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JP7695782B2 - secondary battery - Google Patents
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Description

本発明は、二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. In the automotive industry, there is hope that the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) will help reduce carbon dioxide emissions, and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to putting these into practical use.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for driving motors are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium-ion secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium-ion secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, have attracted attention and are currently being developed at a rapid pace.

ここで、現在一般に普及しているリチウムイオン二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウムイオン二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 The currently widely used lithium-ion secondary batteries use a flammable organic electrolyte as the electrolyte. These liquid-based lithium-ion secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, etc. than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池等の全固体電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウムイオン二次電池においては、従来の液系リチウムイオン二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。正極活物質として硫黄単体(S)や硫化物系材料を用いた全固体リチウムイオン二次電池は、その有望な候補である。 In recent years, therefore, research and development of all-solid-state batteries, such as all-solid-state lithium-ion secondary batteries that use oxide- or sulfide-based solid electrolytes, has been actively conducted. A solid electrolyte is a material that is mainly composed of an ion conductor that can conduct ions in a solid state. For this reason, in principle, all-solid-state lithium-ion secondary batteries do not cause various problems caused by flammable organic electrolytes, as in conventional liquid-based lithium-ion secondary batteries. In addition, in general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material can significantly improve the output density and energy density of the battery. All-solid-state lithium-ion secondary batteries that use elemental sulfur (S) or sulfide-based materials as the positive electrode active material are promising candidates.

ところで、リチウムイオン二次電池においては、その充電の進行に伴って負極電位が低下する。負極電位が低下して0V(vs. Li/Li+)を下回ると、負極において金属リチウムが析出してデンドライト(樹枝状)結晶が析出する(この現象を金属リチウムの電析とも称する)。特に、金属リチウムやリチウム含有合金を負極活物質として用いた全固体電池においては、金属リチウムの電析が充電反応そのものである。ここで、全固体電池において金属リチウムの電析が過剰に発生し、析出したデンドライトが正極活物質層まで達すると、電池の内部短絡が引き起こされる場合がある。そして、このような金属リチウムの電析は電池の端部(エッジ部)において発生しやすく、デンドライトの成長による短絡も電池の端部側面に沿って生じやすい。 In a lithium-ion secondary battery, the negative electrode potential decreases as the charging proceeds. When the negative electrode potential decreases below 0 V (vs. Li/Li+), metallic lithium precipitates at the negative electrode, forming dendrite crystals (this phenomenon is also called the electrodeposition of metallic lithium). In particular, in an all-solid-state battery using metallic lithium or a lithium-containing alloy as the negative electrode active material, the electrodeposition of metallic lithium is the charging reaction itself. Here, if excessive electrodeposition of metallic lithium occurs in an all-solid-state battery and the precipitated dendrite reaches the positive electrode active material layer, an internal short circuit of the battery may occur. Such electrodeposition of metallic lithium is likely to occur at the end (edge) of the battery, and short circuits due to the growth of dendrites are also likely to occur along the side of the end of the battery.

全固体電池におけるこのような金属リチウムの電析やそれに起因する電池の内部短絡を防止することを目的として、例えば特許文献1には、負極を固体電解質層の外周よりも一回り小さく作製することで、負極への電子の供給を遮断し、電池の端部における金属リチウムの電析の発生を防止する技術が開示されている。 For the purpose of preventing the electrolytic deposition of metallic lithium in all-solid-state batteries and the resulting internal short circuit of the battery, for example, Patent Document 1 discloses a technology in which the negative electrode is made slightly smaller than the outer periphery of the solid electrolyte layer, thereby cutting off the supply of electrons to the negative electrode and preventing the electrolytic deposition of metallic lithium at the ends of the battery.

特開2016-12495号公報JP 2016-12495 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術によってもなお、依然として改善の余地があった。 However, even with the technology described in Patent Document 1, there was still room for improvement.

そこで本発明は、リチウム含有負極および固体電解質層を備えた二次電池において、電池の端部におけるリチウムの電析とこれに起因するデンドライトの成長および電池の内部短絡の発生を防止しうる手段を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a means for preventing the electrolytic deposition of lithium at the ends of a secondary battery having a lithium-containing negative electrode and a solid electrolyte layer, and the resulting growth of dendrites and the occurrence of internal short circuits in the battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、負極活物質として金属リチウムまたはリチウム含有合金を含み、固体電解質層を備えた二次電池において、負極活物質層と固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部に、負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、上記界面における上記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域を設けることにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems. As a result, they have found that in a secondary battery including metallic lithium or a lithium-containing alloy as the negative electrode active material and having a solid electrolyte layer, the above problems can be solved by providing a low-reactivity region in at least a portion of the outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, in which the ratio of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer to the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer is larger than that of the inside of the outer periphery at the interface, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の一形態によれば、正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備える二次電池が提供される。そして、当該二次電池においては、前記負極活物質層と前記固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部に、前記負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する前記固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域が存在する点に特徴がある。 That is, according to one embodiment of the present invention, a secondary battery is provided that includes a power generating element having a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is disposed on the surface of a positive electrode current collector, a negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material including metallic lithium or a lithium-containing alloy is disposed on the surface of a negative electrode current collector, and a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte is interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The secondary battery is characterized in that a low-reactivity region exists in at least a part of the outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, in which the ratio of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer to the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer is larger than that inside the outer periphery at the interface.

本発明に係る二次電池において、上記外周縁部の低反応性領域に対応する界面におけるリチウムの反応性は、当該外周縁部の内側と比較して低い。このため、本発明によれば、リチウム含有負極および固体電解質層を備えた二次電池において、電池の端部におけるリチウムの電析とこれに起因するデンドライトの成長および電池の内部短絡の発生を効果的に防止することができる。 In the secondary battery according to the present invention, the reactivity of lithium at the interface corresponding to the low reactivity region of the outer peripheral edge is lower than that inside the outer peripheral edge. Therefore, according to the present invention, in a secondary battery having a lithium-containing negative electrode and a solid electrolyte layer, it is possible to effectively prevent the electrolytic deposition of lithium at the ends of the battery and the resulting growth of dendrites and the occurrence of internal short circuits in the battery.

図1は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である扁平積層型電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated battery which is one embodiment of an all-solid-state battery according to the present invention. 図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 shown in FIG. 図3は、図1および図2に示す積層型電池の発電要素を構成する単電池層の拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a unit cell layer constituting the power generating element of the stacked battery shown in FIGS. 図4は、図3に示す単電池層の変形例を示す拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a modification of the unit cell layer shown in FIG. 図5は、図3に示す単電池層の他の変形例を示す拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing another modified example of the unit cell layer shown in FIG.

