JP7453765B2 - All solid state battery - Google Patents

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Description

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

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. In the automobile industry, expectations are high for reducing carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and non-aqueous batteries such as secondary batteries for motor drives hold the key to their practical application. Electrolyte secondary batteries are actively being developed.

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

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

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

ところで、電極活物質は、充放電に伴い体積変化が生じる。全固体リチウムイオン二次電池においては、電極活物質層に電極活物質に加えて電解質が含まれているが、この電解質は固体であり、電極活物質の体積変化に追従しにくい。そのため、充放電に伴い電極構造が変化(電極活物質と固体電解質との剥離)して、内部抵抗の増加を招くおそれがある。電極活物質と固体電解質との剥離を防止する技術として、例えば特許文献1には、活物質および硫化物固体電解質と、これらを結着する水素添加ゴム材料とを含有する電極層を有する全固体リチウムイオン二次電池が開示されている。 Incidentally, the volume of the electrode active material changes as it is charged and discharged. In an all-solid-state lithium ion secondary battery, the electrode active material layer contains an electrolyte in addition to the electrode active material, but this electrolyte is solid and does not easily follow changes in the volume of the electrode active material. Therefore, the electrode structure changes (separation between the electrode active material and the solid electrolyte) during charging and discharging, which may lead to an increase in internal resistance. As a technique for preventing peeling between an electrode active material and a solid electrolyte, for example, Patent Document 1 discloses an all-solid-state technology having an electrode layer containing an active material, a sulfide solid electrolyte, and a hydrogenated rubber material that binds these together. A lithium ion secondary battery is disclosed.

特開2011-134675号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-134675

しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載された技術を用いた場合、反応に寄与しない結着材の使用によりエネルギー密度の低下を招くことが判明した。 However, according to studies by the present inventors, it has been found that when the technique described in Patent Document 1 is used, the use of a binder that does not contribute to the reaction causes a decrease in energy density.

そこで、本発明は、全固体電池において、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制しうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means for suppressing an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density in an all-solid-state battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、充放電に伴う電極活物質の体積変化量と固体電解質の体積変化量とが所定の関係を満たすように制御すること、または充放電に伴う電極活物質層の体積変化量と固体電解質層の体積変化量とが所定の関係を満たすように制御することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors conducted extensive studies to solve the above problems. As a result, it is possible to control the amount of volume change of the electrode active material layer and the amount of volume change of the solid electrolyte due to charging and discharging so that they satisfy a predetermined relationship, or the amount of volume change of the electrode active material layer and the solid electrolyte due to charging and discharging. The present inventors have discovered that it is effective to control the volume change amount of the layer so that it satisfies a predetermined relationship, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の一形態(第1の形態)に係る全固体電池は、正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える。前記正極および前記負極の少なくとも一つは、集電体の表面に配置された電極活物質および固体電解質を含有する電極活物質層を有し、前記電極活物質層において、充放電に伴う前記電極活物質の体積変化量に対する前記固体電解質の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。 That is, an all-solid-state battery according to one embodiment (first embodiment) of the present invention includes a power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the power generation element. A restraining member is provided for restraining in the stacking direction. At least one of the positive electrode and the negative electrode has an electrode active material layer containing an electrode active material and a solid electrolyte disposed on the surface of a current collector, and in the electrode active material layer, the electrode The method is characterized in that the ratio of the amount of change in volume of the solid electrolyte to the amount of change in volume of the active material is 1 or more.

本発明の他の形態(第2の形態)に係る全固体電池は、正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素および前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える。充放電に伴う前記正極および前記負極を構成する電極活物質層の体積変化量に対する前記固体電解質層の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。 An all-solid-state battery according to another embodiment (second embodiment) of the present invention includes a power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a stack of the power generation elements. A restraining member is provided for restraining in the direction. The battery is characterized in that the ratio of the volume change of the solid electrolyte layer to the volume change of the electrode active material layers constituting the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging is 1 or more.

本発明の一形態に係る全固体電池によれば、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制することができる。 According to the all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention, it is possible to suppress an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density.

本発明の一実施形態である積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウムイオン二次電池を模式的に表した断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a stacked type (internal parallel connection type) all-solid-state lithium ion secondary battery that is an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態である双極型の全固体リチウムイオン二次電池を模式的に表した断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery that is an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態である積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウムイオン二次電池を模式的に表した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a stacked type (internal parallel connection type) all-solid-state lithium ion secondary battery that is an embodiment of the present invention. 図3に示すA方向から見た側面図である。4 is a side view seen from direction A shown in FIG. 3. FIG. 本発明の一実施形態である積層型の全固体リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。1 is a perspective view showing the appearance of a stacked all-solid-state lithium ion secondary battery that is an embodiment of the present invention. 実施例および比較例に係る全固体リチウムイオン二次電池の放電特性を示すグラフである。1 is a graph showing discharge characteristics of all-solid-state lithium ion secondary batteries according to Examples and Comparative Examples.

本発明の一形態(第1の形態)は、正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える全固体電池に関する。前記正極および前記負極の少なくとも一つは、集電体の表面に配置された電極活物質および固体電解質を含有する電極活物質層を有し、前記電極活物質層において、充放電に伴う前記電極活物質の体積変化量に対する前記固体電解質の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。本形態の全固体電池によれば、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制することができる。 One form (first form) of the present invention provides a power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a restraining member that restrains the power generation element in a stacking direction. The present invention relates to an all-solid-state battery comprising: At least one of the positive electrode and the negative electrode has an electrode active material layer containing an electrode active material and a solid electrolyte disposed on the surface of a current collector, and in the electrode active material layer, the electrode The method is characterized in that the ratio of the amount of change in volume of the solid electrolyte to the amount of change in volume of the active material is 1 or more. According to the all-solid-state battery of this embodiment, it is possible to suppress an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density.

