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JP2022158106A - All-solid-state secondary battery and production method thereof - Google Patents

All-solid-state secondary battery and production method thereof Download PDF

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JP2022158106A
JP2022158106A JP2021062785A JP2021062785A JP2022158106A JP 2022158106 A JP2022158106 A JP 2022158106A JP 2021062785 A JP2021062785 A JP 2021062785A JP 2021062785 A JP2021062785 A JP 2021062785A JP 2022158106 A JP2022158106 A JP 2022158106A
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solid electrolyte
positive electrode
electrolyte layer
negative electrode
layer
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JP2021062785A
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祐也 片山
Yuya Katayama
和弘 藤川
Kazuhiro Fujikawa
稔 一條
Minoru Ichijo
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Maxell Ltd
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Abstract

To provide an all-solid-state secondary battery suppressed in a short circuit and excellent in load characteristics and cycle characteristics, and a production method thereof.SOLUTION: An all-solid-state secondary battery includes a positive electrode 10, a negative electrode 20 and a solid electrolyte layer 30 containing a sulfide-based solid electrolyte. The solid electrolyte layer 30 has a thickness of 15 μm or more and 120 μm or less. At a central part R2 of a cross section of the solid electrolyte layer 30, a porosity calculated from a scanning electron microscope (SEM) image is 3% or less, and the height of irregularities on the interface between the solid electrolyte layer 30 and the positive electrode 10 and the height of irregularities on the interface between the solid electrolyte layer 30 and the negative electrode 20 each are 7 μm or less. The solid electrolyte layer 30 can be obtained, for example, by a process in which a layered aggregate of sulfide-based solid electrolyte particles charged into a mold without using a solvent is subjected to pressure molding with a surface pressure of 1,000 MPa or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負荷特性及びサイクル特性に優れた全固体二次電池とその製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an all-solid secondary battery having excellent load characteristics and cycle characteristics and a method for manufacturing the same.

近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型・軽量で、かつ高容量・高エネルギー密度の二次電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers, and the commercialization of electric vehicles, there is a need for secondary batteries that are compact, lightweight, and have high capacity and high energy density. It has become to.

現在、この要求に応え得るリチウム二次電池、特にリチウムイオン二次電池では、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)などのリチウム含有複合酸化物が用いられ、負極活物質に黒鉛などが用いられ、非水電解質として有機溶媒とリチウム塩とを含む有機電解液が用いられている。 At present, in lithium secondary batteries, especially lithium ion secondary batteries, which can meet this demand, lithium-containing composite oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) are used as positive electrode active materials. Graphite or the like is used as a negative electrode active material, and an organic electrolytic solution containing an organic solvent and a lithium salt is used as a non-aqueous electrolyte.

そして、リチウムイオン二次電池の適用機器の更なる発達に伴って、リチウムイオン二次電池の更なる長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化が求められている。更に、長寿命化・高容量化・高エネルギー密度化したリチウムイオン二次電池の信頼性も高く求められている。 With the further development of equipment to which lithium ion secondary batteries are applied, there is a demand for longer life, higher capacity, and higher energy density of lithium ion secondary batteries. Furthermore, the reliability of lithium-ion secondary batteries with longer life, higher capacity, and higher energy density is also highly demanded.

しかし、リチウムイオン二次電池に用いられている有機電解液は、可燃性物質である有機溶媒を含んでいる。また、近年のリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化及び有機電解液中の有機溶媒量の増加傾向に伴い、より一層リチウムイオン二次電池の信頼性が求められている。 However, the organic electrolyte used in the lithium-ion secondary battery contains an organic solvent, which is a combustible substance. In addition, with the recent trend toward higher energy densities in lithium ion secondary batteries and an increase in the amount of organic solvents in organic electrolytes, the reliability of lithium ion secondary batteries is required to be even higher.

以上のような状況において、有機溶媒を用いない全固体型のリチウム二次電池(全固体二次電池)が注目されている。全固体二次電池は、従来の有機溶媒系電解質に代えて、有機溶媒を用いない固体電解質の成形体を用いるものである。 Under the circumstances described above, an all-solid-state lithium secondary battery (all-solid-state secondary battery) that does not use an organic solvent has attracted attention. The all-solid secondary battery uses a molded body of a solid electrolyte that does not use an organic solvent, instead of a conventional organic solvent-based electrolyte.

