JP6909411B2 - All solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は、全固体電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery.
近年、二次電池の信頼性向上や低コスト化等が求められるなか、固体電解質層を有する全固体電池の開発が加速している。例えば特許文献1には、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、上記正極と上記負極との間に介在する固体電解質層と、を備える全固体電池が開示されている。特許文献1には、負極活物質として、金属リチウムとカーボンブラックとの混合体を用いることで、デンドライト状の金属リチウム(Liデンドライト)の析出を抑制し得ることが記載されている。
In recent years, the development of all-solid-state batteries having a solid electrolyte layer is accelerating amid demands for improved reliability and cost reduction of secondary batteries. For example,
しかし、本発明者の検討によれば、ハイレート充放電を繰り返す態様で使用される電池(例えば車載用電池)に特許文献1の技術を適用する場合、更なる改善の余地が認められた。すなわち、電池を急速に充電したり放電したりすると、Liイオンが一方の電極に片寄って、Liデンドライトの析出や成長が生じ易い傾向にある。このため、ハイレート充放電特性を維持すると共に、たとえLiデンドライトが析出、成長した場合であっても、正極と負極との短絡を抑制することが求められていた。言い換えれば、Liデンドライトの析出耐性を向上することが求められていた。
However, according to the study of the present inventor, when the technique of
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Liデンドライトの析出耐性に優れた全固体電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having excellent precipitation resistance of Lidendrite.
本発明により、正極活物質を含む正極合材層と、負極活物質を含む負極合材層と、積層方向において上記正極合材層と上記負極合材層との間に配置される固体電解質層と、を備える、全固体電池が提供される。上記固体電解質層は、上記積層方向の一部に、固体電解質材料とチタン酸リチウムとを含むLi吸蔵層を有する。上記Li吸蔵層において、上記固体電解質材料は、二峰性の粒度分布を有しており、2つのピークトップが、それぞれ、0.5μm以上1μm以下の範囲内と、3μm以上6μm以下の範囲内と、にある。また、上記チタン酸リチウムの平均粒径は、0.2μm以上0.4μm以下である。 According to the present invention, a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a negative electrode mixture layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer in the stacking direction. And, an all-solid-state battery is provided. The solid electrolyte layer has a Li storage layer containing a solid electrolyte material and lithium titanate in a part of the stacking direction. In the Li storage layer, the solid electrolyte material has a bimodal particle size distribution, and the two peak tops are in the range of 0.5 μm or more and 1 μm or less and in the range of 3 μm or more and 6 μm or less, respectively. And. The average particle size of the lithium titanate is 0.2 μm or more and 0.4 μm or less.
上記全固体電池は、固体電解質層にLi吸蔵層を有している。このことにより、Liデンドライトが生成、成長してLi吸蔵層に到達すると、Li吸蔵層にLiが吸蔵され、Liデンドライトの更なる成長が抑えられる。その結果、ハイレート充放電を繰り返す態様においても、正極と負極との絶縁性を好適に維持することができる。また、Li吸蔵層の形成に伴う抵抗増加を小さく抑えて、ハイレート充放電特性を維持することができる。 The all-solid-state battery has a Li storage layer in the solid electrolyte layer. As a result, when Li dendrite is generated and grows to reach the Li occlusion layer, Li is occluded in the Li occlusion layer, and further growth of Li dendrite is suppressed. As a result, the insulating property between the positive electrode and the negative electrode can be suitably maintained even in the mode of repeating high-rate charging / discharging. Further, the increase in resistance due to the formation of the Li storage layer can be suppressed to a small value, and the high-rate charge / discharge characteristics can be maintained.
以下、ここで開示される全固体電池の好適な実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される全固体電池は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、本明細書において数値範囲をA〜B(ここでA,Bは任意の数値)と記載している場合は、A以上B以下を意味するものとする。 Hereinafter, preferred embodiments of the all-solid-state battery disclosed herein will be described. It should be noted that the embodiments described here are, of course, not intended to particularly limit the present invention. Matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in the art. The all-solid-state battery disclosed here can be implemented based on the contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the art. Further, when the numerical range is described as A to B (where A and B are arbitrary numerical values) in this specification, it means A or more and B or less.
