JP7296302B2 - All-solid battery - Google Patents

All-solid battery Download PDF

Info

Publication number
JP7296302B2
JP7296302B2 JP2019200154A JP2019200154A JP7296302B2 JP 7296302 B2 JP7296302 B2 JP 7296302B2 JP 2019200154 A JP2019200154 A JP 2019200154A JP 2019200154 A JP2019200154 A JP 2019200154A JP 7296302 B2 JP7296302 B2 JP 7296302B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
active material
electrode active
solid electrolyte
negative electrode
material layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019200154A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021072261A (en
Inventor
善文 水野
寛之 和田
哲 高市
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Priority to JP2019200154A priority Critical patent/JP7296302B2/en
Publication of JP2021072261A publication Critical patent/JP2021072261A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7296302B2 publication Critical patent/JP7296302B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、全固体電池に関する。 The present invention relates to all-solid-state batteries.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is earnestly desired. In the automobile industry, expectations are gathering for the reduction of carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Development of electrolyte secondary batteries has been actively carried out.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for motor driving are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium-ion secondary batteries used in mobile phones, notebook computers, and the like. Therefore, lithium-ion secondary batteries, which have the highest theoretical energy among all practical batteries, have attracted attention and are being rapidly developed.

ここで、現在一般に普及しているリチウムイオン二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウムイオン二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Lithium ion secondary batteries, which are currently in widespread use, use a combustible organic electrolyte as an electrolyte. Such a liquid-type lithium ion secondary battery requires stricter safety measures against liquid leakage, short circuit, overcharge, etc. than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池等の全固体電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウムイオン二次電池においては、従来の液系リチウムイオン二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。正極活物質として硫黄単体(S)や硫化物系材料を用いた全固体リチウムイオン二次電池は、その有望な候補である。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid-state batteries such as all-solid-state lithium-ion secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes have been actively carried out. A solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid. Therefore, in all-solid-state lithium ion secondary batteries, in principle, various problems due to combustible organic electrolytes do not occur unlike conventional liquid-type lithium ion secondary batteries. In general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material can significantly improve the output density and energy density of the battery. All-solid-state lithium-ion secondary batteries using elemental sulfur (S) or sulfide-based materials as positive electrode active materials are promising candidates.

ここで、全固体電池を構成する固体電解質層は、液系電池を構成するセパレータとは異なり、塗布法や蒸着法といった手法によって正負極のいずれかの活物質層の表面に形成されることがある。このような手法により形成された固体電解質層は薄膜化が可能である。その結果、固体電解質層におけるオーミック抵抗が低減でき、かつ、セル容積も低減できることから、全固体電池の高出力化および高容量化に有利である。 Here, the solid electrolyte layer that constitutes the all-solid-state battery, unlike the separator that constitutes the liquid-based battery, can be formed on the surface of either the positive or negative electrode active material layer by a method such as a coating method or a vapor deposition method. be. A solid electrolyte layer formed by such a method can be thinned. As a result, the ohmic resistance in the solid electrolyte layer can be reduced, and the cell volume can also be reduced, which is advantageous for increasing the output and capacity of the all-solid-state battery.

一方、上述したような固体電解質層の形成手法によると、固体電解質層は自立膜として存在することができず、固体電解質層を形成する際の下地層となる正負極のいずれかの活物質層によって支持される必要がある。そのため、全固体電池を平面視した際に、固体電解質層の外周端は、下地層となる活物質層の外周端と一致することになる。 On the other hand, according to the method of forming the solid electrolyte layer as described above, the solid electrolyte layer cannot exist as a self-supporting film. must be endorsed by Therefore, when the all-solid-state battery is viewed from above, the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer coincides with the outer peripheral edge of the active material layer serving as the underlying layer.

ところで、リチウムイオン二次電池においては、その充電の進行に伴って負極電位が低下する。負極電位が低下して0V(vs. Li/Li+)を下回ると、負極において金属リチウムが析出してデンドライト(樹枝状)結晶が析出する(この現象を金属リチウムの電析とも称する)。特に、金属リチウムやリチウム含有合金を負極活物質として用いた全固体電池においては、金属リチウムの電析が充電反応そのものである。ここで、全固体電池において金属リチウムの電析が過剰に発生すると、析出したデンドライトが固体電解質層を貫通して電池の内部短絡が引き起こされる場合がある。 By the way, in a lithium ion secondary battery, the negative electrode potential decreases as the charging progresses. When the negative electrode potential drops below 0 V (vs. Li/Li+), metallic lithium precipitates on the negative electrode and dendrite (dendritic) crystals precipitate (this phenomenon is also referred to as metallic lithium electrodeposition). In particular, in an all-solid-state battery using metallic lithium or a lithium-containing alloy as a negative electrode active material, the electrodeposition of metallic lithium is the charging reaction itself. Here, when excessive electrodeposition of metallic lithium occurs in an all-solid-state battery, the deposited dendrite may penetrate the solid electrolyte layer and cause internal short-circuiting of the battery.

全固体電池におけるこのような金属リチウムの電析を防止することを目的として、例えば特許文献1には、固体電解質層と負極活物質層との界面を長期間にわたって安定化させて金属リチウムの電析に起因する内部短絡の発生を防止することを目的として、これらの層間にリチウムイオン伝導性を有し、かつ、負極活物質層と合金化しうる材料からなる犠牲層を設ける技術が開示されている。 For the purpose of preventing such electrodeposition of metallic lithium in an all-solid-state battery, for example, Patent Document 1 discloses that the interface between a solid electrolyte layer and a negative electrode active material layer is stabilized for a long period of time to allow the electrodeposition of metallic lithium. For the purpose of preventing the occurrence of an internal short circuit due to sedimentation, a technique has been disclosed in which a sacrificial layer is provided between these layers and is made of a material that has lithium ion conductivity and can be alloyed with the negative electrode active material layer. there is

米国特許出願公開第2018/0123181号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2018/0123181

ここで、特許文献1に開示されている技術では、固体電解質層と負極活物質層との間の接触抵抗を十分に低減させることができず、電池の内部抵抗が上昇してしまう場合がある。 Here, with the technique disclosed in Patent Document 1, the contact resistance between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer cannot be sufficiently reduced, and the internal resistance of the battery may increase. .

そこで本発明は、全固体電池において、固体電解質層と負極活物質層との間の接触抵抗の上昇を最小限に抑制し、電池の内部抵抗の上昇を防止しうる手段を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide means for minimizing the increase in contact resistance between a solid electrolyte layer and a negative electrode active material layer in an all-solid-state battery, thereby preventing an increase in the internal resistance of the battery. and

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、負極活物質として金属リチウムまたはリチウム含有合金を含み、固体電解質層が硫化物固体電解質を含む全固体電池において、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を含有し、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域を固体電解質層の負極活物質層側の表面に設けることにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. As a result, in an all-solid battery containing metallic lithium or a lithium-containing alloy as a negative electrode active material and a solid electrolyte layer containing a sulfide solid electrolyte, lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O) and the atomic ratio (O/S ratio) of oxygen (O) atoms to sulfur (S) atoms is greater than 0.4 and less than 0.8 on the surface of the solid electrolyte layer on the negative electrode active material layer side The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by providing .

すなわち、本発明の一形態によれば、正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、硫化物固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備える全固体電池が提供される。そして、当該固体電解質層は、前記負極活物質層側の表面の少なくとも一部に、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を含有し、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域を有する点に特徴がある。 That is, according to one aspect of the present invention, a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is disposed on the surface of the positive electrode current collector, and metallic lithium or a lithium-containing alloy is provided on the surface of the negative electrode current collector. and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a sulfide solid electrolyte. An all-solid-state battery comprising the element is provided. The solid electrolyte layer contains lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O) on at least part of the surface on the negative electrode active material layer side, and sulfur (S) atoms It is characterized in that it has a region in which the atomic ratio (O/S ratio) of oxygen (O) atoms with respect to is greater than 0.4 and less than 0.8.

