JP5487719B2 - Manufacturing method of all-solid lithium secondary battery, and all-solid lithium secondary battery obtained by the manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、全固体リチウム二次電池の製造方法、及び当該製造方法により得られる全固体リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a method for producing an all solid lithium secondary battery, and an all solid lithium secondary battery obtained by the production method.
二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池のことである。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。 The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. A battery that can be stored (charged). Among secondary batteries, lithium secondary batteries are widely used as power sources for notebook personal computers, mobile phones, and the like because of their high energy density.
リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(C6と表現する)を用いた場合、放電時において、負極では(1)式の反応が進行する。
C6Li → C6 + Li+ + e− (1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、(1)式で生じたリチウムイオン(Li+)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C 6 ) is used as the negative electrode active material, the reaction of the formula (1) proceeds at the negative electrode during discharge.
C 6 Li → C 6 + Li + + e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated in the formula (1) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.
また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li0.4CoO2)を用いた場合、放電時において、正極では(2)式の反応が進行する。
Li0.4CoO2 + 0.6Li+ + 0.6e− → LiCoO2 (2)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(1)及び式(2)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(C6Li)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li0.4CoO2)が再生するため、再放電が可能となる。
Further, when lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the formula (2) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 0.4 CoO 2 + 0.6 Li + + 0.6e − → LiCoO 2 (2)
At the time of charging, the reverse reactions of the above formulas (1) and (2) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (C 6 Li) into which lithium has entered by graphite intercalation is present in the positive electrode. Since lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.
一般に、リチウム二次電池の電極においては、リチウムイオンの移動度を高めるために、電解質を混合して用いる。電極に固体電解質を混合して用いた、全固体リチウム二次電池の場合には、電極に液体や電解液を含んだ電解質を混合して用いたリチウム二次電池と比較して、電解質と活物質との界面において、イオン伝導経路の維持が困難であった。すなわち、固体電界質を用いた場合は、固体電解質と電極活物質との接合界面が初期は電気化学的に良好な接触であっても、活物質へのイオンの出入りに伴う膨張収縮などによってイオン伝達経路が寸断され、サイクル性能の維持が難しいという問題があった。 Generally, in an electrode of a lithium secondary battery, an electrolyte is mixed and used in order to increase the mobility of lithium ions. In the case of an all-solid lithium secondary battery in which a solid electrolyte is mixed with an electrode, the electrolyte and the active battery are compared with a lithium secondary battery in which an electrolyte containing a liquid or an electrolyte is mixed. It was difficult to maintain the ion conduction path at the interface with the substance. In other words, when a solid electrolyte is used, even if the bonding interface between the solid electrolyte and the electrode active material is initially in good electrochemical contact, the ions are expanded due to expansion / contraction caused by ions entering and exiting the active material. There is a problem that the transmission path is broken and it is difficult to maintain the cycle performance.
固体電解質を採用した際に伴うこのような課題を解決するための技術が、これまでにも開発されている。特許文献1には、正極と負極との間に無機酸化物からなる固体電解質を介在させて成る積層型固体二次電池において、前記電極のうちの少なくとも一方に充電終止状態に対する放電終止状態の体積変化率が1.5%以内の無機酸化物の焼結体から成る活物質を用いたことを特徴とする積層型固体二次電池の技術が開示されている。 Techniques for solving such problems associated with the use of solid electrolytes have been developed so far. In Patent Document 1, in a stacked solid secondary battery in which a solid electrolyte made of an inorganic oxide is interposed between a positive electrode and a negative electrode, at least one of the electrodes has a volume in a discharge end state with respect to a charge end state. There is disclosed a technique of a stacked solid secondary battery characterized in that an active material made of an inorganic oxide sintered body having a change rate of 1.5% or less is used.
特許文献1に開示された技術は、使用できる活物質が、ある一定の範囲内の体積変化率を有する活物質のみに限定している。したがって、特許文献1に開示された技術を用いたとしても、要求される電池性能に最適な活物質を、必ずしも選択できるとは限らない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、層間の剥離を抑制する全固体リチウム二次電池の製造方法、及び当該製造方法により得られる全固体リチウム二次電池を提供することを目的とする。
The technique disclosed in Patent Document 1 limits the active material that can be used only to an active material having a volume change rate within a certain range. Therefore, even if the technique disclosed in Patent Document 1 is used, it is not always possible to select an optimal active material for the required battery performance.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and provides an all-solid lithium secondary battery manufacturing method that suppresses delamination between layers, and an all-solid lithium secondary battery obtained by the manufacturing method. Objective.
本発明の全固体リチウム二次電池の第1の製造方法は、正極集電体、及び、LiCoO 2 又はLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極活物質層を有する正極体と、負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する負極体と、前記正極体及び前記負極体に挟持されたLi 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 とを有する全固体リチウム二次電池の、焼結工程を伴う製造方法であって、前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を準備する工程、並びに、前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 を支持体とするときはLiCoO 2 を含有する正極体を使用し、前記Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を支持体とするときはLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極体を使用し、面方向に垂直な方向に応力を付与しないで焼結した時よりも、前記支持体と前記正極体の正極活物質層の界面における残留応力が、焼結温度未満の温度領域において緩和し、かつ前記全固体リチウム二次電池を充電する際に、充電深度Xが0<X<100の範囲の1又は2以上の値において、前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力が0%となるように、前記正極活物質層の面方向に垂直な方向に応力を加えながら焼結により前記支持体と一体化させる焼結工程、を含むことを特徴とする。
The first method for manufacturing an all-solid lithium secondary battery of the present invention, containing the positive electrode current collector, and, LiCoO 2 or Li (1 + x) Mn ( 2-x) O 4 a (0 ≦ x <0.1) A positive electrode body having a positive electrode active material layer, a negative electrode current collector, a negative electrode body having a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material, and Li 0.5 sandwiched between the positive electrode body and the negative electrode body A method for producing an all solid lithium secondary battery having La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 with a sintering step, wherein the Li 0. When preparing 5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , and using the Li 0.5 La 0.5 TiO 3 as a support using the positive electrode containing LiCoO 2, wherein the Li 1.5 l 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3 when to the support using a positive electrode containing Li (1 + x) Mn ( 2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1), The residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer of the positive electrode body is relaxed in a temperature region below the sintering temperature, compared to when sintering without applying stress in a direction perpendicular to the surface direction, and When the all-solid lithium secondary battery is charged, the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer is 0 when the charge depth X is 1 or more in the range of 0 <X <100. %, A sintering step of integrating with the support by sintering while applying a stress in a direction perpendicular to the surface direction of the positive electrode active material layer .
このような構成の全固体リチウム二次電池の製造方法は、焼結温度未満の温度領域において、前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力を一定の範囲以下にすることにより、前記支持体と前記正極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。また、このような構成の全固体リチウム二次電池の製造方法は、実際の使用において、最も多く利用されることが予想される充電状態において前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力が0%となるように設計することができ、充電時の活物質へのイオンの出入りに伴う膨張収縮による、前記支持体と前記正極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。
In the method for producing an all solid lithium secondary battery having such a configuration, in the temperature region below the sintering temperature, the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer is set to a certain range or less. Peeling between the support and the positive electrode active material layer can be suppressed. In addition, the method for manufacturing an all-solid lithium secondary battery having such a configuration is a method of remaining at the interface between the support and the positive electrode active material layer in a charged state that is expected to be most frequently used in actual use. The stress can be designed to be 0%, and it is possible to suppress delamination between the support and the positive electrode active material layer due to expansion and contraction caused by ions entering and leaving the active material during charging. .
