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JP7680973B2 - Oxide-based solid electrolytes and all-solid-state lithium-ion batteries - Google Patents
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Oxide-based solid electrolytes and all-solid-state lithium-ion batteries Download PDF

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Description

本発明は、酸化物系固体電解質及び全固体リチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to an oxide-based solid electrolyte and an all-solid-state lithium-ion battery.

近年におけるパソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。該電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウムイオン電池が注目を浴びている。また、車載用等の動力源やロードレベリング用といった大型用途におけるリチウム二次電池についても、エネルギー密度や電池特性の向上が求められている。 With the rapid spread of information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, the development of batteries to be used as power sources for these devices has become important. Among these batteries, lithium-ion batteries have attracted attention because of their high energy density. In addition, there is a demand for improved energy density and battery characteristics for lithium secondary batteries used in large-scale applications such as vehicle-mounted power sources and load leveling.

LISICON型酸化物系固体電解質は、Liイオンを伝導する固体材料として、次世代の全固体電池用固体電解質に期待されている。また、異なる価数のイオンと置換することでLi欠損や過剰Liの導入が可能であり、様々な元素と組み合わせた材料を作製することができる利点も有する。 LISICON-type oxide-based solid electrolytes are solid materials that conduct Li ions, and are expected to be the solid electrolytes for next-generation all-solid-state batteries. In addition, by replacing them with ions of different valences, it is possible to introduce Li deficiencies or excess Li, which has the advantage that materials can be created in combination with various elements.

また、全固体リチウムイオン電池の特性改善のため、イオン伝導度の高い固体電解質が求められている。非特許文献1には、LISICON型酸化物系固体電解質においてイオン伝導度の向上を目指した技術が開示されている。 In addition, to improve the characteristics of all-solid-state lithium-ion batteries, solid electrolytes with high ionic conductivity are required. Non-Patent Document 1 discloses a technology aimed at improving ionic conductivity in LISICON-type oxide-based solid electrolytes.

Guowei zhaoら、Enhancing Fast Lithium Ion Conduction in Li4GeO4-Li3PO4 Solid Electrolytes, ACS Appl. Energy Mater., 2, 2019, 6608-6615Guowei zhao et al., Enhancing Fast Lithium Ion Conduction in Li4GeO4-Li3PO4 Solid Electrolytes, ACS Appl. Energy Mater., 2, 2019, 6608-6615

非特許文献1には、Li3.75Ge0.750.254に種々のカチオンMを置換し、酸化物系固体電解質のイオン伝導度の向上を目指した技術について記載されている。これを一般化した組成式はLi3.75±y(Ge0.750.251-xx4であり、MにはMg2+、B3+、Al3+、Ga3+またはV5+のいずれかが選択されている。その中でもV5+が選択された系において、x=0.3のときに最も高いイオン伝導度を示し、25℃において5.1×10-5S/cm程度であったと記載されている。 Non-Patent Document 1 describes a technology aimed at improving the ionic conductivity of oxide-based solid electrolytes by substituting various cations M into Li3.75Ge0.75P0.25O4 . The generalized composition formula is Li3.75 ±y ( Ge0.75P0.25 ) 1 - xMxO4 , where Mg2 + , B3+, Al3 + , Ga3+ , or V5 + is selected as M. It describes that in a system where V5+ is selected, the highest ionic conductivity is shown when x=0.3, and is about 5.1× 10-5 S/cm at 25°C.

このように、現在報告されている最もイオン伝導度の高いLISICON型の固体電解質でも、他の酸化物系固体電解質材料群であるガーネット型材料等に比べてイオン伝導度が1桁から2桁程度低く、全固体電池に応用するためにはさらなるイオン伝導度の向上が望まれる。 Thus, even the LISICON-type solid electrolytes that have been reported to date, which have the highest ionic conductivity, have ionic conductivity that is one to two orders of magnitude lower than other oxide-based solid electrolyte materials such as garnet-type materials, and further improvement in ionic conductivity is desired for application in all-solid-state batteries.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、良好なイオン伝導度を有する酸化物系固体電解質、及び、それを用いた全固体リチウムイオン電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide an oxide-based solid electrolyte with good ionic conductivity and an all-solid-state lithium-ion battery using the same.

