JP7780932B2 - Manufacturing method for all-solid-state lithium secondary battery - Google Patents
Manufacturing method for all-solid-state lithium secondary batteryInfo
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Description
本発明は、全固体リチウム二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an all-solid-state 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. The automotive industry is pinning its hopes on reducing carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to commercializing these vehicles.
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 secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, are attracting attention and are currently being rapidly developed.
ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、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。 Currently widely used lithium secondary batteries use a flammable organic electrolyte. These liquid-based lithium secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, and other issues 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。例えば、単体硫黄(S8)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid-state lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes has been actively conducted. Solid electrolytes are materials primarily composed of ion conductors capable of ion conduction in solids. Therefore, all-solid-state lithium secondary batteries, unlike conventional liquid-based lithium secondary batteries, do not inherently encounter various problems caused by flammable organic electrolytes. In general, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials can significantly improve the output density and energy density of batteries. For example, elemental sulfur (S 8 ) has an extremely large theoretical capacity of approximately 1670 mAh/g and is advantageous in that it is low cost and abundant.
一方、全固体電池において用いられうる大容量の負極材料としては、リチウムイオンを正極に供給する負極活物質である金属リチウムが知られている。ただし、負極活物質として金属リチウムを用い、固体電解質として硫化物固体電解質を用いた全固体電池においては、金属リチウムと硫化物固体電解質とが反応する結果、電池特性が低下してしまう場合がある。 Meanwhile, metallic lithium, a negative electrode active material that supplies lithium ions to the positive electrode, is known as a high-capacity negative electrode material that can be used in all-solid-state batteries. However, in all-solid-state batteries that use metallic lithium as the negative electrode active material and a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte, the battery characteristics may deteriorate as a result of a reaction between the metallic lithium and the sulfide solid electrolyte.
ここで、特許文献1には、このような問題に対処することを目的として、金属リチウムを用いた負極活物質層と硫化物固体電解質を含む固体電解質層との間に、リチウムイオンを伝導する中間層が形成された全固体電池が提案されている。特許文献1によれば、金属リチウムと固体電解質層との間に中間層を形成することで金属リチウムと固体電解質との接触を抑えることができ、金属リチウムが接触することに起因する固体電解質の還元分解を抑制することができる。その結果、安定した充放電サイクルが得られうる。 In order to address these issues, Patent Document 1 proposes an all-solid-state battery in which an intermediate layer that conducts lithium ions is formed between a negative electrode active material layer using metallic lithium and a solid electrolyte layer containing a sulfide solid electrolyte. According to Patent Document 1, by forming an intermediate layer between the metallic lithium and the solid electrolyte layer, it is possible to prevent contact between the metallic lithium and the solid electrolyte, and suppress reductive decomposition of the solid electrolyte that would otherwise result from contact with the metallic lithium. As a result, a stable charge/discharge cycle can be achieved.
しかしながら、特許文献1に記載される技術を用いると、電池の入出力特性は改善するものの、中間層を配置することにより電池の体積が増加し、エネルギー密度が低下する場合があることがわかった。 However, it has been found that while the technology described in Patent Document 1 improves the input/output characteristics of the battery, the placement of the intermediate layer increases the battery's volume, which can result in a decrease in energy density.
そこで本発明は、負極活物質として金属リチウムを用いた全固体リチウム二次電池において、入出力特性およびエネルギー密度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 therefore aims to provide a means for improving the input/output characteristics and energy density of all-solid-state lithium secondary batteries that use metallic lithium as the negative electrode active material.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、正極側(正極集電体と正極活物質層との間、または正極活物質層中)に金属リチウムを最初に配置しておき、その後充電することで負極集電体上に金属リチウムを析出させることにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above-mentioned problems. As a result, they discovered that the above-mentioned problems could be solved by first placing metallic lithium on the positive electrode side (between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, or in the positive electrode active material layer), and then charging the battery to deposit metallic lithium on the negative electrode current collector, thereby completing the present invention.
すなわち本発明の一形態は、負極活物質として金属リチウムを用いた全固体リチウム二次電池の製造方法であって、負極集電体上に固体電解質を含む固体電解質層、正極活物質を含む正極活物質層、および正極集電体をこの順に有し、前記金属リチウムが前記正極活物質層と前記正極集電体との間、または前記正極活物質層中に配置された積層体を作製する段階と、前記積層体に対して充電反応を行うことで前記固体電解質層と前記負極集電体との間に前記金属リチウムを析出させる段階と、を含み、前記正極集電体は、リチウムと合金化しない材料から構成されるか、または、前記正極集電体の前記正極活物質層と隣接する面がリチウムと合金化しない材料で被覆されている、全固体リチウム二次電池の製造方法である。 That is, one aspect of the present invention is a method for manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery using metallic lithium as the negative electrode active material, the method including the steps of: preparing a laminate having, on a negative electrode current collector, a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, and a positive electrode current collector, in this order, the metallic lithium being disposed between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector or in the positive electrode active material layer; and performing a charging reaction on the laminate to precipitate the metallic lithium between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector, wherein the positive electrode current collector is made of a material that does not alloy with lithium, or the surface of the positive electrode current collector adjacent to the positive electrode active material layer is coated with a material that does not alloy with lithium.
本発明の製造方法によれば、負極活物質として金属リチウムを用いた全固体リチウム二次電池において、入出力特性およびエネルギー密度に優れた電池が得られうる。 The manufacturing method of the present invention makes it possible to obtain an all-solid-state lithium secondary battery using metallic lithium as the negative electrode active material, which has excellent input/output characteristics and energy density.
以下、図面を参照しながら、上述した本発明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。以下では、二次電池の一形態である、積層型(内部並列接続型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、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という利点がある。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という利点もある。 The following describes the above-described embodiments 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 embodiments. Note that the dimensional proportions in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual proportions. The following describes the present invention using a stacked-type (internal parallel connection) all-solid-state lithium secondary battery, which is one form of secondary battery. As described above, the solid electrolyte that constitutes an all-solid-state lithium secondary battery is a material composed primarily of an ion conductor capable of ion conduction in a solid. Therefore, all-solid-state lithium secondary batteries have the advantage that, in principle, they do not encounter the various problems associated with flammable organic electrolytes, as occurs in conventional liquid-based lithium secondary batteries. Furthermore, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials generally has the advantage of significantly improving the battery's output density and energy density.
図1は、本発明の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウム二次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、本形態に係るリチウム二次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 lithium secondary battery according to one embodiment of 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. This specification will be described in detail using the flat-layered, non-bipolar lithium secondary battery shown in Figures 1 and 2 (hereinafter simply referred to as a "layered battery"). However, when viewed from the perspective of the internal electrical connection configuration (electrode structure) of the lithium secondary 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1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 Figure 1, the stacked battery 10a has a flat, rectangular shape, with a negative electrode current collector 25 and a positive electrode current collector 27 extending from both sides for extracting power. 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, sealing the power generating element 21 with the negative electrode current collector 25 and positive electrode current collector 27 extending to the outside.
なお、本形態に係るリチウム二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウム二次電池では、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 lithium secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated, flat shape. A wound lithium secondary battery may be cylindrical, or may be a cylindrical battery modified to have a flat, rectangular shape, and is not particularly limited. The cylindrical battery may use a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as its exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This configuration 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。 Furthermore, there are no particular limitations on how the current collectors (25, 27) shown in Figure 1 are removed. 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; they are not limited to what is shown in Figure 1. Furthermore, in a wound-type lithium secondary battery, 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。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。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池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 Figure 2, the stacked battery 10a of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, where the actual charge/discharge reaction takes place, is sealed inside a laminate film 29, which is the 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 stacked. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 containing positive electrode active material are disposed on both sides of a positive electrode current collector 11". The negative electrode has a structure in which negative electrode active material layers 13 containing negative electrode active material are disposed on both sides of a negative electrode current collector 11'. Specifically, the positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order so that one positive electrode active material layer 15 faces the adjacent negative electrode active material layer 13 with the solid electrolyte layer 17 interposed between them. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode constitute a single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in Figure 2 can be said to have a structure in which a plurality of cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’,11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost positive electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a positive electrode active material layer 15 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a current collector exclusively for the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a current collector with active material layers on both sides may be used as the outermost current collector. In some cases, the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 may be used as the negative electrode and positive electrode, respectively, without using current collectors (11', 11").
負極集電体11’および正極集電体11”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。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”および負極集電体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。 The negative electrode current collector 11' and the positive electrode current collector 11" are respectively fitted with a negative electrode current collector (tab) 25 and a positive electrode current collector (tab) 27 that are electrically connected to the respective electrodes (positive and negative electrodes), and are structured so as to be sandwiched between the edges of the laminate film 29, which is the battery outer casing, and extend to the outside of the laminate film 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 may be attached to the positive electrode current collector 11" and the negative electrode current collector 11' of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, as necessary.
以下、本形態に係る方法によって得られる全固体リチウム二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the all-solid-state lithium secondary battery obtained by the method of 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 functions as a medium for the transfer of electrons from the electrode active material layer, and may be made of, for example, a metal or a conductive resin.
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。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or it may have a laminated structure made of an appropriate combination of layers made of these materials.