本発明に係る全固体電池を構成する固体電解質層において、O/S比が0.4よりも大きく0.8未満である領域は、負極活物質層との接触抵抗が低く、しかもリチウムイオンとの濡れ性が良好であるために界面の均一化に寄与しうる。したがって、このような領域が固体電解質層の負極活物質層側の表面に存在することにより、固体電解質層と負極活物質層との間の接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗の上昇が防止されるという利点がある。 In the solid electrolyte layer constituting the all-solid-state battery according to the present invention, the region where the O / S ratio is greater than 0.4 and less than 0.8 has a low contact resistance with the negative electrode active material layer, and lithium ions. can contribute to the uniformity of the interface because of its good wettability. Therefore, the presence of such a region on the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer reduces the contact resistance between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer, preventing an increase in the internal resistance of the battery. has the advantage of being

図1は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である扁平積層型電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated battery that is one embodiment of an all-solid-state battery according to the present invention. 図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view along line 2-2 shown in FIG. 図3は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池(双極型二次電池)を模式的に表した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a bipolar all-solid-state lithium-ion secondary battery (bipolar secondary battery), which is an embodiment of the all-solid-state battery according to the present invention.

本発明の一形態は、正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、硫化物固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備え、前記固体電解質層が、前記負極活物質層側の表面の少なくとも一部に、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を含有し、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域を有する、全固体電池である。 One embodiment of the present invention includes a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is arranged on the surface of a positive electrode current collector, and a negative electrode active material layer containing metallic lithium or a lithium-containing alloy on the surface of the negative electrode current collector. A power generating element having a negative electrode on which a negative electrode active material layer containing a substance is arranged, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a sulfide solid electrolyte, The solid electrolyte layer contains lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O) on at least a part of the surface on the negative electrode active material layer side, and The all-solid battery has a region in which the atomic ratio of (O) atoms (O/S ratio) is greater than 0.4 and less than 0.8.

以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the embodiments of the present embodiment described above will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims and is not limited to the following embodiments. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

図1は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である扁平積層型電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でないリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係る全固体電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated battery that is one embodiment of an all-solid-state battery according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view along line 2-2 shown in FIG. By using a laminate type, the battery can be made compact and have a high capacity. In the present specification, a flat laminated non-bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a “laminated battery”) shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail as an example. However, when viewed from the electrical connection form (electrode structure) inside the all-solid-state battery according to this embodiment, both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries applicable.

図2に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板25、負極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、正極集電板25および負極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 2, the laminated battery 10a has a rectangular flat shape, and from both sides thereof, a positive collector plate 25 and a negative collector plate 27 for extracting electric power are pulled out. there is The power generation element 21 is wrapped by the battery exterior material (laminate film 29) of the laminated battery 10a, and the periphery thereof is heat-sealed. It is sealed in the pulled out state.

なお、本形態に係る全固体電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 In addition, the all-solid-state battery according to the present embodiment is not limited to a laminated flat shape. The wound-type all-solid-state battery may have a cylindrical shape, or may have a flat rectangular shape obtained by deforming such a cylindrical shape. It is not particularly limited. In the case of the cylindrical container, a laminate film may be used as the exterior material, or a conventional cylindrical can (metal can) may be used. Preferably, the power generation element is housed inside a laminate film containing aluminum. Weight reduction can be achieved by this configuration.

また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板25と負極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板25と負極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1および図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 In addition, there are no particular restrictions on how the collector plates (25, 27) shown in FIG. 1 can be taken out. The positive current collecting plate 25 and the negative current collecting plate 27 may be pulled out from the same side, or the positive current collecting plate 25 and the negative current collecting plate 27 may be divided into a plurality of pieces and pulled out from each side. It is not limited to those shown in FIGS. 1 and 2, such as good. In a wound type lithium ion battery, terminals may be formed using, for example, cylindrical cans (metal cans) instead of tabs.

図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。本実施形態において、固体電解質層17は、硫化物固体電解質の1種であるLiPSを含んでいる。正極は、正極集電体11’の両面に正極活物質を含有する正極活物質層13が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11”の両面に負極活物質(ここでは、金属リチウム)を含有する負極活物質層15が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in FIG. 2, the laminate type battery 10a of the present embodiment has a structure in which a flat and substantially rectangular power generation element 21 in which charge/discharge reactions actually progress is sealed inside a laminate film 29 that is a battery exterior material. have Here, the power generation element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are laminated. In this embodiment, the solid electrolyte layer 17 contains Li 3 PS 4 which is one type of sulfide solid electrolyte. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 13 containing a positive electrode active material are arranged on both sides of a positive electrode current collector 11'. The negative electrode has a structure in which negative electrode active material layers 15 containing a negative electrode active material (here, metallic lithium) are arranged on both sides of a negative electrode current collector 11 ″. Specifically, one positive electrode active material layer 13 . The positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in this order such that the adjacent negative electrode active material layer 15 faces the solid electrolyte layer 17. As a result, the adjacent positive electrode and solid electrolyte The layer and the negative electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in Fig. 2 has a configuration in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. It can be said that

図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the positive electrode active material layer 13 is arranged only on one side of each of the outermost positive electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21, but the active material layer is provided on both sides. may be That is, a current collector having active material layers on both sides may be used as it is as the current collector for the outermost layer, instead of using the current collector exclusively for the outermost layer having the active material layer on only one side.

正極集電体11および負極集電体12は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板(タブ)25および負極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25および負極集電板27はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11および負極集電体13に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 are respectively attached with a positive electrode current collector plate (tab) 25 and a negative electrode current collector plate (tab) 27 electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode). It has a structure in which it is pulled out of the laminate film 29 so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29 . The positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 13 of each electrode via the positive electrode lead and the negative electrode lead (not shown), respectively, as required. or resistance welding.

上述したように、固体電解質層17は、硫化物固体電解質の1種であるLiPSを含んでいるが、本実施形態においては、固体電解質層17を構成するLiPSの組成(具体的には、O/S比)が特定の組成に制御されている(なお、この「特定の組成」の詳細については、後述する)。これにより、固体電解質層と負極活物質層との間の接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗の上昇が防止されるという利点が得られる。 As described above , the solid electrolyte layer 17 contains Li 3 PS 4 which is a type of sulfide solid electrolyte . Specifically, the O/S ratio) is controlled to a specific composition (details of this "specific composition" will be described later). As a result, the contact resistance between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer is reduced, and an advantage of preventing an increase in the internal resistance of the battery is obtained.

なお、本実施形態に係る積層型電池10aにおいて、固体電解質層17の外周端は、平面視した際に、正極活物質層13の外周端と一致するように配置されている。このような構成は、固体電解質層17を塗布法や蒸着法といった手法によって正極活物質層13の表面に形成すると得られる。ここでは、正極集電体11’の外周端もまた、その一部が外側へ向かって延在されて正極集電板25と電気的に接続される部位を除き、平面視した際に、固体電解質層17(および正極活物質層13)の外周端と一致するように配置されている。 In addition, in the laminated battery 10a according to the present embodiment, the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer 17 is arranged so as to match the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer 13 when viewed from above. Such a configuration can be obtained by forming the solid electrolyte layer 17 on the surface of the positive electrode active material layer 13 by a technique such as coating or vapor deposition. Here, the outer peripheral end of the positive electrode current collector 11 ′ also has a solid state in plan view, except for a portion that extends outward and is electrically connected to the positive electrode current collector plate 25 . It is arranged so as to match the outer peripheral edge of the electrolyte layer 17 (and the positive electrode active material layer 13).

