JP2008103146A - Solid electrolyte and secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質及びそれを正極に用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte and a secondary battery using the solid electrolyte for a positive electrode.
近年、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる高性能リチウム電池等二次電池の需要が増加している。
使用される用途が広がるのに伴い、二次電池のさらなる安全性の向上及び高性能化が要求されている。
リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。
In recent years, the demand for secondary batteries such as high-performance lithium batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. has increased. Yes.
As the applications used expand, further improvements in safety and higher performance of secondary batteries are required.
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte.
無機固体電解質は、その性質上一般に不燃で、通常使用される有機溶媒電解質と比較し安全性の高い材料である。そのため、該電解質を用いた高い安全性を備えた全固体リチウム電池の開発が望まれている。 Inorganic solid electrolytes are generally nonflammable in nature and are safer materials than commonly used organic solvent electrolytes. Therefore, development of an all-solid lithium battery with high safety using the electrolyte is desired.
特許文献1には、正極にコバルト酸リチウムとリチウム・リン系硫化物固体電解質を用いた、高性能の二次電池を開示している。しかしながら、さらに二次電池のレート特性等を改善することが求められており、正極についても改善の検討がなされている。
本発明の目的は、レート特性に優れた二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a secondary battery having excellent rate characteristics.
本発明によれば、以下の固体電解質等が提供される。
1.酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ホウ素、酸化ケイ素及びそのリチウム塩、並びにリチウムチタン酸スピネル、リチウム酸化タンタル、リチウム酸化ニオブから選択される1以上の化合物で被覆した固体電解質。
2.前記固体電解質が、リチウム・リン系硫化物固体電解質、リチウム・ケイ素系硫化物固体電解質、リチウム・ホウ素系硫化物固体電解質及びリチウム・ゲルマニウム系硫化物固体電解質から選択される1以上の固体電解質である1に記載の固体電解質。
3.正極活物質、及び1又は2に記載の固体電解質を含む正極合材。
4.正極と、負極と、前記正極及び負極の間に挟持された固体電解質層を有し、前記正極が3に記載の正極合材からなる二次電池。
According to the present invention, the following solid electrolyte and the like are provided.
1. A solid electrolyte coated with one or more compounds selected from aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, boron oxide, silicon oxide and lithium salts thereof, and lithium titanate spinel, lithium tantalum oxide, and lithium niobium oxide.
2. The solid electrolyte is one or more solid electrolytes selected from lithium / phosphorous sulfide solid electrolytes, lithium / silicon sulfide solid electrolytes, lithium / boron sulfide solid electrolytes, and lithium / germanium sulfide solid electrolytes. 2. The solid electrolyte according to 1.
3. A positive electrode mixture comprising a positive electrode active material and the solid electrolyte according to 1 or 2.
4). A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode is made of the positive electrode mixture according to 3.
本発明によれば、レート特性に優れた二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery excellent in the rate characteristic can be provided.
本発明の固体電解質は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ホウ素、酸化ケイ素及びそのリチウム塩、並びにリチウムチタン酸スピネル、リチウム酸化タンタル、リチウム酸化ニオブから選択される1以上の化合物で被覆した固体電解質である。
上記被覆に用いる化合物は、好ましくはリチウムチタン酸スピネルである。
The solid electrolyte of the present invention is coated with one or more compounds selected from aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, boron oxide, silicon oxide and its lithium salt, and lithium titanate spinel, lithium tantalum oxide, lithium niobium oxide. It is a solid electrolyte.
The compound used for the coating is preferably lithium titanate spinel.