本形態の方法において、正極集電体は、リチウムと合金化しない材料から構成されるか、または、正極集電体の正極活物質層と隣接する面がリチウムと合金化しない材料で被覆されている。リチウムと合金化しうる材料であると、合金化により正極集電体が腐食して導電性が低下してしまう場合がある。リチウムと合金化しない材料としては、ニッケル、銅、ステンレス鋼等の金属が挙げられる。リチウムと合金化しない材料で被覆されている材料としては、例えば、上記の金属で被覆されたアルミニウムや、カーボンコートアルミニウムなどが挙げられる。なかでも、耐食性、高導電性の観点から、ステンレス鋼、ニッケル、またはカーボンコートアルミニウムであることが好ましい。正極集電体の厚さは特に制限されないが、例えば、1~1000μmである。 In this embodiment, the positive electrode current collector is made of a material that does not alloy with lithium, or the surface of the positive electrode current collector adjacent to the positive electrode active material layer is coated with a material that does not alloy with lithium. If the material is alloyable with lithium, the alloying may cause corrosion of the positive electrode current collector, resulting in a decrease in conductivity. Examples of materials that do not alloy with lithium include metals such as nickel, copper, and stainless steel. Examples of materials coated with a material that does not alloy with lithium include aluminum coated with the above metals and carbon-coated aluminum. Of these, stainless steel, nickel, or carbon-coated aluminum are preferred from the standpoints of corrosion resistance and high conductivity. The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, but is, for example, 1 to 1,000 μm.
負極集電体としては、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケルなどが用いられうる。負極集電体の厚さは特に制限されないが、例えば、1~1000μmである。 The negative electrode current collector can be made of, for example, stainless steel, copper, or nickel. There are no particular restrictions on the thickness of the negative electrode current collector, but it is, for example, 1 to 1000 μm.
[負極活物質層]
本形態に係るリチウム二次電池は、充電反応により負極集電体上に金属リチウムを析出させるものである。この充電反応において負極集電体上に析出する金属リチウムからなる層が、本形態に係るリチウム二次電池の負極活物質層である。
[Negative electrode active material layer]
In the lithium secondary battery according to the present embodiment, metallic lithium is deposited on the negative electrode current collector by a charging reaction. The layer of metallic lithium deposited on the negative electrode current collector during this charging reaction is the negative electrode active material layer of the lithium secondary battery according to the present embodiment.
負極活物質層としての金属リチウムの層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、充電時において、0.1~1000μmの範囲内であり、好ましくは1~1000μmであり、より好ましくは10~500μmである。 The thickness of the metallic lithium layer serving as the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended secondary battery, but is, for example, within the range of 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 1000 μm, and more preferably 10 to 500 μm during charging.
[固体電解質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、固体電解質層は、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在し、固体電解質を必須に含有する層である。
[Solid electrolyte layer]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , the solid electrolyte layer is interposed between the above-described positive electrode active material layer and negative electrode active material layer, and is a layer that essentially contains a solid electrolyte.
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い。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。硫化物固体電解質は金属リチウムによる還元分解が生じやすいため、本発明の効果がより顕著に得られうる。 There are no particular restrictions on the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, but sulfide solid electrolytes are preferred. Because sulfide solid electrolytes are prone to reductive decomposition by metallic lithium, the effects of the present invention can be more pronounced.
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、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、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 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li2S - SiS2 -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 (where x and y are positive numbers and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In), etc. The term "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other terms.
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、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes known as LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Examples of sulfide solid electrolytes that may be used include LGPS, which is represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1). Among these, a sulfide solid electrolyte containing P is preferred, and the sulfide solid electrolyte is more preferably a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br, or I, preferably Cl).
また、硫化物固体電解質がLi2S-P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50~90:10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。 Furthermore, when the sulfide solid electrolyte is a Li 2 S—P 2 S 5 system, the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably within the range of Li 2 S:P 2 S 5 = 50:50 to 90:10, and particularly 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、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. Sulfide glass can be obtained, for example, by mechanical milling (ball mill, etc.) a raw material composition. Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ionic conductivity (e.g., 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 ionic conductivity value of the solid electrolyte can be measured by an AC impedance method.
酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+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 Li1 + xAlxGe2 -x ( PO4 ) 3 (0≦x≦2) and compounds (LATP) represented by the general formula Li1 + xAlxTi2 -x ( PO4 ) 3 ( 0≦ x ≦2). Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li0.34La0.51TiO3), LiPON (e.g., Li2.9PO3.3N0.46 ) , and LiLaZrO ( e.g., Li7La3Zr2O12 ) .
本発明の好ましい実施形態においては、固体電解質層に含まれる固体電解質の全量100質量%に占める硫化物固体電解質の含有量の割合は、例えば50質量%以上であり、好ましくは50質量%超であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In a preferred embodiment of the present invention, the content of the sulfide solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, 50% by mass or more, preferably more than 50% by mass, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
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。 Examples of the shape of the solid electrolyte include particulate shapes such as spherical and oval spheres, and thin film shapes. 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.
固体電解質層における固体電解質の含有量は、固体電解質の合計質量に対して、例えば10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100 mass%, more preferably in the range of 50 to 100 mass%, and even more preferably in the range of 90 to 100 mass%, relative to the total mass of the solid electrolyte.
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。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. The binder is 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, polyethernitrile, 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 products, styrene-isoprene-styrene block copolymer and its hydrogenated products, 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), 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), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE ...hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylide Examples of suitable fluororubbers 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), as well as epoxy resins. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferred.
固体電解質層の厚みは、目的とする全固体リチウム二次電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは1000μm以下であり、より好ましくは700μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state lithium secondary battery, but from the perspective of improving the volumetric energy density of the battery, it is preferably 1000 μm or less, and more preferably 700 μm or less. On the other hand, there is no particular lower limit on the thickness of the solid electrolyte layer, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 10 μm or more.
[正極活物質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質としては、特に制限されないが、電池の出力密度およびエネルギー密度を高める観点から、硫黄を含む正極活物質を用いることが好ましい。
[Cathode active material layer]
1 and 2, the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the output density and energy density of the battery, it is preferable to use a positive electrode active material containing sulfur.
(硫黄を含む正極活物質)
硫黄を含む正極活物質の種類としては、特に制限されないが、単体硫黄(S)および硫化リチウム(Li2S)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、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。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、単体硫黄(S)、Li2S、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、NiS、NiS2、CuS、FeS2、Li2S、MoS2、MoS3、MnS、MnS2、CoS、CoS2等が挙げられる。なかでも、単体硫黄(S)、Li2S、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、FeS2およびMoS2が好ましく、単体硫黄(S)、Li2S、TiS2およびFeS2がより好ましく、高容量であり、放電開始型であるという観点からは単体硫黄(S)が特に好ましい。なお、単体硫黄(S)としては、S8構造を有するα硫黄、β硫黄、またはγ硫黄が用いられうる。
(Positive electrode active material containing sulfur)
The type of sulfur-containing positive electrode active material is not particularly limited, but includes elemental sulfur (S) and lithium sulfide (Li 2 S), as well as particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds. Any substance can be used as long as it utilizes the oxidation-reduction reaction of sulfur to release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging. Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitriles, sulfur-modified polyisoprenes, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbon sulfides, and the like, as typified by the compounds described in International Publication No. 2010/044437. Among these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitriles, and rubeanic acid are preferred, with sulfur-modified polyacrylonitrile being particularly preferred. As disulfide compounds, dithiobiurea derivatives, those having a thiourea group, thioisocyanate, or thioamide group are more preferred. Here, sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing sulfur atoms, obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating the mixture under an inert gas or under reduced pressure. Its estimated structure is, for example, as shown in Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028, in which polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic ring, and at least a portion of S is bonded to C. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in its 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 include elemental sulfur (S), Li 2 S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 2 , MoS 3 , MnS, MnS 2 , CoS, CoS 2 , etc. Among these, elemental sulfur (S), Li 2 S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, with elemental sulfur (S), Li 2 S, TiS 2 and FeS 2 being more preferred, and elemental sulfur (S) being particularly preferred from the viewpoint of high capacity and discharge starting. As the elemental sulfur (S), α-sulfur, β-sulfur, or γ-sulfur having an S8 structure can be used.
なお、正極活物質層は、硫黄を含まない正極活物質を含んでもよい。また、硫黄を含む正極活物質に加えて、硫黄を含まない正極活物質をさらに含んでもよい。硫黄を含まない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含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、V2O5、Li4Ti5O12が挙げられる。 The positive electrode active material layer may contain a sulfur-free positive electrode active material. Furthermore, in addition to the sulfur-containing positive electrode active material, the positive electrode active material layer may further contain a sulfur-free positive electrode active material. Examples of sulfur-free 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 ; and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of oxide active materials other than those mentioned above include V 2 O 5 and Li 4 Ti 5 O 12 .
