JPWO2018181812A1 - 固体電解質及び全固体二次電池 - Google Patents

Abstract

この固体電解質は、可動イオン含有物質を構成する元素の一部が置換され、前記可動イオン含有物質の価電子帯と伝導帯の間に電子に占有された占有不純物準位または電子に占有されていない非占有不純物準位を有し、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が０．３ｅＶより大きい。

Description

本発明は、固体電解質及び全固体二次電池に関する。
本願は、２０１７年３月３０日に、日本に出願された特願２０１７−０６８９１３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

電池の電解質として、難燃性のポリマー電解質やイオン液体を用いることが検討されている。しかし、どちらの電解質も有機物を含むことから、これを用いた電池における液漏れおよび発火の不安は拭い切れない。

一方、電解質としてセラミックスを用いる全固体二次電池は、本質的に不燃であり、安全性が高く、液漏れや液の枯渇等についての不安も払しょくできる。このため全固体二次電池は、近年注目されている。

全固体二次電池の固体電解質として、種々の材料が報告されている。例えば、特許文献１には固体電解質としてＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３を用いることができることが記載されている。一方で、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３は６０℃以下の温度でイオン伝導率の低い結晶構造が変化し、イオン伝導性が低下するという問題がある。

また特許文献２及び３には、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をＣａ等の典型元素で置換することが記載されている。一部の元素を置換することで、結晶の安定相が変化し、室温でもイオン伝導性の高い菱面体晶が維持される。

特開２０１６−５１５３９号公報 特開２０１５−６５０２２号公報 特開２０１５−７６３２４号公報

しかしながら、価数変化できない元素に置換した場合は、固体電解質中のＬｉ量が変動した際に、電子的な絶縁性を保てなくなる。その結果、自己放電が生じ、全固体二次電池の放電容量が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり電子的な絶縁性が維持された固体電解質を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討を重ねた。
その結果、リン酸ジルコニウム系の固体電解質の一部を価数変化ができる元素で置換することで、充放電時の電荷補償にジルコニウムや酸素が構成する準位が利用されることを抑制でき、電子的な絶縁性を維持できることを見出した。すなわち、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる固体電解質は、可動イオン含有物質を構成する元素の一部が置換され、前記可動イオン含有物質の価電子帯と伝導帯の間に電子に占有された占有不純物準位または電子に占有されていない非占有不純物準位を有し、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位と最低非占有準位（ＬＵＭＯ）とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位と最高占有準位（ＨＯＭＯ）とのエネルギー差の小さい方が０．３ｅＶより大きい。

（２）上記態様にかかる固体電解質において、前記占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、前記非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が、０．７ｅＶ以上であってもよい。

（３）上記態様にかかる固体電解質において、前記可動イオン含有物質がリン酸ジルコニウム系の固体電解質であり、前記固体電解質のジルコニウムの一部がＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つで置換されている、又は、前記固体電解質のリンの一部がＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つで置換されていてもよい。

（４）上記態様にかかる固体電解質において、一般式Ｌｉ_ｘＭ１_ｙＺｒ_２−ｙＭ２_ｚＰ_３−ｚＯ_１２で表記され、前記Ｍ１は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記Ｍ２は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記Ｍ１におけるＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷのそれぞれの含有量を順にｙ_Ｍｎ、ｙ_Ｎｉ、ｙ_Ｔｅ及びｙ_Ｗとし、前記Ｍ２におけるＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅのそれぞれの含有量を順にｚ_Ｃｒ、ｚ_Ｍｎ、ｚ_Ｆｅ、ｚ_Ｗ、ｚ_Ｓｅ、ｚ_Ｓｂ及びｚ_Ｔｅとした際に、１＋２ｙ_Ｎｉ−２ｙ_Ｗ−２ｙ_Ｔｅ−ｚ_Ｃｒ＋２ｚ_Ｍｎ−２ｚ_Ｆｅ−ｚ_Ｗ−ｚ_Ｓｅ−ｚ_Ｔｅ≦ｘ≦１＋２ｙ_Ｍｎ＋３ｙ_Ｎｉ＋ｙ_Ｗ＋２ｙ_Ｔｅ＋ｚ_Ｃｒ＋３ｚ_Ｍｎ＋３ｚ_Ｆｅ＋５ｚ_Ｗ＋２ｚ_Ｓｅ＋ｚ_Ｓｂ＋ｚ_Ｔｅ、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１．５を満たしてもよい（ただしｙ＝ｚ＝０を除く）。

（５）第２の態様にかかる全固体二次電池は、上記態様にかかる固体電解質を有する。

（６）上記態様にかかる全固体二次電池は、一対の電極層と、この一対の電極層の間に設けられた前記固体電解質を有する固体電解質層とが、相対密度８０％以上であっても良い。

上記態様にかかる固体電解質は、電子的な絶縁性が維持されている。

第１実施形態にかかる全固体二次電池の断面模式図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できる元素であるマンガンに置換した本実施形態にかかる固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できる元素であるマンガンに置換した本実施形態にかかる固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できる元素であるマンガンに置換した本実施形態にかかる固体電解質の特性を示した図である。 固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できる元素であるマンガンに置換した本実施形態にかかる固体電解質の特性を示した図である。 価数変化できない元素で置換した固体電解質のバンド構造の模式図である。 価数変化できる元素で置換した固体電解質３のバンド構造の模式図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をニッケルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｎｉ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をニッケルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｎｉ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をニッケルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｎｉ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をニッケルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｎｉ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をバナジウムに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｖ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をバナジウムに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｖ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をバナジウムに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｖ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をバナジウムに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｖ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をタンタルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｔａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をタンタルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｔａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をタンタルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｔａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をタンタルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｔａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）３の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をタングステンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｗ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をタングステンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｗ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をタングステンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｗ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をタングステンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｗ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をマンガンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ２Ｍｎ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をマンガンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ２Ｍｎ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をマンガンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ２Ｍｎ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をマンガンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ２Ｍｎ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。 Ｌｉ数ごとの電子の状態密度分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。したがって、図面に記載の各構成要素の寸法比率などは、実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［全固体二次電池］
全固体二次電池は、少なくとも一つの第１電極層１と、少なくとも一つの第２電極層２と、第１電極層１と第２電極層２とに挟まれた固体電解質（可動イオン含有物質）３とを有する。第１電極層１、固体電解質３及び第２電極層２が順に積層されて積層体４を構成する。第１電極層１は、それぞれ一端側に配設された端子電極５に接続され、第２電極層２は、それぞれ他端側に配設された端子電極６に接続されている。

