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JP2010033918A - Manufacturing method of lithium battery, and lithium battery obtained by the same - Google Patents

Manufacturing method of lithium battery, and lithium battery obtained by the same Download PDF

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JP2010033918A
JP2010033918A JP2008195595A JP2008195595A JP2010033918A JP 2010033918 A JP2010033918 A JP 2010033918A JP 2008195595 A JP2008195595 A JP 2008195595A JP 2008195595 A JP2008195595 A JP 2008195595A JP 2010033918 A JP2010033918 A JP 2010033918A
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solid electrolyte
active material
sheet
lithium battery
lithium
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JP2008195595A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigeo Matsuzaki
滋夫 松崎
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Idemitsu Kosan Co Ltd
Original Assignee
Idemitsu Kosan Co Ltd
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Abstract

【課題】電極を所望の厚みに調整し、且つ優れた生産効率を有するリチウム電池の製造方法を提供する。
【解決手段】リチウムイオン伝導性結着剤を含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調製する工程と、該結着剤を含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調製する工程と、前記スラリーを、それぞれサイドガードを有する基板に滴下し、ブレードでスラリー厚を調整し、さらに加熱乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する工程と、前記活物質シート及び固体電解質シートのサイドガード側面部を切断する工程と、該切断固体電解質シートを、2枚の該切断活物質シートで挟持して、積層体を形成する工程と、該積層体をさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する工程と、前記リチウムイオン伝導性結着剤の融点以上の温度で真空ホットプレスする工程、を含むリチウム電池の製造方法。
【選択図】図1
A method of manufacturing a lithium battery having an electrode adjusted to a desired thickness and having excellent production efficiency is provided.
An active material slurry is prepared by dispersing an active material in a solvent containing a lithium ion conductive binder, and a sulfide-based solid electrolyte is dispersed in the solvent containing the binder to form a solid. A step of preparing an electrolyte slurry, and a step of dropping each of the slurry onto a substrate having a side guard, adjusting the slurry thickness with a blade, and further forming an active material sheet and a solid electrolyte sheet by heating and drying and peeling. Cutting the side guard side portions of the active material sheet and the solid electrolyte sheet, sandwiching the cut solid electrolyte sheet between the two cut active material sheets, and forming a laminate, A step of sandwiching the laminate with two current collector sheets to form a laminate, and vacuum hot pressing at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder Step method for producing a lithium battery including.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、リチウム電池の製造方法、及びそれより得られるリチウム電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a lithium battery and a lithium battery obtained therefrom.

従来、室温で高いリチウムイオン伝導性を示す電解質のほとんどが液体であり、市販されているリチウムイオン二次電池の多くが有機系電解液を用いている。しかし、有機系電解液を用いたリチウムイオン二次電池は電解質が液体であるので、電解質液の漏洩及び発火の危険性があり、より安全性の高い全固体電池が望まれていた。しかしながら、固体電解質のイオン伝導度は一般的に低く、実用化が難しいのが現状であった。   Conventionally, most electrolytes exhibiting high lithium ion conductivity at room temperature are liquids, and many of the commercially available lithium ion secondary batteries use organic electrolytes. However, since the electrolyte of a lithium ion secondary battery using an organic electrolyte is a liquid, there is a risk of leakage and ignition of the electrolyte, and an all-solid battery with higher safety has been desired. However, the ionic conductivity of solid electrolytes is generally low and it is difficult to put it to practical use.

室温で10−3Scm−1の高いイオン伝導性を示す固体電解質として、LiNをベースとするリチウムイオン伝導性セラミックが知られている。しかし、分解電圧が低いために3V以上で作動する電池を構成することができなかった。 Lithium ion conductive ceramics based on Li 3 N are known as solid electrolytes exhibiting high ion conductivity of 10 −3 Scm −1 at room temperature. However, since the decomposition voltage is low, a battery that operates at 3 V or more cannot be constructed.

上記リチウムイオン伝導性セラミックのほか、特許文献1は1E−4S/cm台の硫化物系固体電解質を開示しており、特許文献2はLiSとPから合成され、1E−4S/cm台のイオン伝導性を示す硫化物系固体電解質を開示している。 The lithium-ion conducting ceramic of addition, Patent Document 1 discloses a 1E -4 S / cm base of the sulfide-based solid electrolyte, Patent Document 2 is synthesized from Li 2 S and P 2 S 5, 1E - A sulfide-based solid electrolyte exhibiting ion conductivity on the order of 4 S / cm is disclosed.

また、特許文献3はLiSとPを68〜74モル%:26〜32モル%の比率で合成した、1E−3S/cm台のイオン伝導性を実現した硫化物系結晶化ガラスを開示している。
しかし、イオン伝導性に優れる特許文献3の固体電解質であるが、これを用いて電池を製造する場合に各電極との界面を維持する方法が難しく必ずしも十分な性能を得るには至っていなかった。
Patent Document 3 discloses a sulfide crystal in which ionic conductivity on the order of 1E −3 S / cm is achieved by synthesizing Li 2 S and P 2 S 5 in a ratio of 68 to 74 mol%: 26 to 32 mol%. Disclosed is a glass.
However, although it is the solid electrolyte of patent document 3 which is excellent in ion conductivity, when manufacturing a battery using this, the method of maintaining an interface with each electrode is difficult, and it has not necessarily resulted in obtaining sufficient performance. .

上述の硫化物系固体電解質の原料であるLiSに関して、特許文献4は水酸化リチウムと硫化水素からLiSを合成する方法を開示している。 Regarding Li 2 S, which is a raw material for the above-described sulfide-based solid electrolyte, Patent Document 4 discloses a method for synthesizing Li 2 S from lithium hydroxide and hydrogen sulfide.

硫化物系固体電解質を用いて電池を形成する方法として、特許文献5は集電体上に正負極活物質と固体電解質からなる合材粉体をそれぞれ積層し、固体電解質をこれら合材に挟持させた積層体を5〜1000MPa程度の圧力で加圧成型する方法を開示している。
しかし、特許文献5の製造方法は、1cm程度の面積の電池であれば適用可能であるが、大面積(100cm以上)の電池に用いることは設備上困難であった。
As a method of forming a battery using a sulfide-based solid electrolyte, Patent Document 5 laminates a composite powder composed of positive and negative electrode active materials and a solid electrolyte on a current collector, and sandwiches the solid electrolyte between these composite materials. A method is disclosed in which the laminated body is subjected to pressure molding at a pressure of about 5 to 1000 MPa.
However, although the manufacturing method of Patent Document 5 can be applied to a battery having an area of about 1 cm 2 , it is difficult to use for a battery having a large area (100 cm 2 or more).

