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JP7697326B2 - Negative electrode layer - Google Patents
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JP7697326B2 - Negative electrode layer - Google Patents

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Description

本開示は、負極層に関する。 This disclosure relates to a negative electrode layer.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよ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。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。
また、固体電池は、正極と負極の間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いるという点で注目されている。
In recent years, with the rapid spread of information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones, the development of batteries to be used as power sources for these devices has become important. In the automobile industry, too, development of high-output, high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is underway.
Moreover, solid-state batteries have attracted attention because they use a solid electrolyte as the electrolyte between the positive electrode and the negative electrode, instead of an electrolytic solution containing an organic solvent.

特許文献1には、負極の導電材として、炭素六員環を有する繊維状炭素材料を含む全固体電池が開示されている。 Patent Document 1 discloses an all-solid-state battery that contains a fibrous carbon material having a six-membered carbon ring as the conductive material for the negative electrode.

特許文献2には、全固体電池の正極の導電材として、炭素繊維を用いる旨が開示されている。 Patent document 2 discloses the use of carbon fiber as a conductive material for the positive electrode of an all-solid-state battery.

特許文献3には、全固体電池の正極の導電材として、導電助剤としてVGCF(気相成長炭素繊維)を用いる旨が開示されている。 Patent document 3 discloses that VGCF (vapor grown carbon fiber) is used as a conductive additive for the positive electrode of an all-solid-state battery.

特許文献4には、微細な繊維状炭素/100nm以上の直径を有する繊維状炭素を組み合わせて用いる旨が開示されている。 Patent document 4 discloses the use of a combination of fine fibrous carbon and fibrous carbon having a diameter of 100 nm or more.

特許文献5には、炭素繊維と粒子状炭素を組み合わせて用いる旨が開示されている。 Patent document 5 discloses the use of a combination of carbon fiber and particulate carbon.

特開2019-125481号公報JP 2019-125481 A 特開2011-159534号公報JP 2011-159534 A 特許第6314563号公報Patent No. 6314563 特開2010-238575号公報JP 2010-238575 A 特開2016-058277号公報JP 2016-058277 A

従来の炭素繊維を含む固体電池は、充放電サイクル特性が悪いという問題がある。 Conventional solid-state batteries containing carbon fibers have the problem of poor charge-discharge cycle characteristics.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、固体電池の充放電サイクル特性を良好にすることができる負極層を提供することを主目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its main objective is to provide a negative electrode layer that can improve the charge-discharge cycle characteristics of a solid-state battery.

本開示の負極層は、固体電池用の負極層であって、
前記負極層は、負極活物質と、結着剤と、炭素繊維と、セラミック繊維と、を含み、
前記セラミック繊維は、前記負極層中に1.7~4.1体積%含まれることを特徴とする。
The negative electrode layer of the present disclosure is a negative electrode layer for a solid-state battery,
The negative electrode layer includes a negative electrode active material, a binder, carbon fibers, and ceramic fibers,
The ceramic fibers are contained in the negative electrode layer at 1.7 to 4.1% by volume.

本開示固体電池用の負極層は、固体電池の充放電サイクル特性を良好にすることができる。 The negative electrode layer for the disclosed solid-state battery can improve the charge/discharge cycle characteristics of the solid-state battery.

図1は本開示の負極層の一例を示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a negative electrode layer according to the present disclosure. 図2は、セラミック繊維0体積%添加に対する初期抵抗率と30サイクル後の抵抗増加率を示す図である。FIG. 2 is a graph showing the initial resistivity and the resistance increase rate after 30 cycles for 0 volume % of ceramic fiber added.

本開示の負極層は、固体電池用の負極層であって、
前記負極層は、負極活物質と、結着剤と、炭素繊維と、セラミック繊維と、を含み、
前記セラミック繊維は、前記負極層中に1.7~4.1体積%含まれることを特徴とする。
The negative electrode layer of the present disclosure is a negative electrode layer for a solid-state battery,
The negative electrode layer includes a negative electrode active material, a binder, carbon fibers, and ceramic fibers,
The ceramic fibers are contained in the negative electrode layer at 1.7 to 4.1% by volume.

負極層にSi系、C系等の充放電により膨張収縮する活物質を用いた固体電池の場合、充放電による負極活物質の膨張収縮によって負極活物質と固体電解質との界面に剥離が生じ、固体電池の内部抵抗の増加、容量維持率の低下等が生じる。
炭素繊維を用いた従来の固体電池では、負極活物質と固体電解質との界面の剥離を抑制できていない。炭素繊維は可撓性が大きく、繊維として十分な強度を発揮できないため、負極活物質の膨張収縮により負極のイオン伝導パス及び電子伝導パスが寸断されるためと考えられる。
本研究者は、負極層に可撓性の低いセラミック繊維を添加することで、炭素繊維に比べ負極層中に直線的に配置されることで、結着剤による固定化が増すことで負極活物質の充放電に伴う膨張収縮で界面剥離が生じにくく、放電容量維持率が向上することを見出した。また、本研究者は、微細なセラミック繊維を添加すると添加量の少ない領域において抵抗増加が小さく、放電容量維持率を向上させる領域があることを見出した。通常、セラミックのフィラー等を電極内に添加すると電極内の電子伝導パスを阻害し、抵抗が添加量に応じて比例関係で増加していくが、少量の微細なセラミック繊維であれば炭素繊維による電子伝導パスを阻害せず、結着剤強度を向上させる。また、セラミック繊維の添加量が多すぎる場合には、電極内の電子伝導パス及びイオン伝導パスが阻害され、電極内において均一な充放電反応ができず、局所的な膨張収縮が発生し、負極活物質と固体電解質が剥離し、放電容量維持率を大きく低下するため、適切な添加量が重要となる。
In the case of a solid-state battery using an active material that expands and contracts due to charging and discharging, such as a Si-based or C-based material, in the negative electrode layer, the expansion and contraction of the negative electrode active material due to charging and discharging causes peeling at the interface between the negative electrode active material and the solid electrolyte, resulting in an increase in the internal resistance of the solid-state battery and a decrease in the capacity retention rate, etc.
Conventional solid-state batteries using carbon fibers have been unable to prevent delamination at the interface between the negative electrode active material and the solid electrolyte, presumably because carbon fibers are too flexible to exhibit sufficient strength as fibers, and the expansion and contraction of the negative electrode active material disrupts the ionic and electronic conductive paths of the negative electrode.
The researcher found that by adding ceramic fibers with low flexibility to the negative electrode layer, they are arranged linearly in the negative electrode layer compared to carbon fibers, and the fixation by the binder increases, making it difficult for interface peeling to occur due to expansion and contraction accompanying charge and discharge of the negative electrode active material, and improving the discharge capacity retention rate. The researcher also found that when fine ceramic fibers are added, there is a region where the increase in resistance is small in the region of small addition amount, and the discharge capacity retention rate is improved. Normally, when ceramic fillers are added to an electrode, the electronic conduction path in the electrode is obstructed, and the resistance increases in proportion to the amount added, but a small amount of fine ceramic fibers does not obstruct the electronic conduction path of the carbon fiber and improves the strength of the binder. In addition, if the amount of ceramic fibers added is too large, the electronic conduction path and ion conduction path in the electrode are obstructed, and uniform charge and discharge reactions cannot occur in the electrode, local expansion and contraction occurs, the negative electrode active material and solid electrolyte are peeled off, and the discharge capacity retention rate is significantly reduced, so the appropriate amount of addition is important.