第１電極層１と、第２電極層２は、いずれか一方が正極層として機能し、他方が負極層として機能する。電極層の正負は、以下、理解を容易にするために、第１電極層１を正極層１とし、第２電極層２を負極層２とする。

図１に示すように、正極層１と負極層２は、固体電解質３を介して交互に積層されている。正極層１と負極層２の間で固体電解質３を介したリチウムイオンの授受により、全固体二次電池１０の充放電が行われる。

「固体電解質」
固体電解質３は、正極層１と負極層２との間でイオンの伝導を担う。固体電解質３は電子的な絶縁体であり、電子の伝導は原則担わない。イオンの伝導により発生又は欠損した電子は、端子電極５を介して外部から供給される。固体電解質３の電子的な絶縁性が低いと、発生又は欠損した電子が固体電解質３内を伝導する。固体電解質３内で電子が自己放電すると、外部に出力される電子が少なくなり、全固体二次電池１０の放電容量が低下する。

本実施形態にかかる固体電解質３は、構成する元素の一部が置換され、価電子帯と伝導帯の間に電子に占有された占有不純物準位または電子に占有されていない非占有不純物準位を有し、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が０．３ｅＶより大きい。かかる構成によれば、充放電時に固体電解質３中のＬｉ量が変動しても電子的な絶縁性を維持することができる。これは固体電解質３が容量を発現していることを意味しており、全固体二次電池の容量を増大させることができる。

本実施形態にかかる固体電解質３は、構成する元素の一部が置換され、価電子帯と伝導帯の間に電子に占有された占有不純物準位または電子に占有されていない非占有不純物準位を有し、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が０．７ｅＶより大きくてもよい。かかる構成によれば、充放電時に固体電解質３中のＬｉ量が変動した時に電子的な絶縁性をより維持しやすくなる。

固体電解質３は、上記の要件を満たすものであれば、特に問わない。例えば、リン酸ジルコニウム系固体電解質、ぺロブスカイト型固体電解質、ＮＡＳＩＣＯＮ型固体電解質、ガーネット型固体電解質、硫化物系固体電解質のいずれでもよい。また、可動イオンの種類も問わず、アルカリ金属、アルカリ土類金属、その他多価イオンのいずれでもよい。

これらの固体電解質の中で所定の要件を満たすものの一例としては、リン酸ジルコニウム系の固体電解質が挙げられる。リン酸ジルコニウム系の固体電解質とは、リン、ジルコニウム、酸素が基本骨格の主となる部分を構成する固体電解質を意味する。代表的な例がＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３であり、その一部を置換したものも含む。

固体電解質３は、固体電解質を構成するリン又はジルコニウムの一部がその他の元素によって置換されている。

本実施形態にかかる固体電解質３において、リン又はジルコニウムの一部と置換している元素は価数変化できる元素である。価数変化できる元素によりリン又はジルコニウムの一部が置換されると、充放電時の電荷補償に基本骨格を構成するジルコニウムや酸素が構成する準位が用いられることを抑制できるため、電子的な絶縁性を維持することができる。以下、具体的な例を基に説明する。

図２Ａ〜図２Ｄは、固体電解質を構成するジルコニウムの一部を、価数変化しにくい価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質の特性を示した図である。具体的には、一般式Ｌｉ_{１＋０．５ｘ}Ｃａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３で表記される固体電解質の特性を示す。

図２Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図２Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図２Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びカルシウムの価数変化を示す図であり、図２Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。Ｚｒ１、Ｚｒ２、Ｚｒ３は、結晶構造上のジルコニウムが存在するサイトを意味する。

図２Ｂに示すようにカルシウムで置換した場合は、組成式あたりのＬｉ数が２．０から僅かにずれただけで、固体電解質の最高占有軌道（ＨＯＭＯ）−最低非占有軌道（ＬＵＭＯ）ギャップが急激に小さくなる。ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが小さくなるということは、固体電解質が電子的な絶縁性を維持できなくなっていることを意味する。

ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが急激に小さくなるのは、固体電解質の基本骨格を構成するジルコニウムや酸素の電子が充放電時の電荷補償に利用されるためである。基本骨格を構成するジルコニウムや酸素の電子が電荷補償に利用されると、固体電解質内にキャリアが供給され、固体電解質は電子的な絶縁性を維持できなくなる。

固体電解質の基本骨格を構成するジルコニウムや酸素の電子が充放電時の電荷補償に利用されていることは、図２Ｃ及び図２Ｄから確認できる。図２ＣではＺｒ１の価数が、固体電解質中に含まれるＬｉ数が２．０を超えた辺りで急激に変化している。また図２Ｄでは酸素の価数が、固体電解質中に含まれるＬｉ数が２．０を下回った辺りから変化している。すなわち、ジルコニウムや酸素の電子が充放電時の電荷補償に利用されていると言える。このことにより、電子的な絶縁性が低下してしまう。

全固体二次電池における固体電解質は、正極及び負極間の可動イオンの授受に寄与するものである。そして電子は、端子電極及び外部端子を介して正極及び負極間を移動する。固体電解質の電子的な絶縁性が維持できなくなると、端子電極及び外部端子を介して正極及び負極間を移動すべき電子が、固体電解質を通して移動してしまうため、外部回路との電子のやり取りを遮断しても、全固体二次電池は充電状態を維持できなくなる。