本発明の他の形態(第2の形態)は、正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素および前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える全固体電池に関する。充放電に伴う前記正極および前記負極を構成する電極活物質層の体積変化量に対する前記固体電解質層の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。本形態の全固体電池によれば、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制することができる。 Another form (second form) of the present invention provides a power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a restraint that restrains the power generation element in a stacking direction. The present invention relates to an all-solid-state battery including the member. The battery is characterized in that the ratio of the volume change of the solid electrolyte layer to the volume change of the electrode active material layers constituting the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging is 1 or more. According to the all-solid-state battery of this embodiment, it is possible to suppress an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density.

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

図1は、本発明の一実施形態である積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型二次電池」とも称する)の全体構造を模式的に表した断面図である。図1に示す積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。なお、積層型二次電池10aは、拘束部材によって発電要素21の積層方向に拘束圧力が付与されている(図示せず)。そのため、発電要素21の体積は、一定に保たれている。 FIG. 1 schematically shows the overall structure of a stacked (internal parallel connection type) all-solid-state lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a "stacked secondary battery"), which is an embodiment of the present invention. FIG. The stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge/discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate film 29 that is a battery exterior body. Note that in the stacked secondary battery 10a, a restraining pressure is applied in the stacking direction of the power generation elements 21 by a restraining member (not shown). Therefore, the volume of the power generation element 21 is kept constant.

図1に示すように、本形態の積層型二次電池10aの発電要素21は、正極集電体11’の両面に正極活物質層13が配置された正極と、固体電解質層17と、負極集電体11’’の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面又は両面に負極活物質層が配置されるようにしてもよい。 As shown in FIG. 1, the power generation element 21 of the stacked secondary battery 10a of this embodiment includes a positive electrode in which positive electrode active material layers 13 are arranged on both sides of a positive electrode current collector 11', a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode. It has a structure in which a negative electrode with negative electrode active material layers 15 arranged on both sides of a current collector 11'' is laminated. Specifically, one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 face each other with the solid electrolyte layer 17 in between, and the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode are stacked in this order. ing. Thereby, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Note that the positive electrode active material layer 13 is disposed on only one side of the outermost positive electrode current collectors located on both outermost layers of the power generation element 21, but active material layers may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector exclusively for the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a current collector with active material layers on both sides may be used as it is as the outermost layer current collector. In addition, by reversing the arrangement of the positive electrode and negative electrode from FIG. 1, the outermost layer negative electrode current collector is located on both outermost layers of the power generation element 21, and A negative electrode active material layer may be arranged on both sides.

正極集電体11’および負極集電体11’’には、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板25および負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25および負極集電板27は、それぞれ必要に応じて正極端子リードおよび負極端子リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11’および負極集電体11’’に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 A positive electrode current collector plate 25 and a negative electrode current collector plate 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode) are attached to the positive electrode current collector 11′ and the negative electrode current collector 11″, respectively. It has a structure in which it is led out to the outside of the laminate film 29 so as to be sandwiched between the two. The positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27 are connected to the positive electrode current collector 11' and the negative electrode current collector 11' of each electrode via a positive electrode terminal lead and a negative electrode terminal lead (not shown), respectively, as necessary. ' may be attached by ultrasonic welding, resistance welding, etc.

なお、上記の説明では、積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウムイオン二次電池を例に挙げて本発明の一形態に係る全固体電池の一実施形態を説明した。しかしながら、本発明が適用可能な全固体電池の種類は特に制限されず、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の全固体電池にも適用可能である。 In the above description, an embodiment of an all-solid-state battery according to one aspect of the present invention has been described using a stacked (internal parallel connection type) all-solid-state lithium ion secondary battery as an example. However, the types of all-solid-state batteries to which the present invention is applicable are not particularly limited, and include a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of the current collector and an electrically bonded layer to the opposite surface of the current collector. It is also applicable to a bipolar type all-solid-state battery including a bipolar type electrode having a bonded negative electrode active material layer.

図2は、本発明の一実施形態に係る双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池(以下、単に「双極型二次電池」とも称する)を模式的に表した断面図である。図2に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a "bipolar secondary battery") according to an embodiment of the present invention. . The bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 2 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21, in which a charging/discharging reaction actually proceeds, is sealed inside a laminate film 29, which is a battery exterior body.

図2に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。なお、図2に示す双極型二次電池10bにおいて、双極型電極23は、本形態に係る全固体電池用電極から構成される。各双極型電極23は、固体電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、固体電解質層17は、固体電解質が層状に成形されてなる構成を有する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが固体電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および固体電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に固体電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 2, the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10b of this embodiment has a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of the current collector 11. It has a plurality of bipolar electrodes 23 each having an electrically coupled negative electrode active material layer 15 formed on its opposite surface. In addition, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 2, the bipolar electrode 23 is composed of the all-solid-state battery electrode according to this embodiment. Each bipolar electrode 23 is stacked with the solid electrolyte layer 17 in between to form the power generation element 21 . Note that the solid electrolyte layer 17 has a structure in which a solid electrolyte is formed into layers. At this time, the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 are arranged to face each other with the solid electrolyte layer 17 in between. , bipolar electrodes 23 and solid electrolyte layers 17 are alternately stacked. That is, the solid electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23. has been done.

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

さらに、図2に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 2, a positive electrode current collector plate (positive electrode tab) 25 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side, and this is extended to form a battery exterior body. It is derived from the laminate film 29. On the other hand, a negative electrode current collector plate (negative electrode tab) 27 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side, and is similarly extended and led out from the laminate film 29.