本発明の全固体リチウム二次電池の第2の製造方法は、電極集電体、及び、LiCoO 2 又はLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極活物質層を当該電極集電体の一方の面に、且つ、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を当該電極集電体の他の一方の面に、それぞれ有する電極体と、2つの前記電極体に挟持されたLi 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 とを有する全固体リチウム二次電池の、焼結工程を伴う製造方法であって、前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を準備する工程、並びに、前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 を支持体とするときはLiCoO 2 を含有する正極活物質層を当該支持体と相対させて使用し、前記Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を支持体とするときはLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極活物質層を当該支持体と相対させて使用し、面方向に垂直な方向に応力を付与しないで焼結した時よりも、前記支持体と前記電極体の正極活物質層の界面における残留応力が、焼結温度未満の温度領域において緩和し、かつ前記全固体リチウム二次電池を充電する際に、充電深度Xが0<X<100の範囲の1又は2以上の値において、前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力が0%となるように、前記正極活物質層の面方向に垂直な方向に応力を加えながら焼結により前記支持体と一体化させる焼結工程、を含むことを特徴とする。
The second method for manufacturing an all-solid lithium secondary battery of the present invention, the electrode current collector, and containing LiCoO 2 or Li (1 + x) Mn ( 2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) An electrode body having a positive electrode active material layer on one surface of the electrode current collector and a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material on the other surface of the electrode current collector, Sintering of an all-solid lithium secondary battery having Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 sandwiched between two electrode bodies a manufacturing method involving the step, the step of preparing said Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3, as well as the Li 0.5 containing LiCoO 2 is when the la 0.5 TiO 3 and the support The active material layer was used by relatively and the support, said Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3 when to support Li (1 + x) Mn ( 2-x) The positive electrode active material layer containing O 4 (0 ≦ x <0.1) is used relative to the support, and the support is more than the case of sintering without applying stress in the direction perpendicular to the plane direction. When the residual stress at the interface between the body and the positive electrode active material layer of the electrode body is relaxed in a temperature region below the sintering temperature and the all-solid lithium secondary battery is charged, the charging depth X is 0 <X < Stress is applied in a direction perpendicular to the surface direction of the positive electrode active material layer so that the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer is 0% at a value of 1 or 2 in the range of 100. include sintering process, it is integrated with the support by sintering while applying And features.
本発明の全固体リチウム二次電池は、上記製造方法により得られることを特徴とする。 The all solid lithium secondary battery of the present invention is obtained by the above production method.
本発明によれば、加熱温度未満の温度領域において、前記支持体と前記電極活物質層との界面における残留応力を一定の範囲以下にすることにより、前記支持体と前記電極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。 According to the present invention, in the temperature region below the heating temperature, the residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer is set to a certain range or less, whereby the support and the electrode active material layer Peeling between layers can be suppressed.
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法は、電極集電体、及び、少なくとも電極活物質を含有する電極活物質層を有する電極体と、2つの前記電極体に挟持されたリチウムイオン伝導性固体電解質とを有する全固体リチウム二次電池の、加熱工程を伴う製造方法であって、前記電極集電体、又は、前記リチウムイオン伝導性固体電解質を準備する工程、並びに、前記電極集電体又は前記リチウムイオン伝導性固体電解質のいずれか一方を支持体とし、面方向の応力を付与しないで加熱した時よりも、前記支持体と前記電極体の電極活物質層の界面における残留応力が、加熱温度未満の温度領域において緩和するように、前記支持体と前記電極活物質層の少なくとも一方に面方向の応力を加えて、前記支持体と前記電極活物質層とを一体化させる加熱工程、を含むことを特徴とする。 The method for producing an all solid lithium secondary battery according to the present invention includes an electrode current collector, an electrode body having an electrode active material layer containing at least an electrode active material, and lithium ion conduction sandwiched between the two electrode bodies. An all-solid lithium secondary battery having a conductive solid electrolyte, which is a manufacturing method involving a heating step, the step of preparing the electrode current collector or the lithium ion conductive solid electrolyte, and the electrode current collector The residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer of the electrode body is higher than that when the substrate or the lithium ion conductive solid electrolyte is used as a support and heating is performed without applying a stress in the plane direction. And applying stress in a surface direction to at least one of the support and the electrode active material layer so as to relax in a temperature region below the heating temperature, thereby integrating the support and the electrode active material layer. Heating step of, characterized in that it comprises a.
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法の一態様としては、正極集電体、及び、少なくとも正極活物質を含有する正極活物質層を有する正極体と、負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する負極体と、前記正極体及び前記負極体に挟持されたリチウムイオン伝導性固体電解質とを有する全固体リチウム二次電池の、加熱工程を伴う製造方法であって、前記正極体若しくは前記負極体のいずれか一方の電極体の電極集電体、又は、前記リチウムイオン伝導性固体電解質を準備する工程を含むという構成をとることができる。
また、本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法の一態様としては、前記電極集電体、及び、少なくとも正極活物質を含有する正極活物質層を当該電極集電体の一方の面に、且つ、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を当該電極集電体の他の一方の面に、それぞれ有する前記電極体と、2つの前記電極体に挟持されたリチウムイオン伝導性固体電解質とを有する全固体リチウム二次電池の、加熱工程を伴う製造方法であるという構成をとることができる。
すなわち、本発明に係る製造方法を実施することによって、正極集電体と負極集電体の2種類からなる電極集電体を有する全固体リチウム二次電池、及び、正極集電体と負極集電体とが一体となった電極集電体を含むバイポーラ電極を有する全固体リチウム二次電池のいずれの電池も製造することができる。
以下、明細書においては、特に断りのない限りにおいて、正極集電体と負極集電体の2種類からなる電極集電体を有する全固体リチウム二次電池の製造方法について主に説明する。
As one aspect of the method for producing an all solid lithium secondary battery of the present invention, a positive electrode current collector, a positive electrode body having a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material, a negative electrode current collector, and at least Method of manufacturing an all-solid lithium secondary battery having a negative electrode body having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the lithium ion conductive solid electrolyte sandwiched between the positive electrode body and the negative electrode body, accompanied by a heating step And the structure of including the process of preparing the electrode collector of the electrode body of either the said positive electrode body or the said negative electrode body, or the said lithium ion conductive solid electrolyte can be taken.
Moreover, as one aspect of the method for producing an all solid lithium secondary battery of the present invention, the electrode current collector and a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material are provided on one surface of the electrode current collector. In addition, the electrode body having a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material on the other surface of the electrode current collector, and a lithium ion conductive solid electrolyte sandwiched between the two electrode bodies The all-solid-state lithium secondary battery having the following structure can be used.
That is, by carrying out the manufacturing method according to the present invention, an all-solid lithium secondary battery having an electrode current collector composed of two types of a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, and a positive electrode current collector and a negative electrode current collector. Any battery of an all-solid-state lithium secondary battery having a bipolar electrode including an electrode current collector integrated with an electric body can be manufactured.
Hereinafter, unless otherwise specified, the specification mainly describes a method for producing an all-solid lithium secondary battery having an electrode current collector composed of two types of a positive electrode current collector and a negative electrode current collector.
本発明でいう「全固体リチウム二次電池」とは、各要素がすべて固体であるリチウム二次電池のことを指す。したがって、例えば、電解質として液体電解質を用いたリチウム二次電池は、本発明には含まれない。
本発明でいう「固体電解質」とは、有機電解質のことを指す。この場合、有機電解質とは、ポリマー電解質のみではなく、ゲル状電解質をも含む。
The “all-solid lithium secondary battery” in the present invention refers to a lithium secondary battery in which each element is all solid. Therefore, for example, a lithium secondary battery using a liquid electrolyte as an electrolyte is not included in the present invention.
In the present invention, the “solid electrolyte” refers to an organic electrolyte. In this case, the organic electrolyte includes not only a polymer electrolyte but also a gel electrolyte.
