JPWO2013084302A1 - All solid battery - Google Patents

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浩 長瀬
崇督 大友
崇督 大友
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Abstract

本発明は自己拘束力を持ち、外部拘束を小型化することができる全固体電池を提供することを目的とする。
正極活物質を含有する正極層と、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成された固体電解質層と、を有する全固体電池であって、上記負極層が、炭素系活物質および金属系活物質を混合した負極活物質を含有し、上記金属系活物質が、Liと合金化反応を起こし、一般式Mで表わされる金属または一般式M(Mは金属である)で表わされる金属酸化物であり、上記金属系活物質の充放電電位が、上記炭素系活物質よりも貴であり、上記炭素系活物質が上記負極層に占める容量割合が、上記金属系活物質よりも多いことを特徴とする全固体電池を提供することにより、上記課題を解決する。
An object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having a self-restraining force and capable of reducing the size of external restraints.
An all-solid battery having a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the negative electrode layer Contains a negative electrode active material in which a carbon-based active material and a metal-based active material are mixed, and the metal-based active material undergoes an alloying reaction with Li to generate a metal represented by the general formula M or the general formula M x O y (M is a metal) and the charge and discharge potential of the metal-based active material is more noble than the carbon-based active material, and the capacity occupied by the carbon-based active material in the negative electrode layer The problem is solved by providing an all-solid-state battery characterized in that the ratio is higher than that of the metal-based active material.

Description

本発明は、本発明は自己拘束力を持ち、外部拘束を小型化することができる全固体電池に関する。   The present invention relates to an all-solid-state battery having self-restraining force and capable of miniaturizing external restraint.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界では、電気自動車やハイブリッド自動車用に高出力かつ高容量の電池の開発が進められており、エネルギー密度が高いリチウム電池の開発が進められている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. In the automobile industry, high-power and high-capacity batteries are being developed for electric cars and hybrid cars, and lithium batteries with high energy density are being developed.

このようなリチウム電池における負極活物質として、電池の高容量化に対応するために、理論容量の高いSiまたはSnを含有する材料が研究されている。しかしSiまたはSnを含む負極活物質を使用する場合、リチウムの挿入脱離反応の際に生じる活物質の膨張収縮による体積変化が大きい。   As a negative electrode active material in such a lithium battery, a material containing Si or Sn having a high theoretical capacity has been studied in order to cope with an increase in the capacity of the battery. However, when a negative electrode active material containing Si or Sn is used, the volume change due to expansion and contraction of the active material that occurs during the lithium insertion / release reaction is large.

特許文献1では電解質材料に硫化物固体電解質を有し、全固体電池の大型化を抑制したエネルギー密度を向上させる構造を持つ全固体電池が開示されている。   Patent Document 1 discloses an all-solid battery having a structure that has a sulfide solid electrolyte as an electrolyte material and improves the energy density while suppressing the increase in size of the all-solid battery.

特開2011−124084号公報JP 2011-124084 A

しかしながら特許文献1の全固体電池は、外部から圧力をかけて拘束された状態で用いられるが、リチウムの挿入脱離による膨張収縮は考慮されておらず、体積膨張が大きい場合は外部拘束を大きくしなければならないため、更なるリチウム電池の小型化は難しいという問題がある。   However, the all-solid-state battery of Patent Document 1 is used in a state of being restrained by applying pressure from the outside, but expansion / contraction due to insertion / desorption of lithium is not considered, and when the volume expansion is large, external restraint is increased. Therefore, there is a problem that further miniaturization of the lithium battery is difficult.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、自己拘束力を持ち、外部拘束を小型化することができる全固体電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having a self-restraining force and capable of reducing the size of the external restraint.

上記課題を解決するために、本発明においては、正極活物質を含有する正極層と、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成された固体電解質層と、を有する全固体電池であって、上記負極層が、炭素系活物質および金属系活物質を混合した負極活物質を含有し、上記金属系活物質が、Liと合金化反応を起こし、一般式Mで表わされる金属または一般式M(Mは金属である)で表わされる金属酸化物であり、上記金属系活物質の充放電電位が、上記炭素系活物質よりも貴であり、上記炭素系活物質が上記負極層に占める容量割合が、上記金属系活物質よりも多いことを特徴とする全固体電池を提供する。In order to solve the above problems, in the present invention, a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, The negative electrode layer contains a negative electrode active material obtained by mixing a carbon-based active material and a metal-based active material, and the metal-based active material causes an alloying reaction with Li, A metal represented by the formula M or a metal oxide represented by the general formula M x O y (M is a metal), and the charge / discharge potential of the metal-based active material is more noble than the carbon-based active material. The all-solid-state battery is characterized in that the capacity ratio of the carbon-based active material in the negative electrode layer is larger than that of the metal-based active material.

本発明によれば、金属系活物質は、炭素系活物質よりも貴電位であるため、充電初期において炭素系活物質よりも先にリチウムイオンの挿入反応が生じ、体積の膨張を生じ、負極層内部に自己拘束力を掛けることができる。そのため、その後の充電(充電初期以降)においても、金属系活物質は膨張したまま存在するため、常に負極層内部に自己拘束力が掛った状態で、炭素系活物質にリチウムイオンが挿入される。したがって、外部拘束を小型化できる。さらに、本発明によれば、炭素系活物質が負極層に占める容量割合が、金属系活物質よりも多いことから、炭素系活物質が上記金属系活物質の膨張時に生じる応力を緩和するクッション材として作用し、負極層の膨張を抑制することができる。   According to the present invention, since the metal-based active material has a noble potential compared to the carbon-based active material, the insertion reaction of lithium ions occurs earlier than the carbon-based active material in the initial stage of charging, causing volume expansion, and the negative electrode Self-restraining force can be applied inside the layer. For this reason, since the metal-based active material still exists in the subsequent charge (after the initial charge), lithium ions are always inserted into the carbon-based active material with a self-binding force applied to the inside of the negative electrode layer. . Therefore, the external constraint can be reduced in size. Further, according to the present invention, since the capacity ratio of the carbon-based active material in the negative electrode layer is larger than that of the metal-based active material, the cushion for relieving the stress generated when the carbon-based active material expands the metal-based active material. It acts as a material and can suppress expansion of the negative electrode layer.

上記発明においては、上記金属系活物質が上記負極層に占める容量割合が、電池使用域(SOC領域)の最低容量割合以下であることが好ましい。金属系活物質の容量割合を、電池使用域(以下、単にSOC領域とする場合がある)の最低容量割合以下にすることにより、リチウムイオンが挿入された金属系活物質を、充放電反応には寄与せず、さらに、自己拘束力を付与可能な部材として用いることができるからである。すなわち、初回の充電反応において、金属系活物質にリチウムイオンが挿入されるが、金属系活物質の容量割合がSOC領域の最低容量割合(例えばSOC20%)以下であるため、それ以降の充放電反応(例えばSOC20%〜80%)では、リチウムイオンが挿入された金属系活物質は、充放電反応には寄与しない。
一方で、SOC領域において、金属系活物質は体積が膨張したまま存在するため、常に負極層内部に自己拘束力を掛けることができる。その結果、入出力特性およびサイクル特性が向上する。
In the said invention, it is preferable that the capacity | capacitance ratio which the said metal type active material occupies for the said negative electrode layer is below the minimum capacity | capacitance ratio of a battery use area (SOC area | region). By making the capacity ratio of the metal-based active material less than or equal to the minimum capacity ratio of the battery usage range (hereinafter sometimes referred to simply as the SOC region), the metal-based active material into which lithium ions are inserted is charged and discharged. This is because it can be used as a member capable of providing a self-binding force. That is, in the first charge reaction, lithium ions are inserted into the metal-based active material, but since the capacity ratio of the metal-based active material is equal to or less than the minimum capacity ratio of the SOC region (for example, SOC 20%), the subsequent charge / discharge is performed. In the reaction (for example, SOC 20% to 80%), the metal-based active material into which lithium ions are inserted does not contribute to the charge / discharge reaction.
On the other hand, in the SOC region, since the metal-based active material exists with its volume expanded, a self-binding force can always be applied to the negative electrode layer. As a result, input / output characteristics and cycle characteristics are improved.

本発明の全固体電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the all-solid-state battery of this invention. 実施例1、比較例1および比較例2で得られた負極活物質の、容量率に対する電位変化を示すグラフである。It is a graph which shows the electric potential change with respect to the capacity factor of the negative electrode active material obtained by Example 1, the comparative example 1, and the comparative example 2. FIG. 実施例2および比較例3で得られた負極活物質の、ハイレート時における容量維持率の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the capacity | capacitance maintenance factor at the time of the high rate of the negative electrode active material obtained in Example 2 and Comparative Example 3. 実施例2、比較例3および比較例4で得られた負極活物質の、低外部拘束下におけるサイクル後の容量維持率の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the capacity | capacitance maintenance factor after the cycle under the low external restraint of the negative electrode active material obtained in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4.

