JP6256451B2 - All solid battery - Google Patents
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Description
本発明は、電池性能および安全性の両立を図った全固体電池に関する。 The present invention relates to an all solid state battery that achieves both battery performance and safety.
近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として優れた電池の開発が重要視されている。また、情報関連機器や通信関連機器以外の分野では、例えば自動車産業界において、電気自動車やハイブリッド自動車に用いられる電池としてリチウムイオン電池の開発が進められている。 With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, the development of batteries that are excellent as power sources has been regarded as important. In fields other than information-related equipment and communication-related equipment, for example, in the automobile industry, development of lithium-ion batteries as batteries used in electric cars and hybrid cars is being promoted.
現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。さらに、全固体電池の中でも、硫化物固体電解質材料を用いた全固体電池は、Liイオン伝導性が優れるという利点を有している。 Since lithium batteries currently on the market use an electrolyte solution containing a flammable organic solvent, a safety device for preventing a temperature rise at the time of a short circuit and a structure for preventing a short circuit are required. In contrast, a lithium battery in which the electrolyte is changed to a solid electrolyte layer to make the battery completely solid does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and manufacturing costs and productivity can be reduced. It is considered excellent. Furthermore, among all solid state batteries, all solid state batteries using sulfide solid electrolyte materials have the advantage of excellent Li ion conductivity.
例えば、特許文献1には、Li2S、P2S5等の硫化物およびLiIを混合し加熱することにより得られるガラスセラミックスの硫化物固体電解質材料を用いた固体電池が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a solid battery using a glass ceramic sulfide solid electrolyte material obtained by mixing and heating sulfides such as Li 2 S and P 2 S 5 and LiI.
また、固体電池の電池性能を向上させる技術として、特許文献2には、材料の異なる2層の固体電解質層を形成することで、電池のサイクル特性を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献3には、正極層、結晶質の結晶電解質層、ガラス質のガラス電解質層および負極層をこの順に積層させることで、電池の層間密着性を向上させる技術が開示されている。 As a technique for improving the battery performance of a solid battery, Patent Document 2 discloses a technique for improving the cycle characteristics of a battery by forming two solid electrolyte layers made of different materials. Further, Patent Document 3 discloses a technique for improving the interlayer adhesion of a battery by laminating a positive electrode layer, a crystalline crystal electrolyte layer, a vitreous glass electrolyte layer, and a negative electrode layer in this order.
全固体電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されていないため、安全性が高いことが知られている。ところが、全固体電池であっても、例えば釘刺し試験のような過酷な試験を行うと、ジュール発熱により、電池(例えば、ラミネートの外装体の樹脂)から発煙する場合がある。一方で、ジュール発熱を抑制するために、例えば電池のイオン抵抗を高くすると、電池性能が低下する。したがって、全固体電池においては、電池性能および安全性の両立を図ることが困難であるという問題がある。 The all solid state battery is known to have high safety because an electrolyte containing a flammable organic solvent is not used. However, even if it is an all-solid-state battery, when a severe test such as a nail penetration test is performed, smoke may be emitted from the battery (for example, resin of the outer package of the laminate) due to Joule heat generation. On the other hand, for example, when the ionic resistance of the battery is increased in order to suppress Joule heat generation, the battery performance is deteriorated. Therefore, the all-solid-state battery has a problem that it is difficult to achieve both battery performance and safety.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電池性能および安全性の両立を図った全固体電池を提供することを主目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its main object to provide an all-solid-state battery that achieves both battery performance and safety.
上記目的を達成するために、本発明においては、正極活物質を含有する正極層と、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に形成され、第一硫化物固体電解質材料を含有する固体電解質層とを有する全固体電池であって、上記固体電解質層のイオン抵抗に対する上記全固体電池全体のイオン抵抗の比率が3.8以下であり、上記固体電解質層のイオン抵抗が7.6Ω・cm2以上、16Ω・cm2以下であることを特徴とする全固体電池を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a first sulfide is formed between a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and the positive electrode layer and the negative electrode layer. A solid electrolyte layer containing a solid electrolyte material, wherein the ratio of the ionic resistance of the whole solid battery to the ionic resistance of the solid electrolyte layer is 3.8 or less; An all-solid-state battery having an ionic resistance of 7.6 Ω · cm 2 or more and 16 Ω · cm 2 or less is provided.
本発明によれば、固体電解質層のイオン抵抗と全固体電池全体のイオン抵抗とが、上述した関係を有することにより、電池性能および安全性の両立を図った全固体電池とすることができる。 According to the present invention, since the ionic resistance of the solid electrolyte layer and the ionic resistance of the entire all-solid battery have the above-described relationship, an all-solid battery that achieves both battery performance and safety can be obtained.
上記発明においては、上記正極層および上記負極層の少なくとも一方が、第二硫化物固体電解質材料をさらに含有することが好ましい。 In the above invention, it is preferable that at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer further contains a second sulfide solid electrolyte material.
上記発明においては、上記第一硫化物固体電解質材料と、上記第二硫化物固体電解質材料とが異なる材料であることが好ましい。 In the above invention, the first sulfide solid electrolyte material and the second sulfide solid electrolyte material are preferably different materials.
上記発明においては、上記第二硫化物固体電解質材料のイオン伝導度が、上記第一硫化物固体電解質材料のイオン伝導度よりも大きいことが好ましい。 In the said invention, it is preferable that the ionic conductivity of said 2nd sulfide solid electrolyte material is larger than the ionic conductivity of said 1st sulfide solid electrolyte material.
本発明の全固体電池は、電池性能および安全性の両立を図ることができるという効果を奏する。 The all-solid-state battery of the present invention has an effect that both battery performance and safety can be achieved.
