JP7708542B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium 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。硫黄単体(S)や硫化物系材料からなる正極活物質や、硫黄を含有する固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池は、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 secondary batteries using oxide- or sulfide-based solid electrolytes, has been actively conducted. A solid electrolyte is a material composed mainly of an ion conductor capable of ion conduction in a solid state. For this reason, in principle, all-solid-state lithium 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 secondary batteries using positive electrode active materials made of elemental sulfur (S) or sulfide-based materials, and solid electrolytes containing sulfur, are promising candidates.
ところで、リチウム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)。金属リチウムの電析が発生すると、析出したデンドライトが電解質層を貫通することで電池の内部短絡が引き起こされるという問題がある。この内部短絡の問題は、電池のエネルギー密度の向上の観点から固体電解質層を薄膜化した場合に特に顕著に発現する。 In a lithium 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 electrodeposition of metallic lithium). When electrodeposition of metallic lithium occurs, the precipitated dendrites penetrate the electrolyte layer, causing an internal short circuit in the battery. This problem of internal short circuit is particularly evident when the solid electrolyte layer is made thin in order to improve the energy density of the battery.
このような金属リチウムの電析を防止することを目的として、例えば特許文献1には、リチウムイオン伝導性無機固体電解質を含む固体電解質層を有する二次電池において、負極活物質として粒状の金属リチウムとカーボンブラックとの混合体を使用し、これらの混合比を特定の範囲に制御する技術が開示されている。 For the purpose of preventing such electrodeposition of metallic lithium, for example, Patent Document 1 discloses a technique in which a mixture of granular metallic lithium and carbon black is used as the negative electrode active material in a secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, and the mixture ratio of these is controlled within a specific range.
本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の技術を用いて金属リチウムの電析を防止しようとすると、高い充放電レートでの充放電の際に十分な容量が取り出せない(すなわち、いわゆる充放電レート特性が十分ではない)という問題があることが判明した。このように充放電レート特性が不十分である二次電池は、急速充放電に対応して十分な容量を活用することができない。 According to the inventors' investigations, it was found that if the technology described in Patent Document 1 is used to prevent the electrodeposition of metallic lithium, there is a problem in that sufficient capacity cannot be extracted during charging and discharging at high charge and discharge rates (i.e., the so-called charge and discharge rate characteristics are insufficient). A secondary battery with such insufficient charge and discharge rate characteristics cannot utilize sufficient capacity in response to rapid charging and discharging.
そこで本発明は、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させ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 improving the charge/discharge rate characteristics of a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.
本発明の一形態によれば、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性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リチウム二次電池が提供される。そして、当該リチウム二次電池においては、前記負極が、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい点に特徴がある。 According to one aspect of the present invention, a lithium secondary battery is provided that includes a power generating element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and includes a lithium ion conductive solid electrolyte. The lithium secondary battery is characterized in that the negative electrode includes a lithium ion/electron conductive structure that includes a conductive porous body and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a portion of the inner surface of the porous body, and that the porosity of the lithium ion/electron conductive structure is greater than the porosity of the solid electrolyte layer.
本発明の他の形態もまた、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性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リチウム二次電池に関するものである。当該形態に係るリチウム二次電池においては、前記負極が、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている点に特徴がある。 Another aspect of the present invention also relates to a lithium secondary battery including a power generating element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and including a lithium ion conductive solid electrolyte. In the lithium secondary battery according to this aspect, the negative electrode includes a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body and a lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body, and the porosity of the lithium ion/electron conductive structure is larger than the porosity of the solid electrolyte layer, and metallic lithium is held in the pores of the lithium ion/electron conductive structure.
本発明に係るリチウム二次電池においては、導電性多孔体が固体電解質で被覆されてなるリチウムイオン/電子伝導性構造体の存在により、負極におけるリチウムイオンの伝導パスおよび電子の伝導パスがともに十分に確保される。その結果、本発明によれば、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることが可能となる。 In the lithium secondary battery according to the present invention, the presence of a lithium ion/electron conductive structure in which a conductive porous body is coated with a solid electrolyte ensures sufficient conduction paths for lithium ions and electrons in the negative electrode. As a result, according to the present invention, it is possible to improve the charge and discharge rate characteristics in a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.
本発明の一形態(第1の形態)は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性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、前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい、リチウム二次電池である。第1の形態に係るリチウム二次電池が完全放電状態のとき、負極(具体的には、リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙)は金属リチウムを含まない。一方、第1の形態に係るリチウム二次電池が充電された状態のとき、負極は金属リチウムを含んでいる。 One embodiment (first embodiment) of the present invention is a lithium secondary battery comprising a power generating element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and including a first lithium ion conductive solid electrolyte, the negative electrode including a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body, the porosity of the lithium ion/electron conductive structure being greater than the porosity of the solid electrolyte layer. When the lithium secondary battery according to the first embodiment is in a fully discharged state, the negative electrode (specifically, the pores of the lithium ion/electron conductive structure) does not contain metallic lithium. On the other hand, when the lithium secondary battery according to the first embodiment is in a charged state, the negative electrode contains metallic lithium.
本発明の他の形態(第2の形態)は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性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、前記負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている、リチウム二次電池である。つまり、第2の形態に係るリチウム二次電池は、充電された状態である。 Another embodiment (second embodiment) of the present invention is a lithium secondary battery comprising a power generating element having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a first lithium ion conductive solid electrolyte, the negative electrode containing a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body, the porosity of the lithium ion/electron conductive structure being greater than the porosity of the solid electrolyte layer, and metallic lithium being held in the pores of the lithium ion/electron conductive structure. In other words, the lithium secondary battery according to the second embodiment is in a charged state.
