JPWO2013132592A1 - Sulfide solid state battery system and control method for sulfide solid state battery - Google Patents
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Abstract
本発明は、サイクル特性を向上させることが可能な硫化物固体電池システム及び硫化物固体電池の制御方法を提供することを主目的とする。本発明は、正極層及び負極層並びに正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池と、該固体電池の充電停止電圧を制御可能な制御手段とを備え、正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、制御手段によって固体電池の充電停止電圧が制御される硫化物固体電池システムとし、上記固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、固体電池の充電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法とする。The main object of the present invention is to provide a sulfide solid state battery system and a sulfide solid state battery control method capable of improving cycle characteristics. The present invention comprises a solid battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a control means capable of controlling the charge stop voltage of the solid battery, LiNixCoyMnzO2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used, and a sulfide solid electrolyte is used at least for the solid electrolyte layer, and graphite charges lithium ions when charging the solid battery. A sulfide solid state battery system in which the charge stop voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the charge is stopped at 4.3 V or less with respect to the potential to be stored and released. A control method for a sulfide solid state battery in which the charge stop voltage of the solid state battery is controlled so that the charge is stopped at 4.3 V or less with reference to the potential for inserting and extracting lithium ions. .
Description
本発明は、硫化物固体電池システム及び硫化物固体電池の制御方法に関する。 The present invention relates to a sulfide solid state battery system and a method for controlling a sulfide solid state battery.
リチウムイオン二次電池は、従来の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧で作動させることができる。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車用やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。 Lithium ion secondary batteries have a higher energy density than conventional secondary batteries and can be operated at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large motive power such as for electric vehicles and hybrid vehicles.
リチウムイオン二次電池は、正極層及び負極層と、これらの間に配置された電解質層とを有し、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質等が知られている。液体状の電解質(以下において、「電解液」という。)が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質(以下において、「固体電解質」という。)を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、固体電解質を含有する層(以下において、「固体電解質層」という。)が備えられる形態のリチウムイオン二次電池(以下において、「固体電池」といい、積層された正極層、固体電解質層、及び、負極層の3層をまとめて「電極体」ということがある。)の開発が進められている。 A lithium ion secondary battery has a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between them. Examples of the electrolyte used for the electrolyte layer include non-aqueous liquid and solid substances. Are known. When a liquid electrolyte (hereinafter referred to as “electrolytic solution”) is used, the electrolytic solution easily penetrates into the positive electrode layer and the negative electrode layer. Therefore, an interface between the active material contained in the positive electrode layer or the negative electrode layer and the electrolytic solution is easily formed, and the performance is easily improved. However, since the widely used electrolyte is flammable, it is necessary to mount a system for ensuring safety. On the other hand, when a solid electrolyte that is flame retardant (hereinafter referred to as “solid electrolyte”) is used, the above system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as a “solid battery”) having a layer containing a solid electrolyte (hereinafter referred to as “solid electrolyte layer”) is referred to as a stacked positive electrode layer, solid electrolyte. The three layers of the negative electrode layer and the negative electrode layer may be collectively referred to as an “electrode body”).
このようなリチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献1には、リチウムイオン伝導性固体電解質を有する一又は二以上の二次電池と、該二次電池の充電及び/又は放電を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、充電時の電圧及び/又は電流に異常が検出された二次電池に対し、パルス波及び/又は低電圧の充電電圧で充電を行う、二次電池充放電装置が開示されている。また、特許文献1には、二次電池に対して充電を行い、二次電池で発生した異常を検出し、電圧及び/又は電流の異常が検出された二次電池に対し、パルスは及び/又は低電圧の充電電圧で充電を行う、二次電池充放電制御方法も開示されている。
As a technique related to such a lithium ion secondary battery, for example,
特許文献1に開示されている技術では、異常が検出されるまで二次電池の劣化を判断できない。そのため、二次電池の充放電サイクル特性(以下において、「サイクル特性」という。)が低下する虞があった。
With the technique disclosed in
そこで本発明は、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池システム及び硫化物固体電池の制御方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the control method of the sulfide solid battery system and sulfide solid battery which can improve cycling characteristics.
本発明者らは、鋭意検討の結果、正極活物質にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34。以下において同じ。)を用いた硫化物固体電池は、使用電圧によって耐久性(サイクル特性)が異なることを知見した。具体的には、正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池の充電上限電圧を、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下(充電上限電圧に関する以下の説明において、「黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして」という表現を省略することがある。)とすることにより、サイクル特性を向上させることが可能になることを知見した。また、本発明者らは、鋭意検討の結果、正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池の放電下限電圧を、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上(放電下限電圧に関する以下の説明において、「黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして」という表現を省略することがある。)とすることにより、サイクル特性を向上させることが可能になることを知見した。また、本発明者らは、鋭意検討の結果、正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池の放電下限電圧を、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上とすることにより、充電上限電圧を黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.4Vにしても、良好なサイクル特性を得ることが可能になることを知見した。本発明は、これらの知見に基づいて完成させた。As a result of intensive studies, the present inventors used LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34; the same applies hereinafter) as the positive electrode active material. The sulfide solid state battery was found to have different durability (cycle characteristics) depending on the operating voltage. Specifically, the charging upper limit voltage of the sulfide solid battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as the positive electrode active material, 4.3 V or less based on the potential of graphite is absorbing and releasing lithium ions (charging upper limit In the following explanation regarding voltage, it is found that the expression of “based on the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions may be omitted” can improve cycle characteristics. did. Further, the present inventors have conducted intensive result of examination, the discharge lower limit voltage of the sulfide solid battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as the positive electrode active material, based on the potential of graphite is absorbing and releasing lithium ions The cycle characteristics are improved by setting the voltage to 3.4 V or higher (in the following description of the discharge lower limit voltage, the expression “graphite is based on the potential at which lithium ions are occluded and released” may be omitted). I found out that it would be possible. Further, the present inventors have conducted intensive result of examination, the discharge lower limit voltage of the sulfide solid battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as the positive electrode active material, based on the potential of graphite is absorbing and releasing lithium ions Thus, it was found that by setting the charging upper limit voltage to 4.4 V or higher, the charging upper limit voltage is 4.4 V based on the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions, and it is possible to obtain good cycle characteristics. The present invention has been completed based on these findings.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第1の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池と、該固体電池の充電停止電圧を制御可能な制御手段とを備え、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、制御手段によって固体電池の充電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システムである。In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
A first aspect of the present invention is a solid battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a control means capable of controlling the charge stop voltage of the solid battery. LiNi x Co y Mn z O 2 is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer, and the potential at which the graphite occludes and releases lithium ions during charging of the solid battery is obtained. This is a sulfide solid state battery system in which the charge stop voltage of the solid state battery is controlled by the control means so that the charge is stopped at 4.3 V or less with reference.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、充電停止電圧を4.3V以下とすることにより、1000サイクルの繰り返し充放電後の容量維持率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第1の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池システムを提供することができる。In a sulfide solid state battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as a positive electrode active material, it is possible to increase the capacity maintenance rate after repeated charge and discharge of 1000 cycles by setting the charge stop voltage to 4.3 V or less. become. Therefore, according to the first aspect of the present invention, a sulfide solid state battery system capable of improving the cycle characteristics can be provided.