図1は、全固体電池1の模式的な断面図である。全固体電池1は、正極2と、負極4と、固体電解質層6と、を備えている。なお、図1において、符号Xは、正極2と負極4との積層方向であって、かつ各層の厚み方向を意味するものとする。積層方向Xにおいて、固体電解質層6は、正極2と負極4との間に配置されている。正極2と負極4と固体電解質層6とは、物理的に一体化されている。全固体電池1は、典型的には充放電可能な二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-
正極2は、正極集電体21と、正極集電体21の一方の表面に固着された正極合材層22と、を備えている。正極集電体21は、導電性部材である。図示は省略するが、正極集電体21は外部接続用の正極端子に電気的に接続されている。正極集電体21は、例えば、Al、Ti、ステンレス鋼(SUS)等の、導電性の良好な金属製である。なお、正極2は正極集電体21を有していなくてもよい。また、正極合材層22は正極集電体21の両方の表面にそれぞれ固着されていてもよい。
The
正極合材層22は、少なくとも正極活物質を含んでいる。正極活物質は、電荷担体(例えばリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出可能な材料である。正極活物質としては、例えば、1種または2種以上の金属元素と酸素元素とを含有する金属酸化物が例示される。金属酸化物は、リチウム元素と、1種または2種以上の遷移金属元素と、酸素元素と、を含有する化合物であってもよい。金属酸化物の一好適例として、リチウムニッケル含有複合酸化物、リチウムコバルト含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルト含有複合酸化物、リチウムマンガン含有複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。
The positive
正極合材層22は、正極活物質に加えて、必要に応じてそれ以外の成分、例えば、固体電解質材料、バインダ、導電材、各種添加剤等を含んでもよい。固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等が例示される。より具体的には、固体電解質層6の構成材料として後述する硫化物固体電解質材料が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(PVdF−HFP)等のハロゲン化ビニル樹脂や、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)等のゴム類が例示される。導電材としては、例えば、気相法炭素繊維、カーボンブラック等の炭素材料が例示される。
The positive
負極4は、負極集電体41と、負極集電体41の一方の表面に固着された負極合材層42と、を備えている。負極集電体41は、導電性部材である。図示は省略するが、負極集電体41は外部接続用の負極端子に電気的に接続されている。負極集電体41は、例えば、Cu、Ti、ステンレス鋼(SUS)等の、導電性の良好な金属製である。なお、負極4は負極集電体41を有していなくてもよい。また、負極合材層42は負極集電体41の両方の表面にそれぞれ固着されていてもよい。
The
負極合材層42は、少なくとも負極活物質を含んでいる。負極活物質は、電荷担体(例えばリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出可能な材料である。負極活物質としては、例えば、Si、Ti、In、Sn等の金属材料、上記金属元素を含む金属化合物、金属酸化物、Li金属化合物、Li金属酸化物や、ハードカーボン、グラファイト等の炭素材料が挙げられる。負極活物質は、例えばケイ素(Si)の占める割合が概ね50質量%以上のSi系材料であってもよい。負極活物質全体に占めるSiの割合は、例えば80質量%以上であってもよい。Si系材料は、Si、Si合金、Si化合物およびSi混合物のうちの少なくとも1つであってもよい。
The negative
負極合材層42は、負極活物質に加えて、必要に応じてそれ以外の成分、例えば、固体電解質材料、バインダ、導電材、各種添加剤等を含んでもよい。固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等が例示される。より具体的には、固体電解質層6の構成材料として後述する硫化物固体電解質材料が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(PVdF−HFP)等のハロゲン化ビニル樹脂や、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)等のゴム類が例示される。導電材としては、例えば、気相法炭素繊維、カーボンブラック等の炭素材料が例示される。
The negative
固体電解質層6は、正極合材層22と負極合材層42との間に配置され、正極2と負極4とを絶縁している。固体電解質層6は、Liイオン伝導性を有する。固体電解質層6は、室温(25℃)で固体状である。本実施形態の固体電解質層6は、第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63と、を有している。第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62とは、それぞれ絶縁性である。第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62とについては、従来公知の固体電解質層と同等であってよい。Li吸蔵層63は、Liを吸蔵可能な部位である。積層方向Xにおいて、Li吸蔵層63は、第1固体電解質層61と第2固体電解質層62との間に配置されている。言い換えれば、Li吸蔵層63は、固体電解質層6の積層方向Xの途中に配置されている。Li吸蔵層63は、積層方向Xの一部に配置されている。Li吸蔵層63の厚みは、固体電解質層6の全体厚みよりも小さい。Li吸蔵層63は、Liを吸蔵する前において、絶縁性である。Li吸蔵層63は、Liを吸蔵すると電気伝導性を有し得る。なお、固体電解質層6は、第1固体電解質層61または第2固体電解質層62を有していなくてもよい。また、積層方向Xにおいて、Li吸蔵層63は、正極合材層22または負極合材層42に接していてもよい。