本発明の固体電解質のベースとなる固体電解質(ベース固体電解質)は、特に限定されず、有機化合物、無機化合物、あるいは有機・無機両化合物からなる材料を用いることができ、リチウムイオン電池分野で公知のものが使用できる。
好ましいベース固体電解質としては、Li2S−P2S5系等のリチウム・リン系硫化物固体電解質、Li2S−SiS2系等のリチウム・ケイ素系硫化物固体電解質、Li2S−B2S3系等のリチウム・ホウ素系硫化物固体電解質及びLi2S−GeS2系等のリチウム・ゲルマニウム系硫化物固体電解質から選択される1以上の固体電解質である。
硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が他の無機化合物より高いことが知られており、例えば、特開平4−202024号公報等に記載の無機固体電解質を使用できる。具体的には、Li2SとSiS2、GeS2、P2S5、B2S3の組合せからなる無機固体電解質に、適宜、Li3PO4やハロゲン、ハロゲン化合物を添加した無機固体電解質を用いることができる。
The solid electrolyte (base solid electrolyte) used as the base of the solid electrolyte of the present invention is not particularly limited, and an organic compound, an inorganic compound, or a material composed of both organic and inorganic compounds can be used, and is well known in the lithium ion battery field. Can be used.
Preferred base solid electrolytes include lithium / phosphorous sulfide solid electrolytes such as Li 2 S—P 2 S 5 system, lithium / silicon sulfide solid electrolytes such as Li 2 S—SiS 2 system, and Li 2 S—B. It is one or more solid electrolytes selected from lithium / boron sulfide solid electrolytes such as 2 S 3 system and lithium / germanium sulfide solid electrolytes such as Li 2 S—GeS 2 system.
A sulfide-based inorganic solid electrolyte is known to have higher ionic conductivity than other inorganic compounds. For example, an inorganic solid electrolyte described in JP-A-4-202024 can be used. Specifically, an inorganic solid electrolyte in which Li 3 PO 4 , a halogen, or a halogen compound is appropriately added to an inorganic solid electrolyte composed of a combination of Li 2 S and SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , B 2 S 3. Can be used.
また、リチウムイオン伝導性が高いことから、硫化リチウムと五硫化二燐(P2S5)、又は硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄、さらには硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び/又は単体硫黄から生成するリチウムイオン伝導性無機固体電解質を使用することが好ましい。
尚、上記固体電解質は、ガラス状でも、ガラスを焼成したセラミックス状でもよい。
In addition, since lithium ion conductivity is high, lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), or lithium sulfide and simple phosphorus and simple sulfur, and further, lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or It is preferable to use a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte produced from elemental sulfur.
The solid electrolyte may be glassy or ceramics obtained by firing glass.
Li2S−P2S5系電解質の製造に用いる硫化リチウムは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。
好ましくは、硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が好ましくは0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。即ち、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物の恐れがあり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度の固体電解質を得ることはできないおそれがある。
The lithium sulfide used for the production of the Li 2 S—P 2 S 5 system electrolyte can be any industrially available one without particular limitation, but a high purity is preferred.
Preferably, the lithium sulfide has a total content of lithium salts of sulfur oxides of preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a content of lithium N-methylaminobutyrate. It is 0.15 mass% or less, More preferably, it is 0.1 mass% or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). That is, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may be a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of the crystallized product is low. Furthermore, even if this crystallized product is subjected to a heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a solid electrolyte having high ionic conductivity cannot be obtained.
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウム電池のサイクル性能を低下させることがない。
このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。
Further, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, the deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium battery.
When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.
この固体物質で用いられる硫化リチウムの製造法としては、少なくとも上記不純物を低減できる方法であれば特に制限はない。
例えば、以下の方法で製造された硫化リチウムを精製することにより得ることもできる。
以下の製造法の中では、特にa又はbの方法が好ましい。
a.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを0〜150℃で反応させて水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を150〜200℃で脱硫化水素化する方法(特開平7−330312号公報)。
b.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを150〜200℃で反応させ、直接硫化リチウムを生成する方法(特開平7−330312号公報)。
c.水酸化リチウムとガス状硫黄源を130〜445℃の温度で反応させる方法(特開平9−283156号公報)。
The method for producing lithium sulfide used in the solid substance is not particularly limited as long as it is a method that can reduce at least the impurities.
For example, it can also be obtained by purifying lithium sulfide produced by the following method.
Among the following production methods, the method a or b is particularly preferable.
a. A method in which lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 0 to 150 ° C. in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized at 150 to 200 ° C. -330312).
b. A method of directly producing lithium sulfide by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide at 150 to 200 ° C. in an aprotic organic solvent (Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312).
c. A method of reacting lithium hydroxide and a gaseous sulfur source at a temperature of 130 to 445 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 9-283156).
