JP7657576B2 - Positive electrode for all-solid-state battery and all-solid-state battery - Google Patents
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Description
本発明は、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極に関するものである。 The present invention relates to an all-solid-state battery with excellent load characteristics and a positive electrode that can be used to configure the all-solid-state battery.
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型・軽量で、かつ高容量・高エネルギー密度の電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers, and the practical application of electric vehicles, there is a growing need for small, lightweight batteries with high capacity and high energy density.
現在、この要求に応え得るリチウム電池、特にリチウムイオン電池では、非水電解質として有機溶媒とリチウム塩とを含む有機電解液が用いられている。 Currently, lithium batteries that can meet this demand, particularly lithium ion batteries, use an organic electrolyte solution containing an organic solvent and a lithium salt as the non-aqueous electrolyte.
そして、リチウムイオン電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン電池の更なる長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化が求められていると共に、長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化したリチウムイオン電池の信頼性も高く求められている。 As devices that use lithium-ion batteries continue to develop, there is a demand for longer life, higher capacity, and higher energy density lithium-ion batteries, as well as a high demand for the reliability of these longer life, higher capacity, and higher energy density lithium-ion batteries.
しかし、リチウムイオン電池に用いられている有機電解液は、可燃性物質である有機溶媒を含んでいるため、電池に短絡などの異常事態が発生した際に、有機電解液が異常発熱する可能性がある。また、近年のリチウムイオン電池の高エネルギー密度化および有機電解液中の有機溶媒量の増加傾向に伴い、より一層リチウムイオン電池の信頼性が求められている。 However, the organic electrolyte used in lithium-ion batteries contains organic solvents, which are flammable substances, and so the organic electrolyte may generate abnormal heat if an abnormality such as a short circuit occurs in the battery. In addition, with the recent trend toward higher energy density in lithium-ion batteries and an increasing amount of organic solvent in the organic electrolyte, there is a demand for even greater reliability in lithium-ion batteries.
以上のような状況において、有機溶媒を用いない全固体型のリチウム電池(全固体電池)が注目されている。全固体電池は、従来の有機溶媒系電解質に代えて、有機溶媒を用いない固体電解質の成形体を用いるものであり、固体電解質の異常発熱の虞がなく、高い安全性を備えている。 In light of the above, all-solid-state lithium batteries (all-solid-state batteries) that do not use organic solvents are attracting attention. All-solid-state batteries use a molded solid electrolyte that does not use organic solvents instead of the conventional organic solvent-based electrolyte, and are highly safe with no risk of abnormal heat generation from the solid electrolyte.
また、全固体電池は、高い安全性だけではなく、高い信頼性および高い耐環境性を有し、かつ長寿命であるため、社会の発展に寄与すると同時に安心、安全にも貢献し続けることができるメンテナンスフリーの電池として期待されている。全固体電池の社会への提供により、国際連合が制定する持続可能な開発目標(SDGs)の17の目標のうち、目標12(持続可能な生産消費形態を確保する)、目標3(あらゆる年齢のすべての人々の健康的な生活を確保し、福祉を促進する)、目標7(すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する)、および目標11〔包摂的で安全かつ強靭(レジリエント)で持続可能な都市および人間居住を実現する〕の達成に貢献することができる。 In addition to being highly safe, solid-state batteries are also highly reliable and environmentally resistant, and have a long lifespan, making them promising maintenance-free batteries that can contribute to social development while also continuing to contribute to safety and security. Providing solid-state batteries to society can contribute to the achievement of Goal 12 (Ensure sustainable consumption and production patterns), Goal 3 (Ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages), Goal 7 (Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all), and Goal 11 (Make cities and human settlements inclusive, safe, resilient and sustainable) out of the 17 Sustainable Development Goals (SDGs) established by the United Nations.
また、全固体電池においては、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1には、特定の粒径を有する活物質と、特定の粒径を有する固体電解質とを、特定の重量比で混合して使用した電極を適用することで、全固体電池における活物質の利用率を高める技術が提案されている。
In addition, various improvements have been attempted in all-solid-state batteries. For example,
また、特許文献2には、正極層の正極活物質層における正極活物質の粒径または負極層の負極活物質層における負極活物質の粒径と、これらの層に隣接する固体電解質層における固体電解質の粒径との比を特定範囲内とすることで、正極活物質層や負極活物質層と固体電解質層との界面抵抗を低減する技術が提案されている。 Patent Document 2 also proposes a technology for reducing the interfacial resistance between the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer by setting the ratio of the particle size of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer of the positive electrode layer or the particle size of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer of the negative electrode layer to the particle size of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer adjacent to these layers within a specific range.
ところで、現在、全固体電池においては、その適用分野が急速に拡大しており、例えば大きな電流値での放電が求められる用途への適用も考えられることから、これに応え得るように負荷特性を高めることが求められる。 Currently, the range of applications for all-solid-state batteries is expanding rapidly, and they may be used in applications that require discharging at a large current, for example. Therefore, there is a demand to improve the load characteristics to meet this demand.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極とを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide an all-solid-state battery with excellent load characteristics and a positive electrode capable of forming the all-solid-state battery.
本発明の全固体電池用正極は、一次粒子からなる正極活物質、および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有し、前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下であることを特徴とするものである。 The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode active material consisting of primary particles, and a molded body of a positive electrode mixture containing a solid electrolyte, the positive electrode active material having a reaction suppression layer on the surface thereof for suppressing a reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and the ratio ra/rs of the average particle diameter ra of the positive electrode active material to the average particle diameter rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less.
また、本発明の全固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層を有し、前記正極として、本発明の全固体電池用正極を有することを特徴とするものである。 The all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and is characterized in that the positive electrode is the positive electrode for the all-solid-state battery of the present invention.
なお、本発明の全固体電池には、一次電池(全固体一次電池)と二次電池(全固体二次電池)とが含まれる。 The all-solid-state battery of the present invention includes primary batteries (all-solid-state primary batteries) and secondary batteries (all-solid-state secondary batteries).
本発明によれば、負荷特性に優れた全固体電池と、前記全固体電池を構成可能な正極とを提供することができる。 The present invention provides an all-solid-state battery with excellent load characteristics and a positive electrode that can be used to configure the all-solid-state battery.
<全固体電池用正極>
本発明の全固体電池用正極は、一次粒子からなる正極活物質、および固体電解質を含有する正極合剤の成形体を有し、前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下である。
<Cathode for all-solid-state batteries>
The positive electrode for an all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material composed of primary particles and a solid electrolyte, the positive electrode active material has a reaction suppression layer on a surface thereof for suppressing a reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and a ratio ra/rs of an average particle diameter ra of the positive electrode active material to an average particle diameter rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less.
全固体電池の負荷特性を高めるには、正極における正極活物質と固体電解質との間で、リチウムイオンがよりスムーズに移動できるようにすることが望ましい。 To improve the load characteristics of all-solid-state batteries, it is desirable to enable lithium ions to move more smoothly between the positive electrode active material and the solid electrolyte in the positive electrode.
本発明では、正極を構成する正極合剤の成形体において、固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有する正極活物質を一次粒子の状態で含有させるとともに、固体電解質の平均粒子径に対する正極活物質の平均粒子径の比を特定範囲内とすることで、正極活物質と固体電解質との接触を良好にし、両者の間でリチウムイオンがスムーズに移動できるようにして、全固体電池の負荷特性を高め得るようにした。 In the present invention, the positive electrode active material having a reaction suppression layer on its surface for suppressing reaction with the solid electrolyte is contained in the form of primary particles in the positive electrode mixture compact that constitutes the positive electrode, and the ratio of the average particle size of the positive electrode active material to the average particle size of the solid electrolyte is set within a specific range, thereby improving the contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte and allowing the smooth movement of lithium ions between the two, thereby improving the load characteristics of the all-solid-state battery.
本発明の全固体電池用正極は、正極合剤の成形体を有しており、正極合剤の成形体のみからなるものや、正極合剤の成形体からなる層(正極合剤層)を集電体上に形成してなる構造のものなどが挙げられる。 The positive electrode for the all-solid-state battery of the present invention has a molded body of a positive electrode mixture, and examples thereof include one consisting of only a molded body of a positive electrode mixture, and one having a structure in which a layer (positive electrode mixture layer) consisting of a molded body of a positive electrode mixture is formed on a current collector.
