JP7293051B2 - solid electrolyte materials, electrodes, batteries, battery packs, and vehicles - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、固体電解質材料、電極、電池、電池パック、及び車両に関する。 Embodiments of the present invention relate to solid electrolyte materials, electrodes, batteries, battery packs, and vehicles.

近年、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池は、小型の電子デバイスにおける使用からハイブリッド電気自動車、電気自動車、及び電力貯蔵用定置型電源等の大型の使用まで幅広い用途として大きな注目を浴びている。なかでも、無機固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池は有機電解液の漏液やガス発生の心配がなく、安全な電池として期待されている。また、固体電解質を用いたリチウム電池は液状電解質を用いた電池と比較して、電池反応以外の副反応が生じる可能性も低くなるため、長寿命化も期待できる。更に、無機固体電解質を用いた全固体電池では、電極と電解質を積層して構成することが容易であることから製造コストを低減することができる。それと同時に、無機固体電解質を用いた場合には、バイポーラ型の電池構成も可能である。これにより、従来の液状電解質を用いた電池に比べて、高いエネルギー密度を期待することができる。しかし、特に高い起電力を有するリチウムイオン電池においては、正極は酸化力の高い物質であり、負極は還元力の高い物質である。従って、これらの物質と固体電解質を密着させても安定である必要がある。そのうえ、構成元素が安価であることが実用上重要な要素となる。 In recent years, lithium-ion secondary batteries with high energy densities have attracted a great deal of attention for their wide range of uses, from use in small electronic devices to large-scale uses such as hybrid electric vehicles, electric vehicles, and stationary power sources for power storage. Among them, lithium-ion secondary batteries using inorganic solid electrolytes are expected to be safe batteries because there is no fear of organic electrolyte leakage or gas generation. In addition, compared with batteries using liquid electrolytes, lithium batteries using solid electrolytes are less likely to undergo side reactions other than battery reactions, and thus are expected to have a longer life. Furthermore, in all-solid-state batteries using an inorganic solid electrolyte, the manufacturing cost can be reduced because the electrode and the electrolyte are easily laminated. At the same time, when an inorganic solid electrolyte is used, a bipolar battery configuration is also possible. As a result, a higher energy density can be expected compared to batteries using conventional liquid electrolytes. However, in a lithium ion battery having a particularly high electromotive force, the positive electrode is a highly oxidizing substance and the negative electrode is a highly reducing substance. Therefore, even if these substances and the solid electrolyte are brought into close contact with each other, they must be stable. In addition, it is a practically important factor that the constituent elements are inexpensive.

近年、高いリチウムイオン伝導性を持ち、大気中で固相反応によって容易に得ることが可能な、ランタンジルコン酸リチウム系化合物やペロブスカイト酸化物が注目されている。これらの材料において代表的なものとしては、Li7La3Zr2O12が挙げられる。この化合物は、酸化物固体電解質ではトップクラスの5×10-4 S/cm以上という高いリチウムイオン伝導性を室温で示すことが知られている。 In recent years, lithium lanthanum zirconate-based compounds and perovskite oxides, which have high lithium ion conductivity and can be easily obtained by solid-phase reactions in the atmosphere, have attracted attention. A typical example of these materials is Li7La3Zr2O12 . This compound is known to exhibit a high lithium ion conductivity of 5×10 −4 S/cm or higher at room temperature, which is top class among oxide solid electrolytes.

国際公開WO2013/140574International publication WO2013/140574 特開2018- 49701号公報JP 2018-49701

Y. Kawakami et al., Solid State Ionics, Volume 110, Issues 3-4, 2 July 1998, Pages 187-192Y. Kawakami et al., Solid State Ionics, Volume 110, Issues 3-4, 2 July 1998, Pages 187-192 Hui Xie et al., RSC Advances, 2011, 1, 1728-1731Hui Xie et al., RSC Advances, 2011, 1, 1728-1731

本発明は、高いイオン伝導率および優れた耐還元性能を有する固体電解質材料、この固体電解質材料を含んだ電極、電池および電池パック、並びにこの電池パックを搭載している車両を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid electrolyte material having high ionic conductivity and excellent reduction resistance, an electrode, a battery and a battery pack containing this solid electrolyte material, and a vehicle equipped with this battery pack. and

実施形態によれば、金属元素Mとこの金属元素Mを中心に配した酸素原子とを含む八面体配位構造を含んだ酸化物を含む固体電解質材料が提供される。金属元素Mは、金属元素Mα、又は金属元素Mαと金属元素Mβとを含む。金属元素Mαは、NbとTaとを含む。金属元素MβはTi,Zr,Ga,Ge,Si,Fe,及びPから成る群より選択される少なくとも1つを含み。Nbの質量αNbとTaの質量αTaとの質量比αTa/αNbは、5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある。酸化物の結晶構造は、ペロブスカイト構造及びNASICON構造から成る群より選択される少なくとも1つを含む。ペロブスカイト構造を有する記酸化物は、一般式A(Mα 1-w Mβ w )O 3 で表されwは0≦w<1の範囲内にあり、AサイトにLiと空孔とを含む。NASICON構造は稜面体構造および単斜晶構造から成る群より選択される少なくとも1つを含む。NASICON構造を有する酸化物は、一般式Li x Mα y (Mβ 1-z z )(PO 4 ) 3 で表され、DはCa,Sr,及びBaから成る群より選択される少なくとも1つであり、xは0<x≦2の範囲内にあり、yは0<y≦1の範囲内にあり、zは0≦z≦1の範囲内にある。 According to the embodiment, a solid electrolyte material containing an oxide containing an octahedral coordination structure containing a metal element M and oxygen atoms arranged in the center of the metal element M is provided. The metal element M includes the metal element Mα, or the metal element Mα and the metal element Mβ. The metal element Mα contains Nb and Ta. The metal element Mβ includes at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ga, Ge, Si, Fe, and P. The mass ratio α TaNb between the mass α Nb of Nb and the mass α Ta of Ta is within the range of 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 . The crystal structure of the oxide includes at least one selected from the group consisting of a perovskite structure and a NASICON structure. The oxide having a perovskite structure is represented by the general formula A(Mα 1-w w )O 3 , where w is in the range of 0≦w<1, and contains Li and vacancies at the A site. The NASICON structure includes at least one selected from the group consisting of a rhombohedral structure and a monoclinic structure. The oxide having the NASICON structure is represented by the general formula Li x y (Mβ 1-z D z )(PO 4 ) 3 , where D is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba. Yes, x is in the range 0<x≦2, y is in the range 0<y≦1, and z is in the range 0≦z≦1.

他の実施形態によれば、上記実施形態に係る固体電解質材料を含む電極が提供される。 According to another embodiment, there is provided an electrode comprising the solid electrolyte material according to the above embodiments.

さらに他の実施形態によれば、正極層と、負極層と、Li伝導層とを含む電池が提供される。正極層は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能である。負極層は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能である。Li伝導層は、リチウムイオンの伝導が可能である。正極層と負極層とLi伝導層のうち少なくとも一つの層は、上記実施形態に係る固体電解質材料を含む。 According to yet another embodiment, a battery is provided that includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a Li-conducting layer. The positive electrode layer is capable of intercalation/deintercalation of lithium ions. The negative electrode layer is capable of intercalation/deintercalation of lithium ions. The Li conductive layer is capable of conducting lithium ions. At least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer contains the solid electrolyte material according to the above embodiments.

また別の実施形態によれば、上記実施形態に係る電池を含む電池パックが提供される。 According to yet another embodiment, there is provided a battery pack including the battery according to the above embodiments.

さらに別の実施形態によれば、上記実施形態に係る電池パックが搭載されている車両が提供される。 According to still another embodiment, there is provided a vehicle equipped with the battery pack according to the above embodiment.

実施形態に係る固体電解質材料の一例が含むペロブスカイト型化合物の結晶構造を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal structure of a perovskite-type compound included in an example of a solid electrolyte material according to an embodiment; 実施形態に係る固体電解質材料の他の例が含むNASICON型化合物の稜面体晶系の結晶構造を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a rhombohedral crystal structure of a NASICON-type compound included in another example of the solid electrolyte material according to the embodiment. 実施形態に係る電極体の一例を示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode body according to an embodiment; FIG. 実施形態に係るバイポーラ電極構造を有する電極体の一例を示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode body having a bipolar electrode structure according to an embodiment; FIG. 実施形態に係る電池の一例の概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view of an example of a battery according to an embodiment; FIG. 実施形態に係る電極体の製造方法の一工程を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing one step of the method for manufacturing the electrode body according to the embodiment; 図6に示す製造方法の工程の次の一工程を示す模式図。FIG. 7 is a schematic diagram showing one step next to the steps of the manufacturing method shown in FIG. 6 ; 図7に示す製造方法により製造された電極体を示す模式図。FIG. 8 is a schematic diagram showing an electrode body manufactured by the manufacturing method shown in FIG. 7; 実施形態に係る組電池の一例を概略的に示す斜視図。The perspective view which shows roughly an example of the assembled battery which concerns on embodiment. 実施形態に係る電池パックの一例を概略的に示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view schematically showing an example of a battery pack according to an embodiment; FIG. 図10に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram showing an example of an electric circuit of the battery pack shown in FIG. 10; 実施形態に係る車両の一例を概略的に示す部分透過図。1 is a partially transparent view schematically showing an example of a vehicle according to an embodiment; FIG. 実施形態に係る車両における電気系統に関する制御システムの一例を概略的に示した図。The figure which showed roughly an example of the control system regarding the electric system in the vehicle which concerns on embodiment.

Li7La3Zr2O12は、従来の固体電解質と比較して電気化学的安定性に優れている。その一方で、この化合物には還元側に対しては経時的な耐性が低いという問題がある。材料中の原子が還元された固体電解質は電子伝導性を示すため、正極と負極とを電気的に絶縁する機能が損なわれる。その結果、電池の自己放電が増加し得る。 Li7La3Zr2O12 has excellent electrochemical stability compared to conventional solid electrolytes. On the other hand, this compound has the problem of low resistance to the reducing side over time. Since the solid electrolyte in which the atoms in the material are reduced exhibits electronic conductivity, the function of electrically insulating the positive electrode and the negative electrode is impaired. As a result, self-discharge of the battery may increase.

以下に、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる箇所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code|symbol shall be attached|subjected to the common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate|omitted. In addition, each drawing is a schematic diagram for explaining the embodiments and facilitating their understanding, and the shapes, dimensions, ratios, etc. of the drawings differ from those of the actual device, but these are consistent with the following explanation and known techniques. Consideration can be taken into consideration and the design can be changed as appropriate.

[第1の実施形態]
第1の実施形態に係る固体電解質材料は、八面体配位構造を含んでいる酸化物を含む。当該八面体配位構造は、金属元素Mとこの金属元素Mを中心に配した酸素原子(O)とを含む。金属元素Mは、NbとTaとを含む。Nbの質量αNbとTaの質量αTaとの質量比αTa/αNbは、5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある。
[First Embodiment]
The solid electrolyte material according to the first embodiment contains an oxide containing an octahedral coordination structure. The octahedral coordination structure includes a metal element M and an oxygen atom (O) arranged around the metal element M. The metal element M contains Nb and Ta. The mass ratio α TaNb between the mass α Nb of Nb and the mass α Ta of Ta is within the range of 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 .

実施形態に係る固体電解質材料は、金属元素Mを中心とした酸素(O)の八面体配位構造を基本骨格として有する酸化物を含む。当該酸化物では、八面体配位構造を基に、金属元素Mとしてニオブ(Nb)及び微量のタンタル(Ta)を含むことで酸化物骨格の安定性が向上されている。このため、より安価な元素構成で、化学的に安定であり且つ耐還元性が高く優れたイオン伝導率を示す固体電解質材料を提供できる。 The solid electrolyte material according to the embodiment contains an oxide having an octahedral coordination structure of oxygen (O) centering on a metal element M as a basic skeleton. Based on the octahedral coordination structure, the oxide contains niobium (Nb) and a small amount of tantalum (Ta) as the metal element M, thereby improving the stability of the oxide skeleton. Therefore, it is possible to provide a solid electrolyte material that has a less expensive elemental composition, is chemically stable, has high resistance to reduction, and exhibits excellent ionic conductivity.

この金属元素Mと酸素原子Oとの結合強度が強いほど、酸化物の耐還元性が高まる。その結果、固体電解質の骨格の安定性が増す。一方で、MとOとの結合強度が強いほど、Liイオン伝導における骨格の柔軟性が損なわれ室温伝導率が低くなる傾向がある。室温で高い伝導率を有する固体電解質の多くでは、電気化学的に安定な電位窓が狭くなり、還元電位に長時間晒すと骨格中のM原子が還元されやすい傾向があった。金属元素Mとして、化学的に安定で酸素との結合性が強いタンタル(Ta)を含むと骨格の柔軟性が損なわれることが知られている。実施形態に係る固体電解質は、ニオブ(Nb)と微量のタンタル(Ta)とを金属元素Mαとして含んだ酸化物を含んでいる。結晶構造における金属元素MのサイトにNbとTaとから成る金属元素Mαを含むことで、電気化学的な安定性と骨格の柔軟性を両立することができる。 The stronger the bonding strength between the metal element M and the oxygen atom O, the higher the reduction resistance of the oxide. As a result, the stability of the skeleton of the solid electrolyte is increased. On the other hand, as the bonding strength between M and O is stronger, the flexibility of the skeleton in Li ion conduction tends to be impaired and the room temperature conductivity tends to be lower. Many solid electrolytes with high conductivity at room temperature have a narrow electrochemically stable potential window, and M atoms in the skeleton tend to be easily reduced when exposed to a reducing potential for a long time. It is known that if the metal element M contains tantalum (Ta), which is chemically stable and has strong bonding properties with oxygen, the flexibility of the skeleton is impaired. A solid electrolyte according to an embodiment contains an oxide containing niobium (Nb) and a small amount of tantalum (Ta) as a metal element Mα. By including the metal element Mα composed of Nb and Ta in the site of the metal element M in the crystal structure, both electrochemical stability and flexibility of the skeleton can be achieved.

Liイオンの伝導パスとなり得る隙間を結晶格子間に有する結晶構造を有する化合物では、骨格構造の柔軟性が、Liイオン伝導に大きく影響する。より柔軟な方がLiイオン伝導性が高くなる傾向がある。一方で、耐還元性を高めるためには、酸化物イオンの電子雲を金属元素Mに引き付けることが望ましい。実施形態に係る固体電解質において酸化物が含むNbの質量αNbとTaの質量αTaとの質量比αTa/αNbは、5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある。これら質量αNbと質量αTaとのそれぞれについて、例えば、ng(ナノグラム)単位で表すことができる。各々の質量の単位は特に限られないが、質量比αTa/αNbにおいてはそれぞれの単位を揃える。金属元素MにNbとTaとから成る金属元素Mαを含み、その質量比αTa/αNbが5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内であると、高い柔軟性を示す骨格構造が得られるとともに良好な耐還元性を得ることができる。 In a compound having a crystal structure having gaps between crystal lattices that can serve as a conduction path for Li ions, the flexibility of the skeleton structure greatly affects the conduction of Li ions. The more flexible the material, the higher the Li ion conductivity tends to be. On the other hand, it is desirable to attract the electron cloud of oxide ions to the metal element M in order to increase the resistance to reduction. In the solid electrolyte according to the embodiment, the mass ratio α TaNb between the mass α Nb of Nb contained in the oxide and the mass α Ta of Ta contained in the oxide is 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 within the range of Each of these mass α Nb and mass α Ta can be expressed in units of ng (nanogram), for example. Although the unit of each mass is not particularly limited, each unit is aligned in the mass ratio α TaNb . When the metal element M includes a metal element Mα consisting of Nb and Ta, and the mass ratio α TaNb is within the range of 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 , the high A skeletal structure exhibiting flexibility can be obtained, and good resistance to reduction can be obtained.

適度な量のNbを含んでいることで、Nbと酸化物イオンとの間の柔軟性が高い結合が骨格中で支配的となる。その一方で、Nbサイト(金属元素Mのサイト)にTaが微量に分散されることで、Taと酸化物イオンとの間の局所的な結合性が高まる。そうすると、酸化物イオンの電子雲が引き付けられるため、耐還元性を強くすることができる。NbとTaとの質量比αTa/αNbが3×10-3以下であると骨格構造が柔軟性を有することができるため、格子の隙間をLiイオンが移動しやすくなる。該質量比が5×10-5以上であるとTaと酸化物イオンとの間の強い共有結合が多く含まれるため、還元されにくい酸化物が得られる。上記範囲の質量比αTa/αNbでNbとTaとを含むことにより、結晶格子の柔軟性と耐還元性とのバランスが取れた酸化物を得ることができる。 With a moderate amount of Nb, flexible bonds between Nb and oxide ions predominate in the framework. On the other hand, by dispersing a small amount of Ta in the Nb sites (sites of the metal element M), local bonding between Ta and oxide ions is enhanced. Then, the electron cloud of oxide ions is attracted, so that reduction resistance can be enhanced. When the mass ratio α TaNb between Nb and Ta is 3×10 −3 or less, the skeleton structure can have flexibility, so Li ions can easily move through the gaps in the lattice. When the mass ratio is 5×10 −5 or more, a large amount of strong covalent bonds between Ta and oxide ions are contained, so that an oxide which is difficult to be reduced can be obtained. By including Nb and Ta in the mass ratio α TaNb within the above range, it is possible to obtain an oxide having a well-balanced crystal lattice flexibility and resistance to reduction.

金属元素Mαとして微量に含まれているTaは、八面体配位構造における中心金属として含まれている。Taは、単にNbを中心として含む八面体配位構造を含んだ酸化物とともに混合された化合物や酸化物を被覆する化合物として含まれているのではない。言い換えると、実施形態に係る固体電解質材料に含まれている酸化物は、ニオブ酸化物とタンタル酸化物との単純な混合物とは異なる。当該酸化物は、金属元素MのサイトをNb及びTaが等価に占有しているコンポジット化合物であるといえる。 Ta, which is contained in a trace amount as the metal element Mα, is contained as a central metal in the octahedral coordination structure. Ta is not simply contained as a compound mixed with an oxide containing an octahedral coordination structure containing Nb as a center or as a compound covering the oxide. In other words, the oxide contained in the solid electrolyte material according to the embodiment is different from a simple mixture of niobium oxide and tantalum oxide. The oxide can be said to be a composite compound in which the sites of the metal element M are equally occupied by Nb and Ta.

金属元素Mαとして酸化物に含まれているNb及びTaの何れについても、価数が5未満でないことが望ましい。つまり、望ましい固体電解質材料では、Nbの価数が5.0であるとともに、Taの価数が5.0である。なお、固体電解質は過酸化状態になりにくく、Nb及びTaの何れの価数も5を超えることはあまりない。Nbの価数が5.0であると同時にTaの価数が5.0であると、結晶格子の柔軟性と耐還元性とがよりよくバランスされ、かつ固体電解質中の電子伝導を遮断して自己放電量の少ない電池を提供できる。 It is desirable that the valence of both Nb and Ta contained in the oxide as the metal element Mα is not less than 5. That is, in a desirable solid electrolyte material, the valence of Nb is 5.0 and the valence of Ta is 5.0. In addition, the solid electrolyte hardly becomes a peroxide state, and the valence of both Nb and Ta rarely exceeds 5. When the valence of Nb is 5.0 and the valence of Ta is 5.0 at the same time, the flexibility of the crystal lattice and the resistance to reduction are well balanced, and electron conduction in the solid electrolyte is interrupted to increase the amount of self-discharge. can provide a battery with less power consumption.

八面体配位構造における中心原子である金属元素Mが、金属元素Mα(Nb及びTa)に加え、Ti,Zr,Ga,Ge,Si,Fe,及びPから成る群より選択される少なくとも1つの金属元素Mβをさらに含むことが好ましい。これら元素Mβは、酸化物の構造の安定性を向上させることができる。金属元素Mβの中でも、Ti,Zr,Ga,及びGeは、金属元素Mαと同様に八面体配位構造における中心原子としての役割を果たし得る。ここで、Ti,Zr,Ga,及びGeから成る群より選択される少なくとも1つを、主元素Mβpと呼ぶ。 The metal element M, which is the central atom in the octahedral coordination structure, is at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ga, Ge, Si, Fe, and P in addition to the metal element Mα (Nb and Ta). It is preferable that the metal element Mβ is further included. These elements Mβ can improve the stability of the oxide structure. Among the metal elements Mβ, Ti, Zr, Ga, and Ge can play a role as the central atom in the octahedral coordination structure as well as the metal element Mα. Here, at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ga, and Ge is called a main element Mβp .

金属元素Mβのうちその他Si,Fe,及びPは、中心原子としてほとんど機能しない。ここで、Si,Fe,及びPからなる群より選択される少なくとも1つを、補助元素Mβsと呼ぶ。これら補助元素Mβsは酸化物の骨格と成るMαよりも価数が小さく、骨格の柔軟性及び安定性を向上させることができる。 Among the metal elements Mβ, Si, Fe, and P hardly function as central atoms. Here, at least one selected from the group consisting of Si, Fe, and P is called an auxiliary element Mβs . These auxiliary elements Mβs have a smaller valence than Mα forming the skeleton of the oxide, and can improve the flexibility and stability of the skeleton.

酸化物に含まれているNbの元素存在比率ENbに対する補助元素Mβsの元素存在比率Eβsの元素比率Eβs/ENbが、1×10-4以上5×10-3以下であることが好ましく、5×10-4以上1×10-3以下であることがより好ましい。この比率が1×10-4以上であると、骨格の柔軟性がさらに向上し伝導率が高くなる。またNbに対する補助元素Mβsの元素比率Eβs/ENbは、5×10-3以下であることが好ましい。5×10-3より大きい場合には構造中の局所歪が大きくなるため、結晶構造の安定性が寧ろ低下し得る。比率が5×10-4以上1×10-3以下であると、イオン伝導率の向上と結晶構造の安定性が両立しやすいためより好ましい。 The element ratio E βs /E Nb of the element abundance ratio E βs of the auxiliary element Mβ s to the element abundance ratio E Nb of Nb contained in the oxide is 1×10 −4 or more and 5×10 −3 or less. is preferred, and 5×10 −4 or more and 1×10 −3 or less is more preferred. When this ratio is 1×10 −4 or more, the flexibility of the skeleton is further improved and the conductivity is increased. Also, the element ratio E βs /E Nb of the auxiliary element Mβ s to Nb is preferably 5×10 −3 or less. If it is larger than 5×10 −3 , the local strain in the structure increases, so the stability of the crystal structure may rather deteriorate. A ratio of 5×10 −4 or more and 1×10 −3 or less is more preferable because it is easy to achieve both an improvement in ionic conductivity and a stable crystal structure.

固体電解質材料が含む酸化物の結晶構造は、ペロブスカイト構造及びNASICON構造から成る群より選択される少なくとも1つを含む。 The crystal structure of the oxide contained in the solid electrolyte material includes at least one selected from the group consisting of a perovskite structure and a NASICON structure.

例えば、実施形態に係る固体電解質は、AMOで表されるペロブスカイト構造を有する化合物を酸化物として含み得る。ペロブスカイト型の結晶構造は、立方晶系、又はこの晶系から僅かに歪んだ類似結晶系に属している。この結晶構造の代表的な空間群はPm3mである。 For example, the solid electrolyte according to the embodiment may contain a compound having a perovskite structure represented by AMO 3 as an oxide. The perovskite-type crystal structure belongs to the cubic system or to a slightly distorted quasi-crystal system from this system. The representative space group of this crystal structure is Pm3m.

図1を参照しながら、一例のペロブスカイト構造を説明する。図1は、実施形態に係る固体電解質材料の一例が含むペロブスカイト型化合物の結晶構造を示す模式図である。 An example perovskite structure is described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a crystal structure of a perovskite compound included in an example of a solid electrolyte material according to an embodiment.

ペロブスカイト型結晶構造は、MO6八面体5が頂点を共有することによって形成された三次元骨格を有し、Aサイトイオン3が三次元骨格間の12配位サイトを占有している構造を有する。MO6八面体5は、酸素原子2と図示しないM原子とを含んでいる。MO6八面体5の頂点にあたる酸素原子2が八面サイト6の中心にある金属元素Mの周囲に配置されている。 The perovskite-type crystal structure has a three-dimensional framework formed by sharing vertices of MO octahedra 5, and has a structure in which A-site ions 3 occupy 12 coordination sites between the three-dimensional frameworks. . The MO6 octahedron 5 contains oxygen atoms 2 and M atoms (not shown). Oxygen atoms 2 at the vertices of the MO 6 octahedron 5 are arranged around the metal element M at the center of the octahedral site 6 .