本開示において、粒子の平均粒径は、特記しない限り、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される体積基準のメディアン径(D50)の値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい粒子から順に並べた場合に、粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径(体積平均径)である。 In this disclosure, unless otherwise specified, the average particle size of particles is the volume-based median diameter (D50) value measured by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement. In addition, in this disclosure, the median diameter (D50) is the diameter (volume average diameter) at which the cumulative volume of particles is half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order from smallest to largest particle size.

図1は、本開示の負極層の一例を示す断面模式図である。
図1に示すように、負極層100は、負極活物質11と、結着剤12と、固体電解質13と、炭素繊維14と、セラミック繊維15を備える。セラミック繊維15は負極活物質11及び固体電解質13の粒子間に存在する結着剤12内に存在している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a negative electrode layer according to the present disclosure.
1 , the negative electrode layer 100 includes a negative electrode active material 11, a binder 12, a solid electrolyte 13, carbon fibers 14, and ceramic fibers 15. The ceramic fibers 15 are present in the binder 12 present between particles of the negative electrode active material 11 and the solid electrolyte 13.

[負極層]
本開示の負極層は、少なくとも負極活物質と、結着剤と、炭素繊維と、セラミック繊維と、を含み、必要に応じ、固体電解質等を含有する。
負極層の厚さは、特に限定されないが、例えば、10~100μmであってもよい。
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer of the present disclosure contains at least a negative electrode active material, a binder, carbon fibers, and ceramic fibers, and optionally contains a solid electrolyte and the like.
The thickness of the negative electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 100 μm.

負極活物質としては、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン、リチウム合金、Si単体、Si合金、及びLiTi12等が挙げられる。リチウム合金及びSi合金としては、正極活物質において例示するものと同様のものを用いることができる。
負極活物質の形状は特に限定されず、粒子状、及び板状等が挙げられる。負極活物質が粒子状である場合、負極活物質は一次粒子であってもよく、二次粒子であってもよい。
負極層における負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば、20質量%~90質量%であってもよい。
Examples of the negative electrode active material include graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, soft carbon, lithium alloy, simple Si, Si alloy, and Li 4 Ti 5 O 12. As the lithium alloy and Si alloy, the same ones as those exemplified in the positive electrode active material can be used.
The shape of the negative electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include a particulate shape, a plate shape, etc. When the negative electrode active material is particulate, the negative electrode active material may be primary particles or secondary particles.
The content of the negative electrode active material in the negative electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, 20% by mass to 90% by mass.

結着剤(バインダー)としては、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)、ブタジエンゴム(BR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等を例示することができる。負極層におけるバインダーの含有量は特に限定されるものではなく、1~5質量%であってもよい。 Examples of the binder include acrylonitrile butadiene rubber (ABR), butadiene rubber (BR), polyvinylidene fluoride (PVdF), and styrene butadiene rubber (SBR). The content of the binder in the negative electrode layer is not particularly limited and may be 1 to 5 mass%.

炭素繊維は、気相成長カーボンファイバー(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)およびカーボンナノファイバー(CNF)からなる群より選択されるいずれか一種または二種以上の混合物であってもよい。
炭素繊維の線長は、特に限定されないが、セラミック繊維の線長よりも長くてもよい。
負極層における炭素繊維の含有量は特に限定されるものではなく、1.0~20.0質量%であってもよい。
負極層における炭素繊維の体積割合は特に限定されるものではなく、1.0~20.0体積%であってもよい。
The carbon fiber may be any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube (CNT) and carbon nanofiber (CNF).
The length of the carbon fibers is not particularly limited, but may be longer than the length of the ceramic fibers.
The content of carbon fibers in the negative electrode layer is not particularly limited, and may be 1.0 to 20.0 mass %.
The volume percentage of the carbon fibers in the negative electrode layer is not particularly limited, and may be 1.0 to 20.0% by volume.

セラミック繊維は、炭素繊維と比較して可撓性が低く、他の電池構成部材を劣化させない反応性の低い物質であってもよい。
セラミック繊維の線長は、特に限定されず、200nm以上であってもよく、400nm以上であってもよく、炭素繊維の線長に比べて短くてもよい。
セラミック繊維の線径は、特に限定されず、1~10nmであってもよく、2~6nmであってもよい。
負極層強化の観点からは、負極層内のセラミック繊維が直線的に配置される必要がある。繊維が長くなるほど屈曲する確率が増加するため、セラミック繊維を炭素繊維よりも直線的に配置する観点から、セラミック繊維は炭素繊維より短く且つ可撓性が低い繊維であってもよい。
セラミック繊維は、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物からなる群より選択されるいずれか一種または二種以上の混合物であってもよく、繊維状の酸化アルミニウムであってもよい。
セラミック繊維は、線径に対する線長のアスペクト比(線長/線径)が100以上であってもよい。セラミック繊維は負極活物質及び固体電解質の粒子間に存在する結着剤内に存在していてもよい。セラミック繊維を結着剤内に存在させる観点からは、負極活物質及び固体電解質に比べ十分に細い線径であってもよく、且つ、線径に対する線長のアスペクト比(線長/線径)が100以上であってもよい。
セラミック繊維は、負極層中に炭素繊維に対して体積比で0.24以上0.59以下含まれていてもよい。
負極層におけるセラミック繊維の含有量は特に限定されるものではなく、1.0~5.5質量%であってもよく、1.9~4.8質量%であってもよい。
セラミック繊維は、負極層中に1.7~4.1体積%含まれていればよい。
Ceramic fibers are less flexible than carbon fibers and may be a less reactive material that does not degrade other battery components.
The length of the ceramic fibers is not particularly limited, and may be 200 nm or more, or 400 nm or more, and may be shorter than the length of the carbon fibers.
The diameter of the ceramic fibers is not particularly limited and may be 1 to 10 nm, or may be 2 to 6 nm.
From the viewpoint of strengthening the negative electrode layer, the ceramic fibers in the negative electrode layer need to be arranged linearly. Since the longer the fiber, the higher the probability of bending. From the viewpoint of arranging the ceramic fibers more linearly than the carbon fibers, the ceramic fibers may be shorter and less flexible than the carbon fibers.
The ceramic fibers may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, and borides, or may be fibrous aluminum oxide.
The aspect ratio of the line length to the line diameter (line length/line diameter) of the ceramic fiber may be 100 or more. The ceramic fiber may be present in a binder present between particles of the negative electrode active material and the solid electrolyte. From the viewpoint of having the ceramic fiber present in the binder, the line diameter may be sufficiently thin compared to the negative electrode active material and the solid electrolyte, and the aspect ratio of the line length to the line diameter (line length/line diameter) may be 100 or more.
The ceramic fibers may be contained in the negative electrode layer in a volume ratio to the carbon fibers of 0.24 or more and 0.59 or less.
The content of the ceramic fibers in the negative electrode layer is not particularly limited, and may be 1.0 to 5.5 mass %, or 1.9 to 4.8 mass %.
The ceramic fibers may be contained in the negative electrode layer in an amount of 1.7 to 4.1% by volume.

