JP7328166B2 - All-solid secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an all-solid secondary battery having excellent load characteristics and high temperature characteristics.
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型・軽量で、かつ高容量・高エネルギー密度の二次電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers, and the commercialization of electric vehicles, there is a growing need for secondary batteries that are compact, lightweight, and have high capacity and high energy density. It has become to.
現在、この要求に応え得るリチウム二次電池、特にリチウムイオン二次電池では、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)などのリチウム含有複合酸化物が用いられ、負極活物質に黒鉛などが用いられ、非水電解質として有機溶媒とリチウム塩とを含む有機電解液が用いられている。 At present, in lithium secondary batteries, especially lithium ion secondary batteries, which can meet this demand, lithium-containing composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) are used as positive electrode active materials. Graphite or the like is used as a negative electrode active material, and an organic electrolytic solution containing an organic solvent and a lithium salt is used as a non-aqueous electrolyte.
そして、リチウムイオン二次電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン二次電池の更なる長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化が求められていると共に、長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化したリチウムイオン二次電池の信頼性も高く求められている。 With the further development of lithium-ion secondary battery application equipment, there is a demand for longer life, higher capacity, and higher energy density of lithium-ion secondary batteries. Reliability of lithium-ion secondary batteries with increased capacity and increased energy density is also highly demanded.
しかし、リチウムイオン二次電池に用いられている有機電解液は、可燃性物質である有機溶媒を含んでいるため、電池に短絡などの異常事態が発生した際に、有機電解液が異常発熱する可能性がある。また、近年のリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化および有機電解液中の有機溶媒量の増加傾向に伴い、より一層リチウムイオン二次電池の信頼性が求められている。 However, since the organic electrolyte used in lithium-ion secondary batteries contains an organic solvent, which is a combustible substance, the organic electrolyte generates abnormal heat when an abnormal situation such as a short circuit occurs in the battery. there is a possibility. In addition, with the recent trends toward higher energy densities in lithium-ion secondary batteries and an increase in the amount of organic solvents in organic electrolytes, the reliability of lithium-ion secondary batteries is required to be even higher.
以上のような状況において、有機溶媒を用いない全固体型のリチウム二次電池(全固体二次電池)が注目されている。全固体二次電池は、従来の有機溶媒系電解質に代えて、有機溶媒を用いない固体電解質の成形体を用いるものであり、固体電解質の異常発熱の虞がなく、高い安全性を備えている。 Under the circumstances described above, an all-solid-state lithium secondary battery (all-solid-state secondary battery) that does not use an organic solvent has attracted attention. The all-solid secondary battery uses a solid electrolyte molded body that does not use an organic solvent instead of a conventional organic solvent-based electrolyte, and has a high degree of safety without the risk of abnormal heat generation of the solid electrolyte. .
また、全固体二次電池においては、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1には、正極活物質層および固体電解質層が、酸素を有する硫化物系固体電解質を含有しておらず、かつ酸素を有しない硫化物系固体電解質を含有しており、さらに、負極活物質層が、負極活物質としてグラファイトを含有しており、かつ酸素を有する硫化物系固体電解質を含有している全固体電池が記載されている。
Also, various improvements have been attempted in all-solid secondary batteries. For example, in
酸素を有する硫化物系固体電解質は、熱的に安定ではあるものの、酸素を有しない硫化物系固体電解質と比較してイオン電導度が低いため、全固体電池に用いた場合に電池抵抗が大きくなる。特許文献1に記載の技術では、酸素を有する硫化物系固体電解質を負極活物質層のみに含有させることにより、卑な電位で負極活物質(グラファイト)にLiの脱挿入反応が起こることにより生じる固体電解質の還元分解を抑制するとともに、正極活物質層および固体電解質層には酸素を有する硫化物系固体電解質を含有させず、かつ酸素を有しない硫化物系固体電解質を含有させることにより、低い電池抵抗を実現できるとしている。
A sulfide-based solid electrolyte containing oxygen is thermally stable, but has a lower ionic conductivity than a sulfide-based solid electrolyte that does not contain oxygen. Therefore, when used in an all-solid battery, the battery resistance is large. Become. In the technique described in
また、特許文献2には、立方晶系アルジロダイト(Argurodite)型結晶構造の結晶相を含有し、Li7-x+yPS6-xClx+yの組成式で表されるリチウムイオン電池用硫化物系固体電解質化合物であって、xおよびyが、0.05≦y≦0.9および-3.0x+1.8≦y≦-3.0x+5.7を満足するものは、耐酸化性および耐水性に優れているため、大気に触れたとしても、大気中の水分との反応に起因する硫化水素発生量を有効に抑え得ることが記載されている。 Further, in Patent Document 2, a sulfide-based solid for lithium ion batteries containing a crystal phase of a cubic argurodite type crystal structure and represented by a composition formula of Li 7-x+y PS 6-x Cl x+y An electrolyte compound in which x and y satisfy 0.05≦y≦0.9 and −3.0x+1.8≦y≦−3.0x+5.7 has excellent oxidation resistance and water resistance. Therefore, even if it comes into contact with air, it is possible to effectively suppress the amount of hydrogen sulfide generated due to reaction with moisture in the air.
さらに、特許文献3には、立方晶系アルジロダイト(Argurodite)型結晶構造の結晶相を有し、Li7-xPS6-xClyBrzの組成式で表される硫化物系化合物において、x=y+zかつ1.0<x≦1.8を満足し、Clのモル比に対するBrのモル比の割合(z/y)を0.1~10.0の範囲に規定することにより、高いイオン伝導率を維持しながら、ヤング率を低くし得ることが記載されている。また、特許文献3では、前記の硫化物系化合物を使用することにより、全固体電池の電極を作成する際にプレス圧を掛けると、当該固体電解質が潰れて活物質粒子間の隙間を埋めることができ、活物質粒子との接触点および接触面積を高めることができるため、電池抵抗を低くすることができるとしている。 Furthermore, in Patent Document 3, a sulfide compound having a crystal phase of a cubic Argurodite type crystal structure and represented by a composition formula of Li 7-x PS 6-x Cl y Br z , By satisfying x = y + z and 1.0 < x ≤ 1.8, and defining the ratio (z / y) of the molar ratio of Br to the molar ratio of Cl in the range of 0.1 to 10.0, a high It is stated that the Young's modulus can be lowered while maintaining ionic conductivity. Further, in Patent Document 3, by using the sulfide-based compound, when a press pressure is applied when creating an electrode of an all-solid-state battery, the solid electrolyte is crushed to fill the gaps between the active material particles. It is possible to increase the contact points and contact area with the active material particles, so that the battery resistance can be reduced.