以下、本発明の全固体電池について詳細に説明する。   Hereinafter, the all solid state battery of the present invention will be described in detail.

A.全固体電池
まず、本発明の全固体電池について説明する。本発明の全固体電池は、正極活物質を含有する正極層と、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成された固体電解質層と、を有する全固体電池であって、上記負極層が、炭素系活物質および金属系活物質を混合した負極活物質を含有し、上記金属系活物質が、Liと合金化反応を起こし、一般式Mで表わされる金属または一般式M(Mは金属である)で表わされる金属酸化物であり、上記金属系活物質の充放電電位が、上記炭素系活物質よりも貴であり、上記炭素系活物質が上記負極層に占める容量割合が、上記金属系活物質よりも多いことを特徴とするものである。
A. First, the all solid state battery of the present invention will be described. An all solid state battery of the present invention is an all solid having a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. In the battery, the negative electrode layer contains a negative electrode active material obtained by mixing a carbon-based active material and a metal-based active material, and the metal-based active material causes an alloying reaction with Li, and is represented by the general formula M It is a metal or a metal oxide represented by the general formula M x O y (M is a metal), and the charge / discharge potential of the metal-based active material is more noble than the carbon-based active material, and the carbon-based activity The capacity ratio of the material to the negative electrode layer is larger than that of the metal-based active material.

図1は、本発明の全固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に例示する全固体電池10は、正極層1と、負極層2と、正極層1および負極層2の間に形成された固体電解質層3と、正極層1の集電を行う正極集電体4と、負極層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有するものである。また、負極層2は、炭素系活物質7および金属系活物質8からなる負極活物質11と、硫化物固体電解質材料9と、を有するものである。ここで本発明の「全固体電池」とは、正極層1、負極層2、および固体電解質層3から構成される発電要素を少なくとも含有する部材をいう。そのため、本発明の全固体電池は、発電要素のみであっても良く、図1のように、発電要素に正極集電体、負極集電体、および電池ケースを有するものであっても良い。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all solid state battery of the present invention. An all-solid battery 10 illustrated in FIG. 1 includes a positive electrode layer 1, a negative electrode layer 2, a solid electrolyte layer 3 formed between the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2, and a positive electrode collector that collects current from the positive electrode layer 1. It has a current collector 4, a negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode layer 2, and a battery case 6 that houses these members. The negative electrode layer 2 includes a negative electrode active material 11 composed of a carbon-based active material 7 and a metal-based active material 8 and a sulfide solid electrolyte material 9. Here, the “all solid state battery” of the present invention refers to a member containing at least a power generation element composed of the positive electrode layer 1, the negative electrode layer 2, and the solid electrolyte layer 3. Therefore, the all solid state battery of the present invention may be only the power generation element, or may have a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a battery case as shown in FIG.

本発明によれば、金属系活物質は、炭素系活物質よりも貴電位であるため、充電初期において炭素系活物質よりも先にリチウムイオンの挿入反応が生じ、体積の膨張を生じ、負極層内部に自己拘束力を掛けることができる。そのため、その後の充電(充電初期以降)においても、金属系活物質は膨張したまま存在するため、常に負極層内部に自己拘束力が掛った状態で、炭素系活物質にリチウムイオンが挿入される。したがって、外部拘束を小型化できる。さらに、本発明によれば、炭素系活物質が負極層に占める容量割合が、金属系活物質よりも多いことから、炭素系活物質が上記金属系活物質の膨張時に生じる応力を緩和するクッション材として作用し、負極層の膨張を抑制することができる。   According to the present invention, since the metal-based active material has a noble potential compared to the carbon-based active material, the insertion reaction of lithium ions occurs earlier than the carbon-based active material in the initial stage of charging, causing volume expansion, and the negative electrode Self-restraining force can be applied inside the layer. For this reason, since the metal-based active material still exists in the subsequent charge (after the initial charge), lithium ions are always inserted into the carbon-based active material with a self-binding force applied to the inside of the negative electrode layer. . Therefore, the external constraint can be reduced in size. Further, according to the present invention, since the capacity ratio of the carbon-based active material in the negative electrode layer is larger than that of the metal-based active material, the cushion for relieving the stress generated when the carbon-based active material expands the metal-based active material. It acts as a material and can suppress expansion of the negative electrode layer.

また、金属系活物質は、炭素系活物質に比べて理論容量が高いが、充放電に伴う膨張収縮が大きいという特徴があり、一方、炭素系活物質は、体積膨張率が小さいが、理論容量は金属系活物質に劣るという特徴を有する。本発明によれば、金属系活物質および炭素系活物質を組合せて用いることにより、高い容量を持ち、体積膨張を抑制させることができる全固体電池を得ることが可能となる。さらに、炭素系活物質は、金属系活物質に比べて初回充電時の不可逆容量が少ない傾向にあるため、炭素系活物質が負極層に占める容量割合を、金属系活物質よりも多くすることで、より不可逆容量が少ない全固体電池とすることができる。   In addition, the metal-based active material has a higher theoretical capacity than the carbon-based active material, but is characterized by large expansion and contraction due to charge / discharge, while the carbon-based active material has a small volume expansion coefficient. The capacity is inferior to a metal-based active material. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to obtain the all-solid-state battery which has a high capacity | capacitance and can suppress volume expansion by using combining a metal type active material and a carbon type active material. Furthermore, since carbon-based active materials tend to have less irreversible capacity during initial charging than metal-based active materials, the capacity ratio of carbon-based active materials in the negative electrode layer should be greater than that of metal-based active materials. Thus, an all solid state battery having a smaller irreversible capacity can be obtained.

以下、本発明の全固体電池について、構成ごとに説明する。   Hereinafter, the all solid state battery of the present invention will be described for each configuration.

1.負極層
本発明における負極層は、炭素系活物質および金属系活物質を混合した負極活物質を含有する層である。
1. Negative electrode layer The negative electrode layer in the present invention is a layer containing a negative electrode active material obtained by mixing a carbon-based active material and a metal-based active material.

(1)負極活物質
本発明における負極活物質は、炭素系活物質および金属系活物質を混合したものであり、それぞれの活物質にリチウムイオンが挿入および脱離することにより、充放電を行うものである。
以下、負極活物質の各構成について説明する。
(1) Negative electrode active material The negative electrode active material in the present invention is a mixture of a carbon-based active material and a metal-based active material, and is charged and discharged by inserting and desorbing lithium ions into each active material. Is.
Hereinafter, each structure of the negative electrode active material will be described.

(i)金属系活物質
本発明における金属系活物質は、Liと合金化反応を起こし、一般式Mで表わされる金属または一般式M(Mは金属である)で表わされる金属酸化物であり、その充放電電位が、炭素系活物質よりも貴であるものである。ここで、合金化反応とは、金属酸化物または金属が、Liイオンの金属イオンと反応し、リチウム合金に変化する反応を言う。
(I) Metal-based active material The metal-based active material in the present invention causes an alloying reaction with Li, and a metal oxide represented by a metal represented by the general formula M or a general formula M x O y (M is a metal). The charge / discharge potential is more noble than the carbon-based active material. Here, the alloying reaction refers to a reaction in which a metal oxide or a metal reacts with a metal ion of Li ion to change to a lithium alloy.

上記金属系活物質は、炭素系活物質よりも充放電電位(リチウムイオンの挿入脱離電位)が貴である。したがって、金属系活物質へのリチウムイオン挿入脱離反応が、炭素系活物質へのリチウムイオン挿入脱離反応よりも先に起こる。このため、金属系活物質は体積を膨張した状態となるが、後述する炭素系活物質により上記膨張が適度に抑制されるため、負極層内部において効果的に自己拘束力が掛かった状態にすることが可能となる。
なお、上記金属系活物質が上記炭素系活物質よりも充放電電位が貴であることは、例えば、サイクリックボルタンメトリー法による測定を行うことにより確認することができる。
また、金属系活物質は炭素系活物質よりも理論容量が大きいことが好ましい。全固体電池の容量を向上させることができるからである。
The metal-based active material has a higher charge / discharge potential (lithium ion insertion / desorption potential) than the carbon-based active material. Therefore, the lithium ion insertion / release reaction with respect to the metal-based active material occurs before the lithium ion insertion / release reaction with respect to the carbon-based active material. For this reason, although the metal-based active material is in a state where the volume is expanded, the above-described expansion is moderately suppressed by the carbon-based active material described later, and thus the self-binding force is effectively applied inside the negative electrode layer. It becomes possible.
In addition, it can confirm that the said metal type active material has a noble charge / discharge potential more noble than the said carbon type active material by measuring by the cyclic voltammetry method, for example.
Moreover, it is preferable that a metal type active material has a theoretical capacity larger than a carbon type active material. This is because the capacity of the all-solid battery can be improved.