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

図3は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の斜視図である。図4は、図3に示すA方向から見た側面図である。 FIG. 3 is a perspective view of a stacked secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a side view seen from direction A shown in FIG. 3.

図3に示すように、本実施形態に係る積層型二次電池10aは、図1に示すラミネートフィルム29に封止された発電要素21と、ラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持する2枚の金属板200と、締結部材としてのボルト300およびナット400と、を有している。この締結部材(ボルト300およびナット400)は金属板200がラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持した状態で固定する機能を有している。これにより、金属板200および締結部材(ボルト300およびナット400)は発電要素21をその積層方向に拘束(加圧)する拘束部材として機能する。なお、拘束部材は発電要素21をその積層方向に拘束することができる部材であれば特に制限されない。拘束部材として、典型的には、金属板200のように剛性を有する材料から形成された板と上述した締結部材との組み合わせが用いられる。また、締結部材についても、ボルト300およびナット400のみならず、発電要素21をその積層方向に拘束するように金属板200の端部を固定するテンションプレートなどが用いられてもよい。 As shown in FIG. 3, the stacked secondary battery 10a according to the present embodiment includes a power generation element 21 sealed in the laminate film 29 shown in FIG. It has two metal plates 200, and a bolt 300 and a nut 400 as fastening members. This fastening member (bolt 300 and nut 400) has the function of fixing the metal plate 200 in a state in which the power generating element 21 sealed in the laminate film 29 is sandwiched therebetween. Thereby, the metal plate 200 and the fastening member (the bolt 300 and the nut 400) function as a restraining member that restrains (pressurizes) the power generation element 21 in the stacking direction thereof. Note that the restraining member is not particularly limited as long as it is a member that can restrain the power generation elements 21 in the stacking direction. Typically, a combination of a plate made of a rigid material such as the metal plate 200 and the above-mentioned fastening member is used as the restraining member. Further, as for the fastening member, not only the bolt 300 and the nut 400 but also a tension plate or the like that fixes the end of the metal plate 200 so as to restrain the power generation element 21 in the stacking direction thereof may be used.

なお、発電要素21に印加される荷重(発電要素の積層方向における拘束圧力)の下限は、例えば0.1MPa以上であり、好ましくは1MPa以上であり、より好ましくは5MPa以上である。発電要素の積層方向における拘束圧力の上限は、例えば100MPa以下であり、好ましくは90MPa以下であり、より好ましくは80MPa以下である。 Note that the lower limit of the load (constraining pressure in the stacking direction of the power generation elements) applied to the power generation element 21 is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 1 MPa or more, and more preferably 5 MPa or more. The upper limit of the confining pressure in the stacking direction of the power generation elements is, for example, 100 MPa or less, preferably 90 MPa or less, and more preferably 80 MPa or less.

以下、上述した積層型二次電池10aの主な構成要素について説明する。 The main components of the above-described stacked secondary battery 10a will be explained below.

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

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

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Furthermore, examples of the latter resin having electrical conductivity include resins in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material as necessary.

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

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

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance that has conductivity. For example, metals, conductive carbon, and the like are examples of materials with excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. The metal is not particularly limited, but includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or containing these metals. Preferably, it contains an alloy or a metal oxide. Furthermore, there are no particular limitations on the conductive carbon. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjenblack (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. It contains at least one kind.

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

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

[電極活物質層]
本形態に係る正極および負極の少なくとも一つは、集電体の表面に配置された電極活物質および固体電解質を含有する電極活物質層を有する。
[Electrode active material layer]
At least one of the positive electrode and the negative electrode according to this embodiment has an electrode active material layer containing an electrode active material and a solid electrolyte disposed on the surface of the current collector.

本発明の第1の形態では、電極活物質層(正極活物質層・負極活物質層)は、電極活物質(正極活物質・負極活物質)および固体電解質を含む。なお、本明細書において、特記しない限り、正極および負極に共通する事項については「電極」として表記するものとする。 In the first embodiment of the present invention, the electrode active material layer (positive electrode active material layer/negative electrode active material layer) includes an electrode active material (positive electrode active material/negative electrode active material) and a solid electrolyte. In this specification, unless otherwise specified, items common to the positive electrode and the negative electrode will be referred to as "electrode."

本発明の第1の形態では、電極活物質層において、充放電に伴う電極活物質の体積変化量に対する固体電解質の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。本明細書では、充放電に伴う電極活物質の体積変化量に対する固体電解質の体積変化量の比を「固体電解質/電極活物質の比」とも称する。 The first aspect of the present invention is characterized in that, in the electrode active material layer, the ratio of the volume change of the solid electrolyte to the volume change of the electrode active material accompanying charging and discharging is 1 or more. In this specification, the ratio of the volume change of the solid electrolyte to the volume change of the electrode active material due to charging and discharging is also referred to as "solid electrolyte/electrode active material ratio."

固体電解質/電極活物質の比を1以上に制御することにより、充放電に伴う電極活物質の体積変化、特に電極活物質の体積減少に対して、固体電解質が弾性変形(体積増加)することによって、電極活物質と固体電解質との剥離を抑制することができる。そのため、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制することができる。 By controlling the ratio of solid electrolyte/electrode active material to 1 or more, the solid electrolyte can be elastically deformed (increase in volume) in response to changes in the volume of the electrode active material during charging and discharging, especially when the volume of the electrode active material decreases. Accordingly, separation between the electrode active material and the solid electrolyte can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density.