上述したように、本実施形態においては、固体電解質層17を構成するLiPSの組成(具体的には、O/S比)が特定の組成に制御されている。すなわち、固体電解質層17は、負極活物質層15側の表面の全体にわたって、LiPSの組成(具体的には、O/S比)が特定の組成に制御されている。その結果、負極活物質層15の外周端は、平面視した際に、LiPSの組成(具体的には、O/S比)が特定の組成に制御されている領域に含まれている。このような構成とすることにより、負極活物質層15の露出表面の全面が、固体電解質層との間で優れた界面接触状態を示すこととなり、電池の内部抵抗の低減に有効に寄与しうる。さらに、本実施形態に係る積層型電池10aにおいて、負極活物質層15の外周端は、その全周にわたって固体電解質層17の外周端より内側に位置している。その結果として、平面視した際に、負極活物質層15の外周端は、固体電解質層17においてO/S比が特定の組成に制御された領域に含まれていることになる。このような構成とすることで、充放電に関与する負極活物質層15の全面が固体電解質層17との間で良好な界面を形成して接触抵抗を低減することに寄与することができる。 As described above, in this embodiment, the composition (specifically, the O/S ratio) of Li 3 PS 4 forming the solid electrolyte layer 17 is controlled to a specific composition. That is, the composition of Li 3 PS 4 (specifically, the O/S ratio) is controlled to a specific composition over the entire surface of the solid electrolyte layer 17 on the negative electrode active material layer 15 side. As a result, the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer 15 is included in a region where the composition of Li 3 PS 4 (specifically, the O/S ratio) is controlled to a specific composition when viewed from above. there is With such a structure, the entire exposed surface of the negative electrode active material layer 15 exhibits excellent interfacial contact with the solid electrolyte layer, which can effectively contribute to the reduction of the internal resistance of the battery. . Furthermore, in the laminate type battery 10a according to the present embodiment, the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer 15 is positioned inside the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer 17 over the entire circumference. As a result, when viewed from above, the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer 15 is included in the region in which the O/S ratio is controlled to a specific composition in the solid electrolyte layer 17 . With such a configuration, the entire surface of the negative electrode active material layer 15 involved in charge/discharge forms a good interface with the solid electrolyte layer 17, which can contribute to reducing the contact resistance.

以下、本形態に係る全固体電池の主要な構成部材について説明する。 Main constituent members of the all-solid-state battery according to the present embodiment will be described below.

[集電体]
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating transfer of electrons from one surface in contact with the positive electrode active material layer to the other surface in contact with the negative electrode active material layer. There are no particular restrictions on the material that constitutes the current collector. As the constituent material of the current collector, for example, a metal or a conductive resin can be used.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or the like may be used. Alternatively, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among them, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoint of electronic conductivity, battery operating potential, adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering, and the like.

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 As the latter conductive resin, a resin obtained by adding a conductive filler to a non-conductive polymeric material as necessary can be used.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymer materials include polyethylene (PE; high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), and polyimide. (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethylacrylate (PMA), polymethylmethacrylate (PMMA) , polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials can have excellent electrical potential or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 Conductive fillers may be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin serving as the base material of the current collector consists of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably essential in order to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(商標登録)、ブラックパール(商標登録)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(商標登録)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 Any electrically conductive filler can be used without particular limitation. Examples of materials having excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties include metals and conductive carbon. The metal is not particularly limited, but includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or these metals. It preferably contains alloys or metal oxides. Also, the conductive carbon is not particularly limited. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjenblack (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. At least one type is included.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally 5 to 80% by mass with respect to 100% by mass of the total mass of the current collector. is.

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. Moreover, from the viewpoint of blocking movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector.

[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含む。本発明において、負極活物質は、金属リチウム単体(Li)またはリチウム含有合金を必須に含む。これらの負極活物質の種類としては、特に制限されないが、リチウム含有合金としては、例えば、リチウムと、リチウムと合金化しうる材料の少なくとも1種との合金が挙げられる。ここで、リチウムと合金化しうる材料としては、例えば、Si、Au、In、Ge、Sn、Pb、Al、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できる観点から、リチウムと合金化しうる材料は、Si、Au、In、Ge、Sn、Pb、AlおよびZnからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましく、Si、AuまたはInを含むことがより好ましい。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、金属リチウムまたはリチウム含有合金を必須に含むのであれば、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. In the present invention, the negative electrode active material essentially contains metallic lithium (Li) or a lithium-containing alloy. The types of these negative electrode active materials are not particularly limited, but lithium-containing alloys include, for example, alloys of lithium and at least one material that can be alloyed with lithium. Examples of materials that can be alloyed with lithium include Si, Au, In, Ge, Sn, Pb, Al, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl and the like. Among these, the material that can be alloyed with lithium is at least one selected from the group consisting of Si, Au, In, Ge, Sn, Pb, Al and Zn, from the viewpoint of constructing a battery with excellent capacity and energy density. It preferably contains a seed element, more preferably Si, Au or In. In some cases, two or more kinds of negative electrode active materials may be used together. Needless to say, negative electrode active materials other than those described above may be used as long as they essentially contain metallic lithium or a lithium-containing alloy.

負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられるが、薄膜状であることが好ましい。なお、負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the negative electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like, and thin film is preferred. When the negative electrode active material is in the form of particles, the average particle size (D 50 ) thereof is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and even more preferably. is in the range from 100 nm to 20 μm, particularly preferably in the range from 1 to 20 μm. In addition, in this specification, the value of the average particle diameter ( D50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited. more preferred.

負極活物質層は、固体電解質をさらに含んでもよい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer may further contain a solid electrolyte. By including the solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ion conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, and sulfide solid electrolytes are preferred.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPS4、LiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of sulfide solid electrolytes include LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 SP 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , LiI - Li3PS4 , LiI - LiBr - Li3PS4 , Li3PS4 , Li2SP2S5 , Li2SP2S5 -LiI , Li2SP2S5- Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 —Li 2 O—LiI, Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—SiS 2 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —LiBr, Li 2 S—SiS 2 -LiCl, Li2S - SiS2 - B2S3 - LiI , Li2S - SiS2 - P2S5 -LiI, Li2S - B2S3 , Li2SP2S5 - Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn and Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers and M is any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga and In), and the like. . The description of “Li 2 SP 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、LiS-Pを主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI--Li 3 PS 4 , LiI--LiBr--Li 3 PS 4 and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li—P—S solid electrolytes called LPS (eg, Li 7 P 3 S 11 ). As the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing the element P, and more preferably a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogens (F, Cl, Br, I).

また、硫化物固体電解質がLiS-P系である場合、LiSおよびPの割合は、モル比で、LiS:P=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLiS:P=70:30~80:20であることが好ましい。 When the sulfide solid electrolyte is Li 2 S—P 2 S 5 system, the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is Li 2 S:P 2 S 5 =50:50 to 100. :0, and more preferably Li 2 S:P 2 S 5 =70:30 to 80:20.

また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by subjecting the raw material composition to mechanical milling (such as a ball mill). Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Further, the ionic conductivity (eg, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25° C.) is, for example, preferably 1×10 −5 S/cm or more, and 1×10 −4 S/cm or more. cm or more is more preferable. Incidentally, the value of the ionic conductivity of the solid electrolyte can be measured by the AC impedance method.

酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlTi2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LAGP) and general formula Li 1+x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LATP) and the like. Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (e.g., , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and the like.

固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the solid electrolyte include particle shapes such as spherical and ellipsoidal shapes, and thin film shapes. When the solid electrolyte is in the form of particles, the average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle diameter (D 50 ) is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more.

負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、0~60質量%の範囲内であることが好ましく、0~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 0 to 60% by mass, more preferably in the range of 0 to 50% by mass.

負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive aid and a binder in addition to the negative electrode active material and solid electrolyte described above.

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商標登録)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive aids include metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys containing these metals, or metal oxides; carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, activated carbon fiber, etc.), carbon nanotubes (CNT), carbon black (specifically, acetylene black, Ketjenblack (registered trademark) , furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.), but are not limited thereto. In addition, a particulate ceramic material or resin material coated with the above metal material by plating or the like can also be used as a conductive aid. Among these conductive aids, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon. , silver, gold, and carbon, and more preferably at least one carbon. These conductive aids may be used alone or in combination of two or more.

