JP7313236B2 - Negative electrodes for all-solid-state batteries and all-solid-state batteries - Google Patents

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Description

本発明は、出力特性に優れた全固体電池、および前記全固体電池を構成し得る全固体電池用負極に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an all-solid battery having excellent output characteristics, and an all-solid battery negative electrode that can constitute the all-solid battery.

近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型・軽量で、かつ高容量・高エネルギー密度の二次電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers, and the commercialization of electric vehicles, there is a growing need for secondary batteries that are compact, lightweight, and have high capacity and high energy density.

現在、この要求に応え得るリチウム二次電池、特にリチウムイオン二次電池では、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)などのリチウム含有複合酸化物が用いられ、負極活物質に黒鉛などが用いられ、非水電解質として有機溶媒とリチウム塩とを含む有機電解液が用いられている。 Currently, in lithium secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries, which can meet this demand, lithium-containing composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) are used as positive electrode active materials, graphite and the like are used as negative electrode active materials, and organic electrolyte solutions containing organic solvents and lithium salts are used as non-aqueous electrolytes.

そして、リチウムイオン二次電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン二次電池の更なる長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化が求められていると共に、長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化したリチウムイオン二次電池の信頼性も高く求められている。 With the further development of lithium-ion secondary battery application equipment, there is a demand for longer life, higher capacity, and higher energy density of lithium-ion secondary batteries.

しかし、リチウムイオン二次電池に用いられている有機電解液は、可燃性物質である有機溶媒を含んでいるため、電池に短絡などの異常事態が発生した際に、有機電解液が異常発熱する可能性がある。また、近年のリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化および有機電解液中の有機溶媒量の増加傾向に伴い、より一層リチウムイオン二次電池の信頼性が求められている。 However, since the organic electrolyte used in the lithium-ion secondary battery contains an organic solvent, which is a combustible substance, the organic electrolyte may generate abnormal heat when an abnormal situation such as a short circuit occurs in the battery. In addition, with the recent trends toward higher energy densities in lithium-ion secondary batteries and an increase in the amount of organic solvents in organic electrolytes, the reliability of lithium-ion secondary batteries is required to be even higher.

以上のような状況において、有機溶媒を用いない全固体型のリチウム二次電池(全固体電池)が注目されている。全固体電池は、従来の有機溶媒系電解質に代えて、有機溶媒を用いない固体電解質の成形体を用いるものであり、固体電解質の異常発熱の虞がなく、高い安全性を備えている。 Under the circumstances described above, an all-solid-state lithium secondary battery (all-solid-state battery) that does not use an organic solvent has attracted attention. The all-solid-state battery uses a molded body of a solid electrolyte that does not use an organic solvent instead of a conventional organic solvent-based electrolyte, and has a high degree of safety without the risk of abnormal heat generation of the solid electrolyte.

そして、全固体電池においても、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1には、チタン酸リチウムなどのチタン酸化物を負極活物質とし、ガラス電解質、およびセラミックス電解質またはガラスセラミックス電解質といった酸化物系の固体電解質を使用した全固体電池が提案されている。特許文献1では、前記構成の採用によって、全固体電池の放電電圧を高めることができ、また高エネルギー密度化を図ることができるとしている。 Various improvements have also been attempted in all-solid-state batteries. For example, Patent Document 1 proposes an all-solid-state battery that uses a titanium oxide such as lithium titanate as a negative electrode active material and uses an oxide-based solid electrolyte such as a glass electrolyte, a ceramics electrolyte, or a glass ceramics electrolyte. According to Patent Document 1, by adopting the above configuration, the discharge voltage of the all-solid-state battery can be increased, and the energy density can be increased.

ところで、チタン酸リチウムは電子伝導性が非常に低い材料であるため、これを負極活物質として使用するには、比較的多量の導電助剤を含有させて負極内での電子伝導性を高める必要がある。現に、特許文献1においては、負極活物質および固体電解質を含む負極材料中の導電助剤の好適含有量の上限値を、20質量%といった、かなり多い量としている。 By the way, since lithium titanate is a material with very low electronic conductivity, in order to use it as a negative electrode active material, it is necessary to increase the electronic conductivity in the negative electrode by incorporating a relatively large amount of conductive aid. In fact, in Patent Document 1, the upper limit of the preferable content of the conductive aid in the negative electrode material including the negative electrode active material and the solid electrolyte is set to a considerably large amount such as 20% by mass.

特開2018-190695号公報(特許請求の範囲、[0045]など)JP 2018-190695 A (Claims, [0045] etc.)

ところが、全固体電池の負極において、導電助剤量を多くして電子伝導性を高めても、想定しているような電池特性の向上が達成されず、特に出力特性(大電流放電時の容量)が損なわれてしまうことが、本発明者らの検討によって明らかとなった。 However, in the negative electrode of the all-solid-state battery, even if the amount of the conductive aid is increased to increase the electronic conductivity, the battery characteristics cannot be improved as expected, and in particular, the output characteristics (capacity during high-current discharge) are impaired.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力特性に優れた全固体電池、および前記全固体電池を構成し得る全固体電池用負極を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an all-solid battery having excellent output characteristics, and an all-solid battery negative electrode that can constitute the all-solid battery.

本発明の全固体電池用負極は、負極活物質、固体電解質および導電助剤を含有する負極合剤の成形体を有しており、前記負極活物質としてリチウムチタン酸化物を含有し、前記固体電解質として硫化物系固体電解質を含有し、前記負極合剤における前記導電助剤の含有量が、6.0~13.1体積%であるものである。 The negative electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive aid, contains lithium titanium oxide as the negative electrode active material, and contains a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte, and the content of the conductive aid in the negative electrode mixture is 6.0 to 13.1% by volume.

また、本発明の全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有し、前記負極として本発明の全固体電池用負極を有することを特徴とするものである。 Further, the all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and has the negative electrode for an all-solid-state battery of the present invention as the negative electrode.

本発明によれば、出力特性に優れた全固体電池、および前記全固体電池を構成し得る全固体電池用負極を提供するができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid battery having excellent output characteristics, and an all-solid battery negative electrode that can constitute the all-solid battery.