全固体一次電池に使用する全固体電池用正極の場合、正極合剤に含有させる正極活物質(反応抑制層を表面に有する正極活物質)の母材には、従来から知られている非水電解質一次電池に用いられている正極活物質と同じものが使用できる。具体的には、例えば、二酸化マンガン、リチウム含有マンガン酸化物〔例えば、LiMn3O6や、二酸化マンガンと同じ結晶構造(β型、γ型、またはβ型とγ型が混在する構造など)を有し、Liの含有量が3.5質量%以下、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である複合酸化物など〕、LiaTi5/3O4(4/3≦a<7/3)などのリチウム含有複合酸化物;バナジウム酸化物;ニオブ酸化物;チタン酸化物;二硫化鉄などの硫化物;フッ化黒鉛;Ag2Sなどの銀硫化物;NiO2などのニッケル酸化物:などが挙げられる。 In the case of an all-solid-state battery positive electrode used in an all-solid-state primary battery, the base material of the positive electrode active material (positive electrode active material having a reaction suppression layer on the surface) to be contained in the positive electrode mixture can be the same as the positive electrode active material used in conventionally known non-aqueous electrolyte primary batteries.Specific examples include manganese dioxide, lithium-containing manganese oxides (e.g., LiMn 3 O 6 , and composite oxides having the same crystal structure as manganese dioxide (β-type, γ-type, or a structure in which β-type and γ-type are mixed, etc.) and a Li content of 3.5 mass% or less, preferably 2 mass% or less, more preferably 1.5 mass% or less, and particularly preferably 1 mass% or less), lithium-containing composite oxides such as Li a Ti 5/3 O 4 (4/3≦a<7/3); vanadium oxide; niobium oxide; titanium oxide; sulfides such as iron disulfide; graphite fluoride; silver sulfides such as Ag 2 S; nickel oxides such as NiO 2 ; and the like.
また、全固体二次電池に使用する全固体電池用正極の場合、正極合剤に含有させる正極活物質(反応抑制層を表面に有する正極活物質)の母材には、従来から知られている非水電解質二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Li(リチウム)イオンを吸蔵・放出可能な活物質と同じものが使用できる。具体的には、Li1-xMrMn2-rO4(ただし、Mは、Li、Na、K、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Zr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Sb、In、Nb、Ta、Mo、W、Y、RuおよびRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦1)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物、LirMn(1-s-t)NisMtO(2-u)Fv(ただし、Mは、Co、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、SrおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦r≦1.2、0<s<0.5、0≦t≦0.5、u+v<1、-0.1≦u≦0.2、0≦v≦0.1)で表される層状化合物、Li1-xCo1-rMrO2(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、V、Cr、Zr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、Sb、Ba、Mn、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Si、Ta、K、S、ErおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5)で表されるリチウムコバルト複合酸化物、Li1-xNi1-rMrO2(ただし、Mは、Al、Mg、Ti、Zr、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、SbおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5)で表されるリチウムニッケル複合酸化物、Li1+s-xM1-rNrPO4Fs(ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、Sb、VおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1、0≦r≦0.5、0≦s≦1)で表されるオリビン型複合酸化物、Li2-xM1-rNrP2O7(ただし、Mは、Fe、MnおよびCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Nは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、Sb、VおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦2、0≦r≦0.5)で表されるピロリン酸化合物などが例示でき、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Furthermore, in the case of an all-solid-state battery positive electrode used in an all-solid-state secondary battery, the base material of the positive electrode active material (positive electrode active material having a reaction suppression layer on its surface) contained in the positive electrode mixture can be the same as the positive electrode active material used in conventionally known non-aqueous electrolyte secondary batteries, that is, the same active material capable of absorbing and releasing Li (lithium) ions. Specifically, there is a spinel-type lithium manganese composite oxide represented by Li 1-x M r Mn 2-r O 4 (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, K, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Zr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Sb, In, Nb, Ta, Mo, W, Y, Ru, and Rh, and 0≦x≦1, 0≦r≦1), Li r Mn (1-s-t) Ni s M t O (2-u) F v (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr, and W, and 0≦r≦1.2, 0<s<0.5, 0≦t≦0.5, u+v<1, -0.1≦u≦0.2, 0≦v≦0.1), a layered compound represented by Li 1-x Co 1-r M r O 2 Lithium cobalt composite oxide represented by Li 1-x Ni 1-r M r O 2 (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, V, Cr, Zr, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, Ba, Mn, Bi, Ca, F, P, Sr, W, Si, Ta, K, S, Er, and Na, and 0≦x≦1, 0≦r≦0.5); lithium nickel composite oxide represented by Li 1+ s-x M 1-r N r PO 4 (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, and Ba, and 0≦x≦ 1 , 0≦ r ≦0.5) ; Fs (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn and Co, and N is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, V and Ba, and 0≦x≦1, 0≦r≦0.5, 0≦s ≦ 1) , and Li2 -xM1 - rNrP2O7 (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn, and Co, and N is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb, V, and Ba, and 0≦x≦2, 0≦r≦0.5), and the like can be exemplified. Among these, only one type may be used, or two or more types may be used in combination.
全固体二次電池に使用する全固体電池用正極の場合、前記例示の正極活物質の中でも、下記一般式(1)で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)が、好ましく用いられる。 For the positive electrode of an all-solid-state secondary battery, among the positive electrode active materials exemplified above, the lithium cobalt composite oxide (A) represented by the following general formula (1) is preferably used.
LiCo1-a-b-cAlaM1 bM2 cO2 (1) LiCo 1-a-b-c Al a M 1 b M 2 c O 2 (1)
前記一般式(1)中、M1は、Mg、NiおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素、M2は、Mn、Fe、Cu、Zr、Ti、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Ba、Nb、Si、Zn、Mo、V、Sn、Sb、Ta、Ge、Cr、K、SおよびErよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0<a<0.1、0<b<0.1、a+b<0.1、0≦cである。 In the general formula (1), M1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ni, and Na, M2 is at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Cu, Zr, Ti, Bi, Ca, F, P, Sr, W, Ba, Nb, Si, Zn, Mo, V, Sn, Sb, Ta, Ge, Cr, K, S, and Er, and 0<a<0.1, 0<b<0.1, a+b<0.1, and 0≦c.
リチウムコバルト複合酸化物(A)は、有機電解液を使用する非水電解質二次電池用の正極活物質に用いた場合、含有するAlやM1元素などの添加元素の作用によって、電池の内部抵抗を増大させる材料である。しかし、有機電解液を有する非水電解質二次電池の場合、正極と負極との間でのイオンの受け渡しを行う電解質が液状(電解液)であるため、元々の内部抵抗が小さいことから、リチウムコバルト複合酸化物(A)による前記の内部抵抗増大は電池特性に殆ど影響しない。一方、正極-負極間でのイオンの受け渡しを固体電解質で行う全固体二次電池においては、正極活物質の作用による内部抵抗の増大によって負荷特性などの電池特性の低下が引き起されることも予想される。 When the lithium cobalt composite oxide (A) is used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery using an organic electrolyte, the lithium cobalt composite oxide (A) is a material that increases the internal resistance of the battery due to the action of the additive elements such as Al and M1 element contained therein. However, in the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery having an organic electrolyte, since the electrolyte that transfers ions between the positive electrode and the negative electrode is liquid (electrolytic solution), the original internal resistance is small, and therefore the increase in internal resistance due to the lithium cobalt composite oxide (A) hardly affects the battery characteristics. On the other hand, in an all-solid-state secondary battery in which the transfer of ions between the positive electrode and the negative electrode is performed by a solid electrolyte, it is expected that the increase in internal resistance due to the action of the positive electrode active material will cause a decrease in battery characteristics such as load characteristics.
しかしながら、リチウムコバルト複合酸化物(A)を全固体二次電池の正極活物質として使用した場合には、こうした予想に反して、例えばLiCoO2を正極活物質とする場合に比べて内部抵抗を下げることが可能であり、全固体二次電池の負荷特性をより高めることができる。 However, contrary to such expectations, when the lithium-cobalt composite oxide (A) is used as the positive electrode active material of an all-solid-state secondary battery, it is possible to reduce the internal resistance compared to when, for example, LiCoO 2 is used as the positive electrode active material, and the load characteristics of the all-solid-state secondary battery can be further improved.
LiCoO2を正極活物質として用いた電池を充電すると、価数変化によってCoが膨張する。有機電解液を用いた電池では、これに起因する正極活物質の体積変化が生じても、イオンの受け渡しをする電解質が液状であるために正極活物質との接触が損なわれることはない。一方、全固体二次電池では、正極内でイオンの受け渡しをする電解質が固体(固体電解質)であるため、電池の充放電によって正極活物質が体積変化することで固体電解質との間に隙間が生じてしまい、正極の内部抵抗、延いては電池の内部抵抗が増大してしまう。 When a battery using LiCoO 2 as a positive electrode active material is charged, Co expands due to a change in valence. In a battery using an organic electrolyte, even if the volume of the positive electrode active material changes due to this, the electrolyte that transfers ions is liquid, so the contact with the positive electrode active material is not impaired. On the other hand, in an all-solid-state secondary battery, the electrolyte that transfers ions in the positive electrode is solid (solid electrolyte), so that the volume of the positive electrode active material changes due to charging and discharging the battery, resulting in a gap between the solid electrolyte, and the internal resistance of the positive electrode and, ultimately, the internal resistance of the battery increases.
