JP7634256B2 - Oxide solid electrolyte, electrode mixture, and all-solid-state lithium-ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物固体電解質、電極合材、および全固体リチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to an oxide solid electrolyte, an electrode mixture, and an all-solid-state lithium-ion battery.
リチウムイオン2次電池は、エネルギー密度が高く、パソコン、携帯電話などの情報関連機器等に使用されている。近年、電気自動車またはハイブリッド自動車向けに高出力かつ高容量のリチウムイオン2次電池の開発が進められている。 Lithium-ion secondary batteries have a high energy density and are used in information-related devices such as personal computers and mobile phones. In recent years, development of high-output, high-capacity lithium-ion secondary batteries for electric and hybrid vehicles has been progressing.
しかし、現在のリチウムイオン2次電池は、可燃性の有機電解液を用いているので、リチウムイオン2次電池が異常発熱した際に発火しやすいという問題がある。実際、携帯機器でリチウムイオン2次電池を原因とする発火事故が起こっており、安全性の改善が強く求められている。 However, current lithium-ion secondary batteries use flammable organic electrolytes, which means that they are prone to catching fire when they generate abnormal heat. In fact, there have been fires caused by lithium-ion secondary batteries in portable devices, and there is a strong demand for safety improvements.
リチウムイオン2次電池の安全性を改善する技術としては、固体電解質を用いる技術がある。しかし、固体電解質を用いた全固体リチウムイオン2次電池の場合、負極合材層、固体電解質層、及び正極合材層がそれぞれ固体―固体接触となる。そのため、有機電解液を使用する従来のリチウムイオン2次電池と比較して、電子およびイオンの移動経路は著しく少なくなる。特に、導電率の高い酸化物固体電解質は、硬い粒子であり変形しにくいので、プレスなどをしても固体-固体間の良好な接触状態を得ることができない。そのため、導電率が高い酸化物固体電解質では、酸化物固体電解質間の電子またはイオンの伝導性が低い。よって、現在、固体電解質間の接触状態を改善することが求められている。 One technique for improving the safety of lithium-ion secondary batteries is to use solid electrolytes. However, in the case of all-solid-state lithium-ion secondary batteries using solid electrolytes, the negative electrode composite layer, the solid electrolyte layer, and the positive electrode composite layer are in solid-solid contact. Therefore, compared to conventional lithium-ion secondary batteries using organic electrolytes, the number of paths for electron and ion movement is significantly reduced. In particular, oxide solid electrolytes with high electrical conductivity are hard particles that are difficult to deform, so good solid-solid contact cannot be obtained even by pressing. Therefore, in oxide solid electrolytes with high electrical conductivity, the conductivity of electrons or ions between oxide solid electrolytes is low. Therefore, there is currently a demand to improve the contact state between solid electrolytes.
固体電解質間の接触状態を改善する技術としては、特許文献1には、酸化物基準の質量%で、ZrO2成分を2.6~52.0%含有するリチウムイオン伝導性無機物質を焼結する技術が開示されている。非特許文献1には、NASICON型の結晶構造を持つガラスセラミックスを焼結する技術が開示されている。非特許文献2には、Li3BO3-Li2SO4を熱プレスする技術が開示されている。 As a technique for improving the contact state between solid electrolytes, Patent Document 1 discloses a technique for sintering a lithium ion conductive inorganic material containing 2.6 to 52.0% of ZrO2 component in mass % based on oxide. Non-Patent Document 1 discloses a technique for sintering glass ceramics having a NASICON type crystal structure. Non-Patent Document 2 discloses a technique for hot pressing Li3BO3 - Li2SO4 .
特許文献1および非特許文献1の場合、高温で焼結させて粒子間の接触を改善しているが、固体電解質および電極活物質の高温での反応により、イオン電導性および充放電反応性が低下するという問題がある。加えて、特許文献1および非特許文献1の場合、高温での処理が必要となるので、設備費用およびランニングコストが高くなるという問題がある。また、非特許文献2の技術では、常温では良好な粒子間接触状態が形成できていない材料を熱プレスすることで、粒子間の接触状態を改善しているが、高温を必要とするため、設備費用およびランニングコストが高くなるという問題がある。そのため、非特許文献2に開示された固体電解質よりも常温において、より高い変形性を有する固体電解質が求められている。 In the case of Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the contact between particles is improved by sintering at high temperatures, but there is a problem that the ion conductivity and charge/discharge reactivity are reduced due to the reaction of the solid electrolyte and the electrode active material at high temperatures. In addition, in the case of Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, high temperature processing is required, so there is a problem that the equipment cost and running cost are high. In addition, in the technology of Non-Patent Document 2, the contact between particles is improved by hot pressing a material that does not form a good interparticle contact state at room temperature, but since high temperature is required, there is a problem that the equipment cost and running cost are high. Therefore, a solid electrolyte that has higher deformability at room temperature than the solid electrolyte disclosed in Non-Patent Document 2 is required.
本発明は、上記の課題を鑑みてなされた発明であり、常温での良好な変形性を有し、かつ、導電率が高い酸化物固体電解質を提供することを主目的とする。ここで、常温とは20℃~30℃をいう。また、「常温での良好な変形性」とは、例えば、常温、1GPaのプレスにおいて相対密度が95%以上となる変形性をいう。 The present invention was made in consideration of the above problems, and has as its main object the provision of an oxide solid electrolyte that has good deformability at room temperature and high electrical conductivity. Here, room temperature refers to 20°C to 30°C. In addition, "good deformability at room temperature" refers to, for example, deformability that results in a relative density of 95% or more when pressed at room temperature and 1 GPa.
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
(1)本発明の一態様に係る酸化物固体電解質は、硫酸リチウム(Li2SO4)と炭酸リチウム(Li2CO3)とを含む複合物であって、
前記硫酸リチウムと前記炭酸リチウムとのモル比(Li2SO4:Li2CO3)が20:80~80:20であり、
示差走査熱量測定で得られる曲線において、発熱ピークの位置が190℃以下であり、 導電率が1.0×10-7S/cm以上である。
(2)上記(1)に記載の酸化物固体電解質は、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも1種をさらに含んでもよい。
(3)本発明の一態様に係る電極合材は、
上記(1)または(2)に記載の酸化物固体電解質と、
電極活物質と、
導電材と、
を含み、
前記酸化物固体電解質と、前記電極活物質と、前記導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:電極活物質:導電材)が20~80:20~80:0~30である。
(4)本発明の一態様に係る全固体リチウムイオン電池は、上記(1)または(2)に記載の酸化物固体電解質を含む。
(5)上記(4)に記載の全固体リチウムイオン電池は、前記酸化物固体電解質を含む固体電解質層を備えてもよい。
(6)上記(4)または(5)に記載の全固体リチウムイオン電池は、前記酸化物固体電解質を含む正極活物質層または前記酸化物固体電解質を含む負極活物質層を備えてもよい。
(7)上記(6)に記載の全固体リチウムイオン電池は、前記正極活物質層が、前記酸化物固体電解質、正極活物質および正極導電材を含み、
前記酸化物固体電解質と、前記正極活物質と、前記正極導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:正極活物質:正極導電材)が20~80:20~80:0~30であってもよい。
(8)上記(6)または(7)に記載の全固体リチウムイオン電池は、前記負極活物質層が、前記酸化物固体電解質、負極活物質および負極導電材を含み、
前記酸化物固体電解質と、前記負極活物質と、前記負極導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:負極活物質:負極導電材)が20~80:20~80:0~30であってもよい。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
(1) An oxide solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is a compound containing lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ),
the molar ratio of the lithium sulfate to the lithium carbonate (Li 2 SO 4 :Li 2 CO 3 ) is 20:80 to 80:20;
In a curve obtained by differential scanning calorimetry, the position of the exothermic peak is 190 ° C. or lower, and the electrical conductivity is 1.0×10 −7 S/cm or higher.
(2) The oxide solid electrolyte described in (1) above may further contain at least one selected from the group consisting of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate.
(3) An electrode mixture according to one aspect of the present invention is
The oxide solid electrolyte according to (1) or (2) above,
An electrode active material;
A conductive material;
Including,
The mass ratio of the oxide solid electrolyte, the electrode active material, and the conductive material (oxide solid electrolyte:electrode active material:conductive material) is 20-80:20-80:0-30.
(4) An all-solid-state lithium-ion battery according to one aspect of the present invention includes the oxide solid electrolyte described in (1) or (2) above.
(5) The all-solid-state lithium ion battery according to (4) above may include a solid electrolyte layer containing the oxide solid electrolyte.
(6) The all-solid-state lithium ion battery according to (4) or (5) above may include a positive electrode active material layer containing the oxide solid electrolyte or a negative electrode active material layer containing the oxide solid electrolyte.
(7) The all-solid-state lithium-ion battery according to (6) above, wherein the positive electrode active material layer contains the oxide solid electrolyte, a positive electrode active material, and a positive electrode conductive material,
The mass ratio of the oxide solid electrolyte, the cathode active material, and the cathode conductor (oxide solid electrolyte:cathode active material:cathode conductor) may be 20-80:20-80:0-30.
(8) The all-solid-state lithium ion battery according to (6) or (7) above, wherein the negative electrode active material layer contains the oxide solid electrolyte, a negative electrode active material, and a negative electrode conductive material,
The mass ratio of the oxide solid electrolyte, the negative electrode active material, and the negative electrode conductive material (oxide solid electrolyte:negative electrode active material:negative electrode conductive material) may be 20-80:20-80:0-30.
本開示の上記態様によれば、常温での良好な変形性を有し、かつ、導電率が高い酸化物固体電解質、電極合材および全固体リチウムイオン電池を提供することができる。 According to the above aspects of the present disclosure, it is possible to provide an oxide solid electrolyte, an electrode composite, and an all-solid-state lithium-ion battery that have good deformability at room temperature and high electrical conductivity.
<酸化物固体電解質>
本開示の酸化物固体電解質について、説明する。なお、以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、以下の実施形態から変更、改良することができる。
<Oxide solid electrolyte>
The oxide solid electrolyte of the present disclosure will be described. Note that the following exemplary embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention and are not intended to limit the present invention. The present invention can be modified or improved from the following embodiments without departing from the spirit of the present invention.