本発明の第2の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池と、該固体電池の放電停止電圧を制御可能な制御手段とを備え、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、制御手段によって固体電池の放電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システムである。According to a second aspect of the present invention, there is provided a solid battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and control means capable of controlling a discharge stop voltage of the solid battery. LiNi x Co y Mn z O 2 is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer, and the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions during discharge of the solid battery is obtained. This is a sulfide solid state battery system in which the discharge stop voltage of the solid state battery is controlled by the control means so that the discharge is stopped at 3.4 V or more on the basis.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、放電停止電圧を3.4V以上とすることにより、1000サイクルの繰り返し充放電後の容量維持率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第2の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池システムを提供することができる。In sulfide solid battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as the positive electrode active material, by a discharge stop voltage or 3.4 V, it is possible to increase the capacity retention after repeated charge-discharge 1000 cycles become. Therefore, according to the 2nd aspect of this invention, the sulfide solid state battery system which can improve cycling characteristics can be provided.
本発明の第3の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池と、該固体電池の充電停止電圧及び放電停止電圧を制御可能な制御手段とを備え、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、制御手段によって固体電池の放電停止電圧が制御され、且つ、固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.4V以下で充電が停止されるように、制御手段によって固体電池の充電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システムである。A third aspect of the present invention controls a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a charge stop voltage and a discharge stop voltage of the solid battery. Possible control means, LiNi x Co y Mn z O 2 is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer, and graphite absorbs lithium ions during discharge of the solid battery. The discharge stop voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the discharge is stopped at 3.4 V or higher with reference to the discharge potential, and the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions when the solid battery is charged. This is a sulfide solid state battery system in which the charging stop voltage of the solid state battery is controlled by the control means so that the charging is stopped at 4.4 V or less with reference to the above.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、放電停止電圧を3.4V以上とすることにより、充電上限電圧を4.4Vにしても、良好なサイクル特性を得ることが可能になる。したがって、本発明の第3の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池システムを提供することができる。In a sulfide solid state battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as a positive electrode active material, by setting the discharge stop voltage to 3.4 V or more, good cycle characteristics can be obtained even when the charge upper limit voltage is 4.4 V. It becomes possible to obtain. Therefore, according to the 3rd aspect of this invention, the sulfide solid state battery system which can improve cycling characteristics can be provided.
本発明の第4の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池を制御する方法であって、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、固体電池の充電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法である。A fourth aspect of the present invention is a method for controlling a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode layer has a LiNi x Co y Mn z O 2 is used, and at least the solid electrolyte layer is a sulfide solid electrolyte. When the solid battery is charged, charging stops at 4.3 V or less with reference to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. As described above, the control method of the sulfide solid state battery controls the charge stop voltage of the solid state battery.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、充電停止電圧を4.3V以下とすることにより、1000サイクルの繰り返し充放電後の容量維持率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第4の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。In a sulfide solid state battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as a positive electrode active material, it is possible to increase the capacity maintenance rate after repeated charge and discharge of 1000 cycles by setting the charge stop voltage to 4.3 V or less. become. Therefore, according to the 4th aspect of this invention, the control method of the sulfide solid state battery which can improve cycling characteristics can be provided.
本発明の第5の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池を制御する方法であって、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、固体電池の放電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法である。A fifth aspect of the present invention, the positive electrode layer and negative electrode layer, and a method for controlling a solid state battery having a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and negative electrode layer, LiNi x Co y in the positive electrode layer Mn z O 2 is used, and at least the solid electrolyte layer is a sulfide solid electrolyte. When the solid battery is discharged, the discharge stops at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. As described above, this is a control method for a sulfide solid state battery in which the discharge stop voltage of the solid state battery is controlled.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、放電停止電圧を3.4V以上とすることにより、1000サイクルの繰り返し充放電後の容量維持率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第5の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。In sulfide solid battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as the positive electrode active material, by a discharge stop voltage or 3.4 V, it is possible to increase the capacity retention after repeated charge-discharge 1000 cycles become. Therefore, according to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a control method for a sulfide solid state battery capable of improving cycle characteristics.
本発明の第6の態様は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層を有する固体電池を制御する方法であって、正極層にLiNixCoyMnzO2が用いられ、且つ、少なくとも固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、固体電池の放電停止電圧を制御し、且つ、固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.4V以下で充電が停止されるように、固体電池の充電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法である。A sixth aspect of the present invention is a method for controlling a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode layer has LiNi x Co y Mn z O 2 is used, and at least the solid electrolyte layer is a sulfide solid electrolyte. When the solid battery is discharged, the discharge stops at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. In order to control the discharge stop voltage of the solid battery and charge the solid battery so that the charge is stopped at 4.4 V or lower with reference to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. It is a control method of a sulfide solid state battery which controls the charge stop voltage of the battery.
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池において、放電停止電圧を3.4V以上とすることにより、充電上限電圧を4.4Vにしても、良好なサイクル特性を得ることが可能になる。したがって、本発明の第6の態様によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。In a sulfide solid state battery using LiNi x Co y Mn z O 2 as a positive electrode active material, by setting the discharge stop voltage to 3.4 V or more, good cycle characteristics can be obtained even when the charge upper limit voltage is 4.4 V. It becomes possible to obtain. Therefore, according to the sixth aspect of the present invention, it is possible to provide a control method for a sulfide solid state battery capable of improving cycle characteristics.
本発明において、上述のLiNixCoyMnzO2には、正極の元素と異なる元素(例えばAl、Mg、W、Zr等)を微量に添加したものも含まれる。なお、正極層に、正極活物質及び固体電解質が含まれる場合、「正極の元素」には、正極活物質を構成する元素及び固体電解質を構成する元素が含まれる。In the present invention, the above-described LiNi x Co y Mn z O 2 includes those added with a trace amount of an element (for example, Al, Mg, W, Zr, etc.) different from the element of the positive electrode. When the positive electrode layer contains a positive electrode active material and a solid electrolyte, the “positive electrode element” includes an element constituting the positive electrode active material and an element constituting the solid electrolyte.