負極層に含有させる固体電解質としては、固体電池に使用可能な公知の固体電解質を適宜用いることができ、酸化物系固体電解質、及び硫化物系固体電解質等が挙げられる。
硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS-P、LiS-SiS、LiX-LiS-SiS、LiX-LiS-P、LiX-LiO-LiS-P、LiX-LiS-P、LiX-LiPO-P、及びLiPS等が挙げられる。なお、上記「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材料を意味し、他の記載についても同様である。また、上記LiXの「X」は、ハロゲン元素を示す。上記LiXを含む原料組成物中にLiXは1種又は2種以上含まれていてもよい。LiXが2種以上含まれる場合、2種以上の混合比率は特に限定されるものではない。
硫化物系固体電解質における各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調整することにより制御できる。また、硫化物系固体電解質における各元素のモル比や組成は、例えば、ICP発光分析法で測定することができる。
As the solid electrolyte contained in the negative electrode layer, any known solid electrolyte that can be used in solid-state batteries can be appropriately used, and examples of such solid electrolyte include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes.
Examples of sulfide-based solid electrolytes include Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiX-Li 2 S-SiS 2 , LiX-Li 2 S-P 2 S 5 , LiX-Li 2 O-Li 2 S-P 2 S 5 , LiX-Li 2 S-P 2 O 5 , LiX-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , and Li 3 PS 4. The above description of "Li 2 S-P 2 S 5 " means a material obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. The "X" in the above LiX represents a halogen element. The LiX-containing raw material composition may contain one or more types of LiX. When two or more types of LiX are contained, the mixing ratio of the two or more types is not particularly limited.
The molar ratio of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be controlled by adjusting the content of each element in the raw material. The molar ratio and composition of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be measured, for example, by ICP emission spectrometry.

硫化物系固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラス(ガラスセラミックス)であってもよく、原料組成物に対する固相反応処理により得られる結晶質材料であってもよい。
硫化物系固体電解質の結晶状態は、例えば、硫化物系固体電解質に対してCuKα線を使用した粉末X線回折測定を行うことにより確認することができる。
The sulfide-based solid electrolyte may be a sulfide glass, a crystallized sulfide glass (glass ceramics), or a crystalline material obtained by subjecting a raw material composition to a solid-phase reaction treatment.
The crystalline state of the sulfide-based solid electrolyte can be confirmed, for example, by subjecting the sulfide-based solid electrolyte to powder X-ray diffraction measurement using CuKα radiation.

硫化物ガラスは、原料組成物(例えばLiSおよびPの混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。 The sulfide glass can be obtained by subjecting a raw material composition (e.g., a mixture of Li2S and P2S5 ) to an amorphous process. Examples of the amorphous process include mechanical milling.

ガラスセラミックスは、例えば、硫化物ガラスを熱処理することにより得ることができる。
熱処理温度は、硫化物ガラスの熱分析測定により観測される結晶化温度(Tc)よりも高い温度であればよく、通常、195℃以上である。一方、熱処理温度の上限は特に限定されない。
硫化物ガラスの結晶化温度(Tc)は、示差熱分析(DTA)により測定することができる。
熱処理時間は、ガラスセラミックスの所望の結晶化度が得られる時間であれば特に限定されるものではないが、例えば1分間~24時間の範囲内であり、中でも、1分間~10時間の範囲内が挙げられる。
熱処理の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる。
Glass ceramics can be obtained, for example, by heat treating a sulfide glass.
The heat treatment temperature may be any temperature higher than the crystallization temperature (Tc) of the sulfide glass observed by thermal analysis, and is usually 195° C. or higher. On the other hand, there is no particular upper limit to the heat treatment temperature.
The crystallization temperature (Tc) of the sulfide glass can be measured by differential thermal analysis (DTA).
The heat treatment time is not particularly limited as long as it is a time that can obtain the desired crystallinity of the glass ceramics, but is, for example, in the range of 1 minute to 24 hours, and particularly, in the range of 1 minute to 10 hours.
The method of heat treatment is not particularly limited, but may be, for example, a method using a baking furnace.

酸化物系固体電解質としては、例えばLi元素と、La元素と、A元素(Aは、Zr、Nb、Ta、及びAlの少なくとも1種である)と、O元素とを有するガーネット型の結晶構造を有する物質等が挙げられる。酸化物系固体電解質としては、例えばLi3+xPO4-x(1≦x≦3)等であってもよい。 The oxide-based solid electrolyte may be, for example, a substance having a garnet-type crystal structure containing Li, La, A (A is at least one of Zr, Nb, Ta, and Al), and O. The oxide-based solid electrolyte may be, for example, Li 3+x PO 4-x N x (1≦x≦3).

固体電解質の形状は、取扱い性が良いという観点から粒子状であってもよい。
固体電解質は、1種単独で、又は2種以上のものを用いることができる。また、2種以上の固体電解質を用いる場合、2種以上の固体電解質を混合してもよい。
負極層中の固体電解質の割合は、特に限定されないが、負極層の総質量を100質量%としたとき、例えば1質量%~80質量%の範囲内であってもよい。
The solid electrolyte may be in the form of particles from the viewpoint of ease of handling.
The solid electrolyte may be used alone or in combination of two or more kinds. When two or more kinds of solid electrolytes are used, the two or more kinds of solid electrolytes may be mixed.
The proportion of the solid electrolyte in the negative electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, within a range of 1 mass % to 80 mass % when the total mass of the negative electrode layer is taken as 100 mass %.

負極層の製造方法は、例えば、以下の通りである。負極活物質の粒子と、固体電解質の粒子と、炭素繊維と、セラミック繊維と、結着剤とを、N-メチルピロリドン等の有機溶媒(分散媒)と混合してスラリー化(又はペースト化)する。当該負極層用スラリー(又はペースト)を集電体等の支持体の一面上に塗布して、負極層用スラリーを乾燥することで支持体上に負極層を形成してもよい。負極層用スラリーを塗布する方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、及びスクリーン印刷法等が挙げられる。
支持体としては、自己支持性を有するものを適宜選択して用いることができ、特に限定はされず、例えばCu及びAlなどの金属箔等を用いることができる。
The method for producing the negative electrode layer is, for example, as follows. Particles of the negative electrode active material, particles of the solid electrolyte, carbon fibers, ceramic fibers, and a binder are mixed with an organic solvent (dispersion medium) such as N-methylpyrrolidone to form a slurry (or a paste). The slurry (or paste) for the negative electrode layer may be applied to one surface of a support such as a current collector, and the slurry for the negative electrode layer may be dried to form a negative electrode layer on the support. The method for applying the slurry for the negative electrode layer is not particularly limited, and examples thereof include a doctor blade method, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a gravure coating method, and a screen printing method.
The support can be appropriately selected from those having self-supporting properties and is not particularly limited. For example, metal foils such as Cu and Al can be used.