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 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10a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負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10a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、負極集電板25および正極集電板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 10a has a flat rectangular shape, and a negative electrode current collector 25 and a positive electrode current collector 27 for extracting power are pulled out from both sides. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked battery 10a, and its periphery is heat-sealed, and the power generating element 21 is sealed with the negative electrode current collector 25 and the positive 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。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板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、巻回型のリチウム二次電池では、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 negative current collector 25 and the positive current collector 27 may be pulled out from the same side, or the negative current collector 25 and the positive current collector 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 secondary 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10a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種であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)を含んでいる。負極は、負極集電体11’の両面にリチウムイオン/電子伝導性構造体13が配置された構造を有する。ここで、リチウムイオン/電子伝導性構造体13は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質とを含んでいる(リチウムイオン/電子伝導性構造体13の詳細については後述する)。なお、積層型電池10aが完全放電状態のとき、負極には金属リチウムが存在しない。一方、積層型電池10aが充電されると、リチウムイオンが正極活物質層15から固体電解質層17を経て負極のリチウムイオン/電子伝導性構造体13に到達し、当該構造体13の空隙中に金属リチウムまたはリチウム含有合金として析出する。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15が配置された構造を有する。具体的には、1つのリチウムイオン/電子伝導性構造体13とこれに隣接する正極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、負極、固体電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する負極、固体電解質層および正極は、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10a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 10a 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 an argyrodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl), which is a type of sulfide solid electrolyte. The negative electrode has a structure in which a lithium ion/electron conductive structure 13 is disposed on both sides of a negative electrode current collector 11'. Here, the lithium ion/electron conductive structure 13 contains a conductive porous body and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of the inner surface of the porous body (details of the lithium ion/electron conductive structure 13 will be described later). Note that when the stacked battery 10a is in a fully discharged state, no metallic lithium is present in the negative electrode. On the other hand, when the stacked battery 10a is charged, lithium ions reach the lithium ion/electron conductive structure 13 of the negative electrode from the positive electrode active material layer 15 through the solid electrolyte layer 17, and are precipitated as metallic lithium or a lithium-containing alloy in the voids of the structure 13. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 containing a positive electrode active material are disposed on both sides of a positive electrode current collector 11". Specifically, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode are stacked in this order such that one lithium ion/electron conductive structure 13 and an adjacent positive electrode active material layer 15 face each other with the solid electrolyte layer 17 interposed therebetween. As a result, the adjacent negative electrode, solid electrolyte layer, and positive electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in FIG. 2 can be said to have a structure 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負極集電体には、いずれも片面のみにリチウムイオン/電子伝導性構造体13が配置されているが、両面にリチウムイオン/電子伝導性構造体が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ当該構造体を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に当該構造体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 negative electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a lithium ion/electron conductive structure 13 disposed on only one side, but lithium ion/electron conductive structures may be provided on both sides. In other words, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer with the structure provided on only one side, a current collector with the structure on both sides may be used as the outermost layer current collector as it is.
負極集電体11’および正極集電体11”には、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(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。負極集電板25および正極集電板27はそれぞれ、必要に応じて負極リードおよび正極リード(図示せず)を介して、各電極の負極集電体11’および正極集電体11”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。 A negative electrode collector (tab) 25 and a positive electrode collector (tab) 27 that are electrically connected to the electrodes (positive and negative electrodes) are attached to the negative electrode collector 11' and the positive electrode collector 11", respectively, 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 negative electrode collector 25 and the positive electrode collector 27 may be attached to the negative electrode collector 11' and the positive electrode collector 11" of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, respectively, via negative electrode leads and positive electrode leads (not shown) as necessary.
図3は、図1および図2に示す積層型電池10a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。図3では、単電池層19を構成する負極集電体11’と、リチウムイオン/電子伝導性構造体13と、固体電解質層17と、正極活物質層15と、正極集電体11”と、がこの順に積層されている。そして、図3に示す実施形態において、リチウムイオン/電子伝導性構造体13は、導電性を有する多孔体(導電性多孔体)であるステンレス(ここでは、SUS304)製の多孔体によってその形状が規定されている。導電性多孔体(ステンレス製多孔体)の内表面は、固体電解質層17を構成するのと同じ硫化物固体電解質であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)によって被覆されている。ここで、上記のような構成を有するリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙率は例えば60%であり、固体電解質層の空隙率(例えば、5%)よりも大きい値となるように構成されている。また、積層型電池10aが充電された状態のとき、上記導電性多孔体(ステンレス製多孔体)の空隙中には金属リチウムが保持されている。なお、上述した導電性多孔体の空隙率の値は、空隙中に金属リチウムが保持されていない状態で測定される値である。 3 is an enlarged cross-sectional view of the cell layer 19 constituting the power generating element 21 of the laminated battery 10a shown in FIGS. 1 and 2. In FIG. 3, the negative electrode current collector 11', the lithium ion/electron conductive structure 13, the solid electrolyte layer 17, the positive electrode active material layer 15, and the positive electrode current collector 11" constituting the cell layer 19 are laminated in this order. In the embodiment shown in FIG. 3, the shape of the lithium ion/electron conductive structure 13 is determined by a porous body made of stainless steel (here, SUS304) which is a porous body having electrical conductivity (conductive porous body). The inner surface of the conductive porous body (stainless steel porous body) is filled with an argyrodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl). Here, the porosity of the lithium ion/electron conductive structure 13 having the above-mentioned configuration is, for example, 60%, which is configured to be a value larger than the porosity of the solid electrolyte layer (for example, 5%). Furthermore, when the stacked battery 10a is in a charged state, metallic lithium is held in the pores of the conductive porous body (stainless steel porous body). The porosity value of the conductive porous body described above is a value measured in a state in which metallic lithium is not held in the pores.
好ましい実施形態において、負極はリチウムと合金化しうる金属をさらに含んでいる。具体的には、例えば、リチウムと合金化しうる金属である銀(Ag)の粒子が、導電性多孔体の内表面を被覆する固体電解質の表面上に分散した状態で付着している。このような構成によれば、積層型電池10aの充電時に負極に到達したリチウムイオンは銀(Ag)と合金化してリチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されることになる。金属リチウムが単体で析出する場合と比較して、リチウム含有合金として析出する場合の方が析出エネルギーは小さいことから、上記のような構成とすることにより、金属リチウムをより均一に析出させることが可能となる。また、リチウムイオン/電子伝導性構造体と固体電解質層との間の界面抵抗も低下してより大きい電流密度を実現することが可能である。その結果、レート特性がよりいっそう向上しうる。なお、本明細書において、「リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている」という概念には、金属リチウムがリチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されている形態も包含されるものとする。 In a preferred embodiment, the negative electrode further contains a metal that can be alloyed with lithium. Specifically, for example, particles of silver (Ag), which is a metal that can be alloyed with lithium, are attached in a dispersed state on the surface of the solid electrolyte that covers the inner surface of the conductive porous body. With this configuration, lithium ions that reach the negative electrode during charging of the stacked battery 10a are alloyed with silver (Ag) and held in the voids of the lithium ion/electron conductive structure 13 as a lithium-containing alloy. Compared to when metallic lithium is precipitated as a single substance, the precipitation energy is smaller when it is precipitated as a lithium-containing alloy, so that the above-mentioned configuration makes it possible to precipitate metallic lithium more uniformly. In addition, the interface resistance between the lithium ion/electron conductive structure and the solid electrolyte layer is also reduced, making it possible to achieve a higher current density. As a result, the rate characteristics can be further improved. In this specification, the concept of "metallic lithium is held in the voids of the lithium ion/electron conductive structure" also includes a form in which metallic lithium is held in the voids of the lithium ion/electron conductive structure 13 as a lithium-containing alloy.
