JP5519356B2 - Lithium ion secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池及びその製造方法に係る。より詳細には、小型で大きな放電容量を有し、かつ製造が容易な全固体型のリチウムイオン二次電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to an all-solid-state lithium ion secondary battery that is small and has a large discharge capacity and that is easy to manufacture and a method for manufacturing the same.
近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれている。これらの要望に応じるために、複数の正極層と負極層が固体電解質層を介して積層された多層型のリチウムイオン二次電池が提案された。多層型のリチウムイオン二次電池は、厚さ数十μmの電池セルを積層して組み立てられるため、電池の小型軽量化、薄型化を容易に実現できる。特に、並列型又は直並列型の積層電池は、小さなセル面積でも大きな放電容量を達成できる点で優れている。また、電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体型リチウムイオン二次電池は、液漏れ、液の枯渇の心配がなく、信頼性が高い。更に、リチウムを用いる電池であるため、高い電圧、高いエネルギー密度を得ることができる。 In recent years, the development of electronic technology has been remarkable, and portable electronic devices have been made smaller, lighter, thinner, and multifunctional. Accordingly, it is strongly desired to reduce the size, weight, thickness, and improve the reliability of batteries that serve as power sources for electronic devices. In order to meet these demands, a multilayer lithium ion secondary battery in which a plurality of positive electrode layers and negative electrode layers are laminated via a solid electrolyte layer has been proposed. A multilayer lithium ion secondary battery is assembled by stacking battery cells having a thickness of several tens of μm. Therefore, the battery can be easily reduced in size and weight and reduced in thickness. In particular, parallel or series-parallel stacked batteries are excellent in that a large discharge capacity can be achieved even with a small cell area. In addition, an all-solid-state lithium ion secondary battery using a solid electrolyte instead of the electrolytic solution has high reliability without fear of liquid leakage or liquid depletion. Furthermore, since the battery uses lithium, a high voltage and a high energy density can be obtained.
多層全固体型のリチウムイオン二次電池に関しては、特許文献1により、負極層、集電体層、負極層、電解質層、正極層、集電体層、正極層を順に積層した電池が提案されている。図7は、特許文献1に記載された従来のリチウムイオン二次電池の断面図である。電池101において、集電体層105を挟んだ正極層103と、集電体層106を挟んだ負極層104が、電解質層102を介して、積層されている。図7に示す電池は、電池の出力端子である正極端子107、負極端子108が、積層体の側面に配置されて、それぞれ複数の正極層103、複数の負極層104と接触する並列型の電池である。特許文献1に記載された電池は、正極層及び負極層の材料が活物質からなるものである。正極層の材料として、金属酸化物又は金属硫化物からなる活物質、負極層の材料として、金属リチウム又はリチウム合金からなる活物質が、好適な材料として記載されている。
Regarding a multilayer all solid-state type lithium ion secondary battery,
図7に示すように、並列多層型の電池は、電極端子から電極層(正極層、負極層)端部までの距離が長い。また、リチウムイオン電池に用いる活物質材料の中で、酸化物系材料は、合金系材料に比べ、リチウムイオンの移動に伴う体積変化が小さく、電極の微粉化、剥離が起きにくい利点を持つが、導電率が小さいという欠点がある。電極層における電気抵抗が高くなると、電池の内部インピーダンスが高くなり、放電負荷特性が劣化し、放電容量が低下するという問題がある。そこで、特許文献1では、導電率の大きい集電体層を導電率の小さい電極層に重ねて積層することにより、電極におけるインピーダンスを低減する構造としている。
As shown in FIG. 7, the parallel multilayer battery has a long distance from the electrode terminal to the end of the electrode layer (positive electrode layer, negative electrode layer). Among the active material materials used in lithium ion batteries, oxide materials have the advantage that the volume change accompanying the movement of lithium ions is small compared to alloy materials, and the electrode is less likely to be pulverized and peeled off. There is a disadvantage that the conductivity is small. When the electrical resistance in the electrode layer increases, there is a problem that the internal impedance of the battery increases, the discharge load characteristics deteriorate, and the discharge capacity decreases. Therefore, in
また、図7に示す構造では、電極面積増加を目的として、正極端子107表面も正極活物質層103で連続して被覆している(特許文献段落番号(0018))。
In the structure shown in FIG. 7, the surface of the
しかし、このような構造の電池を製造するには、正極と負極の各電極を形成するのに、電極層、集電体層、電極層のそれぞれの塗布乾燥工程が必要である。さらに電極層と集電体層のアライメント工程も必要になる。そのため、特に積層数が多い場合には、工程が複雑で、製造コストが高くなるという問題があった。また、塗布乾燥工程が多くなるため、電極層、集電体層の形成工程で用いる溶剤により、下地となる電解質層シートの強度低下、損傷が発生し(シートアタック)、電池の製造歩留まりが低下するという問題があった。 However, in order to manufacture a battery having such a structure, each of the electrode layer, the current collector layer, and the electrode layer needs to be applied and dried in order to form the positive electrode and the negative electrode. Furthermore, an alignment process between the electrode layer and the current collector layer is also required. Therefore, particularly when the number of stacked layers is large, there is a problem that the process is complicated and the manufacturing cost increases. In addition, since the coating and drying process is increased, the solvent used in the electrode layer and current collector layer forming process reduces the strength and damage of the underlying electrolyte layer sheet (sheet attack), and decreases the manufacturing yield of the battery. There was a problem to do.
また、図7に示す構造の電池を作製するためには図8に示すような複雑な工程を経なければならない。すなわち、まず、シート状支持体12上に無機固体電解質用ペースト、正極・負極活物質用ペーストを用い、無機固体電解質領域31とその両端に正極活物質領域44及び負極活物質領域6 4を具備する複合電極活物質シートを作製する必要がある。すなわち、電解質シートを作製するために、一つの平面上に異なる三種の領域を形成しなければならない。
Further, in order to manufacture the battery having the structure shown in FIG. 7, a complicated process as shown in FIG. 8 must be performed. That is, first, the inorganic solid electrolyte paste and the positive electrode / negative electrode active material paste are used on the sheet-
さらに、次に前記複合電極活物質シートの正極活物質領域44および無機固体電解質領域31上にまたがるように第1正極活物質領域41を部分的に形成し、また、無機固体電解質領域31上に隙間埋め用無機固体電解質領域32を、負極活物質領域64上に同じく負極活物質領域65を形成する必要がある。すなわち、正極シートを作製するために、やはり、一つの平面上に、3種の異なる領域を形成しなければならない。負極シートの作製についても同様である。
Further, the first positive electrode active material region 41 is partially formed so as to straddle the positive electrode
のみならず、図7に示す構造の電池においては、長期サイクル後における容量保持率が低下することが判明した。本発明者は、その原因を鋭意探求したところ、その原因は、集電体と固体電解質層(あるいは電解質層)との界面にあることを知見した。なお、この知見は本発明者が初めて得た知見である。 Not only that, the battery having the structure shown in FIG. 7 was found to have a reduced capacity retention after a long-term cycle. The inventor has eagerly searched for the cause, and has found that the cause is the interface between the current collector and the solid electrolyte layer (or electrolyte layer). This finding is a finding obtained for the first time by the present inventors.
なお、特許文献1では、端部電極の具体的な接続については、『<正極・負極端子接続工程>得られた電池要素の正極集電体5、負極集電体7にそれぞれ接続する外部電極8、9を取り付けた』とのみ記載されているにすぎず、外部電極8と正極集電体5、負極集電体7との具体的接続関係は開示されていない。
In addition, in
界面を劣化させる基本的原因をさらに追求したところ、充放電時の膨張・収縮による内部応力の発生に起因する疲労にあるのではないかと着想を得た。そこで、引張試験を行ったところ容量保持率の低下が大きい場合には引張強度も低いことを確認した。 After further pursuing the basic cause of interface degradation, I was inspired by the fatigue caused by the generation of internal stress due to expansion and contraction during charging and discharging. Therefore, when a tensile test was performed, it was confirmed that the tensile strength was low when the decrease in capacity retention was large.
そこで、その内部応力の発生しない界面構造を鋭意探求し、端部電極として、導電性物質からなる導電性マトリックスが活物質を担持した構造を試みたところ、引張強度が改善される場合があることを見出した。ただ、改善されない場合もあり、その理由をさらに探求したところ、両者の面積比が影響することも見出した。その面積比について多大な実験を行うことにより、引張強度が確実に改善され、また、多数サイクル後の容量維持率の低下が少ない電池を得ることが可能となった。 Therefore, when the interfacial structure where the internal stress does not occur was eagerly searched and a structure in which a conductive matrix made of a conductive material carried an active material as an end electrode was tried, the tensile strength might be improved. I found. However, there were cases where it was not improved, and when the reason was further explored, it was found that the area ratio of the two affected. By conducting extensive experiments on the area ratio, it became possible to obtain a battery in which the tensile strength was reliably improved and the capacity retention rate after a large number of cycles was little reduced.
なお、特許文献2では、正極層、負極層について導電性マトリックスが活物質を担持した構造としている。しかし、その対象は、正極層、負極層であり、端部電極ではなく、また、特許文献2では単に正極層、負極層のインピーダンスの低減を目的とするものであり、端部電極と、電池本体部との界面状態の改良を目的とするものではない。
In
本発明によれば、簡便な製法で製造でき、端部電極と電池本体部との界面状態を良好とし、出力電流が大きく電池特性に優れた固体電解質電池を提供することを目的とする。 According to the present invention, it is an object to provide a solid electrolyte battery that can be manufactured by a simple manufacturing method, has a good interface state between an end electrode and a battery body, has a large output current, and has excellent battery characteristics.
請求項1に係る発明は、正極層と負極層が固体電解質層を介して交互に積層した積層体からなる電極本体に正極端部電極と負極端部電極を設けてなる全固体型リチウムイオン二次電池であって、前記正極層と接続される前記正極端部電極及び/又は前記負極層と接続される前記負極端部電極は、導電性物質からなる導電性マトリックスが活物質を担持した構造を有し、前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極の断面における前記導電性物質の領域の面積(Sd)と前記活物質の領域の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲にあることを特徴とする全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項2に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質と同一又は合金を形成する材料であり、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の活物質は、正極層(又は負極層)の正極活物質(又は負極活物質)と同一である請求項1記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項3に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は、金属又は合金であり、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質は金属又は合金である請求項2記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項4に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は酸化物であり、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質は導電性酸化物である請求項2記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項5に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記金属又は合金と、前記正極層(又は負極層)中の金属又は合金は異なっており、両者は固溶体型の合金を形成する請求項4記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項6に係る発明は、前記正極層は正極集電体層と正極活物質層とからなり、前記負極層は負極集電体層と負極活物質層とからなる請求項1ないし5のいずれか1項記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項7に係る発明は、前記正極層(又は負極層)は、導電性物質からなる導電性マトリックスが正極活物質(又は負極活物質)を担持した構造を有する請求項1ないし5のいずれか1項記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項8に係る発明は、前記正極端部電極及び/又は負極端部電極は、未焼成の前記積層体に塗布した導電性物質と正極活物質との混合物ペーストを焼成して形成したものであることを特徴とする請求項1記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項9に係る発明は、前記正極端部電極及び/又は負極端部電極は、焼成後の前記積層体に塗布した導電性物質と正極活物質との混合物ペーストを焼成して形成したものであることを特徴とする請求項1記載の全固体型リチウムイオン二次電池。
請求項10に係る発明は、前記活物質が、遷移金属酸化物、又は、遷移金属複合酸化物からなる化合物であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
請求項11に係る発明は、前記活物質が、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウムチタン複合酸化物、二酸化マンガン、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タングステンよりなる群から選択した1種の化合物、又は、2種以上の化合物であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
請求項12に係る発明は、前記導電性物質が、銀、パラジウム、金、白金、アルミニウム、銅、ニッケルよりなる群から選択した金属、又は、銀、パラジウム、金、白金、アルミニウム、銅、ニッケル、錫よりなる群から選択した2種以上の金属からなる合金であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
請求項13に係る発明は、前記正極端部電極を構成する前記活物質がリチウムマンガン複合酸化物であり、前記負極端部電極を構成する前記活物質がリチウムチタン複合酸化物であり、前記導電性物質が銀パラジウムであることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
請求項14に係る発明は、前記正極端部電極及び、前記負極端部電極の導電率が、1×101S/cm以上であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
請求項15に係る発明は、固体電解質層を形成するための固体電解質ペースト層を形成した固体電解質シートを作製する工程と、 前記固体電解質ペースト層の上に正極層を形成するための正極ペースト層を形成して正極シートを作製する工程と、前記固体電解質ペースト層の上に負極層を形成するための負極ペースト層を形成して負極シートを作製する工程と、複数の前記正極シートと複数の前記負極シートとを交互に積層して積層体を作製する工程と、複数の前記正極層を互いに導通させるための正極端部電極を前記積層体の側面に形成する工程と、複数の前記負極層を互いに導通させるための負極端部電極を前記積層体の他の側面に形成する工程と、を有し、前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極を、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造を有し、前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極の断面における前記導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲となるようにすることを特徴とする全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項16に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質と同一又は合金を形成する材料であり、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の活物質は、正極層(又は負極層)の正極活物質(又は負極活物質)と同一である請求項15記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項17に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は、金属又は合金であり、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質は金属又は合金である請求項16記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項18に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記導電性物質は酸化物であり、前記正極層(又は負極層)中の導電性物質は導電性酸化物である請求項16記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項19に係る発明は、前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の前記金属又は合金と、前記正極層(又は負極層)中の金属又は合金は異なっており、両者は固溶体型の合金を形成する請求項18記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項20に係る発明は、前記正極層は正極集電体層と正極活物質層とからなり、前記負極層は負極集電体層と負極活物質層とからなる請求項15乃至19のいずれか1項記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項21に係る発明は、前記正極層(又は負極層)は、導電性物質からなる導電性マトリックスが正極活物質(又は負極活物質)を担持した構造を有する請求項15乃至20のいずれか1項記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項22に係る発明は、前記正極端部電極及び負極端部電極は、前記積層体に正極端部電極を形成するための正極端部電極ペースト層及び負極端部電極を形成するための負極端部電極ペースト層を前記積層体のそれぞれの側面に形成後、焼成することにより形成することを特徴とする請求項15記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項23に係る発明は、前記正極端部電極ペースト層と前記負極端部電極ペースト層を未焼成の積層体に形成し、前記正極端部電極ペースト層、前記負極端部電極ペースト層及び未焼成の積層体とを一括して焼成することを特徴とする請求項22記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項24に係る発明は、前記正極端部電極ペースト層と前記負極端部電極ペースト層を焼成後の積層体に形成し、前記正極端部電極ペースト層、前記負極端部電極ペースト層及び前記焼成後の積層体とを一括して焼成することを特徴とする請求項22記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項25に係る発明は、焼成は600℃〜1100℃の焼成温度で行うことを特徴とする請求項22又は23記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
請求項26に係る発明は、積層体のみを焼成し、焼成後の積層体に、複数の前記正極層を互いに導通させるための正極端部電極となる正極端部電極ペーストを塗布、乾燥し、複数の前記負極層を互いに導通させるための負極端部電極となる負極端部電極となる負極端部電極ペーストを塗布、乾燥し、次いで、第2回目の焼成を行うことを特徴とする請求項22又は23記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。
The invention according to
The invention according to
Invention, wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrodes) is a metal or alloy, a conductive material is metal in the positive electrode layer (or negative electrode layer) according to claim 3 The all-solid-state lithium ion secondary battery according to
The invention according to
The invention according to claim 5, wherein said metal or alloy in the positive end electrode (or the negative end electrodes), the positive electrode layer (or negative electrode layer) metal or alloy in are different, both solid solutions The all-solid-state lithium ion secondary battery according to
The invention according to
The invention according to
According to an eighth aspect of the present invention, the positive electrode end electrode and / or the negative electrode end electrode are formed by baking a paste of a conductive material and a positive electrode active material applied to the unfired laminate. The all-solid-state lithium ion secondary battery according to
In the invention according to
The invention according to
The invention according to claim 11 is characterized in that the active material is lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium vanadium composite oxide, lithium titanium composite oxide, manganese dioxide, titanium oxide, oxidation The lithium ion secondary battery according to any one of
The invention according to
According to a thirteenth aspect of the invention, the active material constituting the positive electrode end electrode is a lithium manganese composite oxide, the active material constituting the negative electrode end electrode is a lithium titanium composite oxide, and the conductive The lithium ion secondary battery according to
The invention according to claim 14 is characterized in that the conductivity of the positive electrode end electrode and the negative electrode end electrode is 1 × 10 1 S / cm or more. The lithium ion secondary battery as described.