本発明の一形態は、正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層とを有する発電要素を備え、前記負極活物質層と前記固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部に、前記負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する前記固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域が存在する、二次電池である。 One aspect of the present invention is a secondary battery that includes a power generating element having a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is disposed on the surface of a positive electrode current collector, a negative electrode in which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material including metallic lithium or a lithium-containing alloy is disposed on the surface of a negative electrode current collector, and a solid electrolyte layer that is interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and contains a solid electrolyte, and in at least a part of the outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, there is a low-reactivity region in which the ratio of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer to the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer is larger than that inside the outer periphery at the interface.

以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 The following describes the above-mentioned embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiment. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

図1は、本発明に係る二次電池の一実施形態である扁平積層型全固体電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でない全固体リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係る全固体電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a flat-layered all-solid-state battery, which is one embodiment of the secondary battery according to the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in Figure 1. The layered structure allows the battery to be compact and have a high capacity. In this specification, the flat-layered non-bipolar all-solid-state lithium-ion secondary battery shown in Figures 1 and 2 (hereinafter also simply referred to as a "layered battery") will be described in detail as an example. However, when viewed from the perspective of the internal electrical connection form (electrode structure) of the all-solid-state battery according to this embodiment, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries.

図2に示すように、積層型電池10は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板25、負極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10の電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、正極集電板25および負極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 2, the stacked battery 10 has a flat rectangular shape, and a positive electrode current collector 25 and a negative electrode current collector 27 are pulled out from both sides of the stacked battery 10 to extract power. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked battery 10, and its periphery is heat-sealed, and the power generating element 21 is sealed with the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 pulled out to the outside.

なお、本形態に係る全固体電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The all-solid-state battery according to this embodiment is not limited to a laminated flat shape. A wound all-solid-state battery may be cylindrical, or may be a cylindrical shape that has been deformed to have a rectangular flat shape, and is not particularly limited. The cylindrical shape may be a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as the exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This form can achieve weight reduction.

また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板25と負極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板25と負極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1および図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Also, there is no particular restriction on the removal of the current collectors (25, 27) shown in FIG. 1. The positive and negative current collectors 25 and 27 may be pulled out from the same side, or the positive and negative current collectors 25 and 27 may each be divided into multiple pieces and removed from each side, and are not limited to those shown in FIG. 1 and FIG. 2. Also, in a wound type lithium ion battery, the terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of tabs.

図2に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。本実施形態において、固体電解質層17は、硫化物固体電解質の1種であるLGPS(Li10GeP12)を含んでいる。正極は、正極集電体11の両面に正極活物質を含有する正極活物質層13が配置された構造を有する。負極は、負極集電体12の両面に負極活物質(ここでは、金属リチウム)を含有する負極活物質層15が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in FIG. 2, the stacked battery 10 of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, in which a charge/discharge reaction actually proceeds, is sealed inside a laminate film 29, which is a battery exterior material. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are laminated. In this embodiment, the solid electrolyte layer 17 contains LGPS (Li 10 GeP 2 S 12 ), which is a type of sulfide solid electrolyte. The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer 13 containing a positive electrode active material is arranged on both sides of a positive electrode collector 11. The negative electrode has a structure in which a negative electrode active material layer 15 containing a negative electrode active material (here, metallic lithium) is arranged on both sides of a negative electrode collector 12. Specifically, the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 face each other through the solid electrolyte layer 17. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in Fig. 2 has a configuration in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.

図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost positive electrode collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a positive electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a collector dedicated to the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a collector with active material layers on both sides may be used as the outermost layer collector as is.

正極集電体11および負極集電体12は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板(タブ)25および負極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25および負極集電板27はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11および負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The positive electrode collector 11 and the negative electrode collector 12 are respectively attached with a positive electrode collector plate (tab) 25 and a negative electrode collector plate (tab) 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode), and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29, which is the battery exterior material, and are led out of the laminate film 29. The positive electrode collector plate 25 and the negative electrode collector plate 27 may be attached to the positive electrode collector 11 and the negative electrode collector 12 of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary.

図3は、図1および図2に示す積層型電池10の発電要素21を構成する単電池層19の拡大断面図である。 Figure 3 is an enlarged cross-sectional view of the single cell layer 19 that constitutes the power generating element 21 of the stacked battery 10 shown in Figures 1 and 2.

本実施形態においては、図3に示すように、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部Pの全周にわたって、当該外周縁部Pに対応する負極活物質層15の固体電解質層17側の領域におけるリチウム部分モル体積が、当該負極活物質層15の当該外周縁部Pの内側に対応する領域よりも小さい領域15aが設けられている。具体的に、この領域15aは、金属リチウムに代えて金を配置することにより構成されている。 In this embodiment, as shown in FIG. 3, a region 15a is provided around the entire outer edge P of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, in which the lithium partial molar volume in the region of the negative electrode active material layer 15 on the solid electrolyte layer 17 side corresponding to the outer edge P is smaller than that in the region of the negative electrode active material layer 15 corresponding to the inside of the outer edge P. Specifically, this region 15a is formed by disposing gold in place of metallic lithium.

また、図3に示す本実施形態においては、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部Pの全周にわたって、当該外周縁部Pに対応する固体電解質層17の負極活物質層15側の領域におけるリチウムイオン部分モル体積が、当該固体電解質層17の当該外周縁部Pの内側に対応する領域よりも大きい領域17aが設けられている。具体的に、この領域17aは、LGPSに代えてオキシメチレン結合PEG400とリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)との混合物を配置することにより構成されている。 In the present embodiment shown in FIG. 3, a region 17a is provided around the entire outer peripheral portion P of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, in which the lithium ion partial molar volume in the region of the solid electrolyte layer 17 on the negative electrode active material layer 15 side corresponding to the outer peripheral portion P is larger than that in the region of the solid electrolyte layer 17 corresponding to the inside of the outer peripheral portion P. Specifically, this region 17a is formed by disposing a mixture of oxymethylene-bonded PEG400 and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) instead of LGPS.

