JP7453037B2 - all solid state battery - Google Patents

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Description

本発明は、高容量で出力特性に優れた全固体電池のシステムに関するものである。 The present invention relates to an all-solid-state battery system with high capacity and excellent output characteristics.

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 practical use of electric vehicles, there has been a need for small, lightweight, high-capacity, and high-energy-density secondary batteries. It has become to.

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、正極活物質にリチウムコバルト酸化物(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, lithium secondary batteries that can meet this demand, especially lithium ion secondary batteries, use lithium-containing composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) as positive electrode active materials. , graphite or the like is used as the negative electrode active material, and an organic electrolyte containing an organic solvent and a lithium salt is used as the nonaqueous electrolyte.

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 equipment to which lithium ion secondary batteries are applied, there is a need for lithium ion secondary batteries to have a longer lifespan, higher capacity, and higher energy density. Lithium-ion secondary batteries with higher capacity and higher energy density are also required to be highly reliable.

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, the organic electrolyte used in lithium-ion secondary batteries contains an organic solvent, which is a flammable substance, so when an abnormal situation such as a short circuit occurs in the battery, the organic electrolyte can generate abnormal heat. there is a possibility. Furthermore, with the recent trend towards higher energy densities in lithium ion secondary batteries and an increase in the amount of organic solvents in organic electrolytes, there is a demand for even greater reliability in lithium ion secondary batteries.

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 above circumstances, all-solid-state lithium secondary batteries (all-solid-state batteries) that do not use organic solvents are attracting attention. All-solid-state batteries use molded solid electrolytes that do not use organic solvents instead of conventional organic solvent-based electrolytes, and are highly safe because there is no risk of abnormal heat generation of the solid electrolytes.

特許文献1には、大気に触れた場合の硫化水素の発生を抑制でき、乾燥空気中に放置した場合においても高い導電性を維持可能なリチウムイオン電池用の固体電解質として、特定組成を有するアルジロダイト(Argurodite)型結晶構造の硫化物系固体電解質が提案されている Patent Document 1 describes argyrodite having a specific composition as a solid electrolyte for lithium ion batteries that can suppress the generation of hydrogen sulfide when exposed to the atmosphere and maintain high conductivity even when left in dry air. A sulfide-based solid electrolyte with an (Argurodite) type crystal structure has been proposed.

国際公開第2016/104702号International Publication No. 2016/104702

現在、全固体電池においては、その適用分野が急速に拡大しており、例えば大きな電流値での放電が求められる用途への適用も考えられることから、これに応え得るように出力特性を高めることが求められる。
また、当該全固体電池を使用した全固体電池システムにおいても、全固体電池の能力が最大限使用できるようにすることが求められる。
Currently, the field of application of all-solid-state batteries is rapidly expanding, and for example, applications that require discharge at large current values are considered, so it is necessary to improve the output characteristics to meet this demand. is required.
Further, in an all-solid-state battery system using the all-solid-state battery, it is also required to use the capacity of the all-solid-state battery to the maximum extent possible.

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、高容量で出力特性に優れた全固体電池のシステム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-state battery system with high capacity and excellent output characteristics.

本発明の全固体電池のシステムは、前記全固体電池に対し、2.8Vの電圧を上限とする充電を行い、前記全固体電池は、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、前記正極は、正極活物質、固体電解質および導電助剤を含有する正極合剤の成形体を有し、 前記正極活物質はリチウムコバルト酸化物を含有し、
前記固体電解質は下記一般式(1)
Li7-xPS6-xClBr (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕で表される硫化物系固体電解質であり、
前記正極合剤における前記正極活物質の含有量が50~80質量%であることを特徴とするものである。
The all-solid-state battery system of the present invention charges the all-solid-state battery to a voltage of 2.8V as an upper limit, and the all-solid-state battery has a positive electrode, a negative electrode, and a space between the positive electrode and the negative electrode. and a solid electrolyte layer interposed therein, the positive electrode has a molded positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive, and the positive electrode active material contains lithium cobalt oxide. ,
The solid electrolyte has the following general formula (1)
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
[In the general formula (1), x=y+z, 1.0<x≦1.8, 0.1≦z/y≦10.0] is a sulfide-based solid electrolyte,
The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is 50 to 80% by mass.

本発明によれば、高容量で出力特性に優れた全固体電池のシステムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state battery system with high capacity and excellent output characteristics.

本発明の全固体電池のシステムに用いる全固体電池の一例を模式的に表す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of an all-solid-state battery used in the all-solid-state battery system of the present invention.

本発明の全固体電池のシステムに用いる全固体電池は、正極活物質、固体電解質および導電助剤を含有する正極合剤の成形体を有する正極と、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ている。 The all-solid-state battery used in the all-solid-state battery system of the present invention includes a positive electrode having a molded positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive, a negative electrode, and a space between the positive electrode and the negative electrode. and a solid electrolyte layer interposed therein.

そして、本発明で使用する全固体電池においては、正極活物質としてリチウムコバルト酸化物を使用している。リチウムコバルト酸化物は真密度が高く、作動電位が高いため、正極活物質として用いることで体積当たりのエネルギー密度を高くすることができる。また、前記正極の固体電解質には、出力特性の高い特定の固体電解質(一般式(1)で表される)を使用する。更に、正極合剤中の正極活物質の含有量は特定量とし、高容量で高出力なバランスのとれた全固体電池を得ることが出来る。 In the all-solid-state battery used in the present invention, lithium cobalt oxide is used as the positive electrode active material. Since lithium cobalt oxide has a high true density and a high working potential, it is possible to increase the energy density per volume by using it as a positive electrode active material. Moreover, a specific solid electrolyte (represented by general formula (1)) with high output characteristics is used as the solid electrolyte of the positive electrode. Furthermore, by setting the content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture to a specific amount, it is possible to obtain a well-balanced all-solid-state battery with high capacity and high output.

(正極)
全固体電池の正極は、正極活物質、固体電解質および導電助剤などを含む正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正極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の正極などが挙げられる。
(positive electrode)
The positive electrode of an all-solid-state battery has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive additive, etc. For example, a positive electrode consisting only of the molded body, or a positive electrode consisting of the molded body and a current collector. Examples include a positive electrode with a structure in which the two are integrated.

本発明においては、正極活物質にはリチウムコバルト酸化物を使用する。 In the present invention, lithium cobalt oxide is used as the positive electrode active material.

リチウムコバルト酸化物は、一般組成式(2)で表されるものを採用することが出来る。
LiCo (2)
〔前記一般式(2)中、Mは、Al、Mg、Ni、Mn、Na、Fe、Cu、Zr、Ti、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Ba、Nb、Si、Zn、Mo、V、Sn、Sb、Ta、Ge、Cr、K、SおよびEr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、0.9<x<1.1、0<y≦1、0≦z<0.1である〕
As the lithium cobalt oxide, one represented by the general compositional formula (2) can be employed.
Li x Co y M z O 2 (2)
[In the general formula (2), M is Al, Mg, Ni, Mn, Na, Fe, Cu, Zr, Ti, Bi, Ca, F, P, Sr, W, Ba, Nb, Si, Zn, At least one element selected from the group consisting of Mo, V, Sn, Sb, Ta, Ge, Cr, K, S and Er, 0.9<x<1.1, 0<y≦1, 0≦z<0.1]

このように、CoサイトやLiサイトに置換される元素を含むことで充放電時におけるリチウムコバルト酸化物の膨張収縮を抑制をすることが出来、充放電を繰り返すような場合でも、リチウムコバルト酸化物と固体電解質との接触が良好に維持され、内部抵抗を低く保ち得ることから出力特性を向上させることが出来る。 In this way, by including elements that can be substituted in Co sites and Li sites, it is possible to suppress the expansion and contraction of lithium cobalt oxide during charging and discharging, and even when charging and discharging are repeated, lithium cobalt oxide Good contact between the solid electrolyte and the solid electrolyte can be maintained, and the internal resistance can be kept low, so the output characteristics can be improved.

特に、一般式(2)においてAlはCoサイトに置換される元素であり、MgやNiはLiサイトに置換される元素であり、ともに充電時におけるリチウムコバルト酸化物の膨張量を小さくする作用を有している。 In particular, in general formula (2), Al is an element substituted into Co sites, and Mg and Ni are elements substituted with Li sites, and both have the effect of reducing the amount of expansion of lithium cobalt oxide during charging. have.