本開示の負極層は、固体電池用である。固体電池は、正極層を含む正極、固体電解質層、負極層を含む負極を備えていてもよい。 The negative electrode layer of the present disclosure is for use in a solid-state battery. The solid-state battery may include a positive electrode including a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode including a negative electrode layer.

[正極]
正極は、正極層を含み、必要に応じて正極集電体を含む。
[Positive electrode]
The positive electrode includes a positive electrode layer and, optionally, a positive electrode current collector.

[正極層]
正極層は、正極活物質を含み、任意成分として、固体電解質、導電材、及び結着剤(バインダー)等が含まれていてもよい。
[Positive electrode layer]
The positive electrode layer contains a positive electrode active material, and may contain, as optional components, a solid electrolyte, a conductive material, a binder, and the like.

正極活物質の種類について特に制限はなく、固体電池の活物質として使用可能な材料をいずれも採用可能である。正極活物質は、例えば、金属リチウム(Li)、リチウム合金、LiCoO、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNiCo1-x(0<x<1)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMnO、異種元素置換Li-Mnスピネル、チタン酸リチウム、リン酸金属リチウム、LiCoN、LiSiO、及びLiSiO、遷移金属酸化物、TiS、Si、SiO、Si合金及びリチウム貯蔵性金属間化合物等を挙げることができる。異種元素置換Li-Mnスピネルは、例えばLiMn1.5Ni0.5、LiMn1.5Al0.5、LiMn1.5Mg0.5、LiMn1.5Co0.5、LiMn1.5Fe0.5、及びLiMn1.5Zn0.5等である。チタン酸リチウムは、例えばLiTi12等である。リン酸金属リチウムは、例えばLiFePO、LiMnPO、LiCoPO、及びLiNiPO等である。遷移金属酸化物は、例えばV、及びMoO等である。リチウム貯蔵性金属間化合物は、例えばMgSn、MgGe、MgSb、及びCuSb等である。
リチウム合金としては、Li-Au、Li-Mg、Li-Sn、Li-Si、Li-Al、Li-B、Li-C、Li-Ca、Li-Ga、Li-Ge、Li-As、Li-Se、Li-Ru、Li-Rh、Li-Pd、Li-Ag、Li-Cd、Li-In、Li-Sb、Li-Ir、Li-Pt、Li-Hg、Li-Pb、Li-Bi、Li-Zn、Li-Tl、Li-Te、及びLi-At等が挙げられる。Si合金としては、Li等の金属との合金等が挙げられ、その他、Sn、Ge、及びAlからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属との合金であってもよい。
正極活物質の形状は特に限定されるものではないが、粒子状であってもよい。正極活物質が粒子状である場合、正極活物質は一次粒子であってもよく、二次粒子であってもよい。
正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていても良い。正極活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。
Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO、LiTi12、及び、LiPO等が挙げられる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm以上であり、1nm以上であっても良い。一方、コート層の厚さは、例えば、100nm以下であり、20nm以下であっても良い。正極活物質の表面におけるコート層の被覆率は、例えば、70%以上であり、90%以上であっても良い。
There is no particular limitation on the type of the positive electrode active material, and any material that can be used as an active material for a solid-state battery can be used. Examples of the positive electrode active material include metallic lithium (Li), lithium alloys, LiCoO 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiNi x Co 1-x O 2 (0<x<1), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMnO 2 , Li-Mn spinel substituted with a different element, lithium titanate, lithium metal phosphate, LiCoN, Li 2 SiO 3 , and Li 4 SiO 4 , transition metal oxides, TiS 2 , Si, SiO 2 , Si alloys, and lithium storage intermetallic compounds. Examples of the Li-Mn spinel substituted with different elements include LiMn1.5Ni0.5O4, LiMn1.5Al0.5O4 , LiMn1.5Mg0.5O4 , LiMn1.5Co0.5O4 , LiMn1.5Fe0.5O4 , and LiMn1.5Zn0.5O4 . Examples of the lithium titanate include Li4Ti5O12 . Examples of the lithium metal phosphate include LiFePO4 , LiMnPO4 , LiCoPO4 , and LiNiPO4 . Examples of the transition metal oxide include V2O5 and MoO3 . Examples of lithium-storing intermetallic compounds include Mg 2 Sn, Mg 2 Ge, Mg 2 Sb, and Cu 3 Sb.
Examples of lithium alloys include Li-Au, Li-Mg, Li-Sn, Li-Si, Li-Al, Li-B, Li-C, Li-Ca, Li-Ga, Li-Ge, Li-As, Li-Se, Li-Ru, Li-Rh, Li-Pd, Li-Ag, Li-Cd, Li-In, Li-Sb, Li-Ir, Li-Pt, Li-Hg, Li-Pb, Li-Bi, Li-Zn, Li-Tl, Li-Te, and Li-At. Examples of Si alloys include alloys with metals such as Li, and may also be alloys with at least one metal selected from the group consisting of Sn, Ge, and Al.
The shape of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be particulate. When the positive electrode active material is particulate, the positive electrode active material may be primary particles or secondary particles.
A coating layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the positive electrode active material, because this can suppress the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte.
Examples of Li ion conductive oxides include LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 3 PO 4 . The thickness of the coating layer is, for example, 0.1 nm or more, and may be 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coating layer is, for example, 100 nm or less, and may be 20 nm or less. The coverage of the coating layer on the surface of the positive electrode active material is, for example, 70% or more, and may be 90% or more.

固体電解質としては、負極層において例示するものと同様のものを例示することができる。
正極層における固体電解質の含有量は、特に限定されないが、正極層の総質量を100質量%としたとき、例えば1質量%~80質量%の範囲内であってもよい。
As the solid electrolyte, the same ones as those exemplified in the negative electrode layer can be exemplified.
The content of the solid electrolyte in the positive electrode layer is not particularly limited, but may be, for example, within a range of 1 mass % to 80 mass % when the total mass of the positive electrode layer is taken as 100 mass %.

導電材としては、公知のものを用いることができ、例えば、炭素材料、及び金属粒子等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、VGCF、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種を挙げることができる。中でも、電子伝導性の観点から、VGCF、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。金属粒子としては、Ni、Cu、Fe、及びSUS等の粒子が挙げられる。
正極層における導電材の含有量は特に限定されるものではない。
The conductive material may be a known material, such as a carbon material and metal particles. The carbon material may be at least one selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, VGCF, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. Among them, from the viewpoint of electronic conductivity, at least one selected from the group consisting of VGCF, carbon nanotubes, and carbon nanofibers may be used. The metal particles may be particles of Ni, Cu, Fe, SUS, etc.
The content of the conductive material in the positive electrode layer is not particularly limited.

結着剤としては、負極層において例示するものと同様のものを例示することができる。 Examples of binders include those exemplified in the negative electrode layer.

正極層の厚みについては特に限定されるものではない。 There are no particular limitations on the thickness of the positive electrode layer.