以下、本発明の全固体電池について、詳細を説明する。
図1は本発明の全固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す全固体電池10は、正極活物質11を含有する正極層1と、負極活物質12を含有する負極層2と、正極層1および負極層2の間に形成され、硫化物固体電解質材料13を含有する固体電解質層3とを有する。また、全固体電池10は、通常、正極層1の集電を行なう正極集電体4と負極層2の集電を行なう負極集電体5とを有する。また、全固体電池10は、固体電解質層3のイオン抵抗に対する全固体電池10全体のイオン抵抗の比率が3.8以下であり、固体電解質層3のイオン抵抗が7.6Ω・cm2以上、16Ω・cm2以下であることを特徴とする。
Hereinafter, details of the all solid state battery of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the all solid state battery of the present invention. An all-solid battery 10 shown in FIG. 1 is formed between a positive electrode layer 1 containing a positive electrode active material 11, a negative electrode layer 2 containing a negative electrode active material 12, and a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 2, and is a sulfide solid. And a solid electrolyte layer 3 containing an electrolyte material 13. The all-solid-state battery 10 usually includes a positive electrode current collector 4 that collects current from the positive electrode layer 1 and a negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode layer 2. Further, in the all solid state battery 10, the ratio of the ionic resistance of the whole solid state battery 10 to the ionic resistance of the solid state electrolyte layer 3 is 3.8 or less, and the ionic resistance of the solid state electrolyte layer 3 is 7.6 Ω · cm 2 or more, It is 16 Ω · cm 2 or less.
本発明によれば、固体電解質層のイオン抵抗と全固体電池全体のイオン抵抗とが、上述した関係を有することにより、電池性能および安全性の両立を図った全固体電池とすることができる。 According to the present invention, since the ionic resistance of the solid electrolyte layer and the ionic resistance of the entire all-solid battery have the above-described relationship, an all-solid battery that achieves both battery performance and safety can be obtained.
従来、全固体電池は液系電池よりも安全であると認識されている。一方で、電池の内部抵抗が低くなり、電池が高性能化している場合、全固体電池の安定性が必ずしも高いといえない場合がある。安全性試験で最も厳しい試験として釘刺し試験があるが、例えば、高性能の全固体電池を満充電の状態で釘刺し試験を実施した場合、ジュール発熱により釘周辺温度が例えば250℃を超え、電池(例えば、ラミネートの外装体の樹脂)から発煙する場合がある。 Conventionally, it has been recognized that an all-solid battery is safer than a liquid battery. On the other hand, when the internal resistance of the battery is low and the battery has high performance, the stability of the all-solid battery may not necessarily be high. As the most severe safety test, there is a nail penetration test. For example, when a high performance all-solid-state battery is fully charged with a nail penetration test, the temperature around the nail exceeds, for example, 250 ° C. due to Joule heat generation. There is a case where smoke is emitted from a battery (for example, resin of an outer package of a laminate).
ジュール発熱は、導体に電流を流したときに生じる発熱であり、下記式で表わされる。
Q=I・V・t=V/R・V・t=V2/R・t
(式中、Qはジュール発熱(J)、Iは電流(A)、Vは電圧(V)、Rは抵抗(Ω)、tは秒である。)
ジュール発熱は、電子(≒イオン)の流れる量(電流)および電圧で決まり、電池において実際に上昇する温度は、ジュール発熱および熱容量で決まる。電流は、電圧/抵抗(イオン抵抗)から算出される。すなわち、ジュール発熱を抑制するためには、全固体電池のイオン抵抗を大きくすることが望まれる。一方で、全固体電池のイオン抵抗を大きくすると、電池性能(容量性能および出力性能)が低下するという問題がある。したがって、全固体電池においては、電池性能および安全性の両立を図ることが困難であるという問題がある。
Joule heat generation is generated when a current is passed through a conductor, and is represented by the following equation.
Q = I · V · t = V / R · V · t = V 2 / R · t
(In the formula, Q is Joule heat generation (J), I is current (A), V is voltage (V), R is resistance (Ω), and t is seconds.)
Joule heat generation is determined by the amount (current) and voltage of electrons (≈ion) and the temperature that actually increases in the battery is determined by Joule heat generation and heat capacity. The current is calculated from voltage / resistance (ion resistance). That is, in order to suppress Joule heat generation, it is desired to increase the ionic resistance of the all solid state battery. On the other hand, when the ionic resistance of the all solid state battery is increased, there is a problem that the battery performance (capacity performance and output performance) is lowered. Therefore, the all-solid-state battery has a problem that it is difficult to achieve both battery performance and safety.
本発明者らは、電池性能および安全性の両立を図るべく鋭意研究を行なった結果、固体電解質層のイオン抵抗と、全固体電池全体のイオン抵抗とのバランスに着目することで、両者の両立を図ることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to achieve both battery performance and safety, the present inventors have focused on the balance between the ionic resistance of the solid electrolyte layer and the ionic resistance of the entire all-solid battery. As a result, the present invention has been completed.
全固体電池におけるイオン抵抗の要素としては、固体電解質層のイオン抵抗(直流抵抗)と、固体電解質層および電極層(正極層もしくは負極層)の間のイオン抵抗(界面抵抗)と、電極層のイオン抵抗(拡散抵抗)との3つの要素が挙げられる。このうち、界面抵抗および拡散抵抗は、全固体電池のSOC(State of charge)や放電レートへの依存性が大きい。これに対して、固体電解質層のイオン抵抗は、他の要素に比べて、SOCや放電レートへの依存性が小さいため、全固体電池を高SOC、高レート放電下においても、安定してジュール発熱を抑制する抵抗となり得るのである。本発明においては、故意に、固体電解質層のイオン抵抗を上げ(7.6Ω・cm2以上)、さらに、そのイオン抵抗の割合を高めることで、安全性の高い全固体電池とすることができる。 Elements of ionic resistance in all solid state batteries include ionic resistance (DC resistance) of the solid electrolyte layer, ionic resistance (interface resistance) between the solid electrolyte layer and the electrode layer (positive electrode layer or negative electrode layer), and There are three factors: ionic resistance (diffusion resistance). Among these, the interfacial resistance and the diffusion resistance are highly dependent on the SOC (State of charge) and discharge rate of the all solid state battery. On the other hand, the ionic resistance of the solid electrolyte layer is less dependent on the SOC and discharge rate than other elements, so that all solid state batteries can be stably manufactured even under high SOC and high rate discharges. It can be a resistor that suppresses heat generation. In the present invention, by deliberately increasing the ionic resistance of the solid electrolyte layer (7.6 Ω · cm 2 or more) and further increasing the ratio of the ionic resistance, a highly safe all-solid battery can be obtained. .