上述したように、通常、全固体リチウム二次電池内に使用される活物質においては、電池の充放電反応、すなわち、活物質へのリチウムイオンの挿入または離脱反応に伴って、膨張収縮が生じる。一方、同電池内に使用される固体電解質については、リチウムイオンの挿入または離脱反応に伴う体積変化が生じない。したがって、充放電反応時に電極活物質層と固体電解質との界面において応力が集中し、歪みが発生する。このように歪みが生じた状態で充放電を繰り返すと、電極活物質層と固体電解質との界面において割れが生じてリチウムイオンの伝達経路が遮断され、電池全体の性能の低下につながるという問題が生じる。
本発明は、電池完成時における電極活物質層とその他の層との界面における残留応力を、加熱工程において予測して設計することにより、連続使用における層間の剥離を抑制する全固体リチウム二次電池の製造方法を提供することを目的とする。
As described above, normally, in an active material used in an all-solid lithium secondary battery, expansion / contraction occurs due to charge / discharge reaction of the battery, that is, insertion or release reaction of lithium ions into / from the active material. . On the other hand, the solid electrolyte used in the battery does not change in volume due to the insertion or withdrawal reaction of lithium ions. Accordingly, stress is concentrated at the interface between the electrode active material layer and the solid electrolyte during the charge / discharge reaction, and distortion occurs. If charging / discharging is repeated in such a strained state, cracks occur at the interface between the electrode active material layer and the solid electrolyte, the lithium ion transmission path is interrupted, and the overall battery performance is degraded. Arise.
The present invention is an all-solid lithium secondary battery that suppresses delamination during continuous use by predicting and designing the residual stress at the interface between the electrode active material layer and other layers at the time of battery completion in the heating process. It aims at providing the manufacturing method of.
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法は、電極活物質層を形成することができる支持体を予め準備する工程と、電極活物質層と当該支持体とを一体化させる加熱工程を含む。
本発明でいう「支持体」とは、正極集電体、負極集電体、又はリチウムイオン伝導性固体電解質のいずれかを指す。すなわち、正極活物質層を形成することができる支持体としては、正極集電体又はリチウムイオン伝導性固体電解質のいずれかを選択することができ、負極活物質層を形成することができる支持体としては、負極集電体又はリチウムイオン伝導性固体電解質のいずれかを選択することができる。
正極集電体、負極集電体及びリチウムイオン伝導性固体電解質に用いることができる材料等の詳細については後述する。
The method for producing an all solid lithium secondary battery of the present invention includes a step of preparing a support capable of forming an electrode active material layer in advance, and a heating step of integrating the electrode active material layer and the support. .
The “support” in the present invention refers to any of a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a lithium ion conductive solid electrolyte. That is, as a support capable of forming a positive electrode active material layer, either a positive electrode current collector or a lithium ion conductive solid electrolyte can be selected, and a support capable of forming a negative electrode active material layer As for, either a negative electrode electrical power collector or a lithium ion conductive solid electrolyte can be selected.
Details of materials and the like that can be used for the positive electrode current collector, the negative electrode current collector, and the lithium ion conductive solid electrolyte will be described later.
本発明に係る製造方法における加熱工程は、具体的には、電極集電体又はリチウムイオン伝導性固体電解質のいずれか一方を支持体とし、面方向の応力を付与しないで加熱した時よりも、支持体と電極体の電極活物質層の界面における残留応力が、加熱温度未満の温度領域において緩和するように、支持体と電極活物質層の少なくとも一方に面方向の応力を加えて、支持体と電極活物質層とを一体化させる工程のことである。 More specifically, the heating step in the production method according to the present invention has either one of the electrode current collector or the lithium ion conductive solid electrolyte as a support, and is heated without applying a stress in the plane direction. By applying a stress in the plane direction to at least one of the support and the electrode active material layer so that the residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer is relaxed in a temperature region below the heating temperature, Is a step of integrating the electrode active material layer with the electrode active material layer.
特に支持体と電極活物質層とが互いに異なる熱膨張率を有する場合等には、加熱工程時において支持体と電極活物質層とを面方向の応力を付与せずに一体化させたとしても、冷却後においては、支持体と電極活物質層との界面に残留応力が生じる。このように面方向の応力を付与しないで加熱した時の残留応力よりも、支持体と電極活物質層の界面における残留応力が、加熱温度未満の温度領域において緩和するように、支持体と電極活物質層の少なくとも一方に面方向の応力を加えて、支持体と電極活物質層とを一体化させることが、本発明の主な特徴の内の1つである。
なお、本加熱工程においては、必要であれば、支持体及び電極活物質層との界面に略垂直な方向に応力をかけた状態で、支持体と電極活物質層とを一体化させてもよい。
Especially when the support and the electrode active material layer have different coefficients of thermal expansion, even if the support and the electrode active material layer are integrated without applying stress in the surface direction during the heating process, After cooling, a residual stress is generated at the interface between the support and the electrode active material layer. Thus, the support and the electrode are so relaxed that the residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer is relaxed in the temperature region below the heating temperature, rather than the residual stress when heated without applying a stress in the plane direction. One of the main features of the present invention is to apply a stress in a plane direction to at least one of the active material layers to integrate the support and the electrode active material layer.
In this heating step, if necessary, the support and the electrode active material layer may be integrated in a state where stress is applied in a direction substantially perpendicular to the interface between the support and the electrode active material layer. Good.
残留応力の試験方法・測定方法としては、支持体及び電極活物質層との界面周辺の格子定数をXRD(X線回折法)により測定して、本来の格子定数と比較することにより求めることができる。
具体的には、支持体及び電極活物質層との界面周辺の格子定数と、接合前の支持体及び電極活物質層の各格子定数を求めて、接合後の格子定数から接合前の格子定数をそれぞれ除することによって、残留応力を求めることができる。
As a residual stress test method / measurement method, the lattice constant around the interface between the support and the electrode active material layer is measured by XRD (X-ray diffractometry) and compared with the original lattice constant. it can.
Specifically, the lattice constant around the interface between the support and the electrode active material layer and each lattice constant of the support and the electrode active material layer before bonding are obtained, and the lattice constant before bonding is determined from the lattice constant after bonding. The residual stress can be obtained by removing each of the above.
図1は、本発明の全固体リチウム二次電池の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明の全固体リチウム二次電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
全固体リチウム二次電池100は、正極活物質層12及び正極集電体14を含有する正極体16と、負極活物質層13及び負極集電体15を含有する負極体17と、前記正極体16及び前記負極体17に挟持されるリチウムイオン伝導性固体電解質11を有する。
以下、本発明の全固体リチウム二次電池の構成要素である、正極体及び負極体、リチウムイオン伝導性固体電解質並びにその他の構成要素(セパレータ等)について、項を分けて説明する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of an all-solid lithium secondary battery of the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The all solid lithium secondary battery of the present invention is not necessarily limited to this example.
The all solid lithium
Hereinafter, the positive electrode body and the negative electrode body, the lithium ion conductive solid electrolyte, and other components (separator etc.), which are components of the all solid lithium secondary battery of the present invention, will be described separately.
1.正極体及び負極体
本発明に用いられる正極体は、正極集電体、及び、少なくとも正極活物質を含有する正極活物質層を有する。
本発明に用いられる負極体は、負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する。
1. Positive electrode body and negative electrode body The positive electrode body used in the present invention has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material.
The negative electrode body used in the present invention has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material.
本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNiPO4、LiMnPO4、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8、Li3Fe2(PO4)3及びLi3V2(PO4)3等を挙げることができる。これらの中でも、本発明においては、LiCoO2を正極活物質として用いることが好ましい。 Specific examples of the positive electrode active material used in the present invention include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4. , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. Among these, in the present invention, LiCoO 2 is preferably used as the positive electrode active material.
本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とする全固体リチウム二次電池等の用途等により異なるものであるが、10μm〜250μmの範囲内であるのが好ましく、20μm〜200μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に30μm〜150μmの範囲内であることが最も好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the all-solid lithium secondary battery or the like, but is preferably in the range of 10 μm to 250 μm, preferably 20 μm to 200 μm. It is particularly preferably within the range, and most preferably within the range of 30 μm to 150 μm.
正極活物質の平均粒径としては、例えば1μm〜50μmの範囲内、中でも1μm〜20μmの範囲内、特に3μm〜5μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 μm to 50 μm, more preferably in the range of 1 μm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 μm to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Because. The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by measuring and averaging the particle diameter of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).