上記知見を基礎にして完成した本発明は実施形態において、組成式:LiαGexyz4(式中、3.30≦α≦3.80、0.35≦x≦0.60、0.20≦y≦0.50、且つ、0.03≦z≦0.25であり、Mは、FeまたはTlである。)で表される酸化物系固体電解質である。 The present invention, which was completed based on the above findings, provides an oxide -based solid electrolyte represented by the composition formula LiαGexVyMzO4 (wherein 3.30 ≦α≦3.80, 0.35≦x≦0.60, 0.20≦y≦0.50, and 0.03≦z≦0.25, and M is Fe or Tl) .

本発明の酸化物系固体電解質は別の実施形態において、前記式中、0.30≦y≦0.45である。 In another embodiment of the oxide-based solid electrolyte of the present invention, in the formula, 0.30≦y≦0.45.

本発明の酸化物系固体電解質は更に別の実施形態において、前記式中、0.05≦z≦0.15である。 In yet another embodiment of the oxide-based solid electrolyte of the present invention, in the above formula, 0.05≦z≦0.15.

本発明は更に別の実施形態において、本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質で構成された固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池である。 In yet another embodiment, the present invention is an all-solid-state lithium-ion battery including a solid electrolyte layer made of an oxide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, a positive electrode layer, and a negative electrode layer.

本発明によれば、良好なイオン伝導度を有する酸化物系固体電解質、及び、それを用いた全固体リチウムイオン電池を提供することができる。 The present invention provides an oxide-based solid electrolyte with good ionic conductivity, and an all-solid-state lithium-ion battery using the same.

本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an all-solid-state lithium-ion battery according to an embodiment of the present invention.

次に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。 Next, the embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood that the present invention is not limited to the following embodiments, and that appropriate design changes, improvements, etc. may be made based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.

(酸化物系固体電解質)
本実施形態の酸化物系固体電解質は、組成式:LiαGexyz4(式中、3.30≦α≦3.80、0.35≦x≦0.60、0.20≦y≦0.50、且つ、0.03≦z≦0.25であり、Mは、FeまたはTlである。)で表される。本実施形態の酸化物系固体電解質は、LISICON型固体電解質であるLiαGexy4の母材料に、13族元素M(FeまたはTl)を置換してなる組成を有している。このような構成によれば、酸化物系固体電解質を構成する元素の種類が多くなり、活性化エネルギーが低減するため、良好なイオン伝導度を有する酸化物系固体電解質が得られる。
なお、本発明において、酸化物系固体電解質とは、リチウムイオンの対アニオンとして、中心元素に酸素原子が配位結合したオキソ酸イオンを骨格に有する固体電解質を指す。
(Oxide solid electrolyte)
The oxide-based solid electrolyte of this embodiment is represented by the composition formula LiαGexVyMzO4 (wherein 3.30≦α≦ 3.80 , 0.35≦x≦0.60, 0.20≦y≦0.50, and 0.03≦z≦ 0.25 , and M is Fe or Tl ). The oxide-based solid electrolyte of this embodiment has a composition in which a group 13 element M (Fe or Tl ) is substituted for a base material of LiαGexVyO4 , which is a LISICON-type solid electrolyte . With this configuration, the number of elements constituting the oxide-based solid electrolyte is increased, and the activation energy is reduced, so that an oxide-based solid electrolyte having good ion conductivity can be obtained.
In the present invention, the oxide-based solid electrolyte refers to a solid electrolyte having, in its skeleton, an oxoacid ion in which an oxygen atom is coordinately bonded to a central element, as a counter anion to a lithium ion.