特許文献6は、正極合材、負極合材、固体電解質を用いて、それぞれスラリーを調製し、塗布形成により多層膜をつくり、その後加圧することにより電池とする方法を開示している。上記に加え、特許文献7及び非特許文献1も固体電解質スラリーを塗布した後、加圧成型する方法を開示している。
しかし、特許文献6等の製造方法では、スラリー形成時の溶媒に固体電解質等が再溶解する、スラリー濃度による粘度の変化で膜厚が変動する等多くの問題があった。
Patent Document 6 discloses a method of preparing a battery by preparing a slurry using a positive electrode mixture, a negative electrode mixture, and a solid electrolyte, forming a multilayer film by coating formation, and then pressurizing. In addition to the above, Patent Document 7 and Non-Patent Document 1 also disclose a method of press molding after applying a solid electrolyte slurry.
However, the manufacturing method disclosed in Patent Document 6 has many problems such as the solid electrolyte re-dissolved in the solvent at the time of slurry formation, and the film thickness fluctuates due to a change in viscosity due to the slurry concentration.

酸化物固体電解質を用いた場合では、特許文献8が、従来から知られているセラミックグリーンシートの調製方法を応用して、各活物質グリーンシート、固体電解質グリーンシートをそれぞれ製造し、これらシートの積層体を700℃以上の温度で焼成することでバインダー樹脂を除去して電池を形成する方法を開示している。   In the case of using an oxide solid electrolyte, Patent Document 8 applies each of the conventionally known methods for preparing ceramic green sheets to produce each active material green sheet and solid electrolyte green sheet. A method of forming a battery by removing the binder resin by firing the laminate at a temperature of 700 ° C. or higher is disclosed.

しかし、特許文献8の製造方法では、焼成時の収縮割合による亀裂の発生、熱伝導の不均一性に由来する歪みの発生等問題が多く、また歩留まりも極端に低かった。これら問題に加え、硫化物系固体電解質に特許文献8の方法を適用する場合において、700℃以上での焼成では固体電解質の分解反応が進行する上、酸化反応が進行して期待される高イオン伝導性の電池を形成することができなかった。
特開平4−202024号公報 特開2002−109955号公報 特開2005−228570号公報 特開平7−330312号号公報 特開2000−106154号公報 特開2008−124011号公報 特開平4−133209号公報 特開2007−227362号公報 新エネルギー産業技術総合開発機構平成13年度成果報告書
However, in the production method of Patent Document 8, there are many problems such as generation of cracks due to shrinkage ratio during firing, generation of distortion due to non-uniformity of heat conduction, and the yield is extremely low. In addition to these problems, when the method of Patent Document 8 is applied to a sulfide-based solid electrolyte, decomposition at a temperature of 700 ° C. or higher causes the decomposition reaction of the solid electrolyte to progress, and the high ion expected to progress through the oxidation reaction A conductive battery could not be formed.
JP-A-4-202024 JP 2002-109955 A JP 2005-228570 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312 JP 2000-106154 A JP 2008-121401 A JP-A-4-133209 JP 2007-227362 A New Energy Industry Technology Development Organization 2001 Results Report

本発明は、リチウム電池を構成するシートの厚みを所望の厚みに調整することができ、優れた生産効率を有するリチウム電池の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the lithium battery which can adjust the thickness of the sheet | seat which comprises a lithium battery to desired thickness, and has the outstanding production efficiency.

本発明によれば、以下のリチウム電池の製造方法等が提供される。
1.固体電解質層、活物質層及び集電体層を含むリチウム電池の製造方法であって、以下の工程を含むリチウム電池の製造方法:
リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調製する工程と、
リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調製する工程と、
前記活物質スラリー及び前記固体電解質スラリーを、それぞれサイドガードを有する基板に滴下し、ブレードでスラリー厚みを調整して、さらに加熱乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する工程と、
前記活物質シート及び固体電解質シートのサイドガード側面部分を切断する工程と、
前記サイドガード側面部分を切断した固体電解質シートを、2枚の前記サイドガード側面部分を切断した活物質シートで挟持し、前記2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートをさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する工程と、及び
前記積層体を前記リチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスする工程。
2.前記硫化物系固体電解質が、硫化リン、硫化ケイ素及び硫化ゲルマニウムからなる群から選択される1以上の硫化物、及び硫化リチウムから得られる1に記載のリチウム電池の製造方法。
3.前記リチウムイオン伝導性バインダーがポリエチレングリコール又はポリメタクリル酸メチルである1又は2に記載のリチウム電池の製造方法。
4.前記サイドガードを有する基板が、柔軟性を有する金属からなり、その表面がフッ素でコーティングされてなる1〜3のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。
5.前記集電体シートが、Al、Ti及びSUSからなる群から選択される1以上の金属からなる1〜4のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。
6.前記真空ホットプレスを前記リチウムイオン伝導性ポリマーの融点以上の温度で1MPa以上1000MPa以下の圧力で行う1〜5のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。
7.1〜6のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法より得られるリチウム電池をさらにラミネート処理して得られるリチウム電池パック。
8.1〜6のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法より得られるリチウム電池を備えてなる装置。
According to the present invention, the following lithium battery manufacturing method and the like are provided.
1. A method for manufacturing a lithium battery including a solid electrolyte layer, an active material layer, and a current collector layer, the method including the following steps:
A step of dispersing an active material in a solvent containing a lithium ion conductive binder to prepare an active material slurry;
A step of preparing a solid electrolyte slurry by dispersing a sulfide-based solid electrolyte in a solvent containing a lithium ion conductive binder;
The step of forming the active material sheet and the solid electrolyte sheet by dropping the active material slurry and the solid electrolyte slurry onto a substrate having side guards respectively, adjusting the slurry thickness with a blade, and further drying by heating and peeling. When,
Cutting the side guard side portions of the active material sheet and the solid electrolyte sheet;
The solid electrolyte sheet with the side guard side portion cut is sandwiched between two active material sheets with the side guard side portion cut, and two more active material sheets with the two side guard side portions cut are further sandwiched. A step of forming a laminate by sandwiching it with a current collector sheet, and a step of vacuum hot pressing the laminate at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder.
2. 2. The method for producing a lithium battery according to 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte is obtained from lithium sulfide, one or more sulfides selected from the group consisting of phosphorus sulfide, silicon sulfide, and germanium sulfide.
3. 3. The method for producing a lithium battery according to 1 or 2, wherein the lithium ion conductive binder is polyethylene glycol or polymethyl methacrylate.
4). The manufacturing method of the lithium battery in any one of 1-3 in which the board | substrate which has the said side guard consists of a metal which has a softness | flexibility, and the surface is coated with the fluorine.
5). The manufacturing method of the lithium battery in any one of 1-4 in which the said electrical power collector sheet | seat consists of 1 or more metals selected from the group which consists of Al, Ti, and SUS.
6). The method for producing a lithium battery according to any one of 1 to 5, wherein the vacuum hot pressing is performed at a temperature equal to or higher than a melting point of the lithium ion conductive polymer and at a pressure of 1 MPa to 1000 MPa.
A lithium battery pack obtained by further laminating a lithium battery obtained by the method for producing a lithium battery according to any one of 7.1 to 6.
The apparatus provided with the lithium battery obtained from the manufacturing method of the lithium battery in any one of 8.1-6.