Aサイトが元素ですべて満たされずに、空孔(欠陥構造)が存在する場合、ここにLiイオン1の通り道である伝導経路が構成される。その立方格子の面内に存在する酸化物イオン四辺形のボトルネックを通して、Liイオン1が隣接の空のAサイトに移動することで、リチウムイオン伝導性が発現するとされている。この伝導機構により結晶格子内をLiイオン1が移動する場合、酸化物イオンと骨格を構成するカチオン(主にMサイトカチオン)との結合強度が、リチウムイオン伝導性に大きな影響を与える。そのため、上記したと同様の理由で、質量比αTa/αNbを上述した範囲内にすることにより、骨格の柔軟性を維持しながら耐還元性を向上することができる。また、M原子サイトに金属元素MαであるNbとTaとが共存していることで、結晶格子中の局所歪みが抑制される。 If the A sites are not completely filled with elements and vacancies (defect structures) are present, conduction pathways for Li ions 1 are formed here. Lithium ion conductivity is said to occur when Li ions 1 migrate to adjacent vacant A sites through the oxide ion quadrilateral bottlenecks present in the plane of the cubic lattice. When Li ions 1 move in the crystal lattice by this conduction mechanism, the bond strength between the oxide ions and the cations (mainly M-site cations) forming the skeleton has a great effect on the lithium ion conductivity. Therefore, for the same reason as described above, reducing resistance can be improved while maintaining the flexibility of the skeleton by setting the mass ratio α TaNb within the above range. In addition, since Nb and Ta, which are metal elements Mα, coexist at the M atom site, local strain in the crystal lattice is suppressed.

Aサイトが、Li及び空孔に加え、La,Sr,Mg,Na,K,及びCaから成る群より選択される少なくとも1つをさらに含むことが好ましい。これにより、ペロブスカイト構造の安定性を高くすることができる。 In addition to Li and vacancies, the A site preferably further contains at least one selected from the group consisting of La, Sr, Mg, Na, K, and Ca. This can increase the stability of the perovskite structure.

ペロブスカイト構造の化合物は、例えば、一般式A(Mα1-wMβw)O3で表される化合物を含み得る。ここで、一般式における添字wは0≦w<1の範囲内にある。式中の記号AはAサイトを占有する元素または空孔を示す。Aサイトには、Liと空孔とが少なくとも含まれる。Aサイトに、La,Sr,Mg,Na,K,及びCaから成る群より選択される少なくとも1つがさらに含まれ得る。式中のMα及びMβは、それぞれ先に説明した金属元素Mα(つまり、Nb及びTa)及び金属元素Mβ(主元素Mβp及び/又は補助元素Mβs)を表す。 Compounds with a perovskite structure may include, for example, compounds represented by the general formula A(Mα 1-ww )O 3 . Here, the subscript w in the general formula is within the range of 0≦w<1. The symbol A in the formula represents an element or vacancy occupying the A site. The A site contains at least Li and vacancies. The A site may further contain at least one selected from the group consisting of La, Sr, Mg, Na, K, and Ca. Mα and Mβ in the formula represent the metal element Mα (that is, Nb and Ta) and the metal element Mβ (main element Mβ p and/or auxiliary element Mβ s ) described above, respectively.

或いは、実施形態に係る固体電解質材料は、NASICON構造を有する化合物を酸化物として含み得る。NASICON型の結晶構造を持つ化合物は、例えば、リン酸(PO4)を骨格構造とした構造を有する。このような構造として稜面体構造に属する結晶構造を挙げることができ、代表的な空間群はR-3cである。稜面体構造では、PO4四面体とMO6八面体がお互いに頂点を全て共有し合い、[M2(PO4)3]n-の化学式で示される骨格構造が形成される。 Alternatively, the solid electrolyte material according to the embodiment may contain a compound having a NASICON structure as an oxide. A compound having a NASICON-type crystal structure has, for example, a structure with phosphoric acid (PO 4 ) as a skeleton structure. As such a structure, a crystal structure belonging to a rhombohedral structure can be mentioned, and a representative space group is R-3c. In the rhysohedral structure, PO 4 tetrahedrons and MO 6 octahedra share all vertices with each other, forming a skeleton structure represented by the chemical formula [M 2 (PO 4 ) 3 ] n- .

図2を参照して、NASICON構造の一例を説明する。図2は、実施形態に係る固体電解質材料の他の例が含むNASICON型化合物の稜面体晶系の結晶構造を示す模式図である。図2に示す稜面体晶系の骨格構造において、1つの四面体の周りには4個の八面体が、1つの八面体の周りには6個の四面体が在る。一般的なNASICON型化合物は、高温でのみ図2に示す様な稜面体晶系をとり、低温では骨格構造に歪みが生じて対称性が低下し、単斜晶系(空間群C2/c)となることが知られている。 An example of the NASICON structure will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing a rhombohedral crystal structure of a NASICON-type compound included in another example of the solid electrolyte material according to the embodiment. In the skeleton structure of the rhysohedral crystal system shown in FIG. 2, there are four octahedra around one tetrahedron and six tetrahedra around one octahedron. General NASICON-type compounds take a rhombohedral crystal system as shown in Fig. 2 only at high temperatures, and at low temperatures, the skeletal structure is distorted and the symmetry is reduced, resulting in a monoclinic system (space group C2/c). is known to be

図2に示すとおりLiイオン1は骨格構造の負電荷を補償する形で、格子の隙間に存在する。Liイオンが占有し得るサイトとしては4種類のサイトがある。1つ目は、大きく歪んだ八面サイト6であり、単位化学式当り1個存在する。また、8個の酸素原子2によって取り囲まれているサイトがあり、単位化学式当たり3個存在する。更に、金属元素Mの原子4が占有するサイトがあり、単位化学式当り2個存在する。最後に、2つのPO6に挟まれた四面サイト7があり、単位化学式当り1個存在する。このように、Liイオンが占有するサイトが結晶格子中に広く分布していることから、結晶構造中でLiイオンの伝導パスを形成しやすい。 As shown in FIG. 2, Li ions 1 are present in the interstices of the lattice in a manner that compensates for the negative charge of the framework structure. There are four types of sites that can be occupied by Li ions. The first is a highly distorted octahedral site 6, which exists one per unit chemical formula. There are also sites surrounded by eight oxygen atoms 2, three per unit chemical formula. Furthermore, there are sites occupied by atoms 4 of the metal element M, and there are two sites per unit chemical formula. Finally, there is a tetrahedral site 7 flanked by two PO 6 , one per unit formula. Since the sites occupied by Li ions are thus widely distributed in the crystal lattice, it is easy to form conduction paths for Li ions in the crystal structure.

このような構造においても、骨格構造の柔軟性が高まるとLiイオン伝導性が向上する一方で、金属元素Mに電子雲を引き付けることで耐還元性が高まる。従って、金属元素Mの原子4のサイトに金属元素Mα(NbとTaと)を含み、質量比αTa/αNbが上述の範囲を満たしていると、骨格の柔軟性を維持しながら耐還元性を向上することができる。 In such a structure as well, when the flexibility of the skeleton structure is increased, the Li ion conductivity is improved. Therefore, when the metal element Mα (Nb and Ta) is contained at the site of the atom 4 of the metal element M, and the mass ratio αTa / αNb satisfies the above range, reduction resistance can be obtained while maintaining the flexibility of the skeleton. can improve sexuality.

金属元素Mαに加え、金属元素Mのサイトに金属元素Mβを配置することで、NASICON構造の歪を抑えることができる。 Distortion of the NASICON structure can be suppressed by arranging the metal element Mβ at the site of the metal element M in addition to the metal element Mα.

さらに、Ca,Sr,及びBaから成る群より選択される少なくとも1つで金属元素Mを置換することが好ましい。これらCa,Sr,及びBaを、ここでは便宜上D元素と呼ぶ。Nb及びTaを含む骨格構造中にイオン半径の大きなこれらのD元素で置換することで、リチウムイオンの伝導が容易な経路を構成するうえで適した元素構成を得ることができる。Caと比較してイオン半径が大きいBa及びSrで置換することがより好ましい。このような構成を取ると、低温における骨格構造の歪が生じにくくなり、NASICON型構造の高温相とよばれる稜面体構造を室温以下の低温まで安定化することができる。また、室温よりも低温の温度領域においてもLiイオンが容易に移動できるようになる。D元素の格子中への置換により骨格サイズを拡大することができるため、Liイオンが酸化物イオンからの電子的な相関を受けにくくなる。これにより、Liイオンの移動に重要な熱振動が弱くなる低温の温度領域においても、Liイオンが容易に移動できるようになる。 Furthermore, it is preferable to replace the metal element M with at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba. These Ca, Sr, and Ba are here called D elements for convenience. By substituting these D elements having a large ionic radius in the framework structure containing Nb and Ta, it is possible to obtain an elemental composition suitable for constructing a path for easy conduction of lithium ions. Substitution with Ba and Sr, which have larger ionic radii than Ca, is more preferable. With such a configuration, distortion of the skeleton structure at low temperatures is less likely to occur, and the rhombohedral structure, which is called the high-temperature phase of the NASICON structure, can be stabilized at temperatures below room temperature. In addition, Li ions can easily move even in a temperature range lower than room temperature. Substitution of the D element into the lattice can enlarge the framework size, making the Li ion less susceptible to electronic correlation from oxide ions. As a result, the Li ions can easily move even in a low-temperature temperature range where the thermal vibration that is important for Li ion movement is weakened.

一方、結晶構造の歪が多いとされる単斜晶構造を持つ化合物においても、D元素の格子中への置換により骨格サイズを拡大することができる。そのため、単斜晶構造の化合物でもこれらD元素を導入することで、高温相と同様に室温よりも低温の温度領域においてもLiイオンが容易に移動できるようになる。 On the other hand, even in a compound having a monoclinic structure, which is said to have a large amount of distortion in the crystal structure, the skeleton size can be increased by substituting the D element into the lattice. Therefore, even in a compound with a monoclinic structure, by introducing these D elements, Li ions can easily move in a temperature range lower than room temperature as in the high temperature phase.

結晶構造中の金属元素Mのサイトの全体に亘ってTaの分布が均一であってもよく、Taの分布に偏りがあってもよい。結晶構造中にTaがランダムに配置されているよりも、Taの配置に一定の程度の偏在がある方が望ましい。ここでいう偏在とは、結晶格子中のTa-Ta間の平均結合距離が、Nb-Ta間の平均結合距離よりも小さいことを示す。 The distribution of Ta may be uniform over the entire site of the metal element M in the crystal structure, or the distribution of Ta may be uneven. Rather than randomly arranging Ta in the crystal structure, it is desirable that the arrangement of Ta is unevenly distributed to a certain degree. The uneven distribution here means that the average bond distance between Ta and Ta in the crystal lattice is smaller than the average bond distance between Nb and Ta.

NASICON構造を有する化合物は、例えば、一般式LixMαy(Mβ1-zz)(PO4)3で表される化合物を含み得る。ここで、一般式における添字xは0<x≦2の範囲内にあり、添字yは0<y≦1の範囲内にあり、添字zは0≦z≦1の範囲内にある。式中のMα及びMβは、それぞれ先に説明した金属元素Mα及び金属元素Mβを表す。式中のDは、Ca,Sr,及びBaから成る群より選択される少なくとも1つである。この化合物が有するNASICON構造は、稜面体構造および単斜晶構造から成る群より選択される少なくとも1つを含む。 Compounds having the NASICON structure can include, for example, compounds represented by the general formula Li xy (Mβ 1-z D z )(PO 4 ) 3 . Here, the subscript x in the general formula is within the range of 0<x≤2, the subscript y is within the range of 0<y≤1, and the subscript z is within the range of 0≤z≤1. Mα and Mβ in the formula represent the metal element Mα and metal element Mβ described above, respectively. D in the formula is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba. The NASICON structure of this compound includes at least one selected from the group consisting of a rhombohedral structure and a monoclinic structure.

<酸化物の製造方法>
第1の実施形態に係る固体電解質材料が含む酸化物を製造する方法の例として、固相反応法が挙げられる。固相反応の原料として、構成元素の酸化物または加熱により構成元素を生成する炭酸塩、硝酸塩などの各種塩化合物を用いることができる。目的組成に対応するように、各種原料を所定の比率で混合する。この混合物を焼成することにより、金属元素Mと酸素原子とを含む八面体配位構造を含む酸化物を得ることができる。
<Method for producing oxide>
An example of a method for producing the oxide contained in the solid electrolyte material according to the first embodiment is a solid phase reaction method. As raw materials for the solid-phase reaction, oxides of constituent elements or various salt compounds such as carbonates and nitrates that generate constituent elements by heating can be used. Various raw materials are mixed in a predetermined ratio so as to correspond to the target composition. By firing this mixture, an oxide containing an octahedral coordination structure containing the metal element M and oxygen atoms can be obtained.

例えば、上述の一般式A(Mα1-wMβw)O3で表される目的組成に対応するように、各種原料を所定の比率で混合する。この混合物を焼成することにより、ペロブスカイト構造を有する化合物を得ることができる。或いは、例えば、上述の一般式LixMαy(Mβ1-zz)(PO4)3で表される目的組成に対応するように、各種原料を所定の比率で混合する。この混合物を焼成することにより、NASICON構造を有する化合物を得ることができる。 For example, various raw materials are mixed in a predetermined ratio so as to correspond to the target composition represented by the above general formula A(Mα 1-ww )O 3 . By firing this mixture, a compound having a perovskite structure can be obtained. Alternatively, for example, various raw materials are mixed in a predetermined ratio so as to correspond to the target composition represented by the above general formula Li xy (Mβ 1-z D z )(PO 4 ) 3 . By firing this mixture, a compound having a NASICON structure can be obtained.

NASICON構造の酸化物の合成に用いられるリン酸源としては、例えばリン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)等のリン酸塩が好ましい。リン酸源として、リン酸塩を単独または2種類以上組み合わせて用いてもよい。金属元素Mの原料としては、酸化物を用いることが好ましい。金属元素Mの原料としての酸化物は、単独または2種類以上組み合わせて用いても良い。ペロブスカイト構造のAサイトに含むことのできる元素およびNASICON構造に含むことのできるD元素の原料としては、塩化物、炭酸塩や硝酸塩などの金属塩を用いることが好ましい。これら原料を単独または2種類以上組み合わせて用いてもよい。 Phosphate salts such as ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) are preferred as the phosphate source used to synthesize the NASICON structure oxide. Phosphate may be used alone or in combination of two or more as the phosphoric acid source. As a raw material of the metal element M, it is preferable to use an oxide. The oxides as the raw material of the metal element M may be used singly or in combination of two or more. Metal salts such as chlorides, carbonates and nitrates are preferably used as raw materials for the element that can be included in the A site of the perovskite structure and the D element that can be included in the NASICON structure. You may use these raw materials individually or in combination of 2 or more types.

先ず、上述したように、これらの原料を目的組成に対応する比率となるよう混合して混合物を得る。この混合物に対し、最初に低温加熱処理をする。 First, as described above, these raw materials are mixed in a ratio corresponding to the target composition to obtain a mixture. This mixture is first subjected to a low temperature heat treatment.

ここで、NASICON構造を有する化合物を得る場合には、前熱処理を行うことが望ましい。NASICON構造の化合物の原料にはリン酸塩が含まれているため、当該化合物を一般的に知られる固相反応法で合成しようとすると溶融反応が激しく、軽元素の蒸散が生じる。そのため、一般的な合成方法を採用した場合では、不純物相の生成や組成ずれを起こす。混合物を150℃以上350℃以下の温度条件下で例えば12時間加熱してから炉外に取り出して急冷却する低温加熱処理を加えることで、最初にリン酸塩の分解を促し他の原料との溶融反応を抑制することができる。使用するリン酸塩の融点から100℃以上となる温度(約350℃を超える)では、リン酸塩と他の原料との溶融反応が起こり、軽元素の蒸散が生じるため好ましくない。また、最初に使用するリン酸塩の融点より低い温度(約150℃未満)では、リン酸塩が十分に分解されず、リン酸塩の分解効果が得られにくい。 Here, when obtaining a compound having a NASICON structure, it is desirable to perform a preheat treatment. Since the raw material of the compound with the NASICON structure contains a phosphate, if the compound is synthesized by a generally known solid-phase reaction method, the melting reaction is violent and light elements transpire. Therefore, when a general synthesis method is adopted, generation of an impurity phase and composition deviation occur. By adding a low-temperature heat treatment in which the mixture is heated at a temperature of 150 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, for example, for 12 hours, then taken out of the furnace and rapidly cooled, the phosphate is first decomposed and combined with other raw materials. A melting reaction can be suppressed. A temperature higher than the melting point of the phosphate used by 100° C. or higher (exceeding about 350° C.) is not preferable because a melting reaction between the phosphate and other raw materials occurs, resulting in evaporation of light elements. In addition, at a temperature (less than about 150° C.) lower than the melting point of the phosphate initially used, the phosphate is not sufficiently decomposed and the phosphate decomposing effect is difficult to obtain.

低温加熱処理に供した混合物を再粉砕し、600℃以上800℃以下で仮焼成することで、熱拡散により均一な混合状態を得ることができる。仮焼成温度が600℃未満では十分な混合状態が得られにくい。一方、仮焼成温度が800℃を越えると、焼結が進み均一な混合状態が得られにくい。仮焼成時間は5時間乃至20時間程度が好ましい。 By re-pulverizing the mixture subjected to the low-temperature heat treatment and calcining at 600° C. or higher and 800° C. or lower, a uniform mixed state can be obtained by thermal diffusion. If the calcination temperature is less than 600°C, it is difficult to obtain a sufficient mixed state. On the other hand, if the calcining temperature exceeds 800° C., sintering progresses and it is difficult to obtain a uniform mixed state. The calcination time is preferably about 5 hours to 20 hours.

ペロブスカイト構造の化合物の合成のようにリン酸塩を原料に用いない場合には、上記の前熱処理(低温加熱処理)を省略できる。原料の混合物を得た後、そのまま仮焼成を行える。 When phosphate is not used as a raw material as in the synthesis of a perovskite structure compound, the above preheat treatment (low-temperature heat treatment) can be omitted. After obtaining the mixture of raw materials, calcination can be performed as it is.

このように仮焼成を行った原料混合物を粉砕混合し、大気中または酸素ガスや窒素ガスなどの流通下において、1000℃以上1400℃以下で焼成する。このとき、目的とする結晶構造の単相を得るために、焼成と再粉砕とを繰り返し行うことで複数回に分けて焼成することが好ましい。粉砕方法は特に制限されない。 The raw material mixture thus temporarily sintered is pulverized and mixed, and sintered at 1000° C. or higher and 1400° C. or lower in the air or under the flow of oxygen gas or nitrogen gas. At this time, in order to obtain a single phase with the desired crystal structure, it is preferable to repeat firing and re-pulverization to perform firing in a plurality of steps. The pulverization method is not particularly limited.

以上の合成焼成を行った後に、酸素雰囲気中でアニール処理を行なうことが望ましい。具体的には、次のようにアニールする。例えば、管状炉中に試料を入れ、内部を純酸素ガスで満たす。その後、0.5 L/minで純酸素フローを行いながら、600℃で12時間アニール処理を行なう。アニール処理を行うことで、Nbの価数が5.0であり且つTaの価数が5.0である酸化物を得ることができる。 It is desirable to perform an annealing treatment in an oxygen atmosphere after performing the synthesis firing described above. Specifically, annealing is performed as follows. For example, a sample is placed in a tubular furnace and the inside is filled with pure oxygen gas. After that, annealing treatment is performed at 600° C. for 12 hours while performing pure oxygen flow at 0.5 L/min. By performing the annealing treatment, an oxide in which the valence of Nb is 5.0 and the valence of Ta is 5.0 can be obtained.

また、焼成の際に、実施形態に係る固体電解質材料を含む正極材料と負極材料とを用いて全固体電池を構成することも可能である。この場合、得られる全固体電池における正極層と負極層との間に固体電解質材料の層が積層された構成となるように材料の粉体を積み重ね、粉体を加圧成型などにより固めてから焼成することで、界面の粒界の小さな全固体電池を得ることができる。焼成温度が1000℃より低いと反応性が悪く、焼成に時間がかかるうえ目的とする相が得られにくい。焼成温度が1400℃より高いと、リチウムをはじめとするアルカリ金属やアルカリ土類金属の蒸散が多くなり目的組成から逸脱しやすくなる。焼成時間の合計は、焼成温度にもよるが、概ね1時間-5時間である。なかでも、1300℃での温度条件下で2時間-3時間程度焼成することが好ましい。また、焼成雰囲気としてはコストや利便性からも空気が好適である。また、焼成中にリチウム蒸散による組成ずれを防ぐために、あらかじめ蒸散量を見積もり、その分リチウム原料を多く混合することが好ましい。 Moreover, it is also possible to construct an all-solid-state battery using a positive electrode material and a negative electrode material containing the solid electrolyte material according to the embodiment during firing. In this case, the material powder is stacked so that a layer of the solid electrolyte material is laminated between the positive electrode layer and the negative electrode layer in the obtained all-solid-state battery, and the powder is solidified by pressure molding or the like. By firing, an all-solid-state battery with a small grain boundary at the interface can be obtained. If the sintering temperature is lower than 1000° C., the reactivity is poor, the sintering takes a long time, and it is difficult to obtain the desired phase. If the firing temperature is higher than 1400° C., the transpiration of alkali metals including lithium and alkaline earth metals increases, and the composition tends to deviate from the desired composition. The total firing time depends on the firing temperature, but is generally 1 to 5 hours. Among them, it is preferable to perform the sintering at a temperature of 1300° C. for about 2 to 3 hours. Air is preferable as the firing atmosphere from the viewpoint of cost and convenience. Moreover, in order to prevent composition deviation due to lithium transpiration during firing, it is preferable to estimate the transpiration amount in advance and mix a large amount of the lithium raw material accordingly.

<固体電解質材料の測定>
以下、固体電解質材料の測定方法を説明する。具体的には、粉末X線回折測定、電子プローブマイクロアナリシス法による分析、透過型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光測定、及び誘導結合プラズマ発光分光分析を説明する。
<Measurement of solid electrolyte material>
A method for measuring the solid electrolyte material will be described below. Specifically, powder X-ray diffraction measurement, electron probe microanalysis analysis, transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy, and inductively coupled plasma emission spectroscopy will be described.

(粉末X線回折測定)
固体電解質材料に含まれている酸化物の結晶構造は、粉末X線回折測定により確認することができる。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The crystal structure of the oxide contained in the solid electrolyte material can be confirmed by powder X-ray diffraction measurement.

測定する対称の固体電解質材料が電池に含まれている場合は、例えば、次に説明する方法により測定試料を電池から取り出す。 When the solid electrolyte material to be measured is included in the battery, the measurement sample is taken out of the battery by, for example, the method described below.

例えば、後述するような正極層と負極層と電解質層とが積層されて構築された構造を有する電極体を含んだ全固体電池にて、固体電解質材料は電解質層に含まれ得る。まず、電池を完全に放電した状態にする。例えば、電池を25℃環境において0.1C電流で定格終止電圧まで放電させることで、電池を放電状態にすることができる。電極体を電池から取り出す。電池から取り出した電極体において正極層及び負極層を研磨によって削り落とすことで、電解質層を取り出すことができる。取り出した電解質層を平均粒子径が10μm程度となるまで粉砕する。平均粒子径はレーザー回折法によって求めることができる。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mmの平板ホルダー部分に充填する。このとき、試料が十分にホルダー部分に充填されるように留意する。また、試料の充填不足によりひび割れ、空隙等がないように注意する。次いで、外部から別のガラス板を使い、充分に押し付けて平滑化する。充填量の過不足によってホルダーの基準面より凹凸が生じることのないように注意する。次いで、試料が充填されたガラス板を粉末X線回折装置に設置し、Cu-Kα線を用いてX線回折(XRD:X-ray Diffraction)パターンを取得する。 For example, in an all-solid-state battery including an electrode body having a structure in which a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer are laminated to be described later, the solid electrolyte material may be included in the electrolyte layer. First, let the battery fully discharge. For example, the battery can be placed in a discharged state by discharging the battery to the rated final voltage at 0.1 C current in a 25° C. environment. Remove the electrode assembly from the battery. The electrolyte layer can be taken out by grinding off the positive electrode layer and the negative electrode layer in the electrode body taken out from the battery. The electrolyte layer thus taken out is pulverized to an average particle size of about 10 μm. The average particle size can be determined by a laser diffraction method. The pulverized sample is packed in a flat plate holder portion with a depth of 0.2 mm formed on a glass sample plate. At this time, care should be taken so that the sample is sufficiently filled in the holder portion. Also, make sure that there are no cracks or voids due to insufficient filling of the sample. Then, using another glass plate from the outside, it is sufficiently pressed and smoothed. Be careful not to cause unevenness from the reference surface of the holder due to excessive or insufficient filling. Next, the glass plate filled with the sample is placed in a powder X-ray diffractometer, and an X-ray diffraction (XRD) pattern is obtained using Cu—Kα rays.

なお、試料の配向性が高い場合には、試料の充填の仕方によってピークの位置がずれたり、ピーク強度比が変化したりする可能性がある。このような配向性の高い試料の場合は、サンプルをキャピラリに封入し、回転試料台に載置して、回転させながら測定する。このような方法により、配向性の影響を低減したうえで、試料のXRDパターンを得ることができる。この方法で測定した強度比と前述の平板ホルダーを用いて測定した強度比が異なる場合、配向による影響が考えられるため、回転試料台の測定結果を採用する。 In addition, when the orientation of the sample is high, there is a possibility that the position of the peak may shift or the peak intensity ratio may change depending on how the sample is filled. In the case of such a highly oriented sample, the sample is enclosed in a capillary, placed on a rotating sample stage, and measured while being rotated. By such a method, the XRD pattern of the sample can be obtained while reducing the influence of the orientation. If the intensity ratio measured by this method differs from the intensity ratio measured using the above-mentioned flat plate holder, the influence of the orientation may be considered, so the measurement result of the rotating sample stage is adopted.