固体電解質を構成するジルコニウムの一部を価数変化できない元素であるカルシウムに置換した固体電解質は、組成式あたりのＬｉ数が２．０近傍でしか電子的な絶縁性を維持できない。

これに対して図３Ａ〜図３Ｄは、本実施形態にかかる固体電解質３の特性を示した図である。固体電解質３は、ジルコニウムの一部が、価数変化ができるマンガンで置換されている。ここで示す固体電解質３は、一般式Ｌｉ_{１＋０．５ｘ}Ｍｎ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３で表記される。

図３Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図３Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質３のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図３Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質３を構成するジルコニウム及びマンガンの価数変化を示す図であり、図３Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質３を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図３Ｂに示すようにマンガンで置換した場合は、組成式あたりのＬｉ数が０．７付近から２．４付近までの広い範囲において、固体電解質３が０．５ｅＶ以上のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを保っており、電子的な絶縁性を維持している。これは価数変化できる置換元素が充放電時の電荷補償に寄与し、固体電解質３の基本骨格を構成するジルコニウムや酸素の電子が充放電時の電荷補償に利用されることを抑制するためである。

図３Ｃにおいて、組成式あたりのＬｉ数が０．７付近から２．４付近までの範囲内では、マンガンの価数は大きく変化しているが、Ｚｒ１〜Ｚｒ３の価数は大きく変動していない。また図３Ｄにおいて、組成式あたりのＬｉ数が０．７付近から２．４付近までの範囲内では、酸素の価数も大きく変動していない。すなわち、価数変化するマンガンが電荷補償を担い、固体電解質３内にキャリアが供給されなくなるため、固体電解質３は電子的な絶縁性を維持することができる。

この結果、本実施形態にかかる固体電解質３を用いた全固体二次電池は、組成式あたりのＬｉ数が大きく変化しても、適切に動作する。

上述の内容は、固体電解質のバンド構造の観点からは、以下のように説明することができる。図４は価数変化できない元素を置換した固体電解質のバンド構造の模式図である。図４に示すように、価数変化できない元素で置換した固体電解質は価電子帯Ｖと伝導帯Ｃを有する。価電子帯Ｖには固体電解質の基本骨格を構成する酸素を含む電子軌道の準位が含まれ、伝導帯Ｃには固体電解質の基本骨格を構成するジルコニウムを含む電子軌道の準位が含まれる。

図４に示す固体電解質は、特定のＬｉ数（図２Ａ〜図２Ｄにおいては組成式あたりのＬｉ数が２．０）とした際に、フェルミレベルに対応する準位Ｌ０が、ＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位の間に存在する。この状態では、価電子帯Ｖと伝導帯Ｃの間にバンドギャップが存在し、固体電解質は電子的な絶縁性を維持する。

この状態から固体電解質にＬｉがさらに加わると、ＬＵＭＯ準位が電子を受け取り、フェルミレベルに対応する準位が、Ｌ０の位置からＬ１の位置まで移動する。一方で、固体電解質からＬｉが抜けると、ＨＯＭＯ準位が酸化される。すなわち、ＨＯＭＯ準位にホールが入り、フェルミレベルの位置が符号Ｌ０の位置から符号Ｌ２まで移動する。いずれの場合においても、バンド構造は金属的になる。その結果、固体電解質の電子的な絶縁性が急激に低下し（図２Ｂ）、使用できるＬｉ数の範囲が狭くなる（図２Ａ）。

これに対し、図５は価数変化できる元素で置換した、本実施形態に係る固体電解質３のバンド構造の模式図である。図５示すように、価数変化できる元素を置換した固体電解質は、価電子帯Ｖと伝導帯Ｃとの間のバンドギャップ内に、電子によって占有されていない非占有不純物準位３ａと電子によって占有された占有不純物準位３ｂの少なくとも一方を有する。

さらに、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が、０．３ｅＶより大きければよく、０．７ｅＶ以上であれば好ましい。

図５に示すように、フェルミレベルに対応する準位が符号Ｌ０の位置に存在する状態において、固体電解質にＬｉが入ると、非占有不純物準位３ａがまず還元され、非占有不純物準位３ａに電子が入る（フェルミレベルの位置が符号Ｌ０から符号Ｌ１’に移る）。一方で、符号Ｌ０の位置にフェルミレベルが存在する状態において、固体電解質から電子が抜けると、まず占有不純物準位が酸化され、占有不純物準位３ｂにホールが入る（フェルミレベルの位置が符号Ｌ０から符号Ｌ２’に移る）。

占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位３ａ（還元された結果、占有不純物準位になった）とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が十分大きいため、一旦非占有不純物準位３ａに入った電子が、伝導帯Ｃに遷移するのを防ぐことができる。また、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位３ｂ（酸化された結果、非占有不純物準位になった）とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差が十分大きいため、一旦占有不純物準位３ｂに入ったホールが、価電子帯Ｖに遷移するのを防ぐことができる。

そのため、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位３ａ（還元された結果、占有不純物準位になった）とＬＵＭＯ準位との間、又は、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位３ｂ（酸化された結果、非占有不純物準位になった）とＨＯＭＯ準位との間にはエネルギーギャップが保たれる。その結果、固体電解質３は電子的な絶縁性を保つことができ（図３Ｂ）、使用できるＬｉ数の範囲が広がる（図３Ａ）。

このように本実施形態に係る固体電解質３は、リン又はジルコニウムの一部が価数変化できる元素により置換されることで、基本骨格を構成するジルコニウムや酸素が有する電子が充放電時の電荷補償に用いられることを抑制し、電子的な絶縁性を保ちながらＬｉを脱挿入することができるため、容量を発現することができる。