本発明の全固体電池の一例を模式的に表す断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which represents typically an example of the all-solid-state battery of this invention. 本発明の全固体電池の一例を模式的に表す平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a top view which represents typically an example of the all-solid-state battery of this invention. 図2のI-I線断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line II of FIG. 2; 実施例および比較例の全固体電池用負極を用いたモデルセルの導電率の評価結果を示すグラフである。4 is a graph showing the evaluation results of the electrical conductivity of model cells using the all-solid-state battery negative electrodes of Examples and Comparative Examples.

<全固体電池用負極>
本発明の全固体電池用負極(以下、単に「負極」という場合がある)は、負極活物質としてリチウムチタン酸化物を含有する負極合剤の成形体を有している。
<Negative electrode for all-solid-state battery>
The negative electrode for an all-solid-state battery of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "negative electrode") has a molded body of a negative electrode mixture containing lithium titanium oxide as a negative electrode active material.

前記の通り、電子伝導性が低いリチウムチタン酸化物を活物質として使用するために、負極中の導電助剤量を増やすと、全固体電池の出力特性が低下する。これは、導電助剤の粒子が比較的嵩高いため、導電助剤量が多くなると、負極合剤の成形体内の空隙の割合が増大するためである。有機電解液を有する電池の場合、負極合剤の成形体内の空隙が多いと、有機電解液が成形体の内部まで均一に浸透するため、負極内でのイオン伝導性が良好となる。しかしながら、全固体電池の負極の場合は、負極合剤の成形体内に存在する固体電解質によってイオン伝導を行うため、成形体内の空隙の割合が増大すると、リチウムチタン酸化物と固体電解質との接触が悪くなって、成形体内でのイオン伝導性が低下するためであると考えられる。また、導電助剤を増やすと電極層内の固体電解質の体積割合が減少するため、電極内部のイオン伝導性が低下してしまうことも、全固体電池の出力特性低下の一因として挙げられる。 As described above, if the amount of the conductive aid in the negative electrode is increased in order to use lithium titanium oxide with low electronic conductivity as the active material, the output characteristics of the all-solid-state battery will deteriorate. This is because the particles of the conductive additive are relatively bulky, and therefore, when the amount of the conductive additive increases, the proportion of voids in the molded negative electrode mixture increases. In the case of a battery containing an organic electrolyte, if there are many voids in the molded negative electrode mixture, the organic electrolyte will permeate uniformly into the molded body, resulting in good ionic conductivity in the negative electrode. However, in the case of the negative electrode of the all-solid-state battery, ion conduction is performed by the solid electrolyte present in the molded body of the negative electrode mixture. Therefore, if the proportion of voids in the molded body increases, the contact between the lithium titanium oxide and the solid electrolyte becomes poor, and the ionic conductivity in the molded body decreases. In addition, when the amount of the conductive aid is increased, the volume ratio of the solid electrolyte in the electrode layer is decreased, so that the ionic conductivity inside the electrode is decreased.

そこで、本発明の負極では、負極合剤の成形体に含有させる固体電解質として、特にイオン伝導性に優れる硫化物系固体電解質を使用することとし、さらに硫化物系固体電解質によって確保されるイオン伝導性を可及的に維持可能な導電助剤量を定めることで、イオン伝導性および電子伝導性双方のバランスを調整して、出力特性に優れた全固体電池を形成できるようにした。 Therefore, in the negative electrode of the present invention, a sulfide-based solid electrolyte having particularly excellent ionic conductivity is used as the solid electrolyte to be contained in the negative electrode mixture molded body. Furthermore, by determining the amount of the conductive aid that can maintain the ionic conductivity secured by the sulfide-based solid electrolyte as much as possible, the balance between both the ionic conductivity and the electronic conductivity can be adjusted, making it possible to form an all-solid-state battery with excellent output characteristics.

本発明の負極は、負極活物質であるリチウムチタン酸化物の粒子、固体電解質および導電助剤などを含む負極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる負極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の負極などが挙げられる。 The negative electrode of the present invention has a molded body of a negative electrode mixture containing particles of lithium titanium oxide, which is a negative electrode active material, a solid electrolyte, a conductive aid, and the like.

リチウムチタン酸化物としては、例えば、下記一般組成式(1)で表されるものが挙げられる。 Examples of lithium titanium oxides include those represented by the following general compositional formula (1).

Li[Li1/3-a Ti5/3-b ]O (1) Li[Li 1/3-a M 1 a Ti 5/3-b M 2 b ]O 4 (1)

前記一般組成式(1)中、Mは、Na、Mg、K、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Mは、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Ym、Zr、Nb、Mo、TaおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦a<1/3、0≦b≦2/3である。 In the general composition formula (1), M1 is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Sr and Ba, and M2 is at least one element selected from the group consisting of Al, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ym, Zr, Nb, Mo, Ta and W, where 0≦a<1/3 and 0≦b≦2/3.

すなわち、前記一般組成式(1)で表されるリチウムチタン酸化物においては、Liのサイトの一部が元素Mで置換されていてもよい。ただし、前記一般組成式(1)において、元素Mの比率を表すaは、1/3未満であることが好ましい。前記一般組成式(1)で表されるリチウムチタン酸化物において、Liは元素Mで置換されていなくてもよいため、元素Mの比率を表すaは0でもよい。 That is, in the lithium titanium oxide represented by the general composition formula (1), part of the Li sites may be substituted with the element M1 . However, in the general compositional formula (1), a representing the ratio of the element M1 is preferably less than 1/3. In the lithium titanium oxide represented by the general composition formula (1), Li may not be substituted with the element M1 , so a representing the ratio of the element M1 may be zero.

また、前記一般組成式(1)で表されるリチウムチタン酸化物において、元素Mはリチウムチタン酸化物の電子伝導性を高めるための成分であり、元素Mの比率を表すbが、0≦b≦2/3である場合には、その電子伝導性向上効果を良好に確保することができる。 In addition, in the lithium titanium oxide represented by the general composition formula (1), the element M2 is a component for increasing the electronic conductivity of the lithium titanium oxide, and when b representing the ratio of the element M2 is 0 ≤ b ≤ 2/3, the effect of improving the electronic conductivity can be satisfactorily secured.