固体電解質/電極活物質の比の上限は、使用する固体電解質および電極活物質の種類、電極活物質中の固体電解質および電極活物質の含有量などに応じて異なるため、一概には言えないが、例えば3以下である。 The upper limit of the solid electrolyte/electrode active material ratio cannot be generalized because it varies depending on the type of solid electrolyte and electrode active material used, the content of the solid electrolyte and electrode active material in the electrode active material, etc. , for example, 3 or less.

電極活物質層に含まれる電極活物質の充放電に伴う体積変化量は、以下の方法により求めることができる。
(i)リチウムイオンの吸蔵状態および脱離状態における電極活物質を、X線回折装置(島津製作所社製XRD-6100、線源:Cu-Kα)を用いて測定する。
(ii)X線回折図形から吸蔵状態および脱離状態における電極活物質の格子体積をそれぞれ算出して、充放電に伴う電極活物質の体積変化率を求める。
(iii)得られた電極活物質の体積変化率を用いて、電極活物質層における充放電に伴う電極活物質の体積変化量を算出する。
The amount of volume change due to charging and discharging of the electrode active material contained in the electrode active material layer can be determined by the following method.
(i) The electrode active material in the lithium ion occlusion state and desorption state is measured using an X-ray diffraction device (XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation, radiation source: Cu-Kα).
(ii) The lattice volumes of the electrode active material in the occlusion state and the desorption state are calculated from the X-ray diffraction pattern, and the volume change rate of the electrode active material due to charging and discharging is determined.
(iii) Using the obtained volume change rate of the electrode active material, calculate the volume change amount of the electrode active material due to charging and discharging in the electrode active material layer.

電極活物質に含まれる固体電解質の体積変化量は、以下の方法により求めることができる。
(i)固体電解質(2種類以上使用する場合、それらの混合物)について、体積弾性率測定装置を用いて、体積弾性率を測定する。
(ii)固体電解質の体積変化量を、以下の式から算出する。
The amount of change in volume of the solid electrolyte contained in the electrode active material can be determined by the following method.
(i) The bulk modulus of the solid electrolyte (if two or more types are used, a mixture thereof) is measured using a bulk modulus measuring device.
(ii) The amount of change in volume of the solid electrolyte is calculated from the following formula.

(電極活物質)
正極活物質としては、特に制限されないが、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。
(electrode active material)
The positive electrode active material is not particularly limited, but may include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li(Ni-Mn-Co)O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Examples include spinel-type active materials such as Mn 1.5 O 4 , olivine-type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Further, examples of oxide active materials other than those mentioned above include Li 4 Ti 5 O 12 .

また、正極活物質としては、硫黄を含む正極活物質を用いることができる。硫黄を含む正極活物質としては、硫黄単体(S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられるが、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、S-カーボンコンポジット、TiSおよびFeSがより好ましく、硫黄単体(S)が特に好ましい。ここで、S-カーボンコンポジットとは、硫黄粉末と炭素材料とを含み、これらを加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、炭素材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態;硫黄と炭素材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態;細かな硫黄粉末の表面や内部に炭素材料が分布している状態;または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 Further, as the positive electrode active material, a positive electrode active material containing sulfur can be used. In addition to elemental sulfur (S), positive electrode active materials containing sulfur include particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds. Any material that can occlude lithium ions during discharge may be used. Examples of the organic sulfur compound include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by the compound described in International Publication No. 2010/044437 pamphlet, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polysulfide carbon, and the like. Among these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate, or a thioamide group are more preferable. Here, the sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing sulfur atoms, which is obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating the mixture under an inert gas or reduced pressure. The estimated structure can be found, for example, in Chem. Mater. As shown in 2011, 23, 5024-5028, polyacrylonitrile is ring-closed to become polycyclic, and at least a part of S is bonded to C. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 , and 929 cm -1 do. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability. Specifically, elemental sulfur (S), S-carbon composite, TiS 2 and FeS 2 are more preferred, and elemental sulfur (S) is particularly preferred. Here, the S-carbon composite includes sulfur powder and a carbon material, and is in a composite state by subjecting them to heat treatment or mechanical mixing. More specifically, a state in which sulfur is distributed on the surface and within the pores of a carbon material; a state in which sulfur and carbon material are uniformly dispersed at the nano level, and they aggregate to form particles; a state in which fine sulfur A state in which carbon material is distributed on the surface or inside of the powder; or a state in which multiple of these states are combined.

場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used together. Note that, of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may be used.

好ましい実施形態において、第1の形態に係る全固体電池は、出力特性の観点から、正極が集電体の表面に配置された正極活物質および固体電解質を含有する正極活物質層を有し、前記正極活物質がリチウムとコバルトとを含有する複合酸化物(例えばLiCoO)を含む。 In a preferred embodiment, the all-solid-state battery according to the first embodiment has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, in which the positive electrode is disposed on the surface of a current collector, from the viewpoint of output characteristics, The positive electrode active material includes a composite oxide (for example, LiCoO 2 ) containing lithium and cobalt.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましく、55~80質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and preferably within the range of 50 to 90% by mass. More preferably, it is within the range of 55 to 80% by mass.

負極活物質としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb、LiTi12、SiO等が挙げられる。さらに、金属活物質としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等の金属単体や、TiSi、LaNiSn等の合金が挙げられる。また、負極活物質として、Liを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、Liを含有する活物質であれば特に限定されず、Li金属のほか、Li含有合金が挙げられる。Li含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。 Examples of negative electrode active materials include, but are not limited to, carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Furthermore, examples of metal oxides include Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , and SiO. Further, examples of the metal active material include simple metals such as In, Al, Si, and Sn, and alloys such as TiSi and La 3 Ni 2 Sn 7 . Furthermore, a metal containing Li may be used as the negative electrode active material. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it contains Li, and examples include Li metal and Li-containing alloys. Examples of Li-containing alloys include alloys of Li and at least one of In, Al, Si, and Sn.