本発明によれば、サイクル特性を向上させることが可能な、硫化物固体電池システム及び硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control method of the sulfide solid state battery system and sulfide solid state battery which can improve cycling characteristics can be provided.
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下に示す図面では、固体電池の外装体等の記載を省略している。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings shown below, the description of the outer casing and the like of the solid battery is omitted. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の硫化物固体電池システム10、及び、硫化物固体電池1の制御方法を説明する図である。図1では、硫化物固体電池1及び制御手段2を簡略化して示している。図1に示した硫化物固体電池システム10は、硫化物固体電池1と、該硫化物固体電池1の充電停止電圧を制御可能な制御手段2と、を有している。硫化物固体電池1は、正極層1x及び負極層1zと、これらの間に配置された固体電解質層1yと、正極層1xに接続された正極集電体1pと、負極層1zに接続された負極集電体1mと、を有している。正極層1xには、少なくとも正極活物質及び固体電解質が含まれており、正極活物質としてはLiNixCoyMnzO2が用いられ、固体電解質としては硫化物固体電解質が用いられている。また、固体電解質層1yには、硫化物固体電解質が含まれている。また、負極層1zには、負極活物質及び固体電解質が含まれており、負極活物質としては黒鉛が用いられ、固体電解質としては硫化物固体電解質が用いられている。硫化物固体電池システム10において、制御手段2には、硫化物固体電池1の充電停止電圧が4.3V以下となるように硫化物固体電池1の充電を制御可能な制御プログラムが内蔵されている。そして、硫化物固体電池システム10では、例えば、硫化物固体電池1の電圧が4.3Vになると充電を停止するように、制御手段2から不図示の充電器へ向けて信号が送られ、硫化物固体電池1の充電停止電圧が4.3V以下になるように制御される。1. First Embodiment FIG. 1 is a diagram for explaining a control method for a sulfide solid
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池1は、充電上限電圧を4.3V以下とすることにより、サイクル特性を向上させること(繰り返し充放電後の容量維持率を高めること及び繰り返し充放電後の内部抵抗増加率の増加を抑制すること。以下において同じ。)が可能になる。したがって、硫化物固体電池システム10によれば、サイクル特性を向上させることができる。また、充電停止電圧が4.3V以下となるように硫化物固体電池1の充電停止電圧を制御する形態とすることにより、サイクル特性を向上させることが可能な硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。The sulfide
本発明において、正極層1xに含まれる正極活物質(LiNixCoyMnzO2)の形状は、例えば粒子状等にすることができる。正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上100μm以下であることが好ましく、10nm以上30μm以下であることがより好ましい。また、正極層1xにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、質量%で、例えば40%以上99%以下とすることが好ましい。In the present invention, the shape of the positive electrode active material (LiNi x Co y Mn z O 2 ) included in the
また、正極層1xに用いることが可能な硫化物固体電解質としては、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li2S−P2S5−LiO2、LiI−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5等を例示することができる。As the sulfide solid electrolyte which can be used for the positive electrode layer 1x, Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-
また、本発明では、正極活物質と硫化物固体電解質との界面に高抵抗層が形成され難くすることにより、電池抵抗の増加を防止しやすい形態にする観点から、正極活物質は、イオン伝導性酸化物で被覆されていることが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式LixAOy(Aは、B、C、Al、Si、P、S、Ti、Zr、Nb、Mo、Ta又はWであり、x及びyは正の数である。)で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、LiAlO2、Li4SiO4、Li2SiO3、Li3PO4、Li2SO4、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、Li2ZrO3、LiNbO3、Li2MoO4、LiTaO3、Li2WO4等を例示することができる。また、リチウムイオン伝導性酸化物は、複合酸化物であっても良い。正極活物質を被覆する複合酸化物としては、上記リチウムイオン伝導性酸化物の任意の組み合わせを採用することができ、例えば、Li4SiO4−Li3BO3、Li4SiO4−Li3PO4等を挙げることができる。また、正極活物質の表面をイオン伝導性酸化物で被覆する場合、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆してれば良く、正極活物質の全面を被覆していても良い。また、正極活物質を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、0.1nm以上100nm以下であることが好ましく、1nm以上20nm以下であることがより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができる。In the present invention, the positive electrode active material is ion-conductive from the viewpoint of making it easy to prevent an increase in battery resistance by making it difficult to form a high resistance layer at the interface between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte. It is preferable to coat with a functional oxide. Examples of the lithium ion conductive oxide that coats the positive electrode active material include a general formula Li x AO y (A is B, C, Al, Si, P, S, Ti, Zr, Nb, Mo, Ta, or W). And x and y are positive numbers). Specifically, Li 3 BO 3 , LiBO 2 , Li 2 CO 3 , LiAlO 2 , Li 4 SiO 4 , Li 2 SiO 3 , Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4 , Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 Examples include O 12 , Li 2 Ti 2 O 5 , Li 2 ZrO 3 , LiNbO 3 , Li 2 MoO 4 , LiTaO 3 , Li 2 WO 4 and the like. The lithium ion conductive oxide may be a complex oxide. As the composite oxide covering the positive electrode active material, any combination of the above lithium ion conductive oxides can be employed. For example, Li 4 SiO 4 —Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 —Li 3 PO 4 etc. can be mentioned. Further, when the surface of the positive electrode active material is coated with an ion conductive oxide, the ion conductive oxide only needs to cover at least a part of the positive electrode active material, and covers the entire surface of the positive electrode active material. Also good. In addition, the thickness of the ion conductive oxide covering the positive electrode active material is, for example, preferably from 0.1 nm to 100 nm, and more preferably from 1 nm to 20 nm. The thickness of the ion conductive oxide can be measured using, for example, a transmission electron microscope (TEM).