ところで、現在、全固体二次電池においては、その適用分野が急速に拡大しており、例えば大きな電流値での放電が求められる用途への適用も考えられることから、これに応え得るように負荷特性を高めることが求められ、また、高温下での電池特性をより高めることへの要請もある。 By the way, at present, the application field of all-solid-state secondary batteries is rapidly expanding. There is a demand to improve the characteristics, and there is also a demand to further improve the battery characteristics at high temperatures.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an all-solid secondary battery that is excellent in load characteristics and high temperature characteristics.
本発明の全固体二次電池は、負極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する負極合剤の成形体を有する負極、正極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有する正極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有し、前記負極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(1)
Li7-xPS6-xClyBrz (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、前記正極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(2)
Li7-a+bPS6-aCla+b (2)
〔前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、-3.0a+1.8≦b≦-3.0a+5.7である〕で表される硫化物系固体電解質(B)を含有することを特徴とするものである。
The all-solid secondary battery of the present invention comprises a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte, a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte. A positive electrode having a molded body, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the molded body of the negative electrode mixture is represented by the following general formula (1) as the solid electrolyte
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
A sulfide-based solid electrolyte (A) represented by [in the general formula (1), x = y + z, 1.0 < x ≤ 1.8, 0.1 ≤ z/y ≤ 10.0] The molded body of the positive electrode mixture contains, as the solid electrolyte, the following general formula (2)
Li 7-a+b PS 6-a Cl a+b (2)
A sulfide-based solid electrolyte (B) represented by [0.05 ≤ b ≤ 0.9 and -3.0a + 1.8 ≤ b ≤ -3.0a + 5.7 in the general formula (2)] It is characterized by containing
本発明によれば、負荷特性および高温特性に優れた全固体二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid secondary battery with excellent load characteristics and high temperature characteristics.
本発明の全固体二次電池は、負極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する負極合剤の成形体を有する負極、正極活物質、導電助剤および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有する正極、および正極と負極との間に介在する固体電解質層を有している。そして、負極合剤の成形体は、下記一般式(1)で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、正極合剤の成形体は、下記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B)を含有している。 The all-solid secondary battery of the present invention comprises a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte, a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte. It has a positive electrode having a molded body and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode. The molded negative electrode mixture contains a sulfide-based solid electrolyte (A) represented by the following general formula (1), and the molded positive electrode mixture is represented by the following general formula (2). It contains a sulfide-based solid electrolyte (B).
Li7-xPS6-xClyBrz (1) Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である。 In the general formula (1), x=y+z, 1.0<x≤1.8, and 0.1≤z/y≤10.0.
Li7-a+bPS6-aCla+b (2) Li 7-a+b PS 6-a Cl a+b (2)
前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、-3.0a+1.8≦b≦-3.0a+5.7である。 In the general formula (2), 0.05≤b≤0.9 and -3.0a+1.8≤b≤-3.0a+5.7.
硫化物系固体電解質(A)は、イオン伝導性に優れ、かつ柔軟性が高いことから、正極や負極の合剤の成形体に使用すると、合剤の成形体のイオン伝導性を高めることができると共に、活物質粒子同士の間を、空隙の介在を抑制しつつ硫化物系固体電解質(A)で良好に埋めることができるため、合剤の充填率を向上させて正極や負極の利用率を高めることができる。 Since the sulfide-based solid electrolyte (A) has excellent ionic conductivity and high flexibility, when it is used in positive electrode and negative electrode mixture molded bodies, the ionic conductivity of the mixture molded bodies can be increased. In addition, since the space between the active material particles can be satisfactorily filled with the sulfide-based solid electrolyte (A) while suppressing the inclusion of voids, the filling rate of the mixture can be improved and the utilization rate of the positive electrode and the negative electrode can increase
ところが、硫化物系固体電解質(A)は、高電位で酸化して絶縁体となりやすいため、正極に使用した場合には、正極合剤の成形体のイオン伝導性を高くすることが困難である。また、硫化物系固体電解質(A)の酸化反応は特に高温環境下で生じやすいため、全固体二次電池がこのような環境下に長時間置かれると、電池特性が低下してしまう。 However, since the sulfide-based solid electrolyte (A) is likely to be oxidized at a high potential and become an insulator, it is difficult to increase the ionic conductivity of the molded positive electrode mixture when used for the positive electrode. . In addition, since the oxidation reaction of the sulfide-based solid electrolyte (A) tends to occur particularly in a high-temperature environment, if the all-solid secondary battery is placed in such an environment for a long time, the battery characteristics will deteriorate.
そこで、本発明では、硫化物系固体電解質(A)を負極合剤の成形体に使用し、正極合剤の成形体には、硫化物系固体電解質(B)を使用することとした。硫化物系固体電解質(B)は、硫化物系固体電解質(A)よりも安定性が高く、高電位でも酸化が生じ難い。よって、硫化物系固体電解質(A)を負極に用いることにより、負極合剤の成形体のイオン伝導性や利用率を高めて負極の負荷特性を向上させることができ、正極においては、硫化物系固体電解質(B)を用いることによって酸化による特性低下を抑えることができる。 Therefore, in the present invention, the sulfide-based solid electrolyte (A) is used for the molded negative electrode mixture, and the sulfide-based solid electrolyte (B) is used for the molded positive electrode mixture. The sulfide-based solid electrolyte (B) has higher stability than the sulfide-based solid electrolyte (A) and is less likely to be oxidized even at high potentials. Therefore, by using the sulfide-based solid electrolyte (A) for the negative electrode, it is possible to improve the load characteristics of the negative electrode by increasing the ion conductivity and utilization rate of the molded negative electrode mixture. By using the system solid electrolyte (B), deterioration of properties due to oxidation can be suppressed.
本発明の全固体二次電池では、前記の各作用により、負荷特性および高温特性の向上を可能としている。 In the all-solid secondary battery of the present invention, it is possible to improve load characteristics and high-temperature characteristics due to the above effects.
以下に、本発明の全固体二次電池の詳細について説明する。 The details of the all-solid secondary battery of the present invention are described below.
(負極)
全固体二次電池の負極は、負極活物質、導電助剤および硫化物系固体電解質(A)などを含む負極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる負極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の負極などが挙げられる。
(negative electrode)
The negative electrode of the all-solid secondary battery has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive aid, a sulfide-based solid electrolyte (A), and the like. , a negative electrode having a structure in which the molded body and the current collector are integrated, and the like.
負極活物質としては、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などのリチウムを吸蔵・放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si、Sn、Ge、Bi、Sb、Inなどの元素を含む単体、化合物およびその合金;リチウム含有窒化物またはリチウム含有酸化物などのリチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物;リチウム金属;リチウム/アルミニウム合金;も、負極活物質として用いることができる。 Examples of negative electrode active materials include graphite, pyrolytic carbons, cokes, vitreous carbons, sintered organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon fibers, and the like, which can occlude and release lithium. One or a mixture of two or more carbonaceous materials is used. Elements, compounds, and alloys thereof containing elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, and In; compounds that can be charged and discharged at low voltages close to lithium metal, such as lithium-containing nitrides or lithium-containing oxides; lithium metal a lithium/aluminum alloy; can also be used as the negative electrode active material.