このように、図3に示す実施形態においては、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部Pの全周にわたって、負極活物質層15における領域15aと固体電解質層17における領域17aとが隣接するように構成されている。これにより、図3に示す実施形態においては、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部Pの全周にわたって、負極活物質層15のリチウム部分モル体積に対する固体電解質層17のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部Pの内側と比較してより大きい領域が存在することとなっている。上記界面の外周縁部Pに存在するこのような領域においては、当該外周縁部Pの内側と比較して、界面におけるリチウムの反応性が低い。したがって、本明細書では、このような領域を「低反応性領域」と称する。このような界面におけるリチウムの反応性の関係に起因して、本発明によれば、リチウム含有負極および固体電解質層を備えた二次電池において、電池の端部におけるリチウムの電析とこれに起因するデンドライトの成長および電池の内部短絡の発生を効果的に防止することができる。このような効果が奏されるメカニズムについて、以下に説明する。 3, the region 15a in the negative electrode active material layer 15 and the region 17a in the solid electrolyte layer 17 are adjacent to each other over the entire circumference of the outer peripheral portion P of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17. As a result, in the embodiment shown in FIG. 3, a region exists over the entire circumference of the outer peripheral portion P of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17 in which the ratio of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer 17 to the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer 15 is larger than that inside the outer peripheral portion P at the interface. In such a region existing in the outer peripheral portion P of the interface, the reactivity of lithium at the interface is lower than that inside the outer peripheral portion P. Therefore, in this specification, such a region is referred to as a "low reactivity region". Due to the relationship of the reactivity of lithium at such an interface, according to the present invention, in a secondary battery having a lithium-containing negative electrode and a solid electrolyte layer, it is possible to effectively prevent the electrodeposition of lithium at the end of the battery and the resulting growth of dendrites and the occurrence of an internal short circuit in the battery. The mechanism by which this effect occurs is explained below.

文献(C. Monroe, J. Newman, Journal of The Electrochemical Society, 152 (2) A396-A404 (2005))を参照すると、リチウム含有負極を備えた二次電池について熱力学的に解釈される電気化学反応式は下記数式1のように表される。 According to the literature (C. Monroe, J. Newman, Journal of the Electrochemical Society, 152 (2) A396-A404 (2005)), the electrochemical reaction equation that can be thermodynamically interpreted for a secondary battery with a lithium-containing negative electrode is expressed as the following Equation 1.

数式1において、iBVは界面におけるリチウムの反応性を表し、Δμe-は界面におけるリチウムの電気化学ポテンシャルを表す。数式1から明らかなように、界面におけるリチウムの反応性は、界面におけるリチウムの電気化学ポテンシャルと正の相関がある。ここで、界面におけるリチウムの電気化学ポテンシャルΔμe-は下記数式2のように表される。 In Equation 1, i BV represents the reactivity of lithium at the interface, and Δμ e- represents the electrochemical potential of lithium at the interface. As is clear from Equation 1, the reactivity of lithium at the interface is positively correlated with the electrochemical potential of lithium at the interface. Here, the electrochemical potential of lithium at the interface, Δμ e-, is expressed by Equation 2 below.

したがって、数式2によれば、負極活物質層15のリチウム部分モル体積に対する固体電解質層17のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい領域は、当該外周縁部の内側と比較して、界面におけるリチウムの電気化学ポテンシャルΔμe-の値がより小さい領域であるということができる。言い換えれば、当該領域は、界面におけるリチウムの反応性(iBV)がより低い領域(すなわち、低反応性領域)であるといえる。本発明においては、リチウム含有負極および固体電解質層を備えた二次電池において、このような低反応性領域が電池の端部(外周縁部)に存在することにより、当該端部(外周縁部)におけるリチウムの電析とこれに起因するデンドライトの成長および電池の内部短絡の発生を効果的に防止することができるのである。 Therefore, according to Equation 2, it can be said that a region where the ratio of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer 17 to the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer 15 is larger than that inside the outer peripheral portion at the interface is a region where the value of the electrochemical potential Δμ e− of lithium at the interface is smaller than that inside the outer peripheral portion. In other words, it can be said that this region is a region where the reactivity (i BV ) of lithium at the interface is lower (i.e., a low-reactivity region). In the present invention, in a secondary battery having a lithium-containing negative electrode and a solid electrolyte layer, such a low-reactivity region exists at the end (outer peripheral portion) of the battery, and thus it is possible to effectively prevent the electrodeposition of lithium at the end (outer peripheral portion) and the growth of dendrites caused thereby and the occurrence of an internal short circuit in the battery.

なお、負極活物質層15のリチウム部分モル体積の値や、固体電解質層17のリチウムイオン部分モル体積の値は、従来公知の知見を適宜参照することにより測定することが可能である。例えば、文献(Koerver,R.et al.,Chemo-Mechanical Expansion of Lithium Electrode Materials-On the Route to Mechanically Optimized All-Solid-State Batteries.Energy Environ.Sci.2018,11,2142- 2158)において、リチウム部分モル体積に関する詳細な議論がなされている。 The value of the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer 15 and the value of the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer 17 can be measured by appropriately referring to conventionally known knowledge. For example, the lithium partial molar volume is discussed in detail in the literature (Koerver, R. et al., Chemo-Mechanical Expansion of Lithium Electrode Materials-On the Route to Mechanically Optimized All-Solid-State Batteries. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2142-2158).

なお、図3に示す実施形態では、低反応性領域が負極活物質層15および固体電解質層17の外周縁部の全体にわたって存在するように構成されているが、このような形態のみには限定されない。例えば、外周縁部の一部のみに低反応性領域が存在するような形態であっても、当該領域が上述した低反応性領域の定義を満たしている限り、本発明の技術的範囲に含まれる。なお、図3に示す実施形態において、外周縁部Pは負極活物質層15および固体電解質層17の端部を含むように設けられているが、場合によっては端部よりも多少内側に設けられてもよい。ただし、端部における金属リチウムの電析およびこれに起因するデンドライトの成長および電池の内部短絡の発生を効果的に防止するという観点からは、外周縁部Pは負極活物質層15および固体電解質層17の端部を含むように設けられている。さらに、負極活物質層15および固体電解質層17の端部から見て外周縁部Pが設けられる幅(図3に示す外周縁部Pの長さ)は特に制限されず、本発明の作用効果が得られる幅で設けられていればよい。一例として、外周縁部Pが設けられる幅(図3に示す外周縁部Pの長さ)は、好ましくは1mm~5cmであり、より好ましくは3mm~3cmであり、さらに好ましくは5mm~2cmである。 In the embodiment shown in FIG. 3, the low-reactivity region is configured to exist over the entire outer peripheral portion of the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, but is not limited to this form. For example, even if the low-reactivity region exists only in a part of the outer peripheral portion, it is included in the technical scope of the present invention as long as the region satisfies the definition of the low-reactivity region described above. In the embodiment shown in FIG. 3, the outer peripheral portion P is provided to include the ends of the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, but in some cases it may be provided slightly inside the ends. However, from the viewpoint of effectively preventing the electrolytic deposition of metallic lithium at the ends and the growth of dendrites caused by this and the occurrence of internal short circuits in the battery, the outer peripheral portion P is provided to include the ends of the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17. Furthermore, the width at which the outer peripheral portion P is provided as viewed from the ends of the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17 (the length of the outer peripheral portion P shown in FIG. 3) is not particularly limited, and it is sufficient that the width is provided to obtain the effects of the present invention. As an example, the width of the outer peripheral edge portion P (the length of the outer peripheral edge portion P shown in FIG. 3) is preferably 1 mm to 5 cm, more preferably 3 mm to 3 cm, and even more preferably 5 mm to 2 cm.