前記全固体二次電池においては、種々の改良が試みられている。例えば、特許文献1では、固体電解質層の空隙率が10%以下であり、正極層の表面粗さRz1および負極層の表面粗さRz2が、Rz1+Rz2≦25の関係を満たすことにより、正極層と負極層との短絡を抑制できることが示されている。 Various improvements have been attempted in the all-solid secondary battery. For example, in Patent Document 1, the porosity of the solid electrolyte layer is 10% or less, and the surface roughness Rz1 of the positive electrode layer and the surface roughness Rz2 of the negative electrode layer satisfy the relationship Rz1+Rz2≦25. It is shown that a short circuit with the negative electrode layer can be suppressed.

特許文献1では、固体電解質層厚みは、電池のエネルギー密度を向上する観点から20μm以下が好ましいとされている。正極層表面および負極層表面の凹凸を少なくして正極層と負極層とが接触するのを防ぎ、また、固体電解質層の空隙率を低くしてデンドライトの成長を抑制し、固体電解質層を薄化した場合でも、正極層と負極層とが短絡するのを防いでいる。 According to Patent Document 1, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 20 μm or less from the viewpoint of improving the energy density of the battery. The positive electrode layer surface and the negative electrode layer surface are less uneven to prevent contact between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Even in the case where the cathode layer and the anode layer are formed, short-circuiting between the positive electrode layer and the negative electrode layer is prevented.

特許文献1では、固体電解質と、バインダとを混合して、合剤粉末を調製したのち、この合剤粉末を溶媒に分散させて、固体電解質層形成用ペーストを作製する。固体電解質層形成用ペーストを支持基材の表面に均一に塗布して乾燥することにより、支持基材の表面に電解質グリーンシートを形成する。さらに、正極ペーストおよび負極ペーストを用いること以外は、前記電解質グリーンシートと同様にして正極グリーンシートおよび負極グリーンシートが作製される。正極グリーンシートおよび負極グリーンシートと、前記電解質グリーンシートを積層し、300℃以上の温度でバインダを焼失させて、正極層および負極層と固体電解質層を有するコイン型の全固体電池が組み立てられる。 In Patent Document 1, a solid electrolyte and a binder are mixed to prepare a mixture powder, and then the mixture powder is dispersed in a solvent to prepare a solid electrolyte layer forming paste. An electrolyte green sheet is formed on the surface of the supporting substrate by uniformly applying the solid electrolyte layer forming paste to the surface of the supporting substrate and drying the paste. Further, a positive electrode green sheet and a negative electrode green sheet are produced in the same manner as the electrolyte green sheet except that the positive electrode paste and the negative electrode paste are used. A positive electrode green sheet, a negative electrode green sheet, and the electrolyte green sheet are laminated, and the binder is burned off at a temperature of 300° C. or higher to assemble a coin-type all-solid battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer.

また、特許文献2では、固体電解質を溶媒に分散させた固体電解質層形成用組成物を調製する工程において、前記溶媒中に、1-ヒドロキシエチル-2-アルケニルイミダゾリンなどの化合物を分散剤として含有させることが開示されている。これにより、固体電解質の凝集を抑制し、前記固体電解質層形成用組成物を塗布し乾燥することにより形成される固体電解質層の表面の凹凸を小さくできる。その結果、正極合剤層と固体電解質層との界面における表面粗さRaを1.0μm以下とした全固体リチウム二次電池が組み立てられる。 Further, in Patent Document 2, in the step of preparing a composition for forming a solid electrolyte layer in which a solid electrolyte is dispersed in a solvent, the solvent contains a compound such as 1-hydroxyethyl-2-alkenylimidazoline as a dispersant. It is disclosed that As a result, aggregation of the solid electrolyte can be suppressed, and unevenness on the surface of the solid electrolyte layer formed by applying and drying the composition for forming a solid electrolyte layer can be reduced. As a result, an all-solid lithium secondary battery having a surface roughness Ra of 1.0 μm or less at the interface between the positive electrode mixture layer and the solid electrolyte layer is assembled.