これらの中でも、リチウムチタン酸化物を用いることが好ましい。リチウムチタン酸化物としては、下記一般式(3)で表されるものが挙げられる。 Among these, lithium titanium oxide is preferably used. Lithium titanium oxides include those represented by the following general formula (3).
Li[Li1/3-cM1 cTi5/3-dM2 d]O4 (3) Li[Li 1/3-c M 1 c Ti 5/3-d M 2 d ]O 4 (3)
前記一般式(3)中、M1は、Na、Mg、K、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、M2は、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Ym、Zr、Nb、Mo、TaおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦c<1/3、0≦d<5/3である。 In the general formula (3), M1 is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, K, Ca, Sr and Ba, and M2 is Al, V, Cr, Fe, Co , Ni, Zn, Ym, Zr, Nb, Mo, Ta and W, and 0≦c<1/3 and 0≦d<5/3.
すなわち、前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物においては、Liの一部が元素M1で置換されていてもよい。ただし、前記一般式(3)において、元素M1の比率を表すcは、1/3未満であることが好ましい。前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物において、Liは元素M1で置換されていなくてもよいため、元素M1の比率を表すcは0でもよい。 That is, in the lithium titanium oxide represented by the general formula (3), part of Li may be substituted with the element M1 . However, in the general formula (3), c representing the ratio of the element M1 is preferably less than 1/3. In the lithium titanium oxide represented by the general formula (3), Li may not be substituted with the element M1 , so c representing the ratio of the element M1 may be 0.
また、前記一般式(3)で表されるリチウムチタン酸化物において、元素M2はリチウムチタン酸化物の電子伝導性を高めるための成分であり、元素M2の比率を表すdが、0≦d<5/3である場合には、その電子伝導性向上効果を良好に確保することができる。 In the lithium-titanium oxide represented by the general formula (3), the element M2 is a component for increasing the electronic conductivity of the lithium-titanium oxide, and d representing the ratio of the element M2 is 0≤ When d<5/3, the effect of improving the electron conductivity can be satisfactorily secured.
負極活物質にリチウムチタン酸化物と他の負極活物質とを使用する場合、負極活物質全量中のリチウムチタン酸化物以外の負極活物質の割合は、30質量%以下であることが好ましい。 When lithium titanium oxide and another negative electrode active material are used as the negative electrode active material, the proportion of the negative electrode active material other than the lithium titanium oxide in the total amount of the negative electrode active material is preferably 30% by mass or less.
負極合剤における負極活物質の含有量は、45~65質量%であることが好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is preferably 45 to 65% by mass.
負極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。負極合剤における導電助剤の含有量は、負極合剤の成形体内での電子伝導性を良好にする観点から、5質量%以上であることが好ましく、7質量%以上であることがより好ましい。また、負極合剤中の導電助剤量が多すぎると、負極合剤の成形体中に空隙が多くなりやすく、その密度を高めることが困難になって、全固体二次電池の体積エネルギー密度が小さくなる虞がある。よって、負極合剤の成形体の空隙率を小さくする観点から、負極合剤における導電助剤の含有量は、15質量%以下であることが好ましく、12質量%以下であることがより好ましい。 Carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes can be used as the conductive aid for the negative electrode. The content of the conductive aid in the negative electrode mixture is preferably 5% by mass or more, more preferably 7% by mass or more, from the viewpoint of improving the electron conductivity in the negative electrode mixture molded body. . In addition, if the amount of the conductive additive in the negative electrode mixture is too large, voids tend to increase in the molded negative electrode mixture, making it difficult to increase the density, resulting in the volume energy density of the all-solid secondary battery. is likely to become smaller. Therefore, from the viewpoint of reducing the porosity of the molded negative electrode mixture, the content of the conductive aid in the negative electrode mixture is preferably 15% by mass or less, more preferably 12% by mass or less.
負極の固体電解質には、前記一般式(1)で表される硫化物系固体電解質(A)を使用するが、負極合剤は、硫化物系固体電解質(A)と共に他の固体電解質を含有していてもよい。硫化物系固体電解質(A)と併用し得る他の固体電解質としては、以下に例示する硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 The solid electrolyte of the negative electrode uses the sulfide-based solid electrolyte (A) represented by the general formula (1), and the negative electrode mixture contains the sulfide-based solid electrolyte (A) and other solid electrolytes. You may have Other solid electrolytes that can be used in combination with the sulfide-based solid electrolyte (A) include sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like exemplified below.
硫化物系固体電解質(A)以外の硫化物固体電解質としては、前記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B);Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-P2S5-GeS2、Li2S-B2S3系ガラス;Li10GeP2S12(LGPS系);などが挙げられる。 Sulfide solid electrolytes other than the sulfide solid electrolyte (A) include the sulfide solid electrolyte (B) represented by the general formula (2); Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 SP 2 S 5 -GeS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 system glass; Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS system);
水素化物系固体電解質としては、例えば、LiBH4、LIBH4と下記のアルカリ金属化合物との固溶体(例えば、LiBH4とアルカリ金属化合物とのモル比が1:1~20:1のもの)などが挙げられる。前記固溶体におけるアルカリ金属化合物としては、ハロゲン化リチウム(LiI、LiBr、LiF、LiClなど)、ハロゲン化ルビジウム(RbI、RbBr、RbiF、RbClなど)、ハロゲン化セシウム(CsI、CsBr、CsF、CsClなど)、リチウムアミド、ルビジウムアミドおよびセシウムアミドよりなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。 Examples of hydride-based solid electrolytes include LiBH 4 , solid solutions of LIBH 4 and the following alkali metal compounds (for example, LiBH 4 and alkali metal compounds having a molar ratio of 1:1 to 20:1), and the like. mentioned. Examples of alkali metal compounds in the solid solution include lithium halides (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halides (RbI, RbBr, RbiF, RbCl, etc.), and cesium halides (CsI, CsBr, CsF, CsCl, etc.). , lithium amide, rubidium amide and cesium amide.
酸化物系固体電解質としては、例えば、Li7La3Zr2O12、LiTi(PO4)3、LiGe(PO4)3、LiLaTiO3などが挙げられる。 Examples of oxide-based solid electrolytes include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi(PO 4 ) 3 , LiGe(PO 4 ) 3 and LiLaTiO 3 .
ただし、負極合剤に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 However, the ratio of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (A) in the total amount of the solid electrolyte used in the negative electrode mixture is preferably 30% by mass or less, and the sulfide-based solid electrolyte other than (A) solid electrolyte.