固体電解質３のリン又はジルコニウムの一部を置換する価数変化できる元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｍｏ、Ｔｅ、Ｗ、Ｓｅからなる群から選択される少なくとも一つを用いることができる。これらの元素で置換すると、いずれも価数変化可能であるため、充放電時の電化補償をサポートできる。

価数変化できる元素がジルコニウムの一部を置換する場合、価数変化できる元素はＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。価数変化できる元素がリンの一部を置換する場合、価数変化できる元素は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。

固体電解質３のジルコニウム又はリンの一部がこれらの元素で置換されると、非占有不純物準位３ａ及び占有不純物準位３ｂが何れも価電子帯Ｖと伝導帯Ｃのバンドギャップ間にそれぞれ形成される。

上述のように、放電時は非占有不純物準位３ａが電荷補償に利用され、充電時は占有不純物準位３ｂが電荷補償に利用される。固体電解質３が非占有不純物準位３ａと占有不純物準位３ｂとをバランスよく有することで、充放電のいずれにおいても固体電解質３が電子的な絶縁性を維持できる。

また固体電解質３は、具体的には次の一般式（１）で表記される化合物でもよい。
Ｌｉ_ｘＭ１_ｙＺｒ_２−ｙＭ２_ｚＰ_３−ｚＯ_１２・・・（１）
Ｍ１は、ジルコニウムの一部を置換する材料であり、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。Ｍ２は、リンの一部を置換する材料であり、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。

Ｍ１におけるＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ｗのそれぞれの含有量を、順にｙ_Ｍｎ、ｙ_Ｎｉ、ｙ_Ｔｅ、ｙ_Ｗとし、Ｍ２におけるＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅのそれぞれの含有量を、順にｚ_Ｃｒ、ｚ_Ｍｎ、ｚ_Ｆｅ、ｚ_Ｗ、ｚ_Ｓｅ、ｚ_Ｓｂ、ｚ_Ｔｅとする。この場合に、各含有量は、次の関係式（２）〜（４）を満たす。
１＋２ｙ_Ｎｉ−２ｙ_Ｗ−２ｙ_Ｔｅ−ｚ_Ｃｒ＋２ｚ_Ｍｎ−２ｚ_Ｆｅ−ｚ_Ｗ−ｚ_Ｓｅ−ｚ_Ｔｅ≦ｘ≦１＋２ｙ_Ｍｎ＋３ｙ_Ｎｉ＋ｙ_Ｗ＋２ｙ_Ｔｅ＋ｚ_Ｃｒ＋３ｚ_Ｍｎ＋３ｚ_Ｆｅ＋５ｚ_Ｗ＋２ｚ_Ｓｅ＋ｚ_Ｓｂ＋ｚ_Ｔｅ・・・（２）
０≦ｙ＜１・・・（３）
０≦ｚ＜１．５・・・（４）
（ただしｙ＝ｚ＝０を除く）

＜正極層および負極層＞
図１に示すように、正極層１は、正極集電体層１Ａと、正極活物質を含む正極活物質層１Ｂとを有する。負極層２は、負極集電体層２Ａと、負極活物質を含む負極活物質層２Ｂとを有する。

正極集電体層１Ａ及び負極集電体層２Ａは、電子伝導率が高いことが好ましい。そのため、正極集電体層１Ａ及び負極集電体層２Ａには、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケル等を用いることが好ましい。これらの物質の中でも、銅は正極活物質、負極活物質及び固体電解質と反応しにくい。そのため、正極集電体層１Ａ及び負極集電体層２Ａに銅を用いると、全固体二次電池１０の内部抵抗を低減できる。なお、正極集電体層１Ａと負極集電体層２Ａを構成する物質は、同一でもよいし、異なってもよい。

正極活物質層１Ｂは、正極集電体層１Ａの片面又は両面に形成される。例えば、正極層１と負極層２のうち、積層体４の積層方向の最上層に正極層１が形成されている場合、最上層に位置する正極層１の上には対向する負極層２が無い。そのため、最上層に位置する正極層１において正極活物質層１Ｂは、積層方向下側の片面のみにあればよい。

負極活物質層２Ｂも正極活物質層１Ｂと同様に、負極集電体層２Ａの片面又は両面に形成される。また、正極層１と負極層２のうち、積層体４の積層方向の最下層に負極層２が形成されている場合、最下層に位置する負極層２において負極活物質層２Ｂは、積層方向上側の片面のみにあればよい。

正極活物質層１Ｂ及び負極活物質層２Ｂは、それぞれ、電子を授受する正極活物質及び負極活物質を含む。この他、導電助剤や結着剤等を含んでもよい。正極活物質及び負極活物質は、可動イオンを効率的に挿入、脱離できることが好ましい。

正極活物質及び負極活物質には、例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いることが好ましい。具体的には、リチウムマンガン複合酸化物Ｌｉ_２Ｍｎ_ａＭａ_１−ａＯ_３（０．８≦ａ≦１、Ｍａ＝Ｃｏ、Ｎｉ）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、一般式：ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ_２Ｏ_５）、オリビン型ＬｉＭｂＰＯ_４（ただし、Ｍｂは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒより選ばれる１種類以上の元素）、リン酸バナジウムリチウム（Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３又はＬｉＶＯＰＯ_４）、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３−ＬｉＭｃＯ_２（Ｍｃ＝Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）で表されるＬｉ過剰系固溶体、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、Ｌｉ_ｓＮｉ_ｔＣｏ_ｕＡｌ_ｖＯ_２（０．９＜ｓ＜１．３、０．９＜ｔ＋ｕ＋ｖ＜１．１）で表される複合金属酸化物等を用いることができる。

正極活物質層１Ｂ又は負極活物質層２Ｂを構成する活物質には明確な区別がない。２種類の化合物の電位を比較して、より貴な電位を示す化合物を正極活物質として用い、より卑な電位を示す化合物を負極活物質として用いることができる。