本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、αが3.30未満であると、キャリア濃度が低いためイオン伝導度が低下するという問題が生じるおそれがある。また、αが3.80超であると、単一相合成が困難となる問題が生じるおそれがある。本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、3.30≦α≦3.75であるのが好ましい。 In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, if α is less than 3.30 in the above composition formula, the carrier concentration is low, which may cause a problem of reduced ion conductivity. Furthermore, if α is more than 3.80, there is a risk of a problem of single-phase synthesis being difficult. In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, it is preferable that 3.30≦α≦3.75 in the above composition formula.

本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、xが0.35未満であると、イオン伝導性の低いLi4GeO4相が生じるおそれがある。また、xが0.60超であると、結晶格子が大きくなるためLiサイト間距離が長くなり、イオン伝導度が低下するおそれがある。本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、0.35≦x≦0.57であるのが好ましい。 In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, if x is less than 0.35 in the composition formula, a Li4GeO4 phase with low ionic conductivity may be generated. If x is more than 0.60, the crystal lattice becomes large, the distance between Li sites becomes long, and the ionic conductivity may decrease. In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, it is preferable that 0.35≦x≦0.57 in the composition formula.

本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、yが0.20未満であると、元素置換による活性化エネルギー低減の効果が弱いため、イオン伝導度の向上効果が小さいおそれがある。また、yが0.50超であると、Li4VO4などの不純物相が生成し、イオン伝導度が低下するおそれがある。本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、0.30≦y≦0.45であるのが好ましい。 In the oxide-based solid electrolyte of the present embodiment, if y is less than 0.20 in the composition formula, the effect of reducing activation energy by element substitution is weak, so the effect of improving ion conductivity may be small. Also, if y is more than 0.50, impurity phases such as Li 4 VO 4 may be generated, and ion conductivity may decrease. In the oxide-based solid electrolyte of the present embodiment, it is preferable that 0.30≦y≦0.45 in the composition formula.

本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、Mは、FeまたはTlである。Mが、FeまたはTlであると、母材料に置換可能であり、イオン伝導度が向上するという効果がある。 In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, in the above composition formula, M is Fe or Tl. When M is Fe or Tl, it can be substituted for the base material, and there is an effect of improving ionic conductivity.

本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、zが0.25超であると、Li5MO4などの不純物相が生成され、イオン伝導度が低下するおそれがある。本実施形態の酸化物系固体電解質は、上記組成式において、0.05≦z≦0.15であるのが好ましい。 In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, if z exceeds 0.25 in the above composition formula, an impurity phase such as Li5MO4 is generated, and the ion conductivity may decrease. In the oxide-based solid electrolyte of this embodiment, it is preferable that 0.05≦z≦0.15 in the above composition formula.

本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質の平均粒径は特に限定されないが、0.01~100μmであってもよく、0.1~100μmであってもよく、0.1~50μmであってもよい。 The average particle size of the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is not particularly limited, but may be 0.01 to 100 μm, 0.1 to 100 μm, or 0.1 to 50 μm.

