JP7799544B2 - All solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は全固体電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state 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。正極活物質として硫化物系材料を用い、負極活物質として金属リチウムやリチウム含有合金を用いた全固体リチウム二次電池は、その有望な候補である。 In recent years, therefore, there has been active research and development into all-solid-state lithium secondary batteries that use oxide- or sulfide-based solid electrolytes. Solid electrolytes are materials primarily composed of ionic conductors that allow ionic conduction in a solid state. For this reason, all-solid-state lithium secondary batteries do not, in principle, encounter the various problems associated with flammable organic electrolytes that occur 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 leads to significant improvements in the battery's output density and energy density. All-solid-state lithium secondary batteries, which use a sulfide-based material as the positive electrode active material and metallic lithium or a lithium-containing alloy as the negative electrode active material, are promising candidates.
全固体リチウム二次電池において、正極活物質層は、電子伝導性およびイオン伝導性を確保する観点から、正極活物質に加えて導電助剤および固体電解質を含有する。しかしながら、導電助剤と固体電解質とが接した状態で充放電を行うと、固体電解質が分解して高抵抗(絶縁性が高い)な物質が生成し、正極合剤の抵抗が増加することが知られている。 In all-solid-state lithium secondary batteries, the positive electrode active material layer contains a conductive additive and a solid electrolyte in addition to the positive electrode active material in order to ensure electronic and ionic conductivity. However, it is known that when charging and discharging are performed while the conductive additive and solid electrolyte are in contact, the solid electrolyte decomposes to produce a highly resistive (highly insulating) substance, increasing the resistance of the positive electrode mixture.
ここで、上記のような正極合剤の抵抗増加を防止することを目的として、特許文献1では、正極活物質と、固体電解質と、導電助剤とを含有する全固体電池用正極合材において、導電助剤に厚さ5nm以下のLiFからなるコート層を設ける技術が開示されている。特許文献1の開示によれば、このような構成を有する導電助剤は、トンネル効果により正極活物質に電子を供給する一方で、固体電解質には電子を供給しないことから、導電助剤と固体電解質との反応が抑制され、正極合材の抵抗増加を抑制できるとされている。 To prevent the above-mentioned increase in resistance of the positive electrode mixture, Patent Document 1 discloses a technology for providing a coating layer of LiF with a thickness of 5 nm or less on the conductive additive in a positive electrode mixture for an all-solid-state battery containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive. According to the disclosure in Patent Document 1, a conductive additive having this configuration supplies electrons to the positive electrode active material through the tunneling effect while not supplying electrons to the solid electrolyte, thereby suppressing the reaction between the conductive additive and the solid electrolyte and preventing an increase in resistance of the positive electrode mixture.
全固体電池においては、各層の接触状態を維持する等の理由から、電池の積層方向に拘束圧力が付与されうる。 In all-solid-state batteries, confining pressure can be applied in the stacking direction of the battery to maintain contact between the layers, etc.
しかしながら、本発明者らが、特許文献1に記載の正極合材を適用した全固体電池において拘束圧力を付与したところ、セルの抵抗増加を充分に抑制できない場合があることが判明した。 However, when the inventors applied confining pressure to an all-solid-state battery using the positive electrode composite material described in Patent Document 1, they found that it was sometimes not possible to sufficiently suppress an increase in cell resistance.
そこで本発明は、全固体電池の抵抗増加を抑制し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 suppressing the increase in resistance in all-solid-state batteries.
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、導電助剤の表面を、ヨウ素化合物を含む特定の厚さの被覆層により被覆することで、上記課題が解決されることを見出し、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 coating the surface of the conductive additive with a coating layer of a specific thickness containing an iodine compound, which led to the completion of the present invention.
すなわち、本発明の一形態に係る全固体電池は、導電助剤の表面の少なくとも一部がヨウ素化合物を含む被覆層で被覆されてなり、前記被覆層の厚さが150nm以上400nm未満である被覆導電助剤、硫黄を含む正極活物質および硫化物固体電解質を含む正極活物質層が正極集電体の表面に配置されてなる正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在し、固体電解質を含有する固体電解質層と、を有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える。 That is, an all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention comprises: a coated conductive additive in which at least a portion of the surface of the conductive additive is coated with a coating layer containing an iodine compound, the coating layer having a thickness of 150 nm or more and less than 400 nm; a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a sulfur-containing positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte is disposed on the surface of a positive electrode current collector; a negative electrode; a power generating element having a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a solid electrolyte; and a restraining member that restrains the power generating element in the stacking direction.
本発明によれば、抵抗増加が抑制された全固体電池を提供できる。 The present invention provides an all-solid-state battery in which resistance increase is suppressed.
本発明の一形態は、導電助剤の表面の少なくとも一部がヨウ素化合物を含む被覆層で被覆されてなり、前記被覆層の厚さが150nm以上400nm未満である被覆導電助剤、硫黄を含む正極活物質および硫化物固体電解質を含む正極活物質層が正極集電体の表面に配置されてなる正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在し、固体電解質を含有する固体電解質層と、を有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備える、全固体電池である。 One aspect of the present invention is an all-solid-state battery comprising: a coated conductive additive in which at least a portion of the surface of the conductive additive is coated with a coating layer containing an iodine compound, the coating layer having a thickness of 150 nm or more and less than 400 nm; a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a sulfur-containing positive electrode active material and a sulfide solid electrolyte is disposed on the surface of a positive electrode current collector; a negative electrode; and a power generating element having a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a solid electrolyte; and a restraining member that restrains the power generating element in the stacking direction.
以下、図面を参照しながら、上述した本形態に係る全固体電池の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 The following describes an embodiment of the all-solid-state battery according to 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 have been exaggerated for the sake of explanation and may differ from the actual proportions.