場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more types of negative electrode active materials may be used together. Note that, of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may be used.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましく、50~80質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and preferably within the range of 50 to 90% by mass. More preferably, it is within the range of 50 to 80% by mass.

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

(固体電解質)
固体電解質としては、硫化物固体電解質、樹脂固体電解質および酸化物固体電解質が挙げられる。
(solid electrolyte)
Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes, resin solid electrolytes, and oxide solid electrolytes.

固体電解質としては、使用する電極活物質の充放電に伴う体積変化量に合わせて、所望の体積変化量を有する固体電解質を適宜選択することができる。 As the solid electrolyte, a solid electrolyte having a desired volume change can be appropriately selected according to the volume change due to charging and discharging of the electrode active material used.

第1の形態の一実施形態では、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくは樹脂固体電解質を含む。 In one embodiment of the first form, the solid electrolyte preferably includes a resin solid electrolyte from the viewpoint of being able to follow changes in volume of the electrode active material due to charging and discharging.

樹脂固体電解質としては、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートおよびこれらの誘導体ならびにこれらの共重合体などが挙げられる。 Examples of the resin solid electrolyte include fluororesin, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylate, derivatives thereof, and copolymers thereof.

フッ素樹脂の例としては、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)およびこれらの誘導体などを構成単位として含むフッ素樹脂が挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのホモポリマー、VdFとHFPとの共重合体のような2元共重合体などが挙げられる。 Examples of fluororesins include fluororesins containing vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), tetrafluoroethylene (TFE), derivatives thereof, and the like as constituent units. Specifically, homopolymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene (PHFP), and polytetrafluoroethylene (PTFE), binary copolymers such as a copolymer of VdF and HFP, etc. Can be mentioned.

第1の形態の一実施形態では、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくはS元素を含む硫化物固体電解質であり、より好ましくはS元素、Li元素およびP元素を含む硫化物固体電解質である。 In one embodiment of the first mode, the solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing S element, more preferably S element, from the viewpoint of being able to follow the volume change of the electrode active material due to charging and discharging. , a sulfide solid electrolyte containing Li and P elements.

硫化物固体電解質は、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。より詳細には、例えば、LiS-P、Li11、Li3.20.96S、Li3.25Ge0.250.75、Li10GeP12、またはLiPSX(ここで、XはCl、BrもしくはIである)等が挙げられる。なお、「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。中でも、硫化物固体電解質は、高イオン電導度であり、かつ低体積弾性率であるため充放電に伴う電極活物質の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくはLiPSX(ここで、XはCl、BrもしくはIである)、Li11、Li3.20.96SおよびLiPSからなる群から選択される。 The sulfide solid electrolyte may have a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4 . Further, examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include a Li-P-S solid electrolyte called LPS. Further, as the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS expressed by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1) or the like may be used. More specifically, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , or Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br or I), and the like. Note that the description “Li 2 SP 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte made using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. Among these, the sulfide solid electrolyte is preferably Li 6 PS 5 X (hereinafter referred to as Li 6 PS 5 and X is Cl, Br or I), Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S and Li 3 PS 4 .

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

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

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

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

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

バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 Although the binder is not particularly limited, examples of the binder include the following materials.

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

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

電極活物質層の空隙率は、全固体電池のエネルギー密度を向上させる観点から、20%以下であることが好ましく、より好ましくは18%以下であり、さらに好ましくは15%以下である。下限値は特に制限されないが、5%以上が好ましい。 From the viewpoint of improving the energy density of the all-solid-state battery, the porosity of the electrode active material layer is preferably 20% or less, more preferably 18% or less, and still more preferably 15% or less. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 5% or more.

[固体電解質層]
固体電解質層は、正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層であり、固体電解質を(通常は主成分として)含有する。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer is a layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and contains a solid electrolyte (usually as a main component). Since the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, detailed explanation will be omitted here.

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

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

固体電解質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the structure of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

本発明の第2の形態では、充放電に伴う電極活物質層の体積変化量に対する固体電解質層の体積変化量の比が1以上であることを特徴とする。本明細書では、充放電に伴う電極活物質の体積変化量に対する固体電解質の体積変化量の比を「固体電解質層/電極活物質層の比」とも称する。また、第2の形態に係る全固体電池において、正極および負極の少なくとも一方は、内部抵抗の増加をより抑制できるとの観点から、上述の電極活物質層を有することが好ましい。 A second aspect of the present invention is characterized in that the ratio of the volume change of the solid electrolyte layer to the volume change of the electrode active material layer during charging and discharging is 1 or more. In this specification, the ratio of the volume change of the solid electrolyte to the volume change of the electrode active material due to charging and discharging is also referred to as "solid electrolyte layer/electrode active material layer ratio." Moreover, in the all-solid-state battery according to the second embodiment, at least one of the positive electrode and the negative electrode preferably has the above-mentioned electrode active material layer from the viewpoint of further suppressing an increase in internal resistance.

固体電解質層/電極活物質層の比を1以上に制御することにより、充放電に伴う電極活物質層の体積変化、特に電極活物質層の体積減少に対して、固体電解質層が弾性変形(体積増加)することで、電極間の反応性の低下を抑制することができる。そのため、エネルギー密度の低下を抑制しつつ、内部抵抗の増加を抑制することができる。 By controlling the ratio of solid electrolyte layer/electrode active material layer to 1 or more, the solid electrolyte layer can be elastically deformed ( By increasing the volume (increase in volume), it is possible to suppress a decrease in reactivity between the electrodes. Therefore, it is possible to suppress an increase in internal resistance while suppressing a decrease in energy density.