導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The shape of the conductive aid is preferably particulate or fibrous. When the conductive agent is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be powdery, spherical, rod-like, needle-like, plate-like, columnar, amorphous, scaly, spindle-like, or the like. I don't mind.

導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle size (primary particle size) of the conductive additive in the form of particles is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive aid" means the maximum distance L among the distances between any two points on the outline of the conductive aid. The value of the "average particle size of the conductive aid" is the particle size of particles observed in several to several tens of fields using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). shall be calculated as the average value of

負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive agent, the content of the conductive agent in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10% by mass with respect to the total mass of the negative electrode active material layer. , more preferably 2 to 8% by mass, more preferably 4 to 7% by mass. Within such a range, it becomes possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, which can effectively contribute to the improvement of battery characteristics.

一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, the binder is not particularly limited, but includes, for example, the following materials.

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and hydrogenated products thereof , thermoplastic polymers such as styrene/isoprene/styrene block copolymers and their hydrogenated products, tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA) , ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), fluorine resins such as polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber ( VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluororubber (VDF-CTFE fluororubber) and other vinylidene fluoride fluororubbers, and epoxy resins. Among them, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

負極活物質層の好ましい実施形態の1つは、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む第1活物質層と、リチウムと合金化しうる材料を含む第2活物質層とを有し、前記第2活物質層が前記固体電解質層と前記第1活物質層との間に配置されている形態である。このような構成とすることにより、負極活物質層の容量の低下を最小限に抑制しつつ、固体電解質層への金属リチウムのデンドライトの成長による短絡の発生を防止することができる。ここで、リチウムと合金化しうる材料の具体例および好ましい形態については、上述した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。 One preferred embodiment of the negative electrode active material layer has a first active material layer containing metallic lithium or a lithium-containing alloy, and a second active material layer containing a material that can be alloyed with lithium. A material layer is disposed between the solid electrolyte layer and the first active material layer. With such a configuration, it is possible to minimize the decrease in the capacity of the negative electrode active material layer and prevent the occurrence of a short circuit due to the growth of metallic lithium dendrites in the solid electrolyte layer. Here, specific examples and preferred forms of the material that can be alloyed with lithium are as described above, and detailed description thereof will be omitted here.

負極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 Although the thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, it is preferably in the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(Li~LiSの各化合物のいずれか)が好ましく用いられる。ここで例えば、硫黄単体(S)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。この場合、全固体電池が充電状態で提供される場合には、正極活物質として硫黄単体(S)を含む。また、全固体電池が放電状態で提供される場合には、正極活物質としてリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi~LiSの各化合物のいずれか)を含有する。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The type of the positive electrode active material is not particularly limited, but elemental sulfur (S 8 ) or a reduction product of sulfur containing lithium (any of Li 2 S 8 to Li 2 S compounds) is preferably used. Here, for example, elemental sulfur (S 8 ) has an extremely large theoretical capacity of about 1670 mAh/g, and has the advantage of being low cost and abundant as a resource. In this case, when the all-solid-state battery is provided in a charged state, elemental sulfur (S 8 ) is included as the positive electrode active material. In addition, when the all-solid-state battery is provided in a discharged state, the positive electrode active material contains a reduction product of sulfur containing lithium (any of the compounds of Li 2 S 8 to Li 2 S described above). .

なお、正極活物質層は、上述した硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi~LiSの各化合物のいずれか)以外の正極活物質を含んでもよい。ただし、正極活物質層に含まれる正極活物質に占める硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物の割合は、好ましくは50~100質量%であり、より好ましくは80~100質量%であり、さらに好ましくは90~100質量%であり、いっそう好ましくは95~100質量%であり、特に好ましくは98~100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material other than the above-described elemental sulfur (S 8 ) or a reduction product of sulfur containing lithium (any of the compounds of Li 2 S 8 to Li 2 S described above). may contain. However, the ratio of the sulfur element or the reduction product of sulfur containing lithium to the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is preferably 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass. , More preferably 90 to 100% by mass, still more preferably 95 to 100% by mass, particularly preferably 98 to 100% by mass, most preferably 100% by mass.

硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物以外の正極活物質としては、例えば、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。また、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、NiS、NiS、CuS、FeS、MoS、MoS等の無機硫黄化合物も用いられうる。さらに、硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Positive electrode active materials other than elemental sulfur or reduction products of sulfur containing lithium include, for example, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile and sulfur-modified polyisoprene represented by compounds described in WO 2010/044437 pamphlet. , rubeanic acid (dithiooxamide), carbon polysulfide, and the like. Inorganic sulfur compounds such as S-carbon composites, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , MoS 2 and MoS 3 can also be used. Furthermore, examples of positive electrode active materials containing no sulfur include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li(Ni—Mn—Co)O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi spinel-type active materials such as 0.5Mn1.5O4 ; olivine-type active materials such as LiFePO4 and LiMnPO4 ; and Si-containing active materials such as Li2FeSiO4 and Li2MnSiO4 . As an oxide active material other than the above, for example, Li 4 Ti 5 O 12 can be mentioned. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used together. It goes without saying that positive electrode active materials other than those described above may be used.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like. When the positive electrode active material is in the form of particles, its average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, and still more preferably 100 nm. to 20 μm, particularly preferably 1 to 20 μm. In addition, in this specification, the value of the average particle diameter ( D50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited. more preferred.

正極活物質層もまた、負極活物質層と同様に導電助剤および/またはバインダをさらに含んでもよい。 The positive electrode active material layer may also further contain a conductive aid and/or a binder, similar to the negative electrode active material layer.

[固体電解質層]
本形態に係る全固体電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。また、本形態に係る全固体電池の固体電解質層は、硫化物固体電解質を必須に含むが、その他の固体電解質を含んでもよい。ただし、固体電解質層に含まれる固体電解質に占める硫化物固体電解質の割合は、好ましくは50~100質量%であり、より好ましくは80~100質量%であり、さらに好ましくは90~100質量%であり、いっそう好ましくは95~100質量%であり、特に好ましくは98~100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。なお、固体電解質層に含有される硫化物固体電解質およびその他の固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer of the all-solid-state battery according to the present embodiment is a layer containing a solid electrolyte as a main component and interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer described above. Moreover, the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery according to the present embodiment essentially contains a sulfide solid electrolyte, but may contain other solid electrolytes. However, the proportion of the sulfide solid electrolyte in the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is preferably 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, and still more preferably 90 to 100% by mass. Yes, more preferably 95 to 100% by mass, particularly preferably 98 to 100% by mass, most preferably 100% by mass. Since the specific forms of the sulfide solid electrolyte and other solid electrolytes contained in the solid electrolyte layer are the same as those described above, detailed description thereof is omitted here.

固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100% by mass, more preferably in the range of 50 to 100% by mass, and in the range of 90 to 100% by mass. is more preferable.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. Since the specific form of the binder that can be contained in the solid electrolyte layer is the same as described above, detailed description is omitted here.

固体電解質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、1~1000μmの範囲内であることが好ましく、10~300μmの範囲内であることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery.