本発明によれば、リチウム電池を構成するシートの厚みを所望の厚みに調整することができ、優れた生産効率を有するリチウム電池の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thickness of the sheet | seat which comprises a lithium battery can be adjusted to desired thickness, and the manufacturing method of the lithium battery which has the outstanding production efficiency can be provided.

本発明のリチウム電池の製造方法は、固体電解質層、活物質層及び集電体層を含むリチウム電池の製造方法であって、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調製する工程と(以下、第1の工程という場合がある);リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調製する工程(以下、第2の工程という場合がある)と;活物質スラリー及び固体電解質スラリーを、それぞれサイドガードを有する基板に滴下し、ブレードでスラリー厚みを調整して、加熱、乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する工程(以下、第3の工程という場合がある)と;活物質シート及び固体電解質シートのサイドガード側面部分を切断する工程(以下、第4の工程という場合がある)と;サイドガード側面部分を切断した固体電解質シートを、2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートで挟持し、2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートをさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する工程(以下、第5の工程という場合がある)と;及び積層体をリチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスする工程(以下、第6の工程という場合がある)を含む。   The method for producing a lithium battery of the present invention is a method for producing a lithium battery comprising a solid electrolyte layer, an active material layer and a current collector layer, wherein the active material is dispersed in a solvent containing a lithium ion conductive binder. A step of preparing a material slurry (hereinafter sometimes referred to as a first step); a step of preparing a solid electrolyte slurry by dispersing a sulfide-based solid electrolyte in a solvent containing a lithium ion conductive binder (hereinafter referred to as a first step). The active material slurry and the solid electrolyte slurry are each dropped onto a substrate having a side guard, the thickness of the slurry is adjusted with a blade, and the active material sheet and A step of forming each of the solid electrolyte sheets (hereinafter sometimes referred to as a third step); a side material of the active material sheet and the solid electrolyte sheet; A step of cutting the side surface portion (hereinafter sometimes referred to as a fourth step); sandwiching the solid electrolyte sheet from which the side guard side surface portion has been cut between two active material sheets from which the side guard side surface portion has been cut; A step of forming a laminated body by sandwiching an active material sheet obtained by cutting two side guard side portions between two current collector sheets (hereinafter also referred to as a fifth step); A step of vacuum hot pressing at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder (hereinafter sometimes referred to as a sixth step).

[第1の工程]
第1の工程では、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調製する。
活物質スラリーの調製に用いるリチウムイオン伝導性バインダーとしては、好ましくはポリエチレングリコール又はポリメタクリル酸メチルを用いる。また、必要に応じてLiPF等のリチウム塩を添加してもよい。
[First step]
In the first step, an active material slurry is prepared by dispersing an active material in a solvent containing a lithium ion conductive binder.
As the lithium ion conductive binder used for the preparation of the active material slurry, polyethylene glycol or polymethyl methacrylate is preferably used. Moreover, you may add lithium salts, such as LiPF 6 , as needed.

リチウムイオン伝導性バインダーの溶媒としては、エタノール等のアルコール類、酢酸n−ブチル、酢酸エチル、トルエン等を用いることができ、好ましくはトルエンである。   As a solvent for the lithium ion conductive binder, alcohols such as ethanol, n-butyl acetate, ethyl acetate, toluene and the like can be used, and preferably toluene.

リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒における、リチウムイオン伝導性バインダーの含有量は、1wt%〜30wt%程度、より好ましくは1wt%〜20wt%である。   The content of the lithium ion conductive binder in the solvent containing the lithium ion conductive binder is about 1 wt% to 30 wt%, more preferably 1 wt% to 20 wt%.

正極活物質スラリーを調製する場合、用いる正極活物質としては、市販されているものを特に限定なく使用することができ、リチウムと遷移金属の複合酸化物等を好適に用いることができる。具体的には、以下に示す各材料及び各元素の組成比が異なる類似の材料が使用でき、LiCoO,LiNiCoO,LiNiO,LiNiMnCoO,LiFeMnO,LiPtO,LiMnNiO,LiMn,LiNiMnO,LiNiVO,LiCrMnO,LiFePO,LiFe(SO,LiCoVO,LiCoPO,S等が挙げられる。粒径に関しても特に制限はないが、平均粒径が数μm〜10μmのものを好適に用いることができる。 When preparing the positive electrode active material slurry, a commercially available positive electrode active material can be used without particular limitation, and a composite oxide of lithium and transition metal can be suitably used. Specifically, the following materials and similar materials having different composition ratios of the respective elements can be used, and LiCoO 2 , LiNiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiMnCoO 2 , LiFeMnO 2 , Li 2 PtO 3 , LiMnNiO 4 , LiMn 2 Examples include O 4 , LiNiMnO 2 , LiNiVO 4 , LiCrMnO 4 , LiFePO 4 , LiFe (SO 4 ) 3 , LiCoVO 4 , LiCoPO 4 , S, and the like. Although there is no restriction | limiting in particular regarding a particle size, The thing with an average particle diameter of several micrometers-10 micrometers can be used suitably.

また、負極活物質スラリーを調製する場合、用いる負極活物質としては、市販されているものを特に限定なく使用することができ、炭素材料やSn金属、In金属等を好適に用いることができる。具体的には、天然黒鉛や各種グラファイト、Sn,Si,Al,Sb,Zn,Bi等の金属粉、SnCu,SnCo,SnFe、Ti−Sn、Ti−Si等の金属合金粉、酸化物(Li4/3Ti5/3O)、窒化物(LiCoN)、その他アモルファス合金やメッキ合金が挙げられる。粒径に関しても特に制限はないが、平均粒径が数μm〜80μmのものを好適に用いることができる。 Moreover, when preparing a negative electrode active material slurry, as a negative electrode active material to be used, what is marketed can be used without particular limitation, and a carbon material, Sn metal, In metal, etc. can be used conveniently. Specifically, natural graphite, various graphites, metal powders such as Sn, Si, Al, Sb, Zn, and Bi, metals such as Sn 5 Cu 6 , Sn 2 Co, Sn 2 Fe, Ti—Sn, and Ti—Si Examples include alloy powder, oxide (Li4 / 3Ti5 / 3O), nitride (LiCoN), and other amorphous alloys and plating alloys. Although there is no restriction | limiting in particular regarding a particle size, A thing with an average particle diameter of several micrometers-80 micrometers can be used suitably.

本発明の活物質スラリーは、好ましくはリチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させ、さらに硫化物系固体電解質を添加する(電極合材スラリー)。尚、用いる硫化物固体電解質は後述する。
硫化物系固体電解質の添加量は、用いる活物質により異なるが、好ましくは活物質:硫化物系固体電解質が50:50〜80:20(重量比)となる範囲である。
In the active material slurry of the present invention, the active material is preferably dispersed in a solvent containing a lithium ion conductive binder, and a sulfide-based solid electrolyte is further added (electrode mixture slurry). The sulfide solid electrolyte used will be described later.
The addition amount of the sulfide-based solid electrolyte varies depending on the active material to be used, but is preferably in the range of 50:50 to 80:20 (weight ratio) of the active material: sulfide-based solid electrolyte.