上記のようにして得られた硫化リチウムの精製方法としては、特に制限はない。好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号等が挙げられる。
具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
洗浄に用いる有機溶媒は、非プロトン性極性溶媒であることが好ましく、さらに、硫化リチウム製造に使用する非プロトン性有機溶媒と洗浄に用いる非プロトン性極性有機溶媒とが同一であることがより好ましい。
洗浄に好ましく用いられる非プロトン性極性有機溶媒としては、例えば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機硫黄化合物、環式有機リン化合物等の非プロトン性の極性有機化合物が挙げられ、単独溶媒、又は混合溶媒として好適に使用することができる。特に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)は、良好な溶媒に選択される。
There is no restriction | limiting in particular as a purification method of the lithium sulfide obtained as mentioned above. Preferable purification methods include, for example, International Publication No. WO2005 / 40039.
Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.
The organic solvent used for washing is preferably an aprotic polar solvent, and more preferably, the aprotic organic solvent used for lithium sulfide production and the aprotic polar organic solvent used for washing are the same. .
Examples of the aprotic polar organic solvent preferably used for washing include aprotic polar organic compounds such as amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, Or it can use suitably as a mixed solvent. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is selected as a good solvent.
洗浄に使用する有機溶媒の量は特に限定されず、また、洗浄の回数も特に限定されないが、2回以上であることが好ましい。洗浄は、窒素、アルゴン等の不活性ガス下で行うことが好ましい。
洗浄された硫化リチウムを、洗浄に使用した有機溶媒の沸点以上の温度で、窒素等の不活性ガス気流下、常圧又は減圧下で、5分以上、好ましくは約2〜3時間以上乾燥することにより、本発明で用いられる硫化リチウムを得ることができる。
The amount of the organic solvent used for washing is not particularly limited, and the number of times of washing is not particularly limited, but is preferably 2 or more. Cleaning is preferably performed under an inert gas such as nitrogen or argon.
The washed lithium sulfide is dried at a temperature equal to or higher than the boiling point of the organic solvent used for washing for 5 minutes or more, preferably about 2 to 3 hours or more under an inert gas stream such as nitrogen under normal pressure or reduced pressure. Thus, lithium sulfide used in the present invention can be obtained.
P2S5は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、P2S5に代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.
上記硫化リチウムと、五硫化二燐又は単体燐及び単体硫黄の混合モル比は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。
特に好ましくは、Li2S:P2S5=68:32〜74:26(モル比)程度である。
The mixing molar ratio of the lithium sulfide to diphosphorus pentasulfide or simple phosphorus and simple sulfur is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 75:25.
Particularly preferably, it is about Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32 to 74:26 (molar ratio).
ガラス状電解質である硫化物ガラス(ガラス固体電解質)の製造方法としては、溶融急冷法やメカニカルミリング法(MM法)がある。
溶融急冷法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、ガラス固体電解質が得られる。
この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは1〜1000K/secである。
As a manufacturing method of sulfide glass (glass solid electrolyte) which is a glassy electrolyte, there are a melt quenching method and a mechanical milling method (MM method).
In the case of the melt quenching method, P 2 S 5 and Li 2 S mixed in a predetermined amount in a mortar and pelletized are placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass solid electrolyte is obtained by putting it in ice and quenching.
The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 1 to 1000 K / sec.
MM法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて所定時間反応させることにより、ガラス固体電解質が得られる。
上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス固体電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス固体電解質を得ることができるという利点がある。
また、MM法では、ガラス固体電解質の製造と同時に、ガラス固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は種々の形式を用いることができるが、遊星型ボールミルを使用するのが特に好ましい。
遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転し、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
MM法の回転速度及び回転時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス固体電解質の生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラス固体電解質ヘの原料の転化率は高くなる。
In the case of the MM method, a glass solid electrolyte is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting for a predetermined time by a mechanical milling method.
The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glass solid electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a glass solid electrolyte having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of raw materials.
Further, the MM method has an advantage that the glass solid electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glass solid electrolyte.
Although various types of MM methods can be used, it is particularly preferable to use a planetary ball mill.
The planetary ball mill can efficiently generate very high impact energy by rotating the platform while the pot rotates.
