JP7782843B2 - Solid electrode layer and method for manufacturing the same - Google Patents
Solid electrode layer and method for manufacturing the sameInfo
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Description
本発明は、固体電極層及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrode layer and a method for manufacturing the same.
高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池は、現在、小型携帯機器、電気自動車等の電源として幅広く用いられている。さらに最近では、リアルタイムクロックのバックアップ電源や無線通信モジュール等のIoT用途をターゲットとし、リフロー工程で基板に表面実装可能な二次電池の需要があり、このような用途では二次電池の高い耐熱性及び安全性を確保することが重要である。リチウムイオン二次電池のなかでも、酸化物固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池は、従来のリチウムイオン二次電池のように可燃性有機電解液を用いないため、高い信頼性と耐熱性が求められる基板実装用の二次電池として最適であり、極めて耐熱性及び安全性の高い蓄電デバイスである。また、この全固体リチウムイオン二次電池に使用される酸化物固体電解質は、空気中で化学的に安定であり、全固体リチウムイオン二次電池の中でも耐久性は高い。 Lithium secondary batteries, boasting high energy density, are currently widely used as power sources for small portable devices, electric vehicles, and other devices. Furthermore, recently, there has been demand for secondary batteries that can be surface-mounted to substrates using a reflow process, targeting IoT applications such as backup power sources for real-time clocks and wireless communication modules. For such applications, ensuring high heat resistance and safety of secondary batteries is important. Among lithium-ion secondary batteries, all-solid-state lithium-ion secondary batteries using an oxide solid electrolyte do not use flammable organic electrolytes like conventional lithium-ion secondary batteries. Therefore, they are ideal as secondary batteries for substrate mounting, which require high reliability and heat resistance, and are extremely heat-resistant and safe energy storage devices. Furthermore, the oxide solid electrolyte used in these all-solid-state lithium-ion secondary batteries is chemically stable in air, making them highly durable among all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
全固体リチウムイオン二次電池を製造するには、通常、少なくとも、正極層、固体電解質層及び負極層を焼結によって接合させることが多い。しかしながら、酸化物固体電解質を使用する場合、焼結時に正極活物質との間で副反応が発生し、電池反応を阻害する不純物が生成してしまう。 To manufacture an all-solid-state lithium-ion secondary battery, at least the positive electrode layer, solid electrolyte layer, and negative electrode layer are typically joined by sintering. However, when an oxide solid electrolyte is used, a side reaction occurs between the positive electrode active material and the electrolyte during sintering, resulting in the production of impurities that inhibit the battery reaction.
特許文献1には、この副反応を抑制するために、固体電解質材料としてナシコン型のリン酸化合物と、正極活物質としてNi及びMnの少なくとも一方を含むスピネル型の酸化物を使用することが記載されている。特許文献1では、この組合せにより、焼結時に不純物が生成しないことが記載されているが、実際には、固体電解質材料としてナシコン型のリン酸化合物を使用した場合には、特許文献1に記載の焼成温度では固体電解質材料と正極活物質との接合に至る焼結には不十分であり、接合に至る焼結温度にて製造する際に不純物の発生を抑制することはできず、電池性能が悪化する。 Patent Document 1 describes the use of a Nasicon-type phosphate compound as the solid electrolyte material and a spinel-type oxide containing at least one of Ni and Mn as the positive electrode active material to suppress this side reaction. Patent Document 1 states that this combination prevents the generation of impurities during sintering. However, in reality, when a Nasicon-type phosphate compound is used as the solid electrolyte material, the firing temperature described in Patent Document 1 is insufficient to achieve sintering that bonds the solid electrolyte material and the positive electrode active material. Therefore, the generation of impurities cannot be suppressed during manufacturing at a sintering temperature that achieves bonding, resulting in a deterioration in battery performance.
また、特許文献1には、この副反応を抑制するために、固体電解質材料としてナシコン型のリン酸化合物と、正極活物質として特定の酸化物(Nb2O5、WO3、MoO3、Ta2O5等)を使用することが記載されている。しかしながら、ここで記載されている酸化物を使用した場合には、全固体リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は十分とは言えず、現行の全固体リチウムイオン二次電池には使用されていないため、汎用性がない。 Furthermore, Patent Document 1 describes the use of a Nasicon-type phosphate compound as the solid electrolyte material and a specific oxide (Nb 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 , Ta 2 O 5 , etc.) as the positive electrode active material in order to suppress this side reaction. However, when the oxide described therein is used, the energy density of the all-solid-state lithium ion secondary battery is not sufficient, and since it is not used in current all-solid-state lithium ion secondary batteries, it lacks versatility.
以上から、高性能の電池特性を発現させるためには、固体電解質層との焼結時の不純物の生成を抑制するのみならず、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している必要があるが、特許文献1では達成できているとは言いがたい。 From the above, in order to achieve high-performance battery characteristics, it is necessary not only to suppress the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, but also to ensure that the solid electrolyte material and positive electrode active material are dispersed evenly and homogeneously in the positive electrode layer, targeting layered rock salt oxides, which are positive electrode active materials that can be expected to achieve the high performance used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries. However, it cannot be said that this is achieved in Patent Document 1.
一方、非特許文献1では、層状岩塩型酸化物である正極活物質と、Li2.2C0.8B0.2O3固体電解質を使用した場合に、正極層における不純物の生成が抑制され、全固体リチウムイオン二次電池が正常に動作することが記載されている。また、非特許文献2では、層状岩塩型酸化物である正極活物質と、Li3.5Ge0.5V0.5O4固体電解質とを手混ぜ混合した場合に、正極層における不純物の生成が抑制され、全固体リチウムイオン二次電池が正常に動作することが記載されている。 On the other hand, Non-Patent Document 1 describes that when a layered rock salt type oxide cathode active material and a Li2.2C0.8B0.2O3 solid electrolyte are used, the generation of impurities in the cathode layer is suppressed and the all-solid-state lithium ion secondary battery operates normally. Also, Non-Patent Document 2 describes that when a layered rock salt type oxide cathode active material and a Li3.5Ge0.5V0.5O4 solid electrolyte are mixed by hand, the generation of impurities in the cathode layer is suppressed and the all - solid-state lithium ion secondary battery operates normally.
しかしながら、非特許文献1及び2の方法はいずれも、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散しているものではなく、容量、サイクル特性及びレート特性のいずれにおいても、改善の余地がある。 However, in neither of the methods described in Non-Patent Documents 1 and 2 is the solid electrolyte material and the positive electrode active material dispersed evenly and homogeneously in the positive electrode layer, and there is room for improvement in terms of capacity, cycle characteristics, and rate characteristics.
以上のような観点から、固体電解質層との焼結時の不純物の生成を抑制するのみならず、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している固体電極層を提供することを目的とする。 From the above perspective, the objective is to provide a solid electrode layer in which the solid electrolyte material and the positive electrode active material are evenly and homogeneously dispersed within the positive electrode layer, targeting layered rock salt oxides, which are positive electrode active materials that not only suppress the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer but are also expected to achieve the high performance used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を含有する固体電極層において、X線回折図から算出されるリシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物以外の材料の含有量を少なくし、層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径及び前記平均径の標準偏差を小さくすることにより、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料を均等且つ均質に分散させることができ、上記課題を解決できることを見出した。本発明は、このような知見に基づいて更に研究を重ねた結果、完成されたものである。即ち、本発明は、以下の構成を包含する。
項1.リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を含有する固体電極層であって、
前記固体電極層のX線回折図から算出される不純物の含有量が、前記固体電極層の総量を100モル%として1.0モル%以下であり、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径が0.50~2.00μmであり、且つ、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差が1.00μm以下である、固体電極層。
項2.前記リシコン型酸化物は、一般式(1):
Lix1M1Oy1 (1)
[式中、x1は、3.0<x1<4.0を示す。y1は、3.8<y1<4.2を示す。M1はGe、Si、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物である、項1に記載の固体電極層。
項3.前記M1が、Ge及び/又はSiと、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含む、項2に記載の固体電極層。
項4.前記リシコン型酸化物は、Li3.5Ge0.5V0.5O4、Li3.7Ge0.7V0.3O4、Li3.3Ge0.3V0.7O4、Li3.75Ge0.75P0.25O4、Li3.5Ge0.75S0.25O4、又はLi3.5Si0.25Ti0.25V0.5O4である、項1~3のいずれか1項に記載の固体電極層。
項5.前記リシコン型酸化物は、Li3.5Ge0.5V0.5O4である、項1~4のいずれか1項に記載の固体電極層。
項6.前記層状岩塩型酸化物は、一般式(2):
LiM2Oy2 (2)
[式中、y2は、1.5<y2<2.5を示す。M2はCo、Mn、Ni、Al及びLiよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物である、項1~5のいずれか1項に記載の固体電極層。
項7.前記層状岩塩型酸化物は、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、又はLi1.20Ni0.16Mn0.55Co0.09O2である、項1~6のいずれか1項に記載の固体電極層。
項8.前記層状岩塩型酸化物は、LiCoO2である、項1~7のいずれか1項に記載の固体電極層。
項9.全固体リチウムイオン二次電池用固体電極層である、項1~8のいずれか1項に記載の固体電極層。
項10.固体正極層である、項1~9のいずれか1項に記載の固体電極層。
項11.項1~10のいずれか1項に記載の固体電極層を備える、全固体リチウムイオン二次電池。
項12.項1~10のいずれか1項に記載の固体電極層の製造方法であって、
(1)リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物に対して低結晶化処理を施す工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた低結晶化物を600~1000℃で熱処理して固化成型体を得る工程
を備える、製造方法。
項13.前記低結晶化処理が、メカニカルミリング処理及び/又は溶融急冷処理である、項12に記載の製造方法。
項14.リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を含有する固体電極層の前駆体であって、
前記前駆体のX線回折図から算出される不純物の含有量が、前記固体電極層の総量を100モル%として1モル%以下であり、
波長0.05nmの放射光X線による2θ=4~26°の範囲のX線回折図において、空間群Fm-3mに帰属される岩塩型酸化物のピーク及び2θ=5~8°のハローピークのみを有し、層状岩塩型酸化物に特徴的である2θ=6~7°に極大値を有するピークを有さない、固体電極層前駆体。
The present inventors have conducted extensive research to achieve the above-mentioned object. As a result, they have found that in a solid electrode layer containing a lysicone-type oxide and a layered rock-salt-type oxide, by reducing the content of materials other than the lysicone-type oxide and the layered rock-salt-type oxide calculated from an X-ray diffraction pattern and by reducing the average diameter and the standard deviation of the average diameter of the diagram obtained by performing Voronoi tessellation on the layered rock-salt-type oxide, the solid electrolyte material and the positive electrode active material can be dispersed evenly and homogeneously in the positive electrode layer, thereby solving the above-mentioned problem. The present invention was completed as a result of further research based on this finding. That is, the present invention includes the following features.
Item 1. A solid electrode layer containing a lysicone-type oxide and a layered rock salt-type oxide,
the content of impurities calculated from an X-ray diffraction pattern of the solid electrode layer is 1.0 mol% or less, with the total amount of the solid electrode layer being 100 mol%,
The average diameter of a figure obtained by performing Voronoi division on the layered rock salt type oxide is 0.50 to 2.00 μm, and
A solid electrode layer in which the standard deviation of the average diameter of a figure obtained by performing Voronoi tessellation on the layered rock salt type oxide is 1.00 μm or less.