また、このような方法で測定することにより、オペレータによる測定結果の違いを排除し、再現性を高くすることができる。得られた回折パターンからリートベルト解析等により、格子定数を精密化することができる。 Moreover, by measuring by such a method, it is possible to eliminate the difference in the measurement result depending on the operator and improve the reproducibility. The lattice constant can be refined from the obtained diffraction pattern by Rietveld analysis or the like.

後述するとおり固体電解質材料は、固体電解質材料とポリマー電解質とが混合されている複合電解質として電池に含まれ得る。このような複合電解質を含んでいる電池の場合は、電池から取り出した電極体の表面を、例えば、エチルメチルカーボネートなどの溶剤で洗浄することで固体電解質が塗布されている面を露出させることができる。無機固体粒子が塗布されている面をXRD用ガラスホルダー面と同じ高さになるようにセットして測定を行う。このとき、試料中に含まれている活物質(正極活物質または負極活物質)に帰属されるピークを予め把握しておき、測定後のスペクトルから、これら活物質のピークを分離して各種解析を行う。ピークの分離には、リートベルト法を用いた複相解析が好ましい。 As will be described later, the solid electrolyte material can be included in the battery as a composite electrolyte in which the solid electrolyte material and polymer electrolyte are mixed. In the case of a battery containing such a composite electrolyte, the surface coated with the solid electrolyte can be exposed by washing the surface of the electrode body removed from the battery with a solvent such as ethyl methyl carbonate. can. Measurement is performed by setting the surface coated with the inorganic solid particles to the same height as the surface of the glass holder for XRD. At this time, the peaks attributed to the active material (positive electrode active material or negative electrode active material) contained in the sample are grasped in advance, and the peaks of these active materials are separated from the spectrum after measurement for various analyses. I do. Dual phase analysis using the Rietveld method is preferred for peak separation.

(電子プローブマイクロアナリシス)
電子プローブマイクロアナリシス法(Electron Probe Micro Analyzer:EPMA)による分析を行うことで、酸化物中のNb及びTaのそれぞれの価数を求めることができる。測定装置としては、JEOL社製JXA 8900を用いることができる。ビームエネルギー15 kV、ビーム電流100 nA、ビーム径10 μmの条件で電子線を照射し、分光結晶でNb及びTaのLα線を測定する。ピークシフトに基づいて、測定した元素の価数をそれぞれ求める。こうして酸化物の結晶構造中のNbの価数およびTaの価数のそれぞれについて、平均値を求めることができる。結晶構造の全体を測定しなくてもよく、部分的に確認することによってもNb価数の平均およびTa価数の平均をそれぞれ求めることができる。
(Electron probe microanalysis)
The valences of Nb and Ta in the oxide can be determined by analysis using an Electron Probe Micro Analyzer (EPMA). As a measuring device, JXA 8900 manufactured by JEOL can be used. An electron beam is irradiated under the conditions of a beam energy of 15 kV, a beam current of 100 nA, and a beam diameter of 10 μm, and Lα rays of Nb and Ta are measured with an analyzing crystal. Based on the peak shift, the valences of the measured elements are obtained. In this way, an average value can be obtained for each of the valences of Nb and Ta in the crystal structure of the oxide. It is not necessary to measure the entire crystal structure, and the average Nb valence and the average Ta valence can be obtained by partially confirming the crystal structure.

(透過型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光測定)
固体電解質材料の結晶構造中のTaの分布は、透過型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光(Transmission Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy;TEM-EDX)法による測定により確認することができる。固体電解質材料を含んだ対象の試料をTEM-EDX測定に供し、制限視野回折法によって試料中の各々の粒子の結晶構造を特定する。例えば、固体電解質材料を含んだ電極を測定試料に用いた場合、固体電解質材料の他に電極活物質が含まれ得る。結晶構造を特定することで固体電解質と電極活物質とを区別することができる。EDXでTaのマッピングを取得することにより、Taの分布を求めることができる。
(Transmission electron microscope - energy dispersive X-ray spectroscopy)
The distribution of Ta in the crystal structure of the solid electrolyte material can be confirmed by measurement by transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX). A sample of interest containing the solid electrolyte material is subjected to TEM-EDX measurements to identify the crystal structure of each particle in the sample by selected area diffraction. For example, when an electrode containing a solid electrolyte material is used as a measurement sample, the electrode active material may be contained in addition to the solid electrolyte material. By specifying the crystal structure, it is possible to distinguish between the solid electrolyte and the electrode active material. The distribution of Ta can be obtained by obtaining the mapping of Ta with EDX.

また、Nb及び金属元素Mβなど結晶構造中の他の元素の分布も、マッピングを取得することにより求めることができる。 Also, the distribution of other elements in the crystal structure, such as Nb and the metal element Mβ, can be obtained by obtaining the mapping.

(誘導結合プラズマ発光分光分析)
TEM-EDXによりそれぞれのマッピングの結果から結晶構造中に対象とする元素が含まれることが確認できた場合、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析により定量分析を行うことができる。定量分析により、質量比αTa/αNbやNbに対する補助元素Mβsの元素比率Eβs/ENbなどを算出することができる。
(Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy)
When it is confirmed from the result of each mapping by TEM-EDX that the target element is contained in the crystal structure, quantitative analysis can be performed by high frequency inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry. By quantitative analysis, the mass ratio α TaNb and the element ratio E βs /E Nb of the auxiliary element Mβ s to Nb can be calculated.

この際、各元素の存在比(モル比)は、使用する分析装置の感度に依存する。従って、例えば、第1の実施形態に係る一例の固体電解質材料に含まれている酸化物の組成を、ICP発光分光法を用いて分析した際、先に説明したモル比から測定装置の誤差分だけ数値が逸脱することがある。しかしながら、分析装置の誤差範囲で測定結果が上記のように逸脱したとしても、第1の実施形態に係る一例の固体電解質材料は先に説明した効果を十分に発揮することができる。 At this time, the abundance ratio (molar ratio) of each element depends on the sensitivity of the analyzer used. Therefore, for example, when the composition of an oxide contained in an example of the solid electrolyte material according to the first embodiment is analyzed using ICP emission spectroscopy, the error of the measuring device is calculated from the molar ratio described above. values may deviate. However, even if the measurement results deviate within the error range of the analyzer as described above, the exemplary solid electrolyte material according to the first embodiment can sufficiently exhibit the effects described above.

電池に組み込まれている固体電解質材料の組成をICP発光分光法により測定するには、例えば、粉末X線回折測定を説明したと同様の手順により電解質層を取り出したり活物質層を取り出したりして、測定に供することが出来る。取り出した材料層を大気中で短時間加熱して(例えば、500℃で1時間程度)、バインダー成分やカーボンなど不要な成分を焼失させる。この残渣を酸で溶解することで、固体電解質材料を含む液体サンプルを作製できる。このとき、酸としては塩酸、硝酸、硫酸、フッ化水素などを使用できる。この液体サンプルをICP分析に供することで、固体電解質材料中の組成を知ることができる。 In order to measure the composition of the solid electrolyte material incorporated in the battery by ICP emission spectroscopy, for example, the electrolyte layer and the active material layer are taken out in the same procedure as described for the powder X-ray diffraction measurement. , can be used for measurement. The removed material layer is heated in the air for a short period of time (for example, at 500° C. for about 1 hour) to burn off unnecessary components such as the binder component and carbon. By dissolving this residue with an acid, a liquid sample containing the solid electrolyte material can be prepared. At this time, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrogen fluoride, etc. can be used as the acid. By subjecting this liquid sample to ICP analysis, the composition in the solid electrolyte material can be known.

以上説明した第1の実施形態によれば、八面体配位構造を含んでいる酸化物を含む固体電解質材料が提供される。八面体配位構造は、金属元素Mとこの金属元素Mを中心に配されている酸素原子とを含む構造を有する。金属元素Mは、NbとTaとを含んだ金属元素Mαを含む。金属元素MαのうちNbの質量αNbとTaの質量αTaとの質量比αTa/αNbは、5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある。この固体電解質材料は高い耐還元性能を有する。また、固体電解質材料は、構成元素の化学的安定性を有しながらも低コスト化が可能である。 According to the first embodiment described above, a solid electrolyte material containing an oxide containing an octahedral coordination structure is provided. The octahedral coordination structure has a structure including a metal element M and oxygen atoms arranged around the metal element M. The metal element M includes a metal element Mα containing Nb and Ta. The mass ratio α TaNb between the mass α Nb of Nb and the mass α Ta of Ta in the metal element Mα is within the range of 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 . This solid electrolyte material has high resistance to reduction. In addition, solid electrolyte materials can be manufactured at low cost while having chemical stability of constituent elements.

[第2の実施形態]
第2の実施形態によれば、電極が提供される。第2の実施形態に係る電極は、第1の実施形態に係る固体電解質材料を含む。
[Second embodiment]
According to a second embodiment, an electrode is provided. An electrode according to the second embodiment includes the solid electrolyte material according to the first embodiment.

実施形態に係る電極は、例えば、電池用電極である。ここでいう電池とは、例えば、電力を貯蔵することができる蓄電池を含み、リチウムイオン電池のような二次電池を具体例として挙げることができる。 The electrode according to the embodiment is, for example, a battery electrode. The term "battery" as used herein includes, for example, a storage battery capable of storing electric power, and a specific example thereof is a secondary battery such as a lithium ion battery.

電極は、活物質をさらに含み得る。活物質は、電池用活物質であり得る。例えば、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質を挙げることができる。 The electrodes may further include an active material. The active material may be a battery active material. For example, an active material capable of intercalating/deintercalating lithium ions can be used.

第2の実施形態に係る電極は、集電体と活物質含有層とを含むことができる。活物質含有層は、集電体の片面又は両面に形成され得る。活物質含有層は、活物質と、任意に導電剤及び結着剤とを含むことができる。 An electrode according to the second embodiment can include a current collector and an active material-containing layer. The active material-containing layer may be formed on one side or both sides of the current collector. The active material-containing layer can contain an active material and optionally a conductive agent and a binder.

電極は、正極であり得る。正極は、電池用活物質として正極活物質を含み得る。正極は、活物質含有層として正極活物質を含んだ正極活物質含有層を含むことができる。正極活物質含有層の詳細は、後述する正極層の詳細と同じため、説明を省略する。 The electrode can be a positive electrode. The positive electrode may contain a positive electrode active material as a battery active material. The positive electrode can include a positive electrode active material containing layer containing a positive electrode active material as an active material containing layer. The details of the positive electrode active material-containing layer are the same as the details of the positive electrode layer to be described later, and therefore the description thereof is omitted.

電極は、負極であり得る。負極は、電池用活物質として負極活物質を含み得る。負極は、活物質含有層として負極活物質を含んだ負極活物質含有層を含むことができる。負極活物質含有層の詳細は、後述する負極層の詳細と同じため、説明を省略する。 The electrode can be the negative electrode. The negative electrode may contain a negative electrode active material as a battery active material. The negative electrode can include a negative electrode active material containing layer containing a negative electrode active material as an active material containing layer. The details of the negative electrode active material-containing layer are the same as the details of the negative electrode layer to be described later, and therefore the description thereof is omitted.

電極は、後述するバイポーラ電極構造を有し得る。後述する説明と重複するため、説明を省略する。 The electrodes may have a bipolar electrode structure as described below. Since the description overlaps with the description to be described later, the description is omitted.

集電体の詳細は、後述する。 Details of the current collector will be described later.

以上説明した第2の実施形態によれば、第1の実施形態に係る固体電解質材料を含む電極が提供される。この電極は、固体電解質材料のイオン伝導性が高く耐還元性が優れているため、高い入出力性能および優れた貯蔵性能を有する電池を実現できる。 According to the second embodiment described above, an electrode containing the solid electrolyte material according to the first embodiment is provided. Since the solid electrolyte material of this electrode has high ionic conductivity and excellent resistance to reduction, it is possible to realize a battery with high input/output performance and excellent storage performance.

[第3の実施形態]
第3の実施形態によれば、正極層と、負極層と、Li伝導層とを含む電池が提供される。正極層は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能である。負極層は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能である。Li伝導層は、リチウムイオンの伝導が可能である。正極層と負極層とLi伝導層のうち少なくとも一つの層は、第1の実施形態に係る固体電解質材料を含む。
[Third Embodiment]
According to a third embodiment, a battery is provided that includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a Li conducting layer. The positive electrode layer is capable of intercalation/deintercalation of lithium ions. The negative electrode layer is capable of intercalation/deintercalation of lithium ions. The Li conductive layer is capable of conducting lithium ions. At least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer contains the solid electrolyte material according to the first embodiment.

実施形態に係る電池は、例えば、電力を貯蔵することができる蓄電池であり得、リチウムイオン電池のような二次電池を具体例として挙げることができる。 A battery according to an embodiment may be, for example, a storage battery capable of storing electric power, and a specific example thereof is a secondary battery such as a lithium ion battery.

正極層は、正極活物質を含み、集電体上に配置されて正極を構成し得る。負極層は、負極活物質を含み、集電体上に配置されて負極を構成し得る。或いは、正極層が集電体の片面に配置され、負極層が集電体のその裏側の面に配置されてバイポーラ型構造の電極を構成し得る。正極層と負極層とのそれぞれは、電解質を含むことができる。また、正極層と負極層とが含むことのできる電解質は、第1の実施形態に係る固体電解質材料であり得る。正極活物質および負極活物質については後述する。 The positive electrode layer may include a positive electrode active material and be disposed on the current collector to form a positive electrode. The negative electrode layer may include a negative electrode active material and be disposed on the current collector to constitute the negative electrode. Alternatively, the positive electrode layer can be disposed on one side of the current collector and the negative electrode layer can be disposed on the opposite side of the current collector to form an electrode of bipolar type construction. Each of the positive electrode layer and the negative electrode layer can contain an electrolyte. Also, the electrolyte that can be included in the positive electrode layer and the negative electrode layer can be the solid electrolyte material according to the first embodiment. The positive electrode active material and the negative electrode active material will be described later.

Li伝導層は、リチウムイオンを伝導することができ、例えば正極層と負極層との間に配置されるセパレータであり得る。または、Li伝導層は、電解質層であり得る。電解質層としてのLi伝導層は電解質を含み、該電解質は、第1の実施形態に係る固体電解質材料を含み得る。 The Li-conducting layer is capable of conducting lithium ions and can be, for example, a separator disposed between the positive and negative electrode layers. Alternatively, the Li conducting layer can be the electrolyte layer. A Li-conducting layer as an electrolyte layer contains an electrolyte, which may contain the solid electrolyte material according to the first embodiment.

実施形態に係る電池は、外装部材を備えている。正極、負極および電解質は、外装部材内に収納されている。また用途によって非水電解質が併用される場合、該非水電解質も外装部材内に収容されている。更に、電極構造としてバイポーラ型構造をとることもできる。 A battery according to an embodiment includes an exterior member. A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte are housed in an exterior member. Moreover, when a non-aqueous electrolyte is used together depending on the application, the non-aqueous electrolyte is also accommodated in the exterior member. Furthermore, a bipolar type structure can be used as the electrode structure.

図3に、実施形態の電池の含むことのできる一例の電極体を示す。図3に示す電極体10Aは、正極層11と電解質層12と負極層13と集電体14とを含む。図示するとおり、電極体10Aは、電解質層12が正極層11と負極層13との間に介在し両端に集電体14が配置されるように、これらの部材が積層された構造を有する。図3の例では、電極体10Aは上記構造が1組積層された単層電極体である。 FIG. 3 shows an example electrode assembly that can be included in the battery of the embodiment. The electrode assembly 10A shown in FIG. 3 includes a positive electrode layer 11, an electrolyte layer 12, a negative electrode layer 13, and a current collector 14. As shown, the electrode body 10A has a structure in which these members are laminated such that the electrolyte layer 12 is interposed between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 and the current collectors 14 are arranged at both ends. In the example of FIG. 3, the electrode body 10A is a single-layer electrode body in which one set of the above structure is laminated.

なお、図3では、正極層11と負極層13との間に介在するLi伝導層として電解質層12を含む例を示したが、実施形態の電池では、Li伝導層は電解質層12でなくてもよい。例えば、正極層11および/または負極層13が後述するように電解質を含んでいる場合には、Li伝導層として電解質を保持したセパレータなどを正極層11と負極層13との間に配置させてもよい。 Although FIG. 3 shows an example in which the electrolyte layer 12 is included as the Li conductive layer interposed between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13, in the battery of the embodiment, the Li conductive layer is not the electrolyte layer 12. good too. For example, when the positive electrode layer 11 and/or the negative electrode layer 13 contain an electrolyte as described later, a separator or the like holding the electrolyte as a Li conductive layer is disposed between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13. good too.

実施形態の電池の別の態様の一例として、図4のようにバイポーラ電極構造を有する電極体10Bを構成し、これを電池に含むこともできる。すなわち、集電体14、負極層13、電解質層12、及び正極層11の順に積層された1組の構造が、2組以上積層され、最も端(図の上端)の正極層11の片面に集電体14が積層されていてもよい。言い換えると、電極体10Bは、正極層11とLi伝導層と負極層13とがこの順で積層されてなる積層体を複数と、集電体14とを含み、一つの積層体の正極層11と他の積層体の負極層13との間に集電体14が配置されたバイポーラ電極構造を有し得る。この構造を積層する組数は、電池の形状及び大きさの設計に応じて適宜選択できる。図示した例では5組積層されている。本実施形態に係る電極体10Bは、正極層11、電解質層12、及び負極層13をそれぞれ密着させて薄型にすることができるので、これらを多数積層することで薄型で要するスペースが少なく、かつ大容量で電気化学的安定性に優れた電池とすることができる。なお、図3の電極体10Aと同様に、バイポーラ型構造の電極体10Bについても、正極層11および/または負極層13が電解質を含んでいる場合には、Li伝導層として電解質を保持したセパレータなどを電解質層12の代わりに正極層11と負極層13との間に配置させてもよい。 As an example of another aspect of the battery of the embodiment, an electrode body 10B having a bipolar electrode structure can be configured as shown in FIG. 4 and included in the battery. That is, one set of structures in which the current collector 14, the negative electrode layer 13, the electrolyte layer 12, and the positive electrode layer 11 are laminated in this order, two or more sets are laminated, and The current collector 14 may be laminated. In other words, the electrode body 10B includes a plurality of laminates in which the positive electrode layer 11, the Li conductive layer, and the negative electrode layer 13 are laminated in this order, and the current collector 14, and the positive electrode layer 11 of one laminate is It can have a bipolar electrode structure with a current collector 14 disposed between it and the negative electrode layer 13 of another laminate. The number of sets for stacking this structure can be appropriately selected according to the design of the shape and size of the battery. In the illustrated example, five sets are stacked. The electrode body 10B according to the present embodiment can be made thin by adhering the positive electrode layer 11, the electrolyte layer 12, and the negative electrode layer 13, respectively. A battery having a large capacity and excellent electrochemical stability can be obtained. As with the electrode body 10A in FIG. 3, in the electrode body 10B having a bipolar structure, when the positive electrode layer 11 and/or the negative electrode layer 13 contain an electrolyte, the separator holding the electrolyte as the Li conductive layer etc. may be arranged between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 instead of the electrolyte layer 12 .

図5に、実施形態に係る一例の電池の概略断面図を示す。 FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of an example battery according to the embodiment.

図5に示すとおり、電池100は、外装部材101に収納されているバイポーラ型の電極体10Cを含む。図示する電極体10Cは、図4に示した電極体10Bと同様に、下から集電体14、負極層13、電解質層12、及び正極層11の順に積層された1組の構造が、2組以上積層され、さらに最上段の正極層11の片面に集電体14が積層されている構造を有する。最も端部の正極層11と隣接する集電体14(図の上端)には正極端子9が電気的に接続されている。最も端部の負極層13と隣接する集電体14(図の下端)には負極端子8が電気的に接続されている。これら正極端子9と負極端子8とは外装部材101の外部へ延出している。 As shown in FIG. 5, the battery 100 includes a bipolar electrode assembly 10C housed in an exterior member 101. As shown in FIG. The illustrated electrode body 10C has a structure in which a current collector 14, a negative electrode layer 13, an electrolyte layer 12, and a positive electrode layer 11 are laminated in this order from the bottom, similar to the electrode body 10B shown in FIG. It has a structure in which more than one set is laminated, and a current collector 14 is laminated on one side of the uppermost positive electrode layer 11 . A positive electrode terminal 9 is electrically connected to the current collector 14 (upper end in the drawing) adjacent to the positive electrode layer 11 at the end. A negative electrode terminal 8 is electrically connected to the current collector 14 (lower end in the drawing) adjacent to the negative electrode layer 13 at the end. These positive electrode terminal 9 and negative electrode terminal 8 extend outside the exterior member 101 .

図5に示す電池100では、図4の電極体10Bと同様に、電極体10Cが集電体14と負極層13と電解質層12と正極層11との積層構造を5組含む例を示したが、電極体10Cの含む積層構造の組数は、例えば図3の電極体10Aと同様に1組でもよく、或いは2組以上でもよい。 In the battery 100 shown in FIG. 5, similarly to the electrode assembly 10B shown in FIG. However, the number of sets of the laminated structure included in the electrode body 10C may be, for example, one like the electrode body 10A in FIG. 3, or may be two or more.

以下、電解質、正極層、負極層、及び外装部材について詳述する。 The electrolyte, positive electrode layer, negative electrode layer, and exterior member will be described in detail below.

1)電解質
実施形態に係る電池において、正極層と負極層とLi伝導層とは電解質を含み得る。何れの層についても含むことのできる電解質が第1の実施形態に係る固体電解質材料であり得る。実施形態に係る電池では、これらの層のうち少なくとも何れか一つに第1の実施形態に係る固体電解質材料が含まれている。固体電解質材料を用いた電池では有機電解液の漏液やガス発生の心配がなく、安全な電池を提供することができる。
1) Electrolyte In the battery according to the embodiment, the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer may contain an electrolyte. The electrolyte that can be included in any layer can be the solid electrolyte material according to the first embodiment. In the battery according to the embodiment, at least one of these layers contains the solid electrolyte material according to the first embodiment. Batteries using a solid electrolyte material do not have to worry about organic electrolyte leakage or gas generation, and can provide a safe battery.

第1の実施形態で説明した固体電解質材料が含まれている層において、このリチウムイオン伝導性固体電解質材料を単独で用いても良いし、他の種類の固体電解質(例えば、他のNASICON型固体電解質、他のペロブスカイト型固体電解質、ガーネット型固体電解質、LISOCON系固体電解質、硫化物系固体電解質)と混合しても良い。更に好ましい態様の電池は、第1の実施形態に係る固体電解質材料と有機電解質とを含んだ複合電解質を電解質として含む。固体電解質材料は無機固体粒子を形成している。この無機固体粒子と有機電解質とで、複合電解質を形成している状態が好ましい。 In the layer containing the solid electrolyte material described in the first embodiment, this lithium ion conductive solid electrolyte material may be used alone, or other types of solid electrolytes (for example, other NASICON type solid electrolytes) may be used. electrolyte, other perovskite-type solid electrolytes, garnet-type solid electrolytes, LISOCON-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes). A more preferred embodiment of the battery contains, as an electrolyte, a composite electrolyte containing the solid electrolyte material according to the first embodiment and an organic electrolyte. The solid electrolyte material forms inorganic solid particles. It is preferable that the inorganic solid particles and the organic electrolyte form a composite electrolyte.

複合電解質における有機電解質は、イオン伝導性を示すLi(リチウム)イオンとプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、及びメチルエチルカーボネート(MEC)からなる群より選択される少なくとも一種とを含有している。なお、有機電解質とともに複合電解質を形成する無機固体粒子としてLiイオン伝導性が高い硫化物固体電解質粒子を用いると、硫黄成分が溶解するため好ましくない。 The organic electrolyte in the composite electrolyte is selected from the group consisting of Li (lithium) ions exhibiting ionic conductivity and propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (MEC). contains at least one It is not preferable to use sulfide solid electrolyte particles with high Li ion conductivity as the inorganic solid particles forming the composite electrolyte together with the organic electrolyte because the sulfur component dissolves.

複合電解質中の有機電解質の質量比率が0.1%以上20%以下である。換言すれば、複合電解質の総量を100質量部とした場合の有機電解質の含有量が0.1質量部-20質量部である。複合電解質中の有機電解質の質量比率は1%以上10%以下であることが好ましく、約4%であることが特に好ましい。 The mass ratio of the organic electrolyte in the composite electrolyte is 0.1% or more and 20% or less. In other words, the content of the organic electrolyte is 0.1 parts by mass to 20 parts by mass when the total amount of the composite electrolyte is 100 parts by mass. The mass ratio of the organic electrolyte in the composite electrolyte is preferably 1% or more and 10% or less, particularly preferably about 4%.

複合電解質には、さらにバインダを含有してもよい。バインダは、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、又はポリメチルメタクリレートなどカーボネート類とゲル化する高分子体を用いることがより好ましい。バインダの含有量は、例えばPVdFの場合は、複合電解質の全体質量に対して20質量%未満であることが好ましい。 The composite electrolyte may further contain a binder. As the binder, it is more preferable to use a polymer that gels with carbonates such as polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polymethyl methacrylate. In the case of PVdF, for example, the content of the binder is preferably less than 20% by mass with respect to the total mass of the composite electrolyte.