ところが、前記一般式(1)で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)であれば、充電状態となっても、Alおよび元素M1の作用によってCoの膨張が抑えられるため、正極活物質全体の膨張量(体積変化量)が小さくなる。よって、リチウムコバルト複合酸化物(A)を正極活物質とする全固体電池用正極を使用することで、充放電しても正極内でのリチウムコバルト複合酸化物(A)と固体電解質との接触が良好に維持でき、内部抵抗を低く保ち得ることから、より負荷特性に優れた全固体二次電池とすることができる。 However, in the case of the lithium cobalt composite oxide (A) represented by the general formula (1), even in a charged state, the expansion of Co is suppressed by the action of Al and element M 1 , so that the expansion amount (volume change amount) of the entire positive electrode active material is small. Therefore, by using a positive electrode for an all-solid-state battery containing the lithium cobalt composite oxide (A) as the positive electrode active material, the contact between the lithium cobalt composite oxide (A) and the solid electrolyte in the positive electrode can be maintained well even during charging and discharging, and the internal resistance can be kept low, so that an all-solid-state secondary battery with better load characteristics can be obtained.
リチウムコバルト複合酸化物(A)において、AlはCoサイトに置換される元素、M1はLiサイトに置換される元素であり、ともに充電時におけるCoの膨張量〔リチウムコバルト複合酸化物(A)の膨張量〕を小さくする作用を有している。 In the lithium cobalt composite oxide (A), Al is an element substituted at the Co site, and M1 is an element substituted at the Li site. Both have the effect of reducing the amount of expansion of Co (the amount of expansion of the lithium cobalt composite oxide (A)) during charging.
リチウムコバルト複合酸化物(A)は、元素M1として、Mg、NiおよびNaのうちの少なくとも1種の元素を含有していればよいが、置換するLiとイオン半径が同等であり、さらに充放電時における価数変化を起こさないことからMgが好ましい。 The lithium cobalt composite oxide (A) may contain at least one element selected from Mg, Ni, and Na as the element M1 . Mg is preferred because it has an equivalent ionic radius to the Li that it substitutes and does not cause a change in valence during charging and discharging.
リチウムコバルト複合酸化物(A)において、充電時における膨張量を小さく抑える観点から、Alの量aは0より大きく0.1未満であり、元素M1の量bは0より大きく0.1未満であり、また、a+bが0.1未満である。なお、Alの量aは0.005以上であることが好ましく、また、元素M1の量bは0.005以上であることが好ましい。さらに、Alの量aは0.08以下であることが好ましく、また、元素M1の量bは0.08以下であることが好ましい。 In the lithium cobalt composite oxide (A), from the viewpoint of suppressing the amount of expansion during charging, the amount a of Al is greater than 0 and less than 0.1, the amount b of element M1 is greater than 0 and less than 0.1, and a + b is less than 0.1. The amount a of Al is preferably 0.005 or more, and the amount b of element M1 is preferably 0.005 or more. Furthermore, the amount a of Al is preferably 0.08 or less, and the amount b of element M1 is preferably 0.08 or less.
リチウムコバルト複合酸化物(A)は、元素M2を含有していてもよく、含有していなくてもよい(その量cは0でもよい)が、元素M2の量が多すぎると、例えばCoの量が少なくなって、リチウムコバルト複合酸化物(A)の容量が小さくなる虞がある。よって、元素M2の量cは0.05以下であることが好ましい。 The lithium cobalt composite oxide (A) may or may not contain the element M2 (the amount c may be 0), but if the amount of the element M2 is too large, for example, the amount of Co may be reduced, and the capacity of the lithium cobalt composite oxide (A) may be reduced. Therefore, the amount c of the element M2 is preferably 0.05 or less.
正極合剤の成形体は、一次粒子の状態の正極活物質を含有している。これにより、正極合剤の成形体における正極活物質と固体電解質との接触が良好となることから、全固体電池の負荷特性が向上する。 The positive electrode mixture compact contains the positive electrode active material in the form of primary particles. This improves the contact between the positive electrode active material in the positive electrode mixture compact and the solid electrolyte, improving the load characteristics of the all-solid-state battery.
なお、正極合剤の成形体には、一次粒子からなる正極活物質と共に、二次粒子として存在する正極活物質が含まれていてもよい。二次粒子として存在する正極活物質は、例えば、正極合剤に含有させ得るものとして先に例示した各種正極活物質の二次粒子が挙げられる。ただし、正極合剤における二次粒子として存在する正極活物質の、正極活物質全量中の割合は、少ないほどよく、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。また、正極合剤における正極活物質は、全てが一次粒子からなる正極活物質であってもよい。このため、二次粒子として存在する正極活物質の正極活物質全量中の割合の下限値は、0質量%である。 The positive electrode mixture compact may contain a positive electrode active material existing as a secondary particle together with a positive electrode active material consisting of primary particles. Examples of the positive electrode active material existing as a secondary particle include secondary particles of the various positive electrode active materials exemplified above as materials that can be contained in the positive electrode mixture. However, the proportion of the positive electrode active material existing as a secondary particle in the positive electrode mixture in the total amount of the positive electrode active material is preferably as low as possible, and is preferably 20 mass% or less, and more preferably 10 mass% or less. In addition, the positive electrode active material in the positive electrode mixture may be a positive electrode active material consisting entirely of primary particles. Therefore, the lower limit of the proportion of the positive electrode active material existing as a secondary particle in the total amount of the positive electrode active material is 0 mass%.
なお、一次粒子からなる正極活物質としては、市販の正極活物質を用いることができる。正極活物質中に二次粒子が一部混在しているが、大半が一次粒子からなるものを使用することもできる。 As the positive electrode active material made of primary particles, commercially available positive electrode active materials can be used. It is also possible to use positive electrode active materials that contain some secondary particles but are mostly made of primary particles.
正極合剤の成形体が含有する正極活物質(一次粒子からなる正極活物質)は、その表面に、正極に含まれる固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を有している。 The positive electrode active material (positive electrode active material consisting of primary particles) contained in the positive electrode mixture compact has a reaction suppression layer on its surface to suppress reaction with the solid electrolyte contained in the positive electrode.
正極合剤の成形体内において、正極活物質と固体電解質とが直接接触すると、固体電解質が酸化して抵抗層を形成し、成形体内のイオン伝導性が低下する虞がある。正極活物質の表面に、固体電解質との反応を抑制する反応抑制層を設け、正極活物質と固体電解質との直接の接触を防止することで、固体電解質の酸化による成形体内のイオン伝導性の低下を抑制することができる。 If the positive electrode active material and the solid electrolyte come into direct contact within the positive electrode mixture molded body, the solid electrolyte may oxidize to form a resistive layer, which may reduce the ionic conductivity within the molded body. By providing a reaction suppression layer on the surface of the positive electrode active material that suppresses reaction with the solid electrolyte and preventing direct contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte, it is possible to suppress the reduction in ionic conductivity within the molded body due to oxidation of the solid electrolyte.
反応抑制層は、イオン伝導性を有し、正極活物質と固体電解質との反応を抑制できる材料で構成されていればよい。反応抑制層を構成し得る材料としては、例えば、Liと、Nb、P、B、Si、Ge、TiおよびZrよりなる群から選択される少なくとも1種の元素とを含む酸化物、より具体的には、LiNbO3などのNb含有酸化物、Li3PO4、Li3BO3、Li4SiO4、Li4GeO4、LiTiO3、LiZrO3、Li2WO4などが挙げられる。反応抑制層は、これらの酸化物のうちの1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよく、さらに、これらの酸化物のうちの複数種が複合化合物を形成していてもよい。これらの酸化物の中でも、Nb含有酸化物を使用することが好ましく、LiNbO3を使用することがより好ましい。 The reaction suppression layer may be made of a material that has ion conductivity and can suppress the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte. Examples of materials that can form the reaction suppression layer include oxides containing Li and at least one element selected from the group consisting of Nb, P, B, Si, Ge, Ti and Zr, more specifically, Nb-containing oxides such as LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , LiTiO 3 , LiZrO 3 , Li 2 WO 4 and the like. The reaction suppression layer may contain only one of these oxides, or may contain two or more of them, and further, a plurality of these oxides may form a composite compound. Among these oxides, it is preferable to use an Nb-containing oxide, and it is more preferable to use LiNbO 3 .
反応抑制層は、正極活物質:100質量部に対して0.1~1.0質量部で表面に存在することが好ましい。この範囲であれば正極活物質と固体電解質との反応を良好に抑制することができる。 It is preferable that the reaction suppression layer is present on the surface in an amount of 0.1 to 1.0 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material. This range can effectively suppress the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte.
正極活物質の表面に反応抑制層を形成する方法としては、ゾルゲル法、メカノフュージョン法、CVD法、PVD法、ALD法などが挙げられる。 Methods for forming a reaction suppression layer on the surface of a positive electrode active material include the sol-gel method, mechanofusion method, CVD method, PVD method, and ALD method.
なお、正極合剤の成形体が、二次粒子として存在する正極活物質も含有する場合には、この二次粒子として存在する正極活物質(二次粒子を構成している正極活物質の一次粒子)も、前記の反応抑制層を有していることが好ましい。 When the positive electrode mixture compact also contains a positive electrode active material that exists as a secondary particle, it is preferable that the positive electrode active material that exists as a secondary particle (the primary particle of the positive electrode active material that constitutes the secondary particle) also has the reaction suppression layer.
正極合剤における正極活物質の含有量は、60~95質量%であることが好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is preferably 60 to 95 mass%.
正極合剤の成形体に含有させる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有していれば特に限定されず、例えば、硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが使用できる。 The solid electrolyte to be contained in the positive electrode mixture compact is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity, and examples that can be used include sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, halide-based solid electrolytes, and oxide-based solid electrolytes.
