material composition containing a constituent material of the main body, an ionic liquid, and optionally a solvent is prepared, and the lithium ion conductive layer is formed on the surface to be formed with the above It can be formed by coating the first raw material composition and drying it if necessary. This method is a method of forming the main body and the lithium ion conductive layer at the same time. When no solvent is used, drying of the coated first raw material composition is unnecessary.

第1原料組成物の調製時において、各原料の添加及び混合時の温度並びに時間は、各原料が劣化しない限り特に限定されない。例えば、混合時の温度は、15~50℃であってもよいが、これは一例である。各原料を混合する方法は、例えば、上述の正極材の製造時において、各成分を混合する方法と同じであってよい。 In the preparation of the first raw material composition, the temperature and time for adding and mixing each raw material are not particularly limited as long as each raw material does not deteriorate. For example, the temperature during mixing may be 15-50° C., but this is an example. The method of mixing each raw material may be the same as the method of mixing each component in the production of the positive electrode material described above, for example.

第1原料組成物は、公知の方法で、リチウムイオン伝導層の形成対象面に塗工できる。
塗工する第1原料組成物の温度は、リチウムイオン伝導層の形成対象面、本体部の構成材料、イオン液体及び溶媒等が劣化しない限り特に限定されない。例えば、このときの第1原料組成物の温度は、15~50℃であってもよいが、これは一例である。
The first raw material composition can be applied to the formation target surface of the lithium ion conductive layer by a known method.
The temperature of the first raw material composition to be applied is not particularly limited as long as the surface to be formed of the lithium ion conductive layer, the constituent material of the main body, the ionic liquid, the solvent, and the like are not deteriorated. For example, the temperature of the first raw material composition at this time may be 15 to 50° C., but this is an example.

第1原料組成物を乾燥させる場合には、その乾燥は、公知の方法で常圧下又は減圧下で行うことができる。第1原料組成物の乾燥温度は、特に限定されず、例えば、20~100℃であってもよいが、これは一例である。 When drying the first raw material composition, the drying can be performed under normal pressure or reduced pressure by a known method. The drying temperature of the first raw material composition is not particularly limited, and may be, for example, 20 to 100° C., but this is just an example.

リチウムイオン伝導層の形成対象面が、リチウム硫黄固体電池中でのリチウムイオン伝導層の配置面(例えば、固体電解質のリチウム負極側の面、リチウム負極の固体電解質側の面等)である場合には、形成したリチウムイオン伝導層は、他の箇所へ移動させる必要はなく、このままの配置とすればよい。
一方、リチウムイオン伝導層の形成対象面が、リチウム硫黄固体電池中でのリチウムイオン伝導層の配置面ではない場合には、形成したリチウムイオン伝導層は、この面から剥離させ、リチウム硫黄固体電池中での目的とする配置面に貼り合わせることで、移動させればよい。
When the surface to be formed of the lithium ion conductive layer is the surface on which the lithium ion conductive layer is arranged in the lithium sulfur solid battery (for example, the surface of the lithium negative electrode side of the solid electrolyte, the surface of the solid electrolyte side of the lithium negative electrode, etc.) , the formed lithium ion conductive layer does not need to be moved to another location, and can be left as it is.
On the other hand, if the surface to be formed of the lithium ion conductive layer is not the surface on which the lithium ion conductive layer is arranged in the lithium sulfur solid state battery, the formed lithium ion conductive layer is peeled off from this surface, and the lithium sulfur solid state battery It can be moved by sticking it to the desired placement surface inside.