The invention according to claim 15 includes a step of producing a solid electrolyte sheet in which a solid electrolyte paste layer for forming a solid electrolyte layer is formed, and a positive electrode paste layer for forming a positive electrode layer on the solid electrolyte paste layer Forming a negative electrode sheet by forming a negative electrode paste layer for forming a negative electrode layer on the solid electrolyte paste layer, a plurality of the positive electrode sheets and a plurality of positive electrode sheets the negative electrode sheet and the step of fabricating a laminate by alternately laminating and forming a positive end electrode for each other electrically through a plurality of the positive electrode layer on the side surfaces of the laminate, a plurality of the negative electrode Forming a negative electrode end electrode for electrically connecting the layers to each other side surface of the laminate, and the positive electrode end electrode and / or the negative electrode end electrode is made of a conductive material. sex An active material is supported on a matrix, and the area of the conductive material (S d ) and the area of the active material (S k ) in the cross section of the positive electrode end electrode and / or the negative electrode end electrode The ratio (S d / S k ) is in the range of 90:10 to 40:60. A method for producing an all-solid-state lithium ion secondary battery,
The invention according to claim 16, wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrode) to form the positive electrode layer (or negative electrode layer) conductive material and the same or an alloy in the material The all-solid-state type according to claim 15, wherein the active material in the positive electrode end electrode (or negative electrode end electrode) is the same as the positive electrode active material (or negative electrode active material) of the positive electrode layer (or negative electrode layer). A method for producing a lithium ion secondary battery.
Invention, wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrodes) is a metal or alloy, a conductive material is metal in the positive electrode layer (or negative electrode layer) according to claim 17 17. The method for producing an all solid state lithium ion secondary battery according to claim 16, wherein the method is an alloy.
The invention according to claim 18, wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrode) is an oxide, a conductive material in the positive electrode layer (or negative electrode layer) is conductive oxide The method for producing an all solid state lithium ion secondary battery according to claim 16, wherein the method is a product.
The invention according to claim 19, wherein said metal or alloy in the positive end electrode (or the negative end electrodes), the positive electrode layer (or negative electrode layer) metal or alloy in are different, both solid solutions The manufacturing method of the all-solid-state type lithium ion secondary battery of Claim 18 which forms a type alloy.
The invention according to claim 20 is characterized in that the positive electrode layer comprises a positive electrode current collector layer and a positive electrode active material layer, and the negative electrode layer comprises a negative electrode current collector layer and a negative electrode active material layer. A method for producing an all-solid-state lithium ion secondary battery according to
The invention according to
The invention according to
According to a twenty-third aspect of the present invention, the positive electrode end electrode paste layer and the negative electrode end electrode paste layer are formed in an unfired laminate, and the positive electrode end electrode paste layer, the negative electrode end electrode paste layer, 23. The method for producing an all solid state lithium ion secondary battery according to
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, the positive electrode end electrode paste layer and the negative electrode end electrode paste layer are formed in a fired laminate, and the positive electrode end electrode paste layer, the negative electrode end electrode paste layer, and the 23. The method for producing an all solid state lithium ion secondary battery according to
The invention according to claim 25 is the method for producing an all solid state lithium ion secondary battery according to claim 22 or 23, wherein the firing is performed at a firing temperature of 600 ° C to 1100 ° C.
According to Claim 26 invention, by firing the only laminate, the laminate after firing, a plurality of the the positive end electrode for a positive electrode layer electrically communicate with each other positive end electrode paste coating, dried Applying a negative electrode end electrode paste serving as a negative electrode end electrode serving as a negative electrode end electrode for electrically connecting the plurality of negative electrode layers to each other, drying, and then performing a second firing.
本発明によれば、簡便な製法で製造でき、端部電極と電池本体部との界面状態を良好とし、出力電流が大きく電池特性に優れた固体電解質電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte battery that can be manufactured by a simple manufacturing method, has an excellent interface state between the end electrode and the battery body, has a large output current, and has excellent battery characteristics.
本発明を実施するための形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池及びその製造方法につき図面に基づき説明する。
A:電池の構造
本発明を実施するための形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池は、正極層1と負極層2が固体電解質層3を介して交互に積層した積層体21に正極端部電極8と負極端部電極9を設けてなる全固体型リチウムイオン二次電池であって、
正極層1と接続される正極端部電極8と負極層2と接続される負極端部電極9は、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造を有し、正極端部電極8、負極端部電極9の断面における導電性物質領域の面積(Sd)と活物質領域の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲にある。
An all-solid-state lithium ion secondary battery and a manufacturing method thereof according to an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
A: Structure of Battery An all solid-state lithium ion secondary battery according to an embodiment for carrying out the present invention has a positive electrode end on a laminate 21 in which
The positive
以下より詳細に説明する。
A−1構造(第一の形態)
図1に、本発明を実施するための一形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池10の基本構造を示す。
This will be described in more detail below.
A-1 structure (first form)
FIG. 1 shows a basic structure of an all solid-state lithium ion
この電池10は、電池本体部21と端部電極8,9とから構成される。
The
電池本体部21は複数の層を積層した積層体である。積層体である電池本体部21は、複数の正極層1と複数の負極層2が固体電解質層3を介して交互に積層した積層体により構成される。
The
図1に示す形態例では、正極層1は、正極集電体層5を2つの正極活物質層4で挟んで構成している。負極層2は、負極集電体層7を2つの負極活物質層6で挟んで構成している。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
すなわち、電池本体部21は、正極層1、負極層2、固体電解質層3を具備する。正極層1と負極層2とが無機固体電解質層3を介して対向するように互いに間隔を持ちつつかみ合っており、その間に無機固体電解質3が充填されている。
That is, the
各々の正極層1の端面に接続して複数の正極層1を互いに導通させ、外部に電流を取り出す正極端部電極8と、各々の負極層2の端面に接続して複数の負極層2を互いに導通させ、外部に電流を取り出す負極端部電極9を設けてある。
Connected to the end face of each
正極層1と接続される正極端部電極8、負極層2と接続される負極端部電極9は、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造であり、正極端部電極8及、負極端部電極9の断面における前記導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲にある。
The positive
なお、ここで、「導電性マトリックス」、とは、導電性物質粒子が三次元的に連続して互いに接触した構造体を意味するものとする。導電性物質が金属の場合は、「金属マトリックス」という用語を用いる場合もある。また、「導電性マトリックスに活物質が担持された構造」とは、三次元的に連続して互いに接触した導電性物質粒子の間に活物質粒子が分布した構造体を意味するものとする。活物質粒子は、連続に分布していても、不連続に分布していてもかまわないが、端部電極内で均一に分布していることが好ましい。また、「三次元的に連続」とは二次元の断面において一部不連続な部分があっても、少なくとも他の断面において連続である面があれば三次元的に連続であるとする。 Here, the “conductive matrix” means a structure in which conductive material particles are in contact with each other three-dimensionally. When the conductive material is a metal, the term “metal matrix” may be used. In addition, “a structure in which an active material is supported on a conductive matrix” means a structure in which active material particles are distributed between conductive material particles that are in contact with each other three-dimensionally. The active material particles may be distributed continuously or discontinuously, but are preferably distributed uniformly in the end electrodes. Further, “three-dimensionally continuous” means that even if there is a discontinuous part in a two-dimensional cross section, it is continuous in three dimensions if there is a surface that is continuous in at least another cross section.
なお、端部電極の材料として、活物質、導電性物質以外に微量の添加物を加える場合であっても、添加物の添加によって活物質や導電性物質の量が大きく減少する程度の量でなければ、ペーストの材料となる導電性物質と活物質との混合比を体積比で90:10〜40:60の範囲にすることにより、端部電極の構造を活物質が担持された導電性マトリックスとすることができ、インピーダンスが低く、放電容量の大きい優れた電池を作製することができる。 Even when a small amount of additives other than the active material and the conductive material is added as the material for the end electrode, the amount of the active material and the conductive material is reduced so much as the addition of the additive. Otherwise, the volume ratio of the conductive material to the paste material and the active material is in the range of 90:10 to 40:60, so that the structure of the end electrode is conductive with the active material supported. An excellent battery having a low impedance and a large discharge capacity can be manufactured.
本実施形態の電池構造は特に小型電池に適しており、例えば正極活物質層4の厚さは500〜0.1μm、より好ましくは50〜1μm、正極集電体層5の厚さは500〜0.1μm、より好ましくは50〜1μm、無機固体電解質層3の厚さは500〜0.1μm、より好ましくは50〜1μm、負極活物質層6の厚さは500〜0.1μm、より好ましくは50〜1μm、負極集電体層7の厚さは500〜0.1μm、より好ましくは50〜1μm、の範囲が例示される。
A−2構造(第二の形態)
なお、図1に示す構造においては、図2に示すように、正極集電体層5の、正極端部電極8と接続する端面5aと反対側の端面5bを正極活物質で被覆した構造とした電池本体部21に本発明の端部電極の構成を適用してもよい。
The battery structure of this embodiment is particularly suitable for small batteries. For example, the thickness of the positive electrode
A-2 structure (second form)
In the structure shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, the
すなわち、正極層1は、互いに間隔を持って並列した複数の正極集電体層5、各々の正極集電体層5の端面に接続して複数の正極集電体層5を互いに導通させ外部に電流を取り出す正極端部電極8、正極集電体層5の、正極端部電極8が接続した面以外の端面と両面を被覆する正極活物質層4を具備する。
負極側も同様である。
負極層2は、互いに間隔を持って並列した複数の負極集電体層7、各々の負極集電体層7の端面に接続して複数の負極集電体層7を互いに導通させ外部に電流を取り出す負極端部電極9、負極集電体層7の、負極端部電極9が接続した面以外の端面と両面を被覆する負極活物質層6を具備する。
That is, the
The same applies to the negative electrode side.
The
この場合は、特許文献1に係る発明において達成される効果が達成される。すなわち、より大きな出力電流を得ることができるとともに、固体電解質層に亀裂が発生することを防止することができる。
In this case, the effect achieved in the invention according to
負極集電体層7についても同様である。
The same applies to the negative electrode
他の点はA−1構造の例と同様である。
A−3構造(第三の形態)
さらに、図3に示すように、正極層1を正極層導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造とすることが好ましい。この場合、導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲とすることが好ましい。この場合、正極層1は、端部電極8と同じ材料とすることがより好ましい。
Other points are the same as the example of the A-1 structure.