本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質のイオン伝導度は、30℃において、9.5×10-5S/cm以上であることが好ましく、1.0×10-4S/cm以上であることがより好ましく、1.0×10-3S/cm以上であることが更により好ましい。酸化物系固体電解質のイオン伝導度は、例えば以下の方法で測定することができる。
まず、当該酸化物系固体電解質の粉末0.2gを、550MPaの圧力で押圧してプレート状に仮成形した後、800℃で12時間焼結し、成形体とする。その成形体の両面に銀ペーストを塗布した直径10mmのペレットを作製する。当該ペレットを用いて、30℃において、20Hz~50MHzまでの交流インピーダンス測定を印加電圧100mVとして行う。当該交流インピーダンス測定は、オープン-ショート補正を行った株式会社東陽テクニカ製E4990Aを用いて行うことができる。当該交流インピーダンス測定によって得られたCole-Coleプロットの周波数30kHz以上の部分に見られる円弧を解析してLiイオンの移動抵抗を求める。次に、下記式に基づき、当該Liイオンの移動抵抗と、測定に用いたペレットの固体電解質部分の厚み及び面積から、イオン伝導度を求める。
イオン伝導度=ペレットの固体電解質部分の厚み/[(Liイオンの移動抵抗)×(ペレット面積)]
The ionic conductivity of the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is preferably 9.5×10 −5 S/cm or more, more preferably 1.0×10 −4 S/cm or more, and even more preferably 1.0×10 −3 S/cm or more at 30° C. The ionic conductivity of the oxide-based solid electrolyte can be measured, for example, by the following method.
First, 0.2 g of the oxide-based solid electrolyte powder is pressed under a pressure of 550 MPa to form a plate-like provisional shape, and then sintered at 800°C for 12 hours to obtain a molded body. A pellet with a diameter of 10 mm is prepared by applying silver paste to both sides of the molded body. Using the pellet, AC impedance measurements from 20 Hz to 50 MHz are performed at 30°C with an applied voltage of 100 mV. The AC impedance measurements can be performed using an E4990A manufactured by Toyo Corporation, which has been subjected to open-short correction. The Li ion migration resistance is obtained by analyzing the arcs seen in the part of the Cole-Cole plot obtained by the AC impedance measurement at frequencies of 30 kHz or more. Next, the ion conductivity is obtained from the Li ion migration resistance and the thickness and area of the solid electrolyte part of the pellet used for the measurement based on the following formula.
Ion conductivity=thickness of solid electrolyte part of pellet/[(Li ion migration resistance)×(pellet area)]

(酸化物系固体電解質の製造方法)
次に、本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質の製造方法について説明する。
まず、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気のグローブボックス内で所定の組成となるように原料を秤量する。ここで用いる各原料は、例えば、LiOH・H2O、GeO2、V25、Fe23、Tl23等が挙げられる。
(Method for producing oxide-based solid electrolyte)
Next, a method for producing an oxide-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention will be described.
First, raw materials are weighed out so as to obtain a predetermined composition in a glove box in an inert gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas. Examples of the raw materials used here include LiOH.H2O , GeO2 , V2O5 , Fe2O3 , and Tl2O3 .

次に、乳鉢などにより、5~30分混合して混合粉を作製する。このとき、混合粉の平均粒径が5~40μmとなるような時間だけ混合することが好ましい。 Next, mix in a mortar or other container for 5 to 30 minutes to produce a mixed powder. At this time, it is preferable to mix for a time such that the average particle size of the mixed powder is 5 to 40 μm.

次に、当該混合粉をアルミナ製匣鉢にのせ、600~1000℃で1~20時間焼成することで、組成式:LiαGexyz4(式中、3.30≦α≦3.80、0.35≦x≦0.60、0.20≦y≦0.50、且つ、0.03≦z≦0.25であり、Mは、FeまたはTlである。)で表される、本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質を作製することができる。 Next, the mixed powder is placed in an alumina sagger and fired at 600 to 1000° C. for 1 to 20 hours to produce an oxide - based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, which is represented by the composition formula LiαGexVyMzO4 ( wherein 3.30α ≦3.80, 0.35≦x≦0.60, 0.20≦y≦0.50, and 0.03≦z≦0.25, and M is Fe or Tl).

(全固体リチウムイオン電池)
本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質によって固体電解質層を形成し、当該固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池を作製することができる。本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池を構成する正極層及び負極層は、特に限定されず、公知の材料で形成することができ、図1に示すような公知の構成とすることができる。
(All-solid-state lithium-ion battery)
A solid electrolyte layer is formed by the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention, and an all-solid-state lithium ion battery including the solid electrolyte layer, a positive electrode layer, and a negative electrode layer can be produced. The positive electrode layer and the negative electrode layer constituting the all-solid-state lithium ion battery according to the embodiment of the present invention are not particularly limited and can be formed of known materials and can have a known configuration as shown in FIG.