正極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material included in the positive electrode active material layer used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. For example, carbon black such as acetylene black and ketjen black Etc. Moreover, although content of the electrically conductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1 mass%-10 mass% normally.
本発明において用いられる正極活物質層が有する結着材としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層における結着材の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。 Examples of the binder included in the positive electrode active material layer used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content of the binder is usually in the range of 1% by mass to 10% by mass.
本発明において用いられる正極集電体は、上記の正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウムおよびSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。 The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Of these, aluminum and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.
本発明に用いられる正極体が有する正極用電解質としては、固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、具体的には、固体酸化物電解質、固体硫化物電解質等を用いることができる。
固体酸化物電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、La0.51Li0.34TiO0.74、Li3PO4、Li2SiO2、Li2SiO4、Li0.5La0.5TiO3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等を例示することができる。
固体硫化物電解質としては、具体的には、Li2S−P2S5、Li2S−SiS2、Li3.25P0.25Ge0.76S4等を例示することができる。
本発明に用いられる正極体が有する正極用電解質としては、後述するポリマー電解質、ゲル電解質等を用いることもできる。
As the positive electrode electrolyte included in the positive electrode body used in the present invention, it is preferable to use a solid electrolyte. Specifically, a solid oxide electrolyte, a solid sulfide electrolyte, or the like can be used as the solid electrolyte.
Specifically, as the solid oxide electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO 0 .74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 etc. be able to.
Specific examples of the solid sulfide electrolyte include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4, and the like.
As the positive electrode electrolyte included in the positive electrode body used in the present invention, a polymer electrolyte, a gel electrolyte, and the like described later can be used.
本発明に用いられる正極体を製造する方法は、(a)正極集電体を支持体として、その上に正極活物質層を形成する方法と、(b)後述するリチウムイオン伝導性固体電解質を支持体として、その上に正極活物質層を形成し、さらに正極活物質層の上に正極集電体を接合する方法の、2つに大別される。
上記方法(a)を選択した場合について説明する。まず、支持体となる正極集電体を用意し、その上に正極活物質及び正極用電解質を含有した正極層を形成し、正極活物質層の面方向に応力を加えながら、加熱により正極集電体及び正極層とを一体化させる。応力を加える方法は特に限定されないが、例えば、z軸方向(積層方向)の一軸プレスによる加圧による方法等を挙げることができる。
次に、上記方法(b)を選択した場合について説明する。まず、支持体となるリチウムイオン伝導性固体電解質を用意し、その上に正極活物質及び正極用電解質を含有した正極層を形成し、正極活物質層の面方向に応力を加えながら、加熱により正極集電体及び正極層とを一体化させる。応力を加える方法は特に限定されず、上述した方法を用いることができる。その後、一体化した積層体の、正極活物質層側の面に正極集電体を接合させることによって、正極体が完成する。
正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。
The method for producing a positive electrode used in the present invention includes (a) a method of forming a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector as a support, and (b) a lithium ion conductive solid electrolyte described later. As a support, a positive electrode active material layer is formed thereon, and a positive electrode current collector is joined onto the positive electrode active material layer.
A case where the method (a) is selected will be described. First, a positive electrode current collector to be a support is prepared, a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a positive electrode electrolyte is formed thereon, and the positive electrode current collector is heated by applying stress to the surface direction of the positive electrode active material layer. The electric body and the positive electrode layer are integrated. The method for applying the stress is not particularly limited, and examples thereof include a method by pressurization by uniaxial pressing in the z-axis direction (stacking direction).
Next, a case where the method (b) is selected will be described. First, a lithium ion conductive solid electrolyte to be a support is prepared, a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a positive electrode electrolyte is formed thereon, and heat is applied while applying stress to the surface direction of the positive electrode active material layer. The positive electrode current collector and the positive electrode layer are integrated. The method for applying the stress is not particularly limited, and the method described above can be used. Then, a positive electrode body is completed by joining a positive electrode current collector to the surface of the integrated laminate on the positive electrode active material layer side.
After forming the positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer may be pressed in order to improve the electrode density.
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法は、当該製造方法によって得られる全固体リチウム二次電池を充電した際に、充電深度Xが0<X<100の範囲の1又は2以上の値において、支持体と電極活物質層との界面における残留応力が0%となるように、加熱工程において、電極活物質層に面方向の応力を加えながら加熱により前記支持体と一体化させることが好ましい。このような構成をとることによって、実際の使用において、最も多く利用されることが予想される充電状態において支持体と電極活物質層との界面における残留応力が0%となるように設計することができ、充電時の活物質へのイオンの出入りに伴う膨張収縮による、支持体と電極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。
例えば、支持体よりも熱膨張率が高い電極活物質層を用いた場合には、加熱工程時において応力を付与することなく一体化させた場合でも、冷却後には、面方向に電極活物質層が収縮する残留応力が働く。したがって、このような残留応力が働いた支持体‐電極活物質層の積層体は、電池に組み込まれて使用された際に、充放電に伴う活物質の膨張に伴って発生する応力を打ち消す効果を有する。
また例えば、支持体よりも熱膨張率が低い電極活物質層を用いた場合には、加熱工程時において応力を付与することなく一体化させた場合でも、冷却後には、面方向に電極活物質層が膨張する残留応力が働く。したがって、このような残留応力が働いた支持体‐電極活物質層の積層体は、電池に組み込まれて使用された際に、充放電に伴う活物質の収縮に伴って発生する応力を打ち消す効果を有する。
In the method for producing an all solid lithium secondary battery of the present invention, when the all solid lithium secondary battery obtained by the production method is charged, the charging depth X is a value of 1 or 2 or more in the range of 0 <X <100. In the heating step, the electrode active material layer may be integrated with the support by heating while applying a stress in the surface direction so that the residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer is 0%. preferable. By adopting such a configuration, the residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer is designed to be 0% in a charged state that is expected to be most frequently used in actual use. It is possible to suppress peeling between the support and the electrode active material layer due to expansion and contraction caused by ions entering and leaving the active material during charging.
For example, when an electrode active material layer having a higher coefficient of thermal expansion than that of the support is used, the electrode active material layer is oriented in the plane direction after cooling even when integrated without applying stress during the heating process. Residual stress that shrinks works. Therefore, the support-electrode active material layer laminate in which such residual stress is applied has the effect of counteracting the stress generated as the active material expands due to charge and discharge when used in a battery. Have
Further, for example, when an electrode active material layer having a lower thermal expansion coefficient than that of the support is used, even when integrated without applying stress during the heating step, the electrode active material is oriented in the plane direction after cooling. Residual stress that expands the layer works. Therefore, when the support-electrode active material layer laminate in which such residual stress is applied is used in a battery, it is effective to counteract the stress generated as the active material contracts due to charge / discharge. Have
通常のハイブリッド車用電池は、中間域の充電深度で放電(すなわち走行)と充電(すなわち回生)が繰り返される。したがって、通常のハイブリッド車用電池は、好ましくは充電深度が40〜80%、最も好ましくは充電深度が60%で残留応力が最小となるように設計する。
一方、プラグインハイブリッド車用電池は、プラグイン充電時においては、充電深度が80〜100%という高い充電状態を維持できるが、通常のハイブリッド車用電池と比較して電池の容量が小さい。そのため、最初は放電が主であっても、実際には走行状態末期において放電と充電が繰り返されることになる。したがって、プラグインハイブリッド車用電池は、好ましくは充電深度が80%以下、最も好ましくは充電深度が20%以下で残留応力が最小となるように設計する。
A normal hybrid vehicle battery is repeatedly discharged (that is, traveled) and charged (that is, regenerated) at an intermediate charging depth. Therefore, an ordinary hybrid vehicle battery is preferably designed so that the depth of charge is 40 to 80%, most preferably the depth of charge is 60% and the residual stress is minimized.