負極合剤における固体電解質の含有量は、35~55質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture is preferably 35 to 55% by mass.
負極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは負極合剤中においても抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、負極合剤においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。負極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The negative electrode mixture may or may not contain a resin binder. Examples of the resin binder include fluorine resin such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component even in the negative electrode mixture, its amount should be as small as possible. Therefore, it is preferable that the negative electrode mixture does not contain a resin binder, or if it contains a resin binder, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resin binder in the negative electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and more preferably 0% by mass (that is, does not contain the resin binder).
負極に集電体を用いる場合、その集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the negative electrode, the current collector may be copper or nickel foil, punching metal, mesh, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, or the like.
負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質、導電助剤および固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した負極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 The molded body of the negative electrode mixture is prepared by, for example, mixing the negative electrode active material, the conductive agent, the solid electrolyte, and the binder added as necessary, and compressing the negative electrode mixture by pressure molding or the like. can be formed by
集電体を有する負極の場合には、前記のような方法で形成した負極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a negative electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding the molded body of the negative electrode mixture formed by the method described above to the current collector by pressure bonding or the like.
負極合剤の成形体の厚み(集電体を有する負極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。なお、電池の負荷特性は、一般に正極や負極を薄くすることで向上しやすいが、本発明によれば、負極合剤の成形体が200μm以上と厚い場合においても、その負荷特性を高めることが可能である。よって、本発明においては、負極合剤の成形体の厚みが例えば200μm以上の場合に、その効果がより顕著となる。そして、本発明においては、正極合剤の成形体の厚みが200μm以上であり、かつ負極合剤の成形体の厚みが200μm以上である場合に、その効果が特に顕著となる。また、負極合剤の成形体の厚みは、通常、3000μm以下である。 The thickness of the negative electrode mixture molded body (in the case of a negative electrode having a current collector, the thickness of the positive electrode mixture molded body per one side of the current collector; hereinafter the same) is determined from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more. Generally, the load characteristics of a battery tend to be improved by making the positive electrode and the negative electrode thinner. According to the present invention, the load characteristics can be improved even when the molded body of the negative electrode mixture is as thick as 200 μm or more. It is possible. Therefore, in the present invention, the effect becomes more remarkable when the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is, for example, 200 μm or more. In the present invention, the effect is particularly remarkable when the thickness of the molded positive electrode mixture is 200 μm or more and the thickness of the molded negative electrode mixture is 200 μm or more. In addition, the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is usually 3000 μm or less.
負極合剤の成形体は、空隙率が20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。負極合剤の成形体においては、柔軟性に優れる硫化物系固体電解質(A)を使用することで、前記のような低い空隙率として充填密度を高め得ることから、成形体内での活物質の利用率をより高めることができる。なお、負極合剤の成形体の空隙率は低いほど好ましいが、完全に空隙のない状態で成形体を得ることは容易ではなく、その下限値は、通常は、10%程度である。 The molded body of the negative electrode mixture preferably has a porosity of 20% or less, more preferably 15% or less. In the molded body of the negative electrode mixture, by using the sulfide-based solid electrolyte (A) with excellent flexibility, the filling density can be increased with a low porosity as described above. Utilization rate can be increased. The void ratio of the negative electrode mixture compact is preferably as low as possible, but it is not easy to obtain a compact with no voids, and the lower limit is usually about 10%.
本明細書でいう負極合剤の成形体の空隙率は、負極合剤の成形体の厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記式(4)を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算される値である。 The porosity of the molded body of the negative electrode mixture referred to in this specification is the total sum of each component i using the following formula (4) from the thickness of the molded body of the negative electrode mixture, the mass per area, and the density of the constituent components. is a value calculated by finding
P = 100-(Σai/ρi)×(m/t) (4) P = 100-(Σai/ρi)×(m/t) (4)
ここで、前記式(4)中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm3)、m:負極合剤の成形体の単位面積あたりの質量(g/cm2)、t:負極合剤の成形体の厚み(cm)である。 Here, in the above formula (4), ai is the ratio of component i expressed in mass %, ρi is the density of component i (g/cm 3 ), and m is the mass per unit area of the molded negative electrode mixture ( g/cm 2 ), t: the thickness (cm) of the molded body of the negative electrode mixture.
(正極)
全固体二次電池の正極は、正極活物質、導電助剤および硫化物系固体電解質(B)などを含む正極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる正極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の正極などが挙げられる。
(positive electrode)
The positive electrode of the all-solid-state secondary battery has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive aid, a sulfide-based solid electrolyte (B), and the like. , a positive electrode having a structure in which the molded body and the current collector are integrated, and the like.
正極活物質は、従来から知られているリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Liイオンを吸蔵・放出可能な活物質であれば特に制限はない。正極活物質の具体例としては、LiMxMn2-xO4(ただし、Mは、Li、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Sb、In、Nb、Mo、W、Y、RuおよびRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.01≦x≦0.5)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、LixMn(1-y-x)NiyMzO(2-k)Fl(ただし、Mは、Co、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、SrおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0<y<0.5、0≦z≦0.5、k+l<1、-0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状化合物、LiCo1-xMxO2(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、LiNi1-xMxO2(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、LiM1-xNxPO4(ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるオリビン型複合酸化物、Li4Ti5O12で表されるリチウムチタン複合酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material used in conventionally known lithium ion secondary batteries, that is, an active material capable of intercalating/releasing Li ions. Specific examples of the positive electrode active material include LiM x Mn 2-x O 4 (where M is Li, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Al , Sn, Sb, In, Nb, Mo, W, Y, Ru and Rh, and is at least one element selected from the group consisting of 0.01 ≤ x ≤ 0.5). Manganese composite oxide, Li x Mn (1-y-x) Ni y M z O (2-k) F l (where M is Co, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu , Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr and W, and at least one element selected from the group consisting of 0.8≦x≦1.2, 0<y<0.5, 0≦z ≤ 0.5, k + l < 1, -0.1 ≤ k ≤ 0.2, 0 ≤ l ≤ 0.1), LiCo 1-x M x O 2 (where M is Al , Mg, Ti, Zr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, and 0≦x≦0.5 ) LiNi 1-x M x O 2 (where M is Al, Mg, Ti, Zr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn , Sb and Ba, and a lithium-nickel composite oxide represented by 0≦x≦0.5, LiM 1-x N x PO 4 (where M is , Fe, Mn and Co, wherein N is Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba At least one element selected from the group consisting of an olivine-type composite oxide represented by 0≦x≦0.5), a lithium-titanium composite oxide represented by Li 4 Ti 5 O 12 , etc. One of these may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
正極活物質は、その表面に、正極活物質と固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を有することができる。反応抑制層は、イオン伝導性を有し、正極活物質と固体電解質との反応を抑制できる材料で構成されていればよい。反応抑制層を構成し得る材料としては、例えば、Liと、Nb、P、B、Si、Ge、TiおよびZrよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む酸化物、より具体的には、LiNbO3、Li3PO4、Li3BO3、Li4SiO4、Li4GeO4、LiTiO3、LiZrO3などが挙げられる。反応抑制層は、これらの酸化物のうちの1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよく、さらに、これらの酸化物のうちの複数種が複合化合物を形成していてもよい。これらの酸化物の中でも、LiNbO3を使用することが好ましい。 The positive electrode active material can have a reaction suppression layer on its surface for suppressing reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. The reaction suppression layer may be composed of a material that has ion conductivity and that can suppress the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. Materials that can constitute the reaction suppression layer include, for example, oxides containing Li and at least one element selected from the group consisting of Nb, P, B, Si, Ge, Ti and Zr, more specifically include LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , LiTiO 3 , LiZrO 3 and the like. The reaction-suppressing layer may contain only one of these oxides, or may contain two or more of these oxides. may form Among these oxides, it is preferable to use LiNbO3 .