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。ただし、正極活物質の全量100質量%に占める硫黄を含む正極活物質の含有量の割合は、例えば50質量%以上であり、好ましくは50質量%超であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%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 listed above may also be used. However, the proportion of the content of the sulfur-containing positive electrode active material relative to the total amount (100% by mass) of the positive electrode active material is, for example, 50% by mass or more, preferably more than 50% by mass, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
(正極材料)
本発明の好ましい実施形態においては、正極活物質層は、細孔を有する導電材料の細孔内に硫黄を含む正極活物質および硫化物固体電解質などの固体電解質が担持されてなる正極材料を含むことが好ましい。
(Positive electrode material)
In a preferred embodiment of the present invention, the positive electrode active material layer preferably contains a positive electrode material in which a sulfur-containing positive electrode active material and a solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte are supported in the pores of a conductive material having pores.
導電材料の具体的な形態については特に制限はなく、従来公知の材料が適宜採用されうる。導電性に優れ、加工しやすく、所望の細孔分布の設計が容易であるという観点からは、導電材料は炭素材料であることが好ましい。なかでも、より多くの反応領域(三相界面)を形成しうるという点で、導電材料は細孔を有する(多孔質の)炭素材料であることがより好ましいが、炭素材料以外の導電材料であってもよい。 There are no particular restrictions on the specific form of the conductive material, and conventionally known materials can be used as appropriate. From the standpoints of excellent conductivity, ease of processing, and ease of designing the desired pore distribution, the conductive material is preferably a carbon material. In particular, a (porous) carbon material having pores is more preferable because it can form more reaction regions (three-phase interfaces), but conductive materials other than carbon materials may also be used.
細孔を有する炭素材料としては、例えば、活性炭、ケッチェンブラック(登録商標;高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子(カーボン担体)が挙げられる。なお、炭素材料は、その主成分がカーボンであることが好ましい。ここで、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。「実質的に炭素原子からなる」とは、2~3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 Examples of carbon materials with micropores include activated carbon, Ketjen Black (registered trademark; highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, lamp black, and other carbon blacks; as well as carbon particles (carbon supports) made from coke, natural graphite, and artificial graphite. It is preferable that the carbon material be primarily carbon. Here, "primarily carbon" refers to containing carbon atoms as the primary component, and encompasses both materials consisting solely of carbon atoms and materials consisting essentially of carbon atoms. "Substantially consisting of carbon atoms" means that impurities of approximately 2-3% by mass or less can be tolerated.
細孔を有する導電材料(好ましくは、炭素材料)のBET比表面積は、200m2/g以上であることが好ましく、500m2/g以上であることがより好ましく、800m2/g以上であることがさらに好ましく、1200m2/g以上であることが特に好ましく、1500m2/g以上であることが最も好ましい。また、細孔を有する導電材料(好ましくは、炭素材料)の細孔容積は、1.0mL/g以上であることが好ましく、1.3mL/g以上であることがより好ましく、1.5mL/g以上であることがさらに好ましい。導電材料のBET比表面積および細孔容積がこのような範囲内の値であれば、十分な量の細孔を保持することができ、ひいては十分な量の正極活物質を保持することが可能となる。なお、導電材料のBET比表面積および細孔容積の値については、窒素吸脱着測定により測定が可能である。この窒素吸脱着測定は、マイクロトラック・ベル株式会社製BELSORP miniを用いて行い、-196℃の温度で、多点法で行う。0.01<P/P0<0.05の相対圧の範囲での吸着等温線よりBET比表面積を求める。また、細孔容積については、0.96の相対圧における吸着N2の容積より求める。 The BET specific surface area of the pore-containing conductive material (preferably, a carbon material) is preferably 200 m 2 /g or more, more preferably 500 m 2 /g or more, even more preferably 800 m 2 /g or more, particularly preferably 1200 m 2 /g or more, and most preferably 1500 m 2 /g or more. The pore volume of the pore-containing conductive material (preferably, a carbon material) is preferably 1.0 mL/g or more, more preferably 1.3 mL/g or more, and even more preferably 1.5 mL/g or more. If the BET specific surface area and pore volume of the conductive material are within these ranges, a sufficient amount of pores can be maintained, and thus a sufficient amount of positive electrode active material can be maintained. The BET specific surface area and pore volume of the conductive material can be measured by nitrogen adsorption/desorption measurement. This nitrogen adsorption/desorption measurement is performed using a BELSORP mini manufactured by Microtrac-Bell Corporation at a temperature of -196°C using a multipoint method. The BET specific surface area is determined from the adsorption isotherm in the relative pressure range of 0.01 < P/P 0 < 0.05. The pore volume is also determined from the volume of adsorbed N 2 at a relative pressure of 0.96.
導電材料の平均細孔径は、特に限定されないが、50nm以下であることが好ましく、30nm以下であることが特に好ましい。導電材料の平均細孔径がこれらの範囲内の値であれば、細孔の内部に配置された硫黄を含む正極活物質のうち細孔壁から離れた位置に存在する活物質まで十分に電子を供給することができる。なお、導電材料の平均細孔径の値は、BET比表面積および細孔容積の値を求める場合と同様に、窒素吸脱着測定により算出することができる。 The average pore diameter of the conductive material is not particularly limited, but is preferably 50 nm or less, and particularly preferably 30 nm or less. If the average pore diameter of the conductive material is within this range, electrons can be sufficiently supplied to the sulfur-containing positive electrode active material located far from the pore walls. The average pore diameter of the conductive material can be calculated by nitrogen adsorption/desorption measurements, similar to the calculation of the BET specific surface area and pore volume.
導電材料が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、0.05~50μmであることが好ましく、0.1~20μmであることがより好ましく、0.5~10μmであることがさらに好ましい。なお、本明細書中において、「導電材料の粒子径」とは、導電材料の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電材料の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 When the conductive material is particulate, the average particle diameter (primary particle diameter) is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 50 μm, more preferably 0.1 to 20 μm, and even more preferably 0.5 to 10 μm. In this specification, the "particle diameter of the conductive material" refers to the longest distance L between any two points on the contour line of the conductive material. The value of the "average particle diameter of the conductive material" is calculated as the average particle diameter of particles observed within several to several tens of fields of view using an observation tool such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
上記正極材料において、硫黄を含む正極活物質の具体的な形態は上記と同様である。また、固体電解質の具体的な形態も上記と同様である。 In the above positive electrode material, the specific form of the sulfur-containing positive electrode active material is the same as above. The specific form of the solid electrolyte is also the same as above.
なお、上記正極材料において、導電材料と正極活物質との質量比は特に制限されないが、例えば、導電材料:正極活物質=1:1~1:10である。 In the above-mentioned positive electrode material, the mass ratio of the conductive material to the positive electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 1:1 to 1:10.
上記のような構成を有する正極材料とすることで、導電材料の表面だけでなく細孔の内部においても正極活物質、導電材料および固体電解質が共存する三相界面が十分に形成されて充放電反応が十分に進行しうる。その結果、電池の内部抵抗が十分に低減されて、充放電レート特性が大幅に改善するものと考えられる。また、容量特性およびサイクル耐久性が向上しうる。 By using a positive electrode material with the above-described structure, a three-phase interface where the positive electrode active material, conductive material, and solid electrolyte coexist is sufficiently formed not only on the surface of the conductive material but also inside the pores, allowing the charge/discharge reaction to proceed sufficiently. As a result, the internal resistance of the battery is sufficiently reduced, and it is believed that the charge/discharge rate characteristics are significantly improved. Furthermore, capacity characteristics and cycle durability can be improved.
上記のような構成を有する正極材料の製造方法について、その一例を説明すると、まず、固体電解質を有機溶媒に溶解させた溶液を調製し、そこへ導電材料を分散させて分散液を得る。次いで、溶媒を除去した後に150~600℃程度の温度で1~5時間程度の熱処理を施す。これにより、導電材料の細孔の内部に固体電解質が含浸した導電材料が得られる。続いて、得られた導電材料を硫黄を含む正極活物質とともに乾式で混合し、さらに正極活物質が溶融状態となる温度で1~5時間程度の条件で熱処理を施す。これにより、正極活物質が溶融して導電材料の細孔の内部に浸透し、導電材料の細孔の内部に固体電解質とともに正極活物質が配置(充填)された複合材料が得られる。このようにして得られた複合材料をそのまま正極材料として用いてもよいが、当該複合材料に対してさらに固体電解質を追加して混合し、必要に応じてボールミル等の装置で処理して、正極材料を得ることが好ましい。 One example of a method for producing a cathode material having the above configuration is as follows: First, a solution is prepared by dissolving a solid electrolyte in an organic solvent, and a conductive material is dispersed therein to obtain a dispersion. Next, after removing the solvent, the mixture is heat-treated at a temperature of approximately 150 to 600°C for approximately 1 to 5 hours. This results in a conductive material in which the solid electrolyte is impregnated into the pores of the conductive material. Next, the resulting conductive material is dry-mixed with a cathode active material containing sulfur, and then heat-treated for approximately 1 to 5 hours at a temperature that melts the cathode active material. This melts the cathode active material and penetrates into the pores of the conductive material, resulting in a composite material in which the cathode active material and the solid electrolyte are disposed (filled) inside the pores of the conductive material. While the composite material obtained in this manner can be used as a cathode material as is, it is preferable to further add and mix the solid electrolyte to the composite material, and process it in an apparatus such as a ball mill as needed to obtain a cathode material.