図1は、本発明に係る全固体電池の一実施形態である扁平積層型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全固体リチウム二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係る全固体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, which is one embodiment of the all-solid-state battery according to the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in Figure 1. The layered structure allows the battery to be compact and have a high capacity. This specification will be described in detail using the flat-layered, non-bipolar all-solid-state 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 all-solid-state 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、本形態に係る全固体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。巻回型の全固体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 all-solid-state lithium secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated, flat shape. A wound-type all-solid-state lithium secondary battery may be cylindrical, or may be a cylindrical battery modified into 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、巻回型の全固体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 electrode current collector 25 and the positive electrode current collector 27 may be pulled out from the same side, or the negative electrode current collector 25 and the positive electrode 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 all-solid-state 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。また、積層型電池10aには、拘束部材(加圧部材)によって発電要素21の積層方向に拘束圧力が付与されている(図示せず)。そのため、発電要素21の体積は、一定に保たれている。 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, with one positive electrode active material layer 15 facing the adjacent negative electrode active material layer 13 with a solid electrolyte layer 17 interposed between them. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode form a single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in FIG. 2 can be said to have a configuration in which multiple cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. In addition, a restraining pressure is applied to the stacked battery 10a in the stacking direction of the power generation element 21 by a restraining member (pressure member) (not shown). This keeps the volume of the power generation element 21 constant.
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.
図3は、本発明の一実施形態に係る積層型電池の斜視図である。図4は、図3に示すA方向から見た側面図である。 Figure 3 is a perspective view of a stacked battery according to one embodiment of the present invention. Figure 4 is a side view seen from direction A shown in Figure 3.
図3および図4に示すように、本実施形態に係る積層型電池100は、図1および図2に示すラミネートフィルム29に封止された発電要素21と、ラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持する2枚の金属板200と、締結部材としてのボルト300およびナット400と、を有している。この締結部材(ボルト300およびナット400)は金属板200がラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持した状態で固定する機能を有している。これにより、金属板200および締結部材(ボルト300およびナット400)は発電要素21をその積層方向に拘束(加圧)する拘束部材として機能する。なお、拘束部材は発電要素21をその積層方向に拘束することができる部材であれば特に制限されない。拘束部材として、典型的には、金属板200のように剛性を有する材料から形成された板と上述した締結部材との組み合わせが用いられる。また、締結部材についても、ボルト300およびナット400のみならず、発電要素21をその積層方向に拘束するように金属板200の端部を固定するテンションプレートなどが用いられてもよい。 As shown in Figures 3 and 4, the stacked battery 100 according to this embodiment includes a power generating element 21 sealed in a laminate film 29 as shown in Figures 1 and 2, two metal plates 200 sandwiching the power generating element 21 sealed in the laminate film 29, and a bolt 300 and a nut 400 as fastening members. These fastening members (bolt 300 and nut 400) function to secure the power generating element 21 sealed in the laminate film 29 in a sandwiched state between the metal plates 200. As a result, the metal plates 200 and the fastening members (bolt 300 and nut 400) function as restraining members that restrain (apply pressure to) the power generating element 21 in the stacking direction. Note that the restraining members are not particularly limited as long as they are capable of restraining the power generating element 21 in the stacking direction. A combination of a plate made of a rigid material, such as the metal plate 200, and the fastening members described above is typically used as the restraining member. Furthermore, the fastening members may not only be bolts 300 and nuts 400, but also tension plates or the like that secure the ends of the metal plates 200 so as to restrain the power generating element 21 in the stacking direction.
なお、発電要素21に印加される荷重(発電要素の積層方向における拘束圧力)の下限は、例えば0.1MPa以上であり、好ましくは1MPa以上であり、より好ましくは3MPa以上であり、さらに好ましくは5MPa以上である。発電要素の積層方向における拘束圧力の上限は、例えば150MPa以下であり、好ましくは100MPa以下であり、より好ましくは70MPa以下であり、さらに好ましくは40MPa以下であり、特に好ましくは10MPa以下である。 The lower limit of the load applied to the power generating element 21 (confining pressure in the stacking direction of the power generating element) is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 1 MPa or more, more preferably 3 MPa or more, and even more preferably 5 MPa or more. The upper limit of the confining pressure in the stacking direction of the power generating element is, for example, 150 MPa or less, preferably 100 MPa or less, more preferably 70 MPa or less, even more preferably 40 MPa or less, and particularly preferably 10 MPa or less.
以下、本形態に係る積層型電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the stacked battery according to this embodiment are described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the transfer of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. Other materials that may be used include clad materials of nickel and aluminum, and clad materials of copper and aluminum. Foils in which the metal surface is coated with aluminum may also be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the standpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Another example of a conductive resin is a resin in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single layer structure made of a single material, or a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the perspective of reducing the weight of the current collector, it is preferable for it to contain at least a conductive resin layer made of a conductive resin. Furthermore, from the perspective of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided on part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and positive electrode active material layer described below are themselves conductive and can perform a current collecting function, it is not necessary to use a current collector as a separate component from these electrode active material layers. In such a configuration, the negative electrode active material layer described below directly constitutes the negative electrode, and the positive electrode active material layer described below directly constitutes the positive electrode.
[正極活物質層]
正極活物質層は、硫黄を含む正極活物質、硫化物固体電解質および被覆導電助剤を必須に含む。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer essentially contains a positive electrode active material containing sulfur, a sulfide solid electrolyte, and a coating conductive additive.
(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、硫黄単体(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号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、硫化リチウム(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、S、硫化リチウム(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、硫黄単体(S)および硫化リチウム(Li2S)、TiS2、並びにFeS2がより好ましく、高容量であるという観点からは硫黄単体(S)および硫化リチウム(Li2S)が特に好ましい。なお、硫黄単体(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, and can be any material that can release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging by utilizing the oxidation-reduction reaction of sulfur. Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbonate, etc., as typified by the compounds described in International Publication No. 2010/044437. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability, and specific examples include elemental sulfur (S), lithium sulfide (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, S, lithium sulfide (Li 2 S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 , and MoS 2 are preferred, elemental sulfur (S), lithium sulfide (Li 2 S), TiS 2 , and FeS 2 are more preferred, and elemental sulfur (S) and lithium sulfide (Li 2 S) are particularly preferred from the viewpoint of high capacity. As the elemental sulfur (S), α-sulfur, β-sulfur, or γ-sulfur having an S8 structure can be used.