反応抑制層がLiNbO3の場合には、正極活物質の質量に対する反応抑制層中に含まれるNbの質量の割合が、0.5~2.5質量%となるよう反応抑制層の被覆量を調整することが好ましい。 When the reaction-suppressing layer is LiNbO 3 , the coating amount of the reaction-suppressing layer is adjusted so that the ratio of the mass of Nb contained in the reaction-suppressing layer to the mass of the positive electrode active material is 0.5 to 2.5% by mass. Adjusting is preferred.
正極活物質の表面に反応抑制層を形成する方法としては、ゾルゲル法、メカノフュージョン法、CVD法、PVD法などが挙げられる。 Sol-gel method, mechanofusion method, CVD method, PVD method, etc. are mentioned as a method of forming a reaction suppression layer on the surface of a positive electrode active material.
正極合剤における正極活物質の含有量は、60~85質量%であることが好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 60 to 85% by mass.
正極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。正極合剤における導電助剤の含有量は、1~10質量%であることが好ましい。 Carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofiber, carbon nanotube, and the like can be used as the conductive additive for the positive electrode. The content of the conductive aid in the positive electrode mixture is preferably 1 to 10% by mass.
正極の固体電解質には、前記一般式(2)で表される硫化物系固体電解質(B)を使用するが、正極合剤は、硫化物系固体電解質(B)と共に他の固体電解質を含有していてもよい。硫化物系固体電解質(B)と併用し得る他の固体電解質としては、硫化物系固体電解質(A)や、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示したものと同じ硫化物系固体電解質〔硫化物系固体電解質(B)に該当しないもの〕、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte (B) represented by the general formula (2) is used as the solid electrolyte of the positive electrode, and the positive electrode mixture contains the sulfide-based solid electrolyte (B) and other solid electrolytes. You may have Other solid electrolytes that can be used in combination with the sulfide-based solid electrolyte (B) include the sulfide-based solid electrolyte (A) and the same sulfide-based solid electrolytes as those previously exemplified as those that can be contained in the positive electrode mixture. [Sulfide-based solid electrolytes (B)], hydride-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like.
ただし、正極合剤に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質(B)以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質(B)以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 However, the ratio of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (B) in the total amount of the solid electrolyte used in the positive electrode mixture is preferably 30% by mass or less, and the sulfide-based solid electrolyte other than (B) solid electrolyte.
正極合剤における固体電解質の含有量は、15~40質量%であることが好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is preferably 15 to 40% by mass.
正極合剤には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは正極合剤中において抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、正極合剤においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合にはその含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。正極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The positive electrode mixture may or may not contain a resin binder. Examples of the resin binder include fluorine resin such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component in the positive electrode mixture, the amount thereof should be as small as possible. Therefore, it is preferable that the positive electrode mixture does not contain a resin binder, or if it contains a resin binder, the content thereof is 0.5% by mass or less. The content of the resin binder in the positive electrode mixture is more preferably 0.3% by mass or less, and more preferably 0% by mass (that is, does not contain the resin binder).
正極に集電体を使用する場合、その集電体としては、アルミニウムやステンレス鋼などの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the positive electrode, the current collector may be foil of metal such as aluminum or stainless steel, punching metal, net, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, or the like.
正極合剤の成形体は、例えば、正極活物質、導電助剤および固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した正極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 The molded body of the positive electrode mixture is produced by, for example, compressing the positive electrode mixture prepared by mixing the positive electrode active material, the conductive agent, the solid electrolyte, and the binder added as necessary, by pressure molding or the like. can be formed by
集電体を有する正極の場合には、前記のような方法で形成した正極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a positive electrode having a current collector, it can be produced by bonding the positive electrode material mixture formed by the method described above to the current collector by pressure bonding or the like.
正極合剤の成形体の厚み(集電体を有する正極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。なお、電池の負荷特性は、一般に正極や負極を薄くすることで向上しやすいが、本発明によれば、正極合剤の成形体が200μm以上と厚い場合においても、その負荷特性を高めることが可能である。よって、本発明においては、正極合剤の成形体の厚みが例えば200μm以上の場合に、その効果がより顕著となる。また、正極合剤の成形体の厚みは、通常、2000μm以下である。 The thickness of the positive electrode mixture molded body (in the case of a positive electrode having a current collector, the thickness of the positive electrode mixture molded body per one side of the current collector; hereinafter the same) is determined from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. , 200 μm or more. The load characteristics of a battery generally tend to be improved by making the positive electrode and the negative electrode thinner, but according to the present invention, the load characteristics can be improved even when the molded body of the positive electrode mixture is as thick as 200 μm or more. It is possible. Therefore, in the present invention, the effect becomes more remarkable when the thickness of the molded body of the positive electrode mixture is, for example, 200 μm or more. In addition, the thickness of the positive electrode mixture molded body is usually 2000 μm or less.
(固体電解質層)
全固体二次電池の固体電解質層における固体電解質には、硫化物系固体電解質(A)、硫化物系固体電解質(B)、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示したものと同じ硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などのうちの1種または2種以上を使用することができる。これらの中でも、特にイオン伝導性が優れており、電池の負荷特性をより高め得ることから、硫化物系固体電解質が好ましく、硫化物系固体電解質(A)がより好ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte in the solid electrolyte layer of the all-solid secondary battery includes a sulfide-based solid electrolyte (A), a sulfide-based solid electrolyte (B), and the same sulfides as those previously exemplified as those that can be contained in the positive electrode mixture. It is possible to use one or more of solid electrolytes, hydride solid electrolytes, oxide solid electrolytes, and the like. Among these, the sulfide-based solid electrolyte is preferable, and the sulfide-based solid electrolyte (A) is more preferable, because it has particularly excellent ion conductivity and can further improve the load characteristics of the battery.