硫化物系固体電解質としては、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-P2S5-GeS2、Li2S-B2S3系ガラスなどの粒子が挙げられる他、近年、Liイオン伝導性が高いものとして注目されているthio-LISICON型のもの〔Li10GeP2S12、Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3などの、Li12-12a-b+c+6d-eM1 3+a-b-c-dM2 bM3 cM4 dM5 12-eXe(ただし、M1はSi、GeまたはSn、M2はPまたはV、M3はAl、Ga、YまたはSb、M4はZn、Ca、またはBa、M5はSまたはSおよびOのいずれかであり、XはF、Cl、BrまたはI、0≦a<3、0≦b+c+d≦3、0≦e≦3〕や、アルジロダイト型のもの〔Li6PS5Clなどの、Li7-f+gPS6-xClx+y(ただし、0.05≦f≦0.9、-3.0f+1.8≦g≦-3.0f+5.7)で表されるもの、Li7-hPS6-hCliBrj(ただし、h=i+j、0<h≦1.8、0.1≦i/j≦10.0)で表されるものなど〕も使用することができる。 Examples of sulfide-based solid electrolytes include particles of Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-P 2 S 5 -GeS 2 , and Li 2 S- B 2 S 3 based glass. In addition, thio-LISICON type electrolytes, which have been attracting attention in recent years for their high Li ion conductivity, are Li 12-12a-b+c+6d-e M 1 3 + a-b-c-d M 2 b M 3 c M 4 d M 5 12 -e X e (wherein M 1 is Si, Ge, or Sn, and M M2 is P or V, M3 is Al, Ga, Y or Sb, M4 is Zn, Ca or Ba, M5 is S or either S and O, and X is F, Cl, Br or I, 0≦a<3, 0≦b+c+d≦3, 0≦e≦3] or argyrodite type compounds (such as Li6PS5Cl , which are represented by Li7 -f+gPS6 - xClx +y (where 0.05≦f≦0.9, -3.0f+1.8≦g≦-3.0f+5.7 ) , or Li7 -hPS6 - hCliBrj (where h=i+j, 0<h≦1.8, 0.1≦i/j≦10.0)) can also be used.
水素化物系固体電解質としては、例えば、LiBH4、LiBH4と下記のアルカリ金属化合物との固溶体(例えば、LiBH4とアルカリ金属化合物とのモル比が1:1~20:1のもの)などが挙げられる。前記固溶体におけるアルカリ金属化合物としては、ハロゲン化リチウム(LiI、LiBr、LiF、LiClなど)、ハロゲン化ルビジウム(RbI、RbBr、RbF、RbClなど)、ハロゲン化セシウム(CsI、CsBr、CsF、CsClなど)、リチウムアミド、ルビジウムアミドおよびセシウムアミドよりなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。 Examples of hydride-based solid electrolytes include LiBH 4 , solid solutions of LiBH 4 and the following alkali metal compounds (for example, those in which the molar ratio of LiBH 4 to the alkali metal compound is 1:1 to 20:1), etc. Examples of the alkali metal compounds in the solid solutions include at least one selected from the group consisting of lithium halides (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halides (RbI, RbBr, RbF, RbCl, etc.), cesium halides (CsI, CsBr, CsF, CsCl, etc.), lithium amide, rubidium amide, and cesium amide.
ハロゲン化物系固体電解質としては、例えば、単斜晶型のLiAlCl4、欠陥スピネル型または層状構造のLiInBr4、単斜晶型のLi6-3mYmX6(ただし、0<m<2かつX=ClまたはBr)などが挙げられ、その他にも例えば国際公開第2020/070958や国際公開第2020/070955に記載の公知のものを使用することができる。 Examples of halide-based solid electrolytes include monoclinic LiAlCl 4 , defective spinel or layered structure LiInBr 4 , and monoclinic Li 6-3m Y m X 6 (wherein 0<m<2 and X=Cl or Br). Other known solid electrolytes that can be used include those described in, for example, WO 2020/070958 and WO 2020/070955.
酸化物系固体電解質としては、例えば、ガーネット型のLi7La3Zr2O12、NASICON型のLi1+OAl1+OTi2-O(PO4)3、Li1+pAl1+pGe2-p(PO4)3、ペロブスカイト型のLi3qLa2/3-qTiO3などが挙げられる。 Examples of oxide-based solid electrolytes include garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , NASICON-type Li 1+O Al 1+O Ti 2-O (PO 4 ) 3 and Li 1+p Al 1+p Ge 2-p (PO 4 ) 3 , and perovskite-type Li 3q La 2/3-q TiO 3 .
これらの固体電解質の中でも、リチウムイオン伝導性が高いことから、硫化物系固体電解質が好ましく、LiおよびPを含む硫化物系固体電解質がより好ましく、特にリチウムイオン伝導性が高く、化学的に安定性の高いアルジロダイト型の硫化物系固体電解質がさらに好ましい。 Among these solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes are preferred due to their high lithium ion conductivity, sulfide-based solid electrolytes containing Li and P are more preferred, and argyrodite-type sulfide-based solid electrolytes, which have particularly high lithium ion conductivity and high chemical stability, are even more preferred.
正極合剤における固体電解質の含有量は、4~40質量%であることが好ましい。 The solid electrolyte content in the positive electrode mixture is preferably 4 to 40 mass %.
正極合剤の成形体が含有する固体電解質の平均粒子径をrs(μm)とし、正極合剤の成形体が含有する一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径をra(μm)としたとき、rsに対するraの比ra/rsは、2以上20以下である。ra/rsの値が前記の範囲内にある場合には、正極合剤の成形体内における正極活物質と固体電解質との接触が良好になって、これらの間でイオンがスムーズに移動できるようになるため、全固体電池用正極の抵抗値を低減でき、この正極が使用される全固体電池(本発明の全固体電池)の負荷特性を高めることができる。ra/rsの値は、5以上であることがより好ましく、また、15以下であることがより好ましい。 When the average particle diameter of the solid electrolyte contained in the compact of the positive electrode mixture is rs (μm) and the average particle diameter of the positive electrode active material consisting of primary particles contained in the compact of the positive electrode mixture is ra (μm), the ratio of ra to rs, ra/rs, is 2 or more and 20 or less. When the value of ra/rs is within the above range, the contact between the positive electrode active material and the solid electrolyte in the compact of the positive electrode mixture is good, and ions can move smoothly between them, so that the resistance value of the positive electrode for the all-solid-state battery can be reduced and the load characteristics of the all-solid-state battery (the all-solid-state battery of the present invention) in which this positive electrode is used can be improved. The value of ra/rs is more preferably 5 or more and more preferably 15 or less.
固体電解質の平均粒子径は、0.4μm以上であることが好ましく、また、2.5μm以下であることが好ましい。 The average particle size of the solid electrolyte is preferably 0.4 μm or more and 2.5 μm or less.
さらに、一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径は、2μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、また、30μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。 Furthermore, the average particle diameter of the positive electrode active material consisting of primary particles is preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, and is preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less.
なお、正極合剤の成形体が二次粒子の状態で存在する正極活物質を含有する場合、その二次粒子の平均粒子径は、一次粒子からなる正極活物質の平均粒子径と同等程度であることが好ましい。 In addition, when the positive electrode mixture compact contains a positive electrode active material that exists in the form of secondary particles, it is preferable that the average particle size of the secondary particles is approximately the same as the average particle size of the positive electrode active material that is made up of primary particles.
本明細書でいう各種粒子(正極活物質、固体電解質など)の平均粒子径は、粒度分布測定装置(日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置「HRA9320」など)を用いて、粒度の小さい粒子から積分体積を求める場合の体積基準の積算分率における50%径の値(D50)を意味している。 The average particle diameter of various particles (such as positive electrode active material and solid electrolyte) referred to in this specification means the 50% diameter value ( D50 ) in the volume-based integrated fraction when the integrated volume is calculated from particles with small particle sizes using a particle size distribution measurement device (such as the Microtrack particle size distribution measurement device "HRA9320" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
なお、正極活物質や固体電解質の平均粒子径は、正極合剤の成形体の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、特定数(例えば30個)の正極活物質や固体電解質のそれぞれについて、SEMのスケールを用いて測定される粒子径の、全ての値の平均値(数平均値)としても求めることができる。そして、この方法によって求められる正極活物質の平均粒子径および固体電解質の平均粒子径が、前記の粒度分布測定装置を用いて求められる正極活物質の平均粒子径および固体電解質の平均粒子径と、ほぼ同等であることを本発明者らは確認している。 The average particle diameter of the positive electrode active material and the solid electrolyte can also be determined by observing the surface of the positive electrode mixture compact with a scanning electron microscope (SEM) and calculating the average (number average) of all the particle diameter values measured using the SEM scale for a specific number (e.g., 30) of positive electrode active materials and solid electrolytes. The inventors have confirmed that the average particle diameter of the positive electrode active material and the average particle diameter of the solid electrolyte determined by this method are approximately equal to the average particle diameter of the positive electrode active material and the average particle diameter of the solid electrolyte determined using the particle size distribution measuring device.