正極活物質には、リチウムコバルト酸化物のみを使用してもよく、リチウムコバルト酸化物と他の正極活物質とを併用してもよい。リチウムコバルト酸化物と併用し得る他の正極活物質としては、従来から知られているリチウムイオン二次電池に正極活物資として用いられているものと同様の、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な活物質が挙げられる。ただし、正極活物質にリチウムコバルト酸化物と他の正極活物質とを併用する場合、全正極活物質中の、リチウムコバルト酸化物の割合を、60質量%以上とすることが好ましい。なお、正極活物質の全てをリチウムコバルト酸化物としてもよいため、全正極活物質中のリチウムコバルト酸化物の好適含有量の上限値は、100質量%である。 As the positive electrode active material, lithium cobalt oxide alone may be used, or lithium cobalt oxide and other positive electrode active materials may be used in combination. Other positive electrode active materials that can be used in combination with lithium cobalt oxide include active materials that can intercalate and release lithium ions, similar to those used as positive electrode active materials in conventionally known lithium ion secondary batteries. Examples include substances. However, when lithium cobalt oxide and other positive electrode active materials are used together as the positive electrode active material, the proportion of lithium cobalt oxide in the total positive electrode active material is preferably 60% by mass or more. Note that since all of the positive electrode active material may be lithium cobalt oxide, the upper limit of the preferable content of lithium cobalt oxide in the total positive electrode active material is 100% by mass.

正極活物質の平均粒子径は、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、また、10μm以下であることが好ましく、8μm以下であることがより好ましい。なお、正極活物質は一次粒子でも一次粒子が凝集した二次粒子であってもよい。平均粒子径が前記範囲の正極活物質を使用すると、固体電解質との界面を多くとれるため、電池の負荷特性がより向上する。 The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and preferably 10 μm or less, more preferably 8 μm or less. Note that the positive electrode active material may be primary particles or secondary particles obtained by agglomerating primary particles. When a positive electrode active material having an average particle diameter in the above range is used, a large number of interfaces with the solid electrolyte can be obtained, so that the load characteristics of the battery are further improved.

本明細書でいう正極活物質の平均粒子径は、粒度分布測定装置(日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置「HRA9320」など)を用いて、粒度分布の小さい粒子から積分体積を求める場合の体積基準の積算分率における50%径の値(d50)を意味している。 The average particle diameter of the positive electrode active material referred to in this specification is defined as the integral volume when calculating the integral volume from particles with a small particle size distribution using a particle size distribution measuring device (such as Microtrac particle size distribution measuring device "HRA9320" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). It means the value of the 50% diameter (d 50 ) in the volume-based integrated fraction.

正極合剤における正極活物質の含有量は、50質量%以上であり80質量%以下である。 正極合剤における正極活物質の含有量は、多ければ多いほど容量が高くなるように思えるが、一方で正極活物質は充放電に伴って膨張収縮が生じ、そのたびに正極活物質と固体電解質との接点を維持することが出来ず出力特性が低下してしまうことがある。これは全固体電池に特有の問題である。
そこで、正極活物質に体積当たりのエネルギー密度が高いリチウムコバルト酸化物を用い、且つ正極合剤中における正極活物質の含有量を特定量以下にすると、高容量で高出力の全固体電池とできることを発明者らは見出した。
正極合剤における正極活物質の含有量は、60質量%以上であることが好ましく、また、70質量%以下であることが好ましい。
そして、後述する一般式(1)で表される硫化物系固体電解質を正極の固体電解質として用いることで出力特性が相乗的に向上させることが出来る。
The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is 50% by mass or more and 80% by mass or less. It seems that the higher the content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture, the higher the capacity, but on the other hand, the positive electrode active material expands and contracts with charging and discharging, and each time the positive electrode active material and the solid electrolyte It may not be possible to maintain a contact point with the terminal, resulting in a decrease in output characteristics. This is a problem specific to all-solid-state batteries.
Therefore, by using lithium cobalt oxide, which has a high energy density per volume, as the positive electrode active material and keeping the content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture below a certain amount, an all-solid-state battery with high capacity and high output can be obtained. The inventors discovered that.
The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 60% by mass or more, and preferably 70% by mass or less.
By using a sulfide-based solid electrolyte represented by the general formula (1) described later as the solid electrolyte of the positive electrode, the output characteristics can be synergistically improved.

正極活物質は、その表面に、固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を有している。 The positive electrode active material has a reaction suppression layer on its surface for suppressing reaction with the solid electrolyte.

反応抑制層は、イオン伝導性を有し、正極活物質と固体電解質との反応を抑制できる材料で構成されていればよい。反応抑制層を構成し得る材料としては、例えば、Liと、Nb、P、B、Si、Ge、TiおよびZrよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む酸化物、より具体的には、LiNbOなどのNb含有酸化物、LiPO、LiBO、LiSiO、LiGeO、LiTiO、LiZrOなどが挙げられる。反応抑制層は、これらの酸化物のうちの1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよく、さらに、これらの酸化物のうちの複数種が複合化合物を形成していてもよい。これらの酸化物の中でも、Nb含有酸化物を使用することが好ましく、LiNbOを使用することがより好ましい。 The reaction suppression layer may be made of a material that has ionic conductivity and can suppress the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. Examples of materials that can constitute the reaction suppression layer include, for example, oxides containing Li and at least one element selected from the group consisting of Nb, P, B, Si, Ge, Ti, and Zr; Examples include Nb-containing oxides such as LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , LiTiO 3 , LiZrO 3 and the like. The reaction suppression layer may contain only one type of these oxides, or may contain two or more types of these oxides, and may further contain multiple types of these oxides in a composite compound. may be formed. Among these oxides, it is preferable to use Nb-containing oxides, and it is more preferable to use LiNbO 3 .

反応抑制層は、正極活物質:100質量部に対して0.1~1.0質量部で表面に存在することが好ましい。この範囲であればリチウムコバルト酸化物と固体電解質との反応を良好に抑制し、負荷特性の低下を防止することができる。 The reaction suppression layer is preferably present on the surface in an amount of 0.1 to 1.0 parts by mass based on 100 parts by mass of the positive electrode active material. Within this range, the reaction between the lithium cobalt oxide and the solid electrolyte can be suppressed well, and deterioration of load characteristics can be prevented.

正極活物質の表面に反応抑制層を形成する方法としては、ゾルゲル法、メカノフュージョン法、CVD法、PVD法などが挙げられる。
Examples of methods for forming a reaction suppression layer on the surface of the positive electrode active material include a sol-gel method, a mechanofusion method, a CVD method, and a PVD method.

正極の固体電解質には、一般式(1)で表される硫化物系固体電解質を使用する。 A sulfide-based solid electrolyte represented by general formula (1) is used as the solid electrolyte of the positive electrode.

Li7-xPS6-xClBr (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕
一般式(1)で表される固体電解質は、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、電池の出力特性の向上に寄与することが出来る。また、正極のみならず、負極および固体電解質層にもこれを使用することで、電池の出力特性が更に向上する。
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
[In the general formula (1), x=y+z, 1.0<x≦1.8, 0.1≦z/y≦10.0]
The solid electrolyte represented by the general formula (1) has particularly excellent ionic conductivity among solid electrolytes that can be used in all-solid-state batteries, and can contribute to improving the output characteristics of the battery. Moreover, by using this not only for the positive electrode but also for the negative electrode and solid electrolyte layer, the output characteristics of the battery are further improved.

正極には、一般式(1)で表される硫化物系固体電解質のみを使用してもよいが、当該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。当該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 the sulfide-based solid electrolyte represented by general formula (1) may be used for the positive electrode, other solid electrolytes may also be used together with the sulfide-based solid electrolyte. Solid electrolytes that can be used in combination with the sulfide solid electrolyte include hydride solid electrolytes, oxide solid electrolytes, and the like.

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 the hydride solid electrolyte include LiBH 4 and a solid solution of LIBH 4 and the following alkali metal compound (for example, one in which the molar ratio of LiBH 4 and the alkali metal compound is 1:1 to 20:1). Can be mentioned. Examples of the alkali metal compounds in the solid solution include lithium halides (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halides (RbI, RbBr, RbiF, RbCl, etc.), and 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 the oxide solid electrolyte include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi(PO 4 ) 3 , LiGe(PO 4 ) 3 , and LiLaTiO 3 .

ただし、正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 the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of solid electrolytes used in the positive electrode mixture is preferably 30% by mass or less.