負極活物質には、リチウムイオン二次電池などで使用されているリチウムチタン酸化物以外の負極活物質を、リチウムチタン酸化物とともに使用することもできる。ただし、負極活物質全量中のリチウムチタン酸化物以外の負極活物質の割合は、30質量%以下であることが好ましい。 For the negative electrode active material, a negative electrode active material other than the lithium titanium oxide used in lithium ion secondary batteries and the like can be used together with the lithium titanium oxide. However, the proportion of the negative electrode active material other than the lithium titanium oxide in the total amount of the negative electrode active material is preferably 30% by mass or less.

負極の固体電解質には、硫化物系固体電解質を使用する。硫化物系固体電解質は、全固体電池に使用可能な固体電解質の中でも特にイオン伝導性に優れており、これを使用することで、負極合剤の成形体内での導電助剤の含有量を後述する値とした場合に、成形体内のイオン伝導性と電子伝導性とのバランスを良好にすることができる。また、負極合剤に硫化物系固体電解質を含有させることで、その成形性が向上するため、負極合剤の成形体の生産性(すなわち、負極の生産性)を高めることもできる。 A sulfide-based solid electrolyte is used for the solid electrolyte of the negative electrode. A sulfide-based solid electrolyte has particularly excellent ionic conductivity among solid electrolytes that can be used in all-solid-state batteries, and by using this, it is possible to improve the balance between the ionic conductivity and the electronic conductivity in the molded body when the content of the conductive aid in the molded body of the negative electrode mixture is set to the value described later. In addition, by including the sulfide-based solid electrolyte in the negative electrode mixture, the moldability is improved, so that the productivity of the molded negative electrode mixture (that is, the productivity of the negative electrode) can be increased.

硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS-P、LiS-SiS、LiS-P-GeS、LiS-B系ガラスなどが挙げられる他、近年、リチウムイオン伝導性が高いものとして注目されているLi10GeP12(LGPS系)やLiPSCl(アルジロダイト系)も使用することができる。これらの中でも、特にリチウムイオン伝導性が高く、化学的に安定性の高いアルジロダイト系材料が好ましく用いられる。硫化物系固体電解質は、先に例示したもののうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of sulfide-based solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S--SiS 2 , Li 2 SP 2 S 5 -GeS 2 , and Li 2 S--B 2 S 3 -based glasses. 5 Cl (aldirodite series) can also be used. Among these, an aldirodite-based material having particularly high lithium ion conductivity and high chemical stability is preferably used. As the sulfide-based solid electrolyte, only one type of those exemplified above may be used, or two or more types may be used in combination.

負極には、硫化物系固体電解質のみを使用してもよいが、硫化物系固体電解質と共に他の固体電解質も使用することができる。硫化物系固体電解質と併用可能な固体電解質としては、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 Although only a sulfide-based solid electrolyte may be used for the negative electrode, other solid electrolytes can also be used together with the sulfide-based solid electrolyte. Solid electrolytes that can be used in combination with sulfide-based solid electrolytes include hydride-based solid electrolytes and oxide-based solid electrolytes.

水素化物系固体電解質としては、例えば、LiBH、LIBHと下記のアルカリ金属化合物との固溶体(例えば、LiBHとアルカリ金属化合物とのモル比が1:1~20:1のもの)などが挙げられる。前記固溶体におけるアルカリ金属化合物としては、ハロゲン化リチウム(LiI、LiBr、LiF、LiClなど)、ハロゲン化ルビジウム(RbI、RbBr、RbiF、RbClなど)、ハロゲン化セシウム(CsI、CsBr、CsF、CsClなど)、リチウムアミド、ルビジウムアミドおよびセシウムアミドよりなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。 Examples of hydride-based solid electrolytes include solid solutions of LiBH 4 , LIBH 4 and the following alkali metal compounds (for example, those having a molar ratio of LiBH 4 to the alkali metal compound of 1:1 to 20:1). Examples of the alkali metal compound in the solid solution include at least one selected from the group consisting of lithium halides (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halides (RbI, RbBr, RbiF, RbCl, etc.), cesium halides (CsI, CsBr, CsF, CsCl, etc.), lithium amide, rubidium amide and cesium amide.

酸化物系固体電解質としては、例えば、LiLaZr12、LiTi(PO、LiGe(PO、LiLaTiOなどが挙げられる。 Examples of oxide-based solid electrolytes include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi(PO 4 ) 3 , LiGe(PO 4 ) 3 and LiLaTiO 3 .

ただし、負極合剤に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましい。 However, the proportion of solid electrolytes other than sulfide-based solid electrolytes in the total amount of solid electrolytes used in the negative electrode mixture is preferably 30% by mass or less.

負極の導電助剤としては、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン(単層グラフェン、多層グラフェン)、カーボンナノチューブなどの高結晶性の炭素材料;カーボンブラックなどの低結晶性の炭素材料;などが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上をしようすることができる。これらの中でも、より嵩が小さく、負極合剤の成形体内で空隙を形成し難いことから、高結晶性の炭素材料が好ましく、黒鉛やグラフェンがより好ましく、グラフェンがさらに好ましい。 Examples of conductive aids for the negative electrode include highly crystalline carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene (single-layer graphene, multi-layer graphene) and carbon nanotubes; low crystallinity carbon materials such as carbon black; and the like, and one or more of these can be used. Among these, highly crystalline carbon materials are preferable, graphite and graphene are more preferable, and graphene is even more preferable, because they are less bulky and less likely to form voids in the molded negative electrode mixture.

負極合剤においては、導電助剤の含有量が、6体積%以上であり、8体積%以上であることが好ましく、また、13.1体積%以下であり、12体積%以下であることが好ましい。負極合剤中の導電助剤量を前記の値とすることで、硫化物系固体電解質の使用と相俟って、負極合剤の成形体内でのイオン伝導性と電子伝導性とをバランスよく確保することができ、出力特性に優れた全固体電池を形成可能な負極とすることができる。 In the negative electrode mixture, the content of the conductive aid is 6% by volume or more, preferably 8% by volume or more, and 13.1% by volume or less, preferably 12% by volume or less. By setting the amount of the conductive additive in the negative electrode mixture to the above value, coupled with the use of the sulfide-based solid electrolyte, it is possible to ensure well-balanced ionic conductivity and electronic conductivity in the negative electrode mixture molded body, and it is possible to obtain a negative electrode that can form an all-solid-state battery with excellent output characteristics.