(硫酸リチウム(Li2SO4)と炭酸リチウム(Li2CO3)とを含む複合物)
本開示の酸化物固体電解質は、硫酸リチウム(Li2SO4)と、炭酸リチウム(Li2CO3)とを含む複合物である。ここで、複合物とは、硫酸リチウムと炭酸リチウムとを含む原料を、例えば、遊星ボールミルで混合し、複合化したものをいう。本開示の酸化物固体電解質は、硫酸リチウムと炭酸リチウムとを含むことで、良好な導電率および良好な変形性が得られる。
( Compound containing lithium sulfate ( Li2SO4 ) and lithium carbonate ( Li2CO3 ))
The oxide solid electrolyte of the present disclosure is a composite containing lithium sulfate ( Li2SO4 ) and lithium carbonate ( Li2CO3 ). Here, the composite refers to a composite obtained by mixing raw materials containing lithium sulfate and lithium carbonate, for example, in a planetary ball mill. By containing lithium sulfate and lithium carbonate, the oxide solid electrolyte of the present disclosure can obtain good electrical conductivity and good deformability.
(硫酸リチウムと前記炭酸リチウムとのモル比(Li2SO4:Li2CO3)が20:80~80:20)
本開示の酸化物固体電解質は、硫酸リチウム(Li2SO4)と炭酸リチウム(Li2CO3)とを含み、硫酸リチウムと炭酸リチウムとのモル比(Li2SO4:Li2CO3)が20:80~80:20である。硫酸リチウムと炭酸リチウムとのモル比が上記の範囲であれば、酸化物固体電解質は、常温での良好な変形性を有する。より好ましい硫酸リチウムと炭酸リチウムとのモル比は、30:70~70:30である。
(The molar ratio of lithium sulfate to the lithium carbonate (Li 2 SO 4 :Li 2 CO 3 ) is 20:80 to 80:20)
The oxide solid electrolyte of the present disclosure contains lithium sulfate ( Li2SO4 ) and lithium carbonate ( Li2CO3 ), and the molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate ( Li2SO4 : Li2CO3 ) is 20:80 to 80:20 . When the molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate is within the above range, the oxide solid electrolyte has good deformability at room temperature. A more preferable molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate is 30:70 to 70:30.
本開示の酸化物固体電解質において、硫酸リチウムおよび炭酸リチウムの合計含有量が、30質量%~100質量%であることが好ましい。硫酸リチウムおよび炭酸リチウムの合計含有量が上記の範囲であれば、常温でのより良好な変形性を得ることができるので好ましい。より好ましい硫酸リチウムおよび炭酸リチウムの合計含有量は、40質量%~100質量%である。 In the oxide solid electrolyte of the present disclosure, the total content of lithium sulfate and lithium carbonate is preferably 30% by mass to 100% by mass. If the total content of lithium sulfate and lithium carbonate is within the above range, better deformability can be obtained at room temperature, which is preferable. The more preferable total content of lithium sulfate and lithium carbonate is 40% by mass to 100% by mass.
(塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも1種)
本開示の酸化物固体電解質は、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも1種をさらに含むことが好ましい。塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも1種をさらに含むことで、より高い導電率を得ることができるので好ましい。
(At least one selected from the group consisting of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate)
The oxide solid electrolyte of the present disclosure preferably further contains at least one selected from the group consisting of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate. By further containing at least one selected from the group consisting of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate, it is preferable to obtain a higher electrical conductivity.
本開示の酸化物固体電解質における塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムの合計含有量は、0質量%~70質量%であることが好ましい。塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムの合計含有量が上記の範囲であれば、より良好な導電率を得ることができるので好ましい。より好ましい塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、硝酸リチウム、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムの合計含有量は、0質量%~60質量%である。 The total content of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate in the oxide solid electrolyte of the present disclosure is preferably 0% by mass to 70% by mass. If the total content of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate is within the above range, better electrical conductivity can be obtained, which is preferable. More preferably, the total content of lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium borate, lithium phosphate, lithium nitrate, lithium silicate, and lithium aluminate is 0% by mass to 60% by mass.
本開示の酸化物固体電解質の化学組成は、例えば、リチウムイオン2次電池の正極、固体電解質層、または負極の断面において、電解放出型透過電子顕微鏡(TEM)に搭載されたエネルギー分散型X線分光装置(EDX)とラマン分光法にて定量することができる。 The chemical composition of the oxide solid electrolyte of the present disclosure can be quantified, for example, by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) and Raman spectroscopy mounted on a field emission transmission electron microscope (TEM) in a cross section of the positive electrode, solid electrolyte layer, or negative electrode of a lithium ion secondary battery.
(示差走査熱量測定で得られる曲線において、発熱ピークの位置が200℃以下)
本開示の酸化物固体電解質は、示差走査熱量測定(DSC)測定において得られる曲線(DSC曲線)において、200℃以下の発熱ピークを有する。DSC曲線において、発熱ピークの位置が200℃以下であることで、酸化物固体電解質の良好な変形性が得られる。より好ましい発熱ピークの位置は、190℃以下である。発熱ピークの位置の下限は特に限定されないが、例えば、80℃以上としてもよい。なお、DSC曲線上に複数の発熱ピークがある場合は、最も発熱量の大きいピークの位置を発熱ピーク位置とする。
(In the curve obtained by differential scanning calorimetry, the position of the exothermic peak is 200° C. or less.)
The oxide solid electrolyte of the present disclosure has an exothermic peak of 200° C. or less in a curve (DSC curve) obtained by differential scanning calorimetry (DSC) measurement. When the position of the exothermic peak in the DSC curve is 200° C. or less, good deformability of the oxide solid electrolyte can be obtained. A more preferable position of the exothermic peak is 190° C. or less. The lower limit of the position of the exothermic peak is not particularly limited, but may be, for example, 80° C. or more. When there are multiple exothermic peaks on the DSC curve, the position of the peak with the largest amount of heat generation is regarded as the exothermic peak position.
本開示の酸化物固体電解質は、DSC曲線において得られる200℃以下の発熱ピークの発熱量が5J/g以上であることが好ましい。DSC曲線において得られる200℃以下の発熱ピークの発熱量が上記の範囲であれば、より高い変形性が得られるので好ましい。より好ましい発熱量は、10J/g以上である。さらに好ましい発熱量は15J/g以上である。発熱ピークの発熱量の上限は特に限定されてないが、例えば、500J/g以下としてもよい。 The oxide solid electrolyte of the present disclosure preferably has a heat generation amount of 5 J/g or more at an exothermic peak at 200°C or less obtained in a DSC curve. If the heat generation amount of an exothermic peak at 200°C or less obtained in a DSC curve is within the above range, it is preferable because higher deformability can be obtained. A more preferable heat generation amount is 10 J/g or more. An even more preferable heat generation amount is 15 J/g or more. There is no particular upper limit to the heat generation amount of the exothermic peak, but it may be, for example, 500 J/g or less.
本開示の酸化物固体電解質の発熱ピークは、例えば、以下の方法で測定することができる。不活性ガス(例えばAr)で満たされたグローブボックス中で酸化物固体電解質(約10mg)をAl密閉試料容器(日立ハイテクサイエンス社製 GCA-0017)に入れ、密閉する。密閉後の容器を示差走査熱量計(例えば、セイコーインスツルメンツ社製DSC6200)に設置し、温度範囲50℃~300℃、昇温速度10℃/分で測定を行うことで、酸化物固体電解質のDSC曲線を得ることができる。得られたDSC曲線から酸化物固体電解質の発熱ピークの位置と発熱量が得られる。ピーク位置および発熱量は例えば、示差走査熱量計DSC6200に付属するソフトウェアを用いて計算することができる。 The heat generation peak of the oxide solid electrolyte of the present disclosure can be measured, for example, by the following method. In a glove box filled with an inert gas (e.g., Ar), the oxide solid electrolyte (about 10 mg) is placed in an Al sealed sample container (GCA-0017 manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation) and sealed. The sealed container is placed in a differential scanning calorimeter (e.g., DSC6200 manufactured by Seiko Instruments Inc.) and measurements are performed at a temperature range of 50°C to 300°C and a heating rate of 10°C/min, thereby obtaining a DSC curve of the oxide solid electrolyte. The position of the heat generation peak and the heat generation amount of the oxide solid electrolyte can be obtained from the obtained DSC curve. The peak position and the heat generation amount can be calculated, for example, using software provided with the differential scanning calorimeter DSC6200.
(導電率が1.0×10-7S/cm以上)
本開示の酸化物固体電解質の導電率は、1.0×10-7S/cm以上である。酸化物固体電解質の導電率が1.0×10-7S/cm未満の場合、全固体リチウムイオン電池の特性が低下する場合がある。より好ましい酸化物固体電解質の導電率は2.0×10-7S/cm以上である。さらに好ましい酸化物固体電解質の導電率は、4.0×10-7S/cm以上である。
(Conductivity is 1.0×10 −7 S/cm or more)
The electrical conductivity of the oxide solid electrolyte of the present disclosure is 1.0×10 −7 S/cm or more. If the electrical conductivity of the oxide solid electrolyte is less than 1.0×10 −7 S/cm, the characteristics of the all-solid-state lithium-ion battery may deteriorate. The electrical conductivity of the oxide solid electrolyte is more preferably 2.0×10 −7 S/cm or more. The electrical conductivity of the oxide solid electrolyte is even more preferably 4.0×10 −7 S/cm or more.
本開示の酸化物固体電解質の導電率は、例えば、以下の方法で測定することができる。
アルゴンガス雰囲気グローブボックス内にて、直径10mmの錠剤成形器(例えば、日本分光製)に直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、その上から固体電解質粉末を入れ、均したのちにさらに直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、常温で1GPa、30分間プレスすることで固体電解質測定用のペレットを得る。得られたペレットをフラットセル内に配置し、密閉することで導電率測定用セルとし、常温にて、インピーダンス測定装置(例えば、ソーラトロン社インピーダンスアナライザーA1260)にて印加電圧50mV、測定周波数1Hz~32MHzにて測定し、得られたナイキストプロットの半円弧の低周波端の抵抗値から導電率を算出することができる。
The electrical conductivity of the oxide solid electrolyte of the present disclosure can be measured, for example, by the following method.