リチウムイオン電池の正極層は、公知のリチウムイオン電池用正極活物質と、本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質または別の酸化物系固体電解質とを混合してなる正極合材を層状に形成したものである。 The positive electrode layer of the lithium ion battery is a layer of a positive electrode mixture made by mixing a known positive electrode active material for lithium ion batteries with the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention or another oxide-based solid electrolyte.

正極合材は、さらに導電助剤を含んでもよい。当該導電助剤としては、炭素材料、金属材料、または、これらの混合物を用いることができる。導電助剤は、例えば、炭素、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含んでもよい。導電助剤は、好ましくは、導電性が高い炭素単体、炭素、ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。炭素材料としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等を用いることができる。 The positive electrode mixture may further contain a conductive assistant. As the conductive assistant, a carbon material, a metal material, or a mixture thereof may be used. The conductive assistant may contain at least one element selected from the group consisting of, for example, carbon, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osmium, rhodium, tungsten, and zinc. The conductive assistant is preferably a highly conductive carbon element, a metal element, mixture, or compound containing carbon, nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium, gold, platinum, niobium, osmium, or rhodium. As the carbon material, for example, carbon black such as Ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black, graphite, carbon fiber, activated carbon, etc. may be used.

リチウムイオン電池の正極層の平均厚みについては特に限定されず、目的に応じて適宜設計することができる。リチウムイオン電池の正極層の平均厚みは、例えば、1μm~100μmであってもよく、1μm~10μmであってもよい。 The average thickness of the positive electrode layer of the lithium ion battery is not particularly limited and can be designed appropriately according to the purpose. The average thickness of the positive electrode layer of the lithium ion battery may be, for example, 1 μm to 100 μm, or 1 μm to 10 μm.

リチウムイオン電池の正極層の形成方法については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。リチウムイオン電池の正極層の形成方法としては、例えば、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング、または、正極活物質を圧縮成形する方法などが挙げられる。 The method for forming the positive electrode layer of the lithium ion battery is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the method for forming the positive electrode layer of the lithium ion battery include sputtering using a target material of the positive electrode active material, or compression molding of the positive electrode active material.

リチウムイオン電池の負極層は、公知のリチウムイオン電池用負極活物質を層状に形成したものであってもよい。また、当該負極層は、公知のリチウムイオン電池用負極活物質と、本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質または別の酸化物系固体電解質とを混合してなる負極合材を層状に形成したものであってもよい。 The negative electrode layer of the lithium ion battery may be a layer of a known negative electrode active material for lithium ion batteries. The negative electrode layer may also be a layer of a negative electrode composite material formed by mixing a known negative electrode active material for lithium ion batteries with the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention or another oxide-based solid electrolyte.

負極層は、正極層と同様に、導電助剤を含んでもよい。当該導電助剤は、正極層において説明した材料と同じ材料を用いることができる。負極活物質としては、例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等、または、その混合物を用いることができる。また、負極材としては、例えば、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組み合わせた合金を用いることができる。 The negative electrode layer may contain a conductive additive, as in the positive electrode layer. The conductive additive may be the same material as that described for the positive electrode layer. As the negative electrode active material, for example, a carbon material, specifically, artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-sintered carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-sintered carbon, polyacene, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, natural graphite, non-graphitizable carbon, or a mixture thereof may be used. As the negative electrode material, for example, a metal such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, or metallic silicon itself, or an alloy in combination with other elements or compounds may be used.

リチウムイオン電池の負極層の平均厚みについては特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。リチウムイオン電池の負極層の平均厚みは、例えば、1μm~100μmであってもよく、1μm~10μmであってもよい。 The average thickness of the negative electrode layer of the lithium ion battery is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. The average thickness of the negative electrode layer of the lithium ion battery may be, for example, 1 μm to 100 μm, or 1 μm to 10 μm.