正極活物質層は、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、Li4Ti5O12が挙げられる。 The positive electrode active material layer may further contain a sulfur-free positive electrode active material in addition to the sulfur-containing 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 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、好ましくは50質量%以上であり、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 in the total amount (100% by mass) of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, 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.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, and more preferably in the range of 50 to 90% by mass.
(硫化物固体電解質)
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、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
(Sulfide solid electrolyte)
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 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S—SiS 2 —LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, Li 2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 5 —Z m S n (where m and n are positive numbers, and Z is Ge, Zn, or Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers, and M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In.) 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、硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、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、ハロゲンを含有する硫化物固体電解質としては、アルジロダイト型固体電解質(Li6PS5X(Xは、Cl、BrまたはIである))が挙げられ、これもまた好ましく用いられうる材料である。 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, the sulfide solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing P element, and more preferably a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component. Furthermore, an example of a sulfide solid electrolyte containing a halogen is an argyrodite-type solid electrolyte (Li 6 PS 5 X (X is Cl, Br, or I)), which is also a material that can be preferably used.
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.
正極活物質層は、硫化物固体電解質に加えて、これ以外の固体電解質をさらに含んでもよい。硫化物固体電解質以外の固体電解質としては、例えば、酸化物固体電解質が挙げられる。酸化物固体電解質の具体例としては、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)等のNASICON型構造を有する化合物が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の具体例としては、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。 The positive electrode active material layer may further include a solid electrolyte other than the sulfide solid electrolyte. Examples of solid electrolytes other than the sulfide solid electrolyte include oxide solid electrolytes. Specific examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure, such as a compound (LAGP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) and a compound (LATP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2). Other specific examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (for example, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), and LiLaZrO (for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).
場合によっては、2種以上の固体電解質が併用されてもよい。なお、上記以外の固体電解質が用いられてもよいことは勿論である。ただし、正極活物質層中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、好ましくは50質量%以上であり、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 solid electrolytes may be used in combination. Of course, solid electrolytes other than those mentioned above may also be used. However, the content of the sulfide solid electrolyte in the positive electrode active material layer relative to the total amount of solid electrolytes (100% by mass) is preferably 50% by mass or more, 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.
正極活物質層における硫化物固体電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、1~60質量%の範囲内であることが好ましく、10~50質量%の範囲内であることがより好ましく、15~40質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the sulfide solid electrolyte in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 60 mass%, more preferably in the range of 10 to 50 mass%, and even more preferably in the range of 15 to 40 mass%.
(被覆導電助剤)
本形態に係る積層型電池は、導電助剤の表面の少なくとも一部がヨウ素化合物を含む被覆層で被覆されてなり、被覆層の厚さが150nm以上400nm未満である被覆導電助剤を正極活物質層に含むことを特徴とする。このような構成とすることにより、全固体電池の抵抗増加を抑制することができる。
(Coating conductive additive)
The stacked battery according to the present embodiment is characterized in that the cathode active material layer contains a conductive additive, at least a portion of whose surface is coated with a coating layer containing an iodine compound, and the coating layer has a thickness of 150 nm or more and less than 400 nm. By adopting such a configuration, an increase in resistance of the all-solid-state battery can be suppressed.
上述したように、特許文献1では、正極活物質と、固体電解質と、導電助剤とを含有する全固体電池用正極合材において、導電助剤に厚さ5nm以下のLiFからなる被覆層(コート層)を設ける技術が開示されている。しかしながら、正極合材を適用した全固体電池において拘束圧力を付与したところ、セルの抵抗増加を充分に抑制できない場合があった。これは、以下のようなメカニズムによると考えられる。特許文献1に記載の技術によると、被覆層の厚さが5nm以下と薄いことから、拘束圧力を付与すると、被覆層に割れが生じる。被覆層の割れ目において導電助剤と固体電解質とが接触し、この状態で充放電反応を行うと固体電解質の分解反応が起こる。分解反応により生じる生成物は高抵抗であるため、セルの抵抗が増加する。 As mentioned above, Patent Document 1 discloses a technology for providing a coating layer (coating layer) of LiF with a thickness of 5 nm or less on the conductive additive in a cathode composite for an all-solid-state battery containing a cathode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive. However, when confining pressure was applied to an all-solid-state battery using the cathode composite, an increase in cell resistance could not be sufficiently suppressed in some cases. This is thought to be due to the following mechanism. According to the technology described in Patent Document 1, because the coating layer is thin, at 5 nm or less, cracks occur in the coating layer when confining pressure is applied. The conductive additive and solid electrolyte come into contact in the cracks in the coating layer, and when charge/discharge reactions are carried out in this state, a decomposition reaction of the solid electrolyte occurs. The product of the decomposition reaction has high resistance, resulting in an increase in cell resistance.
一方、本形態に係る被覆導電助剤は、被覆層の材料としてヨウ素化合物を用い、被覆層の厚さを150nm以上とすることで、拘束圧力を付与した場合であっても、被覆層の割れが生じにくくなる。これにより、硫化物固体電解質の分解が抑制され、反応生成物が生じることによる抵抗上昇が抑えられる。また、被覆層の厚さが400nm未満であることで、導電助剤の機能を維持することができる。 On the other hand, the coated conductive additive according to this embodiment uses an iodine compound as the material for the coating layer, and by making the coating layer 150 nm or thicker, cracks in the coating layer are less likely to occur even when confining pressure is applied. This suppresses decomposition of the sulfide solid electrolyte and reduces increases in resistance due to the generation of reaction products. Furthermore, by making the coating layer less than 400 nm thick, the functionality of the conductive additive can be maintained.