In an argon gas atmosphere glove box, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm is placed in a tablet molder (e.g., manufactured by JASCO) with a diameter of 10 mm, a solid electrolyte powder is placed on top of it, and after smoothing, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm is further placed, and pressed at room temperature for 30 minutes at 1 GPa to obtain pellets for solid electrolyte measurement. The obtained pellets are placed in a flat cell and sealed to form a conductivity measurement cell, and are measured at room temperature with an impedance measurement device (e.g., Solartron Impedance Analyzer A1260) at an applied voltage of 50 mV and a measurement frequency of 1 Hz to 32 MHz, and the conductivity can be calculated from the resistance value of the low-frequency end of the semicircular arc of the obtained Nyquist plot.
(相対密度95%以上)
本開示の酸化物固体電解質は、常温での変形性に優れる。例えば、本開示の酸化物固体電解質を常温で1GPaでプレスした場合、下記の式(1)で表される相対密度が95%以上となる。より好ましくは、常温で1GPaでプレスした場合における相対密度が98%以上である。さらに好ましくは、常温で1GPaでプレスした場合における相対密度が99%以上である。
(Relative density 95% or more)
The oxide solid electrolyte of the present disclosure has excellent deformability at room temperature. For example, when the oxide solid electrolyte of the present disclosure is pressed at 1 GPa at room temperature, the relative density represented by the following formula (1) is 95% or more. More preferably, the relative density when pressed at 1 GPa at room temperature is 98% or more. Even more preferably, the relative density when pressed at 1 GPa at room temperature is 99% or more.
本開示の酸化物固体電解質の相対密度は、以下の方法で測定することができる。アルゴンガス雰囲気グローブボックス内にて、直径10mmの錠剤成形器(例えば、日本分光製)に直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、その上から固体電解質粉末を入れ、均した後にさらに直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、常温で1GPa、30分間プレスすることで相対密度測定用のペレットを得る。得られたペレットの密度を上記(1)式のように、各原料の密度(g/cm3)および質量(g)から計算される理論密度で除することで算出することができる。 The relative density of the oxide solid electrolyte of the present disclosure can be measured by the following method. In an argon gas atmosphere glove box, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm is placed in a tablet molder (e.g., manufactured by JASCO) with a diameter of 10 mm, a solid electrolyte powder is placed on top of it, and after smoothing, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm is further placed, and pressed at room temperature at 1 GPa for 30 minutes to obtain a pellet for relative density measurement. The density of the obtained pellet can be calculated by dividing it by the theoretical density calculated from the density (g/cm 3 ) and mass (g) of each raw material as shown in the above formula (1).
本開示の酸化物固体電解質の形状は特に限定されないが、例えば、粒状が好ましい。 The shape of the oxide solid electrolyte of the present disclosure is not particularly limited, but for example, granular shape is preferred.
(酸化物固体電解質の製造方法)
本開示の酸化物固体電解質の製造方法は、特に限定されないが、例えば、固相合成法、乾式メカニカルミリング処理、湿式メカニカルミリング処理、溶融急冷法、ゾル・ゲル法等があげられる。本開示の酸化物固体電解質の製造方法としては、特に乾式メカニカルミリング処理が好ましい。例えば、酸化物固体電解質の原料をジルコニアボールとともに370rpmで60時間混合することで本開示の酸化物固体電解質が得られる。製造条件については、得られた酸化物固体電解質のDSC測定を行い、発熱ピークの位置および発熱量を確認することで、適宜調整することができる。
(Method for producing oxide solid electrolyte)
The method for producing the oxide solid electrolyte of the present disclosure is not particularly limited, and examples thereof include solid phase synthesis, dry mechanical milling, wet mechanical milling, melt quenching, and sol-gel methods. As the method for producing the oxide solid electrolyte of the present disclosure, dry mechanical milling is particularly preferred. For example, the oxide solid electrolyte of the present disclosure can be obtained by mixing the raw material of the oxide solid electrolyte with zirconia balls at 370 rpm for 60 hours. The production conditions can be appropriately adjusted by performing DSC measurement of the obtained oxide solid electrolyte and confirming the position of the heat generation peak and the heat generation amount.
<電極合材>
本開示の電極合材は、本開示の酸化物固体電解質、電極活物質および導電材を含む。電極合材について、以下、説明する。
<Electrode mixture>
The electrode mixture of the present disclosure includes the oxide solid electrolyte of the present disclosure, an electrode active material, and a conductive material. The electrode mixture will be described below.
(活物質)
電極活物質は、リチウムイオン2次電池で使用されるものであれば特に限定されない。正極に用いる電極活物質(正極活物質)としては、リチウムイオンを可逆的に放出・吸蔵でき、電子輸送が行える材料であれば特に限定されない。正極活物質としては。例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄リン酸化物などのリチウム遷移金属酸化物、硫黄及びその放電生成物である硫化リチウム、多硫化リチウム等の硫黄系活物質等が挙げられる。正極活物質は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Active material)
The electrode active material is not particularly limited as long as it is used in a lithium ion secondary battery. The electrode active material (positive electrode active material) used in the positive electrode is not particularly limited as long as it can reversibly release and absorb lithium ions and transport electrons. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, and lithium iron phosphate, sulfur and its discharge products such as lithium sulfide and lithium polysulfide, and other sulfur-based active materials. The positive electrode active material may be composed of one of the above materials alone, or may be composed of two or more of them.
負極に用いる電極活物質(負極活物質)としては、リチウムイオンを可逆に放出・吸蔵でき、電子輸送が行える材料であれば特に限定されない。負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素質材料;スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、ガリウム、ガリウム合金、インジウム、インジウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を主体とした合金系材料;ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー;金属リチウム:リチウムチタン複合酸化物(例えばLi4Ti5O12)等が挙げられる。負極活物質は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。 The electrode active material (negative electrode active material) used for the negative electrode is not particularly limited as long as it can reversibly release and absorb lithium ions and transport electrons. Examples of the negative electrode active material include carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, resin carbon, carbon fiber, activated carbon, hard carbon, and soft carbon; alloy-based materials mainly composed of tin, tin alloys, silicon, silicon alloys, gallium, gallium alloys, indium, indium alloys, aluminum, and aluminum alloys; conductive polymers such as polyacene, polyacetylene, and polypyrrole; metallic lithium: lithium titanium composite oxide (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ); and the like. The negative electrode active material may be composed of one of the above materials alone, or may be composed of two or more of them.
(導電材)
導電材は一般的にリチウムイオン2次電池及び全固体型リチウムイオン2次電池に使用可能な導電助剤を用いることができる。正極に用いられる導電材(正極導電材)としては、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック;カーボンファイバー;気相法炭素繊維;黒鉛粉末;カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料、を挙げることができる。導電材は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Conductive material)
The conductive material may be a conductive assistant that can be generally used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state lithium ion secondary batteries. Examples of the conductive material (positive electrode conductive material) used in the positive electrode include carbon black such as acetylene black and ketjen black; carbon fiber; vapor-grown carbon fiber; graphite powder; carbon nanotubes, activated carbon, and other carbon materials. The conductive material may be composed of one of the above materials alone, or may be composed of two or more of them.
負極に用いられる導電材(負極導電材)としては、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック;カーボンファイバー;気相法炭素繊維;黒鉛粉末;カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料、を挙げることができる。導電材は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。 Examples of conductive materials used in the negative electrode (negative electrode conductive materials) include carbon black such as acetylene black and ketjen black; carbon fiber; vapor-grown carbon fiber; graphite powder; carbon nanotubes, activated carbon, and other carbon materials. The conductive material may be composed of one of the above materials alone, or two or more of them.
本開示の酸化物固体電解質、電極活物質および導電材の質量合計を100としたときに、本開示の酸化物固体電解質と、電極活物質と、導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:電極活物質:導電材)は、20~80:20~80:0~30である。本開示の酸化物固体電解質と、電極活物質と、導電材と、の質量比が、上記の範囲であれば、高い電池特性が得られる。なお、正極に本開示の酸化物固体電解質を用いる場合(正極合材)は、酸化物固体電解質:正極活物質:正極導電材の質量比は、20~80:20~80:0~30である。負極に本開示の酸化物固体電解質を用いる場合(負極合材)は、酸化物固体電解質:負極活物質:負極導電材の質量比は、20~80:20~80:0~30である。 When the total mass of the oxide solid electrolyte, electrode active material, and conductive material of the present disclosure is 100, the mass ratio of the oxide solid electrolyte, electrode active material, and conductive material of the present disclosure (oxide solid electrolyte: electrode active material: conductive material) is 20-80: 20-80: 0-30. If the mass ratio of the oxide solid electrolyte, electrode active material, and conductive material of the present disclosure is within the above range, high battery characteristics can be obtained. When the oxide solid electrolyte of the present disclosure is used for the positive electrode (positive electrode composite material), the mass ratio of the oxide solid electrolyte: positive electrode active material: positive electrode conductive material is 20-80: 20-80: 0-30. When the oxide solid electrolyte of the present disclosure is used for the negative electrode (negative electrode composite material), the mass ratio of the oxide solid electrolyte: negative electrode active material: negative electrode conductive material is 20-80: 20-80: 0-30.
本開示の電極合材中の酸化物固体電解質の含有量は、20質量%~80質量%が好ましい。また、本開示の電極合材中の電極活物質の含有量は、20質量%~80質量%であることが好ましい。本開示の電極合材中の導電材の含有量は0質量%~30質量%であることが好ましい。より好ましい導電材の含有量は0質量%~25質量%である。本開示の電極合材中の酸化物固体電解質、電極活物質、および導電材の各含有量が上記の範囲であれば、良好な電池特性が得られる。なお、酸化物固体電解質、電極活物質、導電材およびその他の成分の合計で100質量%とする。その他の成分としては、バインダーなどが挙げられる。 The content of the oxide solid electrolyte in the electrode mixture of the present disclosure is preferably 20% by mass to 80% by mass. The content of the electrode active material in the electrode mixture of the present disclosure is preferably 20% by mass to 80% by mass. The content of the conductive material in the electrode mixture of the present disclosure is preferably 0% by mass to 30% by mass. More preferably, the content of the conductive material is 0% by mass to 25% by mass. When the contents of the oxide solid electrolyte, electrode active material, and conductive material in the electrode mixture of the present disclosure are within the above ranges, good battery characteristics can be obtained. The total of the oxide solid electrolyte, electrode active material, conductive material, and other components is 100% by mass. Examples of other components include binders.