The
第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63とは、それぞれ、少なくとも固体電解質材料を含んでいる。第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63と、に含まれる固体電解質材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。固体電解質材料は、ガラス質(非結晶質)であってもよく、結晶化ガラス質であってもよく、結晶質であってもよい。固体電解質材料は、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等であってよい。固体電解質材料のLiイオン伝導度は、室温(25℃)において、例えば、1×10−5S/cm以上、さらには、1×10−4S/cm以上であるとよい。第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63とは、同種の固体電解質材料を含むとよい。例えば、第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63とが、いずれも硫化物固体電解質材料を含んでもよい。
The first
硫化物固体電解質材料としては、例えば、Li2S−P2S5系材料;Li2S−GeS2系材料;Li2S−GeS2−P2S5系材料;Li3PO4−P2S5系材料;等の硫化物材料が例示される。また、上記硫化物材料にハロゲン元素を添加したハロゲン添加硫化物材料も好適である。ハロゲン添加硫化物材料の一例として、次の式:Li7−xPS6−xAx(ただし、xは、0.1≦x≦2、例えば0.2≦x≦1.8であり、Aは、ハロゲン元素の少なくとも1つ、例えばCl、BrおよびIのうちの少なくとも1つである。)で表される化合物が挙げられる。 Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S-P 2 S 5 series materials; Li 2 S-GeS 2 series materials; Li 2 S-GeS 2- P 2 S 5 series materials; Li 3 PO 4- P. 2 S 5 based material; sulfide material and the like. Further, a halogen-added sulfide material obtained by adding a halogen element to the sulfide material is also suitable. As an example of the halogenated sulfide material, the following formula: Li 7-x PS 6-x A x (where x is 0.1 ≦ x ≦ 2, for example 0.2 ≦ x ≦ 1.8. A is a compound represented by at least one of halogen elements, for example, at least one of Cl, Br and I).
本実施形態において、Li吸蔵層63に含まれる固体電解質材料は粒子状であり、二峰性の粒度分布を有している。言い換えれば、横軸に粒径(μm)、縦軸に頻度を表した粒度分布のグラフにおいて、相対的に粒径の小さい第1のピークと、相対的に粒径の大きい第2のピークとを有する。そして、Li吸蔵層63に含まれる固体電解質材料は、第1のピークトップ(ピークの極大値)が0.5〜1μmの範囲内にあり、第2のピークトップ(ピークの極大値)が3〜6μmの範囲内にある。固体電解質材料が二峰性の粒度分布を有することにより、粒径の小さな粒子が粒径の大きな粒子の隙間を埋めるように配置され、充填性(パッキング性)が向上する。その結果、Liデンドライトが貫通しにくい緻密なLi吸蔵層63を形成することができる。また、ピークトップの位置が上記範囲にあることで、Li吸蔵層63の一体性を高めると共に、固体電解質材料の粒子間の界面抵抗を低く抑えることができる。2つのピークトップは、どちらの頻度がより大きくてもよいが、第2のピークの頻度がより大きいことが好ましい。これにより、Li吸蔵層63の内部抵抗をより良く低減することができる。
In the present embodiment, the solid electrolyte material contained in the
特に限定されるものではないが、横軸に粒径(μm)、縦軸に頻度を表した粒度分布のグラフにおいて、第1のピークの面積と、第2のピークの面積との比は、第1のピーク:第2のピーク=20:80〜80:20であるとよく、好ましくは、第1のピーク:第2のピーク=20:80〜60:40であり、より好ましくは、第1のピーク:第2のピーク=20:80〜40:60である。これにより、Li吸蔵層63の内部抵抗をより良く低減することができる。
Although not particularly limited, in the graph of the particle size distribution in which the horizontal axis represents the particle size (μm) and the vertical axis represents the frequency, the ratio of the area of the first peak to the area of the second peak is determined. The first peak: the second peak = 20:80 to 80:20, preferably the first peak: the second peak = 20:80 to 60:40, and more preferably the first peak. The peak of 1: the second peak = 20:80 to 40:60. Thereby, the internal resistance of the
