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JP7481818B2 - Positive electrode layer material for all-solid-state battery, electrode laminate for all-solid-state battery and all-solid-state battery - Google Patents
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JP7481818B2 - Positive electrode layer material for all-solid-state battery, electrode laminate for all-solid-state battery and all-solid-state battery - Google Patents

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Description

本発明は、全固体電池用の正極層材料と、それを用いた電極積層体及び全固体電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode layer material for an all-solid-state battery, and an electrode laminate and an all-solid-state battery using the same.

全固体電池は、正極活物質を含む正極層と、負極活物質を含む負極層とを、固体電解質を含むセパレータ層を挟んで一体化した積層体構造を有する。固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有する無機酸化物材料が知られており、層間の接合性の向上や接合界面の低抵抗化のために、各層の構成材料や焼成方法等の検討がなされている。 All-solid-state batteries have a laminate structure in which a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material are integrated with a separator layer containing a solid electrolyte sandwiched between them. Inorganic oxide materials with lithium ion conductivity are known as solid electrolytes, and the constituent materials and firing methods of each layer are being investigated to improve the bonding between layers and reduce the resistance of the bonding interface.

特許文献1には、例えば、ケイ酸リチウムとリン酸リチウムとを含む固体電解質を用いた多層全固体型のリチウムイオン二次電池において、正極層又は負極層と、固体電解質を含む電解質層の界面に、活物質又は電解質として機能する中間層を設けることが開示されている。この中間層は、例えば、焼成時に活物質と固体電解質とが反応して、又は、活物質が固体電解質に拡散して形成された層であり、充放電反応に寄与しない不純物が生成しないために、界面の接合を強固にしながら、電極抵抗の低減を可能にしている。 For example, Patent Document 1 discloses that in a multi-layer all-solid-state lithium-ion secondary battery using a solid electrolyte containing lithium silicate and lithium phosphate, an intermediate layer that functions as an active material or electrolyte is provided at the interface between the positive electrode layer or negative electrode layer and the electrolyte layer containing the solid electrolyte. This intermediate layer is formed, for example, by the reaction of the active material with the solid electrolyte during firing, or by the diffusion of the active material into the solid electrolyte, and since impurities that do not contribute to the charge/discharge reaction are not generated, it is possible to reduce the electrode resistance while strengthening the bond at the interface.

特許第4797105号公報Patent No. 4797105

近年、全固体電池用の固体電解質として、ガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオン伝導性の固体電解質が注目されている。ガーネット型の固体電解質は、例えば、Li(リチウム)とLa(ランタン)とZr(ジルコニウム)とO(酸素)を含む複合酸化物であり、負極層に電極電位の低いリチウム金属等を用いることで、電池起電力を大きくし、高出力を得ることが期待される。 In recent years, lithium ion conductive solid electrolytes with a garnet-type crystal structure have been attracting attention as solid electrolytes for all-solid-state batteries. Garnet-type solid electrolytes are, for example, composite oxides containing Li (lithium), La (lanthanum), Zr (zirconium), and O (oxygen). By using lithium metal, which has a low electrode potential, in the negative electrode layer, it is expected that the battery electromotive force can be increased and high output can be obtained.

一方、正極層において、特許文献1のような活物質と固体電解質とを含む層を採用して、セパレータ層との接合性を向上させることが検討されている。ところが、ガーネット型の固体電解質を用いた場合には、800℃以上の温度域において、正極活物質との反応により、充放電反応に寄与しない不純物が生成してしまう。そのために、正極層とセパレータ層とを一体焼成する過程で、固体電解質と正極活物質とが接触する界面に異相が形成されて、充放電特性が低下することが判明した。 On the other hand, it has been considered to improve the bonding with the separator layer by adopting a layer containing an active material and a solid electrolyte as described in Patent Document 1 in the positive electrode layer. However, when a garnet-type solid electrolyte is used, impurities that do not contribute to the charge/discharge reaction are generated due to reaction with the positive electrode active material in the temperature range of 800°C or higher. As a result, it has been found that in the process of co-firing the positive electrode layer and the separator layer, a different phase is formed at the interface where the solid electrolyte and the positive electrode active material come into contact, resulting in a deterioration of the charge/discharge characteristics.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、積層構造の全固体電池に用いられ、ガーネット型の固体電解質と正極活物質との反応を抑制して、電池性能の向上が可能な全固体電池用正極層材料と、それを用いた電極積層体及び全固体電池を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of these problems, and aims to provide a positive electrode layer material for all-solid-state batteries that can be used in all-solid-state batteries with a laminated structure, suppress the reaction between the garnet-type solid electrolyte and the positive electrode active material, and thereby improve battery performance, as well as an electrode laminate and an all-solid-state battery that use the same.

本発明の一態様は、
全固体電池用の正極層(11)を形成するための正極層材料であって、
正極活物質を含む第1粒子(10)と、固体電解質を含む第2粒子(20)とを含有し、
上記固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有するガーネット型固体電解質であり、
上記第2粒子は、上記固体電解質からなる基材粒子(21)と、その表面に設けられる基材コート層(22)との二層構造を有し
上記基材コート層は、炭酸リチウムを主体とするリチウム化合物の層であり、上記正極層の形成条件である1000℃以下での焼成において上記基材粒子及び上記第1粒子と異相を形成せず、かつ上記二層構造を維持する、全固体電池用正極層材料にある。
One aspect of the present invention is
A cathode layer material for forming a cathode layer (11) for an all-solid-state battery, comprising:
The battery includes first particles (10) containing a positive electrode active material and second particles (20) containing a solid electrolyte,
the solid electrolyte is a garnet-type solid electrolyte having lithium ion conductivity,
The second particle has a two-layer structure of a base particle (21) made of the solid electrolyte and a base coating layer (22) provided on the surface of the base particle,
The substrate coating layer is a layer of a lithium compound mainly composed of lithium carbonate, and is a positive electrode layer material for an all-solid-state battery that does not form a different phase from the substrate particles and the first particles during firing at 1000° C. or less, which is a forming condition for the positive electrode layer, and maintains the two-layer structure .

また、本発明の他の態様は、
正極活物質及び固体電解質を含む正極層(11)と、上記固体電解質を含むセパレータ層(12)とが積層されている、全固体電池用電極積層体(1)であって、
正極活物質及び固体電解質を含む正極層(11)と、上記固体電解質を含むセパレータ層(12)とが積層されている、全固体電池用電極積層体(1)であって、
上記固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有するガーネット型固体電解質であり、
上記正極層は、上記正極活物質を含む第1粒子(10)と、上記固体電解質を含む第2粒子(20)とを含有し、
上記第2粒子は、上記固体電解質からなる基材粒子(21)と、その表面に設けられる基材コート層(22)との二層構造を有し、
上記正極層と上記セパレータ層とは、1000℃以下での一体焼成により一体的に積層形成されており、
上記基材コート層は、炭酸リチウムを主体とするリチウム化合物の層であり、上記一体焼成の条件である1000℃以下での焼成において、上記固体電解質及び上記正極活物質のいずれとも反応による生成物を形成せず、かつ上記二層構造を維持する、全固体電池用電極積層体にある。
なお、上記他の態様の全固体電池用電極積層体を製造する方法としては、
上記正極層の構成粒子及び上記セパレータ層の構成粒子を調製する調製工程と、
上記正極層の構成粒子を含む層と、上記セパレータ層の構成粒子を含む層とを、一体の積層体とする積層工程と、
上記積層体を一体焼成して電極積層体とする焼成工程と、を備えており、
上記調製工程において、上記基材粒子の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加することにより、上記焼成工程において、理論組成に対して余剰となるリチウム成分を析出させて、粒子表面を層状に覆う上記基材コート層を形成する、全固体電池用電極積層体の製造方法を採用することができる。
Another aspect of the present invention is
An electrode laminate (1) for an all-solid-state battery, comprising a positive electrode layer (11) containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, and a separator layer (12) containing the solid electrolyte,
An electrode laminate (1) for an all-solid-state battery, comprising a positive electrode layer (11) containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, and a separator layer (12) containing the solid electrolyte,
the solid electrolyte is a garnet-type solid electrolyte having lithium ion conductivity,
the positive electrode layer contains first particles (10) containing the positive electrode active material and second particles (20) containing the solid electrolyte,
The second particle has a two-layer structure of a base particle (21) made of the solid electrolyte and a base coating layer (22) provided on the surface of the base particle,
the positive electrode layer and the separator layer are integrally laminated and formed by co-firing at 1000° C. or less,
The substrate coating layer is a layer of a lithium compound mainly composed of lithium carbonate, and does not form any product by reaction with either the solid electrolyte or the positive electrode active material during firing at 1000° C. or less, which is the condition for the co-firing , and the electrode laminate for an all-solid-state battery maintains the two-layer structure.
In addition, as a method for producing the electrode laminate for an all-solid-state battery of the other embodiment,
a preparation step of preparing constituent particles of the positive electrode layer and constituent particles of the separator layer;
a lamination step of forming an integral laminate of a layer containing constituent particles of the positive electrode layer and a layer containing constituent particles of the separator layer;
and a firing step of firing the laminate together to form an electrode laminate,
A method for producing an electrode laminate for an all-solid-state battery can be adopted in which, in the preparation step, an excess of lithium component is added to the raw material for synthesizing the base particle, and, in the firing step, the lithium component that is in excess of the theoretical composition is precipitated to form the base coating layer that covers the particle surface in a layered form.

本発明のさらに他の態様は、
上記全固体電池用電極積層体と、上記セパレータ層を挟んで上記正極層と積層される負極層(13)とを有する、全固体電池(100)にある。
Yet another aspect of the present invention is
The all-solid-state battery (100) includes the all-solid-state battery electrode laminate and a negative electrode layer (13) laminated with the positive electrode layer with the separator layer sandwiched therebetween.

上記構成の全固体電池用正極層材料は、ガーネット型固体電解質を含む第2粒子が、基材粒子の表面に基材コート層を有する構造となっており、リチウムイオン伝導性を保持しつつ、異相の形成を抑制することができる。すなわち、正極層を形成するための焼成過程において、基材コート層が、第1粒子と基材粒子との間に介在して、第1粒子に含まれる正極活物質と、基材粒子を形成する固体電解質とが、直接接触することが阻害される。これにより、固体電解質と正極活物質との反応による異相の形成が抑制されるので、充放電特性が良好に維持される。 The positive electrode layer material for an all-solid-state battery having the above-mentioned configuration has a structure in which the second particles containing a garnet-type solid electrolyte have a substrate coating layer on the surface of the substrate particle, and can suppress the formation of a different phase while maintaining lithium ion conductivity. That is, in the firing process for forming the positive electrode layer, the substrate coating layer is interposed between the first particles and the substrate particle, and direct contact between the positive electrode active material contained in the first particles and the solid electrolyte forming the substrate particle is prevented. This suppresses the formation of a different phase due to a reaction between the solid electrolyte and the positive electrode active material, and therefore maintains good charge/discharge characteristics.