複合電解質は、固体状ポリマー電解質またはゲル状ポリマー電解質であることが好ましい。複合電解質が固体状になるかゲル状になるかは、有機電解質およびバインダの組成を選択することによって適宜調整することができる。複合電解質が固体状ポリマー電解質であれば一般に電池装置のコンパクト化を図ることができる。複合電解質がゲル状ポリマー電解質であれば電池装置の作製や形状を変更する等の操作が容易である。 The composite electrolyte is preferably a solid polymer electrolyte or gel polymer electrolyte. Whether the composite electrolyte becomes solid or gel can be appropriately adjusted by selecting the composition of the organic electrolyte and the binder. If the composite electrolyte is a solid polymer electrolyte, generally the battery device can be made compact. If the composite electrolyte is a gel-like polymer electrolyte, operations such as fabrication of the battery device and modification of the shape are easy.

実施形態に係る複合電解質によれば、第1の実施形態に係る固体電解質材料と上記有機電解質とを複合化することで、イオン伝導性を高めることができる。これはLiイオン伝導性無機固体粒子と有機電解質との界面において、可動Liイオン濃度が増え、Liイオンの移動が容易となるためである。なお、有機電解質として、Liイオン伝導性の高いLi含有酸化物固体電解質を用いると、Liイオンの移動が更に容易となる。 According to the composite electrolyte according to the embodiment, ion conductivity can be enhanced by combining the solid electrolyte material according to the first embodiment and the organic electrolyte. This is because the concentration of mobile Li ions increases at the interface between the Li ion conductive inorganic solid particles and the organic electrolyte, facilitating the movement of Li ions. If a Li-containing oxide solid electrolyte with high Li ion conductivity is used as the organic electrolyte, the movement of Li ions becomes easier.

また、前述の有機電解質及び無機固体粒子(第1の実施形態に係る固体電解質材料の粒子)を用いることで、無機固体粒子が有機電解質に対して化学的に安定となり、無機固体粒子の溶解などといった問題を生じない。そのうえ、Liイオン伝導性無機固体粒子を使うことで、高温においてもLiの移動にともなう還元反応が生じにくく、複合電解質の安定性及び寿命を高めることができる。 In addition, by using the above-described organic electrolyte and inorganic solid particles (particles of the solid electrolyte material according to the first embodiment), the inorganic solid particles become chemically stable with respect to the organic electrolyte, dissolving the inorganic solid particles, etc. does not cause such problems. In addition, the use of the Li ion conductive inorganic solid particles makes it difficult for the reduction reaction accompanying the movement of Li to occur even at high temperatures, thereby increasing the stability and life of the composite electrolyte.

正極層11及び負極層13の表面は、図6-図8に例示されるように、平坦ではなく凹凸を有し得る。実施形態に係る電池において、例えば図7に示すように電解質層12を無機固体粒子121と有機電解質122とからなる複合電解質123を用いて構成した場合、該電解質層12と、正極層11及び負極層13との界面が、正極層11及び負極層13の表面の凹凸に沿って形成され得る。この例を図8に示す。なお、無機固体粒子121には、上記した固体電解質(第1の実施形態に係る固体電解質材料、及びその他の固体電解質)の粒子が含まれ得る。図6-図8に示すように、正極層11及び負極層13の表面には、各々の電極を構成する素材(後述する活物質の粒子など)による凹凸が存在している。特に、負極層13の表面は後述するように負極活物質粒子として、平均二次粒子径が5μmよりも大きい二次粒子を使用している場合、大きな凹凸を有する。電解質層12は、この凹凸に沿って正極層11及び負極層13に密着している。具体的には、有機電解質122が、後述する製造過程においてゲル状であるか又は硬化前の流動性を有するため、正極層11及び負極層13の表面の粒子によって形成されている凹部に浸透し入り込んでいる。 The surfaces of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 may be uneven rather than flat, as exemplified in FIGS. 6-8. In the battery according to the embodiment, for example, as shown in FIG. The interface with the layer 13 can be formed along the surface irregularities of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 . An example of this is shown in FIG. The inorganic solid particles 121 may include particles of the above-described solid electrolyte (the solid electrolyte material according to the first embodiment and other solid electrolytes). As shown in FIGS. 6 to 8, the surfaces of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 have irregularities due to the material (particles of the active material described later, etc.) forming each electrode. In particular, the surface of the negative electrode layer 13 has large irregularities when secondary particles having an average secondary particle diameter of more than 5 μm are used as the negative electrode active material particles, as will be described later. The electrolyte layer 12 adheres to the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 along the unevenness. Specifically, since the organic electrolyte 122 is gel-like in the manufacturing process described later or has fluidity before curing, it penetrates into recesses formed by particles on the surfaces of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 . I'm in.

このような構造により、電解質層12の表面が、正極層11及び負極層13の表面の凹凸に沿って、互いの表面が密着するように形成されており、電解質層12と正極層11と負極層13との間にほぼ隙間が無い状態となっている。特に、図8に示すように無機固体粒子121の一部である無機固体粒子121Aが、負極層13の凹部の奥に入り込んでいる場合には、負極層13の凹部を含めた表面に無機固体粒子121Aを介して良好に伝導性が与えられる。また、電解質層12において、例えば、固体電解質粒子として硬質の粒子である無機固体粒子121Bを含ませた場合には、この硬質の無機固体粒子121Bが電解質層12に構造的強度を付与するため、電解質層12にある程度の厚さを確保させる作用も有する。これにより、正極層11と負極層13とが直接に密着して短絡することを防ぐことができる。 With such a structure, the surface of the electrolyte layer 12 is formed along the irregularities of the surfaces of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 so that the surfaces of the electrolyte layer 12, the positive electrode layer 11 and the negative electrode are in close contact with each other. There is almost no gap between it and the layer 13 . In particular, as shown in FIG. 8, when the inorganic solid particles 121A, which are part of the inorganic solid particles 121, enter deep into the concave portions of the negative electrode layer 13, the inorganic solid particles are formed on the surface of the negative electrode layer 13 including the concave portions. Good conductivity is provided through the particles 121A. Further, in the electrolyte layer 12, for example, when inorganic solid particles 121B, which are hard particles, are included as solid electrolyte particles, the hard inorganic solid particles 121B impart structural strength to the electrolyte layer 12, It also has the effect of ensuring a certain thickness for the electrolyte layer 12 . This can prevent the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 from being in direct contact with each other and short-circuiting.

或いは、複合電解質は、例えば、正極活物質の粒子の少なくとも一部を被覆した状態で正極層11に含まれ得る。即ち、正極層11に電解質が含まれている場合、上述した複合電解質が個々の正極活物質粒子を被覆する状態にあり得る。同様に、複合電解質は、例えば、負極活物質の粒子の少なくとも一部を被覆した状態で負極層13に含まれ得る。即ち、負極層13に電解質が含まれている場合、上述した複合電解質が個々の負極活物質粒子を被覆する状態にあり得る。このような状態の正極層11及び負極層13を、高分子材料層と見なすことができる。 Alternatively, the composite electrolyte may be included in the positive electrode layer 11 in a state of covering at least part of the particles of the positive electrode active material, for example. That is, when the positive electrode layer 11 contains an electrolyte, the composite electrolyte described above may be in a state of covering individual positive electrode active material particles. Similarly, the composite electrolyte can be included in the negative electrode layer 13 in a state of covering at least a portion of the particles of the negative electrode active material, for example. That is, when the negative electrode layer 13 contains an electrolyte, the composite electrolyte described above may be in a state of covering individual negative electrode active material particles. The positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 in such a state can be regarded as polymeric material layers.

実施形態に係る電池において、電解質層12を用いる場合は、例えば上述した複合電解質を構成する有機電解質を正極層11若しくは負極層13に塗布する、又は互いに平行に配置された正極層11と負極層13との間に注入するといった手段により電解質層12を製造することができる。 In the battery according to the embodiment, when the electrolyte layer 12 is used, for example, the organic electrolyte constituting the composite electrolyte described above is applied to the positive electrode layer 11 or the negative electrode layer 13, or the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer are arranged parallel to each other. Electrolyte layer 12 can be fabricated by means such as injection between 13 .

さらに具体的な例として、例えば以下のような製造方法により電解質層12を製造することができる。この具体例では、正極層11の上に電解質層12を製造する方法を説明するが、実施形態に係る電解質層12の製造方法はこれに限られない。まず、無機固体粒子121をバインダを含む溶液に分散させて、固体電解質粒子のバインダ分散液を調製する。ここで、バインダには、上述した種類のうちのいずれかを使用可能である。無機固体粒子121は、第1の実施形態に係る固体電解質材料の粒子であり得る。次に、このバインダ分散液を正極層11上に塗布することで、図6に示すように、正極層11上に無機固体粒子121を設ける。その後、図7に示すように、この正極層11上に有機電解質122を含浸させ、加熱混合することで、有機電解質122と無機固体粒子121とを含有するゲル状の複合電解質123を構成することができる。次いで、正極層11と負極層13とを対向配置させ押圧することで、図8に示すような正極層11と負極層13との間に複合電解質層12が挟持されている電極体を得ることができる。 As a more specific example, the electrolyte layer 12 can be manufactured by, for example, the following manufacturing method. In this specific example, a method for manufacturing the electrolyte layer 12 on the positive electrode layer 11 will be described, but the method for manufacturing the electrolyte layer 12 according to the embodiment is not limited to this. First, inorganic solid particles 121 are dispersed in a solution containing a binder to prepare a binder dispersion of solid electrolyte particles. Here, the binder can be of any of the types described above. The inorganic solid particles 121 may be particles of the solid electrolyte material according to the first embodiment. Next, by applying this binder dispersion onto the positive electrode layer 11, inorganic solid particles 121 are provided on the positive electrode layer 11 as shown in FIG. After that, as shown in FIG. 7 , the positive electrode layer 11 is impregnated with an organic electrolyte 122 and heated and mixed to form a gel-like composite electrolyte 123 containing the organic electrolyte 122 and the inorganic solid particles 121 . can be done. Then, the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 are arranged opposite to each other and pressed to obtain an electrode body in which the composite electrolyte layer 12 is sandwiched between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 as shown in FIG. can be done.

ここで、電解質層12としてゲル状の複合電解質123を用いることで、負極層13を正極層11上の複合電解質123に押し付けた際に、正極層11及び負極層13の表面における凹凸、特にこれらの電極層の表面に存在し得る活物質の凹凸に対して、複合電解質123がその凹凸の隙間に入り込む、又は浸透する。そのため、正極層11と負極層13と電解質層12とが、それぞれの凹凸に沿って密着する。 Here, by using the gel-like composite electrolyte 123 as the electrolyte layer 12 , when the negative electrode layer 13 is pressed against the composite electrolyte 123 on the positive electrode layer 11 , unevenness on the surface of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 , particularly these The composite electrolyte 123 enters or permeates the unevenness of the active material that may exist on the surface of the electrode layer. Therefore, the positive electrode layer 11, the negative electrode layer 13, and the electrolyte layer 12 adhere to each other along the unevenness.

また、有機電解質として固体状ポリマーを用いる場合、固化する前の流動性を有する有機電解質を正極層11上に塗布してもよい。また、これを正極層11上に塗布する際に、有機電解質の流動性が充分に高い場合は、スプレー法等を用いてもよい。スプレー法を用いることで、正極層11上に均一に複合電解質123を設けることができ、複合電解質123を設ける量を調整することにより電解質層12の厚さも容易に調整することができる。 When a solid polymer is used as the organic electrolyte, the organic electrolyte having fluidity before solidification may be applied onto the positive electrode layer 11 . Moreover, when applying this on the positive electrode layer 11, if the fluidity of the organic electrolyte is sufficiently high, a spray method or the like may be used. By using the spray method, the composite electrolyte 123 can be uniformly provided on the positive electrode layer 11, and the thickness of the electrolyte layer 12 can be easily adjusted by adjusting the amount of the composite electrolyte 123 provided.

また、正極層11と負極層13との間に有機電解質122を注入することで電解質層12を製造する場合には、具体的には、例えば、無機固体粒子121を配置した正極層11と負極層13とを間に一定の距離(電解質層12の厚みとして設定される値)をおいて配置した後、有機電解質122を注入、浸透させるといった方法により製造してもよい。 Further, when the electrolyte layer 12 is manufactured by injecting the organic electrolyte 122 between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13, specifically, for example, the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 11 having the inorganic solid particles 121 disposed therein After arranging the layer 13 with a certain distance (a value set as the thickness of the electrolyte layer 12), the organic electrolyte 122 may be injected and permeated.

本態様では、正極層11及び負極層13の微細な凹部に、有機電解質122と無機固体粒子121がそれぞれ入り込んでいるため、電解質層12と、正極層11及び負極層13とが隙間なく密着している。電解質層12と、正極層11及び負極層13との界面が良好に形成されているため、電解質層12を介したイオン伝導性が良好となる。正極層11及び負極層13と電解質層12とが密着しているので、電解質層12の厚さを上述した小さい範囲にすることができる。 In this embodiment, since the organic electrolyte 122 and the inorganic solid particles 121 are embedded in the fine concave portions of the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13, respectively, the electrolyte layer 12 and the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 are closely attached without gaps. ing. Since the interfaces between the electrolyte layer 12 and the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 are well formed, ion conductivity via the electrolyte layer 12 is good. Since the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 are in close contact with the electrolyte layer 12, the thickness of the electrolyte layer 12 can be set within the small range described above.

2)正極層
正極層11は、図3に示す単層電極体10Aの例においては、集電体14の片面に担持されている。正極層11は、活物質(正極活物質)、導電剤および結着剤を含む。また、正極層11は、電解質を含むことができる。この電解質は、上述した固体電解質(第1の実施形態に係る固体電解質材料、並びにその他の固体電解質)であり得る。また、電解質として正極層11が非水電解質を含む態様も可能である。なお、ここでいう非水電解質とは、例えば液状の非水電解質、または非水電解質を基質としたゲル状電解質を含む。
2) Positive Electrode Layer The positive electrode layer 11 is carried on one side of the current collector 14 in the example of the single-layer electrode assembly 10A shown in FIG. The positive electrode layer 11 contains an active material (positive electrode active material), a conductive agent and a binder. Also, the positive electrode layer 11 may contain an electrolyte. This electrolyte can be the solid electrolyte described above (the solid electrolyte material according to the first embodiment and other solid electrolytes). Moreover, the aspect in which the positive electrode layer 11 contains a non-aqueous electrolyte as an electrolyte is also possible. The non-aqueous electrolyte referred to here includes, for example, a liquid non-aqueous electrolyte or a gel electrolyte using a non-aqueous electrolyte as a substrate.

その面に正極層11を担持する集電体14としては、Al(アルミニウム)を含有する箔を用いることが好ましい。このようなAl含有箔としては、純Al(純度100%)のアルミニウム箔、或いはAl純度が99%以上100%未満のAl合金箔を用いることが好ましい。Al合金としては、Alの他に、Fe、Mg、Zn、Mn及びSiからなる群より選択される1種類以上の元素を含む合金が好ましい。例えば、Al-Fe合金、Al-Mn系合金およびAl-Mg系合金は、Alよりさらに高い強度を得ることが可能である。一方、AlおよびAl合金中のCu、Ni、Crなどの遷移金属の含有量は100ppm以下(0ppmを含む)にすることが好ましい。例えば、Al-Cu系合金では、強度は高まるが、耐食性は悪化するので、集電体14としては不適である。 As the current collector 14 carrying the positive electrode layer 11 on its surface, it is preferable to use a foil containing Al (aluminum). As such an Al-containing foil, it is preferable to use a pure Al (100% purity) aluminum foil or an Al alloy foil with an Al purity of 99% or more and less than 100%. The Al alloy is preferably an alloy containing, in addition to Al, one or more elements selected from the group consisting of Fe, Mg, Zn, Mn and Si. For example, Al--Fe alloys, Al--Mn based alloys and Al--Mg based alloys are capable of obtaining higher strength than Al. On the other hand, the content of transition metals such as Cu, Ni, and Cr in Al and Al alloys is preferably 100 ppm or less (including 0 ppm). For example, Al--Cu based alloys are not suitable for the current collector 14 because they have increased strength but deteriorated corrosion resistance.

正極層11が担持される集電体14に用いる、より好ましいAl純度は99.0%以上99.99%以下の範囲である。この範囲であると不純物元素の溶解による高温サイクル寿命劣化を軽減することができる。 A more preferable Al purity used for the current collector 14 supporting the positive electrode layer 11 is in the range of 99.0% or more and 99.99% or less. Within this range, deterioration of high-temperature cycle life due to dissolution of impurity elements can be reduced.

正極活物質としては、例えば、酸化物又は硫化物を用いることができる。正極は、正極活物質として、1種類の化合物を単独で含んでいてもよく、或いは2種類以上の化合物を組み合わせて含んでいてもよい。酸化物及び硫化物の例には、Li又はLiイオンを挿入及び脱離させることができる化合物を挙げることができる。 As the positive electrode active material, for example, oxides or sulfides can be used. The positive electrode may contain one type of compound alone as a positive electrode active material, or may contain two or more types of compounds in combination. Examples of oxides and sulfides include Li or compounds capable of intercalating and deintercalating Li ions.

このような化合物としては、例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn24又はLixMnO2;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoy2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-y2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiy4;0<x≦1、0<y<2)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えばLixFePO4;0<x≦1、LixFe1-yMnyPO4;0<x≦1、0<y<1、LixCoPO4;0<x≦1)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV25)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnz2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。 Examples of such compounds include manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, and lithium manganese composite oxides (eg, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ; 0<x≦1). , lithium-nickel composite oxides (for example, Li x NiO 2 ; 0<x≦1), lithium-cobalt composite oxides (for example, Li x CoO 2 ; 0<x≦1), lithium-nickel-cobalt composite oxides (for example, Li x Ni 1-y Co y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium manganese cobalt composite oxide (for example, Li x Mny Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y< 1) Lithium-manganese-nickel composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4 ; 0<x≦1, 0<y<2), lithium phosphorous oxides having an olivine structure (e.g., Li xFePO4 ; 0<x≤1, LixFe1 - yMnyPO4 ; 0<x≤1, 0 <y < 1, LixCoPO4 ; 0<x≤1), iron sulfate ( Fe2 ( SO4 ) 3 ), vanadium oxide ( e.g. , V2O5 ), and lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide ( LixNi1 - yzCoyMnzO2 ; 0< x≤1 , 0<y <1, 0<z<1, y+z<1).

上記のうち、正極活物質としてより好ましい化合物の例には、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn24;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoy2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiy4;0<x≦1、0<y<2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-y2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムリン酸鉄(例えばLixFePO4;0<x≦1)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnz2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。これらの化合物を正極活物質に用いると、正極電位を高めることができる。 Among the above, examples of more preferable compounds as positive electrode active materials include lithium-manganese composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2 O 4 ; 0<x≦1), lithium-nickel composite oxides (e.g., Li x NiO2 ; 0<x≤1), lithium cobalt composite oxide (e.g. LixCoO2 ; 0 <x≤1), lithium nickel cobalt composite oxide (e.g. LixNi1 - yCoyO2 ; 0< x≤1, 0<y<1), lithium-manganese-nickel composite oxide having a spinel structure ( e.g. , LixMn2 - yNiyO4 ; 0<x≤1, 0<y<2), lithium-manganese-cobalt Composite oxide (e.g. Li x Mn y Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium iron phosphate (e.g. Li x FePO 4 ; 0<x≦1), and lithium Nickel-cobalt-manganese composite oxides (Li x Ni 1-yz Co y Mn z O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1, 0<z<1, y+z<1) are included. When these compounds are used as the positive electrode active material, the positive electrode potential can be increased.

導電剤は、正極層11における電子伝導性を高め、集電体14との接触抵抗を抑えるために加えられる。導電剤としては、例えば、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラック、カーボンブラック、または黒鉛等を挙げることができる。 A conductive agent is added to increase the electron conductivity in the positive electrode layer 11 and to suppress the contact resistance with the current collector 14 . Examples of conductive agents include vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, carbon black, and graphite.

活物質と導電剤を結着させるための結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはフッ素系ゴムなどが挙げられる。 Examples of binders for binding the active material and the conductive agent include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluororubber.

正極活物質、導電剤及び結着剤の配合比については、正極活物質は80質量%以上95質量%以下、導電剤は3質量%以上18質量%以下、結着剤は2質量%以上7質量%以下の範囲にすることが好ましい。導電剤については、3質量%以上であることにより上述した効果を発揮することができ、18質量%以下であることにより、高温保存下での導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤については、2質量%以上であることにより十分な電極強度が得られ、7質量%以下であることにより、電極の絶縁部を減少させることができる。 Regarding the compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder, the positive electrode active material is 80% by mass or more and 95% by mass or less, the conductive agent is 3% by mass or more and 18% by mass or less, and the binder is 2% by mass or more. It is preferable to make it into the range below mass %. With respect to the conductive agent, when it is 3% by mass or more, the above effects can be exhibited, and when it is 18% by mass or less, decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surface of the conductive agent during high-temperature storage is reduced. be able to. When the content of the binder is 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when the content is 7% by mass or less, the insulating portion of the electrode can be reduced.

正極層11は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤、並びに任意に固体電解質を適切な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体14に塗布した後、集電体14上に塗布した塗膜を乾燥し、プレスを施すことにより集電体14上に担持することができる。正極プレス圧力は、0.15 ton/mm以上0.3 ton/mm以下の範囲が好ましい。この範囲であると正極層とAl箔正極集電体との密着性(剥離強度)が高まり、かつ正極集電体箔の伸び率が20%以下となり好ましい。 The positive electrode layer 11 is formed, for example, by suspending a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and optionally a solid electrolyte in an appropriate solvent, applying the suspension to the current collector 14, and then applying the suspension on the current collector 14. It can be carried on the current collector 14 by drying the coating film applied to and pressing it. The positive electrode press pressure is preferably in the range of 0.15 ton/mm or more and 0.3 ton/mm or less. Within this range, the adhesiveness (peel strength) between the positive electrode layer and the Al foil positive current collector is enhanced, and the elongation of the positive electrode current collector foil is preferably 20% or less.

3)負極層
負極層13は、図3に示す単層電極体10Aの例においては、集電体14の片面に担持されている。負極層13は活物質(負極活物質)、導電剤および結着剤を含む。また、負極層13は、電解質を含むことができる。この電解質は、上述した固体電解質(第1の実施形態に係る固体電解質材料、並びにその他の固体電解質)であり得る。また、電解質として負極層13が非水電解質を含む態様も可能である。なお、ここでいう非水電解質とは、例えば液状の非水電解質、または非水電解質を基質としたゲル状電解質を含む。
3) Negative Electrode Layer The negative electrode layer 13 is supported on one side of the current collector 14 in the example of the single-layer electrode body 10A shown in FIG. The negative electrode layer 13 contains an active material (negative electrode active material), a conductive agent and a binder. Also, the negative electrode layer 13 may contain an electrolyte. This electrolyte can be the solid electrolyte described above (the solid electrolyte material according to the first embodiment and other solid electrolytes). Moreover, it is also possible to adopt a mode in which the negative electrode layer 13 contains a non-aqueous electrolyte as an electrolyte. The non-aqueous electrolyte referred to here includes, for example, a liquid non-aqueous electrolyte or a gel electrolyte using a non-aqueous electrolyte as a substrate.

その面に負極層13を担持する集電体14としては、Al(アルミニウム)を含有する箔を用いることが好ましい。このようなAl含有箔としては、Al箔またはAl合金箔が望ましい。特に、純Al(純度100%)のアルミニウム箔、或いはAl純度が98%以上100%未満のAl合金箔を用いることが好ましい。Al箔の純度が99.99%以上であることがより好ましい。Al箔およびAl合金箔の厚さは、例えば20μm以下、より好ましくは15μm以下である。Al合金としては、Alの他に、Fe、Mg、Zn、Mn及びSiからなる群より選択される1種類以上の元素を含む合金が好ましい。例えば、Al-Fe合金、Al-Mn系合金およびAl-Mg系合金は、Alよりさらに高い強度を得ることが可能である。一方、AlおよびAl合金中のCu、Ni、Crなどの遷移金属の含有量は100ppm以下(0ppmを含む)にすることが好ましい。例えば、Al-Cu系合金では、強度は高まるが、耐食性は悪化するので、集電体14としては不適である。 As the current collector 14 carrying the negative electrode layer 13 on its surface, it is preferable to use a foil containing Al (aluminum). As such an Al-containing foil, an Al foil or an Al alloy foil is desirable. In particular, it is preferable to use a pure Al (100% purity) aluminum foil or an Al alloy foil with an Al purity of 98% or more and less than 100%. More preferably, the purity of the Al foil is 99.99% or higher. The thickness of the Al foil and Al alloy foil is, for example, 20 μm or less, more preferably 15 μm or less. The Al alloy is preferably an alloy containing, in addition to Al, one or more elements selected from the group consisting of Fe, Mg, Zn, Mn and Si. For example, Al--Fe alloys, Al--Mn based alloys and Al--Mg based alloys are capable of obtaining higher strength than Al. On the other hand, the content of transition metals such as Cu, Ni, and Cr in Al and Al alloys is preferably 100 ppm or less (including 0 ppm). For example, Al--Cu based alloys are not suitable for the current collector 14 because they have increased strength but deteriorated corrosion resistance.