図3に示す実施形態において、例えば積層型電池10aの充電時には、リチウムイオン/電子伝導性構造体13と固体電解質層17との界面において電析により金属リチウムからなるデンドライトが発生することがある。このデンドライトは正極活物質層15側に向かって成長する。本実施形態においてはリチウムイオン/電子伝導性構造体13を構成する導電性多孔体の空隙率が固体電解質層17の空隙率よりも大きいため、発生したデンドライトは固体電解質層17側(すなわち、正極活物質層15側)よりも導電性多孔体側に成長しやすい。したがって、図3に示す実施形態においては、固体電解質層17側(すなわち、正極活物質層15側)へのデンドライトの成長が抑制され、内部短絡の発生が防止されうる。 In the embodiment shown in FIG. 3, for example, when the stacked battery 10a is charged, dendrites made of metallic lithium may be generated by electrodeposition at the interface between the lithium ion/electron conductive structure 13 and the solid electrolyte layer 17. These dendrites grow toward the positive electrode active material layer 15. In this embodiment, the porosity of the conductive porous body constituting the lithium ion/electron conductive structure 13 is greater than the porosity of the solid electrolyte layer 17, so that the generated dendrites tend to grow toward the conductive porous body side rather than toward the solid electrolyte layer 17 side (i.e., the positive electrode active material layer 15 side). Therefore, in the embodiment shown in FIG. 3, the growth of dendrites toward the solid electrolyte layer 17 side (i.e., the positive electrode active material layer 15 side) is suppressed, and the occurrence of an internal short circuit can be prevented.
また、積層型電池10aの充放電時には、各電極におけるリチウムイオンおよび電子の伝導がスムーズになされることが入出力特性の観点からは重要である。ここで、図3に示す実施形態においては、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体13のうち、導電性多孔体(ステンレス製多孔体)が電子の伝導パスとして機能する。また、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体13のうち、導電性多孔体の内表面を被覆している固体電解質(アルジロダイト型硫化物固体電解質)がリチウムイオンの伝導パスとして機能する。このように、本形態に係るリチウム二次電池においては、負極における電子およびリチウムイオンの伝導パスがともに十分に確保されている。その結果、本形態に係るリチウム二次電池によれば、リチウムイオン伝導性固体電解質を含む固体電解質層を有するリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることが可能となる。 In addition, when charging and discharging the stacked battery 10a, it is important from the viewpoint of input/output characteristics that the lithium ions and electrons are smoothly conducted in each electrode. Here, in the embodiment shown in FIG. 3, among the lithium ion/electron conductive structure 13 constituting the negative electrode, the conductive porous body (stainless steel porous body) functions as a conductive path for electrons. Also, among the lithium ion/electron conductive structure 13 constituting the negative electrode, the solid electrolyte (Argyrodite-type sulfide solid electrolyte) covering the inner surface of the conductive porous body functions as a conductive path for lithium ions. Thus, in the lithium secondary battery according to this embodiment, both the conductive paths for electrons and lithium ions in the negative electrode are sufficiently secured. As a result, according to the lithium secondary battery according to this embodiment, it is possible to improve the charge/discharge rate characteristics in a lithium secondary battery having a solid electrolyte layer containing a lithium ion conductive solid electrolyte.
以下、本形態に係る全固体電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the all-solid-state battery according to this embodiment are described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの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 the electrode active material layer. There are no particular limitations 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 to these, clad materials of nickel and aluminum, clad materials of copper and aluminum, etc. may also be used. Also, foils in which the 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, etc.
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 resins in which conductive fillers are added as necessary to non-conductive polymeric materials.
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。また、本形態に係る全固体リチウム二次電池において、負極は導電性多孔体によってその形状が規定されている。したがって、場合によっては、負極集電体を別途設けることなく、導電性多孔体に負極集電体としての機能を担わせることも可能である。この場合には、導電性多孔体に直接、後述する負極リードを接続すればよい。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of a suitable 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 conductivity. From the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector. In the all-solid-state lithium secondary battery according to this embodiment, the shape of the negative electrode is determined by the conductive porous body. Therefore, in some cases, it is possible to make the conductive porous body function as the negative electrode current collector without separately providing a negative electrode current collector. In this case, the negative electrode lead described later can be directly connected to the conductive porous body.
[負極]
本発明に係るリチウム二次電池において、負極は、導電性を有する多孔体と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆するリチウムイオン伝導性固体電解質とを含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含む点に特徴がある。また、上述したように、本発明に係るリチウム二次電池が完全放電状態のとき、負極は金属リチウムを含まない。一方、本発明に係るリチウム二次電池が充電された状態のとき、負極は金属リチウムを単体またはリチウム含有合金の形態で含んでいる。なお、負極集電体を別途用いずに導電性多孔体自体に負極集電体としての機能を担わせる場合には、リチウムイオン/電子伝導性構造体がそのまま負極となる。
[Negative electrode]
In the lithium secondary battery according to the present invention, the negative electrode is characterized in that it contains a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body and a lithium ion conductive solid electrolyte that covers at least a part of the inner surface of the porous body. As described above, when the lithium secondary battery according to the present invention is in a fully discharged state, the negative electrode does not contain metallic lithium. On the other hand, when the lithium secondary battery according to the present invention is in a charged state, the negative electrode contains metallic lithium in the form of a simple substance or a lithium-containing alloy. In addition, when a separate negative electrode current collector is not used and the conductive porous body itself is made to function as a negative electrode current collector, the lithium ion/electron conductive structure itself becomes the negative electrode.
(導電性を有する多孔体)
導電性を有する多孔体(導電性多孔体)は、多孔質構造(多数の空隙)を内部に有し、導電性を有する部材である。導電性多孔体を構成する材料は、導電性を有する材料であればよく、集電体の構成材料として上述した材料が同様に採用されうる。なかでも、安価に入手が容易で本発明の作用効果に優れるという観点から、導電性多孔体は金属材料または炭素材料を含むことが好ましい。ここで、金属材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス(SUS304、SUS316L等)、チタン、および銅などが挙げられる。また、炭素材料としては、ハードカーボン、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、フラーレン、メソポーラスカーボンまたは活性炭などが挙げられる。なかでも、導電性多孔体はステンレス、ニッケル、カーボンブラック、ハードカーボン、メソポーラスカーボンまたは活性炭を含むことがより好ましい。
(Conductive porous body)
A conductive porous body (conductive porous body) is a member having a porous structure (a large number of voids) inside and having conductivity. The material constituting the conductive porous body may be any material having conductivity, and the above-mentioned materials may be similarly adopted as the constituent material of the current collector. In particular, from the viewpoint of being inexpensive and easy to obtain and having excellent effects of the present invention, the conductive porous body preferably contains a metal material or a carbon material. Here, examples of the metal material include aluminum, nickel, iron, stainless steel (SUS304, SUS316L, etc.), titanium, and copper. Examples of the carbon material include hard carbon, acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, fullerene, mesoporous carbon, and activated carbon. In particular, it is more preferable that the conductive porous body contains stainless steel, nickel, carbon black, hard carbon, mesoporous carbon, or activated carbon.