本開示の電極合材は、バインダーをさらに含有してもよい。バインダーとしては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等を用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン-ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸リチウム、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸ナトリウム、ポリメタクリル酸リチウム等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で使用しても良いし、2種以上を併用してもよい。 The electrode mixture of the present disclosure may further contain a binder. The binder is not particularly limited, but a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used, for example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetra ... Examples of the binder include polymers (ETFE resins), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymers, propylene-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymers (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-acrylic acid copolymers, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, lithium polyacrylate, polymethacrylic acid, sodium polymethacrylate, and lithium polymethacrylate. These binders may be used alone or in combination of two or more.
本開示の電極合材におけるバインダーの含有量は0質量%~10質量%であることが好ましい。この範囲であれば、電極合材の導電性を維持しつつ、活物質などを保持できる。より好ましいバインダーの含有量は、0質量%~5質量%である。 The binder content in the electrode mixture of the present disclosure is preferably 0% by mass to 10% by mass. Within this range, the active material and the like can be retained while maintaining the electrical conductivity of the electrode mixture. A more preferred binder content is 0% by mass to 5% by mass.
電極合材中の各成分比は、例えば、リチウムイオン2次電池の正極または負極の断面において、電解放出型透過電子顕微鏡(TEM)に搭載されたエネルギー分散型X線分光装置(EDX)とラマン分光法及び燃焼分解法にて定量することができる。 The ratio of each component in the electrode mixture can be quantified, for example, on a cross section of the positive or negative electrode of a lithium-ion secondary battery using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) mounted on a field emission transmission electron microscope (TEM), Raman spectroscopy, and combustion decomposition.
(電極合材の製造方法)
本開示の電極合材の製造方法は、酸化物固体電解質、電極活物質および導電材が均一に混合されていれば、特に限定されない。本開示の電極合材の製造方法としては、例えば、乾式メカニカルミリング処理、湿式メカニカルミリング処理、溶融急冷法などが挙げられる。
(Method of manufacturing electrode mixture)
The method for producing the electrode mixture of the present disclosure is not particularly limited as long as the oxide solid electrolyte, the electrode active material, and the conductive material are uniformly mixed. Examples of the method for producing the electrode mixture of the present disclosure include dry mechanical milling, wet mechanical milling, and melt quenching.
<全固体リチウムイオン電池>
次に、図1を参照し、本開示の一実施形態に係る全固体リチウムイオン電池100を説明する。全固体リチウムイオン電池100は、固体電解質層11、正極合材層12、負極合材層13、正極集電体14、負極集電体15を備える。全固体リチウムイオン電池100は、本開示の酸化物固体電解質を含む。即ち、全固体リチウムイオン電池100は、固体電解質層11、正極活物質層12、および正極活物質層12の少なくともいずれか1つの層に本開示の酸化物固体電解質を含む。以下、各部について説明する。
<All-solid-state lithium-ion battery>
Next, an all-solid-state lithium-
(固体電解質層)
固体電解質層11は、正極活物質層12と負極活物質層13との間に形成される層である。固体電解質層11は、固体電解質を含有する。固体電解質層11に含有される固体電解質としては、本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質を用いてもよい。本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質としては、例えば、リチウムアルミニウムチタンリン酸化物(LATP)、リチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸化物(LAGP)、リチウムランタンジルコニウム酸化物(LLZ)などが挙げられる。これらの固体電解質は、1種単独または2種以上を混合してもよいし、また、本開示の酸化物固体電解質と組み合わせてもよい。なお、固体電解質層11の厚さについては適宜選択することができる。固体電解質層11の厚さは例えば200μm以下が好ましい。
(Solid electrolyte layer)
The
本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質のリチウムイオン伝導率は、1.0×10-5S/cm以上であるのが好ましく、より好ましくは1.0×10-4S/cm以上である。この範囲であれば、全固体リチウムイオン電池100の電池特性がより向上する。
The lithium ion conductivity of the solid electrolyte other than the oxide solid electrolyte of the present disclosure is preferably 1.0×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1.0×10 −4 S/cm or more. If it is in this range, the battery characteristics of the all-solid-state
固体電解質層11は、バインダーをさらに含有してもよい。バインダーとしては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等を用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン-ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸リチウム、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸ナトリウム、ポリメタクリル酸リチウム等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で使用しても良いし、2種以上を併用してもよい。
The
本開示の固体電解質層11におけるバインダーの含有量は0質量%~10質量%であることが好ましい。この範囲であれば、電極合材の導電性を維持しつつ、固体電解質などを保持できる。より好ましいバインダーの含有量は、0質量%~5質量%である。
The binder content in the
(正極活物質層)
正極活物質層12は、正極集電体14上に形成される。正極活物質層12は、固体電解質、電極活物質および導電材を含む。以下、正極活物質層12について説明する。また、正極活物質層12の厚さについては適宜選択することができる。正極活物質層12の厚さとしては例えば、200μm以下が好ましい。
(Positive Electrode Active Material Layer)
The positive electrode
(固体電解質)
正極活物質層12に含有される固体電解質としては、本開示の酸化物固体電解質を含有してもよいし、本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質としては、例えば、リチウムアルミニウムチタンリン酸化物(LATP)、リチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸化物(LAGP)、リチウムランタンジルコニウム酸化物(LLZ)などが挙げられる。上記の本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質は、1種単独または2種以上を混合してもよいし、また、本開示の酸化物固体電解質と組み合わせてもよい。
(Solid electrolyte)
The solid electrolyte contained in the positive electrode
本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質のリチウムイオン伝導率は、1.0×10-5S/cm以上であるのが好ましく、より好ましくは1.0×10-4S/cm以上である。この範囲であれば、全固体リチウムイオン電池100の電池特性がより向上する。
The lithium ion conductivity of the solid electrolyte other than the oxide solid electrolyte of the present disclosure is preferably 1.0×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1.0×10 −4 S/cm or more. If it is in this range, the battery characteristics of the all-solid-state
(正極活物質)
正極に用いる電極活物質(正極活物質)としては、リチウムイオンを可逆的に放出・吸蔵でき、電子輸送が行える材料であれば特に限定されない。正極活物質としては。例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄リン酸化物などのリチウム遷移金属酸化物、硫黄及びその放電生成物である硫化リチウム、多硫化リチウム等の硫黄系活物質等が挙げられる。正極活物質は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Positive Electrode Active Material)
The electrode active material (positive electrode active material) used for the positive electrode is not particularly limited as long as it can reversibly release and absorb lithium ions and transport electrons. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, and lithium iron phosphate, sulfur and its discharge products such as lithium sulfide and lithium polysulfide, and other sulfur-based active materials. The positive electrode active material may be composed of one of the above materials alone, or may be composed of two or more of them.
(正極導電材)
正極導電材は一般的にリチウムイオン2次電池及び全固体型リチウムイオン2次電池に使用可能な導電助剤を用いることができる。正極導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック;カーボンファイバー;気相法炭素繊維;黒鉛粉末;カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料、を挙げることができる。導電材は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Positive electrode conductive material)
The positive electrode conductive material may be a conductive assistant that can be generally used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state lithium ion secondary batteries. Examples of the positive electrode conductive material include carbon black such as acetylene black and ketjen black; carbon fiber; vapor-grown carbon fiber; graphite powder; carbon nanotubes, activated carbon, and other carbon materials. The conductive material may be composed of one of the above materials alone, or may be composed of two or more of them.
(酸化物固体電解質と、正極活物質と、正極導電材との質量比:20~80:20~80:0~30)
正極活物質層12に本開示の酸化物固体電解質が含有される場合、酸化物固体電解質、正極活物質、および正極導電材との質量合計を100としたときに、本開示の酸化物固体電解質と、正極活物質と、正極導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:正極活物質:正極導電材)が、20~80:20~80:0~30であることが好ましい。本開示の酸化物固体電解質と、正極活物質と、正極導電材と、の質量比が、上記の範囲であれば、より高い電池特性が得られる。
(Mass ratio of oxide solid electrolyte, positive electrode active material, and positive electrode conductive material: 20-80: 20-80: 0-30)
When the oxide solid electrolyte of the present disclosure is contained in the positive electrode
正極活物質層12中の酸化物固体電解質の含有量は、20質量%~80質量%であることが好ましい。また、正極活物質層12中の正極活物質の含有量は20質量%~80質量%であることが好ましい。正極活物質層12中の正極導電材の含有量は0質量%~30質量%であることが好ましい。より好ましい正極導電材の含有量は0質量%~25質量%である。正極活物質層12中の酸化物固体電解質、正極活物質、および正極導電材の含有量が上記の範囲であれば、より良好な電池特性が得られる。なお、酸化物固体電解質、正極活物質、正極導電材およびその他の成分の合計で100質量%とする。その他の成分としては、バインダーなどが挙げられる。
The content of the oxide solid electrolyte in the positive electrode
正極活物質層12は、本開示の電極合材で用いたバインダーをさらに含有してもよい。
The positive electrode
(負極活物質層)
負極活物質層13は、負極集電体15上に形成される。負極活物質層13は、固体電解質、負極活物質および負極導電材を含む。以下、負極活物質層13について説明する。また、負極活物質層13の厚さについては適宜選択することができる。負極活物質層13の厚さとしては例えば、200μm以下が好ましい。
(Negative Electrode Active Material Layer)
The negative electrode
(固体電解質)
負極活物質層13に含有される固体電解質としては、本開示の酸化物固体電解質を含有してもよいし、本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質を含有してもよい。本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質としては、例えば、リチウムアルミニウムチタンリン酸化物(LATP)、リチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸化物(LAGP)、リチウムランタンジルコニウム酸化物(LLZ)などが挙げられる。上記の本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質は、1種単独または2種以上を混合してもよいし、また、本開示の酸化物固体電解質と組み合わせてもよい。
(Solid electrolyte)
The solid electrolyte contained in the negative electrode
本開示の酸化物固体電解質以外の固体電解質のリチウムイオン伝導率は、1.0×10-5S/cm以上であるのが好ましく、より好ましくは1.0×10-4S/cm以上である。この範囲であれば、全固体リチウムイオン電池100の電池特性がより向上する。
The lithium ion conductivity of the solid electrolyte other than the oxide solid electrolyte of the present disclosure is preferably 1.0×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1.0×10 −4 S/cm or more. If it is in this range, the battery characteristics of the all-solid-state
(負極活物質)
負極活物質としては、リチウムイオンを可逆に放出・吸蔵でき、電子輸送が行える材料であれば特に限定されない。負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素質材料;スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、ガリウム、ガリウム合金、インジウム、インジウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を主体とした合金系材料;ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー;金属リチウム:リチウムチタン複合酸化物(例えばLi4Ti5O12)等が挙げられる。負極活物質は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Negative Electrode Active Material)
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly release and absorb lithium ions and transport electrons. Examples of the negative electrode active material include carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, resin carbon, carbon fiber, activated carbon, hard carbon, and soft carbon; alloy-based materials mainly composed of tin, tin alloys, silicon, silicon alloys, gallium, gallium alloys, indium, indium alloys, aluminum, and aluminum alloys; conductive polymers such as polyacene, polyacetylene, and polypyrrole; metallic lithium: lithium titanium composite oxide (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ); and the like. The negative electrode active material may be composed of one of the above materials alone, or two or more of them.