また、リチウムイオン伝導層は、例えば、イオン液体を前記本体部中に含浸させるか、又は、イオン液体と、溶媒と、を含有する混合液を調製し、前記混合液を前記本体部中に含浸させ、必要に応じて含浸後の前記本体部を乾燥させることでも形成できる。この方法は、あらかじめ形成済みの本体部を用いる方法である。溶媒を用いない場合には、含浸後の前記本体部の乾燥は不要である。
この場合には、本体部は、リチウム硫黄固体電池中でのリチウムイオン伝導層の配置面には配置しておかずに、独立して取り扱い、リチウムイオン伝導層を形成した後、得られたリチウムイオン伝導層を、さらに、リチウム硫黄固体電池中での目的とする配置面に貼り合わせることが好ましい。
Further, the lithium ion conductive layer is formed by, for example, impregnating the main body with an ionic liquid, or preparing a mixed liquid containing an ionic liquid and a solvent, and impregnating the main body with the mixed liquid. It can also be formed by drying the impregnated main body if necessary. This method is a method using a pre-formed main body. When no solvent is used, drying of the main body after impregnation is unnecessary.
In this case, the main body is not placed on the surface of the lithium-sulfur solid-state battery on which the lithium-ion conductive layer is arranged, but is handled independently, and after forming the lithium-ion conductive layer, the lithium ions obtained Preferably, the conductive layer is further laminated to the intended placement surface in the lithium-sulphur solid state battery.

前記本体部は、例えば、前記本体部の構成材料を含有する第2原料組成物を調製し、この第2原料組成物を成形するなど、公知の方法により作製できる。
また、前記本体部は、市販品であってもよい。
The main body can be produced by a known method, for example, by preparing a second raw material composition containing constituent materials of the main body and molding the second raw material composition.
Also, the body portion may be a commercially available product.

前記イオン液体又は混合液を前記本体部中に含浸させる方法としては、例えば、前記イオン液体又は混合液を前記本体部に塗工する方法、前記本体部を前記イオン液体又は混合液中に浸漬する方法等が挙げられる。 Examples of the method for impregnating the main body with the ionic liquid or the mixed liquid include a method of coating the main body with the ionic liquid or the mixed liquid, and a method of immersing the main body in the ionic liquid or the mixed liquid. methods and the like.

前記イオン液体又は混合液は、公知の方法で、前記本体部に塗工できる。
前記本体部に含浸させる、前記イオン液体又は混合液の温度は、前記本体部、イオン液体及び溶媒等の各原料が劣化しない限り特に限定されない。例えば、含浸時の前記イオン液体又は混合液の温度は、15~50℃であってもよいが、これは一例である。
The ionic liquid or mixed liquid can be applied to the main body by a known method.
The temperature of the ionic liquid or mixed liquid with which the main body is impregnated is not particularly limited as long as the raw materials such as the main body, the ionic liquid, and the solvent do not deteriorate. For example, the temperature of the ionic liquid or mixed liquid during impregnation may be 15 to 50° C., but this is an example.

混合液を含浸後の前記本体部の乾燥は、公知の方法で常圧下又は減圧下で行うことができる。このときの乾燥温度は、特に限定されず、例えば、20~100℃であってもよいが、これは一例である。 Drying of the main body after being impregnated with the mixed solution can be performed under normal pressure or reduced pressure by a known method. The drying temperature at this time is not particularly limited, and may be, for example, 20 to 100° C., but this is just an example.

本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、上述のものに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、これまでに説明したものにおいて、一部の構成が変更、削除又は追加されたものであってもよい。 The lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment is not limited to the above-described ones, and part of the configuration has been changed, deleted, or added to the above-described ones without departing from the spirit of the present invention. may be

例えば、本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、硫黄正極、固体電解質、リチウムイオン伝導層及びリチウム負極のいずれにも該当しない、1種又は2種以上の他の層を、1種ごとに1層又は2層以上備えていてもよい。
前記他の層は、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、目的に応じて任意に選択できる。
For example, the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment includes one or more other layers that do not correspond to any of the sulfur positive electrode, the solid electrolyte, the lithium ion conductive layer, and the lithium negative electrode, one layer for each type Alternatively, it may have two or more layers.
The other layer is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and can be arbitrarily selected according to the purpose.

例えば、硫黄正極11と固体電解質13との間に、固体電解質13から硫黄正極11側へのリチウムイオンの移動量を安定化させるためのセパレータを設けても良い。 For example, a separator may be provided between the sulfur positive electrode 11 and the solid electrolyte 13 to stabilize the amount of lithium ions moving from the solid electrolyte 13 to the sulfur positive electrode 11 side.