この全固体電池用正極層材料からなる正極層は、ガーネット型固体電解質を含むセパレータ層と積層されて全固体電池用電極積層体を構成し、さらに、負極活物質を含む負極層と積層されて、全固体電池を構成することができる。したがって、イオン伝導性を確保しながら充放電反応に寄与しない異相の形成が抑制され、また、セパレータ層との接合性が向上することで、正極層の内部抵抗及びセパレータ層との界面抵抗が低減し、電池性能を向上させる。 The positive electrode layer made of this positive electrode layer material for all-solid-state batteries can be laminated with a separator layer containing a garnet-type solid electrolyte to form an electrode laminate for all-solid-state batteries, and can be further laminated with a negative electrode layer containing a negative electrode active material to form an all-solid-state battery. Therefore, while ensuring ionic conductivity, the formation of a different phase that does not contribute to the charge/discharge reaction is suppressed, and the bonding with the separator layer is improved, thereby reducing the internal resistance of the positive electrode layer and the interface resistance with the separator layer, improving battery performance.

以上のごとく、上記態様によれば、積層構造の全固体電池に用いられ、ガーネット型の固体電解質と正極活物質との反応を抑制して、電池性能の向上が可能な全固体電池用正極層材料と、それを用いた電極積層体及び全固体電池を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above-mentioned aspect, it is possible to provide a positive electrode layer material for an all-solid-state battery that is used in an all-solid-state battery having a laminated structure and that can suppress a reaction between a garnet-type solid electrolyte and a positive electrode active material to improve battery performance, and an electrode laminate and an all-solid-state battery using the same.
In addition, the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate a correspondence with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.

実施形態1において、全固体電池用電極積層体の構成を模式的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an electrode laminate for an all-solid-state battery in the first embodiment. 実施形態1において、電極積層体を構成する正極層と固体電解質層の粒子構造を模式的に示す断面図で、図1のII部拡大図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic diagram of the particle structure of a positive electrode layer and a solid electrolyte layer constituting an electrode laminate in the first embodiment, and is an enlarged view of a part II in FIG. 実施形態1において、電極積層体を構成する正極層における粒界構造を模式的に示す断面図で、図2のIII部拡大図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a grain boundary structure in a positive electrode layer that constitutes an electrode laminate according to the first embodiment, and is an enlarged view of part III in FIG. 2 . 実施形態1において、電極積層体を備える全固体電池の構成例を示す概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of an all-solid-state battery including an electrode stack in the first embodiment. 実施形態1において、電極積層体を構成する固体電解質の粒子構造による効果を説明するための模式的な断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the effect of the particle structure of the solid electrolyte constituting the electrode laminate in the first embodiment. 実施形態1において、電極積層体の構成の変形例を模式的に示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a modified example of the configuration of the electrode stack in the first embodiment. 実施形態2において、全固体電池用電極積層体の構成を模式的に示す断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an electrode laminate for an all-solid-state battery in a second embodiment. 実施例において、電極積層体に用いられる固体電解質粒子の作製手順を説明するための製造工程図。FIG. 4 is a manufacturing process diagram illustrating a procedure for producing solid electrolyte particles used in an electrode laminate in the examples. 実施例において、全固体電池の作製手順の一例を説明するための製造工程図。FIG. 2 is a manufacturing process diagram for explaining an example of a manufacturing procedure for an all-solid-state battery in the examples. 実施例において、試験用の電極積層体を作製するための金型構造とセパレータ層の形成工程を説明するための模式的な図。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a mold structure for producing a test electrode laminate and a process for forming a separator layer in the examples. 実施例において、試験用の電極積層体を作製するための積層工程及び加圧工程を説明するための模式的な図。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a lamination step and a pressurization step for producing a test electrode laminate in the examples. 実施例において、全固体電池の作製手順の他の例を説明するための製造工程図。FIG. 4 is a manufacturing process diagram for explaining another example of the manufacturing procedure of the all-solid-state battery in the Examples.

(実施形態1)
以下に、全固体電池用正極層材料と、それを用いた全固体電池用電極積層体及び全固体電池に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
図1~図3に示される全固体電池用電極積層体(以下、適宜、電極積層体と略称する)1は、全固体電池用正極層材料にて形成される正極層11を備えており、図4に示される全固体リチウムイオン二次電池(以下、適宜、全固体電池と略称する)100の一部をなすものである。電極積層体1を構成する各層は、共通の基材材料として、リチウムイオン伝導性を有するガーネット型固体電解質(以下、適宜、固体電解質と略称する)を含有する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of a positive electrode layer material for an all-solid-state battery, and an electrode laminate for an all-solid-state battery and an all-solid-state battery using the same will be described with reference to the drawings.
An electrode laminate for an all-solid-state battery (hereinafter, appropriately abbreviated as electrode laminate) 1 shown in Figures 1 to 3 includes a positive electrode layer 11 formed of a positive electrode layer material for an all-solid-state battery, and constitutes a part of an all-solid-state lithium-ion secondary battery (hereinafter, appropriately abbreviated as all-solid-state battery) 100 shown in Figure 4. Each layer constituting the electrode laminate 1 contains a garnet-type solid electrolyte (hereinafter, appropriately abbreviated as solid electrolyte) having lithium ion conductivity as a common substrate material.

正極層11を形成するための正極層材料は、少なくとも、正極活物質を含む第1粒子10と、固体電解質を含む第2粒子20とを含有する。この正極層材料を焼成して得られる正極層11は、第1粒子10及び第2粒子20を含有する、同様の構成となっている。すなわち、粒子間に反応生成物等を形成せずに、第1粒子10及び第2粒子20を含む焼結体が形成されている。 The cathode layer material for forming the cathode layer 11 contains at least first particles 10 containing a cathode active material and second particles 20 containing a solid electrolyte. The cathode layer 11 obtained by firing this cathode layer material has a similar configuration containing the first particles 10 and the second particles 20. In other words, a sintered body containing the first particles 10 and the second particles 20 is formed without forming reaction products between the particles.

電極積層体1は、正極活物質及び固体電解質を含む正極層11と、固体電解質を含むセパレータ層12とが積層された、積層構造を有している。
正極層11は、正極主材となる第1粒子10に、リチウムイオン伝導性を有する第2粒子20を添加した構成となっている。正極層11において、第2粒子20は、固体電解質からなる基材粒子(以下、正極基材粒子と称する)21と、その表面に設けられ、正極層11の形成条件において基材粒子21及び第1粒子10と異相を形成しない化合物からなる基材コート層(以下、正極基材コート層と称する)22とを有する。
The electrode laminate 1 has a laminated structure in which a positive electrode layer 11 containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, and a separator layer 12 containing a solid electrolyte are laminated.
The positive electrode layer 11 is configured by adding second particles 20 having lithium ion conductivity to first particles 10 that are the positive electrode main material. In the positive electrode layer 11, the second particles 20 have a base particle (hereinafter referred to as a positive electrode base particle) 21 made of a solid electrolyte, and a base coating layer (hereinafter referred to as a positive electrode base coating layer) 22 provided on the surface of the base particle 21 and made of a compound that does not form a different phase with the base particle 21 and the first particle 10 under the formation conditions of the positive electrode layer 11.

セパレータ層12は、少なくとも、固体電解質を含む第3粒子30にて構成されている。好適には、少なくとも、セパレータ層12と正極層11とが隣接する領域において、第3粒子30は、第2粒子20と同様の構成となっている。すなわち、セパレータ層12において、固体電解質からなる基材粒子(以下、セパレータ基材粒子と称する)31の表面には、正極層11の形成条件において基材粒子31及び第1粒子10と異相を形成しない化合物からなる基材コート層(以下、セパレータ基材コート層と称する)32が設けられる。 The separator layer 12 is composed of at least the third particles 30 containing a solid electrolyte. Preferably, at least in the region where the separator layer 12 and the positive electrode layer 11 are adjacent, the third particles 30 have the same configuration as the second particles 20. That is, in the separator layer 12, a substrate coating layer (hereinafter referred to as the separator substrate coating layer) 32 made of a compound that does not form a different phase with the substrate particles 31 and the first particles 10 under the formation conditions of the positive electrode layer 11 is provided on the surface of the substrate particles (hereinafter referred to as the separator substrate particles) 31 made of a solid electrolyte.

好適には、セパレータ層12と正極層11とは、一体焼成により一体的に積層形成されている。このとき、第2粒子20の正極基材コート層22、第3粒子30のセパレータ基材コート層32を構成する化合物は、一体焼成の温度条件において、固体電解質及び正極活物質のいずれとも反応による生成物を形成しないリチウム化合物からなることが望ましい。 Preferably, the separator layer 12 and the positive electrode layer 11 are laminated and formed integrally by co-firing. At this time, it is desirable that the compound constituting the positive electrode substrate coating layer 22 of the second particle 20 and the separator substrate coating layer 32 of the third particle 30 is a lithium compound that does not form a product by reaction with either the solid electrolyte or the positive electrode active material under the temperature conditions of the co-firing.

好適には、正極層11を構成する第2粒子20において、正極基材コート層22又はセパレータ基材コート層32に含まれるリチウム量は、それぞれ、正極基材粒子21又はセパレータ基材粒子31に含まれるリチウム量に対して、5mol%以上40mol%以下であることが望ましい。 Preferably, in the second particles 20 constituting the positive electrode layer 11, the amount of lithium contained in the positive electrode substrate coating layer 22 or the separator substrate coating layer 32 is 5 mol% or more and 40 mol% or less relative to the amount of lithium contained in the positive electrode substrate particle 21 or the separator substrate particle 31, respectively.

このとき、正極基材コート層22又はセパレータ基材コート層32は、正極基材粒子21又はセパレータ基材粒子31の原料に含まれる余剰のリチウム成分の析出物にて構成することができ、リチウム量の調整が容易にできる。 In this case, the positive electrode substrate coating layer 22 or the separator substrate coating layer 32 can be composed of a precipitate of excess lithium components contained in the raw material of the positive electrode substrate particle 21 or the separator substrate particle 31, making it easy to adjust the amount of lithium.