また、図3に示す実施形態では、負極活物質層15および固体電解質層17の双方において、外周縁部のリチウムイオン部分モル体積およびリチウム部分モル体積がそれぞれ低反応性領域を構成するように制御されているが、このような形態のみには限定されない。例えば、図4および図5に示すようにこれらのいずれか一方のみが制御されている形態であってもよい。 In the embodiment shown in FIG. 3, the lithium ion partial molar volume and the lithium partial molar volume at the outer periphery of both the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17 are controlled to form a low-reactivity region, but this is not limited to this form. For example, only one of these may be controlled as shown in FIG. 4 and FIG. 5.

図4は、図3に示す単電池層の変形例を示す拡大断面図である。また、図5は、図3に示す単電池層の他の変形例を示す拡大断面図である。 Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing a modified example of the cell layer shown in Figure 3. Also, Figure 5 is an enlarged cross-sectional view showing another modified example of the cell layer shown in Figure 3.

図4に示す実施形態においては、図3に示す実施形態と同様に、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部の全周にわたって、当該外周縁部に対応する負極活物質層15の固体電解質層17側の領域におけるリチウム部分モル体積が、当該負極活物質層15の当該外周縁部の内側に対応する領域よりも小さい領域15aが設けられている。これに対し、固体電解質層17の外周縁部に対しては、特にリチウムイオン部分モル体積を変化させる制御は行われていない。すなわち、図4に示す実施形態において、負極活物質層15の構成材料は、上記外周縁部に対応する領域と当該外周縁部の内側に対応する領域とで同一である。このような構成を有する図4に示す実施形態においても、図3に示す実施形態と同様の低反応性領域が存在するといえる。なお、図3に示す実施形態において、領域15aは、金属リチウムに代えて金を配置することにより構成されているが、その他の手法によって外周縁部に対応する負極活物質層15のリチウム部分モル体積を制御してもよい。例えば、領域15aのリチウム濃度が低下するのであれば、金以外の金属を用いても領域15aを設けることは可能である。また、リチウムの含有量が異なること以外は同一の組成を有する材料を配置することによって領域15aを設けてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 4, similarly to the embodiment shown in FIG. 3, a region 15a is provided around the entire periphery of the outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, in which the lithium partial molar volume in the region of the negative electrode active material layer 15 on the solid electrolyte layer 17 side corresponding to the outer periphery is smaller than the region of the negative electrode active material layer 15 corresponding to the inside of the outer periphery. In contrast, no control is performed on the outer periphery of the solid electrolyte layer 17 to change the lithium ion partial molar volume. That is, in the embodiment shown in FIG. 4, the constituent material of the negative electrode active material layer 15 is the same in the region corresponding to the outer periphery and the region corresponding to the inside of the outer periphery. It can be said that the embodiment shown in FIG. 4 having such a configuration also has a low reactivity region similar to that of the embodiment shown in FIG. 3. In the embodiment shown in FIG. 3, the region 15a is formed by disposing gold instead of metallic lithium, but the lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer 15 corresponding to the outer periphery may be controlled by other methods. For example, if the lithium concentration in the region 15a is reduced, it is possible to provide the region 15a using a metal other than gold. Region 15a may also be provided by arranging materials that have the same composition except for the lithium content.

また、図5に示す実施形態においては、図3に示す実施形態と同様に、負極活物質層15と固体電解質層17との界面の外周縁部の全周にわたって、当該外周縁部に対応する固体電解質層17の負極活物質層15側の領域におけるリチウムイオン部分モル体積が、当該固体電解質層17の当該外周縁部の内側に対応する領域よりも大きい領域17aが設けられている。これに対し、負極活物質層15の外周縁部に対しては、特にリチウム部分モル体積を変化させる制御は行われていない。すなわち、図5に示す実施形態において、負極活物質層15の構成材料は、上記外周縁部に対応する領域と当該外周縁部の内側に対応する領域とで同一である。このような構成を有する図5に示す実施形態においても、図3に示す実施形態と同様の低反応性領域が存在するといえる。なお、図3に示す実施形態において、領域17aは、LGPSに代えてオキシメチレン結合PEG400とリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)との混合物を配置することにより構成されているが、その他の手法によって外周縁部に対応する固体電解質層17のリチウムイオン部分モル体積を制御してもよい。例えば、領域17aのリチウムイオン濃度が低下するのであれば、上述した材料以外のリチウム塩および希釈剤を用いても領域17aを設けることは可能である。 In the embodiment shown in FIG. 5, similarly to the embodiment shown in FIG. 3, a region 17a is provided around the entire periphery of the outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer 15 and the solid electrolyte layer 17, in which the lithium ion partial molar volume in the region of the solid electrolyte layer 17 on the negative electrode active material layer 15 side corresponding to the outer periphery is larger than the region corresponding to the inside of the outer periphery of the solid electrolyte layer 17. In contrast, no control is performed to change the lithium partial molar volume for the outer periphery of the negative electrode active material layer 15. That is, in the embodiment shown in FIG. 5, the constituent material of the negative electrode active material layer 15 is the same in the region corresponding to the outer periphery and the region corresponding to the inside of the outer periphery. It can be said that the embodiment shown in FIG. 5 having such a configuration also has a low reactivity region similar to that of the embodiment shown in FIG. 3. In the embodiment shown in FIG. 3, the region 17a is formed by disposing a mixture of oxymethylene-bonded PEG400 and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) instead of LGPS, but the lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer 17 corresponding to the outer periphery may be controlled by other methods. For example, if the lithium ion concentration in the region 17a is reduced, it is possible to provide the region 17a by using a lithium salt and a diluent other than the above-mentioned materials.