負極合剤の成形体内でのイオン伝導性と電子伝導性とのバランスをより良好にするためには、前記チタン酸リチウムの体積を100としたとき、前記硫化物系固体電解質の体積が、20以上であることが好ましく、30以上であることがより好ましく、また、160以下であることが好ましく、150以下であることがより好ましく、かつ前記導電助剤の体積が、5以上であることが好ましく、10以上であることがより好ましく、また、35以下であることが好ましく、30以下であることがより好ましい。 In order to improve the balance between the ionic conductivity and the electronic conductivity in the molded negative electrode mixture, when the volume of the lithium titanate is 100, the volume of the sulfide-based solid electrolyte is preferably 20 or more, more preferably 30 or more, preferably 160 or less, more preferably 150 or less, and the volume of the conductive aid is preferably 5 or more, more preferably 10 or more, and 35 or less. Preferably, it is 30 or less.

なお、負極合剤においては、負極活物質の含有量は30~70体積%であることが好ましく、固体電解質の含有量は10~60体積%であることが好ましい。 In the negative electrode mixture, the content of the negative electrode active material is preferably 30 to 70% by volume, and the content of the solid electrolyte is preferably 10 to 60% by volume.

負極合剤には、バインダを含有させてもよく、含有させなくてもよい。負極合剤にバインダを含有させる場合には、そのバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが使用できる。バインダを使用する場合、負極合剤中のバインダの含有量は、0~5体積%であることが好ましい。 The negative electrode mixture may or may not contain a binder. When the negative electrode mixture contains a binder, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVDF) can be used as the binder. When using a binder, the content of the binder in the negative electrode mixture is preferably 0 to 5% by volume.

負極に集電体を用いる場合、その集電体としては、銅製やニッケル製、SUS製、アルミニウム製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the negative electrode, the current collector may be copper, nickel, SUS, or aluminum foil, punching metal, mesh, expanded metal, foam metal, carbon sheet, or the like.

負極は、活物質であるリチウムチタン酸化物、固体電解質および導電助剤などを、例えば溶媒を使用せずに混合して負極合剤を調製し、これをペレット状などに成形することで製造できる。また、前記のようにして得られた負極合剤の成形体を集電体と貼り合わせ て負極としてもよい。 The negative electrode can be manufactured by mixing lithium titanium oxide, which is an active material, a solid electrolyte, a conductive agent, etc., without using a solvent, for example, to prepare a negative electrode mixture, and molding this into a pellet shape or the like. Further, the molded body of the negative electrode mixture obtained as described above may be bonded to a current collector to form a negative electrode.

また、前記の負極合剤と溶媒とを混合して負極合剤含有組成物を調製し、これを集電体や負極と対向させる固体電解質層といった基材上に塗布し、乾燥した後にプレス処理を行うことで、負極合剤の成形体を形成してもよい。 Alternatively, the negative electrode mixture and a solvent may be mixed to prepare a negative electrode mixture-containing composition, which may be coated on a base material such as a current collector or a solid electrolyte layer facing the negative electrode, dried, and then subjected to a press treatment to form a molded body of the negative electrode mixture.

負極合剤含有組成物に使用する溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが好ましい。特に、硫化物系固体電解質や水素化物系固体電解質は、微少量の水分によって化学反応を起こすため、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、デカリン、トルエン、キシレンなどの炭化水素溶媒に代表される非極性非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。特に、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することがより好ましい。また、三井・デュポンフロロケミカル社製の「バートレル(登録商標)」、日本ゼオン社製の「ゼオローラ(登録商標)」、住友3M社製の「ノベック(登録商標)」などのフッ素系溶媒、並びに、ジクロロメタン、ジエチルエーテルなどの非水系有機溶媒を使用することもできる。 It is preferable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte as the solvent used in the negative electrode mixture-containing composition. In particular, sulfide-based solid electrolytes and hydride-based solid electrolytes cause chemical reactions with minute amounts of water, so it is preferable to use nonpolar aprotic solvents such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, decalin, toluene, and xylene. In particular, it is more preferable to use a super-dehydrated solvent with a water content of 0.001% by mass (10 ppm) or less. In addition, fluorine-based solvents such as "Vertrel (registered trademark)" manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemicals, "Zeorolla (registered trademark)" manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., and "Novec (registered trademark)" manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd., and non-aqueous organic solvents such as dichloromethane and diethyl ether can also be used.

負極合剤の成形体(負極が集電体を有しない場合、および集電体を有する場合の両者を含む)の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 The thickness of the molded negative electrode mixture (including both cases where the negative electrode does not have a current collector and where the negative electrode has a current collector) is preferably 50 to 1000 μm.

負極合剤の成形体は、その密度(負極合剤の成形体の単位面積あたりの質量と厚みとから算出される)が、1.9g/cm以上であることが好ましく、このような密度とすることで、イオン伝導性および電子伝導性がより良好となる。負極合剤の成形体の密度を高めるにあたっては、高結晶性の炭素材料(好ましくは黒鉛やグラフェン)を使用することが好ましく、これにより、密度を前記の値に調整することが容易となる。なお、負極合剤の成形体は、有機電解液を有する電池の負極のように多孔質体である必要がないため、その密度の上限値は、負極合剤を構成する各材料の密度から算出される値(理論密度)となる。 The negative electrode mixture molded body preferably has a density (calculated from the mass and thickness per unit area of the negative electrode mixture molded body) of 1.9 g/cm or more . In order to increase the density of the molded negative electrode mixture, it is preferable to use a highly crystalline carbon material (preferably graphite or graphene), which makes it easy to adjust the density to the above value. Since the molded body of the negative electrode mixture does not need to be a porous body like the negative electrode of a battery containing an organic electrolyte, the upper limit of the density is a value (theoretical density) calculated from the density of each material constituting the negative electrode mixture.

<全固体電池>
本発明の全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有し、負極が本発明の全固体電池用負極である。
<All-solid battery>
The all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the negative electrode is the negative electrode for the all-solid-state battery of the present invention.

本発明の全固体電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。 FIG. 1 shows a cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid-state battery of the present invention. In the battery 1 shown in FIG. 1, a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a solid electrolyte layer 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are enclosed in an outer package formed of an outer can 40, a sealing can 50, and a resin gasket 60 interposed therebetween.