前記他の層を設ける構成としては、硫黄正極と固体電解質との間に、金のスパッタ層が配置され、これら3層がこの順で、互いに直接接触しているリチウム硫黄固体電池においては、金のスパッタ層が配置されていない場合よりも、硫黄正極界面での界面抵抗値が低減される。例えば、硫黄正極が、集電体(正極集電体)上に正極活物質層を備えて構成された、公知のものである場合には、このような界面抵抗値の低減効果がより顕著となる。
この場合、金のスパッタ層の厚さは、50nm以上であることが好ましく、100~200nmであることがより好ましい。
As a configuration for providing the other layer, a gold sputtered layer is arranged between the sulfur positive electrode and the solid electrolyte, and these three layers are in this order and in direct contact with each other. The interfacial resistance value at the sulfur positive electrode interface is reduced as compared with the case where the sputtered layer is not arranged. For example, when the sulfur positive electrode is a known one configured by providing a positive electrode active material layer on a current collector (positive electrode current collector), such an effect of reducing the interfacial resistance value is more remarkable. Become.
In this case, the thickness of the sputtered gold layer is preferably 50 nm or more, more preferably 100 to 200 nm.

ただし、空隙部を多数有する導電性シートの前記空隙部に、硫黄等の成分を含有して構成されている硫黄正極を用いる場合には、本実施形態のリチウム硫黄固体電池においては、硫黄正極、固体電解質、リチウムイオン伝導層及びリチウム負極がこの順で、互いに直接接触している(前記他の層を備えていない)ことが好ましい。 However, when using a sulfur positive electrode configured to contain a component such as sulfur in the voids of a conductive sheet having a large number of voids, in the lithium-sulfur solid battery of the present embodiment, the sulfur positive electrode, It is preferred that the solid electrolyte, the lithium ion conducting layer and the lithium negative electrode, in this order, are in direct contact with each other (not provided with said other layers).

図1に示すように、保持部材15は、硫黄正極11、固体電解質13、リチウムイオン伝導層14、リチウム負極12を一括保持して、硫黄正極11とリチウム負極12との間の離間距離の増大を規制する部材である。
図1に示す保持部材15には、硫黄正極11、固体電解質13、リチウムイオン伝導層14、リチウム負極12の積層体16(シート状の積層体。以下、積層体シート、とも言う)の外周部が嵌合される積層体嵌合溝15aが形成されている。保持部材15は、積層体嵌合溝15aに挿入、嵌合された積層体シート16を保持して、硫黄正極11とリチウム負極12との間の離間距離の増大を規制する。
As shown in FIG. 1, the holding member 15 collectively holds the sulfur positive electrode 11, the solid electrolyte 13, the lithium ion conductive layer 14, and the lithium negative electrode 12, thereby increasing the separation distance between the sulfur positive electrode 11 and the lithium negative electrode 12. It is a member that regulates
In the holding member 15 shown in FIG. 1, a laminate 16 (a sheet-like laminate, hereinafter also referred to as a laminate sheet) of the sulfur positive electrode 11, the solid electrolyte 13, the lithium ion conductive layer 14, and the lithium negative electrode 12 is provided. is formed with a laminate fitting groove 15a into which is fitted. The holding member 15 holds the laminated body sheet 16 inserted and fitted into the laminated body fitting groove 15 a to restrict an increase in the separation distance between the sulfur positive electrode 11 and the lithium negative electrode 12 .

保持部材15は、電気絶縁性及び遮液性を有するゴム、合成樹脂等の材料によって形成されたものを好適に使用できる。
遮液性を有する保持部材15は、積層体シート16に嵌合することで、積層体シート16外周端からのイオン液体の漏出を防ぐシール材の役割も果たす。
The holding member 15 can preferably be made of a material such as rubber, synthetic resin, etc., having electrical insulation and liquid-blocking properties.
Holding member 15 having a liquid-impervious property also serves as a sealing material that prevents the ionic liquid from leaking from the outer peripheral edge of laminate sheet 16 by being fitted to laminate sheet 16 .