特許第6729796号公報Japanese Patent No. 6729796 特開2020-161364号公報JP 2020-161364 A

しかしながら、特許文献1の全固体電池では、固体電解質層の空隙率を低くできるものの、硫化物系固体電解質など高温で変性するおそれのある材料の場合は、バインダを焼失させる温度までグリーンシートを加熱することができず、固体電解質層にバインダが残存して固体電解質層のイオン伝導性が低下し、充分な負荷特性が得られないという問題を生じやすくなる。また、表1に示されるように、正極層の表面粗さRz1および負極層の表面粗さRz2の和の値を小さくすることができるものの、Rz1とRz2のうち大きい方の表面粗さは10μm以上と比較的大きな値にしかなっていない。このため、固体電解質層の厚みを薄くした場合に、充放電反応が場所により不均一となりサイクル特性が低下するおそれを生じる。 However, in the all-solid-state battery of Patent Document 1, although the porosity of the solid electrolyte layer can be reduced, in the case of a material such as a sulfide-based solid electrolyte that may be denatured at high temperatures, the green sheet is heated to a temperature that burns out the binder. Since the binder remains in the solid electrolyte layer, the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is lowered, and the problem of not being able to obtain sufficient load characteristics tends to occur. Further, as shown in Table 1, although the sum of the surface roughness Rz1 of the positive electrode layer and the surface roughness Rz2 of the negative electrode layer can be reduced, the surface roughness of the larger one of Rz1 and Rz2 is 10 μm. It is only a relatively large value compared to the above. For this reason, when the thickness of the solid electrolyte layer is reduced, the charge/discharge reaction may become non-uniform depending on the location, and the cycle characteristics may deteriorate.

また、特許文献2の全固体電池では、固体電解質を塗料化する必要があり、硫化物系固体電解質など水分との反応しやすい材料の場合、塗料化する際の溶媒に含まれる水分と固体電解質とが反応して固体電解質層のイオン伝導性が低下し、充分な負荷特性が得られないという問題を生じやすくなる。 In addition, in the all-solid-state battery of Patent Document 2, it is necessary to make the solid electrolyte into a paint, and in the case of a material that easily reacts with moisture such as a sulfide-based solid electrolyte, the water contained in the solvent and the solid electrolyte when making the paint , the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is lowered, and the problem of not being able to obtain sufficient load characteristics tends to occur.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有する全固体二次電池の負荷特性を向上させることにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to improve the load characteristics of an all-solid secondary battery having a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte.

本発明の実施形態における全固体二次電池は、正極、負極、及び前記正極と前記負極の間に配置された硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有する。前記固体電解質層は、厚みが15μm以上120μm以下であり、前記固体電解質層の断面の中央部について、走査型電子顕微鏡(SEM)画像から算出される空隙率が3%以下であり、且つ、前記固体電解質層と前記正極および前記負極との界面の凹凸の高さが、それぞれ7μm以下であることを特徴とする。 An all-solid secondary battery in an embodiment of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer has a thickness of 15 μm or more and 120 μm or less, and a porosity calculated from a scanning electron microscope (SEM) image of the central portion of the cross section of the solid electrolyte layer is 3% or less, and It is characterized in that the height of unevenness of the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and the negative electrode is 7 μm or less.

また、本発明の全固体二次電池の製造方法は、溶媒を用いずに硫化物系固体電解質粒子を金型内に充填し、硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を形成する工程と、前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPa以上の面圧で加圧成形する工程を有することを特徴とする。 Further, the method for producing an all-solid secondary battery of the present invention includes a step of filling a mold with sulfide-based solid electrolyte particles without using a solvent to form a layered aggregate of sulfide-based solid electrolyte particles. and a step of pressure-molding the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles with a surface pressure of 1000 MPa or more.

本発明によれば、硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有する全固体二次電池において、負荷特性を向上させることができる。 According to the present invention, load characteristics can be improved in an all-solid secondary battery having a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte.

固体電解質層の空隙率を測定する領域を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a region for measuring the porosity of a solid electrolyte layer; 二値化を説明するためのSEM画像の階調分布ヒストグラムである。It is a gradation distribution histogram of the SEM image for explaining binarization. 固体電解質層の厚み及び界面の凹凸の測定方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of measuring the thickness of a solid electrolyte layer and the unevenness of an interface; 本発明の全固体二次電池の一例を模式的に表す断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which represents typically an example of the all-solid-state secondary battery of this invention.