正極層は、従来公知の方法で形成することができる。
例えば、正極活物質、及び、必要に応じ他の成分を溶媒中に投入し、撹拌することにより、正極層用スラリーを作製し、当該正極層用スラリーを正極集電体等の支持体の一面上に塗布して乾燥させることにより、正極層が得られる。
溶媒は、例えば酢酸ブチル、酪酸ブチル、メシチレン、テトラリン、ヘプタン、及びN-メチル-2-ピロリドン(NMP)等が挙げられる。
正極集電体等の支持体の一面上に正極層用スラリーを塗布する方法は、特に限定されず、負極層用スラリーを塗布する方法と同様の方法を例示することができる。
The positive electrode layer can be formed by a conventionally known method.
For example, a positive electrode active material and, if necessary, other components are put into a solvent and stirred to prepare a positive electrode layer slurry, and the positive electrode layer slurry is applied onto one side of a support such as a positive electrode current collector and dried to obtain a positive electrode layer.
Examples of the solvent include butyl acetate, butyl butyrate, mesitylene, tetralin, heptane, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
The method for applying the positive electrode layer slurry onto one surface of a support such as a positive electrode current collector is not particularly limited, and may be, for example, the same method as the method for applying the negative electrode layer slurry.

また、正極層の形成方法の別の方法として、正極活物質及び必要に応じ他の成分を含む正極合剤の粉末を加圧成形することにより正極層を形成してもよい。正極合剤の粉末を加圧成形する場合には、通常、1MPa以上2000MPa以下程度のプレス圧を負荷する。
加圧方法としては、特に制限されないが、例えば、平板プレス、及びロールプレス等を用いて圧力を付加する方法等が挙げられる。
As another method for forming the positive electrode layer, the positive electrode layer may be formed by pressure molding a powder of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material and other components as necessary. When the powder of the positive electrode mixture is pressure molded, a press pressure of about 1 MPa to 2000 MPa is usually applied.
The method of applying pressure is not particularly limited, but examples thereof include a method of applying pressure using a plate press, a roll press, or the like.

[正極集電体]
正極集電体としては、固体電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、及びInからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。正極集電体としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等が挙げられる。
正極集電体の形態は特に限定されるものではなく、箔状、及びメッシュ状等、種々の形態とすることができる。正極集電体の厚さは、形状によって異なるものであるが、例えば1μm~50μmの範囲内であってもよく、5μm~20μmの範囲内であってもよい。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode current collector may be a known metal that can be used as a current collector for a solid-state battery. Examples of such metals include metal materials containing one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Co, Cr, Zn, Ge, and In. Examples of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon.
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited, and may be in various shapes such as a foil shape, a mesh shape, etc. The thickness of the positive electrode current collector varies depending on the shape, but may be, for example, in the range of 1 μm to 50 μm, or in the range of 5 μm to 20 μm.

[負極]
負極は、本開示の負極層を含み、必要に応じて負極集電体を含む。
[Negative electrode]
The negative electrode comprises a negative electrode layer of the present disclosure and optionally a negative electrode current collector.

[負極集電体]
負極集電体の材料は、Liと合金化しない材料であってもよく、例えばSUS及び、銅及び、ニッケル等を挙げることができる。負極集電体の形態としては、例えば、箔状及び、板状等を挙げることができる。負極集電体の平面視形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円状及び、楕円状及び、矩形状及び、任意の多角形状等を挙げることができる。また、負極集電体の厚さは、形状によって異なるものであるが、例えば1μm~50μmの範囲内であってもよく、5μm~20μmの範囲内であってもよい。
[Negative electrode current collector]
The material of the negative electrode current collector may be a material that does not alloy with Li, and examples thereof include SUS, copper, and nickel. Examples of the shape of the negative electrode current collector include foil and plate. The planar shape of the negative electrode current collector is not particularly limited, and examples thereof include a circle, an ellipse, a rectangle, and any polygonal shape. The thickness of the negative electrode current collector varies depending on the shape, and may be, for example, in the range of 1 μm to 50 μm, or in the range of 5 μm to 20 μm.

[固体電解質層]
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含む。
固体電解質としては、負極層において例示するものと同様のものを例示することができる。
固体電解質層中の固体電解質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば50質量%以上であり、60質量%以上100質量%以下の範囲内であってもよく、70質量%以上100質量%以下の範囲内であってもよく、100質量%であってもよい。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer includes at least a solid electrolyte.
As the solid electrolyte, the same ones as those exemplified in the negative electrode layer can be exemplified.
The proportion of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is, for example, 50% by mass or more, may be in the range of 60% by mass or more and 100% by mass or less, may be in the range of 70% by mass or more and 100% by mass or less, or may be 100% by mass.

固体電解質層には、可塑性を発現させる等の観点から、結着剤を含有させることもできる。そのような結着剤としては、負極層に用いられる結着剤として例示した材料等を例示することができる。ただし、高出力化を図り易くするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する固体電解質層を形成可能にする等の観点から、固体電解質層に含有させる結着剤は5質量%以下としてもよい。 The solid electrolyte layer may contain a binder from the viewpoint of expressing plasticity. Examples of such binders include the materials exemplified as the binders used in the negative electrode layer. However, in order to facilitate high output, the binder may be contained in the solid electrolyte layer in an amount of 5 mass% or less from the viewpoint of preventing excessive aggregation of the solid electrolyte and enabling the formation of a solid electrolyte layer having a uniformly dispersed solid electrolyte.

固体電解質層の厚みは特に限定されるものではなく、通常0.1μm以上1mm以下である。
固体電解質層を形成する方法としては、固体電解質を含む固体電解質材料の粉末を加圧成形する方法等が挙げられる。固体電解質材料の粉末を加圧成形する場合には、通常、1MPa以上2000MPa以下程度のプレス圧を負荷する。
加圧方法としては、特に制限されないが、正極層の形成において例示する加圧方法が挙げられる。
The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, and is usually 0.1 μm or more and 1 mm or less.
The method for forming the solid electrolyte layer includes a method of pressing a powder of a solid electrolyte material containing a solid electrolyte, etc. When pressing the powder of the solid electrolyte material, a press pressure of about 1 MPa or more and 2000 MPa or less is usually applied.
The method of applying pressure is not particularly limited, but may be any of the pressure applying methods exemplified in the formation of the positive electrode layer.

固体電池は、必要に応じ、正極集電体、正極層、固体電解質層、負極層および負極集電体をこの順に備えた積層体を収容する外装体及び拘束部材等を備える。
外装体の材質は、電解質に安定なものであれば特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、アクリル樹脂等の樹脂等が挙げられる。
拘束部材は、積層体に、積層方向の拘束圧力を与えることができればよく、固体電池の拘束部材として使用可能な公知の拘束部材を用いることができる。例えば、積層体の両表面を挟む板状部と、2つの板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結され、ねじ構造等により拘束圧力を調整する調整部を有する拘束部材が挙げられる。調整部によって、積層体に所望の拘束圧力を与えることができる。
拘束圧力は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1MPa以上であってもよく、1MPa以上であってもよく、5MPa以上であってもよい。拘束圧力を大きくすることで、各層の接触を良好にしやすいという利点があるためである。一方、拘束圧力は、例えば、100MPa以下であってもよく、50MPa以下であってもよく、20MPa以下であってもよい。拘束圧力が大きすぎると、拘束部材に高い剛性が求められ、拘束部材が大型化する可能性があるためである。
The solid-state battery may optionally include an exterior body that houses a laminate including a positive electrode collector, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode layer, and a negative electrode collector in this order, and a restraining member.
The material of the exterior body is not particularly limited as long as it is stable to the electrolyte, and examples of the material include polypropylene, polyethylene, and resins such as acrylic resin.
The restraining member may be any known member usable as a restraining member for a solid-state battery, as long as it can apply a restraining pressure in the stacking direction to the stack. For example, a restraining member having a plate-shaped portion that sandwiches both surfaces of the stack, a rod-shaped portion that connects the two plate-shaped portions, and an adjustment portion that is connected to the rod-shaped portion and adjusts the restraining pressure by a screw structure or the like can be used. The adjustment portion can apply a desired restraining pressure to the stack.
The restraining pressure is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 MPa or more, 1 MPa or more, or 5 MPa or more. By increasing the restraining pressure, there is an advantage that the contact between the layers is easily improved. On the other hand, the restraining pressure may be, for example, 100 MPa or less, 50 MPa or less, or 20 MPa or less. If the restraining pressure is too high, the restraining member is required to have high rigidity, and the restraining member may become large.