[第2の工程]
第2の工程では、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調製する。
用いるリチウムイオン伝導性バインダー及び溶媒は第1の工程と同様である。
[Second step]
In the second step, a solid electrolyte slurry is prepared by dispersing a sulfide-based solid electrolyte in a solvent containing a lithium ion conductive binder.
The lithium ion conductive binder and solvent used are the same as in the first step.

固体電解質スラリーの調製に用いる硫化物系固体電解質は特に制限はなく、公知の硫化物系固体電解質を用いることができ、好ましくは硫化リン、硫化ケイ素及び硫化ゲルマニウムからなる群から選択される1以上の硫化物、及び硫化リチウムから得られる硫化物系固体電解質である。   The sulfide-based solid electrolyte used for the preparation of the solid electrolyte slurry is not particularly limited, and a known sulfide-based solid electrolyte can be used, preferably one or more selected from the group consisting of phosphorus sulfide, silicon sulfide, and germanium sulfide. This is a sulfide-based solid electrolyte obtained from sulfides and lithium sulfide.

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、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硫化物系固体電解質を使用することがより好ましい。以下、好ましい硫化物系固体電解質について説明する。   Since lithium ion conductivity is high, lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide, or lithium sulfide and simple phosphorus and simple sulfur, as well as sulfides generated from lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or simple sulfur More preferably, a solid electrolyte is used. Hereinafter, preferred sulfide-based solid electrolytes will be described.

硫化物系固体電解質は、硫化リチウムと、五硫化二燐(P)及び/又は、単体燐及び単体硫黄から製造することができる。具体的には、これらの原料を溶融反応させた後、急冷することにより製造できる。また、これらの原料をメカニカルミリング法(以下、MM法と示すことがある。)により処理して得られる硫化物ガラス、あるいはこれを加熱処理したものである。 The sulfide-based solid electrolyte can be produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and / or simple phosphorus and simple sulfur. Specifically, it can be produced by melting these raw materials and then rapidly cooling them. In addition, sulfide glass obtained by treating these raw materials by a mechanical milling method (hereinafter, sometimes referred to as MM method), or a heat-treated product thereof.

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、以下に説明するように高純度のものが好ましい。
硫化リチウムは、少なくとも硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下、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、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、後記する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)である。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、最初から結晶化物であり、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下記の熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度の硫化物系固体電解質を得ることはできない。
As lithium sulfide, those commercially available without limitation can be used, but those having high purity are preferable as described below.
Lithium sulfide has at least a total content of lithium salt of sulfur oxide of 0.15% by mass or less, preferably 0.1% by mass or less, and a content of lithium N-methylaminobutyrate of 0.15% by mass. Hereinafter, it is preferably 0.1% by 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 described later is 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 is a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of this crystallized product is low. Furthermore, even if the crystallized product is subjected to the following heat treatment, the crystallized product is not changed, and a sulfide-based solid electrolyte having high ion 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。   Further, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium battery.

このように、高イオン伝導性電解質を得るためには、不純物が低減された硫化リチウムを用いる必要がある。   Thus, in order to obtain a high ion conductive electrolyte, it is necessary to use lithium sulfide with reduced impurities.

高イオン伝導性電解質の製造に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、次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 for producing the high ion conductive electrolyte 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号等に記載の方法が挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a purification method of the lithium sulfide obtained as mentioned above. As a preferable purification method, for example, the method described in International Publication No. WO2005 / 40039 and the like can be mentioned.

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。   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. .

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。   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。   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.

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、本発明で好適に用いられる硫化リチウムを得ることができる。   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 suitably used in the present invention can be obtained.

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、P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.

本発明において、固体電解質としては、ガラス状固体電解質及び結晶成分を含有する固体電解質の両方が使用できる。必要とする特性に合わせて種類を選定すればよい。また、両方を使用してもよい。   In the present invention, as the solid electrolyte, both a glassy solid electrolyte and a solid electrolyte containing a crystal component can be used. The type should be selected according to the required characteristics. Both may be used.

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、LiS:P=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の製造方法としては、例えば、溶融急冷法やメカニカルミリング法が挙げられる。   Examples of the method for producing a sulfide glass that is a glassy electrolyte include a melt quenching method and a mechanical milling method.

溶融急冷法による場合、PとLiS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、硫化物ガラスが得られる。 In the case of the melt quenching method, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar, and the pellets are placed in a carbon-coated quartz tube and sealed in a vacuum. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass is put into ice and quenched to obtain a sulfide glass.

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1〜10000K/sec程度、好ましくは1〜1000K/secである。   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 reaction product is usually 10 ° C. or lower, preferably 0 ° C. or lower, and the cooling rate is about 1 to 10,000 K / sec, preferably 1 to 1000 K / sec.

MM法による場合、PとLiS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、硫化物ガラスが得られる。 In the case of the MM method, sulfide glass 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.

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、室温でガラス状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状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、ガラス状電解質の製造と同時に、ガラス状電解質を微粉末化できるという利点もある。   The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glassy electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a raw material is not thermally decomposed and a glassy electrolyte having a charged composition can be obtained. Further, the MM method has an advantage that the glassy electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glassy electrolyte.

MM法は種々の形式の粉砕法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。   Although various types of pulverization methods can be used for the MM method, 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.

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、ガラス状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質状電解質ヘの原料の転化率は高くなる。   Although the rotation speed and rotation time of the MM method are not particularly limited, the faster the rotation speed, the faster the glassy electrolyte production rate, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material into the glassy electrolyte.

このようにして得られた電解質は、ガラス状電解質であり、通常、イオン伝導度は1.0×10−5〜8.0×10−4(S/cm)程度である。 The electrolyte thus obtained is a glassy electrolyte and usually has an ionic conductivity of about 1.0 × 10 −5 to 8.0 × 10 −4 (S / cm).

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。   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.

以上、溶融急冷法及びMM法による硫化物ガラス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。   Although specific examples of the sulfide glass 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.

その後、得られた硫化物ガラスを所定の温度で熱処理することにより、結晶成分を含有する固体電解質が生成する。   Thereafter, the obtained sulfide glass is heat-treated at a predetermined temperature to produce a solid electrolyte containing a crystal component.

このような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。   The heat treatment temperature for producing such a 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.

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。   The heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours, when the temperature is 190 ° C or higher and 220 ° C or lower. When the temperature is higher than 220 ° C and not higher than 340 ° C, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are particularly preferable, and 0.3 to 230 hours are more 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.

このようにして得られた、結晶成分を含有する硫化物系固体電解質は、通常、イオン伝導度は、7.0×10−4〜5.0×10−3(S/cm)程度である。 The sulfide-based solid electrolyte containing the crystal component thus obtained usually has an ionic conductivity of about 7.0 × 10 −4 to 5.0 × 10 −3 (S / cm). .

この硫化物系固体電解質は、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 sulfide-based solid electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.X in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184). It is preferable to have a diffraction peak at 8 ± 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.