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、35~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、この含有量の値は、導電材料および固体電解質を除く正極活物質のみの質量を基準に算出するものとする。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 35 to 99 mass%, and more preferably in the range of 40 to 90 mass%. Note that this content value is calculated based on the mass of only the positive electrode active material, excluding the conductive material and solid electrolyte.
また、正極活物質層は、導電助剤(正極活物質や固体電解質を細孔内部に保持していないもの)および/またはバインダをさらに含んでもよい。導電助剤としては、例えば、上記のような細孔を有する炭素材料の他、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレンなどの細孔を有しない炭素材料などが挙げられる。 The positive electrode active material layer may further contain a conductive additive (one that does not hold the positive electrode active material or solid electrolyte inside the pores) and/or a binder. Examples of conductive additives include carbon materials with pores such as those described above, as well as carbon materials without pores, such as graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes.
同様に、正極活物質層は、固体電解質を含むことが好ましく、硫化物固体電解質を含むことがより好ましい。なお、上記の細孔を有する導電材料の細孔内に硫黄を含む正極活物質および硫化物固体電解質などの固体電解質が担持されてなる正極材料を用いる場合も、当該正極材料とは別に固体電解質をさらに含むことが好ましく、硫化物固体電解質をさらに含むことが特に好ましい。この際、特に制限されないが、正極活物質層中、例えば、正極活物質100質量部に対して、固体電解質10~100質量部、導電材料10~100質量部の範囲で含むように調整することが好ましい。硫化物固体電解質などの固体電解質の具体的な形態および好ましい形態については、上述した固体電解質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。 Similarly, the positive electrode active material layer preferably contains a solid electrolyte, more preferably a sulfide solid electrolyte. Even when using a positive electrode material in which a sulfur-containing positive electrode active material and a solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte are supported within the pores of the porous conductive material, it is preferable to further contain a solid electrolyte in addition to the positive electrode material, and it is particularly preferable to further contain a sulfide solid electrolyte. In this case, although not particularly limited, it is preferable to adjust the positive electrode active material layer so that, for example, 10 to 100 parts by mass of the solid electrolyte and 10 to 100 parts by mass of the conductive material are contained per 100 parts by mass of the positive electrode active material. Specific and preferred forms of solid electrolytes such as sulfide solid electrolytes can be similarly adopted as those described above in the section on the solid electrolyte layer.
正極活物質層の厚さは特に制限されないが、例えば、10~1000μmの範囲内である。 The thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is, for example, in the range of 10 to 1000 μm.
[全固体リチウム二次電池の製造方法]
本発明の一形態は、負極活物質として金属リチウムを用いた全固体リチウム二次電池の製造方法であって、負極集電体上に固体電解質を含む固体電解質層、正極活物質を含む正極活物質層、および正極集電体をこの順に有し、前記金属リチウムが前記正極活物質層と前記正極集電体との間、または前記正極活物質層中に配置された積層体を作製する段階と、前記積層体に対して充電反応を行うことで前記固体電解質層と前記負極集電体との間に前記金属リチウムを析出させる段階と、を含み、前記正極集電体は、リチウムと合金化しない材料から構成されるか、または、前記正極集電体の前記正極活物質層と隣接する面がリチウムと合金化しない材料で被覆されている、全固体リチウム二次電池の製造方法である。
[Method of manufacturing all-solid-state lithium secondary battery]
One aspect of the present invention is a method for producing an all-solid-state lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode active material, the method including the steps of: preparing a laminate having, on a negative electrode current collector, a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, and a positive electrode current collector in this order, the metallic lithium being disposed between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector or in the positive electrode active material layer; and performing a charging reaction on the laminate to precipitate the metallic lithium between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector, wherein the positive electrode current collector is made of a material that does not alloy with lithium, or a surface of the positive electrode current collector adjacent to the positive electrode active material layer is coated with a material that does not alloy with lithium.
金属リチウムを負極に用いた電池は、高い比容量を有すること、金属リチウムが標準水素電極に対して低い還元電位を有することから、高エネルギー密度化が期待できる。一方で、金属リチウムを負極に用いた電池は充電時に短絡しやすいという問題があった。特に、硫黄を含む正極活物質を用いた電池の場合にこの問題が顕在化しやすい傾向にあった。 Batteries using metallic lithium as the anode are expected to have high energy densities because they have a high specific capacity and a low reduction potential relative to the standard hydrogen electrode. However, batteries using metallic lithium as the anode have the problem of being prone to short-circuiting during charging. This problem tends to be particularly pronounced in batteries that use a cathode active material containing sulfur.
その要因について検討した結果、電池の製造過程において、金属リチウム(リチウム金属箔)の表面にLi2OやLi2CO3などの無機被膜が形成されることがわかった。こうした無機被膜が固体電解質と反応して、金属リチウムの表面にイオン伝導性の低い抵抗層が生成する。そのため、電池反応において負極活物質である金属リチウムの表面に不均一な電流分布が生じることから、充電時にリチウムが不均一に析出してデンドライトの形成が起こり、短絡が生じやすくなるものと考えられる。その結果、電池の入出力特性が低下しうる。 After investigating the causes, it was found that an inorganic coating such as Li2O or Li2CO3 is formed on the surface of metallic lithium (lithium metal foil) during the battery manufacturing process. This inorganic coating reacts with the solid electrolyte, forming a resistive layer with low ionic conductivity on the surface of metallic lithium. This results in uneven current distribution on the surface of metallic lithium, the negative electrode active material, during the battery reaction. This leads to uneven deposition of lithium during charging, resulting in the formation of dendrites, making short circuits more likely. This can result in a deterioration in the input/output characteristics of the battery.
このような問題に対して、上述の特許文献1では、金属リチウムの表面にリチウムイオンを伝導する中間層を形成する方法が採用されている。金属リチウムと固体電解質層との間に中間層を形成することで金属リチウムと固体電解質との接触を抑えることができ、金属リチウムが接触することによる固体電解質の還元分解を抑制することができる。 To address this issue, the aforementioned Patent Document 1 employs a method of forming an intermediate layer that conducts lithium ions on the surface of metallic lithium. By forming an intermediate layer between the metallic lithium and the solid electrolyte layer, contact between the metallic lithium and the solid electrolyte can be suppressed, and reductive decomposition of the solid electrolyte due to contact with metallic lithium can be suppressed.
上記のように、特許文献1の技術によれば、金属リチウムと固体電解質層との接触を抑制することで、金属リチウムの表面の無機被膜と固体電解質との副反応が抑制できるため、抵抗層が生成することなく充放電できる電池が得られうる。しかしながら、特許文献1に記載される方法では、固体電解質層と負極活物質である金属リチウムとの間に有限の厚さを有する中間層を形成する必要があることから、電池の体積エネルギー密度が低下してしまう。 As described above, the technology in Patent Document 1 prevents contact between metallic lithium and the solid electrolyte layer, thereby suppressing side reactions between the inorganic coating on the surface of metallic lithium and the solid electrolyte, making it possible to obtain a battery that can be charged and discharged without forming a resistance layer. However, the method described in Patent Document 1 requires the formation of an intermediate layer with a finite thickness between the solid electrolyte layer and metallic lithium, which is the negative electrode active material, which reduces the volumetric energy density of the battery.
なお、無機被膜の生成を抑制するために、固体電解質層上にリチウムを蒸着して負極活物質層を形成する方法が知られている。しかしながら、この方法では、熱エネルギーが加わることによりリチウムと固体電解質とが反応してしまい、リチウムと固体電解質層との接触面に抵抗層が生じるおそれがある。そのため、この方法を用いた場合でも短絡が生じやすくなり、入出力特性が低下してしまう。また、製造時に真空状態にする必要があるためコスト面に課題がある。 In order to suppress the formation of an inorganic coating, a method is known in which lithium is vapor-deposited onto a solid electrolyte layer to form a negative electrode active material layer. However, with this method, the application of thermal energy can cause a reaction between the lithium and the solid electrolyte, which can lead to the formation of a resistive layer at the contact surface between the lithium and the solid electrolyte layer. As a result, even when this method is used, short circuits are more likely to occur, resulting in reduced input/output characteristics. Furthermore, the need to create a vacuum during manufacturing poses cost challenges.
これに対して、本発明の方法では、はじめに、正極側(正極集電体と正極活物質層との間、または正極活物質層中)に金属リチウムを配置しておき、その後充電することで負極集電体上に金属リチウムを析出させて負極活物質層を形成する。すなわち、電池製造時に金属リチウム(リチウム金属箔)と固体電解質層とを接触させる工程を含まない。したがって、金属リチウムの表面の無機被膜と固体電解質とが接触しないため、抵抗層の生成を抑制できる。そのため、電池反応において不均一なリチウムの析出を抑制することができ、短絡せずに充放電できるようになる。また、負極活物質層と固体電解質層との間に中間層を形成する必要がないため、中間層を形成することによる体積増加に起因するエネルギー密度の低下が生じない。 In contrast, the method of the present invention first places metallic lithium on the positive electrode side (between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, or in the positive electrode active material layer), and then charges the battery to deposit metallic lithium on the negative electrode current collector, forming a negative electrode active material layer. In other words, the battery manufacturing process does not include a step of bringing metallic lithium (lithium metal foil) into contact with the solid electrolyte layer. Therefore, the inorganic coating on the surface of the metallic lithium does not come into contact with the solid electrolyte, thereby suppressing the formation of a resistance layer. This prevents uneven lithium deposition during the battery reaction, enabling charge and discharge without short circuits. Furthermore, because there is no need to form an intermediate layer between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, there is no reduction in energy density due to the increased volume caused by forming the intermediate layer.