固体電池は、上記積層体を1つのみ有するものであってもよいし、積層体を複数個積層してなるものであってもよい。
固体電池としては、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であってもよい。二次電池は繰り返し充放電が可能である。二次電池は、例えば車載用電池として有用である。また、固体電池は、固体リチウム二次電池、固体リチウムイオン二次電池であってもよい。
固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
本開示において固体電池は、正極と負極の間に介在する電解質層の電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いるものであればよく、正極、負極、及び、電解質層が全て固体の材料で構成される全固体電池であってもよい。
The solid-state battery may have only one of the laminates, or may be formed by stacking a plurality of the laminates.
The solid-state battery may be a primary battery or a secondary battery, but may be a secondary battery. The secondary battery can be repeatedly charged and discharged. The secondary battery is useful, for example, as an in-vehicle battery. The solid-state battery may be a solid-state lithium secondary battery or a solid-state lithium ion secondary battery.
Examples of the shape of the solid-state battery include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.
In the present disclosure, a solid-state battery may be any battery that uses a solid electrolyte instead of an electrolytic solution containing an organic solvent as the electrolyte of an electrolyte layer interposed between a positive electrode and a negative electrode, and may be an all-solid-state battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are all made of solid materials.

本開示の固体電池の製造方法は、例えば、まず、固体電解質材料の粉末を加圧成形することにより固体電解質層を形成する。そして、固体電解質層の一面に正極活物質を含む正極材料の粉末を加圧成形することにより正極層を得る。その後、負極集電体の一面上に負極材料の粉末を加圧成形することにより負極層を得る。固体電解質層の正極層を形成した面とは反対側の面上に負極層が固体電解質層と接するように負極集電体-負極層積層体を取り付ける。そして、正極層の固体電解質層とは反対側の面上に正極集電体を取り付ける。これにより、本開示の固体電池としてもよい。
この場合、負極材料の粉末、固体電解質材料の粉末、及び正極材料の粉末を加圧成形する際のプレス圧は、通常1MPa以上2000MPa以下程度である。
加圧方法としては、特に制限されないが、正極層の形成において例示した加圧方法が挙げられる。
In the method for producing a solid-state battery of the present disclosure, for example, first, a solid electrolyte layer is formed by pressure-molding a powder of a solid electrolyte material. Then, a positive electrode layer is obtained by pressure-molding a powder of a positive electrode material including a positive electrode active material onto one surface of the solid electrolyte layer. Then, a negative electrode layer is obtained by pressure-molding a powder of the negative electrode material onto one surface of a negative electrode current collector. An anode current collector-negative electrode layer laminate is attached to the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the positive electrode layer is formed, so that the negative electrode layer is in contact with the solid electrolyte layer. Then, a positive electrode current collector is attached to the surface of the positive electrode layer opposite to the solid electrolyte layer. This may form a solid-state battery of the present disclosure.
In this case, the pressing pressure when the powder of the negative electrode material, the powder of the solid electrolyte material, and the powder of the positive electrode material are press-molded is usually about 1 MPa or more and 2000 MPa or less.
The method of applying pressure is not particularly limited, but may be any of the pressure applying methods exemplified in the formation of the positive electrode layer.