Item 2. The lysicone-type oxide is represented by the general formula (1):
Li x1 M 1 O y1 (1)
[In the formula, x1 represents 3.0<x1<4.0, y1 represents 3.8<y1<4.2, and M1 represents at least one element selected from the group consisting of Ge, Si, V, Ti, P, and S.]
Item 2. The solid electrode layer according to item 1, wherein the oxide is an oxide represented by the formula:
Item 3. The solid electrode layer according to Item 2, wherein M 1 contains Ge and/or Si and at least one element selected from the group consisting of V, Ti, P, and S.
Item 4. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 3 , wherein the lithizone - type oxide is Li3.5Ge0.5V0.5O4 , Li3.7Ge0.7V0.3O4 , Li3.3Ge0.3V0.7O4 , Li3.75Ge0.75P0.25O4 , Li3.5Ge0.75S0.25O4 , or Li3.5Si0.25Ti0.25V0.5O4 .
Item 5. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 4, wherein the lithiated oxide is Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 .
Item 6. The layered rock salt type oxide is represented by general formula (2):
LiM2Oy2 ( 2 )
[In the formula, y2 represents 1.5<y2<2.5, and M2 represents at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, Al, and Li.]
Item 6. The solid electrode layer according to any one of items 1 to 5, wherein the oxide is represented by the formula:
Item 7. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 6 , wherein the layered rock salt oxide is LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , or Li 1.20 Ni 0.16 Mn 0.55 Co 0.09 O 2 .
Item 8. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 7, wherein the layered rock salt oxide is LiCoO 2 .
Item 9. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 8, which is a solid electrode layer for an all-solid-state lithium ion secondary battery.
Item 10. The solid electrode layer according to any one of Items 1 to 9, which is a solid positive electrode layer.
Item 11. An all-solid-state lithium ion secondary battery comprising the solid electrode layer according to any one of Items 1 to 10.
Item 12. A method for producing a solid electrode layer according to any one of Items 1 to 10, comprising:
A manufacturing method comprising: (1) a step of subjecting a lithiated oxide and a layered rock salt type oxide to a low-crystallization treatment; and (2) a step of heat-treating the low-crystallization product obtained in the step (1) at 600 to 1000°C to obtain a solidified molded body.
Item 13. The manufacturing method according to Item 12, wherein the low crystallization treatment is a mechanical milling treatment and/or a melt quenching treatment.
Item 14. A precursor for a solid electrode layer containing a lysicone-type oxide and a layered rock salt-type oxide,
the content of impurities calculated from an X-ray diffraction pattern of the precursor is 1 mol % or less, with the total amount of the solid electrode layer being 100 mol %,
A solid electrode layer precursor, which has only a peak of a rock salt-type oxide belonging to the space group Fm-3m and a halo peak at 2θ = 5 to 8° in an X-ray diffraction pattern in the range of 2θ = 4 to 26° using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.05 nm, but does not have a peak having a maximum value at 2θ = 6 to 7° which is characteristic of a layered rock salt-type oxide.
本発明によれば、固体電解質層との焼結時の不純物の生成を抑制するのみならず、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している固体電極層を提供することができる。 The present invention not only suppresses the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, but also provides a solid electrode layer in which the solid electrolyte material and the positive electrode active material are evenly and homogeneously dispersed within the positive electrode layer, targeting layered rock salt oxides, which are positive electrode active materials that are expected to achieve the high performance of those used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of」のいずれも包含する概念である。 In this specification, the term "containing" encompasses the concepts of "comprise," "consist essentially of," and "consist only of."
また、本明細書において、数値範囲を「A~B」で表記する場合、「A以上B以下」を示す。 In addition, in this specification, when a numerical range is expressed as "A to B," it means "greater than or equal to A and less than or equal to B."
さらに、本明細書において、ボロノイ分割とは、二値化処理画像より最も近い2つの粒子間で等しい距離に境界を結んだ分割を示し、ボロノイ分割を行って得られた図形の平均径は、それぞれの図形の面積をもつ円の直径を示している。 Furthermore, in this specification, Voronoi tessellation refers to a division in which the boundaries of the two closest particles in a binarized image are connected at equal distances, and the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation refers to the diameter of a circle with the area of each figure.
1.固体電極層
本発明の固体電極層は、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を含有する固体電極層であって、
前記固体電極層のX線回折図から算出される不純物の含有量が、前記固体電極層の総量を100モル%として1モル%以下であり、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径が0.5~2.0μmであり、且つ、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差が1.0μm以下である。
1. Solid Electrode Layer The solid electrode layer of the present invention is a solid electrode layer containing a lithiated oxide and a layered rock salt oxide,
the content of impurities calculated from an X-ray diffraction pattern of the solid electrode layer is 1 mol % or less, with the total amount of the solid electrode layer being 100 mol %,
The average diameter of a figure obtained by performing Voronoi division on the layered rock salt type oxide is 0.5 to 2.0 μm, and
The standard deviation of the average diameter of the figure obtained by subjecting the layered rock salt type oxide to Voronoi division is 1.0 μm or less.
(1-1)リシコン型酸化物
本発明の固体電極層が含有するリシコン(LISICON)型酸化物は、γ-Li3PO4(空間群:Pnma)又はLi4SiO4(空間群:P21/m)に類縁の結晶構造を有する酸化物を意味しており、構造中に多くのリチウムイオンを含み且つ広いリチウムイオン伝導パスを有することから固体電解質材料として使用することができる。つまり、シリコン型酸化物は、γ-Li3PO4型結晶構造又はLi4SiO4型結晶構造を有することができる。このようなリシコン型酸化物としては、特に制限されるわけではないが、例えば、
一般式(1):
Lix1M1Oy1 (1)
[式中、x1は、3.0<x1<4.0を示す。y1は、3.8<y1<4.2を示す。M1はGe、Si、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物が好ましい。
(1-1) Lisicon-type oxide The lisicon-type oxide contained in the solid electrode layer of the present invention means an oxide having a crystal structure similar to γ-Li 3 PO 4 (space group: Pnma) or Li 4 SiO 4 (space group: P2 1 /m), and can be used as a solid electrolyte material because it contains many lithium ions in the structure and has wide lithium ion conduction paths. In other words, the silicon-type oxide can have a γ-Li 3 PO 4 type crystal structure or a Li 4 SiO 4 type crystal structure. Such lisicon-type oxides are not particularly limited, but examples include:
General formula (1):
Li x1 M 1 O y1 (1)
[In the formula, x1 represents 3.0<x1<4.0, y1 represents 3.8<y1<4.2, and M1 represents at least one element selected from the group consisting of Ge, Si, V, Ti, P, and S.]
The oxide represented by the formula: is preferred.
一般式(1)において、M1は、Ge、Si、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。なかでも、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、Ge及び/又はSiと、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含むことが好ましく、Geと、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含むことがより好ましく、Ge及びVを含むことがさらに好ましい。 In general formula (1), M1 represents at least one selected from the group consisting of Ge, Si, V, Ti, P, and S. Among these, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, uniformly and homogeneously dispersing the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, and the like, it is preferable that the positive electrode layer contains Ge and/or Si and at least one selected from the group consisting of V, Ti, P, and S, more preferably Ge and at least one selected from the group consisting of V, Ti, P, and S, and even more preferably Ge and V.
一般式(1)において、x1は、3.0<x1<4.0を示す。固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、3.2<x1<3.8が好ましく、3.3<x1<3.7がより好ましい。 In general formula (1), x1 is in the range of 3.0 < x1 < 4.0. From the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and achieving uniform and homogeneous dispersion of the solid electrolyte material and positive electrode active material in the positive electrode layer, 3.2 < x1 < 3.8 is preferred, and 3.3 < x1 < 3.7 is more preferred.
一般式(1)において、y1は、3.8<y1<4.2を示す。固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、3.9<y1<4.1が好ましい。 In general formula (1), y1 is in the range of 3.8<y1<4.2. From the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and achieving uniform and homogeneous dispersion of the solid electrolyte material and positive electrode active material in the positive electrode layer, 3.9<y1<4.1 is preferred.
このような条件を満たすリシコン型酸化物としては、例えば、Li3.5Ge0.5V0.5O4、Li3.7Ge0.7V0.3O4、Li3.3Ge0.3V0.7O4、Li3.75Ge0.75P0.25O4、Li3.5Ge0.75S0.25O4、Li3.5Si0.25Ti0.25V0.5O4等が挙げられる。なかでも、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、Li3.5Ge0.5V0.5O4、Li3.7Ge0.7V0.3O4、Li3.3Ge0.3V0.7O4、Li3.75Ge0.75P0.25O4、Li3.5Ge0.75S0.25O4等が好ましく、Li3.5Ge0.5V0.5O4、Li3.7Ge0.7V0.3O4、Li3.3Ge0.3V0.7O4等がより好ましく、Li3.5Ge0.5V0.5O4等がさらに好ましい。 Examples of lithizone - type oxides that satisfy these conditions include Li3.5Ge0.5V0.5O4 , Li3.7Ge0.7V0.3O4 , Li3.3Ge0.3V0.7O4 , Li3.75Ge0.75P0.25O4 , Li3.5Ge0.75S0.25O4 , and Li3.5Si0.25Ti0.25V0.5O4 . Among these, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and uniformly and homogeneously dispersing the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer , Li3.5Ge0.5V0.5O4 , Li3.7Ge0.7V0.3O4 , Li3.3Ge0.3V0.7O4 , Li3.75Ge0.75P0.25O4 , Li3.5Ge0.75S0.25O4 , and the like are preferred , and Li3.5Ge0.5V0.5O4 , Li3.7Ge0.7V0.3O4 , Li3.3Ge0.3V0.7O 4 and the like are more preferred, and Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 and the like are even more preferred.
これらのリシコン型酸化物は、単独で使用することもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。また、これらのリシコン型酸化物は、公知又は市販品を使用することができる。 These lithizone-type oxides can be used alone or in combination of two or more. Furthermore, these lithizone-type oxides can be publicly known or commercially available products.
(1-2)層状岩塩型酸化物
層状岩塩型酸化物としては、電極活物質材料(特に正極活物質材料)として使用することができる。このような層状岩塩型酸化物としては、特に制限はなく、一般式(2):
LiM2Oy2 (2)
[式中、y2は、1.5<y2<2.5を示す。M2はCo、Mn、Ni、Al及びLiよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物が好ましい。
(1-2) Layered Rock Salt Oxide Layered rock salt oxides can be used as electrode active materials (particularly positive electrode active materials). There are no particular limitations on such layered rock salt oxides, and examples thereof include oxides represented by the general formula (2):
LiM2Oy2 ( 2 )
[In the formula, y2 represents 1.5<y2<2.5, and M2 represents at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, Al, and Li.]
The oxide represented by the formula: is preferred.
一般式(2)において、M2は、Co、Mn、Ni、Al及びLiよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。なかでも、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、Co、Mn、Ni及びLiよりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含むことが好ましく、Co、Mn及びNiよりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含むことがより好ましく、Coを含むことがさらに好ましい。 In general formula (2), M2 represents at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, Al, and Li. Among these, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, uniformly and homogeneously dispersing the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, etc., it is preferable that M2 contains at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, and Li, more preferably at least one selected from the group consisting of Co, Mn, and Ni, and even more preferably Co.