なお、従来、全固体電池は液系電池よりも安全であると認識されている。また、一般的に、全固体電池は液系電池に比べて電池性能が低い。そのため、全固体電池の安全性に対する検討が十分に行われていないのが現状である。一方で、全固体電池の電池性能は、日々向上していることから、安全性に関する検討が必要となる。 Conventionally, it has been recognized that an all-solid battery is safer than a liquid battery. In general, all solid state batteries have lower battery performance than liquid type batteries. For this reason, the safety of all solid state batteries has not been fully studied. On the other hand, since the battery performance of all-solid-state batteries is improving day by day, it is necessary to study safety.
以下、本発明の全固体電池の構成について説明する。 Hereinafter, the configuration of the all solid state battery of the present invention will be described.
1.イオン抵抗の比率
本発明の全固体電池は、固体電解質層のイオン抵抗(A)に対する全固体電池全体のイオン抵抗(B)の比率、すなわちB/Aが3.8以下であることを特徴とする。B/Aは、3.8以下であれば良く、3.0以下であることがより好ましく、1.9以下であることがさらに好ましい。また、B/Aは、例えば、1.25以上である。B/Aが大きすぎると安全性を十分に確保することが困難となる可能性があるからである。
固体電解質層のイオン抵抗は、交流インピーダンス法により直流抵抗として測定することができる。また、全固体電池全体のイオン抵抗は、固体電解質層のイオン抵抗、反応抵抗および拡散抵抗の和であり、DC−IR測定により求めることができる。なお、DC−IR測定により得られる抵抗値は、イオン抵抗および電子抵抗の両方を含む値であるが、通常、電子抵抗の割合は極めて小さい(1%程度)であるため、イオン抵抗の値と見なすことができる。
1. Ratio of ion resistance The all solid state battery of the present invention is characterized in that the ratio of the ion resistance (B) of the whole all solid state battery to the ion resistance (A) of the solid electrolyte layer, that is, B / A is 3.8 or less. To do. B / A may be 3.8 or less, more preferably 3.0 or less, and still more preferably 1.9 or less. Moreover, B / A is 1.25 or more, for example. This is because if B / A is too large, it may be difficult to ensure sufficient safety.
The ionic resistance of the solid electrolyte layer can be measured as a DC resistance by an AC impedance method. Moreover, the ionic resistance of the whole all-solid-state battery is the sum of the ionic resistance, reaction resistance, and diffusion resistance of the solid electrolyte layer, and can be determined by DC-IR measurement. In addition, although the resistance value obtained by DC-IR measurement is a value including both ion resistance and electronic resistance, since the ratio of electronic resistance is usually very small (about 1%), Can be considered.
上記B/Aは、固体電解質層のイオン抵抗を基準とした値であるが、その逆数であるA/Bは、全固体電池全体のイオン抵抗を基準とした値となる。A/Bは、0.26以上であれば良く、0.33以上であることがより好ましく、0.53以上であることがさらに好ましい。また、A/Bは、例えば、0.8以下である。 The B / A is a value based on the ionic resistance of the solid electrolyte layer, but the reciprocal A / B is a value based on the ionic resistance of the entire all-solid battery. A / B should just be 0.26 or more, it is more preferable that it is 0.33 or more, and it is further more preferable that it is 0.53 or more. Moreover, A / B is 0.8 or less, for example.
固体電解質層のイオン抵抗(A)は、通常、7.6Ω・cm2以上である。また、固体電解質層のイオン抵抗は、通常、16Ω・cm2以下である。全固体電池全体のイオン抵抗(B)は、例えば10Ω・cm2以上であり、15Ω・cm2以上であっても良い。また、全固体電池全体のイオン抵抗(B)は、例えば40Ω・cm2以下であり、20Ω・cm2以下であることが好ましい。 The ionic resistance (A) of the solid electrolyte layer is usually 7.6 Ω · cm 2 or more. The ionic resistance of the solid electrolyte layer is usually 16 Ω · cm 2 or less. Ion resistance of the entire all-solid-state cell (B) is, for example, 10 [Omega · cm 2 or more, may be 15 [Omega] · cm 2 or more. The ion resistance of the entire all-solid-state cell (B) is, for example, 40 [Omega · cm 2 or less, preferably 20 [Omega · cm 2 or less.
なお、全固体電池全体のイオン抵抗(B)および固体電解質層のイオン抵抗(A)の差分(B−A)は、界面抵抗(反応抵抗)および拡散抵抗の合計に該当する。 Note that the difference (B−A) between the ionic resistance (B) of the entire all-solid battery and the ionic resistance (A) of the solid electrolyte layer corresponds to the sum of the interface resistance (reaction resistance) and the diffusion resistance.
本発明の全固体電池においては、AおよびBが上述した関係を有するように、各層のイオン抵抗の調整がされる。各層のイオン抵抗の調整は、硫化物固体電解質材料の種類(組成、物性)、割合、および、各層の厚さの選択等により行なうことができる。 In the all solid state battery of the present invention, the ion resistance of each layer is adjusted so that A and B have the above-described relationship. The ion resistance of each layer can be adjusted by selecting the type (composition, physical properties), ratio, and thickness of each layer of the sulfide solid electrolyte material.
2.固体電解質層
本発明における固体電解質層は、正極層および負極層の間に形成され、第一硫化物固体電解質材料を含有するものである。なお、固体電解質層に含まれる硫化物固体電解質材料を、便宜的に、第一硫化物固体電解質材料と称する。
2. Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer in the present invention is formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer and contains the first sulfide solid electrolyte material. The sulfide solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer is referred to as a first sulfide solid electrolyte material for convenience.