また、正極層1xは、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知のバインダーや増粘剤を用いて作製することができる。そのようなバインダーとしては、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)、ブタジエンゴム(BR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等を例示することができ、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)等を例示することができる。
Moreover, the
さらに、正極層1xには、導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。正極層1xに含有させることが可能な導電材としては、気相成長炭素繊維、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の炭素材料のほか、硫化物固体電池1の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。
Furthermore, the
正極層1xは、公知の方法によって作製することができる。例えば、上記正極活物質、固体電解質、及び、バインダー等を液体に分散して調整したスラリー状の正極組成物を用いて正極層1xを作製する場合、使用可能な液体としてはヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、正極層1xの厚さは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。また、硫化物固体電池1の性能を高めやすくするために、正極層1xはプレスする過程を経て作製されることが好ましい。本発明において、正極層1xをプレスする際の圧力は500MPa程度とすることができる。
The
また、固体電解質層1yには、公知の硫化物固体電解質を含有させることができる。そのような硫化物固体電解質としては、正極層1xに含有させることが可能な上記硫化物固体電解質等を例示することができる。このほか、固体電解質層1yには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、正極層1xに含有させることが可能な上記バインダー等を例示することができる。ただし、高出力化を図りやすくするために、硫化物固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された硫化物固体電解質を有する固体電解質層1yを形成可能にする等の観点から、固体電解質層1yに含有させるバインダーは5質量%以下とすることが好ましい。
The solid electrolyte layer 1y can contain a known sulfide solid electrolyte. Examples of such a sulfide solid electrolyte include the sulfide solid electrolyte that can be contained in the
固体電解質層1yは、公知の方法によって作製することができる。例えば、液体に上記硫化物固体電解質等を分散して調整したスラリー状の固体電解質組成物を正極層1xや負極層1z等に塗布する過程を経て固体電解質層1yを作製する場合、硫化物固体電解質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。固体電解質層1yにおける固体電解質材料の含有量は、質量%で、例えば60%以上、中でも70%以上、特に80%以上であることが好ましい。固体電解質層1yの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。
The solid electrolyte layer 1y can be produced by a known method. For example, when the solid electrolyte layer 1y is manufactured through a process in which a slurry-like solid electrolyte composition prepared by dispersing the sulfide solid electrolyte or the like in a liquid is applied to the
また、負極層1zに含有させる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては高配向性グラファイト(HOPG)等の黒鉛を例示することができ、黒鉛と共に、他のカーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を用いても良い。他のカーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばNb2O5、Li4Ti5O12、SiO等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、Si、及び、Sn等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともLiを含有する活物質であれば特に限定されず、Li金属であっても良く、Li合金であっても良い。Li合金としては、例えば、Liと、In、Al、Si、及び、Snの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上100μm以下であることが好ましく、10nm以上30μm以下であることがより好ましい。また、負極層1zにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、質量%で、例えば40%以上99%以下とすることが好ましい。Moreover, as a negative electrode active material contained in the
さらに、負極層1zには、固体電解質、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダー、導電性を向上させる導電材、及び、増粘剤が含有されていても良い。負極層1zに含有させることが可能な固体電解質、バインダー、導電材、及び、増粘剤としては、正極層1xに含有させることが可能な上記固体電解質、バインダー、導電材、及び、増粘剤等を例示することができる。
Furthermore, the
負極層1zは、公知の方法によって作製することができる。例えば、液体に上記負極活物質等を分散して調整したスラリー状の負極組成物を用いて負極層1zを作製する場合、負極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、負極層1zの厚さは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。また、硫化物固体電池1の性能を高めやすくするために、負極層1zはプレスする過程を経て作製されることが好ましい。本発明において、負極層1zをプレスする際の圧力は400MPa以上とすることが好ましく、600MPa程度とすることより好ましい。
The
また、正極集電体1pは、固体電池の集電体として使用可能な公知の導電性材料を用いることができる。そのような導電性材料としては、Ni、Cr、Au、Pt、Al、Fe、Ti、Zn、及び、Cからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む導電性材料(ステンレス鋼(SUS)を含む)を例示することができる。
Moreover, the well-known electroconductive material which can be used as the collector of a solid battery can be used for the
また、負極集電体1mは、固体電池の集電体として使用可能な公知の導電性材料を用いることができる。そのような導電性材料としては、Cu、Ni、Fe、Ti、Co、Zn、及び、Cからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む導電性材料(ステンレス鋼(SUS)を含む)を例示することができる。
Moreover, the well-known electroconductive material which can be used as a collector of a solid battery can be used for the
硫化物固体電池1は、公知の外装体に収容された状態で使用することができる。外装体としては、固体電池で使用可能な公知のラミネートフィルム等を用いることができ、そのようなラミネートフィルムとしては、樹脂製のラミネートフィルムや、樹脂製のラミネートフィルムに金属を蒸着させたフィルム等を例示することができる。
The sulfide
また、制御手段2は、電池の充電停止電圧を制御する際に使用可能な公知の機器を適宜用いることができる。硫化物固体電池システム10は、硫化物固体電池1の充電停止電圧が4.3V以下となるように硫化物固体電池1の充電を制御する構成が、本発明に特有の構成であり、このような充電制御を行う際に使用する機器自体は、公知の機器を適宜用いることができる。
Moreover, the control means 2 can use suitably the well-known apparatus which can be used when controlling the charge stop voltage of a battery. In the sulfide solid
2.第2実施形態
図2は、第2実施形態にかかる本発明の硫化物固体電池システム20、及び、硫化物固体電池1の制御方法を説明する図である。図2では、硫化物固体電池1及び制御手段3を簡略化して示している。図2において、硫化物固体電池システム10と同様の構成には、図1で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。2. Second Embodiment FIG. 2 is a diagram for explaining a control method for the sulfide solid
図2に示した硫化物固体電池システム20は、硫化物固体電池1と、該硫化物固体電池1の充電停止電圧及び放電停止電圧を制御可能な制御手段3と、を有している。硫化物固体電池システム20において、制御手段3には、硫化物固体電池1の放電停止電圧が3.4V以上となるように硫化物固体電池1の放電を制御可能であり、且つ、硫化物固体電池1の充電停止電圧が4.4V以下となるように硫化物固体電池1の充電を制御可能な制御プログラムが内蔵されている。そして、硫化物固体電池システム20では、例えば、硫化物固体電池1の電圧が3.4Vになると放電を停止するように、硫化物固体電池1と不図示の機器(硫化物固体電池1から電力を供給されることによって作動する機器)との接続を、制御手段3からの指示に従って遮断することにより、硫化物固体電池1の放電停止電圧が3.4V以上になるように制御される。さらに、硫化物固体電池1の充電時には、硫化物固体電池1の電圧が4.4Vになると充電を停止するように、制御手段3から不図示の充電器へ向けて信号が送られ、硫化物固体電池1の充電停止電圧が4.4V以下になるように制御される。
A sulfide solid