硫化物系固体電解質の添加量は、スラリーの粘度、乾燥後の膜厚等を考慮して適宜選択すればよいが、通常、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒に対して5wt%〜30wt%であり、好ましくは10wt%〜20wt%の範囲である。   The addition amount of the sulfide-based solid electrolyte may be appropriately selected in consideration of the viscosity of the slurry, the film thickness after drying, etc., but is usually 5 wt% to 30 wt% with respect to the solvent containing the lithium ion conductive binder. Yes, preferably in the range of 10 wt% to 20 wt%.

[第3の工程]
第3の工程では、活物質スラリー及び固体電解質スラリーを、それぞれサイドガードを有する基板に滴下し、ブレードでスラリー厚みを調整して、乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する。
[Third step]
In the third step, the active material slurry and the solid electrolyte slurry are respectively dropped onto a substrate having a side guard, the slurry thickness is adjusted with a blade, and the active material sheet and the solid electrolyte sheet are formed by drying and peeling, respectively. To do.

図1は、第3の工程を示す模式図である。図1に示すように、基板供給ロール10から供給される基板20上に、ノズル30を用いてスラリーを滴下する。基板20上のスラリーは加熱処理及び乾燥処理されて電池シート(活物質シート又は固体電解質シート)40となり、ブレード50でその厚みが調整される。電池シート40と基板20は、基板巻取りロール60及び電池シート巻取りロール70で剥離され、それぞれ巻き取られる。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the third step. As shown in FIG. 1, slurry is dropped onto a substrate 20 supplied from a substrate supply roll 10 using a nozzle 30. The slurry on the substrate 20 is heat-treated and dried to form a battery sheet (active material sheet or solid electrolyte sheet) 40, and the thickness thereof is adjusted by the blade 50. The battery sheet 40 and the substrate 20 are peeled off by the substrate take-up roll 60 and the battery sheet take-up roll 70, respectively, and taken up.

図2は、図1のスラリー滴下及び電池シート作製の拡大模式図である。図2に示すように、電池シート40の厚みは、シートの横幅に合わせてノズルを適宜増減させて滴下量を調整することで調整することができ(図2(1))、また、加熱処理及び乾燥処理の条件、並びに電池シート40の移動速度によっても調整することができる(図2(2))。
第3の工程では、図2に示すようにインクジェット印刷の技術を用いると簡便に電池シートを作製することができる。
FIG. 2 is an enlarged schematic view of slurry dropping and battery sheet production in FIG. As shown in FIG. 2, the thickness of the battery sheet 40 can be adjusted by adjusting the amount of dripping by appropriately increasing or decreasing the number of nozzles in accordance with the width of the sheet (FIG. 2 (1)). And it can adjust also with the conditions of drying processing, and the moving speed of the battery sheet 40 (FIG. 2 (2)).
In the third step, as shown in FIG. 2, a battery sheet can be easily produced by using an ink jet printing technique.

図1では、電池シート40と基板20をそれぞれ巻き取ることで剥離しているが、ロール状に巻き取るのが困難な場合は、幅方向に切断することによりA5シート又は名刺状シートで回収することも可能である。図2(2)では、楔形剥離部材24を用いて、電池シート40と基板20を幅方向に切断している。   In FIG. 1, the battery sheet 40 and the substrate 20 are separated by winding, but when it is difficult to wind in a roll shape, the sheet is recovered in the A5 sheet or business card sheet by cutting in the width direction. It is also possible. In FIG. 2 (2), the battery sheet 40 and the substrate 20 are cut in the width direction using the wedge-shaped peeling member 24.

本発明の活物質スラリー及び固体電解質スラリーは、リチウムイオン伝導性バインダーを含むので、例えばバインダーとして絶縁性の樹脂等を用いた場合と異なり、得られる電池シートは、バインダーに由来する絶縁性が生じることを抑えることができる。   Since the active material slurry and the solid electrolyte slurry of the present invention contain a lithium ion conductive binder, for example, unlike the case where an insulating resin or the like is used as the binder, the resulting battery sheet has insulation derived from the binder. That can be suppressed.

図2に示すように基板20はサイドガード22を有する。本発明では、好ましくはサイドガード22を有する基板20は、柔軟性を有する金属からなり、その表面がフッ素でコーティングされている。
上記柔軟性を有する金属としては、好ましくはAl、SUS等の金属箔が挙げられる。
As shown in FIG. 2, the substrate 20 has side guards 22. In the present invention, the substrate 20 having the side guard 22 is preferably made of a flexible metal, and the surface thereof is coated with fluorine.
The metal having flexibility is preferably a metal foil such as Al or SUS.

[第4の工程]
第4の工程では、活物質シート及び固体電解質シートのサイドガード側面部分を切断する。
図3は、第3の工程で得られた電池シートの概略断面図である。図3(1)が示すように、加熱処理及び乾燥処理の条件にもよるが、通常、電池シートのサイドガード側面部分の膜厚は厚くなる傾向がある。これは、サイドガード側面部分の表面張力に起因し、得られる電池に歪みが生じるのを防ぐため、電池シートのサイド端部を切断する必要がある。一方、図3(2)は、上述のフッ素コーティングしたサイドガードを有する基板を用いて作製した電池シートの概略断面図である。図3(2)が示すように、フッ素コーティングされたサイドガードはその表面が離型性に優れるため、スラリーと互いに反発して、得られる電池シートはサイドガード側面部分が薄くなる。電池シートのサイドガード側面部分の膜厚が薄い電池シートであっても、サイド端部の切断は必要であるが、切断量を減量できるのでスラリーの利用効率を高めることができるうえ、得られる電池シートの歩留まりをよくすることができる。
[Fourth step]
In the fourth step, the side guard side portions of the active material sheet and the solid electrolyte sheet are cut.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the battery sheet obtained in the third step. As shown in FIG. 3 (1), although it depends on the conditions of the heat treatment and the drying treatment, the film thickness of the side guard side surface portion of the battery sheet usually tends to be thick. This is due to the surface tension of the side surface of the side guard, and it is necessary to cut the side end of the battery sheet in order to prevent the resulting battery from being distorted. On the other hand, FIG. 3 (2) is a schematic cross-sectional view of a battery sheet produced using the above-described substrate having a fluorine-coated side guard. As shown in FIG. 3 (2), the surface of the fluorine-coated side guard is excellent in releasability, so that it repels each other and the obtained battery sheet has a thin side guard side portion. Even if the battery sheet has a thin side guard side film thickness, it is necessary to cut the side edge, but the amount of cutting can be reduced, so that the efficiency of using the slurry can be increased and the resulting battery can be obtained. The yield of the seat can be improved.

[第5の工程及び第6の工程]
第5の工程では、サイドガード側面部分を切断した固体電解質シートを、2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートで挟持し、2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートをさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する。
第6の工程では、第5の工程で得られた積層体をリチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスする。
[Fifth step and sixth step]
In the fifth step, the solid electrolyte sheet cut from the side guard side part is sandwiched between the active material sheets cut from the two side guard side parts, and the active material sheet cut from the two side guard side parts is further A laminated body is formed by being sandwiched between two current collector sheets.
In the sixth step, the laminate obtained in the fifth step is vacuum hot pressed at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder.