また、正極層11は、第1粒子10及び第2粒子20の他に、正極基材粒子21を構成する固体電解質よりも融点の低い低融点リチウム化合物を、さらに含有することができる。
正極層11において、第1粒子10に含まれる正極活物質は、好適には、リチウムと、ニッケル及びコバルトの少なくとも一方を含む複合酸化物であることが望ましい。
In addition to the first particles 10 and the second particles 20 , the positive electrode layer 11 can further contain a low-melting-point lithium compound that has a melting point lower than that of the solid electrolyte that constitutes the positive electrode base particles 21 .
In the positive electrode layer 11, the positive electrode active material contained in the first particles 10 is preferably a composite oxide containing lithium and at least one of nickel and cobalt.

次に、電極積層体1の詳細と、電極積層体1を適用した全固体電池100の構成例について、説明する。
図4に示すように、全固体電池100は、正極層11と、セパレータ層12と、負極層13とを有する。セパレータ層12は、正極層11と負極層13との間に配設されて、両層を隔てると共に、イオン伝導体として機能する。全固体電池100は、電極積層体1を主要部として作製され、例えば、自動車用の電源又は各種機器用の電源として用いられる。
Next, details of the electrode laminate 1 and a configuration example of an all-solid-state battery 100 to which the electrode laminate 1 is applied will be described.
As shown in Fig. 4, the all-solid-state battery 100 has a positive electrode layer 11, a separator layer 12, and a negative electrode layer 13. The separator layer 12 is disposed between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13 to separate the two layers and function as an ion conductor. The all-solid-state battery 100 is produced with the electrode laminate 1 as a main part, and is used, for example, as a power source for automobiles or power sources for various devices.

電極積層体1は、少なくとも、正極活物質及び固体電解質を含む正極層11と、固体電解質を含むセパレータ層12とが積層された、複層構造を有している。全固体電池100は、電極積層体1に、さらに、負極層13が積層されて構成される。具体的には、セパレータ層12を挟んで正極層11と反対側に、負極活物質を含む負極層13が積層される。正極層11又は負極層13の外側に、さらに正極集電体又は負極集電体を配置した構成とすることもできる。 The electrode laminate 1 has a multilayer structure in which at least a positive electrode layer 11 containing a positive electrode active material and a solid electrolyte and a separator layer 12 containing a solid electrolyte are laminated. The all-solid-state battery 100 is constructed by further laminating a negative electrode layer 13 on the electrode laminate 1. Specifically, a negative electrode layer 13 containing a negative electrode active material is laminated on the opposite side of the separator layer 12 to the positive electrode layer 11. A positive electrode current collector or a negative electrode current collector may also be disposed on the outside of the positive electrode layer 11 or the negative electrode layer 13.

図1に模式的に示すように、電極積層体1において、正極層11は、少なくとも、正極活物質を含む第1粒子10と、固体電解質を含む第2粒子20とを含有する導電層からなる。正極層11に隣接するセパレータ層12は、少なくとも、固体電解質を含む第3粒子30を含有する電解質層からなる。正極層11とセパレータ層12とは、一体的に積層されており、両層の界面において、正極層11の構成粒子とセパレータ層12の構成粒子とが、互いに密接する状態にある。 As shown in FIG. 1, in the electrode laminate 1, the positive electrode layer 11 is made of a conductive layer containing at least first particles 10 containing a positive electrode active material and second particles 20 containing a solid electrolyte. The separator layer 12 adjacent to the positive electrode layer 11 is made of an electrolyte layer containing at least third particles 30 containing a solid electrolyte. The positive electrode layer 11 and the separator layer 12 are laminated together, and at the interface between the two layers, the constituent particles of the positive electrode layer 11 and the constituent particles of the separator layer 12 are in close contact with each other.

正極層11は、正極活物質を含む第1粒子10と、固体電解質を含む第2粒子20とを含有する正極層材料からなる。正極層材料は、これら主材料となる構成粒子を所定比で配合し、乾式又は湿式で混合したものであり、導電材等の公知の補助材料を含むこともできる。正極層材料を、所定厚さの層状に成形して、焼成することにより、正極層11となる焼結体が得られる。 The positive electrode layer 11 is made of a positive electrode layer material containing first particles 10 containing a positive electrode active material and second particles 20 containing a solid electrolyte. The positive electrode layer material is made by mixing these constituent particles, which are the main materials, in a predetermined ratio, in a dry or wet manner, and may also contain known auxiliary materials such as conductive materials. The positive electrode layer material is formed into a layer of a predetermined thickness and sintered to obtain a sintered body that becomes the positive electrode layer 11.

正極層11に用いられる正極活物質は、必ずしも限定されるものではないが、例えば、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)の少なくとも一方を含む複合酸化物が好適に用いられる。このような複合酸化物としては、LiNi1/3Mn1/3Co1/32、LiCoO2等が挙げられる。 The positive electrode active material used in the positive electrode layer 11 is not necessarily limited, but for example, a composite oxide containing lithium (Li) and at least one of nickel (Ni) and cobalt (Co) is preferably used. Examples of such composite oxides include LiNi1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 and LiCoO2 .

負極層13は、負極活物質を含む層であり、負極活物質は、正極層11の正極活物質との間に所定の電位差が形成されるように、適宜選択される。このような負極活物質は、特に限定されるものではないが、例えば、リチウム金属又はリチウム合金、あるいは、リチウム含有複合酸化物等のリチウム化合物が挙げられる。好適には、リチウム金属が用いられ、電位差をより大きくすることができる。 The negative electrode layer 13 is a layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode active material is appropriately selected so that a predetermined potential difference is formed between the negative electrode layer 13 and the positive electrode active material of the positive electrode layer 11. Such a negative electrode active material is not particularly limited, but examples thereof include lithium metal or lithium alloys, or lithium compounds such as lithium-containing composite oxides. Preferably, lithium metal is used to make the potential difference larger.

セパレータ層12は、固体電解質を含む第3粒子30を含有するセパレータ層材料からなり、正極層11と同様にして、セパレータ層材料を所定厚さの層状に成形し、焼成して得られる。その際に、正極層11とセパレータ層12とを一体の積層体に成形し、一体焼成することが望ましく、得られる正極層11とセパレータ層12の一体焼結体を、電極積層体1とすることができる。 The separator layer 12 is made of a separator layer material containing third particles 30 that contain a solid electrolyte, and is obtained by forming the separator layer material into a layer of a predetermined thickness and firing it in the same manner as the positive electrode layer 11. In this case, it is preferable to form the positive electrode layer 11 and the separator layer 12 into an integrated laminate and fire them together, and the obtained integrated sintered body of the positive electrode layer 11 and the separator layer 12 can be used as the electrode laminate 1.

図2、図3に拡大して示すように、正極層11の第2粒子20は、二層構造であり、固体電解質からなる正極基材粒子21と、その表面に形成される正極基材コート層22とを有する。正極基材コート層22は、正極基材粒子21の表面の全体を層状に覆って形成されており、第1粒子10との接触を阻害可能な材料によって構成されている。上述したように、第2粒子20は、正極層11を形成するための正極層材料の構成粒子であり、正極層11を形成する過程において、二層構造を維持する。 As shown enlarged in Figures 2 and 3, the second particle 20 of the positive electrode layer 11 has a two-layer structure and has a positive electrode substrate particle 21 made of a solid electrolyte and a positive electrode substrate coating layer 22 formed on its surface. The positive electrode substrate coating layer 22 is formed by covering the entire surface of the positive electrode substrate particle 21 in a layered form, and is composed of a material that can inhibit contact with the first particle 10. As described above, the second particle 20 is a constituent particle of the positive electrode layer material for forming the positive electrode layer 11, and maintains the two-layer structure during the process of forming the positive electrode layer 11.

このとき、図5の上段に示すように、正極層材料の焼成工程において、第1粒子10と第2粒子20の界面に変化は生じない。すなわち、正極基材コート層22が介在することで、正極基材粒子21となる固体電解質と、第1粒子10となる正極活物質との接触が阻害される。これにより、固体電解質と正極活物質の反応が抑制され、これらの界面に固体電解質や正極活物質由来の異相が形成されないので、電池性能への影響を抑制できる。 At this time, as shown in the upper part of FIG. 5, no change occurs at the interface between the first particle 10 and the second particle 20 during the firing process of the positive electrode layer material. In other words, the presence of the positive electrode substrate coating layer 22 inhibits contact between the solid electrolyte that becomes the positive electrode substrate particle 21 and the positive electrode active material that becomes the first particle 10. This suppresses the reaction between the solid electrolyte and the positive electrode active material, and no heterogeneous phase originating from the solid electrolyte or the positive electrode active material is formed at the interface between them, thereby suppressing the impact on battery performance.

これに対して、図5の下段に示すように、正極層11の第2粒子20が二層構造を有さず、正極基材粒子21の単層構造である場合には、正極基材コート層22が介在しないので、正極層材料の焼成工程において、正極基材粒子21となる固体電解質と、第1粒子10となる正極活物質との接触が可能になる。この場合には、高温状態(例えば、800℃以上)において、固体電解質と正極活物質とが反応し、異相(A)が形成されることで、界面が不活性化して、電池性能を低下させる懸念がある。 In contrast, as shown in the lower part of Figure 5, when the second particle 20 of the positive electrode layer 11 does not have a two-layer structure but has a single-layer structure of the positive electrode substrate particle 21, the positive electrode substrate coating layer 22 is not interposed, and therefore the solid electrolyte that becomes the positive electrode substrate particle 21 and the positive electrode active material that becomes the first particle 10 can come into contact with each other during the firing process of the positive electrode layer material. In this case, there is a concern that the solid electrolyte and the positive electrode active material react at high temperatures (e.g., 800°C or higher) to form a different phase (A), which deactivates the interface and reduces battery performance.

セパレータ層12を構成する第3粒子30は、第2粒子20と同様の二層構造となっていることが望ましい(例えば、図1、図2参照)。その場合には、第3粒子30は、固体電解質からなるセパレータ基材粒子31の表面に、セパレータ基材コート層32を有する。セパレータ基材コート層32は、セパレータ基材粒子31の表面の全体を層状に覆って形成されており、正極層11と隣接して配置されても、セパレータ基材粒子31と第1粒子10との接触を阻害可能な材料によって構成されている。 The third particle 30 constituting the separator layer 12 desirably has a two-layer structure similar to that of the second particle 20 (see, for example, Figures 1 and 2). In that case, the third particle 30 has a separator substrate coating layer 32 on the surface of the separator substrate particle 31 made of a solid electrolyte. The separator substrate coating layer 32 is formed to cover the entire surface of the separator substrate particle 31 in a layered form, and is made of a material that can inhibit contact between the separator substrate particle 31 and the first particle 10 even when it is disposed adjacent to the positive electrode layer 11.