<<リチウム硫黄固体電池の製造方法>>
本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、前記固体電解質が前記硫黄正極と前記リチウム負極との間に位置し、前記リチウムイオン伝導層が前記固体電解質と前記リチウム負極との間に位置するように、前記硫黄正極、リチウム負極、固体電解質及びリチウムイオン伝導層を配置する工程を有する方法により、製造できる。
換言すると、本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、前記硫黄正極、固体電解質、リチウムイオン伝導層及びリチウム負極をこの順に、これらの厚さ方向において積層する工程を有する方法により、製造できる。
例えば、本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、リチウムイオン伝導層を新たに用い、硫黄正極、固体電解質、リチウムイオン伝導層及びリチウム負極を上述の配置となるように積層する点以外は、公知のリチウム硫黄固体電池の場合と同じ方法で製造できる。硫黄正極として、上述の導電性シートを備えたものを用いる場合には、さらに追加で、従来の硫黄正極に代えて、このような硫黄正極を用いる点以外は、公知のリチウム硫黄固体電池の場合と同じ方法で製造できる。
<<Method for producing lithium-sulfur solid-state battery>>
In the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment, the solid electrolyte is positioned between the sulfur positive electrode and the lithium negative electrode, and the lithium ion conductive layer is positioned between the solid electrolyte and the lithium negative electrode, It can be manufactured by a method including a step of arranging the sulfur positive electrode, the lithium negative electrode, the solid electrolyte and the lithium ion conductive layer.
In other words, the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment can be manufactured by a method having a step of laminating the sulfur positive electrode, the solid electrolyte, the lithium ion conductive layer and the lithium negative electrode in this order in the thickness direction.
For example, the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment uses a new lithium ion conductive layer, and the sulfur positive electrode, the solid electrolyte, the lithium ion conductive layer, and the lithium negative electrode are laminated in the above-described arrangement. It can be manufactured in the same way as for lithium-sulphur solid-state batteries. In the case of using the sulfur positive electrode provided with the above-described conductive sheet, the sulfur positive electrode is additionally used instead of the conventional sulfur positive electrode, except that such a sulfur positive electrode is used. can be produced in the same manner as

本実施形態のリチウム硫黄固体電池の取り扱い温度は、110℃以下であることが好ましく、100℃以下であることがより好ましい。このようにすることで、イオン液体の気化を抑制でき、硫黄の漏出を抑制でき、リチウム硫黄固体電池は、より優れた電池特性を発現する。 The handling temperature of the lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment is preferably 110° C. or lower, more preferably 100° C. or lower. By doing so, vaporization of the ionic liquid can be suppressed, leakage of sulfur can be suppressed, and the lithium-sulfur solid-state battery exhibits better battery characteristics.

本実施形態のリチウム硫黄固体電池は、上記のとおり優れた電池特性を有し、しかも安全性が高い。前記リチウム硫黄固体電池は、このような特長を生かして、例えば、家庭用電源;非常用電源;飛行機、電気自動車等の電源等として用いるのに好適である。 The lithium-sulfur solid-state battery of the present embodiment has excellent battery characteristics as described above and is highly safe. Taking advantage of these features, the lithium-sulfur solid-state battery is suitable for use as, for example, household power sources; emergency power sources; and power sources for airplanes, electric vehicles, and the like.

リチウム硫黄固体電池10(具体的にはその積層体シート16)は可撓性を有するため、例えば図2、図3に示すように、円筒状に巻くこともできる。
図2、図3は、円筒状に巻かれたリチウム硫黄固体電池10によって形成された筒状電池17を示す。
Since the lithium-sulfur solid-state battery 10 (specifically, its laminate sheet 16) is flexible, it can be rolled into a cylindrical shape as shown in FIGS. 2 and 3, for example.
2 and 3 show a tubular battery 17 formed by a lithium-sulfur solid state battery 10 rolled into a cylinder.