正極集電体層１Ａ及び負極集電体層２Ａは、それぞれ正極活物質及び負極活物質を含んでもよい。それぞれの集電体層に含まれる活物質の含有比は、集電体として機能する限り特に限定はされない。例えば、正極集電体／正極活物質、又は負極集電体／負極活物質が体積比率で９０／１０から７０／３０の範囲であることが好ましい。

正極集電体層１Ａ及び負極集電体層２Ａがそれぞれ正極活物質及び負極活物質を含むことにより、正極集電体層１Ａと正極活物質層１Ｂ及び負極集電体層２Ａと負極活物質層２Ｂとの密着性が向上する。

（端子電極）
端子電極５，６は、図１に示すように、積層体４の側面（正極層１および負極層２の端面の露出面）に接して形成されている。端子電極５，６は外部端子に接続されて、積層体４への電子の授受を担う。

端子電極５，６には、電子伝導率が大きい材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズ、ニッケル、ガリウム、インジウム、およびこれらの合金などを用いることができる。

「全固体二次電池の製造方法」
（固体電解質の製造方法）
固体電解質３は、固相反応法等を用いて作製できる。具体的には、基本骨格を構成するリン、ジルコニウムを含む化合物と、置換する元素を含む化合物を、混合、焼成することで、固体電解質３を作製できる。置換する元素の置換量、置換サイト等は、混合時のモル比を調整することで制御できる。

固体電解質３の組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ）または高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ）を用いて確認できる。

（積層体の形成）
積層体４を形成する方法としては、同時焼成法を用いてもよいし、逐次焼成法を用いてもよい。

同時焼成法は、各層を形成する材料を積層した後、一括焼成により積層体を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を順に作製する方法であり、各層を形成する毎に焼成工程を行う方法である。同時焼成法を用いた方が、逐次焼成法を用いる場合と比較して、少ない作業工程で積層体４を形成できる。また、同時焼成法を用いた方が、逐次焼成法を用いる場合と比較して、得られる積層体４が緻密になる。以下、同時焼成法を用いて積層体４を製造する場合を例に挙げて説明する。

同時焼成法は、積層体４を構成する各材料のペーストを作成する工程と、基材にペーストを塗布乾燥してグリーンシートを作製する工程と、グリーンシートを積層して積層シートとし、これを同時焼成する工程とを有する。
まず、積層体４を構成する正極集電体層１Ａ、正極活物質層１Ｂ、固体電解質３、負極活物質層２Ｂ、及び負極集電体層２Ａの各材料をペースト化する。

各材料をペースト化する方法は、特に限定されない。例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストが得られる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒、バインダーが含まれる。
かかる方法により、正極集電体層１Ａ用のペースト、正極活物質層１Ｂ用のペースト、固体電解質３用のペースト、負極活物質層２Ｂ用のペースト、及び負極集電体層２Ａ用のペーストを作製する。

次いで、グリーンシートを作成する。グリーンシートは、作製したペーストをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルムなどの基材上に塗布し、必要に応じ乾燥させた後、基材を剥離して得られる。ペーストの塗布方法は、特に限定されない。例えば、スクリーン印刷、塗布、転写、ドクターブレード等の公知の方法を採用できる。

次に、作製したそれぞれのグリーンシートを、所望の順序、積層数で積み重ね、積層シートとする。グリーンシートを積層する際には、必要に応じアライメント、切断等を行う。例えば、並列型又は直並列型の電池を作製する場合には、正極集電体層の端面と負極集電体層の端面が一致しないようにアライメントを行い、グリーンシートを積み重ねることが好ましい。

積層シートは、以下に説明する正極活物質層ユニット及び負極活物質層ユニットを作製し、これを積層する方法を用いて作製してもよい。
まず、ＰＥＴフィルムなどの基材上に、固体電解質３用ペーストをドクターブレード法により塗布し、乾燥してシート状の固体電解質３を形成する。次に、固体電解質３上に、スクリーン印刷により正極活物質層１Ｂ用ペーストを印刷して乾燥し、正極活物質層１Ｂを形成する。次いで、正極活物質層１Ｂ上に、スクリーン印刷により正極集電体層１Ａ用ペーストを印刷して乾燥し、正極集電体層１Ａを形成する。さらに、正極集電体層１Ａ上に、スクリーン印刷により正極活物質層１Ｂ用ペーストを印刷して乾燥し、正極活物質層１Ｂを形成する。

その後、ＰＥＴフィルムを剥離することで正極活物質層ユニットが得られる。正極活物質層ユニットは、固体電解質３／正極活物質層１Ｂ／正極集電体層１Ａ／正極活物質層１Ｂがこの順で積層された積層シートである。
同様の手順にて負極活物質層ユニットを作製する。負極活物質層ユニットは、固体電解質３／負極活物質層２Ｂ／負極集電体層２Ａ／負極活物質層２Ｂがこの順に積層された積層シートである。

次に、一枚の正極活物質層ユニットと一枚の負極活物質層ユニット一枚とを積層する。この際、正極活物質層ユニットの固体電解質３と負極活物質層ユニットの負極活物質層２Ｂ、もしくは正極活物質層ユニットの正極活物質層１Ｂと負極活物質層ユニットの固体電解質３とが接するように積層する。これによって、正極活物質層１Ｂ／正極集電体層１Ａ／正極活物質層１Ｂ／固体電解質３／負極活物質層２Ｂ／負極集電体層２Ａ／負極活物質層２Ｂ／固体電解質３がこの順で積層された積層シートが得られる。

正極活物質層ユニットと負極活物質層ユニットとを積層する際には、正極活物質層ユニットの正極集電体層１Ａが一端面にのみ延出し、負極活物質層ユニットの負極集電体層２Ａが他の面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねる。その後、ユニットを積み重ねた積層体の固体電解質３が表面に存在しない側の面に、所定厚みの固体電解質３用シートをさらに積み重ね、積層シートとする。