本発明の実施形態における全固体二次電池は、正極、負極、及び前記正極と前記負極の間に配置された硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有している。前記固体電解質層は、厚みが15μm以上120μm以下であり、前記固体電解質層の断面の中央部について、走査型電子顕微鏡(SEM)画像から算出される空隙率が3%以下であり、且つ、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さが、それぞれ7μm以下である。 An all-solid secondary battery in an embodiment of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer has a thickness of 15 μm or more and 120 μm or less, a central portion of a cross section of the solid electrolyte layer has a porosity of 3% or less calculated from a scanning electron microscope (SEM) image, and The height of the unevenness of the interface between the electrolyte layer and the positive electrode and the negative electrode is 7 μm or less.

上記全固体二次電池の硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層は、厚みが120μm以下である。この構成により、電池の内部抵抗を低下させることができる。一方、固体電解質層は、厚みが15μm以上であるため、固体電解質層と正極の界面及び固体電解質層と負極との界面の凹凸の高さが、どちらも7μmに近い値となっても、正極と負極の接触による短絡を防ぐことができる。 The solid electrolyte layer containing the sulfide-based solid electrolyte of the all-solid secondary battery has a thickness of 120 μm or less. This configuration can reduce the internal resistance of the battery. On the other hand, since the solid electrolyte layer has a thickness of 15 μm or more, even if the height of the irregularities at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode are both close to 7 μm, the positive electrode It can prevent a short circuit due to contact between the and negative electrodes.

また、固体電解質層の断面において、幅方向中央かつ厚み方向中央を含む領域(中央部)の空隙率が3%以下である。固体電解質層の中央部の空隙率をこのよう構成することで、固体電解質層の充填率が高まり、イオン伝導性を向上させることができる。さらに、固体電解質層と正極の界面の凹凸の高さ(厚み方向の高さ)及び固体電解質層と負極との界面の凹凸の高さ(厚み方向の高さ)が、それぞれ7μm以下である。固体電解質層の界面をこのように構成することで、固体電解質層の厚みを薄くしても、正極と負極の接触による短絡を防ぐことができるとともに、固体電解質層の厚みのばらつきを抑制することができ、電池の反応を均一に近づけることができる。その結果、全固体二次電池の負荷特性が向上する。 In addition, in the cross section of the solid electrolyte layer, the porosity of a region (central portion) including the center in the width direction and the center in the thickness direction is 3% or less. By configuring the porosity of the central portion of the solid electrolyte layer in such a manner, the filling rate of the solid electrolyte layer can be increased and the ionic conductivity can be improved. Further, the height of the unevenness at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode (height in the thickness direction) and the height of the unevenness at the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode (height in the thickness direction) are each 7 μm or less. By configuring the interface of the solid electrolyte layer in this way, even if the thickness of the solid electrolyte layer is reduced, short circuits due to contact between the positive electrode and the negative electrode can be prevented, and variations in the thickness of the solid electrolyte layer can be suppressed. It is possible to make the reaction of the battery nearly uniform. As a result, the load characteristics of the all-solid secondary battery are improved.

上記の結果、負荷特性に優れた全固体二次電池を提供することができ、例えば、国連の提唱する持続可能な開発目標(SDGs:Sustainable Development Goals)の目標7「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」および目標12「つくる責任 つかう責任」に寄与することができる。 As a result of the above, it is possible to provide an all-solid-state secondary battery with excellent load characteristics. and Goal 12 “Responsible consumption and production”.

なお、一般に、固体電解質層の幅方向の端部付近の空隙率は、中央部の空隙率より大きくなる傾向がある。固体電解質層の断面の幅方向において端から100μmの位置を中心とし、厚み方向中央を含む領域(周縁部)についても、空隙率を中央部の空隙率に近い値とすることにより、固体電解質層全体として、充填率が高まるとともに、固体電解質層内でのイオン伝導を均一化することができる。これにより、充放電反応が全体に均一に進行し、負荷特性をより向上させることができるので好ましい。固体電解質層の周縁部と中央部の空隙率の差は、4%以下であることが好ましく、3%以下であることがより好ましい。 In general, the porosity near the edges in the width direction of the solid electrolyte layer tends to be higher than the porosity in the central portion. By setting the porosity of the solid electrolyte layer to a value close to the porosity of the central portion also in the region (peripheral portion) centered at a position 100 μm from the end in the width direction of the cross section of the solid electrolyte layer and including the center in the thickness direction, the solid electrolyte layer As a whole, the filling factor can be increased and the ion conduction within the solid electrolyte layer can be made uniform. This is preferable because the charge/discharge reaction proceeds uniformly throughout and the load characteristics can be further improved. The difference in porosity between the peripheral portion and the central portion of the solid electrolyte layer is preferably 4% or less, more preferably 3% or less.