一般式(2)において、y2は、1.5<x1<2.5を示す。固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、1.7<y2<2.3が好ましく、1.8<y2<2.2がより好ましく、1.9<y2<2.1がさらに好ましい。 In general formula (2), y2 represents 1.5<x1<2.5. From the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and achieving uniform and homogeneous dispersion of the solid electrolyte material and positive electrode active material in the positive electrode layer, 1.7<y2<2.3 is preferred, 1.8<y2<2.2 is more preferred, and 1.9<y2<2.1 is even more preferred.
このような条件を満たす層状岩塩型酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、Li1.20Ni0.16Mn0.55Co0.09O2等が挙げられる。なかでも、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、Li1.20Ni0.16Mn0.55Co0.09O2等が好ましく、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2等がより好ましく、LiCoO2等がさらに好ましい。 Examples of layered rock salt oxides that satisfy these conditions include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , and Li 1.20 Ni 0.16 Mn 0.55 Co 0.09 O 2 . Among these, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and uniformly and homogeneously dispersing the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 , Li 1.20 Ni 0.16 Mn 0.55 Co 0.09 O 2 and the like are preferred, and LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O are particularly preferred. 2 and the like is more preferred, and LiCoO 2 and the like is even more preferred.
これらの層状岩塩型酸化物は、単独で使用することもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。また、これらの層状岩塩型酸化物は、公知又は市販品を使用することができる。 These layered rock salt type oxides can be used alone or in combination of two or more. Furthermore, these layered rock salt type oxides can be publicly known or commercially available products.
(1-3)固体電極層
本発明の固体電極層において、上記したリシコン型酸化物の含有量は、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、固体電極層の総量を100質量%として、10.0モル%以上が好ましく、固体電解質イオン伝導パス確保の観点から20.0モル%以上がさらに好ましい。なお、上記したリシコン型酸化物の含有量の上限値は、特に制限はなく、通常、66.7モル%以下とすることができる。
(1-3) Solid Electrode Layer In the solid electrode layer of the present invention, the content of the above-mentioned lithizone-type oxide is preferably 10.0 mol% or more, based on the total amount of the solid electrode layer being 100% by mass, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, uniform and homogeneous dispersion of the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, etc., and more preferably 20.0 mol% or more from the viewpoint of ensuring ion conduction paths in the solid electrolyte. The upper limit of the content of the above-mentioned lithizone-type oxide is not particularly limited, and can usually be 66.7 mol% or less.
本発明の固体電極層において、上記した層状岩塩型酸化物の含有量は、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、固体電極層の総量を100質量%として、33.3モル%以上が好ましく、電池のエネルギー密度の観点から40.0モル%以上がより好ましい。なお、上記した層状岩塩型酸化物の含有量の上限値は、特に制限はなく、通常、90.0モル%以下とすることができる。 In the solid electrode layer of the present invention, the content of the layered rock salt-type oxide described above is preferably 33.3 mol% or more, based on the total amount of the solid electrode layer being 100% by mass, from the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer and uniformly and homogeneously dispersing the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, and is more preferably 40.0 mol% or more from the viewpoint of the energy density of the battery. There is no particular upper limit to the content of the layered rock salt-type oxide described above, and it can typically be set to 90.0 mol% or less.
本発明の固体電極層では、固体電極層のX線回折図から算出される不純物の含有量が、固体電極層の総量を100モル%として1.0モル%以下、好ましくは0.1モル%以下である。不純物の含有量が1.0モル%をこえると、固体電解質層との焼結時の不純物生成を抑制することができず、電池性能が悪化する。なお、不純物の含有量の下限値は特に制限はなく、電池性能の観点から、0モル%が最も好ましい。また、本発明の固体電極層中に、上記したリシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物以外の電極構成材料を意図的に含ませていない場合は、不純物は、上記したリシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物以外の材料全てを意味する。また、本発明の固体電極層中に、上記したリシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物以外に、導電助剤、バインダー等の電極構成材料を意図的に含ませている場合は、不純物は、上記した電極構成材料(言い換えれば、リシコン型酸化物、層状岩塩型酸化物、導電助剤及びバインダー)以外の材料全てを意味する。 In the solid electrode layer of the present invention, the impurity content calculated from the X-ray diffraction pattern of the solid electrode layer is 1.0 mol% or less, preferably 0.1 mol% or less, based on 100 mol% of the total amount of the solid electrode layer. If the impurity content exceeds 1.0 mol%, impurity generation during sintering with the solid electrolyte layer cannot be suppressed, resulting in poor battery performance. There is no particular lower limit for the impurity content, and 0 mol% is most preferable from the standpoint of battery performance. Furthermore, if the solid electrode layer of the present invention does not intentionally contain any electrode constituent materials other than the above-described lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide, the term "impurities" refers to all materials other than the above-described lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide. Furthermore, if the solid electrode layer of the present invention intentionally contains electrode constituent materials such as conductive additives and binders in addition to the above-described lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide, the term "impurities" refers to all materials other than the above-described electrode constituent materials (in other words, the lithizone-type oxide, layered rock salt-type oxide, conductive additives, and binders).
本発明の固体電極層中に、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物以外にも、従来から全固体リチウムイオン二次電池中に含まれ得る電極構成材料、例えば、導電助剤、バインダー、可塑剤等を意図的に含ませることも可能である。また固体負極層では、上記負極活物質が導電助剤で覆われていてもよい。 In addition to the lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide, the solid electrode layer of the present invention may also intentionally contain electrode constituent materials that have traditionally been included in all-solid-state lithium-ion secondary batteries, such as conductive additives, binders, plasticizers, etc. Furthermore, in the solid negative electrode layer, the above-mentioned negative electrode active material may be covered with a conductive additive.
導電助剤としては、例えば、黒鉛;カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック等);表面に非晶質炭素を生成させた炭素材料等の非晶質炭素材料;繊維状炭素(気相成長炭素繊維、ピッチを紡糸した後に炭化処理して得られる炭素繊維等);カーボンナノチューブ(各種の多層又は単層のカーボンナノチューブ);導電性金属微粒子(パラジウム等);導電性酸化物微粒子(酸化ルテニウム等)等の1種又は2種以上を用いることができる。 The conductive additive may be one or more of the following: graphite; carbon black (acetylene black, ketjen black, etc.); amorphous carbon materials such as carbon materials with amorphous carbon formed on the surface; fibrous carbon (vapor-grown carbon fiber, carbon fiber obtained by spinning pitch and then carbonizing it, etc.); carbon nanotubes (various multi-layer or single-layer carbon nanotubes); conductive metal particles (palladium, etc.); conductive oxide particles (ruthenium oxide, etc.).
本発明の固体電極層中に、導電助剤を意図的に含ませている場合、導電助剤の含有量は、電池性能等の観点から、本発明の固体電極層の総量を100質量%として、0.01~20.0質量%が好ましく、0.1~5.0質量%がより好ましい。 When a conductive additive is intentionally included in the solid electrode layer of the present invention, the content of the conductive additive is preferably 0.01 to 20.0 mass%, and more preferably 0.1 to 5.0 mass%, based on 100 mass% of the total amount of the solid electrode layer of the present invention, from the viewpoint of battery performance, etc.
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂等を用いることができ、可塑剤としては、例えば、フタル酸エステル等を用いることができる。 For example, acrylic resin can be used as the binder, and for example, phthalate ester can be used as the plasticizer.
本発明の固体電極層中に、バインダーを意図的に含ませている場合、バインダーの含有量は、電池性能等の観点から、本発明の固体電極層の総量を100質量%として、0.01~10.0質量%が好ましく、0.1~5.0質量%がより好ましい。 When a binder is intentionally contained in the solid electrode layer of the present invention, the content of the binder is preferably 0.01 to 10.0 mass%, and more preferably 0.1 to 5.0 mass%, based on 100 mass% of the total amount of the solid electrode layer of the present invention, from the viewpoint of battery performance, etc.
本発明の固体電極層では、層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径は、0.50~2.00μm、好ましくは0.55~1.50μmである。ボロノイ分割を行って得られる図形の平均径が0.50μm以下である固体電極層を製造することは困難である。一方、ボロノイ分割を行って得られる図形の平均径が2.00μmをこえると、正極層中で電池動作時の正極活物質材料の膨張収縮に伴い固体電極層が破壊されてしまい、容量、サイクル特性及びレート特性、特にサイクル特性が劣る。 In the solid electrode layer of the present invention, the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation on the layered rock salt oxide is 0.50 to 2.00 μm, preferably 0.55 to 1.50 μm. It is difficult to manufacture a solid electrode layer in which the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation is 0.50 μm or less. On the other hand, if the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation exceeds 2.00 μm, the solid electrode layer will be destroyed due to the expansion and contraction of the positive electrode active material during battery operation, resulting in poor capacity, cycle characteristics, and rate characteristics, especially cycle characteristics.
本発明の固体電極層では、層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差は、1.00μm以下、好ましくは0.01~0.80μmである。ボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差を1.00μm以下とすることで、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料を均等且つ均質に分散させることが可能である。また、ボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差が1.00μmをこえると、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料を均等且つ均質に分散させることができず、容量、サイクル特性及びレート特性に劣る。 In the solid electrode layer of the present invention, the standard deviation of the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation on the layered rock salt oxide is 1.00 μm or less, preferably 0.01 to 0.80 μm. By setting the standard deviation of the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation to 1.00 μm or less, it is possible to evenly and homogeneously disperse the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer. Furthermore, if the standard deviation of the average diameter of the figures obtained by performing Voronoi tessellation exceeds 1.00 μm, it is not possible to evenly and homogeneously disperse the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, resulting in poor capacity, cycle characteristics, and rate characteristics.
本発明の固体電極層の厚みは、特に制限はなく、全固体リチウムイオン二次電池として成型しやすい観点から、5μm以上が好ましく、よりコンパクトにすることでエネルギー密度を担保しやすい観点から、5~200μmが好ましく、電池性能、特に適切なレート特性を示しやすい上では5~50μmがさらに好ましい。 The thickness of the solid electrode layer of the present invention is not particularly limited, but is preferably 5 μm or more from the viewpoint of ease of molding into an all-solid-state lithium-ion secondary battery, and is preferably 5 to 200 μm from the viewpoint of ensuring energy density by making it more compact, and is even more preferably 5 to 50 μm from the viewpoint of easily demonstrating battery performance, particularly appropriate rate characteristics.
以上のような条件を満たす本発明の固体電極層は、固体電解質層との焼結時の不純物の生成を抑制するのみならず、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している固体電極層(特に固体正極層)である。このため、固体電極層として全固体リチウムイオン二次電池を形成した際に、容量、サイクル特性、レート特性等の各種電池特性に優れるものであり、全固体リチウムイオン二次電池用固体電極層(特に全固体リチウムイオン二次電池用固体正極層)として有用である。 The solid electrode layer of the present invention, which satisfies the above conditions, not only suppresses the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, but also targets layered rock salt oxides, which are cathode active materials that are expected to achieve the high performance used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries, and is a solid electrode layer (particularly a solid cathode layer) in which the solid electrolyte material and cathode active material are evenly and homogeneously dispersed within the cathode layer. Therefore, when an all-solid-state lithium-ion secondary battery is formed using this solid electrode layer, it exhibits excellent battery properties such as capacity, cycle characteristics, and rate characteristics, and is useful as a solid electrode layer (particularly a solid cathode layer for an all-solid-state lithium-ion secondary battery).