図2、図3に示す筒状電池17は、リチウム硫黄固体電池10を硫黄正極11が外周側、リチウム負極12が内周側の向き巻いたものである。また、図3、図4に示すように、筒状電池17を構成するリチウム硫黄固体電池10の、円筒状の筒状電池17の径方向において互いに隣り合う部分は互いに当接されている。このため、筒状電池17においては、リチウム硫黄固体電池10の硫黄正極11とリチウム負極12とが広範囲にわたって互いに当接された状態となっている。その結果、筒状電池17では、リチウム硫黄固体電池10を平板状の状態で使用する場合に比べてエネルギー密度を容易に向上できる。 The cylindrical battery 17 shown in FIGS. 2 and 3 is obtained by winding the lithium-sulfur solid-state battery 10 so that the sulfur positive electrode 11 is on the outer peripheral side and the lithium negative electrode 12 is on the inner peripheral side. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, adjacent portions of the lithium-sulfur solid-state battery 10 constituting the cylindrical battery 17 in the radial direction of the cylindrical battery 17 are in contact with each other. Therefore, in cylindrical battery 17, sulfur positive electrode 11 and lithium negative electrode 12 of lithium-sulfur solid-state battery 10 are in contact with each other over a wide range. As a result, in the cylindrical battery 17, the energy density can be easily improved as compared with the case where the lithium-sulfur solid state battery 10 is used in the flat state.

なお、筒状電池17は、リチウム硫黄固体電池10を硫黄正極11が内周側、リチウム負極12が外周側の向き巻いた構成も採用可能である。 The cylindrical battery 17 can also adopt a configuration in which the lithium-sulfur solid-state battery 10 is wound with the sulfur positive electrode 11 on the inner peripheral side and the lithium negative electrode 12 on the outer peripheral side.

図2は、筒状電池17を利用して構成される集電体付き電池18の一例を示す図でもある。
図2の集電体付き電池18は、筒状電池17と、筒状電池17内側の中空部17aに挿入して中空部17a内周面に接触される内側集電体18aと、筒状電池17を収容して筒状電池17の側周面に接触される筒状の外側集電体18bとを有する構成である。
内側集電体18a及び外側集電体18bの材質は、炭素、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等が挙げられる。内側集電体18aは棒状に形成されている。
内側集電体18a及び外側集電体18bは、硫黄正極11に当接されたものが正極集電体、リチウム負極12に当接されたものが負極集電体として機能する。
FIG. 2 is also a diagram showing an example of a battery 18 with a current collector configured using the cylindrical battery 17. As shown in FIG.
The battery 18 with a current collector in FIG. 17 and a tubular outer current collector 18 b that contacts the side peripheral surface of the tubular battery 17 .
Examples of materials for the inner current collector 18a and the outer current collector 18b include carbon, copper, aluminum, titanium, nickel, and stainless steel. The inner current collector 18a is formed in a bar shape.
Of the inner current collector 18a and the outer current collector 18b, those in contact with the sulfur positive electrode 11 function as positive electrode current collectors, and those in contact with the lithium negative electrode 12 function as negative electrode current collectors.

内側集電体18aは、中実棒状の他、中空棒状(筒状)のものも採用可能である。
外側集電体18bは、筒状電池17の側周面に接触、当接可能なものであれば良く、筒状電池17を収容する筒状のものに限定されず、種々構成のものを採用可能である。
The inner current collector 18a may have a hollow rod shape (cylindrical shape) as well as a solid rod shape.
The outer current collector 18b is not limited to a cylindrical shape that accommodates the cylindrical battery 17, and may have various configurations as long as it can contact and abut on the side peripheral surface of the cylindrical battery 17. It is possible.

図5は、10~500μm厚のシート状の固体電解質13(以下、電解質シートとも言う)と、可撓性シート状の硫黄正極11(以下、硫黄正極シートとも言う)と、硫黄正極シート11及び電解質シート13の外周部を保持して硫黄正極シート11と電解質シート13との重ね合わせ状態を維持する保持部材(図示略)とで構成される電池用正極シート20を示す。
硫黄正極シート11及び電解質シート13は、上述のリチウム硫黄固体電池10にて説明したものと同様のものを使用できる。
電池用正極シート20は可撓性を有する。
FIG. 5 shows a sheet-shaped solid electrolyte 13 (hereinafter also referred to as an electrolyte sheet) having a thickness of 10 to 500 μm, a flexible sheet-shaped sulfur positive electrode 11 (hereinafter also referred to as a sulfur positive electrode sheet), a sulfur positive electrode sheet 11 and A battery positive electrode sheet 20 configured by a holding member (not shown) that holds the outer peripheral portion of the electrolyte sheet 13 and maintains the overlapping state of the sulfur positive electrode sheet 11 and the electrolyte sheet 13 is shown.
As the sulfur positive electrode sheet 11 and the electrolyte sheet 13, the same materials as those described in the lithium-sulfur solid state battery 10 can be used.
The battery positive electrode sheet 20 has flexibility.