硫化物固体電解質材料としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LixMOy(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等が挙げられる。なお、上記「Li2S−P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質材料を意味し、他の記載についても同様である。特に、硫化物固体電解質材料は、Li2S−P2S5を主成分とする材料であることが好ましい。さらに、硫化物固体電解質材料は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していることが好ましい。 Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—P 2 S 5 —Li 2 O, and Li 2 S—P 2 S. 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S -SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( however, m, n are positive Z is one of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where, x and y are positive numbers, M is P, Si, Ge, B, Al, Ga, I Either.), And the like. The description of “Li 2 S—P 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions. is there. In particular, the sulfide solid electrolyte material is preferably a material mainly composed of Li 2 S—P 2 S 5 . Furthermore, the sulfide solid electrolyte material preferably contains halogen (F, Cl, Br, I).
また、硫化物固体電解質材料がLi2S−P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50〜100:0の範囲内であることが好ましく、中でもLi2S:P2S5=70:30〜80:20であることが好ましい。 Also, if the sulfide solid electrolyte material is Li 2 S-P 2 S 5 based, the proportion of Li 2 S and P 2 S 5 in molar ratio, Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50~ 100: preferably 0 in the range of, inter alia Li 2 S: P 2 S 5 = 70: 30~80: is preferably 20.
また、硫化物固体電解質材料は、硫化物ガラスであっても良く、結晶化硫化物ガラスであっても良く、固相法により得られる結晶質材料であっても良い。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質材料の常温(25℃)におけるLiイオン伝導度は、例えば、1×10−5S/cm以上であることが好ましく、1×10−4S/cm以上であることがより好ましい。Liイオン伝導度は交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte material may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill or the like) on the raw material composition. Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by subjecting sulfide glass to a heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Further, the Li ion conductivity at normal temperature (25 ° C.) of the sulfide solid electrolyte material is preferably 1 × 10 −5 S / cm or more, for example, and preferably 1 × 10 −4 S / cm or more. More preferred. Li ion conductivity can be measured by an AC impedance method.
本発明における硫化物固体電解質材料の形状としては、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。硫化物固体電解質材料が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されるものではないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。正極層内の充填率向上を図りやすくなるからである。一方、平均粒径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。なお、平均粒径は、例えば、粒度分布計により決定できる。 Examples of the shape of the sulfide solid electrolyte material in the present invention include particle shapes such as true spheres and ellipsoids, and thin film shapes. When the sulfide solid electrolyte material has a particle shape, the average particle diameter (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and more preferably 10 μm or less. More preferably. This is because it becomes easy to improve the filling rate in the positive electrode layer. On the other hand, the average particle diameter is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. In addition, an average particle diameter can be determined with a particle size distribution meter, for example.
固体電解質層における硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、10重量%〜100重量%の範囲内であることが好ましく、50重量%〜100重量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the sulfide solid electrolyte material in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10% by weight to 100% by weight, and more preferably in the range of 50% by weight to 100% by weight.
固体電解質層は、上述した材料の他にも、必要に応じてアクリレートブタジエンゴム(ABR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有結着材等を含有していても良い。固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましく、0.1μm〜300μmの範囲内であることがより好ましい。 In addition to the above-described materials, the solid electrolyte layer contains a fluorine-containing binder such as acrylate butadiene rubber (ABR), polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like as necessary. May be. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.
3.正極層
本発明における正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。
3. Positive electrode layer The positive electrode layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder as necessary.
正極活物質の種類は、全固体電池の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えばLi4Ti5O12が挙げられる。 The type of the positive electrode active material is appropriately selected according to the type of the all solid state battery, and examples thereof include an oxide active material and a sulfide active material. Examples of the oxide active material include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0. Examples include spinel active materials such as 5 Mn 1.5 O 4 , olivine active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Moreover, as an oxide active material other than the above, for example, Li 4 Ti 5 O 12 can be given.
正極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm〜100μmの範囲内であることが好ましく、中でも10nm〜30μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があるからであり、一方、平均粒径が大きすぎると、平坦な正極層を得るのが困難になる場合があるからである。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particles and thin films. When the positive electrode active material is in the form of particles, the average particle diameter (D 50 ) is preferably in the range of, for example, 1 nm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 30 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. On the other hand, if the average particle size is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode layer. It is.
正極層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40重量%〜99重量%の範囲内であることが好ましい。 Although content of the positive electrode active material in a positive electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 40 weight%-99 weight%.
正極層は、正極活物質の他に、第二硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。なお、電極層に含まれる硫化物固体電解質材料を、便宜的に、第二硫化物固体電解質材料と称する。第二硫化物固体電解質材料の具体例については、上述した第一硫化物固体電解質材料と同様であるので、ここでの記載は省略する。本発明において、第一硫化物固体電解質材料と、第二硫化物固体電解質材料とは、同じ材料であっても良く、異なる材料であっても良い。 The positive electrode layer preferably contains a second sulfide solid electrolyte material in addition to the positive electrode active material. The sulfide solid electrolyte material contained in the electrode layer is referred to as a second sulfide solid electrolyte material for convenience. Since the specific example of the second sulfide solid electrolyte material is the same as that of the first sulfide solid electrolyte material described above, description thereof is omitted here. In the present invention, the first sulfide solid electrolyte material and the second sulfide solid electrolyte material may be the same material or different materials.
ここで、「異なる材料」とは、化学的特徴が異なる場合、物理的特徴が異なる場合、物性的に異なる場合の少なくともいずれかの場合をいう。化学的特徴に異なる場合としては、例えば、組成が異なる場合、結晶性(非晶質性)が異なる場合を挙げることができる。物理的特徴に異なる場合とは、例えば、粒径が異なる場合、形状が異なる場合等を挙げることができる。物性的に異なる場合としては、例えば、イオン伝導度が異なる場合を挙げることができる。なお、物性的な違いは、通常、化学的特徴および物理的特徴の少なくとも一方が異なることに起因する違いである。 Here, the “different material” means at least one of the case where the chemical characteristics are different, the physical characteristics are different, and the physical properties are different. Examples of different chemical characteristics include a case where the composition is different and a case where the crystallinity (amorphous) is different. Examples of the case where the physical characteristics are different include a case where the particle diameter is different and a case where the shape is different. Examples of cases where the physical properties are different include cases where the ionic conductivity is different. The physical property difference is usually a difference caused by a difference in at least one of chemical characteristics and physical characteristics.