2.全固体リチウムイオン二次電池
本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、上記した本発明の固体電極層を備えていれば特に制限はなく、他の構成は、通常の全固体リチウムイオン二次電池と同様とすることができる。
2. All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Battery The all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it includes the above-described solid electrode layer of the present invention, and other configurations can be the same as those of a conventional all-solid-state lithium-ion secondary battery.
このような本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、通常、正極集電箔、固体正極層、固体電解質層、固体負極層及び負極集電箔をこの順に備える(積層した)全固体リチウム二次電池とすることができる。 Such an all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention can typically be an all-solid-state lithium secondary battery comprising (laminated) a positive electrode current collector foil, a solid positive electrode layer, a solid electrolyte layer, a solid negative electrode layer, and a negative electrode current collector foil in this order.
また、本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、上記のように、固体電解質層との焼結時の不純物の生成を抑制するのみならず、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している固体電極層であるため、各層を焼結しても不純物が生成することが抑制されている。このため、本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、各層が接合されていることが好ましい。 Furthermore, as described above, the all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention not only suppresses the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, but also targets layered rock salt oxides, which are cathode active materials that are expected to achieve the high performance used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries, and has a solid electrode layer in which the solid electrolyte material and cathode active material are evenly and homogeneously dispersed within the cathode layer, thereby suppressing the generation of impurities even when the layers are sintered. For this reason, it is preferable that the layers of the all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention be joined together.
なお、本発明において、「全固体リチウムイオン二次電池」は、リチウム金属を負極層とする全固体リチウム二次電池についても包含する概念である。 In the present invention, the term "all-solid-state lithium-ion secondary battery" is a concept that also encompasses all-solid-state lithium secondary batteries that use lithium metal as the negative electrode layer.
本発明の固体電極層は、固体負極層として使用することも排除するものではないが、現行の全固体リチウムイオン二次電池に使用されているような高性能を見込むことができる正極活物質である層状岩塩型酸化物を対象に、正極層中で固体電解質材料及び正極活物質材料が均等且つ均質に分散している固体電極層であるため、固体正極層として使用することが好ましい。 The solid electrode layer of the present invention may also be used as a solid negative electrode layer, but is preferably used as a solid positive electrode layer, since the solid electrolyte material and positive electrode active material are evenly and homogeneously dispersed in the positive electrode layer, and the layered rock salt oxide is a positive electrode active material that is expected to achieve high performance similar to that used in current all-solid-state lithium-ion secondary batteries.
正極集電箔としては、特に制限はなく、様々な金属、合金、炭素材料等を使用することができる。例えば、金、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金、炭素材料等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the material of the positive electrode current collector foil, and various metals, alloys, carbon materials, etc. can be used. Examples include gold, aluminum, copper, stainless steel, nickel, titanium, or alloys of these, and carbon materials.
正極集電箔の厚みは、特に制限はなく、全固体電池として成型できる範囲において、よりコンパクトにすることでエネルギー密度を担保する観点から、5~50μmが好ましい。 There are no particular restrictions on the thickness of the positive electrode current collector foil, but from the perspective of ensuring energy density by making it more compact within the range that can be molded into an all-solid-state battery, a thickness of 5 to 50 μm is preferred.
固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、上記したリシコン型酸化物の他、リチウムを含むペロブスカイト型構造を有する酸化物((Li,La)TiO3等)、ナシコン型酸化物(Li1+n+mMnE2-nSimP3-mO12;0≦n≦0.4、0<m≦0.6、MはAl及び/又はGaを示す。EはTi、Ge及びZrよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。)、ガーネット型酸化物(Li7La3Zr2O12等)等も挙げられ、固体電解質層との焼結時の不純物の生成抑制、正極層中での固体電解質材料及び正極活物質材料の均等及び均質分散等の観点から、上記したリシコン型酸化物が好ましい。特に、固体正極層中に含まれる固体電解質と同じ材料を用いることが、固体電解質層と固体正極層との接合しやすさ、イオン伝導度等の観点から好ましい。 Examples of the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer include, in addition to the above-mentioned lithiated oxides, oxides having a perovskite structure containing lithium (such as (Li, La) TiO 3 ), Nasicon-type oxides (Li 1+n+m M n E 2-n Si m P 3-m O 12 ; 0≦n≦0.4, 0<m≦0.6, M represents Al and/or Ga. E represents at least one selected from the group consisting of Ti, Ge and Zr), garnet-type oxides (such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), etc., and the like. From the viewpoints of suppressing the generation of impurities during sintering with the solid electrolyte layer, uniform and homogeneous dispersion of the solid electrolyte material and the positive electrode active material in the positive electrode layer, etc., the above-mentioned lithiated oxides are preferred. In particular, it is preferable to use the same material as the solid electrolyte contained in the solid positive electrode layer from the viewpoints of ease of bonding between the solid electrolyte layer and the solid positive electrode layer, ionic conductivity, etc.
固体負極層を構成する負極活物質としては、リチウム金属、リチウム貯蔵炭素物質、リチウム合金(Li-Al合金、Li-In合金、Li-Sn合金等)、リチウムチタン酸化物又はリチウム貯蔵チタン酸化物(Li4Ti5O12、アナターゼTiO2等)、シリコン、シリコン含有化合物(SiO、SiC等)、ナシコン型酸化物(Li1+n+mMnE2-nSimP3-mO12;0≦n≦0.4、0<m≦0.6、MはAl及び/又はGaを示す。EはTi、Ge及びZrよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。)等が挙げられ、全固体リチウムイオン二次電池全体のエネルギー密度等の観点から、リチウム金属やリチウム貯蔵炭素物質が好ましく、全固体リチウムイオン二次電池全体の安全性等の観点から、リチウムチタン酸化物又はリチウム貯蔵チタン酸化物が好ましい。 Examples of the negative electrode active material constituting the solid negative electrode layer include lithium metal, lithium-storing carbonaceous material, lithium alloys (Li—Al alloys, Li—In alloys, Li—Sn alloys, etc.), lithium titanium oxides or lithium-storing titanium oxides (Li 4 Ti 5 O 12 , anatase TiO 2 , etc.), silicon, silicon-containing compounds (SiO 2 , SiC, etc.), Nasicon-type oxides (Li 1+n+m M n E 2-n Si m P 3-m O 12 ; 0≦n≦0.4, 0<m≦0.6, M represents Al and/or Ga, and E represents at least one selected from the group consisting of Ti, Ge, and Zr). From the viewpoint of the energy density of the entire all-solid-state lithium-ion secondary battery, etc., lithium metal and lithium-storing carbonaceous material are preferred, and from the viewpoint of the safety of the entire all-solid-state lithium-ion secondary battery, lithium titanium oxide or lithium-storing titanium oxide is preferred.
固体負極層の電子伝導度が低い場合には、固体正極層及び固体負極層中に導電助剤等を含ませていてもよい。また固体負極層では、上記負極活物質が導電助剤で覆われていてもよい。 If the solid negative electrode layer has low electronic conductivity, the solid positive electrode layer and the solid negative electrode layer may contain a conductive additive. Furthermore, in the solid negative electrode layer, the negative electrode active material may be covered with a conductive additive.
導電助剤としては、例えば、黒鉛;カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック等);表面に非晶質炭素を生成させた炭素材料等の非晶質炭素材料;繊維状炭素(気相成長炭素繊維、ピッチを紡糸した後に炭化処理して得られる炭素繊維等);カーボンナノチューブ(各種の多層又は単層のカーボンナノチューブ);導電性金属微粒子(パラジウム等);導電性酸化物微粒子(酸化ルテニウム等)等の1種又は2種以上を用いることができる。負極層中に導電助剤を含んでいる場合、導電助剤の含有量は、全固体リチウムイオン二次電池全体のエネルギー密度等の観点から、負極活物質と固体電解質の総重量100質量部に対して、0.01~20.0質量部が好ましく、0.1~5.0質量部がより好ましい。 Conductive additives that can be used include, for example, one or more of graphite; carbon black (acetylene black, ketjen black, etc.); amorphous carbon materials such as carbon materials with amorphous carbon formed on the surface; fibrous carbon (vapor-grown carbon fiber, carbon fiber obtained by spinning pitch and then carbonizing it, etc.); carbon nanotubes (various multi- or single-walled carbon nanotubes); conductive metal particles (palladium, etc.); and conductive oxide particles (ruthenium oxide, etc.). When a conductive additive is contained in the negative electrode layer, the content of the conductive additive is preferably 0.01 to 20.0 parts by mass, and more preferably 0.1 to 5.0 parts by mass, per 100 parts by mass of the total weight of the negative electrode active material and solid electrolyte, from the perspective of the overall energy density of the all-solid-state lithium-ion secondary battery, etc.
固体負極層は、上記成分以外にも、バインダー(アクリル樹脂等)、可塑剤(フタル酸エステル等)等の各種添加材を含むこともできる。この場合、添加剤の含有量は、本発明の効果を損なわない範囲が好ましく、具体的には、負極活物質と固体電解質の総重量100質量部に対して、0.01~10.0質量部が好ましく、0.1~5.0質量部がより好ましい。 In addition to the above components, the solid negative electrode layer can also contain various additives such as binders (e.g., acrylic resins) and plasticizers (e.g., phthalate esters). In this case, the content of the additives is preferably within a range that does not impair the effects of the present invention. Specifically, the content is preferably 0.01 to 10.0 parts by mass, and more preferably 0.1 to 5.0 parts by mass, per 100 parts by mass of the total weight of the negative electrode active material and solid electrolyte.
固体負極層の厚みは、特に制限はなく、全固体リチウムイオン二次電池として成型できる範囲において、よりコンパクトにすることでエネルギー密度を担保する観点から、10~1000μmが好ましく、10~50μmがより好ましい。 There are no particular restrictions on the thickness of the solid negative electrode layer, but from the perspective of ensuring energy density by making it more compact within the range that can be molded into an all-solid-state lithium-ion secondary battery, a thickness of 10 to 1000 μm is preferred, and 10 to 50 μm is more preferred.
負極集電箔としては、特に制限はなく、様々な金属、合金、炭素材料等を使用することができる。このような負極集電箔としては、低温且つ高加圧力の条件で負極層と十分に接合できる観点から、融点が660~1727℃、特に660~1445℃である材料が好ましい。このような融点を有する材料としては、例えば、金、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金、炭素材料等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the material of the negative electrode current collector foil, and various metals, alloys, carbon materials, etc. can be used. For such negative electrode current collector foil, materials with a melting point of 660 to 1727°C, particularly 660 to 1445°C, are preferred, as they can be sufficiently bonded to the negative electrode layer under low temperature and high pressure conditions. Examples of materials with such melting points include gold, aluminum, copper, stainless steel, nickel, titanium, or alloys of these, and carbon materials.