(O/S比が制御された領域)
上述したように、本形態に係る全固体電池において、固体電解質層17を構成するLiPSの組成(具体的には、O/S比)が特定の組成に制御されている。具体的に、本実施形態において、固体電解質層17を構成する固体電解質は、LiPSをベースとするものである。ただし、硫化物固体電解質は一般に製造の過程においてある程度の量の酸素(O)原子を不可避的に含むようになっている。このため、固体電解質層17を構成する固体電解質は、リチウム(Li)、リン(P)および硫黄(S)に加えて、酸素(O)原子をも不可避的に含有している。すなわち、本形態に係る全固体電池において、固体電解質層17は、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を必須に含有するものである。そして、図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池10aにおいて、固体電解質層17を構成する固体電解質は、その全体において、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満とされている。なお、本実施形態のように固体電解質の全体においてO/S比がこの範囲内の値とされていてもよいが、固体電解質の全体におけるO/S比がこの範囲内の値である必要はない。この場合、固体電解質層の負極活物質層側の表面の少なくとも一部に、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域が存在していればよい。なお、O/S比の値は、好ましくは0.4超0.75以下であり、より好ましくは0.4超0.7以下である。
(Region where O/S ratio is controlled)
As described above, in the all-solid-state battery according to this embodiment, the composition (specifically, the O/S ratio) of Li 3 PS 4 constituting the solid electrolyte layer 17 is controlled to a specific composition. Specifically, in this embodiment, the solid electrolyte forming the solid electrolyte layer 17 is based on Li 3 PS 4 . However, sulfide solid electrolytes generally inevitably contain a certain amount of oxygen (O) atoms during the manufacturing process. Therefore, the solid electrolyte forming the solid electrolyte layer 17 inevitably contains oxygen (O) atoms in addition to lithium (Li), phosphorus (P) and sulfur (S). That is, in the all-solid-state battery according to this embodiment, the solid electrolyte layer 17 essentially contains lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O). In the stacked battery 10a according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 17 has an atomic ratio of oxygen (O) atoms to sulfur (S) atoms (O /S ratio) is greater than 0.4 and less than 0.8. Although the O/S ratio in the entire solid electrolyte may be set to a value within this range as in the present embodiment, the O/S ratio in the entire solid electrolyte need not be a value within this range. do not have. In this case, at least part of the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer has an atomic ratio of oxygen (O) atoms to sulfur (S) atoms (O/S ratio) greater than 0.4 and 0.8. It suffices if there is a region that is less than . The value of the O/S ratio is preferably more than 0.4 and 0.75 or less, more preferably more than 0.4 and 0.7 or less.

ここで、本発明者らの検討によれば、Li、P、SおよびOを含有し、上記O/S比が0.4よりも大きい硫化物固体電解質を固体電解質層に用いて電池の充放電試験を実施すると、O/S比が0.4以下である硫化物固体電解質を用いた場合と比較して、電流密度を一定としたときの平均充電電圧が小さくなることが判明した。このことは、オームの法則(V=I×R)に鑑みると、O/S比が0.4よりも大きい値となることで固体電解質における抵抗(リチウムイオンの拡散抵抗)が減少しているものと推測される。このようにリチウムイオンの拡散抵抗が減少した領域を固体電解質層の負極活物質層側の表面に設けることで、これらの層間における接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗の低減に有効に寄与しうるものと考えられる。 Here, according to the studies of the present inventors, it is possible to charge a battery using a sulfide solid electrolyte containing Li, P, S and O and having an O/S ratio of greater than 0.4 for the solid electrolyte layer. A discharge test revealed that the average charge voltage at a constant current density was lower than when a sulfide solid electrolyte having an O/S ratio of 0.4 or less was used. In view of Ohm's law (V=I×R), this means that the resistance in the solid electrolyte (lithium ion diffusion resistance) decreases when the O/S ratio becomes a value greater than 0.4. It is assumed that By providing the region where the diffusion resistance of lithium ions is reduced in this way on the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer, the contact resistance between these layers is reduced, effectively contributing to the reduction of the internal resistance of the battery. It is considered to be possible.

同様に、本発明者らの検討によれば、Li、P、SおよびOを含有し、上記O/S比が0.8未満である硫化物固体電解質は金属リチウムに対する濡れ性に優れることが判明した。この事実は、O/S比を変化させた硫化物固体電解質の表面に対して、真空蒸着法によって金属リチウムの薄膜を形成しようと試みた結果、O/S比が0.8以上となると薄膜の形成ができなかったことにより見出された。このように金属リチウムに対する濡れ性が改善された領域を固体電解質層の負極活物質層側の表面に設けることで、やはりこれらの層間における接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗の低減に有効に寄与しうるものと考えられる。 Similarly, according to the studies of the present inventors, the sulfide solid electrolyte containing Li, P, S and O and having an O/S ratio of less than 0.8 has excellent wettability to metallic lithium. found. As a result of attempting to form a thin film of metallic lithium by vacuum evaporation on the surface of a sulfide solid electrolyte with a varied O/S ratio, it was found that when the O/S ratio was 0.8 or more, the thin film It was found that the formation of By providing the region with improved wettability to metallic lithium in this way on the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer, the contact resistance between these layers is also reduced, which is effective in reducing the internal resistance of the battery. It is thought that it can contribute.

ここで、Li、P、SおよびOを含有し、上記O/S比が0.4よりも大きく0.8未満である硫化物固体電解質を得る手法について特に制限はなく、従来の技術常識が適宜参酌されうる。一例として、Li、PおよびSを含有する硫化物固体電解質(実際には不可避的に酸素(O)も含有している)に対するプレス処理の条件を調節するという手法が挙げられる。このような手法によれば、Li、PおよびS(並びにO)を含有する硫化物固体電解質におけるO/S比の値を制御することができる。このようなプレス処理の具体的な条件については特に制限はないが、例えば、酸素を含有する不活性ガス(例えば、アルゴン)の雰囲気下、室温付近の温度(例えば、0~100℃、好ましくは10~50℃)で、0.5分間~15分間、好ましくは1~10分間といった条件が挙げられる。ここで、プレス処理の際の加圧条件は、10~500MPa程度であればよく、好ましくは50~450MPaである。このようなプレス処理を固体電解質層の構成材料に対して施して固体電解質層を成形することにより、例えば図1および図2に示すように固体電解質層の全体におけるO/S比の値が制御された全固体電池を得ることができる。 Here, there is no particular limitation on the method of obtaining a sulfide solid electrolyte containing Li, P, S and O and having an O/S ratio of greater than 0.4 and less than 0.8, and conventional technical common sense It can be taken into consideration as appropriate. One example is a method of adjusting the press treatment conditions for a sulfide solid electrolyte containing Li, P and S (actually, it also inevitably contains oxygen (O)). According to such a method, the value of the O/S ratio in the sulfide solid electrolyte containing Li, P and S (and O) can be controlled. Specific conditions for such press treatment are not particularly limited. 10 to 50° C.) for 0.5 to 15 minutes, preferably 1 to 10 minutes. Here, the pressurizing condition for the press treatment may be about 10 to 500 MPa, preferably 50 to 450 MPa. By subjecting the constituent material of the solid electrolyte layer to such press treatment to form the solid electrolyte layer, the value of the O/S ratio in the entire solid electrolyte layer can be controlled as shown in FIGS. 1 and 2, for example. It is possible to obtain an all-solid-state battery.

一方、Li、PおよびSを含有する硫化物固体電解質(実際には不可避的に酸素(O)も含有している)を酸素含有雰囲気中に放置しておくと、当該固体電解質の表面は酸化され、表面近傍における酸素(O)の量が増大する。したがって、Li、PおよびSを含有する硫化物固体電解質(実際には不可避的に酸素(O)も含有している)の表面に対して、サンドペーパーや研磨機などを用いて研磨処理を施すと、表面に存在していた酸化被膜が除去され、その結果、固体電解質の表面近傍における酸素(O)の量が減少し、ひいては硫化物固体電解質の表面近傍におけるO/S比の値を減少させることができる。このような研磨処理を、その程度を調節しながら固体電解質層の負極活物質層側の表面に対して施すことにより、所望のO/S比を有する領域を固体電解質層の負極活物質層側の表面に設けることができる。なお、所望のO/S比を有する領域が設けられるように、これらの処理を複数回実施してもよいし、上述したプレス処理と研磨処理とを組み合わせて実施してもよい。 On the other hand, when a sulfide solid electrolyte containing Li, P and S (actually, inevitably also containing oxygen (O)) is left in an oxygen-containing atmosphere, the surface of the solid electrolyte is oxidized. and the amount of oxygen (O) near the surface increases. Therefore, the surface of the sulfide solid electrolyte containing Li, P and S (which inevitably also contains oxygen (O)) is polished using sandpaper, a polishing machine, or the like. As a result, the oxide film existing on the surface is removed, and as a result, the amount of oxygen (O) in the vicinity of the surface of the solid electrolyte is reduced, and the O/S ratio in the vicinity of the surface of the sulfide solid electrolyte is reduced. can be made By applying such polishing treatment to the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer while adjusting the degree of polishing, a region having a desired O/S ratio is polished to the negative electrode active material layer side of the solid electrolyte layer. can be provided on the surface of These treatments may be performed multiple times, or the above-described press treatment and polishing treatment may be performed in combination so that a region having a desired O/S ratio is provided.