封口缶50は、外装缶40の開口部にガスケット60を介して嵌合しており、外装缶40の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット60が封口缶50に当接することで、外装缶40の開口部が封口されて素子内部が密閉構造となっている。 The sealing can 50 is fitted to the opening of the outer can 40 via a gasket 60, and the opening end of the outer can 40 is tightened inward, whereby the gasket 60 comes into contact with the sealing can 50, thereby sealing the opening of the outer can 40 and forming a sealed structure inside the element.

外装缶および封口缶にはステンレス鋼製のものなどが使用できる。また、ガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。また、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。 A stainless steel can or the like can be used for the outer can and the sealing can. Polypropylene, nylon, etc. can be used for the gasket material, and heat-resistant resins with a melting point exceeding 240°C such as fluororesin such as tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), and polyetheretherketone (PEEK) can be used when heat resistance is required in relation to battery applications. You can also Moreover, when the battery is applied to applications requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.

また、図2および図3に、本発明の全固体電池の他の例を模式的に表す図面を示す。図2は全固体電池の平面図であり、図3は図2のI-I線断面図である。 2 and 3 show drawings schematically showing other examples of the all-solid-state battery of the present invention. 2 is a plan view of an all-solid-state battery, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.

図2および図3に示す全固体電池100は、2枚の金属ラミネートフィルムで構成したラミネートフィルム外装体500内に、正極、固体電解質層および本発明の負極からなる電極体200を収容しており、ラミネートフィルム外装体500は、その外周部において、上下の金属ラミネートフィルムを熱融着することにより封止されている。なお、図3では、図面が煩雑になることを避けるために、ラミネートフィルム外装体500を構成している各層や、電極体を構成している正極、負極およびセパレータを区別して示していない。 The all-solid-state battery 100 shown in FIGS. 2 and 3 contains an electrode body 200 composed of a positive electrode, a solid electrolyte layer, and the negative electrode of the present invention in a laminate film package 500 made up of two metal laminate films. The laminate film package 500 is sealed at its outer periphery by heat-sealing the upper and lower metal laminate films. In order to avoid complicating the drawing, FIG. 3 does not show each layer constituting the laminate film exterior body 500 or the positive electrode, the negative electrode, and the separator constituting the electrode assembly.

電極体200の有する正極は、電池100内で正極外部端子300と接続しており、また、図示していないが、電極体200の有する負極も、電池100内で負極外部端子400と接続している。そして、正極外部端子300および負極外部端子400は、外部の機器などと接続可能なように、片端側をラミネートフィルム外装体500の外側に引き出されている。 The positive electrode of the electrode assembly 200 is connected to the positive electrode external terminal 300 inside the battery 100 , and the negative electrode of the electrode assembly 200 is also connected to the negative electrode external terminal 400 inside the battery 100 , although not shown. One end of each of the positive electrode external terminal 300 and the negative electrode external terminal 400 is drawn out of the laminate film exterior body 500 so as to be connectable to an external device or the like.

(正極)
全固体電池の正極は、正極活物質を含み、また、通常、固体電解質を含有している。
(positive electrode)
A positive electrode of an all-solid-state battery contains a positive electrode active material and usually contains a solid electrolyte.

正極活物質は、従来から知られているリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Liイオンを吸蔵・放出可能な活物質であれば特に制限はない。正極活物質の具体例としては、LiMMn2-x(ただし、Mは、Li、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Sb、In、Nb、Mo、W、Y、RuおよびRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.01≦x≦0.5)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、LiMn(1-y-x)Ni(2-k)(ただし、Mは、Co、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、SrおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0<y<0.5、0≦z≦0.5、k+l<1、-0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状化合物、LiCo1-x(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、LiNi1-x(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、LiM1-xPO(ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるオリビン型複合酸化物、LiTi12で表されるリチウムチタン複合酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material used in conventionally known lithium ion secondary batteries, that is, an active material capable of intercalating/releasing Li ions.正極活物質の具体例としては、LiM Mn 2-x (ただし、Mは、Li、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Sb、In、Nb、Mo、W、Y、RuおよびRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.01≦x≦0.5)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、Li Mn (1-y-x) Ni (2-k) (ただし、Mは、Co、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、SrおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0<y<0.5、0≦z≦0.5、k+l<1、-0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状化合物、LiCo 1-x (ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、LiNi 1-x (ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、LiM 1-x PO (ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるオリビン型複合酸化物、Li Ti 12で表されるリチウムチタン複合酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。

正極の固体電解質には、負極に使用し得る固体電解質として先に例示したものと同じもののうちの1種または2種以上を使用することができる。電池特性をより優れたものとするためには、硫化物系固体電解質を含有させることが望ましい。 For the solid electrolyte of the positive electrode, one or more of the solid electrolytes exemplified above that can be used for the negative electrode can be used. In order to improve the battery characteristics, it is desirable to contain a sulfide-based solid electrolyte.

正極には、例えば、正極活物質および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤やバインダを含有する正極合剤からなる層(正極合剤層)を、集電体の片面または両面に形成した構造のものや、前記正極合剤をペレット状などに加圧成形した成形体(正極合剤成形体)を使用することができる。 For the positive electrode, for example, a layer (positive electrode mixture layer) made of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and optionally a conductive aid and a binder is formed on one or both sides of a current collector.

正極のバインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが使用できる。また、正極の導電助剤としては、例えば、カーボンブラックなどの炭素材料などが使用できる。 As the binder for the positive electrode, for example, a fluorine resin such as polyvinylidene fluoride (PVDF) can be used. Moreover, as a conductive additive for the positive electrode, for example, a carbon material such as carbon black can be used.

正極に集電体を使用する場合、その集電体としては、アルミニウムやステンレス鋼などの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the positive electrode, the current collector may be foil of metal such as aluminum or stainless steel, punching metal, net, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, or the like.

正極を製造するに際しては、例えば、集電体を有する正極の場合には、正極活物質、および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤、バインダなどをキシレンなどの溶媒に分散させた正極合剤含有組成物(ペースト、スラリーなど)を、集電体に塗布し、乾燥した後、必要に応じてカレンダ処理などの加圧成形をして、集電体の表面に正極合剤の層(正極合剤層)を形成する方法が採用できる。 When manufacturing a positive electrode, for example, in the case of a positive electrode having a current collector, a positive electrode mixture-containing composition (paste, slurry, etc.) obtained by dispersing a positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive aid added as necessary, a binder, etc. in a solvent such as xylene is applied to the current collector, dried, and optionally subjected to pressure molding such as calendering to form a positive electrode mixture layer (positive electrode mixture layer) on the surface of the current collector.