Although the rotation speed and rotation time of the MM method are not particularly limited, the faster the rotation speed, the faster the production rate of the glass solid electrolyte, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material to the glass solid electrolyte.
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
以上、溶融急冷法及びMM法によるガラス固体電解質の具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Although specific examples of the glass solid electrolyte by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.
得られたガラス固体電解質を所定の温度で熱処理すると、ガラスセラミック固体電解質が得られる。
ガラスセラミック固体電解質を生成させる熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは、195℃〜335℃、特に好ましくは、200℃〜330℃である。
190℃より低いと高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、340℃より高いとイオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
熱処理時間は、190℃以上220℃以下の温度の場合は、3〜240時間が好ましく、特に4〜230時間が好ましい。また、220℃より高く340℃以下の温度の場合は、0.1〜240時間が好ましく、特に0.2〜235時間が好ましく、さらに、0.3〜230時間が好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、240時間より長いと、イオン伝導性の低い結晶が生じるとなる恐れがある。
When the obtained glass solid electrolyte is heat-treated at a predetermined temperature, a glass ceramic solid electrolyte is obtained.
The heat treatment temperature for generating the glass ceramic solid electrolyte is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C.
When the temperature is lower than 190 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 340 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
In the case of a temperature of 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours. Moreover, in the case of the temperature higher than 220 degreeC and 340 degrees C or less, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are especially preferable, Furthermore, 0.3 to 230 hours are preferable.
If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. If the heat treatment time is longer than 240 hours, a crystal with low ion conductivity may be formed.
このガラスセラミック固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有することが好ましい。
このような結晶構造を有する固体電解質が、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。
This glass-ceramic solid electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å). It is preferable to have diffraction peaks at ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg.
A solid electrolyte having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.
固体電解質(粒子)を被覆する方法としては、機械的複合化、スプレーコーティング等が挙げられる。例えばスプレーコーティングを用いて被覆する場合、ベース固体電解質粒子に被覆に用いる化合物が分散したエタノール等の溶液をスプレーし、これを加熱することで、被覆された固体電解質粒子が得られる。
固体電解質粒子を被覆した化合物の厚みは、通常0.1〜50nmであり、好ましくは1〜40nmである。
Examples of the method for coating the solid electrolyte (particle) include mechanical complexation and spray coating. For example, in the case of coating using spray coating, the base solid electrolyte particles are sprayed with a solution such as ethanol in which the compound used for coating is dispersed, and heated to obtain coated solid electrolyte particles.
The thickness of the compound coated with the solid electrolyte particles is usually 0.1 to 50 nm, preferably 1 to 40 nm.
本発明の二次電池は、正極と、負極と、正極及び負極の間に挟持された固体電解質層を有し、正極が、上記の被覆固体電解質と正極活物質を含む正極合材からなる。 The secondary battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is made of a positive electrode mixture containing the above-described coated solid electrolyte and a positive electrode active material.
図1は本発明に係る二次電池の一実施形態を示す概略断面図である。
二次電池1は、本発明の被覆固体電解質を含んでなる正極10及び負極30からなる一対の電極間に固体電解質層20が挟持されている。正極10及び負極30にはそれぞれ集電体40及び42が設けられている。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a secondary battery according to the present invention.
In the secondary battery 1, a solid electrolyte layer 20 is sandwiched between a pair of electrodes composed of a positive electrode 10 and a negative electrode 30 each including the coated solid electrolyte of the present invention. Current collectors 40 and 42 are provided on the positive electrode 10 and the negative electrode 30, respectively.
正極10は、本発明の被覆固体電解質及び正極活物質の正極合材からなり、正極合材において、被覆固体電解質と正極材の混合比(重量比)は、好ましくは被覆固体電解質:正極活物質=30〜50:70〜50である。 The positive electrode 10 is composed of the positive electrode mixture of the coated solid electrolyte and the positive electrode active material of the present invention. In the positive electrode mixture, the mixing ratio (weight ratio) of the coated solid electrolyte and the positive electrode material is preferably coated solid electrolyte: positive electrode active material = 30-50: 70-50.