図3は、本発明の一実施形態に係る全固体リチウム二次電池の製造方法の概略を示す模式図である。図3に示すように、本実施形態に係る方法では、はじめに、電池前駆体となる積層体100を準備する。具体的には、負極集電体111’、固体電解質層117、正極活物質層115、金属リチウム113’、正極集電体111”をこの順に積層して積層体100を作製する。次いで、この積層体に対して充電反応を行うと、還元電位の低い金属リチウム113’がリチウムイオンとして放出され、負極集電体111’上に析出し、固体電解質層117と負極集電体111’との間に金属リチウムからなる負極活物質層113を有する全固体リチウム二次電池100aが得られうる。 Figure 3 is a schematic diagram illustrating an outline of a method for manufacturing an all-solid-state lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 3, in the method according to this embodiment, first, a laminate 100 is prepared as a battery precursor. Specifically, an anode current collector 111', a solid electrolyte layer 117, a cathode active material layer 115, metallic lithium 113', and a cathode current collector 111" are laminated in this order to produce the laminate 100. Next, when a charging reaction is performed on this laminate, metallic lithium 113', which has a low reduction potential, is released as lithium ions and precipitates on the anode current collector 111'. This results in an all-solid-state lithium secondary battery 100a having an anode active material layer 113 made of metallic lithium between the solid electrolyte layer 117 and the anode current collector 111'.
なお、図3では、積層体100として、金属リチウム113’が正極活物質層115と正極集電体111”との間に配置される例を示したが、金属リチウム113’は、正極活物質層115中に配置されていてもよい(図示せず)。金属リチウム113’が正極活物質層115中に配置される具体的な形態としては、例えば、正極活物質層115が、2層構造を有し、金属リチウム113’が当該2層の正極活物質層の層間に配置される形態が挙げられる。 Note that while Figure 3 shows an example of the laminate 100 in which the metallic lithium 113' is disposed between the positive electrode active material layer 115 and the positive electrode current collector 111", the metallic lithium 113' may also be disposed within the positive electrode active material layer 115 (not shown). A specific example of a configuration in which the metallic lithium 113' is disposed within the positive electrode active material layer 115 is one in which the positive electrode active material layer 115 has a two-layer structure and the metallic lithium 113' is disposed between the two positive electrode active material layers.
上記積層体を作製する方法は、金属リチウムと固体電解質層とを接触させる(例えば、金属リチウムの表面と固体電解質層とが互いに密着するように積層する)工程を含まないものであれば特に制限されない。上記積層体は、例えば、以下の製造方法に従って作製することができる。まず固体電解質の粉末材料を加圧することにより、固体電解質層を仮成形する。次に、仮成形した固体電解質層の一方の面に、正極活物質層を構成するための正極活物質を含む正極合剤、金属リチウム、正極集電体の順にこれらの材料を配置し、これらを逐次、または同時に加圧することで、仮成形する。 There are no particular limitations on the method for producing the laminate, as long as it does not include a step of contacting metallic lithium with a solid electrolyte layer (e.g., stacking the metallic lithium and solid electrolyte layer so that they are in close contact with each other). The laminate can be produced, for example, according to the following manufacturing method. First, a powder material of the solid electrolyte is pressed to form a pre-formed solid electrolyte layer. Next, a cathode mixture containing a cathode active material for forming the cathode active material layer, metallic lithium, and a cathode current collector are placed on one side of the pre-formed solid electrolyte layer in this order, and these materials are then pressed sequentially or simultaneously to form a pre-formed structure.
正極活物質層と正極集電体との間に配置する金属リチウムとしては、例えば、厚さが0.1~1000μm、好ましくは1~1000μm、より好ましくは10~500μmのリチウム金属箔を用いることができる。前記リチウム金属箔の厚さは、所望の負極活物質の厚さに応じて適宜設定されうる。 The metallic lithium disposed between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector can be, for example, a lithium metal foil having a thickness of 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 1000 μm, and more preferably 10 to 500 μm. The thickness of the lithium metal foil can be appropriately set depending on the desired thickness of the negative electrode active material.
続いて、固体電解質層の他方の面に負極集電体を配置する。そして、再度加圧することで、正極集電体、金属リチウム、正極活物質層、固体電解質層、負極集電体がこの順に積層された積層体が得られうる。 Next, a negative electrode current collector is placed on the other side of the solid electrolyte layer. Then, by applying pressure again, a laminate can be obtained in which a positive electrode current collector, metallic lithium, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode current collector are stacked in this order.
なお、上記積層体の作製は、露点制御された不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、露点-60℃以下の不活性ガス雰囲気下で行われうる。 The laminate is preferably produced in an inert gas atmosphere with a controlled dew point. For example, it can be produced in an inert gas atmosphere with a dew point of -60°C or lower.
次いで、前記積層体に対して充電反応を行うことによって固体電解質層と負極集電体との間に前記金属リチウムを析出させる。充電反応を行う方法についても特に制限されず、公知の方法が適宜採用されうる。 Next, a charging reaction is carried out on the laminate, thereby depositing the metallic lithium between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector. There are no particular restrictions on the method for carrying out the charging reaction, and any known method can be used as appropriate.
上記充電反応の条件は特に制限されない。充電反応の条件は特に制限されず、使用する正極活物質に応じて設定されうる。例えば、上記充電反応は、特に制限されないが、例えば、15~35℃の温度条件で、定電流充電または定電流定電圧充電により充電することができる。充電反応の電圧条件も特に制限されないが、例えば、充電停止電圧が2.8~3.3V程度となるようにすると、正極側の金属リチウムを効果的に負極集電体上に析出させることができる。 The conditions for the above charging reaction are not particularly limited. The conditions for the charging reaction are not particularly limited and can be set depending on the positive electrode active material used. For example, the above charging reaction is not particularly limited, but can be performed at a temperature of, for example, 15 to 35°C, by constant current charging or constant current/constant voltage charging. The voltage conditions for the charging reaction are also not particularly limited, but for example, if the charge termination voltage is set to approximately 2.8 to 3.3 V, metallic lithium on the positive electrode side can be effectively deposited on the negative electrode current collector.
また、上記充電反応を行った後、放電を行う際の条件も特に制限されない。例えば、15~35℃の温度条件で、定電流放電により放電することができる。放電時の電圧条件も特に制限されないが、例えば、放電停止電圧が0.8~1.3V程度として行うことができる。 Furthermore, there are no particular restrictions on the conditions for discharging after the above charging reaction has occurred. For example, discharging can be performed by constant current discharge at a temperature of 15 to 35°C. There are also no particular restrictions on the voltage conditions during discharging, but for example, the discharge termination voltage can be set to approximately 0.8 to 1.3 V.
なお、上記充電反応およびその後の放電は、電池の初回充放電処理を兼ねるものであってもよい。 The above charging reaction and subsequent discharging may also serve as the initial charging and discharging process for the battery.
本形態の全固体リチウム二次電池は、特に制限されないが、固体電解質層の金属リチウムと接する側の表面に、酸化リチウムおよび炭酸リチウムのいずれをも含まないことが好ましい。これにより、酸化リチウムおよび炭酸リチウムが固体電解質層と反応して抵抗層が形成されることを避けることができる。そのため、充電時に不均一にリチウムが析出して短絡が生じることを抑制することができ、充放電特性に優れた電池が得られうる。より好ましくは、金属リチウムとCO2、N2、O2などのガスとの反応の結果として生じうる酸化物、窒化物、炭酸塩(例えばLi2CO3、Li3N、LiO2)およびこれらと固体電解質との反応生成物を含まないことが好ましい。固体電解質層の表面の酸化リチウムおよび炭酸リチウムをはじめとする酸化物や炭酸塩の存在は、例えば、X線光電子分光法(XPS、ESCA)を利用して材料に存在する元素の組成を判別することで確認することができる。 Although not particularly limited, the all-solid-state lithium secondary battery of this embodiment preferably does not contain either lithium oxide or lithium carbonate on the surface of the solid electrolyte layer that contacts metallic lithium. This prevents lithium oxide and lithium carbonate from reacting with the solid electrolyte layer to form a resistive layer. This prevents uneven lithium deposition and short circuits during charging, resulting in a battery with excellent charge-discharge characteristics. More preferably, the battery does not contain oxides, nitrides, or carbonates (e.g., Li2CO3 , Li3N , LiO2 ) that may be generated as a result of reactions between metallic lithium and gases such as CO2 , N2 , and O2 , as well as reaction products of these with the solid electrolyte. The presence of oxides and carbonates, including lithium oxide and lithium carbonate, on the surface of the solid electrolyte layer can be confirmed by, for example, determining the composition of elements present in the material using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCA).