A-3 structure (third form)
Furthermore, as shown in FIG. 3, it is preferable that the
また、電極層を活物質と導電性物質を最適範囲の混合比で混合した材料で形成するのは、正極層と負極層の両方に適用してもよいし、いずれか一方の電極層にのみ適用してもよい。いずれか一方の電極層にのみ適用した場合であっても、工程の簡略化、製造コストの削減に効果がある。 In addition, the electrode layer may be formed of a material in which an active material and a conductive material are mixed in an optimal range of mixing ratio, and may be applied to both the positive electrode layer and the negative electrode layer, or only to one of the electrode layers. You may apply. Even when it is applied to only one of the electrode layers, it is effective in simplifying the process and reducing the manufacturing cost.
負極層2についても同様である。
他の点はA−1構造の例と同様である。
The same applies to the
Other points are the same as the example of the A-1 structure.
B:電池の製造方法
本発明の実施の形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法は、
固体電解質層3を形成するための固体電解質ペースト層3gを形成した固体電解質シート22を作製する工程と、
固体電解質ペースト層3gの上に正極層1を形成するための正極ペースト層1gを形成して正極シート23を作製する工程と、
固体電解質ペースト層3gの上に負極層2を形成するための負極ペースト層2gを形成して負極シート24を作製する工程と、
複数の前記正極シート23と複数の負極シート24とを交互に積層して積層体30を作製する工程と、
複数の前記正極層1を互いに導通させるための正極端部電極8を前記積層体30の側面に形成する工程と、
複数の前記負極層2を互いに導通させるための負極端部電極9を前記積層体の他の側面に形成する工程と、
を有し、
前記正極端部電極8及び/又は前記負極端部電極9を、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造を有し、前記正極端部電極8及び/又は前記負極端部電極9の断面における前記導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲となるようにする。
B: Manufacturing method of battery The manufacturing method of the all-solid-state type lithium ion secondary battery which concerns on embodiment of this invention,
Producing a
Forming a positive
Forming a negative
A step of alternately laminating a plurality of
Forming a positive
Forming a negative
Have
The positive
以下、より詳細に説明する。
B−1方法
図1に示す電池の製造方法例について図4に基づき説明する。
This will be described in more detail below.
B-1 Method An example of a method for manufacturing the battery shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)製のシート状の支持体12上に固体電解質ペーストを塗布、乾燥させ、固体電解質ペースト層3gを形成した固体電解質シート22を形成する(図4(a))。
For example, a solid electrolyte paste is applied on a sheet-
固体電解質シート22の固体電解質ペースト層3g上に、正極活物質ペースト、正極集電体ペースト、正極活物質ペーストを順次、乾燥させ、正極活物質ペースト層4g、正極集電体ペースト層5g、正極活物質ペースト層4gを形成し、固体電解質シートと一体となった正極シート23を作製する(図4(b))。
On the solid
この際、固体電解質ペースト層3g、正極活物質ペースト層4g、正極集電体ペースト層5g、正極活物質ペースト層4gの一方の端面(図面において左側の側面)は面一とする。
At this time, one end face (the left side face in the drawing) of the solid
また、他方の端面(図面において右側側面)については、正極層と固体電解質層との間で段差が生じるようにしておく。 The other end surface (the right side surface in the drawing) has a step between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer.
負極シート24についても同様に作製する(図4(c))。
The
正極シート23、負極シート24は複数個用意する。
A plurality of
複数の正極シート23及び複数の負極シート24からシート状の支持体12を除去する。シート状の支持体12を除去した複数の正極シート1gと複数の負極シート2gとを交互に積層して積層体30を形成する(図4(d))。
The sheet-
この積層体30は未焼成の積層体である。
This
複数の前記正極層1を互いに導通させるための正極端部電極8となる正極端部電極ペースト層を前記積層体30の側面に形成する。
A positive electrode end electrode paste layer to be a positive
負極端部電極9も同様に形成すればよい。
The negative
正極端部電極ペースト、負極端部電極ペーストは、導電性物質と活物質との混合物からなるペースト(活物質・導電性物質混合ペースト)である。焼結後における導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲となるようにするためには、始発材料である導電性物質と活物質との体積比を90:10〜40:60の範囲とすればよい。 The positive electrode end electrode paste and the negative electrode end electrode paste are pastes (active material / conductive material mixed paste) made of a mixture of a conductive material and an active material. To make the ratio (S d / S k ) of the area (S d ) of the conductive material after sintering and the area (S k ) of the active material to be in the range of 90:10 to 40:60 The volume ratio of the conductive material that is the starting material and the active material may be in the range of 90:10 to 40:60.
また、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造とするためには、始発材料である導電性物質と活物質との体積比を90:10〜40:60の範囲とするとともに、所定の焼成条件のもとで一括焼成を行えばよい。 In addition, in order to obtain a structure in which an active material is supported on a conductive matrix made of a conductive material, the volume ratio of the conductive material, which is a starting material, to the active material is set in the range of 90:10 to 40:60. At the same time, batch firing may be performed under predetermined firing conditions.
本願発明者は、さらに、正負の端部電極を構成する活物質と導電性物質の混合比を変化させて正負の端部電池を作製し評価した結果、ペーストの材料となる導電性物質と正極活物質の混合比、及び、導電性物質と負極活物質の混合比が、体積比にして、いずれも90:10〜40:60の場合に、導電率が高く、放電容量が大きい優れた特性の電池を作製できることを見出した。この最適条件により作製した電池の断面をSEM及びEDSで観察した結果、電極断面の導電性物質と活物質の面積比も体積比と同様に90:10〜40:60となっていることがわかった。また、導電性物質の混合率が体積比にして40%以上の場合は、導電性物質が断面内において、マトリックス状に連続しており、係るマトリックス状導電性物質の中に活物質が担持されていることがわかった。このようなマトリックス構造を形成するためには、600℃以上の高温で焼成しなければならないこともわかった。 The present inventor further manufactured and evaluated positive and negative end cells by changing the mixing ratio of the active material and the conductive material constituting the positive and negative end electrodes, and as a result, the conductive material and the positive electrode as the paste material were evaluated. Excellent characteristics when the mixing ratio of the active material and the mixing ratio of the conductive material and the negative electrode active material are 90:10 to 40:60, both in terms of volume ratio. It was found that the battery can be produced. As a result of observing the cross section of the battery manufactured under this optimum condition with SEM and EDS, it was found that the area ratio of the conductive material and the active material in the electrode cross section was 90:10 to 40:60 as well as the volume ratio. It was. Further, when the mixing ratio of the conductive material is 40% or more by volume ratio, the conductive material is continuous in a matrix shape in the cross section, and the active material is supported in the matrix conductive material. I found out. It has also been found that in order to form such a matrix structure, it must be fired at a high temperature of 600 ° C. or higher.
焼成条件は、活物質ペースト、活物質混合集電電極ペースト、無機固体電解質スリップに含まれる有機バインダー、溶剤、カップリング剤、及び分散剤の種類、活物質ペーストに含まれる活物質種、活物質混合集電電極ペーストに使用される金属種によって適宜選択される。焼成過程における有機物の未分解は、焼成後の積層体の剥離の原因になるとともに残存カーボンによる電池内部ショートの一因となる虞がある。特に酸素を含まない雰囲気下で焼成を行なう場合、電池内の残存カーボンを最小限とするため、更に水蒸気を導入して焼成し有機物の酸化を促すことが好ましい。 Firing conditions are: active material paste, active material mixed current collecting electrode paste, organic binder, solvent, coupling agent, and dispersant included in inorganic solid electrolyte slip, active material species included in active material paste, active material It selects suitably by the metal seed | species used for a mixed current collection electrode paste. The undecomposed organic matter in the firing process may cause peeling of the laminated body after firing and may cause a short circuit inside the battery due to residual carbon. In particular, when firing is performed in an atmosphere not containing oxygen, it is preferable to further oxidize organic substances by further introducing water vapor and firing in order to minimize residual carbon in the battery.
(一括焼成条件)
・焼成温度
焼成温度は600〜1100℃が好ましい。
600℃未満の場合は、マトリックス状導電性物質の中に活物質が担持されている構造が達成されない。より好ましくは、700〜900℃である。
・焼成雰囲気
焼成の雰囲気は、大気雰囲気、中性雰囲気、還元雰囲気のいずれの雰囲気でもよい。電池の構成材料の種類に応じて適宜選択すればよい。
(Batch firing conditions)
-Firing temperature The firing temperature is preferably 600 to 1100 ° C.
When the temperature is lower than 600 ° C., the structure in which the active material is supported in the matrix conductive material is not achieved. More preferably, it is 700-900 degreeC.
-Firing atmosphere The firing atmosphere may be an air atmosphere, a neutral atmosphere, or a reducing atmosphere. What is necessary is just to select suitably according to the kind of constituent material of a battery.
B−2方法
本形態例では、積層体30を一旦焼成(1回目焼成)し、1回目焼成後の積層体に端部電極ペーストを塗布、乾燥して端部電極ペースト層を形成し、次いで2回目の焼成を行う。
B−1で述べた一括焼成に比べ本例の焼成(2段階焼成という。)の場合は、
低温で焼結する材料を適用できるため材料の選択肢が広がり、例えば安価な材料を選択することによる製造コストの低減、あるいは導電率の高い材料を選択することによる導電率の向上というメリットがある。また、低温で焼成するため冷却時の端部電極中の導電性物質と集電体材料、端部電極中の活物質材料と電池積層体の固体電解質材料ならびに活物質材料の線膨張率の差に起因するクラックやデラミネーションを抑制できる。
B-2 Method In this embodiment, the laminate 30 is once fired (first firing), the end electrode paste is applied to the laminate after the first firing, and dried to form an end electrode paste layer, A second firing is performed.
In the case of firing in this example (referred to as two-stage firing) as compared to the batch firing described in B-1,
Since materials that can be sintered at a low temperature can be applied, the choices of materials are widened. For example, there is a merit that the manufacturing cost is reduced by selecting an inexpensive material or the conductivity is improved by selecting a material having high conductivity. Also, because of firing at a low temperature, the difference in linear expansion coefficient between the conductive material and current collector material in the end electrode during cooling, the active material material in the end electrode and the solid electrolyte material of the battery stack, and the active material Cracks and delamination caused by the can be suppressed.
本例では、1回目の焼成はB−1方法で述べた焼成条件と同じ条件で行うことができる。
第2回目の焼成における焼成温度も600〜1100℃が好ましい。ただ、第1回目の焼成温度よりも低い温度で行うことが好ましい。第1回目の焼成温度より低い温度で焼成を行うことにより過焼結による空隙の発生を防止することができる。
In this example, the first firing can be performed under the same firing conditions as described in the method B-1.
The firing temperature in the second firing is preferably 600 to 1100 ° C. However, it is preferable to carry out at a temperature lower than the first firing temperature. By firing at a temperature lower than the first firing temperature, generation of voids due to oversintering can be prevented.
B−3方法
本形態例は図2に示す構造の電池の製造方法である。その方法を図5に示す。
正極シート正極集電体ペースト5gを正極活物質ペースト4gよりも短めに形成する。すなわち、図5(b)に示すように、空隙13を設けて正極集電体ペーストと正極活物質ペースト4gを形成する。
負極シートについても同様である。
正極シート、固体電解質シート、負極シートを交互に積層した後に圧着すると、空隙13には、活物質が流れ込み集電体の端面は活物質により被覆される。その状態で焼成を行えばよい。
B-3 Method This embodiment is a method for manufacturing a battery having the structure shown in FIG. The method is shown in FIG.
The positive electrode sheet positive electrode
The same applies to the negative electrode sheet.
When the positive electrode sheet, the solid electrolyte sheet, and the negative electrode sheet are alternately laminated and then subjected to pressure bonding, the active material flows into the
B−4方法
本形態例は図3に示す構造の電池の製造方法である。
本形態例では、正極層ないし負極層に、導電性物質からなる導電性マトリックスが活物質を担持した構造である。
前述したB−1方法においては、固体電解質ペースト上に活物質ペースト、電極集電体ペースト、活物質ペーストを順次塗布している。それに対して本形態例では、導電性物質と活物質との混合体のペーストを固体電解質ペースト上に塗布する。導電性物質と活物質との混合体のペーストは焼成後においては、端部電極と同様に、導電性マトリックスが活物質を担持した構造となる。
ここで、用いる導電性物質は、端部電極に用いる導電性物質と同一の材料あるいは合金を形成する材料を用いることが特に好ましい。また、活物質は、端部電極に用いる活物質と同一の材料を用いることが好ましい。さらに、導電性物質と活物質との割合は、端部電極における導電性物質と活物質との割合と同じあるいは10%以内とすることが好ましい。
この割合とすることにより、混合体と端部電極との結合がより強固にすることが可能となる。
本方法では、層数が他の方法に比べて少ない。すなわち、他の方法では、例えば図1においては、活物質層4、集電体層5、活物質層4の3層が固体電解質層3上に形成されている。それに対して本方法では、固体電解層3上には、混合体層45gの一層のみが形成されただけである。従って、本方法の場合には、多数の単位電池を積層しても小型が維持される。また、製造が容易である。
のみならず、製造過程において、固体電化質層との段差は混合体層の一層分だけである。従って、段差にともなうデラミネーションやその他の電池特性の低下を防止することもできる。
B-4 Method This embodiment is a method for manufacturing a battery having the structure shown in FIG.