なお、空隙率を算出するためのSEM画像の対象となる領域は、周縁部および中央部とも、一応の目安として、幅方向の長さ:25μm、厚み方向の長さ:19μmの矩形領域とする。すなわち、中央部の空隙率として、固体電解質層の断面の幅方向中央かつ厚み方向中央を含む、前記大きさの矩形領域において空隙率が算出される。周縁部の空隙率として、固体電解質層の断面の幅方向において端から100μmの位置を中心とし、かつ厚み方向中央を含む、前記大きさの矩形領域において空隙率が算出される。 The target area of the SEM image for calculating the porosity is a rectangular area with a width direction length of 25 μm and a thickness direction length of 19 μm as a rough guide for both the peripheral portion and the central portion. . That is, as the porosity of the central portion, the porosity is calculated in a rectangular region having the above size including the center in the width direction and the center in the thickness direction of the cross section of the solid electrolyte layer. As the porosity of the peripheral edge portion, the porosity is calculated in a rectangular area of the above size centered at a position 100 μm from the end in the width direction of the cross section of the solid electrolyte layer and including the center in the thickness direction.

ただし、固体電解質層の厚みがおよそ24μm以下の場合は、固体電解質層の厚みに応じて空隙率の算出対象の矩形領域の厚み方向の長さを小さくする。この場合、矩形領域が固体電解質層の正極側界面近傍の領域および負極側界面近傍の領域を含まないよう、矩形領域の厚み方向の長さを、固体電解質層の厚みの80%に設定する。これにより、測定のばらつきを小さくすることができる。 However, when the thickness of the solid electrolyte layer is approximately 24 μm or less, the length in the thickness direction of the rectangular region for which the porosity is to be calculated is reduced according to the thickness of the solid electrolyte layer. In this case, the length of the rectangular region in the thickness direction is set to 80% of the thickness of the solid electrolyte layer so that the rectangular region does not include the region near the positive electrode side interface and the region near the negative electrode side interface of the solid electrolyte layer. As a result, measurement variation can be reduced.

上記全固体二次電池の固体電解質層は、厚みが15μm以上であり、且つ、前記正極との界面の厚み方向の凹凸の高さ及び前記負極との界面の厚み方向の凹凸の高さの両者が、例えば、7μm程度となった場合でも、正極と負極の接触による短絡を防ぐことができる。そのため、硫化物系固体電解質粒子を加圧成形する際の条件の制約が少なくなり、負荷特性に優れた全固体二次電池が製造しやすくなる。 The solid electrolyte layer of the all-solid secondary battery has a thickness of 15 μm or more, and both the height of unevenness in the thickness direction of the interface with the positive electrode and the height of unevenness in the thickness direction of the interface with the negative electrode are However, even when the thickness is, for example, about 7 μm, it is possible to prevent a short circuit due to contact between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, the restrictions on the conditions for pressure molding the sulfide-based solid electrolyte particles are reduced, making it easier to manufacture an all-solid secondary battery with excellent load characteristics.

前記正極は、正極活物質粉末と、導電助剤及び固体電解質とを含有する正極合剤の成形体を有してもよい。前記正極合剤の前記固体電解質は、例えば、硫化物系固体電解質を含んでもよい。前記正極活物質粉末は、例えば、正極活物質の表面にリチウムイオン伝導性被覆材を形成した粒子であってもよい。この場合、前記正極活物質粉末は、一例として、正極活物質の表面にリチウムイオン伝導性被覆材を形成した一次粒子であってもよい。 The positive electrode may have a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material powder, a conductive aid, and a solid electrolyte. The solid electrolyte of the positive electrode mixture may include, for example, a sulfide-based solid electrolyte. The positive electrode active material powder may be, for example, particles in which a lithium ion conductive coating material is formed on the surface of the positive electrode active material. In this case, the positive electrode active material powder may be, for example, primary particles in which a lithium ion conductive coating material is formed on the surface of the positive electrode active material.