正極合剤の成形体には、導電助剤を含有させることができる。その具体例としては、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などが挙げられる。なお、例えば正極活物質にAg2Sを用いる場合には放電反応の際に導電性のあるAgが生成するため、導電助剤は含有させなくてもよい。正極合剤の成形体に導電助剤を含有させる場合には、正極合剤における含有量は、1~10質量%であることが好ましい。 The molded body of the positive electrode mixture can contain a conductive assistant. Specific examples include carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. For example, when Ag 2 S is used as the positive electrode active material, conductive Ag is generated during the discharge reaction, so the conductive assistant does not need to be contained. When the molded body of the positive electrode mixture contains a conductive assistant, the content in the positive electrode mixture is preferably 1 to 10 mass%.
正極合剤の成形体には、樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは正極合剤の成形体中において抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、正極合剤の成形体においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合には正極合剤における含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。正極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The molded body of the positive electrode mixture may or may not contain a resin binder. Examples of the resin binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component in the molded body of the positive electrode mixture, it is desirable that the amount of the resin binder is as small as possible. Therefore, in the molded body of the positive electrode mixture, it is preferable that the resin binder is not contained, or if it is contained, the content in the positive electrode mixture is 0.5 mass% or less. It is more preferable that the content of the resin binder in the positive electrode mixture is 0.3 mass% or less, and even more preferable that it is 0 mass% (i.e., no resin binder is contained).
正極に集電体を使用する場合、その集電体としては、アルミニウムやステンレス鋼などの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the positive electrode, the current collector can be made of metal foil such as aluminum or stainless steel, punched metal, mesh, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; etc.
正極合剤の成形体は、例えば、正極活物質に、必要に応じて添加される導電助剤、バインダ、固体電解質などを混合して調製した正極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。 The positive electrode mixture compact can be formed, for example, by compressing the positive electrode mixture prepared by mixing the positive electrode active material with conductive additives, binders, solid electrolytes, etc., which are added as necessary, by pressure molding or the like.
集電体を有する正極の場合には、前記のような方法で形成した正極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a positive electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding the molded body of the positive electrode mixture formed by the method described above to the current collector by pressing it together.
また、前記の正極合剤と溶媒とを混合して正極合剤含有組成物を調製し、これを集電体や正極と対向させる固体電解質層(固体電解質電池を形成する場合)といった基材上に塗布し、乾燥した後にプレス処理を行うことで、正極合剤の成形体を形成してもよい。 Alternatively, the positive electrode mixture may be mixed with a solvent to prepare a positive electrode mixture-containing composition, which may then be applied to a substrate such as a current collector or a solid electrolyte layer (when forming a solid electrolyte battery) that faces the positive electrode, dried, and then pressed to form a molded body of the positive electrode mixture.
正極合剤含有組成物の溶媒には、水やN-メチル-2-ピロリドン(NMP)などの有機溶媒を使用することができる。なお、正極合剤含有組成物に固体電解質も含有させる場合の溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが好ましい。特に、硫化物系固体電解質や水素化物系固体電解質は、微少量の水分によって化学反応を起こすため、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、デカリン、トルエン、キシレンなどの炭化水素溶媒に代表される非極性非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。特に、含有水分量を0.001質量%(10ppm)以下とした超脱水溶媒を使用することがより好ましい。また、三井・デュポンフロロケミカル社製の「バートレル(登録商標)」、日本ゼオン社製の「ゼオローラ(登録商標)」、住友3M社製の「ノベック(登録商標)」などのフッ素系溶媒、並びに、ジクロロメタン、ジエチルエーテルなどの非水系有機溶媒を使用することもできる。 The solvent for the positive electrode mixture-containing composition can be water or an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). When the positive electrode mixture-containing composition also contains a solid electrolyte, it is preferable to select a solvent that does not easily deteriorate the solid electrolyte. In particular, since sulfide-based solid electrolytes and hydride-based solid electrolytes undergo chemical reactions due to a small amount of water, it is preferable to use a non-polar aprotic solvent represented by a hydrocarbon solvent such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, decalin, toluene, or xylene. In particular, it is more preferable to use an ultra-dehydrated solvent with a water content of 0.001 mass% (10 ppm) or less. In addition, fluorine-based solvents such as "Vertrel (registered trademark)" manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemicals, "Zeorolla (registered trademark)" manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., and "Novec (registered trademark)" manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd., as well as non-aqueous organic solvents such as dichloromethane and diethyl ether can also be used.
正極合剤の成形体の厚み(集電体を有する電極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、通常は50μm以上であるが、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。また、正極合剤の成形体の厚みは、通常、3000μm以下である。 The thickness of the positive electrode mixture compact (in the case of an electrode having a current collector, the thickness of the positive electrode mixture compact per one side of the current collector; the same applies below) is usually 50 μm or more, but from the viewpoint of increasing the capacity of the battery, it is preferably 200 μm or more. In addition, the thickness of the positive electrode mixture compact is usually 3000 μm or less.
なお、溶媒を含有する正極合剤含有組成物を用いて集電体上に正極合剤の成形体からなる正極合剤層を形成することで製造される正極の場合には、正極合剤層の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 In addition, in the case of a positive electrode manufactured by forming a positive electrode mixture layer made of a molded positive electrode mixture on a current collector using a positive electrode mixture-containing composition containing a solvent, the thickness of the positive electrode mixture layer is preferably 50 to 1000 μm.
<全固体電池>
本発明の全固体電池は、正極、負極、および正極と負極との間に介在する固体電解質層を有し、正極が本発明の全固体電池用正極である。
<All-solid-state battery>
The all-solid-state battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is the positive electrode for the all-solid-state battery of the present invention.
(負極)
全固体電池の負極には、例えば、負極活物質および固体電解質などを含む負極合剤の成形体を有し、負極合剤の成形体のみからなるものや、負極合剤の成形体からなる層(負極合剤層)を集電体上に形成してなる構造のものなどを使用することができる。
(Negative electrode)
The negative electrode of the all-solid-state battery can have, for example, a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, and can be made of only a molded body of a negative electrode mixture, or a structure in which a layer (negative electrode mixture layer) made of a molded body of a negative electrode mixture is formed on a current collector.
全固体電池が一次電池の場合の負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金(リチウム-アルミニウム合金)などが挙げられる。 When the all-solid-state battery is a primary battery, examples of the negative electrode active material include metallic lithium and lithium alloys (lithium-aluminum alloys).
また、全固体電池が二次電池の場合の負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金(リチウム-アルミニウム合金)などのほか、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などの炭素材料;Si、Snなどのリチウムとの合金化が可能な元素を含む合金;SiやSnの酸化物:などが挙げられる。 When the all-solid-state battery is a secondary battery, examples of the negative electrode active material include metallic lithium, lithium alloys (lithium-aluminum alloys), carbon materials such as graphite, pyrolytic carbon, cokes, glassy carbon, fired organic polymer compounds, mesocarbon microbeads, carbon fibers, and activated carbon; alloys containing elements that can be alloyed with lithium, such as Si and Sn; and oxides of Si and Sn.
負極合剤における負極活物質の含有量は、40~95質量%であることが好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is preferably 40 to 95 mass %.
負極合剤の成形体には固体電解質を含有させる。その具体例としては、正極合剤の成形体に含有させ得るものとして先に例示した固体電解質と同じものなどが挙げられる。前記例示の固体電解質の中でも、リチウムイオン伝導性が高く、また、負極合剤の成形性を高める機能を有していることから、硫化物系固体電解質を用いることがより好ましい。 A solid electrolyte is contained in the negative electrode mixture compact. Specific examples include the same solid electrolytes as those exemplified above as those that can be contained in the positive electrode mixture compact. Among the solid electrolytes exemplified above, it is more preferable to use a sulfide-based solid electrolyte, since it has high lithium ion conductivity and also has the function of increasing the moldability of the negative electrode mixture.
負極合剤における固体電解質の含有量は、4~49質量%であることが好ましい。 The solid electrolyte content in the negative electrode mixture is preferably 4 to 49 mass %.
負極合剤の成形体には、導電助剤を含有させることができる。その具体例としては、正極合剤の成形体に含有させ得るものとして先に例示した導電助剤と同じものなどが挙げられる。負極合剤における導電助剤の含有量は1~10質量%であることが好ましい。 The negative electrode mixture compact may contain a conductive additive. Specific examples include the same conductive additives as those exemplified above as may be contained in the positive electrode mixture compact. The content of the conductive additive in the negative electrode mixture is preferably 1 to 10 mass %.
また、負極合剤の成形体には樹脂製のバインダは含有させなくてもよく、含有させてもよい。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは負極合剤の成形体中においても抵抗成分として作用するため、その量はできるだけ少ないことが望ましい。よって、負極合剤の成形体においては、樹脂製のバインダを含有させないか、含有させる場合には負極合剤における含有量を0.5質量%以下とすることが好ましい。負極合剤における樹脂製のバインダの含有量は0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことがさらに好ましい。 The negative electrode mixture compact may or may not contain a resin binder. Examples of resin binders include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). However, since the resin binder acts as a resistance component even in the negative electrode mixture compact, it is desirable that the amount of the resin binder is as small as possible. Therefore, it is preferable that the negative electrode mixture compact does not contain a resin binder, or if it does contain one, the content in the negative electrode mixture is 0.5 mass% or less. It is more preferable that the content of the resin binder in the negative electrode mixture is 0.3 mass% or less, and even more preferable that it is 0 mass% (i.e., no resin binder is contained).