次に、作製した積層シートを一括して圧着する。圧着は、加熱しながら行うことが好ましい。圧着時の加熱温度は、例えば、４０〜９５℃とする。
圧着した積層シートを、例えば、窒素、水素および水蒸気雰囲気下で５００℃〜７５０℃に加熱し脱バインダーを行う。その後、一括して同時焼成し、焼結体からなる積層体４とする。積層シートの焼成は、例えば、窒素、水素および水蒸気雰囲気下で６００℃〜１０００℃に加熱することにより行う。焼成時間は、例えば、０．１〜３時間とする。

前記焼結体から成る積層体４において、活物質および固体電解質の相対密度が８０%以上であってもよい。相対密度が高い方が結晶内の可動イオンの拡散パスがつながりやすくなり、イオン伝導性が向上する。

前記焼結体から成る積層体４において、電極層と固体電解質層の間に、元素の相互拡散によって形成される中間層を含んでいても良い。中間層を含むことにより、異物質間の界面抵抗を低減させることができる。

前記焼結体から成る積層体４において、電極層に、金属イオン濃度または酸素イオン濃度の異なるコア領域とシェル領域を有するコアシェル構造を有していても良い。コアシェル構造を有することにより、電子伝導性を向上させることができる。

得られた焼結体（積層体４）は、アルミナなどの研磨材とともに円筒型の容器に入れて、バレル研磨してもよい。これにより積層体４の角の面取りをすることができる。そのほかの方法として、積層体４をサンドブラストにて研磨しても良い。この方法では特定の部分のみを削ることができるため好ましい。

上記の手順で作製された積層体４の端部に、端子電極５，６を形成することで、全固体二次電池を作製できる。端子電極５，６はスパッタリング等の手段で作製できる。

上述のように、本実施形態にかかる全固体二次電池は、容量が大きい。容量が高くなるのは、固体電解質３が電子的な絶縁性を維持しながらＬｉを脱挿入できるためである。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

「充放電時の固体電解質の特性変化」
図２Ａ〜図２Ｄ及び図３Ａ〜図３Ｄに示すように、組成式当たりのＬｉ数を変化させた際の固体電解質の特性を、固体電解質の電位、固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップ及び固体電解質を構成する元素の価数変化を測定することで確認した。この測定結果は、全固体二次電池を充放電した際の固体電解質の特性変化に対応する。これらの電子状態は、実験的手法によれば、組成を変えながらＵＶ−Ｖｉｓスペクトルまたは紫外線光電子分光法（ＵＰＳ）と逆光電子分光（ＩＰＥＳ）によって系統的に調べることにより測定できる。シミュレーションによれば、Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＶＡＳＰ）、ｗｉｅｎ２ｋ、ＰＨＡＳＥ、ＣＡＳＴＥＰ等を用いた第一原理シミュレーションにより測定できる。今回は、Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＶＡＳＰ）を用いた第一原理シミュレーションによって測定した。

（実施例１−１）
実施例１−１では、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をニッケルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｎｉ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した。その結果が、図６Ａ〜図６Ｄである。図６Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図６Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図６Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びニッケルの価数変化を示す図であり、図６Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図６Ｂに示すように、ジルコニウムの一部をニッケルに置換した場合も、Ｌｉ数が１．６付近から２．８付近の範囲で、固体電解質は電子的な絶縁性を維持した。このことは、図６Ｃ及び図６Ｄに示すジルコニウム及び酸素の価数が、Ｌｉ数の変動に対して大きく変化しないことからも確認できる。また図６Ａに示すように、実施例１−１の固体電解質は４Ｖ程度の電位窓を有し、電位窓が大幅に狭くなることもなかった。

（実施例１−２）
実施例１−２では、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をバナジウムに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｖ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した。その結果が、図７Ａ〜図７Ｄである。図７Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図７Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図７Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びバナジウムの価数変化を示す図であり、図７Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図７Ｂに示すように、ジルコニウムの一部をバナジウムに置換した場合も、Ｌｉ数が０．２付近から２．３付近の広い範囲で、固体電解質は電子的な絶縁性を維持した。このことは、図７Ｃ及び図７Ｄに示すジルコニウム及び酸素の価数が、Ｌｉ数の変動に対して大きく変化しないことからも確認できる。また図７Ａに示すように、実施例１−２の固体電解質は４．５Ｖ程度の電位窓を有し、電位窓が大幅に狭くなることもなかった。

（実施例１−３）
実施例１−３では、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をタンタルに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｔａ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３の特性変化を測定した。その結果が、図８Ａ〜図８Ｄである。図８Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図８Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図８Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びタンタルの価数変化を示す図であり、図８Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図８Ｂに示すように、ジルコニウムの一部をタンタルに置換した場合も、Ｌｉ数が０．１付近から１．７付近の範囲で、固体電解質は電子的な絶縁性を維持した。このことは、図８Ｃ及び図８Ｄに示すジルコニウム及び酸素の価数が、Ｌｉ数の変動に対して大きく変化しないことからも確認できる。また図８Ａに示すように、実施例１−３の固体電解質は４Ｖ程度の電位窓を有し、電位窓が大幅に狭くなることもなかった。

（実施例１−４）
実施例１−４では、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をタングステンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｗ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した。その結果が、図９Ａ〜図９Ｄである。図９Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図９Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図９Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びタングステンの価数変化を示す図であり、図９Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図９Ｂに示すように、リンの一部をタングステンに置換した場合も、Ｌｉ数が０．２付近から３．８付近の範囲で、固体電解質は電子的な絶縁性を維持した。このことは、図９Ｃ及び図９Ｄに示すジルコニウム及び酸素の価数が、Ｌｉ数の変動に対して大きく変化しないことからも確認できる。また図９Ａに示すように、実施例１−４の固体電解質は５Ｖ程度の電位窓を有し、電位窓が狭くなることもなかった。