また、プレス処理によって固体電解質層を作製する際に使用する治具の種類を適宜選択することによっても、O/S比を制御することが可能である。例えば、後述する実施例の欄において採用されているようなSLD鋼(日立金属工具鋼株式会社製)製スリーブと、両端に硬質クロムめっき処理を施したSLD鋼製ピンを用いてプレス処理を施すことによりO/S比を本願所定の範囲に制御することが可能である。この際、プレス処理を施す固体電解質の両端にSUS箔を挟んだ状態で同様にプレス処理を施すと、O/S比を小さめに制御することが可能である。なお、SLD鋼は、JISによるSKD-11に相当する合金鋼であり、ダイス鋼とも称される。このSLD鋼は炭素量1.4~1.6%の高炭素鋼であり、これに加えてクロム11~13%、バナジウム0.2~0.5%、モリブデン0.8~1.2%が基本組成である。 The O/S ratio can also be controlled by appropriately selecting the type of jig used when producing the solid electrolyte layer by press treatment. For example, press processing is performed using a sleeve made of SLD steel (manufactured by Hitachi Metals Tool Steel Co., Ltd.) and an SLD steel pin having hard chrome plating on both ends, which is used in the Examples section described later. Thus, it is possible to control the O/S ratio within the predetermined range of the present application. At this time, if the solid electrolyte to be press-treated is similarly press-treated with the SUS foil sandwiched between both ends, it is possible to control the O/S ratio to be small. SLD steel is an alloy steel corresponding to SKD-11 according to JIS, and is also called die steel. This SLD steel is a high carbon steel with a carbon content of 1.4-1.6%, in addition to this, chromium 11-13%, vanadium 0.2-0.5%, molybdenum 0.8-1.2% is the basic composition.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive collector plate and negative collector plate]
The material constituting the current collectors (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collectors for secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable as the constituent material of the current collector plate. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The same material or different materials may be used for the positive collector plate 25 and the negative collector plate 27 .

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11、12)と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive lead and negative lead]
Although not shown, the current collectors (11, 12) and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via a positive lead or a negative lead. Materials used in known lithium-ion secondary batteries can also be employed as the constituent materials of the positive and negative electrode leads. In addition, the parts taken out from the exterior should be heat-shrunk with heat-resistant insulation so that they do not come into contact with peripheral equipment or wiring and cause electric leakage and affect the product (for example, automobile parts, especially electronic equipment, etc.). Covering with a tube or the like is preferred.

[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and as shown in FIGS. 1 and 2, a bag-like case using a laminate film 29 containing aluminum that can cover the power generation element is used. can be The laminate film may be, for example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high power output and cooling performance and can be suitably used for batteries for large equipment for EV and HEV. Moreover, since the group pressure applied to the power generating element from the outside can be easily adjusted, the outer package is more preferably a laminate film containing aluminum.

図2に示す実施形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本実施形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to the embodiment shown in FIG. 2 has a structure in which a plurality of single cell layers are connected in parallel, so that it has a high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.

以上、全固体電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of the all-solid-state battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above-described embodiment, and can be appropriately modified based on the description of the claims. be.

例えば、本発明に係る全固体電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, as a type of battery to which the all-solid-state battery according to the present invention is applied, a positive electrode active material layer electrically coupled to one side of the current collector and a positive electrode active material layer electrically coupled to the opposite side of the current collector A bipolar battery including a bipolar electrode having a negative electrode active material layer with a

図3は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池(以下、単に「双極型二次電池」とも称する)を模式的に表した断面図である。図3に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。 FIG. 3 schematically shows a bipolar all-solid-state lithium-ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “bipolar secondary battery”), which is an embodiment of the all-solid-state battery according to the present invention. It is a cross-sectional view. A bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 3 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which charge/discharge reactions actually progress is sealed inside a laminate film 29 that is a battery exterior body.

図3に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、固体電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、固体電解質層17は、固体電解質が層状に成形されてなる構成を有する。また、固体電解質層17は、硫化物固体電解質の1種であるLiPSを含んでおり、かつ、固体電解質層17を構成するLiPSの組成(具体的には、O/S比)が上述した「特定の組成」に制御されている。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが固体電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および固体電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に固体電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 3, the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10b of the present embodiment has a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of the current collector 11, and the current collector 11 It has a plurality of bipolar electrodes 23 with a negative electrode active material layer 15 electrically coupled to the opposite surface. Each bipolar electrode 23 is laminated via the solid electrolyte layer 17 to form the power generation element 21 . In addition, the solid electrolyte layer 17 has a structure in which a solid electrolyte is formed into a layer. In addition, the solid electrolyte layer 17 contains Li 3 PS 4 which is a kind of sulfide solid electrolyte, and the composition of the Li 3 PS 4 constituting the solid electrolyte layer 17 (specifically, O/S ratio) is controlled to the "specific composition" described above. At this time, the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 face each other with the solid electrolyte layer 17 interposed therebetween. , bipolar electrodes 23 and solid electrolyte layers 17 are alternately stacked. That is, the solid electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23. It is

隣接する正極活物質層13、固体電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10bは、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 Adjacent positive electrode active material layer 13 , solid electrolyte layer 17 , and negative electrode active material layer 15 constitute one cell layer 19 . Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10b has a structure in which the cell layers 19 are stacked. The positive electrode active material layer 13 is formed only on one side of the outermost current collector 11 a on the positive electrode side located in the outermost layer of the power generating element 21 . In addition, the negative electrode active material layer 15 is formed only on one side of the outermost current collector 11b on the negative electrode side located in the outermost layer of the power generating element 21 .

さらに、図3に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 3, a positive electrode current collector plate (positive electrode tab) 25 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side, and this is extended to form the battery exterior. It is led out from the laminate film 29 . On the other hand, a negative electrode current collector plate (negative electrode tab) 27 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11 b on the negative electrode side, and is similarly extended to lead out from the laminate film 29 .

なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10bでは、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10bでも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 Note that the number of times the cell layers 19 are stacked is adjusted according to the desired voltage. Further, in the bipolar secondary battery 10b, the number of stacking of the cell layers 19 may be reduced if sufficient output can be secured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. In the bipolar secondary battery 10b as well, in order to prevent external shocks and environmental deterioration during use, the power generation element 21 is enclosed under reduced pressure in a laminate film 29, which is a battery outer body, and a positive electrode collector plate 25 and a negative electrode collector are enclosed. A structure in which the electric plate 27 is taken out of the laminate film 29 is preferable.

[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Assembled battery]
An assembled battery is an object configured by connecting a plurality of batteries. Specifically, at least two or more are used, and serialization or parallelization or both of them are used. By connecting in series and in parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.

電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A plurality of batteries can be connected in series or in parallel to form a small detachable assembled battery. Then, a plurality of these detachable small assembled batteries are further connected in series or in parallel to form a large-capacity, large-capacity battery suitable for a vehicle drive power supply or an auxiliary power supply that requires high volumetric energy density and high volumetric output density. An assembled battery with an output can also be formed. How many batteries are connected to make an assembled battery, and how many stages of small assembled batteries are stacked to make a large-capacity assembled battery, depends on the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) in which it is installed. It should be decided according to the output.

[車両]
本発明に係る全固体電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The all-solid-state battery according to the present invention maintains discharge capacity even after long-term use, and has good cycle characteristics. Furthermore, it has a high volumetric energy density. Vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles require higher capacity, larger size, and longer life compared to electrical and portable electronic equipment applications. . Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a power source for vehicles, for example, a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source.