なお、硫化物系固体電解質(A)を用いて構成した固体電解質層を正極と接触させても、正極(正極合剤の成形体)においては、正極活物質粒子の表面の多くの部分が硫化物系固体電解質(B)と接しているため、固体電解質層と正極活物質との直接の接触箇所はあまり多くないことから、硫化物系固体電解質(A)の酸化は生じ難い。 Even when the solid electrolyte layer formed using the sulfide-based solid electrolyte (A) is brought into contact with the positive electrode, most of the surface of the positive electrode active material particles is sulfided in the positive electrode (positive electrode mixture molded body). Since the sulfide-based solid electrolyte (A) is in contact with the solid electrolyte (B), there are not many direct contact points between the solid electrolyte layer and the positive electrode active material, so oxidation of the sulfide-based solid electrolyte (A) is unlikely to occur.
また、固体電解質層を多層構造とし、正極と接する面側の層を硫化物系固体電解質(A)以外の固体電解質〔例えば、硫化物系固体電解質(B)などの硫化物系固体電解質〕で構成し、他の層を硫化物系固体電解質(A)で構成することで、固体電解質層のイオン伝導性を高めつつ、その酸化をより高度に抑制することもできる。 In addition, the solid electrolyte layer has a multilayer structure, and the layer on the side in contact with the positive electrode is a solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte (A) [for example, a sulfide-based solid electrolyte such as the sulfide-based solid electrolyte (B)]. By forming the other layer with the sulfide-based solid electrolyte (A), the ionic conductivity of the solid electrolyte layer can be increased, and oxidation of the solid electrolyte layer can be suppressed to a higher degree.
さらに、固体電解質層は、樹脂製の不織布などの多孔質体を支持体として有していてもよい。 Furthermore, the solid electrolyte layer may have a porous body such as resin nonwoven fabric as a support.
なお、固体電解質層に使用する固体電解質の全量中の、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の割合は、30質量%以下とすることが好ましく、硫化物系固体電解質以外の固体電解質を含んでいなくてもよい。 In addition, the ratio of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of the solid electrolyte used in the solid electrolyte layer is preferably 30% by mass or less, and the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte is included. You don't have to.
固体電解質層は、固体電解質を加圧成形などによって圧縮する方法;固体電解質を溶媒に分散させて調製した固体電解質層形成用組成物を基材や正極、負極の上に塗布して乾燥し、必要に応じてプレス処理などの加圧成形を行う方法:などで形成することができる。 The solid electrolyte layer is formed by compressing the solid electrolyte by pressure molding or the like; a composition for forming a solid electrolyte layer prepared by dispersing the solid electrolyte in a solvent is applied on the substrate, the positive electrode, and the negative electrode, and dried; It can be formed by a method in which pressure molding such as press processing is performed as necessary.
固体電解質層形成用組成物に使用する溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが好ましい。特に、硫化物系固体電解質や水素化物系固体電解質は、微少量の水分によって化学反応を起こすため、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、デカリン、トルエン、キシレンなどの炭化水素溶媒に代表される非極性非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。特に、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することがより好ましい。また、三井・デュポンフロロケミカル社製の「バートレル(登録商標)」、日本ゼオン社製の「ゼオローラ(登録商標)」、住友3M社製の「ノベック(登録商標)」などのフッ素系溶媒、並びに、ジクロロメタン、ジエチルエーテルなどの非水系有機溶媒を使用することもできる。 As for the solvent used in the solid electrolyte layer-forming composition, it is preferable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte. In particular, sulfide-based solid electrolytes and hydride-based solid electrolytes are represented by hydrocarbon solvents such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, decalin, toluene, and xylene, since chemical reactions occur with minute amounts of moisture. Preference is given to using non-polar aprotic solvents. In particular, it is more preferable to use a super-dehydrated solvent with a water content of 0.001% by mass (10 ppm) or less. In addition, fluorine-based solvents such as "Vertrel (registered trademark)" manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemicals, "Zeorolla (registered trademark)" manufactured by Nippon Zeon, "Novec (registered trademark)" manufactured by Sumitomo 3M, and , dichloromethane, and diethyl ether can also be used.
固体電解質層の厚みは、100~300μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100-300 μm.
(電極体)
正極と負極とは、固体電解質層を介して積層した積層電極体や、さらにこの積層電極体を巻回した巻回電極体の形態で、電池に用いることができる。
(electrode body)
The positive electrode and the negative electrode can be used in a battery in the form of a laminated electrode body in which a solid electrolyte layer is interposed, or a wound electrode body in which the laminated electrode body is further wound.
なお、電極体を形成するに際しては、正極と負極と固体電解質層とを積層した状態で加圧成形することが、電極体の機械的強度を高める観点から好ましい。 When forming the electrode body, it is preferable from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the electrode body that the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer are laminated and pressure-molded.
(電池の形態)
本発明の全固体二次電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
(Battery form)
A cross-sectional view schematically showing an example of the all-solid secondary battery of the present invention is shown in FIG. In the
封口缶50は、外装缶40の開口部にガスケット60を介して嵌合しており、外装缶40の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット60が封口缶50に当接することで、外装缶40の開口部が封口されて素子内部が密閉構造となっている。
The sealing can 50 is fitted to the opening of the
外装缶および封口缶にはステンレス鋼製のものなどが使用できる。また、ガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。また、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。 A stainless steel can or the like can be used for the outer can and the sealing can. In addition, polypropylene, nylon, etc. can be used for gasket materials, and tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), etc., can be used when heat resistance is required in relation to battery applications. Heat resistance with a melting point exceeding 240°C such as fluorine resin, polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), etc. Resin can also be used. Moreover, when the battery is applied to applications requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.
全固体二次電池の形態は、図1に示すような、外装缶と封口缶とガスケットとで構成された外装体を有するもの、すなわち、一般にコイン形電池やボタン形電池と称される形態のものに限定されず、例えば、樹脂フィルムや金属-樹脂ラミネートフィルムで構成された外装体を有するものや、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。 The form of the all-solid-state secondary battery is, as shown in FIG. but not limited to, for example, those having an exterior body composed of a resin film or a metal-resin laminated film, or a metallic bottomed cylindrical (cylindrical or rectangular) exterior can and its opening It may have an exterior body having a sealing structure that seals the .