（実施例１−５）
実施例１−５では、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリンの一部をマンガンに置換したＬｉ_{１＋０．５ｘ}Ｚｒ_２Ｍｎ_０．５Ｐ_２．５Ｏ_１２の特性変化を測定した。その結果が、図１０Ａ〜図１０Ｄである。図１０Ａは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を示す図であり、図１０Ｂは組成式あたりのＬｉ数に対する固体電解質のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きさを示す図であり、図１０Ｃは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成するジルコニウム及びマンガンの価数変化を示す図であり、図１０Ｄは組成式あたりのＬｉ数が変化した際の固体電解質を構成する酸素の価数変化を示す図である。

図１０Ｂに示すように、リンの一部をマンガンに置換した場合も、Ｌｉ数が０付近から２．３付近の範囲で、固体電解質は電子的な絶縁性を維持した。このことは、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すジルコニウム及び酸素の価数が、Ｌｉ数の変動に対して大きく変化しないことからも確認できる。また図１０Ａに示すように、実施例１−５の固体電解質は４Ｖ程度の電位窓を有し、電位窓が大幅に狭くなることもなかった。

上述のように、ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のリン又はジルコニウムの一部を価数が変化することができる元素で置換すると、図２Ａ〜図２Ｄに示す価数変化できない元素で置換した場合と異なり、いずれの場合も固体電解質はＬｉ数が大きく変動しても広い範囲で電子的な絶縁性を維持することができた。

ＬｉＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のジルコニウムの一部をＭｎで置換し、ＬｉＭｎ_０．５Ｚｒ_１．５（ＰＯ_４）_３とした場合において、組成式あたりのＬｉ数が変化した際の電位の変化を図１１Ａに示す。また、Ｌｉ数を、０．５、１．０、１．５、２．０、２．５としたときの電子の状態密度（ＤＯＳ）の分布を、それぞれ図１１Ｂ〜図１１Ｆに示す。

Ｌｉ数が０．５のとき（図１１Ｂ）には、バンドギャップに占有不純物準位が存在せず、酸素による電荷補償が発生するため、電子的な絶縁性が失われている。

Ｌｉ数が１．０のとき（図１１Ｃ）には、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差は、１．０８ｅＶとなっており、十分なエネルギー差があるため、ＨＯＭＯ準位から非占有不純物準位への遷移を抑えることができ、その結果として、Ｌｉ数が１．０の場合において絶縁状態を維持することができる。

Ｌｉ数が１．５、２．０のとき（図１１Ｄ〜図１１Ｅ）には、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差は、それぞれ１．５２ｅＶ、３．４７ｅＶとなっている。いずれも十分なエネルギー差があるため、占有不純物準位からＬＵＭＯ準位への遷移を抑えることができる。電子的な絶縁性を維持したまま、Ｌｉ数が１．０〜２．０の範囲で変動できるため、固体電解質が容量を発現していることが分かる。

Ｌｉ数が２．５ｅＶのとき（図１１Ｆ）には、バンドギャップに非占有不純物準位が存在するが、ＬＵＭＯ準位とのエネルギー差が０．２２ｅＶしかなく、浅すぎるため、多少の熱エネルギーが加わった程度でＬＵＭＯ準位に遷移してしまい、その結果として絶縁状態を維持することができない。

「固体電解質のバンド構造」
上述のように実施例１−１〜実施例１−５に示す固体電解質は、いずれも組成式あたりのＬｉ数が変化しても広い範囲で電子的な絶縁性を維持できる。一方で、それぞれの物質ごとで固体電解質が電子的な絶縁性を維持できるＬｉの範囲が異なっている。この違いを検討するために、Ｖｉｅｎｎａ Ａｂ ｉｎｉｔｉｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＶＡＳＰ）を用いて、元素置換した時に、置換元素の何倍分の非占有不純物準位及び占有不純物準位が、バンドギャップ間に形成されるかを測定した。その結果を表１に示す。

同時に、置換により固体電解質の基本骨格を形成する酸素が、置換される元素の何倍分、酸化されるかも測定した。固体電解質の基本骨格を形成する酸素が構成する準位されると、固体電解質中の電子数が多くなり、組成式あたりのＬｉ数が少ない場合は電子伝導性に対する絶縁性を失ってしまう。

上記表１の結果において、実施例１−１は実施例２−２、実施例１−４は実施例２−８、実施例１−５は実施例２−１に対応している。

「固体電解質の実測」
上述の結果はシミュレーションの結果であるため、実際に固体電解質を作製し、固体電解質の電子伝導率を実測した。また実際に全固体二次電池を作製し、その容量を測定した。その結果を表２に示す。

実施例３−１〜３−１３、比較例３−１〜３−１１にかかる固体電解質は、Ｌｉ_ｘＭ１_ｙＺｒ_２−ｙＭ２_ｚＰ_３−ｚＯ_１２で表記される。Ｍ１は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ｗからなる群から選択される少なくとも一つである。Ｍ２は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅからなる群から選択される少なくとも一つである。表２におけるｙＭｎ、ｙＮｉ、ｙＴｅ、ｙＷ、ｚＣｒ、ｚＭｎ、ｚＦｅ、ｚＷ、ｚＳｅ、ｚＳｂ、ｚＴｅは、それぞれ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅの含有量を示している。