第二硫化物固体電解質材料のイオン伝導度は、第一硫化物固体電解質材料のイオン伝導度よりも大きいことが好ましい。具体的には、両者の比(第二硫化物固体電解質材料のイオン伝導度/第一硫化物固体電解質材料のイオン伝導度)が、1よりも大きいことが好ましく、1.1以上であっても良く、1.5以上であっても良く、2以上であっても良い。さらに、後述する実施例の結果に基づくと、両者の比は、3.4以上であっても良く、14以上であっても良い。 The ionic conductivity of the second sulfide solid electrolyte material is preferably larger than the ionic conductivity of the first sulfide solid electrolyte material. Specifically, the ratio between the two (the ionic conductivity of the second sulfide solid electrolyte material / the ionic conductivity of the first sulfide solid electrolyte material) is preferably greater than 1, and is 1.1 or more. May be 1.5 or more, and may be 2 or more. Furthermore, based on the result of the Example mentioned later, ratio of both may be 3.4 or more, and may be 14 or more.
本発明に用いられる正極層における第二硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、1重量%〜90重量%の範囲内であることが好ましく、10重量%〜80重量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the second sulfide solid electrolyte material in the positive electrode layer used in the present invention is, for example, preferably in the range of 1 wt% to 90 wt%, and in the range of 10 wt% to 80 wt%. It is more preferable.
本発明における正極層は、上述した正極活物質および第二固体電解質材料の他に、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー(VGCF)等が挙げられる。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有結着材が挙げられる。正極層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によって異なるものであるが、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 The positive electrode layer in the present invention may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the positive electrode active material and the second solid electrolyte material described above. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber (VGCF). Examples of the binder include fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The thickness of the positive electrode layer varies depending on the intended configuration of the all-solid-state battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.
4.負極層
本発明における負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。
4). Negative electrode layer The negative electrode layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder as necessary.
負極活物質材料としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質が挙げられる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等が挙げられる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。 Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. Examples of the metal active material include In, Al, Si, and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon.
負極層は、負極活物質の他に、第二硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。第二硫化物固体電解質材料については、上述した内容と同様である。また、負極層に含まれる第二硫化物固体電解質材料と、正極層に含まれる第二硫化物固体電解質材料とは、同じ材料であっても良く、異なる材料であっても良い。 The negative electrode layer preferably contains a second sulfide solid electrolyte material in addition to the negative electrode active material. The second sulfide solid electrolyte material is the same as described above. The second sulfide solid electrolyte material contained in the negative electrode layer and the second sulfide solid electrolyte material contained in the positive electrode layer may be the same material or different materials.
なお、負極層に用いられる導電化材および結着材については、上述した正極層における場合と同様である。また、負極層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 The conductive material and the binder used for the negative electrode layer are the same as in the positive electrode layer described above. Moreover, it is preferable that the thickness of a negative electrode layer exists in the range of 0.1 micrometer-1000 micrometers, for example.
5.その他の構成
また、本発明により得られる全固体電池は、正極層、負極層および固体電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極活物質の集電を行う正極集電体、および負極活物質の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、およびカーボン等が挙げられる。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケル、およびカーボン等が挙げられる。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明において用いられる電池ケースには、一般的な全固体電池に使用される電池ケースを用いることができ、例えば、SUS製電池ケース等が挙げられる。また、本発明により得られる全固体電池は、発電要素を絶縁リングの内部に形成したものであっても良く、外装体により密封されたものであっても良い。外装体としては、一般的な電池に使用されるものを用いることができ、例えば、アルミラミネートフィルム等を挙げることができる。また、全固体電池としては、単層電池であっても良く、単層電池を複数積層させた積層電池であっても良い。
5. Other Configurations The all solid state battery obtained by the present invention has at least a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the all solid state battery. Moreover, the battery case used in this invention can use the battery case used for a general all-solid-state battery, for example, the battery case made from SUS, etc. Further, the all solid state battery obtained by the present invention may be one in which the power generation element is formed inside the insulating ring, or may be one sealed with an exterior body. As an exterior body, what is used for a general battery can be used, For example, an aluminum laminate film etc. can be mentioned. Moreover, as an all-solid-state battery, a single layer battery may be sufficient and the laminated battery which laminated | stacked the single layer battery may be sufficient.
6.全固体電池
本発明により得られる全固体電池(全固体リチウム電池)は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池等として有用だからである。本発明により得られる全固体電池を車載用電池として用いる場合、対象となる車両としては、電池を搭載しエンジンを搭載しない電気自動車や、電池およびエンジンの双方を搭載するハイブリッド自動車が挙げられる。本発明により得られる全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等が挙げられる。
6). All-solid-state battery The all-solid-state battery (all-solid-state lithium battery) obtained by the present invention may be a primary battery or a secondary battery, but among them, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged, and is useful, for example, as an in-vehicle battery. When the all-solid-state battery obtained by the present invention is used as an in-vehicle battery, examples of the target vehicle include an electric vehicle with a battery and no engine, and a hybrid vehicle with both a battery and an engine. Examples of the shape of the all solid state battery obtained by the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.
本発明の全固体電池の安全性は、例えば、釘刺し試験により評価することができる。釘刺し試験は、通常、UL規格(UL1642)、またはJIS B8714等に準拠して行なわれる。具体的には、市販の釘刺し試験機を用いて行なうことができる。 The safety of the all solid state battery of the present invention can be evaluated by, for example, a nail penetration test. The nail penetration test is usually performed according to the UL standard (UL1642) or JIS B8714. Specifically, it can be performed using a commercially available nail penetration tester.