(実施例1)
[正極の作製]
転動流動造粒コーティング装置でLiNbOコートを行った正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3、平均粒径10μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、導電材(VGCF-H)と、バインダー(PVDF)を、重量比で、正極活物質:硫化物系固体電解質:導電材:バインダー=85.4:12.7:1.3:0.6となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、超音波ホモジナイザー(UH-50、株式会社エスエムテー製)で分散させることにより、正極層用スラリーを得た。得られた正極層用スラリーを、正極集電体(Al箔、厚さ15μm)上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で30分間乾燥させた。その後、1cmの大きさに打ち抜くことにより、正極層および正極集電体を有する正極を得た。
[負極の作製]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)とセラミック繊維(Sigma-Aldrich社製酸化アルミニウム(製品番号:551643))を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー:酸化アルミニウム=45.7:43.3:6.4:1.4:2.7となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。得られた負極層用スラリーを、負極集電体(Ni箔、厚さ22μm)上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で30分間乾燥させた。この時のアプリケーターのギャップ(隙間)は、正極活物質容量を207mAh/g、負極活物質容量を3579mAh/gとした場合に、1cm当たりの負極活物質重量が正極容量/負極容量の比が3となるように調整した。その後、1cmの大きさに打ち抜くことにより、負極層および負極集電体を有する負極を得た。負極層の体積を100体積%としたときのセラミック繊維は、2体積%であった。負極層中には、セラミック繊維は、炭素繊維に対して体積比で0.28含まれていた。
[固体電解質層の作製]
硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径2.0μm)とバインダー(SBR)を、重量比で、硫化物系固体電解質:バインダー=99.6:0.4となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、超音波ホモジナイザー(UH-50、株式会社エスエムテー製)で分散させることにより、固体電解質層用スラリーを得た。得られた固体電解質層用スラリーを、支持体(Al箔、厚さ15μm)上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で30分間乾燥させた。その後、1cmの大きさに打ち抜くことにより、Al箔を有する固体電解質層を得た。
[固体電池の作製]
得られた固体電解質層と、正極を対向させて固体電解質層と正極層とを重ね合わせ、ロールプレス法により、線圧1.6t/cmでプレスした後、固体電解質層からAl箔を剥離することにより、正極層上に固体電解質層を転写した。正極層上に転写された固体電解質層と、負極を対向させて固体電解質層と負極層とを重ね合わせ、1軸プレス機により、面圧5.0t/cmでプレスした後、集電用のタブを正負極集電箔上に配置し、ラミネート封止することにより、固体電池を得た。
Example 1
[Preparation of Positive Electrode]
A positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , average particle size 10 μm) coated with LiNbO 3 using a rolling fluidized granulation coating device, a sulfide-based solid electrolyte (10 LiI.15 LiBr.75 (0.75 Li 2 S.0.25 P 2 S 5 ) (mol%), average particle size 0.5 μm), a conductive material (VGCF-H), and a binder (PVDF) were weighed out so that the weight ratio of the positive electrode active material:sulfide-based solid electrolyte:conductive material:binder was 85.4:12.7:1.3:0.6, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed using an ultrasonic homogenizer (UH-50, manufactured by SMT Co., Ltd.) to obtain a slurry for the positive electrode layer. The obtained slurry for the positive electrode layer was applied to a positive electrode current collector (Al foil, thickness 15 μm) by a blade coating method using an applicator, and dried for 30 minutes at 100° C. Thereafter, a positive electrode having a positive electrode layer and a positive electrode current collector was obtained by punching out the positive electrode layer and the positive electrode current collector to a size of 1 cm2 .
[Preparation of negative electrode]
A negative electrode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), a sulfide-based solid electrolyte (10LiI·15LiBr·75(0.75Li 2 S·0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), binder (SBR), and ceramic fiber (aluminum oxide manufactured by Sigma-Aldrich (product number: 551643)) were weighed out in a weight ratio of negative electrode active material: sulfide-based solid electrolyte: carbon fiber: binder: aluminum oxide = 45.7: 43.3: 6.4: 1.4: 2.7, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the negative electrode layer. The obtained slurry for the negative electrode layer was applied to a negative electrode current collector (Ni foil, thickness 22 μm) by a blade coating method using an applicator, and dried at 100 ° C. for 30 minutes. The applicator gap (gap) at this time was adjusted so that the ratio of the positive electrode capacity/negative electrode capacity of the negative electrode active material weight per 1 cm 2 was 3 when the positive electrode active material capacity was 207 mAh / g and the negative electrode active material capacity was 3579 mAh / g. Then, by punching out to a size of 1 cm 2 , a negative electrode having a negative electrode layer and a negative electrode current collector was obtained. The ceramic fiber was 2 vol % when the volume of the negative electrode layer was 100 vol %. The ceramic fiber was contained in the negative electrode layer at a volume ratio of 0.28 to the carbon fiber.
[Preparation of solid electrolyte layer]
A sulfide-based solid electrolyte (10LiI.15LiBr.75( 0.75Li2S.0.25P2S5 ) (mol%), average particle size 2.0 μm) and a binder (SBR) were weighed out so that the weight ratio of sulfide-based solid electrolyte:binder was 99.6:0.4, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer (UH-50, manufactured by SMT Co., Ltd.) to obtain a slurry for a solid electrolyte layer. The obtained slurry for a solid electrolyte layer was applied to a support (Al foil, thickness 15 μm) by a blade coating method using an applicator, and dried at 100°C for 30 minutes. Thereafter, a solid electrolyte layer having an Al foil was obtained by punching out to a size of 1 cm2 .
[Fabrication of solid-state battery]
The obtained solid electrolyte layer was placed opposite the positive electrode, and the solid electrolyte layer and the positive electrode layer were overlapped, and pressed at a linear pressure of 1.6 t/cm by a roll press method, and then the Al foil was peeled off from the solid electrolyte layer to transfer the solid electrolyte layer onto the positive electrode layer. The solid electrolyte layer transferred onto the positive electrode layer was placed opposite the negative electrode, and the solid electrolyte layer and the negative electrode layer were overlapped, and pressed at a surface pressure of 5.0 t/ cm2 by a uniaxial press, and then a current collecting tab was placed on the positive and negative electrode current collecting foils, and laminated and sealed to obtain a solid battery.

[実施例2]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)とセラミック繊維(Sigma-Aldrich社製酸化アルミニウム(製品番号:551643))を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー:酸化アルミニウム=45.1:42.8:6.3:1.4:4.1となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。その他の作成方法は実施例1と同様である。負極層の体積を100体積%としたときのセラミック繊維は、3体積%であった。負極層中には、セラミック繊維は、炭素繊維に対して体積比で0.42含まれていた。
[Example 2]
A negative electrode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), a sulfide-based solid electrolyte (10LiI·15LiBr·75(0.75Li 2 S·0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), binder (SBR) and ceramic fiber (aluminum oxide manufactured by Sigma-Aldrich (product number: 551643)) were weighed out in a weight ratio of negative electrode active material: sulfide-based solid electrolyte: carbon fiber: binder: aluminum oxide = 45.1: 42.8: 6.3: 1.4: 4.1, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the negative electrode layer. The other preparation methods were the same as those in Example 1. The ceramic fibers accounted for 3% by volume when the volume of the negative electrode layer was taken as 100% by volume. The ceramic fibers were contained in the negative electrode layer in a volume ratio of 0.42 to the carbon fibers.

[実施例3]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)とセラミック繊維(Sigma-Aldrich社製酸化アルミニウム(製品番号:551643))を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー:酸化アルミニウム=44.4:42.1:6.2:1.3:5.5となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。その他の作成方法は実施例1と同様である。負極層の体積を100体積%としたときのセラミック繊維は、4.1体積%であった。負極層中には、セラミック繊維は、炭素繊維に対して体積比で0.59含まれていた。
[Example 3]
Anode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), sulfide-based solid electrolyte (10LiI·15LiBr·75(0.75Li 2 S·0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), binder (SBR) and ceramic fiber (Sigma-Aldrich aluminum oxide (product number: 551643)) were weighed out in a weight ratio of anode active material:sulfide-based solid electrolyte:carbon fiber:binder:aluminum oxide=44.4:42.1:6.2:1.3:5.5, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the anode layer. The other preparation methods were the same as those in Example 1. The volume ratio of the ceramic fibers to the carbon fibers in the negative electrode layer was 4.1% by volume, based on the volume of the negative electrode layer being 100% by volume. The volume ratio of the ceramic fibers to the carbon fibers in the negative electrode layer was 0.59.

[比較例1]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー=47.0:44.6:6.6:1.4なるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。すなわちセラミック繊維を添加しなかった。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。その他の作成方法は実施例1と同様である。
[Comparative Example 1]
A negative electrode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), a sulfide-based solid electrolyte (10LiI.15LiBr.75(0.75Li 2 S.0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), and a binder (SBR) were weighed out so that the weight ratio of the negative electrode active material:sulfide-based solid electrolyte:carbon fiber:binder was 47.0:44.6:6.6:1.4, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). That is, no ceramic fiber was added. The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the negative electrode layer. The other preparation methods were the same as those in Example 1.

[実施例4]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)とセラミック繊維(Sigma-Aldrich社製酸化アルミニウム(製品番号:551643))を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー:酸化アルミニウム=45.9:43.5:6.4:1.4:2.3となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。その他の作成方法は実施例1と同様である。負極層の体積を100体積%としたときのセラミック繊維は、1.7体積%であった。負極層中には、セラミック繊維は、炭素繊維に対して体積比で0.24含まれていた。
[Example 4]
A negative electrode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), a sulfide-based solid electrolyte (10LiI·15LiBr·75(0.75Li 2 S·0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), binder (SBR) and ceramic fiber (aluminum oxide manufactured by Sigma-Aldrich (product number: 551643)) were weighed out in a weight ratio of negative electrode active material: sulfide-based solid electrolyte: carbon fiber: binder: aluminum oxide = 45.9: 43.5: 6.4: 1.4: 2.3, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the negative electrode layer. The other preparation methods were the same as those in Example 1. The amount of the ceramic fibers was 1.7% by volume when the volume of the negative electrode layer was taken as 100% by volume. The volume ratio of the ceramic fibers to the carbon fibers in the negative electrode layer was 0.24.