本発明の全固体二次電池は、従来から知られている二次電池と同様の用途に適用し得るが、有機電解液に代えて固体電解質を有していることから耐熱性に優れており、高温に曝されるような用途に好ましく使用することができる。 The all-solid secondary battery of the present invention can be applied to the same uses as conventionally known secondary batteries, but has excellent heat resistance because it has a solid electrolyte instead of an organic electrolyte. , can be preferably used in applications exposed to high temperatures.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 The present invention will be described in detail below based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
<カーボン粒子の作製>
一次粒子の平均粒子径が40nmで、2nm以下の細孔を有するカーボンブラック:9質量部と、Co(CH3COO)2・4H2O:99.6質量部と、LiOH・H2O:32質量部とを蒸留水中で混合し、1時間攪拌した後、混合液をろ過してカーボンブラックを含む混合物を得た。
Example 1
<Production of carbon particles>
Carbon black having an average primary particle diameter of 40 nm and pores of 2 nm or less: 9 parts by mass, Co(CH 3 COO) 2.4H 2 O: 99.6 parts by mass, and LiOH.H 2 O: After mixing 32 parts by mass in distilled water and stirring for 1 hour, the mixed liquid was filtered to obtain a mixture containing carbon black.
次に、前記混合物にLiOH・H2O:30質量部を加え、エバポレーターを用い、空気中250℃で30分間加熱して、カーボンブラックにリチウムコバルト化合物が担持された複合体を得た。この複合体を、濃度98%の濃硫酸、濃度70%の濃硝酸および濃度30%の塩酸の体積比が1:1:1の混合水溶液に投入し、超音波を照射させて複合体中のリチウムコバルト化合物を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。 Next, 30 parts by mass of LiOH.H 2 O was added to the mixture, and the mixture was heated in air at 250° C. for 30 minutes using an evaporator to obtain a composite in which a lithium cobalt compound was supported on carbon black. This complex is put into a mixed aqueous solution of 98% concentrated sulfuric acid, 70% concentrated nitric acid, and 30% hydrochloric acid at a volume ratio of 1:1:1, and irradiated with ultrasonic waves. The lithium cobalt compound was dissolved and the remaining solid was filtered, washed with water and dried.
前記混合水溶液によるリチウムコバルト化合物の溶解と、ろ過、水洗および乾燥の工程を繰り返すことにより、リチウムコバルト化合物を完全に取り除き、10質量%以上の割合で親水性部分を含むカーボン粒子を得た。 By repeating the steps of dissolving the lithium cobalt compound in the mixed aqueous solution, filtering, washing with water, and drying, the lithium cobalt compound was completely removed, and carbon particles containing a hydrophilic portion at a rate of 10% by mass or more were obtained.
得られたカーボン粒子:0.1gをpHが11のアンモニア水溶液20mlに添加し、超音波照射を1分間行った後、5時間放置して固相部分を沈殿させた。 0.1 g of the obtained carbon particles were added to 20 ml of an aqueous ammonia solution having a pH of 11, and after ultrasonic irradiation for 1 minute, the mixture was allowed to stand for 5 hours to precipitate a solid phase portion.
固相部分の沈殿後、上澄み液を除去して残余部分を乾燥させ、乾燥後の固体の重量を測定し、処理前のカーボン粒子の重量(0.1g)からの減少分を親水性部分の重量とした。処理前のカーボン粒子の重量に対する前記親水性部分の重量の割合を求めたところ、14.5質量%であった。 After precipitation of the solid phase portion, the supernatant liquid is removed, the remaining portion is dried, the weight of the solid after drying is measured, and the decrease from the weight of the carbon particles before treatment (0.1 g) is taken as the hydrophilic portion. weight. The ratio of the weight of the hydrophilic portion to the weight of the carbon particles before treatment was found to be 14.5% by mass.
<正極の作製>
表面にLiNbO3の反応抑制層を形成した平均粒子径が4μmのLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(正極活物質)と、平均粒子径が3μmの硫化物系固体電解質(B):Li7.0PS5.4Cl1.2と、カーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕(導電助剤)と、前記親水性部分を含むカーボン粒子(導電助剤)とを、質量比で65:31.8:2.1:1.1の割合で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。なお、正極活物質の質量に対する反応抑制層中のNbの質量比は、1.5質量%であった。
<Preparation of positive electrode>
LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 (positive electrode active material) having an average particle size of 4 μm and having a reaction suppression layer of LiNbO 3 formed on the surface, and a sulfide-based solid electrolyte having an average particle size of 3 μm ( B): Li 7.0 PS 5.4 Cl 1.2 , carbon nanotubes [“VGCF” (trade name) manufactured by Showa Denko Co., Ltd.] (conductivity aid), and carbon particles containing the hydrophilic portion (conductivity aid agent) were mixed at a mass ratio of 65:31.8:2.1:1.1 and well kneaded to prepare a positive electrode mixture. The mass ratio of Nb in the reaction suppression layer to the mass of the positive electrode active material was 1.5% by mass.
次に、前記正極合剤:92mgを粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行い、正極合剤成形体よりなる正極を作製した。 Next, 92 mg of the positive electrode mixture was placed in a powder molding die and pressure-molded using a press to prepare a positive electrode composed of a molded positive electrode mixture.
<固体電解質層の形成>
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、平均粒子径が0.7μmの硫化物固体電解質(A)Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8:16mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成した。
<Formation of Solid Electrolyte Layer>
Next, a sulfide solid electrolyte (A) Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br0 . 8 : 16 mg was added, and pressure molding was performed using a press to form a solid electrolyte layer on the positive electrode mixture molded body.
<負極の作製>
平均粒子径2μmのチタン酸リチウム(Li4Ti5O12、負極活物質)と、固体電解質層に使用したものと同じ硫化物固体電解質(A)と、グラフェン(導電助剤)とを、質量比で55:36:9の割合で混合し、よく混練して負極合剤を調製した。次に、前記負極合剤:129mgを前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記固体電解質層の上に空隙率が16%の負極合剤成形体よりなる負極を形成することにより、正極、固体電解質層および負極が積層された積層体を作製した。
<Production of negative electrode>
Lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , negative electrode active material) with an average particle size of 2 μm, the same sulfide solid electrolyte (A) as used in the solid electrolyte layer, and graphene (conductive assistant) They were mixed at a ratio of 55:36:9 and well kneaded to prepare a negative electrode mixture. Next, 129 mg of the negative electrode mixture is placed on the solid electrolyte layer in the powder molding mold, and pressure-molded using a press to obtain a porosity of 16% on the solid electrolyte layer. A laminated body in which the positive electrode, the solid electrolyte layer and the negative electrode are laminated was produced by forming the negative electrode from the negative electrode mixture molded product.
ステンレス鋼製の封口缶および外装缶と前記正極/固体電解質層/負極の積層体との間に、それぞれ厚みが0.1mmの多孔質カーボンシートが配置されるようにして封止を行うことにより、扁平形全固体二次電池を作製した。 Sealing is performed by placing a porous carbon sheet having a thickness of 0.1 mm between the stainless steel sealing can and outer can and the positive electrode/solid electrolyte layer/negative electrode laminate. , a flat all-solid-state secondary battery was fabricated.