負極合剤の成形体を有する負極に集電体を用いる場合、その集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for a negative electrode having a molded negative electrode mixture, the current collector can be made of copper or nickel foil, punched metal, mesh, expanded metal, foamed metal; carbon sheet; etc.
負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤やバインダなどを混合して調製した負極合剤を、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。負極合剤の成形体のみで構成される負極の場合は、前記の方法により製造することができる。 The negative electrode mixture compact can be formed, for example, by compressing the negative electrode mixture prepared by mixing the negative electrode active material and solid electrolyte, and further, if necessary, conductive additives and binders, by pressure molding or the like. In the case of a negative electrode consisting only of a negative electrode mixture compact, it can be manufactured by the above-mentioned method.
集電体を有する負極の場合には、前記のような方法で形成した負極合剤の成形体を集電体と圧着するなどして貼り合わせることで製造することができる。 In the case of a negative electrode having a current collector, it can be manufactured by bonding the negative electrode mixture formed by the method described above to the current collector by pressing it.
また、集電体を有する負極の場合、負極活物質および固体電解質、さらには必要に応じて添加される導電助剤やバインダなどを溶媒に分散させた負極合剤含有組成物(ペースト、スラリーなど)を、集電体に塗布し、乾燥した後、必要に応じてカレンダ処理などの加圧成形をして、集電体の表面に負極合剤の成形体(負極合剤層)を形成する方法によっても、製造することができる。 In addition, in the case of a negative electrode having a current collector, a negative electrode mixture-containing composition (paste, slurry, etc.) in which the negative electrode active material, solid electrolyte, and optionally added conductive additives and binders are dispersed in a solvent can be applied to the current collector, dried, and then pressure-molded, such as by calendaring, as necessary, to form a molded body of the negative electrode mixture (negative electrode mixture layer) on the surface of the current collector.
負極合剤含有組成物の溶媒には、水やNMPなどの有機溶媒を使用することができるが、負極合剤含有組成物に固体電解質も含有させる場合の溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、固体電解質を含有する正極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種の溶媒と同じものを使用することが好ましい。 As the solvent for the negative electrode mixture-containing composition, an organic solvent such as water or NMP can be used. However, when the negative electrode mixture-containing composition also contains a solid electrolyte, it is preferable to select a solvent that is unlikely to deteriorate the solid electrolyte, and it is preferable to use the same solvents as those exemplified above for the positive electrode mixture-containing composition that contains a solid electrolyte.
負極合剤の成形体の厚み(集電体を有する負極の場合は、集電体の片面あたりの負極合剤の成形体の厚み。以下、同じ。)は、通常は50μm以上であるが、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましい。また、負極合剤の成形体の厚みは、通常、3000μm以下である。 The thickness of the negative electrode mixture compact (in the case of a negative electrode having a current collector, the thickness of the negative electrode mixture compact per one side of the current collector; the same applies below) is usually 50 μm or more, but from the viewpoint of increasing the capacity of the battery, it is preferably 200 μm or more. In addition, the thickness of the negative electrode mixture compact is usually 3000 μm or less.
なお、溶媒を含有する負極合剤含有組成物を用いて集電体上に負極合剤の成形体からなる負極合剤層を形成することで製造される負極の場合には、負極合剤層の厚みは、50~1000μmであることが好ましい。 In addition, in the case of a negative electrode manufactured by forming a negative electrode mixture layer consisting of a molded negative electrode mixture on a current collector using a negative electrode mixture-containing composition containing a solvent, the thickness of the negative electrode mixture layer is preferably 50 to 1000 μm.
また、負極には、負極活物質となる金属箔などをそのまま用いたものや、負極活物質となる金属箔と集電体とを積層した構造のものなどを使用することもできる。 The negative electrode can be made of a metal foil that acts as the negative electrode active material, or it can be made of a laminate of a metal foil that acts as the negative electrode active material and a current collector.
負極活物質と集電体とを積層した構造の負極の場合、例えば前記金属箔と集電体とを圧着するなどして貼り合せて得ることができる。この場合の集電体には、負極合剤の成形体を有する負極に使用可能な集電体として先に例示したものと同じものを用いることができる。 In the case of a negative electrode having a structure in which a negative electrode active material and a current collector are laminated, the negative electrode can be obtained, for example, by bonding the metal foil and the current collector together by pressure bonding. In this case, the current collector can be the same as the one exemplified above as a current collector that can be used for a negative electrode having a molded body of a negative electrode mixture.
負極活物質となる金属箔を有する負極の場合、負極活物質としては、金属リチウムやリチウム合金が挙げられる。リチウム合金に係る合金元素としては、アルミニウム、鉛、ビスマス、インジウム、ガリウムなどが挙げられるが、アルミニウムやインジウムが好ましい。リチウム合金における合金元素の割合(合金元素を複数種含む場合は、それらの合計割合)は、50原子%以下であることが好ましい(この場合、残部はリチウムおよび不可避不純物である)。 In the case of a negative electrode having a metal foil as the negative electrode active material, examples of the negative electrode active material include metallic lithium and lithium alloys. Examples of alloying elements in lithium alloys include aluminum, lead, bismuth, indium, and gallium, with aluminum and indium being preferred. The proportion of alloying elements in the lithium alloy (the total proportion of alloying elements when multiple types of alloying elements are included) is preferably 50 atomic % or less (in this case, the remainder is lithium and unavoidable impurities).
リチウム合金箔を有する負極の場合、金属リチウム箔などで構成されるリチウム層(リチウムを含む層)の表面にリチウム合金を形成するための合金元素を含む層を圧着するなどして積層した積層体を使用し、この積層体を電池内で固体電解質と接触させることで、前記リチウム層の表面にリチウム合金を形成させて負極とすることもできる。このような負極の場合、リチウム層の片面のみに合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよく、リチウム層の両面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよい。前記積層体は、例えば、金属リチウム箔と合金元素で構成された箔とを圧着することで形成することができる。 In the case of a negative electrode having a lithium alloy foil, a laminate is used in which a layer containing an alloying element for forming a lithium alloy is laminated on the surface of a lithium layer (a layer containing lithium) composed of a metallic lithium foil or the like, for example by pressing the layer, and the laminate is brought into contact with a solid electrolyte in a battery to form a lithium alloy on the surface of the lithium layer, thereby forming a negative electrode. In the case of such a negative electrode, a laminate having a layer containing an alloying element on only one side of the lithium layer may be used, or a laminate having layers containing an alloying element on both sides of the lithium layer may be used. The laminate may be formed, for example, by pressing a metallic lithium foil and a foil composed of an alloying element.
また、電池内でリチウム合金を形成して負極とする場合にも集電体を使用することができ、例えば、負極集電体の片面にリチウム層を有し、かつリチウム層の負極集電体とは反対側の面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよく、負極集電体の両面にリチウム層を有し、かつ各リチウム層の負極集電体とは反対側の面に合金元素を含む層を有する積層体を用いてもよい。負極集電体とリチウム層(金属リチウム箔)とは、圧着などにより積層すればよい。 The current collector can also be used when forming a lithium alloy in a battery to form a negative electrode. For example, a laminate having a lithium layer on one side of the negative electrode current collector and a layer containing an alloying element on the side of the lithium layer opposite the negative electrode current collector may be used, or a laminate having lithium layers on both sides of the negative electrode current collector and each lithium layer having a layer containing an alloying element on the side opposite the negative electrode current collector may be used. The negative electrode current collector and the lithium layer (metallic lithium foil) may be laminated by crimping or the like.
負極とするための前記積層体に係る前記合金元素を含む層には、例えば、これらの合金元素で構成された箔などが使用できる。前記合金元素を含む層の厚みは、1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましく、20μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましい。 The layer containing the alloying elements in the laminate to be used as the negative electrode can be, for example, a foil composed of these alloying elements. The thickness of the layer containing the alloying elements is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, and is preferably 20 μm or less, and more preferably 12 μm or less.
負極とするための前記積層体に係るリチウム層には、例えば、金属リチウム箔などを用いることができる。リチウム層の厚みは、0.1~1.5mmであることが好ましい。また、金属リチウム箔またはリチウム合金箔を有する負極に係る前記箔の厚みも、0.1~1.5mmであることが好ましい。 For example, metallic lithium foil can be used for the lithium layer of the laminate to be used as the negative electrode. The thickness of the lithium layer is preferably 0.1 to 1.5 mm. In addition, the thickness of the foil for the negative electrode having metallic lithium foil or lithium alloy foil is also preferably 0.1 to 1.5 mm.