これにより、正極層11の内部のみならず、セパレータ層12との界面に存在する第1粒子10、又は、焼成過程でセパレータ層12に拡散する第1粒子10に対しても、同様の効果が得らえる。すなわち、セパレータ層12の第3粒子30が、正極層11の第1粒子10と隣接して配置されている場合においても、第3粒子30の表面にセパレータ基材コート層32を有することで、セパレータ基材粒子31となる固体電解質と、第1粒子10となる正極活物質との接触が阻害される。これにより固体電解質と正極活物質の反応が抑制され、異相が形成されないので、電池性能への影響を抑制できる。 This provides the same effect not only to the inside of the positive electrode layer 11, but also to the first particles 10 present at the interface with the separator layer 12, or to the first particles 10 diffusing into the separator layer 12 during the firing process. That is, even when the third particles 30 of the separator layer 12 are arranged adjacent to the first particles 10 of the positive electrode layer 11, the separator substrate coating layer 32 on the surface of the third particles 30 inhibits contact between the solid electrolyte that becomes the separator substrate particle 31 and the positive electrode active material that becomes the first particle 10. This suppresses the reaction between the solid electrolyte and the positive electrode active material, and prevents the formation of a different phase, thereby suppressing the impact on battery performance.

正極基材コート層22又はセパレータ基材コート層32の構成材料は、正極基材粒子21又はセパレータ基材粒子31のリチウムイオン伝導性を阻害せず、かつ、正極層11が形成される条件において、正極基材粒子21又はセパレータ基材粒子31の表面を覆った状態を維持して、正極基材粒子21と第1粒子10との接触を阻害可能な材料であればよい。具体的には、正極層11とセパレータ層12が一体焼成される温度条件(例えば、1000℃以下)において、正極活物質又は固体電解質との間に異相を形成しないリチウム化合物、例えば、炭酸リチウム(Li2CO3)等のリチウム塩が挙げられる。これにより、電極積層体1及び全固体電池100を構成したときに、リチウムイオン伝導性が好適に維持される。 The material of the positive electrode substrate coating layer 22 or the separator substrate coating layer 32 may be any material that does not inhibit the lithium ion conductivity of the positive electrode substrate particle 21 or the separator substrate particle 31, and that can maintain the state of covering the surface of the positive electrode substrate particle 21 or the separator substrate particle 31 under the conditions under which the positive electrode layer 11 is formed, and inhibit the contact between the positive electrode substrate particle 21 and the first particle 10. Specifically, lithium compounds that do not form a different phase between the positive electrode active material or the solid electrolyte under the temperature conditions (for example, 1000° C. or less) under which the positive electrode layer 11 and the separator layer 12 are fired together, such as lithium salts such as lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), can be mentioned. As a result, when the electrode stack 1 and the all-solid-state battery 100 are constructed, the lithium ion conductivity is suitably maintained.

正極基材粒子21又はセパレータ基材粒子31に用いられる固体電解質は、例えば、Li7La3Zr212を基本組成とするリチウムランタンジルコニウム系複合酸化物(以下、適宜、LLZと称する)を主成分として含む。LLZは、リチウムイオン伝導性を有する酸化物固体電解質であり、ガーネット型の結晶構造を有する。LLZのLaの一部をSr、Ca等の元素で置換し、あるいは、Zrの一部をNb、Ta等の元素で置換した構成であってもよい。このような固体電解質としては、例えば、Nbで置換したLi6.75La3Zr1.75Nb0.2512(以下、適宜、LLZNと称する)等が挙げられる。 The solid electrolyte used in the positive electrode substrate particle 21 or the separator substrate particle 31 contains, for example, a lithium lanthanum zirconium-based composite oxide (hereinafter, appropriately referred to as LLZ) having a basic composition of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 as a main component. LLZ is an oxide solid electrolyte having lithium ion conductivity and has a garnet-type crystal structure. A part of the La in LLZ may be replaced with an element such as Sr or Ca, or a part of the Zr may be replaced with an element such as Nb or Ta. Examples of such solid electrolytes include Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 (hereinafter, appropriately referred to as LLZN) replaced with Nb.

正極層11の第2粒子20を構成する正極基材粒子21と、セパレータ層12の第3粒子30を構成するセパレータ基材粒子31は、同じ固体電解質材料にて構成されることが望ましいが、異なっていてもよい。
同様に、第2粒子20を構成する正極基材コート層22と、第3粒子30を構成するセパレータ基材コート層32は、同じ材料にて構成されることが望ましいが、異なっていてもよい。
The positive electrode substrate particles 21 constituting the second particles 20 of the positive electrode layer 11 and the separator substrate particles 31 constituting the third particles 30 of the separator layer 12 are desirably made of the same solid electrolyte material, but may be made of different materials.
Similarly, the positive electrode substrate coating layer 22 constituting the second particle 20 and the separator substrate coating layer 32 constituting the third particle 30 are desirably made of the same material, but may be made of different materials.

ここで、第2粒子20の正極基材コート層22に含まれるリチウム量は、正極基材粒子層21に含まれるリチウム量に対する比率が、5mol%以上40mol%以下であることが望ましい。同様に、第3粒子30のセパレータ基材コート層32に含まれるリチウム量は、セパレータ基材粒子層31に含まれるリチウム量に対する比率が、5mol%以上40mol%以下であることが望ましい。これら基材コート層22、32において、リチウム量が5mol%に満たないと、基材粒子層21、31の表面を覆って、反応を阻害するのに十分な層厚を確保することが容易でない。また、リチウム量が40mol%を超えると、基材粒子層21、31の表面を覆う層が厚くなり、イオン伝導度を低下させるおそれがある。 Here, the amount of lithium contained in the positive electrode substrate coating layer 22 of the second particle 20 is preferably 5 mol% or more and 40 mol% or less in ratio to the amount of lithium contained in the positive electrode substrate particle layer 21. Similarly, the amount of lithium contained in the separator substrate coating layer 32 of the third particle 30 is preferably 5 mol% or more and 40 mol% or less in ratio to the amount of lithium contained in the separator substrate particle layer 31. In these substrate coating layers 22, 32, if the amount of lithium is less than 5 mol%, it is not easy to ensure a layer thickness sufficient to cover the surface of the substrate particle layers 21, 31 and inhibit the reaction. Also, if the amount of lithium exceeds 40 mol%, the layer covering the surface of the substrate particle layers 21, 31 becomes thick, which may reduce the ion conductivity.

このような第2粒子20の正極基材コート層22は、例えば、正極基材粒子21を調製する工程において、正極基材粒子21の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加することによって形成することができる。このとき、合成用原料に含まれる余剰のリチウム成分が、正極基材粒子21の表面に析出して、層状に表面を覆うことで、正極基材コート層22が形成される。また、添加するリチウムの量を調整することで、添加量に応じたリチウム量とすることができる。 The positive electrode substrate coating layer 22 of the second particle 20 can be formed, for example, by adding an excess of lithium component to the raw material for synthesis of the positive electrode substrate particle 21 in the process of preparing the positive electrode substrate particle 21. At this time, the excess lithium component contained in the raw material for synthesis is precipitated on the surface of the positive electrode substrate particle 21, covering the surface in a layer, thereby forming the positive electrode substrate coating layer 22. In addition, by adjusting the amount of lithium added, the amount of lithium can be adjusted according to the amount added.

同様に、第3粒子30のセパレータ基材コート層32は、例えば、セパレータ基材粒子31を調製する工程において、セパレータ基材粒子31の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加することによって形成することができる。このとき、合成用原料に含まれる余剰のリチウム成分の析出物が、セパレータ基材粒子31の表面を層状に覆うことで、セパレータ基材コート層32が形成される。また、添加するリチウムの量を調整することで。添加量に応じたリチウム量とすることができる。 Similarly, the separator substrate coating layer 32 of the third particle 30 can be formed, for example, by adding an excess of lithium component to the raw material for synthesizing the separator substrate particle 31 in the process of preparing the separator substrate particle 31. At this time, the precipitate of the excess lithium component contained in the raw material for synthesis covers the surface of the separator substrate particle 31 in a layer form, forming the separator substrate coating layer 32. In addition, by adjusting the amount of lithium added, the amount of lithium can be adjusted according to the amount added.

また、正極層11及び正極層材料は、例えば、正極基材粒子21を構成する固体電解質よりも融点の低い低融点リチウム化合物を、焼結助剤としてさらに含有することができる。
同様に、セパレータ層12及びセパレータ層材料は、セパレータ基材粒子21を構成する固体電解質よりも融点の低い低融点リチウム化合物を、焼結助剤としてさらに含有することができる。
このような低融点リチウム化合物(以下、適宜、低融点化合物と略称する)としては、焼成時の温度条件において液相となるリチウム含有酸化物、好適には、リチウム(Li)とホウ素(B)を含む種々の複合酸化物が用いられる。具体的には、例えば、Li3BO3、Li425、LiBO2、Li649、Li247、Li3712、LiB35、Li2813等が挙げられる。具体的には、ホウ酸リチウム(Li3BO3)が好適に用いられる。
Furthermore, the positive electrode layer 11 and the positive electrode layer material may further contain, for example, a low-melting-point lithium compound having a melting point lower than that of the solid electrolyte constituting the positive electrode substrate particles 21 as a sintering aid.
Similarly, the separator layer 12 and the separator layer material may further contain, as a sintering aid, a low-melting-point lithium compound having a melting point lower than that of the solid electrolyte constituting the separator substrate particle 21 .
As such a low melting point lithium compound (hereinafter, appropriately abbreviated as low melting point compound), a lithium-containing oxide that becomes liquid phase under the temperature conditions during firing, preferably various composite oxides containing lithium (Li) and boron (B) are used. Specific examples include Li 3 BO 3 , Li 4 B 2 O 5 , LiBO 2 , Li 6 B 4 O 9 , Li 2 B 4 O 7 , Li 3 B 7 O 12 , LiB 3 O 5 , Li 2 B 8 O 13 , etc. Specifically, lithium borate (Li 3 BO 3 ) is preferably used.