すなわち、本発明の一形態によれば、負極集電体上に金属リチウムから構成される負極活物質層、固体電解質を含む固体電解質層、正極活物質を含む正極活物質層、および正極集電体をこの順に有し、前記正極集電体は、リチウムと合金化しない材料から構成されるか、または、前記正極集電体の前記正極活物質層と隣接する面がリチウムと合金化しない材料で被覆されており、前記固体電解質層の前記金属リチウムと接する側の表面に酸化リチウムおよび炭酸リチウムのいずれをも含まない、全固体リチウム二次電池が提供される。 That is, one aspect of the present invention provides an all-solid-state lithium secondary battery having, on an anode current collector, an anode active material layer composed of metallic lithium, a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, a cathode active material layer containing a cathode active material, and a cathode current collector, in this order; the cathode current collector is made of a material that does not alloy with lithium, or the surface of the cathode current collector adjacent to the cathode active material layer is coated with a material that does not alloy with lithium; and the surface of the solid electrolyte layer that comes into contact with the metallic lithium does not contain either lithium oxide or lithium carbonate.
本形態の全固体リチウム二次電池は、特に制限されないが、固体電解質層中に存在する酸化リチウムおよび炭酸リチウムの合計の含有量が、固体電解質層の全量に対して1質量%以下であることが好ましい。これにより、酸化リチウムおよび炭酸リチウムが固体電解質層と反応して抵抗層が形成されることを避けることができる。そのため、充電時に不均一にリチウムが析出して短絡が生じることを抑制することができ、充放電特性に優れた電池が得られうる。 The all-solid-state lithium secondary battery of this embodiment is not particularly limited, but it is preferable that the total content of lithium oxide and lithium carbonate present in the solid electrolyte layer be 1 mass % or less relative to the total amount of the solid electrolyte layer. This prevents the lithium oxide and lithium carbonate from reacting with the solid electrolyte layer to form a resistance layer. This prevents uneven lithium deposition during charging, which can lead to short circuits, and a battery with excellent charge/discharge characteristics can be obtained.
本発明の好ましい実施形態においては、前記固体電解質層は、固体電解質として酸素原子および炭素原子のいずれをも含まない固体電解質のみからなり、前記固体電解質層の金属リチウムと接する側の表面に、酸化物および炭酸塩のいずれをも含まない。このような構成であると、本発明の効果がより一層顕著に得られうる。 In a preferred embodiment of the present invention, the solid electrolyte layer is composed solely of a solid electrolyte that contains neither oxygen atoms nor carbon atoms, and the surface of the solid electrolyte layer that comes into contact with metallic lithium contains neither oxides nor carbonates. With this configuration, the effects of the present invention can be achieved even more significantly.
[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 electrode current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collector plates for secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferred as constituent materials of the current collector plates. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The positive current collector plate 27 and the negative current collector plate 25 may be made of the same material or different materials.
[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 electrode lead and negative electrode lead]
Although not shown, the current collectors (11′, 11″) and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via positive and negative electrode leads. Materials used in known lithium secondary batteries may be used as the constituent materials of the positive and negative electrode leads. The portion removed from the exterior is preferably covered with a heat-resistant, insulating heat-shrinkable tube or the like to prevent contact with peripheral devices or wiring, causing electrical leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices).
[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, or a bag-shaped case using an aluminum-containing laminate film 29 that 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 desirable from the viewpoint of its high output and excellent cooling performance, making it suitable for use in batteries for large equipment such as EVs and HEVs. Furthermore, an aluminum-containing laminate film is more preferable for the exterior body because it allows for easy adjustment of the collective pressure applied to the power generating element from the outside.
本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to this embodiment has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, resulting in high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
以上、全固体リチウム二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 The above describes one embodiment of an all-solid-state lithium secondary battery, but the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment and can be modified as appropriate based on the claims.
例えば、本発明に係るリチウム二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the lithium secondary battery according to the present invention can be used in a bipolar battery, which includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.
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。なお、特記しないかぎり、各種操作は室温(25℃)で行った。 The present invention will be explained in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples. Unless otherwise specified, all operations were performed at room temperature (25°C).
[実施例1]
(試験用セル(全固体リチウム二次電池)の作製)
電池の作製は、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
[Example 1]
(Production of test cells (all-solid-state lithium secondary batteries))
The battery was fabricated in a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −68° C. or lower.
(固体電解質含浸カーボンの調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.500gを100mLの超脱水エタノール(富士フイルム和光純薬株式会社製)に加え、十分に撹拌して固体電解質をエタノールに溶解させた。得られた固体電解質エタノール溶液にカーボン(関西熱化学株式会社製、活性炭、MSC-30)1.00gを加え、よく撹拌して溶液中にカーボンを十分に分散させた。このカーボン分散液が入った容器を真空装置に接続し、マグネティックスターラーにより容器中のカーボン分散液を撹拌しながら油回転ポンプにより容器中を1Pa以下の減圧状態にした。減圧下では溶媒であるエタノールが揮発するため、時間の経過とともにエタノールが除去され、固体電解質を含浸したカーボンが容器内に残存した。このようにしてエタノールを減圧除去した後に減圧下で180℃に加熱し、3時間熱処理を行うことにより固体電解質含浸カーボンを調製した。
(Preparation of solid electrolyte-impregnated carbon)
In a glove box with an argon atmosphere having a dew point of -68°C or less, 0.500 g of sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, manufactured by Ampcera) was added to 100 mL of ultra-dehydrated ethanol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and thoroughly stirred to dissolve the solid electrolyte in ethanol. 1.00 g of carbon (activated carbon, MSC-30, manufactured by Kansai Thermochemical Co., Ltd.) was added to the obtained solid electrolyte ethanol solution and thoroughly stirred to thoroughly disperse the carbon in the solution. The container containing this carbon dispersion was connected to a vacuum device, and the container was reduced in pressure to 1 Pa or less using an oil rotary pump while stirring the carbon dispersion in the container with a magnetic stirrer. Because the solvent ethanol volatilizes under reduced pressure, the ethanol was removed over time, and the carbon impregnated with the solid electrolyte remained in the container. After removing the ethanol under reduced pressure in this way, the solid electrolyte-impregnated carbon was prepared by heating to 180°C under reduced pressure and heat-treating for 3 hours.
(硫黄の熱含浸による硫黄/固体電解質/カーボン複合材の調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、上記で調製した固体電解質含浸カーボン0.750gに単体硫黄(Aldrich社製)2.50gを加えてメノウ乳鉢で十分に混合した後、混合粉末を密閉耐圧オートクレーブ容器に入れて170℃で3時間加熱することにより硫黄を溶融させて、硫黄を固体電解質含浸カーボンに含浸させた。これにより硫黄/固体電解質/カーボン複合材を調製した。
Preparation of sulfur/solid electrolyte/carbon composites by hot impregnation with sulfur
In a glove box with an argon atmosphere having a dew point of −68° C. or lower, 2.50 g of elemental sulfur (manufactured by Aldrich) was added to 0.750 g of the solid electrolyte-impregnated carbon prepared above and thoroughly mixed in an agate mortar. The mixed powder was then placed in a sealed pressure-resistant autoclave and heated at 170° C. for 3 hours to melt the sulfur and impregnate the solid electrolyte-impregnated carbon with the sulfur. This produced a sulfur/solid electrolyte/carbon composite.
(硫黄含有正極材料の調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、5mm径のジルコニアボール40gと、上記で調製した硫黄/固体電解質含浸カーボン0.130gと、固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.070gとを容量45mLのジルコニア製容器に入れ、遊星ボールミル(フリッチュ社製、Premium line P-7)により370rpmで6時間処理することにより、硫黄含有正極材料の粉末を得た。硫黄含有正極材料の組成は硫黄:固体電解質:カーボン=50:40:10とした。
(Preparation of sulfur-containing positive electrode material)
In a glove box with an argon atmosphere and a dew point of −68°C or lower, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.130 g of the sulfur/solid electrolyte-impregnated carbon prepared above, and 0.070 g of solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, manufactured by Ampcera) were placed in a 45 mL zirconia container and milled at 370 rpm for 6 hours in a planetary ball mill (Premium line P-7, manufactured by Fritsch GmbH). The sulfur-containing positive electrode material had a composition of sulfur:solid electrolyte:carbon=50:40:10.
(試験用セルの作製)
マコール製の円筒チューブ治具(管内径10mm、外径23mm、高さ20mm)の片側にSUS製の円筒凸型パンチ(10mm径)を挿し入れ、円筒チューブ治具の上側から硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)80mgを入れた。その後、もう1つのSUS製円筒凸型パンチを挿し入れて固体電解質を挟み込み、油圧プレスを用いて75MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mm、厚さ約0.6mmの固体電解質層を円筒チューブ治具中に形成した。
(Preparation of test cell)
A SUS cylindrical convex punch (10 mm diameter) was inserted into one side of a cylindrical tube jig manufactured by Macor (tube inner diameter 10 mm, outer diameter 23 mm, height 20 mm), and 80 mg of a sulfide solid electrolyte ( Li6PS5Cl manufactured by Ampcera) was placed from the top of the cylindrical tube jig. Then, another SUS cylindrical convex punch was inserted to sandwich the solid electrolyte, and the tube was pressed using a hydraulic press at a pressure of 75 MPa for 3 minutes to form a solid electrolyte layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.6 mm in the cylindrical tube jig.