In this embodiment, a conductive matrix made of a conductive material is supported on the positive electrode layer or the negative electrode layer.
In the aforementioned B-1 method, the active material paste, the electrode current collector paste, and the active material paste are sequentially applied onto the solid electrolyte paste. On the other hand, in this embodiment, a paste of a mixture of a conductive material and an active material is applied on the solid electrolyte paste. After firing, the paste of the mixture of the conductive material and the active material has a structure in which the conductive matrix supports the active material, like the end electrodes.
Here, as the conductive substance used, it is particularly preferable to use the same material as the conductive substance used for the end electrodes or a material forming an alloy. The active material is preferably the same material as the active material used for the end electrodes. Furthermore, the ratio between the conductive material and the active material is preferably the same as or within 10% of the ratio between the conductive material and the active material in the end electrode.
By setting this ratio, the bond between the mixture and the end electrode can be further strengthened.
In this method, the number of layers is smaller than in other methods. That is, in another method, for example, in FIG. 1, three layers of the
In addition, in the manufacturing process, the level difference from the solid electrolyte layer is only one layer of the mixture layer. Accordingly, it is possible to prevent delamination and other deterioration of battery characteristics due to the step.
他の手順はB−1方法と同様である。 Other procedures are the same as the B-1 method.
C−1:材料の組み合わせ
本発明では、正極層と接続される正極端部電極及び/又は負極層と接続される負極端部電極は、導電性物質からなる導電性マトリックスが活物質を担持した構造を有している。
ここにおいて、正極端部電極中の導電性物質は、正極層中の導電性物質と同一又は合金を形成する材料とし、正極端部電極中の活物質は、正極層の正極活物質と同一とすることが特に好ましい。なお、負極側についても同様である。
かかる場合、まず、正極層1の導電体物質(図1の場合では集電体層5、図3の場合では正極層のマトリックスに担持された導電体物質(図示せず))と、正極端部電極8のマトリックスを構成する導電性物質とは同一材料であるいは相互に合金を形成する材料であるので、両者間での接合がなされる。それととともに、正極層1の正極活物質(図1の場合では、正極活物質層4、図3の場合では正極層1のマトリックス)と、正極端部電極8中のマトリックスに担持された活物質とは同一材料であるので両者間での接合がなされる。このように正極層1の端部全面が正極端部電極8と接合しているため強固な接合が得られる。負極側も同様である。
すなわち、正極端部電極中の導電性物質として金属又は合金を用いた場合には、正極層内で用いる導電性物質として金属又は合金を用い、正極端部電極中の導電性物質として導電性酸化物を用いた場合には、正極層内で用いる導電性物質として導電性酸化物を用いることが特に好ましい。この場合、導電性物質の構成元素が同一であることが好ましく、さらに、構成元素の組成比も同一であることがより好ましい。
導電性物質として金属又は合金を用いる場合、正極層側と端部電極側とで構成元素が同じ金属又は合金を用いてもよい。金属(純金属)の場合には、合金領域が形成されないため、抵抗値の低い取り出し電極(端部電極)とすることが可能となる。さらに、次に述べる合金を形成する場合に比べると延性が高い接合が得られ、衝撃的外力が加わっても剥離しにくい接合が得られる。
一方、構成元素が相互に異なる金属又は合金も用いてもよい。合金形成時に、金属間化合物や共晶物の析出が生じない金属の組み合わせが好ましい。特に、固溶体型の合金を形成する組み合わせが好ましい。次に述べる始発材料から適宜選択すればよい。
C−2:始発材料
(正極活物質)
正極層1は、例えば、正極集電体層5と正極活物質層4とから構成されている。
C-1: Combination of materials In the present invention, the positive electrode end electrode connected to the positive electrode layer and / or the negative electrode end electrode connected to the negative electrode layer has a conductive matrix made of a conductive material carrying an active material. It has a structure.
Here, the conductive material in the positive electrode end electrode is the same material as the conductive material in the positive electrode layer or forms an alloy, and the active material in the positive electrode end electrode is the same as the positive electrode active material in the positive electrode layer. It is particularly preferable to do this. The same applies to the negative electrode side.
In this case, first, the conductive material of the positive electrode layer 1 (the current collector layer 5 in the case of FIG. 1, the conductive material (not shown) carried on the matrix of the positive electrode layer in the case of FIG. 3), and the positive electrode end Since the conductive substance constituting the matrix of the
That is, when a metal or alloy is used as the conductive material in the positive electrode end electrode, a metal or alloy is used as the conductive material used in the positive electrode layer, and conductive oxide is used as the conductive material in the positive electrode end electrode. When a material is used, it is particularly preferable to use a conductive oxide as the conductive material used in the positive electrode layer. In this case, the constituent elements of the conductive material are preferably the same, and the composition ratios of the constituent elements are more preferably the same.
When a metal or an alloy is used as the conductive substance, a metal or alloy having the same constituent element may be used on the positive electrode layer side and the end electrode side. In the case of a metal (pure metal), since an alloy region is not formed, it is possible to provide an extraction electrode (end electrode) having a low resistance value. Furthermore, bonding with higher ductility can be obtained as compared with the case where an alloy described below is formed, and bonding that is difficult to peel off even when an impact external force is applied can be obtained.
On the other hand, metals or alloys having different constituent elements may be used. A combination of metals that does not cause precipitation of intermetallic compounds or eutectics during alloy formation is preferred. In particular, a combination that forms a solid solution type alloy is preferable. What is necessary is just to select suitably from the starting material described below.
C-2: Starting material (positive electrode active material)
The
本形態のリチウムイオン二次電池の正極活物質層4を構成する正極活物質としては、リチウムイオンを効率よく放出、吸着する材料を用いるのが好ましい。例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いるのが好ましい。また、種々の金属酸化物、金属硫化物などを用いることができる。特に金属酸化物が用いられる場合には、電池要素焼結を酸素雰囲気下で行うことが可能となり、得られる電池は、酸素欠陥が少なく、結晶性が高い活物質を得ることが可能になるため、理論容量に近い高容量な電池を作製できるため望ましい。
As the positive electrode active material constituting the positive electrode
正極活物質の具体例としては、二酸化マンガン(MnO2)、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnyCo1−yO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2−yNiyO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(LixFePO4、LixFe1−yMnyPO4、LixCoPO4など)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)などから選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、これらの化学式中、x,yは0〜1の範囲であることが好ましい。) Specific examples of the positive electrode active material include manganese dioxide (MnO 2 ), titanium oxide, niobium oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, iron oxide, copper oxide, nickel oxide, and lithium manganese composite oxide (for example, Li x Mn 2 O 4 Or Li x MnO 2 ), lithium nickel composite oxide (eg, Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (LixCoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (eg, LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese cobalt composite oxide (e.g., LiMn y Co 1-y O 2 ), spinel type lithium-manganese-nickel composite oxide (Li x Mn 2 -yNi y O 4), lithium phosphates having an olivine structure (Li x FePO 4, Li x Fe 1-y Mn y PO 4, Li x CoP 4, etc.), include at least one selected from iron sulfate (Fe 2 (SO 4) 3), vanadium oxide (e.g. V 2 O 5). In these chemical formulas, x and y are preferably in the range of 0-1. )
より好ましい正極活物質は、電池電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(LixMn2O4)、リチウムニッケル複合酸化物(LixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LixNi1−yCoyO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2−yNiyO4)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LixMnyCo1−yO2)、リチウムリン酸鉄(LixFePO4)などが挙げられる。(なお、x,yは0〜1の範囲であることが好ましい。)これらの正極活物質は酸化性の雰囲気下での焼結により結晶性が向上し電池特性を向上させる。さらに、リチウムマンガン複合酸化物、及び、リチウムチタン複合酸化物は、リチウムイオンの吸着、放出による体積変化が特に小さく、電極の微粉化、剥離が起きにくいため、活物質材料としてより好適に用いることができる。
(負極活物質層)
More preferable positive electrode active materials include lithium manganese composite oxide (Li x Mn 2 O 4 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), and lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ) lithium nickel having a high battery voltage. Cobalt composite oxide (Li x Ni 1-y Co y O 2 ), spinel-type lithium manganese nickel composite oxide (Li x Mn 2-y Ni y O 4 ), lithium manganese cobalt composite oxide (Li x Mn y Co) 1-y O 2 ), lithium iron phosphate (Li x FePO 4 ), and the like. (Note that x and y are preferably in the range of 0 to 1.) These positive electrode active materials have improved crystallinity and improved battery characteristics by sintering in an oxidizing atmosphere. Furthermore, lithium manganese composite oxide and lithium titanium composite oxide are particularly suitable for use as an active material material because the volume change due to adsorption and release of lithium ions is particularly small, and the electrode is not pulverized or peeled off easily. Can do.
(Negative electrode active material layer)
正極活物質と負極活物質には明確な区別がなく、2種類の化合物の電位を比較して、より貴な電位を示す化合物を正極活物質として用い、正極活物質について述べた材料の中から。より卑な電位を示す化合物を負極活物質として用いることができる。 There is no clear distinction between the positive electrode active material and the negative electrode active material, and the potentials of the two compounds are compared, and a compound having a more noble potential is used as the positive electrode active material. . A compound exhibiting a lower potential can be used as the negative electrode active material.
また、負極活物質は、金属リチウム、若しくはリチウム合金が挙げられる。前記リチウム合金としてはリチウム及びSn、In、Znから選択される少なくとも一種の合金が、容量が大きいため薄型化が可能となり、界面での応力を抑制できるために望ましい。具体的な合金組成としては、Li4.4Sn、LiIn、LiZnなどが挙げられ、特にLi4.4Snなどが高容量で薄膜化が可能であるため望ましい。 The negative electrode active material includes metallic lithium or a lithium alloy. As the lithium alloy, at least one alloy selected from lithium and Sn, In, and Zn is desirable because it has a large capacity and can be thinned, and stress at the interface can be suppressed. Specific examples of the alloy composition include Li 4.4 Sn, LiIn, LiZn, and the like, and particularly Li 4.4 Sn is desirable because it has a high capacity and can be thinned.
金属リチウム、若しくはリチウム合金の負極活物質層6は、電池組み立て後、初回充電時に析出形成することができる。負極集電体層7として導電性金属酸化物を用いた場合、正極活物質層4もしくは無機固体電解質層3から放出されるリチウムイオンと反応する材料(たとえば錫酸化物、インジウム酸化物、亜鉛酸化物)である場合には、無機固体電解質層3と負極集電体層7の間に負極活物質層6となるリチウム合金層が形成される。また、負極集電体層7として導電性金属酸化物を用いた場合、負極集電体層7である導電性金属酸化物が、正極から放出されるリチウムイオンと反応しない材料(例えばチタン酸化物)である場合には、無機固体電解質層3と負極集電体層7の間に負極活物質層6となる金属リチウム層が形成される。このような充電によって形成される負極活物質層6は、隣接する無機固体電解質3、あるいは負極集電体層7との接合性に富む良好な界面が形成される。この結果、界面抵抗が小さい優れた電池を作製できる。
The negative electrode
また、二次電池用の負極活物質層6に用いられる負極活物質は、負極2の作動電位が金属リチウムの電位に対して1.0Vよりも貴となる活物質を用いてもよい。負極集電体7に導電性金属酸化物を用いた場合、リチウムイオンを挿入・脱離する電位は1.0V以下である。したがって負極活物質層6でリチウムイオンの挿入・脱離反応が進行する電位で、負極集電体層7の導電性金属酸化物がリチウムイオンと反応することはない。したがって負極集電体層7の導電性金属酸化物の反応によって負極活物質自体の電極反応を阻害することがなく、電池の繰り返し寿命が向上する。
Moreover, the negative electrode active material used for the negative electrode
(正極集電体層、負極集電体層の材料)
次に、正極集電体層5及び負極集電体層7の材料について説明する。
(Materials for positive electrode current collector layer and negative electrode current collector layer)
Next, materials for the positive electrode current collector layer 5 and the negative electrode
本発明のリチウムイオン二次電池の集電体電極層を構成する導電性物質としては、導電率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、焼成した後に、導電率が1×101S/cm以上の導電率を有する金属又は合金である。具体的には、金属であれば、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、金(Au)、白金(Pt)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)などを用いるのが好ましい。合金であれば、銀、パラジウム、金、白金、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、錫から選ばれる2種以上の金属からなる合金が好ましく、例えば、AgPdを用いるのが好ましい。AgPdは、Ag粉末とPd粉末の混合粉末、又は、AgPd合金の粉末を始発材料として用いるのが好ましい。 As the conductive substance constituting the current collector electrode layer of the lithium ion secondary battery of the present invention, it is preferable to use a material having high conductivity. For example, a metal or alloy having a conductivity of 1 × 10 1 S / cm or more after firing. Specifically, for metals, silver (Ag), palladium (Pd), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), etc. Is preferably used. If it is an alloy, the alloy which consists of 2 or more types of metals chosen from silver, palladium, gold | metal | money, platinum, copper, aluminum, nickel, cobalt, and tin is preferable, for example, it is preferable to use AgPd. As AgPd, it is preferable to use a mixed powder of Ag powder and Pd powder or a powder of AgPd alloy as a starting material.