比較例1
硫化物系固体電解質(A)に代えて、正極に用いたものと同じ硫化物系固体電解質を使用した以外は、実施例1と同様にして負極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体二次電池を作製した。なお、形成された負極合剤成形体の空隙率は22%であった。
Comparative example 1
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the same sulfide-based solid electrolyte as that used for the positive electrode was used instead of the sulfide-based solid electrolyte (A). A flat all-solid secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The porosity of the formed negative electrode mixture molded body was 22%.
比較例2
硫化物系固体電解質(B)に代えて、負極に用いたものと同じ硫化物系固体電解質を使用した以外は、実施例1と同様にして正極合剤を調製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体二次電池を作製した。
Comparative example 2
A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the same sulfide-based solid electrolyte as that used for the negative electrode was used instead of the sulfide-based solid electrolyte (B). A flat all-solid secondary battery was produced in the same manner as in Example 1.
実施例および比較例の全固体二次電池について、下記の各評価を行った。 The following evaluations were performed on the all-solid secondary batteries of Examples and Comparative Examples.
<負荷特性評価>
作製した実施例および比較例の電池について、0.2Cの電流値で電池電圧が3.1Vになるまで行う定電流充電と、3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで行う定電圧充電を組み合わせた定電流-定電圧充電を行い、さらに、0.1Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行い、0.1Cでの放電容量を測定した。
<Load characteristics evaluation>
The prepared batteries of Examples and Comparative Examples were subjected to constant current charging at a current value of 0.2 C until the battery voltage reached 3.1 V, and constant current charging at a voltage of 3.1 V until the current value reached 0.02 C. Constant current-constant voltage charging combined with voltage charging was performed, and then constant current discharging was performed at a current value of 0.1 C until the battery voltage reached 1.2 V, and the discharge capacity at 0.1 C was measured.
次に、前記と同様の定電流-定電圧充電を行い、さらに、0.5Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行って、0.5Cでの放電容量を測定した。0.5Cでの放電容量を0.1Cでの放電容量で徐した値(%)を求め、それぞれの電池の負荷特性を評価した。 Next, constant current-constant voltage charging is performed in the same manner as above, and constant current discharging is performed at a current value of 0.5 C until the battery voltage reaches 1.2 V, and the discharge capacity at 0.5 C is measured. did. The value (%) obtained by dividing the discharge capacity at 0.5C by the discharge capacity at 0.1C was obtained, and the load characteristics of each battery were evaluated.
<高温特性評価>
実施例および比較例の電池に対し、100℃の環境下において以下の条件で充放電サイクルを50サイクル繰り返した。
<High temperature property evaluation>
The batteries of Examples and Comparative Examples were subjected to 50 charge-discharge cycles in an environment of 100° C. under the following conditions.
0.2Cの電流値で電圧が3.1Vになるまで定電流充電を行い、続いて3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで定電圧充電を行い、次いで、0.2Cの電流値で電圧が1.2Vになるまで定電流放電させる充放電サイクルを50サイクル繰り返し、2サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(容量維持率)により、高温特性を評価した。その結果を表1に示す。 Constant-current charging was performed at a current value of 0.2C until the voltage reached 3.1V, followed by constant-voltage charging at a voltage of 3.1V until the current value reached 0.02C, and then charging at a voltage of 0.2C. A charge-discharge cycle of constant current discharge until the voltage reaches 1.2 V was repeated 50 cycles, and the high-temperature characteristics were evaluated by the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the 2nd cycle (capacity retention rate). . Table 1 shows the results.
表1に示す通り、負極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(A)を使用し、正極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(B)を使用した実施例1の全固体二次電池では、負極合剤のイオン伝導性を高くすることができると共に、合剤の充填率が高くなり負極活物質の利用率を向上させることができた。さらに、正極での固体電解質の酸化による特性低下を抑えることができたことから、負荷特性および高温特性に優れる電池を得ることができた。 As shown in Table 1, the all-solid-state secondary battery of Example 1 in which the sulfide-based solid electrolyte (A) was used for the molded negative electrode mixture and the sulfide-based solid electrolyte (B) was used for the molded positive electrode mixture was used. In the secondary battery, the ionic conductivity of the negative electrode mixture was able to be increased, and the filling rate of the mixture was increased, thereby improving the utilization rate of the negative electrode active material. Furthermore, since deterioration of characteristics due to oxidation of the solid electrolyte at the positive electrode could be suppressed, a battery having excellent load characteristics and high temperature characteristics could be obtained.
一方、負極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(B)を使用した比較例1の電池では、実施例1の電池よりも負極合剤のイオン伝導性が低くなり、また合剤の充填率が下がり負極活物質の利用率が低下したため、負荷特性に劣る電池となった。また、正極合剤の成形体に硫化物系固体電解質(A)を使用した比較例2の電池では、正極での固体電解質の酸化による高温特性の低下が認められた。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 1 in which the sulfide-based solid electrolyte (B) was used for the molded negative electrode mixture, the ionic conductivity of the negative electrode mixture was lower than that of the battery of Example 1, and the filling of the mixture was Since the rate decreased and the utilization rate of the negative electrode active material decreased, the battery was inferior in load characteristics. Further, in the battery of Comparative Example 2 in which the sulfide-based solid electrolyte (A) was used for the molded positive electrode mixture, deterioration in high-temperature characteristics was observed due to oxidation of the solid electrolyte in the positive electrode.
1 全固体二次電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
1 All Solid
Claims (4)
前記負極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(1)
Li7-xPS6-xClyBrz (1)
〔前記一般式(1)中、x=y+z、1.0<x≦1.8、0.1≦z/y≦10.0である〕
で表される硫化物系固体電解質(A)を含有し、
前記正極合剤の成形体は、前記固体電解質として、下記一般式(2)
Li7-a+bPS6-aCla+b (2)
〔前記一般式(2)中、0.05≦b≦0.9、-3.0a+1.8≦b≦-3.0a+5.7である〕
で表される硫化物系固体電解質(B)を含有することを特徴とする全固体二次電池。 a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte; a positive electrode having a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive aid and a solid electrolyte; An all-solid secondary battery having a solid electrolyte layer interposed between the negative electrode,
The molded body of the negative electrode mixture has the following general formula (1) as the solid electrolyte
Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (1)
[In the general formula (1), x = y + z, 1.0 < x ≤ 1.8, and 0.1 ≤ z/y ≤ 10.0]
containing a sulfide-based solid electrolyte (A) represented by
The molded body of the positive electrode mixture has the following general formula (2) as the solid electrolyte
Li 7-a+b PS 6-a Cl a+b (2)
[In the general formula (2), 0.05≦b≦0.9 and −3.0a+1.8≦b≦−3.0a+5.7]
All-solid secondary battery characterized by containing a sulfide-based solid electrolyte (B) represented by.
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