釘刺し試験の環境温度は、法規要件としては、25℃であるが、例えば25℃〜80℃の範囲内とすることができる。釘刺し試験に用いられる釘の材質としては、特に限定されず、例えば、SK材(炭素工具鋼鋼材)、SUS(ステンレス鋼)、その他の金属材料等を用いることができる。 Although the environmental temperature of the nail penetration test is 25 ° C. as a legal requirement, it can be in the range of 25 ° C. to 80 ° C., for example. The material of the nail used in the nail penetration test is not particularly limited, and for example, SK material (carbon tool steel material), SUS (stainless steel), other metal materials, and the like can be used.
釘刺し試験による温度上昇量(K)としては、例えば、100K以下であることが好ましく、60K以下であることがより好ましい。ジュール発熱による発煙等を好適に抑制することができるからである。なお、温度上昇量(K)は、測定された最大温度(℃)から環境温度(℃)を差し引いた値である。 The temperature increase amount (K) by the nail penetration test is, for example, preferably 100K or less, and more preferably 60K or less. This is because smoke generation or the like due to Joule heat generation can be suitably suppressed. The temperature rise (K) is a value obtained by subtracting the environmental temperature (° C.) from the measured maximum temperature (° C.).
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[製造例1:固体電解質1〜4の作製]
(硫化物固体電解質材料の合成)
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)およびヨウ化リチウム(LiI)を用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、Li2SおよびP2S5を、75Li2S・25P2S5のモル比(Li3PS4、オルト組成)となるように秤量した。次に、LiIが10mol%となるように、LiIを秤量した。この混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrO2ボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間処理および15分休止のメカニカルミリングを40回行った。その後、得られた試料を、ホットプレート上でヘプタンを除去するように乾燥させ、硫化物固体電解質材料を得た。得られた硫化物固体電解質材料の組成は、10LiI・90(0.75Li2S・0.25P2S5)であった。
[Production Example 1: Production of solid electrolytes 1 to 4]
(Synthesis of sulfide solid electrolyte materials)
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium iodide (LiI) were used. Next, in a glove box under an Ar atmosphere (dew point −70 ° C.), Li 2 S and P 2 S 5 have a molar ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 (Li 3 PS 4 , ortho composition). Weighed as follows. Next, LiI was weighed so that LiI was 10 mol%. 2 g of this mixture is put into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less, 4 g) is added, and ZrO 2 balls (φ = 5 mm, 53 g) are further charged. Was completely sealed (Ar atmosphere). This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed 40 times with a base plate rotation speed of 500 rpm and a one-hour treatment and a 15-minute pause. Thereafter, the obtained sample was dried on a hot plate so as to remove heptane to obtain a sulfide solid electrolyte material. The composition of the obtained sulfide solid electrolyte material was 10LiI · 90 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ).
(硫化物固体電解質材料の微粒子化および結晶化)
合成された硫化物固体電解質材料を、下記の方法により微粒子化および結晶化することにより、Liイオン伝導度および粒径の異なる、下記表1の硫化物固体電解質材料(固体電解質1〜4)を得た。
(Particulate and crystallize sulfide solid electrolyte material)
The synthesized sulfide solid electrolyte material is microparticulated and crystallized by the following method to obtain the sulfide solid electrolyte materials (solid electrolytes 1 to 4) shown in Table 1 below having different Li ion conductivity and particle size. Obtained.
合成工程により得られた硫化物固体電解質材料と、脱水ヘプタン(関東化学製)及びジブチルエーテルとの合計重量が10gであり、かつ、当該合計重量に占める硫化物固体電解質材料の重量の割合が所定の割合となるように調製した。硫化物固体電解質材料、脱水ヘプタン、及びジブチルエーテルと、ZrO2ボール(φ0.3mm、φ0.6mm、又はφ1mm)40gとを、45mlのZrO2ポットに投入し、ポットを完全に密閉した(Ar雰囲気)。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、自公転回転数100〜200rpmにて、10〜20時間の湿式メカニカルミリングを行うことにより、硫化物固体電解質材料を粉砕し、微粒子化させた。 The total weight of the sulfide solid electrolyte material obtained by the synthesis step, dehydrated heptane (manufactured by Kanto Chemical) and dibutyl ether is 10 g, and the ratio of the weight of the sulfide solid electrolyte material in the total weight is predetermined. It adjusted so that it might become a ratio. Sulfide solid electrolyte material, dehydrated heptane, and dibutyl ether and 40 g of ZrO 2 balls (φ0.3 mm, φ0.6 mm, or φ1 mm) were put into a 45 ml ZrO 2 pot, and the pot was completely sealed (Ar atmosphere). By attaching this pot to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch) and performing wet mechanical milling for 10 to 20 hours at a revolution speed of 100 to 200 rpm, the sulfide solid electrolyte material is pulverized and made into fine particles. It was.
アルミニウム製のシャーレの上に、微粒子化で微粒子状にされた硫化物固体電解質材料を1g配置し、180℃に加熱したホットプレート上で2時間に亘って保持することにより、微粒子状の硫化物固体電解質材料を結晶化させた。 By placing 1 g of a sulfide solid electrolyte material finely divided into fine particles on an aluminum petri dish and holding it on a hot plate heated to 180 ° C. for 2 hours, the fine particle sulfide The solid electrolyte material was crystallized.
[評価]
(リチウムイオン伝導度の測定)
得られた固体電解質1〜4のLiイオン伝導度を測定した。具体的には、結晶化後に回収した硫化物固体電解質材料を用いて1cm2、厚さ0.5mmのペレットを作製し、4.3tonで成型した後、成型後のペレットに対して、交流インピーダンス法によりリチウムイオン伝導度(25℃)を測定した。なお、測定にはソーラトロン1260を用い、測定条件は、印加電圧5mV、測定周波数域0.01MHz〜1MHzとし、100kHzの抵抗値を読み、厚さで補正し、リチウムイオン伝導度へ換算した。結果を表1に示す。
示す。
[Evaluation]
(Measurement of lithium ion conductivity)
Li ion conductivity of the obtained solid electrolytes 1 to 4 was measured. Specifically, a 1 cm 2 , 0.5 mm thick pellet was prepared using the sulfide solid electrolyte material recovered after crystallization, and was molded at 4.3 ton. The lithium ion conductivity (25 ° C.) was measured by the method. In addition, the solartron 1260 was used for the measurement, the measurement conditions were an applied voltage of 5 mV, a measurement frequency range of 0.01 MHz to 1 MHz, a resistance value of 100 kHz was read, corrected by thickness, and converted into lithium ion conductivity. The results are shown in Table 1.