本発明における金属系活物質に用いられる金属または金属酸化物は、一般式Mまたは一般式M(Mは金属である)で表わされるものである。上記一般式においては、MはBi、Sb、Sn、Si、Al、Pb、In、Mg、Ti、Zr、V、Fe、Cr、Cu、Co、Mn、Ni、Zn、Nb、Ru、Mo、Sr、Y、Ta、W、またはAgであることが好ましく、中でも、本発明では、Al、Si、Snであることがより好ましく、Alであることがさらに好ましい。
Alは電気容量が比較的大きく、Alおよびリチウムの合金は安価で、かつ、高性能であり、リチウムイオン挿入脱離時の電位で大きなプラトー領域を持ち、容量の大部分がグラファイトの反応よりも貴電位で起こるためである。
また、本発明における金属酸化物としては、SiO、SnO等が好ましい。なお、本発明においては、Mが2種類以上の金属を含有していても良い。
The metal or metal oxide used in the metal-based active material in the present invention is represented by the general formula M or the general formula M x O y (M is a metal). In the above general formula, M is Bi, Sb, Sn, Si, Al, Pb, In, Mg, Ti, Zr, V, Fe, Cr, Cu, Co, Mn, Ni, Zn, Nb, Ru, Mo, Sr, Y, Ta, W, or Ag is preferable. In the present invention, Al, Si, and Sn are more preferable, and Al is more preferable.
Al has a relatively large electric capacity, an alloy of Al and lithium is inexpensive and has high performance, has a large plateau region at the potential at the time of lithium ion insertion and desorption, and most of the capacity is larger than the reaction of graphite. This is because it occurs at a noble potential.
Moreover, as a metal oxide in this invention, SiO, SnO, etc. are preferable. In the present invention, M may contain two or more kinds of metals.

本発明における金属系活物質の形状は、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状、針状、薄膜状等を挙げることができ、中でも粒子形状であることが好ましい。金属系活物質の平均粒径(D50)は、例えば、5nm〜50μmの範囲内であることが好ましく、50nm〜5μmの範囲内であることがより好ましい。Examples of the shape of the metal-based active material in the present invention include a particle shape such as a true sphere and an oval sphere, a needle shape, a thin film shape, and the like. Among these, a particle shape is preferable. The average particle diameter (D 50 ) of the metal-based active material is, for example, preferably in the range of 5 nm to 50 μm, and more preferably in the range of 50 nm to 5 μm.

(ii)炭素系活物質
本発明における炭素系活物質は、負極層に占める容量割合が、上述した金属系活物質よりも多く、リチウムイオンの挿入脱離反応により充放電を行うものである。また、金属系活物質がリチウムイオンの挿入反応による体積の膨張を生じた際に、クッション材として膨張を適度に抑制させる働きを有するものである。
(Ii) Carbon-based active material The carbon-based active material in the present invention has a larger capacity ratio in the negative electrode layer than the metal-based active material described above, and performs charge / discharge by lithium ion insertion / release reaction. Moreover, when a metal type active material produces the expansion | swelling of the volume by the insertion reaction of lithium ion, it has a function which suppresses expansion | swelling moderately as a cushioning material.

本発明における炭素系活物質の種類は、金属系活物質が膨張収縮した際に生じる応力を適度に緩和できる軟らかさを有するものであることが好ましく、例えば、天然黒鉛(グラファイト)およびその改良体、人造黒鉛(例えばMCMB)、難黒鉛化材料(ハードカーボン)、易黒鉛化性材料(ソフトカーボン)等を挙げることができ、中でもグラファイトを用いることが好ましい。結晶性が高く、理論容量も比較的高いからである。
また、本発明における炭素系活物質は、金属系活物質よりも体積膨張率が低いことが好ましい。外部拘束をより小型化しやすいからである。
The type of the carbon-based active material in the present invention is preferably one having a softness that can moderately relieve stress generated when the metal-based active material expands and contracts. For example, natural graphite (graphite) and its improved body Artificial graphite (for example, MCMB), non-graphitizable material (hard carbon), easily graphitizable material (soft carbon), and the like can be mentioned. Among them, it is preferable to use graphite. This is because the crystallinity is high and the theoretical capacity is relatively high.
In addition, the carbon-based active material in the present invention preferably has a lower volume expansion coefficient than the metal-based active material. This is because it is easy to make the external restraint smaller.

本発明における炭素系活物質の形状は、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状が挙げられ、中でも粒子形状であることが好ましい。また、炭素系活物質が粒子形状である場合、その平均粒径は、0.1μm〜100μmの範囲内にあることが好ましく、1μm〜50μmの範囲内にあることがより好ましい。
炭素系活物質の粒径が大きすぎると、後述する固体電解質材料との接触部で抵抗が増大する可能性があり、一方、炭素系活物質の粒径が小さすぎると、固体電解質よりも粒径が小さくなり、リチウムイオンの伝導の乏しい炭素系活物質が発生してしまうからである。
Examples of the shape of the carbon-based active material in the present invention include a particle shape such as a true sphere and an oval sphere, and a thin film shape. Among these, a particle shape is preferable. Moreover, when a carbon type active material is a particle shape, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-100 micrometers, and it is more preferable that it exists in the range of 1 micrometer-50 micrometers.
If the particle size of the carbon-based active material is too large, the resistance may increase at the contact portion with the solid electrolyte material described later. On the other hand, if the particle size of the carbon-based active material is too small, the particle size is larger than that of the solid electrolyte. This is because a carbon-based active material having a small diameter and poor lithium ion conduction is generated.

本発明における負極層は、炭素系活物質および金属系活物質を含有する。両者の質量割合は、比重やリチウムイオンの最大容量等により変化するため、特に限定されるものではない。中でも、炭素系活物質100質量部に対して、金属系活物質は、0.1質量部〜200質量部の範囲内であることが好ましく、1質量部〜100質量部の範囲内であることがより好ましく、5質量部〜50質量部の範囲内であることがさらに好ましい。
金属系活物質の含有量が多すぎると、炭素系活物質が金属系活物質の体積膨張を抑制しきれない可能性があるからである。一方、金属系活物質の含有量が少なすぎると、金属系活物質の相対的な割合が減少し、炭素系活物質の容量は金属系活物質に比べて小さいため、負極層の容量が向上しない可能性があるからである。
The negative electrode layer in the present invention contains a carbon-based active material and a metal-based active material. The mass ratio of both is not particularly limited because it varies depending on the specific gravity, the maximum capacity of lithium ions, and the like. Especially, it is preferable that a metal type active material exists in the range of 0.1 mass part-200 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon type active materials, and exists in the range of 1 mass part-100 mass parts. Is more preferable, and it is still more preferable to be in the range of 5 to 50 parts by mass.
This is because if the content of the metal-based active material is too large, the carbon-based active material may not be able to suppress the volume expansion of the metal-based active material. On the other hand, if the content of the metal-based active material is too small, the relative proportion of the metal-based active material is reduced, and the capacity of the carbon-based active material is smaller than that of the metal-based active material, so the capacity of the negative electrode layer is improved. Because there is a possibility of not.

(iii)負極活物質
(a)容量割合
本発明においては、通常、炭素系活物質が負極層に占める容量割合が、金属系活物質よりも多いことを一つの特徴とする。
炭素系活物質および金属系活物質の合計容量に対する、炭素系活物質の容量割合は、例えば、50%〜95%の範囲内であることが好ましく、70%〜95%の範囲内であることがより好ましい。
一方、炭素系活物質および金属系活物質の合計容量に対する、金属系活物質の容量割合は、例えば、5%〜50%の範囲内であることが好ましく、5%〜30%の範囲内であることがより好ましい。
また、炭素系活物質および金属系活物質の合計容量に対する、炭素系活物質の容量割合と金属系活物質の容量割合との差分は、例えば、10%以上であることが好ましく、10%〜45%の範囲内であることがより好ましい。
(Iii) Negative electrode active material (a) Capacity ratio In the present invention, one characteristic is that the capacity ratio of the carbon-based active material to the negative electrode layer is usually larger than that of the metal-based active material.
The volume ratio of the carbon-based active material to the total capacity of the carbon-based active material and the metal-based active material is, for example, preferably in the range of 50% to 95%, and in the range of 70% to 95%. Is more preferable.
On the other hand, the volume ratio of the metal-based active material to the total capacity of the carbon-based active material and the metal-based active material is, for example, preferably in the range of 5% to 50%, and in the range of 5% to 30%. More preferably.
Further, the difference between the volume ratio of the carbon-based active material and the volume ratio of the metal-based active material with respect to the total capacity of the carbon-based active material and the metal-based active material is preferably 10% or more, for example, 10% to More preferably, it is within the range of 45%.