On the other hand, the plug-in hybrid vehicle battery can maintain a high charging state with a charging depth of 80 to 100% during plug-in charging, but has a smaller battery capacity than a normal hybrid vehicle battery. For this reason, even if the discharge is the main, the discharge and the charge are actually repeated at the end of the running state. Accordingly, the battery for plug-in hybrid vehicles is preferably designed so that the residual stress is minimized when the charging depth is 80% or less, most preferably the charging depth is 20% or less.
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法においては、Li(1+x)Mn(2−x)O4(スピネルマンガン)を正極活物質として用いることもできる。
リチウムイオン二次電池の正極材料として広く用いられているスピネルマンガンは、x≦0.25の組成比においては、一度高温状態に曝すと2相に分離してしまい、再び室温まで冷却したとしても単相に戻らなくなることが知られている。
しかし、スピネルマンガンの高温域における物性を改めて調査した結果、0.1≦x≦0.2の組成比においても、室温では単相であるが、高温域ではLi(1+y)Mn(2−y)O4とLi2MnO3の2相に分離するため、線膨張係数が一定ではなくなることが分かった。同様の検討結果は、例えば、2008年電池討論会1B18等においても指摘されている。
したがって、本発明において、正極活物質としてLi(1+x)Mn(2−x)O4(0≦x≦0.1)を用いる場合には、熱処理時の温度を特に限定せずに用いることができる。一方、本発明において、正極活物質としてLi(1+x)Mn(2−x)O4(0.1≦x≦0.2)を用いる場合には、450℃以下の温度で熱処理をすることによって、リチウムイオン伝導性固体電解質と正極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。
In the all-solid-state method for producing a lithium secondary battery of the present invention, Li and (1 + x) Mn (2 -x) O 4 ( spinel manganese) it can be used as the positive electrode active material.
Spinel manganese, which is widely used as a positive electrode material for lithium ion secondary batteries, is separated into two phases once exposed to high temperature at a composition ratio of x ≦ 0.25, and even if cooled to room temperature again. It is known that it does not return to a single phase.
However, as a result of investigating the physical properties of spinel manganese in the high temperature range, the composition ratio of 0.1 ≦ x ≦ 0.2 is a single phase at room temperature, but Li (1 + y) Mn (2-y in the high temperature range. ) It was found that the linear expansion coefficient is not constant because it is separated into two phases of O 4 and Li 2 MnO 3 . Similar examination results are also pointed out in, for example, the 2008 Battery Discussion Session 1B18.
Therefore, in the present invention, when Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x ≦ 0.1) is used as the positive electrode active material, the temperature during the heat treatment is not particularly limited. it can. On the other hand, in the present invention, when Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0.1 ≦ x ≦ 0.2) is used as the positive electrode active material, heat treatment is performed at a temperature of 450 ° C. or lower. Moreover, peeling between the layers of the lithium ion conductive solid electrolyte and the positive electrode active material layer can be suppressed.
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。 The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can occlude / release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, Examples thereof include metal nitrides and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.
負極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
負極活物質層中に用いることができる結着材および上記導電化材は、上述したものを用いることができる。また、結着材および導電化材の使用量は、全固体リチウム二次電池の用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10μm〜100μmの範囲内、中でも10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
本発明に用いられる負極体が有する負極用電解質としては、固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、具体的には、上述したような固体酸化物電解質、固体硫化物電解質等を用いることができる。本発明に用いられる負極体が有する負極用電解質としては、後述するポリマー電解質、ゲル電解質等を用いることもできる。
The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
What was mentioned above can be used for the binder and the said electrically conductive material which can be used in a negative electrode active material layer. Moreover, it is preferable to select suitably the usage-amount of a binder and a electrically conductive material according to the use etc. of an all-solid-state lithium secondary battery. Further, the film thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 10 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 50 μm.
As the negative electrode electrolyte included in the negative electrode body used in the present invention, a solid electrolyte is preferably used. Specifically, as the solid electrolyte, the above-described solid oxide electrolyte, solid sulfide electrolyte, or the like can be used. As the negative electrode electrolyte included in the negative electrode body used in the present invention, a polymer electrolyte, a gel electrolyte, and the like described later can be used.
負極集電体の材料及び形状としては、上述した正極集電体の材料及び形状と同様のものを採用することができる。
本発明に用いられる負極体の製造方法としては、上述したような正極体の製造方法と同様の方法を採用することができる。
As the material and shape of the negative electrode current collector, the same materials and shapes as those of the positive electrode current collector described above can be employed.
As a manufacturing method of the negative electrode body used in the present invention, a method similar to the above-described manufacturing method of the positive electrode body can be employed.
2.リチウムイオン伝導性固体電解質
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性固体電解質は、上述した正極活物質及び負極活物質の間でリチウムイオン交換をおこなう。固体電解質としては、具体的には、ポリマー電解質、ゲル電解質等、上述した固体酸化物電解質及び固体硫化物電解質等を挙げることができる。
2. Lithium ion conductive solid electrolyte The lithium ion conductive solid electrolyte used in the present invention performs lithium ion exchange between the positive electrode active material and the negative electrode active material described above. Specific examples of the solid electrolyte include polymer electrolytes and gel electrolytes, and the above-described solid oxide electrolytes and solid sulfide electrolytes.
上記ポリマー電解質は、リチウム塩およびポリマーを含有するものである。リチウム塩としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3およびLiClO4等を挙げることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。 The polymer electrolyte contains a lithium salt and a polymer. The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a general lithium secondary battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , Examples thereof include LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3, and LiClO 4 . The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.
上記ゲル電解質は、リチウム塩とポリマーと非水溶媒とを含有するものである。
リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
The gel electrolyte contains a lithium salt, a polymer, and a nonaqueous solvent.
The lithium salt described above can be used as the lithium salt.
The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1 , 2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone and the like. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, room temperature molten salt can also be used as a non-aqueous electrolyte.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled, and examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, and cellulose. Can be mentioned.
3.その他の構成要素
その他の構成要素として、セパレータを本発明の全固体リチウム二次電池に用いることができる。セパレータは、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、固体電解質を保持する機能を有する。さらに、上記セパレータは、上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロースおよびポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ、PP/PE/PPの3層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的な全固体リチウム二次電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
また、その他の構成要素として、本発明の全固体リチウム二次電池を収納する電池ケースを用いることもできる。電池ケースの形状としては、上述した正極体、負極体、固体電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。
3. Other component As another component, a separator can be used for the all-solid-state lithium secondary battery of this invention. The separator is disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector described above, and usually has a function of preventing the contact between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and holding the solid electrolyte. Have. Furthermore, as for the separator, examples of the material of the separator include resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide. Among these, polyethylene and polypropylene are preferable. The separator may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the separator having a multilayer structure include a separator having a two-layer structure of PE / PP and a separator having a three-layer structure of PP / PE / PP. Furthermore, in the present invention, the separator may be a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric. Moreover, the film thickness of the said separator is not specifically limited, It is the same as that of the separator used for a general all solid lithium secondary battery.
Moreover, the battery case which accommodates the all-solid-state lithium secondary battery of this invention can also be used as another component. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the positive electrode body, the negative electrode body, the solid electrolyte, and the like described above. Specifically, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a laminate shape, and the like. Etc.
本発明に係る全固体リチウム二次電池は、一般的なリチウム二次電池を製造する方法と同様の方法により製造することができる。具体的には、不活性雰囲気下において、まず正極体、負極体およびセパレータを電池ケースに収納し、次にその電池ケースに固体電解質を添加し、最後に電池ケースを密封する方法等を挙げることができる。 The all solid lithium secondary battery according to the present invention can be manufactured by a method similar to the method of manufacturing a general lithium secondary battery. Specifically, in an inert atmosphere, first, the positive electrode body, the negative electrode body and the separator are housed in a battery case, then a solid electrolyte is added to the battery case, and finally the battery case is sealed. Can do.