前記負極は、負極活物質粉末と、導電助剤及び固体電解質とを含有する負極合剤の成形体を有してもよい。前記負極合剤の前記固体電解質は、例えば、硫化物系固体電解質を含んでもよい。 The negative electrode may have a molded negative electrode mixture containing a negative electrode active material powder, a conductive aid, and a solid electrolyte. The solid electrolyte of the negative electrode mixture may include, for example, a sulfide-based solid electrolyte.

上記全固体二次電池の製造方法は、例えば、溶媒を用いずに硫化物系固体電解質粒子を金型内に充填し、前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を形成する工程と、前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPa以上の面圧で加圧成形する工程を有する。 The method for producing the all-solid secondary battery includes, for example, a step of filling a mold with sulfide-based solid electrolyte particles without using a solvent to form a layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles; A step of pressure-molding the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles with a surface pressure of 1000 MPa or more.

上記の製造方法では、溶媒を用いない乾式の工程により硫化物系固体電解質粒子を金型内に充填する。これにより、溶媒に含まれる水分と硫化物系固体電解質粒子との反応を防ぐことができる。また、金型に充填して加圧することにより、バインダを用いなくてもよい。そのため、硫化物系固体電解質粒子をバインダの焼失温度まで加熱しなくてもよい。硫化物系固体電解質粒子の加熱による変性を抑えることができる。また、発明者らは、乾式で金型に充填された硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPa以上の面圧で加圧成形することにより、空隙率が低く、且つ、正極と負極のそれぞれとの界面の凹凸を7μm以下に抑えた固体電解質層を効率よく形成できることを見出した。上記製造方法により、硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有する全固体二次電池であって、負荷特性に優れた全固体二次電池が得られる。 In the above manufacturing method, the mold is filled with the sulfide-based solid electrolyte particles by a dry process that does not use a solvent. This can prevent the reaction between the moisture contained in the solvent and the sulfide-based solid electrolyte particles. Also, by filling the mold and pressurizing, it is not necessary to use a binder. Therefore, it is not necessary to heat the sulfide-based solid electrolyte particles to the burnout temperature of the binder. Modification due to heating of the sulfide-based solid electrolyte particles can be suppressed. In addition, the inventors have found that by pressure-molding a layered aggregate of sulfide-based solid electrolyte particles filled in a mold in a dry manner at a surface pressure of 1000 MPa or more, the porosity is low, and the positive electrode and the negative electrode It has been found that a solid electrolyte layer having an interface roughness of 7 μm or less can be efficiently formed. By the production method described above, an all-solid secondary battery having a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte and having excellent load characteristics can be obtained.

前記製造方法は、前記正極、前記負極及び前記固体電解質層を積層する工程をさらに有してもよい。この場合、前記固体電解質層が、前記正極と前記負極の間に配置されるよう積層される。前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPa以上の面圧で加圧成形する工程は、硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を前記正極及び前記負極の少なくとも1つに積層した状態で加圧成形するものであってもよい。或いは、硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体が、前記正極及び前記負極に積層される前に加圧成形されてもよい。 The manufacturing method may further include a step of stacking the positive electrode, the negative electrode and the solid electrolyte layer. In this case, the solid electrolyte layer is laminated so as to be arranged between the positive electrode and the negative electrode. The step of pressure-molding the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles at a surface pressure of 1000 MPa or more includes stacking the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles on at least one of the positive electrode and the negative electrode. It may be press-molded in a state. Alternatively, a layered assembly of sulfide-based solid electrolyte particles may be pressure-molded before being laminated on the positive electrode and the negative electrode.

なお、硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体が、前記正極及び前記負極に積層される前に加圧成形されることは、製造効率の観点から好ましい。なぜなら、これにより、固体電解質層と正極の界面、及び固体電解質層と負極の界面のそれぞれの凹凸の高さを、7μm以下に調整しやすくなるためである。 From the viewpoint of manufacturing efficiency, it is preferable that the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles is pressure-molded before being laminated on the positive electrode and the negative electrode. This is because this makes it easier to adjust the height of the unevenness at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and at the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode to 7 μm or less.