正極合剤における固体電解質の含有量は、全固体電池の出力特性をより高め、さらに、より高容量とする観点から、全固体電池用正極の正極合剤の成形体において、15質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、25質量%以上であることがさらに好ましく、また、45質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましく、35質量%以下であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is 15% by mass or more in the molded body of the positive electrode mixture of the positive electrode for an all-solid-state battery, from the viewpoint of further improving the output characteristics of the all-solid-state battery and further increasing the capacity. It is preferably at least 20% by mass, even more preferably at least 25% by mass, and is preferably at most 45% by mass, more preferably at most 40% by mass, More preferably, it is 35% by mass or less.

正極の導電助剤には、カーボンブラックなどの炭素材料を使用することができる。中でも、導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用することで、正極合剤の成形体内で良好な導電ネットワークを形成できるようにしており、これにより、正極合剤の成形体として電池の高容量化を図りつつ、優れた負荷特性の確保も可能としている。
全固体電池用正極の導電助剤として導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用する時、使用する繊維状カーボンは、繊維長と繊維径(繊維の直径)との比が、20以上のものであることが好ましい。繊維状カーボンの繊維長は、3~600μmであることがより好ましく、また、繊維径は、1~300nmであることが更に好ましい。
A carbon material such as carbon black can be used as a conductive additive for the positive electrode. In particular, by using fibrous carbon and granular carbon together as conductive additives, it is possible to form a good conductive network within the molded positive electrode mixture. While achieving high capacity, it is also possible to ensure excellent load characteristics.
When fibrous carbon and granular carbon are used together as a conductive agent for a positive electrode for an all-solid-state battery, the fibrous carbon used has a ratio of fiber length to fiber diameter (fiber diameter) of 20 or more. Preferably. The fiber length of the fibrous carbon is more preferably 3 to 600 μm, and the fiber diameter is even more preferably 1 to 300 nm.

本明細書でいう繊維状カーボンの繊維長および繊維径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、カーボンを30000倍で観察した画像において、輪郭が確認できる繊維を50個選択し、選択した繊維について二点間法で粒径を測定し、全繊維の平均値(数平均)を算出することで求められる値である。 The fiber length and fiber diameter of the fibrous carbon referred to in this specification are determined by selecting 50 fibers whose outlines can be confirmed in an image of carbon observed at 30,000 times using a scanning electron microscope (SEM). This value is obtained by measuring the particle size of fibers using a two-point method and calculating the average value (number average) of all fibers.

繊維状カーボンの具体例としては、気相成長炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどが挙げられる。繊維状カーボンには、前記例示のもののうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of fibrous carbon include vapor grown carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes, and the like. As the fibrous carbon, only one type of the above-mentioned examples may be used, or two or more types may be used in combination.

全固体電池用正極の導電助剤として導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用する時の粒状カーボンは、一次粒子の状態で、最長径の長さと最短径の長さとの比が、1~1.3のものであることが好ましい。また、粒状カーボンの平均粒子径は、10nm~1000nmであることが好ましい。 When fibrous carbon and granular carbon are used together as a conductive agent for a positive electrode for an all-solid-state battery, the granular carbon in the state of primary particles has a ratio of the length of the longest diameter to the length of the shortest diameter, It is preferable that it has a value of 1 to 1.3. Further, the average particle diameter of the granular carbon is preferably 10 nm to 1000 nm.

本明細書でいう粒状カーボンの一次粒子の粒子径は、以下のようにして求められる値である。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、カーボンを30000倍で観察した画像において、輪郭が確認できる粒子を50個選択し、選択した粒子について二点間法で最長径および最短径を測定する。そして、粒状カーボンの最長径は、測定した全最長径の平均値(数平均)であり、最短径は、測定した全最短径の平均値(数平均)である。また、粒状カーボンの平均粒子径は、前記のようにして求めた最長径(全最長径の平均値)である。 The particle diameter of the primary particles of granular carbon as used herein is a value determined as follows. Using a scanning electron microscope (SEM), select 50 particles whose outline can be confirmed in an image of carbon observed at 30,000 times, and measure the longest diameter and shortest diameter of the selected particles using a two-point method. The longest diameter of the granular carbon is the average value (number average) of all the measured longest diameters, and the shortest diameter is the average value (number average) of all the measured shortest diameters. Further, the average particle diameter of the granular carbon is the longest diameter (average value of all longest diameters) determined as described above.

粒状カーボンの具体例としては、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)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;などが挙げられる。 Specific examples of granular carbon include highly crystalline carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite) and graphene (single-layer graphene, multilayer graphene); low-crystalline carbon materials such as carbon black; etc. .

全固体電池用正極の導電助剤として導電助剤として繊維状カーボンと粒状カーボンとを併用する時、粒状カーボンとしては、親水性部分を10質量%以上の割合で含むものを使用することが好ましい。親水性部分を10質量%以上の割合で含む粒状カーボンを使用することで、正極合剤の成形体の空隙率を低くて密度を大きくすることがより容易となる。また、後述するように、粒状カーボンは繊維状カーボンと複合体を形成していることがより好ましいが、親水性部分を10質量%以上の割合で含む粒状カーボンを使用することで、繊維状カーボンとの複合体形成もより容易となる。 When fibrous carbon and granular carbon are used together as a conductive agent for a positive electrode for an all-solid-state battery, it is preferable to use granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more. . By using granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more, it becomes easier to lower the porosity and increase the density of the molded body of the positive electrode mixture. Further, as described later, it is more preferable that the granular carbon forms a composite with the fibrous carbon, but by using the granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more, the fibrous carbon It also becomes easier to form a complex with

本明細書でいう粒状カーボンにおける「親水性部分」は、以下の通りである。pH=11のアンモニア水溶液:20mLに粒状カーボン:0.1gを添加して1分間の超音波照射を行い、得られた液を5時間放置して固相部分を沈殿させる。このときに沈殿せずに液相部分(上澄み液)に分散している部分が、「親水性部分」に該当する。 The "hydrophilic portion" in granular carbon as used herein is as follows. Add 0.1 g of granular carbon to 20 mL of ammonia aqueous solution with pH = 11, perform ultrasonic irradiation for 1 minute, and leave the resulting liquid for 5 hours to precipitate the solid phase portion. At this time, the portion that does not precipitate but is dispersed in the liquid phase portion (supernatant liquid) corresponds to the “hydrophilic portion”.

また、本明細書でいう「親水性部分」の粒状カーボン全量中の割合は、以下の方法によって求められる値である。前記固相部分の沈殿後の前記液から上澄み液を除去し、残りの部分を乾燥させて、乾燥後の固体の重量を測定する。得られた重量を最初に添加した粒状カーボンの重量:0.1gから差し引いた値が、上澄み液中に分散している「親水性部分」の重量となる。そして、「親水性部分」の重量を最初に添加した粒状カーボンの重量:0.1gで除して百分率で表した値が、「親水性部分」の粒状カーボン全量中の割合に該当する。 Furthermore, the proportion of the "hydrophilic portion" in the total amount of granular carbon as used herein is a value determined by the following method. A supernatant liquid is removed from the liquid after precipitation of the solid phase portion, the remaining portion is dried, and the weight of the solid after drying is measured. The value obtained by subtracting the obtained weight from the weight of the granular carbon initially added (0.1 g) becomes the weight of the "hydrophilic portion" dispersed in the supernatant liquid. Then, the value obtained by dividing the weight of the "hydrophilic portion" by the weight of the granular carbon initially added (0.1 g) and expressed as a percentage corresponds to the proportion of the "hydrophilic portion" in the total amount of granular carbon.

なお、親水性部分の割合が10質量%以上の粒状カーボンの場合、正極合剤の成形性をより高める観点から、一次粒子の平均粒子径が、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、一方、親水性部分の割合を高めやすいことから、親水性部分の割合が10質量%以上の粒状カーボンの場合の一次粒子の平均粒子径は、400nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがより好ましい。 In addition, in the case of granular carbon in which the proportion of the hydrophilic portion is 10% by mass or more, the average particle diameter of the primary particles is preferably 10 nm or more, and preferably 20 nm or more, from the viewpoint of further improving the moldability of the positive electrode mixture. On the other hand, since it is easy to increase the proportion of the hydrophilic part, the average particle diameter of the primary particles in the case of granular carbon with the proportion of the hydrophilic part of 10% by mass or more is preferably 400 nm or less, More preferably, the thickness is 300 nm or less.