固体電解質層/電極活物質層の比の上限は、使用する固体電解質および電極活物質の種類、電極活物質中の固体電解質および電極活物質の含有量などに応じて異なるため、一概には言えないが、例えば3以下である。 The upper limit of the solid electrolyte layer/electrode active material layer ratio varies depending on the type of solid electrolyte and electrode active material used, the content of the solid electrolyte and electrode active material in the electrode active material, and so it cannot be generalized. No, but for example 3 or less.

充放電に伴う電極活物質層の体積変化量および固体電解質層の体積変化量は、満充電状態および完全放電状態における電極活物質層および固体電解質層の光学顕微鏡写真を画像解析することで、算出することができる。 Volume changes of the electrode active material layer and solid electrolyte layer due to charging and discharging are calculated by image analysis of optical micrographs of the electrode active material layer and solid electrolyte layer in fully charged and fully discharged states. can do.

第2の形態の一実施形態では、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質層の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくは樹脂固体電解質を含む。 In one embodiment of the second form, the solid electrolyte preferably includes a resin solid electrolyte from the viewpoint of being able to follow the volume change of the electrode active material layer due to charging and discharging.

また、第2の形態の一実施形態では、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質層の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくはS元素を含む硫化物固体電解質であり、より好ましくはS元素、Li元素およびP元素を含む硫化物固体電解質であり、さらに好ましくはLiPSX(ここで、XはCl、BrもしくはIである)、Li11、Li3.20.96SおよびLiPSからなる群から選択される。 Further, in an embodiment of the second mode, the solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing S element, and more preferably is a sulfide solid electrolyte containing S element, Li element and P element, more preferably Li 6 PS 5 X (here, X is Cl, Br or I), Li 7 P 3 S 11 , Li 3 .2 P 0.96 S and Li 3 PS 4 .

なお、第1の形態に係る全固体電池において、固体電解質層は、内部抵抗の増加をより抑制できるとの観点から、第2の形態に係る固体電解質層と同一の特徴を有することが好ましい。 Note that in the all-solid-state battery according to the first embodiment, the solid electrolyte layer preferably has the same characteristics as the solid electrolyte layer according to the second embodiment from the viewpoint of further suppressing an increase in internal resistance.

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

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

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

本形態の全固体リチウムイオン二次電池は、複数の単電池層が直列に接続された構成を有することにより、高レートでの出力特性に優れるものである。したがって、本形態の全固体リチウムイオン二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The all-solid-state lithium ion secondary battery of this embodiment has a configuration in which a plurality of cell layers are connected in series, and thus has excellent output characteristics at a high rate. Therefore, the all-solid-state lithium ion secondary battery of this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.

図5は、本発明の一実施形態に係る積層型の全固体リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of a stacked all-solid-state lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.

図5に示すように、扁平な積層型二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、積層型二次電池50の電池外装体(ラミネートフィルム52)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1に示す積層型二次電池10aの発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、固体電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 5, the flat stacked secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for extracting power are pulled out from both sides of the battery. There is. The power generation element 57 is surrounded by the battery exterior body (laminate film 52) of the laminated secondary battery 50, and the periphery thereof is heat fused, and the power generation element 57 has a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 pulled out to the outside. It is sealed in a sealed condition. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 described above. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of unit cell layers (single cells) 19 each including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.

なお、本形態の全固体電池は、扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装体に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 Note that the all-solid-state battery of this embodiment is not limited to a flat battery. A wound type all-solid-state battery may have a cylindrical shape, or may be a cylindrical shape transformed into a rectangular flat shape, etc. There are no particular restrictions. The above-mentioned cylindrical shape is not particularly limited, and its exterior body may be made of a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can). Preferably, the power generation element is packaged with an aluminum laminate film. With this form, weight reduction can be achieved.

また、図5に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図3に示すものに制限されるものではない。また、巻回型の全固体電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Furthermore, there is no particular restriction on how to take out the tabs 58 and 59 shown in FIG. 5. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in a wound type all-solid-state battery, the terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of a tab.

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

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

[車両]
本形態に係る全固体電池は、体積あたりのエネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められる。したがって、本形態に係る全固体電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The all-solid-state battery according to this embodiment has a high energy density per volume. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger size are required compared to applications in electric and portable electronic devices. Therefore, the all-solid-state battery according to this embodiment can be suitably used as a vehicle power source, for example, as a vehicle drive power source or an auxiliary power source.

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

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、以下において、グローブボックス内で用いた器具および装置等は、事前に十分に乾燥処理を行った。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. In addition, in the following, the instruments and devices used in the glove box were sufficiently dried in advance.

<実施例>
(正極合剤の調製)
グローブボックス内で、正極活物質としてLiCoO(LCO)(商品名「セルシードC-5H」、日本化学工業株式会社製、平均粒子径:7μm)60mg、固体電解質としてLiPSCl 34mg、および導電助剤としてアセチレンブラック(AB)(商品名「デンカブラック(登録商標)HS-100」、デンカ株式会社製、平均一次粒子径:36nm)6mgを秤量した。これらをメノウボールの入ったサンプル瓶に入れ、スパチュラで軽く混合した。サンプル瓶をパラフィルムでシールし、テーブルミルを用いて混合し、正極合剤を得た。
<Example>
(Preparation of positive electrode mixture)
In the glove box, 60 mg of LiCoO 2 (LCO) (trade name "Cellseed C-5H", manufactured by Nihon Kagaku Kogyo Co., Ltd., average particle size: 7 μm) as a positive electrode active material, 34 mg of Li 6 PS 5 Cl as a solid electrolyte, and 6 mg of acetylene black (AB) (trade name "Denka Black (registered trademark) HS-100", manufactured by Denka Co., Ltd., average primary particle diameter: 36 nm) was weighed as a conductive additive. These were placed in a sample bottle containing an agate ball and mixed gently with a spatula. The sample bottle was sealed with Parafilm and mixed using a table mill to obtain a positive electrode mixture.