又、好適な金属種の選択は、一括焼成時に活物質との副反応が最小限であり、且つ、焼成時に金属粉表面の流動性が増し、金属粉同士のネッキングが起こることで活物質の集電効率を最大限にできる金属粉末、混合粉末、合金粉末であることが好ましい。 Also, the selection of a suitable metal species is such that the side reaction with the active material is minimal during batch firing, the fluidity of the surface of the metal powder is increased during firing, and necking between the metal powders occurs. Metal powder, mixed powder, and alloy powder that can maximize current collection efficiency are preferable.
また、正極集電体層5、負極集電体層7の少なくとも一方は、導電性金属酸化物層を用いることもできる。導電性金属酸化物層とは、導電性金属酸化物同士が一体化しており層状の形状を構成したものを指す。層内に微小な孔を有する多孔質体であっても良い。この材料の適用により、電極、電解質及び集電体を同時に焼結することが可能であり、それにより活物質の結晶性が高くなり導電性がさらに向上するため、優れた電池特性を得る上で非常に適している。
Further, a conductive metal oxide layer can be used for at least one of the positive electrode current collector layer 5 and the negative electrode
正極集電体層5及び負極集電体層7のどちらか一方に、導電性金属酸化物を用いない場合は、負極の充放電電位でリチウムと反応しない銅やニッケルなどの金属、合金製集電体を用いることは可能であるが、正極集電体層5及び負極集電体層7共に導電性金属酸化物層を用いることが特に望ましい。
前記導電性金属酸化物としては、Sn、In、Zn、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物が挙げられる。さらに具体的には、SnO2、In2O3、ZnO、TiOx(0.5≦x≦2)が挙げられる。これら導電性金属酸化物には、構造中にSb、Nb、Taなど導電性を高めるための微量元素を(例えば10at%以下)含んでも良い。
When a conductive metal oxide is not used for either the positive electrode current collector layer 5 or the negative electrode
Examples of the conductive metal oxide include oxides of at least one element selected from Sn, In, Zn, and Ti. More specifically, SnO 2, In 2 O 3 , ZnO, TiO x (0.5 ≦ x ≦ 2) and the like. These conductive metal oxides may contain a trace element (for example, 10 at% or less) for enhancing conductivity such as Sb, Nb, Ta in the structure.
(固体電解質の材料)
本発明のリチウムイオン二次電池の固体電解質層を構成する固体電解質としては、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料を用いるのが好ましい。また、大気雰囲気で高温焼成できる無機材料であることが好ましい。例えば、ケイリン酸リチウム(Li3.5Si0.5P0.5O4)、リン酸チタンリチウム(LiTi2(PO4)2)、リン酸ゲルマニウムリチウム(LiGe2(PO4)3)、Li2O−SiO2、Li2O−V2O5−SiO2、Li2O−P2O5−B2O3、Li2O−GeO2よりなる群から選択される少なくとも1種の材料を用いるのが好ましい。さらに、これらの材料に、異種元素や、Li3PO4、LiPO3、Li4SiO4、Li2SiO3、LiBO2等をドープした材料を用いてもよい。また、固体電解質層の材料は、結晶質、非晶質、ガラス状のいずれであってもよい。
(Material of solid electrolyte)
As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer of the lithium ion secondary battery of the present invention, it is preferable to use a material having low electron conductivity and high lithium ion conductivity. Moreover, it is preferable that it is an inorganic material which can be baked at high temperature in an atmospheric condition. For example, lithium silicophosphate acid (Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4), titanium phosphate lithium (LiTi 2 (PO 4) 2 ), phosphate germanium lithium (LiGe 2 (PO 4) 3 ), At least one selected from the group consisting of Li 2 O—SiO 2 , Li 2 O—V 2 O 5 —SiO 2 , Li 2 O—P 2 O 5 —B 2 O 3 , Li 2 O—GeO 2 . It is preferable to use materials. Further, a material doped with a different element, Li 3 PO 4 , LiPO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 2 SiO 3 , LiBO 2 or the like may be used for these materials. The material of the solid electrolyte layer may be crystalline, amorphous, or glassy.
(端部電極の材料)
得られた積層体の正極集電体に接続する正極端部電極を形成する。本発明のリチウムイオン二次電池では、端部電極材料として、活物質と導電性物質を混合した材料を用いる。
(End electrode material)
A positive electrode end electrode connected to the positive electrode current collector of the obtained laminate is formed. In the lithium ion secondary battery of the present invention, a material obtained by mixing an active material and a conductive material is used as the end electrode material.
活物質は、前記した活物質を用いる。導電性物質としては、次の材料を用いればよい。
(導電性物質)
リチウムイオン二次電池の電極層を構成する導電性物質としては、導電率が大きい材料を用いるのが好ましい。例えば、焼成した後に、導電率が1×101S/cm以上の導電率を有する金属又は合金である。具体的には、金属であれば、銀、パラジウム、金、白金、アルミニウム、銅、ニッケルなどを用いるのが好ましい。合金であれば、銀、パラジウム、金、白金、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、錫から選ばれる2種以上の金属からなる合金が好ましく、例えば、AgPdを用いるのが好ましい。AgPdは、Ag粉末とPd粉末の混合粉末、又は、AgPd合金の粉末を始発材料として用いるのが好ましい。
The active material described above is used as the active material. The following materials may be used as the conductive substance.
(Conductive substance)
As a conductive substance constituting the electrode layer of the lithium ion secondary battery, it is preferable to use a material having high conductivity. For example, a metal or alloy having a conductivity of 1 × 10 1 S / cm or more after firing. Specifically, if it is a metal, it is preferable to use silver, palladium, gold, platinum, aluminum, copper, nickel or the like. If it is an alloy, the alloy which consists of 2 or more types of metals chosen from silver, palladium, gold | metal | money, platinum, copper, aluminum, nickel, cobalt, and tin is preferable, for example, it is preferable to use AgPd. As AgPd, it is preferable to use a mixed powder of Ag powder and Pd powder or a powder of AgPd alloy as a starting material.
D:ペーストの作製・印刷等
(活物質ペースト作製工程)
活物質ペーストは、以下の様に作製される。所定の活物質粉末を乾式粉砕機・湿式粉砕機を用いて全固体二次電池に好適な粒度にまで粉砕した後、プラネタリーミキサー、三本ロールミル等の分散機にて有機バインダー、溶剤中に分散する。有機バインダー中への活物質分散を良好にする目的で、適宜、カップリング剤、分散剤を添加してもかまわない。
本発明に適応される分散方法は上記分散方法に限定されるものではなく、ペースト中に活物質の凝集が認められず、固体電解質シートへの印刷の妨げとならない高分散が実現されるものであれば良い。又、本発明に用いられるペーストは印刷性を良好にするために、適宜溶剤を加え粘度を調整することが好ましい。更に、必要とする電池性能に合わせて更に助導電材料、レオロジー調整剤等を適宜添加しても良い。
D: Paste preparation, printing, etc. (active material paste preparation process)
The active material paste is produced as follows. After pulverizing a predetermined active material powder to a particle size suitable for an all-solid-state secondary battery using a dry pulverizer / wet pulverizer, it is dispersed in an organic binder or solvent using a dispersing machine such as a planetary mixer or a three-roll mill. scatter. For the purpose of improving the active material dispersion in the organic binder, a coupling agent and a dispersing agent may be appropriately added.
The dispersion method applied to the present invention is not limited to the above-described dispersion method, and high dispersion that does not interfere with the printing on the solid electrolyte sheet is realized without aggregation of the active material in the paste. I need it. In addition, it is preferable to adjust the viscosity of the paste used in the present invention by appropriately adding a solvent in order to improve the printability. Furthermore, an auxiliary conductive material, a rheology modifier and the like may be added as appropriate in accordance with the required battery performance.
(固体電解質シート作製工程)
固体電解質薄層シートは、以下の様に作製される。固体電解質粉末を乾式粉砕機・湿式粉砕機を用いて全固体二次電池に好適な粒度にまで粉砕した後、更に、有機バインダー、溶剤と混合し、ポットミル、ビーズミル等の湿式粉砕機にて分散し無機固体電解質スリップを得る。得られた固体電解質スリップは、ドクターブレード法等によりペットフィルム等の基材上に薄く塗布した後、乾燥することにより溶剤を蒸発させ基材上に固体電解質薄層シートを得ることができる。有機バインダー中への固体電解質粉末の分散を良好にする目的で、適宜、カップリング剤、分散剤を添加してもかまわない。 又、本発明に適応される分散方法は上記分散方法に限定されるものではなく、固体電解質シート中、及び表面に無機固体電解質粉末の凝集が認められず、固体電解質シートへの印刷の妨げとならない高分散が実現されるものであれば良い。
(Solid electrolyte sheet manufacturing process)
The solid electrolyte thin layer sheet is produced as follows. Solid electrolyte powder is pulverized to a particle size suitable for an all-solid secondary battery using a dry pulverizer / wet pulverizer, then mixed with an organic binder and solvent, and dispersed in a wet pulverizer such as a pot mill or a bead mill. An inorganic solid electrolyte slip is obtained. The obtained solid electrolyte slip is thinly applied onto a substrate such as a pet film by a doctor blade method or the like, and then dried to evaporate the solvent, thereby obtaining a solid electrolyte thin layer sheet on the substrate. For the purpose of improving the dispersion of the solid electrolyte powder in the organic binder, a coupling agent and a dispersing agent may be appropriately added. Further, the dispersion method applied to the present invention is not limited to the above-described dispersion method, and the aggregation of the inorganic solid electrolyte powder is not recognized in the solid electrolyte sheet and on the surface, which prevents the printing on the solid electrolyte sheet. What is necessary is just to realize a high dispersion that does not occur.
(固体電解質への活物質ペースト、活物質混合集電電極ペースト、活物質ペースト印刷工程)
このようにして得られた固体電解質シート上に活物質ペースト、活物質混合集電電極ペースト、更に活物質ペーストを重ねて印刷した後、乾燥することで活物質印刷固体電解質シートを得る。固体電解質シートへの活物質ペーストの印刷は、ペーストの塗布毎に乾燥を行なっても、活物質ペースト、活物質混合集電電極ペースト、活物質ペーストの三層を印刷した後でもかまわない。印刷方法としては、スクリーン印刷、インクジェット印刷等が挙げられるが、スクリーン印刷による場合は、前者の印刷・乾燥工程によるほうが好ましく、インクジェット印刷による場合は後者の印刷・乾燥工程によるほうが好ましい。後者の印刷・乾燥工程による場合、無機固体電解質へ活物質ペーストを印刷後、乾燥工程を経ずに活物質混合集電電極ペーストが印刷されることから、活物質ペースト印刷界面と活物質混合集電電極ペースト印刷界面との接合をより良好に形成することができる。
(Active material paste on solid electrolyte, active material mixed collector electrode paste, active material paste printing process)
The active material paste, the active material mixed collector electrode paste, and the active material paste are further printed on the solid electrolyte sheet thus obtained, and then dried to obtain an active material printed solid electrolyte sheet. Printing of the active material paste to the solid electrolyte sheet, be subjected to drying for each application of the paste, may even after the active material paste, the active material mixture collector electrode paste, the three layers of active material paste was printed. Examples of the printing method include screen printing, inkjet printing, and the like. In the case of screen printing, the former printing / drying process is preferable, and in the case of inkjet printing, the latter printing / drying process is more preferable. In the case of the latter printing / drying process, the active material mixed collector electrode paste is printed without passing through the drying process after the active material paste is printed on the inorganic solid electrolyte. Bonding with the electrode paste printing interface can be formed better.
(電池端面の処理について)
活物質ペースト印刷端面及び活物質混合集電電極ペースト印刷端面、又は活物質混合集電電極ペースト印刷端面は、無機固体電解質シートのいずれかの端面にまで延出するように印刷される。或いは、活物質、活物質混合集電体ペーストを積層印刷した固体電解質シートを基材から剥離し、このシート同士を更に積層・プレスし、得られた積層体を切断することにより所定の端面を得ることができる。
(Battery edge treatment)
The active material paste printed end face and the active material mixed collector electrode paste printed end face, or the active material mixed collector electrode paste printed end face are printed so as to extend to either end face of the inorganic solid electrolyte sheet. Alternatively, the solid electrolyte sheet obtained by laminating and printing the active material and the active material mixed current paste is peeled off from the substrate, the sheets are further laminated and pressed, and the obtained laminate is cut to form a predetermined end face. Can be obtained.
(融剤の添加)
積層体を構成する各層の活物質、集電体金属、無機固体電解質の焼結挙動を一致させる、又は低温での焼結を可能とするために、活物質ペースト、活物質混合集電電極ペースト無機固体電解質スリップには焼結を促す融剤が添加されていても良い。融剤の添加方法は、活物質粉末又は、無機固体電解質を原料粉末から合成する際に予め添加する方法、合成された活物質、無機固体電解質を有機バインダー、溶剤等に分散する工程に添加する方法のいずれでもかまわない。
(Addition of flux)
In order to match the sintering behavior of the active material, current collector metal, and inorganic solid electrolyte of each layer constituting the laminate, or to enable sintering at a low temperature, the active material paste, the active material mixed collector electrode paste A flux that promotes sintering may be added to the inorganic solid electrolyte slip. The addition method of the flux is a method of adding in advance when synthesizing the active material powder or the inorganic solid electrolyte from the raw material powder, and adding to the step of dispersing the synthesized active material and the inorganic solid electrolyte in an organic binder, a solvent or the like. Any method is acceptable.