次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを一旦抜き取り、円筒チューブ内の固体電解質層の片側面に上記で調製した硫黄含有正極材料7.5mgを入れ、再び上側から円筒凸型パンチを挿し入れ、300MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mm、厚さ約0.06mmの正極活物質層を固体電解質層の片側面に形成した。次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを再び抜き取り、上記正極活物質層の上に直径10mmに打ち抜いたリチウム箔(本城金属株式会社製、厚さ0.10mm)および正極集電体として直径10mmに打ち抜いたSUS430箔(厚さ0.010mm)をこの順に入れた。その後、再び上側から円筒凸型パンチを挿し入れた。 Next, the cylindrical convex punch inserted from above was removed, and 7.5 mg of the sulfur-containing positive electrode material prepared above was placed on one side of the solid electrolyte layer inside the cylindrical tube. The cylindrical convex punch was then inserted again from above and pressed at a pressure of 300 MPa for 3 minutes, forming a positive electrode active material layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.06 mm on one side of the solid electrolyte layer. Next, the cylindrical convex punch inserted from above was removed again, and a lithium foil (manufactured by Honjo Metals Co., Ltd., thickness 0.10 mm) punched to a diameter of 10 mm and a SUS430 foil (thickness 0.010 mm) punched to a diameter of 10 mm as a positive electrode current collector were placed, in that order, on top of the positive electrode active material layer. The cylindrical convex punch was then inserted again from above.
次に、下側の円筒凸型パンチを抜き取り、負極集電体として直径10mmに打ち抜いたSUS箔(厚さ0.010mm)を円筒チューブ治具の下側から入れて、再び円筒凸型パンチを挿し入れ、金属の筐体で100MPa相当の圧力で拘束した。 Next, the lower cylindrical convex punch was removed, and a piece of SUS foil (thickness: 0.010 mm) punched to a diameter of 10 mm was inserted into the cylindrical tube jig from the bottom, and the cylindrical convex punch was then inserted again, and the jig was then restrained in a metal casing at a pressure equivalent to 100 MPa.
以上のようにして、負極集電体、固体電解質層、正極活物質層、リチウム金属箔、正極集電体がこの順に積層された積層体を得た。 In this way, a laminate was obtained in which the negative electrode current collector, solid electrolyte layer, positive electrode active material layer, lithium metal foil, and positive electrode current collector were stacked in this order.
次いで、上記で作製した積層体に対して充電を行い、負極集電体と固体電解質層との間に金属リチウムを析出させた。具体的には、25℃に設定した定温恒温槽に積層体を設置し、積層体の温度が一定になった後、充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ-SD8)を用いて、0.1mA/cm2の電流密度で、3.1V定電流定電圧(CCCV)充電を電流密度0.05mA/cm2の電流カットにて行った。その後、電池設計で0.03Cのレートで放電した。このようにして、全固体リチウム二次電池を得た。 Next, the laminate prepared above was charged, and metallic lithium was precipitated between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. Specifically, the laminate was placed in a constant temperature bath set at 25°C, and after the temperature of the laminate became constant, a charge-discharge tester (HJ-SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation) was used to perform 3.1 V constant current constant voltage (CCCV) charging at a current density of 0.1 mA/ cm² with a current cutoff of 0.05 mA/ cm² . The battery was then discharged at a rate of 0.03 C according to the battery design. In this way, an all-solid-state lithium secondary battery was obtained.
[実施例2]
試験用セルの作製において、正極集電体をSUS430箔からNi箔(厚さ0.020mm)に変更したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。
[Example 2]
An all-solid-state lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that in the production of the test cell, the positive electrode current collector was changed from SUS430 foil to Ni foil (thickness: 0.020 mm).
[実施例3]
試験用セルの作製において、正極集電体をSUS430箔からカーボンコートアルミニウム箔(昭和電工株式会社製、カーボン層の厚さ1μm、アルミニウム層の厚さ20μm)に変更したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。
[Example 3]
An all-solid-state lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that in the production of the test cell, the positive electrode current collector was changed from SUS430 foil to carbon-coated aluminum foil (manufactured by Showa Denko K.K., carbon layer thickness: 1 μm, aluminum layer thickness: 20 μm).
[比較例1]
上記実施例1と同様にして、硫黄含有正極材料を調製した。
[Comparative Example 1]
A sulfur-containing positive electrode material was prepared in the same manner as in Example 1 above.
マコール製の円筒チューブ治具(管内径10mm、外径23mm、高さ20mm)の片側にSUS製の円筒凸型パンチ(10mm径)を挿し入れ、円筒チューブ治具の上側から硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)80mgを入れた。その後、もう1つのSUS製円筒凸型パンチを挿し入れて固体電解質を挟み込み、油圧プレスを用いて75MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mm、厚さ約0.6mmの固体電解質層を円筒チューブ治具中に形成した。 A SUS cylindrical convex punch (10 mm diameter) was inserted into one side of a cylindrical tube jig manufactured by Macor (tube inner diameter 10 mm, outer diameter 23 mm, height 20 mm), and 80 mg of a sulfide solid electrolyte ( Li6PS5Cl manufactured by Ampcera) was placed from the top of the cylindrical tube jig. Then, another SUS cylindrical convex punch was inserted to sandwich the solid electrolyte, and the tube was pressed using a hydraulic press at a pressure of 75 MPa for 3 minutes to form a solid electrolyte layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.6 mm in the cylindrical tube jig.
次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを一旦抜き取り、円筒チューブ内の固体電解質層の片側面に上記で調製した硫黄含有正極材料7.5mgを入れ、再び上側から円筒凸型パンチを挿し入れ、300MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mm、厚さ約0.06mmの正極活物質層を固体電解質層の片側面に形成した。次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを再び抜き取り、上記正極活物質層の上に直径10mmに打ち抜いたSUS430箔(厚さ0.010mm)を入れた。その後、再び上側から円筒凸型パンチを挿し入れた。 Next, the cylindrical convex punch inserted from above was removed, and 7.5 mg of the sulfur-containing positive electrode material prepared above was placed on one side of the solid electrolyte layer inside the cylindrical tube. The cylindrical convex punch was then inserted again from above and pressed at a pressure of 300 MPa for 3 minutes, forming a positive electrode active material layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.06 mm on one side of the solid electrolyte layer. Next, the cylindrical convex punch inserted from above was removed again, and SUS430 foil (thickness 0.010 mm) punched to a diameter of 10 mm was placed on top of the positive electrode active material layer. After that, the cylindrical convex punch was inserted again from above.
次に、下側の円筒凸型パンチを抜き取り、負極活物質層として直径10mmに打ち抜いたリチウム金属箔(本城金属株式会社製、厚さ0.10mm)および負極集電体として直径10mmに打ち抜いたSUS箔(厚さ0.010mm)を円筒チューブ治具の下側から入れて、再び円筒凸型パンチを挿し入れ、金属の筐体で100MPa相当の圧力で拘束した。 Next, the lower cylindrical convex punch was removed, and a lithium metal foil (manufactured by Honjo Metals Co., Ltd., thickness 0.10 mm) punched to a diameter of 10 mm as the negative electrode active material layer and a SUS foil (thickness 0.010 mm) punched to a diameter of 10 mm as the negative electrode current collector were inserted from the bottom of the cylindrical tube jig, and the cylindrical convex punch was reinserted, and the jig was then restrained in a metal casing at a pressure equivalent to 100 MPa.
以上のようにして、負極集電体、リチウム金属箔、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体がこの順に積層された積層体を得た。その後、上記実施例1と同様に充放電を行い、比較例1の全固体リチウム二次電池を得た。 In this manner, a laminate was obtained in which the negative electrode current collector, lithium metal foil, solid electrolyte layer, positive electrode active material layer, and positive electrode current collector were stacked in this order. Charge and discharge were then performed in the same manner as in Example 1 above, and the all-solid-state lithium secondary battery of Comparative Example 1 was obtained.
[比較例2]
上記比較例1において、リチウム金属箔と固体電解質層との間に、厚さ0.10mmのポリエチレンオキサイド(PEO)フィルムを配置して積層体を作製した。これにより、負極集電体、リチウム金属箔、ポリエチレンオキサイドの層(中間層)、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体がこの順に積層された積層体を得た。上記以外は、比較例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
In the above Comparative Example 1, a laminate was fabricated by disposing a 0.10 mm thick polyethylene oxide (PEO) film between the lithium metal foil and the solid electrolyte layer. This resulted in a laminate in which a negative electrode current collector, lithium metal foil, a polyethylene oxide layer (intermediate layer), a solid electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector were stacked in this order. Except for the above, an all-solid-state lithium secondary battery was fabricated using the same method as in Comparative Example 1.
[比較例3]
試験用セルの作製において、正極集電体をSUS430箔からアルミニウム箔(厚さ0.020mm)に変更したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。
[Comparative Example 3]
An all-solid-state lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that in the production of the test cell, the positive electrode current collector was changed from SUS430 foil to aluminum foil (thickness: 0.020 mm).