図4は、正極活物質シート、固体電解質シート、負極活物質シート及び集電体シートを積層し、得られた積層体を真空ホットプレスして電池を製造する過程の概略断面図である。
図4が示すように、固体電解質シート供給ロール80から固体電解質シート42を、正極活物質シート供給ロール90から正極活物質シート44を、及び負極活物質シート供給ロール100から負極活物質シート46をそれぞれ供給し、正極活物質シート44、固体電解質シート42及び負極活物質シート46がこの順に積層した積層体とする。この積層体の正極活物質シート44及び負極活物質シート46の両側から集電体シート供給ロール110から供給される2枚の集電体シート112をさらに積層して、プレスロール120で真空ホットプレスすることでリチウム電池が得られる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a process of stacking a positive electrode active material sheet, a solid electrolyte sheet, a negative electrode active material sheet, and a current collector sheet, and manufacturing the battery by vacuum hot pressing the obtained laminate.
As shown in FIG. 4, the solid electrolyte sheet 42 from the solid electrolyte sheet supply roll 80, the positive electrode active material sheet 44 from the positive electrode active material sheet supply roll 90, and the negative electrode active material sheet 46 from the negative electrode active material sheet supply roll 100. Each is supplied to form a laminate in which the positive electrode active material sheet 44, the solid electrolyte sheet 42, and the negative electrode active material sheet 46 are laminated in this order. Two current collector sheets 112 supplied from the current collector sheet supply roll 110 are further laminated from both sides of the positive electrode active material sheet 44 and the negative electrode active material sheet 46 of the laminate, and vacuum hot pressing is performed by the press roll 120. By doing so, a lithium battery is obtained.

図4に示すように本発明は、積層体の作製及び積層体の一括プレスを連続して行うことができるので、リチウム電池の生産効率を大きく高めることができる。
積層体を形成する方法としては、図4に示すロール状シートから順次引き出しつつ積層する方法と、各シートを所望の大きさに切断後に積層する方法がある。生産性の観点から、ロール状シートから直接積層する方法が望ましいが、シートを移送する際に歪みが発生するおそれがある。
As shown in FIG. 4, since the present invention can continuously perform the production of the laminate and the batch pressing of the laminate, the production efficiency of the lithium battery can be greatly increased.
As a method of forming a laminated body, there are a method of laminating while sequentially drawing from the roll-shaped sheet shown in FIG. 4, and a method of laminating each sheet after cutting it to a desired size. From the viewpoint of productivity, a method of directly laminating from a roll sheet is desirable, but distortion may occur when the sheet is transferred.

集電体シートは、好ましくはAl、Ti及びSUSからなる群から選択される1以上の金属からなる集電体シートである。   The current collector sheet is preferably a current collector sheet made of one or more metals selected from the group consisting of Al, Ti and SUS.

図5は、図4のプレス工程の拡大断面図である。
図5に示されるように、本発明では積層体をリチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスして、積層体の各シートを融着させる。真空ホットプレスの代わりに、不活性雰囲気下でのホットプレスを適用できるが、スラリー溶媒の完全な除去や膜中ガスの除去ができないおそれがある。尚、プレス方法は、面でプレスする方法とロールでプレスする方法とがあるが、特に限定されない。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the pressing step of FIG.
As shown in FIG. 5, in the present invention, the laminate is vacuum hot pressed at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder to fuse each sheet of the laminate. A hot press under an inert atmosphere can be applied instead of the vacuum hot press, but there is a possibility that the slurry solvent cannot be completely removed or the gas in the film cannot be removed. The pressing method includes a surface pressing method and a roll pressing method, but is not particularly limited.

上記真空ホットプレスのプレス圧力は、好ましくは1MPa以上1000MPa以下であり、より好ましくは1MPa以上500MPa以下である。   The press pressure of the vacuum hot press is preferably 1 MPa or more and 1000 MPa or less, more preferably 1 MPa or more and 500 MPa or less.

本発明のリチウム電池の製造方法は優れた生産効率を有し、得られるリチウム電池はさらにラミネート処理することでリチウム電池パックとすることができる。   The method for producing a lithium battery of the present invention has excellent production efficiency, and the obtained lithium battery can be further laminated to form a lithium battery pack.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。但し、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

作製例
[硫化リチウムの調製]
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報における第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。以下、具体的に説明する。
まず、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。
Preparation example [Preparation of lithium sulfide]
Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) in JP-A-7-330312. This will be specifically described below.
First, 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 at 300 rpm and 130 ° C. The temperature was raised to. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours.

続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し、硫化リチウムを得た。尚、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。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後(約80分)に反応を終了し、硫化リチウムを調製した。   Subsequently, the temperature of the reaction solution was raised under a nitrogen stream (200 cc / min), and the reacted lithium hydrosulfide was dehydrosulfurized to obtain lithium sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between the 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. The reaction was completed after the dehydrosulfurization reaction of lithium hydrosulfide (about 80 minutes) to prepare lithium sulfide.

[硫化リチウムの精製]
調製した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NMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。そのままの温度でNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、そのままの温度で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。
[Purification of lithium sulfide]
After decanting NMP in the prepared 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry), 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. NMP was decanted at the same temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred for about 1 hour at 105 ° C., NMP was decanted at the same 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.

得られた精製硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)、チオ硫酸リチウム(Li)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、精製硫化リチウムの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。
The impurity content in the obtained purified lithium sulfide was measured. The content of each sulfur oxide of lithium sulfite (Li 2 SO 3 ), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3 ), and lithium N-methylaminobutyrate (LMAB) Quantification was performed by ion chromatography.
As a result, the total content of sulfur oxides of purified lithium sulfide was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.

[硫化物系固体電解質の調製]
調製した平均粒径30μm程度の精製硫化リチウム(LiS)32.54gと、平均粒径50μm程度のP(アルドリッチ社製)67.46gを、10mmφアルミナボール175個が入った500mlアルミナ製容器に入れ密閉した。尚、上記計量及び密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去した。
[Preparation of sulfide-based solid electrolyte]
500 ml of purified lithium sulfide (Li 2 S) having an average particle size of about 30 μm and 67.46 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) having an average particle size of about 50 μm containing 175 10 mmφ alumina balls Sealed in an alumina container. The above weighing and sealing operations were all carried out in the glove box, and all the equipment used was previously dehydrated with a dryer.

密閉したアルミナ製容器を、遊星ボールミル(レッチェ社製PM400)にて、室温下、36時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の固体電解質ガラス粒子を得た。このときの回収率は78%であった。   The sealed alumina container was mechanically milled at room temperature for 36 hours with a planetary ball mill (PM400 manufactured by Lecce) to obtain white yellow solid electrolyte glass particles. The recovery rate at this time was 78%.