正極活物質層における被覆導電助剤の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、1~40質量%の範囲内であることが好ましく、5~35質量%の範囲内であることがより好ましく、10~30質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the coating conductive additive in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 40 mass%, more preferably in the range of 5 to 35 mass%, and even more preferably in the range of 10 to 30 mass%.
被覆導電助剤を構成する導電助剤は、特に制限されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンからなる群より選択されるを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 The conductive additives constituting the coated conductive additive are not particularly limited, but examples include metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys or metal oxides containing these metals, carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, activated carbon fibers, etc.), carbon nanotubes (CNT), and carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.). Furthermore, particulate ceramic materials or resin materials coated with the above metal materials by plating or other methods can also be used as conductive additives. Among these conductive additives, from the standpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon. It is more preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, and carbon. It is even more preferable to include at least one selected from the group consisting of carbon. These conductive additives may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The conductive additive is preferably in the form of particles or fibers. When the conductive additive is in the form of particles, the shape of the particles is not particularly limited and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, or spindle shape.
導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 When the conductive additive is particulate, its average particle size (primary particle size) is not particularly limited, but from the perspective of the electrical characteristics of the battery, it is preferably 0.01 to 10 μm. In this specification, "particle size of conductive additive" refers to the longest distance L between any two points on the contour line of the conductive additive. The value of "average particle size of conductive additive" is calculated as the average particle size of particles observed within several to several tens of fields of view using an observation method such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
被覆層は、ヨウ素化合物(ただし、上述した硫化物固体電解質を除く)を含む。ヨウ素化合物は、特に限定されるものではないが、抵抗増加をよりいっそう抑制する観点から、ヨウ素元素に加えてリチウム元素を含むことが好ましい。ヨウ素化合物の具体例としては、ヨウ化リチウム(LiI)、Li7P2S8I、LixPSyI等が挙げられる。なかでも、さらなる抵抗増加の抑制効果を発揮させる観点から、ヨウ素化合物はヨウ化リチウムを含むことが好ましく、ヨウ素化合物はヨウ化リチウムであることがより好ましい。 The coating layer contains an iodine compound (excluding the above-mentioned sulfide solid electrolyte). The iodine compound is not particularly limited, but preferably contains lithium in addition to iodine, from the viewpoint of further suppressing the increase in resistance. Specific examples of iodine compounds include lithium iodide (LiI), Li7P2S8I , LixPSyI , etc. Among these, from the viewpoint of further exerting the effect of suppressing the increase in resistance, the iodine compound preferably contains lithium iodide, and more preferably is lithium iodide.
被覆層は、導電助剤の表面の少なくとも一部を被覆していればよいが、全固体電池の抵抗増加をよりいっそう抑制する観点から、導電助剤の表面のうち、被覆層により被覆されている割合がより大きい方が好ましい。具体的には、導電助剤の表面積に対する、被覆層により覆われている面積の割合は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは70%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、いっそう好ましくは90%以上であり、特に好ましくは95%以上であり、最も好ましくは100%である。 The coating layer need only cover at least a portion of the surface of the conductive additive, but from the perspective of further suppressing an increase in resistance in the all-solid-state battery, it is preferable that a larger proportion of the conductive additive's surface is covered by the coating layer. Specifically, the proportion of the area covered by the coating layer to the surface area of the conductive additive is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, even more preferably 80% or more, even more preferably 90% or more, particularly preferably 95% or more, and most preferably 100%.
被覆層中に含まれるヨウ素化合物の含有量も、特に限定されるものではないが、被覆層の全量100質量%に占めるヨウ素化合物の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、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。 The content of the iodine compound in the coating layer is not particularly limited, but the proportion of the iodine compound in the total amount (100% by mass) of the coating layer is preferably 50% by mass or more, 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.
被覆層の厚さは、必須に150nm以上400nm未満の範囲内であり、好ましくは180nm以上300nm以下の範囲内であり、より好ましくは200nm以上300nm以下の範囲内である。被覆層の厚さが上記範囲内であると、全固体電池の抵抗増加をよりいっそう抑制できる。なお、本明細書において、被覆層の厚さは、後述する実施例に記載の方法により測定された値を採用するものとする。 The thickness of the coating layer must be in the range of 150 nm or more and less than 400 nm, preferably in the range of 180 nm or more and 300 nm or less, and more preferably in the range of 200 nm or more and 300 nm or less. When the thickness of the coating layer is within the above range, the increase in resistance of the all-solid-state battery can be further suppressed. Note that, in this specification, the thickness of the coating layer is the value measured by the method described in the Examples below.
被覆導電助剤に含まれる導電助剤の質量に対する被覆層の質量の割合(被覆層の質量/導電助剤の質量)は、好ましくは0.1~1であり、より好ましくは0.2~0.8であり、さらに好ましくは0.2~0.5である。導電助剤の質量に対する被覆層の質量の割合が上記範囲内であると、全固体電池の抵抗増加をよりいっそう抑制できる。 The ratio of the mass of the coating layer to the mass of the conductive additive contained in the coated conductive additive (mass of coating layer/mass of conductive additive) is preferably 0.1 to 1, more preferably 0.2 to 0.8, and even more preferably 0.2 to 0.5. When the ratio of the mass of the coating layer to the mass of the conductive additive is within the above range, the increase in resistance of the all-solid-state battery can be further suppressed.
被覆導電助剤の製造方法は特に制限されないが、一例を挙げると、ヨウ素化合物溶液に導電助剤を含浸させた後、溶媒を除去する方法が挙げられる。 There are no particular restrictions on the manufacturing method of the coated conductive additive, but one example is a method in which the conductive additive is impregnated in an iodine compound solution and then the solvent is removed.