導電性多孔体の形状について特に制限はないが、例えば金属材料から構成されるのであれば、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル、発泡体などの形状が好ましく例示される。また、金属材料または炭素材料の粉末を圧粉成形などの方法によって成形してなる成形体を導電性多孔体として用いてもよい。 There are no particular limitations on the shape of the conductive porous body, but if it is made of a metal material, preferred examples include shapes such as mesh, expanded grid (expanded metal), punched metal, and foam. In addition, a molded body obtained by molding powder of a metal material or carbon material by a method such as powder compaction may be used as the conductive porous body.
上述したように、導電性多孔体は多孔質構造(多数の空隙)を内部に有するが、その空隙率の値は、固体電解質層の空隙率よりも大きければ特に制限されない。導電性多孔体の空隙率は、好ましくは5~95%であり、より好ましくは30~90%であり、さらに好ましくは50~70%である。なお、導電性多孔体の空隙率の値は、従来公知の手法を適宜採用することによって制御することが可能である。 As described above, the conductive porous body has a porous structure (a large number of voids) inside, but the porosity value is not particularly limited as long as it is greater than the porosity of the solid electrolyte layer. The porosity of the conductive porous body is preferably 5 to 95%, more preferably 30 to 90%, and even more preferably 50 to 70%. The porosity value of the conductive porous body can be controlled by appropriately adopting conventionally known methods.
導電性多孔体の厚みについても特に制限はないが、好ましくは20~300μmであり、より好ましくは30~250μmであり、さらに好ましくは50~200μmである。 There are no particular limitations on the thickness of the conductive porous body, but it is preferably 20 to 300 μm, more preferably 30 to 250 μm, and even more preferably 50 to 200 μm.
(リチウムイオン伝導性固体電解質)
リチウムイオン伝導性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、リチウムイオン伝導性および耐久性に優れるという観点から、硫化物固体電解質であることが好ましい。なお、本明細書においては、固体電解質層17に含まれるリチウムイオン伝導性固体電解質を「第1のリチウムイオン伝導性固体電解質」とも称し、リチウムイオン/電子伝導性構造体を構成するリチウムイオン伝導性固体電解質を「第2のリチウムイオン伝導性固体電解質」とも称することがある。これらの呼称は固体電解質が配置されている部位を区別することのみを目的としたものであり、第1および第2という序数自体に実質的な意味はない。すなわち、本発明においては、第1のリチウムイオン伝導性固体電解質および第2のリチウムイオン伝導性固体電解質の双方が硫化物固体電解質であることが好ましい。
(Lithium ion conductive solid electrolyte)
Examples of the lithium ion conductive solid electrolyte include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, but from the viewpoint of excellent lithium ion conductivity and durability, a sulfide solid electrolyte is preferable. In this specification, the lithium ion conductive solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 17 may also be referred to as a "first lithium ion conductive solid electrolyte", and the lithium ion conductive solid electrolyte constituting the lithium ion/electron conductive structure may also be referred to as a "second lithium ion conductive solid electrolyte". These names are intended only to distinguish the portion in which the solid electrolyte is arranged, and the ordinal numbers "first" and "second" themselves have no substantial meaning. That is, in the present invention, it is preferable that both the first lithium ion conductive solid electrolyte and the second lithium ion conductive solid electrolyte are sulfide solid electrolytes.
硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5(LPS)、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(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)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(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、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5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 (LPS), LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 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、Li3PS4骨格を有していてもよく、Li4P2S7骨格を有していてもよく、Li4P2S6骨格を有していてもよい。Li3PS4骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4が挙げられる。また、Li4P2S7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、Li7P3S11)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)PxS4(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。イオン伝導性に優れるという観点からは、好ましい一実施形態において、リチウムイオン伝導性固体電解質は、Li2S-P2S5、Li7P3S11、Li3.2P0.96S、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3、Li2S-GeS2、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li10GeP2S12およびLi6PS5X(Xは、Cl、BrまたはIである)からなる群から選択される硫化物固体電解質を含む。 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). Among them, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing a P element. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). From the viewpoint of excellent ion conductivity, in a preferred embodiment, the lithium ion conductive solid electrolyte contains a sulfide solid electrolyte selected from the group consisting of Li 2 S-P 2 S 5 , Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-GeS 2 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP 2 S 12 and Li 6 PS 5 X (X is Cl, Br or I).
なお、硫化物固体電解質がLi2S-P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLi2S:P2S5=70:30~80:20であることが好ましい。 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 more preferably 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、リチウムイオン伝導性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 ion conductivity value of the lithium ion conductive 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+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(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、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)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 ).
リチウムイオン伝導性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 lithium ion conductive 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.
本発明に係るリチウム二次電池において、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体は、導電性多孔体の内表面がリチウムイオン伝導性固体電解質によって被覆されている構成を有している。ここで、導電性多孔体の内表面におけるリチウムイオン伝導性固体電解質の被覆厚さについて特に制限はないが、好ましくは1~100μm程度であり、より好ましくは10~80μmである。 In the lithium secondary battery according to the present invention, the lithium ion/electron conductive structure constituting the negative electrode has a configuration in which the inner surface of the conductive porous body is coated with a lithium ion conductive solid electrolyte. Here, there is no particular restriction on the coating thickness of the lithium ion conductive solid electrolyte on the inner surface of the conductive porous body, but it is preferably about 1 to 100 μm, and more preferably 10 to 80 μm.