本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、上記のとおり、各層が接合されていることが好ましい。特に、本発明の固体電極層によれば、固体電極層と固体電解質層とを接合する際に不純物の生成を抑制することができるため、少なくとも、固体電極層(特に固体正極層)と固体電解質層とが接合されていることが好ましい。 As described above, it is preferable that the layers of the all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention be bonded together. In particular, the solid electrode layer of the present invention can suppress the generation of impurities when bonding the solid electrode layer and the solid electrolyte layer, so it is preferable that at least the solid electrode layer (particularly the solid cathode layer) and the solid electrolyte layer are bonded together.
なお、本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、正極集電箔、固体正極層、固体電解質層、固体負極層及び負極集電箔をこの順に備えている(積層している)ことが好ましいが、正極集電箔と固体正極層との間、又は固体負極層と負極集電箔との間に、さらに別途、固体正極層、固体電解質層及び負固体極層からなる積層体が直列又は並列に接続していてもよい。この場合、各積層体間(固体正極層と固体負極層との間)には、必要に応じて絶縁層、固体電解質層等が配置されていてもよい。この場合も、全ての部材間は、接合されていることが好ましい。 The all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention preferably comprises (is stacked with) a positive electrode current collector foil, a solid positive electrode layer, a solid electrolyte layer, a solid negative electrode layer, and a negative electrode current collector foil in this order; however, a separate laminate consisting of a solid positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative solid electrode layer may be connected in series or parallel between the positive electrode current collector foil and the solid positive electrode layer, or between the solid negative electrode layer and the negative electrode current collector foil. In this case, an insulating layer, a solid electrolyte layer, etc. may be disposed between each laminate (between the solid positive electrode layer and the solid negative electrode layer) as needed. In this case, too, it is preferable that all components are bonded together.
3.固体電極層の製造方法
本発明の固体電極層の製造方法は、特に制限されない。例えば、
(1)リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物に対して低結晶化処理を施す工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた低結晶化物を600~1000℃で熱処理して固化成型体を得る工程
を備える製造方法により得ることができる。
3. Method for Producing the Solid Electrode Layer The method for producing the solid electrode layer of the present invention is not particularly limited. For example,
The present invention can be obtained by a manufacturing method including: (1) a step of subjecting a lithiated oxide and a layered rock salt type oxide to a low crystallization treatment; and (2) a step of heat-treating the low crystallization product obtained in the step (1) at 600 to 1000°C to obtain a solidified molded body.
(3-1)工程(1)
リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物については、上記したものを採用できる。上記したリシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を使用することにより、得られる固体電極層中の不純物割合を低減することができる。
(3-1) Process (1)
The lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide can be those described above. By using the lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide described above, the proportion of impurities in the resulting solid electrode layer can be reduced.
低結晶化処理としては、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を混合する際に結晶性を低減できるものであれば特に制限はなく、例えば、メカニカルミリング処理及び/又は溶融急冷処理を採用することができる。 There are no particular restrictions on the low-crystallization treatment, as long as it can reduce the crystallinity when mixing the lithizone-type oxide and layered rock salt-type oxide. For example, mechanical milling and/or melt-quenching can be used.
メカニカルミリング処理は、メカノケミカル処理とも言われ、機械的エネルギーを付与しながら原料を摩砕混合する方法であり、この方法によれば、原料に機械的な衝撃及び摩擦を与えて摩砕混合することによって、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物が激しく接触して微細化され、原料の反応が生じる。つまり、この際、混合、粉砕及び反応が同時に生じる。このため、原料を高温に熱することなく、原料をより確実に反応させて低結晶化させることが可能である。メカニカルミリング処理を用いることで通常の熱処理では得ることのできない、準安定結晶構造が得られることがある。 Mechanical milling, also known as mechanochemical processing, is a method of grinding and mixing raw materials while applying mechanical energy. With this method, the raw materials are subjected to mechanical impact and friction, which causes the lithiated oxide and layered rock salt oxide to come into vigorous contact with each other, resulting in micronization and a reaction of the raw materials. In other words, mixing, grinding, and reaction occur simultaneously. This makes it possible to more reliably react the raw materials and reduce their crystallinity without heating them to high temperatures. Mechanical milling can sometimes produce metastable crystal structures that cannot be achieved by conventional heat treatment.
メカニカルミリング処理としては、具体的には、例えば、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、振動ミル、ディスクミル、ハンマーミル、ジェットミル等の機械的粉砕装置を用いて混合粉砕を行うことができる。 Specific examples of mechanical milling include mixing and grinding using mechanical grinding devices such as ball mills, bead mills, rod mills, vibration mills, disc mills, hammer mills, and jet mills.
これら原料の混合比率については、目的とする固体電極層における含有量と同様になるように調整することができる。 The mixing ratio of these raw materials can be adjusted to be similar to the content in the desired solid electrode layer.
例えば、原料の総量を100質量%として、リシコン型酸化物を10.0~66.7モル%、好ましくは20.0~66.7モル%使用することができ、層状岩塩型酸化物を33.3~90.0モル%、好ましくは40.0~90.0モル%使用することができる。 For example, assuming the total amount of raw materials is 100% by mass, 10.0 to 66.7 mol%, preferably 20.0 to 66.7 mol%, of the lithiated oxide can be used, and 33.3 to 90.0 mol%, preferably 40.0 to 90.0 mol%, of the layered rock salt-type oxide can be used.
メカニカルミリング処理の時間については、特に限定はなく、目的の低結晶化物が析出した状態となるまで任意の時間メカニカルミリング処理を行うことができる。 There are no particular limitations on the duration of the mechanical milling process, and the mechanical milling process can be carried out for any length of time until the desired low-crystallization material is precipitated.
例えば、メカニカルミリング処理は、0.1~200時間程度の処理時間の範囲内において、0.1~100kWh/原料1kg程度のエネルギー量で行うことができる。なお、このメカニカルミリング処理は、必要に応じて途中に休止を挟みながら複数回に分けて行うこともできる。 For example, mechanical milling can be carried out with an energy consumption of approximately 0.1 to 100 kWh per 1 kg of raw material for a processing time of approximately 0.1 to 200 hours. This mechanical milling can also be carried out in multiple steps, with breaks in between as needed.
また、工程(1)では、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物を加熱により溶融させ、その後急冷することによっても、低結晶化物を得ることができる。 In addition, in step (1), a low-crystallization product can also be obtained by heating and melting the lithiated oxide and layered rock salt oxide, followed by rapid cooling.
溶融急冷処理における加熱温度は特に制限されないが、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物の融点から、1000℃以上が好ましく、1000~1200℃がより好ましい。 There are no particular restrictions on the heating temperature during the melt-quenching process, but given the melting points of the lithiated oxide and layered rock salt oxide, a temperature of 1000°C or higher is preferred, with 1000 to 1200°C being more preferred.
溶融急冷処理における加熱時間は特に制限されないが、工程(1)により低結晶化物を得やすい観点から、0~48時間が好ましく、0~12時間がより好ましい。なお、加熱時間については、0時間、つまり、最高温度に到達したら即座に冷却することも可能である。 The heating time in the melt-quenching process is not particularly limited, but from the viewpoint of easily obtaining a low-crystallization product in step (1), 0 to 48 hours is preferable, and 0 to 12 hours is more preferable. It is also possible to set the heating time to 0 hours, i.e., to immediately cool the material once the maximum temperature is reached.
溶融急冷処理における加熱雰囲気は、特に制限されるわけではないが、副反応を防止しやすいため、窒素ガス雰囲気下、アルゴンガス雰囲気下等の不活性ガス雰囲気下や、真空下で行うことが好ましい。 The heating atmosphere in the melt-quenching process is not particularly limited, but it is preferable to perform the process in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas, or in a vacuum, as this makes it easier to prevent side reactions.
次に、溶融状態の原料を急冷することができる。 The molten raw material can then be rapidly cooled.
急冷方法は、通常、溶融状態の原料に冷媒を接触させることができる。「接触」とは、溶融状態の原料に冷媒が直接的に接触する場合、溶融状態の原料に冷媒が反応容器等を介して間接的に接触する場合等を包含する。冷媒の温度は、特に限定されるものではないが、例えば-200~30℃であり、-10~30℃であってもよく、-10~20℃であってもよい。冷媒は、液体であってもよく、固体であってもよく、気体であってもよい。冷媒としては、具体的には、水、氷、金属、大気、液体窒素等を挙げることができる。急冷方法としては、例えば、水冷法、空冷法、単ロール法等を挙げることができる。 Quenching methods typically involve contacting a refrigerant with molten raw materials. "Contact" includes cases where the refrigerant directly contacts the molten raw materials, as well as cases where the refrigerant indirectly contacts the molten raw materials via a reaction vessel or the like. The temperature of the refrigerant is not particularly limited, but is, for example, -200 to 30°C, or alternatively, -10 to 30°C, or -10 to 20°C. The refrigerant may be liquid, solid, or gas. Specific examples of refrigerants include water, ice, metal, air, and liquid nitrogen. Quenching methods include, for example, water cooling, air cooling, and single-roll cooling.
急冷における冷却速度は、低結晶化効率の観点から、例えば、1K/秒以上が好ましく、100K/秒以上がより好ましく、1000K/秒以上がさらに好ましい。また、本発明における急冷は、原料の温度が20℃以下になるまで冷却する処理であることが好ましく、0℃以下になるまで冷却する処理であることがより好ましい。 From the viewpoint of low crystallization efficiency, the cooling rate during quenching is preferably, for example, 1 K/sec or more, more preferably 100 K/sec or more, and even more preferably 1000 K/sec or more. Furthermore, the quenching in the present invention is preferably a process of cooling the raw material until its temperature drops to 20°C or less, and more preferably to 0°C or less.
このような工程(1)で得られる低結晶化物は、リシコン型酸化物及び岩塩型酸化物を含有する固体電極層前駆体であって、波長0.5Åの放射光X線による2θ=4~26°の範囲のX線回折図において、空間群Fm-3mに帰属される岩塩型酸化物のピークおよび2θ=5~8°付近のハローピークのみを有し、層状岩塩型酸化物(空間群R-3m等)の特徴的である2θ=6~7°に極大値を有するピークを有さない固体電極層前駆体である。 The low-crystallization material obtained in step (1) is a solid electrode layer precursor containing lithiated oxide and rock-salt oxide, and in an X-ray diffraction pattern using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.5 Å in the range of 2θ = 4 to 26°, it has only peaks of rock-salt oxides belonging to the space group Fm-3m and a halo peak near 2θ = 5 to 8°, but does not have a peak with a maximum value at 2θ = 6 to 7°, which is characteristic of layered rock-salt oxides (such as space groups R-3m).
低結晶化処理により、層状岩塩型酸化物は、岩塩型酸化物となる。ここで、岩塩型酸化物は、層状構造を有さない岩塩型構造の酸化物を意味する。 By undergoing low-crystallization treatment, the layered rock-salt oxide becomes a rock-salt oxide. Here, rock-salt oxide refers to an oxide with a rock-salt structure that does not have a layered structure.
(3-2)工程(2)
工程(2)では、工程(1)で一旦低結晶化した低結晶化物を、熱処理して固化成型体を得ることで再度、結晶化することができ、これにより本発明の固体電極層を得ることができる。
(3-2) Process (2)
In step (2), the low-crystallization product that has been once low-crystallized in step (1) can be re-crystallized by heat-treating it to obtain a solidified molded body, thereby obtaining the solid electrode layer of the present invention.