(固体電解質層)
全固体電池の固体電解質層を構成する固体電解質には、正極に使用し得るものとして先に例示した各種の硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質および酸化物系固体電解質のうちの1種または2種以上を使用することができる。ただし、電池特性をより優れたものとするためには、硫化物系固体電解質を含有させることが望ましく、アルジロダイト型の硫化物系固体電解質を含有させることがより望ましい。そして、正極および固体電解質層の両者、並びに負極が固体電解質を含有する負極合剤の成形体である場合には負極にも、硫化物系固体電解質を含有させることがさらに望ましく、アルジロダイト型の硫化物系固体電解質を含有させることが特に望ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery can be one or more of the various sulfide-based solid electrolytes, hydride-based solid electrolytes, halide-based solid electrolytes, and oxide-based solid electrolytes exemplified above as those usable for the positive electrode. However, in order to improve the battery characteristics, it is preferable to contain a sulfide-based solid electrolyte, and it is more preferable to contain an Argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte. And, it is even more preferable to contain a sulfide-based solid electrolyte in both the positive electrode and the solid electrolyte layer, and also in the negative electrode when the negative electrode is a molded body of a negative electrode mixture containing a solid electrolyte, and it is particularly preferable to contain an Argyrodite-type sulfide-based solid electrolyte.
固体電解質層は、樹脂製の不織布などの多孔質体を支持体として有していてもよい。 The solid electrolyte layer may have a porous body such as a resin nonwoven fabric as a support.
固体電解質層は、固体電解質を加圧成形などによって圧縮する方法;固体電解質を溶媒に分散させて調製した固体電解質層形成用組成物を基材や正極、負極の上に塗布して乾燥し、必要に応じてプレス処理などの加圧成形を行う方法:などで形成することができる。 The solid electrolyte layer can be formed by compressing the solid electrolyte by pressure molding or the like; or by applying a composition for forming the solid electrolyte layer, which is prepared by dispersing the solid electrolyte in a solvent, onto the substrate, positive electrode, or negative electrode, drying the composition, and, if necessary, performing pressure molding such as pressing.
固体電解質層形成用組成物に使用する溶媒は、固体電解質を劣化させ難いものを選択することが望ましく、固体電解質を含有する正極合剤含有組成物用の溶媒として先に例示した各種の溶媒と同じものを使用することが好ましい。 It is desirable to select a solvent that is unlikely to deteriorate the solid electrolyte for use in the composition for forming the solid electrolyte layer, and it is preferable to use the same solvents as those exemplified above for the positive electrode mixture-containing composition that contains the solid electrolyte.
固体電解質層の厚みは、100~400μmであることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100 to 400 μm.
(電極体)
正極と負極とは、固体電解質層を介して積層した積層電極体や、さらにこの積層電極体を巻回した巻回電極体の形態で、電池に用いることができる。
(Electrode body)
The positive electrode and the negative electrode can be used in a battery in the form of a laminated electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are laminated with a solid electrolyte layer interposed therebetween, or in the form of a wound electrode body in which this laminated electrode body is wound.
なお、電極体を形成するに際しては、正極と負極と固体電解質層とを積層した状態で加圧成形することが、電極体の機械的強度を高める観点から好ましい。 In addition, when forming the electrode body, it is preferable to pressure mold the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte layer in a stacked state in order to increase the mechanical strength of the electrode body.
(電池の形態)
本発明の全固体電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す全固体電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、本発明の全固体電池用正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
(Battery type)
A cross-sectional view showing a schematic example of an all-solid-state battery of the present invention is shown in Fig. 1. In the all-solid-
封口缶50は、外装缶40の開口部にガスケット60を介して嵌合しており、外装缶40の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット60が封口缶50に当接することで、外装缶40の開口部が封口されて素子内部が密閉構造となっている。
The sealing can 50 is fitted into the opening of the
外装缶および封口缶にはステンレス鋼製のものなどが使用できる。また、ガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。さらに、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。 The outer can and the sealing can can be made of stainless steel or the like. The gasket can be made of polypropylene, nylon, or the like. If heat resistance is required for the battery's intended use, fluororesins such as tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), or heat-resistant resins with melting points exceeding 240°C, such as polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), and polyetheretherketone (PEEK), can also be used. Furthermore, if the battery is used in an application requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.
また、図2および図3に、本発明の全固体電池の他の例を模式的に表す図面を示す。図2は全固体電池の平面図であり、図3は図2のI-I線断面図である。 Figures 2 and 3 are diagrams showing schematic diagrams of other examples of the all-solid-state battery of the present invention. Figure 2 is a plan view of the all-solid-state battery, and Figure 3 is a cross-sectional view taken along line I-I in Figure 2.
図2および図3に示す全固体電池100は、2枚の金属ラミネートフィルムで構成したラミネートフィルム外装体500内に、本発明の全固体電池用正極、固体電解質層および負極からなる電極体200を収容しており、ラミネートフィルム外装体500は、その外周部において、上下の金属ラミネートフィルムを熱融着することにより封止されている。なお、図3では、図面が煩雑になることを避けるために、ラミネートフィルム外装体500を構成している各層や、電極体を構成している正極、負極およびセパレータを区別して示していない。
The all-solid-
電極体200の有する正極は、電池100内で正極外部端子300と接続しており、また、図示していないが、電極体200の有する負極も、電池100内で負極外部端子400と接続している。そして、正極外部端子300および負極外部端子400は、外部の機器などと接続可能なように、片端側をラミネートフィルム外装体500の外側に引き出されている。
The positive electrode of the
全固体電池の形態は、図1に示すような、外装缶と封口缶とガスケットとで構成された外装体を有するもの、すなわち、一般にコイン形電池やボタン形電池と称される形態のものや、図2および図3に示すような、樹脂フィルムや金属-樹脂ラミネートフィルムで構成された外装体を有するもの以外にも、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。 The form of the all-solid-state battery may be one having an exterior body composed of an exterior can, a sealing can, and a gasket as shown in Figure 1, i.e., one generally known as a coin-type battery or button-type battery, or one having an exterior body composed of a resin film or a metal-resin laminate film as shown in Figures 2 and 3, or one having an exterior body made of a metal, bottomed, tubular (cylindrical or rectangular) exterior can and a sealing structure that seals the opening.
本発明の全固体電池は、従来から知られている一次電池や二次電池と同様の用途に適用し得るが、有機電解液に代えて固体電解質を有していることから耐熱性に優れており、高温に曝されるような用途に好ましく使用することができる。また、本発明の全固体電池用正極は、本発明の全固体電池を構成できる。 The all-solid-state battery of the present invention can be used in the same applications as conventionally known primary and secondary batteries, but since it has a solid electrolyte instead of an organic electrolyte, it has excellent heat resistance and can be preferably used in applications where it is exposed to high temperatures. In addition, the positive electrode for the all-solid-state battery of the present invention can constitute the all-solid-state battery of the present invention.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 The present invention will be described in detail below based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
<正極の作製>
平均粒子径raが5μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(正極活物質)と、平均粒子径rsが0.6μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(Li6PS5Cl)と、アセチレンブラック(導電助剤)とを、65:32:3の質量比で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。次に、前記正極合剤:75mgを直径:7.5mmの粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行い、円柱形状の正極合剤成形体よりなる正極を作製した。なお、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の表面のLiNbO3からなる層の量は、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部であった。
Example 1
<Preparation of Positive Electrode>
A primary particle (positive electrode active material) of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 5 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface, a sulfide-based solid electrolyte ( Li6PS5Cl ) having an argyrodite structure with an average particle diameter rs of 0.6 μm, and acetylene black (conductive assistant) were mixed in a mass ratio of 65:32:3 and thoroughly kneaded to prepare a positive electrode mixture. Next, 75 mg of the positive electrode mixture was placed in a powder molding die with a diameter of 7.5 mm, and pressure molding was performed using a press machine to produce a positive electrode consisting of a cylindrical positive electrode mixture compact. The amount of the layer made of LiNbO 3 on the surface of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 was 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 .
<固体電解質層の形成>
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、正極の作製に用いたものと同じ硫化物系固体電解質:9.6mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成して、正極と固体電解質層との積層体を得た。
<Formation of solid electrolyte layer>
Next, 9.6 mg of the same sulfide-based solid electrolyte as that used in producing the positive electrode was placed on the positive electrode mixture compact in the powder molding die, and pressure molding was performed using a press to form a solid electrolyte layer on the positive electrode mixture compact, thereby obtaining a laminate of the positive electrode and the solid electrolyte layer.
<負極の作製>
負極として、金属Li箔および金属In箔を円柱形状に成形して重ねたものを使用した。
<Preparation of negative electrode>
The negative electrode was prepared by laminating a metallic Li foil and a metallic In foil formed into a cylindrical shape.
<電池の組み立て>
ポリプロピレン製の環状ガスケットをはめ込んだステンレス鋼製の封口缶の内底面上に、金属In箔側を封口缶の内面側にして負極を配置した。次に、正極と固体電解質層との積層体を、固体電解質層が負極側となるように重ねてからステンレス鋼製の外装缶をかぶせた後、外装缶の開口端部を内方にカシメて封止することにより、正極、固体電解質層および負極からなる積層電極体を形成しつつ、直径約9mmの全固体電池を作製した。
<Battery assembly>
The negative electrode was placed on the inner bottom surface of a stainless steel sealed can with a polypropylene ring gasket fitted in, with the metal In foil side facing the inner surface of the sealed can. Next, the laminate of the positive electrode and the solid electrolyte layer was stacked so that the solid electrolyte layer was on the negative electrode side, and then a stainless steel outer can was placed over it. The open end of the outer can was then crimped inward to seal, thereby forming a laminated electrode body consisting of the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode, and producing an all-solid-state battery with a diameter of approximately 9 mm.