さらに、金属系活物質が負極層に占める容量割合は、SOC領域の最低容量割合以下であることが好ましい。金属系活物質の容量割合を、電池使用域(SOC領域)の最低容量割合以下にすることにより、リチウムイオンが挿入された金属系活物質を、充放電反応には寄与せず、さらに、自己拘束力を付与可能な部材として用いることができるからである。すなわち、初回の充電反応において、金属系活物質にリチウムイオンが挿入されるが、金属系活物質の容量割合がSOC領域の最低容量割合(例えばSOC20%)以下であるため、それ以降の充放電反応(例えばSOC20%〜80%)では、リチウムイオンが挿入された金属系活物質は、充放電反応には寄与しない。一方で、SOC領域において、金属系活物質は体積が膨張したまま存在するため、常に負極層内部に自己拘束力を掛けることができる。その結果、入出力特性およびサイクル特性が向上する。   Furthermore, the capacity ratio of the metal-based active material in the negative electrode layer is preferably not more than the minimum capacity ratio of the SOC region. By making the capacity ratio of the metal-based active material not more than the minimum capacity ratio of the battery use area (SOC area), the metal-based active material into which lithium ions are inserted does not contribute to the charge / discharge reaction, and further This is because it can be used as a member capable of applying a restraining force. That is, in the first charge reaction, lithium ions are inserted into the metal-based active material, but since the capacity ratio of the metal-based active material is equal to or less than the minimum capacity ratio of the SOC region (for example, SOC 20%), the subsequent charge / discharge is performed. In the reaction (for example, SOC 20% to 80%), the metal-based active material into which lithium ions are inserted does not contribute to the charge / discharge reaction. On the other hand, in the SOC region, since the metal-based active material exists with its volume expanded, a self-binding force can always be applied to the negative electrode layer. As a result, input / output characteristics and cycle characteristics are improved.

ここで、全固体電池のSOC領域と、上記全固体電池に含有される負極活物質の容量割合との関係について説明する。通常、全固体電池は、使用する容量領域であるSOC領域を決め、その範囲内にて制御して使用する。例えば車載用電池などでは、SOC20%−80%、SOC10%−80%、SOC20%−90%等様々に設定されている。例えば、SOC20%−80%で設定されている全固体電池は、電池容量が20%から80%の範囲において実際に使用されることを示す。本発明の全固体電池は、例えばSOC5%以上で使用されても良く、SOC10%以上で使用されても良く、SOC20%以上で使用されても良い。   Here, the relationship between the SOC region of the all-solid battery and the capacity ratio of the negative electrode active material contained in the all-solid battery will be described. Usually, an all-solid-state battery is used by determining an SOC region, which is a capacity region to be used, and controlling within that range. For example, in an in-vehicle battery or the like, various settings such as SOC 20% -80%, SOC 10% -80%, SOC 20% -90% are set. For example, an all solid state battery set with SOC 20% -80% indicates that the battery capacity is actually used in the range of 20% to 80%. The all solid state battery of the present invention may be used, for example, at an SOC of 5% or more, an SOC of 10% or more, or an SOC of 20% or more.

また、含有される負極活物質の容量割合は、使用される全固体電池に設定されるSOC領域の、特に、最低容量割合に応じて調整することが好ましい。例えばSOC20%以上に設定されている全固体電池の場合、金属系活物質が負極層に占める容量割合は、10%〜20%の範囲内であることが好ましく、10%〜18%の範囲内であることがより好ましい。   Moreover, it is preferable to adjust the capacity | capacitance ratio of the negative electrode active material contained according to especially the minimum capacity | capacitance ratio of the SOC area | region set to the all-solid-state battery used. For example, in the case of an all-solid battery set to SOC 20% or more, the capacity ratio of the metal-based active material in the negative electrode layer is preferably within a range of 10% to 20%, and within a range of 10% to 18%. It is more preferable that

(b)その他
本発明における負極層内の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、1質量%〜50質量%の範囲内であることが好ましく、5質量%〜10質量%の範囲内であることがより好ましい。
上記範囲よりも少ない場合は、リチウムイオンの挿入脱離を行う負極活物質の量が少ないため、体積容量が減少する可能性がある。一方、上記範囲よりも多い場合は、イオン伝導性が減少し、入出力が低下する可能性がある。
(B) Others Although content of the negative electrode active material in the negative electrode layer in this invention is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 1 mass%-50 mass%, and 5 mass%- More preferably, it is in the range of 10% by mass.
When the amount is less than the above range, the amount of the negative electrode active material that inserts and desorbs lithium ions is small, which may reduce the volume capacity. On the other hand, when the amount is larger than the above range, the ionic conductivity may be reduced and input / output may be lowered.

(2)固体電解質材料
本発明における負極層は、固体電解質材料を含有していることが好ましい。固体電解質材料を添加することにより、負極層内におけるイオン伝導性を向上させることができるからである。本発明においては、負極層内において自己拘束力が作用することにより、上述した負極活物質と固体電解質材料との接触が良好となる。つまり、入出力およびサイクル特性を向上させることが可能となる。
(2) Solid electrolyte material It is preferable that the negative electrode layer in this invention contains the solid electrolyte material. This is because the ion conductivity in the negative electrode layer can be improved by adding the solid electrolyte material. In the present invention, when the self-binding force acts in the negative electrode layer, the contact between the negative electrode active material and the solid electrolyte material is improved. That is, input / output and cycle characteristics can be improved.

本発明における固体電解質材料としてはリチウムイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等の無機固体電解質材料を挙げることができるが、本発明においては、硫化物固体電解質材料および酸化物固体電解質材料を用いることが好ましく、硫化物固体電解質材料を用いることが特に好ましい。硫化物固体電解質材料はイオン伝導性が高い点で好ましく、酸化物固体電解質材料は化学的安定性が高い点で好ましい。なお、ハロゲン化物固体電解質材料とは、ハロゲンを含有する無機固体電解質材料をいう。   The solid electrolyte material in the present invention is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity. For example, sulfide solid electrolyte material, oxide solid electrolyte material, nitride solid electrolyte material, halide solid electrolyte Inorganic solid electrolyte materials such as materials can be mentioned. In the present invention, it is preferable to use a sulfide solid electrolyte material and an oxide solid electrolyte material, and it is particularly preferable to use a sulfide solid electrolyte material. The sulfide solid electrolyte material is preferable in terms of high ion conductivity, and the oxide solid electrolyte material is preferable in terms of high chemical stability. The halide solid electrolyte material refers to an inorganic solid electrolyte material containing halogen.

硫化物固体電解質材料は、通常は、リチウム元素(Li)および硫黄(S)を少なくとも含有する。特に、硫化物固体電解質材料は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、Al、Bからなる群から選択される少なくとも一種である)、Sを含有することが好ましい。また、硫化物固体電解質材料は、Cl、Br、I等のハロゲンを含有していても良い。ハロゲンを含有することにより、イオン伝導性を向上させることができる。また、硫化物固体電解質材料はOを含有していても良い。Oを含有することにより、化学的安定を向上させることができる。   The sulfide solid electrolyte material usually contains at least lithium element (Li) and sulfur (S). In particular, the sulfide solid electrolyte material preferably contains Li, A (A is at least one selected from the group consisting of P, Si, Ge, Al, and B) and S. The sulfide solid electrolyte material may contain a halogen such as Cl, Br, or I. By containing halogen, ion conductivity can be improved. The sulfide solid electrolyte material may contain O. By containing O, chemical stability can be improved.

硫化物固体電解質材料としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS―SIS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。なお、上記「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材料を意味し、他の記載についても同様である。Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—P 2 S 5 —Li 2 O, and Li 2 S—P 2 S. 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SIS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S -SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( however, m, n are positive Z is one of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where, x and y are positive numbers, M is P, Si, Ge, B, Al, Ga, I One of the.), And the like can be given. The description of “Li 2 S—P 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions. is there.

また、硫化物固体電解質材料が、LiSおよびPを含有する原料組成物を用いてなるものである場合、LiSおよびPの合計に対するLiSの割合は、例えば70mol%〜80mol%の範囲内であることが好ましく、72mol%〜78mol%の範囲内であることがより好ましく、74mol%〜76mol%の範囲内であることがさらに好ましい。オルト組成またはその近傍の組成を有する硫化物固体電解質材料とすることができ、化学的安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいう。本発明においては、硫化物で最もLiSが付加している結晶組成をオルト組成という。LiS−P系ではLiPSがオルト組成に該当する。LiS−P系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびPの割合は、モル基準で、LiS:P=75:25である。なお、上記原料組成物におけるPの代わりに、AlまたはBを用いる場合も、好ましい範囲は同様である。LiS−Al系ではLiAlSがオルト組成に該当し、LiS−B系ではLiBSがオルト組成に該当する。Also, the sulfide solid electrolyte material, if it is made by using the raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, the proportion of Li 2 S to the total of Li 2 S and P 2 S 5 is For example, it is preferably in the range of 70 mol% to 80 mol%, more preferably in the range of 72 mol% to 78 mol%, and still more preferably in the range of 74 mol% to 76 mol%. This is because a sulfide solid electrolyte material having an ortho composition or a composition in the vicinity thereof can be obtained, and a sulfide solid electrolyte material having high chemical stability can be obtained. Here, ortho generally refers to one having the highest degree of hydration among oxo acids obtained by hydrating the same oxide. In the present invention, the crystal composition in which Li 2 S is added most in the sulfide is called the ortho composition. In the Li 2 S—P 2 S 5 system, Li 3 PS 4 corresponds to the ortho composition. In the case of a Li 2 S—P 2 S 5 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 to obtain the ortho composition is Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 on a molar basis. It is. Instead of P 2 S 5 in the raw material composition, even when using the Al 2 S 3, or B 2 S 3, a preferred range is the same. In the Li 2 S—Al 2 S 3 system, Li 3 AlS 3 corresponds to the ortho composition, and in the Li 2 S—B 2 S 3 system, Li 3 BS 3 corresponds to the ortho composition.