1.正極活物質としてLiCoO2を用いた場合の検討
以下の実施例においては、リチウムイオン伝導性固体電解質の一種であるLi0.5La0.5TiO3を支持体とし、正極活物質の一種であるLiCoO2を、下記各条件下において前記支持体と一体化させた積層体を用いた全固体リチウム二次電池のシミュレーション方法及びその結果を示す。
なお、シミュレーションにあたり、LiCoO2の熱膨張係数を40×10−6K−1、Li0.5La0.5TiO3の熱膨張係数を5×10−6K−1、リチウムイオンの挿入離脱に伴うLiCoO2の熱膨張率を2.6%(充電深度が0〜100%の場合)として、計算を行った。
なお、界面に応力を残存させるために加える応力は圧縮応力であるものとする。本シミュレーションは、既知の技術であるセラミックの加圧無収縮焼成技術(すなわち、面方向の収縮を防止するために加圧する技術)を用いることを想定したシミュレーションである。
1. Examination in the case of using LiCoO 2 as the positive electrode active material In the following examples, Li 0.5 La 0.5 TiO 3 which is a kind of lithium ion conductive solid electrolyte is used as a support, and a kind of positive electrode active material is used. A simulation method and results of an all-solid lithium secondary battery using a laminate in which a certain LiCoO 2 is integrated with the support under the following conditions are shown.
In the simulation, LiCoO 2 has a thermal expansion coefficient of 40 × 10 −6 K −1 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 has a thermal expansion coefficient of 5 × 10 −6 K −1 , and lithium ion insertion / extraction. The calculation was performed assuming that the thermal expansion coefficient of LiCoO 2 associated with is 2.6% (when the charging depth is 0 to 100%).
The stress applied to leave the stress at the interface is a compressive stress. This simulation is a simulation that assumes the use of a known technology for pressureless shrinkage firing of ceramics (that is, technology for applying pressure to prevent shrinkage in the surface direction).
[実施例1]
Li0.5La0.5TiO3(支持体)とLiCoO2(正極活物質層)とを、700℃の温度条件下で、加熱して一体化させ、支持体と正極活物質層との界面に2.5%の応力を残留させた実施例1の積層体を得た。
[Example 1]
Li 0.5 La 0.5 TiO 3 (support) and LiCoO 2 (positive electrode active material layer) are heated and integrated under a temperature condition of 700 ° C., and the support and the positive electrode active material layer are A laminate of Example 1 was obtained in which 2.5% of stress remained at the interface.
[実施例2]
Li0.5La0.5TiO3(支持体)とLiCoO2(正極活物質層)とを、一軸方向に加圧して、面方向の収縮量を制御しながら、加熱して一体化させ、支持体と正極活物質層との界面に1.3%の応力を残留させた実施例2の積層体を得た。
[Example 2]
Li 0.5 La 0.5 TiO 3 (support) and LiCoO 2 (positive electrode active material layer) are uniaxially pressurized and heated to integrate them while controlling the amount of shrinkage in the plane direction, A laminate of Example 2 was obtained in which 1.3% of the stress was left at the interface between the support and the positive electrode active material layer.
[比較例1]
Li0.5La0.5TiO3(支持体)とLiCoO2(正極活物質層)とを、800℃の温度条件下で、加熱して一体化させ、支持体と正極活物質層との界面に3.2%の応力を残留させた比較例1の積層体を得た。
[Comparative Example 1]
Li 0.5 La 0.5 TiO 3 (support) and LiCoO 2 (positive electrode active material layer) are heated and integrated under a temperature condition of 800 ° C., and the support and the positive electrode active material layer are The laminated body of the comparative example 1 which left 3.2% of stress in the interface was obtained.
[比較例2]
Li0.5La0.5TiO3(支持体)とLiCoO2(正極活物質層)とを、一軸方向に加圧して、面方向の収縮量を制御しながら、加熱して一体化させ、支持体と正極活物質層との界面に応力が残留しない比較例2の積層体を得た。
[Comparative Example 2]
Li 0.5 La 0.5 TiO 3 (support) and LiCoO 2 (positive electrode active material layer) are uniaxially pressurized and heated to integrate them while controlling the amount of shrinkage in the plane direction, A laminate of Comparative Example 2 was obtained in which no stress remained at the interface between the support and the positive electrode active material layer.
図2は、実施例1及び2、並びに比較例1及び2の積層体を用いた全固体リチウム二次電池のシミュレーション結果を示したグラフである。縦軸はLi0.5La0.5TiO3(支持体)とLiCoO2(正極活物質層)との界面における残留応力(%)を示し、横軸は電池の充電深度(%)を示している。
比較例2の積層体は、充放電深度0%時の残留応力が0%の状態で組み立てられる。したがって、図2から分かるように、比較例2の積層体は、100%充放電時においては2.6%の残留応力を有し、20%〜100%充放電時においては0.5%〜2.6%という広い範囲の応力を有する。
また、比較例1の積層体は、充放電深度0%時の残留応力が3.2%の状態で組み立てられる。したがって、図2から分かるように、比較例1の積層体は、100%充放電時においては0.6%の残留応力を有し、20%〜100%充放電時においては0.6%〜2.7%という広い範囲の応力を有する。
これら比較例1及び2の積層体は共に、残留応力が0%になる充電深度Xが、0<X<100の範囲には存在しない。したがって、通常使用できる充電深度の範囲においては、支持体と正極活物質層との界面に常に歪みが生じており、その結果、連続使用により当該界面において剥離が生じる可能性がある。
FIG. 2 is a graph showing simulation results of all-solid lithium secondary batteries using the laminates of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. The vertical axis shows the residual stress (%) at the interface between Li 0.5 La 0.5 TiO 3 (support) and LiCoO 2 (positive electrode active material layer), and the horizontal axis shows the charging depth (%) of the battery. ing.
The laminated body of Comparative Example 2 is assembled in a state where the residual stress at 0% charge / discharge depth is 0%. Therefore, as can be seen from FIG. 2, the laminate of Comparative Example 2 has a residual stress of 2.6% at the time of 100% charge / discharge and 0.5% to at the time of 20% to 100% charge / discharge. It has a wide range of stress of 2.6%.
Moreover, the laminated body of the comparative example 1 is assembled in the state whose residual stress at the time of 0% of charge / discharge depth is 3.2%. Therefore, as can be seen from FIG. 2, the laminate of Comparative Example 1 has a residual stress of 0.6% at the time of 100% charge / discharge, and from 0.6% to at the time of 20% to 100% charge / discharge. It has a wide range of stress of 2.7%.
In both the laminates of Comparative Examples 1 and 2, the charge depth X at which the residual stress becomes 0% does not exist in the range of 0 <X <100. Therefore, in the range of the charging depth that can be normally used, the interface between the support and the positive electrode active material layer is always distorted, and as a result, there is a possibility that peeling occurs at the interface due to continuous use.
一方、実施例1の積層体は、充放電深度0%時の残留応力が2.5%の状態で組み立てられる。したがって、図2から分かるように、実施例1の積層体は、100%充放電時においては0.1%の残留応力を有し、20%〜100%充放電時においては0%〜2.0%という、比較例1及び2の積層体よりも狭い範囲の応力を有する。
実施例2の積層体は、充放電深度0%時の残留応力が1.3%の状態で組み立てられる。したがって、図2から分かるように、実施例2の積層体は、100%充放電時においては1.3%の残留応力を有し、20%〜100%充放電時においては0%〜1.3%という、比較例1及び2の積層体よりも狭い範囲の応力を有する。
実施例2の積層体は、充電深度が50%の時に残留応力が0%になる。また、実施例1の積層体は、充電深度が96%の時に残留応力が0%になる。
このように、実施例1及び2の積層体を用いた全固体リチウム二次電池は、所定の温度下、すなわち充放電時の温度下において、支持体と電極活物質層との界面における残留応力が2.0%以内になることにより、支持体と電極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。また、実施例1及び2の積層体を用いた全固体リチウム二次電池は、実際の使用において、最も多く利用されることが予想される充電状態、すなわち、実施例1の積層体の場合は96%の充電深度、実施例2の積層体の場合は50%の充電深度において、それぞれ支持体と電極活物質層との界面の残留応力が0%となるように設計することができ、充電時の活物質へのイオンの出入りに伴う膨張収縮による、支持体と電極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。
On the other hand, the laminate of Example 1 is assembled with a residual stress of 2.5% at a charge / discharge depth of 0%. Therefore, as can be seen from FIG. 2, the laminate of Example 1 has a residual stress of 0.1% during 100% charge / discharge, and 0% -2. It has a stress in a narrower range than that of the laminates of Comparative Examples 1 and 2 of 0%.