(負極導電材)
負極導電材は一般的にリチウムイオン2次電池及び全固体型リチウムイオン2次電池に使用可能な導電助剤を用いることができる。正極導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック;カーボンファイバー;気相法炭素繊維;黒鉛粉末;カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料、を挙げることができる。導電材は、上記材料の1種単独で構成されてもよいし、2種以上で構成されてもよい。
(Negative electrode conductive material)
The negative electrode conductive material may be a conductive assistant that can be generally used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state lithium ion secondary batteries. The positive electrode conductive material may be, for example, carbon black such as acetylene black and ketjen black; carbon fiber; vapor-grown carbon fiber; graphite powder; carbon nanotubes, activated carbon, and other carbon materials. The conductive material may be composed of one of the above materials alone or two or more of them.
(酸化物固体電解質と、負極活物質と、負極導電材との質量比:20~80:20~80:0~30)
負極活物質層13に本開示の酸化物固体電解質が含有される場合、酸化物固体電解質、負極活物質、および負極導電材との質量合計を100としたときに、本開示の酸化物固体電解質と、負極活物質と、負極導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:負極活物質:負極導電材)は、20~80:20~80:0~30である。本開示の酸化物固体電解質と、負極活物質と、負極導電材と、の質量比が、上記の範囲であれば、より高い電池特性が得られる。
(Mass ratio of oxide solid electrolyte, negative electrode active material, and negative electrode conductive material: 20-80: 20-80: 0-30)
When the negative electrode
負極活物質層13中の酸化物固体電解質の含有量は、20質量%~80質量%であることが好ましい。また、負極活物質層13中の負極活物質の含有量は20質量%~80質量%であることが好ましい。負極活物質層13中の負極導電材の含有量は0質量%~30質量%であることが好ましい。より好ましい負極導電材の含有量は0質量%~25質量%である。負極活物質層13中の酸化物固体電解質、負極活物質、および負極導電材の含有量が上記の範囲であれば、より良好な電池特性が得られる。なお、酸化物固体電解質、負極活物質、負極導電材およびその他の成分の合計で100質量%とする。その他の成分としては、バインダーなどが挙げられる。
The content of the oxide solid electrolyte in the negative electrode
負極活物質層13は、本開示の電極合材で用いたバインダーをさらに含有してもよい。
The negative electrode
(正極集電体)
正極集電体14は、正極活物質層12と接するように設けられる。正極集電体14があることで、正極活物質層12の電気を取り出しやすくなる。正極集電体14としては、公知の正極集電体を用いることができ、例えばAl、SUSなどが挙げられる。また、正極集電体14の厚さ、形状については適宜選択することができる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(負極集電体)
負極集電体15は、負極活物質層13と接するように設けられる。負極集電体15があることで、負極活物質層13の電気を取り出しやすくなる。負極集電体15としては、公知の負極集電体を用いることができ、例えばCuなどが挙げられる。なお、負極活物質層13の電子伝導性が高い場合は、負極集電体15は設けなくてもよい。また、負極集電体15の厚さ、形状については適宜選択することができる。
(Negative electrode current collector)
The negative electrode
全固体リチウムイオン電池100は、公知の方法で製造することができる。
The all-solid-state lithium-
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。なお、上記の実施形態では、正極集電体14を設けていたが、正極活物質層12の電子伝導性が高い場合は、正極集電体14は設けなくてもよい。また、上記の実施形態では、負極集電体15を設けていたが、負極活物質層13の電子伝導性が高い場合は、負極集電体15は設けなくてもよい。
In addition, the components in the above embodiment may be replaced with known components as appropriate without departing from the spirit of the present invention, and the above-mentioned modified examples may be combined as appropriate. In the above embodiment, a
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Next, an embodiment of the present invention will be described. However, the conditions in the embodiment are merely an example of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is not limited to this example of conditions. Various conditions may be adopted in the present invention as long as they do not deviate from the gist of the present invention and achieve the object of the present invention.
(実施例1)
硫酸リチウム(和光純薬社製)と炭酸リチウム(レアメタリック社製)をモル比で70:30となるように硫酸リチウム543mg、炭酸リチウム157mgを秤量した。遊星ボールミル(Frilsch社製Premium Line P-7)を用い、秤量した硫酸リチウムおよび炭酸リチウムを5mmのジルコニアボール約120gとともに80mlのポットに入れ、公転速度370rpmで60時間混合することにより、実施例1の酸化物固体電解質を得た。
Example 1
543 mg of lithium sulfate and 157 mg of lithium carbonate were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and lithium carbonate (manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.) was 70:30. Using a planetary ball mill (Premium Line P-7 manufactured by Frilsch), the weighed lithium sulfate and lithium carbonate were placed in an 80 ml pot together with about 120 g of 5 mm zirconia balls and mixed at a revolution speed of 370 rpm for 60 hours, thereby obtaining the oxide solid electrolyte of Example 1.
(実施例2)
硫酸リチウムと炭酸リチウムとをモル比が60:40となるように硫酸リチウム828mg、炭酸リチウム372mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例2の酸化物固体電解質を得た。
Example 2
828 mg of lithium sulfate and 372 mg of lithium carbonate were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate was 60:40, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 2.
(実施例3)
硫酸リチウムと炭酸リチウムとをモル比が50:50となるように硫酸リチウム359mg、炭酸リチウム241mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例3の酸化物固体電解質を得た。
Example 3
359 mg of lithium sulfate and 241 mg of lithium carbonate were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate and lithium carbonate was 50:50, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 3.
(実施例4)
硫酸リチウムと炭酸リチウムとをモル比40:60となるように硫酸リチウム299mg、炭酸リチウム301mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例4の酸化物固体電解質を得た。
Example 4
299 mg of lithium sulfate and 301 mg of lithium carbonate were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate was 40:60, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 4.
(実施例5)
硫酸リチウムと炭酸リチウムとをモル比30:70となるように硫酸リチウム273mg、炭酸リチウム427mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例5の酸化物固体電解質を得た。
Example 5
273 mg of lithium sulfate and 427 mg of lithium carbonate were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate to lithium carbonate was 30:70, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 5.
(実施例6)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびヨウ化リチウム(シグマアルドリッチ社製)をモル比が54:36:10となるように硫酸リチウム717mg、炭酸リチウム321mg、ヨウ化リチウム162mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例6の酸化物固体電解質を得た。
Example 6
Lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium iodide (manufactured by Sigma-Aldrich Corp.) were weighed out in an amount of 717 mg of lithium sulfate, 321 mg of lithium carbonate, and 162 mg of lithium iodide so that the molar ratio was 54:36:10, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 6.
(実施例7)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびヨウ化リチウムをモル比48:32:20となるように硫酸リチウム614mg、炭酸リチウム275mg、ヨウ化リチウム311mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例7の酸化物固体電解質を得た。
(Example 7)
614 mg of lithium sulfate, 275 mg of lithium carbonate, and 311 mg of lithium iodide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium iodide was 48:32:20, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 7.
(実施例8)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびヨウ化リチウムをモル比42:28:30となるように硫酸リチウム518mg、炭酸リチウム232mg、ヨウ化リチウム450mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例8の酸化物固体電解質を得た。
(Example 8)
518 mg of lithium sulfate, 232 mg of lithium carbonate, and 450 mg of lithium iodide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium iodide was 42:28:30, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 8.
(実施例9)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびヨウ化リチウムをモル比36:24:40となるように硫酸リチウム428mg、炭酸リチウム192mg、ヨウ化リチウム280mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例9の酸化物固体電解質を得た。
(Example 9)
428 mg of lithium sulfate, 192 mg of lithium carbonate, and 280 mg of lithium iodide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium iodide was 36:24:40, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 9.
(実施例10)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびヨウ化リチウムをモル比30:20:50となるように硫酸リチウム345mg、炭酸リチウム155mg、ヨウ化リチウム700mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例10の酸化物固体電解質を得た。
Example 10
345 mg of lithium sulfate, 155 mg of lithium carbonate, and 700 mg of lithium iodide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium iodide was 30:20:50, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 10.