正極活物質にLiNixCoyMnzO2を用いた硫化物固体電池1は、放電停止電圧を3.4V以上とした場合には4.4Vまで充電しても良好なサイクル特性を得ること(繰り返し充放電後に高い容量維持率を得ること及び繰り返し充放電後の内部抵抗増加率の増加を抑制すること)が可能である。したがって、硫化物固体電池システム20によれば、サイクル特性を向上させることができる。また、放電停止電圧が3.4V以上となるように硫化物固体電池1の放電停止電圧を制御し、且つ、充電停止電圧が4.4V以下となるように硫化物固体電池1の充電停止電圧を制御する形態とすることにより、サイクル特性を向上させることが可能な硫化物固体電池の制御方法を提供することができる。Sulfide
本発明に関する上記説明では、充電停止電圧が4.3V以下となるように硫化物固体電池1の充電を制御可能な制御手段2を備えた硫化物固体電池システム10及びその制御方法、並びに、放電停止電圧が3.4V以上となり、且つ、充電停止電圧が4.4V以下となるように硫化物固体電池1の充放電を制御可能な制御手段3を備えた硫化物固体電池システム20及びその制御方法を説明したが、本発明はこれらの形態に限定されない。本発明は、制御手段2や制御手段3に代えて、放電停止電圧が3.4V以上となるように硫化物固体電池1の放電を制御可能な制御手段を備える形態の硫化物固体電池システム、及び、放電停止電圧が3.4V以上となるように硫化物固体電池1の放電を制御する硫化物固体電池の制御方法とすることも可能である。かかる形態であっても、硫化物固体電池1のサイクル特性を向上させることが可能になる。
In the above description regarding the present invention, the sulfide solid
1.硫化物固体電池の作製
[正極活物質コートの作製−1]
転動流動式コーティング装置(株式会社パウレック製)を用いて、大気環境において平均粒径4μmの正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)にLiNbO3をコーティングし、大気環境において焼成を行うことにより、イオン伝導性酸化物で被覆された正極活物質(以下において、この正極活物質を「第1正極活物質」ということがある。)を作製した。1. Preparation of sulfide solid state battery [Preparation of cathode active material coat-1]
LiNbO 3 is coated on a positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) having an average particle size of 4 μm in an atmospheric environment by using a rolling fluid coating apparatus (manufactured by POWREC Co., Ltd.) By firing in an atmospheric environment, a positive electrode active material coated with an ion conductive oxide (hereinafter, this positive electrode active material may be referred to as a “first positive electrode active material”) was produced.
[正極活物質コートの作製−2]
露点が−30℃以下であるドライ環境でLiNbO3のコーティング及び焼成を行ったほかは、上記と同様の方法で、イオン伝導性酸化物で被覆された正極活物質(以下において、この正極活物質を「第2正極活物質」ということがある。)を作製した。[Preparation of positive electrode active material coat-2]
A positive electrode active material coated with an ion-conducting oxide in the same manner as described above except that LiNbO 3 was coated and baked in a dry environment having a dew point of −30 ° C. or less (hereinafter, this positive electrode active material) Is sometimes referred to as a “second positive electrode active material”.
[正極層の作製]
5質量%のブタジエンゴム系バインダー溶液を含むヘプタン溶液と、正極活物質(第1正極活物質又は第2正極活物質)、平均粒径2.5μmの硫化物固体電解質(LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)、及び、導電助剤(気相成長炭素繊維)と、をポリプロピレン製容器に入れた。そして、これを超音波分散装置(株式会社エスエムテー製、UH−50。以下において同じ。)で30秒間に亘って撹拌した後、振とう器(柴田科学株式会社製、TTM−1。以下において同じ。)で3分間に亘って振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間に亘って撹拌した。このようにして、撹拌−振とう−撹拌を行った組成物を、アプリケーターを使用してブレード法にて、正極集電体(カーボン塗工Al箔(昭和電工株式会社製、SDX。「SDX」は昭和電工パッケージング株式会社の登録商標。))上に塗工した。その後、組成物が塗工された正極集電体を100℃のホットプレート上で30分間に亘って乾燥させることにより、正極層を作製した。[Preparation of positive electrode layer]
A heptane solution containing 5% by mass of a butadiene rubber-based binder solution, a positive electrode active material (first positive electrode active material or second positive electrode active material), a sulfide solid electrolyte (Li 2 S containing LiI) having an average particle size of 2.5 μm -P 2 S 5 -based glass ceramic), and conductive auxiliary agent (vapor-grown carbon fiber), was placed in a polypropylene container. And after stirring this for 30 second with an ultrasonic dispersion device (the SMT Co., Ltd. make, UH-50. The following is the same.), A shaker (the Shibata Kagaku Co., Ltd., TTM-1) is the same in the following. )) For 3 minutes, and further stirred for 30 seconds with an ultrasonic dispersion device. Thus, the composition which performed stirring-shaking-stirring was used for the positive electrode collector (carbon coating Al foil (Showa Denko Co., Ltd. product, SDX. "SDX") by the blade method using an applicator. Is a registered trademark of Showa Denko Packaging Co., Ltd.))). Thereafter, the positive electrode current collector coated with the composition was dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes to prepare a positive electrode layer.
[負極層の作製]
5質量%のブタジエンゴム系バインダー溶液を含むヘプタン溶液と、負極活物質(平均粒径10μmの天然黒鉛系カーボン(三菱化学株式会社製))、及び、平均粒径2.5μmの硫化物固体電解質(LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)と、をポリプロピレン製容器に入れた。そして、これを超音波分散装置で30秒間に亘って撹拌した後、振とう器で30分間に亘って振とうさせた。このようにして、撹拌及び振とうを行った組成物を、アプリケーターを使用してブレード法にて、負極集電体(Cu箔)上に塗工した。その後、組成物が塗工された負極集電体を100℃のホットプレート上で30分間に亘って乾燥させることにより、負極層を作製した。[Preparation of negative electrode layer]
A heptane solution containing 5% by mass of a butadiene rubber-based binder solution, a negative electrode active material (natural graphite carbon having an average particle size of 10 μm (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)), and a sulfide solid electrolyte having an average particle size of 2.5 μm (Li 2 S—P 2 S 5 glass ceramic containing LiI) was put in a polypropylene container. And after stirring this for 30 seconds with an ultrasonic dispersion device, it was made to shake for 30 minutes with a shaker. Thus, the composition which performed stirring and shaking was applied on the negative electrode electrical power collector (Cu foil) with the blade method using the applicator. Thereafter, the negative electrode current collector coated with the composition was dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes to prepare a negative electrode layer.