各実施例および比較例で作製した電池の構成を下記表1に示す。表1中、「Li金属初期配置」として、電池前駆体である積層体を作製する際にリチウム箔を正極集電体と固体電解質層との間に配置した場合を正極側、負極集電体と固体電解質層との間に配置した場合を「負極側」と表した。 The configuration of the batteries produced in each example and comparative example is shown in Table 1 below. In Table 1, the "initial Li metal placement" refers to the case where lithium foil was placed between the positive electrode current collector and the solid electrolyte layer when producing the laminate, which is the battery precursor, and is represented as the "positive electrode side," and the case where it was placed between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer is represented as the "negative electrode side."
《全固体リチウム二次電池の断面の観察》
上述の実施例1~3および比較例3の全固体リチウム二次電池について、充電処理終了時の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察したところ、負極集電体と固体電解質層との間に金属リチウムの層が存在していることが確認された。
<<Observation of the cross section of an all-solid-state lithium secondary battery>>
When the cross sections of the all-solid-state lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 described above were observed with a scanning electron microscope (SEM) after the charging treatment was completed, it was confirmed that a layer of metallic lithium was present between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer.
《全固体リチウム二次電池の固体電解質層の表面の分析》
また、実施例1~3の全固体リチウム二次電池について、充電処理終了時の固体電解質層を取り出し、金属リチウムと接する側の表面をX線光電子分光法(XPS、ESCA)で測定し、酸素原子および炭素原子に由来するピークが観測されないことを確認した。このことから、固体電解質層の金属リチウムと接する側の表面に、酸化物や炭酸塩が生成していないものと考えられる。一方、比較例1の全固体リチウム二次電池で同様の測定を行ったところ、酸素原子および炭素原子に由来するピークが確認され、固体電解質層の金属リチウムと接する側の表面に酸化物や炭酸塩が生成していることがわかった。
<<Analysis of the surface of the solid electrolyte layer of an all-solid-state lithium secondary battery>>
Furthermore, for the all-solid-state lithium secondary batteries of Examples 1 to 3, the solid electrolyte layers were removed after the charging process was completed, and the surface in contact with metallic lithium was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCA), confirming that no peaks derived from oxygen atoms or carbon atoms were observed. This suggests that no oxides or carbonates were formed on the surface of the solid electrolyte layer in contact with metallic lithium. On the other hand, when a similar measurement was performed on the all-solid-state lithium secondary battery of Comparative Example 1, peaks derived from oxygen atoms and carbon atoms were confirmed, indicating that oxides and carbonates were formed on the surface of the solid electrolyte layer in contact with metallic lithium.
《試験用セルの評価》
上記の各実施例および各比較例で作製した試験用セルについて、下記の手法により直流抵抗およびエネルギー密度の評価を行った。なお、以下の測定はすべて、充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ-SD8)を用い、25℃に設定した定温恒温槽中で行った。
<Test cell evaluation>
The DC resistance and energy density of the test cells prepared in each of the above examples and comparative examples were evaluated by the following methods. All of the following measurements were performed using a charge/discharge tester (HJ-SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation) in a constant temperature bath set at 25°C.
(エネルギー密度の測定)
0.1mA/cm2の電流密度で、3.1V定電流定電圧(CCCV)充電を電流密度0.05mA/cm2の電流カットにて行った。その後、電池設計で0.03Cのレートで放電を行って、電池容量を確認し、エネルギー密度を算出した。この際、電圧範囲は1.1~2.5Vとし、充放電時の電流レートは0.05Cとし、充電時のカットオフ電流は0.01Cとした。このようにして算出されたエネルギー密度を、比較例1の値を100とした場合の相対値として下記の表1に示す。
(Energy density measurement)
The battery was charged at a constant current/constant voltage (CCCV) of 3.1 V at a current density of 0.1 mA/ cm² with a current cutoff of 0.05 mA/ cm² . The battery was then discharged at a rate of 0.03 C according to the battery design, and the battery capacity was confirmed and the energy density was calculated. The voltage range was 1.1 to 2.5 V, the current rate during charge/discharge was 0.05 C, and the cutoff current during charge was 0.01 C. The energy densities calculated in this manner are shown in Table 1 below as relative values, with the value for Comparative Example 1 set to 100.
(内部抵抗の測定)
上記の充放電サイクルを10回繰り返した後に得られた充放電容量の値と、正極に含まれる正極活物質の質量とから正極活物質の質量あたりの容量値(mAh/g)を算出した。次いで、このようにして算出した容量値100%に対して50%の容量(SOC50%)まで0.2mA/cm2の電流密度で定電流放電を行った。30分間休止した後、1Cの放電レートで10秒間放電を行い、その際の電圧低下量と電流値とから、オームの法則に従って直流抵抗値(DCR)を算出し、試験用セルの内部抵抗値とした。結果を下記の表1に示す。なお、表1に示す内部抵抗値(DCR)は、比較例1における値を100としたときの相対値である。
(Internal resistance measurement)
The capacity value per mass of the positive electrode active material (mAh/g) was calculated from the charge/discharge capacity value obtained after 10 repeated charge/discharge cycles and the mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode. Next, a constant current discharge was performed at a current density of 0.2 mA/cm 2 to a capacity of 50% (SOC 50%) of the capacity value calculated in this way (100%). After a 30-minute rest, the battery was discharged at a discharge rate of 1 C for 10 seconds. The direct current resistance (DCR) was calculated according to Ohm's law from the voltage drop and current value at that time, and used as the internal resistance value of the test cell. The results are shown in Table 1 below. The internal resistance values (DCR) shown in Table 1 are relative values when the value in Comparative Example 1 is set to 100.
表1に示す結果から、実施例1~3のように、本発明の方法によれば、負極活物質として金属リチウムを用いた全固体リチウム二次電池において、エネルギー密度を低下させることなく入出力特性が向上しうることがわかった。これに対して、比較例1のように金属リチウム上に固体電解質層を配置する工程を含む場合は内部抵抗が増加してしまう。これは、金属リチウム上に生成したLi2OやLi2CO3などの無機被膜が固体電解質と反応して抵抗層が生成するためと考えられる。また、比較例2のように、負極活物質層と固体電解質層との間に中間層を配置すると、金属リチウムと固体電解質との反応が抑制されるが、中間層による体積増加に起因して電池のエネルギー密度が低下してしまう。また、比較例3のように、正極集電体がリチウムと合金化しうる金属である場合は、リチウムと合金化することで集電体が腐食して集電体としての機能が低下してしまうことから、内部抵抗が増加するものと考えられる。 The results shown in Table 1 reveal that, as in Examples 1 to 3, the method of the present invention can improve input/output characteristics without reducing energy density in all-solid-state lithium secondary batteries using metallic lithium as the negative electrode active material. In contrast, when a process of disposing a solid electrolyte layer on metallic lithium is included, as in Comparative Example 1, the internal resistance increases. This is thought to be because an inorganic coating, such as Li 2 O or Li 2 CO 3 , formed on the metallic lithium reacts with the solid electrolyte to form a resistive layer. Furthermore, when an intermediate layer is disposed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, as in Comparative Example 2, the reaction between metallic lithium and the solid electrolyte is suppressed, but the energy density of the battery decreases due to the increased volume of the intermediate layer. Furthermore, when the positive electrode current collector is made of a metal that can be alloyed with lithium, as in Comparative Example 3, the current collector corrodes upon alloying with lithium, reducing its function as a current collector, and therefore the internal resistance is thought to increase.
10a、100a 積層型電池、
11’、111’ 負極集電体、
11”、111” 正極集電体、
13、113 負極活物質層、
15、115 正極活物質層、
17、117 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム、
100 積層体、
113’ 金属リチウム。
10a, 100a stacked battery,
11', 111' negative electrode current collector,
11”, 111” positive electrode current collector,
13, 113 negative electrode active material layer,
15, 115 positive electrode active material layer,
17, 117 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
25 negative electrode current collector plate,
27 positive electrode current collector plate,
29 Laminating film,
100 laminate,
113' metallic lithium.
Claims (5)
負極集電体上に固体電解質を含む固体電解質層、正極活物質を含む正極活物質層、および正極集電体をこの順に有し、前記金属リチウムが前記正極活物質層と前記正極集電体との間、または前記正極活物質層中に配置された積層体を作製する段階と、
前記積層体に対して充電反応を行うことで前記固体電解質層と前記負極集電体との間に前記金属リチウムを析出させる段階と、を含み、
前記正極集電体は、リチウムと合金化しない材料から構成されるか、または、前記正極集電体の前記正極活物質層と隣接する面がリチウムと合金化しない材料で被覆されている、全固体リチウム二次電池の製造方法。 A method for producing an all-solid-state lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode active material, comprising:
preparing a laminate having, on an anode current collector, a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, a cathode active material layer containing a cathode active material, and a cathode current collector in this order, wherein the metallic lithium is disposed between the cathode active material layer and the cathode current collector or in the cathode active material layer;
and performing a charging reaction on the laminate to deposit the metallic lithium between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector,
the positive electrode current collector is made of a material that does not alloy with lithium, or a surface of the positive electrode current collector adjacent to the positive electrode active material layer is coated with a material that does not alloy with lithium.
5. The method according to claim 1, wherein the all-solid-state lithium secondary battery contains neither lithium oxide nor lithium carbonate on a surface of the solid electrolyte layer that is in contact with the metallic lithium.
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