例えば、前記製造方法は、前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を加圧成形する第1加圧成形工程と、加圧成形された前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体の一方の面に負極材料を積層して加圧成形する第2加圧成形工程と、加圧成形された前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体の他方の面に正極材料を積層して加圧成形する第3加圧成形工程とを有してもよい。この場合、前記第1加圧成形工程、第2加圧成形工程及び第3加圧成形工程の少なくとも1つの工程において、1000MPa以上の面圧で加圧成形がなされてもよい。これにより、固体電解質層と正極及び負極との界面のそれぞれの凹凸の高さを、7μm以下に調整しやすくなる。 For example, the manufacturing method includes a first pressure molding step of pressure-molding a layered assembly of the sulfide-based solid electrolyte particles, and a pressure-molded layered assembly of the sulfide-based solid electrolyte particles. A second pressure molding step in which the negative electrode material is laminated on one surface and pressure molded, and a positive electrode material is laminated on the other surface of the pressure-molded layered assembly of the sulfide-based solid electrolyte particles. and a third pressure molding step of performing pressure molding. In this case, pressure molding may be performed at a surface pressure of 1000 MPa or more in at least one of the first pressure molding step, the second pressure molding step and the third pressure molding step. This makes it easier to adjust the height of the unevenness of each of the interfaces between the solid electrolyte layer and the positive and negative electrodes to 7 μm or less.

以下、実施形態について詳細に説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化又は模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりする場合がある。 Hereinafter, embodiments will be described in detail. The same reference numerals are given to the same and corresponding configurations in the drawings, and the same description will not be repeated. In addition, in order to make the description easier to understand, in the drawings referred to below, the configuration may be shown in a simplified or schematic form, or some constituent members may be omitted.

(正極)
全固体二次電池の正極は、正極活物質、導電助剤及び固体電解質などを含む正極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみから構成することができ、また、前記成形体と集電体とを一体化して構成することもできる。
(positive electrode)
The positive electrode of the all-solid secondary battery has a molded body of a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive aid, a solid electrolyte, and the like. It is also possible to integrate the molded body and the current collector.

正極活物質は、従来から知られているリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質、すなわち、Liイオンを吸蔵・放出可能な活物質であれば特に制限はなく、このような正極活物質を、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。例えば、LiMMn2-x(ただし、Mは、Li、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Sn、Sb、In、Nb、Mo、W、Y、Ru及びRhよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.01≦x≦0.5)で表されるスピネル型リチウムマンガン含有酸化物、LiNi(1-y-z)Co(2-k)(ただし、Mは、Mn、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、Sr及びWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0≦y<0.5、0≦z<0.5、k+l<1、-0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状構造のリチウムニッケル含有酸化物、LiCo(1-y)(2-k)(ただし、Mは、Ni、Mn、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、Sr及びWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.8≦x≦1.2、0≦y≦0.2、k+l<1、-0.1≦k≦0.2、0≦l≦0.1)で表される層状構造のリチウムコバルト含有酸化物、LiM1-xPO(ただし、Mは、Fe、Mn及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、Qは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Nb、Mo、Sn、Sb及びBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5)で表されるオリビン型リチウム複合化合物などが挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material used in conventionally known lithium ion secondary batteries, that is, an active material capable of absorbing and releasing Li ions. One type of substance may be used alone, or two or more types may be used in combination. For example, LiM x Mn 2-x O 4 (where M is Li, B, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Al, Sn, Sb, In, A spinel-type lithium-manganese-containing oxide, Lix, which is at least one element selected from the group consisting of Nb, Mo, W, Y, Ru and Rh and is represented by 0.01≦ x ≦0.5) Ni (1-yz) CoyMzO ( 2-k) Fl (wherein M is Mn, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, at least one element selected from the group consisting of Sn, Ca, Sr and W, 0.8≦x≦1.2, 0≦y<0.5, 0≦z<0.5, k+l< 1, −0.1≦k≦0.2, 0≦l≦0.1), a lithium nickel-containing oxide having a layered structure, Li x Co (1-y) My O (2-k) F l (wherein M is at least one selected from the group consisting of Ni, Mn, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, Sn, Ca, Sr and W) 0.8 ≤ x ≤ 1.2, 0 ≤ y ≤ 0.2, k + l < 1, −0.1 ≤ k ≤ 0.2, 0 ≤ l ≤ 0.1) LiM 1-x Q x PO 4 (where M is at least one element selected from the group consisting of Fe, Mn and Co, Q is Al, Mg, at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Nb, Mo, Sn, Sb and Ba, and represented by 0≦x≦0.5) An olivine-type lithium complex compound and the like can be mentioned.