電子伝導率は、固体電解質の焼結体を作製して求めた。この焼結体に電圧を１Ｖ印加した際に流れる電流値を測定し、この測定の結果を用いて算出した。

全固体二次電池を実際に作製し、充放電試験を行った。測定条件は、充電及び放電時の電流をいずれも２．０μＡとし、充電時及び放電時のカットオフ電圧をそれぞれ４．０Ｖ及び０Ｖとし、放電容量を記録した。全固体二次電池は、固体電解質３／正極活物質層１Ｂ／正極集電体層１Ａ／正極活物質層１Ｂ／固体電解質３／負極活物質層２Ｂ／負極集電体層２Ａ／負極活物質層２Ｂ／固体電解質３をこの順で積層し、同時焼成法により作製した。正極集電体層及び負極集電体層はＣｕとし、正極活物質層及び負極活物質層はどちらもＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３とした。

いずれの元素で置換した場合であっても、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差ΔＥ_１と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差ΔＥ_２のうち、小さい方が０．３ｅＶ以上であれば、電子伝導率が低く抑えられ、また大きい容量が得られていることが分かる。

上記の結果から、全固体二次電池を構成する固体電解質が電子的な絶縁性を維持できるため、全固体二次電池の自己放電が抑制された結果、放電容量が向上していると考えられる。この結果は、シミュレーションの結果とよく対応している。

リン酸ジルコニウム系およびリチウム含有酸化物以外でも本発明の効果があることを確認するために、Ｌｉ_０．３５Ｌａ_０．５５ＴｉＯ_３、ＮａＺｒ_２Ｐ_３Ｏ_１２、Ｍｇ_０．５Ｚｒ_２Ｐ_３Ｏ_１２、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２およびそれらを元素置換した固体電解質を作製し、固体電解質の電子伝導率を測定した。また、これらの固体電解質を用いて全固体二次電池を作製、その容量を測定した。その結果を表３に示す。固体電解質としてＮａＺｒ_２Ｐ_３Ｏ_１２を用いた場合は活物質としてＮａＶ_２（ＰＯ_４）_３を用い、固体電解質としてＭｇ_０．５Ｚｒ_２Ｐ_３Ｏ_１２を用いた場合は活物質としてＭｇ_１．５Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を用いた。固体電解質Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２は原料粉末と置換元素を含む原料粉末を遊星型ボールミルを用いたメカニカルミリング法で合成し、不活性雰囲気下でアニールした。固体電解質としてＬｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２を用いた場合は正極粉末、固体電解質粉末、負極粉末を順に加圧成形することにより、全固体二次電池を作製した。

固体電解質の材料系や可動イオンの種類によらず、占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差ΔＥ_１と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差ΔＥ_２のうち、小さい方が０．３ｅＶ以上であれば、電子伝導率が低く抑えられ、また大きい容量が得られていることが分かる。

上記の結果から、全固体二次電池を構成する固体電解質が電子的な絶縁性を維持できるため、全固体二次電池の自己放電が抑制された結果、放電容量が向上していると考えられる。

本発明によれば、電子的な絶縁性が維持できる固体電解質を提供することができる。

１…正極層、１Ａ…正極集電体層、１Ｂ…正極活物質層、２…負極層、２Ａ…負極集電体層、２Ｂ…負極活物質層、３…固体電解質、３ａ…非占有不純物準位、３ｂ…占有不純物準位、４…積層体、５、６…端子電極、１０…全固体二次電池

Claims (6)

1. 可動イオン含有物質を構成する元素の一部が置換され、前記可動イオン含有物質の価電子帯と伝導帯の間に電子に占有された占有不純物準位または電子に占有されていない非占有不純物準位を有し、
   占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が０．３ｅＶより大きい、固体電解質。
2. 前記占有不純物準位の中でエネルギーが最高の準位とＬＵＭＯ準位とのエネルギー差と、前記非占有不純物準位の中でエネルギーが最低の準位とＨＯＭＯ準位とのエネルギー差の小さい方が、０．７ｅＶ以上である、請求項１に記載の固体電解質。
3. 前記可動イオン含有物質がリン酸ジルコニウム系の固体電解質であり、
   前記固体電解質のジルコニウムの一部がＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つで置換されている、又は、前記固体電解質のリンの一部がＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つで置換されている、請求項１又は２のいずれかに記載の固体電解質。
4. 一般式Ｌｉ_ｘＭ１_ｙＺｒ_２−ｙＭ２_ｚＰ_３−ｚＯ_１２で表記され、
   前記Ｍ１は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷからなる群から選択される少なくとも一つであり、
   前記Ｍ２は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅからなる群から選択される少なくとも一つであり、
   前記Ｍ１におけるＭｎ、Ｎｉ、Ｔｅ及びＷのそれぞれの含有量を順にｙ_Ｍｎ、ｙ_Ｎｉ、ｙ_Ｔｅ及びｙ_Ｗとし、
   前記Ｍ２におけるＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｅ、Ｓｂ及びＴｅのそれぞれの含有量を順にｚ_Ｃｒ、ｚ_Ｍｎ、ｚ_Ｆｅ、ｚ_Ｗ、ｚ_Ｓｅ、ｚ_Ｓｂ及びｚ_Ｔｅとした際に、１＋２ｙ_Ｎｉ−２ｙ_Ｗ−２ｙ_Ｔｅ−ｚ_Ｃｒ＋２ｚ_Ｍｎ−２ｚ_Ｆｅ−ｚ_Ｗ−ｚ_Ｓｅ−ｚ_Ｔｅ≦ｘ≦１＋２ｙ_Ｍｎ＋３ｙ_Ｎｉ＋ｙ_Ｗ＋２ｙ_Ｔｅ＋ｚ_Ｃｒ＋３ｚ_Ｍｎ＋３ｚ_Ｆｅ＋５ｚ_Ｗ＋２ｚ_Ｓｅ＋ｚ_Ｓｂ＋ｚ_Ｔｅ、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１．５を満たす（ただしｙ＝ｚ＝０を除く）、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体電解質。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体電解質を有する、全固体二次電池。
6. 一対の電極層と、この一対の電極層の間に設けられた前記固体電解質を有する固体電解質層とが、相対密度８０％以上であることを特徴とする請求項５に記載の全固体二次電池。