本実施形態において、Li吸蔵層63は、上記した固体電解質材料に加えて、チタン酸リチウム(LTO)を必須として含んでいる。チタン酸リチウムは、Liを吸蔵可能なLi吸蔵性物質である。チタン酸リチウムは、粒子状である。チタン酸リチウムの平均粒径は、0.2〜0.4μmである。平均粒径を所定値以上とすることで、チタン酸リチウム間の界面抵抗を抑えて、Li吸蔵層63の内部抵抗を低減することができる。平均粒径を所定値以下とすることで、Liデンドライトの成長を安定的に抑制することができる。なお、本明細書において「平均粒径」とは、レーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定で得られた体積基準の粒度分布において、粒径が小さい側から積算50%に相当する粒径をいう。
In the present embodiment, the
特に限定されるものではないが、Li吸蔵層63の固形分全体を100質量%としたときに、固体電解質材料の含有量は、概ね10〜90質量%、典型的には20〜80質量%、例えば30〜70質量%、さらには40〜60質量%であってもよい。特に限定されるものではないが、Li吸蔵層63の固形分全体を100質量%としたときに、チタン酸リチウムの含有量は、概ね10〜90質量%、典型的には20〜80質量%、例えば30〜70質量%、さらには40〜60質量%であってもよい。固体電解質材料の含有量は、チタン酸リチウムの含有量より多くてもよい。
Although not particularly limited, when the total solid content of the
第1固体電解質層61と、第2固体電解質層62と、Li吸蔵層63とは、それぞれ、必要に応じて上記した以外の成分、例えば、バインダ、各種添加剤等を含んでもよい。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー(PVdF−HFP)等のハロゲン化ビニル樹脂や、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)等のゴム類が例示される。
The first
以上のように、全固体電池1の固体電解質層6は、Li吸蔵層63を有している。Li吸蔵層63は、上記した平均粒径を有するチタン酸リチウムと、上記した二峰性の粒度分布を有する固体電解質材料と、が緻密にパッキングされて構成されている。このことにより、LiデンドライトがLi吸蔵層63に到達すると、LiがLi吸蔵層63に好適に吸蔵されて、Liデンドライトの成長が抑制される。その結果、LiデンドライトがLi吸蔵層63を貫通することを防いで、正極2と負極4との短絡を抑制することができる。また、Li吸蔵層63では、チタン酸リチウムの粒子間の界面抵抗が低減され、抵抗増加が小さく抑えられている。その結果、全固体電池1は、高い電池特性(例えばハイレート充放電特性)を好適に発揮することができる。
As described above, the
ここに開示される全固体電池1は、各種用途に利用可能である。例えば、車両に搭載されるモーター用の動力源(駆動用電源)として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されるものではないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等が挙げられる。
The all-solid-
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such specific examples.
〔正極の作製〕
まず、不活性ガス中で、正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン含有複合酸化物と、固体電解質材料としてのLi6PS5Brと、バインダとしてのABRと、導電材としての気相法炭素繊維と、を混合した。この混合物に溶媒を添加して混練することにより、正極スラリーを調製した。この正極スラリーを、アルミニウム箔(正極集電体)の表面に塗工し、自然乾燥させた後、120℃で加熱乾燥させた。これにより、正極集電体上に正極合材層が固着された正極を作製した。
[Preparation of positive electrode]
First, in an inert gas, lithium nickel cobalt manganese-containing composite oxide as a positive electrode active material, Li 6 PS 5 Br as a solid electrolyte material, ABR as a binder, and vapor phase carbon fiber as a conductive material. And were mixed. A positive electrode slurry was prepared by adding a solvent to this mixture and kneading it. This positive electrode slurry was applied to the surface of an aluminum foil (positive electrode current collector), air-dried, and then heat-dried at 120 ° C. As a result, a positive electrode having a positive electrode mixture layer fixed on the positive electrode current collector was produced.