ヨウ素化合物溶液に使用される溶媒は、特に制限されないが、溶解性、操作性、安全性等の観点から、アルコール類が好適であり、炭素数1~4のアルコールであることが好ましい。炭素数1~4のアルコールとしては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、n-ブタノール、2-ブタノール、イソブタノール、tert-ブタノールが挙げられる。中でも、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、エタノールが特に好ましい。 The solvent used for the iodine compound solution is not particularly limited, but from the standpoints of solubility, operability, safety, etc., alcohols are suitable, and alcohols having 1 to 4 carbon atoms are preferred. Examples of alcohols having 1 to 4 carbon atoms include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, n-butanol, 2-butanol, isobutanol, and tert-butanol. Of these, methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol are preferred, with methanol and ethanol being more preferred, and ethanol being particularly preferred.
ヨウ素化合物溶液の濃度は、1~200mg/mLであることが好ましく、10~100mg/mLであることがより好ましい。なお、被覆導電助剤における被覆層の厚さは、ヨウ素化合物溶液の量または濃度を調整することにより、制御することが可能である。 The concentration of the iodine compound solution is preferably 1 to 200 mg/mL, and more preferably 10 to 100 mg/mL. The thickness of the coating layer of the coated conductive additive can be controlled by adjusting the amount or concentration of the iodine compound solution.
ヨウ素化合物溶液に導電助剤を含浸させた後、溶媒を除去する具体的な方法も特に制限されないが、ヨウ素化合物溶液および導電助剤を含む分散液を撹拌しながら溶媒を除去することが好ましい。溶媒の除去は、好ましくは減圧下で、100℃以下の温度で行うことが好ましい。溶媒を除去した後の固形分を必要に応じて解砕することにより、被覆導電助剤を得ることができる。 The specific method for removing the solvent after impregnating the conductive aid into the iodine compound solution is not particularly limited, but it is preferable to remove the solvent while stirring the dispersion containing the iodine compound solution and the conductive aid. The solvent is preferably removed under reduced pressure at a temperature of 100°C or less. The solid content after solvent removal can be crushed as needed to obtain the coated conductive aid.
正極活物質層の厚さは、目的とする積層型電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the intended stacked battery configuration, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[固体電解質層]
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。固体電解質層に含有される固体電解質としては、正極活物質層の欄において説明した硫化物固体電解質および酸化物固体電解質を適宜採用することができる。中でも、固体電解質層は硫化物固体電解質を含有することが好ましい。なお、固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれる各成分の配合量について特に制限はないが、固体電解質層の全量100質量%に対して、バインダの配合量は好ましくは2~8質量%である。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer is a layer interposed between the above-described positive electrode active material layer and negative electrode active material layer, and essentially contains a solid electrolyte. The sulfide solid electrolyte and oxide solid electrolyte described in the section on the positive electrode active material layer can be appropriately used as the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer. Among these, the solid electrolyte layer preferably contains a sulfide solid electrolyte. The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the above-described solid electrolyte. There are no particular restrictions on the blending amounts of each component contained in the solid electrolyte layer, but the blending amount of the binder is preferably 2 to 8 mass% relative to the total amount of the solid electrolyte layer (100 mass%).
固体電解質層の厚みは、目的とする積層型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600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm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10μm以上であり、より好ましくは50μm以上であり、さらに好ましくは100μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended stacked battery, but from the perspective of improving the volumetric energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 400 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 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, and even more preferably 100 μm or more.
[負極活物質層]
負極活物質層13は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb2O5、Li4Ti5O12等が挙げられる。さらに、ケイ素系負極活物質やスズ系負極活物質が用いられてもよい。ここで、ケイ素およびスズは第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。これらの単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。ここで、ケイ素系負極活物質としては、Si単体を用いることが好ましい。また同様に、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素酸化物を用いることも好ましい。この際、xの範囲は0.5≦x≦1.5であることがより好ましく、0.7≦x≦1.2であることがさらに好ましい。さらには、ケイ素を含有する合金(ケイ素含有合金系負極活物質)が用いられてもよい。一方、スズ元素を含む負極活物質(スズ系負極活物質)としては、Sn単体、スズ合金(Cu-Sn合金、Co-Sn合金)、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物等が挙げられる。このうち、アモルファススズ酸化物としてはSnB0.4P0.6O3.1が例示される。また、スズケイ素酸化物としてはSnSiO3が例示される。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、リチウム金属のほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、特に制限されないが、例えば、Liと、In、Al、Si、Sn、Mg、Au、AgおよびZnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。負極活物質は、リチウム金属、リチウム含有合金、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましく、リチウム金属またはリチウム含有合金を含むことが特に好ましい。このように、負極活物質がリチウム金属またはリチウム含有合金を含む場合、本形態に係る二次電池は、充電過程において負極集電体上にリチウム金属またはリチウム含有合金を析出させる、いわゆるリチウム析出型のものでありうる。この場合、充電過程において負極集電体上に析出するリチウム金属またはリチウム含有合金からなる層が、本形態に係る積層型電池の負極活物質層となる。したがって、充電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは大きくなり、放電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは小さくなる。完全放電時には負極活物質層は存在していなくともよいが、場合によってはある程度のリチウム金属またはリチウム含有合金からなる負極活物質層を完全放電時において配置しておいてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 contains a negative electrode active material. The type of negative electrode active material is not particularly limited, but includes carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Examples of metal oxides include Nb 2 O 5 and Li 4 Ti 5 O 12. Furthermore, silicon-based negative electrode active materials and tin-based negative electrode active materials may also be used. Silicon and tin belong to Group 14 elements and are known to be negative electrode active materials that can significantly improve the capacity of non-aqueous electrolyte secondary batteries. These elements can absorb and release a large number of charge carriers (such as lithium ions) per unit volume (mass), making them high-capacity negative electrode active materials. Here, it is preferable to use Si as the silicon-based negative electrode active material. Similarly, it is also preferable to use silicon oxides such as SiO x (0.3≦x≦1.6) disproportionated into two phases, a Si phase and a silicon oxide phase. In this case, the range of x is more preferably 0.5≦x≦1.5, and even more preferably 0.7≦x≦1.2. Furthermore, an alloy containing silicon (silicon-containing alloy-based negative electrode active material) may be used. On the other hand, negative electrode active materials containing tin element (tin-based negative electrode active materials) include simple Sn, tin alloys (Cu—Sn alloys, Co—Sn alloys), amorphous tin oxide, tin silicon oxide, etc. Among these, an example of amorphous tin oxide is SnB 0.4 P 0.6 O 3.1 . An example of tin silicon oxide is SnSiO 3. Furthermore, a metal containing lithium may be used as the negative electrode active material. Such negative electrode active materials are not particularly limited as long as they are active materials containing lithium, and examples include lithium metal and lithium-containing alloys. The lithium-containing alloy is not particularly limited, and examples thereof include alloys of Li and at least one of In, Al, Si, Sn, Mg, Au, Ag, and Zn. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those described above may also be used. The negative electrode active material preferably includes lithium metal, a lithium-containing alloy, a silicon-based negative electrode active material, or a tin-based negative electrode active material, and particularly preferably includes lithium metal or a lithium-containing alloy. When the negative electrode active material includes lithium metal or a lithium-containing alloy, the secondary battery according to this embodiment may be a so-called lithium deposition type in which lithium metal or a lithium-containing alloy is deposited on the negative electrode current collector during charging. In this case, the layer of lithium metal or a lithium-containing alloy deposited on the negative electrode current collector during charging constitutes the negative electrode active material layer of the stacked battery according to this embodiment. Therefore, the thickness of the negative electrode active material layer increases as the charging process progresses, and the thickness of the negative electrode active material layer decreases as the discharging process progresses. The negative electrode active material layer does not need to be present during full discharge, but in some cases, a negative electrode active material layer made of a certain amount of lithium metal or lithium-containing alloy may be present during full discharge.