[固体電解質層の作製]
5質量%のブタジエンゴム系バインダー溶液を含むヘプタン溶液と、平均粒径2.5μmの硫化物固体電解質(LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)と、をポリプロピレン製容器に入れた。そして、これを超音波分散装置で30秒間に亘って撹拌した後、振とう器で30分間に亘って振とうさせた。このようにして、撹拌及び振とうを行った組成物を、アプリケーターを使用してブレード法にて、Al箔上に塗工した。その後、組成物が塗工されたAl箔を100℃のホットプレート上で30分間に亘って乾燥し、乾燥した塗工物をAl箔から剥離することにより、固体電解質層を得た。[Production of solid electrolyte layer]
A heptane solution containing 5% by weight of a butadiene rubber-based binder solution and a sulfide solid electrolyte (Li 2 S—P 2 S 5 glass ceramic containing LiI) having an average particle diameter of 2.5 μm are placed in a polypropylene container. It was. And after stirring this for 30 seconds with an ultrasonic dispersion device, it was made to shake for 30 minutes with a shaker. Thus, the composition which performed stirring and shaking was applied on Al foil by the blade method using the applicator. Thereafter, the Al foil coated with the composition was dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes, and the dried coated product was peeled off from the Al foil to obtain a solid electrolyte layer.
[硫化物固体電池の作製]
上記の方法で作製した固体電解質層を1cm2の金型に入れて1tf/cm2(≒98MPa)でプレスした後、その片側に、第1正極活物質を含有する正極層又は第2正極活物質を含有する正極層と固体電解質層とが接触するように、正極集電体の表面に形成した正極層を配置し、1tf/cm2(≒98MPa)でプレスした。その後、反対側(正極層が配置されていない側)に、負極層と固体電解質層とが接触するように、負極集電体の表面に形成した負極層を配置して、4tf/cm2(≒392MPa)でプレスすることにより、硫化物固体電池を作製した。[Production of sulfide solid state battery]
After pressing at 1TF /
2.充放電サイクル特性試験
<実施例1>
第1正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用した。(1)0.5時間率(2Cレート)で4.1Vまで定電流充電をした後、(2)10分間に亘って休止し、その後、(3)0.5時間率(2Cレート)で2.5Vまで定電流放電をした後、(4)10分間に亘って休止する、という(1)〜(4)の工程を、60℃環境で1000サイクルに亘って繰り返した。なお、1000サイクルまでの途中で、後述する容量確認及び抵抗測定を数回実施した。
1000サイクル実施後の硫化物固体電池に対し、3時間率(1/3Cレート)で4.55Vまで定電流−定電圧充電をした後、10分間に亘って休止した。その後、3時間率(1/3Cレート)で3.0Vまで定電流放電を行った時の放電容量を求めた。そして、同様にして求めた、1サイクル実施後の放電容量と比較し、その比(=1000サイクル後の放電容量/1サイクル後の放電容量×100)を容量維持率[%]とした。
また、1000サイクル実施後の硫化物固体電池に対し、終止電流1/100Cレート相当で3.6Vまで定電流−定電圧充電をした後、10分間に亘って休止した。その後、0.33時間率(3Cレート)で定電流放電を5秒間に亘って実施し、このときの電圧降下分及び電流値から電池の内部抵抗(R=ΔV/ΔI)を求めた。そして、同様にして求めた、1サイクル実施後の電池の内部抵抗と比較し、その比(=1000サイクル後の内部抵抗/1サイクル後の内部抵抗×100)を内部抵抗増加率[%]とした。
実施例1における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図3、図4、図7、及び、図8に示す。図3及び図7の縦軸は容量維持率[%]であり、横軸は充電上限電圧[V]である。また、図4及び図8の縦軸は内部抵抗増加率[%]であり、横軸は充電上限電圧[V]である。図3及び図7は紙面上側ほど性能が良く、図4及び図8は紙面下側ほど性能が良い。2. Charge / Discharge Cycle Characteristic Test <Example 1>
A sulfide solid state battery produced using a positive electrode layer containing the first positive electrode active material was used. (1) After constant current charging to 4.1V at 0.5 hour rate (2C rate), (2) pause for 10 minutes, then (3) at 0.5 hour rate (2C rate) The process of (1) to (4) of (4) resting for 10 minutes after discharging at a constant current to 2.5 V was repeated over 1000 cycles in a 60 ° C. environment. In addition, the capacity | capacitance confirmation and resistance measurement which were mentioned later were implemented several times in the middle to 1000 cycles.
The sulfide solid state battery after 1000 cycles was charged at a constant current-constant voltage to 4.55 V at a 3 hour rate (1 / 3C rate) and then rested for 10 minutes. Then, the discharge capacity when performing constant current discharge to 3.0 V at a 3-hour rate (1 / 3C rate) was determined. Then, the ratio (= discharge capacity after 1000 cycles / discharge capacity after 1 cycle × 100), which was obtained in the same manner, was defined as the capacity retention rate [%].
The sulfide solid state battery after 1000 cycles was charged with a constant current-constant voltage up to 3.6 V corresponding to a final current of 1/100 C, and then suspended for 10 minutes. Thereafter, constant current discharge was carried out at a rate of 0.33 hours (3C rate) for 5 seconds, and the internal resistance (R = ΔV / ΔI) of the battery was determined from the voltage drop and current value at this time. Then, compared with the internal resistance of the battery after one cycle, obtained in the same manner, the ratio (= the internal resistance after 1000 cycles / the internal resistance after one cycle × 100) is expressed as an internal resistance increase rate [%]. did.
Table 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 7, FIG. 7, and FIG. 8 show the conditions of the charge / discharge cycle, the results of the capacity retention rate, and the results of the internal resistance increase rate in Example 1. 3 and 7, the vertical axis represents the capacity maintenance rate [%], and the horizontal axis represents the charging upper limit voltage [V]. Moreover, the vertical axis | shaft of FIG.4 and FIG.8 is internal resistance increase rate [%], and a horizontal axis is charge upper limit voltage [V]. 3 and 7 show better performance on the upper side of the paper, and FIGS. 4 and 8 show better performance on the lower side of the paper.
<実施例2>
第1正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.3Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。実施例2における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図3、図4、図7、及び、図8に示す。<Example 2>
Charging / discharging was performed over 1000 cycles under the same conditions as in Example 1 except that a sulfide solid state battery prepared using a positive electrode layer containing the first positive electrode active material was used and the charge stop voltage was set to 4.3 V. Carried out. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 7, FIG. 7, and FIG. 8 show the conditions of the charge / discharge cycle, the results of the capacity retention rate, and the results of the internal resistance increase rate in Example 2.