(電池の作製)
上記で調製した正極合剤と、対極であるLi-In電極とを対向させ、この間に固体電解質層を介在させることで、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
(Preparation of battery)
An all-solid-state lithium ion secondary battery was fabricated by placing the positive electrode mixture prepared above and a Li-In electrode as a counter electrode facing each other, with a solid electrolyte layer interposed therebetween.

具体的には、固体電解質(Li10GeP12(LGPS))を80mg秤量し、PET管内に入れ、表面を平滑にならした上で、締結治具を用いて400MPaで加圧し、固体電解質ペレットを作製した。作製された固体電解質ペレットの表面積は0.817cm(ペレットの径φ=1.02cm)であった。また、固体電解質層の厚みを作製前後の厚み変化から計測したところ、600μmであった。 Specifically, 80 mg of solid electrolyte (Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS)) was weighed, put into a PET tube, the surface was smoothed, and the solid electrolyte was pressurized at 400 MPa using a fastening jig. A pellet was prepared. The surface area of the produced solid electrolyte pellet was 0.817 cm 2 (pellet diameter φ=1.02 cm). Further, the thickness of the solid electrolyte layer was measured from the change in thickness before and after fabrication, and was found to be 600 μm.

その後、締結治具を抜き、ペレットの片面に正極合剤6mgを配置し、締結治具を用いて200MPaで加圧して、正極活物質層を作製した。ペレットのもう片面に対極Li-In電極を配置し、締結治具を用いて100MPaで加圧して、全固体電池評価セルを作製した。作製した全固体電池評価セルを、締結治具を用いて、80MPaの拘束圧力にて拘束することにより、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。なお、正極活物質層の厚みは、25μmであった。また、負極に用いたLi-In電極はLi金属箔(直径5mm、厚さ100μm、本城金属株式会社製)とIn金属箔(直径9mm、厚さ100μm、ニラコ株式会社製)との積層体であり、In金属箔が固体電解質層側に位置するようにLi-In電極を配置して用いた。 Thereafter, the fastening jig was removed, 6 mg of the positive electrode mixture was placed on one side of the pellet, and pressure was applied at 200 MPa using the fastening jig to produce a positive electrode active material layer. A counter Li--In electrode was placed on the other side of the pellet and pressurized at 100 MPa using a fastening jig to produce an all-solid-state battery evaluation cell. An all-solid-state lithium ion secondary battery was manufactured by restraining the manufactured all-solid-state battery evaluation cell with a restraining pressure of 80 MPa using a fastening jig. Note that the thickness of the positive electrode active material layer was 25 μm. The Li-In electrode used as the negative electrode is a laminate of Li metal foil (diameter 5 mm, thickness 100 μm, manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) and In metal foil (diameter 9 mm, thickness 100 μm, manufactured by Nilaco Co., Ltd.). The Li--In electrode was arranged so that the In metal foil was located on the solid electrolyte layer side.

<比較例>
正極合剤の調製において、固体電解質としてLiPSClの代わりにLi10GeP12(LGPS)を用いたこと以外は、実施例と同様の方法で全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative example>
An all-solid-state lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in the example except that Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) was used instead of Li 6 PS 5 Cl as the solid electrolyte in preparing the positive electrode mixture. did.

<物性の測定方法>
(充放電に伴う正極活物質の体積変化量)
正極活物質として使用したLiCoO(LCO)について、充放電に伴う体積変化量を以下の方法により測定した。
(i)リチウムイオンの吸蔵状態および脱離状態におけるLCOを、X線回折装置(島津製作所社製XRD-6100、線源:Cu-Kα)を用いて測定した。
(ii)X線回折図形から吸蔵状態および脱離状態におけるLCOの格子体積をそれぞれ算出して、充放電に伴うLCOの体積変化率を求めた。
(iii)得られたLCOの体積変化率を用いて、正極活物質層における充放電に伴うLCOの体積変化量を算出した。
<Method for measuring physical properties>
(Volume change of positive electrode active material due to charging and discharging)
Regarding LiCoO 2 (LCO) used as the positive electrode active material, the volume change due to charging and discharging was measured by the following method.
(i) LCO in the occlusion state and desorption state of lithium ions was measured using an X-ray diffraction device (XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation, radiation source: Cu-Kα).
(ii) The lattice volumes of LCO in the occlusion state and desorption state were calculated from the X-ray diffraction pattern, and the volume change rate of LCO due to charging and discharging was determined.
(iii) Using the obtained volume change rate of LCO, the volume change amount of LCO accompanying charging and discharging in the positive electrode active material layer was calculated.

(固体電解質の体積変化量)
固体電解質として使用したLiPSClおよびLi10GeP12(LGPS)について、体積弾性率測定装置を用いて、体積弾性率を測定した。LiPSClおよびLi10GeP12(LGPS)の体積変化量を、以下の式から算出した。
(Volume change amount of solid electrolyte)
The bulk modulus of Li 6 PS 5 Cl and Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) used as the solid electrolyte was measured using a bulk modulus measuring device. The volume changes of Li 6 PS 5 Cl and Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) were calculated from the following formula.