具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, it is possible to configure a long-life battery with excellent long-term reliability and output characteristics, so when such a battery is installed, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving range and an electric vehicle with a long driving range per charge can be configured. . Batteries or assembled batteries made by combining a plurality of these, for example, in the case of automobiles, hybrid vehicles, fuel cell vehicles, electric vehicles (all four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, light vehicles, etc.) , two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles) will provide a long-lasting and highly reliable automobile. However, the application is not limited to automobiles, for example, it can be applied to various power sources for other vehicles, such as moving bodies such as trains, and power sources for installation such as uninterruptible power supplies. It can also be used as

[実験例1]
硫化物固体電解質(β-LiPS)を100mg秤量し、SLD鋼(日立金属工具鋼株式会社製、SKD-11相当鋼)製スリーブに入れ、両端を硬質CrめっきしたSLD製ピンで挟み、室温(25℃)にて390MPaの圧力で1分間プレスすることにより、本実験例の電解質ペレット(1)を得た。
[Experimental example 1]
100 mg of a sulfide solid electrolyte (β-Li 3 PS 4 ) was weighed, placed in a sleeve made of SLD steel (manufactured by Hitachi Metals Tool Steel Co., Ltd., steel equivalent to SKD-11), and sandwiched between SLD pins plated with hard Cr at both ends. , at room temperature (25°C) and a pressure of 390 MPa for 1 minute to obtain an electrolyte pellet (1) of this experimental example.

[実験例2]
上述した実験例1の手法によりプレスを行った後、さらに280℃にて90MPaの圧力で15分間ホットプレスすることにより、本実験例の電解質ペレット(2)を得た。
[Experimental example 2]
After pressing by the method of Experimental Example 1 described above, the electrolyte pellet (2) of this Experimental Example was obtained by further hot-pressing at 280° C. and a pressure of 90 MPa for 15 minutes.

[実験例3]
上述した実験例2の手法によりホットプレスを行った後、#600のサンドペーパーを用いてペレットの一方の表面に対して研磨処理を施すことにより、本実験例の電解質ペレット(3)を得た。
[Experimental example 3]
After hot pressing by the method of Experimental Example 2 described above, one surface of the pellet was polished using #600 sandpaper to obtain the electrolyte pellet (3) of this Experimental Example. .

[実験例4]
硫化物固体電解質(β-LiPS)を100mg秤量し、SLD製スリーブに入れ、両端をSUS箔で挟んだ状態で硬質CrめっきしたSLD製ピンで挟み、室温(25℃)にて390MPaの圧力で1分間プレスすることにより、本実験例の電解質ペレット(4)を得た。
[Experimental example 4]
100 mg of a sulfide solid electrolyte (β-Li 3 PS 4 ) was weighed, placed in an SLD sleeve, sandwiched between SUS foils at both ends, and sandwiched between hard Cr-plated SLD pins, and 390 MPa at room temperature (25 ° C.). The electrolyte pellet (4) of this experimental example was obtained by pressing for 1 minute at a pressure of .

[評価例]
(XPS法による電解質ペレットの表面組成の分析)
X線光電子分光(XPS)法により、上述した実験例1~4においてそれぞれ得られた電解質ペレット(1)~電解質ペレット(4)の表面組成を分析した。また、得られた分析結果から、硫黄(S)原子の量に対する酸素(O)原子の量の比率(原子比率)を算出した。結果を下記の表1に示す。なお、表1に示す表面組成のうち、実験例3において得られた電解質ペレット(3)の値は、研磨処理を施された側の表面の組成である。
[Evaluation example]
(Analysis of surface composition of electrolyte pellet by XPS method)
The surface compositions of the electrolyte pellets (1) to (4) obtained in Experimental Examples 1 to 4 were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Also, from the obtained analysis results, the ratio (atomic ratio) of the amount of oxygen (O) atoms to the amount of sulfur (S) atoms was calculated. The results are shown in Table 1 below. Among the surface compositions shown in Table 1, the value of the electrolyte pellet (3) obtained in Experimental Example 3 is the composition of the polished surface.

(真空蒸着法による金属薄膜の形成)
上述した実験例1~3においてそれぞれ得られた電解質ペレット(1)~電解質ペレット(4)の表面(電解質ペレット(3)では研磨処理を施された側の表面)に、真空蒸着法により、Au薄膜(厚み30nm)およびLi薄膜(厚み1μm)の2層の金属薄膜を形成することを試みた。その結果、電解質ペレット(1)、電解質ペレット(3)および電解質ペレット(4)の表面にはこれらの金属薄膜を形成することができたが、電解質ペレット(2)の表面にはこれらの金属薄膜を形成することはできなかった。これは、電解質ペレット(2)の表面のO/S比率が0.8以上と大きい値を示した結果、当該表面と金属(AuおよびLi)との濡れ性が悪化したことによるものと考えられる。
(Formation of metal thin film by vacuum deposition method)
Au An attempt was made to form two metal thin films, a thin film (thickness of 30 nm) and a Li thin film (thickness of 1 μm). As a result, these metal thin films could be formed on the surfaces of electrolyte pellet (1), electrolyte pellet (3) and electrolyte pellet (4), but these metal thin films were formed on the surface of electrolyte pellet (2). could not be formed. This is probably because the surface O/S ratio of the electrolyte pellet (2) showed a large value of 0.8 or more, and as a result, the wettability between the surface and the metals (Au and Li) deteriorated. .

(充放電試験;限界電流密度の測定)
以下の手法により、電解質ペレット(1)または電解質ペレット(3)を固体電解質層として用いた評価用セルを作製し、充放電試験を行った。
(Charging and discharging test; measurement of limiting current density)
An evaluation cell using the electrolyte pellet (1) or the electrolyte pellet (3) as a solid electrolyte layer was produced by the following method, and a charge/discharge test was performed.

電解質ペレットをマコール管(電池保護管)に封入し、両面にそれぞれ金属リチウム箔(厚み200μm)を貼り付けた。そして、各金属リチウム箔をSKD-11製のピンで挟むことにより、Li対称セルを作製した。なお、セル組み付け時の拘束圧は0.2MPaとした。 The electrolyte pellet was enclosed in a Macor tube (battery protection tube), and a metal lithium foil (thickness: 200 μm) was attached to both sides. Then, a Li symmetrical cell was produced by sandwiching each lithium metal foil with pins made of SKD-11. The confining pressure during cell assembly was set to 0.2 MPa.

このようにして作製されたLi対称セルを用い、60℃の測定温度にて、0.1~10mA/cmの範囲で電流密度を0.1mA/cmずつ変化させながら、1回ずつの充電および放電を1サイクルとして各電流密度において1サイクルずつの充放電試験を行った。そして、電流密度を大きくしても電池電圧が上昇しなくなった時点の電流密度(限界電流密度)を求めた。結果を下記の表1に示す。 Using the Li symmetric cell fabricated in this way, at a measurement temperature of 60 ° C., while changing the current density by 0.1 mA / cm in the range of 0.1 to 10 mA / cm A charge/discharge test was performed for each cycle at each current density, with charging and discharging as one cycle. Then, the current density (limiting current density) at which the battery voltage stopped increasing even when the current density was increased was determined. The results are shown in Table 1 below.

Figure 0007296302000001
Figure 0007296302000001

表1に示すように、電解質ペレット(3)を用いた実験例3においては、限界電流密度が0.3mA/cmと小さい値を示した。これは、電解質ペレット(3)の表面のO/S比率が0.4以下と小さい値を示した結果、電解質ペレットにおけるリチウムイオンの拡散抵抗が大きくなったことによるものと考えられる。 As shown in Table 1, in Experimental Example 3 using the electrolyte pellet (3), the limiting current density showed a small value of 0.3 mA/cm 2 . This is probably because the O/S ratio on the surface of the electrolyte pellet (3) showed a small value of 0.4 or less, and as a result, the diffusion resistance of lithium ions in the electrolyte pellet increased.