負極層13が担持される集電体14に用いるより好ましいAl純度は98%以上99.95%以下の範囲である。後述するように、実施形態における負極活物質粒子として二次粒子径が2μm以上であるTi含有酸化物粒子を用いることで、負極プレス圧を低減してAl箔の伸びを少なくできる。そのため、この純度範囲が適切となる。その結果、Al箔集電体の電子伝導性を高くできるという利点があり、さらに、後述するチタン含有酸化物の二次粒子の解砕を抑制して低抵抗な負極層を得ることができる。 The more preferable Al purity used for the current collector 14 on which the negative electrode layer 13 is supported is in the range of 98% or more and 99.95% or less. As will be described later, by using Ti-containing oxide particles having a secondary particle size of 2 μm or more as the negative electrode active material particles in the embodiment, the negative electrode pressing pressure can be reduced and the elongation of the Al foil can be reduced. Therefore, this purity range is suitable. As a result, there is an advantage that the electron conductivity of the Al foil current collector can be increased, and furthermore, crushing of the secondary particles of the titanium-containing oxide described later can be suppressed to obtain a low-resistance negative electrode layer.

Liが挿入・脱離される負極活物質としては、例えば炭素材料、黒鉛材料、Li合金材料、金属酸化物、又は金属硫化物が挙げられる。これらのうち、Ti元素を含有するものが好ましい。中でもLiイオンが挿入および脱離される電位がリチウムの酸化還元電位を基準として1V以上3V以下(vs.Li/Li)の範囲にあるチタン含有酸化物を選択することが特に好ましい。 Examples of negative electrode active materials into which Li is intercalated and deintercalated include carbon materials, graphite materials, Li alloy materials, metal oxides, and metal sulfides. Among these, those containing Ti element are preferable. Among them, it is particularly preferable to select a titanium-containing oxide whose potential at which Li ions are intercalated and deintercalated is in the range of 1 V or more and 3 V or less (vs. Li/Li + ) with respect to the oxidation-reduction potential of lithium.

チタン含有酸化物の例には、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2+yTi37、0≦y≦3)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えば、Li4+xTi512、0≦x≦3)、単斜晶型二酸化チタン(TiO2)、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、ホランダイト型チタン複合酸化物、直方晶型(orthorhombic)チタン複合酸化物、及び単斜晶型ニオブチタン複合酸化物が挙げられる。 Examples of titanium-containing oxides include lithium titanates with a ramsdellite structure (e.g. Li 2+y Ti 3 O 7 , where 0≦y≦3), lithium titanates with a spinel structure (e.g. Li 4+x Ti 5 O 12 , 0≦x≦3), monoclinic titanium dioxide (TiO 2 ), anatase titanium dioxide, rutile titanium dioxide, hollandite titanium composite oxide, orthorhombic titanium composite oxide, and monoclinic niobium-titanium composite oxides.

上記直方晶型チタン含有複合酸化物の例として、Li2+aM(I)2-bTi6-cM(II)d14+σで表される化合物が挙げられる。ここで、M(I)は、Sr,Ba,Ca,Mg,Na,Cs,Rb及びKからなる群より選択される少なくとも1つである。M(II)はZr,Sn,V,Nb,Ta,Mo,W,Y,Fe,Co,Cr,Mn,Ni,及びAlからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦a≦6、0≦b<2、0≦c<6、0≦d<6、-0.5≦σ≦0.5である。直方晶型チタン含有複合酸化物の具体例として、Li2+aNa2Ti614(0≦a≦6)が挙げられる。 Examples of the orthogonal titanium-containing composite oxide include a compound represented by Li 2+a M(I) 2-b Ti 6-c M(II) d O 14+σ . Here, M(I) is at least one selected from the group consisting of Sr, Ba, Ca, Mg, Na, Cs, Rb and K. M(II) is at least one selected from the group consisting of Zr, Sn, V, Nb, Ta, Mo, W, Y, Fe, Co, Cr, Mn, Ni, and Al. Each subscript in the composition formula is 0≦a≦6, 0≦b<2, 0≦c<6, 0≦d<6, −0.5≦σ≦0.5. A specific example of the orthogonal titanium-containing composite oxide is Li 2+a Na 2 Ti 6 O 14 (0≦a≦6).

上記単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の例として、LixTi1-yM1yNb2-zM2z7+δで表される化合物が挙げられる。ここで、M1は、Zr,Si,及びSnからなる群より選択される少なくとも1つである。M2は、V,Ta,及びBiからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の具体例として、LixNb2TiO7(0≦x≦5)が挙げられる。 Examples of the monoclinic niobium-titanium composite oxide include compounds represented by Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7+δ . Here, M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si, and Sn. M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta, and Bi. Each subscript in the composition formula is 0≦x≦5, 0≦y<1, 0≦z<2, −0.3≦δ≦0.3. A specific example of the monoclinic niobium-titanium composite oxide is Li x Nb 2 TiO 7 (0≦x≦5).

単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の他の例として、LixTi1-yM3y+zNb2-z7-δで表される化合物が挙げられる。ここで、M3は、Mg,Fe,Ni,Co,W,Ta,及びMoより選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x<5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。 Another example of the monoclinic niobium-titanium composite oxide is a compound represented by Li x Ti 1-y M3 y+z Nb 2-z O 7-δ . Here, M3 is at least one selected from Mg, Fe, Ni, Co, W, Ta, and Mo. Each subscript in the composition formula is 0≦x<5, 0≦y<1, 0≦z<2, −0.3≦δ≦0.3.

これらの1種を単独で用いても、あるいは2種以上を混合して用いても良い。より好ましくは、体積変化の極めて少ない一般式Li4+xTi512(xは0≦x≦3、より好ましくは-1≦x≦3)で表せるスピネル構造リチウムチタン酸化物である。これらチタン含有酸化物を用いることで、負極層を担持する集電体として、従来の銅箔に代わって正極集電体と同様にAl箔を用いるこができる。その結果、電池の軽量化と低コスト化を実現できる。また、後述するバイポーラ電極構造を構成した電池の重量及び大きさあたりの容量において有利となる。 One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. More preferably, spinel-structured lithium-titanium oxide represented by the general formula Li 4+x Ti 5 O 12 (where x is 0≦x≦3, more preferably −1≦x≦3) has an extremely small volume change. By using these titanium-containing oxides, Al foil can be used as the current collector for supporting the negative electrode layer in place of the conventional copper foil in the same manner as the positive electrode current collector. As a result, the weight and cost of the battery can be reduced. In addition, it is advantageous in terms of capacity per unit weight and size of a battery having a bipolar electrode structure, which will be described later.

負極活物質の粒子は、一次粒子についての平均粒径が1μm以下で、かつN吸着によるBET法によって測定された比表面積が3m/g以上200m/g以下範囲にあることが望ましい。これにより、電池において非水電解質を用いた場合に、負極層13と非水電解質との親和性を高くすることができる。また、平均一次粒子径を1μm以下とすることで、活物質内部でのLiイオンの拡散距離を短くすることができる。また、比表面積を大きくできる。なお、BET法による比表面積の測定方法については後述する。なお、より好ましい平均粒子径は、0.1μm以上0.8μm以下である。 The particles of the negative electrode active material preferably have an average primary particle size of 1 μm or less and a specific surface area of 3 m 2 /g or more and 200 m 2 /g or less as measured by the BET method using N 2 adsorption. Thereby, when a non-aqueous electrolyte is used in the battery, the affinity between the negative electrode layer 13 and the non-aqueous electrolyte can be increased. Further, by setting the average primary particle size to 1 μm or less, the diffusion distance of Li ions inside the active material can be shortened. Also, the specific surface area can be increased. A method for measuring the specific surface area by the BET method will be described later. In addition, a more preferable average particle diameter is 0.1 μm or more and 0.8 μm or less.

負極活物質の平均粒径を上記範囲にするのは、平均粒径が1μmを超える一次粒子を使用して負極層13の比表面積を3m/g以上50m/g以下と大きくすると、負極層13の多孔度の低下を避けられないからである。但し、平均粒径が小さいと、粒子の凝集が起こりやすくなり、例えば非水電解質を用いた場合には、非水電解質の分布が負極層13に偏って正極層11での電解質の枯渇を招く恐れがあることから、下限値は0.001μmにすることが望ましい。 The reason why the average particle size of the negative electrode active material is within the above range is that if the specific surface area of the negative electrode layer 13 is increased to 3 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less by using primary particles having an average particle size of more than 1 μm, the negative electrode This is because a decrease in the porosity of the layer 13 cannot be avoided. However, if the average particle diameter is small, aggregation of particles is likely to occur. Therefore, it is desirable to set the lower limit to 0.001 μm.

負極活物質粒子は、上述した一次粒子の他に二次粒子を含んでいてもよい。負極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は、2μmより大きいことが好ましい。負極活物質の二次粒子径が5μmより大きいことがより好ましい。最も好ましい二次粒子径は、7μm以上20μm以下である。この範囲であると負極プレスの圧力を低く保ったまま高密度の負極を作製でき、集電体としてのAl含有箔の伸びを抑制することができる。 The negative electrode active material particles may contain secondary particles in addition to the primary particles described above. The average particle size (diameter) of the secondary particles of the negative electrode active material is preferably larger than 2 μm. More preferably, the secondary particle size of the negative electrode active material is larger than 5 μm. The most preferable secondary particle size is 7 μm or more and 20 μm or less. Within this range, a high-density negative electrode can be produced while the negative electrode pressing pressure is kept low, and elongation of the Al-containing foil as a current collector can be suppressed.

二次粒子の平均粒子径が2μmより大きい負極活物質は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、活物質原料を反応合成して平均粒子径1μm以下の活物質プリカーサー(前駆体)を作製した後、焼成処理を行う。焼成物に対し、ボールミルやジェットミルなどの粉砕機を用いて粉砕処理を施した後、さらに焼成処理を施すことで、活物質プリカーサー(前駆体)を凝集させて粒子径の大きい二次粒子に成長させる。 A negative electrode active material whose secondary particles have an average particle size of more than 2 μm can be obtained, for example, as follows. First, active material raw materials are reacted and synthesized to prepare an active material precursor having an average particle size of 1 μm or less, followed by firing treatment. The fired material is pulverized using a pulverizer such as a ball mill or jet mill, and then fired to aggregate the active material precursors into secondary particles with a large particle size. grow.

また、二次粒子表面に炭素材料を被覆することも負極層における電気抵抗の低減のため好ましい。炭素材料で被覆した負極活物質の二次粒子は、例えば二次粒子製造過程で炭素材料の前駆体を添加し、不活性雰囲気下で500℃以上の温度条件で焼成することで作製することができる。 It is also preferable to coat the surfaces of the secondary particles with a carbon material in order to reduce the electrical resistance of the negative electrode layer. The secondary particles of the negative electrode active material coated with the carbon material can be produced, for example, by adding a precursor of the carbon material in the process of producing the secondary particles and firing at a temperature of 500° C. or higher in an inert atmosphere. can.

また、負極層13には、負極活物質としてのチタン含有酸化物の二次粒子と一次粒子とが混在していても良い。より高密度化する観点から、負極層において一次粒子が5体積%以上50体積%以下存在することが好ましい。 Further, secondary particles and primary particles of a titanium-containing oxide as a negative electrode active material may be mixed in the negative electrode layer 13 . From the viewpoint of achieving higher density, it is preferable that primary particles are present in the negative electrode layer in an amount of 5% by volume or more and 50% by volume or less.

次に、負極層13の比表面積を上記範囲に規定する理由を説明する。比表面積が3m/g未満であるものは粒子の凝集が目立つため、例えば非水電解質を用いたときに負極層13と非水電解質との親和性が低くなり、負極層13の界面抵抗が増加する結果、出力性能と充放電サイクル性能が低下する。一方、比表面積が50m/gを超えるものは、非水電解質の分布が負極層13に偏り、正極層11での非水電解質不足を招くため、出力性能の改善を図れない。比表面積のより好ましい範囲は、5m/g以上50m/g以下である。ここで、負極層13の比表面積とは、負極層1g当りの表面積を意味する。 Next, the reason for defining the specific surface area of the negative electrode layer 13 within the above range will be described. When the specific surface area is less than 3 m 2 /g, aggregation of particles is conspicuous, so that, for example, when a non-aqueous electrolyte is used, the affinity between the negative electrode layer 13 and the non-aqueous electrolyte becomes low, and the interfacial resistance of the negative electrode layer 13 increases. As a result of the increase, output performance and charge/discharge cycle performance are degraded. On the other hand, when the specific surface area exceeds 50 m 2 /g, the distribution of the non-aqueous electrolyte is biased toward the negative electrode layer 13, causing a shortage of the non-aqueous electrolyte in the positive electrode layer 11, so that the output performance cannot be improved. A more preferable range of the specific surface area is 5 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less. Here, the specific surface area of the negative electrode layer 13 means the surface area per 1 g of the negative electrode layer.

負極層13は、例えば集電体上に担持された負極活物質、導電剤及び結着剤を含む多孔質の層であり得る。負極層13が多孔質である場合は、その多孔度(集電体を除く)は、20%以上50%以下の範囲にすることが望ましい。これにより、例えば電池に非水電解質を用いた場合に、負極層13と非水電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極層13を得ることができる。多孔度のさらに好ましい範囲は、25%以上40%以下である。 The negative electrode layer 13 can be, for example, a porous layer containing a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder supported on a current collector. When the negative electrode layer 13 is porous, its porosity (excluding the current collector) is desirably in the range of 20% or more and 50% or less. As a result, for example, when a non-aqueous electrolyte is used in a battery, the negative electrode layer 13 can be obtained with excellent affinity between the negative electrode layer 13 and the non-aqueous electrolyte and with a high density. A more preferable range of porosity is 25% or more and 40% or less.

導電剤としては、例えば、炭素材料を用いることができる。炭素材料としては、例えば、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛、Al粉末、またはTiO等を挙げることができる。より好ましくは、熱処理温度が800℃以上2000℃以下である、平均粒子径10μm以下のコークス、黒鉛、TiOの粉末、または平均繊維径1μm以下の炭素繊維が好ましい。これらの炭素材料について、N吸着によるBET法によって測定された比表面積は10m/g以上であることが好ましい。 For example, a carbon material can be used as the conductive agent. Examples of carbon materials include vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, carbon black, coke, carbon fiber, graphite, Al powder, TiO, and the like. More preferably, the heat treatment temperature is 800° C. or higher and 2000° C. or lower, and coke, graphite, or TiO powder having an average particle diameter of 10 μm or less, or carbon fiber having an average fiber diameter of 1 μm or less is preferable. These carbon materials preferably have a specific surface area of 10 m 2 /g or more as measured by the BET method using N 2 adsorption.

結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴム、またはコアシェルバインダーなどが挙げられる。 Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, styrene-butadiene rubber, core-shell binders, and the like.

負極層13の活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、負極活物質80質量%以上95質量%以下、導電剤3質量%以上18質量%以下、結着剤2質量%以上7質量%以下の範囲にすることが好ましい。 The compounding ratio of the active material, the conductive agent, and the binder in the negative electrode layer 13 is 80% to 95% by mass of the negative electrode active material, 3% to 18% by mass of the conductive agent, and 2% to 7% by mass of the binder. % or less is preferable.

結着剤の添加量が多い方が粒子の分散性が高くなる傾向があるものの、粒子の表面が結着剤で覆われやすく、負極層13の比表面積としては小さくなる。一方で、結着剤の添加量が少ないと粒子が凝集しやすくなるため、攪拌条件(ボールミルの回転数、攪拌時間及び攪拌温度)を調整して粒子の凝集を抑えることが望ましい。こうすることによって、微粒子を均一分散させることができ、実施形態における負極層13が得られる。さらに、結着剤添加量と攪拌条件が適正範囲内でも、導電剤の添加量が多いと、負極活物質の表面が導電剤で被覆されやすく、また負極表面のポアも減少する傾向があることから、負極層13の比表面積としては小さくなる傾向がある。 Although the dispersibility of the particles tends to increase as the amount of the binder added increases, the surface of the particles tends to be covered with the binder, and the specific surface area of the negative electrode layer 13 becomes smaller. On the other hand, if the amount of the binder added is small, the particles tend to aggregate, so it is desirable to control the aggregation of the particles by adjusting the stirring conditions (rotation speed of the ball mill, stirring time and stirring temperature). By doing so, the fine particles can be uniformly dispersed, and the negative electrode layer 13 in the embodiment can be obtained. Furthermore, even if the amount of the binder added and the stirring conditions are within appropriate ranges, if the amount of the conductive agent added is large, the surface of the negative electrode active material tends to be coated with the conductive agent, and the pores on the surface of the negative electrode tend to decrease. Therefore, the specific surface area of the negative electrode layer 13 tends to be small.

一方で、導電剤の添加量が少ないと、負極活物質が粉砕されやすくなって負極層13の比表面積が大きくなったり、あるいは負極活物質粒子の分散性が低下して負極層13の比表面積が小さくなったりする傾向がある。さらには、導電剤の添加量だけでなく、導電剤の平均粒径と比表面積も負極層13の比表面積に影響を与え得る。導電剤は、平均粒径が負極活物質の平均粒子径以下で、比表面積が負極活物質の比表面積よりも大きいことが望ましい。 On the other hand, when the amount of the conductive agent added is small, the negative electrode active material is easily pulverized and the specific surface area of the negative electrode layer 13 is increased, or the dispersibility of the negative electrode active material particles is reduced and the specific surface area of the negative electrode layer 13 is decreased. tends to become smaller. Furthermore, not only the added amount of the conductive agent but also the average particle size and specific surface area of the conductive agent can affect the specific surface area of the negative electrode layer 13 . It is desirable that the conductive agent has an average particle size equal to or smaller than the average particle size of the negative electrode active material and a specific surface area larger than that of the negative electrode active material.

負極層13は、例えば、前述した負極活物質、導電剤、及び結着剤、並び任意に固体電解質を適切な溶媒に懸濁させ、この懸濁物を集電体14に塗布した後、集電体14上に塗布した塗膜を乾燥し、加温プレスを施すことにより集電体14上に担持することができる。この際、結着剤の添加量が少ない状態で負極活物質の粒子を均一分散させることが望ましい。 The negative electrode layer 13 is formed, for example, by suspending the above-described negative electrode active material, conductive agent, binder, and optionally a solid electrolyte in an appropriate solvent, applying the suspension to the current collector 14, and then applying the suspension to the current collector 14. The coating film applied on the current collector 14 can be dried and carried on the current collector 14 by applying a hot press. At this time, it is desirable to uniformly disperse the particles of the negative electrode active material while adding a small amount of the binder.

4)外装部材
上述した電極体10A-10Cは、外装部材101としての容器に収容して用いることができる。電極体10A-10Cが収容される容器には、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器を使用することができる。
4) Exterior Member The electrode bodies 10A to 10C described above can be accommodated in a container as the exterior member 101 and used. A metal container or a laminate film container can be used as a container for housing the electrode bodies 10A to 10C.

金属製容器としては、Al、Al合金、鉄、またはステンレスなどからなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが使用できる。また、容器の板厚は、0.5mm以下にすることが望ましく、さらに好ましい範囲は0.3mm以下である。 As the metal container, a metal can made of Al, Al alloy, iron, stainless steel, or the like and having a rectangular or cylindrical shape can be used. The plate thickness of the container is preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.3 mm or less.

ラミネートフィルムとしては、例えば、Al箔を樹脂フィルムで被覆した多層フィルムなどを挙げることができる。樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子を用いることができる。また、ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下にすることが好ましい。Al箔の純度は99.5%以上が好ましい。 Examples of laminate films include multilayer films in which Al foil is coated with a resin film. Polymers such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET) can be used as the resin. Also, the thickness of the laminate film is preferably 0.2 mm or less. The purity of the Al foil is preferably 99.5% or higher.

Al合金からなる金属缶は、Mn、Mg、Zn、及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むAl純度99.8%以下の合金から構成されるものが好ましい。Al合金を用いることで、金属缶の強度が飛躍的に増大することにより缶の肉厚を薄くすることができる。その結果、薄型で軽量かつ高出力で放熱性に優れた電池を実現することができる。 The metal can made of Al alloy is preferably made of an alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mn, Mg, Zn and Si and having an Al purity of 99.8% or less. By using an Al alloy, the strength of the metal can is dramatically increased, and the thickness of the can can be reduced. As a result, it is possible to realize a battery that is thin, lightweight, high in output, and excellent in heat dissipation.

上記の電池は、電気的に直列又は並列に接続し、他種の電池と組み合わせ、及び/又はケーシング等と組み合わせて、電池パックとしてもよい。電池パックは従来知られた構成を適宜選択できる。また、電池パックの構成の具体的な例の詳細を後述する。 The above batteries may be electrically connected in series or parallel, combined with other types of batteries, and/or combined with a casing or the like to form a battery pack. A conventionally known configuration can be appropriately selected for the battery pack. Further, details of a specific example of the configuration of the battery pack will be described later.

<比表面積の測定方法>
比表面積の測定は、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET法である。このBET法は、単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論であるBET理論に基づく方法である。これにより求められた比表面積のことを、BET比表面積と称する。
<Method for measuring specific surface area>
The specific surface area is measured by adsorbing molecules having a known adsorption area on the surface of the powder particles at the temperature of liquid nitrogen and determining the specific surface area of the sample from the amount. The most commonly used is the BET method by low temperature and low humidity physical adsorption of an inert gas. This BET method is a method based on the BET theory, which is the most famous theory as a method for calculating the specific surface area, by extending the Langmuir theory, which is a monomolecular layer adsorption theory, to multi-molecular layer adsorption. The specific surface area thus determined is called the BET specific surface area.

以上説明した第3の実施形態に係る電池によれば、正極層と負極層とLi伝導層とを含む電池が提供される。正極層、負極層、及びLi伝導層のそれぞれには、リチウムイオンを挿入・脱離することができる。正極層と負極層とLi伝導層との何れかのうち、少なくとも1つにおいて第1の実施形態に係る固体電解質材料が含まれている。この電池は、高い入出力性能および優れた貯蔵性能を有する。加えて、当該電池は、安価に提供することができる。 According to the battery according to the third embodiment described above, a battery including a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a Li conductive layer is provided. Lithium ions can be intercalated into and deintercalated from each of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer. At least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer contains the solid electrolyte material according to the first embodiment. This battery has high input/output performance and excellent storage performance. In addition, the battery can be provided inexpensively.

[第4の実施形態]
第4の実施形態によると、組電池が提供される。第4の実施形態に係る組電池は、第3の実施形態に係る電池を複数個具備している。
[Fourth embodiment]
According to a fourth embodiment, an assembled battery is provided. An assembled battery according to the fourth embodiment includes a plurality of batteries according to the third embodiment.

第4の実施形態に係る組電池において、各単電池は、電気的に直列若しくは並列に接続して配置してもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて配置してもよい。 In the assembled battery according to the fourth embodiment, each unit cell may be electrically connected in series or parallel and arranged, or may be arranged by combining series connection and parallel connection.

次に、第4の実施形態に係る組電池の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of the assembled battery according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings.

図9は、第4の実施形態に係る組電池の一例を概略的に示す斜視図である。図9に示す組電池200は、5つの単電池100a~100eと、4つのバスバー21と、正極側リード22と、負極側リード23とを具備している。5つの単電池100a~100eのそれぞれは、第3の実施形態に係る電池である。 FIG. 9 is a perspective view schematically showing an example of an assembled battery according to the fourth embodiment. The assembled battery 200 shown in FIG. 9 includes five single cells 100a to 100e, four bus bars 21, a positive electrode lead 22, and a negative electrode lead . Each of the five cells 100a-100e is a battery according to the third embodiment.

バスバー21は、例えば、1つの単電池100aの負極端子8と、隣に位置する単電池100bの正極端子9とを接続している。このようにして、5つの単電池100は、4つのバスバー21により直列に接続されている。すなわち、図9の組電池200は、5直列の組電池である。例を図示しないが、電気的に並列に接続されている複数の単電池を含む組電池では、例えば、複数の負極端子同士がバスバーにより接続されるとともに複数の正極端子同士がバスバーにより接続されることで、複数の単電池が電気的に接続され得る。 The bus bar 21 connects, for example, the negative terminal 8 of one unit cell 100a and the positive terminal 9 of the adjacent unit cell 100b. In this manner, five cells 100 are connected in series by four busbars 21 . That is, the assembled battery 200 in FIG. 9 is a five-series assembled battery. Although an example is not shown, in an assembled battery including a plurality of cells electrically connected in parallel, for example, a plurality of negative terminals are connected to each other by a bus bar and a plurality of positive terminals are connected to each other by a bus bar. Thus, a plurality of cells can be electrically connected.

5つの単電池100a~100eのうち少なくとも1つの電池の正極端子9は、外部接続用の正極側リード22に電気的に接続されている。また、5つの単電池100a~100eうち少なくとも1つの電池の負極端子8は、外部接続用の負極側リード23に電気的に接続されている。 The positive terminal 9 of at least one of the five cells 100a to 100e is electrically connected to a positive lead 22 for external connection. The negative terminal 8 of at least one of the five cells 100a to 100e is electrically connected to the negative lead 23 for external connection.