本発明に係るリチウム二次電池の好ましい実施形態において、負極は、リチウムと合金化しうる金属を含む。リチウムと合金化しうる元素としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ビスマス、スズ、鉛、インジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、銀、金、カドミウム、ガリウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム等が挙げられる。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という観点から、リチウムと合金化しうる材料は、銀、ケイ素、金、インジウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウムおよび亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、銀、ケイ素、金またはインジウムを含むことがより好ましい。これらのリチウムと合金化しうる金属は、それ自体からなる導電性多孔体の形態で用いられてもよいし、リチウムと合金化しない材料からなる導電性多孔体の表面に形成されたコーティングの形態で用いられてもよい。この際、リチウムと合金化しうる金属は、固体電解質が導電性多孔体の内表面を被覆することによって形成された被覆層の上に露出するように存在してもよいし、当該導電性多孔体と当該被覆層との間に存在してもよいが、前者の形態がより好ましい。 In a preferred embodiment of the lithium secondary battery according to the present invention, the negative electrode contains a metal that can be alloyed with lithium. Examples of elements that can be alloyed with lithium include aluminum, magnesium, zinc, bismuth, tin, lead, indium, ruthenium, rhodium, iridium, palladium, platinum, silver, gold, cadmium, gallium, thallium, silicon, and germanium. Among these, from the viewpoint of being able to configure a battery with excellent capacity and energy density, it is preferable that the material that can be alloyed with lithium contains at least one metal selected from the group consisting of silver, silicon, gold, indium, germanium, tin, lead, aluminum, and zinc, and more preferably contains silver, silicon, gold, or indium. These metals that can be alloyed with lithium may be used in the form of a conductive porous body made of itself, or may be used in the form of a coating formed on the surface of a conductive porous body made of a material that does not alloy with lithium. In this case, the metal that can be alloyed with lithium may be present so as to be exposed on the coating layer formed by coating the inner surface of the conductive porous body with the solid electrolyte, or may be present between the conductive porous body and the coating layer, with the former form being more preferred.
上記のような構成によれば、リチウム二次電池の充電時に負極に到達したリチウムイオンは、リチウムと合金化しうる金属と合金化する。そして、リチウム含有合金としてリチウムイオン/電子伝導性構造体13の空隙中に保持されることになる。金属リチウムが単体で析出する場合と比較して、リチウム含有合金として析出する場合の方が析出エネルギーは小さいことから、上記のような構成とすることにより、金属リチウムをより均一に析出させることが可能となる。また、リチウムイオン/電子伝導性構造体と固体電解質層との間の界面抵抗も低下してより大きい電流密度を実現することが可能である。その結果、レート特性をよりいっそう向上させることができる。 According to the above-mentioned configuration, lithium ions that reach the negative electrode during charging of the lithium secondary battery are alloyed with a metal that can be alloyed with lithium. The lithium-containing alloy is then held in the voids of the lithium ion/electron conductive structure 13. Compared to when metallic lithium is precipitated as a single substance, the precipitation energy is smaller when the lithium-containing alloy is precipitated. Therefore, by adopting the above-mentioned configuration, metallic lithium can be precipitated more uniformly. In addition, the interfacial resistance between the lithium ion/electron conductive structure and the solid electrolyte layer is also reduced, making it possible to achieve a higher current density. As a result, the rate characteristics can be further improved.
[固体電解質層]
本形態に係るリチウム二次電池において、固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極と負極との間に介在する層である。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。ここで、固体電解質の具体的な形態や好ましい例については上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
In the lithium secondary battery according to this embodiment, the solid electrolyte layer is a layer that contains a solid electrolyte as a main component and is interposed between the positive electrode and the negative electrode. There is no particular limitation on the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Here, the specific form and preferred examples of the solid electrolyte are as described above, so the description will be omitted here.
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。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. Binders that may be contained in the solid electrolyte layer 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.
固体電解質層の空隙率の値は、負極を構成するリチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率よりも小さければ特に制限されない。固体電解質層の空隙率は、理想的には0%に近いほど好ましい。一方、固体電解質層の空隙率の上限値は、好ましくは25%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。なお、固体電解質層の空隙率の値は、従来公知の手法を適宜採用することによって制御することが可能である。一例として、固体電解質の粉末を圧粉成形することによって固体電解質層を作製する場合には、当該圧粉成形の際に印加される圧力を調節することによって固体電解質層の空隙率を制御することができる。また、固体電解質をアモルファス(非晶質)化したり、有機固体電解質とのハイブリッドの形態としたりすることで、固体電解質の緻密度が向上し、結果的として空隙率を低下させることができる。ここで、固体電解質層は、組成や密度(空隙率)などが均一な単層から構成されていてもよいし、組成や密度(空隙率)などが異なる複数の層の積層体であってもよい。 The porosity value of the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is smaller than the porosity of the lithium ion/electron conductive structure constituting the negative electrode. Ideally, the porosity of the solid electrolyte layer is preferably as close to 0% as possible. On the other hand, the upper limit of the porosity of the solid electrolyte layer is preferably 25% or less, more preferably 20% or less, even more preferably 15% or less, and particularly preferably 10% or less. The porosity value of the solid electrolyte layer can be controlled by appropriately adopting a conventionally known method. As an example, when the solid electrolyte layer is produced by compacting the powder of the solid electrolyte, the porosity of the solid electrolyte layer can be controlled by adjusting the pressure applied during the compacting. In addition, by making the solid electrolyte amorphous (non-crystalline) or making it into a hybrid form with an organic solid electrolyte, the density of the solid electrolyte can be improved, and as a result, the porosity can be reduced. Here, the solid electrolyte layer may be composed of a single layer having a uniform composition and density (porosity), or may be a laminate of multiple layers having different compositions and densities (porosities).
固体電解質層の厚みは、目的とするリチウム二次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く、0.1~500μm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 lithium secondary battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, and more preferably within the range of 0.1 to 500 μm.
[正極]
正極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質を含む。ここで、電池の作製時に完全放電状態の電池が作製される場合、負極には金属リチウムが保持されていない。このため、正極は充電時にリチウムイオンを放出可能な正極活物質を含んでいる必要がある。このような正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質、Li4Ti5O12等が挙げられる。また、硫黄(S)の還元生成物(例えば、流加リチウム(Li2S8))が正極活物質として用いられてもよい。
[Positive electrode]
The positive electrode includes a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions. Here, when a battery is produced in a fully discharged state during the production of the battery, metallic lithium is not held in the negative electrode. For this reason, the positive electrode needs to include a positive electrode active material capable of releasing lithium ions during charging. Examples of such positive electrode active materials include layered rock salt active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and Li(Ni-Mn-Co)O 2 , spinel active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 , and Li 4 Ti 5 O 12 . Also, a reduction product of sulfur (S) (eg, fed lithium (Li 2 S 8 )) may be used as the positive electrode active material.