また、硫化物固体電解質材料が、LiSおよびSiSを含有する原料組成物を用いてなるものである場合、LiSおよびSiSの合計に対するLiSの割合は、例えば60mol%〜72mol%の範囲内であることが好ましく、62mol%〜70mol%の範囲内であることがより好ましく、64mol%〜68mol%の範囲内であることがさらに好ましい。オルト組成またはその近傍の組成を有する硫化物固体電解質材料とすることができ、化学的安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。LiS−SiS系ではLiSiSがオルト組成に該当する。LiS−SiS系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびSiSの割合は、モル基準で、LiS:SiS=66.7:33.3である。なお、上記原料組成物におけるSiSの代わりに、GeSを用いる場合も、好ましい範囲は同様である。LiS−GeS系ではLiGeSがオルト組成に該当する。Also, the sulfide solid electrolyte material, if it is made by using the raw material composition containing Li 2 S and SiS 2, the ratio of Li 2 S to the total of Li 2 S and SiS 2, for example 60 mol% ~ It is preferably within the range of 72 mol%, more preferably within the range of 62 mol% to 70 mol%, and even more preferably within the range of 64 mol% to 68 mol%. This is because a sulfide solid electrolyte material having an ortho composition or a composition in the vicinity thereof can be obtained, and a sulfide solid electrolyte material having high chemical stability can be obtained. In the Li 2 S—SiS 2 system, Li 4 SiS 4 corresponds to the ortho composition. In the case of a Li 2 S—SiS 2 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and SiS 2 to obtain the ortho composition is Li 2 S: SiS 2 = 66.7: 33.3 on a molar basis. . Instead of SiS 2 in the raw material composition, even when using a GeS 2, the preferred range is the same. In the Li 2 S—GeS 2 system, Li 4 GeS 4 corresponds to the ortho composition.

また、硫化物固体電解質材料が、LiX(X=Cl、Br、I)を含有する原料組成物を用いてなるものである場合、LiXの割合は、例えば1mol%〜60mol%の範囲内であることが好ましく、5mol%〜50mol%の範囲内であることがより好ましく、10mol%〜40mol%の範囲内であることがさらに好ましい。また、硫化物固体電解質材料が、LiOを含有する原料組成物を用いてなるものである場合、LiOの割合は、例えば、1mol%〜25mol%の範囲内であることが好ましく、3mol%〜15mol%の範囲内であることがより好ましい。Moreover, when the sulfide solid electrolyte material is formed using a raw material composition containing LiX (X = Cl, Br, I), the ratio of LiX is, for example, in the range of 1 mol% to 60 mol%. It is preferably within a range of 5 mol% to 50 mol%, more preferably within a range of 10 mol% to 40 mol%. Also, the sulfide solid electrolyte material, if it is made by using the raw material composition containing Li 2 O, the ratio of Li 2 O is, for example, is preferably in the range of 1 mol% 25 mol%, More preferably, it is in the range of 3 mol% to 15 mol%.

また、硫化物固体電解質材料は、硫化物ガラスであっても良く、結晶化硫化物ガラスであっても良く、固相法により得られる結晶質材料であっても良い。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質材料の常温におけるリチウムイオン伝導度は、例えば、1×10−5S/cm以上であることが好ましく、1×10−4S/cm以上であることがより好ましい。The sulfide solid electrolyte material may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill or the like) on the raw material composition. Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by subjecting sulfide glass to a heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Moreover, the lithium ion conductivity at normal temperature of the sulfide solid electrolyte material is, for example, preferably 1 × 10 −5 S / cm or more, and more preferably 1 × 10 −4 S / cm or more.

一方、酸化物固体電解質材料としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等を挙げることができる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物を挙げることができる。中でも、上記酸化物固体電解質材料は、Li1.5Al0.5Ge1.5(POであることが好ましい。また、NASICON型構造を有する化合物の他の例としては、一般式Li1+xAlTi2−x(PO(0≦x≦2)で表される化合物を挙げることができる。中でも、上記酸化物固体電解質材料は、Li1.5Al0.5Ti1.5(POであることが好ましい。また、酸化物固体電解質材料の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等を挙げることができる。On the other hand, examples of the oxide solid electrolyte material include a compound having a NASICON type structure. As an example of a compound having a NASICON type structure, a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) can be given. Among them, the oxide solid electrolyte material is preferably Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3. Another example of the compound having a NASICON structure is a compound represented by the general formula Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2). Among them, the oxide solid electrolyte material is preferably Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4) 3. Other examples of the oxide solid electrolyte material include LiLaTiO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO ( for example, mention may be made of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) or the like.

本発明における固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状、薄膜状等を挙げることができる。固体電解質材料の平均粒径(D50)は、例えば、1nm〜100μmの範囲内であることが好ましく、10nm〜30μmの範囲内であることがより好ましい。
また、負極層における固体電解質材料の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、10質量%〜90質量%の範囲内であることが好ましい。
Examples of the shape of the solid electrolyte material in the present invention include particles and thin films. The average particle diameter (D 50 ) of the solid electrolyte material is preferably in the range of 1 nm to 100 μm, for example, and more preferably in the range of 10 nm to 30 μm.
Further, the content of the solid electrolyte material in the negative electrode layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 10% by mass to 90% by mass, for example.

(3)負極層
本発明における負極層は、必要に応じて、結着材および導電化剤の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
導電化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、気相成長カーボン、黒鉛等の炭素材料を挙げることができる。また、結着材としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸等を挙げることができる。
また、本発明における負極層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましく、1μm〜100μmの範囲内であることがより好ましい。
(3) Negative electrode layer The negative electrode layer in the present invention may further contain at least one of a binder and a conductive agent, if necessary.
The conductive agent is not particularly limited. For example, carbon materials such as mesocarbon microbeads (MCMB), acetylene black, ketjen black, carbon black, coke, carbon fiber, vapor-grown carbon, and graphite. Can be mentioned. Examples of the binder include polyimide, polyamideimide, polyacrylic acid and the like.
In addition, the thickness of the negative electrode layer in the present invention is, for example, preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

本発明における負極層の形成方法としては、一般的な方法を用いることができる。例えば、上述した負極活物質と、固体電解質材料と、結着材と、導電化剤とを含有する負極層形成用ペーストを、後述する負極集電体上に塗布して乾燥させた後に、プレスすることにより負極層を形成することができる。   As a method for forming the negative electrode layer in the present invention, a general method can be used. For example, a negative electrode layer forming paste containing the negative electrode active material, the solid electrolyte material, the binder, and the conductive agent described above is applied onto a negative electrode current collector, which will be described later, and then dried. By doing so, a negative electrode layer can be formed.

2.正極層
本発明でおける正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、正極活物質において、リチウムイオンの挿入脱離反応が起こり、充放電を起こすものである。
2. Positive electrode layer The positive electrode layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material, and in the positive electrode active material, lithium ion insertion / release reaction occurs to cause charge / discharge.

(1)正極活物質
本発明における正極層の正極活物質の種類は、全固体電池の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等を挙げることができる。正極活物質としては、例えば、LiCo、LiNiO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiVO、LiCrO等の層状正極活物質、LiMn、Li(Ni0.25Mn0.75、LiCoMnO、LiNiMn等のスピネル型正極活物質、LiCoPO、LiMnPO、LiFePO等のオリビン型正極活物質、Li12等のNASICON型正極活物質等を挙げることができる。
(1) Positive electrode active material The type of the positive electrode active material of the positive electrode layer in the present invention is appropriately selected according to the type of the all-solid battery, and examples thereof include an oxide active material and a sulfide active material. Examples of the positive electrode active material include layered positive electrode active materials such as LiCo 2 , LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiVO 2 , LiCrO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni 0). .25 Mn 0.75 ) 2 O 4 , LiCoMnO 4 , Li 2 NiMn 3 O 8 and other spinel positive electrode active materials, LiCoPO 4 , LiMnPO 4 and LiFePO 4 and other olivine positive electrode active materials, Li 3 V 2 P 3 A NASICON type positive electrode active material such as O 12 can be used.