熱処理の際の加熱温度は、特に制限されないが、本発明の固体電極層を得やすい観点から、600~1000℃が好ましく、700~980℃がより好ましい。上記した加熱温度範囲に保持する時間については、工程(1)で一旦低結晶化した低結晶化物の揮発による欠損を抑制しやすく、十分に結晶化しやすく、本発明の固体電極層を得やすい観点から、1~12時間が好ましい。 The heating temperature during the heat treatment is not particularly limited, but from the viewpoint of facilitating the production of the solid electrode layer of the present invention, a temperature of 600 to 1000°C is preferred, and 700 to 980°C is more preferred. The time for which the temperature is maintained within the above heating temperature range is preferably 1 to 12 hours, from the viewpoints of facilitating the suppression of defects due to volatilization of the low-crystallization material that was once low-crystallized in step (1), facilitating sufficient crystallization, and facilitating the production of the solid electrode layer of the present invention.
このような熱処理の方法としては、例えば、電気炉焼結を採用することができる。ただし、通電焼結(SPS)法の場合は、加熱温度及び加熱時間が不十分となりやすく、結晶化が不十分であるため、本発明の固体電極層は得られない。 As a method for such heat treatment, for example, electric furnace sintering can be used. However, in the case of direct current sintering (SPS), the heating temperature and heating time tend to be insufficient, resulting in insufficient crystallization and making it impossible to obtain the solid electrode layer of the present invention.
電気炉焼結は、工程(1)で一旦低結晶化した低結晶化物を電気炉に投入した後に加熱することができる。 Electric furnace sintering can be performed by placing the low-crystallization material that has been first low-crystallized in step (1) into an electric furnace and then heating it.
上記した工程(2)は、工程(1)の後に、引き続いて行うこともできるし、必要に応じて、圧粉処理をしてから工程(2)を行うこともできる。 The above-mentioned step (2) can be carried out immediately after step (1), or, if necessary, step (2) can be carried out after a powder compaction treatment.
4.全固体リチウムイオン二次電池の製造方法
本発明の全固体リチウム二次電池の製造方法は、特に制限されない。例えば、
(3)前記正極集電箔、固体正極層(本発明の固体電極層)、前記固体電解質層、前記固体負極層及び前記負極集電箔をこの順に備える試料に電気炉焼結や通電焼結等の加熱を行う方法を備える方法により、接合しようとする各部材間を強固に接合し、本発明の全固体リチウムイオン二次電池を製造することができる。
4. Method for Producing All-Solid-State Lithium Ion Secondary Battery The method for producing the all-solid-state lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example,
(3) By using a method including a method of heating a sample including the positive electrode current collecting foil, the solid positive electrode layer (the solid electrode layer of the present invention), the solid electrolyte layer, the solid negative electrode layer, and the negative electrode current collecting foil in this order, by using electric furnace sintering, current sintering, or the like, the members to be joined can be firmly joined together, and the all-solid-state lithium ion secondary battery of the present invention can be produced.
正極集電箔、固体正極層(本発明の固体電極層)、固体電解質層、固体負極層及び負極集電箔としては、前記したものを挙げることができる。なお、固体正極層(本発明の固体電極層)については、上記した工程(2)で得られた固化成型体を固体正極層(本発明の固体電極層)としてそのまま使用することもできるし、上記した工程(2)で得られた固化成型体を一旦粉砕して粉末状とし、電気炉焼結や通電焼結等の加熱工程によって固体正極層(本発明の固体電極層)の形状に成形しつつ本発明の全固体リチウム二次電池を製造することもできる。なお、加熱工程前の正極集電箔、固体正極層(本発明の固体電極層)、固体電解質層、固体負極層及び負極集電箔は、溶媒やバインダー等で準備されたスラリーとし、それぞれを塗工・乾燥するグリーンシート作製工法で準備することで、本発明の全固体リチウムイオン二次電池を製造することもできる。 Examples of the positive electrode current collector foil, solid positive electrode layer (solid electrode layer of the present invention), solid electrolyte layer, solid negative electrode layer, and negative electrode current collector foil include those described above. With regard to the solid positive electrode layer (solid electrode layer of the present invention), the solidified molded body obtained in step (2) above can be used as is as the solid positive electrode layer (solid electrode layer of the present invention). Alternatively, the solidified molded body obtained in step (2) above can be crushed into powder and then shaped into the shape of the solid positive electrode layer (solid electrode layer of the present invention) by a heating step such as electric furnace sintering or electric current sintering, thereby producing an all-solid-state lithium secondary battery of the present invention. The positive electrode current collector foil, solid positive electrode layer (solid electrode layer of the present invention), solid electrolyte layer, solid negative electrode layer, and negative electrode current collector foil before the heating step can also be prepared by a green sheet production method in which slurries prepared using a solvent, binder, etc. are coated and dried, thereby producing an all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention.
通電焼結は、具体的には、各層を、導電性を有する型(導電性容器)に充填し、該導電性を有する型(導電性容器)に、好ましくは直流パルス電流を通電すること(放電プラズマ焼結法、パルス通電焼結法、プラズマ活性化焼結法等と呼ばれる方法)により、ジュール熱による導電性を有する型(導電性容器)の加熱が起こり、導電性を有する型(導電性容器)内の各層が加熱されて接合させることができる。この通電焼結処理の際の雰囲気は、非酸化性雰囲気下とすることが好ましい。また、常圧下に通電焼結処理を施してもよいが、加圧下に通電焼結処理を施すことが好ましい。 Specifically, electric current sintering involves filling each layer into a conductive mold (conductive container) and passing a current, preferably a direct current pulse, through the conductive mold (conductive container) (a method known as spark plasma sintering, pulsed electric current sintering, plasma activated sintering, etc.). This heats the conductive mold (conductive container) due to Joule heat, heating and bonding each layer inside the conductive mold (conductive container). The atmosphere during this electric current sintering process is preferably a non-oxidizing atmosphere. Furthermore, electric current sintering can be performed under normal pressure, but it is preferable to perform electric current sintering under pressure.
具体的な方法としては、導電性を有する型(導電性容器)に各層を充填し、好ましくは非酸化性雰囲気下において、加圧しながらパルス状の(ON-OFFをスイッチングする)直流電流を通電することが好ましい。 Specific methods include filling each layer into a conductive mold (conductive container), and then applying a pulsed (ON-OFF switching) direct current while applying pressure, preferably in a non-oxidizing atmosphere.
導電性を有する型(導電性容器)の材質としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、炭素、鉄、酸化鉄、アルミニウム、タングステンカーバイド等から形成されているものの他、炭素及び/又は酸化鉄に窒化珪素を混合した混合物等から形成されているものも好適に使用することができる。 The material of the conductive mold (conductive container) is not particularly limited as long as it is conductive. For example, materials made from carbon, iron, iron oxide, aluminum, tungsten carbide, etc., as well as materials made from a mixture of carbon and/or iron oxide with silicon nitride, etc., can also be suitably used.
通電焼結処理は、副反応をより抑制するため、非酸化性雰囲気下、例えば、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下、水素等の還元雰囲気下等で行うことが好ましい。また、酸素濃度が十分に低い減圧状態、例えば、酸素分圧が、20Pa以下(特に1~20Pa)の減圧下としてもよい。 To further suppress side reactions, the electric sintering process is preferably carried out in a non-oxidizing atmosphere, such as an inert gas atmosphere of argon or nitrogen, or a reducing atmosphere such as hydrogen. Alternatively, the process may be carried out under reduced pressure with a sufficiently low oxygen concentration, for example, a reduced oxygen partial pressure of 20 Pa or less (particularly 1 to 20 Pa).
具体的な処理としては、導電性を有する型(導電性容器)として十分な密閉状態を確保できる容器を用いる場合には、該容器内を非酸化性雰囲気とすることができる。また、導電性を有する型(導電性容器)は完全な密閉状態でなくてもよく、不完全な密閉状態の容器を用いる場合には、該容器を反応室内に収容して、該反応室内を非酸化性雰囲気とすることができる。これにより、各層の焼結を非酸化性雰囲気下で行うことが可能である。この場合、例えば、反応室内を0.01MPa以上(特に0.05~0.2MPa)の不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気等とすることが好ましい。 Specific processing involves using a container that can ensure a sufficiently sealed state as the conductive mold (conductive container), and creating a non-oxidizing atmosphere inside the container. Furthermore, the conductive mold (conductive container) does not need to be completely sealed; when using an incompletely sealed container, the container can be placed inside a reaction chamber, and a non-oxidizing atmosphere can be created inside the reaction chamber. This allows each layer to be sintered in a non-oxidizing atmosphere. In this case, it is preferable to create an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere of 0.01 MPa or higher (particularly 0.05 to 0.2 MPa) inside the reaction chamber, for example.
導電性を有する型(導電性容器)に各層を充填した状態で直流パルス電流を印加することにより、ジュール熱による導電性容器の加熱が起こり、各層が加熱されて接合した全固体リチウムイオン二次電池が形成され得る。この方法では、30分以下という短時間で目的とする本発明の全固体リチウムイオン二次電池を製造できる。 By applying a DC pulse current to a conductive mold (conductive container) filled with each layer, the conductive container is heated by Joule heat, and the layers are heated and bonded together to form an all-solid-state lithium-ion secondary battery. This method allows the desired all-solid-state lithium-ion secondary battery of the present invention to be produced in a short time of 30 minutes or less.
各層を加圧する際の圧力としては、接合を十分としやすい観点から、例えば、5~60MPaが好ましく、10~50MPaがより好ましい。 The pressure applied to each layer is preferably 5 to 60 MPa, more preferably 10 to 50 MPa, from the viewpoint of ensuring sufficient bonding.
通電焼結を行う装置としては、各層を加熱、冷却、加圧等することが可能であり、放電に必要な電流を印加できるものであれば特に限定されない。例えば、市販の通電焼結装置(放電プラズマ焼結装置)を使用できる。このような通電焼結装置及びその原理は、例えば、特開平10-251070号公報等に開示されている。 The device used for electric current sintering is not particularly limited, as long as it is capable of heating, cooling, pressurizing, etc. each layer and can apply the current necessary for discharge. For example, a commercially available electric current sintering device (spark plasma sintering device) can be used. Such electric current sintering devices and their principles are disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-251070.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 The present invention will be described in detail below based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
以下、実施例及び比較例では、特段の記載がない限りは、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中で操作を行った。 In the following examples and comparative examples, operations were carried out in a glove box under an argon atmosphere unless otherwise specified.
参考例1
固体電解質材料として非特許文献2の合成方法で作製したリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)粉末と、正極活物質材料として市販の層状岩塩型酸化物(LiCoO2)とをモル比1:2で混合した。
Reference example 1
As a solid electrolyte material, a lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ) powder prepared by the synthesis method of Non-Patent Document 2 and as a positive electrode active material, a commercially available layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) were mixed in a molar ratio of 1:2.
得られた混合物を、室温において、Fritsch製の遊星ボールミルPulverisette7を用い、容積45mlのジルコニア容器に4mmのジルコニアボール90gを同封した上で、回転数350rpmにて45時間メカニカルミリング処理により低結晶化処理を行った。 The resulting mixture was subjected to a low-crystallization treatment by mechanical milling at room temperature for 45 hours using a Fritsch Pulverisette 7 planetary ball mill, with 90 g of 4 mm zirconia balls enclosed in a 45 ml zirconia container at 350 rpm.