一方、電池の作製時に完全充電状態の電池が作製される場合、負極には金属リチウムが保持されている(例えば、リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが充填されている)。このため、正極は放電時にリチウムイオンを吸蔵可能な正極活物質を含んでいる必要がある。このような正極活物質としては、例えば、硫黄単体(S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられる。これらの正極活物質は、硫黄の酸化還元反応を利用して、放電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオンを放出することができる。有機硫黄化合物としては、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。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、NiS、NiS2、CuS、FeS2、Li2S、MoS2、MoS3等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、FeS2およびMoS2が好ましく、硫黄単体(S)、S-カーボンコンポジット、TiS2およびFeS2がより好ましく、硫黄単体(S)が特に好ましい。ここで、S-カーボンコンポジットとは、硫黄粉末と炭素材料とを含み、これらを加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、炭素材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態、硫黄と炭素材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態、細かな硫黄粉末の表面や内部に炭素材料が分布している状態、または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 On the other hand, when a battery is produced in a fully charged state during the production of the battery, metallic lithium is held in the negative electrode (for example, metallic lithium is filled in the voids of the lithium ion/electron conductive structure). For this reason, the positive electrode needs to contain a positive electrode active material capable of absorbing lithium ions during discharge. Examples of such positive electrode active materials include sulfur element (S) as well as particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds. These positive electrode active materials can absorb lithium ions during discharge and release lithium ions during charging by utilizing the oxidation-reduction reaction of sulfur. Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbonate sulfide, etc., which are typified by compounds described in International Publication No. 2010/044437. Among them, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate, or a thioamide group are more preferable. Here, the sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing sulfur atoms obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating under an inert gas or under reduced pressure. Its estimated structure is a structure in which polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic ring, and at least a part of S is bonded to C, as shown in, for example, Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and further has peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 , and 929 cm -1 . On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability, and specific examples thereof include sulfur element (S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 2 , and MoS 3. Among these, S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 , and MoS 2 are preferred, sulfur element (S), S-carbon composite, TiS 2 , and FeS 2 are more preferred, and sulfur element (S) is particularly preferred. Here, the S-carbon composite is a compound state containing sulfur powder and a carbon material, which are subjected to a heat treatment or mechanical mixing to form a composite. More specifically, this refers to a state in which sulfur is distributed on the surface or within the pores of the carbon material, a state in which sulfur and the carbon material are uniformly dispersed at the nano level and aggregate to form particles, a state in which the carbon material is distributed on the surface or inside of fine sulfur powder, or a combination of two or more of these states.
なお、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。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may also 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。なお、正極活物質層は、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 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. The positive electrode active material layer may further contain a conductive assistant and/or a binder.
[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27と負極集電板25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. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25, 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’、11”)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 in the figures, the current collectors (11', 11") and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via positive and negative electrode leads. As the constituent materials of the positive and negative electrode leads, materials used in known lithium secondary batteries may be similarly adopted. Note that the portion removed from the exterior is preferably covered with a heat-resistant insulating heat-shrink tube or the like so as to prevent contact with peripheral devices or wiring, causing electric 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.
本発明に係るリチウム二次電池は、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および充放電レート特性に優れるものである。したがって、本発明に係るリチウム二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The lithium secondary battery according to the present invention has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, and as a result has high capacity and excellent cycle durability and charge/discharge rate characteristics. Therefore, the lithium secondary battery according to the present invention is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
以上、全固体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 an all-solid-state 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、本形態に係るリチウム二次電池は、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。 For example, the lithium 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(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3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(FSO2)2N(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、直列にまたは並列に接続して、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 will be installed.
[車両]
本発明に係るリチウム二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性および充放電レート特性が良好である。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 lithium secondary battery according to the present invention maintains its discharge capacity even after long-term use, and has good cycle characteristics and charge/discharge rate 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.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
《試験用セルの作製例》
[実施例1-1]
(負極の作製)
リチウムイオン伝導性固体電解質であるアルジロダイト型硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)の所定量を秤量した。次いで、これを適量の脱水エタノール中に分散させて、溶液Aを調製した。
Example of test cell preparation
[Example 1-1]
(Preparation of negative electrode)
A predetermined amount of an argyrodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl), which is a lithium ion conductive solid electrolyte, was weighed out and dispersed in an appropriate amount of dehydrated ethanol to prepare solution A.
一方、導電性を有する多孔体として、ステンレス(SUS304)製のメッシュを準備し、これを溶液Aに十分な時間浸漬した。次いで、これを溶液Aから取り出し、150℃の恒温槽の内部で十分な時間乾燥して、電解質被覆ステンレスメッシュ(リチウムイオン/電子伝導性構造体)からなる負極を作製した。 On the other hand, a mesh made of stainless steel (SUS304) was prepared as a conductive porous body and immersed in solution A for a sufficient period of time. It was then removed from solution A and dried in a thermostatic chamber at 150°C for a sufficient period of time to produce a negative electrode made of an electrolyte-coated stainless steel mesh (lithium ion/electron conductive structure).
(試験用セルの作製)
正極活物質として、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2の均一組成を有し、一次粒子の凝集体である二次粒子の形態を有するリチウム含有複合酸化物を準備した。なお、このリチウム含有複合酸化物(二次粒子)の平均粒子径(D50)をレーザー回折散乱法により測定したところ、11.5μmであった。また、正極合剤用固体電解質として、上記と同様のアルジロダイト型硫化物固体電解質を準備した。さらに、正極合剤用導電助剤としてアセチレンブラックを準備した。
(Preparation of test cell)
As the positive electrode active material, a lithium - containing composite oxide having a uniform composition of LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 and a form of secondary particles which are aggregates of primary particles was prepared. The average particle diameter (D50) of this lithium-containing composite oxide (secondary particles) was measured by a laser diffraction scattering method and found to be 11.5 μm. In addition, an argyrodite-type sulfide solid electrolyte similar to that described above was prepared as a solid electrolyte for the positive electrode mixture. In addition, acetylene black was prepared as a conductive assistant for the positive electrode mixture.
上記で準備した正極活物質60質量部、導電助剤6質量部、およびアルジロダイト型硫化物固体電解質34質量部をそれぞれ秤量し、テーブルミルを用いて混合して、正極合剤を調製した。 60 parts by mass of the positive electrode active material prepared above, 6 parts by mass of the conductive additive, and 34 parts by mass of the argyrodite-type sulfide solid electrolyte were weighed out and mixed using a table mill to prepare a positive electrode mixture.
続いて、上記と同様のアルジロダイト型硫化物固体電解質を治具(マコール管)に入れ、400[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、固体電解質層(直径10mmおよび厚み600μmの円板形状)を作製した。 Next, the same argyrodite-type sulfide solid electrolyte as above was placed in a jig (McCool tube) and compressed at a molding pressure of 400 MPa to produce a solid electrolyte layer (disk shape with a diameter of 10 mm and a thickness of 600 μm).