第4の実施形態に係る組電池は、第3の実施形態に係る電池を具備する。したがって、高い入出力性能および優れた貯蔵性能を示すことができる。 An assembled battery according to the fourth embodiment includes the battery according to the third embodiment. Therefore, it can exhibit high input/output performance and excellent storage performance.

[第5の実施形態]
第5の実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池を具備している。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池の代わりに、単一の第3の実施形態に係る電池を具備していてもよい。
[Fifth Embodiment]
According to a fifth embodiment, a battery pack is provided. This battery pack includes an assembled battery according to the fourth embodiment. This battery pack may comprise a single battery according to the third embodiment instead of the assembled battery according to the fourth embodiment.

第5の実施形態に係る電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、電池の充放電を制御する機能を有する。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用してもよい。 The battery pack according to the fifth embodiment can further include a protection circuit. The protection circuit has a function of controlling charging and discharging of the battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses a battery pack as a power source (for example, an electronic device, an automobile, etc.) may be used as a protection circuit for the battery pack.

また、第5の実施形態に係る電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、外部に電池からの電流を出力するため、及び/又は電池に外部からの電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 Also, the battery pack according to the fifth embodiment can further include an external terminal for power supply. The energizing external terminal is for outputting current from the battery to the outside and/or for inputting current from the outside to the battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminals for power supply. Also, when charging the battery pack, a charging current (including regenerative energy from the power of an automobile or the like) is supplied to the battery pack through an external terminal for power supply.

次に、第5の実施形態に係る電池パックの一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a battery pack according to a fifth embodiment will be described with reference to the drawings.

図10は、第5の実施形態に係る電池パックの一例を概略的に示す分解斜視図である。図11は、図10に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。 FIG. 10 is an exploded perspective view schematically showing an example of a battery pack according to the fifth embodiment. 11 is a block diagram showing an example of an electric circuit of the battery pack shown in FIG. 10. FIG.

図10及び図11に示す電池パック300は、収容容器31と、蓋32と、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35と、図示しない絶縁板とを備えている。 A battery pack 300 shown in FIGS. 10 and 11 includes a container 31, a lid 32, a protective sheet 33, an assembled battery 200, a printed wiring board 34, wiring 35, and an insulating plate (not shown). .

図10に示す収容容器31は、長方形の底面を有する有底角型容器である。収容容器31は、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35とを収容可能に構成されている。蓋32は、矩形型の形状を有する。蓋32は、収容容器31を覆うことにより、上記組電池200等を収容する。収容容器31及び蓋32には、図示していないが、外部機器等へと接続するための開口部又は接続端子等が設けられている。 A storage container 31 shown in FIG. 10 is a bottomed rectangular container having a rectangular bottom surface. The storage container 31 is configured to be able to store the protective sheet 33 , the assembled battery 200 , the printed wiring board 34 , and the wiring 35 . Lid 32 has a rectangular shape. The lid 32 accommodates the assembled battery 200 and the like by covering the container 31 . Although not shown, the storage container 31 and the lid 32 are provided with openings, connection terminals, or the like for connection to external devices or the like.

組電池200は、複数の単電池100と、正極側リード22と、負極側リード23と、粘着テープ24とを備えている。 The assembled battery 200 includes a plurality of single cells 100 , a positive lead 22 , a negative lead 23 , and an adhesive tape 24 .

複数の単電池100の少なくとも1つは、第3の実施形態に係る電池である。複数の単電池100の各々は、図11に示すように電気的に直列に接続されている。複数の単電池100は、電気的に並列に接続されていてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されていてもよい。複数の単電池100を並列接続すると、直列接続した場合と比較して、電池容量が増大する。 At least one of the plurality of cells 100 is the battery according to the third embodiment. Each of the plurality of cells 100 is electrically connected in series as shown in FIG. The plurality of single cells 100 may be electrically connected in parallel, or may be connected in a combination of series connection and parallel connection. When a plurality of unit cells 100 are connected in parallel, the battery capacity increases compared to when they are connected in series.

粘着テープ24は、複数の単電池100を締結している。粘着テープ24の代わりに、熱収縮テープを用いて複数の単電池100を固定してもよい。この場合、組電池200の両側面に保護シート33を配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて複数の単電池100を結束させる。 The adhesive tape 24 fastens the plurality of unit cells 100 . Instead of the adhesive tape 24, heat-shrinkable tape may be used to fix the plurality of unit cells 100. FIG. In this case, after the protective sheets 33 are arranged on both sides of the assembled battery 200 and the heat-shrinkable tape is wrapped around, the heat-shrinkable tape is heat-shrunk to bind the plurality of unit cells 100 together.

正極側リード22の一端は、組電池200に接続されている。正極側リード22の一端は、1以上の単電池100の正極と電気的に接続されている。負極側リード23の一端は、組電池200に接続されている。負極側リード23の一端は、1以上の単電池100の負極と電気的に接続されている。 One end of the positive lead 22 is connected to the assembled battery 200 . One end of the positive electrode lead 22 is electrically connected to the positive electrode of one or more cells 100 . One end of the negative lead 23 is connected to the assembled battery 200 . One end of the negative electrode lead 23 is electrically connected to the negative electrode of one or more cells 100 .

プリント配線基板34は、収容容器31の内側面のうち、一方の短辺方向の面に沿って設置されている。プリント配線基板34は、正極側コネクタ342と、負極側コネクタ343と、サーミスタ345と、保護回路346と、配線342a及び343aと、通電用の外部端子350と、プラス側配線(正側配線)348aと、マイナス側配線(負側配線)348bとを備えている。プリント配線基板34の一方の主面は、組電池200の一側面と向き合っている。プリント配線基板34と組電池200との間には、図示しない絶縁板が介在している。 The printed wiring board 34 is installed along one short-side surface of the inner surface of the container 31 . The printed wiring board 34 includes a positive connector 342, a negative connector 343, a thermistor 345, a protection circuit 346, wirings 342a and 343a, an external terminal 350 for conducting electricity, and a positive wiring (positive wiring) 348a. and a negative wiring (negative wiring) 348b. One main surface of the printed wiring board 34 faces one side surface of the assembled battery 200 . An insulating plate (not shown) is interposed between the printed wiring board 34 and the assembled battery 200 .

正極側コネクタ342に、正極側リード22の他端22aが電気的に接続されている。負極側コネクタ343に、負極側リード23の他端23aが電気的に接続されている。 The other end 22 a of the positive lead 22 is electrically connected to the positive connector 342 . The other end 23 a of the negative lead 23 is electrically connected to the negative connector 343 .

サーミスタ345は、プリント配線基板34の一方の主面に固定されている。サーミスタ345は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路346に送信する。 The thermistor 345 is fixed to one main surface of the printed wiring board 34 . The thermistor 345 detects the temperature of each cell 100 and transmits the detection signal to the protection circuit 346 .

通電用の外部端子350は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。通電用の外部端子350は、電池パック300の外部に存在する機器と電気的に接続されている。通電用の外部端子350は、正側端子352と負側端子353とを含む。 An external terminal 350 for conducting electricity is fixed to the other main surface of the printed wiring board 34 . External terminal 350 for power supply is electrically connected to a device outside battery pack 300 . The external terminal 350 for energization includes a positive terminal 352 and a negative terminal 353 .

保護回路346は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。保護回路346は、プラス側配線348aを介して正側端子352と接続されている。保護回路346は、マイナス側配線348bを介して負側端子353と接続されている。また、保護回路346は、配線342aを介して正極側コネクタ342に電気的に接続されている。保護回路346は、配線343aを介して負極側コネクタ343に電気的に接続されている。更に、保護回路346は、複数の単電池100の各々と配線35を介して電気的に接続されている。 The protection circuit 346 is fixed to the other main surface of the printed wiring board 34 . The protection circuit 346 is connected to the positive terminal 352 via a positive wiring 348a. The protection circuit 346 is connected to the negative terminal 353 via the negative wiring 348b. Also, the protection circuit 346 is electrically connected to the positive connector 342 via a wiring 342a. The protection circuit 346 is electrically connected to the negative connector 343 via wiring 343a. Furthermore, the protection circuit 346 is electrically connected to each of the plurality of cells 100 via the wiring 35 .

保護シート33は、収容容器31の長辺方向の両方の内側面と、組電池200を介してプリント配線基板34と向き合う短辺方向の内側面とに配置されている。保護シート33は、例えば、樹脂又はゴムからなる。 The protective sheets 33 are arranged on both inner side surfaces in the long side direction of the container 31 and on the inner side surface in the short side direction facing the printed wiring board 34 with the assembled battery 200 interposed therebetween. The protective sheet 33 is made of resin or rubber, for example.

保護回路346は、複数の単電池100の充放電を制御する。また、保護回路346は、サーミスタ345から送信される検出信号、又は、個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号に基づいて、保護回路346と外部機器への通電用の外部端子350(正側端子352、負側端子353)との電気的な接続を遮断する。 The protection circuit 346 controls charging and discharging of the plurality of cells 100 . In addition, based on the detection signal transmitted from the thermistor 345 or the detection signal transmitted from each unit cell 100 or the assembled battery 200, the protection circuit 346 and the external terminal for energizing the external device. 350 (positive terminal 352, negative terminal 353) is cut off.

サーミスタ345から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の温度が所定の温度以上であることを検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の過充電、過放電及び過電流を検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100について過充電等を検出する場合、電池電圧を検出してもよく、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。 Examples of the detection signal transmitted from the thermistor 345 include a signal that detects that the temperature of the unit cell 100 is equal to or higher than a predetermined temperature. Examples of detection signals transmitted from the individual cells 100 or the assembled battery 200 include signals that detect overcharge, overdischarge, and overcurrent of the cells 100 . When detecting overcharge or the like for each unit cell 100, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or the negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each single cell 100 .

なお、保護回路346としては、電池パック300を電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を用いてもよい。 As the protection circuit 346, a circuit included in a device (for example, an electronic device, an automobile, etc.) that uses the battery pack 300 as a power source may be used.

また、この電池パック300は、上述したように通電用の外部端子350を備えている。したがって、この電池パック300は、通電用の外部端子350を介して、組電池200からの電流を外部機器に出力するとともに、外部機器からの電流を、組電池200に入力することができる。言い換えると、電池パック300を電源として使用する際には、組電池200からの電流が、通電用の外部端子350を通して外部機器に供給される。また、電池パック300を充電する際には、外部機器からの充電電流が、通電用の外部端子350を通して電池パック300に供給される。この電池パック300を車載用電池として用いた場合、外部機器からの充電電流として、車両の動力の回生エネルギーを用いることができる。 The battery pack 300 also has the external terminals 350 for power supply as described above. Therefore, the battery pack 300 can output current from the assembled battery 200 to an external device and input current from the external device to the assembled battery 200 via the external terminal 350 for power supply. In other words, when the battery pack 300 is used as a power source, current from the assembled battery 200 is supplied to the external device through the external terminals 350 for power supply. Also, when charging the battery pack 300 , a charging current from an external device is supplied to the battery pack 300 through the external terminal 350 for power supply. When this battery pack 300 is used as an on-vehicle battery, the regenerated energy of the motive power of the vehicle can be used as the charging current from the external device.

なお、電池パック300は、複数の組電池200を備えていてもよい。この場合、複数の組電池200は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。また、プリント配線基板34及び配線35は省略してもよい。この場合、正極側リード22及び負極側リード23を通電用の外部端子の正側端子と負側端子としてそれぞれ用いてもよい。 Note that the battery pack 300 may include a plurality of assembled batteries 200 . In this case, the plurality of assembled batteries 200 may be connected in series, may be connected in parallel, or may be connected in a combination of series connection and parallel connection. Also, the printed wiring board 34 and the wiring 35 may be omitted. In this case, the positive-side lead 22 and the negative-side lead 23 may be used as the positive-side terminal and the negative-side terminal, respectively, of the external terminals for electricity supply.

このような電池パックは、例えば大電流を取り出したときにサイクル性能が優れていることが要求される用途に用いられる。この電池パックは、具体的には、例えば、電子機器の電源、定置用電池、各種車両の車載用電池として用いられる。電子機器としては、例えば、デジタルカメラを挙げることができる。この電池パックは、車載用電池として特に好適に用いられる。 Such battery packs are used in applications that require excellent cycle performance when drawing a large current, for example. Specifically, this battery pack is used, for example, as a power supply for electronic equipment, a stationary battery, and a vehicle battery for various vehicles. Examples of electronic devices include digital cameras. This battery pack is particularly suitable for use as a vehicle battery.

第5の実施形態に係る電池パックは、第3の実施形態に係る電池又は第4の実施形態に係る組電池を備えている。したがって、高い入出力性能および優れた貯蔵性能を示すことができる。 A battery pack according to the fifth embodiment includes the battery according to the third embodiment or the assembled battery according to the fourth embodiment. Therefore, it can exhibit high input/output performance and excellent storage performance.

[第6の実施形態]
第6の実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。
[Sixth Embodiment]
According to a sixth embodiment, a vehicle is provided. This vehicle is equipped with the battery pack according to the fifth embodiment.

第6の実施形態に係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(例えば、リジェネレーター)を含んでいてもよい。 In the vehicle according to the sixth embodiment, the battery pack recovers, for example, regenerative energy of power of the vehicle. The vehicle may include a mechanism (eg, regenerator) that converts the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.

第6の実施形態に係る車両の例としては、例えば、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of vehicles according to the sixth embodiment include two- to four-wheeled hybrid electric vehicles, two- to four-wheeled electric vehicles, assisted bicycles, and railway vehicles.

第6の実施形態に係る車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The mounting position of the battery pack in the vehicle according to the sixth embodiment is not particularly limited. For example, when the battery pack is installed in an automobile, the battery pack can be installed in the engine compartment of the vehicle, behind the vehicle body, or under the seat.

第6の実施形態に係る車両は、複数の電池パックを搭載してもよい。この場合、それぞれの電池パックが含む電池同士は、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。例えば、各電池パックが組電池を含む場合は、組電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、又は電気的に並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。或いは、各電池パックが単一の電池を含む場合は、それぞれの電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。 A vehicle according to the sixth embodiment may be equipped with a plurality of battery packs. In this case, the batteries included in each battery pack may be electrically connected in series, may be electrically connected in parallel, or may be electrically connected by combining series connection and parallel connection. good too. For example, when each battery pack includes an assembled battery, the assembled batteries may be electrically connected in series or may be electrically connected in parallel. may be connected to Alternatively, if each battery pack contains a single battery, the respective batteries may be electrically connected in series, electrically in parallel, or a combination of series and parallel connections. may be electrically connected.

次に、第6の実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a vehicle according to a sixth embodiment will be described with reference to the drawings.

図12は、第6の実施形態に係る車両の一例を概略的に示す部分透過図である。 FIG. 12 is a partially transparent view schematically showing an example of a vehicle according to the sixth embodiment.

図12に示す車両400は、車両本体40と、第5の実施形態に係る電池パック300とを含んでいる。図12に示す例では、車両400は、四輪の自動車である。 A vehicle 400 shown in FIG. 12 includes a vehicle body 40 and a battery pack 300 according to the fifth embodiment. In the example shown in FIG. 12, vehicle 400 is a four-wheeled automobile.

この車両400は、複数の電池パック300を搭載してもよい。この場合、電池パック300が含む電池(例えば、単電池または組電池)は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。 This vehicle 400 may be equipped with a plurality of battery packs 300 . In this case, the batteries (eg, cells or assembled batteries) included in the battery pack 300 may be connected in series, connected in parallel, or connected in a combination of series connection and parallel connection.

図12では、電池パック300が車両本体40の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている例を図示している。上述したとおり、電池パック300は、例えば、車両本体40の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック300は、車両400の電源として用いることができる。また、この電池パック300は、車両400の動力の回生エネルギーを回収することができる。 FIG. 12 shows an example in which the battery pack 300 is installed in the engine room located in front of the vehicle body 40. As shown in FIG. As described above, battery pack 300 may be mounted, for example, in the rear of vehicle body 40 or under the seat. This battery pack 300 can be used as a power source for vehicle 400 . Also, this battery pack 300 can recover the regenerated energy of the power of the vehicle 400 .

次に、図13を参照しながら、第6の実施形態に係る車両の実施態様について説明する。 Next, an embodiment of the vehicle according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. 13 .

図13は、第6の実施形態に係る車両における電気系統に関する制御システムの一例を概略的に示した図である。図13に示す車両400は、電気自動車である。 FIG. 13 is a diagram schematically showing an example of a control system for an electrical system in a vehicle according to the sixth embodiment. A vehicle 400 shown in FIG. 13 is an electric vehicle.

図13に示す車両400は、車両本体40と、車両用電源41と、車両用電源41の上位の制御装置である車両ECU(ECU:Electric Control Unit;電気制御装置)42と、外部端子(外部電源に接続するための端子)43と、インバータ44と、駆動モータ45とを備えている。 A vehicle 400 shown in FIG. 13 includes a vehicle main body 40, a vehicle power supply 41, a vehicle ECU (ECU: Electric Control Unit) 42 that is a control device higher than the vehicle power supply 41, and external terminals (external A terminal 43 for connecting to a power supply, an inverter 44 and a drive motor 45 are provided.

車両400は、車両用電源41を、例えばエンジンルーム、自動車の車体後方又は座席の下に搭載している。なお、図13に示す車両400では、車両用電源41の搭載箇所については概略的に示している。 A vehicle 400 is equipped with a vehicle power source 41, for example, in an engine room, in the rear of a vehicle body, or under a seat. In the vehicle 400 shown in FIG. 13, the locations where the vehicle power source 41 is mounted are schematically shown.

車両用電源41は、複数(例えば3つ)の電池パック300a、300b及び300cと、電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)411と、通信バス412とを備えている。 The vehicle power supply 41 includes a plurality (eg, three) of battery packs 300 a , 300 b and 300 c , a battery management unit (BMU) 411 , and a communication bus 412 .

電池パック300aは、組電池200aと組電池監視装置301a(例えば、VTM:Voltage Temperature Monitoring)とを備えている。電池パック300bは、組電池200bと組電池監視装置301bとを備えている。電池パック300cは、組電池200cと組電池監視装置301cとを備えている。電池パック300a~300cは、前述の電池パック300と同様の電池パックであり、組電池200a~200cは、前述の組電池200と同様の組電池である。組電池200a~200cは、電気的に直列に接続されている。電池パック300a、300b、及び300cは、それぞれ独立して取り外すことが可能であり、別の電池パック300と交換することができる。 The battery pack 300a includes an assembled battery 200a and an assembled battery monitoring device 301a (for example, VTM: Voltage Temperature Monitoring). The battery pack 300b includes an assembled battery 200b and an assembled battery monitoring device 301b. The battery pack 300c includes an assembled battery 200c and an assembled battery monitoring device 301c. Battery packs 300a to 300c are battery packs similar to battery pack 300 described above, and assembled batteries 200a to 200c are assembled batteries similar to assembled battery 200 described above. The assembled batteries 200a-200c are electrically connected in series. Battery packs 300 a , 300 b , and 300 c can be independently removed and replaced with another battery pack 300 .

組電池200a~200cのそれぞれは、直列に接続された複数の単電池を備えている。複数の単電池の少なくとも1つは、第3の実施形態に係る電池である。組電池200a~200cは、それぞれ、正極端子413及び負極端子414を通じて充放電を行う。 Each of the assembled batteries 200a to 200c includes a plurality of cells connected in series. At least one of the plurality of cells is the battery according to the third embodiment. The assembled batteries 200a to 200c charge and discharge through the positive terminal 413 and the negative terminal 414, respectively.

電池管理装置411は、組電池監視装置301a~301cとの間で通信を行い、車両用電源41に含まれる組電池200a~200cに含まれる単電池100のそれぞれについて電圧及び温度などに関する情報を収集する。これにより、電池管理装置411は、車両用電源41の保全に関する情報を収集する。 The battery management device 411 communicates with the assembled battery monitoring devices 301a to 301c and collects information on the voltage, temperature, etc. of each of the cells 100 included in the assembled batteries 200a to 200c included in the vehicle power supply 41. do. Thereby, the battery management device 411 collects information on maintenance of the vehicle power source 41 .

電池管理装置411と組電池監視装置301a~301cとは、通信バス412を介して接続されている。通信バス412では、1組の通信線が複数のノード(電池管理装置411と1つ以上の組電池監視装置301a~301cと)で共有されている。通信バス412は、例えばCAN(Control Area Network)規格に基づいて構成された通信バスである。 The battery management device 411 and the assembled battery monitoring devices 301 a to 301 c are connected via a communication bus 412 . In communication bus 412, one set of communication lines is shared by a plurality of nodes (battery management device 411 and one or more assembled battery monitoring devices 301a to 301c). The communication bus 412 is, for example, a communication bus configured based on the CAN (Control Area Network) standard.

組電池監視装置301a~301cは、電池管理装置411からの通信による指令に基づいて、組電池200a~200cを構成する個々の単電池の電圧及び温度を計測する。ただし、温度は1つの組電池につき数箇所だけで測定することができ、全ての単電池の温度を測定しなくてもよい。 The assembled battery monitoring devices 301a to 301c measure the voltage and temperature of the individual single cells forming the assembled batteries 200a to 200c based on commands by communication from the battery management device 411. FIG. However, the temperature can be measured at only a few points per assembled battery, and it is not necessary to measure the temperature of all the single cells.

車両用電源41は、正極端子413と負極端子414との間の電気的な接続の有無を切り替える電磁接触器(例えば図13に示すスイッチ装置415)を有することもできる。スイッチ装置415は、組電池200a~200cへの充電が行われるときにオンになるプリチャージスイッチ(図示せず)、及び、組電池200a~200cからの出力が負荷へ供給されるときにオンになるメインスイッチ(図示せず)を含んでいる。プリチャージスイッチ及びメインスイッチのそれぞれは、スイッチ素子の近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオン又はオフに切り替わるリレー回路(図示せず)を備えている。スイッチ装置415等の電磁接触器は、電池管理装置411又は車両400全体の動作を制御する車両ECU42からの制御信号に基づいて、制御される。 The vehicle power supply 41 can also have an electromagnetic contactor (for example, the switch device 415 shown in FIG. 13) that switches between the presence or absence of electrical connection between the positive terminal 413 and the negative terminal 414 . The switch device 415 includes a precharge switch (not shown) that is turned on when the battery packs 200a to 200c are charged, and a switch device that is turned on when the output from the battery packs 200a to 200c is supplied to the load. and a main switch (not shown). Each of the precharge switch and the main switch has a relay circuit (not shown) that is switched on or off by a signal supplied to a coil arranged near the switch element. Electromagnetic contactors such as the switch device 415 are controlled based on control signals from the battery management device 411 or the vehicle ECU 42 that controls the operation of the vehicle 400 as a whole.

インバータ44は、入力された直流電圧を、モータ駆動用の3相の交流(AC)の高電圧に変換する。インバータ44の3相の出力端子は、駆動モータ45の各3相の入力端子に接続されている。インバータ44は、電池管理装置411又は車両全体の動作を制御するための車両ECU42からの制御信号に基づいて、制御される。インバータ44が制御されることにより、インバータ44からの出力電圧が調整される。 The inverter 44 converts the input DC voltage into a three-phase alternating current (AC) high voltage for driving the motor. Three-phase output terminals of the inverter 44 are connected to respective three-phase input terminals of the drive motor 45 . The inverter 44 is controlled based on a control signal from the battery management device 411 or the vehicle ECU 42 for controlling the operation of the entire vehicle. By controlling the inverter 44, the output voltage from the inverter 44 is adjusted.

駆動モータ45は、インバータ44から供給される電力により回転する。駆動モータ45の回転によって発生する駆動力は、例えば差動ギアユニットを介して車軸および駆動輪Wに伝達される。 The drive motor 45 is rotated by power supplied from the inverter 44 . A driving force generated by the rotation of the driving motor 45 is transmitted to the axle and the driving wheels W via, for example, a differential gear unit.

また、図示はしていないが、車両400は、回生ブレーキ機構(リジェネレーター)を備えている。回生ブレーキ機構は、車両400を制動した際に駆動モータ45を回転させ、運動エネルギーを電気エネルギーとしての回生エネルギーに変換する。回生ブレーキ機構で回収した回生エネルギーは、インバータ44に入力され、直流電流に変換される。変換された直流電流は、車両用電源41に入力される。 In addition, although not shown, vehicle 400 includes a regenerative braking mechanism (regenerator). The regenerative braking mechanism rotates the drive motor 45 when the vehicle 400 is braked, and converts kinetic energy into regenerative energy as electrical energy. The regenerative energy recovered by the regenerative brake mechanism is input to the inverter 44 and converted into direct current. The converted DC current is input to vehicle power source 41 .

車両用電源41の負極端子414には、接続ラインL1の一方の端子が接続されている。接続ラインL1の他方の端子は、インバータ44の負極入力端子417に接続されている。接続ラインL1には、負極端子414と負極入力端子417との間に電池管理装置411内の電流検出部(電流検出回路)416が設けられている。 One terminal of the connection line L<b>1 is connected to the negative terminal 414 of the vehicle power supply 41 . The other terminal of the connection line L1 is connected to the negative input terminal 417 of the inverter 44 . A current detection unit (current detection circuit) 416 in the battery management device 411 is provided between the negative terminal 414 and the negative input terminal 417 on the connection line L1.