このとき、図6に示すように、焼成過程において、低融点化合物が溶融することにより、第1粒子10と第2粒子20の粒界に液相が形成されて、より低温での焼結を可能にする。したがって、高温による異相の形成等を抑制して、電池性能を良好に維持することができる。焼成温度は、例えば、1000℃以下であり、固体電解質が焼結しイオン伝導性が確保されるように、任意に設定される。焼成温度が1000℃を超えると、正極活物質が熱分解を起こし始めることで、電池性能が低下し、あるいは、基材コート層22、32となる析出物が揮発して、反応を抑制する所望の効果が得られないおそれがある。 At this time, as shown in FIG. 6, the low melting point compound melts during the sintering process, forming a liquid phase at the grain boundaries between the first particles 10 and the second particles 20, enabling sintering at a lower temperature. Therefore, the formation of different phases due to high temperatures can be suppressed, and the battery performance can be maintained at a good level. The sintering temperature is, for example, 1000°C or less, and is set arbitrarily so that the solid electrolyte is sintered and ion conductivity is ensured. If the sintering temperature exceeds 1000°C, the positive electrode active material begins to thermally decompose, which may result in a decrease in battery performance, or the precipitates that become the substrate coating layers 22 and 32 may volatilize, and the desired effect of suppressing the reaction may not be obtained.

(実施形態2)
上記実施形態1では、電極積層体1において、正極層11に積層されるセパレータ層12の全体が、二層構造の第3粒子30を含む構成例としたが、セパレータ層12は、その一部の領域が、二層構造の第3粒子30にて構成されるようにしてもよい。以下、上記実施形態1との相違点を中心に説明する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
In the above-described first embodiment, the separator layer 12 laminated on the positive electrode layer 11 in the electrode laminate 1 is entirely configured to include the third particles 30 having a two-layer structure, but the separator layer 12 may have a partial region configured of the third particles 30 having a two-layer structure. The following mainly describes the differences from the above-described first embodiment.
In addition, among the symbols used in the second and subsequent embodiments, the same symbols as those used in the previous embodiments represent the same components, etc. as those in the previous embodiments, unless otherwise specified.

図7に示すように、本形態では、セパレータ層12を二層構造として、正極層11に隣接する領域を第1セパレータ層121、第1セパレータ層121を挟んで正極層11と反対側の領域を第2セパレータ層122としている。セパレータ層12を構成する第3粒子30は、第1セパレータ層121においては、上記実施形態1におけるセパレータ層12と同様に、セパレータ基材粒子31とセパレータ基材コート層32とからなる二層構造となっている。第2セパレータ層122を構成する第3粒子30は、セパレータ基材コート層32を有しないセパレータ基材粒子31の単層構造となっている。 As shown in FIG. 7, in this embodiment, the separator layer 12 has a two-layer structure, with the region adjacent to the positive electrode layer 11 being the first separator layer 121, and the region opposite the positive electrode layer 11 across the first separator layer 121 being the second separator layer 122. The third particles 30 constituting the separator layer 12 have a two-layer structure consisting of a separator substrate particle 31 and a separator substrate coating layer 32 in the first separator layer 121, similar to the separator layer 12 in the first embodiment. The third particles 30 constituting the second separator layer 122 have a single-layer structure of the separator substrate particle 31 without the separator substrate coating layer 32.

第1セパレータ層121は、正極層11とセパレータ層12との界面に存在する第1粒子10、又は焼成過程で正極層11からセパレータ層12に拡散する第1粒子10と接触する可能性がある領域を含むように、層厚等を設定することが望ましい。
第2セパレータ層122の層厚や、第1セパレータ層121と第2セパレータ層122との層厚比等は、任意に設定することができる。
It is desirable to set the layer thickness, etc. of the first separator layer 121 so as to include an area that may come into contact with the first particles 10 present at the interface between the positive electrode layer 11 and the separator layer 12, or the first particles 10 that diffuse from the positive electrode layer 11 to the separator layer 12 during the firing process.
The thickness of the second separator layer 122 and the ratio of the thicknesses of the first separator layer 121 and the second separator layer 122 can be set arbitrarily.

このように、少なくとも、正極層11に隣接する所定厚さの領域を、第1セパレータ層121とすることで、隣接する第2セパレータ層122を、セパレータ基材コート層32を省略した簡易な構造とすることができる。その他の構成は、上記実施形態1と同様であり、第1粒子10とセパレータ基材粒子31との接触に起因する異相の形成が抑制される。
したがって、セパレータ基材コート層32を有する二層構造の第3粒子30の使用を最小限とし、より簡易な構成で、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
In this way, by making at least the region of a predetermined thickness adjacent to the positive electrode layer 11 the first separator layer 121, the adjacent second separator layer 122 can have a simple structure in which the separator substrate coating layer 32 is omitted. The other configurations are the same as those of the first embodiment, and the formation of a different phase due to contact between the first particle 10 and the separator substrate particle 31 is suppressed.
Therefore, the use of the third particles 30 having a two-layer structure with the separator substrate coating layer 32 is minimized, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained with a simpler configuration.

(実施例1~5)
次に、図8に示す手順で、第2粒子20及び第3粒子30となる固体電解質粒子を作製した。これを用いて、さらに図9に示す手順で、電極積層体1及び全固体電池100を作製して評価した。ガーネット型の固体電解質としては、Li6.75La3Zr1.75Nb0.2512(LLZN)を用いた。
表1に示すように、第1粒子10の正極活物質として、実施例1、3~5は、LiNi1/3Mn1/3Co1/32(以下、NMCと略称する)を、実施例2は、LiCoO2(以下、適宜、LCOと略称する)を用いた。また、実施例1~5の負極活物質としては、リチウム(金属)を用いた。
(Examples 1 to 5)
Next, solid electrolyte particles to become the second particles 20 and the third particles 30 were produced according to the procedure shown in Fig. 8. Using these, an electrode stack 1 and an all-solid-state battery 100 were produced and evaluated according to the procedure shown in Fig . 9. Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12 ( LLZN ) was used as the garnet - type solid electrolyte.
As shown in Table 1, Examples 1 and 3 to 5 used LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (hereinafter abbreviated as NMC) as the positive electrode active material of the first particle 10, and Example 2 used LiCoO 2 (hereinafter abbreviated as LCO as appropriate). Moreover, Examples 1 to 5 used lithium (metal) as the negative electrode active material.

また、実施例1、2、4、5においては、正極層11の第2粒子20として、LLZNの化学量論組成よりもLi原料を過剰に添加することにより、表面に炭酸リチウム(LiCO3)を析出させた表面コートLLZNを用いた。実施例3は、正極層11の第2粒子20に加えて、セパレータ層12の第3粒子30についても、表面コートLLZNを用いた。 In Examples 1, 2, 4, and 5, surface-coated LLZN was used as the second particle 20 of the positive electrode layer 11, in which lithium carbonate (LiCO 3 ) was precipitated on the surface by adding an excess amount of Li raw material compared to the stoichiometric composition of LLZN. In Example 3, surface-coated LLZN was used not only for the second particle 20 of the positive electrode layer 11, but also for the third particle 30 of the separator layer 12.

(固体電解質粒子の作製)
図8に示すように、LLZNの合成用原料として、LiOH・H2O、La(OH)3、ZrO2、Nb25を用いた。まず、これら合成用原料の粉末を、表2に基づいて理論組成となるように秤量し、第1混合工程(1)において、配合した原料を、遊星ボールミルで混合した。この混合原料を、第1焼成工程(2)において、大気雰囲気中にて700℃で焼成して、基材粒子21、31となるLLZNを合成した。
表2は、LLZNの合成量を1molとする場合について、各原料化合物の純度(%)とmol質量(g/mol)、理論組成におけるmol組成比と、理論秤量値(g)を示したものである。
(Preparation of solid electrolyte particles)
As shown in Fig. 8, LiOH.H2O , La(OH) 3 , ZrO2 , and Nb2O5 were used as raw materials for synthesizing LLZN. First, the powders of these raw materials were weighed out to obtain the theoretical composition based on Table 2, and in the first mixing step (1), the blended raw materials were mixed in a planetary ball mill. In the first firing step (2), this mixed raw material was fired at 700°C in an air atmosphere to synthesize LLZN that would become the base particles 21 and 31.
Table 2 shows the purity (%) and molar mass (g/mol) of each raw material compound, the molar composition ratio in the theoretical composition, and the theoretical weight value (g) when the synthesis amount of LLZN is 1 mol.

次に、第2混合工程(3)において、合成したLLZNの表面に、さらに、基材コート層22、32を形成するために、余剰のLiOH・H2Oを添加して、遊星ボールミルで混合した。この混合原料を、第2焼成工程(4)において、大気雰囲気にて700℃で焼成して、LLZNの表面にLi2CO3を析出させ、第粒子20、第3粒子30となる表面コートLLZNを得た。 Next, in the second mixing step (3), excess LiOH.H2O was added to the surface of the synthesized LLZN and mixed in a planetary ball mill to form substrate coating layers 22 and 32. In the second firing step (4), this mixed raw material was fired at 700°C in an air atmosphere to precipitate Li2CO3 on the surface of the LLZN, thereby obtaining surface-coated LLZN that would become the second particles 20 and the third particles 30.

このとき、表1に示すように、実施例1~5について、基材コート層22、32として析出させるLi2CO3量を、LLZNに含まれるLi量に対する比率が、5mol%~40mol%の範囲となるように変更した。このコート量(比率:mol%)と、第1混合工程(1)後のLLZN回収量(g)とを用いて、第2混合工程(3)にて添加される、LiOH・H2Oの後添加量(g)を、下記式から算出することができる。
LiOH・H2Oの後添加量=
(LLZN回収量/固体電解質のmol質量)×コート量×(LiOH・H2Oのmol質量)
At this time, as shown in Table 1, for Examples 1 to 5, the amount of Li2CO3 precipitated as the substrate coating layer 22, 32 was changed so that the ratio to the amount of Li contained in LLZN was in the range of 5 mol% to 40 mol%. Using this coating amount (ratio: mol%) and the amount of LLZN recovered (g) after the first mixing step (1), the amount of LiOH.H2O added later (g) to be added in the second mixing step (3) can be calculated from the following formula.
Amount of LiOH·H 2 O added later=
(LLZN recovery amount/molar mass of solid electrolyte)×coating amount×(molar mass of LiOH·H 2 O)

なお、第1焼成工程(2)の焼成温度は、Liの揮発が生じない温度(700℃)に設定されるので、第2混合工程(3)におけるLiOH・H2Oの後添加量(g)の算出において、第1焼成工程(2)におけるLiの揮発は考慮されていない。 In addition, since the firing temperature in the first firing step (2) is set to a temperature (700°C) at which Li does not volatilize, the volatilization of Li in the first firing step (2) is not taken into account when calculating the amount (g) of LiOH.H2O to be added later in the second mixing step (3).