比較参考例1
固体電解質材料として非特許文献2の合成方法で作製したリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)粉末と、正極活物質材料として市販の層状岩塩型酸化物(LiCoO2)とをモル比1:2で混合した。
Comparative Reference Example 1
As a solid electrolyte material, a lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ) powder prepared by the synthesis method of Non-Patent Document 2 and as a positive electrode active material, a commercially available layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) were mixed in a molar ratio of 1:2.
得られた混合物を、室温において、乳鉢を用いて、15分手混ぜ混合を行った。 The resulting mixture was mixed by hand in a mortar at room temperature for 15 minutes.
実施例1
参考例1で得られた低結晶化物に対して、一軸加圧プレス機を用いて、室温において、400MPaの加圧条件で1分間、圧粉処理を行った。
Example 1
The low-crystallization product obtained in Reference Example 1 was subjected to a powder compaction treatment using a uniaxial press at room temperature under a pressure of 400 MPa for 1 minute.
次いで、電気炉中で、900℃で12時間焼成し、実施例1の正極層を得た。 Then, it was fired in an electric furnace at 900°C for 12 hours to obtain the positive electrode layer of Example 1.
さらに、室温まで冷却後、乳鉢で粉砕し、実施例1の正極粉末を得た。 Furthermore, after cooling to room temperature, it was pulverized in a mortar to obtain the positive electrode powder of Example 1.
比較例1
参考例1で得られた低結晶化物に対して、内径10mmの黒鉛型材に充填して通電焼結機に収容した。タングステンカーバイド型材及び電極部分を含む通電部分については、真空チャンバー内に収容されており、チャンバー内は、真空(約5Pa以下)脱気後、高純度アルゴンガスを大気圧まで充填した。その後、黒鉛型材に約200Aのパルス電流を印加した。タングステンカーバイド型材近傍は約50℃/分の昇温速度で加熱され、パルス電流印加開始12分後に400℃に到達した。その後、直ちに電流印加及び加圧を停止して自然放冷し、比較例1の正極層を得た。
Comparative Example 1
The low-crystallization material obtained in Reference Example 1 was packed into a graphite mold with an inner diameter of 10 mm and placed in an electric sintering machine. The tungsten carbide mold and the current-carrying portion including the electrode portion were placed in a vacuum chamber. The chamber was evacuated to a vacuum (approximately 5 Pa or less) and then filled with high-purity argon gas up to atmospheric pressure. A pulse current of approximately 200 A was then applied to the graphite mold. The vicinity of the tungsten carbide mold was heated at a heating rate of approximately 50°C/min, reaching 400°C 12 minutes after the start of pulse current application. The current application and pressure were then immediately stopped, and the material was allowed to cool naturally, obtaining a positive electrode layer of Comparative Example 1.
さらに、室温まで冷却後、反応物をタングステンカーバイド型材から取り出し、乳鉢で粉砕し、比較例1の正極粉末を得た。 Furthermore, after cooling to room temperature, the reaction product was removed from the tungsten carbide mold and pulverized in a mortar to obtain the positive electrode powder of Comparative Example 1.
比較例2
比較参考例1で得られた低結晶化物に対して、一軸加圧プレス機を用いて、室温において、400MPaの加圧条件で1分間、圧粉処理を行った。
Comparative Example 2
The low-crystallization product obtained in Comparative Reference Example 1 was subjected to a powder compaction treatment using a uniaxial press at room temperature under a pressure of 400 MPa for 1 minute.
次いで、電気炉中で、900℃で12時間焼成し、比較例2の正極層を得た。 Then, it was fired in an electric furnace at 900°C for 12 hours to obtain the positive electrode layer of Comparative Example 2.
さらに、室温まで冷却後、乳鉢で粉砕し、比較例2の正極粉末を得た。 Furthermore, after cooling to room temperature, it was pulverized in a mortar to obtain the positive electrode powder of Comparative Example 2.
試験例1:X線回折測定
参考例1で得られた低結晶化物について、波長0.05nmの放射光X線による粉末X線回折測定を行った。結果を図1及び2に示す。図1には、参考のため、原料であるリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)及び層状岩塩型酸化物(LiCoO2)のピークも示している。
Test Example 1: X-ray Diffraction Measurement Powder X-ray diffraction measurement using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.05 nm was performed on the low-crystallization product obtained in Reference Example 1. The results are shown in Figures 1 and 2. For reference, Figure 1 also shows the peaks of the raw materials, i.e., lithiated oxide ( Li3.5Ge0.5V0.5O4 ) and layered rock salt oxide ( LiCoO2 ).
この結果、参考例1では、低結晶化処理により、リシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)及び層状岩塩型酸化物(LiCoO2)のピークは消失しており、また、層状岩塩型酸化物に特異的なピークである2θ=6~7°に極大を有するピークも見られず、空間群Fm-3mに帰属される岩塩型酸化物のピーク及び2θ=5~8°のハローピークのみが認められた。このことから、参考例1では、低結晶化されるとともに、層状でない岩塩型酸化物が生成していることが理解できる。 As a result, in Reference Example 1, the peaks of lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ) and layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) disappeared due to the low crystallization treatment, and the peak with a maximum at 2θ = 6 to 7°, which is a peak specific to layered rock salt oxide, was not observed, and only the peak of rock salt oxide belonging to the space group Fm-3m and the halo peak at 2θ = 5 to 8° were observed. From this, it can be understood that in Reference Example 1, low crystallization was achieved and a non-layered rock salt oxide was produced.
次に、実施例1及び比較例1~2で得られた粉砕処理後の正極粉末について、波長0.05nmの放射光X線を用いた粉末X線回折測定を行った。結果を図2に示す。 Next, powder X-ray diffraction measurements were performed using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.05 nm on the pulverized positive electrode powders obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The results are shown in Figure 2.
この結果、比較例1では、通電焼結により焼成しているものの、温度が十分ではないため、結晶化はされておらず、参考例1と同様に、層状岩塩型酸化物に特異的なピークである2θ=6~7°に極大を有するピークが見られず、層状でない岩塩型酸化物のピーク及び2θ=5~8°のハローピークのみが確認された。 As a result, in Comparative Example 1, although sintering was performed by electric current sintering, the temperature was insufficient, and therefore crystallization did not occur. As with Reference Example 1, no peak with a maximum at 2θ = 6 to 7°, which is a peak specific to layered rock salt-type oxides, was observed, and only the peak of non-layered rock salt-type oxides and a halo peak at 2θ = 5 to 8° were observed.
比較例2では、手混ぜ混合した比較参考例1の時点で低結晶化していないこともあり、リシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)及び層状岩塩型酸化物(LiCoO2)の双方のピークが認められた。 In Comparative Example 2, the mixture had not yet reached low crystallinity at the time of manual mixing as in Comparative Reference Example 1, and peaks of both the lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ) and the layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) were observed.
一方、実施例1では、ボールミル処理により一旦低結晶化しているが、十分な温度で熱処理しているため、リシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)及び層状岩塩型酸化物(LiCoO2)の双方のピークが認められた。 On the other hand, in Example 1, although the crystallinity was reduced by the ball mill treatment, the heat treatment was performed at a sufficient temperature, so that peaks of both the lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ) and the layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) were observed.
次に、波長0.05nmの放射光X線を用いたX線回折によって、実施例及び比較例の正極層の不純物相を確認した。実施例1及び比較例2で得られた正極粉末について、X線回折パターンのリートベルト解析した実験値と計算値を図3~4に示す。また、図3~4では、X線回折パターンの下部に実測値と計算パターンとの間のフィッティング差を示しており、さらにその下部に各結晶相の計算位置も示している。この結果、不純物相の割合は、実施例1、比較例2いずれも0.0モル%であった。 Next, the impurity phases in the positive electrode layers of the examples and comparative examples were confirmed by X-ray diffraction using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.05 nm. Figures 3 and 4 show the experimental and calculated values obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction patterns for the positive electrode powders obtained in Example 1 and Comparative Example 2. Figures 3 and 4 also show the fitting difference between the measured values and the calculated pattern below the X-ray diffraction patterns, and further below that, the calculated position of each crystalline phase is also shown. As a result, the proportion of impurity phases was 0.0 mol% in both Example 1 and Comparative Example 2.
試験例2:電子顕微鏡観察
実施例1及び比較例2で得られた固体正極層について、断面走査型電子顕微鏡観察を後のボロノイ分割を行って得られる図形が少なくとも500個以上取り出せる範囲で行った。結果を図5~6に示す(図5:5000倍、図6:500倍)。固体電解質材料であるリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)は濃い灰色で表示されており、正極活物質材料である層状岩塩型酸化物(LiCoO2)は薄い灰色で表示されている。
Test Example 2: Electron Microscope Observation Cross-sectional scanning electron microscope observation was performed on the solid positive electrode layers obtained in Example 1 and Comparative Example 2 to an extent that at least 500 figures obtained by the subsequent Voronoi tessellation could be extracted. The results are shown in Figures 5 and 6 (Figure 5: 5000x magnification, Figure 6 : 500x magnification ). The lithiated oxide ( Li3.5Ge0.5V0.5O4 ) used as the solid electrolyte material is shown in dark gray, and the layered rock salt oxide ( LiCoO2 ) used as the positive electrode active material is shown in light gray.
得られた断面走査型電子顕微鏡像(図5~6)について、既報(IEEE Trans. Syst. Man Cybern., 9 (1) 1979, 62-66.)に記載されている大津のアルゴリズムを使用し、画像の二値化処理を行った。結果を図7~8に示す。ここでは、固体電解質材料であるリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)は白色で表示されており、正極活物質材料である層状岩塩型酸化物(LiCoO2)は黒色で表示されて、両者のコントラストを明瞭にすることで以降のボロノイ分割の画像処理を適切に施すことができる。 The cross-sectional scanning electron microscope images obtained (Figs. 5 and 6) were binarized using Otsu's algorithm, which has been previously reported (IEEE Trans. Syst. Man Cybern., 9 (1) 1979, 62-66). The results are shown in Figs. 7 and 8. Here, the lithiated oxide (Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 ), which is the solid electrolyte material, is displayed in white, and the layered rock salt oxide (LiCoO 2 ), which is the positive electrode active material, is displayed in black. By making the contrast between the two clear, the subsequent Voronoi tessellation image processing can be performed appropriately.
断面走査型電子顕微鏡像の二値化処理を行って得られた図(図7~8)を用いて、正極活物質材料である層状岩塩型酸化物(LiCoO2)を中心としてボロノイ分割を行った。結果を図9~10に示す。ここでボロノイ分割とは、二値化処理画像より最も近い2つの層状岩塩型酸化物(LiCoO2)粒子(黒色)の間で等しい距離に境界を結んだ分割を指す。 Using the images (Figs. 7 and 8) obtained by binarizing the cross-sectional scanning electron microscope images, Voronoi tessellation was performed with the layered rock-salt oxide (LiCoO 2 ), which is the positive electrode active material, at the center. The results are shown in Figs. 9 and 10. Here, Voronoi tessellation refers to a division that connects the boundaries of the two closest layered rock-salt oxide (LiCoO 2 ) particles (black) in the binarized image at equal distances.