車両用電源41の正極端子413には、接続ラインL2の一方の端子が、接続されている。接続ラインL2の他方の端子は、インバータ44の正極入力端子418に接続されている。接続ラインL2には、正極端子413と正極入力端子418との間にスイッチ装置415が設けられている。 One terminal of the connection line L2 is connected to the positive terminal 413 of the vehicle power source 41 . The other terminal of the connection line L2 is connected to the positive input terminal 418 of the inverter 44 . A switch device 415 is provided between the positive terminal 413 and the positive input terminal 418 on the connection line L2.

外部端子43は、電池管理装置411に接続されている。外部端子43は、例えば、外部電源に接続することができる。 The external terminal 43 is connected to the battery management device 411 . The external terminal 43 can be connected to, for example, an external power supply.

車両ECU42は、運転者などの操作入力に応答して電池管理装置411を含む他の管理装置及び制御装置とともに車両用電源41、スイッチ装置415、及びインバータ44等を協調制御する。車両ECU42等の協調制御によって、車両用電源41からの電力の出力及び車両用電源41の充電等が制御され、車両400全体の管理が行われる。電池管理装置411と車両ECU42との間では、通信線により、車両用電源41の残容量など、車両用電源41の保全に関するデータ転送が行われる。 The vehicle ECU 42 cooperatively controls the vehicle power source 41, the switch device 415, the inverter 44, and the like together with other management devices and control devices including the battery management device 411 in response to operation input by the driver or the like. The cooperative control of the vehicle ECU 42 and the like controls the output of electric power from the vehicle power supply 41, the charging of the vehicle power supply 41, and the like, and manages the vehicle 400 as a whole. Between the battery management device 411 and the vehicle ECU 42, data transfer related to the maintenance of the vehicle power source 41, such as the remaining capacity of the vehicle power source 41, is performed via a communication line.

第6の実施形態に係る車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。電池パックの入出力性能が高いため、高性能な車両を提供できる。電池パックが貯蔵性能に優れているため、信頼性が高い車両を提供できる。 A vehicle according to the sixth embodiment is equipped with the battery pack according to the fifth embodiment. High-performance vehicles can be provided because of the high input/output performance of the battery pack. Since the battery pack has excellent storage performance, highly reliable vehicles can be provided.

[実施例]
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。
[Example]
EXAMPLES The above embodiments will be described in more detail below based on examples.

1.固体電解質材料
<合成>
(実施例A-1乃至A-20)
以下のようにして、一般式A(Mα1-wMβw)O3で表されるペロブスカイト構造を有する酸化物を合成した。
1. Solid electrolyte material <Synthesis>
(Examples A-1 to A-20)
An oxide having a perovskite structure represented by the general formula A(Mα 1-ww )O 3 was synthesized in the following manner.

先ず、下記表1に示す目的組成を得るべく原料を所定のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合した。用いた原料の具体例として、実施例A-1乃至A-6ではSr(NO3)2、Li2CO3、Nb2O5、Ta2O5、及びTiO2を用いた。次に混合物に対し800℃の温度条件下で12時間仮焼成を行った。この仮焼成した混合物を再び粉砕混合した。その後、得られた粉砕混合粉を厚さ1mm及び直径12mmのペレット状(コイン型)に一軸加圧成型した。このペレットに対し1350℃の温度条件下で1時間の本焼成を行い、実施例A-6の固体電解質材料としての酸化物を得た。 First, raw materials were weighed so as to have a predetermined molar ratio and mixed in a mortar in order to obtain the target composition shown in Table 1 below. As specific examples of raw materials used, Sr(NO 3 ) 2 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 and TiO 2 were used in Examples A-1 to A-6. Next, the mixture was calcined at a temperature of 800° C. for 12 hours. This calcined mixture was pulverized and mixed again. After that, the obtained pulverized mixed powder was uniaxially pressure-molded into a pellet (coin shape) having a thickness of 1 mm and a diameter of 12 mm. This pellet was sintered at a temperature of 1350° C. for 1 hour to obtain an oxide as a solid electrolyte material of Example A-6.

実施例A-1乃至A-5及び実施例A-7乃至A-20については、本焼成後の各試料に対し酸素雰囲気中でアニール処理を行なった。雰囲気ガスの充填が可能な管状炉中に試料を入れた。炉の内部を純酸素ガスで満たしたのち、0.5 L/minで純酸素フローを行いながら、600℃で12時間アニール処理を行なうことで、実施例A-1乃至A-5及び実施例A-7乃至A-20の固体電解質材料としての酸化物を得た。 For Examples A-1 to A-5 and Examples A-7 to A-20, annealing treatment was performed in an oxygen atmosphere for each sample after main firing. The sample was placed in a tubular furnace that could be filled with atmospheric gas. After filling the interior of the furnace with pure oxygen gas, annealing treatment was performed at 600 ° C. for 12 hours while performing pure oxygen flow at 0.5 L / min, Examples A-1 to A-5 and Example A- 7 to A-20 were obtained as solid electrolyte materials.

(比較例A-1乃至A-3)
下記表2に示す目的組成を得るべく原料を所定のモル比となるように秤量したことを除き、実施例A-1と同様の手順により酸化物を合成した。こうして比較例A-1乃至A-3の固体電解質材料としての酸化物を得た。
(Comparative Examples A-1 to A-3)
An oxide was synthesized by the same procedure as in Example A-1, except that the raw materials were weighed so as to have a predetermined molar ratio to obtain the target composition shown in Table 2 below. In this way, oxides were obtained as solid electrolyte materials of Comparative Examples A-1 to A-3.

(比較例A-4)
ペレット成型の前に、粉砕混合粉にTa2O5粉末を添加したことを除き、比較例A-1と同様の手順により固体電解質材料としての酸化物を得た。
(Comparative Example A-4)
An oxide as a solid electrolyte material was obtained by the same procedure as in Comparative Example A-1, except that Ta 2 O 5 powder was added to the pulverized mixed powder before pellet molding.

(実施例B-1乃至B-19)
以下のようにして、一般式LixMαy(Mβ1-zz)(PO4)3で表されるNASICON構造を有する酸化物を合成した。
(Examples B-1 to B-19)
An oxide having a NASICON structure represented by the general formula Li xy (Mβ 1-z D z )(PO 4 ) 3 was synthesized in the following manner.

先ず、下記表3に示す目的組成を得るべく原料を所定のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合した。用いた原料の具体例として、実施例B-1乃至B-6ではLi2CO3、Nb2O5、Ta2O5、BaCO3、ZrO2、及びNH4H2PO4を用いた。リン酸塩を分解するため、混合物を電気炉に入れて300℃で12時間加熱してから炉外に取り出し、100℃/minの冷却速度で冷却した。 First, in order to obtain the desired composition shown in Table 3 below, the raw materials were weighed to give a predetermined molar ratio and mixed in a mortar. As specific examples of raw materials used, Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , BaCO 3 , ZrO 2 and NH 4 H 2 PO 4 were used in Examples B-1 to B-6. To decompose the phosphate, the mixture was placed in an electric furnace and heated at 300° C. for 12 hours, then removed from the furnace and cooled at a cooling rate of 100° C./min.

次にこの混合物を再粉砕した後、800℃の温度条件下で12時間仮焼成を行った。この仮焼成した混合物を再び粉砕混合した。その後、得られた粉砕混合粉を厚さ1mm及び直径12mmのペレット状(コイン型)に一軸加圧成型した。このペレットに対し1350℃の温度条件下で1時間の本焼成を行い、実施例B-6の固体電解質材料としての酸化物を得た。 Next, after re-pulverizing this mixture, it was calcined at a temperature of 800° C. for 12 hours. This calcined mixture was pulverized and mixed again. After that, the obtained pulverized mixed powder was uniaxially pressure-molded into a pellet (coin shape) having a thickness of 1 mm and a diameter of 12 mm. This pellet was sintered at a temperature of 1350° C. for 1 hour to obtain an oxide as a solid electrolyte material of Example B-6.

実施例B-1乃至B-5及び実施例B-7乃至B-19については、本焼成後の各試料に対し酸素雰囲気中でアニール処理を行なった。雰囲気ガスの充填が可能な管状炉中に試料を入れた。炉の内部を純酸素ガスで満たしたのち、0.5 L/minで純酸素フローを行いながら、600℃で12時間アニール処理を行なうことで、実施例B-1乃至B-5及び実施例B-7乃至B-19の固体電解質材料としての酸化物を得た。 For Examples B-1 to B-5 and Examples B-7 to B-19, each sample after main firing was annealed in an oxygen atmosphere. The sample was placed in a tubular furnace that could be filled with atmospheric gas. After filling the interior of the furnace with pure oxygen gas, while performing pure oxygen flow at 0.5 L / min, annealing treatment was performed at 600 ° C. for 12 hours to obtain Examples B-1 to B-5 and Example B- 7 to B-19 were obtained as solid electrolyte materials.

(比較例B-1乃至B-3)
下記表4に示す目的組成を得るべく原料を所定のモル比となるように秤量したことを除き、実施例A-1と同様の手順により酸化物を合成した。こうして比較例B-1乃至B-3の固体電解質材料としての酸化物を得た。
(Comparative Examples B-1 to B-3)
An oxide was synthesized by the same procedure as in Example A-1, except that the raw materials were weighed so as to have a predetermined molar ratio in order to obtain the target composition shown in Table 4 below. In this way, oxides were obtained as solid electrolyte materials of Comparative Examples B-1 to B-3.

(比較例B-4)
ペレット成型の前に、粉砕混合粉にTa2O5粉末を添加したことを除き、比較例B-1と同様の手順により固体電解質材料としての酸化物を得た。
(Comparative Example B-4)
An oxide as a solid electrolyte material was obtained in the same manner as in Comparative Example B-1, except that Ta 2 O 5 powder was added to the pulverized mixed powder before pellet molding.

<評価>
それぞれの実施例および比較例について得られた固体電解質材料のペレットの両面を研磨して平滑にした後、ペレット側面(コイン型の形状の縁部分)をマスキングテープで覆った。研磨により平滑化したペレットの両面に金を蒸着してブロッキング電極を作製した。
<Evaluation>
Both surfaces of the solid electrolyte material pellets obtained for each of the examples and comparative examples were polished to be smooth, and then the side surfaces of the pellets (coin-shaped edge portions) were covered with a masking tape. A blocking electrode was prepared by vapor-depositing gold on both sides of the pellet smoothed by polishing.

(Liイオン伝導率測定)
次に、合成した固体電解質材料のLiイオン伝導率を測定するために、各々のペレットを用いて作製したブロッキング電極を真空下において140℃の温度条件で12時間乾燥した。次に、ブロッキング電極を乾燥アルゴン(Ar)で満たした4端子測定容器にいれた。ブロッキング電極を入れた4端子測定容器を恒温槽中に入れ、測定条件として設定した温度において2時間保持した後、横川ヒューレットパッカード製インピーダンスアナライザー 4192Aを用いてインピーダンス測定を行った。測定の設定温度は、25℃とした。測定周波数範囲は、5Hzから13MHzとし、複素インピーダンスの測定結果からバルク部の抵抗値を算出し、ペレットの電極面積、厚さを用いて、バルク部におけるリチウムイオン伝導率σb(S/cm)を計算した。
(Li ion conductivity measurement)
Next, in order to measure the Li ion conductivity of the synthesized solid electrolyte material, the blocking electrode prepared using each pellet was dried under vacuum at a temperature of 140° C. for 12 hours. The blocking electrode was then placed in a four-terminal measurement vessel filled with dry argon (Ar). The four-terminal measurement container containing the blocking electrode was placed in a constant temperature bath, held at the temperature set as the measurement condition for 2 hours, and then impedance was measured using an Impedance Analyzer 4192A manufactured by Yokogawa Hewlett-Packard. The set temperature for the measurement was 25°C. The measurement frequency range is from 5 Hz to 13 MHz, the resistance value of the bulk part is calculated from the measurement results of the complex impedance, and the electrode area and thickness of the pellet are used to determine the lithium ion conductivity σ b (S / cm) in the bulk part. was calculated.

(価数測定及び耐還元性試験)
各々の固体電解質材料について、先に説明した方法でEPMA測定を行うことにより酸化物中のNb及びTaの価数を測定した。測定結果を下記表1-4に示す。
(Valence measurement and reduction resistance test)
For each solid electrolyte material, the valences of Nb and Ta in the oxide were measured by EPMA measurement by the method described above. The measurement results are shown in Table 1-4 below.

次に、合成した固体電解質材料が金属リチウムと同等の電位において安定性を保てるかを確認するため、耐還元性試験を行った。先ずそれぞれの固体電解質材料のペレットを用いたブロッキング電極について、ペレット両面を#800のラッピングフィルム(3M社製)を用いて研磨し、金電極を完全に剥がした。各々のペレットをもちいて、アルゴン雰囲気中で、ペレットの片面に直径10mmの円形の金属リチウム箔を1時間接触させた。1時間後にアルゴン雰囲気から取り出し、金属リチウムに対する接触面と非接触面のEPMA測定を行なった。接触前後のピークの違いを比較し、還元による相違が確認されない場合を還元無し、相違が確認された場合を還元有りと判定した。判定結果を下記表1-4に示す。 Next, a reduction resistance test was conducted to confirm whether the synthesized solid electrolyte material could maintain stability at a potential equivalent to that of metallic lithium. First, for the blocking electrodes using pellets of each solid electrolyte material, both sides of the pellets were polished with a #800 wrapping film (manufactured by 3M) to completely remove the gold electrodes. Using each pellet, one side of the pellet was brought into contact with a circular metallic lithium foil having a diameter of 10 mm for 1 hour in an argon atmosphere. After 1 hour, it was taken out from the argon atmosphere, and EPMA measurement was performed on the contact surface and the non-contact surface with metallic lithium. The differences in peaks before and after contact were compared, and when no difference due to reduction was observed, it was determined that there was no reduction, and when a difference was observed, it was determined that there was reduction. The determination results are shown in Table 1-4 below.

(粉末X線回折測定)
得られた試料について、以下のようにして粉末X線回折測定を行った。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The obtained sample was subjected to powder X-ray diffraction measurement as follows.

各々のペレットを乳鉢と乳棒を用いて平均粒子径が10μm程度となるまで粉砕した。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mmのホルダー部分に充填した。次いで、外部から別のガラス板を使い、充分に押し付けて平滑化した。次いで、試料が充填されたガラス板を粉末X線回折装置に設置し、Cu-Kα線を用いて回折パターンを取得した。結晶相及び空間群についてリートベルト法による結晶構造解析を用いて調べた結果、目的とする結晶構造を有していることが確認できた。 Each pellet was pulverized using a mortar and pestle to an average particle size of about 10 μm. The pulverized sample was filled in a holder portion with a depth of 0.2 mm formed on a glass sample plate. Then, another glass plate was used from the outside and pressed sufficiently to smooth it. Next, the glass plate filled with the sample was placed in a powder X-ray diffractometer, and a diffraction pattern was obtained using Cu—Kα rays. As a result of investigating the crystal phase and space group using the crystal structure analysis by the Rietveld method, it was confirmed that it had the intended crystal structure.

詳細には、実施例A-1乃至A-20及び比較A-1乃至A-4(Aシリーズの実施例および比較例)については、ペロブスカイト型の構造が得られていることが確認できた。Aシリーズにおける各々の固体電解質材料における酸化物の結晶相および空間群を表1及び2に示す。実施例B-1乃至B-19及び比較例B-1乃至B-4(Bシリーズの実施例および比較例)については、NASICON型の構造が得られていることが確認できた。Bシリーズにおける各々の固体電解質材料における酸化物の結晶相および空間群を表3及び4に示す。 Specifically, it was confirmed that perovskite structures were obtained in Examples A-1 to A-20 and Comparative Examples A-1 to A-4 (Examples and Comparative Examples of the A series). Tables 1 and 2 show the crystal phase and space group of the oxide in each solid electrolyte material in the A series. For Examples B-1 to B-19 and Comparative Examples B-1 to B-4 (B series examples and comparative examples), it was confirmed that a NASICON type structure was obtained. Tables 3 and 4 show the crystal phase and space group of the oxide in each solid electrolyte material in the B series.

下記表1-4に、Aシリーズの実施例および比較例、並びにBシリーズの実施例および比較例において合成した固体電解質材料の酸化物の組成および結晶構造の詳細をまとめる。組成として、化学組成式、質量比αTa/αNb、Nb及びTaのそれぞれの価数、主元素Mβpの有無および種、補助元素Mβsの有無および種、及び酸化物中のNbに対する補助元素Mβsの元素比率Eβs/ENbを示す。結晶構造の詳細として、主な結晶相および主相の空間群を示す。なお、Aシリーズの何れにおいても、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物が得られていた。Bシリーズの何れにおいても、NASICON型の結晶構造を有する酸化物が得られていた。 Tables 1-4 below summarize the details of the composition and crystal structure of the oxides of the solid electrolyte materials synthesized in Examples and Comparative Examples of the A Series and Examples and Comparative Examples of the B Series. As the composition, the chemical composition formula, the mass ratio α TaNb , the respective valences of Nb and Ta, the presence or absence and type of the main element Mβ p , the presence or absence and type of the auxiliary element Mβ s , and the auxiliary to Nb in the oxide The element ratio E βs /E Nb of the element Mβ s is shown. As details of the crystal structure, main crystal phases and space groups of the main phases are shown. In all of the A series, an oxide having a perovskite crystal structure was obtained. In all of the B series, an oxide having a NASICON-type crystal structure was obtained.

Figure 0007293051000001
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Figure 0007293051000002
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Figure 0007293051000003
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Figure 0007293051000004
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下記表5に、Aシリーズの実施例および比較例で得られた固体電解質材料に対するLiイオン伝導率測定の結果および耐還元性試験の結果をまとめる。表6には、Bシリーズの実施例および比較例で得られた固体電解質材料に対するLiイオン伝導率測定の結果および耐還元性試験の結果をまとめる。 Table 5 below summarizes the results of the Li ion conductivity measurement and the reduction resistance test for the solid electrolyte materials obtained in the Examples and Comparative Examples of the A series. Table 6 summarizes the results of the Li ion conductivity measurement and reduction resistance test for the solid electrolyte materials obtained in the Examples and Comparative Examples of the B series.

Figure 0007293051000005
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Figure 0007293051000006
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表5の結果から、NbとTaとから成る金属元素Mαを含め金属元素Mを中心に酸素原子が配した八面体配位構造を含み、Nbに対するTaの質量比αTa/αNbが5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある酸化物を含んだ固体電解質材料は、Liイオン伝導率が高く、且つ、優れた耐還元性能を示すことがわかる。 From the results in Table 5, including the metal element Mα composed of Nb and Ta, the octahedral coordination structure in which oxygen atoms are arranged around the metal element M is included, and the mass ratio αTa / αNb of Ta to Nb is 5×. It can be seen that the solid electrolyte material containing oxides in the range of 10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 has high Li ion conductivity and excellent resistance to reduction.

2.電池
<電池製造>
各々の実施例および比較例で得られた固体電解質材料を用いた電池の放電性能を調べるために、それぞれの固体電解質材料を用いた全固体電池を作製した。具体的には、図3に示す形態の正極層/電解質層(複合電解質の層)/負極層からなる単層電極体を含む電池を作製した。
2. Batteries <Battery manufacturing>
In order to examine the discharge performance of the batteries using the solid electrolyte materials obtained in the respective examples and comparative examples, all-solid batteries were produced using the respective solid electrolyte materials. Specifically, a battery including a single-layer electrode body composed of positive electrode layer/electrolyte layer (composite electrolyte layer)/negative electrode layer having the configuration shown in FIG. 3 was produced.

正極活物質としては、炭素微粒子(平均粒子径5nm)が表面に付着(付着量0.1質量%)した一次粒子の平均粒子径が50nmであるオリビン構造のLiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4の粒子を用いた。この正極活物質の粒子に対して、導電剤としての繊維径0.1μmの気相成長の炭素繊維と、導電剤としての黒鉛粉末と、結着剤としてのPVdFとをそれぞれの質量比が100:3:5:5となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散してスラリーを調製した。その後、得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム合金箔(純度99%)の片面に塗布した。スラリーの塗膜を乾燥した後、プレス工程を経て、集電体(アルミニウム合金箔)の片面に厚さ67μmの正極層が形成された、電極密度2.2g/cm(集電体を含まず)の正極を作製した。 As the positive electrode active material, LiMn 0.85 Fe 0.1 Mg 0.05 PO 4 having an olivine structure in which carbon fine particles (average particle diameter 5 nm) are attached to the surface (adhesion amount 0.1% by mass) and the average particle diameter of the primary particles is 50 nm. particles were used. Vapor-grown carbon fibers with a fiber diameter of 0.1 μm as a conductive agent, graphite powder as a conductive agent, and PVdF as a binder were added to the positive electrode active material particles at a mass ratio of 100. :3:5:5 and dispersed in an n-methylpyrrolidone (NMP) solvent to prepare a slurry. After that, the resulting slurry was applied to one side of a 15 μm thick aluminum alloy foil (purity 99%). After drying the slurry coating, a positive electrode layer with a thickness of 67 μm was formed on one side of the current collector (aluminum alloy foil) through a pressing process, and the electrode density was 2.2 g/cm 3 (including the current collector). A positive electrode was fabricated.

負極活物質としては、次のとおりの酸化物粒子を用いた。実施例C-1においては、平均粒子径D50=0.8μm、比表面積10m/gのLiTi12粒子を用いた。実施例C-2においては、平均粒子径D50=0.6μm、比表面積15m/gのLi2Na2Ti614粒子を用いた。実施例C-3においては、平均粒子径D50=1.0μm、比表面積8m/gのNb2TiO7粒子を用いた。それぞれの負極活物質粒子に対して導電剤として平均粒子径6μmの黒鉛粉末と、結着剤としてPVdFとを質量比で95:3:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を用い、スラリーを調製した。得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム合金箔(純度99.3%)に塗布した。スラリーの塗膜を乾燥し、加熱プレス工程を経ることにより、負極を作製した。このようにして、集電体(アルミニウム合金箔)の片面に約59μmの厚さの負極層が形成された、電極密度2.2g/cm(集電体を含まず)の負極を作製した。集電体を除く負極多孔度はおよそ35%であった。 As the negative electrode active material, the following oxide particles were used. In Example C-1, Li 4 Ti 5 O 12 particles having an average particle diameter D 50 =0.8 μm and a specific surface area of 10 m 2 /g were used. In Example C-2, Li 2 Na 2 Ti 6 O 14 particles having an average particle diameter D 50 of 0.6 μm and a specific surface area of 15 m 2 /g were used. In Example C-3, Nb 2 TiO 7 particles having an average particle diameter D 50 =1.0 μm and a specific surface area of 8 m 2 /g were used. Graphite powder having an average particle size of 6 μm as a conductive agent and PVdF as a binder are blended with each of the negative electrode active material particles in a mass ratio of 95:3:2 to obtain n-methylpyrrolidone (NMP). It was dispersed in a solvent and stirred with a ball mill at a rotation speed of 1000 rpm for a stirring time of 2 hours to prepare a slurry. The resulting slurry was applied to a 15 μm thick aluminum alloy foil (purity 99.3%). A negative electrode was produced by drying the coating film of the slurry and passing through a hot press process. In this way, a negative electrode having an electrode density of 2.2 g/cm 3 (excluding the current collector) was produced, in which a negative electrode layer having a thickness of about 59 μm was formed on one side of the current collector (aluminum alloy foil). . The negative electrode porosity, excluding the current collector, was approximately 35%.

電解質層に用いる複合電解質は、次のようにして準備した。先ず、実施例A-12で合成した固体電解質粒子を一次粒子サイズ(直径)が1μmとなるまで粉砕した。粉砕した固体電解質粒子を、LiPFを1.2M溶解したプロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比1:2)を含有したゲル状ポリアクリロニトリル高分子体に所定量混合して複合化させることで、上記のようにして得られた正極の正極層と上記のようにして得られたそれぞれの負極の負極層との間に厚さ2μmの複合電解質の電解質層を作製した。ここで、固体電解質粒子とPC/DEC混合溶媒とゲル状ポリアクリロニトリル高分子との質量比が96:3.2:0.8となるようにした。 A composite electrolyte used for the electrolyte layer was prepared as follows. First, the solid electrolyte particles synthesized in Example A-12 were pulverized to a primary particle size (diameter) of 1 μm. A predetermined amount of the pulverized solid electrolyte particles was added to a gel-like polyacrylonitrile polymer containing a mixed solvent (volume ratio 1:2) of propylene carbonate (PC) and diethyl carbonate (DEC) in which 1.2 M of LiPF 6 was dissolved. By mixing and compositing, an electrolyte layer of the composite electrolyte having a thickness of 2 μm is formed between the positive electrode layer of the positive electrode obtained as described above and the negative electrode layer of each of the negative electrodes obtained as described above. made. Here, the mass ratio of solid electrolyte particles, PC/DEC mixed solvent, and gel-like polyacrylonitrile polymer was adjusted to 96:3.2:0.8.