負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子状である場合、その平均粒子径は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。 The negative electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, or the like. When the negative electrode active material is particulate, its average particle diameter is preferably, for example, in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、負極活物質層に含まれる負極活物質が粒子状である場合、負極活物質層は、固体電解質や、導電助剤(被覆導電助剤である場合を含む)および/またはバインダをさらに含んでもよく、これらの具体的な形態および好ましい形態については、上述した正極活物質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 100% by mass, and more preferably in the range of 50 to 90% by mass. If the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is in particulate form, the negative electrode active material layer may further contain a solid electrolyte, a conductive additive (including a coated conductive additive), and/or a binder. Specific and preferred forms of these may be similar to those described above in the section on the positive electrode active material layer.
負極活物質層の厚さ(リチウム析出型の二次電池においては、完全充電時の厚さ)は、目的とする積層型電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer (in the case of lithium deposition-type secondary batteries, the thickness when fully charged) varies depending on the configuration of the intended stacked battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[正極集電板および負極集電板]
集電板を構成する材料は、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、正極集電板と負極集電板とでは、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 plate 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 the constituent material of the current collector plate. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate 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、集電体と集電板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]
The current collector and the current collecting plate may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. Materials used in known lithium secondary batteries may be used as the constituent materials of the positive electrode and negative electrode lead. It is preferable that the portion removed from the outer casing be covered with a heat-resistant, insulating heat-shrinkable tube or the like to prevent contact with peripheral devices or wiring, resulting in electrical leakage and affecting the product (e.g., automotive 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、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 that can cover the power generating element 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 can easily adjust 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 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.
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、以下において、グローブボックス内で用いた器具及び装置等は、事前に十分に乾燥処理を行った。 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. Furthermore, all instruments and devices used in the glove box below were thoroughly dried beforehand.
<試験用セルの作製例>
[比較例1]
(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、0.1gの硫黄(Aldrich社製)と、0.08gの硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)と、0.02gの導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)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、粉末状の正極材料を得た。
<Example of test cell fabrication>
[Comparative Example 1]
(Preparation of positive electrode material)
In a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −68° C. or lower, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.1 g of sulfur (manufactured by Aldrich), 0.08 g of sulfide solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li 6 PS 5 Cl), and 0.02 g of conductive additive (manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd., Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle diameter 34.0 nm) were placed in a 45 mL zirconia container and processed at 370 rpm for 6 hours in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, Premium line P-7) to obtain a powdered positive electrode material.
(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。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。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正極材料7.5mgを入れ、再び上側から円筒凸型パンチ(正極集電体を兼ねる)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、下側の円筒凸型パンチ(負極集電体を兼ねる)を抜き取り、負極として直径8mmに打ち抜いたリチウム箔(ニラコ社製、厚さ0.20mm)と直径9mmに打ち抜いたインジウム箔(ニラコ社製、厚さ0.30mm)を重ねて、インジウム箔が固体電解質層の側に位置するように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。以上のようにして、負極集電体(パンチ)、リチウム-インジウム負極、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体(パンチ)がこの順に積層された本比較例の試験用セル(全固体リチウム二次電池)を作製した。
(Production of test cells (all-solid-state lithium secondary batteries))
The battery was fabricated in a glove box with an argon atmosphere at a dew point of -68 ° C. or less. A SUS cylindrical convex punch (10 mm diameter) was inserted into one side of a Macor cylindrical tube jig (tube inner diameter 10 mm, outer diameter 23 mm, height 20 mm), and 80 mg of sulfide solid electrolyte (Ampcera, Li 6 PS 5 Cl) was placed from the top of the cylindrical tube jig. Then, another SUS cylindrical convex punch was inserted to sandwich the solid electrolyte, and a solid electrolyte layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.6 mm was formed in the cylindrical tube jig by pressing it at a pressure of 75 MPa for 3 minutes using a hydraulic press. Next, the cylindrical convex punch inserted from above was removed, and 7.5 mg of the prepared positive electrode material was placed on one side of the solid electrolyte layer in the cylindrical tube. A cylindrical convex punch (also serving as a positive electrode current collector) was inserted again from above and pressed at a pressure of 300 MPa for 3 minutes to form 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 lower cylindrical convex punch (also serving as a negative electrode current collector) was removed, and a lithium foil (manufactured by Nilaco Corporation, thickness 0.20 mm) punched to a diameter of 8 mm and an indium foil (manufactured by Nilaco Corporation, thickness 0.30 mm) punched to a diameter of 9 mm were stacked as negative electrodes. The cylindrical tube was inserted from the bottom of the jig so that the indium foil was positioned on the solid electrolyte layer side. The cylindrical convex punch was then inserted again and restrained in a metal casing at a pressure equivalent to 100 MPa. In this manner, a test cell (all-solid-state lithium secondary battery) of this comparative example was produced, in which the negative electrode current collector (punch), lithium-indium negative electrode, solid electrolyte layer, positive electrode active material layer, and positive electrode current collector (punch) were laminated in this order.