リチウムイオン二次電池などの電池の電極において、導電助剤として一般に使用されている黒鉛やカーボンブラック、カーボンナノチューブなどの導電性カーボンは、親水性部分の割合が5質量%以下である。このような導電性カーボンの粒子に酸化処理を施すことにより、ヒドロキシ基やカルボキシ基、エーテル結合などが導入され、また、カーボンの共役二重結合が酸化されて単結合となり、部分的に炭素間結合が切断されることで、親水性部分が生成するため、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンを得ることができる。 In electrodes of batteries such as lithium ion secondary batteries, conductive carbon such as graphite, carbon black, and carbon nanotubes, which are generally used as conductive aids, have a hydrophilic portion of 5% by mass or less. By subjecting such conductive carbon particles to oxidation treatment, hydroxy groups, carboxy groups, ether bonds, etc. are introduced, and the conjugated double bonds of carbon are oxidized to become single bonds, and some carbon bonds are formed. Since hydrophilic portions are generated by cutting the bonds, it is possible to obtain granular carbon in which the proportion of hydrophilic portions satisfies the above value.

親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンの粒子のより具体的な製造方法としては、例えば、空隙を有するカーボン原料(多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、空隙を有するファーネスブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなど)を使用し、これを酸(硝酸、硝酸硫酸混合物、次亜塩素酸水溶液など)で処理した後、遷移金属化合物(遷移金属のハロゲン化物、遷移金属の無機塩、遷移金属の有機塩など)と混合し、この混合物をメカノケミカル反応させ、反応後の生成物を非酸化雰囲気下(窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下など)で加熱し、加熱後の生成物から遷移金属化合物や遷移金属化合物の反応生成物を酸で溶解させるなどして除去し、洗浄および乾燥する方法が挙げられる。 A more specific method for producing granular carbon particles in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above value includes, for example, carbon raw materials having voids (porous carbon powder, Ketjen black, furnace black having voids, carbon nano Fibers, carbon nanotubes, etc.) are treated with acids (nitric acid, nitric acid/sulfuric acid mixtures, hypochlorous acid aqueous solution, etc.), and then transition metal compounds (transition metal halides, transition metal inorganic salts, transition metal This mixture is subjected to a mechanochemical reaction, and the reaction product is heated in a non-oxidizing atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere, etc.), and the transition metal compound is extracted from the heated product. For example, the reaction product of a transition metal compound may be removed by dissolving it in an acid, followed by washing and drying.

また、前記の空隙を有するカーボン原料を前記の遷移金属化合物と混合し、これを酸化雰囲気下(空気下などの酸素含有雰囲気下)で加熱し、加熱後の生成物から遷移金属化合物や遷移金属化合物の反応生成物を酸で溶解させるなどして除去し、洗浄および乾燥する方法によっても、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンを得ることができる。 In addition, the carbon raw material having the above-mentioned voids is mixed with the above-mentioned transition metal compound, and this is heated in an oxidizing atmosphere (in an oxygen-containing atmosphere such as air), and the transition metal compound and the transition metal are extracted from the heated product. Particulate carbon in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above value can also be obtained by a method in which the reaction product of the compound is removed by dissolving it in an acid, etc., and then washed and dried.

なお、親水性部分の割合が前記の値を満たす粒状カーボンの製造方法および条件の詳細は、国際公開第2015/133586号に開示されており、その記載に従って製造すればよい。 Note that details of the method and conditions for producing granular carbon in which the proportion of the hydrophilic portion satisfies the above value are disclosed in International Publication No. 2015/133586, and may be produced according to the description thereof.

なお、繊維状カーボンは凝集しやすく、正極合剤の調製時に正極活物質などと混合しても解砕されずに凝集したままで存在することが多い。このような電極合剤を用いると、凝集した繊維状カーボンが嵩高いために、空隙が少なく密度が大きい正極合剤の成形体を形成し難くなる。よって、繊維状カーボンは粒状カーボンと複合化した複合体として使用することが好ましい。繊維状カーボンは粒状カーボンと複合体を形成していると、繊維状カーボンの表面に付着している粒状カーボンによって繊維状カーボンの凝集が抑制される。これにより、例えば空隙率が低く、密度が大きい正極合剤の成形体の形成が容易となる。 Note that fibrous carbon tends to aggregate, and even when mixed with a positive electrode active material and the like during the preparation of a positive electrode mixture, it often remains aggregated without being disintegrated. When such an electrode mixture is used, since the aggregated fibrous carbon is bulky, it becomes difficult to form a compact of the positive electrode mixture with few voids and high density. Therefore, it is preferable to use the fibrous carbon as a composite with granular carbon. When fibrous carbon forms a composite with granular carbon, aggregation of the fibrous carbon is suppressed by the granular carbon adhering to the surface of the fibrous carbon. This facilitates the formation of a molded body of positive electrode mixture that has low porosity and high density, for example.

繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体は、後述するように、繊維状カーボンと粒状カーボンとを乾式混合することによって得ることができる。 A composite of fibrous carbon and granular carbon can be obtained by dry mixing fibrous carbon and granular carbon, as described below.

正極合剤の成形体で「繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体」を使用しているか否かは、例えば、粒状カーボンが前述した低結晶性のものである場合、以下の方法で判断できる。電池から正極合剤の成形体を取り出し、顕微ラマン分光法で正極の断面をマッピング測定(測定範囲:80×80μm、2μmステップ)する。繊維状カーボンおよび粒状カーボンは、いずれも1340cm-1および1590cm-1の位置にピークが観測されるが、繊維状カーボンは1340cm-1のピーク強度が粒状カーボンと比べ1/10~1/5程度である。よって、繊維状カーボンと粒状カーボンとが別個に存在している場合には、1340cm-1のピーク強度を観測することで、どちらのカーボンであるかを判別することができる。そして、繊維状カーボンと粒状カーボンが複合体を形成している場合には、1340cm-1のピーク強度が粒状カーボンと比べ1/3~3/4程度となるため、観察しているカーボンが繊維状カーボンと粒状カーボンの複合体であることを判別できる。 Whether or not a "composite of fibrous carbon and granular carbon" is used in the positive electrode mixture molded body can be determined by the following method, for example, if the granular carbon is of the low crystallinity mentioned above. . The molded body of the positive electrode mixture is taken out from the battery, and the cross section of the positive electrode is subjected to mapping measurement using micro-Raman spectroscopy (measurement range: 80×80 μm, 2 μm steps). Both fibrous carbon and granular carbon have peaks observed at 1340 cm -1 and 1590 cm -1 , but the peak intensity of fibrous carbon at 1340 cm -1 is about 1/10 to 1/5 of that of granular carbon. It is. Therefore, when fibrous carbon and granular carbon exist separately, it is possible to determine which type of carbon is present by observing the peak intensity at 1340 cm −1 . When fibrous carbon and granular carbon form a composite, the peak intensity at 1340 cm -1 is about 1/3 to 3/4 of that of granular carbon, so the carbon being observed is a fiber. It can be determined that it is a composite of granular carbon and granular carbon.

全固体電池用正極における正極合剤の成形体において、繊維状カーボンと粒状カーボンとの割合は、繊維状カーボンの凝集をより良好に抑制する観点から、繊維状カーボン100質量部に対して、粒状カーボンが、10質量部以上であることが好ましく、30質量部以上であることがより好ましい。また、導電助剤全体の比表面積を制限して、正極合剤の成形体での硫化物系固体電解質の酸化をより良好に抑制する観点からは、繊維状カーボンと粒状カーボンとの割合は、繊維状カーボン100質量部に対して、粒状カーボンが、100質量部以下であることが好ましく、70質量部以下であることがより好ましい。 In the molded body of the positive electrode mixture in the positive electrode for an all-solid-state battery, the ratio of fibrous carbon to granular carbon is set to 100 parts by mass of fibrous carbon to 100 parts by mass of fibrous carbon. The amount of carbon is preferably 10 parts by mass or more, more preferably 30 parts by mass or more. In addition, from the perspective of limiting the specific surface area of the entire conductive additive and better suppressing oxidation of the sulfide solid electrolyte in the molded positive electrode mixture, the ratio of fibrous carbon to granular carbon is as follows: The amount of granular carbon is preferably 100 parts by mass or less, more preferably 70 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of fibrous carbon.