正極合剤含有組成物に使用する溶媒も、負極合剤含有組成物に使用する溶媒と同様に、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、負極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種溶媒を使用することが好ましく、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することが特に好ましい。 As with the solvent used for the negative electrode mixture-containing composition, the solvent used for the positive electrode mixture-containing composition is preferably selected from those that do not easily deteriorate the solid electrolyte. It is preferable to use the various solvents exemplified above as the solvent for the negative electrode mixture-containing composition, and it is particularly preferable to use a super-dehydrated solvent having a water content of 0.001% by mass (10 ppm) or less.

また、正極合剤の成形体からなる正極の場合には、正極活物質、および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤、バインダなどを混合して調製した正極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 Further, in the case of a positive electrode made of a molded positive electrode mixture, the positive electrode mixture prepared by mixing the positive electrode active material, the solid electrolyte, and optionally added conductive aid, binder, etc. can be formed by compression molding or the like.

正極における正極合剤の組成としては、例えば、正極活物質の含有量が50~90質量%であることが好ましく、固体電解質の含有量が10~50質量%であることが好ましく、バインダの含有量が0.1~10質量%であることが好ましい。また、正極合剤に導電助剤を含有させる場合、その含有量は0.1~10質量%であることが好ましい。さらに、集電体を有する正極における正極合剤層の厚みや正極合剤成形体の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 As for the composition of the positive electrode mixture in the positive electrode, for example, the content of the positive electrode active material is preferably 50 to 90% by mass, the content of the solid electrolyte is preferably 10 to 50% by mass, and the binder content is preferably 0.1 to 10% by mass. Further, when the positive electrode mixture contains a conductive agent, the content is preferably 0.1 to 10% by mass. Furthermore, the thickness of the positive electrode mixture layer and the thickness of the positive electrode mixture molding in the positive electrode having a current collector is preferably 50 to 1000 μm.

(固体電解質層)
全固体電池の固体電解質層における固体電解質には、負極の固体電解質として先に例示したものと同じもののうちの1種または2種以上を使用することができる。ただし、電池特性をより優れたものとするためには、硫化物系固体電解質を含有させることが望ましく、正極、負極および固体電解質層の全てに硫化物系固体電解質を含有させることがより望ましい。
(Solid electrolyte layer)
For the solid electrolyte in the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery, one or more of the same solid electrolytes as exemplified above as the solid electrolyte for the negative electrode can be used. However, in order to improve the battery characteristics, it is desirable to contain a sulfide-based solid electrolyte, and it is more desirable to include a sulfide-based solid electrolyte in all of the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer.

固体電解質層は、固体電解質を溶媒に分散させて調製した固体電解質層形成用組成物を基材や正極、負極の上に塗布して乾燥し、必要に応じてプレス処理などの加圧成形を行うことで形成することができる。 The solid electrolyte layer can be formed by applying a composition for forming a solid electrolyte layer prepared by dispersing a solid electrolyte in a solvent onto a base material, a positive electrode, and a negative electrode, drying the composition, and optionally performing pressure molding such as press treatment.

固体電解質層形成用組成物に使用する溶媒も、負極合剤含有組成物に使用する溶媒と同様に、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、負極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種溶媒を使用することが好ましく、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することが特に好ましい。 As for the solvent used in the solid electrolyte layer-forming composition, it is desirable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte, similarly to the solvent used in the negative electrode mixture-containing composition. It is preferable to use the various solvents exemplified above as the solvent for the negative electrode mixture-containing composition, and it is particularly preferable to use an ultra-dehydrated solvent having a water content of 0.001% by mass (10 ppm) or less.

固体電解質層の厚みは、50~200μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 50-200 μm.

(電極体)
正極と負極とは、固体電解質層を介して積層した積層電極体や、さらにこの積層電極体を巻回した巻回電極体の形態で、電池に用いることができる。
(electrode body)
The positive electrode and the negative electrode can be used in a battery in the form of a laminated electrode body in which a solid electrolyte layer is interposed, or a wound electrode body in which the laminated electrode body is further wound.

なお、電極体を形成するに際しては、正極と負極と固体電解質層とを積層した状態で加圧成形することが、電極体の機械的強度を高める観点から好ましい。 When forming the electrode body, it is preferable from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the electrode body that the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer are laminated and pressure-molded.

(電池の形態)
全固体電池の形態は、図1に示すような、外装缶と封口缶とガスケットとで構成された外装体を有するもの、すなわち、一般にコイン形電池やボタン形電池と称される形態のものや、図2および図3に示すような、樹脂フィルムや金属-樹脂ラミネートフィルムで構成された外装体を有するもの以外にも、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。
(Battery form)
The form of the all-solid-state battery has an exterior body composed of an exterior can, a sealing can, and a gasket, as shown in FIG.

本発明の全固体電池は、従来から知られている二次電池と同様の用途に適用し得るが、有機電解液に代えて固体電解質を有していることから耐熱性に優れており、高温に曝されるような用途に好ましく使用することができる。 The all-solid-state battery of the present invention can be applied to the same applications as conventionally known secondary batteries, but since it has a solid electrolyte instead of an organic electrolyte, it has excellent heat resistance and is exposed to high temperatures. It can be preferably used for applications.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。 The present invention will be described in detail below based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

実施例1
(固体電解質層の形成)
硫化物系固体電解質(LiPSCl):80gを直径:10mmの粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行いて固体電解質層を形成した。
Example 1
(Formation of solid electrolyte layer)
A sulfide-based solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl): 80 mg was placed in a powder molding die with a diameter of 10 mm, and pressure-molded using a press to form a solid electrolyte layer.