Figure 0007481818000001
Figure 0007481818000001

Figure 0007481818000002
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(全固体電池の作製)
次いで、図9に示すように、得られた表面コートLLZNを用いて、正極層11とセパレータ層12を積層した電極積層体1を作製し、さらに、全固体電池100を作製した。
まず、混合工程(11)において、正極層11を形成するための正極層原料を配合し、乳鉢で混合した混合粉を用意した。また、セパレータ層12を形成するためのセパレータ原料を用意した。
(Fabrication of all-solid-state batteries)
Next, as shown in FIG. 9, an electrode laminate 1 was produced by laminating a positive electrode layer 11 and a separator layer 12 using the obtained surface-coated LLZN, and further, an all-solid-state battery 100 was produced.
First, in the mixing step (11), positive electrode layer raw materials for forming the positive electrode layer 11 were blended and mixed in a mortar to prepare a mixed powder. Also, separator raw materials for forming the separator layer 12 were prepared.

このとき、実施例1~5において、正極層原料は、得られた表面コートLLZNからなる固体電解質粉(第2粒子20)と、正極活物質であるNMC又はLCOからなる正極粉(第1粒子10)を含む。また、セパレータ原料は、得られたLLZN又は表面コートLLZNからなる固体電解質粉(第3粒子30)である。 In this case, in Examples 1 to 5, the positive electrode layer raw material includes a solid electrolyte powder (second particle 20) made of the obtained surface-coated LLZN, and a positive electrode powder (first particle 10) made of NMC or LCO, which is a positive electrode active material. The separator raw material is a solid electrolyte powder (third particle 30) made of the obtained LLZN or surface-coated LLZN.

また、正極層原料において、正極粉となる正極活物質(第1粒子10)と、固体電解質粉となる表面コートLLZN(第2粒子20)との配合比は、以下の通りとした。
正極活物質/表面コートLLZN=50質量%/50質量%
なお、得られた表面コートLLZNの平均粒径(D50)は、2μmであった。
In the positive electrode layer raw material, the compounding ratio of the positive electrode active material (first particles 10) that becomes the positive electrode powder and the surface-coated LLZN (second particles 20) that becomes the solid electrolyte powder was as follows.
Positive electrode active material/surface-coated LLZN=50% by mass/50% by mass
The average particle size (D50) of the obtained surface-coated LLZN was 2 μm.

積層工程(12)、加圧成形工程(13)において、これら正極層原料の混合粉、セパレータ原料の固体電解質粉を積層し、さらに加圧成形して、試験用の電極積層体1を作製した。図10に、積層体の作製に用いられる金型200の構成例を示す。図10において、金型200は、中央に貫通穴を有する円筒状の第1金型201と、貫通穴の一端側を閉鎖する円板状の第2金型202と、貫通穴の他端側から挿通される円柱状の第3金型203とからなる。 In the lamination process (12) and pressure molding process (13), the mixed powder of the positive electrode layer raw material and the solid electrolyte powder of the separator raw material were laminated and further pressure molded to produce the electrode laminate 1 for testing. Figure 10 shows an example of the configuration of a mold 200 used to produce the laminate. In Figure 10, the mold 200 consists of a cylindrical first mold 201 with a through hole in the center, a disk-shaped second mold 202 that closes one end of the through hole, and a cylindrical third mold 203 that is inserted from the other end of the through hole.

まず、第1金型201の貫通穴内に、セパレータ層原料の固体電解質粉101を投入し、第3金型203を差し込んで、第2金型202との間で、形状を整える程度に加圧した。次いで、図11に示すように、第3金型203を取り外して、層状に成形された混合紛101の上方から、正極層原料の混合紛102を投入し、再度、第3金型203を差し込んで、98kPaで加圧成形した。 First, solid electrolyte powder 101, the raw material for the separator layer, was poured into the through-hole of the first mold 201, and the third mold 203 was inserted, and pressure was applied between the second mold 202 and the third mold 203 to adjust the shape. Next, as shown in FIG. 11, the third mold 203 was removed, and mixed powder 102, the raw material for the positive electrode layer, was poured from above the layered mixed powder 101, and the third mold 203 was inserted again, and pressure molding was performed at 98 kPa.

焼成工程(14)において、得られた加圧成形体を、大気雰囲気にて900℃で焼成して、電極積層体1とした。さらに、集電体形成工程(15)において、この電極積層体1の正極層11側に、正極集電体となるAuペーストをコートし、負極層形成工程(16)において、セパレータ層12側に、負極活物質となるLi金属の貼付を行って、試験用の全固体電池100とした。 In the firing process (14), the obtained pressure-molded body was fired at 900°C in an air atmosphere to obtain the electrode laminate 1. Furthermore, in the current collector formation process (15), the positive electrode layer 11 side of this electrode laminate 1 was coated with Au paste to become the positive electrode current collector, and in the negative electrode layer formation process (16), Li metal to become the negative electrode active material was attached to the separator layer 12 side to obtain a test all-solid-state battery 100.

このようにして得られた実施例1~5の全固体電池100について、異相の発現の有無と、焼成前後の放電容量の変化を調べた結果を表1に併記した。
表1において、炭酸リチウム量は、ガーネット型固体電解質に含まれるリチウム量に対する比率(mol%)であり、ICP発光分光分析法による測定結果に基づいて算出した。具体的には(実施例1)、表3に示されるICP測定結果から、表面コートLLZNに含まれるリチウムの総量を算出し、表面コート前のLLZNの化学論組成に基づくリチウム量を差し引いた値を、表面コートされたリチウム量として、下記式から算出した。
化学量論組成:Li6.75La3Zr1.75Nb0.2512
(8.358-6.75)/6.75×100=23mol%
The all-solid-state batteries 100 of Examples 1 to 5 thus obtained were examined for the presence or absence of a different phase and the change in discharge capacity before and after firing. The results are also shown in Table 1.
In Table 1, the amount of lithium carbonate is a ratio (mol%) to the amount of lithium contained in the garnet-type solid electrolyte, and was calculated based on the measurement results by ICP atomic emission spectroscopy. Specifically (Example 1), the total amount of lithium contained in the surface-coated LLZN was calculated from the ICP measurement results shown in Table 3, and the value obtained by subtracting the amount of lithium based on the chemical composition of the LLZN before surface coating was used as the amount of lithium coated on the surface, and was calculated from the following formula.
Stoichiometric composition : Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12
(8.358 - 6.75) / 6.75 x 100 = 23 mol%

Figure 0007481818000003
Figure 0007481818000003

また、異相の有無の判断は、X線回折法(XRD)を用いた元素分析により行い、基準となる焼成前の正極層原料に対して、焼成後に新規のピークが発現したときに、異相ありと判断した。
放電容量は、全固体電池100の充放電試験を行い、所定の電位まで充電し放電させたときの放電容量を測定した。焼成なしの状態での放電容量を100%として、焼成した後の放電容量の割合(%)を算出し、75%以上の特性が得られたものを、可とし、75%未満のものは、不可とした。
The presence or absence of a different phase was determined by elemental analysis using X-ray diffraction (XRD). When a new peak appeared after firing compared to the reference positive electrode layer raw material before firing, it was determined that a different phase was present.
The discharge capacity was measured by performing a charge/discharge test on the all-solid-state battery 100, charging and discharging the battery to a predetermined potential, and then measuring the discharge capacity. The discharge capacity without firing was taken as 100%, and the percentage of the discharge capacity after firing was calculated. Those that achieved a characteristic of 75% or more were rated as acceptable, and those that achieved a characteristic of less than 75% were rated as unacceptable.

表1に明らかなように、実施例1~5では、いずれも異相の発現は確認されなかった。また、放電容量は、正極層11の第2粒子20に正極基材コート層22を設けた実施例1、2、4、5において、76%~90%の範囲となり、良好な特性が得られた。さらに、セパレータ層12の第3粒子30にもセパレータ基材コート層32を設けた実施例3においては、放電容量が98%に向上した。 As is clear from Table 1, no heterogeneous phases were observed in any of Examples 1 to 5. Furthermore, the discharge capacity was in the range of 76% to 90% in Examples 1, 2, 4, and 5, in which the positive electrode substrate coating layer 22 was provided on the second particle 20 of the positive electrode layer 11, and good characteristics were obtained. Furthermore, in Example 3, in which the separator substrate coating layer 32 was also provided on the third particle 30 of the separator layer 12, the discharge capacity was improved to 98%.

(比較例1、2)
比較のため、表4に示すように、固体電解質粒子の表面をコートする炭酸リチウム量を変更し、それ以外は、実施例1と同様の手順で、正極層材料及びセパレータ材料を用意し、比較例1、2の電極積層体1を作製した。さらに、これら比較例1、2の電極積層体1を用いて、試験用の全固体電池100を作製した。
比較例1では、炭酸リチウム量が0mol%となるように、LiOH・H2Oの後添加を行わず、表面コートされていないLLZNを、正極層11の第2粒子20として用いた。比較例2では、LiOH・H2Oの後添加量を、炭酸リチウム量が50mol%となるように調整して、得られた表面コートLLZNを、正極層11の第2粒子20として用いた。
(Comparative Examples 1 and 2)
For comparison, the amount of lithium carbonate coating the surfaces of the solid electrolyte particles was changed as shown in Table 4, and otherwise, a positive electrode layer material and a separator material were prepared in the same manner as in Example 1, and electrode laminates 1 of Comparative Examples 1 and 2 were fabricated. Furthermore, using these electrode laminates 1 of Comparative Examples 1 and 2, all-solid-state batteries 100 for testing were fabricated.
In Comparative Example 1, no post-addition of LiOH.H2O was performed so that the amount of lithium carbonate was 0 mol%, and unsurface-coated LLZN was used as the second particles 20 of the positive electrode layer 11. In Comparative Example 2, the amount of post-addition of LiOH.H2O was adjusted so that the amount of lithium carbonate was 50 mol%, and the obtained surface-coated LLZN was used as the second particles 20 of the positive electrode layer 11.