図6は、電解質シート13と可撓性シート状のリチウム負極12(以下、負極シート、とも言う)との間にリチウムイオン伝導層14を挟み込み、電解質シート13及び負極シート12の外周部を保持して電解質シート13と可撓性シート状の負極シート12との間にリチウムイオン伝導層14を挟み込んだ状態を維持する保持部材(図示略)を設けた構成の電池用負極シート30を示す。
負極シート12、電解質シート13、リチウムイオン伝導層14は、上述のリチウム硫黄固体電池10にて説明したものと同様のものを使用できる。
電池用負極シート30は可撓性を有する。
In FIG. 6, the lithium ion conductive layer 14 is sandwiched between the electrolyte sheet 13 and the flexible sheet-shaped lithium negative electrode 12 (hereinafter also referred to as negative electrode sheet), and the outer peripheral portions of the electrolyte sheet 13 and the negative electrode sheet 12 are held. 3 shows a battery negative electrode sheet 30 having a configuration in which a holding member (not shown) for maintaining a state in which the lithium ion conductive layer 14 is sandwiched between the electrolyte sheet 13 and the flexible sheet-like negative electrode sheet 12 is provided.
As the negative electrode sheet 12, the electrolyte sheet 13, and the lithium ion conductive layer 14, the same materials as those described in the lithium-sulfur solid state battery 10 can be used.
The battery negative electrode sheet 30 has flexibility.

リチウム硫黄固体電池10、電池用正極シート20、電池用負極シート30は、これらから選択される2以上を積層して積層電池の組み立てに用いることができる。 The lithium-sulfur solid-state battery 10, the positive electrode sheet for battery 20, and the negative electrode sheet for battery 30 can be used for assembling a laminated battery by laminating two or more selected from these.

10…リチウム硫黄固体電池、11…硫黄正極、12…リチウム負極、13…固体電解質、14…リチウムイオン伝導層、15…保持部材、16…積層体シート、17…筒状電池、18…集電体付き電池、18a…内側集電体、18b…外側集電体、20…電池用正極シート、30…電池用負極シート。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Lithium sulfur solid state battery, 11... Sulfur positive electrode, 12... Lithium negative electrode, 13... Solid electrolyte, 14... Lithium ion conductive layer, 15... Holding member, 16... Laminate sheet, 17... Cylindrical battery, 18... Current collector Body-attached battery 18a...Inner current collector 18b...Outside current collector 20...Battery positive electrode sheet 30...Battery negative electrode sheet.

Claims (7)