以下、本形態に係る二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the secondary battery according to this embodiment are described below.

[集電体]
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from one surface in contact with the positive electrode active material layer to the other surface in contact with the negative electrode active material layer. There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition, clad materials of nickel and aluminum, clad materials of copper and aluminum, and the like may be used. Also, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resin includes a resin in which a conductive filler is added as necessary to a non-conductive polymeric material.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials may have excellent electric potential resistance or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler can be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin that serves as the base material of the collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is necessarily required to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without any particular restriction as long as it is a material having electrical conductivity. For example, metals and conductive carbon can be mentioned as materials having excellent electrical conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing these metals. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 There are no particular restrictions on the amount of conductive filler added, so long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and it is generally 5 to 80% by mass relative to the total mass of the current collector (100% by mass).

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having electrical conductivity. Also, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the layers of the single cells, a metal layer may be provided on part of the current collector.

[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含む。本発明において、負極活物質は、金属リチウム単体(Li)またはリチウム含有合金を必須に含む。これらの負極活物質の種類としては、特に制限されないが、リチウム含有合金としては、例えば、リチウムと、リチウムと合金化しうる材料の少なくとも1種との合金が挙げられる。ここで、リチウムと合金化しうる材料としては、例えば、Si、Au、In、Ge、Sn、Pb、Al、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できる観点から、リチウムと合金化しうる材料は、Si、Au、In、Ge、Sn、Pb、AlおよびZnからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましく、Si、AuまたはInを含むことがより好ましい。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、金属リチウムまたはリチウム含有合金を必須に含むのであれば、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. In the present invention, the negative electrode active material essentially includes metallic lithium (Li) or a lithium-containing alloy. The type of these negative electrode active materials is not particularly limited, but the lithium-containing alloy may be, for example, an alloy of lithium and at least one material that can be alloyed with lithium. Here, examples of materials that can be alloyed with lithium include Si, Au, In, Ge, Sn, Pb, Al, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl, etc. Among these, from the viewpoint of being able to configure a battery with excellent capacity and energy density, the material that can be alloyed with lithium preferably includes at least one element selected from the group consisting of Si, Au, In, Ge, Sn, Pb, Al, and Zn, and more preferably includes Si, Au, or In. In some cases, two or more kinds of negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may be used as long as they essentially contain metallic lithium or a lithium-containing alloy.

負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられるが、薄膜状であることが好ましい。なお、負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the negative electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc., but is preferably thin film. When the negative electrode active material is particulate, its average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 40 to 100 mass %, and more preferably within the range of 50 to 100 mass %.

負極活物質層は、固体電解質をさらに含んでもよい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer may further include a solid electrolyte. When the negative electrode active material layer includes a solid electrolyte, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of the solid electrolyte include a sulfide solid electrolyte and an oxide solid electrolyte, and a sulfide solid electrolyte is preferable.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPS4、LiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers, and Z is Ge, Zn, or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (wherein x and y are positive numbers, and M is any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In). Note that the description "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、LiS-Pを主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLiPSX(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes called LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Examples of sulfide solid electrolytes include LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1). In particular, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing P element, and more preferably a material containing Li 2 S-P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br or I, preferably Cl).

また、硫化物固体電解質がLiS-P系である場合、LiSおよびPの割合は、モル比で、LiS:P=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLiS:P=70:30~80:20であることが好ましい。 Furthermore, when the sulfide solid electrolyte is a Li 2 S-P 2 S 5 system, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 , in terms of molar ratio, is preferably within the range of Li 2 S:P 2 S 5 =50:50 to 100:0, and in particular, Li 2 S:P 2 S 5 =70:30 to 80:20.

また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill, etc.) on the raw material composition. The crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat treating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ion conductivity (for example, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25° C.) is preferably, for example, 1×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1×10 −4 S/cm or more. The value of the ion conductivity of the solid electrolyte can be measured by an AC impedance method.

酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlTi2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds (LAGP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2), and compounds (LATP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2). Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), and LiLaZrO (e.g., Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).

固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 The shape of the solid electrolyte may be, for example, a particulate shape such as a true sphere or an oval sphere, a thin film shape, etc. When the solid electrolyte is particulate, its average particle size ( D50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle size ( D50 ) is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more.

負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、0~60質量%の範囲内であることが好ましく、0~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 0 to 60 mass %, and more preferably in the range of 0 to 50 mass %.

負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive additive and a binder in addition to the above-mentioned negative electrode active material and solid electrolyte.

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive assistants include, but are not limited to, metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys or metal oxides containing these metals, carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, activated carbon fibers, etc.), carbon nanotubes (CNT), and carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.). In addition, particulate ceramic materials and resin materials coated with the above-mentioned metal materials by plating or the like can also be used as conductive assistants. Among these conductive assistants, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon, more preferably to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, and carbon, and even more preferably to include at least one carbon. These conductive assistants may be used alone or in combination of two or more.

導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The conductive assistant is preferably particulate or fibrous. When the conductive assistant is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, spindle shape, etc.

導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 When the conductive assistant is particulate, the average particle diameter (primary particle diameter) is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical properties of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive assistant" means the maximum distance L between any two points on the contour line of the conductive assistant. The value of the "average particle diameter of the conductive assistant" is calculated as the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields of view using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive assistant, the content of the conductive assistant in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10 mass %, more preferably 2 to 8 mass %, and even more preferably 4 to 7 mass %, relative to the total mass of the negative electrode active material layer. Within such a range, it is possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, which can effectively contribute to improving the battery characteristics.

一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, binders are not particularly limited, but examples include the following materials:

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Thermoplastic polymers such as polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced by other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyether nitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene-isoprene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene Fluorine resins such as ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), etc., vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), etc. Examples of the fluororubber include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber), and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber), and epoxy resins. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

負極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(Li~LiSの各化合物のいずれか)が好ましく用いられる。ここで例えば、硫黄単体(S)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。この場合、全固体電池が充電状態で提供される場合には、正極活物質として硫黄単体(S)を含む。また、全固体電池が放電状態で提供される場合には、正極活物質としてリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi~LiSの各化合物のいずれか)を含有する。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material. The type of the positive electrode active material is not particularly limited, but sulfur element (S 8 ) or a reduction product of sulfur containing lithium (any of the compounds Li 2 S 8 to Li 2 S) is preferably used. Here, for example, sulfur element (S 8 ) has an extremely large theoretical capacity of about 1670 mAh/g, and has the advantage of being low cost and abundant in resources. In this case, when the all-solid-state battery is provided in a charged state, the positive electrode active material includes sulfur element (S 8 ). In addition, when the all-solid-state battery is provided in a discharged state, the positive electrode active material includes a reduction product of sulfur containing lithium (any of the compounds Li 2 S 8 to Li 2 S described above).