リチウムイオン電池の負極層の形成方法については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。リチウムイオン電池の負極層の形成方法としては、例えば、負極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング、または、負極活物質を圧縮成形する方法、負極活物質を蒸着する方法などが挙げられる。 The method for forming the negative electrode layer of the lithium ion battery is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the method for forming the negative electrode layer of the lithium ion battery include sputtering using a target material of the negative electrode active material, compression molding of the negative electrode active material, and vapor deposition of the negative electrode active material.

本発明の実施形態に係る酸化物系固体電解質によって形成されたリチウムイオン電池の固体電解質層の平均厚みについては特に限定されず、目的に応じて適宜設計することができる。リチウムイオン電池の固体電解質層の平均厚みは、例えば、50μm~500μmであってもよく、50μm~100μmであってもよい。 The average thickness of the solid electrolyte layer of the lithium ion battery formed by the oxide-based solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is not particularly limited and can be designed appropriately according to the purpose. The average thickness of the solid electrolyte layer of the lithium ion battery may be, for example, 50 μm to 500 μm, or 50 μm to 100 μm.

リチウムイオン電池の固体電解質層の形成方法については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。リチウムイオン電池の固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質のターゲット材料を用いたスパッタリング、または、固体電解質を圧縮成形する方法などが挙げられる。 The method for forming the solid electrolyte layer of the lithium ion battery is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the method for forming the solid electrolyte layer of the lithium ion battery include sputtering using a target material for the solid electrolyte, and compression molding of the solid electrolyte.

リチウムイオン電池を構成するその他の部材については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極集電体、負極集電体、及び、電池ケースなどが挙げられる。 Other components constituting the lithium-ion battery are not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include a positive electrode collector, a negative electrode collector, and a battery case.

正極集電体の大きさ及び構造については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。
正極集電体の材質としては、例えば、ダイス鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン合金、銅、金、ニッケルなどが挙げられる。
正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状などが挙げられる。
正極集電体の平均厚みとしては、例えば、10μm~500μmであってもよく、50μm~100μmであってもよい。
The size and structure of the positive electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material for the positive electrode current collector include die steel, stainless steel, aluminum, aluminum alloys, titanium alloys, copper, gold, and nickel.
The positive electrode current collector may be in the form of, for example, a foil, a plate, or a mesh.
The average thickness of the positive electrode current collector may be, for example, 10 μm to 500 μm, or 50 μm to 100 μm.

負極集電体の大きさ及び構造については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。
負極集電体の材質としては、例えば、ダイス鋼、金、インジウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼などが挙げられる。
負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状などが挙げられる。
負極集電体の平均厚みとしては、例えば、10μm~500μmであってもよく、50μm~100μmであってもよい。
The size and structure of the negative electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material for the negative electrode current collector include die steel, gold, indium, nickel, copper, and stainless steel.
The negative electrode current collector may be in the form of, for example, a foil, a plate, or a mesh.
The average thickness of the negative electrode current collector may be, for example, 10 μm to 500 μm, or 50 μm to 100 μm.

電池ケースについては特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、従来の全固体電池で使用可能な公知のラミネートフィルムなどが挙げられる。ラミネートフィルムとしては、例えば、樹脂製のラミネートフィルム、樹脂製のラミネートフィルムに金属を蒸着させたフィルムなどが挙げられる。
電池の形状については特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、円筒型、角型、ボタン型、コイン型、扁平型などが挙げられる。
The battery case is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include known laminate films that can be used in conventional all-solid-state batteries, etc. Examples of the laminate film include a resin laminate film and a film in which a metal is vapor-deposited on a resin laminate film.
The shape of the battery is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the shape of the battery include cylindrical, square, button, coin, and flat types.