Show.
(平均粒径の測定)
得られた固体電解質1〜4の平均粒径を測定した。具体的には、結晶化させた微粒子状の固体電解質1〜4を少量サンプリングし、レーザー散乱・回折式粒度分布測定機(日機装製マイクロトラックMT 3300EXII)で粒度分布測定を行い、平均粒径(D50)を決定した。結果を表1に示す。
(Measurement of average particle size)
The average particle diameters of the obtained solid electrolytes 1 to 4 were measured. Specifically, a small amount of crystallized particulate solid electrolytes 1 to 4 are sampled, and the particle size distribution is measured with a laser scattering / diffraction particle size distribution analyzer (Nikkiso Microtrac MT 3300EXII). D 50 ) was determined. The results are shown in Table 1.
[製造例2:積層電池の作製]
(正極合材スラリーの作製)
エタノール溶媒に、等モルのLiOC2H5及びNb(OC2H5)5を溶解させて作製した組成物を、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業株式会社)の表面に、転動流動コーティング装置(SFP−01、株式会社パウレック製)を用いてスプレーコートした。その後、コーティングされたLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を、350℃、大気圧下で1時間に亘って熱処理することにより、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(活物質)の表面にLiNbO3の層(被覆層)を形成し、正極活物質を作製した。正極活物質の平均粒径(D50)は5μmであった。得られた正極活物質52g、硫化物固体電解質材料17g、導電化材として気相法炭素繊維(VGCF(登録商標))1g、脱水ヘプタン(関東化学株式会社)15gを秤量し、十分に混合して正極合材スラリーを得た。
[Production Example 2: Production of laminated battery]
(Preparation of positive electrode mixture slurry)
A composition prepared by dissolving equimolar LiOC 2 H 5 and Nb (OC 2 H 5 ) 5 in an ethanol solvent was prepared as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (Nichia Corporation) The surface of the company was spray-coated using a tumbling fluidized coating apparatus (SFP-01, manufactured by POWREC Co., Ltd.). Thereafter, the coated LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is heat-treated at 350 ° C. under atmospheric pressure for 1 hour, thereby producing LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3. A layer of LiNbO 3 (coating layer) was formed on the surface of O 2 (active material) to produce a positive electrode active material. The average particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material was 5 μm. 52 g of the obtained positive electrode active material, 17 g of the sulfide solid electrolyte material, 1 g of vapor grown carbon fiber (VGCF (registered trademark)) as a conductive material and 15 g of dehydrated heptane (Kanto Chemical Co., Ltd.) were weighed and mixed thoroughly. Thus, a positive electrode mixture slurry was obtained.
(負極合材スラリーの作製)
負極活物質としてグラファイト(三菱化学株式会社)36gと、硫化物固体電解質材料25gを秤量し、十分に混合して負極合材スラリーを得た。
(Preparation of negative electrode mixture slurry)
As a negative electrode active material, 36 g of graphite (Mitsubishi Chemical Corporation) and 25 g of a sulfide solid electrolyte material were weighed and mixed thoroughly to obtain a negative electrode mixture slurry.
(全固体電池の作製)
正極合材スラリーはAl箔(正極集電体)、負極合材スラリーはCu箔(負極集電体)にそれぞれ任意の厚さで塗工して乾燥させ、正極層および負極層を得た。また、得られた積層体を裁断して正極および負極を得た。
硫化物固体電解質材料とバインダー(ABR)とを、硫化物固体電解質材料:ABR=98:2(体積比)で混合した。上記混合物を4.3ton/cm2でプレスし、シート状の固体電解質層を得た。上記固体電解質層を正極および負極の間に転写し、4.3ton/cm2でプレスして単層電池を作製した。なお、プレス圧は、通常、2ton以上であることが好ましい。上記単層電池を8層積層させ、集電タブを単層電池のセル端子と超音波溶接した。上記積層体の外側をアルミラミネート材で真空封入することで、0.5Ah級の積層電池を得た。
(Production of all-solid battery)
The positive electrode mixture slurry was applied to an Al foil (positive electrode current collector), and the negative electrode mixture slurry was applied to a Cu foil (negative electrode current collector) at an arbitrary thickness and dried to obtain a positive electrode layer and a negative electrode layer. Further, the obtained laminate was cut to obtain a positive electrode and a negative electrode.
The sulfide solid electrolyte material and the binder (ABR) were mixed at a sulfide solid electrolyte material: ABR = 98: 2 (volume ratio). The mixture was pressed at 4.3 ton / cm 2 to obtain a sheet-like solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer was transferred between the positive electrode and the negative electrode, and pressed at 4.3 ton / cm 2 to produce a single-layer battery. In general, the press pressure is preferably 2 tons or more. The single-layer battery was laminated in eight layers, and the current collecting tab was ultrasonically welded to the cell terminal of the single-layer battery. A 0.5 Ah-class laminated battery was obtained by vacuum-sealing the outside of the laminate with an aluminum laminate material.
[実施例1〜3、比較例1〜3]
下記表2および表3に示すような組み合わせにより、積層電池を作製した。
[Examples 1-3, Comparative Examples 1-3]
A laminated battery was produced by the combinations shown in Table 2 and Table 3 below.
[評価]
(電池容量評価)
実施例1〜3および比較例1〜3の積層電池について、以下の条件により電池容量を評価した。定電流充電−定電流放電をした。また、10時間率充放電とし、充放電電流:0.3046mAとした。また、充電停止電圧を4.55Vとし、放電停止電圧を3.0Vとした。
[Evaluation]
(Battery capacity evaluation)
About the laminated battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, battery capacity was evaluated on condition of the following. Constant current charge-constant current discharge was performed. Moreover, it was set as 10 hour rate charging / discharging, and it was set as charging / discharging electric current: 0.3046mA. The charge stop voltage was 4.55V, and the discharge stop voltage was 3.0V.