[比較例2]
(被覆導電助剤の調製)
ヨウ化リチウムをエタノールに20mg/mLの濃度となるように溶解した。この溶液10mLに導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)1.00gを加えて撹拌し、エタノールを減圧下で留去することで、ヨウ化リチウムからなる被覆層を有する被覆導電助剤を得た。
[Comparative Example 2]
(Preparation of coated conductive assistant)
Lithium iodide was dissolved in ethanol to a concentration of 20 mg/mL, and 1.00 g of a conductive additive (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle size 34.0 nm, manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) was added to 10 mL of this solution and stirred, and the ethanol was distilled off under reduced pressure to obtain a coated conductive additive having a coating layer made of lithium iodide.
上記(正極材料の調製)において、ヨウ化リチウムによる被覆を行っていない導電助剤に代えて、上記被覆導電助剤0.02gを使用したこと以外は、比較例1と同様の手法で、本比較例の試験用セルを作製した。 The test cell for this comparative example was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that in the above (preparation of the positive electrode material), 0.02 g of the above-mentioned coated conductive additive was used instead of the conductive additive that was not coated with lithium iodide.
[実施例1]
上記(被覆導電助剤の調製)において、20mg/mLのヨウ化リチウム溶液15mLに導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)1.00gを加えて撹拌し、エタノールを減圧下で留去することで、ヨウ化リチウムからなる被覆層を有する被覆導電助剤を得た。
[Example 1]
In the above (Preparation of coated conductive additive), 1.00 g of a conductive additive (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle size 34.0 nm, manufactured by Lion Specialty Chemicals Corporation) was added to 15 mL of a 20 mg/mL lithium iodide solution and stirred, and the ethanol was distilled off under reduced pressure to obtain a coated conductive additive having a coating layer made of lithium iodide.
上記(正極材料の調製)において、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、0.1gの硫黄(Aldrich社製)と、0.08gの硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)と、0.02gの被覆導電助剤とを、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、粉末状の正極材料を得た。 In the above (Preparation of Positive Electrode Material), 0.1 g of sulfur (manufactured by Aldrich), 0.08 g of sulfide solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li 6 PS 5 Cl), and 0.02 g of coating conductive additive were treated in a planetary ball mill at 370 rpm for 6 hours in an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or less, to obtain a powdered positive electrode material.
これ以外は、比較例2と同様の手法で、本実施例の試験用セルを作製した。 Other than this, the test cell for this example was prepared using the same method as in Comparative Example 2.
[実施例2]
上記(被覆導電助剤の調製)において、20mg/mLのヨウ化リチウム溶液20mLに導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)1.00gを加えて撹拌し、エタノールを減圧下で留去することで、ヨウ化リチウムからなる被覆層を有する被覆導電助剤を得た。
[Example 2]
In the above (Preparation of coated conductive additive), 1.00 g of a conductive additive (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle size 34.0 nm, manufactured by Lion Specialty Chemicals Corporation) was added to 20 mL of a 20 mg/mL lithium iodide solution and stirred, and the ethanol was distilled off under reduced pressure to obtain a coated conductive additive having a coating layer made of lithium iodide.
上記(正極材料の調製)において、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、0.1gの硫黄(Aldrich社製)と、0.08gの硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)と、0.02gの被覆導電助剤とを、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、粉末状の正極材料を得た。 In the above (Preparation of Positive Electrode Material), 0.1 g of sulfur (manufactured by Aldrich), 0.08 g of sulfide solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li 6 PS 5 Cl), and 0.02 g of coating conductive additive were treated in a planetary ball mill at 370 rpm for 6 hours in an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or less, to obtain a powdered positive electrode material.
これ以外は、比較例2と同様の手法で、本実施例の試験用セルを作製した。 Other than this, the test cell for this example was prepared using the same method as in Comparative Example 2.
[実施例3]
上記(被覆導電助剤の調製)において、20mg/mLのヨウ化リチウム溶液30mLに導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)1.00gを加えて撹拌し、エタノールを減圧下で留去することで、ヨウ化リチウムからなる被覆層を有する被覆導電助剤を得た。
[Example 3]
In the above (Preparation of coated conductive additive), 1.00 g of a conductive additive (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle size 34.0 nm, manufactured by Lion Specialty Chemicals Corporation) was added to 30 mL of a 20 mg/mL lithium iodide solution and stirred, and the ethanol was distilled off under reduced pressure to obtain a coated conductive additive having a coating layer made of lithium iodide.
上記(正極材料の調製)において、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、0.1gの硫黄(Aldrich社製)と、0.08の硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)と、0.02gの被覆導電助剤とを、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、粉末状の正極材料を得た。 In the above (Preparation of Positive Electrode Material), 0.1 g of sulfur (manufactured by Aldrich), 0.08 g of sulfide solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li 6 PS 5 Cl), and 0.02 g of coated conductive additive were treated in a planetary ball mill at 370 rpm for 6 hours in an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or less, to obtain a powdered positive electrode material.