実施例2
正極活物質を、平均粒子径raが2μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが0.9μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 2
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was produced in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 2 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2), and the solid electrolyte was changed to Li6PS5Cl having an average particle diameter rs of 0.9 μm. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
実施例3
固体電解質を、平均粒子径rsが0.4μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例2と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 3
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was prepared in the same manner as in Example 2, except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle size rs of 0.4 μm. A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
実施例4
正極活物質を、平均粒子径raが27μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが2μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 4
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was produced in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 27 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 ), and the solid electrolyte was changed to Li6PS5Cl having an average particle diameter rs of 2 μm. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
実施例5
正極活物質を、平均粒子径raが8μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例3と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Example 5
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 3 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 8 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 ). A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例1
正極活物質を、平均粒子径raが1μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 1
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 1 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 ). A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例2
正極活物質を、平均粒子径raが50μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 2
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 50 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 ). A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例3
固体電解質を、平均粒子径rsが0.2μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 3
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle size rs of 0.2 μm. A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例4
固体電解質を、平均粒子径rsが3μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 4
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid electrolyte was changed to Li 6 PS 5 Cl having an average particle size rs of 3 μm. A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例5
正極活物質を、平均粒子径raが0.3μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが0.3μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 5
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was produced in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 0.3 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2), and the solid electrolyte was changed to Li6PS5Cl having an average particle diameter rs of 0.3 μm. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例6
正極活物質を、平均粒子径raが30μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更し、固体電解質を、平均粒子径rsが20μmのLi6PS5Clに変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 6
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was produced in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 30 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2), and the solid electrolyte was changed to Li6PS5Cl having an average particle diameter rs of 20 μm. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例7
正極活物質を、平均粒子径raが5μmのLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の一次粒子(表面にLiNbO3からなる層を持たないもの)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 7
A positive electrode made of a positive electrode mixture compact was prepared in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode active material was changed to primary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter ra of 5 μm (having no layer made of LiNbO3 on the surface). A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
比較例8
正極活物質を、平均粒子径が5μmで表面にLiNbO3からなる層を有するLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2の二次粒子(表面のLiNbO3からなる層の量が、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2:100質量部に対して1質量部)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極合剤成形体よりなる正極を作製し、この正極を用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
Comparative Example 8
A positive electrode made of a positive electrode mixture molded body was prepared in the same manner as in Example 1 , except that the positive electrode active material was changed to secondary particles of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 having an average particle diameter of 5 μm and a layer made of LiNbO3 on the surface (the amount of the layer made of LiNbO3 on the surface was 1 part by mass per 100 parts by mass of LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2). A solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that this positive electrode was used.
実施例および比較例の全固体電池について、下記の方法で負荷特性を評価した。 The load characteristics of the solid-state batteries of the examples and comparative examples were evaluated using the following method.
実施例および比較例の各全固体電池について、0.5Cの電流値で電圧が4.0Vになるまで定電流充電し、続いて電流値が0.02Cになるまで定電圧充電を行った後に0.05Cの電流値で電圧が2.6Vになるまで放電させて、初期容量を測定した。 For each of the all-solid-state batteries in the examples and comparative examples, the batteries were charged at a constant current of 0.5 C until the voltage reached 4.0 V, then charged at a constant voltage of 0.02 C until the current reached 0.05 C until the voltage reached 2.6 V, and the initial capacity was measured.
初期特性評価後の各電池について、放電時の電流値を0.5Cに変更した以外は、初期容量測定時と同じ条件で充電し放電させて0.5C放電容量を測定した。そして、各電池の0.5C放電容量を初期容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、各電池の負荷特性を評価した。 After the initial characteristic evaluation, each battery was charged and discharged under the same conditions as when the initial capacity was measured, except that the current value during discharge was changed to 0.5 C, and the 0.5 C discharge capacity was measured. The 0.5 C discharge capacity of each battery was then divided by the initial capacity to obtain a capacity retention rate, expressed as a percentage, and the load characteristics of each battery were evaluated.
これらの結果を、正極における正極活物質および固体電解質の構成と併せて表1に示す。なお、比較例8における正極活物質の平均粒子径は二次粒子の値であるが、表1では、その値を「ra」の欄に記載し、固体電解質の平均粒子径に対する、この二次粒子の平均粒子径の比を「ra/rs」の欄に記載する。 These results are shown in Table 1 together with the composition of the positive electrode active material and solid electrolyte in the positive electrode. Note that the average particle size of the positive electrode active material in Comparative Example 8 is the value of the secondary particles, and in Table 1, this value is listed in the "ra" column, and the ratio of the average particle size of this secondary particle to the average particle size of the solid electrolyte is listed in the "ra/rs" column.
表1に示す通り、表面に反応抑制層を有する一次粒子からなる正極活物質を使用し、前記正極活物質の平均粒子径raと固体電解質の平均粒子径rsとの比ra/rsを適切な値とした正極合剤成形体からなる正極を有する実施例1~5の全固体電池は、負荷特性評価時の容量維持率が高く、優れた負荷特性を有していた。 As shown in Table 1, the all-solid-state batteries of Examples 1 to 5, which use a positive electrode active material made of primary particles having a reaction suppression layer on the surface and have a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body with an appropriate ratio ra/rs of the average particle diameter ra of the positive electrode active material to the average particle diameter rs of the solid electrolyte, had a high capacity retention rate during the load characteristic evaluation and excellent load characteristics.
これに対し、正極活物質と固体電解質とをra/rsの値が不適となるように組み合わせた正極合剤成形体からなる正極を有する比較例1~6の電池、反応抑制層を表面に持たない正極活物質を使用した正極合剤成形体からなる正極を有する比較例7の電池、および二次粒子で存在する正極活物質を使用した正極合剤成形体からなる正極を有する比較例8の電池は、実施例の電池に比べて負荷特性評価時の容量維持率が低く、負荷特性が劣っていた。 In contrast, the batteries of Comparative Examples 1 to 6, which have a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body in which the positive electrode active material and solid electrolyte are combined so that the ra/rs value is inappropriate, the battery of Comparative Example 7, which has a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body using a positive electrode active material that does not have a reaction suppression layer on its surface, and the battery of Comparative Example 8, which has a positive electrode made of a positive electrode mixture molded body using a positive electrode active material that exists as secondary particles, had lower capacity retention rates during the load characteristic evaluation and inferior load characteristics compared to the batteries of the Examples.
1、100 全固体二次電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
200 電極体
300 正極外部端子
400 負極外部端子
500 ラミネートフィルム外装体
Claims (5)
前記正極活物質は、前記正極活物質と前記固体電解質との反応を抑制するための反応抑制層を表面に有し、
前記固体電解質の平均粒子径rsに対する前記正極活物質の平均粒子径raの比ra/rsが、2以上20以下(ただし、4.25である場合を除く)であり、
前記raが、2~30μmであることを特徴とする全固体電池用正極。 The battery has a positive electrode active material made of primary particles and a positive electrode mixture molded body containing a solid electrolyte,
the positive electrode active material has a reaction suppression layer on a surface thereof for suppressing a reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte;
a ratio ra/rs of an average particle diameter ra of the positive electrode active material to an average particle diameter rs of the solid electrolyte is 2 or more and 20 or less (excluding the case where it is 4.25);
The positive electrode for an all-solid-state battery, wherein the ra is 2 to 30 μm .
LiCo1-a-b-cAlaM1 bM2 cO2 (1)
〔前記一般式(1)中、M1は、Mg、NiおよびNaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素、M2は、Mn、Fe、Cu、Zr、Ti、Bi、Ca、F、P、Sr、W、Ba、Nb、Si、Zn、Mo、V、Sn、Sb、Ta、Ge、Cr、K、SおよびErよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0<a<0.1、0<b<0.1、a+b<0.1、0≦cである〕で表されるリチウムコバルト複合酸化物(A)を含有する請求項1~3のいずれかに記載の全固体電池用正極。 The positive electrode active material is represented by the following general formula (1):
LiCo 1-a-b-c Al a M 1 b M 2 c O 2 (1)
The positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3, containing a lithium-cobalt composite oxide (A) represented by the following general formula (1): (in the general formula (1), M 1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ni, and Na, M 2 is at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Cu, Zr, Ti, Bi, Ca, F, P, Sr, W, Ba, Nb, Si, Zn, Mo, V, Sn, Sb, Ta, Ge, Cr, K, S, and Er, and 0<a<0.1, 0<b<0.1, a+b< 0.1 , and 0≦c).
前記正極として、請求項1~4のいずれかに記載の全固体電池用正極を有することを特徴とする全固体電池。 An all-solid-state battery having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode,
An all-solid-state battery comprising the positive electrode for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4 as the positive electrode.
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