<実施例3>
第2正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとし放電停止電圧を3.4Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。実施例3における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図5、及び、図6に示す。図5の縦軸は容量維持率[%]であり、横軸は放電下限電圧[V]である。また、図6の縦軸は内部抵抗増加率[%]であり、横軸は放電下限電圧[V]である。図5は紙面上側ほど性能が良く、図6は紙面下側ほど性能が良い。<Example 3>
The same conditions as in Example 1 were used except that a sulfide solid state battery produced using a positive electrode layer containing the second positive electrode active material was used, the charge stop voltage was set to 4.4 V, and the discharge stop voltage was set to 3.4 V. The charging / discharging was performed over 1000 cycles. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 5, and FIG. 6 show the conditions of the charge / discharge cycle, the result of the capacity retention rate, and the result of the internal resistance increase rate in Example 3. The vertical axis in FIG. 5 is the capacity retention rate [%], and the horizontal axis is the discharge lower limit voltage [V]. Moreover, the vertical axis | shaft of FIG. 6 is internal resistance increase rate [%], and a horizontal axis is discharge minimum voltage [V]. FIG. 5 shows better performance on the upper side of the paper, and FIG. 6 shows better performance on the lower side of the paper.
<実施例4>
第2正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとし放電停止電圧を3.5Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。実施例4における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図5、及び、図6に示す。<Example 4>
The same conditions as in Example 1 were used except that a sulfide solid state battery produced using a positive electrode layer containing the second positive electrode active material was used, the charge stop voltage was set to 4.4 V, and the discharge stop voltage was set to 3.5 V. The charging / discharging was performed over 1000 cycles. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 5, and FIG. 6 show the charge / discharge cycle conditions, the capacity retention rate result, and the internal resistance increase rate result in Example 4.
<実施例5>
第2正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとし放電停止電圧を3.6Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。実施例5における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図5、及び、図6に示す。<Example 5>
The same conditions as in Example 1 were used except that a sulfide solid state battery produced using a positive electrode layer containing the second positive electrode active material was used, the charge stop voltage was 4.4 V, and the discharge stop voltage was 3.6 V. The charging / discharging was performed over 1000 cycles. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 5, and FIG. 6 show the charge / discharge cycle conditions, capacity retention rate results, and internal resistance increase rate results in Example 5.
<実施例6>
第1正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとし放電停止電圧を3.4Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。実施例6における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図7、及び、図8に示す。<Example 6>
The same conditions as in Example 1 were used except that a sulfide solid state battery produced using a positive electrode layer containing the first positive electrode active material was used, the charge stop voltage was set to 4.4 V, and the discharge stop voltage was set to 3.4 V. The charging / discharging was performed over 1000 cycles. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 7 and FIG. 8 show the conditions of the charge / discharge cycle, the result of the capacity retention rate, and the result of the internal resistance increase rate in Example 6.
<比較例1>
第1正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。比較例1における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図3、図4、図7、及び、図8に示す。<Comparative Example 1>
Charging / discharging was performed over 1000 cycles under the same conditions as in Example 1 except that a sulfide solid state battery prepared using a positive electrode layer containing the first positive electrode active material was used and the charge stop voltage was set to 4.4 V. Carried out. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 7, FIG. 7 and FIG. 8 show the charge / discharge cycle conditions, capacity retention rate results, and internal resistance increase rate results in Comparative Example 1.
<比較例2>
第1正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.55Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。比較例2における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図3、図4、図7、及び、図8に示す。<Comparative Example 2>
Charging / discharging was performed over 1000 cycles under the same conditions as in Example 1 except that a sulfide solid state battery prepared using a positive electrode layer containing the first positive electrode active material was used and the charge stop voltage was 4.55 V. Carried out. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 7, FIG. 7 and FIG. 8 show the charge / discharge cycle conditions, capacity retention rate results, and internal resistance increase rate results in Comparative Example 2.
<比較例3>
第2正極活物質を含有する正極層を用いて作製した硫化物固体電池を使用し、充電停止電圧を4.4Vとし放電停止電圧を3.0Vとしたほかは実施例1と同様の条件で、充放電を1000サイクルに亘って実施した。そして、実施例1と同様の条件で容量維持率及び内部抵抗増加率を求めた。比較例3における充放電サイクルの条件、容量維持率の結果、及び、内部抵抗増加率の結果を、表1、図5、及び、図6に示す。<Comparative Example 3>
The same conditions as in Example 1 were used except that a sulfide solid state battery prepared using a positive electrode layer containing the second positive electrode active material was used, the charge stop voltage was set to 4.4 V, and the discharge stop voltage was set to 3.0 V. The charging / discharging was performed over 1000 cycles. And the capacity | capacitance maintenance factor and the internal resistance increase rate were calculated | required on the same conditions as Example 1. FIG. Table 1, FIG. 5, and FIG. 6 show the charge / discharge cycle conditions, the capacity retention rate result, and the internal resistance increase rate result in Comparative Example 3.
3.結果
表1、図3、及び、図4に示したように、実施例1、実施例2、比較例1、及び、比較例2の結果から、硫化物固体電池の充電上限電圧を4.3V以下とすることにより、容量維持率が増加し内部抵抗増加率が低下した。すなわち、硫化物固体電池の充電上限電圧を4.3V以下とすることにより、充放電サイクル後の性能維持率を高めることができた。実施例1及び実施例2の条件では、正極活物質の膨張収縮変化量が小さく、正極活物質と硫化物固体電解質との接触を維持しやすかったため、性能維持率が高くなったと考えられる。なお、電解液が用いられる電池(液系電池)とは異なり、固体電池では膨張収縮により活物質と電解質とが接触し難くなると、電池性能が低下する。液系電池では、電解液が活物質の間に染み込むため、活物質の膨張収縮による性能低下は固体電池よりも小さい。3. Results As shown in Table 1, FIG. 3, and FIG. 4, from the results of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the charging upper limit voltage of the sulfide solid state battery is 4.3V. By making it below, the capacity retention rate increased and the internal resistance increase rate decreased. That is, by setting the upper limit voltage of the sulfide solid state battery to 4.3 V or less, the performance maintenance ratio after the charge / discharge cycle could be increased. Under the conditions of Example 1 and Example 2, the amount of expansion / contraction change of the positive electrode active material was small, and it was easy to maintain the contact between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte. Note that, unlike a battery (liquid battery) in which an electrolytic solution is used, in a solid battery, when the active material and the electrolyte are difficult to contact due to expansion and contraction, the battery performance deteriorates. In the liquid battery, since the electrolytic solution penetrates between the active materials, the performance degradation due to the expansion and contraction of the active material is smaller than that of the solid battery.