[比較例2]
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、硫化物系固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75LiS・0.25P)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、炭素繊維(VGCF-H)と、バインダー(SBR)とセラミック繊維(Sigma-Aldrich社製酸化アルミニウム(製品番号:551643))を、重量比で、負極活物質:硫化物系固体電解質:炭素繊維:バインダー:酸化アルミニウム=44.0:41.7:6.2:1.3:6.4となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス30-L型、プライミクス株式会社製)で分散させることにより、負極層用スラリーを得た。その他の作成方法は実施例1と同様である。負極層の体積を100体積%としたときのセラミック繊維は、4.7体積%であった。負極層中には、セラミック繊維は、炭素繊維に対して体積比で0.68含まれていた。
[Comparative Example 2]
Anode active material (Si particles, average particle size 2.5 μm), sulfide-based solid electrolyte (10LiI·15LiBr·75(0.75Li 2 S·0.25P 2 S 5 )(mol%), average particle size 0.5 μm), carbon fiber (VGCF-H), binder (SBR) and ceramic fiber (Sigma-Aldrich aluminum oxide (product number: 551643)) were weighed out in a weight ratio of anode active material:sulfide-based solid electrolyte:carbon fiber:binder:aluminum oxide=44.0:41.7:6.2:1.3:6.4, and mixed with a dispersion medium (diisobutyl ketone). The obtained mixture was dispersed with a thin film swirling high-speed mixer (Filmix 30-L type, manufactured by Primix Corporation) to obtain a slurry for the anode layer. The other preparation methods were the same as those in Example 1. The volume ratio of the ceramic fibers to the carbon fibers in the negative electrode layer was 4.7% by volume, based on the volume of the negative electrode layer being 100% by volume. The volume ratio of the ceramic fibers to the carbon fibers in the negative electrode layer was 0.68.

[充放電評価]
作製した実施例1~4、比較例1~2の各固体電池を25℃の恒温槽内で0.364mAhで4.05Vまで定電流充電を行った後、4.05Vにて定電圧充電を電流値が0.036mAhになるまで充電を行い、0.364mAhで2.5Vまで定電流放電を行った後、2.5Vにて定電圧放電を電流値が0.036mAhになるまで放電を行った。これを3回繰り返した。
サイクル特性評価は60℃の恒温槽で3.64mAhで4.05Vまで定電流充電を行った後、4.05Vにて定電圧充電を電流値が1.21mAhになるまで充電を行い、3.64mAhで2.5Vまで定電流放電を行った後、2.5Vにて定電圧放電を電流値が1.21mAhになるまで放電を行った。これを30回繰り返し、30サイクル後放電容量維持率を評価した。30サイクル後放電容量維持率は、以下の式から算出した。結果を表1に示す。また、セラミック繊維0体積(vol)%添加に対する初期抵抗率と30サイクル後の抵抗増加率を算出した。結果を図2に示す。
30サイクル後放電容量維持率(%)=(30サイクル後放電容量/1サイクル目放電容量)×100
[Charge/Discharge Evaluation]
The solid-state batteries prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were charged at a constant current of 0.364 mAh to 4.05 V in a thermostatic chamber at 25° C., then charged at a constant voltage of 4.05 V until the current value reached 0.036 mAh, discharged at a constant current of 0.364 mAh to 2.5 V, and then discharged at a constant voltage of 2.5 V until the current value reached 0.036 mAh. This was repeated three times.
The cycle characteristics were evaluated by performing constant current charging at 3.64 mAh up to 4.05 V in a thermostatic bath at 60° C., constant voltage charging at 4.05 V until the current value reached 1.21 mAh, constant current discharging at 3.64 mAh up to 2.5 V, and constant voltage discharging at 2.5 V until the current value reached 1.21 mAh. This was repeated 30 times to evaluate the discharge capacity retention rate after 30 cycles. The discharge capacity retention rate after 30 cycles was calculated from the following formula. The results are shown in Table 1. In addition, the initial resistivity and the resistance increase rate after 30 cycles for the addition of 0 volume (vol)% ceramic fiber were calculated. The results are shown in FIG. 2.
Discharge capacity retention rate after 30 cycles (%)=(discharge capacity after 30 cycles/discharge capacity at 1st cycle)×100

Figure 0007697326000001
Figure 0007697326000001

図2は、セラミック繊維0体積%添加に対する初期抵抗率と30サイクル後の抵抗増加率を示す図である。
図2に示すように、セラミック繊維を添加していない比較例1と比較して、実施例1~4、比較例2の初期抵抗率は増加するが、実施例1~4の30サイクル後の抵抗増加率は、セラミック繊維の添加により減少している。
表1に示すように、放電容量維持率は、セラミック繊維を添加していない比較例1と比較して、実施例1~4はセラミック繊維の添加により向上している。このことから、更にサイクル数を増した場合には放電容量維持率の差がより顕著に現れると考えられる。
したがって、セラミック繊維を1.7~4.1体積%含む負極層を固体電池に用いることにより、固体電池の充放電サイクル特性を良好にすることができることが実証された。
FIG. 2 is a graph showing the initial resistivity and the resistance increase rate after 30 cycles for 0 volume % of ceramic fiber added.
As shown in FIG. 2, the initial resistivities of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2 are higher than those of Comparative Example 1, in which no ceramic fibers were added, but the resistance increase rate after 30 cycles of Examples 1 to 4 is reduced by the addition of ceramic fibers.
As shown in Table 1, the discharge capacity retention rate is improved by adding ceramic fibers in Examples 1 to 4, compared to Comparative Example 1, in which no ceramic fibers were added. From this, it is considered that the difference in the discharge capacity retention rate becomes more noticeable when the number of cycles is further increased.
Therefore, it was demonstrated that the use of a negative electrode layer containing 1.7 to 4.1 volume % of ceramic fibers in a solid-state battery can improve the charge-discharge cycle characteristics of the solid-state battery.

11 負極活物質
12 結着剤
13 固体電解質
14 炭素繊維
15 セラミック繊維
100 負極層
11: negative electrode active material 12: binder 13: solid electrolyte 14: carbon fiber 15: ceramic fiber 100: negative electrode layer

Claims (1)

固体電池用の負極層であって、
前記負極層は、負極活物質と、結着剤と、炭素繊維と、セラミック繊維と、を含み、
前記セラミック繊維は、前記負極層中に3~4.1体積%含まれ
前記セラミック繊維は、前記負極層中に前記炭素繊維に対して体積比で0.42以上0.59以下含まれることを特徴とする負極層。
1. A negative electrode layer for a solid-state battery, comprising:
The negative electrode layer includes a negative electrode active material, a binder, carbon fibers, and ceramic fibers,
The ceramic fibers are contained in the negative electrode layer at 3 to 4.1% by volume ,
The negative electrode layer , wherein the ceramic fibers are contained in the negative electrode layer in a volume ratio to the carbon fibers of 0.42 to 0.59 .
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