(端部電極ペースト作製工程)
活物質・導電性混合物ペーストは、以下の様に作製される。所定の活物質粉末を乾式粉砕機・湿式粉砕機を用いて全固体二次電池に好適な粒度にまで粉砕した後、端部電極となる金属粉末とを混合し、プラネタリーミキサー、三本ロールミル等の分散機にて有機バインダー、溶剤中に分散する。有機バインダー中への活物質分散を良好にする目的で、適宜、カップリング剤、分散剤を添加してもかまわない。
(End electrode paste manufacturing process)
The active material / conductive mixture paste is prepared as follows. After a predetermined active material powder is pulverized to a particle size suitable for an all-solid-state secondary battery using a dry pulverizer / wet pulverizer, it is mixed with a metal powder to be an end electrode, a planetary mixer, a three roll mill Disperse in an organic binder or solvent using a dispersing machine such as For the purpose of improving the active material dispersion in the organic binder, a coupling agent and a dispersing agent may be appropriately added.
分散方法は上記分散方法に限定されるものではなく、ペースト中に活物質の凝集が認められず、固体電解質シートへの印刷の妨げとならない高分散が実現されるものであれば良い。又、本発明に用いられるペーストは印刷性を良好にするために、適宜溶剤を加え粘度を調整することが好ましい。更に、必要とする電池性能に合わせて更に助導電材料、レオロジー調整剤等を適宜添加しても良い。 The dispersion method is not limited to the above-described dispersion method, and any dispersion method may be used as long as active material aggregation is not recognized in the paste and high dispersion that does not hinder printing on the solid electrolyte sheet is realized. In addition, it is preferable to adjust the viscosity of the paste used in the present invention by appropriately adding a solvent in order to improve the printability. Furthermore, an auxiliary conductive material, a rheology modifier and the like may be added as appropriate in accordance with the required battery performance.
本発明の多層全固体型リチウムイオン二次電池を構成する積層体は、積層体を構成する正極層、固体電解質層、負極層、及び、任意の保護層の各材料をペースト化し、塗布乾燥してグリーンシートを作製し、係るグリーンシートを積層し、作製した積層体を一括焼成することにより製造する。 The multilayer body constituting the multilayer all solid-state lithium ion secondary battery of the present invention is made by pasting, coating, and drying each material of the positive electrode layer, solid electrolyte layer, negative electrode layer, and optional protective layer constituting the multilayer body. A green sheet is produced, the green sheets are laminated, and the produced laminate is fired at once.
ここで、ペースト化に使用する正極活物質、負極活物質、固体電解質、導電性物質、活物質と導電性物質の混合体の各材料は、それぞれの原料である無機塩等を仮焼したものを使用することができる。仮焼により、原料の化学反応を進め、一括焼成後にそれぞれの機能を十分に発揮させる点からは、正極活物質、負極活物質、固体電解質の仮焼温度は、いずれも700℃以上とするのが好ましい。 Here, each material of the positive electrode active material, the negative electrode active material, the solid electrolyte, the conductive material, and the mixture of the active material and the conductive material used for pasting is obtained by calcining an inorganic salt as a raw material. Can be used. The calcination temperature of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the solid electrolyte are all set to 700 ° C. or more from the viewpoint that the chemical reaction of the raw material is advanced by calcining and the respective functions are fully exhibited after the batch firing. Is preferred.
ペースト化の方法は、特に限定されないが、例えば、有機溶媒とバインダーのビヒクルに、上記の各材料の粉末を混合してペーストを得ることができる。例えば、正極活物質としてLiMn2O4の粉末と導電性物質としてAgとPdの金属粉末の混合物を所定の体積比で混合し、混合物を溶媒とビヒクルに分散して、正極ペーストを作製することができる。活物質粉末と導電性物質粉末の粒子の直径(粒径)は、正極活物質、負極活物質、導電性物質のいずれも、3μm以下とするのが好ましい。また、活物質粉末と導電性物質粉末の粒径比は、正極活物質、負極活物質のいずれの場合も、活物質:導電性物質が、1:50〜50:1とするのが好ましい。以上の範囲の粒径、粒径比であれば、焼成により端部電極中に導電性マトリックスが適切に形成され、活物質が適切にマトリックスに担持されるため、インピーダンス低減、放電容量増加など電池の性能向上に有効である。導電性物質粉末と活物質粉末を混合する体積比は、90:10〜40:60の範囲とするのが好ましい。導電性物質としてAgPdを用いる場合は、AgとPdの金属粉末の混合物の他に、例えば、Ag/Pd共沈法による合成粉末、又は、Ag/Pd合金の粉末を用いることができる。係る方法により、正極層用のペースト、固体電解質層用のペースト、負極用のペーストを作製する。 The method for forming the paste is not particularly limited, and for example, a paste can be obtained by mixing the powder of each of the above materials in a vehicle of an organic solvent and a binder. For example, a mixture of a powder of LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material and a metal powder of Ag and Pd as a conductive material is mixed at a predetermined volume ratio, and the mixture is dispersed in a solvent and a vehicle to produce a positive electrode paste. Can do. The diameter (particle diameter) of the particles of the active material powder and the conductive material powder is preferably 3 μm or less for any of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the conductive material. The particle size ratio between the active material powder and the conductive material powder is preferably 1:50 to 50: 1 in the case of either the positive electrode active material or the negative electrode active material. If the particle size and particle size ratio are in the above range, the conductive matrix is appropriately formed in the end electrode by firing, and the active material is appropriately supported on the matrix. It is effective for improving the performance of The volume ratio of mixing the conductive material powder and the active material powder is preferably in the range of 90:10 to 40:60. In the case of using AgPd as the conductive material, in addition to a mixture of Ag and Pd metal powder, for example, a synthetic powder by an Ag / Pd coprecipitation method or an Ag / Pd alloy powder can be used. By this method, a positive electrode layer paste, a solid electrolyte layer paste, and a negative electrode paste are prepared.
作製したペーストをPETなどの基材上に所望の順序で塗布し、必要に応じ乾燥させた後、基材を剥離し、グリーンシートを作製する。ペーストの塗布方法は、特に限定されず、スクリーン印刷、塗布、転写、ドクターブレード等の公知の方法を採用することができる。 The prepared paste is applied in a desired order on a substrate such as PET and dried as necessary, and then the substrate is peeled off to produce a green sheet. The paste application method is not particularly limited, and a known method such as screen printing, application, transfer, doctor blade, or the like can be employed.
作製した正極層用、固体電解質層用、負極層用のそれぞれのグリーンシートを所望の順序、積層数で積み重ね、必要に応じアライメント、切断等を行い、積層体を作製する。並列型又は直並列型の電池を作製する場合は、正極層の端面と負極層の端面が一致しないようにアライメントを行い積み重ねるのが好ましい。 The produced green sheets for the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are stacked in the desired order and the number of layers, and alignment, cutting, etc. are performed as necessary to produce a laminate. In the case of manufacturing a parallel type or series-parallel type battery, it is preferable to align and stack the end surfaces of the positive electrode layer and the negative electrode layer so that they do not coincide with each other.
作製した積層体を一括して圧着する。圧着は加熱しながら行うが、加熱温度は、例えば、40〜80℃とする。圧着した積層体を、例えば、大気雰囲気下で加熱し焼成を行う。ここで、焼成とは焼結を目的とした加熱処理のことを言う。焼結とは、固体粉末の集合体を融点よりも低い温度で加熱すると、固まって焼結体と呼ばれる緻密な物体になる現象のことを言う。本発明のリチウムイオン二次電池の製造では、焼成温度は、600〜1100℃の範囲とするのが好ましい。600℃未満では、電極層中に導電性マトリックスが形成されず、1100℃を超えると、固体電解質が融解する、正極活物質、負極活物質の構造が変化するなどの問題が発生するためである。焼成時間は、例えば、1〜3時間とする。 The produced laminate is pressed together. The pressure bonding is performed while heating, and the heating temperature is, for example, 40 to 80 ° C. The pressure-bonded laminated body is heated and fired, for example, in an air atmosphere. Here, firing refers to heat treatment for the purpose of sintering. Sintering refers to a phenomenon in which when a solid powder aggregate is heated at a temperature lower than the melting point, it solidifies into a compact body called a sintered body. In the production of the lithium ion secondary battery of the present invention, the firing temperature is preferably in the range of 600 to 1100 ° C. When the temperature is lower than 600 ° C., the conductive matrix is not formed in the electrode layer, and when the temperature exceeds 1100 ° C., problems such as melting of the solid electrolyte and changes in the structure of the positive electrode active material and the negative electrode active material occur. . The firing time is, for example, 1 to 3 hours.
(実施例1)
以下の手順にて二次電池を作製した。二次電池の構造を示す概略断面図を図1に、その製造過程の一部を図4に示す。
Example 1
A secondary battery was produced according to the following procedure. FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of the secondary battery, and FIG. 4 shows a part of the manufacturing process.
<固体電解質シートの作製>
無機固体電解質としてLi3.5Si0.5P0.5O4粉末100重量部、ポリビニールブチラールをバインダーとして16重量部、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを4.8重量部と溶剤としてエタノール100重量部、トルエン200重量部を混合し、ボールミルで分散してペーストとし、このペーストを脱泡して固体電解質セラミック用ペーストを作製した。
このペーストをポリエチレンテレフタレート(PET)製シート状支持体キャリアシート12上に塗布、乾燥させ、キャリアシート12に固体電解質ペースト層3gを形成し、固体電解質シート22を作製した(図4(a))。
<Preparation of solid electrolyte sheet>
100 parts by weight of Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 powder as an inorganic solid electrolyte, 16 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder, 4.8 parts by weight of benzylbutyl phthalate as a plasticizer, and ethanol as a solvent 100 parts by weight and 200 parts by weight of toluene were mixed and dispersed by a ball mill to obtain a paste. This paste was defoamed to prepare a solid electrolyte ceramic paste.
This paste was applied onto a polyethylene terephthalate (PET) sheet-like
<正極シートの作製>
次に正極活物質としてLiMn2O4粉末100重量部、バインダーとしてエチルセルロースを15重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール65重量部を混合し、三本ロールで混練・分散してペーストとし、このペーストを脱泡して、正極活物質用ペーストを作製した。
このペーストを固体電解質シート22の固体電解質ペースト層3g上に塗布、乾燥させ、第1の正極活物質ペースト層4gを形成した。
次に、重量比70/30のAg/Pd粉末とLiMn2O4粉末とを体積割合で60:40となるように混合した粉末100重量部、バインダーとしてエチルセルロース10重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール50重量部を混合し、三本ロールで混練・分散してペーストとし、このペーストを脱泡して正極集電体用ペーストを作製した。
このペーストを上記第1の正極活物質ペースト層4g上に塗布、乾燥させ、前記固体電解質ペースト層3gの上の正極活物質ペースト層4g上に正極集電体ペースト層5gを形成した。
<Preparation of positive electrode sheet>
Next, 100 parts by weight of LiMn 2 O 4 powder as a positive electrode active material, 15 parts by weight of ethyl cellulose as a binder, and 65 parts by weight of dihydroterpineol as a solvent are mixed and kneaded and dispersed with a three roll to obtain a paste. Foaming was performed to prepare a positive electrode active material paste.
This paste was applied onto the solid
Next, 100 parts by weight of a powder obtained by mixing Ag / Pd powder having a weight ratio of 70/30 and LiMn 2 O 4 powder in a volume ratio of 60:40, 10 parts by weight of ethyl cellulose as a binder, and 50 of dihydroterpineol as a solvent. Weight parts were mixed, kneaded and dispersed with a three roll to obtain a paste, and the paste was defoamed to prepare a positive electrode current collector paste.
This paste was applied on the first positive electrode active
さらに前記正極活物質ペーストを用い、前記正極集電体領域5g上に第2の正極活物質ペーストを塗布、乾燥させ、第2の正極活物質ペースト層4gを形成した。
このようにして図4(b)に示す正極シート23を作製した。
<負極シートの作製>
上記B−4で述べた負極シート形成工程にて負極シート24を作製した。
負極活物質としてLi4/3Ti5/3O4粉末100重量部、バインダーとしてエチルセルロース15重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール65重量部を混合し、、三本ロールで混練・分散しペーストとし、このペーストを脱泡して負極活物質用ペーストを作製した。
Further, using the positive electrode active material paste, a second positive electrode active material paste was applied onto the positive electrode
In this way, a
<Preparation of negative electrode sheet>
The
100 parts by weight of Li 4/3 Ti 5/3 O 4 powder as a negative electrode active material, 15 parts by weight of ethyl cellulose as a binder, and 65 parts by weight of dihydroterpineol as a solvent are mixed, and kneaded and dispersed with a three roll to obtain a paste. The paste was degassed to produce a negative electrode active material paste.
このペーストを固体電解質シート22の固体電解質ペースト層3g上に塗布、乾燥させ、第1の負極活物質ペースト層6gを形成した。
次に、重量比70/30のAg/Pd粉末とLi4/3Ti5/3O4粉末とを体積割合で60:40となるように混合した粉末100重量部、バインダーとしてエチルセルロース10重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール50重量部を混合し、三本ロールで混練・分散してペーストとし、このペーストを脱泡して負極集電体ペーストを作製した。
このペーストを上記第1の負極活物質ペースト層6g上に塗布、乾燥させ、前記固体電解質ペースト層3gの上の負極活物質ペースト層6g上に、負極集電体ペースト層7gを形成した。
This paste was applied onto the solid
Next, 100 parts by weight of a powder obtained by mixing Ag / Pd powder having a weight ratio of 70/30 and Li 4/3 Ti 5/3 O 4 powder in a volume ratio of 60:40, and 10 parts by weight of ethyl cellulose as a binder Then, 50 parts by weight of dihydroterpineol as a solvent was mixed, kneaded and dispersed with a three roll to obtain a paste, and this paste was defoamed to prepare a negative electrode current collector paste.