これ以外は、比較例2と同様の手法で、本実施例の試験用セルを作製した。 Other than this, the test cell for this example was prepared using the same method as in Comparative Example 2.
[比較例3]
上記(被覆導電助剤の調製)において、20mg/mLのヨウ化リチウム溶液40mLに導電助剤(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD、一次粒子径34.0nm)1.00gを加えて撹拌し、エタノールを減圧下で留去することで、ヨウ化リチウムからなる被覆層を有する被覆導電助剤を得た。
[Comparative Example 3]
In the above (Preparation of coated conductive additive), 1.00 g of a conductive additive (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD, primary particle size 34.0 nm, manufactured by Lion Specialty Chemicals Corporation) was added to 40 mL of a 20 mg/mL lithium iodide solution and stirred, and the ethanol was distilled off under reduced pressure to obtain a coated conductive additive having a coating layer made of lithium iodide.
上記(正極材料の調製)において、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、0.1gの硫黄(Aldrich社製)と、0.08gの硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)と、0.02gの被覆導電助剤とを、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、粉末状の正極材料を得た。 In the above (Preparation of Positive Electrode Material), 0.1 g of sulfur (manufactured by Aldrich), 0.08 g of sulfide solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li 6 PS 5 Cl), and 0.02 g of coating conductive additive were treated in a planetary ball mill at 370 rpm for 6 hours in an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or less, to obtain a powdered positive electrode material.
これ以外は、比較例2と同様の手法で、本比較例の試験用セルを作製した。 Other than this, the test cell for this comparative example was prepared using the same method as in Comparative Example 2.
<被覆導電助剤の被覆層の観察>
上記で作製した試験用セルについて、収束イオンビーム加工装置(FEI社製 Nova200 NanoLab)で正極活物質層を薄片化し、TEM-DEX(JEOL社製 JEM-F200)によりその断面観察及び組成分析を実施した。数視野の粒子の断面画像から、導電助剤の表面を覆っている被覆層の厚さを求めた。EDXでIが検出された部位を被覆層により被覆されている部位とした。そして、被覆層について異なる20点の厚さを測定し、それらの算術平均値を算出することで被覆層の厚さを求めた。結果を下記表1に示す。
<Observation of the coating layer of the conductive additive coating>
For the test cell prepared above, the positive electrode active material layer was thinned using a focused ion beam processing device (FEI Nova200 NanoLab), and its cross-section was observed and its composition was analyzed using TEM-DEX (JEOL JEM-F200). The thickness of the coating layer covering the surface of the conductive additive was determined from cross-sectional images of the particles in several fields of view. The area where I was detected by EDX was determined as the area covered by the coating layer. The thickness of the coating layer was then measured at 20 different points, and the arithmetic average value was calculated to determine the thickness of the coating layer. The results are shown in Table 1 below.
<直流抵抗値(DCR)の測定>
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値(DCR)を測定した。測定には、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。
<Measurement of DC Resistance (DCR)>
The direct current resistance (DCR) of the test cells prepared in each of the above examples and comparative examples was measured using a charge-discharge tester (HJ-SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation) in a constant temperature bath set at 25°C.
先ず、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。上記の充放電サイクルを5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)を算出た。結果を下記の表1に示す。なお、表1に示す直流抵抗値(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。比較例3は、高抵抗であるため直流抵抗値(DCR)の測定が不可能であった。 First, a 3.1 V constant current constant voltage (CCCV) charge was performed at a current density of 0.1 mA/ cm² with a current cutoff of 0.05 mA/ cm² . Then, the battery was discharged at a rate of 0.03 C according to the battery design. The voltage range was 1.1 to 2.5 V, the current rate during charge and discharge was 0.05 C, and the cutoff current during charge was 0.01 C. The capacity value (mAh/g) per mass of the positive electrode active material was calculated from the charge/discharge capacity value obtained after five cycles of the above charge/discharge cycle 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/ cm² to 50% capacity (SOC50%) of the capacity value calculated in this way (100%). After a 30-minute rest, the battery was discharged for 10 seconds at a discharge rate of 1 C, and the direct current resistance (DCR) was calculated from the voltage drop and current value at that time according to Ohm's law. The results are shown in Table 1 below. The direct current resistance (DCR) shown in Table 1 is a relative value when the value for Comparative Example 1 is set to 100. For Comparative Example 3, measurement of the direct current resistance (DCR) was impossible due to the high resistance.
表1に示す結果から、本発明によると、全固体電池の抵抗増加を抑制できることがわかる。 The results shown in Table 1 show that the present invention can suppress the increase in resistance of all-solid-state batteries.
特に、被覆層の厚さが180nm以上300nm以下の範囲内である実施例1および2は、よりいっそう抵抗を低く維持できることが示された。 In particular, Examples 1 and 2, in which the coating layer thickness was in the range of 180 nm or more and 300 nm or less, were shown to be able to maintain even lower resistance.
10a、100 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 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、
200 金属板、
300 ボルト、
400 ナット。
10a, 100 stacked battery,
11′ negative electrode current collector,
11” positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 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,
200 metal plate,
300 volts,
400 nuts.
Claims (2)
負極と、
前記正極および前記負極の間に介在し、固体電解質を含有する固体電解質層と、
を有する発電要素ならびに前記発電要素を積層方向に拘束する拘束部材を備えた、全固体電池。 a positive electrode including a conductive additive, at least a portion of the surface of which is coated with a coating layer containing lithium iodide , the coating layer having a thickness of 193 nm or more and 388 nm or less , a positive electrode active material layer containing sulfur, and a sulfide solid electrolyte, and the positive electrode active material layer is disposed on the surface of a positive electrode current collector;
a negative electrode;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a solid electrolyte;
and a restraining member that restrains the power generating element in a stacking direction.
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