The laminated body of Example 2 is assembled in a state where the residual stress at a charge / discharge depth of 0% is 1.3%. Therefore, as can be seen from FIG. 2, the laminate of Example 2 has a residual stress of 1.3% at the time of 100% charge / discharge, and 0% to 1.0 at the time of 20% to 100% charge / discharge. It has a stress in a narrower range of 3% than the laminates of Comparative Examples 1 and 2.
The laminate of Example 2 has a residual stress of 0% when the charge depth is 50%. Further, in the laminated body of Example 1, the residual stress becomes 0% when the charging depth is 96%.
As described above, the all-solid lithium secondary battery using the laminates of Examples 1 and 2 has a residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer at a predetermined temperature, that is, at the temperature during charge and discharge. By being within 2.0%, peeling between the support and the electrode active material layer can be suppressed. Moreover, the all-solid lithium secondary battery using the laminates of Examples 1 and 2 is in a charged state that is expected to be most frequently used in actual use, that is, in the case of the laminate of Example 1. The residual stress at the interface between the support and the electrode active material layer can be designed to be 0% at a charging depth of 96% and in the case of the laminated body of Example 2 at a charging depth of 50%. It is possible to suppress delamination between the support and the electrode active material layer due to expansion and contraction accompanying the entry and exit of ions into the active material.
上記実施例1に示した積層体は、以下の手順によって実際に作製することができる。支持体の原料となるLi0.5La0.5TiO3の粉体は、Li2CO3、La2O3、TiO2を0.5:0.5:1の化学量論比で混合したものを、800℃で4時間、さらに1300℃の温度条件下において6時間大気中で焼成したものを準備する。また、正極活物質の原料となるLiCoO2の粉体は、市販のものを使用できる。なお、Li0.5La0.5TiO3及びLiCoO2は、固相法やゾル‐ゲル法によっても作製できる。
まず、円筒状のダイスを用い、50kg/cm3で一軸加圧を行うことにより、直径φ13mm、厚み1mmのLi0.5La0.5TiO3の圧粉体を作製する。当該圧粉体に対して、1350℃の温度条件下において6時間熱処理を行うことにより、ペレット状態のLi0.5La0.5TiO3の焼結体を作製する。
The laminate shown in Example 1 can be actually manufactured by the following procedure. The powder of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 used as the raw material of the support is mixed with Li 2 CO 3 , La 2 O 3 and TiO 2 in a stoichiometric ratio of 0.5: 0.5: 1. What was calcined in the air at 800 ° C. for 4 hours and further at 1300 ° C. for 6 hours is prepared. Commercially available LiCoO 2 powder as a raw material for the positive electrode active material can be used. Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCoO 2 can also be produced by a solid phase method or a sol-gel method.
First, a green compact of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 having a diameter of 13 mm and a thickness of 1 mm is produced by uniaxial pressing at 50 kg / cm 3 using a cylindrical die. The green compact is heat-treated at a temperature of 1350 ° C. for 6 hours to produce a pellet of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 in a pellet state.
次に、ペレット状態のLi0.5La0.5TiO3の焼結体上に、直径φ10mm、厚み1mmのLiCO2の圧粉体を作製する。その後、当該焼結体と圧粉体との積層体に対して、700℃の温度条件下において10時間熱処理を行うことにより、Li0.5La0.5TiO3とLiCO2が積層した一体型焼結体が作製できる。 Next, a green compact of LiCO 2 having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm is produced on a pellet of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 in a pellet state. Thereafter, the laminated body of the sintered body and the green compact is subjected to a heat treatment for 10 hours under a temperature condition of 700 ° C., whereby Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCO 2 are laminated. A body-shaped sintered body can be produced.
また、上記実施例2に示した積層体は、以下の手順によって実際に作製することができる。
ペレット状態のLi0.5La0.5TiO3の焼結体上に、LiCO2の圧粉体を作製する工程までは、実施例1の積層体と同様の工程である。その後、当該焼結体と圧粉体との積層体に対して、Li0.5La0.5TiO3とLiCO2との界面に圧縮応力を加えながら、700℃の温度条件下において10時間熱処理を行うことにより、Li0.5La0.5TiO3とLiCO2が積層した一体型焼結体が作製できる。Li0.5La0.5TiO3とLiCO2との界面に1.3%の残留応力を精確に付与するために必要な応力は、当該界面に加える圧縮応力と、昇温速度とを変数とするシミュレーションを予め行うことによって算出することができる。
Moreover, the laminated body shown in the said Example 2 can be actually produced with the following procedures.
The steps up to the step of producing a compact of LiCO 2 on the sintered body of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 in the pellet state are the same as those of the laminate of Example 1. Then, while applying a compressive stress to the interface between Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCO 2 with respect to the laminate of the sintered body and the green compact, the temperature is 700 ° C. for 10 hours. By performing heat treatment, an integrated sintered body in which Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCO 2 are laminated can be produced. The stress required to accurately apply 1.3% residual stress to the interface between Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCO 2 is a variable of the compressive stress applied to the interface and the rate of temperature rise. Can be calculated by performing a simulation in advance.
比較例1に示した積層体は、実施例1の積層体の作製の説明において述べた、Li0.5La0.5TiO3の焼結体とLiCO2の圧粉体との積層体に対して、800℃の温度条件下において10時間熱処理を行うことにより、得ることができる。
比較例2に示した積層体は、実施例2の積層体の作製の説明において述べた、Li0.5La0.5TiO3の焼結体とLiCO2の圧粉体との積層体に対して、Li0.5La0.5TiO3とLiCO2との界面に平行な方向に、実施例2の積層体の作製時と異なる応力を加えながら、700℃の温度条件下において10時間熱処理を行うことにより、得ることができる。
The laminated body shown in Comparative Example 1 is the same as the laminated body of the sintered body of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and the green compact of LiCO 2 described in the description of the production of the laminated body of Example 1. On the other hand, it can be obtained by performing a heat treatment at 800 ° C. for 10 hours.
The laminated body shown in Comparative Example 2 is the same as the laminated body of the sintered body of Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and the green compact of LiCO 2 described in the description of the production of the laminated body of Example 2. On the other hand, in the direction parallel to the interface between Li 0.5 La 0.5 TiO 3 and LiCO 2 , stress is applied for 10 hours under the temperature condition of 700 ° C. while applying a stress different from that in the production of the laminate of Example 2. It can be obtained by heat treatment.
2.正極活物質としてLi(1+x)Mn(2−x)O4を用いた場合の検討
以下の実施例においては、リチウムイオン伝導性固体電解質の一種であるLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3を支持体とし、正極活物質の一種であるLi(1+x)Mn(2−x)O4を、下記各条件下において前記支持体と一体化させた積層体を用いた全固体リチウム二次電池のシミュレーション方法及びその結果を示す。
なお、シミュレーションにあたり、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3の熱膨張係数を13×10−6K−1として、計算を行った。
2. Examination when Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 is used as the positive electrode active material In the following examples, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1. which is a kind of lithium ion conductive solid electrolyte . 5 (PO 4 ) 3 was used as a support, and a laminate in which Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 which is a kind of positive electrode active material was integrated with the support under the following conditions was used. A simulation method and results of an all-solid lithium secondary battery are shown.
In the simulation, the calculation was performed by setting the thermal expansion coefficient of Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 to 13 × 10 −6 K −1 .