(実施例11)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および塩化リチウム(シグマアルドリッチ社製)をモル比48:32:20となるように硫酸リチウム746mg、炭酸リチウム334mg、塩化リチウム120mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例11の酸化物固体電解質を得た。
Example 11
Lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium chloride (manufactured by Sigma-Aldrich Corp.) were weighed out in an amount of 746 mg of lithium sulfate, 334 mg of lithium carbonate, and 120 mg of lithium chloride so that the molar ratio was 48:32:20, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 11.
(実施例12)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および塩化リチウムをモル比45:30:25となるように硫酸リチウム722mg、炭酸リチウム323mg、塩化リチウム155mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例12の酸化物固体電解質を得た。
Example 12
722 mg of lithium sulfate, 323 mg of lithium carbonate, and 155 mg of lithium chloride were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium chloride was 45:30:25, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 12.
(実施例13)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および塩化リチウムをモル比42:28:30となるように硫酸リチウム696mg、炭酸リチウム312mg、塩化リチウム192mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例13の酸化物固体電解質を得た。
Example 13
696 mg of lithium sulfate, 312 mg of lithium carbonate, and 192 mg of lithium chloride were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium chloride was 42:28:30, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 13.
(実施例14)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および塩化リチウムをモル比36:24:40となるように硫酸リチウム639mg、炭酸リチウム287mg、塩化リチウム274mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例14の酸化物固体電解質を得た。
(Example 14)
639 mg of lithium sulfate, 287 mg of lithium carbonate, and 274 mg of lithium chloride were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium chloride was 36:24:40, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 14.
(実施例15)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および臭化リチウム(シグマアルドリッチ社製)をモル比48:32:20となるように硫酸リチウム338mg、炭酸リチウム151mg、臭化リチウム111mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例15の酸化物固体電解質を得た。
(Example 15)
Lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium bromide (manufactured by Sigma-Aldrich Corp.) were weighed out in an amount of 338 mg of lithium sulfate, 151 mg of lithium carbonate, and 111 mg of lithium bromide so that the molar ratio was 48:32:20, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 15.
(実施例16)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および臭化リチウムをモル比45:30:25となるように硫酸リチウム636mg、炭酸リチウム285mg、臭化リチウム279mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例16の酸化物固体電解質を得た。
(Example 16)
636 mg of lithium sulfate, 285 mg of lithium carbonate, and 279 mg of lithium bromide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium bromide was 45:30:25, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 16.
(実施例17)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、臭化リチウムをモル比42:28:30となるように硫酸リチウム596mg、炭酸リチウム267mg、臭化リチウム336mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例17の酸化物固体電解質を得た。
(Example 17)
596 mg of lithium sulfate, 267 mg of lithium carbonate, and 336 mg of lithium bromide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium bromide was 42:28:30, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 17.
(実施例18)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および臭化リチウムをモル比36:24:40となるように硫酸リチウム258mg、炭酸リチウム116mg、臭化リチウム226mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例18の酸化物固体電解質を得た。
(Example 18)
258 mg of lithium sulfate, 116 mg of lithium carbonate, and 226 mg of lithium bromide were weighed out so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium bromide was 36:24:40, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 18.
(実施例19)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、およびリン酸リチウム(シグマアルドリッチ社製)をモル比48:32:20となるように硫酸リチウム530mg、炭酸リチウム237mg、臭化リチウム233mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例19の酸化物固体電解質を得た。
Example 19
Lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium phosphate (manufactured by Sigma-Aldrich Corp.) were weighed out in an amount of 530 mg, 237 mg, and 233 mg of lithium bromide so that the molar ratio of lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium phosphate was 48:32:20, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 19.
(実施例20)
硫酸リチウム、炭酸リチウム、および硝酸リチウム(シグマアルドリッチ社製)をモル比48:32:20となるように硫酸リチウム585mg、炭酸リチウム262mg、臭化リチウム153mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、実施例20の酸化物固体電解質を得た。
(Example 20)
Lithium sulfate (585 mg), lithium carbonate (262 mg), and lithium bromide (153 mg) were weighed out so that lithium sulfate, lithium carbonate, and lithium nitrate (manufactured by Sigma-Aldrich) had a molar ratio of 48:32:20, and then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain an oxide solid electrolyte of Example 20.
(比較例1)
ホウ酸リチウム(豊島製作所社製)と硫酸リチウムをモル比90:10となるようにホウ酸リチウム1040mg、硫酸リチウム160mgを秤量した後、実施例1と同様の条件で混合し、比較例1の固体電解質を得た。
(Comparative Example 1)
Lithium borate (manufactured by Toshima Manufacturing Co., Ltd.) and lithium sulfate were weighed out in an amount of 1,040 mg and 160 mg, respectively, so that the molar ratio of lithium borate and lithium sulfate was 90:10. These were then mixed under the same conditions as in Example 1 to obtain a solid electrolyte of Comparative Example 1.
(比較例2)
比較例1の固体電解質をアルゴン雰囲気下で285℃、1時間熱処理することで比較例2の固体電解質を得た。
(Comparative Example 2)
The solid electrolyte of Comparative Example 1 was heat-treated at 285° C. for 1 hour in an argon atmosphere to obtain a solid electrolyte of Comparative Example 2.
(正極合材1)
正極活物質としてリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、BASF戸田バッテリーマテリアルズ社製)60mgと実施例2の酸化物固体電解質40mgを秤量し、メノウ乳鉢で混合することで粉末状の正極合材1を得た。
(Positive electrode mixture 1)
As a positive electrode active material, 60 mg of lithium nickel cobalt manganese oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , manufactured by BASF Toda Battery Materials) and 40 mg of the oxide solid electrolyte of Example 2 were weighed out and mixed in an agate mortar to obtain a powdered positive electrode composite 1.
(正極合材2)
実施例2の酸化物固体電解質の代わりに実施例13の酸化物固体電解質を用いたこと以外、正極合材1と同様の方法で秤量、混合し、粉末状の正極合材2を得た。
(Positive electrode mixture 2)
The powdered positive electrode mixture 2 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode mixture 1, except that the positive electrode mixture 2 was replaced with the
(正極合材3)
正極活物質として硫化リチウム(三津和化学社製)60mg、実施例13の酸化物固体電解質120mg、活性炭(MSC-30)20mgを秤量した。遊星ボールミル(Frilsch社製Premium Line P-7)を用い、5mmのジルコニアボール約40gとともに秤量した硫化リチウム、実施例13の酸化物固体電解質、活性炭を45mlのポットに入れ、公転速度370rpmで2時間混合することにより、粉末状の正極合材3を得た。
(Positive electrode mixture 3)
As the positive electrode active material, 60 mg of lithium sulfide (manufactured by Mitsuwa Chemical Co., Ltd.), 120 mg of the oxide solid electrolyte of Example 13, and 20 mg of activated carbon (MSC-30) were weighed out. Using a planetary ball mill (Premium Line P-7 manufactured by Frilsch), the lithium sulfide weighed out together with about 40 g of 5 mm zirconia balls, the oxide solid electrolyte of Example 13, and the activated carbon were placed in a 45 ml pot and mixed at a revolution speed of 370 rpm for 2 hours to obtain a powdered positive electrode composite material 3.
(正極合材4)
実施例13の酸化物固体電解質の代わりに実施例16の酸化物固体電解質を用いたこと以外、正極合材3と同様の条件で秤量および混合をし、粉末状の正極合材4を得た。
(Positive electrode mixture 4)
A powdered positive electrode mixture 4 was obtained by weighing and mixing under the same conditions as those for the positive electrode mixture 3, except that the positive electrode mixture 4 was obtained in place of the positive electrode mixture 3 in Example 13.
(正極合材5)
正極活物質として硫化リチウム60mg、実施例13の酸化物固体電解質60mg、活性炭(MSC-30)20mgを秤量した。遊星ボールミル(Frilsch社製Premium Line P-7)を用い、5mmのジルコニアボール約40gとともに秤量した硫化リチウム、実施例13の酸化物固体電解質、および活性炭を45mlのポット入れ、公転速度370rpmで2時間混合した。得られた粉体と、実施例13の固体電解質とを質量比が70:30となるように秤量し、乳鉢で混合することで粉末状の正極合材5を得た。
(Positive electrode mixture 5)
As the positive electrode active material, 60 mg of lithium sulfide, 60 mg of the oxide solid electrolyte of Example 13, and 20 mg of activated carbon (MSC-30) were weighed. Using a planetary ball mill (Premium Line P-7 manufactured by Frilsch), lithium sulfide weighed together with about 40 g of 5 mm zirconia balls, the oxide solid electrolyte of Example 13, and activated carbon were placed in a 45 ml pot and mixed at a revolution speed of 370 rpm for 2 hours. The obtained powder and the solid electrolyte of Example 13 were weighed so that the mass ratio was 70:30, and mixed in a mortar to obtain a powdered positive electrode mixture 5.
(正極合材6)
実施例13の酸化物固体電解質の代わりに実施例16の酸化物固体電解質を用いたこと以外、正極合材5と同様の条件で秤量および混合をし、粉末状の正極合材6を得た。
(Positive electrode mixture 6)
A powdered positive electrode mixture 6 was obtained by weighing and mixing under the same conditions as those for the positive electrode mixture 5, except that the oxide solid electrolyte of Example 16 was used instead of the oxide solid electrolyte of Example 13.
(比較正極合材1)
実施例2の酸化物固体電解質の代わりに、比較例2の固体電解質を用いたこと以外、正極合材1と同様の方法で秤量、混合し、比較正極合材1を得た。
(Comparative Positive Electrode Composite 1)
A comparative positive electrode mixture 1 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode mixture 1, except that the solid electrolyte of Comparative Example 2 was used instead of the oxide solid electrolyte of Example 2.
(比較正極合材2)
実施例2の固体電解質の代わりにリチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸化物(LAGP、豊島製作所社製)を酸化物固体電解質として用いたこと以外、正極合材1と同様の方法で秤量、混合し、粉末状の比較正極合材2を得た。
(Comparative Positive Electrode Composite 2)
A comparative powdered positive electrode composite 2 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode composite 1, except that lithium aluminum germanium phosphate (LAGP, manufactured by Toshima Manufacturing Co., Ltd.) was used as the oxide solid electrolyte instead of the solid electrolyte of Example 2.