正極活物質は、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が使用できる。好ましくは、TiS2が使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe3)が使用できる。
What is used as a positive electrode active material in the battery field can be used for a positive electrode active material. For example, in the sulfide system, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like can be used. Preferably, TiS 2 can be used.
In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like can be used. It is also possible to use a mixture of these. Preferably, lithium cobaltate can be used.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ) can be used.
負極30は、負極活物質からなり、さらに固体電解質を含む負極合材から構成することもできる。
負極活物質は、電池分野において負極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。またはその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
The negative electrode 30 is made of a negative electrode active material, and can also be made of a negative electrode mixture containing a solid electrolyte.
What is used as a negative electrode active material in the battery field can be used for a negative electrode active material. For example, carbon materials, specifically artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon Examples thereof include fibers, vapor-grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
Also, an alloy in combination with a metal itself such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or another element or compound can be used as the negative electrode material.
上記正極及び負極に、導電助剤として、電子が正極活物質内で円滑に移動するようにするために、電気的に導電性を有す物質を適宜添加してもよい。電気的に導電性を有する物質としては特に限定しないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブのような導電性物質又はポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールのような導電性高分子を単独又は混合して用いることができる。 In order to smoothly move electrons in the positive electrode active material, a material having electrical conductivity may be added as appropriate to the positive electrode and the negative electrode. The electrically conductive substance is not particularly limited, but a conductive substance such as acetylene black, carbon black, or carbon nanotube or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene, or polypyrrole is used alone or in combination. Can do.
正極及び負極は、上記極材を集電体の少なくとも一部に膜状に形成することで作製できる。製膜方法としては、例えば、ブラスト法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法又は溶射法等が挙げられる。このような方法により製膜することで、極材層の空隙率をより小さくすることができ、イオン伝導度を向上させることができる。
簡便な装置や室温条件下、電解質の結晶状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
The positive electrode and the negative electrode can be produced by forming the electrode material in a film shape on at least a part of the current collector. Examples of the film forming method include a blast method, an aerosol deposition method, a cold spray method, a sputtering method, a vapor phase growth method, and a thermal spraying method. By forming a film by such a method, the porosity of the electrode material layer can be further reduced, and the ionic conductivity can be improved.
Blasting and aerosol deposition are preferred because they can be formed in a temperature range that does not change the crystal state of the electrolyte under simple equipment and room temperature conditions.
固体電解質層20は、固体電解質からなる層である。
固体電解質層20に用いる上記固体電解質と、本発明の被覆固体電解質に用いる固体電解質とは同一でも異なってもよい。
The solid electrolyte layer 20 is a layer made of a solid electrolyte.
The solid electrolyte used for the solid electrolyte layer 20 and the solid electrolyte used for the coated solid electrolyte of the present invention may be the same or different.
固体電解質層は、例えば粒子状のリチウムイオン伝導性固体物質を、ブラスト法やエアロゾルデポジション法にて製膜することで製造できる。また、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)又は溶射法等でもリチウムイオン伝導性固体物質の製膜が可能である。
さらに、固体電解質と溶媒やバインダー(結着材や高分子化合物等)を混合した溶液を塗布、塗工した後、溶媒を除去し成膜化する方法もある。また、固体電解質自体や固体電解質とバインダー(結着材や高分子化合物等)や支持体(固体電解質層の強度を補強させたり、固体電解質自体の短絡を防ぐための材料や化合物等)を混合・組合した電解質を加圧プレスすることで成膜することも可能である。
簡便な装置や室温条件下、固体電解質の状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
The solid electrolyte layer can be produced, for example, by forming a particulate lithium ion conductive solid material into a film by a blast method or an aerosol deposition method. Also, a lithium ion conductive solid material can be formed by a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method (CVD), a thermal spraying method, or the like.
Further, there is a method in which a solution in which a solid electrolyte is mixed with a solvent and a binder (binder, polymer compound, etc.) is applied and applied, and then the solvent is removed to form a film. Also, the solid electrolyte itself, solid electrolyte and binder (binder, polymer compound, etc.) and support (materials and compounds to reinforce the strength of the solid electrolyte layer and prevent short circuit of the solid electrolyte itself) are mixed -It is also possible to form a film by pressing the combined electrolyte under pressure.