なお、正極活物質層は、上述した硫黄単体(S)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi~LiSの各化合物のいずれか)以外の正極活物質を含んでもよい。ただし、正極活物質層に含まれる正極活物質に占める硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物の割合は、好ましくは50~100質量%であり、より好ましくは80~100質量%であり、さらに好ましくは90~100質量%であり、いっそう好ましくは95~100質量%であり、特に好ましくは98~100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 The positive electrode active material layer may contain a positive electrode active material other than the above-mentioned elemental sulfur (S 8 ) or the reduction product of sulfur containing lithium (any of the above-mentioned compounds Li 2 S 8 to Li 2 S). However, the ratio of the elemental sulfur or the reduction product of sulfur containing lithium to the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is preferably 50 to 100 mass%, more preferably 80 to 100 mass%, even more preferably 90 to 100 mass%, still more preferably 95 to 100 mass%, particularly preferably 98 to 100 mass%, and most preferably 100 mass%.

硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物以外の正極活物質としては、例えば、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。また、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS、NiS、NiS、CuS、FeS、MoS、MoS等の無機硫黄化合物も用いられうる。さらに、硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Examples of positive electrode active materials other than elemental sulfur or reduction products of sulfur containing lithium include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitriles typified by the compounds described in WO 2010/044437, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbon sulfide, etc. In addition, inorganic sulfur compounds such as S-carbon composites, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , MoS 2 , and MoS 3 can also be used. Further, examples of the positive electrode active material that does not contain sulfur include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and Li(Ni-Mn-Co)O 2 , spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of oxide active materials other than the above include Li 4 Ti 5 O 12 . In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than the above may be used.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the positive electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the positive electrode active material is particulate, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and more preferably within the range of 50 to 90% by mass.

正極活物質層もまた、負極活物質層と同様に導電助剤および/またはバインダをさらに含んでもよい。 The positive electrode active material layer may also further contain a conductive additive and/or a binder, similar to the negative electrode active material layer.

[固体電解質層]
本形態に係る全固体電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。また、本形態に係る全固体電池の固体電解質層は、イオン伝導度および耐久性に優れるという観点から、硫化物固体電解質を必須に含むことが好ましく、この場合、その他の固体電解質を含んでもよい。ただし、固体電解質層に含まれる固体電解質に占める硫化物固体電解質の割合は、好ましくは50~100質量%であり、より好ましくは80~100質量%であり、さらに好ましくは90~100質量%であり、いっそう好ましくは95~100質量%であり、特に好ましくは98~100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。なお、固体電解質層に含有される硫化物固体電解質およびその他の固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer of the all-solid-state battery according to this embodiment contains a solid electrolyte as a main component and is a layer interposed between the above-mentioned positive electrode active material layer and the above-mentioned negative electrode active material layer. In addition, the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery according to this embodiment preferably contains a sulfide solid electrolyte as an essential component from the viewpoint of excellent ion conductivity and durability, and in this case, other solid electrolytes may be included. However, the ratio of the sulfide solid electrolyte to the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is preferably 50 to 100 mass%, more preferably 80 to 100 mass%, even more preferably 90 to 100 mass%, even more preferably 95 to 100 mass%, particularly preferably 98 to 100 mass%, and most preferably 100 mass%. The specific form of the sulfide solid electrolyte and other solid electrolytes contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, so a detailed description will be omitted here.

固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100 mass%, more preferably in the range of 50 to 100 mass%, and even more preferably in the range of 90 to 100 mass%.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. The specific form of the binder that may be contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, so a detailed description is omitted here.

固体電解質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、1~1000μmの範囲内であることが好ましく、10~300μmの範囲内であることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 1 to 1000 μm, and more preferably within the range of 10 to 300 μm.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive and negative current collector plates]
The material constituting the current collector plate (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a secondary battery can be used. As the material constituting the current collector plate, for example, a metal material such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof is preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. The same material may be used for the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27, or different materials may be used.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11、12)と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive and negative electrode leads]
Although not shown, the current collectors (11, 12) and the current collectors (25, 27) may be electrically connected via positive and negative electrode leads. As the materials for the positive and negative electrode leads, materials used in known lithium ion secondary batteries may be similarly adopted. It is preferable that the part removed from the exterior is covered with a heat-resistant insulating heat shrink tube or the like so as not to come into contact with peripheral devices or wiring, causing leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices, etc.).

[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum, which can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is preferable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, since the group pressure applied from the outside to the power generating element can be easily adjusted, a laminate film containing aluminum is more preferable as the exterior body.

図2に示す実施形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本実施形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to the embodiment shown in FIG. 2 has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, and as a result has high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.

以上、二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of a secondary battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and can be modified as appropriate based on the claims.

例えば、本発明に係る二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the type of battery to which the secondary battery of the present invention can be applied includes a bipolar battery that includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.

また、本形態に係る二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 The secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state type. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). There is no particular limit to the amount of liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be contained in the solid electrolyte layer, but it is preferable that the amount is such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and leakage of the liquid electrolyte (electrolytic solution) does not occur.

用いられうる液体電解質(電解液)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 The liquid electrolyte (electrolyte) that can be used has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents that can be used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and γ-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).

リチウム塩としては、Li(FSON(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSON(LiFSI)である。 Examples of the lithium salt include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI ), Li ( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Among these , the lithium salt is preferably Li( FSO2 ) 2N (LiFSI) from the viewpoints of battery output and charge/discharge cycle characteristics.

液体電解質(電解液)は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The liquid electrolyte (electrolyte) may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate. Examples of the additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. The amount of additive used in the electrolyte can be adjusted as appropriate.

[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery pack]
A battery pack is a device that consists of multiple batteries connected together. More specifically, it is a device that uses at least two batteries and is connected in series or parallel or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.

電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A small, removable battery pack can be formed by connecting multiple batteries in series or in parallel. Then, multiple such small, removable battery packs can be connected in series or in parallel to form a large-capacity, high-output battery pack suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. How many batteries are connected to form a battery pack, and how many stages of small battery packs are stacked to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it is to be installed.