以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。 The following examples are provided to better understand the present invention and its advantages, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
アルゴン雰囲気のグローブボックス内で原料仕込み組成がLi3.60Ge0.500.45Fe0.05となるように原料を秤量し、乳鉢を用いて15分間混合して混合粉を作製した。次に、当該混合粉の1g程度をアルミナボートにのせ、800℃で12時間焼成することで、Li3.50Ge0.480.45Fe0.054の組成を有する酸化物系固体電解質を得た。
Example 1
In a glove box with an argon atmosphere, the raw materials were weighed so that the raw material composition was Li3.60Ge0.50V0.45Fe0.05 , and mixed in a mortar for 15 minutes to prepare a mixed powder. Next, about 1 g of the mixed powder was placed on an alumina boat and fired at 800°C for 12 hours to obtain an oxide - based solid electrolyte having a composition of Li3.50Ge0.48V0.45Fe0.05O4 .

(実施例2)
原料仕込み組成がLi3.70Ge0.500.40Fe0.10であること以外は実施例1と同様に実施した。
Example 2
The same procedure as in Example 1 was repeated, except that the raw material composition was Li 3.70 Ge 0.50 V 0.40 Fe 0.10.

(実施例3)
原料仕込み組成がLi3.80Ge0.500.35Fe0.15であること以外は実施例1と同様に実施した。
Example 3
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the raw material composition was Li 3.80 Ge 0.50 V 0.35 Fe 0.15.

(実施例4)
原料仕込み組成がLi4.00Ge0.500.25Fe0.25であること以外は実施例1と同様に実施した。
Example 4
The same procedure as in Example 1 was repeated except that the raw material composition was Li 4.00 Ge 0.50 V 0.25 Fe 0.25.

(実施例5)
原料仕込み組成がLi3.77Ge0.550.39Fe0.06であること以外は実施例1と同様に実施した。
Example 5
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the raw material composition was Li 3.77 Ge 0.55 V 0.39 Fe 0.06.

(実施例6)
原料仕込み組成がLi3.90Ge0.600.30Fe0.10であること以外は実施例1と同様に実施した。
Example 6
The same procedure as in Example 1 was repeated, except that the raw material composition was Li 3.90 Ge 0.60 V 0.30 Fe 0.10.

(実施例7)
原料仕込み組成がLi3.70Ge0.500.40Tl0.10であること以外は実施例1と同様に実施した。
(Example 7)
The same procedure as in Example 1 was repeated, except that the raw material composition was Li 3.70 Ge 0.50 V 0.40 Tl 0.10.

(比較例1)
原料仕込み組成がLi3.52Ge0.500.49Fe0.01であること以外は実施例1と同様に実施した。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the raw material composition was Li 3.52 Ge 0.50 V 0.49 Fe 0.01.

(比較例2)
原料仕込み組成がLi3.50Ge0.500.50であること以外は実施例1と同様に実施した。
(Comparative Example 2)
The same procedure as in Example 1 was repeated except that the raw material composition was Li 3.50 Ge 0.50 V 0.50.

<組成分析>
実施例1~7及び比較例1~2で得られた各酸化物系固体電解質のサンプル(粉末)を0.5gはかり取り、種々の酸を用いて溶液化した後、株式会社日立ハイテク製の誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP-OES)「PS7800」を用いて、組成分析を行った。
<Composition analysis>
0.5 g of each oxide-based solid electrolyte sample (powder) obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 was weighed out and dissolved in various acids, and then the composition was analyzed using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES) "PS7800" manufactured by Hitachi High-Tech Corporation.