これら比較例1、2について、同様にして、異相の発現の有無と、焼成前後の放電容量の変化を調べた結果を表4に併記した。
表4に明らかなように、比較例1において、異相の発現が確認され、また、比較例1、2のいずれも、放電容量が0%と大きく低下した。これは、比較例1においては、第2粒子20が正極基材コート層22を有しないことで、正極基材粒子21となるLLZNと、第1粒子10となる正極活物質との反応が生じ、異相の形成により電池性能を低下させたものと推察される。また、比較例2では、正極基材コート層22が正極基材粒子21を厚く覆うことにより、異相の形成は抑制されるものの、イオン伝導度が低くなって、電池性能を低下させたものと推察される。
For these Comparative Examples 1 and 2, the presence or absence of a different phase and the change in discharge capacity before and after firing were similarly examined. The results are shown in Table 4.
As is clear from Table 4, the occurrence of a heterogeneous phase was confirmed in Comparative Example 1, and the discharge capacity was significantly reduced to 0% in both Comparative Examples 1 and 2. This is presumed to be because, in Comparative Example 1, the second particle 20 does not have the positive electrode substrate coating layer 22, and a reaction occurs between the LLZN that becomes the positive electrode substrate particle 21 and the positive electrode active material that becomes the first particle 10, and the battery performance is reduced by the formation of a heterogeneous phase. In Comparative Example 2, the positive electrode substrate coating layer 22 covers the positive electrode substrate particle 21 thickly, suppressing the formation of the heterogeneous phase, but the ion conductivity is reduced, and the battery performance is presumed to be reduced.

Figure 0007481818000004
Figure 0007481818000004

(実施例6)
実施例1と同様の手順で作製された、LLZN及び表面コートLLZNを用いて、正極層材料及びセパレータ材料を用意し、さらに、低融点化合物となるリチウムとホウ素を含む複合酸化物を添加して、実施例6の電極積層体1を作製した。また、この実施例6の電極積層体1を用いて、試験用の全固体電池100を作製した。
この場合の製造工程を、図12に示す。
Example 6
A positive electrode layer material and a separator material were prepared using LLZN and surface-coated LLZN produced in the same manner as in Example 1, and a composite oxide containing lithium and boron, which serves as a low-melting point compound, was further added to produce an electrode laminate 1 of Example 6. In addition, a test all-solid-state battery 100 was produced using this electrode laminate 1 of Example 6.
The manufacturing process in this case is shown in FIG.

図12に示すように、まず、混合工程(11)において、正極層11を形成するための正極層原料を配合し、乳鉢で混合した混合粉を用意した。また、セパレータ層12を形成するためのセパレータ原料を配合し、乳鉢で混合した。 As shown in FIG. 12, first, in the mixing step (11), the positive electrode layer raw materials for forming the positive electrode layer 11 were blended and mixed in a mortar to prepare a mixed powder. In addition, the separator raw materials for forming the separator layer 12 were blended and mixed in a mortar.

実施例6において、正極層原料は、表面コートLLZNからなる固体電解質粉(第2粒子20)と、正極活物質であるNMCからなる正極粉(第1粒子10)と、低融点化合物としてホウ酸リチウム(Li3BO3)を含む。また、セパレータ原料は、得られたLLZN又は表面コートLLZNからなる固体電解質粉(第2粒子20)と、低融点化合物としてLi3BO3を含んで構成される。低融点化合物として用いられるLi3BO3の融点(810℃)は、焼成温度(900℃)よりも低い。 In Example 6, the positive electrode layer raw material contains a solid electrolyte powder (second particle 20) made of surface-coated LLZN, a positive electrode powder (first particle 10) made of NMC as a positive electrode active material, and lithium borate ( Li3BO3 ) as a low melting point compound. The separator raw material contains the obtained solid electrolyte powder (second particle 20 ) made of LLZN or surface-coated LLZN , and Li3BO3 as a low melting point compound. The melting point (810°C) of Li3BO3 used as the low melting point compound is lower than the firing temperature (900°C).

このとき、正極層原料において、正極活物質(第1粒子10)と、表面コートLLZN(第2粒子20)と、低融点化合物の配合比は、以下の通りとした。
正極活物質/表面コートLLZN/低融点化合物=50質量%/45質量%/5質量%
At this time, in the positive electrode layer raw material, the compounding ratio of the positive electrode active material (first particles 10), the surface-coated LLZN (second particles 20), and the low melting point compound was as follows.
Positive electrode active material/surface-coated LLZN/low-melting-point compound=50% by mass/45% by mass/5% by mass

その他は同様にして、積層工程(12)、加圧成形工程(13)、焼成工程(14)、集電体形成工程(15)、負極層形成工程(16)を経て、試験用の全固体電池100とした。
実施例6についても、同様にして、異相の発現の有無と、焼成前後の放電容量の変化を調べた結果を表4に併記した。
The rest of the process was the same as above, and the lamination process (12), pressure molding process (13), firing process (14), current collector formation process (15), and negative electrode layer formation process (16) were carried out to produce an all-solid-state battery 100 for testing.
For Example 6, the presence or absence of a different phase and the change in discharge capacity before and after firing were examined in the same manner. The results are also shown in Table 4.

表4の結果に明らかなように、実施例6においても、異相の発現は見られず、また、放電容量は97%と、実施例1、2よりも向上し、正極層11及びセパレータ層12に表面コートLLZNを用いた実施例3と、ほぼ同等の値が得られた。これは、低融点のLi3BO3の添加により、焼成時により低温で液相が形成され、正極層11及びセパレータ層12における焼結が促進されることで、放電容量の低下が抑制されたためと推察される。 As is clear from the results in Table 4, no heterogeneous phase was observed in Example 6 either, and the discharge capacity was 97%, which was improved compared to Examples 1 and 2, and was almost the same value as Example 3 , in which surface-coated LLZN was used for the positive electrode layer 11 and the separator layer 12. This is presumably because the addition of Li3BO3 , which has a low melting point, formed a liquid phase at a lower temperature during firing, promoting sintering of the positive electrode layer 11 and the separator layer 12, thereby suppressing the decrease in discharge capacity.

(実施例7)
実施例1と同様の手順で作製された、LLZN及び表面コートLLZNを用いて、正極層材料及びセパレータ材料を用意し、電極積層体1を作製した。この電極積層体1を用いて、試験用の全固体電池100を作製する際に、上記図9に示した焼成工程(14)における焼成温度を800℃とした以外は、実施例1と同様にして、実施例7の全固体電池100を作製した。
(Example 7)
A positive electrode layer material and a separator material were prepared using LLZN and surface-coated LLZN produced in the same manner as in Example 1, and an electrode laminate 1 was produced. When producing a test all-solid-state battery 100 using this electrode laminate 1, the all-solid-state battery 100 of Example 7 was produced in the same manner as in Example 1, except that the firing temperature in the firing step (14) shown in Figure 9 was set to 800°C.

実施例7についても、同様にして、異相の発現の有無と、焼成前後の放電容量の変化を調べた結果を表4に併記した。
表4の結果に明らかなように、実施例7においても、異相の発現は見られず、また、放電容量は95%と、実施例1、2よりも向上した。これは、焼成温度をより低くすることで、正極層11及びセパレータ層12における反応が抑制され、放電容量の低下が抑制されたものと推察される。
For Example 7, the presence or absence of a different phase and the change in discharge capacity before and after firing were examined in the same manner. The results are also shown in Table 4.
As is clear from the results in Table 4, no heterogeneous phase was observed in Example 7 either, and the discharge capacity was 95%, which was improved compared to Examples 1 and 2. This is presumably because the lower firing temperature suppressed the reaction in the positive electrode layer 11 and the separator layer 12, thereby suppressing the decrease in the discharge capacity.

以上のように、LLZNの表面に炭酸リチウム等のリチウム化合物を析出させた表面コートLLZNを、正極層11の第2粒子20に用いることにより、異相の発現がなく、高い放電容量を示す全固体電池100が得られることが確認された。この効果を得るために、LLZNの表面をコートするリチウム化合物は、好適には、基材粒子21のリチウム量の5mol%~40mol%の範囲で用いられるとよい。さらには、正極層11のセパレータ層12の第3粒子30に表面コートLLZNを用いることにより、または、焼成条件において液相を形成する低融点リチウム化合物を添加することで、より高い効果が得られる。 As described above, it has been confirmed that by using surface-coated LLZN, in which a lithium compound such as lithium carbonate is deposited on the surface of LLZN, for the second particle 20 of the positive electrode layer 11, an all-solid-state battery 100 that does not exhibit a different phase and exhibits a high discharge capacity can be obtained. To achieve this effect, the lithium compound that coats the surface of LLZN is preferably used in the range of 5 mol % to 40 mol % of the lithium amount of the base particle 21. Furthermore, by using surface-coated LLZN for the third particle 30 of the separator layer 12 of the positive electrode layer 11, or by adding a low-melting point lithium compound that forms a liquid phase under firing conditions, a higher effect can be obtained.

上記実施形態では、正極層11の第2粒子20において、正極基材コート層22の作製を、正極基材粒子21の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加することによって行ったが、これに限らず、任意の方法を採用することができる。セパレータ層12の第3粒子30において、セパレータ基材粒子31の表面にセパレータ基材コート層32を形成する場合も、同様の方法を採用することができる。 In the above embodiment, the positive electrode substrate coating layer 22 in the second particle 20 of the positive electrode layer 11 was prepared by adding an excess of lithium components to the raw material for synthesizing the positive electrode substrate particle 21, but this is not limited to this and any method can be used. A similar method can be used when forming the separator substrate coating layer 32 on the surface of the separator substrate particle 31 in the third particle 30 of the separator layer 12.

第2粒子20、第3粒子30の作成方法として、具体的には、スパッタリング法により、正極基材コート層22の材料をターゲット材料として、正極基材粒子21の表面に付着させる方法や、メカノフュージョン法を用いて、機械的な力により正極基材粒子21の表面を、正極基材コート層22の材料で被覆する方法等が挙げられる。さらに、ゾルゲル法を用いて、正極基材コート層22の材料を含む液相を、正極基材粒子21の表面に被覆した後に焼成することによっても、粒子表面にコート材を付着させることができる。第3粒子30の作成も同様にして行うことができる。 Specific examples of methods for producing the second particle 20 and the third particle 30 include a method in which the material of the positive electrode substrate coating layer 22 is used as a target material and attached to the surface of the positive electrode substrate particle 21 by a sputtering method, and a method in which the surface of the positive electrode substrate particle 21 is coated with the material of the positive electrode substrate coating layer 22 by mechanical force using a mechanofusion method. Furthermore, the coating material can also be attached to the particle surface by using a sol-gel method to coat the surface of the positive electrode substrate particle 21 with a liquid phase containing the material of the positive electrode substrate coating layer 22 and then baking it. The third particle 30 can be produced in a similar manner.