次いで、上記で作製した固体電解質層の一方の面に、上記で調製した正極合剤を入れ、200[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、正極活物質層(直径10mmおよび厚み70μmの円板形状)を作製した。 Next, the positive electrode mixture prepared above was placed on one side of the solid electrolyte layer prepared above, and the mixture was pressed under a molding pressure of 200 MPa to produce a positive electrode active material layer (disk-shaped with a diameter of 10 mm and a thickness of 70 μm).
その後、上記で作製した(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を、上記で作製した固体電解質層の他方の面に配置した。次いで、100[MPa]の拘束圧力で治具を締結した後、各電極に電流取り出しのためのリードを接続して、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 Then, the (lithium ion/electron conductive structure) prepared above was placed on the other side of the solid electrolyte layer prepared above. Next, the jig was fastened with a restraining pressure of 100 [MPa], and then leads for current extraction were connected to each electrode to prepare a test cell of this example. Note that the porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell prepared in this manner was 5% and 60%, respectively.
[実施例1-2]
リチウムと合金化しうる金属として、銀(Ag)粉末の所定量を秤量した。次いで、これを適量の脱水エタノール中に分散させて、溶液Bを調製した。そして、試験用セルの作製前に、電解質被覆ステンレスメッシュ(リチウムイオン/電子伝導性構造体)からなる負極に対して溶液Bを均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 1-2]
A predetermined amount of silver (Ag) powder was weighed as a metal capable of being alloyed with lithium. This was then dispersed in an appropriate amount of dehydrated ethanol to prepare solution B. Then, before the fabrication of a test cell, solution B was uniformly sprayed onto a negative electrode made of an electrolyte-coated stainless steel mesh (lithium ion/electron conductive structure) and allowed to dry naturally.
上記の処理を施した負極を用いたこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 A test cell for this example was produced in the same manner as in Example 1-1 described above, except that the negative electrode that had been subjected to the above treatment was used. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell produced in this manner was 5% and 60%, respectively.
[比較例1-1]
上述した実施例1-1において、試験用セルの負極を配置する際に、上記で作製した負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)に代えて、固体電解質で被覆されていないステンレス製メッシュと、アルジロダイト型硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)7mgとを単に同時に封入し、上記と同様の条件で拘束圧力を印加した。このこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 1-1]
In the above-mentioned Example 1-1, when disposing the negative electrode of the test cell, instead of the negative electrode (lithium ion / electronic conductive structure) prepared above, a stainless steel mesh not covered with a solid electrolyte and 7 mg of an argyrodite-type sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) were simply enclosed at the same time, and a restraining pressure was applied under the same conditions as above. Except for this, the test cell of this comparative example was prepared by the same method as in the above-mentioned Example 1-1. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell prepared in this way was 5% and 60%, respectively.
[比較例1-2]
上述した比較例1-1において、試験用セルの負極を配置する際に、固体電解質で被覆されていないステンレス製メッシュのみを配置して固体電解質を同時に封入しなかったこと以外は、上述した比較例1-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 1-2]
A test cell of this comparative example was produced in the same manner as in Comparative Example 1-1 described above, except that when arranging the negative electrode of the test cell in Comparative Example 1-1, only a stainless steel mesh not covered with a solid electrolyte was arranged, and no solid electrolyte was simultaneously sealed in. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell produced in this manner were 5% and 60%, respectively.
[実施例2-1]
導電性多孔体の構成材料として、炭素材料であるケッチェンブラック(登録商標)(ケッチェンブラック・インターナショナル社製)EC300を準備した。次いで、この炭素材料を上記で調製した溶液Aに十分な時間浸漬した。その後、これを溶液Aから取り出し、150℃の恒温槽の内部で十分な時間乾燥して、電解質被覆炭素材料を作製した。
[Example 2-1]
As a constituent material of the conductive porous body, a carbon material, Ketjen Black (registered trademark) (manufactured by Ketjen Black International, Inc.) EC300, was prepared. Next, this carbon material was immersed for a sufficient time in the above-prepared solution A. Thereafter, this was taken out of solution A and dried for a sufficient time in a thermostatic chamber at 150° C. to produce an electrolyte-coated carbon material.
続いて、上述した実施例1-1と同様の手法により、固体電解質層と正極活物質層との積層体を作製した。 Next, a laminate of a solid electrolyte layer and a positive electrode active material layer was produced using a method similar to that described in Example 1-1 above.
次いで、上記で作製した固体電解質層の他方の面に、上記で調製した電解質被覆炭素材料を入れ、100[MPa]の成形圧で圧粉成形することにより、負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)(直径10mmおよび厚み70μmの円板形状)を作製した。その後、各電極に電流取り出しのためのリードを接続して、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 Next, the electrolyte-coated carbon material prepared above was placed on the other side of the solid electrolyte layer prepared above, and the mixture was pressed under a molding pressure of 100 MPa to produce a negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) (disk shape with a diameter of 10 mm and a thickness of 70 μm). After that, leads for current extraction were connected to each electrode to produce a test cell of this example. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell thus produced were 5% and 60%, respectively.
[実施例2-2]
試験用セルの作製前に、上記で調製した溶液Bを電解質被覆炭素材料に対して均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 2-2]
Before preparing the test cell, the solution B prepared above was sprayed uniformly onto the electrolyte-coated carbon material, and the material was allowed to dry naturally.
上記の処理を施した電解質被覆炭素材料を用いて負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を作製したこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 The test cell of this example was produced in the same manner as in Example 2-1 described above, except that the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) was produced using the electrolyte-coated carbon material that had been subjected to the above treatment. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell produced in this manner was 5% and 60%, respectively.
[比較例2]
上述した実施例2-1において、電解質被覆炭素材料に代えて、炭素材料(ケッチェンブラックEC300)1mgとアルジロダイト型硫化物固体電解質5.6mgとをロールミルで混合して得られた混合物を用いて負極を作製した。このこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 2]
In the above-mentioned Example 2-1, instead of the electrolyte-coated carbon material, a mixture obtained by mixing 1 mg of a carbon material (Ketjen Black EC300) and 5.6 mg of an Argyrodite-type sulfide solid electrolyte in a roll mill was used to prepare a negative electrode. Except for this, a test cell of this comparative example was prepared in the same manner as in the above-mentioned Example 2-1. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus prepared were 5% and 60%, respectively.
[実施例3-1]
ケッチェンブラック(登録商標)に代えて、別の炭素材料であるハードカーボンを導電性多孔体の構成材料として用いたこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Example 3-1]
A test cell of this example was produced in the same manner as in Example 2-1 described above, except that hard carbon, another carbon material, was used as the constituent material of the conductive porous body instead of Ketjen Black (registered trademark). The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell produced in this manner was 5% and 60%, respectively.