正極合剤の成形体から繊維状カーボンと粒状カーボンの割合は以下の方法で判別することができる。電池から電極積層体を取り出して、精密ナイフで正極合剤の成形体のみを分離する。分離した正極合剤の成形体をイオン交換水中に入れた後、ここにイオン交換水と同量のトルエンを加えて超音波処理を施す。この処理を施した液は、粒状カーボンを含む水相と、繊維状カーボンを含むトルエン相とに分離する。この液から水相とトルエン相とを分液する。これによって得られた水相について、50,000Gの遠心加速度で遠心分離を行い、上澄みをイオン交換水で置換する操作を3回繰り返した後に、残った試料を乾燥させて固形分を回収し、その質量Y(mg)を測定する。次に、質量Yを測定した固形分について、空気雰囲気下で熱重量(TG)分析を行い、120℃から700℃にかけての質量の変化量を求め、これを正極合剤中の粒状カーボンの質量Z(mg)とする。 The ratio of fibrous carbon to granular carbon in the molded body of the positive electrode mixture can be determined by the following method. Take out the electrode stack from the battery and separate only the positive electrode mixture molded body using a precision knife. After the separated molded positive electrode mixture is placed in ion-exchanged water, the same amount of toluene as the ion-exchanged water is added and subjected to ultrasonication. The liquid subjected to this treatment is separated into an aqueous phase containing granular carbon and a toluene phase containing fibrous carbon. This liquid is separated into an aqueous phase and a toluene phase. The resulting aqueous phase was centrifuged at a centrifugal acceleration of 50,000 G, and the supernatant was replaced with ion-exchanged water three times, and the remaining sample was dried to recover the solid content. Measure its mass Y (mg). Next, the solid content whose mass Y was measured was subjected to thermogravimetric (TG) analysis in an air atmosphere to determine the amount of change in mass from 120°C to 700°C. Let it be Z (mg).

これによって得られたトルエン層について50,000Gの遠心加速度で遠心分離を行い、上澄みをトルエンで置換する操作を3回繰り返した後に、残った試料を乾燥させて固形分を回収し、その質量(mg)を測定する。次に、質量Wを測定した固形分について、空気雰囲気下で熱重量(TG)分析を行い、120℃から800℃にかけての質量の変化量を求め、これを正極合剤中の繊維状カーボンの質量X(mg)とする。 The resulting toluene layer was centrifuged at a centrifugal acceleration of 50,000 G, and the supernatant was replaced with toluene three times. The remaining sample was dried to recover the solid content, and its mass ( mg). Next, thermogravimetric (TG) analysis is performed on the solid content whose mass W was measured in an air atmosphere to determine the amount of change in mass from 120°C to 800°C. Let the mass be X (mg).

さらに、YからZを引いて正極合剤中の正極活物質の質量P(mg)を算出することができる。 Furthermore, the mass P (mg) of the positive electrode active material in the positive electrode mixture can be calculated by subtracting Z from Y.

全固体電池用正極の正極合剤の成形体において、導電助剤の総量は、1~10質量%であることが好ましい。 In the molded product of the positive electrode mixture of the positive electrode for an all-solid-state battery, the total amount of the conductive additive is preferably 1 to 10% by mass.

正極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製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挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは正極合剤中において抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、正極合剤においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。正極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The positive electrode mixture does not need to contain a resin binder, or may contain it. Examples of the resin binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component in the positive electrode mixture, it is desirable that its amount be as small as possible. Therefore, it is preferable that the positive electrode mixture does not contain a resin binder, or if it contains a resin binder, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resinous binder in the positive electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and even more preferably 0% by mass (that is, no resinous binder is contained).

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, metal foil such as aluminum or stainless steel, punched metal, net, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, etc. can be used as the current collector.

正極合剤の成形体は、例えば、正極活物質、固体電解質および導電助剤、さらには非膣用に応じて添加される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。 The molded positive electrode mixture is prepared by, for example, mixing a positive electrode active material, a solid electrolyte, a conductive additive, and a binder added depending on the non-vaginal use, and then molding the positive electrode mixture by pressure molding or the like. It can be formed by compression.

集電体を有する正極の場合には、前記のような方法で形成した正極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a positive electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding a molded body of the positive electrode mixture formed by the method described above to the current collector by pressing or the like.

正極合剤の成形体の厚み(集電体を有する正極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。また、正極合剤の成形体の厚みは、通常、2000μm以下である。 The thickness of the positive electrode mixture molded body (in the case of a positive electrode with a current collector, the thickness of the positive electrode mixture molded body per one side of the current collector; the same applies hereinafter) is determined from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more. Further, the thickness of the molded body of the positive electrode mixture is usually 2000 μm or less.

(負極)
全固体電池の負極は、負極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。
(Negative electrode)
The negative electrode of an all-solid-state battery has a molded body of a negative electrode mixture containing lithium titanium oxide as a negative electrode active material, a solid electrolyte, a conductive additive, etc. For example, a negative electrode consisting only of the molded body, Examples include a negative electrode having a structure in which a molded body and a current collector are integrated.

リチウムチタン酸化物としては、例えば、下記一般組成式(3)で表されるものが挙げられる。 Examples of the lithium titanium oxide include those represented by the following general compositional formula (3).

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

前記一般組成式(3)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≦s<1/3、0≦t<5/3である。 In the general composition formula (3), M 1 is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Sr and Ba, and M 2 is Al, V, Cr, Fe, At least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Ym, Zr, Nb, Mo, Ta, and W, and 0≦s<1/3, 0≦t<5/3.

すなわち、前記一般組成式(3)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(3)において、元素Mの比率を表すsは、1/3未満であることが好ましい。前記一般組成式(3)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sは0でもよい。 That is, in the lithium titanium oxide represented by the general compositional formula (3), some of the Li sites may be substituted with element M1 . However, in the general compositional formula (3), s representing the ratio of element M 1 is preferably less than 1/3. In the lithium titanium oxide represented by the general compositional formula (3), Li does not need to be substituted with the element M 1 , so s representing the ratio of the element M 1 may be 0.

また、前記一般組成式(3)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tが、0≦t<5/3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 compositional formula (3), the element M2 is a component for increasing the electronic conductivity of the lithium titanium oxide, and t, which represents the ratio of the element M2 , is 0. When ≦t<5/3, the effect of improving electronic conductivity can be satisfactorily ensured.

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 lithium titanium oxide used in lithium ion secondary batteries etc. can also be used together with lithium titanium oxide. However, the proportion of negative electrode active materials other than lithium titanium oxide in the total amount of negative electrode active materials is preferably 30% by mass or less.

負極合剤における負極活物質の含有量は、全固体電池の出力特性を高め、さらに、より高容量とする観点から、40質量%以上であり、45質量%以上であることが好ましく、また、60質量%以下であり、55質量%であることが好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is 40% by mass or more, preferably 45% by mass or more, from the viewpoint of improving the output characteristics of the all-solid-state battery and further increasing the capacity. The content is 60% by mass or less, preferably 55% by mass.

負極の固体電解質には、硫化物系固体電解質を使用するのが好ましい。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、前記の通り、負極のみならず、正極および固体電解質層にもこれを使用することで、電池の出力特性が向上する。 It is preferable to use a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte of the negative electrode. Sulfide-based solid electrolytes have particularly excellent ionic conductivity among solid electrolytes that can be used in all-solid-state batteries, and as mentioned above, by using them not only for the negative electrode but also for the positive electrode and solid electrolyte layer, Improves battery output characteristics.

硫化物系固体電解質には、正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を使用することがより好ましい。 As the sulfide-based solid electrolyte, it is more preferable to use the same solid electrolyte as exemplified above as the solid electrolyte that can be used for the positive electrode.

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、正極に使用し得るものとして先に例示したものと同じ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 may also be used together with the sulfide-based solid electrolyte. Examples of the solid electrolyte that can be used in combination with the sulfide solid electrolyte include the same hydride solid electrolytes and oxide solid electrolytes as those exemplified above as those that can be used in the positive electrode.

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 the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of solid electrolytes used in the negative electrode mixture is preferably 30% by mass or less.

負極合剤における固体電解質の含有量は、全固体電池の出力特性をより高め、さらに、より高容量とする観点から、負極活物質の含有量を100質量部としたときに、50質量部以上であることが好ましく、60質量部以上であることがより好ましく、70質量部以上であることがさらに好ましく、また、130質量部以下であることが好ましく、120質量部以下であることがより好ましく、110質量部以下であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture is 50 parts by mass or more when the content of the negative electrode active material is 100 parts by mass, from the viewpoint of further enhancing the output characteristics of the all-solid-state battery and further increasing the capacity. It is preferably 60 parts by mass or more, more preferably 70 parts by mass or more, and preferably 130 parts by mass or less, more preferably 120 parts by mass or less. , more preferably 110 parts by mass or less.