これらの方法において、正極基材コート層22、セパレータ基材コート層32を形成する材料は、基材粒子21、31及び第1粒子10と異相を形成しない化合物であれば、基材粒子21、31と第1粒子10との間に介在して、これら粒子の接触を阻害可能であり、リチウム塩等のリチウム化合物に限らず、任意に選択することができる。 In these methods, the materials forming the positive electrode substrate coating layer 22 and the separator substrate coating layer 32 are compounds that do not form a different phase from the substrate particles 21, 31 and the first particles 10, and can be interposed between the substrate particles 21, 31 and the first particles 10 to inhibit contact between these particles, and can be selected arbitrarily, without being limited to lithium compounds such as lithium salts.

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、全固体電池用正極層材料を用いた全固体電池用電極積層体は、車両等の移動体用に限らず、家庭用の各種機器等、任意の用途に用いられる全固体電池その他、任意の用途に適用することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the gist of the present invention.
For example, an electrode laminate for an all-solid-state battery using a positive electrode layer material for an all-solid-state battery is not limited to applications in moving bodies such as vehicles, but can be applied to all-solid-state batteries used for any purpose, such as various household appliances, and other purposes, and can be applied to any other purpose.

1 電極積層体
10 第1粒子
11 正極層
12 セパレータ層
13 負極層
20 第2粒子
21 正極基材粒子(基材粒子)
22 正極基材コート層(基材コート層)
30 第3粒子
31 セパレータ基材粒子(基材粒子)
32 セパレータ基材コート層(基材コート層)
REFERENCE SIGNS LIST 1 Electrode laminate 10 First particle 11 Positive electrode layer 12 Separator layer 13 Negative electrode layer 20 Second particle 21 Positive electrode substrate particle (substrate particle)
22 Positive electrode substrate coating layer (substrate coating layer)
30 Third particle 31 Separator base particle (base particle)
32 Separator substrate coating layer (substrate coating layer)

Claims (9)

全固体電池用の正極層(11)を形成するための正極層材料であって、
正極活物質を含む第1粒子(10)と、固体電解質を含む第2粒子(20)とを含有し、
上記固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有するガーネット型固体電解質であり、
上記第2粒子は、上記固体電解質からなる基材粒子(21)と、その表面に設けられる基材コート層(22)との二層構造を有し、
上記基材コート層は、炭酸リチウムを主体とするリチウム化合物の層であり、上記正極層の形成条件である1000℃以下での焼成において上記基材粒子及び上記第1粒子と異相を形成せず、かつ上記二層構造を維持する、全固体電池用正極層材料。
A cathode layer material for forming a cathode layer (11) for an all-solid-state battery, comprising:
The battery includes first particles (10) containing a positive electrode active material and second particles (20) containing a solid electrolyte,
the solid electrolyte is a garnet-type solid electrolyte having lithium ion conductivity,
The second particle has a two-layer structure of a base particle (21) made of the solid electrolyte and a base coating layer (22) provided on the surface of the base particle,
The substrate coating layer is a layer of a lithium compound mainly composed of lithium carbonate, and does not form a different phase from the substrate particles and the first particles during firing at 1000° C. or less, which is a forming condition for the cathode layer, and maintains the two-layer structure.
正極活物質及び固体電解質を含む正極層(11)と、上記固体電解質を含むセパレータ層(12)とが積層されている、全固体電池用電極積層体(1)であって、
上記固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有するガーネット型固体電解質であり、
上記正極層は、上記正極活物質を含む第1粒子(10)と、上記固体電解質を含む第2粒子(20)とを含有し、
上記第2粒子は、上記固体電解質からなる基材粒子(21)と、その表面に設けられる基材コート層(22)との二層構造を有し、
上記正極層と上記セパレータ層とは、1000℃以下における一体焼成により一体的に積層形成されており、
上記基材コート層は、炭酸リチウムを主体とするリチウム化合物の層であり、上記一体焼成の条件である1000℃以下での焼成において、上記固体電解質及び上記正極活物質のいずれとも反応による生成物を形成せず、かつ上記二層構造を維持する、全固体電池用電極積層体。
An electrode laminate (1) for an all-solid-state battery, comprising a positive electrode layer (11) containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, and a separator layer (12) containing the solid electrolyte,
the solid electrolyte is a garnet-type solid electrolyte having lithium ion conductivity,
the positive electrode layer contains first particles (10) containing the positive electrode active material and second particles (20) containing the solid electrolyte,
The second particle has a two-layer structure of a base particle (21) made of the solid electrolyte and a base coating layer (22) provided on the surface of the base particle,
the positive electrode layer and the separator layer are integrally laminated and formed by co-firing at 1000° C. or less,
the substrate coating layer is a layer of a lithium compound mainly composed of lithium carbonate, and does not form any product by reaction with either the solid electrolyte or the positive electrode active material during firing at 1000° C. or less, which is the condition for the co-firing , and maintains the two-layer structure.
上記セパレータ層は、上記固体電解質を含む第3粒子(30)にて構成されており、
少なくとも、上記正極層に隣接する領域において、上記第3粒子は、上記固体電解質からなるセパレータ基材粒子(31)と、その表面に設けられるセパレータ基材コート層(32)との二層構造を有し、
上記セパレータ基材コート層は、炭酸リチウムを主体とするリチウム化合物の層であり、上記一体焼成の条件である1000℃以下での焼成において、上記固体電解質及び上記正極活物質のいずれとも反応による生成物を形成せず、かつ上記二層構造を維持する、請求項2に記載の全固体電池用電極積層体。
the separator layer is composed of third particles (30) containing the solid electrolyte,
At least in a region adjacent to the positive electrode layer, the third particle has a two-layer structure of a separator substrate particle (31) made of the solid electrolyte and a separator substrate coating layer (32) provided on the surface thereof,
3. The electrode laminate for an all-solid-state battery according to claim 2, wherein the separator substrate coating layer is a layer of a lithium compound mainly containing lithium carbonate, and does not form a product by reaction with either the solid electrolyte or the positive electrode active material during firing at 1000° C. or less, which is a condition for the co-firing, and maintains the two-layer structure.
上記正極層は、上記固体電解質よりも融点の低い低融点リチウム化合物を、さらに含有する、請求項2又は3に記載の全固体電池用電極積層体。 The electrode laminate for an all-solid-state battery according to claim 2 or 3, wherein the positive electrode layer further contains a low-melting-point lithium compound having a melting point lower than that of the solid electrolyte. 上記第2粒子において、上記基材コート層に含まれるリチウム量は、上記基材粒子に含まれるリチウム量に対して、5mol%以上40mol%以下である、請求項2~4のいずれか1項に記載の全固体電池用電極積層体。 The electrode laminate for an all-solid-state battery according to any one of claims 2 to 4, wherein in the second particle, the amount of lithium contained in the substrate coating layer is 5 mol% or more and 40 mol% or less with respect to the amount of lithium contained in the substrate particle. 上記正極活物質は、リチウムと、ニッケル及びコバルトの少なくとも一方を含む複合酸化物である、請求項2~5のいずれか1項に記載の全固体電池用電極積層体。 The electrode laminate for an all-solid-state battery according to any one of claims 2 to 5, wherein the positive electrode active material is a composite oxide containing lithium and at least one of nickel and cobalt. 上記請求項2に記載の全固体電池用電極積層体の製造方法であって、
上記正極層の構成粒子及び上記セパレータ層の構成粒子を調製する調製工程と、
上記正極層の構成粒子を含む層と、上記セパレータ層の構成粒子を含む層とを、一体の積層体とする積層工程と、
上記積層体を一体焼成して電極積層体とする焼成工程と、を備えており、
上記調製工程において、上記基材粒子の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加して大気雰囲気にて焼成することにより、理論組成に対して余剰となるリチウム成分を析出させて、粒子表面を層状に覆う上記基材コート層を形成する、全固体電池用電極積層体の製造方法。
A method for producing the electrode laminate for an all-solid-state battery according to claim 2,
a preparation step of preparing constituent particles of the positive electrode layer and constituent particles of the separator layer;
a lamination step of forming an integral laminate of a layer containing constituent particles of the positive electrode layer and a layer containing constituent particles of the separator layer;
and a firing step of firing the laminate together to form an electrode laminate,
In the preparation step, an excess amount of lithium component is added to a raw material for synthesizing the base particle, and the raw material is fired in an air atmosphere, thereby precipitating the lithium component that is in excess of the theoretical composition, thereby forming the base coating layer that covers the particle surface in a layered form.
上記請求項3に記載の全固体電池用電極積層体の製造方法であって、
上記正極層の構成粒子及び上記セパレータ層の構成粒子を調製する調製工程と、
上記正極層の構成粒子を含む層と、上記セパレータ層の構成粒子を含む層とを、一体の積層体とする積層工程と、
上記積層体を一体焼成して電極積層体とする焼成工程と、を備えており、
上記調製工程において、上記基材粒子及び上記セパレータ基材粒子の合成用原料にリチウム成分を過剰に添加して大気雰囲気にて焼成することにより、理論組成に対して余剰となるリチウム成分を析出させて、上記基材粒子及び上記セパレータ基材粒子の表面を層状に覆う上記基材コート層及び上記セパレータ基材コート層を形成する、全固体電池用電極積層体の製造方法。
A method for producing the electrode laminate for an all-solid-state battery according to claim 3,
a preparation step of preparing constituent particles of the positive electrode layer and constituent particles of the separator layer;
a lamination step of forming an integral laminate of a layer containing constituent particles of the positive electrode layer and a layer containing constituent particles of the separator layer;
and a firing step of firing the laminate together to form an electrode laminate,
a method for producing an electrode laminate for an all-solid-state battery, in which in the preparation step, an excess lithium component is added to raw materials for synthesizing the base particle and the separator base particle, and the raw materials are fired in an air atmosphere, thereby precipitating the lithium component that is in excess of the theoretical composition, thereby forming the base coating layer and the separator base coating layer that cover the surfaces of the base particle and the separator base particle in a layered form.
上記請求項2~6のいずれか1項に記載の全固体電池用電極積層体を備え、上記セパレータ層を挟んで上記正極層と反対側に、負極活物質を含む負極層(13)が積層されている、全固体電池(100)。 An all-solid-state battery (100) comprising an electrode laminate for an all-solid-state battery according to any one of claims 2 to 6, in which a negative electrode layer (13) containing a negative electrode active material is laminated on the opposite side of the separator layer from the positive electrode layer.
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