[実施例3-2]
試験用セルの作製前に、上記で調製した溶液Bを電解質被覆炭素材料に対して均一に噴霧し、自然乾燥させた。
[Example 3-2]
Before preparing the test cell, the solution B prepared above was sprayed uniformly onto the electrolyte-coated carbon material, and the material was allowed to dry naturally.
上記の処理を施した電解質被覆炭素材料を用いて負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)を作製したこと以外は、上述した実施例3-1と同様の手法により、本実施例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極(リチウムイオン/電子伝導性構造体)の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。 The test cell of this example was produced in the same manner as in Example 3-1 described above, except that the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) was produced using the electrolyte-coated carbon material that had been subjected to the above treatment. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode (lithium ion/electron conductive structure) in the test cell produced in this manner was 5% and 60%, respectively.
[比較例3]
上述した実施例3-1において、電解質被覆炭素材料に代えて、炭素材料(ハードカーボン)1mgとアルジロダイト型硫化物固体電解質5.6mgとをロールミルで混合して得られた混合物を用いて負極を作製した。このこと以外は、上述した実施例3-1と同様の手法により、本比較例の試験用セルを作製した。なお、このようにして作製された試験用セルにおける固体電解質層および負極の空隙率は、それぞれ5%および60%であった。
[Comparative Example 3]
In the above-mentioned Example 3-1, instead of the electrolyte-coated carbon material, a mixture obtained by mixing 1 mg of a carbon material (hard carbon) and 5.6 mg of an argyrodite-type sulfide solid electrolyte in a roll mill was used to prepare a negative electrode. Except for this, a test cell of this comparative example was prepared in the same manner as in the above-mentioned Example 3-1. The porosity of the solid electrolyte layer and the negative electrode in the test cell thus prepared were 5% and 60%, respectively.
《試験用セルの試験例(充放電レート特性の評価)》
上述した実施例および比較例において作製された試験用セルについて、充放電レート特性を評価した。
<Test example of test cell (evaluation of charge/discharge rate characteristics)>
The charge/discharge rate characteristics of the test cells fabricated in the above-mentioned Examples and Comparative Examples were evaluated.
充放電試験は、Liに対して4.3V/2.5Vの電圧範囲において、定電流・低電圧(CCCV)モードでの充電および定電流(CC)モードでの放電を、それぞれ0.2C(低レート条件)およびそれぞれ2C(高レート条件)のレート条件で行った。なお、評価温度は298K(25℃)とし、充電と放電との間は30分間休止した。なお、「1C」とは、その電流値で1時間充電するとちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。 The charge and discharge tests were performed in a voltage range of 4.3V/2.5V against Li, with charging in constant current/low voltage (CCCV) mode and discharging in constant current (CC) mode at rates of 0.2C (low rate conditions) and 2C (high rate conditions). The evaluation temperature was 298K (25°C), with a 30-minute pause between charging and discharging. Note that "1C" refers to the current value at which the battery will be fully charged (100% charged) when charged at that current value for 1 hour.
このようにして測定された0.2Cおよび2Cでの放電容量から、放電容量維持率(=2C放電容量/0.2C放電容量×100)を算出し、充放電レート特性の指標とした(この値が大きいほど充放電レート特性に優れることを意味する)。結果を下記の表1に示す。 From the discharge capacities at 0.2C and 2C measured in this way, the discharge capacity retention rate (= 2C discharge capacity / 0.2C discharge capacity x 100) was calculated and used as an index of charge/discharge rate characteristics (the higher this value, the better the charge/discharge rate characteristics). The results are shown in Table 1 below.
表1に示す結果から、導電性多孔体の構成材料が同一である実施例および比較例同士を比較すると、本発明の構成を備えることで充放電レート特性が格段に向上しうることがわかる。また、負極がリチウムと合金化しうる金属(Ag)を含むことで、充放電レート特性がよりいっそう向上することもわかる。 The results shown in Table 1 show that, when comparing the examples and comparative examples in which the conductive porous body is made of the same material, the charge/discharge rate characteristics can be significantly improved by providing the configuration of the present invention. It can also be seen that the charge/discharge rate characteristics are further improved by providing the negative electrode with a metal (Ag) that can be alloyed with lithium.
10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 リチウムイオン/電子伝導性構造体、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板(負極タブ)、
27 正極集電板(正極タブ)、
29 ラミネートフィルム。
10a stacked battery,
11′ negative electrode current collector,
11” positive electrode current collector,
13 Lithium ion/electron conductive structures;
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
25 negative electrode current collector (negative electrode tab),
27 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
29 Laminating film.
Claims (8)
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性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、
前記負極は、空隙率が60~95%であり、金属材料からなる導電性を有する多孔体(ただし、三次元の網目構造を有するもの、発泡体の形状を有するもの、および、金属粉末の結合体の形状を有するものを除く)と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きい、リチウム二次電池。 A positive electrode and
A negative electrode;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and including a first lithium ion conductive solid electrolyte;
A power generating element having
the negative electrode comprises a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body made of a metal material (excluding those having a three-dimensional network structure, those having a foam shape, and those having a shape of a bonded body of metal powder) having a porosity of 60 to 95% and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body;
A lithium secondary battery, wherein the porosity of the lithium ion/electron conductive structure is greater than the porosity of the solid electrolyte layer.
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、第1のリチウムイオン伝導性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、
前記負極は、空隙率が60~95%であり、金属材料からなる導電性を有する多孔体(ただし、三次元の網目構造を有するもの、発泡体の形状を有するもの、および、金属粉末の結合体の形状を有するものを除く)と、前記多孔体の内表面の少なくとも一部を被覆する第2のリチウムイオン伝導性固体電解質と、を含むリチウムイオン/電子伝導性構造体を含み、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙率が前記固体電解質層の空隙率よりも大きく、かつ、
前記リチウムイオン/電子伝導性構造体の空隙中に金属リチウムが保持されている、リチウム二次電池。 A positive electrode and
A negative electrode;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and including a first lithium ion conductive solid electrolyte;
A power generating element having
the negative electrode comprises a lithium ion/electron conductive structure including a conductive porous body made of a metal material (excluding those having a three-dimensional network structure, those having a foam shape , and those having a shape of a bonded body of metal powder) having a porosity of 60 to 95% and a second lithium ion conductive solid electrolyte covering at least a part of the inner surface of the porous body;
The porosity of the lithium ion/electron conductive structure is greater than the porosity of the solid electrolyte layer; and
A lithium secondary battery, wherein metallic lithium is held in the voids of the lithium ion/electron conductive structure.
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