[車両]
本発明に係る二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The secondary battery according to the present invention maintains its discharge capacity even after long-term use and has good cycle characteristics. Furthermore, it has a high volumetric energy density. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity, larger size, and longer life are required compared to electric and portable electronic device applications. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a power source for vehicles, for example, a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source.

具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, the battery or a battery pack consisting of a combination of multiple batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, a long-life battery with excellent long-term reliability and output characteristics can be constructed, so that by mounting such a battery, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving distance or an electric vehicle with a long driving distance per charge can be constructed. For example, if the battery or a battery pack consisting of a combination of multiple batteries is used in a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles, etc.), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles), it will become a vehicle with a long life and high reliability. However, the use is not limited to automobiles, and it can be applied to various power sources of other vehicles, such as mobile bodies such as trains, and can also be used as a mounted power source for uninterruptible power supplies, etc.

[実施例1]
(固体電解質層の作製)
硫化物固体電解質(Li10GeP12;LGPS)を80mg秤量し、SLD製スリーブ(Φ10)に入れ、両端を硬質CrめっきしたSLD製ピンで挟み、室温にて390MPaの圧力で1分間プレスすることで電解質ペレットを得た。
[Example 1]
(Preparation of solid electrolyte layer)
80 mg of sulfide solid electrolyte (Li 10 GeP 2 S 12 ; LGPS) was weighed out, placed in an SLD sleeve (Φ10), clamped at both ends with hard Cr-plated SLD pins, and pressed at room temperature at a pressure of 390 MPa for 1 minute to obtain an electrolyte pellet.

次に、上記SLD製スリーブより直径の小さいSLD製スリーブ(Φ8)を上記電解質ペレットの片端に入れ、硫化物固体電解質(Li10GeP12)を12.8mg秤量してΦ8のスリーブに入れ、上記と同様に1分間プレスすることで、片端側の外周縁部の厚さが当該外周縁部の内側よりも薄い電解質ペレットを得た。 Next, an SLD sleeve (Φ8) having a smaller diameter than the SLD sleeve was inserted into one end of the electrolyte pellet, and 12.8 mg of sulfide solid electrolyte ( Li10GeP2S12 ) was weighed out and inserted into the Φ8 sleeve. Pressing was performed for 1 minute in the same manner as above to obtain an electrolyte pellet whose outer periphery on one end was thinner than the inside of the outer periphery.

続いて、Φ8のスリーブを取り出し、上記で得られた電解質ペレットの片端部の外周縁部の窪みに、オキシメチレン結合PEG400と固体電解質(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI))との混合物(混合比は、オキシメチレン結合PEG400に含まれる酸素原子に対する固体電解質に含まれるリチウム原子のモル比(Li/O)が1/15となるように制御した)を7.2mg秤量して入れ、再度両端を硬質CrめっきしたSLD製ピンで挟み、室温にて390MPaの圧力で1分間プレスすることで、電解質ペレット(本実施例の固体電解質層)を作製した。 Next, the Φ8 sleeve was removed, and 7.2 mg of a mixture of oxymethylene-bonded PEG400 and solid electrolyte (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI)) (the mixture ratio was controlled so that the molar ratio (Li/O) of the lithium atoms contained in the solid electrolyte to the oxygen atoms contained in the oxymethylene-bonded PEG400 was 1/15) was weighed and placed in the recess on the outer periphery of one end of the electrolyte pellet obtained above, and both ends were again clamped with hard Cr-plated SLD pins and pressed at room temperature for 1 minute at a pressure of 390 MPa to produce an electrolyte pellet (the solid electrolyte layer of this example).

(負極活物質層の作製)
上記で作製した固体電解質層の、外周縁部にLiTFSIを配置した側の固体電解質(LGPS)の露出部に遮蔽板を配置し、上記外周縁部に対応する部位に真空蒸着法を用いて金を蒸着した。次いで遮蔽板を除去し、固体電解質層の露出面および金の蒸着面の前面に、真空蒸着法により金属リチウムを蒸着した。その後、得られた積層体の両端を硬質CrめっきしたSLD製ピンで挟み、60℃にて20MPaの圧力で3時間プレスすることで、本実施例の固体電解質層と負極活物質層との積層体(図3に示す構成を有する)を得た。
(Preparation of negative electrode active material layer)
A shield plate was placed on the exposed part of the solid electrolyte (LGPS) on the side where LiTFSI was placed on the outer periphery of the solid electrolyte layer prepared above, and gold was vapor-deposited on the part corresponding to the outer periphery by vacuum vapor deposition. The shield plate was then removed, and metallic lithium was vapor-deposited on the exposed surface of the solid electrolyte layer and the front surface of the gold vapor deposition surface by vacuum vapor deposition. Thereafter, both ends of the obtained laminate were sandwiched between hard Cr-plated SLD pins, and pressed at 60° C. for 3 hours at a pressure of 20 MPa to obtain a laminate of the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer of this embodiment (having the configuration shown in FIG. 3).

[実施例2]
まず、オキシメチレン結合PEG400と固体電解質(LiTFSI)との混合物を用いた領域を設けずに、LGPSからなる均一な組成を有する本実施例の固体電解質層を作製した。
[Example 2]
First, a solid electrolyte layer of this example was prepared having a uniform composition of LGPS without providing a region using a mixture of oxymethylene-bonded PEG400 and a solid electrolyte (LiTFSI).

次いで、上述した実施例1と同様の手法により、固体電解質層の片端側に金およびリチウムを蒸着して、本実施例の固体電解質層と負極活物質層との積層体(図4に示す構成を有する)を得た。 Next, gold and lithium were vapor-deposited onto one end of the solid electrolyte layer in the same manner as in Example 1 described above, to obtain a laminate of the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer of this example (having the configuration shown in Figure 4).

[実施例3]
まず、上述した実施例1と同様の手法により、外周縁部にオキシメチレン結合PEG400と固体電解質(LiTFSI)との混合物を用いた領域が存在する本実施例の固体電解質層を作製した。
[Example 3]
First, a solid electrolyte layer of this example was produced using a method similar to that of Example 1 described above, in which a region using a mixture of oxymethylene-bonded PEG400 and a solid electrolyte (LiTFSI) exists on the outer periphery.

次いで、金を蒸着せずに、金属リチウムからなる均一な組成を有する本実施例の負極活物質層を作製して、本実施例の固体電解質層と負極活物質層との積層体(図5に示す構成を有する)を得た。 Next, the negative electrode active material layer of this example, which has a uniform composition consisting of metallic lithium, was produced without vapor deposition of gold, to obtain a laminate of the solid electrolyte layer and the negative electrode active material layer of this example (having the configuration shown in Figure 5).