(電池抵抗評価)
実施例1〜3および比較例1〜3の積層電池について、充電電圧3.6Vで定電流−定電圧充電をした。終止電流を0.015mAとした。その直後、交流インピーダンス法により、直流抵抗および反応抵抗を測定し、直流抵抗を固体電解質層のイオン抵抗とした。また、DC−IR測定により全固体電池全体のイオン抵抗を測定した。結果を表4および図2に示す。
(Battery resistance evaluation)
About the laminated batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, constant current-constant voltage charging was performed at a charging voltage of 3.6V. The end current was 0.015 mA. Immediately thereafter, DC resistance and reaction resistance were measured by the AC impedance method, and the DC resistance was defined as the ionic resistance of the solid electrolyte layer. Moreover, the ionic resistance of the whole all-solid-state battery was measured by DC-IR measurement. The results are shown in Table 4 and FIG.
(釘刺し試験)
実施例1〜3および比較例1〜3の積層電池を満充電して準備した。上記積層電池を環境温度60℃の釘刺し試験機に設置した。釘刺し試験機にて、電池中央に10mm/secの速度にて釘を刺し、放電挙動、発熱温度、発煙の有無を観測した。なお、釘刺し試験においては遅い速度で釘を刺し場合に電流周流が起こりやすくなる。
温度計測は釘刺し部より上部7mmの位置を測定した。また、温度上昇量(K)は測定された最大温度(℃)から環境温度(℃)を差し引くことにより算出した。
比較例4として、比較例1と同じ積層電池を満充電して準備し、環境温度25℃で同様に釘刺し試験を行なった。結果を表4、図3および図4に示す。
(Nail penetration test)
The laminated batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were prepared by being fully charged. The laminated battery was installed in a nail penetration tester having an environmental temperature of 60 ° C. Using a nail penetration tester, a nail was inserted into the center of the battery at a speed of 10 mm / sec, and the discharge behavior, the heat generation temperature, and the presence or absence of smoke were observed. In the nail penetration test, current flow tends to occur when the nail is inserted at a low speed.
The temperature was measured at a position 7 mm above the nail penetration. Further, the temperature rise (K) was calculated by subtracting the environmental temperature (° C.) from the measured maximum temperature (° C.).
As Comparative Example 4, the same laminated battery as in Comparative Example 1 was fully charged and prepared, and a nail penetration test was similarly performed at an environmental temperature of 25 ° C. The results are shown in Table 4, FIG. 3 and FIG.
表4および図2に示すように、実施例1〜3における全体の抵抗(全固体電池全体のイオン抵抗)は比較例1〜3と同程度であった。そのため、実施例1〜3で得られた積層電池は、比較例1〜3で得られた積層電池と同定の電池性能を示すことが示唆された。一方、実施例1〜3における直流抵抗(固体電解質層のイオン抵抗)の割合は、比較例1〜3に比べて大きかった。
また、表4、図3および図4に示すように、実施例1〜3の積層電池は、比較例1〜3の積層電池に比べて温度上昇量が小さく、また発煙も生じていないことから、ジュール発熱に対する安全性が高いことが確認できた。
また比較例4に示すように、比較例1の構成を有する電池は、法規要件である環境温度25℃で釘刺し試験を行なった場合にも、実施例1〜3に比べて温度上昇量が高く、発煙も生じていた。したがって、実施例1〜3の積層電池は、過酷な環境温度においてもジュール発熱に対する安全性を確保できることが確認できた。
このように、実施例1〜3では、比較例1〜3に比べて、電池性能を維持しつつ、安全性能の向上を図ることができた(電池性能および安全性の両立が図れた)。
As shown in Table 4 and FIG. 2, the overall resistance in Examples 1 to 3 (the ionic resistance of the whole all solid state battery) was almost the same as in Comparative Examples 1 to 3. Therefore, it was suggested that the laminated batteries obtained in Examples 1 to 3 show the identified battery performance with the laminated batteries obtained in Comparative Examples 1 to 3. On the other hand, the ratio of the direct current resistance (ionic resistance of the solid electrolyte layer) in Examples 1 to 3 was larger than that in Comparative Examples 1 to 3.
Moreover, as shown in Table 4, FIG. 3, and FIG. 4, the laminated battery of Examples 1-3 has a small temperature rise amount compared with the laminated battery of Comparative Examples 1-3, and smoke is not produced. It was confirmed that the safety against Joule heat generation was high.
Further, as shown in Comparative Example 4, the battery having the configuration of Comparative Example 1 has a temperature increase amount as compared with Examples 1 to 3 even when a nail penetration test is performed at an environmental temperature of 25 ° C., which is a legal requirement. It was expensive and smoke was generated. Therefore, it was confirmed that the laminated batteries of Examples 1 to 3 can ensure the safety against Joule heat generation even at a severe environmental temperature.
Thus, in Examples 1-3, compared with Comparative Examples 1-3, the safety performance could be improved while maintaining the battery performance (both battery performance and safety were compatible).
1 … 正極層
2 … 負極層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
10 … 全固体電池
11 … 正極活物質
12 … 負極活物質
13 … 硫化物固体電解質材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer 2 ... Negative electrode layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 10 ... All-solid-state battery 11 ... Positive electrode active material 12 ... Negative electrode active material 13 ... Sulfide solid electrolyte material
Claims (4)
前記固体電解質層のイオン抵抗に対する前記全固体電池全体のイオン抵抗の比率が3.8以下であり、前記固体電解質層のイオン抵抗が7.6Ω・cm2以上、16Ω・cm2以下であることを特徴とする全固体電池。 A positive electrode layer containing a positive electrode active material, a negative electrode layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer and containing a first sulfide solid electrolyte material A solid state battery,
The ratio of the ionic resistance of the whole solid-state battery to the ionic resistance of the solid electrolyte layer is 3.8 or less, and the ionic resistance of the solid electrolyte layer is 7.6 Ω · cm 2 or more and 16 Ω · cm 2 or less. All-solid battery characterized by.
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