より詳細には、上記電解質の複合化工程において、先ず、ゲル化前にn-メチルピロリドン(NMP)溶液に溶解したPVdFバインダ溶液に実施例A-12で合成した固体電解質粒子を分散し、その分散液を正極層の上と負極層の上とに塗布した。分散液を乾燥させた後、LiPFを1.2M溶解したPC/DEC混合溶媒(体積比1:2)とポリアクリロニトリル(PAN)の高分子体(2質量%)とを含む溶液に2,2'-アゾビス-4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリルを重合開始のためのラジカル剤として添加したものをそれぞれの電極層およびその上のバインダに含浸させ、加熱することでゲル化した複合電解質を作製することができた。このときの電極層内および複合電解質における有機成分量はそれぞれ、質量比で3%と4%となるように調整した。また、複合電解質内の無機粒子とバインダ、有機成分を質量比で表わすと94.3:1.9:3.8となる。なお、複合電解質中の有機電解質(LiPFのPC/DEC溶液)の質量比率は3.0%である。ここで作製した単層のリチウム電池(全固体電池)を、上記したとおり用いた負極活物質に応じて実施例C-1乃至実施例C-3とした。次に、比較例A-1で合成した固体電解質粒子を用いた以外は、実施例C-1と同様にして単層のリチウム電池(全固体電池)を作製し、これを比較例C-1とした。 More specifically, in the electrolyte composite step, first, the solid electrolyte particles synthesized in Example A-12 were dispersed in a PVdF binder solution dissolved in an n-methylpyrrolidone (NMP) solution before gelation, and The dispersion was applied over the positive electrode layer and over the negative electrode layer. After drying the dispersion, it was added to a solution containing a PC/DEC mixed solvent (1:2 by volume) in which 1.2 M of LiPF 6 was dissolved and a polyacrylonitrile (PAN) polymer (2% by mass). 2'-Azobis-4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile was added as a radical agent for polymerization initiation, impregnating each electrode layer and the binder thereon, and heating to form a gelled composite. We were able to prepare an electrolyte. At this time, the amounts of organic components in the electrode layer and in the composite electrolyte were adjusted to 3% and 4% by mass, respectively. The mass ratio of the inorganic particles, the binder, and the organic component in the composite electrolyte is 94.3:1.9:3.8. The mass ratio of the organic electrolyte (PC/DEC solution of LiPF 6 ) in the composite electrolyte was 3.0%. The single-layer lithium batteries (all-solid-state batteries) produced here were designated as Examples C-1 to C-3 according to the negative electrode active materials used as described above. Next, a single-layer lithium battery (all-solid battery) was produced in the same manner as in Example C-1 except that the solid electrolyte particles synthesized in Comparative Example A-1 was used, and this was used in Comparative Example C-1. and

次に、実施例B-12で合成した固体電解質粒子を用いた以外は、実施例C-1乃至実施例C-3と同様にしてリチウム電池を作製し、それぞれ実施例D-1乃至D-3とした。また、比較例B-1で合成した固体電解質粒子を用いた以外は、比較例C-1と同様にしてリチウム電池を作製し、これを比較例D-1とした。 Next, lithium batteries were produced in the same manner as in Examples C-1 to C-3, except that the solid electrolyte particles synthesized in Example B-12 were used, and Examples D-1 to D- 3. A lithium battery was prepared in the same manner as in Comparative Example C-1 except that the solid electrolyte particles synthesized in Comparative Example B-1 were used, and this was designated as Comparative Example D-1.

<評価>
(充放電測定)
実施例C-1乃至C-3及び比較例C-1で作製したリチウム電池、並びに実施例D-1乃至D-3及び比較例D-1で作製したリチウム電池の各々ついて、25℃環境下で充放電試験を行った。充放電試験における充放電範囲は、負極活物質としてLi4Ti512またはNb2TiO7を用いた電池(実施例C-1、比較例C-1、実施例D-1、及び比較例D-1、並びに実施例C-3、及び実施例D-3)については、負極の電位が1.0V以上1.7V以下(vs.Li/Li)となる電位範囲とした。負極活物質としてLi2Na2Ti614を用いた電池(実施例C-2及び実施例D-2)については、負極の電位が1.0V以上3.0V以下(vs.Li/Li)となる電位範囲とした。容量確認時の充放電電流値は、25℃の温度条件下で0.01C(時間放電率)として充放電を行い、そのときの放電容量を基準容量(100%)とした。次に、25℃の温度条件下で、0.1Cで充放電を行い、上記基準容量に対する0.1C放電容量維持率を算出した(0.1C放電容量維持率 = [25℃での0.1C放電容量]/[基準容量])。
<Evaluation>
(Charge/discharge measurement)
For each of the lithium batteries produced in Examples C-1 to C-3 and Comparative Example C-1, and the lithium batteries produced in Examples D-1 to D-3 and Comparative Example D-1, under an environment of 25°C. A charge/discharge test was performed at The charging/discharging range in the charging/discharging test was determined for batteries using Li 4 Ti 5 O 12 or Nb 2 TiO 7 as the negative electrode active material (Example C-1, Comparative Example C-1, Example D-1, and Comparative Example For D-1, Examples C-3, and D-3), the potential range was such that the potential of the negative electrode was 1.0 V or more and 1.7 V or less (vs. Li/Li + ). In the batteries using Li 2 Na 2 Ti 6 O 14 as the negative electrode active material (Examples C-2 and D-2), the potential of the negative electrode was 1.0 V or more and 3.0 V or less (vs. Li/Li + ). The charge/discharge current value when confirming the capacity was set to 0.01 C (discharge rate per hour) at a temperature of 25°C, and the discharge capacity at that time was taken as the reference capacity (100%). Next, charge and discharge were performed at 0.1C under a temperature condition of 25°C, and the 0.1C discharge capacity retention rate with respect to the above reference capacity was calculated (0.1C discharge capacity retention rate = [0.1C discharge capacity retention rate at 25°C). 1C discharge capacity]/[reference capacity]).

(貯蔵試験)
各々の電池について、貯蔵試験を行った。
(Storage test)
A storage test was performed on each battery.

まず、各々の電池を25℃環境下で0.01Cの定電流で充電した。充電後の電池を25℃環境下で24時間保持した。次に、各電池を、0.01Cの定電流で放電した。この放電により得られた放電容量を、貯蔵後放電容量とした。上記基準容量に対する貯蔵後放電容量の貯蔵後放電容量維持率を算出した(貯蔵後放電容量維持率 = [貯蔵後放電容量]/[基準容量])。 First, each battery was charged at a constant current of 0.01 C in an environment of 25°C. The battery after charging was held in an environment of 25° C. for 24 hours. Each cell was then discharged at a constant current of 0.01C. The discharge capacity obtained by this discharge was taken as the post-storage discharge capacity. The post-storage discharge capacity retention rate of the post-storage discharge capacity with respect to the reference capacity was calculated (post-storage discharge capacity retention rate = [post-storage discharge capacity]/[reference capacity]).

実施例C-1乃至C-3及び比較例C-1で作製したリチウム電池の電極体の構成、充電試験の結果、及び貯蔵試験の結果を下記表7に示す。 Table 7 below shows the structure of the electrode bodies of the lithium batteries produced in Examples C-1 to C-3 and Comparative Example C-1, the results of the charge test, and the results of the storage test.

実施例D-1乃至D-3及び比較例D-1で作製したリチウム電池の電極体の構成、充電試験の結果、及び貯蔵試験の結果を下記表8に示す。 Table 8 below shows the structure of the electrode bodies of the lithium batteries produced in Examples D-1 to D-3 and Comparative Example D-1, the results of the charge test, and the results of the storage test.

Figure 0007293051000007
Figure 0007293051000007

Figure 0007293051000008
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表7に示すとおり、実施例C-1乃至C-3で作製したリチウム電池では、基準容量(25℃での0.01Cレート放電)に対して90%以上の0.1C放電容量維持率を示した。これらの電池では、貯蔵後の放電容量維持率も89%以上を保っていた。これに対し、比較例C-1で作製したリチウム電池では、0.1C放電容量維持率が低かった。貯蔵後の放電容量維持率も低かった。 As shown in Table 7, the lithium batteries produced in Examples C-1 to C-3 had a 0.1C discharge capacity retention rate of 90% or more with respect to the reference capacity (0.01C rate discharge at 25 ° C.). Indicated. These batteries maintained a discharge capacity retention rate of 89% or more after storage. In contrast, the lithium battery produced in Comparative Example C-1 had a low 0.1C discharge capacity retention rate. The discharge capacity retention rate after storage was also low.

表8に示すとおり、実施例D-1乃至D-3で作製したリチウム電池では、基準容量(25℃での0.01Cレート放電)に対して88%以上の高レートでの放電容量維持率を示した。これらの電池では、貯蔵後の放電容量維持率も87%以上を保っていた。これに対し、比較例D-1で作製したリチウム電池では、0.1C放電容量維持率が低かった。
貯蔵後の放電容量維持率も低かった。
As shown in Table 8, in the lithium batteries produced in Examples D-1 to D-3, the discharge capacity retention rate at a high rate of 88% or more with respect to the reference capacity (0.01C rate discharge at 25 ° C.) showed that. These batteries maintained a discharge capacity retention rate of 87% or more after storage. In contrast, the lithium battery produced in Comparative Example D-1 had a low 0.1C discharge capacity retention rate.
The discharge capacity retention rate after storage was also low.

試験結果から、実施形態に係る固体電解質材料を用いることで、入出力性能および貯蔵性能に優れる電池が得られることが分かった。 From the test results, it was found that a battery having excellent input/output performance and storage performance can be obtained by using the solid electrolyte material according to the embodiment.

以上説明した1以上の実施形態および実施例によれば、固体電解質材料が提供される。この固体電解質材料は、金属元素Mとこの金属元素Mを中心に配した酸素原子とを含む八面体配位構造を含んだ酸化物を含む。金属元素Mは、NbとTaとを含む。Nbの質量αNbとTaの質量αTaとの質量比αTa/αNbは、5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある。この構成により、固体電解質材料は優れた耐還元性能を有するとともに、高いイオン伝導率を示す。そして、入出力性能が高く貯蔵性能に優れる電池を実現できる電極、入出力性能が高く貯蔵性能に優れる電池および電池パック、並びにこの電池パックを搭載している車両を提供できる。 According to one or more embodiments and examples described above, a solid electrolyte material is provided. This solid electrolyte material contains an oxide containing an octahedral coordination structure containing a metal element M and oxygen atoms arranged in the center of the metal element M. The metal element M contains Nb and Ta. The mass ratio α TaNb between the mass α Nb of Nb and the mass α Ta of Ta is within the range of 5×10 −5 ≦α TaNb ≦3×10 −3 . With this configuration, the solid electrolyte material has excellent resistance to reduction and exhibits high ionic conductivity. It is also possible to provide an electrode capable of realizing a battery with high input/output performance and excellent storage performance, a battery and battery pack with high input/output performance and excellent storage performance, and a vehicle equipped with this battery pack.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] 金属元素Mと前記金属元素Mを中心に配した酸素原子とを含む八面体配位構造を含み、前記金属元素MはNbとTaとを含み、前記Nbの質量α Nb と前記Taの質量α Ta との質量比α Ta /α Nb が5×10 -5 ≦α Ta /α Nb ≦3×10 -3 の範囲内にある酸化物を含む固体電解質材料。
[2] 前記金属元素MはTi,Zr,Ga,Ge,Si,Fe,及びPから成る群より選択される少なくとも1つの金属元素Mβをさらに含む、[1]に記載の固体電解質材料。
[3] 前記金属元素Mは前記金属元素MβのうちSi,Fe,及びPからなる群より選択される補助元素Mβ s を含み、前記Nbの元素存在比率E Nb に対する前記補助元素Mβ s の元素存在比率E βs の元素比率E βs /E Nb が、1×10 -4 以上5×10 -3 以下である、[2]に記載の固体電解質材料。
[4] 前記酸化物の結晶構造は、ペロブスカイト構造及びNASICON構造から成る群より選択される少なくとも1つを含む、[1]乃至[3]の何れか1つに記載の固体電解質材料。
[5] 前記酸化物は、前記ペロブスカイト構造を有し、一般式A(Mα 1-w Mβ w )O 3 で表されwは0≦w<1の範囲内にあり、AサイトにLiと空孔とを含み、Mαは前記Nbと前記Taとを含む、[4]に記載の固体電解質材料。
[6] 前記酸化物は、前記AサイトにLa,Sr,Mg,Na,K,及びCaから成る群より選択される少なくとも1つをさらに含む、[5]に記載の固体電解質材料。
[7] 前記酸化物は、前記NASICON構造を有し、前記NASICON構造は稜面体構造および単斜晶構造から成る群より選択される少なくとも1つを含み、前記酸化物は一般式Li x Mα y (Mβ 1-z z )(PO 4 ) 3 で表され、Mαは前記Nbと前記Taとを含み、DはCa,Sr,及びBaから成る群より選択される少なくとも1つであり、xは0<x≦2の範囲内にあり、yは0<y≦1の範囲内にあり、zは0≦z≦1の範囲内にある、[4]に記載の固体電解質材料。
[8] [1]乃至[7]の何れか1つに記載の固体電解質材料を具備する電極。
[9] リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質をさらに含む、[8]に記載の電極。
[10] リチウムイオンの挿入・脱離が可能な正極層と、
リチウムイオンの挿入・脱離が可能な負極層と、
リチウムイオンの伝導が可能なLi伝導層とを具備し、
前記正極層、前記負極層、及び前記Li伝導層のうち少なくとも一つの層は、[1]乃至[7]の何れか1つに記載の固体電解質材料を含む電池。
[11] 前記正極層と前記負極層と前記Li伝導層との少なくとも一つが前記固体電解質材料と有機電解質とを含んだ複合電解質を含み、前記複合電解質中の前記有機電解質の質量比率は0.1%以上20%以下である[10]に記載の電池。
[12] [10]又は[11]に記載の電池を具備する電池パック。
[13] 通電用の外部端子と、
保護回路と
をさらに含む、[12]に記載の電池パック。
[14] 複数の前記電池を具備し、
前記電池が直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、[12]又は[13]に記載の電池パック。
[15] [12]乃至[14]の何れか1つに記載の電池パックを搭載した車両。
[16] 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、[15]に記載の車両。
While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
The invention described in the original claims of the present application is appended below.
[1] Containing an octahedral coordination structure containing a metal element M and an oxygen atom arranged at the center of the metal element M, the metal element M containing Nb and Ta, the mass α Nb of the Nb and the Ta A solid electrolyte material containing an oxide having a mass ratio α Ta / α Nb to the mass α Ta of 5×10 −5 ≦α Ta Nb ≦3×10 −3 .
[2] The solid electrolyte material according to [1], wherein the metal element M further includes at least one metal element Mβ selected from the group consisting of Ti, Zr, Ga, Ge, Si, Fe, and P.
[3] The metal element M includes an auxiliary element Mβs selected from the group consisting of Si, Fe, and P among the metal elements Mβ, and the element of the auxiliary element Mβs relative to the element abundance ratio E Nb of the Nb The solid electrolyte material according to [2], wherein the element ratio E βs /E Nb of the abundance ratio E βs is 1×10 −4 or more and 5×10 −3 or less.
[4] The solid electrolyte material according to any one of [1] to [3], wherein the crystal structure of the oxide includes at least one selected from the group consisting of a perovskite structure and a NASICON structure.
[5] The oxide has the perovskite structure, is represented by the general formula A(Mα 1-w w )O 3 , w is in the range of 0≦w<1, and Li and vacancies are present at the A site. The solid electrolyte material according to [4], wherein Mα contains the Nb and the Ta.
[6] The solid electrolyte material according to [5], wherein the oxide further contains at least one selected from the group consisting of La, Sr, Mg, Na, K, and Ca at the A site.
[7] The oxide has the NASICON structure, the NASICON structure includes at least one selected from the group consisting of a rhombohedral structure and a monoclinic structure, and the oxide has the general formula Li x y (Mβ 1-z D z )(PO 4 ) 3 , where Mα includes Nb and Ta, D is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba, and x is within the range of 0<x≦2, y is within the range of 0<y≦1, and z is within the range of 0≦z≦1, the solid electrolyte material according to [4].
[8] An electrode comprising the solid electrolyte material according to any one of [1] to [7].
[9] The electrode according to [8], further comprising an active material capable of intercalating/deintercalating lithium ions.
[10] a positive electrode layer capable of intercalating and deintercalating lithium ions;
a negative electrode layer capable of intercalating and deintercalating lithium ions;
a Li conductive layer capable of conducting lithium ions;
A battery in which at least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer comprises the solid electrolyte material according to any one of [1] to [7].
[11] At least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer includes a composite electrolyte containing the solid electrolyte material and an organic electrolyte, and the mass ratio of the organic electrolyte in the composite electrolyte is 0.5. The battery according to [10], which is 1% or more and 20% or less.
[12] A battery pack comprising the battery according to [10] or [11].
[13] an external terminal for energization;
protection circuit and
The battery pack according to [12], further comprising:
[14] comprising a plurality of the batteries,
The battery pack of [12] or [13], wherein the batteries are electrically connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
[15] A vehicle equipped with the battery pack according to any one of [12] to [14].
[16] The vehicle according to [15], including a mechanism for converting kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.

1…Liイオン、2…酸素原子、3…Aサイトイオン、4…原子、5…MO八面体、6…八面サイト、7…四面サイト、8…負極端子、9…正極端子、10A,10B,10C…電極体、11…正極層、12…電解質層、13…負極層、14…集電体、21…バスバー、22…正極側リード、23…負極側リード、24…粘着テープ、31…収容容器、32…蓋、33…保護シート、34…プリント配線基板、35…配線、40…車両本体、41…車両用電源、42…電気制御装置、43…外部端子、44…インバータ、45…駆動モータ、100…電池、101…外装部材、121,121A,121B…無機固体粒子、122…有機電解質、123…複合電解質、200…組電池、200a…組電池、200b…組電池、200c…組電池、300…電池パック、300a…電池パック、300b…電池パック、300c…電池パック、301a…組電池監視装置、301b…組電池監視装置、301c…組電池監視装置、342…正極側コネクタ、343…負極側コネクタ、345…サーミスタ、346…保護回路、342a…配線、343a…配線、350…通電用の外部端子、352…正側端子、353…負側端子、348a…プラス側配線、348b…マイナス側配線、400…車両、411…電池管理装置、412…通信バス、413…正極端子、414…負極端子、415…スイッチ装置、416…電流検出部、417…負極入力端子、418…正極入力端子、L1…接続ライン、L2…接続ライン、W…駆動輪。 1 Li ion, 2 Oxygen atom, 3 A site ion, 4 Atom, 5 MO 6 octahedron, 6 Octahedral site, 7 Tetrahedral site, 8 Negative electrode terminal, 9 Positive electrode terminal, 10A, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10B, 10C... Electrode body 11... Positive electrode layer 12... Electrolyte layer 13... Negative electrode layer 14... Current collector 21... Bus bar 22... Positive electrode side lead 23... Negative electrode side lead 24... Adhesive tape 31 Container 32 Lid 33 Protective sheet 34 Printed wiring board 35 Wiring 40 Vehicle body 41 Vehicle power supply 42 Electric control device 43 External terminal 44 Inverter 45 Drive motor 100 Battery 101 Exterior member 121, 121A, 121B Inorganic solid particles 122 Organic electrolyte 123 Composite electrolyte 200 Assembled battery 200a Assembled battery 200b Assembled battery 200c Assembled battery 300 Battery pack 300a Battery pack 300b Battery pack 300c Battery pack 301a Assembled battery monitoring device 301b Assembled battery monitoring device 301c Assembled battery monitoring device 342 Positive connector 343 Negative connector 345 Thermistor 346 Protective circuit 342a Wiring 343a Wiring 350 External terminal for energization 352 Positive terminal 353 Negative terminal 348a Plus wiring 348b Negative side wiring 400 Vehicle 411 Battery management device 412 Communication bus 413 Positive electrode terminal 414 Negative electrode terminal 415 Switch device 416 Current detector 417 Negative input terminal 418 Positive electrode Input terminal, L1...connection line, L2...connection line, W...driving wheel.

Claims (12)

金属元素Mと前記金属元素Mを中心に配した酸素原子とを含む八面体配位構造を含み、前記金属元素Mは金属元素Mα又は前記金属元素Mαと金属元素Mβとを含み、前記金属元素MαはNbとTaとを含み、前記金属元素MβはTi,Zr,Ga,Ge,Si,Fe,及びPから成る群より選択される少なくとも1つを含み、前記Nbの質量αNbと前記Taの質量αTaとの質量比αTa/αNbが5×10-5≦αTa/αNb≦3×10-3の範囲内にある酸化物を含み、
前記酸化物の結晶構造は、ペロブスカイト構造及びNASICON構造から成る群より選択される少なくとも1つを含み、
前記ペロブスカイト構造を有する前記酸化物は一般式A(Mα 1-w Mβ w )O 3 で表されwは0≦w<1の範囲内にあり、AサイトにLiと空孔とを含み、
前記NASICON構造は稜面体構造および単斜晶構造から成る群より選択される少なくとも1つを含み、前記NASICON構造を有する前記酸化物は一般式Li x Mα y (Mβ 1-z z )(PO 4 ) 3 で表され、DはCa,Sr,及びBaから成る群より選択される少なくとも1つであり、xは0<x≦2の範囲内にあり、yは0<y≦1の範囲内にあり、zは0≦z≦1の範囲内にある、固体電解質材料。
It contains an octahedral coordination structure containing a metal element M and an oxygen atom centered on the metal element M, wherein the metal element M contains the metal element Mα or the metal element Mα and the metal element Mβ, and the metal element Mα contains Nb and Ta, the metal element Mβ contains at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ga, Ge, Si, Fe, and P, and the mass α of Nb and the Ta including an oxide having a mass ratio α TaNb to the mass α Ta of within the range of 5 × 10 -5 ≤ α TaNb3 × 10 -3 ,
The crystal structure of the oxide includes at least one selected from the group consisting of a perovskite structure and a NASICON structure,
The oxide having a perovskite structure is represented by the general formula A(Mα 1-w w )O 3 , w is in the range of 0≦w<1, and contains Li and vacancies at the A site,
The NASICON structure includes at least one selected from the group consisting of a rhombohedral structure and a monoclinic structure, and the oxide having the NASICON structure has the general formula Li x Mα y (Mβ 1 - z D z ) ( PO 4 ) represented by 3 , D is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba, x is in the range of 0<x≦2, and y is in the range of 0<y≦1 and z is in the range 0≦z≦1 .
前記金属元素Mは前記金属元素MβのうちSi,Fe,及びPからなる群より選択される補助元素Mβsを含み、前記Nbの元素存在比率ENbに対する前記補助元素Mβsの元素存在比率Eβsの元素比率Eβs/ENbが、1×10-4以上5×10-3以下である、請求項に記載の固体電解質材料。 The metal element M includes an auxiliary element Mβs selected from the group consisting of Si, Fe, and P among the metal elements Mβ, and the element abundance ratio E of the auxiliary element Mβs with respect to the element abundance ratio E Nb of Nb 2. The solid electrolyte material according to claim 1 , wherein the element ratio E βs /E Nb of βs is 1×10 −4 or more and 5×10 −3 or less. 前記酸化物は、前記ペロブスカイト構造を有し、前記AサイトにLa,Sr,Mg,Na,K,及びCaから成る群より選択される少なくとも1つをさらに含む、請求項1又は2に記載の固体電解質材料。 3. The oxide according to claim 1, wherein said oxide has said perovskite structure and further contains at least one selected from the group consisting of La, Sr, Mg, Na, K, and Ca at said A site . Solid electrolyte material. 請求項1乃至の何れか1項に記載の固体電解質材料を具備する電極。 An electrode comprising the solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3 . リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質をさらに含む、請求項に記載の電極。 5. The electrode according to claim 4 , further comprising an active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions. リチウムイオンの挿入・脱離が可能な正極層と、
リチウムイオンの挿入・脱離が可能な負極層と、
リチウムイオンの伝導が可能なLi伝導層とを具備し、
前記正極層、前記負極層、及び前記Li伝導層のうち少なくとも一つの層は、請求項1乃至の何れか1項に記載の固体電解質材料を含む電池。
a positive electrode layer capable of intercalating and deintercalating lithium ions;
a negative electrode layer capable of intercalating and deintercalating lithium ions;
a Li conductive layer capable of conducting lithium ions;
A battery, wherein at least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer comprises the solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3 .
前記正極層と前記負極層と前記Li伝導層との少なくとも一つが前記固体電解質材料と有機電解質とを含んだ複合電解質を含み、前記複合電解質中の前記有機電解質の質量比率は0.1%以上20%以下である請求項に記載の電池。 At least one of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the Li conductive layer includes a composite electrolyte containing the solid electrolyte material and an organic electrolyte, and the mass ratio of the organic electrolyte in the composite electrolyte is 0.1% or more. 7. The battery according to claim 6 , which is 20% or less. 請求項6又は7に記載の電池を具備する電池パック。 A battery pack comprising the battery according to claim 6 or 7 . 通電用の外部端子と、
保護回路と
をさらに含む、請求項に記載の電池パック。
an external terminal for energization;
9. The battery pack of claim 8 , further comprising: a protection circuit;
複数の前記電池を具備し、
前記電池が直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、請求項8又は9に記載の電池パック。
comprising a plurality of said batteries,
10. The battery pack of claim 8 or 9 , wherein the batteries are electrically connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
請求項9乃至10の何れか1項に記載の電池パックを搭載した車両。 A vehicle equipped with the battery pack according to any one of claims 9 to 10 . 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、請求項11に記載の車両。 12. The vehicle of claim 11 , including a mechanism for converting kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
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