得られた固体電解質ガラス粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、原料LiSのピークは観測されず、固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。
上記固体電解質ガラス粒子を、グローブボックス内Ar雰囲気下で、SUS製チューブに密閉し、300℃、2時間の加熱処理を施して固体電解質ガラスセラミック粒子(平均粒径14.52μm)を得た。得られた固体電解質ガラスセラミック粒子のX線回折測定では、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
この固体電解質ガラスセラミック粒子の伝導度は、1.3×10−3S/cmであった。
As a result of X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54184) of the obtained solid electrolyte glass particles, the peak of the raw material Li 2 S was not observed, and it was a halo pattern resulting from the solid electrolyte glass.
The solid electrolyte glass particles were sealed in a SUS tube under an Ar atmosphere in a glove box, and subjected to heat treatment at 300 ° C. for 2 hours to obtain solid electrolyte glass ceramic particles (average particle size 14.52 μm). In the X-ray diffraction measurement of the obtained solid electrolyte glass ceramic particles, peaks were observed at 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29.5, 30.0 deg. Was observed.
The conductivity of the solid electrolyte glass ceramic particles was 1.3 × 10 −3 S / cm.

実施例1
[固体電解質スラリーの調製]
作製した固体電解質(固体電解質ガラスセラミック粒子)43gを、ポリエチレングリコール10gを溶解したトルエン溶媒500ml中に添加して、固形分濃度が約10wt%の固体電解質スラリーを得た。
Example 1
[Preparation of solid electrolyte slurry]
43 g of the produced solid electrolyte (solid electrolyte glass ceramic particles) was added to 500 ml of a toluene solvent in which 10 g of polyethylene glycol was dissolved to obtain a solid electrolyte slurry having a solid concentration of about 10 wt%.

[正極合材スラリーの調製]
作製した固体電解質(固体電解質ガラスセラミック粒子)12.9g及び正極活物質であるLiCoO(戸田工業株式会社製)30.1gを、ポリエチレングリコール10gを溶解したトルエン溶媒500ml中に添加して、正極合材スラリーを得た。
[Preparation of positive electrode mixture slurry]
12.9 g of the produced solid electrolyte (solid electrolyte glass ceramic particles) and 30.1 g of LiCoO 2 (manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) which is a positive electrode active material are added to 500 ml of a toluene solvent in which 10 g of polyethylene glycol is dissolved. A mixture slurry was obtained.

[負極合材スラリーの調製]
作製した固体電解質(固体電解質ガラスセラミック粒子)17.2g及び負極活物質であるカーボン(SFG75,キムカル製)25.8gを、ポリエチレングリコール10gを溶解したトルエン溶媒500ml中に添加して、負極合材スラリーを得た。
[Preparation of negative electrode mixture slurry]
The prepared solid electrolyte (solid electrolyte glass ceramic particles) 17.2 g and the negative electrode active material carbon (SFG75, manufactured by Kimcal) 25.8 g were added to 500 ml of toluene solvent in which 10 g of polyethylene glycol was dissolved, and the negative electrode mixture A slurry was obtained.

[固体電解質シート及び活物質シートの作製]
図1に示す工程に沿って、固体電解質シート、正極合材シート、負極合材シートをそれぞれ作製した。
サイドガードを有する基板をロールで移送し、調製した各スラリーを適宜滴下することにより所望の深さを有するスラリー層を形成した。スラリーの厚みは滴下するスラリー量と基板の移送速度により決定されるが、50μm〜500μmの範囲で形成できるようにサイドガード高は500μmで作製した。サイドガードを有する基板は、Alシートの端部にAlワイヤを変形加工したガード部を溶接加工することで作製した。横幅は特に制限は受けないが10cmとし、長さ30mとした。乾燥後の剥離性を考慮し、基板表面にテフロン(登録商標)加工を施した。
[Production of solid electrolyte sheet and active material sheet]
A solid electrolyte sheet, a positive electrode mixture sheet, and a negative electrode mixture sheet were produced along the steps shown in FIG.
The board | substrate which has a side guard was transferred with the roll, and the slurry layer which has a desired depth was formed by dripping each prepared slurry suitably. The thickness of the slurry is determined by the amount of slurry dropped and the transfer speed of the substrate, but the side guard height was 500 μm so that it could be formed in the range of 50 μm to 500 μm. The board | substrate which has a side guard was produced by welding the guard part which deformed the Al wire at the edge part of the Al sheet. The width is not particularly limited, but is 10 cm and the length is 30 m. In consideration of the peelability after drying, Teflon (registered trademark) processing was applied to the substrate surface.

図2に示すように、各スラリーを一定量滴下できるようにバルブ調整機能を付与したノズルで、1滴/10秒の速度で滴下するようにした。基板移送速度は、十分にスラリーが満たされるように5cm/分の割合で移送した。この移送速度と滴下量は、所望の膜厚により調整する必要があるが、本実施例では、ほぼ100μmのシート厚みを得ることを基準に設定した。   As shown in FIG. 2, each nozzle was dropped at a rate of 1 drop / 10 seconds with a nozzle provided with a valve adjustment function so that a certain amount of each slurry could be dropped. The substrate transfer speed was transferred at a rate of 5 cm / min so that the slurry was sufficiently filled. The transfer speed and the dropping amount need to be adjusted depending on the desired film thickness. In this example, the transfer speed and the dropping amount were set based on obtaining a sheet thickness of about 100 μm.

スラリーを滴下後、液面の確保と基板の水平を得る目的でドクターブレードによりサイドガード高さに規制した。続いて、スラリーを乾燥させるため、熱風乾燥エリアを通過させた。熱風乾燥エリアの距離(時間)に関しては、スラリーの固形分濃度(溶媒量)にもよるため、乾燥に十分な距離を確保する条件を必要とする。
図3に示すように乾燥後にサイドガード側端部をカッターにより切断した。本実施例では、鋭角な刃物を用いて切断した。
After dropping the slurry, the height of the side guard was regulated by a doctor blade for the purpose of securing the liquid level and obtaining the level of the substrate. Subsequently, in order to dry the slurry, it was passed through a hot air drying area. Since the distance (time) of the hot air drying area depends on the solid content concentration (solvent amount) of the slurry, a condition for ensuring a sufficient distance for drying is required.
As shown in FIG. 3, the side guard side edge part was cut | disconnected with the cutter after drying. In this example, cutting was performed using an acute blade.

[リチウム電池の作製]
作製した固体電解質シート、正極合材シート及び負極合材シートをロール状にし、さらに集電体ロールと組み合わせて、図4に示す工程で積層体を作製した。その後、積層体を
100℃で真空ホットロールプレスし、リチウム電池を作製した。
尚、集電体ロールは、正極、負極に関して最適なもの選択すればよく、特に制限は受けないが、従来からの安定性を考慮し、0.1mm厚みのInシート及びSUSシートを採用して実施した。
[Production of lithium battery]
The produced solid electrolyte sheet, the positive electrode mixture sheet and the negative electrode mixture sheet were formed into a roll and combined with a current collector roll to produce a laminate in the step shown in FIG. Then, the laminated body was vacuum hot roll pressed at 100 ° C. to produce a lithium battery.
The current collector roll is not particularly limited as long as the most suitable positive electrode and negative electrode are selected. In consideration of conventional stability, a 0.1 mm-thick In sheet and SUS sheet are used. Carried out.