(負極の作製)
チタン酸リチウム(LiTi12)と、前記硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末とを質量比で60:31.58.5の割合で混合し、よく混練して負極合剤を調製した。次に、前記負極合剤:15mgを前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記固体電解質層の上に負極合剤成形体よりなる負極を形成した。このときの負極の厚みは91μmであった。
(Preparation of negative electrode)
Lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), the sulfide-based solid electrolyte, and graphite powder as a conductive aid were mixed at a mass ratio of 60: 31.5 : 8.5 and well kneaded to prepare a negative electrode mixture. Next, 15 mg of the negative electrode mixture was placed on the solid electrolyte layer in the powder molding mold, and pressure molding was performed using a press to form a negative electrode made of the negative electrode mixture compact on the solid electrolyte layer. The thickness of the negative electrode at this time was 91 μm.

(積層電極体の形成)
対極として、Li金属とIn金属とをそれぞれ円柱形状に成形して貼り合わせたものを使用した。この対極を、前記粉末成形金型内の固体電解質層の、負極とは反対側の面上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、積層電極体を作製した。
(Formation of laminated electrode body)
As the counter electrode, a Li metal and an In metal were each formed into a cylindrical shape and bonded together. This counter electrode was placed on the surface of the solid electrolyte layer in the powder molding die on the side opposite to the negative electrode, and pressure molding was performed using a pressing machine to prepare a laminated electrode body.

(モデルセルの組み立て)
前記の積層電極体を使用し、図2に示すものと同様の平面構造のモデルセルを作製した。ラミネートフィルム外装体を構成するアルミニウムラミネートフィルムの、外装体の内側となる面に、負極集電箔(SUS箔)および対極集電箔(SUS箔)を、間にある程度の間隔を設けつつ横に並べて貼り付けた。前記各集電箔には、前記積層電極体の負極側表面または対極側表面と対向する本体部と、前記本体部から電池の外部に向けて突出する負極外部端子400および対極外部端子300となる部分とを備えた形状に切断したものを用いた。
(Assembly of model cell)
A model cell having a planar structure similar to that shown in FIG. 2 was fabricated using the laminated electrode assembly described above. A negative electrode current collector foil (SUS foil) and a counter electrode current collector foil (SUS foil) were placed side by side with a certain amount of space between them on the inner surface of the aluminum laminate film constituting the laminate film outer package. Each of the current collector foils was cut into a shape having a main body portion facing the negative electrode side surface or the counter electrode side surface of the laminated electrode body, and a portion to be the negative electrode external terminal 400 and the counter electrode external terminal 300 projecting from the main body portion toward the outside of the battery.

前記ラミネートフィルム外装体の負極集電箔上に前記積層電極体を載せ、対極集電箔が前記積層電極体の対極上に配置されるように前記ラミネートフィルム外装体で前記積層電極体を包み、真空下で前記ラミネートフィルム外装体の残りの3辺を熱融着によって封止して、モデルセルを得た。 The laminated electrode body was placed on the negative electrode current collector foil of the laminated film outer body, the laminated electrode body was wrapped in the laminated film outer body so that the counter current collector foil was arranged on the counter electrode of the laminated electrode body, and the remaining three sides of the laminated film outer body were sealed by heat sealing under vacuum to obtain a model cell.

実施例2
負極合剤におけるチタン酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末との割合を、質量比で55:40に変更した以外は実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にしてモデルセルを作製した。なお、負極(負極合剤の成形体)の厚みは100μmであった。
Example 2
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio of lithium titanate, sulfide-based solid electrolyte, and graphite powder as a conductive aid in the negative electrode mixture was changed to 55: 40 : 5 , and a model cell was produced in the same manner as in Example 1 except that this was used. The thickness of the negative electrode (molded body of negative electrode mixture) was 100 μm.

実施例3
負極合剤におけるチタン酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末との割合を、質量比で70:25に変更した以外は実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にしてモデルセルを作製した。なお、負極(負極合剤の成形体)の厚みは97μmであった。
Example 3
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the lithium titanate, the sulfide-based solid electrolyte, and the graphite powder as the conductive aid in the negative electrode mixture was changed to 70: 25 : 5 , and a model cell was produced in the same manner as in Example 1, except that this was used. The thickness of the negative electrode (molded body of negative electrode mixture) was 97 μm.

実施例4
負極合剤におけるチタン酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末との割合を、質量比で60:3010に変更した以外は実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にしてモデルセルを作製した。なお、負極(負極合剤の成形体)の厚みは91μmであった。
Example 4
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the lithium titanate, the sulfide-based solid electrolyte, and the graphite powder as the conductive aid in the negative electrode mixture was changed to 60:30:10 , and a model cell was produced in the same manner as in Example 1 , except that this was used. The thickness of the negative electrode (molded body of negative electrode mixture) was 91 μm.

比較例1
負極合剤におけるチタン酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末との割合を、質量比で41:55に変更した以外は実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にしてモデルセルを作製した。なお、負極(負極合剤の成形体)の厚みは106μmであった。
Comparative example 1
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the lithium titanate, the sulfide-based solid electrolyte, and the graphite powder as the conductive aid in the negative electrode mixture was changed to 41: 55 : 4 , and a model cell was produced in the same manner as in Example 1, except that this was used. The thickness of the negative electrode (molded body of negative electrode mixture) was 106 μm.

比較例2
負極合剤におけるチタン酸リチウムと、硫化物系固体電解質と、導電助剤である黒鉛粉末との割合を、質量比で60:2812に変更した以外は実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にしてモデルセルを作製した。なお、負極(負極合剤の成形体)の厚みは92μmであった
Comparative example 2
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the lithium titanate, the sulfide-based solid electrolyte, and the graphite powder as the conductive aid in the negative electrode mixture was changed to 60:28:12 , and a model cell was produced in the same manner as in Example 1 , except that this was used. The thickness of the negative electrode (molded body of the negative electrode mixture) was 92 μm.