[実施例3]
Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(支持体)とLi(1+x)Mn(2−x)O4(0≦x<0.1)(正極活物質層)とを、400℃の温度条件下で、加熱して一体化させた。なお、シミュレーションにあたり、Li(1+x)Mn(2−x)O4(0≦x<0.1)の熱膨張係数を13×10−6K−1として、計算を行った。
[Example 3]
Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (support), Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) (positive electrode active material layer), Were integrated by heating under a temperature condition of 400 ° C. In the simulation, the calculation was performed by setting the thermal expansion coefficient of Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) to 13 × 10 −6 K −1 .
[実施例4]
Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(支持体)とLi(1+x)Mn(2−x)O4(0.1≦x<0.2)(正極活物質層)とを、400℃の温度条件下で、加熱して一体化させた。なお、シミュレーションにあたり、Li(1+x)Mn(2−x)O4(0.1≦x<0.2)の熱膨張係数を13×10−6K−1として、計算を行った。
[Example 4]
Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (support) and Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0.1 ≦ x <0.2) (positive electrode active material layer) And were integrated under heating at 400 ° C. In the simulation, the calculation was performed by setting the thermal expansion coefficient of Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0.1 ≦ x <0.2) to 13 × 10 −6 K −1 .
[比較例3]
Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(支持体)とLi(1+x)Mn(2−x)O4(0.1≦x<0.2)(正極活物質層)とを、600℃の温度条件下で、加熱して一体化させた。なお、シミュレーションにあたり、Li1.1Mn1.9O4の500℃以上の熱膨張係数を24×10−6K−1、Li1.2Mn1.8O4の500℃以上の熱膨張係数を34×10−6K−1として、計算を行った。
[Comparative Example 3]
Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (support) and Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0.1 ≦ x <0.2) (positive electrode active material layer) And were integrated under heating at a temperature of 600 ° C. In the simulation, the thermal expansion coefficient of Li 1.1 Mn 1.9 O 4 of 500 ° C. or higher is 24 × 10 −6 K −1 , and the thermal expansion coefficient of Li 1.2 Mn 1.8 O 4 of 500 ° C. or higher. The calculation was performed with a coefficient of 34 × 10 −6 K −1 .
比較例3の積層体は、加熱時において、支持体であるLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3の熱膨張率と、正極活物質であるLi(1+x)Mn(2−x)O4(0.1≦x<0.2)の熱膨張率との間に顕著な差があるため、加熱により一体化させる際に、支持体と電極活物質層との層間の剥離を防ぐことが困難である。支持体と正極活物質の熱膨張率の差は、正極活物質が600℃の温度条件下において、Li(1+y)Mn(2−y)O4とLi2MnO3の2相に分離するために生じるものである。
一方、実施例3及び4の積層体は、加熱時において、支持体であるLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3と、正極活物質であるLi(1+x)Mn(2−x)O4とが等しい熱膨張率であるため、加熱により一体化させる際に、支持体と電極活物質層との層間の剥離を抑制することができる。
The laminated body of Comparative Example 3 has a thermal expansion coefficient of Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 as a support and Li (1 + x) Mn ( positive electrode active material) during heating. 2-x) Since there is a significant difference between the thermal expansion coefficients of O 4 (0.1 ≦ x <0.2), the layers between the support and the electrode active material layer are integrated when integrated by heating. It is difficult to prevent peeling. The difference in thermal expansion coefficient between the support and the positive electrode active material is that the positive electrode active material is separated into two phases of Li (1 + y) Mn (2-y) O 4 and Li 2 MnO 3 under the temperature condition of 600 ° C. This is what happens.
On the other hand, the laminates of Examples 3 and 4 were, at the time of heating, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 as a support and Li (1 + x) Mn ( positive electrode active material ). Since 2-x) O 4 has the same coefficient of thermal expansion, peeling between the support and the electrode active material layer can be suppressed when integrating by heating.
11…固体電解質
12…正極活物質層
13…負極活物質層
14…正極集電体
15…負極集電体
16…正極体
17…負極体
100…全固体リチウム二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (3)
負極集電体、及び、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を有する負極体と、
前記正極体及び前記負極体に挟持されたLi 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 とを有する全固体リチウム二次電池の、焼結工程を伴う製造方法であって、
前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を準備する工程、並びに、
前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 を支持体とするときはLiCoO 2 を含有する正極体を使用し、前記Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を支持体とするときはLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極体を使用し、面方向に垂直な方向に応力を付与しないで焼結した時よりも、前記支持体と前記正極体の正極活物質層の界面における残留応力が、焼結温度未満の温度領域において緩和し、かつ前記全固体リチウム二次電池を充電する際に、充電深度Xが0<X<100の範囲の1又は2以上の値において、前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力が0%となるように、前記正極活物質層の面方向に垂直な方向に応力を加えながら焼結により前記支持体と一体化させる焼結工程、
を含むことを特徴とする、全固体リチウム二次電池の製造方法。 A positive electrode current collector, and a positive electrode body having a positive electrode active material layer containing LiCoO 2 or Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) ;
A negative electrode current collector, and a negative electrode body having a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material;
An all solid lithium secondary battery having Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 sandwiched between the positive electrode body and the negative electrode body, A manufacturing method involving a sintering process,
Preparing the Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ;
When the Li 0.5 La 0.5 TiO 3 is used as a support, a positive electrode containing LiCoO 2 is used, and the Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 is used as a support. When using a positive electrode body containing Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) and sintering without applying stress in a direction perpendicular to the plane direction Than when the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer of the positive electrode body is relaxed in a temperature region lower than the sintering temperature and the all solid lithium secondary battery is charged, Is perpendicular to the surface direction of the positive electrode active material layer so that the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer is 0% at a value of 1 or 2 in the range of 0 <X <100. It is integrated with the support by sintering while applying stress in any direction. Sintering process,
A method for producing an all-solid-state lithium secondary battery, comprising:
2つの前記電極体に挟持されたLi 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 とを有する全固体リチウム二次電池の、焼結工程を伴う製造方法であって、
前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 又はLi 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を準備する工程、並びに、
前記Li 0.5 La 0.5 TiO 3 を支持体とするときはLiCoO 2 を含有する正極活物質層を当該支持体と相対させて使用し、前記Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 を支持体とするときはLi (1+x) Mn (2−x) O 4 (0≦x<0.1)を含有する正極活物質層を当該支持体と相対させて使用し、面方向に垂直な方向に応力を付与しないで焼結した時よりも、前記支持体と前記電極体の正極活物質層の界面における残留応力が、焼結温度未満の温度領域において緩和し、かつ前記全固体リチウム二次電池を充電する際に、充電深度Xが0<X<100の範囲の1又は2以上の値において、前記支持体と前記正極活物質層との界面における残留応力が0%となるように、前記正極活物質層の面方向に垂直な方向に応力を加えながら焼結により前記支持体と一体化させる焼結工程、
を含むことを特徴とする、全固体リチウム二次電池の製造方法。 An electrode current collector and a positive electrode active material layer containing LiCoO 2 or Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) on one surface of the electrode current collector, And the electrode body which has the negative electrode active material layer containing a negative electrode active material at least on the other surface of the electrode current collector,
Sintering of an all-solid lithium secondary battery having Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 sandwiched between two electrode bodies A manufacturing method involving a process ,
Preparing the Li 0.5 La 0.5 TiO 3 or Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ;
When the Li 0.5 La 0.5 TiO 3 is used as a support, a positive electrode active material layer containing LiCoO 2 is used relative to the support, and the Li 1.5 Al 0.5 Ge 1. When 5 (PO 4 ) 3 is used as a support, a positive electrode active material layer containing Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 (0 ≦ x <0.1) is used relative to the support. However, the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer of the electrode body is relaxed in a temperature region below the sintering temperature, compared to when sintering without applying stress in a direction perpendicular to the surface direction. When the all-solid lithium secondary battery is charged, the residual stress at the interface between the support and the positive electrode active material layer when the charge depth X is 1 or 2 or more in the range of 0 <X <100. Perpendicular to the surface direction of the positive electrode active material layer so that the Sintering step of integrating with the support by sintering while stress applied in the direction,
A method for producing an all-solid-state lithium secondary battery, comprising:
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