(比較正極合材3)
実施例2の固体電解質の代わりにリチウムアルミニウムチタンリン酸化物(LATP、豊島製作所社製)を酸化物固体電解質として用いたこと以外、正極合材1と同様の方法で秤量、混合し、粉末状の比較正極合材3を得た。
(Comparative Positive Electrode Composite 3)
A comparative powdered positive electrode composite 3 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode composite 1, except that lithium aluminum titanium phosphate (LATP, manufactured by Toshima Manufacturing Co., Ltd.) was used as the oxide solid electrolyte instead of the solid electrolyte of Example 2.
(負極合材1)
負極活物質としてリチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12(LTO)、石原産業社製)50mgと実施例2の酸化物固体電解質50mgを秤量し、メノウ乳鉢で混合することで粉末状の負極合材1を得た。
(Negative electrode mixture 1)
50 mg of lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 (LTO), manufactured by Ishihara Sangyo Kaisha) as a negative electrode active material and 50 mg of the oxide solid electrolyte of Example 2 were weighed out and mixed in an agate mortar to obtain a powdered negative electrode mixture 1.
(負極合材2)
実施例2の酸化物固体電解質の代わりに実施例8の酸化物固体電解質50mgを秤量した以外は、負極合材1と同様の条件でメノウ乳鉢で混合することで粉末状の負極合材2を得た。
(Negative electrode mixture 2)
A powdered negative electrode composite material 2 was obtained by mixing in an agate mortar under the same conditions as those for the negative electrode composite material 1, except that 50 mg of the oxide solid electrolyte of Example 8 was weighed out instead of the oxide solid electrolyte of Example 2.
(負極合材3)
負極活物質としてグラファイト(和光純薬社製)50mgと実施例13の酸化物固体電解質50mgを秤量し、メノウ乳鉢で混合することで粉末状の負極合材3を得た。
(Negative electrode mixture 3)
50 mg of graphite (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as the negative electrode active material and 50 mg of the oxide solid electrolyte of Example 13 were weighed out and mixed in an agate mortar to obtain a powdered negative electrode mixture 3.
(負極合材4)
負極活物質としてケイ素(二コラ社製)50mgと実施例13の酸化物固体電解質50mgを秤量し、メノウ乳鉢で混合することで粉末状の負極合材4を得た。
(Negative electrode mixture 4)
50 mg of silicon (manufactured by Nikola Corp.) as the negative electrode active material and 50 mg of the oxide solid electrolyte of Example 13 were weighed out and mixed in an agate mortar to obtain a powdered negative electrode mixture 4.
(負極合材5)
正極活物質の硫化リチウムの代わりに負極活物質としてケイ素を用いたこと以外、正極合材3と同様の方法で秤量、混合し、粉末状の負極合材5を得た。
(Negative electrode mixture 5)
A powdered negative electrode mixture 5 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode mixture 3, except that silicon was used as the negative electrode active material instead of the lithium sulfide as the positive electrode active material.
(負極合材6)
正極活物質の硫化リチウムの代わりに負極活物質としてケイ素を用いたこと以外、正極合材5と同様の方法で秤量、混合し、粉末状の負極合材6を得た。
(Negative electrode mixture 6)
A powdered negative electrode mixture 6 was obtained by weighing and mixing in the same manner as in the positive electrode mixture 5, except that silicon was used as the negative electrode active material instead of the lithium sulfide as the positive electrode active material.
(電池作製方法-1)
アルゴンガス雰囲気グローブボックス内にて、直径10mmの錠剤成形器(日本分光)に直径10mmに打ち抜いたAl箔またはCu箔を入れ、その上から正極合材または負極合材を入れ、所定の圧力でプレスすることで正極を作製した。次に、直径15.5mmのSUS板上に得られた電極を置き、その上にリチウム塩を含有するポリエチレンオキサイド系高分子固体電解質膜を貼り付け、その上から対極としてφ12mmに打ち抜いたLi金属箔(厚み0.2mm)を正極と反対側に配置する。これを密閉することで評価用電池とした。なお、正極合材の評価ではすべてAl箔を用い、負極合材の評価ではLTOを含む場合をAl箔、グラファイト及びケイ素の場合、Cu箔を用いた。
(Battery manufacturing method-1)
In an argon gas atmosphere glove box, an Al foil or Cu foil punched to a diameter of 10 mm was placed in a tablet molder (JAPAN SPECTRAL) with a diameter of 10 mm, a positive electrode composite or a negative electrode composite was placed on top of it, and a positive electrode was prepared by pressing at a predetermined pressure. Next, the obtained electrode was placed on a SUS plate with a diameter of 15.5 mm, a polyethylene oxide-based polymer solid electrolyte film containing a lithium salt was attached on it, and a Li metal foil (thickness 0.2 mm) punched to φ12 mm was placed on the opposite side of the positive electrode as a counter electrode. This was sealed to make an evaluation battery. In addition, in the evaluation of the positive electrode composite, Al foil was used in all cases, and in the evaluation of the negative electrode composite, Al foil was used in cases containing LTO, and Cu foil was used in cases of graphite and silicon.
(電池作製方法-2)
アルゴンガス雰囲気グローブボックス内にて、セラミックス製の円筒管治具(内径10mmΦ、外径23mmΦ、高さ20mm)の下側から負極集電体としてSKD11製の円筒治具(10mmΦ、高さ10mm)を差し込み、セラミックス製の円筒管治具の上側から固体電解質(E)(5Li2S-GeS2-P2S5を510℃で8時間焼成した複合化物1と80Li2S-20P2S5をボールミルにて500rpm、10時間処理した複合化物2を質量比90:10で混合した混合複合化物)80mgを入れた。さらに正極集電体としてSKD11製の円筒治具(10mmΦ、高さ15mm)をセラミックス製の円筒管治具の上側から差し込んで固体電解質(E)を挟み込み、80MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mmΦ、厚さ約0.6mmの固体電解質層を形成した。次に、上側から差し込んだSKD11製の円筒治具(正極集電体)を一旦抜き取り、セラミックス製の円筒管内の固体電解質層の上に作製した正極合材または負極合材を入れ、再び上側からSKD11製の円筒治具(正極集電体)を差し込み、720MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mmΦ、厚さ約0.1mmの正極層を形成した。次に、下側から差し込んだSKD11製の円筒治具(負極集電体)を抜き取り、負極として厚さ0.20mmのリチウムシート(本城金属社製)を穴あけポンチで直径8mmΦに打ち抜いたものと厚さ0.3mmのインジウムシート(フルウチ化学社製)を穴あけポンチで直径9mmΦに打ち抜いたものを重ねてセラミックス製の円筒管治具の下側から入れて、再び下側からSKD11製の円筒治具(負極集電体)を差し込み、80MPaの圧力で3分間プレスすることでリチウム-インジウム合金負極を形成した。以上のようにして、下側から順に、負極集電体、リチウム-インジウム合金負極層、固体電解質層、正極層、正極集電体が積層された全固体型リチウムイオン電池を作製した。これを密閉することで評価用電池とした。
(Battery manufacturing method-2)
In an argon gas atmosphere glove box, a cylindrical jig made of SKD11 (10 mmΦ, height 10 mm) was inserted as a negative electrode current collector from the bottom of a ceramic cylindrical tube jig (inner diameter 10 mmΦ, outer diameter 23 mmΦ, height 20 mm), and 80 mg of solid electrolyte (E) (a mixed composite obtained by mixing composite 1 obtained by firing 5Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 at 510°C for 8 hours and composite 2 obtained by treating 80Li 2 S-20P 2 S 5 in a ball mill at 500 rpm for 10 hours in a mass ratio of 90:10) was placed from the top of the ceramic cylindrical tube jig. Furthermore, a cylindrical jig (10 mmΦ,
(フルセル1)
アルゴンガス雰囲気グローブボックス内にて、直径10mmの錠剤成形器(日本分光)に直径10mmに打ち抜いたAl箔を入れ、その上から正極合材1の粉末を入れ、400MPaプレスすることで正極層を形成し、その上に固体電解質粉末(比較例2の固体電解質と実施例3の固体電解質とを質量比75:25で乳鉢混合したもの)を入れ400MPaプレスし、さらにその上から負極合材2の粉末とAl箔を入れ、1GPaプレスすることで、正極層-固体電解質層-負極層の3層積層された全固リチウムイオン電池のフルセルを作製した。これを密閉することで評価用電池とした。
(Full cell 1)
In an argon gas atmosphere glove box, an Al foil punched to a diameter of 10 mm was placed in a tablet molder (JASCO) with a diameter of 10 mm, and the powder of the positive electrode composite 1 was placed on top of it and pressed at 400 MPa to form a positive electrode layer, and a solid electrolyte powder (a mortar mixture of the solid electrolyte of Comparative Example 2 and the solid electrolyte of Example 3 in a mass ratio of 75:25) was placed on top of it and pressed at 400 MPa, and the powder of the negative electrode composite 2 and Al foil were placed on top of it and pressed at 1 GPa to produce a full cell of an all-solid-state lithium ion battery having three layers of a positive electrode layer-a solid electrolyte layer-a negative electrode layer. This was sealed to prepare an evaluation battery.
(固体電解質の導電率測定)
Arガス雰囲気グローブボックス内にて、直径10mmの錠剤成形器(日本分光)に直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、その上から固体電解質粉末(実施例1~20、比較例1、2)を入れ、均した後にさらに直径10mmに打ち抜いたAl箔またはAu箔を入れ、1GPaで30分間プレスすることで固体電解質測定用のペレットを得た。これを宝泉社製フラットセル内に配置し、密閉することで導電率測定用セルとした。次に、室温にて、インピーダンス測定装置(ソーラトロン社インピーダンスアナライザーA1260)にて印加電圧100mV、測定周波数1Hz~32MHzにて測定し、得られたナイキストプロットの半円弧の低周波端の抵抗値から導電率を算出した。表1に各固体電解質の導電率、相対密度をまとめた。
(Measurement of the conductivity of solid electrolytes)
In an Ar gas atmosphere glove box, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm was placed in a tablet molder (JAPAN SPECTRAL) with a diameter of 10 mm, and solid electrolyte powder (Examples 1 to 20, Comparative Examples 1 and 2) was placed on top of it, and after leveling, an Al foil or Au foil punched to a diameter of 10 mm was further placed and pressed at 1 GPa for 30 minutes to obtain pellets for solid electrolyte measurement. This was placed in a flat cell manufactured by Hosen Co., Ltd. and sealed to form a cell for measuring conductivity. Next, at room temperature, an impedance measuring device (Solartron Impedance Analyzer A1260) was used to measure at an applied voltage of 100 mV and a measurement frequency of 1 Hz to 32 MHz, and the conductivity was calculated from the resistance value of the low-frequency end of the semicircular arc of the obtained Nyquist plot. The conductivity and relative density of each solid electrolyte are summarized in Table 1.