10 全固体リチウムイオン二次電池、
11 正極集電体、
12 負極集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
15a 外周縁部に対応する負極活物質層の固体電解質層側の領域におけるリチウム部分モル体積が、負極活物質層の外周縁部の内側に対応する領域よりも小さい領域、
17 電解質層、
17a 外周縁部に対応する固体電解質層の負極活物質層側の領域におけるリチウムイオン部分モル体積が、固体電解質層の外周縁部の内側に対応する領域よりも大きい領域、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム、
P 負極活物質層と固体電解質層との界面の外周縁部。
10 All-solid-state lithium ion secondary battery,
11 positive electrode current collector,
12 negative electrode current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
15a: a region in which the lithium partial molar volume in a region on the solid electrolyte layer side of the negative electrode active material layer corresponding to the outer peripheral edge portion is smaller than that in a region corresponding to the inside of the outer peripheral edge portion of the negative electrode active material layer;
17 electrolyte layer,
17a: a region in which the partial molar volume of lithium ions in a region of the solid electrolyte layer on the negative electrode active material layer side corresponding to the outer peripheral edge portion is larger than that in a region of the solid electrolyte layer corresponding to the inside of the outer peripheral edge portion;
19 cell layer,
21 power generating element,
25 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
27 negative electrode current collector (negative electrode tab),
29 Laminate film,
P: The outer peripheral edge portion of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer.

Claims (5)

正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、
負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記負極活物質層と前記固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部であって前記負極活物質層の端面まで延在しない領域に、前記負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する前記固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域が存在し、
前記固体電解質層の前記外周縁部に対応する領域のリチウムイオン部分モル体積は、前記外周縁部の内側に対応する領域よりも大きく、
前記負極活物質層の前記外周縁部に対応する領域のリチウム部分モル体積は、前記外周縁部の内側に対応する領域よりも小さい、二次電池。
a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material disposed on a surface of a positive electrode current collector;
a negative electrode including a negative electrode active material layer disposed on a surface of a negative electrode current collector, the negative electrode active material layer including a negative electrode active material including metallic lithium or a lithium-containing alloy;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and including a solid electrolyte;
A power generating element having
a low-reactivity region is present in at least a part of an outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, the low-reactivity region having a larger ratio of a lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer to a lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer compared to an inside of the outer periphery at the interface, the ratio not extending to an end face of the negative electrode active material layer ;
a partial molar volume of lithium ions in a region of the solid electrolyte layer corresponding to the outer peripheral edge portion is larger than a region of the solid electrolyte layer corresponding to an inside of the outer peripheral edge portion;
a partial molar volume of lithium in a region of the negative electrode active material layer corresponding to the outer peripheral edge portion is smaller than a region of the negative electrode active material layer corresponding to an inside of the outer peripheral edge portion .
正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、
負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記負極活物質層と前記固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部に、前記負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する前記固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域が存在し、
前記負極活物質層の構成材料は、前記外周縁部に対応する領域と前記外周縁部の内側に対応する領域とで同一であり、
前記固体電解質層の前記外周縁部に対応する領域のリチウムイオン部分モル体積は、前記外周縁部の内側に対応する領域よりも大きく、前記固体電解質層の前記外周縁部に対応する領域はリチウム塩および希釈剤を含む、二次電池。
a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material disposed on a surface of a positive electrode current collector;
a negative electrode including a negative electrode active material layer disposed on a surface of a negative electrode current collector, the negative electrode active material layer including a negative electrode active material including metallic lithium or a lithium-containing alloy;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and including a solid electrolyte;
A power generating element having
a low-reactivity region is present in at least a part of an outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, in which a ratio of a partial molar volume of lithium ions in the solid electrolyte layer to a partial molar volume of lithium in the negative electrode active material layer is larger than that of an inside of the outer periphery at the interface;
a constituent material of the negative electrode active material layer is the same in a region corresponding to the outer peripheral edge portion and a region corresponding to the inside of the outer peripheral edge portion,
a partial molar volume of lithium ions in a region of the solid electrolyte layer corresponding to the outer peripheral edge is larger than a region of the solid electrolyte layer corresponding to an inside of the outer peripheral edge, and the region of the solid electrolyte layer corresponding to the outer peripheral edge contains a lithium salt and a diluent .
正極集電体の表面に、正極活物質を含有する正極活物質層が配置された正極と、
負極集電体の表面に、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層が配置された負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在し、固体電解質を含む固体電解質層と、
を有する発電要素を備え、
前記負極活物質層と前記固体電解質層との界面の外周縁部の少なくとも一部であって前記負極活物質層の端面まで延在しない領域に、前記負極活物質層のリチウム部分モル体積に対する前記固体電解質層のリチウムイオン部分モル体積の比の値が、前記界面における前記外周縁部の内側と比較してより大きい低反応性領域が存在し、
前記固体電解質層の構成材料は、前記外周縁部に対応する領域と前記外周縁部の内側に対応する領域とで同一であり、
前記負極活物質層の前記外周縁部に対応する領域のリチウム部分モル体積は、前記外周縁部の内側に対応する領域よりも小さい、二次電池。
a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material disposed on a surface of a positive electrode current collector;
a negative electrode including a negative electrode active material layer disposed on a surface of a negative electrode current collector, the negative electrode active material layer including a negative electrode active material including metallic lithium or a lithium-containing alloy;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and including a solid electrolyte;
A power generating element having
a low-reactivity region is present in at least a part of an outer periphery of the interface between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, the low-reactivity region having a larger ratio of a lithium ion partial molar volume of the solid electrolyte layer to a lithium partial molar volume of the negative electrode active material layer compared to an inside of the outer periphery at the interface, the ratio not extending to an end face of the negative electrode active material layer;
a constituent material of the solid electrolyte layer is the same in a region corresponding to the outer peripheral edge portion and a region corresponding to an inside of the outer peripheral edge portion;
a partial molar volume of lithium in a region of the negative electrode active material layer corresponding to the outer peripheral edge portion is smaller than a region of the negative electrode active material layer corresponding to an inside of the outer peripheral edge portion.
前記固体電解質は硫化物固体電解質を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の二次電池。 The secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte includes a sulfide solid electrolyte. 全固体リチウムイオン二次電池である、請求項1~4のいずれか1項に記載の二次電池。 The secondary battery according to any one of claims 1 to 4, which is an all-solid-state lithium-ion secondary battery.
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