上記正極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等を挙げることができる。正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば、1nm〜100μmの範囲内であることが好ましく、10nm〜30μmの範囲内であることがより好ましい。Examples of the shape of the positive electrode active material include particles and thin films. The average particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 30 μm.

本発明における正極層の、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質量%〜99質量%の範囲内であることが好ましい。   The content of the positive electrode active material in the positive electrode layer in the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 40% by mass to 99% by mass, for example.

(2)正極層
正極層は、固体電解質材料を含有していても良い。固体電解質材料を含有させることにより、正極活物質と固体電解質材料とが接し、正極層のイオン伝導性を向上することができるからである。固体電解質材料については、上記「1.負極層」の項に記載した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。正極層における固体電解質材料の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、10質量%〜90質量%の範囲内であることが好ましい。
(2) Positive electrode layer The positive electrode layer may contain a solid electrolyte material. This is because the inclusion of the solid electrolyte material allows the positive electrode active material and the solid electrolyte material to be in contact with each other, thereby improving the ionic conductivity of the positive electrode layer. The solid electrolyte material is the same as that described in the above section “1. Negative electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here. Although content of the solid electrolyte material in a positive electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 10 mass%-90 mass%.

本発明における正極層は、さらに導電化剤および結着材の少なくとも一つを含有していても良く、導電化剤および結着材については、上記「1.負極層」の項に記載した内容と同様であるため、ここでの記載は省略する。
正極層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましく、1μm〜100μmの範囲内であることがより好ましい。
The positive electrode layer in the present invention may further contain at least one of a conductive agent and a binder, and the contents described in the above section “1. Negative electrode layer” regarding the conductive agent and the binder. The description is omitted here.
The thickness of the positive electrode layer is, for example, preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

本発明における正極層の形成方法は、一般的な方法を用いることができる。例えば、正極活物質と、固体電解質材料と、結着材と、導電化剤とを含有する正極層形成用ペーストを、後述する正極集電体上に塗布して乾燥させた後、プレスすることにより正極層を形成することができる。   As a method for forming the positive electrode layer in the present invention, a general method can be used. For example, a positive electrode layer forming paste containing a positive electrode active material, a solid electrolyte material, a binder, and a conductive agent is applied on a positive electrode current collector, which will be described later, dried, and then pressed. Thus, a positive electrode layer can be formed.

3.固体電解質層
本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、上記正極層および上記負極層の間に形成される層であり、少なくとも固体電解質材料を含有する層である。上記固体電解質材料を介して、正極活物質と負極活物質との間のリチウムイオンの伝導を行うものである。
3. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer in this invention is demonstrated. The solid electrolyte layer in the present invention is a layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and is a layer containing at least a solid electrolyte material. Lithium ions are conducted between the positive electrode active material and the negative electrode active material through the solid electrolyte material.

(1)固体電解質材料
本発明における固体電解質材料については、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等の無機固体電解質材料を挙げることができ、なかでも、上述した「1.負極層」で用いた固体電解質材料と同じ材料を用いることが好ましい。なお、固体電解質材料については「1.負極層」に記載した内容と同様であるため、ここでの記載は省略する。また、本発明における固体電解質層に含まれる、固体電解質材料の含有量は、例えば、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、80質量%以上であることが特に好ましい。
(1) Solid electrolyte material Examples of the solid electrolyte material in the present invention include inorganic solid electrolyte materials such as sulfide solid electrolyte materials, oxide solid electrolyte materials, nitride solid electrolyte materials, and halide solid electrolyte materials. In particular, it is preferable to use the same material as the solid electrolyte material used in “1. Negative electrode layer” described above. In addition, since it is the same as that of the content described in "1. Negative electrode layer" about solid electrolyte material, description here is abbreviate | omitted. The content of the solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer in the present invention is, for example, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 80% by mass or more. Is particularly preferred.

(2)固体電解質層
本発明における固体電解質層は、結着材を含有していても良く、固体電解質材料のみから構成されていても良い。固体電解質層の厚さは、全固体電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましく、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。
(2) Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer in this invention may contain the binder and may be comprised only from the solid electrolyte material. The thickness of the solid electrolyte layer varies greatly depending on the configuration of the all-solid-state battery. For example, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm. preferable.

本発明における固体電解質層の形成方法は、一般的な方法を用いることができる。例えば、固体電解質材料と、結着材と、を含有する固体電解質層形成用材料をプレスすることにより、固体電解質層を形成することができる。   A general method can be used as the method for forming the solid electrolyte layer in the present invention. For example, the solid electrolyte layer can be formed by pressing a solid electrolyte layer forming material containing a solid electrolyte material and a binder.

4.その他の構成
本発明の全固体電池は、上述した正極層、負極層、および固体電解質層を、少なくとも有するものであるが、さらに、正極層の集電を行う正極集電体、および負極層の集電を行う負極集電体を有してもよい。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。
また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。
4). Other Configurations The all solid state battery of the present invention has at least the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer described above, and further includes a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode layer, and a negative electrode layer. You may have the negative electrode electrical power collector which collects electric current. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon.
In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the all solid state battery.

本発明における電池ケースには、一般的な全固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。   As the battery case in the present invention, a general battery case of an all-solid battery can be used. Examples of the battery case include a SUS battery case.

5.全固体電池
本発明の全固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用である。全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
5. All-solid battery The all-solid battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, but among them, a secondary battery is preferred. It can be charged and discharged repeatedly, and is useful, for example, as an in-vehicle battery. Examples of the shape of the all solid state battery include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

本発明の全固体電池の製造方法は、上述した全固体電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができ、例えば、プレス法、塗工法、蒸着法、スプレー等を挙げることができる。プレス法を用いて全固体電池を製造する場合、まず、固体電解質層を構成する材料をプレスして固体電解質層を形成し、上記固体電解質層の一方の表面に、正極層を構成する材料を添加して、正極集電体とともにプレスすることにより正極層を形成し、次に、上記固体電解質層負極層のもう一方の表面に、負極層を構成する材料を添加して、負極集電体とともにプレスすることにより負極層を形成させ、得られた発電要素の周囲を外装体で被覆することにより、全固体電池を得る方法が例示される。   The method for producing an all-solid battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described all-solid battery, and a method similar to a general method for producing an all-solid battery may be used. Examples thereof include a pressing method, a coating method, a vapor deposition method, and a spray. When manufacturing an all-solid battery using the pressing method, first, a material constituting the solid electrolyte layer is pressed to form a solid electrolyte layer, and a material constituting the positive electrode layer is formed on one surface of the solid electrolyte layer. The positive electrode layer is formed by adding and pressing together with the positive electrode current collector, and then the material constituting the negative electrode layer is added to the other surface of the solid electrolyte layer negative electrode layer. The method of obtaining an all-solid-state battery by forming a negative electrode layer by pressing together and coat | covering the circumference | surroundings of the obtained electric power generation element with an exterior body is illustrated.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に、実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.

[合成例]
(硫化物固体電解質材料の合成)
出発原料として、硫化リチウム(LiS、日本化学工業社製)および五硫化二リン(P、アルドリッチ社製)を用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、LiSおよびPを、75LiS・25Pのモル比(LiPS、オルト組成)となるように秤量した。この混合物2gを、メノウ乳鉢で5分間混合した。その後、得られた混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下)4gを投入し、さらにZrOボール(φ=5mm)53gを投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、40時間メカニカルミリングを行った。その後、得られた試料を、ホットプレート上でヘプタンを除去するように乾燥させ、硫化物固体電解質材料(75LiS・25Pガラス)を得た。
[Synthesis example]
(Synthesis of sulfide solid electrolyte materials)
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , manufactured by Aldrich) were used. Next, in a glove box under an Ar atmosphere (dew point −70 ° C.), Li 2 S and P 2 S 5 have a molar ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 (Li 3 PS 4 , ortho composition). Weighed as follows. 2 g of this mixture was mixed for 5 minutes in an agate mortar. Then, 2 g of the obtained mixture was put into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), 4 g of dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less) was added, and 53 g of ZrO 2 balls (φ = 5 mm) were added. The container was completely sealed (Ar atmosphere). This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed for 40 hours at a base plate rotation speed of 500 rpm. Then, the obtained sample was dried so as to remove heptane on a hot plate to obtain a sulfide solid electrolyte material (75Li 2 S · 25P 2 S 5 glass).

[実施例1]
(負極活物質の調製)
グラファイト(三菱化学社製)860mgと、Alの粉末(シグマアルドリッチ社製)71mgとを秤量し、これらを混合することで負極活物質を得た。
次に合成例で調製された硫化物固体電解質材料75LiS−25Pを860mg秤量し、上述の負極活物質と混合することで負極層形成材料を得た。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode active material)
Graphite (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.) 860 mg and Al powder (Sigma Aldrich Co.) 71 mg were weighed and mixed to obtain a negative electrode active material.
Next, 860 mg of the sulfide solid electrolyte material 75Li 2 S-25P 2 S 5 prepared in the synthesis example was weighed and mixed with the above-described negative electrode active material to obtain a negative electrode layer forming material.