This paste was applied on the first negative electrode active
さらに前記負極活物質ペーストを、前記負極集電体ペースト7g上に塗布、乾燥させ、第2の負極活物質ペースト層6gを形成した。
Further wherein the negative electrode active material paste applied to the anode current collector paste 7g on, and then dried to form a second anode active
このようにして図4(c)に示す負極シート24を作製した。
<積層工程>
得られた正極シート23および負極シート24からキャリアシート12を剥離しつつ両者23,24を交互に順次積層させた。
In this way, the
<Lamination process>
The
積層後、これをセラミックスのカバーシートで挟み込み静水圧プレスによりラミネートし、正極・負極集電体が積層体30のそれぞれ異なる面で露出するようにした。 After lamination, this was sandwiched between ceramic cover sheets and laminated by an isostatic press so that the positive and negative electrode current collectors were exposed on different surfaces of the laminate 30.
<正極端部電極ペーストの作製>
本例では、正極端部電極の始発材料である、正極活物質としてLiMn2O4を用い、導電性物質として重量比70/30のAg/Pdを用いた。
<Preparation of positive electrode end electrode paste>
In this example, LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material, which is the starting material of the positive electrode end electrode, and Ag / Pd having a weight ratio of 70/30 was used as the conductive material.
活物質であるLiMn2O4の粉末と、導電性物質である重量比70/30のAg/Pdの粉末とを体積割合で60:40となるように混合し、さらにバインダーとしてアクリルバインダー5重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール10重量部を混合して活物質・導電性物質ペーストを作製した。
この活物質・導電性物質ペーストを未焼成の積層体30の正極集電体の端面が露出している側に塗布し、乾燥した。
The powder of LiMn 2 O 4 as an active material and the powder of Ag / Pd with a weight ratio of 70/30 as a conductive material are mixed so as to have a volume ratio of 60:40, and an acrylic binder as a binder has a weight of 5 wt. An active material / conductive material paste was prepared by mixing 10 parts by weight of dihydroterpineol as a part and a solvent.
This active material / conductive material paste was applied to the side where the end face of the positive electrode current collector of the
なお、塗布したペーストの厚さは5μmとした。
<負極端部電極ペーストの作製>
本例では、負極端部電極の始発材料である、負極活物質としてLi4/3Ti5/3O4を用い、導電性物質として重量比70/30のAg/Pdを用いた。
The applied paste had a thickness of 5 μm.
<Preparation of negative electrode end electrode paste>
In this example, Li 4/3 Ti 5/3 O 4 was used as the negative electrode active material, which is the starting material of the negative electrode end electrode, and Ag / Pd having a weight ratio of 70/30 was used as the conductive material.
活物質であるLi4/3Ti5/3O4の粉末と、導電性物質である重量比70/30のAg/Pdの粉末とを体積割合で60:40となるように混合し、さらにバインダーとしてアクリルバインダー5重量部、溶剤としてジヒドロターピネオール10重量部を混合して活物質・導電性物質ペーストを作製した。
この活物質・導電性物質ペーストを未焼成の積層体30の負極集電体の端面が露出している側に塗布し、乾燥した。
The powder of Li 4/3 Ti 5/3 O 4 as the active material and the powder of Ag / Pd with a weight ratio of 70/30 as the conductive material are mixed at a volume ratio of 60:40, and further An active material / conductive material paste was prepared by mixing 5 parts by weight of an acrylic binder as a binder and 10 parts by weight of dihydroterpineol as a solvent.
This active material / conductive material paste was applied to the side of the
なお、塗布したペーストの厚さは5μmとした。 The applied paste had a thickness of 5 μm.
<焼成>
正極端部電極ペーストと負極端部電極ペーストを塗布した積層体30の焼成を行った。
焼成は次の条件で行った。
<Baking>
The
Firing was performed under the following conditions.
焼成温度:800℃
保持時間:30分
昇温速度:1500℃/hr
焼成雰囲気:大気雰囲気
Firing temperature: 800 ° C
Holding time: 30 minutes Temperature increase rate: 1500 ° C / hr
Firing atmosphere: air atmosphere
<電池の評価>
焼成により得られた電池に対して、次の項目について特性を評価した。
(a)電池容量
正極端部電極及び負極端部電極にリード線を取り付け、電池の容量測定を行った。測定条件は、充電及び放電時の電流はいずれも0.1μA、充電時及び放電時の打ち切り電圧をそれぞれ4.0V、0.5Vとした。
(b)充放電後の容量維持率特性
容量維持率は、上記条件で充放電を繰り返したときの1サイクル目の電池容量に対する500サイクル目の電池容量の比とした。
(c)充放電後の固体電解質層におけるクラックの有無
充放電を5サイクル繰り返した後の電池を分解し、SEMにて観察した。
(d)充放電後の端部電極と集電体との界面強度
電池端面と端部電極との接合強度は、リード線を端部電極の中央に垂直に半田接合をし、ロードセル試験器により引っ張り試験を行うことで調べた。
試料は、500サイクル後における試料を用いた。
<Battery evaluation>
With respect to the battery obtained by firing, the characteristics of the following items were evaluated.
(A) Battery capacity Lead wires were attached to the positive electrode end electrode and the negative electrode end electrode, and the capacity of the battery was measured. The measurement conditions were such that the current during charging and discharging was 0.1 μA, and the cutoff voltage during charging and discharging was 4.0 V and 0.5 V, respectively.
(B) Capacity maintenance rate characteristic after charge / discharge The capacity maintenance rate was defined as the ratio of the battery capacity at the 500th cycle to the battery capacity at the first cycle when charge / discharge was repeated under the above conditions.
(C) Presence / absence of cracks in solid electrolyte layer after charge / discharge The battery after charge / discharge was repeated 5 cycles was disassembled and observed by SEM.
(D) Interfacial strength between the end electrode and current collector after charging / discharging The joint strength between the battery end face and the end electrode is determined by soldering the lead wire perpendicularly to the center of the end electrode and using a load cell tester. It investigated by performing a tensile test.
As the sample, the sample after 500 cycles was used.
<正極・負極端部電極接続工程>
得られた積層体30の正極集電体5、負極集電体7に、それぞれ接続する正極端部電極ペースト8、負極端部電極9を取り付け、図2に断面を示す無機固体電解質二次電池を完成させた。
<Positive electrode / negative electrode end electrode connection step>
The positive electrode current collector 5 and the negative electrode
<電池の評価>
完成した電池の容量は1.2μAh、500サイクル後の容量維持率は98%であった。
サイクル寿命後の電池を分解し、SEMにて観察した結果、集電体端面が活物質で覆われており、無機固体電解質層に亀裂などの欠陥は観察されなかった。なお、サイクル寿命試験は20℃で行い、充電電流0.1μA、放電電流0.1μAとし、充電及び放電終止電圧は4.0V、0.5Vとして充放電サイクルを繰り返して容量維持率を測定した。
なお、本実施例においては図4に示し、B−1方法で述べた方法により正極シート及び負極シートを作製したが、B−2方法、B−3方法、B−4方法で述べた方法により正極シート、負極シートを形成した場合においても本実施例とほぼ同様な特性を有する電池が得られることを確認した。
<Battery evaluation>
The capacity of the completed battery was 1.2 μAh, and the capacity retention rate after 500 cycles was 98%.
As a result of disassembling the battery after the cycle life and observing with a SEM, the end face of the current collector was covered with the active material, and no defects such as cracks were observed in the inorganic solid electrolyte layer. The cycle life test was conducted at 20 ° C., the charge current was 0.1 μA and the discharge current was 0.1 μA , the charge and discharge end voltages were 4.0 V and 0.5 V, and the charge / discharge cycle was repeated to increase the capacity maintenance rate. It was measured.
In this example, the positive electrode sheet and the negative electrode sheet were prepared by the method shown in FIG. 4 and described in the method B-1, but the methods described in the methods B-2, B-3, and B-4 were used. Even when the positive electrode sheet and the negative electrode sheet were formed, it was confirmed that a battery having substantially the same characteristics as in this example was obtained.
なお、B−1方法により正極シート、負極シートを形成し、これらを積層して積層電池を作製した場合、正極・負極それぞれの端子と接続されない端部において段差が生じないため多く積層する場合はデラミネーションなどの不良がより発生しにくいという利点があった。また、B−4方法による製造工程の場合には、工程が簡略化出来る点で有利であった。
また、具体的には100層程度までは、上記実施例1で述べたB−1方法を採用し、100層を超える場合はB−4方法を採用することが望ましいこともわかった。
In addition, when a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are formed by the B-1 method and these are laminated to produce a laminated battery, there are no steps at the end portions that are not connected to the terminals of the positive electrode and the negative electrode. There was an advantage that defects such as delamination were less likely to occur. In the case of the manufacturing process by the B-4 method, it was advantageous in that the process could be simplified.
It was also found that it is desirable to employ the B-1 method described in Example 1 above up to about 100 layers, and to employ the B-4 method when exceeding 100 layers.
(実施例2)
本例では、導電性物質と活物質との混合割合を変化させた。
導電性物質:活物質の体積比は次の通り変化させた。
試料1 100:0(従来例)
試料2 90:10(実施例)
試料3 80:20(実施例)
試料4 70:30(実施例)
試料5 60:40(実施例)
試料6 50:50(実施例)
試料7 40:60(実施例)
試料8 30:70(比較例)
電池容量(μAh) 接合強度 導電率(S/cm)
試料1 1.0 × ○ 1×105
試料2 1.1 △ ○ 6×104
試料3 1.2 △ ○ 2×104
試料4 1.3 ○ ○ 1×104
試料5 1.4 ○ ○ 5×103
試料6 1.5 ○ ○ 6×103
試料7 1.6 ○ ○ 6×103
試料8 0 ○ × 2×10−4
*接合強度における記号の説明
○:電池サンプルが端部電極との接合部分よりも先に破壊
(端部電極の接合が電池サンプルよりも高強度)
△:電池サンプルとほぼ同時に端部電極が外れた。
×:電池サンプルの破壊よりも先に端部電極が外れた。
(端部電極の接合が電池サンプルよりも強度が弱い)
*導電率における記号の説明
○:1×101S/cmよりも大きい
×:1×101S/cmよりも小さい
(Example 2)
In this example, the mixing ratio of the conductive material and the active material was changed.
The volume ratio of conductive material: active material was changed as follows.
Sample 5 60:40 (Example)
Battery capacity (μAh) Bond strength Conductivity (S / cm)
Sample 5 1.4 ○ ○ 5 × 10 3
* Explanation of symbols for bonding strength ○: Battery sample breaks before bonding with end electrode (bonding of end electrode is stronger than battery sample)
(Triangle | delta): The edge part electrode removed substantially simultaneously with the battery sample.
X: The end electrode was detached prior to the destruction of the battery sample.
(The end electrode is weaker than the battery sample)
* Description of symbols in conductivity ○: less than 1 × 10 1 S / cm: 1 × greater than 10 1 S / cm ×
**試料8は、接合強度は良好だが、導電率が低いために電池の内部抵抗が高くなり、電池容量は0となった。
**
(実施例3)
本例では図2に示す構造の電池を製造した。
すなわち、集電電極層の端面を活物質で被覆した構造を有している。
他の点は実施例1と同様である。
製造手順は図5に示す前述したB−3に記載した手順によった。
本実施例においては、充放電後の容量維持率が実施例1の場合よりも優れており、また、充放電後の固体電解質層におけるクラックの数は、実施例1の場合よりも少なかった。
(Example 3)
In this example, a battery having the structure shown in FIG. 2 was manufactured.
That is, it has a structure in which the end face of the current collecting electrode layer is covered with the active material.
Other points are the same as in the first embodiment.
The manufacturing procedure was according to the procedure described in B-3 shown in FIG.
In this example, the capacity retention after charge / discharge was superior to that in Example 1, and the number of cracks in the solid electrolyte layer after charge / discharge was less than in Example 1.
(実施例4)
本例では、図3に示す構造の電池を製造した。
すなわち、正極層と負極層を、導電性物質からなるマトリックス中に活物質を担持した構造とした。その層を形成するためのペーストは端部電極を形成したペーストと同じペーストを使用した。
他の点は実施例1と同様とした。
本例においては、実施例1に比べ、より優れた放電容量が得られた。
なお、本例では、正極層と正極端部電極とで同じ材料を用いたが異なる材料を用いた場合にも同様の結果が得られた。
Example 4
In this example, a battery having the structure shown in FIG. 3 was manufactured.
That is, the positive electrode layer and the negative electrode layer have a structure in which an active material is supported in a matrix made of a conductive material. As the paste for forming the layer, the same paste as that used to form the end electrodes was used.
The other points were the same as in Example 1.
In this example, a superior discharge capacity was obtained as compared with Example 1.
In this example, the same material was used for the positive electrode layer and the positive electrode end electrode, but similar results were obtained when different materials were used.