ボロノイ分割を行って得られた図形(図9~10)から、平均径及び平均径の標準偏差を測定した。結果を図11~12に示す。この結果、実施例1の固体正極層について、層状岩塩型酸化物(LiCoO2)を中心としボロノイ分割を行って得られた図形の平均径は0.68μmであり、平均径の標準偏差は0.28μmであった。また、比較例2の固体正極層について、層状岩塩型酸化物(LiCoO2)を中心としボロノイ分割を行って得られた図形の平均径は7.28μmであり、平均径の標準偏差は3.13であった。 The average diameter and standard deviation of the average diameter were measured from the figures obtained by Voronoi tessellation (FIGS. 9 and 10). The results are shown in FIGS. 11 and 12. As a result, for the solid positive electrode layer of Example 1, the average diameter of the figure obtained by Voronoi tessellation centered on the layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) was 0.68 μm, and the standard deviation of the average diameter was 0.28 μm. Furthermore, for the solid positive electrode layer of Comparative Example 2, the average diameter of the figure obtained by Voronoi tessellation centered on the layered rock salt oxide (LiCoO 2 ) was 7.28 μm, and the standard deviation of the average diameter was 3.13.
試験例3:全固体リチウムイオン二次電池
固体のリシコン型酸化物(Li3.5Ge0.5V0.5O4)50mgの上に、実施例1及び比較例1~2で得られた正極粉末10mgを広げ、得られる固体電解質層が直径10mm、厚み250μm程度の薄板状、固体正極層が直径10mm、厚み50μm程度の薄板状になるように調整し、その上から正極集電箔として直径10mm、厚み100μmの金板を載せ、タングステンカーバイトのダイ及びパンチで挟み込み、加圧力400MPa、印加電流200A程度、加熱温度450℃で5分間通電焼結を行い、焼結体を得た。得られた焼結体の固体電解質層側に、直径15mm程度のポリエチレンオキシド(PEO)製のポリマー電解質を介して、直径12mmの金属リチウムを貼り合わせ、実施例1及び比較例1~2の全固体リチウム二次電池を作製した。なお、全固体リチウム二次電池の構成の概略は、図13に示す。
Test Example 3: All-Solid-State Lithium-Ion Secondary Battery: 10 mg of the positive electrode powder obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was spread on 50 mg of solid lithicon-type oxide ( Li3.5Ge0.5V0.5O4 ) . The resulting solid electrolyte layer was a thin plate with a diameter of approximately 10 mm and a thickness of approximately 250 μm, and the solid positive electrode layer was a thin plate with a diameter of approximately 10 mm and a thickness of approximately 50 μm. A gold plate with a diameter of 10 mm and a thickness of 100 μm was placed on top of the solid electrolyte layer, and the resulting sintered body was subjected to electric sintering at a pressure of 400 MPa, an applied current of approximately 200 A, and a heating temperature of 450°C for 5 minutes to obtain a sintered body. A 12 mm diameter piece of metallic lithium was attached to the solid electrolyte layer side of the resulting sintered body via a polymer electrolyte made of polyethylene oxide (PEO) with a diameter of approximately 15 mm. This produced the all-solid-state lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The schematic configuration of the all-solid-state lithium secondary battery is shown in FIG.
実施例1及び比較例1~2の全固体リチウム二次電池を用いて、60℃の恒温槽内で、
(1)定電流0.51mA/cm2(約0.53C)で作動電圧4.2Vまで充電後、定電流0.51mA/cm2(約0.53C)で作動電圧2.0Vまで放電(実施例1及び比較例2)
(2)定電流0.26mA/cm2(約0.27C)で作動電圧4.2Vまで充電後、定電流0.26mA/cm2(約0.27C)で作動電圧2.0Vまで放電(実施例1及び比較例2)
(3)定電流0.13mA/cm2(約0.13C)で作動電圧4.2Vまで充電後、定電流0.13mA/cm2(約0.13C)で作動電圧2.0Vまで放電(実施例1及び比較例2)
(4)定電流64μA/cm2(約0.07C)で作動電圧4.2Vまで充電後、定電流64μA/cm2(約0.07C)で作動電圧2.0Vまで放電(実施例1及び比較例1~2)
の4種の条件で、5サイクルの充放電を行った。
Using the all-solid-state lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, in a constant temperature bath at 60°C,
(1) Charging at a constant current of 0.51 mA/cm 2 (approximately 0.53 C) to an operating voltage of 4.2 V, and then discharging at a constant current of 0.51 mA/cm 2 (approximately 0.53 C) to an operating voltage of 2.0 V (Example 1 and Comparative Example 2)
(2) Charge at a constant current of 0.26 mA/cm 2 (approximately 0.27 C) to an operating voltage of 4.2 V, then discharge at a constant current of 0.26 mA/cm 2 (approximately 0.27 C) to an operating voltage of 2.0 V (Example 1 and Comparative Example 2)
(3) Charging at a constant current of 0.13 mA/cm 2 (approximately 0.13 C) to an operating voltage of 4.2 V, and then discharging at a constant current of 0.13 mA/cm 2 (approximately 0.13 C) to an operating voltage of 2.0 V (Example 1 and Comparative Example 2)
(4) Charge at a constant current of 64 μA/cm 2 (approximately 0.07 C) to an operating voltage of 4.2 V, then discharge at a constant current of 64 μA/cm 2 (approximately 0.07 C) to an operating voltage of 2.0 V (Example 1 and Comparative Examples 1 and 2).
Five charge/discharge cycles were carried out under the four conditions.
実施例1及び比較例1~2の全固体リチウム二次電池の充放電曲線を図14~16に示す。 The charge/discharge curves for the all-solid-state lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Figures 14 to 16.
この結果、比較例1では、上記のとおり、得られた固体正極層は、結晶化されておらず、層状でない岩塩型酸化物のピークのみが確認されているため、導電性の高いリシコン型酸化物及び理論充電容量の高い層状岩塩型酸化物をいずれも有していない結果、低負荷条件でさえも充放電容量が著しく小さく、また、サイクル特性も十分とは言えない。 As a result, in Comparative Example 1, as described above, the solid positive electrode layer obtained was not crystallized, and only the peaks of the non-layered rock-salt oxide were observed. Therefore, it did not contain either the highly conductive lithiated oxide or the layered rock-salt oxide with a high theoretical charge capacity. As a result, the charge/discharge capacity was significantly small even under low load conditions, and the cycle characteristics were also insufficient.
また、比較例2では、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物をいずれも有しているものの、層状岩塩型酸化物を中心としたボロノイ分割図形の平均径及び当該平均径の標準偏差が大きいため、容量、サイクル特性及びレート特性のいずれにおいても十分ではないことが理解できる。 Furthermore, although Comparative Example 2 contains both lithicon-type oxide and layered rock-salt-type oxide, the average diameter of the Voronoi tessellation diagram centered on the layered rock-salt-type oxide and the standard deviation of this average diameter are large, and it can be seen that the capacity, cycle characteristics, and rate characteristics are all insufficient.
それに対して、実施例1では、リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物をいずれも有しており、不純物相も少なく、層状岩塩型酸化物を中心としたボロノイ分割図形の平均径及び当該平均径の標準偏差も小さいため、容量、サイクル特性及びレート特性のいずれにおいても十分に向上させることができた。 In contrast, Example 1 contained both lithizone-type oxide and layered rock-salt-type oxide, had few impurity phases, and had a small average diameter of the Voronoi tessellation diagram centered on the layered rock-salt-type oxide and a small standard deviation of that average diameter, resulting in sufficient improvements in capacity, cycle characteristics, and rate characteristics.
Claims (13)
前記固体電極層のX線回折図から算出される不純物の含有量が、前記固体電極層の総量を100モル%として1.0モル%以下であり、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径が0.50~2.00μmであり、且つ、
前記層状岩塩型酸化物についてボロノイ分割を行って得られる図形の平均径の標準偏差が1.00μm以下である、固体電極層。 A solid electrode layer containing a lysicone-type oxide and a layered rock salt-type oxide,
the content of impurities calculated from an X-ray diffraction pattern of the solid electrode layer is 1.0 mol% or less, with the total amount of the solid electrode layer being 100 mol%,
The average diameter of a figure obtained by performing Voronoi division on the layered rock salt type oxide is 0.50 to 2.00 μm, and
A solid electrode layer in which the standard deviation of the average diameter of a figure obtained by performing Voronoi tessellation on the layered rock salt type oxide is 1.00 μm or less.
Lix1M1Oy1 (1)
[式中、x1は、3.0<x1<4.0を示す。y1は、3.8<y1<4.2を示す。M1はGe、Si、V、Ti、P及びSよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物である、及び
(II)前記層状岩塩型酸化物は、一般式(2):
LiM2Oy2 (2)
[式中、y2は、1.5<y2<2.5を示す。M2はCo、Mn、Ni、Al及びLiよりなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。]
で表される酸化物である、
の少なくとも1つを満たす、請求項1に記載の固体電極層。 (I) The lysicone-type oxide is represented by the general formula (1):
Li x1 M 1 O y1 (1)
[In the formula, x1 represents 3.0<x1<4.0, y1 represents 3.8<y1<4.2, and M1 represents at least one element selected from the group consisting of Ge, Si, V, Ti, P, and S.]
and (II) the layered rock salt type oxide is an oxide represented by the general formula (2):
LiM2Oy2 ( 2 )
[In the formula, y2 represents 1.5<y2<2.5, and M2 represents at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, Al, and Li.]
is an oxide represented by
The solid electrode layer according to claim 1 , wherein at least one of the following is satisfied:
(1)リシコン型酸化物及び層状岩塩型酸化物に対して低結晶化処理を施す工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた低結晶化物を600~1000℃で熱処理して固化成型体を得る工程
を備える、製造方法。 A method for producing a solid electrode layer according to any one of claims 1 to 7, comprising:
A manufacturing method comprising: (1) a step of subjecting a lithiated oxide and a layered rock salt type oxide to a low-crystallization treatment; and (2) a step of heat-treating the low-crystallization product obtained in the step (1) at 600 to 1000°C to obtain a solidified molded body.
前記前駆体のX線回折図から算出される不純物の含有量が、前記固体電極層の総量を100モル%として1モル%以下であり、
波長0.05nmの放射光X線による2θ=4~26°の範囲のX線回折図において、空間群Fm-3mに帰属される岩塩型酸化物のピーク及び2θ=5~8°のハローピークのみを有し、層状岩塩型酸化物に特徴的である2θ=6~7°に極大値を有するピークを有さない、固体電極層前駆体。 A precursor of a solid electrode layer containing a lithiated oxide and a layered rock salt oxide,
the content of impurities calculated from an X-ray diffraction pattern of the precursor is 1 mol % or less, with the total amount of the solid electrode layer being 100 mol %,
A solid electrode layer precursor, which has only a peak of a rock salt-type oxide belonging to the space group Fm-3m and a halo peak at 2θ = 5 to 8° in an X-ray diffraction pattern in the range of 2θ = 4 to 26° using synchrotron X-rays with a wavelength of 0.05 nm, but does not have a peak having a maximum value at 2θ = 6 to 7° which is characteristic of a layered rock salt-type oxide.
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