実施例および比較例の負極を有するモデルセルについて、下記条件で出力特性を評価した。まず、各モデルセルについて、加圧(1t/cm)した状態で、0.05Cの電流値で電圧が0.38Vになるまで定電流充電を行い、続いて0.38Vの電圧で電流値が0.01Cになるまで定電圧充電を行い、その後に0.05Cで1.88Vまで放電させた。次に、各電池について、0.05Cの電流値で電圧が0.38Vになるまで定電流充電し、続いて0.38Vの電圧で電流値が0.01Cになるまで定電圧充電し、その後に0.05Cの電流値で充電深度(SOC)が、50%になるまで放電させてから1時間休止させた。その後の各モデルセルについて、0.05Cの電流値で10secのパルス放電を行った後に電圧を求め、その値からDCRを算出した。 Output characteristics were evaluated under the following conditions for model cells having negative electrodes of Examples and Comparative Examples. First, each model cell was pressurized (1 t/cm 2 ) and was subjected to constant current charging at a current value of 0.05 C until the voltage reached 0.38 V, followed by constant voltage charging at a voltage of 0.38 V until the current value reached 0.01 C, and then discharged at 0.05 C to 1.88 V. Next, each battery was subjected to constant-current charging at a current value of 0.05 C until the voltage reached 0.38 V, followed by constant-voltage charging at a voltage of 0.38 V until the current value reached 0.01 C. Then, the battery was discharged at a current value of 0.05 C until the depth of charge (SOC) reached 50%, and then rested for 1 hour. After that, each model cell was pulse-discharged at a current value of 0.05 C for 10 seconds, then the voltage was obtained, and the DCR was calculated from the value.

そして、得られた各モデルセルのDCRから、各モデルセルの導電率を、以下の式を用いて算出した。
σ = (1/DCR)×(t/S)
なお、上記式中、σ:導電率、t:電極積層体の厚み(cm)、S:電極積層体の平面視での面積(cm
Then, from the obtained DCR of each model cell, the conductivity of each model cell was calculated using the following formula.
σ = (1/DCR) x (t/S)
In the above formula, σ: conductivity, t: thickness (cm) of electrode laminate, S: area of electrode laminate in plan view (cm 2 )

この方法で求められる導電率が大きいほど、モデルセルの出力特性が優れており(大電流放電時の容量が大きい)、そのモデルセルが有する負極は、出力特性に優れた全固体電池を構成できるといえる。 The higher the conductivity obtained by this method, the better the output characteristics of the model cell (the larger the capacity during high-current discharge), and the negative electrode of the model cell can constitute an all-solid-state battery with excellent output characteristics.

実施例および比較例の各負極の構成および前記の評価結果を表1に示す。なお、表1における「硫化物系固体電解質の体積割合」および「導電助剤の体積割合」は、負極合剤におけるチタン酸リチウムの体積を100としたときの値を意味しており、「導電率」は、実施例1の値を100としたときの相対値で表している。 Table 1 shows the structure of each negative electrode of Examples and Comparative Examples and the above evaluation results. The "volume ratio of sulfide-based solid electrolyte" and "volume ratio of conductive aid" in Table 1 mean values when the volume of lithium titanate in the negative electrode mixture is 100, and "conductivity" is expressed as a relative value when the value of Example 1 is 100.

Figure 0007313236000001
Figure 0007313236000001

図4には、横軸に負極合剤中の導電助剤の含有量を取り、縦軸に前記の導電性を取ったグラフを示している。表1および図4に示す通り、チタン酸リチウム(リチウムチタン酸化物)と、硫化物系固体電解質と、適正量の導電助剤とを含有する負極合剤の成形体からなる実施例1~4の負極を有するモデルセルは、導電助剤量が少なすぎる比較例1の負極を有するモデルセル、および導電助剤量が多すぎる比較例2の負極を有するモデルセルに比べて導電率が高く、イオン伝導性と電子伝導性とが高いバランスで保持できており、優れた出力特性を有していた。 FIG. 4 shows a graph in which the horizontal axis represents the content of the conductive aid in the negative electrode mixture and the vertical axis represents the conductivity. As shown in Table 1 and FIG. 4, the model cells having the negative electrodes of Examples 1 to 4, which are formed of negative electrode mixture compacts containing lithium titanate (lithium titanium oxide), a sulfide-based solid electrolyte, and an appropriate amount of conductive aid, have higher conductivity than the model cell having the negative electrode of Comparative Example 1 in which the amount of conductive aid is too small and the model cell having the negative electrode of Comparative Example 2 in which the amount of conductive aid is too large. had

1、100 全固体電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
200 電極体
300 正極外部端子
400 負極外部端子
500 ラミネートフィルム外装体
1, 100 All-solid battery 10 Positive electrode 20 Negative electrode 30 Solid electrolyte layer 40 Packaging can 50 Sealing can 60 Gasket 200 Electrode assembly 300 Positive electrode external terminal 400 Negative electrode external terminal 500 Laminated film packaging

Claims (3)

全固体電池に使用される負極であって、
負極活物質、固体電解質および導電助剤を含有する負極合剤の成形体を有しており、
前記負極活物質としてリチウムチタン酸化物を含有し、
前記固体電解質として硫化物系固体電解質を含有し、
前記負極合剤における前記導電助剤の含有量が、6.0~13.1体積%であり、
前記負極合剤において、前記リチウムチタン酸化物の体積を100としたとき、前記硫化物系固体電解質の体積が20~160であり、前記導電助剤の体積が5~35であることを特徴とする全固体電池用負極。
A negative electrode used in an all-solid-state battery,
It has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a solid electrolyte and a conductive aid,
containing lithium titanium oxide as the negative electrode active material,
Containing a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte,
The content of the conductive aid in the negative electrode mixture is 6.0 to 13.1% by volume,
In the negative electrode mixture, when the volume of the lithium titanium oxide is 100, the volume of the sulfide-based solid electrolyte is 20 to 160, and the volume of the conductive aid is 5 to 35. A negative electrode for an all-solid battery.
前記リチウムチタン酸化物として、下記一般組成式(1)
Li[Li1/3-a Ti5/3-b ]O (1)
〔前記一般組成式(1)中、Mは、Na、Mg、K、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Mは、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Ym、Zr、Nb、Mo、TaおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦a<1/3、0≦b≦2/3である〕
で表されるものを含有する請求項1記載の全固体電池用負極。
As the lithium titanium oxide, the following general composition formula (1)
Li[Li 1/3-a M 1 a Ti 5/3-b M 2 b ]O 4 (1)
[In the general compositional formula (1), M1 is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Sr and Ba; M2 is at least one element selected from the group consisting of Al, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ym, Zr, Nb, Mo, Ta and W;
The negative electrode for an all-solid-state battery according to claim 1, containing the compound represented by
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有し、前記負極として請求項1または2に記載の全固体電池用負極を有することを特徴とする全固体電池。
An all-solid-state battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and having the negative electrode for an all-solid-state battery according to claim 1 or 2 as the negative electrode.
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