作製したリチウム電池を周辺部が短絡しないように打ち抜き、HSセルにセットして充放電評価を実施した。カットオフ電圧を下限1.5V、上限3.7Vとし、充電後の充電容量に対する放電容量の比及びその積算値である放電出力により実施した。その結果、得られたリチウム電池の正極活物質換算、0.2Cレートでの放電容量は120mAh/gであった。   The manufactured lithium battery was punched out so that the peripheral portion was not short-circuited, and set in an HS cell, and charge / discharge evaluation was performed. The cut-off voltage was set to a lower limit of 1.5 V and an upper limit of 3.7 V, and the discharge capacity was a ratio of the discharge capacity to the charge capacity after charging and a discharge output that was an integrated value thereof. As a result, the obtained lithium battery had a discharge capacity of 120 mAh / g in terms of positive electrode active material at a rate of 0.2C.

本発明のリチウム電池の製造方法は、リチウム電池を効率よく製造することができる。
本発明のリチウム電池パックは、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 method for producing a lithium battery of the present invention can produce a lithium battery efficiently.
The lithium battery pack of the present invention can be used as a battery for portable information terminals, portable electronic devices, household small-sized power storage devices, motorcycles using electric power as a motor, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like.

第3の工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a 3rd process. 図1のスラリー滴下工程及び電池シート作製工程の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the slurry dripping process and battery sheet preparation process of FIG. 第3の工程で得られた電池シートの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the battery sheet obtained at the 3rd process. 正極活物質シート、固体電解質シート、負極活物質シート及び集電体シートを積層し、得られた積層体をプレスして電池を製造する過程の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the process of laminating | stacking a positive electrode active material sheet, a solid electrolyte sheet, a negative electrode active material sheet, and a collector sheet, and manufacturing the battery by pressing the obtained laminated body. 図4のプレス工程の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the press process of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板供給ロール
20 基板
22 サイドガード
24 楔形剥離部材
30 ノズル
40 電池シート
42 固体電解質シート
44 正極活物質シート
46 負極活物質シート
50 ブレード
60 基板巻取りロール
70 電池シート巻取りロール
80 固体電解質シート供給ロール
90 正極活物質シート供給ロール
100 負極活物質シート供給ロール
110 集電体シート供給ロール
112 集電体シート
120 プレスロール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate supply roll 20 Substrate 22 Side guard 24 Wedge-shaped peeling member 30 Nozzle 40 Battery sheet 42 Solid electrolyte sheet 44 Positive electrode active material sheet 46 Negative electrode active material sheet 50 Blade 60 Substrate winding roll 70 Battery sheet take-up roll 80 Solid electrolyte sheet supply Roll 90 Positive electrode active material sheet supply roll 100 Negative electrode active material sheet supply roll 110 Current collector sheet supply roll 112 Current collector sheet 120 Press roll

Claims (8)

固体電解質層、活物質層及び集電体層を含むリチウム電池の製造方法であって、以下の工程を含むリチウム電池の製造方法:
リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調製する工程と、
リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調製する工程と、
前記活物質スラリー及び前記固体電解質スラリーを、それぞれサイドガードを有する基板に滴下し、ブレードでスラリー厚みを調整して、さらに加熱乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する工程と、
前記活物質シート及び固体電解質シートのサイドガード側面部分を切断する工程と、
前記サイドガード側面部分を切断した固体電解質シートを、2枚の前記サイドガード側面部分を切断した活物質シートで挟持し、前記2枚のサイドガード側面部分を切断した活物質シートをさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する工程と、及び
前記積層体を前記リチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスする工程。
A method for manufacturing a lithium battery including a solid electrolyte layer, an active material layer, and a current collector layer, the method including the following steps:
A step of dispersing an active material in a solvent containing a lithium ion conductive binder to prepare an active material slurry;
A step of preparing a solid electrolyte slurry by dispersing a sulfide-based solid electrolyte in a solvent containing a lithium ion conductive binder;
The step of forming the active material sheet and the solid electrolyte sheet by dropping the active material slurry and the solid electrolyte slurry onto a substrate having side guards respectively, adjusting the slurry thickness with a blade, and further drying by heating and peeling. When,
Cutting the side guard side portions of the active material sheet and the solid electrolyte sheet;
The solid electrolyte sheet with the side guard side portion cut is sandwiched between two active material sheets with the side guard side portion cut, and two more active material sheets with the two side guard side portions cut are further sandwiched. A step of forming a laminate by sandwiching it with a current collector sheet, and a step of vacuum hot pressing the laminate at a temperature equal to or higher than the melting point of the lithium ion conductive binder.
前記硫化物系固体電解質が、硫化リン、硫化ケイ素及び硫化ゲルマニウムからなる群から選択される1以上の硫化物、及び硫化リチウムから得られる請求項1に記載のリチウム電池の製造方法。   The method for producing a lithium battery according to claim 1, wherein the sulfide-based solid electrolyte is obtained from lithium sulfide, one or more sulfides selected from the group consisting of phosphorus sulfide, silicon sulfide, and germanium sulfide. 前記リチウムイオン伝導性バインダーがポリエチレングリコール又はポリメタクリル酸メチルである請求項1又は2に記載のリチウム電池の製造方法。   The method for producing a lithium battery according to claim 1, wherein the lithium ion conductive binder is polyethylene glycol or polymethyl methacrylate. 前記サイドガードを有する基板が、柔軟性を有する金属からなり、その表面がフッ素でコーティングされてなる請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。   The method for manufacturing a lithium battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate having the side guard is made of a flexible metal, and the surface thereof is coated with fluorine. 前記集電体シートが、Al、Ti及びSUSからなる群から選択される1以上の金属からなる請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。   The method for manufacturing a lithium battery according to claim 1, wherein the current collector sheet is made of one or more metals selected from the group consisting of Al, Ti, and SUS. 前記真空ホットプレスを前記リチウムイオン伝導性ポリマーの融点以上の温度で1MPa以上1000MPa以下の圧力で行う請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法。   The method for producing a lithium battery according to claim 1, wherein the vacuum hot pressing is performed at a temperature equal to or higher than a melting point of the lithium ion conductive polymer and a pressure of 1 MPa to 1000 MPa. 請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法より得られるリチウム電池をさらにラミネート処理して得られるリチウム電池パック。   The lithium battery pack obtained by further laminating the lithium battery obtained from the manufacturing method of the lithium battery in any one of Claims 1-6. 請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム電池の製造方法より得られるリチウム電池を備えてなる装置。   The apparatus provided with the lithium battery obtained from the manufacturing method of the lithium battery in any one of Claims 1-6.
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