(単極評価用電池の作製)
合成例で調製した硫化物固体電解質材料75LiS・25Pを100mg用いて形成した固体電解質層の一方の表面に、上記負極層形成材料15mgを用いて作用層を形成し、次に固体電解質層の他方の表面に金属リチウムを用いて対極を形成し、単極評価用電池を作製した。
(Preparation of single electrode evaluation battery)
On one surface of the solid electrolyte layer formed using 100 mg of the sulfide solid electrolyte material 75Li 2 S · 25P 2 S 5 prepared in the synthesis example, an active layer is formed using 15 mg of the negative electrode layer forming material, and then A counter electrode was formed on the other surface of the solid electrolyte layer using metallic lithium to produce a single electrode evaluation battery.

[比較例1]
負極活物質にグラファイト930mgを用い、上記負極活物質と合成例で調製した硫化物固体電解質材料とを混合し、負極層形成材料を得た。この負極層形成材料17mgを用い、実施例1と同様にして単極評価用電池を得た。
[Comparative Example 1]
Using 930 mg of graphite as the negative electrode active material, the negative electrode active material and the sulfide solid electrolyte material prepared in Synthesis Example were mixed to obtain a negative electrode layer forming material. Using 17 mg of this negative electrode layer forming material, a single electrode evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1.

[比較例2]
負極活物質にAl930mgを用い、上記負極活物質と合成例で調製した硫化物固体電解質材料と混合し、負極層形成材料を得た。この負極層形成材料6.5mgを用い、実施例1と同様にして単極評価用電池を得た。
[Comparative Example 2]
Using 930 mg of Al as the negative electrode active material, the negative electrode active material was mixed with the sulfide solid electrolyte material prepared in Synthesis Example to obtain a negative electrode layer forming material. Using 6.5 mg of this negative electrode layer forming material, a single electrode evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1.

[評価1]
(初回不可逆効率)
実施例1、比較例1および比較例2で得られた単極評価用電池を用い、電池評価環境温度25℃において、電流レート0.1Cで電圧0Vまで定電流放電を行い、その後、電流レート0.1Cで電圧1.5Vに達するまで定電流充電を行った。この時の重量容量、膨張前体積容量、および初回不可逆率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[Evaluation 1]
(First irreversible efficiency)
Using the unipolar evaluation batteries obtained in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, at a battery evaluation environmental temperature of 25 ° C., a constant current discharge was performed to a voltage of 0 V at a current rate of 0.1 C, and then the current rate Constant current charging was performed until the voltage reached 1.5 V at 0.1 C. The weight capacity at this time, the volume capacity before expansion, and the initial irreversible rate were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2013084302
Figure 2013084302

表1が示すように、実施例1で得られる作用極は、高い容量を持つAlを含有するため、グラファイトのみからなる比較例1よりも重量容量および膨張前体積容量を向上することができる。
また、実施例1で得られる作用極は、Alのみからなる比較例2の作用極よりも、初回不可逆率の値が低く、比較例1とほぼ変わらない値まで抑制されることが示唆される。つまり、Alにグラファイトを加えることで、グラファイトが緩衝材となり、Alの膨張収縮の影響を抑制していると考えられる。
As Table 1 shows, since the working electrode obtained in Example 1 contains Al having a high capacity, the weight capacity and the volume capacity before expansion can be improved as compared with Comparative Example 1 made of only graphite.
In addition, it is suggested that the working electrode obtained in Example 1 has a lower value of the initial irreversibility rate than the working electrode of Comparative Example 2 made of only Al, and is suppressed to a value almost unchanged from Comparative Example 1. . That is, it is considered that by adding graphite to Al, the graphite becomes a buffer material and suppresses the influence of Al expansion and contraction.

[評価2]
(電池放電時における負極電位)
実施例1、比較例1および比較例2で得られた単極評価用電池について、上述した充放電における、全容量割合に対するリチウム挿入脱離電位を測定した。その結果を図2に示す。
[Evaluation 2]
(Negative potential during battery discharge)
For the unipolar evaluation batteries obtained in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the lithium insertion / extraction potential with respect to the total capacity ratio in the above-described charge / discharge was measured. The result is shown in FIG.

図2(b)に示されるように、比較例1および比較例2の電位変化を比較すると、比較例2の負極活物質であるAlは比較例1の負極活物質であるグラファイトよりもリチウムの挿入脱離の電位が貴であるため、電池充電時には先にAlへリチウムイオンの挿入がされ、一方、電池放電時にはグラファイトよりも後にAlからリチウムの脱離が起こることが示唆される。図2(a)で示されるように、Alおよびグラファイトを混合した負極活物質を含有する実施例1では、Alの容量割合をSOC20%以下に混合させているため、SOC20%以下ではAlへのリチウムイオン挿入反応が先に起こり、SOC20%以上では、全てのAlはリチウムイオンが充填され、膨張した状態となる。つまり、SOC20%以上においてはグラファイトへのリチウム挿入脱離反応のみが起こること考えられる。また、SOC80%付近で、0.5VvsLi/Liにプラトーが出現していることから、グラファイトからのリチウムイオンの脱離が起こった後にAlからのリチウムイオンの脱離が生じると考えられる。すなわち充電初期段階でAlを全て膨張させることにより、負極層内に自己拘束力が掛かかっていると推測される。As shown in FIG. 2B, when the potential changes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compared, the negative electrode active material of Comparative Example 2 is more lithium than the negative electrode active material of Comparative Example 1 that is graphite. Since the potential of insertion / desorption is noble, it is suggested that lithium ions are inserted into Al first when the battery is charged, while lithium is desorbed from Al later than graphite when the battery is discharged. As shown in FIG. 2A, in Example 1 containing the negative electrode active material in which Al and graphite are mixed, the volume ratio of Al is mixed to 20% or less of SOC. When the lithium ion insertion reaction occurs first and the SOC is 20% or more, all Al is filled with lithium ions and is expanded. That is, it is considered that only the lithium insertion / extraction reaction to graphite occurs when the SOC is 20% or more. Further, since a plateau appears at 0.5 V vs Li / Li + near SOC 80%, it is considered that lithium ions are desorbed from Al after desorption of lithium ions from graphite. That is, it is presumed that self-restraining force is applied in the negative electrode layer by expanding all of Al at the initial stage of charging.

[実施例2]
(正極層形成材料の調製)
正極活物質として、LiNi1/3Co1/3Mn1/3(日亜化学社製)600mgと、導電化剤として、VGCF(昭和電工社製)25.5mgと、固体電解質材料として、合成例で調製された75LiS−25Pを250mgと、を秤量し、これらを混合することで正極層形成用材料を得た。
(全固体電池の作製)
[Example 2]
(Preparation of positive electrode layer forming material)
As a positive electrode active material, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (manufactured by Nichia Chemical) 600 mg, as a conductive agent, VGCF (manufactured by Showa Denko) 25.5 mg, and as a solid electrolyte material Then, 250 mg of 75Li 2 S-25P 2 S 5 prepared in the synthesis example was weighed and mixed to obtain a positive electrode layer forming material.
(Production of all-solid battery)

合成例で調製された硫化物固体電解質材料75LiS−25Pを50mg秤量して、1cmの金型に入れ、1ton/cmでプレスすることにより、固体電解質層を形成した。得られた固体電解質層の一方の表面側に、上記の正極層形成用材料を19mg添加し、1ton/cmでプレスすることにより、正極層を形成した。次に、固体電解質層の他方の表面側に、実施例1で調製された負極層形成材料を15mg添加し、4.3ton/cmでプレスすることにより、負極層を形成し、発電要素を得た。
得られた発電要素に、正極集電体として厚さ15μmのAl箔(日本製箔社製)、負極集電体として厚さ10μmのCu箔(日本製箔社製)を配置し、全固体電池を得た。
なお、実施例2で得られる全固体電池のSOC領域はSOC20%−80%とする。
50 mg of the sulfide solid electrolyte material 75Li 2 S-25P 2 S 5 prepared in the synthesis example was weighed, put into a 1 cm 2 mold, and pressed at 1 ton / cm 2 to form a solid electrolyte layer. The positive electrode layer was formed by adding 19 mg of said positive electrode layer forming material to one surface side of the obtained solid electrolyte layer, and pressing at 1 ton / cm < 2 >. Next, 15 mg of the negative electrode layer forming material prepared in Example 1 was added to the other surface side of the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer was formed by pressing at 4.3 ton / cm 2. Obtained.
A 15 μm thick Al foil (manufactured by Nippon Foil Co., Ltd.) as the positive electrode current collector and a 10 μm thick Cu foil (manufactured by Nippon Foil Co., Ltd.) as the negative electrode current collector are disposed on the obtained power generation element, and all solid A battery was obtained.
In addition, the SOC area | region of the all-solid-state battery obtained in Example 2 shall be SOC20% -80%.