<イオン伝導度>
実施例1~7及び比較例1~2で得られた各酸化物系固体電解質の粉末0.2gを、550MPaの圧力で押圧してプレート状に仮成形した後、800℃で12時間焼結し、成形体とした。その成形体の両面に銀ペーストを塗布した直径10mmのペレットを作製した。当該ペレットを用いて、30℃において、20Hz~50MHzまでの交流インピーダンス測定を印加電圧100mVとして、オープン-ショート補正を行った株式会社東陽テクニカ製E4990Aを用いて行った。当該交流インピーダンス測定によって得られたCole-Coleプロットの周波数30kHz以上の部分に見られる円弧を解析してLiイオンの移動抵抗を求めた。次に、下記式に基づき、当該Liイオンの移動抵抗と、測定に用いたペレットの固体電解質部分の厚み及び面積から、イオン伝導度を求めた。
イオン伝導度=ペレットの固体電解質部分の厚み/[(Liイオンの移動抵抗)×(ペレット面積)]
上記製造条件及び試験結果を表1に示す。
<Ionic Conductivity>
0.2 g of each oxide-based solid electrolyte powder obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 2 was pressed at a pressure of 550 MPa to form a plate-like provisional shape, and then sintered at 800°C for 12 hours to obtain a molded body. A pellet with a diameter of 10 mm was produced by applying silver paste to both sides of the molded body. Using the pellet, AC impedance measurement from 20 Hz to 50 MHz was performed at 30°C with an applied voltage of 100 mV using an E4990A manufactured by Toyo Corporation, which was subjected to open-short correction. The arc seen in the part of the Cole-Cole plot obtained by the AC impedance measurement at frequencies of 30 kHz or more was analyzed to obtain the Li ion migration resistance. Next, based on the following formula, the ion conductivity was obtained from the Li ion migration resistance and the thickness and area of the solid electrolyte part of the pellet used for the measurement.
Ion conductivity=thickness of solid electrolyte part of pellet/[(Li ion migration resistance)×(pellet area)]
The above production conditions and test results are shown in Table 1.

(評価結果)
実施例1~7の酸化物系固体電解質については、いずれも組成式:LiαGexyz4(式中、3.30≦α≦3.80、0.35≦x≦0.60、0.20≦y≦0.50、且つ、0.03≦z≦0.25であり、Mは、FeまたはTlである。)で表される組成を有していたが、比較例1、2は当該組成を有していなかった。
このため、実施例1~7に係る酸化物系固体電解質は、上記組成を有さない比較例1、2よりも、イオン伝導度が良好であった。従って、実施例1~7に係る固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池の電池容量の向上が期待できる。
(Evaluation Results)
The oxide-based solid electrolytes of Examples 1 to 7 all had a composition represented by the formula LiαGexVyMzO4 (wherein 3.30 ≦α≦3.80, 0.35≦x≦0.60, 0.20≦y≦0.50, and 0.03≦z≦0.25, and M is Fe or Tl), but Comparative Examples 1 and 2 did not have this composition.
Therefore, the oxide-based solid electrolytes according to Examples 1 to 7 had better ionic conductivity than those not having the above composition in Comparative Examples 1 and 2. Therefore, an improvement in the battery capacity of the all-solid-state lithium ion battery using the solid electrolytes according to Examples 1 to 7 can be expected.

Claims (4)

組成式:LiαGexyz4(式中、3.30≦α≦3.80、0.35≦x≦0.60、0.20≦y≦0.50、且つ、0.03≦z≦0.25であり、Mは、FeまたはTlである。)
で表される酸化物系固体電解質。
Composition formula: LiαGexVyMzO4 (wherein, 3.30 ≦α≦ 3.80 , 0.35 ≦x≦0.60, 0.20≦y≦0.50, and 0.03≦z≦0.25; and M is Fe or Tl .)
An oxide-based solid electrolyte represented by the formula:
前記式中、0.30≦y≦0.45である請求項1に記載の酸化物系固体電解質。 The oxide-based solid electrolyte according to claim 1, wherein 0.30≦y≦0.45 in the formula. 前記式中、0.05≦z≦0.15である請求項1または2に記載の酸化物系固体電解質。 The oxide-based solid electrolyte according to claim 1 or 2, wherein 0.05≦z≦0.15 in the formula. 請求項1~3のいずれか一項に記載の酸化物系固体電解質で構成された固体電解質層と、正極層と、負極層とを含む全固体リチウムイオン電池。 An all-solid-state lithium ion battery comprising a solid electrolyte layer made of the oxide-based solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, a positive electrode layer, and a negative electrode layer.
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