(実施例5)
実施例1においては、圧着後の未焼成の積層体(電池本体部)に端部電極ペーストを塗布した後に、電池本体部と端部電極との一括焼成を行った。
それに対して、本例では、まず、未焼成の電池本体部を一旦焼成(第1回目焼成)した。
第1回目焼成後に端部電極ペーストを塗布、乾燥した。
次いで、第2回目の焼成を行った。
第1回目の焼成は、実施例1と同じ条件で行った。
第2回目の焼成は、第1回目の焼成温度よりも50℃低い温度で行った。また、その焼成温度に達するまでの昇温速度は、第1回目の焼成時の3倍とした。
また、焼成温度における保持時間は、第1回目の焼成時の半分とした。
本例においては、実施例1の場合よりも高い電池容量が得られた。
なお、第2回目の焼成を第1回目の焼成よりも高い温度で行ったものは、空隙の発生が若干認められた。
(Example 5)
In Example 1, after the end electrode paste was applied to the unfired laminated body (battery body part) after pressure bonding, the battery body part and the end electrode were collectively fired.
On the other hand, in this example, first, the unfired battery main body was once fired (first firing).
After the first firing, the end electrode paste was applied and dried.
Next, the second firing was performed.
The first firing was performed under the same conditions as in Example 1.
The second firing was performed at a temperature lower by 50 ° C. than the first firing temperature. Further, the rate of temperature rise until reaching the firing temperature was set to three times that during the first firing.
In addition, the holding time at the firing temperature was half that at the time of the first firing.
In this example, a higher battery capacity than that in Example 1 was obtained.
When the second firing was performed at a higher temperature than the first firing, some voids were observed.
(実施例6)
実施例1では、正極集電体層5(負極集電体層6)の材料として金属を用い、正端部電極8(負端部電極9)の導電性物質として金属を用いた。本例では、正極集電体層5(負極集電体層6)の集電体材料として導電性酸化物を用い、正端部電極8(負端部電極9)の導電性物質として導電性酸化物を用いた。
具体的には、導電性酸化物には酸化インジウムスズを用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
導電性物質:活物質が体積比で90:10〜40:60では電池サンプルが端部電極との接合部分よりも先に破壊され、端部電極の接合が電池サンプルよりも高強度であることが確認された。
(Example 6)
In Example 1, a metal was used as a material for the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and a metal was used as a conductive substance for the positive end electrode 8 (negative end electrode 9). In this example, a conductive oxide is used as the current collector material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and a conductive material is used as the conductive material of the positive end electrode 8 (negative end electrode 9). An oxide was used.
Specifically, indium tin oxide was used as the conductive oxide.
The other points were the same as in Example 1.
When the conductive material: active material has a volume ratio of 90:10 to 40:60, the battery sample is destroyed before the joining portion with the end electrode, and the joining of the end electrode has higher strength than the battery sample. Was confirmed.
(実施例7:請求項2の比較例)
本例では、正極集電体層5(負極集電体層6)の集電体材料として導電性酸化物を用い、正端部電極8(負端部電極9)の導電性物質として導電性酸化物を用いた。また、正極集電体層5(負極集電体層6)の活物質材料として合金系活物質を用い、正端部電極8(負端部電極9)の活物質として合金系活物質を用いた。
具体的には、導電性酸化物には酸化インジウムスズ、合金系活物質にはケイ素を用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
(Example 7: Comparative example of claim 2)
In this example, a conductive oxide is used as the current collector material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and a conductive material is used as the conductive material of the positive end electrode 8 (negative end electrode 9). An oxide was used. Also, an alloy active material is used as the active material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and an alloy active material is used as the active material of the positive end electrode 8 (negative end electrode 9). It was.
Specifically, indium tin oxide was used as the conductive oxide, and silicon was used as the alloy-based active material.
The other points were the same as in Example 1.
導電性物質:活物質が体積比で90:10〜40:60では電池サンプルが端部電極との接合部分よりも先に破壊され、端部電極の接合が電池サンプルよりも高強度であることが確認された。 When the conductive material: active material has a volume ratio of 90:10 to 40:60, the battery sample is destroyed before the joining portion with the end electrode, and the joining of the end electrode has higher strength than the battery sample. Was confirmed.
(実施例8:請求項2の比較例)
実施例1では、正極集電体5(負極集電体層6)の導電性物質として金属を用いた。
本例では、正極集電体層5(負極集電体層6)の活物質材料として合金系活物質を用い、正端部電極8(負端部電極9)の活物質として合金系活物質を用いた。
(Example 8: Comparative example of claim 2)
In Example 1, a metal was used as the conductive material of the positive electrode current collector 5 (negative electrode current collector layer 6).
In this example, an alloy active material is used as the active material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and an alloy active material as the active material of the positive end electrode 8 (negative end electrode 9). Was used.
具体的には、合金系活物質にはケイ素を用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
Specifically, silicon was used as the alloy-based active material.
The other points were the same as in Example 1.
導電性物質:活物質が体積比で90:10〜40:60では電池サンプルが端部電極との接合部分よりも先に破壊され、端部電極の接合が電池サンプルよりも高強度であることが確認された。 When the conductive material: active material has a volume ratio of 90:10 to 40:60, the battery sample is destroyed before the joining portion with the end electrode, and the joining of the end electrode has higher strength than the battery sample. Was confirmed.
(比較例1)
本例では、正極層1(負極層2)の正極活物質層4(負極活物質層6)としてケイ素を用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
いずれの比率においても電池サンプルの破壊よりも先に端部電極が外れた。
(Comparative Example 1)
In this example, silicon was used as the positive electrode active material layer 4 (negative electrode active material layer 6) of the positive electrode layer 1 (negative electrode layer 2).
The other points were the same as in Example 1.
In any ratio, the end electrode was detached prior to the destruction of the battery sample.
(比較例2)
本例では、端部電極の導電性物質として導電性金属酸化物を用いた。
具体的には、酸化インジウムスズを用いた。
他の点は比較例1と同様とした。
いずれの比率においても電池サンプルの破壊よりも先に端部電極が外れた。
(Comparative Example 2)
In this example, a conductive metal oxide was used as the conductive material for the end electrodes.
Specifically, indium tin oxide was used.
The other points were the same as in Comparative Example 1.
In any ratio, the end electrode was detached prior to the destruction of the battery sample.
(比較例3)
本例では、正極集電体層5(負極集電体層6)の導電性物質として導電性酸化物を用い、正極層1(負極層2)の正極活物質層4(負極活物質層6)としてケイ素を用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
いずれの比率においても電池サンプルの破壊よりも先に端部電極が外れた。
(Comparative Example 3)
In this example, a conductive oxide is used as the conductive material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and the positive electrode active material layer 4 (negative electrode active material layer 6) of the positive electrode layer 1 (
The other points were the same as in Example 1.
In any ratio, the end electrode was detached prior to the destruction of the battery sample.
(比較例4)
本例では、正極集電体層5(負極集電体層6)の導電性物質として導電性酸化物を用い、正極層1(負極層2)の正極活物質層4(負極活物質層6)としてケイ素を用いた。
さらに、正端部電極8(負端部電極9)の導電性物質として導電性金属酸化物を用いた。
具体的には、酸化インジウムスズを用いた。
他の点は実施例1と同様とした。
いずれの比率においても電池サンプルの破壊よりも先に端部電極が外れた。
(Comparative Example 4)
In this example, a conductive oxide is used as the conductive material of the positive electrode current collector layer 5 (negative electrode current collector layer 6), and the positive electrode active material layer 4 (negative electrode active material layer 6) of the positive electrode layer 1 (
Further, a conductive metal oxide was used as a conductive substance for the positive end electrode 8 (negative end electrode 9).
Specifically, indium tin oxide was used.
The other points were the same as in Example 1.
In any ratio, the end electrode was detached prior to the destruction of the battery sample.
1 正極層
1g 正極ペースト
2 負極層
2g 負極ペースト
3 固体電解質層
3g 固体電解質ペースト
4 正極活物質層
4g 正極活物質ペースト
5 正極集電体層
5g 正極集電体ペースト
5a,5b 端面
7a,7b 端面
6 負極活物質層
6g 負極活物質ペースト
7 負極集電体層
7g 負極集電体ペースト
8 正極端部電極
9 負極端部電極
10 全固体型リチウムイオン二次電池
21 電池本体部(積層体)
22 固体電解質シート
23 正極シート
24 負極シート
30 焼成前積層体
45g,67g 導電性物質・活物質混合体ペースト
101 電池
102 固体電解質層
103 正極層
104 負極層
105、106 集電体層
107 正極端子
108 負極端子
DESCRIPTION OF
22
Claims (26)
前記正極層と接続される前記正極端部電極及び/又は前記負極層と接続される前記負極端部電極は、導電性物質からなる導電性マトリックスが活物質を担持した構造を有し、前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極の断面における前記導電性物質の領域の面積(Sd)と前記活物質の領域の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲にあることを特徴とする全固体型リチウムイオン二次電池。 An all-solid-state lithium ion secondary battery in which a positive electrode end electrode and a negative electrode end electrode are provided on an electrode body composed of a laminate in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are alternately stacked via a solid electrolyte layer,
Wherein the positive end electrode and / or the negative end electrodes where the are connected to the negative electrode layer is connected to the positive electrode layer has a conductive matrix composed of a conductive material carrying an active material structure, the positive The ratio (S d / S k ) of the area (S d ) of the region of the conductive material and the area (S k ) of the region of the active material in the cross section of the extreme part electrode and / or the negative electrode end electrode is 90 : All-solid-state type lithium ion secondary battery characterized by being in the range of 10-40: 60.
前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の活物質は、正極層(又は負極層)の正極活物質(又は負極活物質)と同一である請求項1記載の全固体型リチウムイオン二次電池。 Wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrodes) is a material for forming the positive electrode layer (or negative electrode layer) conductive material and the same or an alloy in,
2. The all solid-state lithium ion battery according to claim 1, wherein the active material in the positive electrode end electrode (or negative electrode end electrode) is the same as the positive electrode active material (or negative electrode active material) of the positive electrode layer (or negative electrode layer). Next battery.
前記固体電解質ペースト層の上に正極層を形成するための正極ペースト層を形成して正極シートを作製する工程と、
前記固体電解質ペースト層の上に負極層を形成するための負極ペースト層を形成して負極シートを作製する工程と、
複数の前記正極シートと複数の前記負極シートとを交互に積層して積層体を作製する工程と、
複数の前記正極層を互いに導通させるための正極端部電極を前記積層体の側面に形成する工程と、
複数の前記負極層を互いに導通させるための負極端部電極を前記積層体の他の側面に形成する工程と、
を有し、
前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極を、導電性物質からなる導電性マトリックスに活物質が担持された構造を有し、前記正極端部電極及び/又は前記負極端部電極の断面における前記導電性物質の面積(Sd)と前記活物質の面積(Sk)との比(Sd/Sk)が90:10〜40:60の範囲となるようにすることを特徴とする全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。 Producing a solid electrolyte sheet on which a solid electrolyte paste layer for forming the solid electrolyte layer is formed;
Forming a positive electrode paste layer for forming a positive electrode layer on the solid electrolyte paste layer to produce a positive electrode sheet;
Forming a negative electrode paste layer for forming a negative electrode layer on the solid electrolyte paste layer to produce a negative electrode sheet;
A step of alternately laminating a plurality of the positive electrode sheets and a plurality of the negative electrode sheets to produce a laminate;
Forming a positive end electrode for each other electrically through a plurality of the positive electrode layer on the side surfaces of the laminate,
Forming a negative electrode end electrode on the other side surface of the laminate for electrically connecting a plurality of the negative electrode layers;
Have
The positive electrode end electrode and / or the negative electrode end electrode has a structure in which an active material is supported on a conductive matrix made of a conductive material, and a cross section of the positive electrode end electrode and / or the negative electrode end electrode. The ratio (S d / S k ) of the area (S d ) of the conductive material and the area (S k ) of the active material in the range of 90:10 to 40:60 A method for producing an all solid-state lithium ion secondary battery.
前記正極端部電極(又は負極端部電極)中の活物質は、正極層(又は負極層)の正極活物質(又は負極活物質)と同一である請求項15記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。 Wherein the conductive material in the positive end electrode (or the negative end electrodes) is a material for forming the positive electrode layer (or negative electrode layer) conductive material and the same or an alloy in,
16. The all-solid-state lithium ion battery according to claim 15, wherein the active material in the positive electrode end electrode (or negative electrode end electrode) is the same as the positive electrode active material (or negative electrode active material) of the positive electrode layer (or negative electrode layer). A method for manufacturing a secondary battery.
前記正極端部電極ペースト層、前記負極端部電極ペースト層及び未焼成の積層体とを一括して焼成することを特徴とする請求項22記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。 Forming the positive electrode end electrode paste layer and the negative electrode end electrode paste layer in an unfired laminate,
23. The method for producing an all solid-state lithium ion secondary battery according to claim 22, wherein the positive electrode end electrode paste layer, the negative electrode end electrode paste layer, and the unfired laminate are fired together.
前記正極端部電極ペースト層、前記負極端部電極ペースト層及び前記焼成後の積層体とを一括して焼成することを特徴とする請求項22記載の全固体型リチウムイオン二次電池の製造方法。 Forming the positive electrode end electrode paste layer and the negative electrode end electrode paste layer in a fired laminate,
23. The method for producing an all solid-state lithium ion secondary battery according to claim 22, wherein the positive electrode end electrode paste layer, the negative electrode end electrode paste layer, and the fired laminate are collectively fired. .
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