[比較例3]
実施例2の全固体電池の作製において、比較例1で調製した負極層形成材料を17mg用いて負極層を形成したこと以外は、実施例2と同様にして全固体電池を得た。
なお、比較例3で得られる全固体電池のSOC領域はSOC20%−80%とする。
[Comparative Example 3]
In the production of the all solid state battery of Example 2, an all solid state battery was obtained in the same manner as in Example 2 except that 17 mg of the negative electrode layer forming material prepared in Comparative Example 1 was used to form the negative electrode layer.
In addition, the SOC area | region of the all-solid-state battery obtained by the comparative example 3 shall be SOC20% -80%.

[比較例4]
実施例2の全固体電池の作製において、比較例2で調製した負極層形成材料を6.5mg用いて負極層を形成したこと以外は、実施例2と同様にして全固体電池を得た。
なお、比較例4で得られる全固体電池のSOC領域はSOC20%−80%とする。
[Comparative Example 4]
In the production of the all-solid battery of Example 2, an all-solid battery was obtained in the same manner as in Example 2, except that 6.5 mg of the negative electrode layer forming material prepared in Comparative Example 2 was used to form the negative electrode layer.
In addition, the SOC area | region of the all-solid-state battery obtained by the comparative example 4 shall be SOC20% -80%.

[評価3]
(ハイレート時における容量維持率)
次に、実施例2および比較例3で得られた全固体電池に対して、電池評価環境温度25℃において、電流レート0.1Cで電圧4.5V、または10時間まで定電流充電を行った後、電流レート0.1Cで電圧2.5Vまで定電流放電させる操作を行った。次に、電流レート1.5Cで電圧4.5V、または40分まで定電流充電を行った後、電流レート1.5Cで電圧2.5Vまで定電流放電を行った。
0.1C放電での放電容量に対する、1.5C放電での放電容量の割合から、ハイレート時の充放電における容量維持率を測定した。その結果を図3(a)に示す。また、ハイレート時の充放電における比較例3に対する実施例2の向上率を図3(b)に示す。図3(a)が示すように、実施例2は比較例3と比べて容量維持率が向上することが示唆される。また、図3(b)より、ハイレート時の充放電における比較例3の容量を100%とした場合、実施例2の容量は120%以上となることが示唆される。つまり、実施例2の負極層を用いることにより、SOC20%以下になるように混合された高容量のAlは全て、充電初期段階において先にリチウムイオンの挿入が起こり膨張し、SOC20%以上の領域においても上記膨張状態が維持される。したがって、グラファイトと固体電解質材料との接触が良好となり、入出力およびサイクル特性が向上するため、グラファイト単体よりも高い容量維持率を有することができると考えられる。
[Evaluation 3]
(Capacity maintenance rate at high rate)
Next, the all solid state batteries obtained in Example 2 and Comparative Example 3 were subjected to constant current charging at a battery evaluation environmental temperature of 25 ° C. with a current rate of 0.1 C and a voltage of 4.5 V, or up to 10 hours. Thereafter, an operation of discharging at a constant current up to a voltage of 2.5 V at a current rate of 0.1 C was performed. Next, a constant current charge was performed up to a voltage of 4.5 V at a current rate of 1.5 C or 40 minutes, and then a constant current discharge was performed up to a voltage of 2.5 V at a current rate of 1.5 C.
From the ratio of the discharge capacity at 1.5 C discharge to the discharge capacity at 0.1 C discharge, the capacity retention rate at charge / discharge at high rate was measured. The result is shown in FIG. Moreover, the improvement rate of Example 2 with respect to the comparative example 3 in the charge / discharge at the time of a high rate is shown in FIG.3 (b). As shown in FIG. 3A, it is suggested that the capacity retention rate of Example 2 is improved as compared with Comparative Example 3. Further, FIG. 3B suggests that the capacity of Example 2 is 120% or more when the capacity of Comparative Example 3 in charge / discharge at high rate is 100%. That is, by using the negative electrode layer of Example 2, all of the high-capacity Al mixed so as to have an SOC of 20% or less expands due to the first insertion of lithium ions in the initial charging stage, and the SOC is 20% or more. The above expanded state is also maintained at. Therefore, the contact between the graphite and the solid electrolyte material is improved, and the input / output and cycle characteristics are improved. Therefore, it is considered that the capacity retention rate can be higher than that of the graphite alone.

[評価4]
(低外部拘束下における容量維持率測定)
実施例2、比較例3、および比較例4で得られた全固体電池において、外部拘束力15kgf/cmを掛けた状態で、電池評価環境温度60℃において、電流レート2C、電圧範囲を3.5V〜4.5Vとして充放電回数が10回となるまで充放電を繰り返した。
充放電サイクルを10サイクル行った後の容量維持率を測定した。その結果を図4に示す。
[Evaluation 4]
(Measurement of capacity maintenance rate under low external restraint)
In the all-solid-state batteries obtained in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, a current rate of 2 C and a voltage range of 3 were applied at a battery evaluation environmental temperature of 60 ° C. with an external binding force of 15 kgf / cm 2. Charging / discharging was repeated until the number of times of charging / discharging became 10 times as 0.5V-4.5V.
The capacity retention rate after 10 charge / discharge cycles were measured. The result is shown in FIG.

図4に示すように、実施例2は、比較例3とほぼ同じ容量維持率を示しており、比較例4よりも高い容量維持率を示すことが確認された。Al単体負極層を用いた比較例4では、充放電の繰り返しによりAlの体積の膨張収縮が起こるため、低外部拘束下では粒子間および集電体からの電極剥離等が起こり、サイクル後の容量は低下する。一方、実施例2はAlとグラファイトとの混合物であり、繰り返し充放電を行っても、SOC領域においてAlの膨張状態は常に維持されており、負極層内で自己拘束力により拘束された状態となる。そのため、低外部拘束下でもサイクル後の容量維持率はグラファイトと同等の値を示すと考えられる。   As shown in FIG. 4, Example 2 showed almost the same capacity retention rate as that of Comparative Example 3, and it was confirmed that the capacity maintenance rate was higher than that of Comparative Example 4. In Comparative Example 4 using the single Al negative electrode layer, the expansion and contraction of the volume of Al occurs due to repeated charge and discharge, so that electrode peeling occurs between the particles and from the current collector under low external restraint, and the capacity after the cycle Will decline. On the other hand, Example 2 is a mixture of Al and graphite, and even when repeated charge and discharge is performed, the expanded state of Al is always maintained in the SOC region, and is constrained by self-restraint force in the negative electrode layer. Become. Therefore, it is considered that the capacity retention rate after the cycle shows a value equivalent to that of graphite even under a low external constraint.

1 …正極層
2 …負極層
3 …固体電解質層
4 …正極集電体
5 …負極集電体
6 …電池ケース
7 …炭素系活物質
8 …金属系活物質
9 …硫化物固体電解質材料
10 …全固体電池
11 …負極活物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer 2 ... Negative electrode layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 6 ... Battery case 7 ... Carbon-type active material 8 ... Metal-type active material 9 ... Sulfide solid electrolyte material 10 ... All-solid-state battery 11 ... Negative electrode active material

Claims (2)

正極活物質を含有する正極層と、負極活物質を含有する負極層と、前記正極層および前記負極層の間に形成された固体電解質層と、を有する全固体電池であって、
前記負極層が、炭素系活物質および金属系活物質を混合した負極活物質を含有し、
前記金属系活物質が、Liと合金化反応を起こし、一般式Mで表わされる金属または一般式M(Mは金属である)で表わされる金属酸化物であり、
前記金属系活物質の充放電電位が、前記炭素系活物質よりも貴であり、
前記炭素系活物質が前記負極層に占める容量割合が、前記金属系活物質よりも多いことを特徴とする全固体電池。
An all-solid battery having a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
The negative electrode layer contains a negative electrode active material obtained by mixing a carbon-based active material and a metal-based active material,
The metal-based active material undergoes an alloying reaction with Li, and is a metal represented by the general formula M or a metal oxide represented by the general formula M x O y (M is a metal),
The charge / discharge potential of the metal-based active material is more noble than the carbon-based active material,
The all-solid-state battery, wherein a capacity ratio of the carbon-based active material in the negative electrode layer is larger than that of the metal-based active material.
前記金属系活物質が前記負極層に占める容量割合が、電池使用域(SOC領域)の最低容量割合以下であることを特徴とする、請求項1に記載の全固体電池。   2. The all-solid-state battery according to claim 1, wherein a capacity ratio of the metal-based active material in the negative electrode layer is equal to or less than a minimum capacity ratio in a battery use region (SOC region).
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