正極活物質層における充放電に伴う正極活物質の体積変化量に対する固体電解質の体積変化量の比(正極活物質の体積変化量/固体電解質の体積変化量)を、表1に示す。 Table 1 shows the ratio of the volume change of the solid electrolyte to the volume change of the positive electrode active material due to charging and discharging in the positive electrode active material layer (volume change of the positive electrode active material/volume change of the solid electrolyte).

<全固体リチウムイオン二次電池の特性評価>
実施例および比較例において作製した各全固体リチウムイオン二次電池について、以下の充放電試験条件に従って、レート特性の評価を行った。
<Characteristics evaluation of all-solid-state lithium ion secondary battery>
Rate characteristics of each all-solid lithium ion secondary battery produced in Examples and Comparative Examples were evaluated according to the following charge/discharge test conditions.

(充放電試験条件)
1)充放電条件
[電圧範囲]1.9~3.6V
[充電過程]0.2C CCCV(CV:0.01C)
[放電過程]10C CCCV(CV:0.05C)
(充放電後、それぞれ30分休止)
2)評価温度:298K(25℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge conditions [Voltage range] 1.9 to 3.6V
[Charging process] 0.2C CCCV (CV: 0.01C)
[Discharge process] 10C CCCV (CV: 0.05C)
(30 minutes pause each after charging and discharging)
2) Evaluation temperature: 298K (25°C).

評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程をいう)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、0.2Cにて1.9Vから3.6Vまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程をいう)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、10Cにて3.6Vから1.9Vまで放電した。なお、ここで、1Cとは、その電流値で1時間充電すると、ちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。 The evaluation cell was placed in a constant temperature bath set at the above evaluation temperature using a charge/discharge tester at constant current and constant voltage (CCCV) during the charging process (the process of inserting Li into the evaluation electrode). ) mode and charged from 1.9V to 3.6V at 0.2C. Thereafter, in the discharge process (referring to the Li desorption process from the evaluation electrode), the battery was discharged from 3.6V to 1.9V at 10C in constant current/constant voltage (CCCV) mode. Note that 1C here refers to the current value at which the battery becomes fully charged (100% charged) when charged for one hour at that current value.

得られた放電曲線(横軸:放電深度(DOD)、縦軸:セル電圧[V])を図6に示す。 The obtained discharge curve (horizontal axis: depth of discharge (DOD), vertical axis: cell voltage [V]) is shown in FIG.

表1および図6に示す結果から、本発明に係る実施例の全固体リチウムイオン二次電池は、比較例と比べて、放電末期における電圧の低下がより抑制されるため、内部抵抗の増加を抑制できることが分かる。 From the results shown in Table 1 and FIG. 6, the all-solid-state lithium ion secondary battery of the Example according to the present invention suppresses the voltage drop at the end of discharge more than the Comparative Example, and therefore suppresses the increase in internal resistance. It turns out that it can be suppressed.

10a、50、100 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11’ 正極集電体、
11’’ 負極集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
200 金属板
300 ボルト
400 ナット。
10a, 50, 100 stacked secondary battery,
10b bipolar secondary battery,
11 current collector,
11′ positive electrode current collector,
11'' negative electrode current collector,
11a outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b outermost layer current collector on the negative electrode side,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 Power generation element,
23 bipolar electrode,
25 Positive electrode current collector plate (positive electrode tab),
27 Negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
29, 52 Laminated film,
58 Positive electrode tab,
59 negative electrode tab,
200 Metal plate 300 Bolt 400 Nut.

Claims (5)

正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備え、
前記正極および前記負極の少なくとも一つが集電体の表面に配置された電極活物質および固体電解質を含有する電極活物質層を有し、
前記電極活物質層において、充放電に伴う前記電極活物質の体積変化量に対する前記固体電解質の体積変化量の比が1以上であり、
前記電極活物質層に含まれる固体電解質がLiPSX(ここで、XはCl、BrまたはIである)である、全固体電池。
A power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a restraining member that restrains the power generation element in a stacking direction,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has an electrode active material layer containing an electrode active material and a solid electrolyte disposed on the surface of a current collector,
In the electrode active material layer, the ratio of the volume change of the solid electrolyte to the volume change of the electrode active material due to charging and discharging is 1 or more,
An all-solid-state battery, wherein the solid electrolyte included in the electrode active material layer is Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br, or I).
前記電極活物質層に含まれる固体電解質が樹脂固体電解質を含まない、請求項1に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte included in the electrode active material layer does not include a resin solid electrolyte. 前記電極活物質層が前記固体電解質、電極活物質、ならびに導電助剤およびバインダの少なくとも1つからなる、請求項1または2に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 1 or 2, wherein the electrode active material layer consists of the solid electrolyte, the electrode active material, and at least one of a conductive additive and a binder. 前記正極が集電体の表面に配置された正極活物質および固体電解質を含有する正極活物質層を有し、
前記正極活物質がリチウムとコバルトとを含有する複合酸化物を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体電池。
The positive electrode has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a solid electrolyte disposed on the surface of a current collector,
The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material includes a composite oxide containing lithium and cobalt.
正極と、負極と、前記正極および前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する発電要素および前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備え、
充放電に伴う前記正極および前記負極を構成する電極活物質層の体積変化量に対する前記固体電解質層の体積変化量の比が1以上であり、
前記固体電解質層に含まれる固体電解質がLiPSX(ここで、XはCl、BrまたはIである)である、全固体電池。
A power generation element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a restraining member that restrains the power generation element in a stacking direction,
The ratio of the volume change of the solid electrolyte layer to the volume change of the electrode active material layer constituting the positive electrode and the negative electrode due to charging and discharging is 1 or more,
An all-solid-state battery, wherein the solid electrolyte included in the solid electrolyte layer is Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br, or I).
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