負極の導電助剤には、カーボンブラックなどの炭素材料を使用することができる。負極合剤における導電助剤の含有量は、全固体電池の出力特性をより高め、さらに、より高容量とする観点から、負極活物質の含有量を100質量部としたときに、10質量部以上であることが好ましく、12質量部以上であることがより好ましく、15質量部以上であることがさらに好ましく、また、30質量部以下であることが好ましく、25質量部以下であることがより好ましく、22質量部以下であることがさらに好ましい。 A carbon material such as carbon black can be used as a conductive additive for the negative electrode. The content of the conductive additive in the negative electrode mixture is 10 parts by mass when the content of the negative electrode active material is 100 parts by mass, from the viewpoint of further enhancing the output characteristics of the all-solid-state battery and further increasing the capacity. It is preferably at least 12 parts by mass, more preferably at least 15 parts by mass, further preferably at most 30 parts by mass, and more preferably at most 25 parts by mass. The amount is preferably 22 parts by mass or less, and more preferably 22 parts by mass or less.

負極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製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挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは負極合剤中においても抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、負極合剤においても、正極合剤と同様に、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。負極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The negative electrode mixture does not need to contain a resin binder, or may contain it. Examples of the resin binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder also acts as a resistance component in the negative electrode mixture, it is desirable that its amount be as small as possible. Therefore, similarly to the positive electrode mixture, it is preferable that the negative electrode mixture does not contain a resin binder, or if it does contain a resin binder, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resinous binder in the negative electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and even more preferably 0% by mass (that is, no resinous binder is contained).

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, copper or nickel foil, punched metal, net, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, etc. can be used as the current collector.

負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質、固体電解質および導電助剤、さらには非膣用に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した負極合剤を、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。 The negative electrode mixture molded body is prepared by, for example, mixing a negative electrode active material, a solid electrolyte, a conductive aid, and a binder added depending on the non-vaginal use, and then molding the negative electrode mixture by pressure molding or the like. It can be formed by compression.

集電体を有する負極の場合には、前記のような方法で形成した負極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a negative electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding a molded negative electrode mixture formed by the method described above to the current collector by pressing or the like.

負極合剤の成形体の厚み(集電体を有する負極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。なお、電池の出力特性は、一般に正極や負極を薄くすることで向上しやすいが、本発明によれば、負極合剤の成形体が200μm以上と厚い場合においても、その出力特性を高めることが可能である。よって、本発明においては、負極合剤の成形体の厚みが例えば200μm以上の場合に、その効果がより顕著となる。そして、本発明においては、正極合剤の成形体の厚みが200μm以上であり、かつ負極合剤の成形体の厚みが200μm以上である場合に、その効果が特に顕著となる。また、負極合剤の成形体の厚みは、通常、3000μm以下である。 The thickness of the molded body of the negative electrode mixture (in the case of a negative electrode with a current collector, the thickness of the molded body of the positive electrode mixture per one side of the current collector; the same applies hereinafter) is determined from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more. Note that the output characteristics of a battery are generally easily improved by making the positive electrode and negative electrode thinner, but according to the present invention, the output characteristics can be improved even when the negative electrode mixture molded body is as thick as 200 μm or more. It is possible. Therefore, in the present invention, the effect becomes more pronounced when the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is, for example, 200 μm or more. In the present invention, the effect becomes particularly remarkable when the thickness of the molded body of the positive electrode mixture is 200 μm or more and the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is 200 μm or more. Further, the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is usually 3000 μm or less.

(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も、硫化物系固体電解質を使用するのが好ましい。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、前記の通り、固体電解質層のみならず、正極および負極にもこれを使用することで、電池の出力特性が向上する。
(solid electrolyte layer)
It is also preferable to use a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte in the solid electrolyte layer of an all-solid-state battery. Sulfide-based solid electrolytes have particularly excellent ionic conductivity among solid electrolytes that can be used in all-solid-state batteries, and as mentioned above, by using them not only for the solid electrolyte layer but also for the positive and negative electrodes, Improves battery output characteristics.

硫化物系固体電解質には、正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を使用することがより好ましい。 As the sulfide-based solid electrolyte, it is more preferable to use the same solid electrolyte as exemplified above as the solid electrolyte that can be used for the positive electrode.

固体電解質層には、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、正極に使用し得るものとして先に例示したものと同じ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 in the solid electrolyte layer, other solid electrolytes may also be used together with the sulfide-based solid electrolyte. Examples of the solid electrolyte that can be used in combination with the sulfide solid electrolyte include the same hydride solid electrolytes and oxide solid electrolytes as those exemplified above as those that can be used in the positive electrode.

ただし、固体電解質層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 the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of solid electrolytes used in the solid electrolyte layer is preferably 30% by mass or less.

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 is prepared by dispersing the solid electrolyte in a solvent, applying the composition for forming the solid electrolyte layer onto the base material, the positive electrode, and the negative electrode, drying it, and performing pressure forming such as press treatment as necessary. It can be formed by doing.

固体電解質層形成用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。 The solvent used in the solid electrolyte layer forming composition is preferably selected from a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte. In particular, sulfide-based solid electrolytes and hydride-based solid electrolytes cause chemical reactions with minute amounts of water, so hydrocarbon solvents such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, decalin, toluene, and xylene are typical. Preference is given to using non-polar aprotic solvents. 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, fluorinated solvents such as "Vertrell (registered trademark)" manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemicals, "Zeorolla (registered trademark)" manufactured by Nippon Zeon, and "Novec (registered trademark)" manufactured by Sumitomo 3M, Non-aqueous organic solvents such as , dichloromethane and diethyl ether can also be used.

固体電解質層の厚みは、15~300μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 15 to 300 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 laminated with a solid electrolyte layer in between, or a wound electrode body in which this 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。 Note that when forming the electrode body, it is preferable to press-mold the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer in a laminated state from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the electrode body.

(電池の形態)
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。
(Battery form)
A cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid-state battery of the present invention is shown in FIG. The battery 1 shown in FIG. 1 includes a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a positive electrode 10 and a negative electrode 20 in an external case formed of an external can 40, a sealed can 50, and a resin gasket 60 interposed between these. A solid electrolyte layer 30 interposed therebetween is enclosed.

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 into the opening of the outer can 40 via a gasket 60, and the open end of the outer can 40 is tightened inward, causing the gasket 60 to come into contact with the sealing can 50. The opening of the outer can 40 is sealed, so that the inside of the element has a hermetically sealed structure.

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。 Stainless steel can be used for the outer can and sealed can. In addition, polypropylene, nylon, etc. can be used as the material for the gasket, and if heat resistance is required due to battery usage, materials such as tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA) can be used. Heat-resistant materials with melting points exceeding 240°C such as fluororesin, polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyether sulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), and polyether ether ketone (PEEK) Resins can also be used. Furthermore, when the battery is used in applications requiring heat resistance, a glass hermetic seal can also be used to seal the battery.

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に限定されず、例えば、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や、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。 The form of an all-solid-state battery is one that has an exterior body consisting of an exterior can, a sealed can, and a gasket, as shown in Figure 1, that is, a type that is generally referred to as a coin-shaped battery or a button-shaped battery. Examples include, but are not limited to, those having an exterior made of a resin film or a metal-resin laminate film, or a metallic exterior can with a cylindrical shape (cylindrical or rectangular shape) and its opening sealed. It may have an exterior body having a sealing structure for sealing.

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 high temperature It can be preferably used in applications where it is exposed to

<全固体電池のシステム>
本発明の全固体電池のシステムは、本発明の全固体電池と充電装置とを備えており、前記全固体電池に対し、前記充電装置により加えられる電圧の上限値が2.8V以下(好ましくは2.5V以上)となる条件で充電するものである。これによりかかるシステムに使用する全固体電池が高容量で良好な出力特性を発揮させることができる。本発明の全固体電池のシステムに係る充電装置については、終止電圧を2.8V以下(好ましくは2.5V以上)とする条件で全固体電池の充電を実施可能なものであればよく、従来から知られている全固体電池用の充電装置、例えば、定電流充電後に定電圧充電を行うことのできる充電装置や、パルス充電を行うことのできる充電装置などを使用することができる。
<All-solid-state battery system>
The all-solid-state battery system of the present invention includes the all-solid-state battery of the present invention and a charging device, and the upper limit of the voltage applied by the charging device to the all-solid-state battery is 2.8 V or less (preferably 2.5V or higher). This allows the all-solid-state battery used in such a system to exhibit high capacity and good output characteristics. The charging device related to the all-solid-state battery system of the present invention may be of any type as long as it can charge the all-solid-state battery under the condition that the final voltage is 2.8 V or less (preferably 2.5 V or more). For example, a charging device that can perform constant voltage charging after constant current charging or a charging device that can perform pulse charging can be used.