〔負極の作製〕
まず、不活性ガス中で、負極活物質としてのSiと、固体電解質材料としてのLi6PS5Brと、バインダとしてのABRと、導電材としての気相法炭素繊維と、を混合した。この混合物に溶媒を添加して混練することにより、負極スラリーを調製した。この負極スラリーを、銅箔(負極集電体)の表面に塗工し、自然乾燥させた後、120℃で加熱乾燥させた。これにより、負極集電体上に負極合材層が固着された負極を作製した。
[Preparation of negative electrode]
First, in an inert gas, Si as a negative electrode active material, Li 6 PS 5 Br as a solid electrolyte material, ABR as a binder, and vapor phase carbon fiber as a conductive material were mixed. A negative electrode slurry was prepared by adding a solvent to this mixture and kneading it. This negative electrode slurry was applied to the surface of a copper foil (negative electrode current collector), air-dried, and then heat-dried at 120 ° C. As a result, a negative electrode having a negative electrode mixture layer fixed on the negative electrode current collector was produced.
〔固体電解質層の形成〕
次に、不活性ガス雰囲気下で、固体電解質材料としてのLi6PS5Brと、バインダとしてのABRとを、質量比率が、固体電解質材料:バインダ=99.4:0.6となるように混合した。この混合物に溶媒を添加して混練することにより、固体電解質スラリーを調製した。この固体電解質スラリーを、上記作製した正極の正極合材層の表面と、負極の負極合材層の表面と、にそれぞれ塗工し、自然乾燥させた後、120℃で加熱乾燥させた。これにより、第1固体電解質層付きの正極と、第2固体電解質層付きの負極と、を得た。なお、第1固体電解質層と第2固体電解質層とは、同じ組成、同じ厚みであるが、区別のために第1、第2と表記している。
[Formation of solid electrolyte layer]
Next, in an inert gas atmosphere , the mass ratio of Li 6 PS 5 Br as a solid electrolyte material and ABR as a binder is such that the mass ratio is solid electrolyte material: binder = 99.4: 0.6. Mixed. A solid electrolyte slurry was prepared by adding a solvent to this mixture and kneading it. This solid electrolyte slurry was applied to the surface of the positive electrode mixture layer of the positive electrode and the surface of the negative electrode mixture layer of the negative electrode, respectively, and naturally dried, and then heated and dried at 120 ° C. As a result, a positive electrode with a first solid electrolyte layer and a negative electrode with a second solid electrolyte layer were obtained. The first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer have the same composition and the same thickness, but are described as first and second for the sake of distinction.
次に、比較例1では、不活性ガス雰囲気下で、固体電解質材料(SSE)としての2種類のLi6PS5Brと、バインダとしてのABRとを、表1に示す質量比率となるように混合した。また、例1〜8、比較例2〜4では、不活性ガス雰囲気下で、Li吸蔵性物質としてのチタン酸リチウム(LTO)と、固体電解質材料(SSE)としてのLi6PS5Brと、バインダとしてのABRとを、表1に示す質量比率となるように混合した。なお、SSEとしては、表1に示すように、平均粒径が相互に異なる2種類の材料(SSE1、SSE2)を用意し、そのうちの1方または両方を使用した。この混合物に溶媒を添加して混練することにより、スラリーを調製した。このスラリーを、アルミニウム箔(支持基材)の表面に塗工し、自然乾燥させた後、120℃で加熱乾燥させた。これにより、支持基材上に、第3固体電解質層を形成した。 Next, in Comparative Example 1, under an inert gas atmosphere, two types of Li 6 PS 5 Br as a solid electrolyte material (SSE) and ABR as a binder have a mass ratio shown in Table 1. Mixed. Further, in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 2 to 4, lithium titanate (LTO) as a Li occlusion substance and Li 6 PS 5 Br as a solid electrolyte material (SSE) were used in an inert gas atmosphere. ABR as a binder was mixed so as to have the mass ratio shown in Table 1. As SSE, as shown in Table 1, two types of materials (SSE1 and SSE2) having different average particle sizes were prepared, and one or both of them were used. A slurry was prepared by adding a solvent to this mixture and kneading it. This slurry was applied to the surface of an aluminum foil (supporting base material), air-dried, and then heat-dried at 120 ° C. As a result, a third solid electrolyte layer was formed on the supporting base material.