以上のことから、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を含有し、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域を固体電解質層の負極活物質層側の表面に設けることにより、固体電解質層と負極活物質層との間の接触抵抗の上昇が抑制され、電池の内部抵抗の上昇を防止することが可能となるものと期待される。 From the above, lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O) are contained, and the atomic ratio (O / S ratio) of oxygen (O) atoms to sulfur (S) atoms is 0 By providing the region larger than .4 and less than 0.8 on the surface of the solid electrolyte layer on the side of the negative electrode active material layer, an increase in the contact resistance between the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer is suppressed, and the battery It is expected that it will be possible to prevent an increase in the internal resistance of the

10 全固体リチウムイオン二次電池、
10a、50 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11’ 正極集電体、
11” 負極集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム。
10 all-solid lithium ion secondary battery,
10a, 50 stacked secondary battery,
10b bipolar secondary battery,
11 current collector,
11' positive electrode current collector,
11″ negative electrode current collector,
11a outermost current collector on the positive electrode side,
11b outermost current collector on the negative electrode side,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
23 bipolar electrodes,
25 positive collector plate (positive tab),
27 negative electrode current collector (negative electrode tab),
29 Laminate film.

Claims (6)

正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、
負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、硫化物固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記固体電解質層が、前記負極活物質層側の表面の少なくとも一部に、リチウム(Li)、リン(P)、硫黄(S)および酸素(O)を含有し、硫黄(S)原子に対する酸素(O)原子の原子比率(O/S比)が0.4よりも大きく0.8未満である領域を有する、全固体電池。
a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is arranged on the surface of a positive electrode current collector;
a negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material containing metallic lithium or a lithium-containing alloy is arranged on the surface of a negative electrode current collector;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and containing a sulfide solid electrolyte;
comprising a power generation element having
The solid electrolyte layer contains lithium (Li), phosphorus (P), sulfur (S) and oxygen (O) on at least a part of the surface on the negative electrode active material layer side, and An all-solid-state battery having a region in which the atomic ratio of (O) atoms (O/S ratio) is greater than 0.4 and less than 0.8.
前記固体電解質層は、前記負極活物質層側の表面の全体にわたって前記領域を有する、請求項1に記載の全固体電池。 2. The all-solid battery according to claim 1, wherein said solid electrolyte layer has said region over the entire surface on the side of said negative electrode active material layer. 平面視した際に、前記固体電解質層の外周端が前記正極活物質層の外周端と一致し、前記負極活物質層の外周端の少なくとも一部が前記固体電解質層の外周端より内側に位置する、請求項1または2に記載の全固体電池。 When viewed from above, the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer coincides with the outer peripheral edge of the positive electrode active material layer, and at least a portion of the outer peripheral edge of the negative electrode active material layer is located inside the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer. The all-solid-state battery according to claim 1 or 2. 平面視した際に、前記負極活物質層の外周端が前記領域に含まれている、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体電池。 4. The all-solid-state battery according to claim 1, wherein an outer peripheral edge of said negative electrode active material layer is included in said region when viewed from above. 前記負極活物質層は、
金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む第1活物質層と、
リチウムと合金化しうる材料を含む第2活物質層と、
を有し、前記第2活物質層が前記固体電解質層と前記第1活物質層との間に配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の全固体電池。
The negative electrode active material layer is
a first active material layer comprising metallic lithium or a lithium-containing alloy;
a second active material layer containing a material that can be alloyed with lithium;
, wherein the second active material layer is arranged between the solid electrolyte layer and the first active material layer.
全固体リチウムイオン二次電池である、請求項1~5のいずれか1項に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 5, which is an all-solid-state lithium ion secondary battery.
JP2019200154A 2019-11-01 2019-11-01 All-solid battery Active JP7296302B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019200154A JP7296302B2 (en) 2019-11-01 2019-11-01 All-solid battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019200154A JP7296302B2 (en) 2019-11-01 2019-11-01 All-solid battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021072261A JP2021072261A (en) 2021-05-06
JP7296302B2 true JP7296302B2 (en) 2023-06-22

Family

ID=75713448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019200154A Active JP7296302B2 (en) 2019-11-01 2019-11-01 All-solid battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7296302B2 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012094445A (en) 2010-10-28 2012-05-17 Toyota Motor Corp Sulfide solid electrolyte particle
WO2013141241A1 (en) 2012-03-23 2013-09-26 公立大学法人大阪府立大学 Solid-state electrolyte layer, and all-solid-state lithium secondary battery
JP2015065029A (en) 2013-09-25 2015-04-09 トヨタ自動車株式会社 All-solid battery
JP2019096610A (en) 2017-11-21 2019-06-20 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. All-solid type secondary battery and charging method thereof
JP2019192490A (en) 2018-04-25 2019-10-31 国立大学法人東京工業大学 Sulfide solid electrolyte and all-solid battery
JP2020115425A (en) 2019-01-17 2020-07-30 トヨタ自動車株式会社 Sulfide solid electrolyte particle and all-solid battery
JP2020114787A (en) 2019-01-17 2020-07-30 トヨタ自動車株式会社 Sulfide solid electrolyte particle and method for producing the same, and total solid content battery

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012094445A (en) 2010-10-28 2012-05-17 Toyota Motor Corp Sulfide solid electrolyte particle
WO2013141241A1 (en) 2012-03-23 2013-09-26 公立大学法人大阪府立大学 Solid-state electrolyte layer, and all-solid-state lithium secondary battery
JP2015065029A (en) 2013-09-25 2015-04-09 トヨタ自動車株式会社 All-solid battery
JP2019096610A (en) 2017-11-21 2019-06-20 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. All-solid type secondary battery and charging method thereof
JP2019192490A (en) 2018-04-25 2019-10-31 国立大学法人東京工業大学 Sulfide solid electrolyte and all-solid battery
JP2020115425A (en) 2019-01-17 2020-07-30 トヨタ自動車株式会社 Sulfide solid electrolyte particle and all-solid battery
JP2020114787A (en) 2019-01-17 2020-07-30 トヨタ自動車株式会社 Sulfide solid electrolyte particle and method for producing the same, and total solid content battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021072261A (en) 2021-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5957947B2 (en) Bipolar electrode and bipolar lithium ion secondary battery using the same
JP7274300B2 (en) All-solid battery
JP7274589B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery system and charger for all-solid-state lithium-ion secondary battery
JP2022114216A (en) lithium secondary battery
JP7386046B2 (en) All solid state battery
JP7398269B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery
JP7406982B2 (en) All-solid-state battery and its manufacturing method
JP7344724B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery system and charging device for all-solid-state lithium-ion secondary battery
JP7454336B2 (en) An all-solid-state lithium-ion secondary battery and its manufacturing method, an all-solid-state lithium-ion secondary battery system using the same, and a charging method for an all-solid-state lithium-ion secondary battery
JP7453765B2 (en) All solid state battery
JP7296302B2 (en) All-solid battery
JP7414520B2 (en) Electrodes for all-solid-state batteries
JP7398231B2 (en) All-solid-state battery system
JP7316886B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery system and SOC estimation device for all-solid-state lithium-ion secondary battery
JP2022115375A (en) Positive electrode material for electrical device, and positive electrode for electrical device using the same, and electrical device
JP7407014B2 (en) All-solid-state lithium-ion secondary battery
JP7248136B2 (en) Positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries
WO2023126674A1 (en) Method for charging secondary battery
JP7249885B2 (en) All solid state lithium ion secondary battery system and device and method for charging all solid state lithium ion secondary battery
WO2022069913A1 (en) Secondary battery
JP7249884B2 (en) All solid state lithium ion secondary battery system and device and method for charging all solid state lithium ion secondary battery
WO2021240194A1 (en) Secondary battery positive electrode
WO2023223065A1 (en) Secondary battery
JP2023119151A (en) All-solid battery
JP2023119150A (en) All-solid battery and method of manufacturing activated all-solid battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220802

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230414

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230516

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230612

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7296302

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150