本発明の全固体電池のシステムは、従来から知られている二次電池や二次電池のシステム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 system of the present invention can be applied to the same applications as conventionally known secondary batteries and secondary battery systems, but since it has a solid electrolyte instead of an organic electrolyte, It has excellent heat resistance and can be preferably used in applications that are exposed to high temperatures.

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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples. However, the following examples do not limit the present invention.

実施例1
<正極の作製>
一次粒子の平均粒子径が200nmで、2nm以下の細孔を有するカーボンブラック:9質量部と、Co(CHCOO)・4HO:99.6質量部と、LiOH・HO:32質量部とを蒸留水中で混合し、1時間攪拌した後、混合液をろ過してカーボンブラックを含む混合物を得た。
Example 1
<Preparation of positive electrode>
Carbon black whose primary particles have an average particle diameter of 200 nm and pores of 2 nm or less: 9 parts by mass, Co(CH 3 COO) 2.4H 2 O: 99.6 parts by mass, LiOH.H 2 O: After stirring for 1 hour, the mixture was filtered to obtain a mixture containing carbon black.

次に、前記混合物にLiOH・HO:30質量部を加え、エバポレーターを用い、空気中250℃で30分間加熱して、カーボンブラックにリチウムコバルト化合物が担持された複合体を得た。この複合体を、濃度98%の濃硫酸、濃度70%の濃硝酸および濃度30%の塩酸の体積比が1:1:1の混合水溶液に投入し、超音波を照射させて複合体中のリチウムコバルト化合物を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。 Next, 30 parts by mass of LiOH.H 2 O was added to the mixture and heated in air at 250° C. for 30 minutes using an evaporator to obtain a composite in which a lithium cobalt compound was supported on carbon black. This complex was placed in a mixed aqueous solution of 98% concentrated sulfuric acid, 70% concentrated nitric acid, and 30% hydrochloric acid in a volume ratio of 1:1:1, and ultrasonic waves were irradiated to dissolve the complex. The lithium cobalt compound was dissolved and the remaining solid was filtered, washed with water and dried.

前記混合水溶液によるリチウムコバルト化合物の溶解と、ろ過、水洗及び乾燥の工程を繰り返すことにより、リチウムコバルト化合物を完全に取り除き、10質量%以上の割合で親水性部分を含む粒状カーボンを得た。得られた粒状カーボンは、一次粒子の状態で最長径の長さと最短径の長さとの比が1.1で、粒状カーボンの一次粒子の平均粒子径が200nmであった。 By repeating the steps of dissolving the lithium cobalt compound with the mixed aqueous solution, filtration, washing with water, and drying, the lithium cobalt compound was completely removed, and granular carbon containing a hydrophilic portion in a proportion of 10% by mass or more was obtained. The obtained granular carbon had a ratio of the longest diameter to the shortest diameter in the state of primary particles of 1.1, and the average particle diameter of the primary particles of the granular carbon was 200 nm.

カーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF(商品名)」,繊維状カーボン,繊維長と繊維径との比が30以上〕と、前記粒状カーボンとを、遊星ボールミルを用いて、質量比で2:1の割合で60分間乾式混合して、繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体を得た。 Carbon nanotubes [VGCF (trade name) manufactured by Showa Denko Co., Ltd., fibrous carbon, ratio of fiber length to fiber diameter of 30 or more] and the granular carbon were mixed using a planetary ball mill at a mass ratio of 2: Dry mixing was carried out for 60 minutes at a ratio of 1:1 to obtain a composite of fibrous carbon and granular carbon.

平均粒子径5μmで表面にLiNbOからなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01(正極活物質)と、平均粒子径が3μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物固体電解質(Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8)と、前記繊維状カーボンと粒状カーボンとの複合体(導電助剤)とを、質量比で65:31:4の割合で混合して、正極合剤を調製した。
次に、前記正極合剤:110mg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、円柱形状の正極合剤成形体よりなる正極を作製した。なお、LiCo0.98Al0.01Mg0.01の表面のLiNbOからなる層の量は、LiCo0.98Al0.01Mg0.01:100質量部に対して0.5質量部であった。
LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 (positive electrode active material) having an average particle size of 5 μm and a layer made of LiNbO 3 on the surface, and a sulfide solid electrolyte having an argyrodite structure with an average particle size of 3 μm. (Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br 0.8 ) and the composite of fibrous carbon and granular carbon (conductivity aid) in a mass ratio of 65:31:4. A positive electrode mixture was prepared by mixing.
Next, 110 mg of the positive electrode mixture was put into a powder molding mold with a diameter of 10 mm, and pressure molded using a press machine to produce a positive electrode consisting of a cylindrical positive electrode mixture molded body. Note that the amount of the layer consisting of LiNbO 3 on the surface of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 is 0 per 100 parts by mass of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 It was .5 parts by mass.

<固体電解質層の形成>
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、前記硫化物固体電解質:15mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成した。
<Formation of solid electrolyte layer>
Next, 15 mg of the sulfide solid electrolyte was placed on top of the positive electrode mixture molded body in the powder molding mold, and pressure molding was performed using a press machine. A solid electrolyte layer was formed on the surface.

<負極の作製>
平均粒子径7μmのチタン酸リチウム(LiTi12、負極活物質)と前記硫化物固体電解質と導電助剤であるカーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕とを質量比で50:41:9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:140mg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することにより、正極、固体電解質層および負極が積層された積層体を作製した。
<Preparation of negative electrode>
The mass of lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , negative electrode active material) with an average particle diameter of 7 μm, the sulfide solid electrolyte, and carbon nanotubes as a conductive agent [VGCF (trade name) manufactured by Showa Denko K.K. They were mixed in a ratio of 50:41:9 and thoroughly kneaded to prepare a negative electrode mixture. Next, 140 mg of the negative electrode mixture was placed on top of the solid electrolyte layer in the powder molding mold, and pressure molded using a press, so that a molded negative electrode mixture was placed on top of the solid electrolyte layer. By forming a negative electrode consisting of the following, a laminate in which a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode were stacked was produced.

住友電工株式会社製の銅製発泡基材〔銅製のセルメット(商品名)、厚み:1mm、空孔率:97%〕を6mmφの大きさに打ち抜き、ステンレス鋼製の封口缶の内底面上に配置し、その上に前記正極/固体電解質層/負極の積層体を負極が前記基材側となるようにして重ね、更に、前記と同じ大きさに打ち抜いた住友電工株式会社製のアルミニウム製発泡基材〔アルミニウム製のセルメット(商品名)、厚み:1mm、空孔率:97%〕を前記積層体の正極の上に載せた後、ステンレス鋼製の外装缶をかぶせて封止を行うことにより、扁平形全固体電池を作製した。
この扁平型全固体電池について充放電装置(電池を充電および放電させるための装置)と組み合わせて、充電上限電圧を2.6Vとする全固体電池のシステムを構成した。
A copper foam base material made by Sumitomo Electric Co., Ltd. [Copper Celmet (trade name), thickness: 1 mm, porosity: 97%] was punched out to a size of 6 mmφ and placed on the inner bottom surface of a stainless steel sealed can. Then, on top of that, the laminate of the positive electrode/solid electrolyte layer/negative electrode was stacked with the negative electrode facing the base material side, and then an aluminum foam base manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd., punched out to the same size as above was added. After placing the material [Celmet (trade name) made of aluminum, thickness: 1 mm, porosity: 97%] on the positive electrode of the laminate, a stainless steel exterior can is covered and sealed. , we fabricated a flat all-solid-state battery.
This flat type all-solid-state battery was combined with a charging/discharging device (a device for charging and discharging the battery) to construct an all-solid-state battery system with a charging upper limit voltage of 2.6V.

実施例2
正極合剤における正極活物質と硫化物系固体電解質と導電助剤との比率を、質量比で50:44:6に変更した以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製し、この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Example 2
A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the positive electrode active material, sulfide-based solid electrolyte, and conductive additive in the positive electrode mixture was changed to 50:44:6 in terms of mass ratio. An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

実施例3
正極合剤における正極活物質と硫化物系固体電解質と導電助剤との比率を、質量比で80:18:2に変更した以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製し、この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Example 3
A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the positive electrode active material, sulfide-based solid electrolyte, and conductive additive in the positive electrode mixture was changed to 80:18:2 in terms of mass ratio. An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

実施例4
実施例1と同様にして、扁平型全固体電池を作成した。この扁平型全固体電池について充放電装置(電池を充電および放電させるための装置)と組み合わせて、充電上限電圧を2.8Vとする全固体電池のシステムを構成した。
Example 4
A flat all-solid-state battery was created in the same manner as in Example 1. This flat type all-solid-state battery was combined with a charging/discharging device (device for charging and discharging the battery) to construct an all-solid-state battery system with a charging upper limit voltage of 2.8V.