Blasting and aerosol deposition are preferred because they can be formed in a temperature range that does not change the state of the solid electrolyte under simple equipment and room temperature conditions.
集電体40,42としては、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。 As the current collectors 40, 42, a plate-like body or a foil-like body made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof is used. Can be used.
本発明の二次電池は、上述した電池用部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
The secondary battery of the present invention can be manufactured by laminating and joining the battery members described above. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity. In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
製造例1(リチウム・リン系硫化物固体電解質の製造)
(1)硫化リチウム(Li2S)の製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報の第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1 (Production of lithium / phosphorous sulfide solid electrolyte)
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) of JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.
(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. did. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.
尚、亜硫酸リチウム(Li2SO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)並びにチオ硫酸リチウム(Li2S2O3)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.
(3)リチウム・リン系硫化物固体電解質の製造
上記製造例にて製造したLi2SとP2S5(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。これらを70対30のモル比に調製した混合物を約1gと直径10mmのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末であるリチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質を得た。
得られた粉末について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られたチャートが、非晶質体特有のブロードな形を示していることから、この粉末がガラス化(非晶質化)していることが確認できた。
(3) Production of Lithium / Phosphorus Sulfide Solid Electrolyte Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) produced in the above production example were used as starting materials. About 1 g of a mixture prepared at a molar ratio of 70 to 30 and 10 alumina balls having a diameter of 10 mm were put into a 45 mL alumina container, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) was used. A lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte, which is a white yellow powder, was obtained by performing mechanical milling treatment for 20 hours at room temperature (25 ° C.) in nitrogen at a rotation speed of 370 rpm.
Powder X-ray diffraction measurement was performed on the obtained powder (CuKα: λ = 1.5418Å). Since the obtained chart showed a broad shape peculiar to the amorphous body, it was confirmed that this powder was vitrified (amorphized).
この粉末(リチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質)を、窒素中にて常温(25℃)〜250℃までの温度範囲で焼成処理を行い、リチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質を作製した。このときの昇温・降温には、各々約3時間を要した。 This powder (lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte) was baked in nitrogen at a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 250 ° C. to produce a lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte. . It took about 3 hours to raise and lower the temperature.
上記にて作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られたガラスセラミックは、2θ=17.8deg,18.2deg,19.8deg,21.8deg,23.8deg,25.9deg,29.5deg,30.0に回折ピークを有することが確認され、従来から知られている、Li7PS6、Li4P2S6、Li3PS4とは異なる結晶相を有することが確認できた。 The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte prepared above was subjected to powder X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418Å). The obtained glass ceramic was confirmed to have diffraction peaks at 2θ = 17.8 deg, 18.2 deg, 19.8 deg, 21.8 deg, 23.8 deg, 25.9 deg, 29.5 deg, 30.0, It has been confirmed that it has a crystal phase different from the conventionally known Li 7 PS 6 , Li 4 P 2 S 6 , and Li 3 PS 4 .
この処理により得られたリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質の、室温(25℃)におけるイオン伝導度は、2.0×10−3Scm−1であった。
尚、イオン伝導度は、作製したリチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質(焼成処理前の粉末)を、ペレット状(直径約10mm、厚み約1mm)の成形体に加工し、この成形体について、焼成処理を施しながら測定した。測定は、成形体に電極としてカーボンペーストを塗布したものについて、交流二端子法により行った。
The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte obtained by this treatment had an ionic conductivity at room temperature (25 ° C.) of 2.0 × 10 −3 Scm −1 .
The ionic conductivity is obtained by processing the prepared lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte (powder before firing) into a pellet-shaped (diameter: about 10 mm, thickness: about 1 mm), The measurement was performed while firing. The measurement was performed by an alternating current two-terminal method for a molded body in which a carbon paste was applied as an electrode.