10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有する硫黄正極と、シート状に形成され可撓性を有するリチウム負極と、前記固体電解質と前記リチウム負極との間に配置されたリチウムイオン伝導層と、前記固電解質を介して前記リチウムイオン伝導層とは逆側に配置された前記硫黄正極と前記リチウム負極とを保持して前記硫黄正極と前記リチウム負極との間の距離の増大を規制する保持部材とを備え、
前記硫黄正極は、導電性材料によって形成され表面に開口する穴部が多数存在する導電性シートと、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄及びイオン液体のみあるいは硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有し、前記導電性シートの前記穴部に収容された正極材とを有し、
前記リチウムイオン伝導層は、多孔質体または繊維集合体である可撓性シート状の本体部にイオン液体が含浸され、かつ、前記リチウム負極と前記固体電解質との間でリチウムイオンを伝導させる、リチウム硫黄固体電池。
A sheet-shaped solid electrolyte having a thickness of 10 to 500 μm, a sheet-shaped flexible sulfur positive electrode, a sheet-shaped flexible lithium negative electrode, the solid electrolyte and the lithium negative electrode. and the sulfur positive electrode and the lithium negative electrode arranged on the opposite side of the lithium ion conductive layer with the solid electrolyte interposed therebetween, holding the sulfur positive electrode and the lithium ion conductive layer a holding member that regulates an increase in the distance from the lithium negative electrode,
The sulfur positive electrode includes a conductive sheet formed of a conductive material and having a large number of holes opening on the surface, sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid, sulfur and the ionic liquid alone or sulfur, the conductive aid, A positive electrode material containing all of a binder and an ionic liquid and accommodated in the hole of the conductive sheet,
The lithium ion conductive layer has a flexible sheet-like main body that is a porous body or a fiber assembly impregnated with an ionic liquid, and conducts lithium ions between the lithium negative electrode and the solid electrolyte. Lithium-sulfur solid-state battery.
硫黄正極を有する可撓性の電池用正極シートであって、
10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有する前記硫黄正極とを備え、
前記硫黄正極は、導電性材料によって形成され表面に開口する穴部が多数存在する導電性シートと、硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体のうち硫黄及びイオン液体のみあるいは硫黄、導電助剤、バインダー及びイオン液体の全てを含有し、前記導電性シートの前記穴部に収容された正極材とを有する、可撓性を有する電池用正極シート。
A flexible battery positive electrode sheet having a sulfur positive electrode,
A solid electrolyte formed in a sheet with a thickness of 10 to 500 μm and the flexible sulfur positive electrode formed in a sheet,
The sulfur positive electrode includes a conductive sheet formed of a conductive material and having a large number of holes opening on the surface, sulfur, a conductive aid, a binder and an ionic liquid, sulfur and the ionic liquid alone or sulfur, the conductive aid, A flexible positive electrode sheet for a battery, containing all of a binder and an ionic liquid, and having a positive electrode material accommodated in the holes of the conductive sheet.
リチウム負極を有する可撓性の電池用負極シートであって、
10~500μm厚のシート状に形成された固体電解質と、シート状に形成され可撓性を有するリチウム負極と、前記固体電解質と前記リチウム負極との間に配置されたリチウムイオン伝導層と、を備え、
前記リチウムイオン伝導層は、多孔質体または繊維集合体である可撓性シート状の本体部にイオン液体が含浸され、かつ、前記リチウム負極と前記固体電解質との間でリチウムイオンを伝導させる、可撓性を有する電池用負極シート。
A flexible battery negative electrode sheet having a lithium negative electrode, comprising:
A solid electrolyte formed in a sheet shape with a thickness of 10 to 500 μm, a flexible lithium negative electrode formed in a sheet shape, and a lithium ion conductive layer disposed between the solid electrolyte and the lithium negative electrode. prepared,
The lithium ion conductive layer has a flexible sheet-like main body that is a porous body or a fiber assembly impregnated with an ionic liquid, and conducts lithium ions between the lithium negative electrode and the solid electrolyte. A flexible negative electrode sheet for a battery.
請求項1に記載のリチウム硫黄固体電池、請求項2に記載の電池用正極シート、請求項3に記載の電池用負極シートから選択される2以上を積層して構成された積層電池。 A laminated battery comprising two or more layers selected from the lithium-sulfur solid-state battery according to claim 1, the positive electrode sheet for a battery according to claim 2, and the negative electrode sheet for a battery according to claim 3. 請求項1に記載のリチウム硫黄固体電池において、前記固体電解質は酸化物系材料によって形成されているリチウム硫黄固体電池。 2. A lithium-sulfur solid-state battery according to claim 1, wherein said solid electrolyte is formed of an oxide-based material. 請求項2に記載の電池用正極シートにおいて、前記固体電解質は酸化物系材料によって形成されている電池用正極シート。 3. The battery positive electrode sheet according to claim 2, wherein said solid electrolyte is made of an oxide material. 請求項3に記載の電池用負極シートにおいて、前記固体電解質は酸化物系材料によって形成されている電池用負極シート。 4. The battery negative electrode sheet according to claim 3, wherein said solid electrolyte is made of an oxide material.
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