実施例5
正極合剤における正極活物質を、平均粒子径5μmでのLiCo0.98Al0.01Mg0.01(表面にLiNbOからなる層を有さないもの)を使用した以外は、実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Example 5
Except that the positive electrode active material in the positive electrode mixture was LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 (which does not have a layer consisting of LiNbO 3 on the surface) with an average particle size of 5 μm. A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1. An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

比較例1
正極合剤における正極活物質と硫化物系固体電解質と導電助剤との比率を、質量比で45:49:6に変更した以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Comparative example 1
A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the positive electrode active material, sulfide-based solid electrolyte, and conductive additive in the positive electrode mixture was changed to 45:49:6 in terms of mass ratio. . An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

比較例2
正極合剤における正極活物質と硫化物系固体電解質と導電助剤との比率を、質量比で85:13:2に変更した以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Comparative example 2
A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the ratio of the positive electrode active material, sulfide-based solid electrolyte, and conductive additive in the positive electrode mixture was changed to 85:13:2 in terms of mass ratio. . An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

比較例3
正極合剤における固体電解質にLi7.0PS5.4Cl1.2を使用した以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池を作製した。この扁平型全固体電池を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池のシステムを構成した。
Comparative example 3
A flat all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1 except that Li 7.0 PS 5.4 Cl 1.2 was used as the solid electrolyte in the positive electrode mixture. An all-solid-state battery system was constructed in the same manner as in Example 1 except that this flat-type all-solid-state battery was used.

比較例4
実施例1と同様にして、扁平型全固体電池を作成した。この扁平型全固体電池について充放電装置(電池を充電および放電させるための装置)と組み合わせて、充電上限電圧を3.0Vとする全固体電池のシステムを構成した。
Comparative example 4
A flat all-solid-state battery was created in the same manner as in Example 1. This flat type all-solid-state battery was combined with a charging/discharging device (a device for charging and discharging the battery) to construct an all-solid-state battery system with a charging upper limit voltage of 3.0V.

実施例および比較例の全固体電池のシステムについて、下記の方法で初期容量測定および出力特性評価を行った。 For the all-solid-state battery systems of Examples and Comparative Examples, initial capacity measurements and output characteristics were evaluated using the following methods.

<初期容量測定>
実施例および比較例の各全固体電池のシステムについて、0.02Cの電流値で電圧がそれぞれの全固体電池のシステムにおける充電上限値電圧なるまで定電流充電し、続いて電流値が0.002Cになるまで定電圧充電を行い、その後に0.02Cの電流値で電圧が1Vになるまで放電させて、そのときの放電容量(初期容量)を測定した。
<Initial capacity measurement>
Each all-solid-state battery system of the example and comparative example was charged at a constant current with a current value of 0.02C until the voltage reached the charging upper limit voltage of each all-solid-state battery system, and then the current value was 0.002C. The battery was charged at a constant voltage until the voltage reached 1V, and then discharged at a current value of 0.02C until the voltage reached 1V, and the discharge capacity (initial capacity) at that time was measured.

<出力特性評価>
実施例および比較例の各全固体電池のシステムについて、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行い、その後に0.2Cの電流値で電圧が1Vになるまで放電させて、このときの放電容量(0.2C放電容量)を測定した。
<Output characteristics evaluation>
For each all-solid-state battery system of Examples and Comparative Examples, constant current charging and constant voltage charging were performed under the same conditions as when measuring the initial capacity, and then discharged at a current value of 0.2C until the voltage reached 1V. The discharge capacity (0.2C discharge capacity) at this time was measured.

そして、各電池について、0.2C放電容量を初期容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、出力特性を評価した。 Then, for each battery, the value obtained by dividing the 0.2C discharge capacity by the initial capacity was expressed as a percentage to determine the capacity retention rate, and the output characteristics were evaluated.

<貯蔵後の出力特性評価>
実施例および比較例の各全固体電池のシステムについて、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行って初期容量測定を行い、その後それぞれの全固体電池のシステムにおける全固体電池を85℃で5時間貯蔵した。その後に各電池の温度を室温に戻してから、その後に0.2Cの電流値で電圧が1Vになるまで放電させて、このときの放電容量(貯蔵後0.2C放電容量)を測定した。
そして、各電池について、貯蔵後の0.2C放電容量を初期容量で除した値を百分率で表して貯蔵後の出力特性を評価した。
<Evaluation of output characteristics after storage>
For each all-solid-state battery system in Examples and Comparative Examples, the initial capacity was measured by performing constant-current charging and constant-voltage charging under the same conditions as when measuring the initial capacity, and then the all-solid-state battery in each all-solid-state battery system was was stored at 85°C for 5 hours. Thereafter, the temperature of each battery was returned to room temperature, and then discharged at a current value of 0.2C until the voltage reached 1V, and the discharge capacity at this time (0.2C discharge capacity after storage) was measured.
Then, for each battery, the output characteristics after storage were evaluated by dividing the 0.2C discharge capacity after storage by the initial capacity and expressing it as a percentage.

Figure 0007453037000001
Figure 0007453037000001

表1に示す通り、正極合剤中の正極活物質の量を特定範囲にし、正極の固体電解質に特定組成の硫化物系固体電解質を用いることで、出力特性および容量の高い全固体電池となり、また本発明の全固体電池のシステムにおいて充電上限電圧を特定することでその全固体電池が高容量で良好な出力特性を発揮させることが出来ることがわかる。
As shown in Table 1, by setting the amount of the positive electrode active material in the positive electrode mixture within a specific range and using a sulfide-based solid electrolyte with a specific composition as the solid electrolyte of the positive electrode, an all-solid-state battery with high output characteristics and capacity can be obtained. Furthermore, it can be seen that by specifying the charging upper limit voltage in the all-solid-state battery system of the present invention, the all-solid-state battery can exhibit high capacity and good output characteristics.

1 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
1 All solid battery 10 Positive electrode 20 Negative electrode 30 Solid electrolyte layer 40 Exterior can 50 Sealing can 60 Gasket

Claims (3)

全固体電池と充電装置を備える全固体電池のシステムにおいて、
前記全固体電池に対し、2.8Vの電圧を上限とする充電を行い、
前記全固体電池は、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、
前記正極は、正極活物質、固体電解質および導電助剤を含有する正極合剤の成形体を有し、
前記正極活物質はリチウムコバルト酸化物を含有し、
前記固体電解質は下記一般式(1)
Li7-xPS6-xClBr (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0で
ある〕
で表される硫化物系固体電解質であり、
前記正極合剤における前記正極活物質の含有量が50~80質量%であり、
前記負極は、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、
前記負極活物質はリチウムチタン酸化物を含有することを特徴とする全固体電池のシステム。
In an all-solid-state battery system that includes an all-solid-state battery and a charging device,
Charging the all-solid-state battery to a voltage of 2.8V as an upper limit,
The all-solid-state battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode has a molded positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive,
The positive electrode active material contains lithium cobalt oxide,
The solid electrolyte has the following general formula (1)
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
[In the general formula (1), x=y+z, 1.0<x≦1.8, 0.1≦z/y≦10.0]
It is a sulfide-based solid electrolyte represented by
The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is 50 to 80% by mass,
The negative electrode has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive,
An all-solid-state battery system , wherein the negative electrode active material contains lithium titanium oxide .
前記全固体電池に対し、2.6Vの電圧を上限とする充電を行う請求項1に記載の全固
体電池のシステム。
The all-solid-state battery system according to claim 1, wherein the all-solid-state battery is charged to a voltage of 2.6V as an upper limit.
前記リチウムコバルト酸化物は、表面の少なくとも一部に、前記リチウムコバルト酸化
物と固体電解質との反応を抑制する反応抑制層を有している請求項1又は2に記載の全固
体電池のシステム。
3. The all-solid-state battery system according to claim 1, wherein the lithium cobalt oxide has a reaction suppression layer on at least a portion of the surface thereof to suppress a reaction between the lithium cobalt oxide and the solid electrolyte.
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