〔全固体電池の構築〕
上記作製した第3固体電解質層に、第1固体電解質層付きの正極を重ね、25℃において、面圧1ton/cm2の条件でプレスした。このとき、第1固体電解質層の側が第3固体電解質層と対向するように正極を配置した。次に、第3固体電解質層の表面に付いている支持基材を剥がし、露出した第3固体電解質層の面に第2固体電解質層付きの負極を重ね、25℃において、面圧1ton/cm2の条件でプレスした。このとき、第2固体電解質層の側が第3固体電解質層と対向するように負極を配置した。このようにして、積層方向に、正極と、第1固体電解質層と、第3固体電解質層と、第2固体電解質層と、負極とがこの順に積層された積層構造を有する全固体電池(例1〜8、比較例1〜4)を構築した。
[Construction of all-solid-state battery]
A positive electrode with the first solid electrolyte layer was superposed on the prepared third solid electrolyte layer, and pressed at 25 ° C. under the condition of a surface pressure of 1 ton / cm 2. At this time, the positive electrode was arranged so that the side of the first solid electrolyte layer faces the third solid electrolyte layer. Next, the supporting base material attached to the surface of the third solid electrolyte layer was peeled off, the negative electrode with the second solid electrolyte layer was placed on the exposed surface of the third solid electrolyte layer, and the surface pressure was 1 ton / cm at 25 ° C. Pressed under the condition of 2. At this time, the negative electrode was arranged so that the side of the second solid electrolyte layer faces the third solid electrolyte layer. In this way, an all-solid-state battery having a laminated structure in which the positive electrode, the first solid electrolyte layer, the third solid electrolyte layer, the second solid electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in this order in the stacking direction (eg, 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4) were constructed.
≪抵抗の評価≫
25℃において、上記構築した全固体電池(例1〜8、比較例1〜4)の初期抵抗を測定した。具体的には、まず、電池電圧を3.6Vに調整した。次に、5mAの電流を5秒間印加し、このときの電池電圧の変化を測定した。そして、電池電圧の変化量を印加電流(5mA)で除して、抵抗値を算出した。結果を表1に示す。
≪Evaluation of resistance≫
At 25 ° C., the initial resistance of the above-constructed all-solid-state batteries (Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4) was measured. Specifically, first, the battery voltage was adjusted to 3.6V. Next, a current of 5 mA was applied for 5 seconds, and the change in battery voltage at this time was measured. Then, the resistance value was calculated by dividing the amount of change in the battery voltage by the applied current (5 mA). The results are shown in Table 1.
≪高温保存時の短絡耐性の評価≫
まず、25℃において、上記構築した全固体電池(例1〜8、比較例1〜4)に対し、電池の中心電圧を4Vとして、以下の(1)〜(4):(1)CC充電:10Cのレートで0.1秒間、定電流充電する;(2)休止;(3)CC放電:0.1Cのレートで10秒間、定電流放電する;(4)休止;を1サイクルとして、合計100サイクルのパルス充放電を実施した。次に、上記パルス充放電後の全固体電池を、電池電圧が4.0Vとなるまで0.01CのレートでCC充電した後、60℃の恒温槽で48時間保存した。そして、短絡の有無を評価した。結果を表1に示す。なお、表1では、60℃で保存を開始して、24時間後から48時間後までの間の電圧変化量が0.2V以上の場合を短絡「有り」とし、0.2V未満の場合を短絡「無」と示している。
≪Evaluation of short circuit resistance during high temperature storage≫
First, at 25 ° C., the following (1) to (4): (1) CC charging is performed with respect to the above-constructed all-solid-state battery (Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4), assuming that the center voltage of the battery is 4 V. : Constant current charge at a rate of 10C for 0.1 seconds; (2) Pause; (3) CC discharge: Constant current discharge at a rate of 0.1C for 10 seconds; (4) Pause; A total of 100 cycles of pulse charging and discharging were performed. Next, the all-solid-state battery after the pulse charge / discharge was CC-charged at a rate of 0.01 C until the battery voltage became 4.0 V, and then stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 48 hours. Then, the presence or absence of a short circuit was evaluated. The results are shown in Table 1. In Table 1, when the storage is started at 60 ° C. and the amount of voltage change between 24 hours and 48 hours is 0.2 V or more, the short circuit is “Yes”, and the case where the voltage is less than 0.2 V is short-circuited. Short circuit "None" is shown.