実施例1
表面修飾装置MP−01(パウレックス株式会社製)に、製造例1で得られたガラスセラミック固体電解質を1.5kg仕込んだ。反応器において、ガラスセラミック固体電解質をブロー撹拌し、リチウムエトキサイド及びチタニウムペントキサドのエタノール溶液を、送液ポンプを用いてガラスセラミック固体電解質に噴霧し、ガラスセラミック固体電解質粒子の表面を被覆した。その後、被覆されたガラスセラミック固体電解質粒子を熱処理して、リチウムエトキサイド及びチタニウムペントキサドの被覆層をリチウムチタン酸スピネルの被覆層に変性した。得られた被覆ガラスセラミック固体電解質において、ガラスセラミック固体電解質粒子の表面を膜厚7nmでリチウムチタン酸スピネルが被覆していた。
コバルト酸リチウムと得られた被覆ガラスセラミックを重量で60:40の比率で混合し、正極合材を得た。
負極を構成する負極材として、カーボングラファイト(TIMCAL製、SFG−15)を用い、正極を構成する正極材として上記正極合材用いて、市販のペレット成形機を用い、負極材(10mg)、製造例1で作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質(150mg)、正極合材(20mg)を順次ペレット成形機の中に入れ、順次20t/cm2の圧力を掛け、正極、固体電解質層及び負極の三層のペレットを製造し、測定セルとした。
得られた測定セルについて、レート特性を評価した。得られた測定セルは7.5mA/cm2での充放電が可能であった。
Example 1
1.5 kg of the glass ceramic solid electrolyte obtained in Production Example 1 was charged into a surface modification device MP-01 (manufactured by Paulex Corporation). In the reactor, the glass ceramic solid electrolyte was blown and stirred, and an ethanol solution of lithium ethoxide and titanium pentoxide was sprayed onto the glass ceramic solid electrolyte using a feed pump to coat the surface of the glass ceramic solid electrolyte particles. . Thereafter, the coated glass ceramic solid electrolyte particles were heat-treated to modify the lithium ethoxide and titanium pentoxide coating layer into a lithium titanate spinel coating layer. In the obtained coated glass ceramic solid electrolyte, the surface of the glass ceramic solid electrolyte particles was coated with lithium titanate spinel with a film thickness of 7 nm.
Lithium cobaltate and the obtained coated glass ceramic were mixed at a weight ratio of 60:40 to obtain a positive electrode mixture.
As a negative electrode material constituting the negative electrode, carbon graphite (manufactured by TIMCAL, SFG-15) is used, and as the positive electrode material constituting the positive electrode, the above positive electrode mixture is used. Using a commercially available pellet molding machine, a negative electrode material (10 mg) is manufactured. The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte (150 mg) and the positive electrode mixture (20 mg) prepared in Example 1 were sequentially placed in a pellet molding machine, and a pressure of 20 t / cm 2 was sequentially applied to the positive electrode and the solid electrolyte layer. And a three-layer pellet of a negative electrode was manufactured and used as a measurement cell.
Rate characteristics were evaluated for the obtained measurement cell. The obtained measurement cell was able to be charged and discharged at 7.5 mA / cm 2 .
比較例1
上記正極合材に用いる固体電解質として、被覆リチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質の代わりに製造例1で作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質(被覆されていない固体電解質)を用いた他は実施例1と同様にして測定セルを製造し、評価した。得られた測定セルは、7.5mA/cm2での充放電ができず、レート特性に劣ることが示された。
Comparative Example 1
As the solid electrolyte used in the positive electrode mixture, the lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte (uncoated solid electrolyte) prepared in Production Example 1 is used instead of the coated lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte. A measurement cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained measurement cell could not be charged / discharged at 7.5 mA / cm 2 , indicating that the rate characteristics were inferior.
本発明の固体電解質は、正極合材用に使用できる。本発明の固体電解質を含む正極合材は、二次電池の正極に使用できる。
本発明の二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
The solid electrolyte of the present invention can be used for a positive electrode mixture. The positive electrode mixture containing the solid electrolyte of the present invention can be used for a positive electrode of a secondary battery.
The secondary battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle and the like.
1 二次電池
10 正極
20 固体電解質層
30 負極
40,42 集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Secondary battery 10 Positive electrode 20 Solid electrolyte layer 30 Negative electrode 40,42 Current collector
Claims (4)
前記正極が請求項3に記載の正極合材からなる二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode;
The secondary battery which the said positive electrode consists of the positive electrode compound material of Claim 3.
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