また、表1、図5、及び、図6に示したように、実施例3、実施例4、実施例5、及び、比較例3の結果から、硫化物固体電池の放電下限電圧を3.4V以上とすることにより、容量維持率が増加し内部抵抗増加率が低下した。すなわち、硫化物固体電池の放電下限電圧を3.4V以上とすることにより、充放電サイクル後の性能維持率を高めることができた。放電下限電圧を3.4Vよりも低くすると、正極活物質の膨張収縮変化量が大きくなるため、正極活物質と硫化物固体電解質との接触を維持し難くなり、その結果、性能維持率が低くなったと考えられる。なお、第1正極活物質を用いた硫化物固体電池と第2正極活物質を用いた硫化物固体電池とでは、前者の方が良好な性質を示した。 Further, as shown in Table 1, FIG. 5, and FIG. 6, from the results of Example 3, Example 4, Example 5, and Comparative Example 3, the discharge lower limit voltage of the sulfide solid state battery is set to 3. By setting it to 4 V or more, the capacity retention rate increased and the internal resistance increase rate decreased. That is, by setting the lower limit discharge voltage of the sulfide solid state battery to 3.4 V or higher, the performance maintenance ratio after the charge / discharge cycle could be increased. When the discharge lower limit voltage is lower than 3.4 V, the amount of change in the expansion and contraction of the positive electrode active material becomes large, and it becomes difficult to maintain the contact between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte. As a result, the performance maintenance ratio is low. It is thought that it became. In the sulfide solid state battery using the first positive electrode active material and the sulfide solid state battery using the second positive electrode active material, the former showed better properties.
また、表1、図7、及び、図8に示したように、特に、充電上限電圧を4.4Vとし放電下限電圧を3.4Vとした実施例6、及び、充電上限電圧を4.4Vとし放電下限電圧を2.5Vとした比較例1の結果から、硫化物固体電池の放電下限電圧を3.4V以上とすることで、4.4Vまで充電しても、充放電サイクル後の性能維持率を高めることが可能になることが確認された。硫化物固体電池の放電下限電圧を3.4V以上にすると、4.4Vまで充電しても充放電サイクル後の性能維持率を高めることが可能になるのは、放電下限電圧を3.4Vとすることで正極活物質の膨張収縮変化量が小さくなり、膨張収縮変化量が小さくなった分だけ充電時の膨張収縮による劣化を抑制できるようになるためと考えられる。 Further, as shown in Table 1, FIG. 7 and FIG. 8, in particular, Example 6 in which the charging upper limit voltage was 4.4V and the discharging lower limit voltage was 3.4V, and the charging upper limit voltage was 4.4V. From the result of Comparative Example 1 in which the discharge lower limit voltage was 2.5 V, the discharge lower limit voltage of the sulfide solid state battery was set to 3.4 V or higher, so that the performance after the charge / discharge cycle was charged even to 4.4 V. It was confirmed that the maintenance rate could be increased. When the discharge lower limit voltage of the sulfide solid state battery is set to 3.4 V or higher, the performance maintenance ratio after the charge / discharge cycle can be increased even when charged to 4.4 V. The discharge lower limit voltage is 3.4 V. This is considered to be because the amount of change in expansion / contraction of the positive electrode active material is reduced, and deterioration due to expansion / contraction during charging can be suppressed by the amount of change in the expansion / contraction change.
1…硫化物固体電池
1m…負極集電体
1p…正極集電体
1x…正極層
1y…固体電解質層
1z…負極層
2、3…制御手段
10、20…硫化物固体電池システムDESCRIPTION OF
Claims (6)
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、前記制御手段によって前記固体電池の充電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システム。A solid battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a control means capable of controlling a charge stop voltage of the solid battery,
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
When the solid battery is charged, the charge stop voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the charge is stopped at 4.3 V or less with reference to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. Solid battery system.
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、前記制御手段によって前記固体電池の放電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システム。A solid battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a control means capable of controlling a discharge stop voltage of the solid battery;
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
The discharge stop voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the discharge is stopped at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions during the discharge of the solid battery. Solid battery system.
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、前記制御手段によって前記固体電池の放電停止電圧が制御され、且つ、
前記固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.4V以下で充電が停止されるように、前記制御手段によって前記固体電池の充電停止電圧が制御される、硫化物固体電池システム。A solid battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and a control means capable of controlling the charge stop voltage and the discharge stop voltage of the solid battery. ,
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
The discharge voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the discharge is stopped at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions during the discharge of the solid battery, and
When the solid battery is charged, the charge stop voltage of the solid battery is controlled by the control means so that the charge is stopped at 4.4 V or less with reference to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions. Solid battery system.
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.3V以下で充電が停止されるように、前記固体電池の充電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法。A method for controlling a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
Control of a sulfide solid state battery that controls a charge stop voltage of the solid state battery so that the charge is stopped at 4.3 V or less with respect to a potential at which graphite absorbs and releases lithium ions when the solid state battery is charged. Method.
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、前記固体電池の放電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法。A method for controlling a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
Control of the sulfide solid state battery that controls the discharge stop voltage of the solid state battery so that the discharge is stopped at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions during the discharge of the solid state battery. Method.
前記正極層にLiNixCoyMnzO2(x+y+z=1且つ0.32<x、y、z<0.34)が用いられ、且つ、少なくとも前記固体電解質層に硫化物固体電解質が用いられ、
前記固体電池の放電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして3.4V以上で放電が停止されるように、前記固体電池の放電停止電圧を制御し、且つ、
前記固体電池の充電時に、黒鉛がリチウムイオンを吸蔵放出する電位を基準にして4.4V以下で充電が停止されるように、前記固体電池の充電停止電圧を制御する、硫化物固体電池の制御方法。A method for controlling a solid state battery having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1 and 0.32 <x, y, z <0.34) is used for the positive electrode layer, and a sulfide solid electrolyte is used for at least the solid electrolyte layer. ,
Controlling the discharge stop voltage of the solid battery so that the discharge is stopped at 3.4 V or higher with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions during the discharge of the solid battery; and
Control of the sulfide solid state battery that controls the charge stop voltage of the solid state battery so that the charge is stopped at 4.4 V or less with respect to the potential at which graphite absorbs and releases lithium ions when the solid state battery is charged. Method.
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WO2012017544A1 (en) * | 2010-08-05 | 2012-02-09 | トヨタ自動車株式会社 | Sulfide solid electrolyte glass, lithium solid-state battery, and method for producing sulfide solid electrolyte glass |
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