表1に示すように、第3固体電解質層中にLTOを含まない比較例1、第3固体電解質層に平均粒径が0.5μmと大きいLTOを用いた比較例3、および、第3固体電解質層に含まれる固体電解質材料の粒度分布が単峰性である比較例4では、抵抗は低く抑えられていたものの、高温保存時に短絡が発生した。この理由として、比較例3では、LTOの平均粒径が大きかったために、LTOのLi吸蔵能がうまく発揮されず、Liデンドライトの成長を抑制できなかったことが考えられる。また、比較例4では、固体電解質材料の粒度分布が平均粒径3μmの単峰性であったために、第3固体電解質層の緻密性が低下して、Liデンドライトの成長を抑制できなかったことや、Liデンドライトが第3固体電解質層を貫通したことが考えられる。一方、第3固体電解質層に平均粒径が0.1μmと小さいLTOを用いた比較例2では、高温保存時の短絡は認められなかったものの、比較例1に比べて抵抗増加が顕著だった。この理由としては、LTO粒子間の界面が増えた結果、第3固体電解質層の抵抗が増加したためと考えられる。 As shown in Table 1, Comparative Example 1 in which the LTO was not contained in the third solid electrolyte layer, Comparative Example 3 in which the LTO having a large average particle size of 0.5 μm was used in the third solid electrolyte layer, and the third solid. In Comparative Example 4, in which the particle size distribution of the solid electrolyte material contained in the electrolyte layer was monomodal, the resistance was suppressed to a low level, but a short circuit occurred during high-temperature storage. It is considered that the reason for this is that in Comparative Example 3, since the average particle size of LTO was large, the Li storage capacity of LTO was not exhibited well and the growth of Lidendrite could not be suppressed. Further, in Comparative Example 4, since the particle size distribution of the solid electrolyte material was monomodal with an average particle size of 3 μm, the denseness of the third solid electrolyte layer was lowered, and the growth of Lidendrite could not be suppressed. It is also possible that Lidendrite penetrated the third solid electrolyte layer. On the other hand, in Comparative Example 2 in which LTO having a small average particle size of 0.1 μm was used for the third solid electrolyte layer, a short circuit during high temperature storage was not observed, but the resistance increase was remarkable as compared with Comparative Example 1. .. The reason for this is considered to be that the resistance of the third solid electrolyte layer increased as a result of the increase in the interface between the LTO particles.
これら比較例1〜4に対して、第3固体電解質層(Li吸蔵層)において、固体電解質材料の粒度分布が、0.5〜1μmと3〜6μmにピークトップを有する二峰性で、かつ、LTOの平均粒径が0.2〜0.4μmである例1〜8では、高温保存時の短絡耐性に優れていた。さらに、例1〜8は、比較例2に比べて、相対的に抵抗が低く抑えられていた。かかる結果は、ここに開示される技術の意義を示している。 Compared to these Comparative Examples 1 to 4, in the third solid electrolyte layer (Li storage layer), the particle size distribution of the solid electrolyte material is bimodal with peak tops at 0.5 to 1 μm and 3 to 6 μm, and is bimodal. In Examples 1 to 8 in which the average particle size of the LTO was 0.2 to 0.4 μm, the short-circuit resistance during high-temperature storage was excellent. Further, in Examples 1 to 8, the resistance was suppressed to be relatively low as compared with Comparative Example 2. Such results show the significance of the techniques disclosed herein.
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although the present invention has been described in detail above, the above-described embodiments and examples are merely examples, and the inventions disclosed herein include various modifications and modifications of the above-mentioned specific examples.
1 全固体電池
2 正極
4 負極
6 固体電解質層
63 Li吸蔵層
1 All-solid-
Claims (1)
負極活物質を含む負極合材層と、
積層方向において、前記正極合材層と前記負極合材層との間に配置される固体電解質層と、
を備え、
前記固体電解質層は、前記積層方向の一部に、固体電解質材料とチタン酸リチウムとを含むLi吸蔵層を有し、
前記Li吸蔵層において、
前記固体電解質材料は、二峰性の粒度分布を有しており、2つのピークトップが、それぞれ、0.5μm以上1μm以下の範囲内と、3μm以上6μm以下の範囲内と、にあり、
前記チタン酸リチウムの平均粒径は、0.2μm以上0.4μm以下である、
全固体電池。 A positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material and
Negative electrode mixture layer containing negative electrode active material and
A solid electrolyte layer arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer in the stacking direction,
With
The solid electrolyte layer has a Li storage layer containing a solid electrolyte material and lithium titanate in a part of the stacking direction.
In the Li occlusion layer
The solid electrolyte material has a bimodal particle size distribution, and the two peak tops are in the range of 0.5 μm or more and 1 μm or less and in the range of 3 μm or more and 6 μm or less, respectively.
The average particle size of the lithium titanate is 0.2 μm or more and 0.4 μm or less.
All solid state battery.
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