(相対密度の算出方法)
1GPaプレスによって得られた固体電解質測定用のペレットの密度を、各原料の密度から計算される理論密度で除する上記(1)式によって算出した。ここで、各原料の密度(g/cm3)はそれぞれ、硫酸リチウム2.22、炭酸リチウム2.11、ヨウ化リチウム4.08、臭化リチウム3.46、塩化リチウム2.07、ホウ酸リチウム2.16、リン酸リチウム2.54、硝酸リチウム2.38として計算した。結果を表1に示す。相対密度95%以上を合格とした。
(Method of calculating relative density)
The density of the pellets for solid electrolyte measurement obtained by pressing at 1 GPa was divided by the theoretical density calculated from the density of each raw material, and calculated by the above formula (1). Here, the density (g/cm3) of each raw material was calculated as lithium sulfate 2.22, lithium carbonate 2.11, lithium iodide 4.08, lithium bromide 3.46, lithium chloride 2.07, lithium borate 2.16, lithium phosphate 2.54, and lithium nitrate 2.38, respectively. The results are shown in Table 1. A relative density of 95% or more was considered to be acceptable.
(固体電解質の発熱ピーク温度)
Arガスで満たされたグローブボックス中で実施例1~20および比較例1、2の酸化物固体電解質(約10mg)をAl密閉試料容器(日立ハイテクサイエンス社製 GCA-0017)に入れ、密閉した。密閉後の容器を示差走査熱量計(例えば、セイコーインスツルメンツ社製DSC6200)に設置し、温度範囲50℃~300℃、昇温速度10℃/分で測定を行うことで、酸化物固体電解質のDSC曲線を得ることができる。得られたDSC曲線から酸化物固体電解質の発熱ピークの位置と発熱量が得られた。結果を表1に示す。
(Peak heat generation temperature of solid electrolyte)
In a glove box filled with Ar gas, the oxide solid electrolytes (about 10 mg) of Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 and 2 were placed in an Al sealed sample container (GCA-0017 manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation) and sealed. The sealed container was placed in a differential scanning calorimeter (e.g., DSC6200 manufactured by Seiko Instruments Inc.) and measurements were performed in a temperature range of 50°C to 300°C at a heating rate of 10°C/min, thereby obtaining a DSC curve of the oxide solid electrolyte. The position of the heat generation peak and the heat generation amount of the oxide solid electrolyte were obtained from the obtained DSC curve. The results are shown in Table 1.
(正極合材および負極合材の充放電特性評価)
上記正極合材1~6、比較正極合材1~3を用い、電池作製方法1または2にて作製した評価用電池を充放電装置(ACD-M01A、アスカ電子社製またはHJ1001SD8、北斗電工社製)にて定電流充放電し、電極活物質当たりの初回放電容量または初回充電容量を測定した。正極合材の結果を表2に示す。負極合材の評価の場合は、負極合材1~6を用い、電池作製方法1または2にて作製した評価用電池を用いた。負極合材の測定結果を表3に示す。ここで、充放電特性は正極については放電容量、負極については充電容量を用いた。負極合材5および6を用いた電池については、放電容量を2500mAh/gまでとした。
(Evaluation of charge/discharge characteristics of positive electrode mixture and negative electrode mixture)
The evaluation batteries prepared by the battery preparation method 1 or 2 using the above positive electrode mixtures 1 to 6 and the comparative positive electrode mixtures 1 to 3 were charged and discharged at a constant current using a charge/discharge device (ACD-M01A, manufactured by Aska Electronics Co., Ltd. or HJ1001SD8, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), and the initial discharge capacity or initial charge capacity per electrode active material was measured. The results for the positive electrode mixtures are shown in Table 2. In the case of evaluation of the negative electrode mixtures, evaluation batteries prepared by the battery preparation method 1 or 2 using the negative electrode mixtures 1 to 6 were used. The measurement results for the negative electrode mixtures are shown in Table 3. Here, the charge/discharge characteristics were measured using the discharge capacity for the positive electrode and the charge capacity for the negative electrode. For the batteries using the negative electrode mixtures 5 and 6, the discharge capacity was set to 2500 mAh/g.
(フルセルの充放電特性評価)
上記で作製したフルセルを充放電装置(ACD-M01A、アスカ電子社製またはHJ1001SD8、北斗電工社製)にて定電流充放電し、電極活物質当たりの初回放電容量または初回充電容量を測定した。フルセルの評価結果を表4に示す。ここで、充放電特性はフルセルについては放電容量を用いた。
(Full cell charge/discharge characteristic evaluation)
The full cell prepared above was charged and discharged at a constant current using a charge/discharge device (ACD-M01A, manufactured by Aska Electronics Co., Ltd. or HJ1001SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation), and the initial discharge capacity or initial charge capacity per electrode active material was measured. The evaluation results of the full cell are shown in Table 4. Here, the discharge capacity was used as the charge/discharge characteristic for the full cell.
表1に示す通り、実施例1~20酸化物固体電解質は、Li2SO4とLi2CO3とを含み、Li2SO4とLi2CO3とのモル比が20:80~80:20であり、DSC曲線において、200℃以下の発熱ピークを有していたので、常温、1GPaプレスによって得られたペレットの相対密度が95%以上となった。また、実施例1~20酸化物固体電解質は、導電率が1.0×10-7S/cm以上であった。 As shown in Table 1, the oxide solid electrolytes of Examples 1 to 20 contained Li 2 SO 4 and Li 2 CO 3 , with a molar ratio of Li 2 SO 4 to Li 2 CO 3 of 20:80 to 80:20, and had an exothermic peak of 200° C. or less in the DSC curve, so that the relative density of the pellets obtained by pressing at 1 GPa at room temperature was 95% or more. Moreover, the oxide solid electrolytes of Examples 1 to 20 had an electrical conductivity of 1.0×10 −7 S/cm or more.
一方、比較例1および2の固体電解質は、DSC曲線において、200℃以下の発熱ピークがなかった。そのため、常温、1GPaプレスによって得られたペレットの相対密度が95%未満であり、常温での変形性が劣位であった。 On the other hand, the solid electrolytes of Comparative Examples 1 and 2 did not have an exothermic peak below 200°C in the DSC curve. Therefore, the relative density of the pellets obtained by pressing at 1 GPa at room temperature was less than 95%, and the deformability at room temperature was poor.
表2~4に示すように、実施例の酸化物固体電解質を用いた正極合材1~6は、比較正極合材1~3と比較して、優れた電池特性を有していた。また、同様に実施例の酸化物固体電解質を用いた負極合材およびフルセルも優れた電池特性を有していた。 As shown in Tables 2 to 4, the positive electrode composites 1 to 6 using the oxide solid electrolyte of the examples had superior battery characteristics compared to the comparative positive electrode composites 1 to 3. Similarly, the negative electrode composites and full cells using the oxide solid electrolyte of the examples also had superior battery characteristics.
本開示の酸化物固体電解質は全固体リチウムイオン電池の正極、負極、固体電解質層として使用することで、良好な電池特性を示す正極、負極、及び、固体電解質層、さらに、フルセルを常温プレスのみで作製することができる。非常に簡便な方法で電極やフルセルを形成できるため、本発明の酸化物固体電解質、及びそれを用いた電極合材は量産に適した材料であるので、産業上の利用可能性が高い。 The oxide solid electrolyte of the present disclosure can be used as the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte layer of an all-solid-state lithium ion battery, making it possible to produce positive electrodes, negative electrodes, and solid electrolyte layers that exhibit good battery characteristics, as well as full cells, by simply pressing at room temperature. Because electrodes and full cells can be formed by a very simple method, the oxide solid electrolyte of the present invention and the electrode mixture using the same are suitable materials for mass production, and therefore have high industrial applicability.
11 固体電解質層、12 正極活物質層、13 負極活物質層、14 正極集電体、15 負極集電体、100 全固体リチウムイオン電池 11 solid electrolyte layer, 12 positive electrode active material layer, 13 negative electrode active material layer, 14 positive electrode current collector, 15 negative electrode current collector, 100 all-solid-state lithium-ion battery
Claims (8)
前記硫酸リチウムと前記炭酸リチウムとのモル比(Li2SO4:Li2CO3)が20:80~80:20であり、
示差走査熱量測定で得られる曲線において、発熱ピークの位置が190℃以下であり、 導電率が1.0×10-7S/cm以上である、酸化物固体電解質。 A compound comprising lithium sulfate ( Li2SO4 ) and lithium carbonate ( Li2CO3 ) ,
the molar ratio of the lithium sulfate to the lithium carbonate (Li 2 SO 4 :Li 2 CO 3 ) is 20:80 to 80:20;
An oxide solid electrolyte, the position of an exothermic peak being 190 ° C. or less in a curve obtained by differential scanning calorimetry, and the electrical conductivity being 1.0×10 −7 S/cm or more.
電極活物質と、
導電材と、
を含み、
前記酸化物固体電解質と、前記電極活物質と、前記導電材と、の質量比(酸化物固体電解質:電極活物質:導電材)が20~80:20~80:0~30である、電極合材。 The oxide solid electrolyte according to claim 1 or 2,
An electrode active material;
A conductive material;
Including,
The mass ratio of the oxide solid electrolyte, the electrode active material, and the conductive material (oxide solid electrolyte:electrode active material:conductive material) is 20 to 80:20 to 80:0 to 30.
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