電池の高電圧化に対応するためには、正極活物質として、層状構造のリチウムコバルト含有酸化物を含有することが好ましい。 In order to cope with the increase in voltage of batteries, it is preferable to contain a lithium-cobalt-containing oxide having a layered structure as a positive electrode active material.

前記正極の固体電解質として硫化物系固体電解質を用いる場合には、固体電解質と正極活物質との直接の反応を防ぐため、正極活物質の表面に、硫化物系固体電解質との反応を生じ難いリチウムイオン伝導性被覆材を形成することが望ましい。リチウムイオン伝導性被覆材には、LiNbOなどのリチウムニオブ含有酸化物が好ましく用いられる。 When a sulfide-based solid electrolyte is used as the positive electrode solid electrolyte, the surface of the positive electrode active material is less likely to react with the sulfide-based solid electrolyte in order to prevent direct reaction between the solid electrolyte and the positive electrode active material. It is desirable to form a lithium ion conductive coating. Lithium niobium-containing oxides such as LiNbO 3 are preferably used for the lithium ion conductive coating.

正極合剤を加圧成形して成形体とする際、あるいは、硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を加圧成形して固体電解質層を形成する際に、高圧が印加されても正極合剤の成形体にひび割れなどが生じ難くするために、前記正極活物質を一次粒子の粉末(正極活物質粉末)とすることが望ましい。 When a positive electrode mixture is pressure-molded to form a compact, or when a layered aggregate of sulfide-based solid electrolyte particles is pressure-molded to form a solid electrolyte layer, the positive electrode does not function even when a high pressure is applied. In order to prevent cracks or the like from occurring in the mixture compact, it is desirable to use the positive electrode active material as a powder of primary particles (positive electrode active material powder).

なお、正極活物質を一次粒子の粉末とすることにより、その表面にリチウムイオン伝導性被覆材を形成した粉末も、一次粒子で構成することができる。 By using a powder of primary particles as the positive electrode active material, the powder having the surface coated with the lithium ion conductive coating material can also be composed of the primary particles.

なお、表面にリチウムイオン伝導性被覆材が形成された、一次粒子で構成された正極活物質粉末の平均粒子径が大きくなりすぎると、高圧でプレスされた際に粒子が割れて、活物質と硫化物系固体電解質が反応するおそれを生じるため、正極活物質粉末の平均粒子径は、8μm以下とし、6μm以下とすることが好ましい。 In addition, if the average particle size of the positive electrode active material powder composed of primary particles having a lithium ion conductive coating material formed on the surface becomes too large, the particles will crack when pressed at high pressure, and the active material will break. Since the sulfide-based solid electrolyte may react, the average particle size of the positive electrode active material powder is 8 μm or less, preferably 6 μm or less.

一方、正極活物質粉末の平均粒子径が小さくなりすぎると、高密度に充填され難くなり、正極の容量低下を招くため、正極活物質粉末の平均粒子径は、1μm以上とし、3μm以上とすることが好ましい。 On the other hand, if the average particle size of the positive electrode active material powder is too small, it becomes difficult to pack the positive electrode at a high density, resulting in a decrease in the capacity of the positive electrode. is preferred.

前記平均粒子径の範囲の一次粒子で構成された正極活物質粉末を用いることにより、正極合剤の成形体の空隙率を、例えば10%以下とすることができる。 By using the positive electrode active material powder composed of the primary particles having the average particle size within the above range, the porosity of the positive electrode mixture compact can be set to, for example, 10% or less.

前記正極活物質粉末の平均粒子径は、粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製粒度分布測定装置:(商品名)マイクロトラック「MT3300EXII」など)を用いて測定することができ、粒度の小さい粒子から積分体積を求める場合の、体積基準の積算分率における50%径の値(d50)として求まる。負極活物質や固体電解質についても同様である。 The average particle size of the positive electrode active material powder can be measured using a particle size distribution measuring device (particle size distribution measuring device manufactured by Microtrac Bell: (trade name) Microtrac “MT3300EXII”, etc.). It is obtained as the 50% diameter value (d50) in the volume-based integrated fraction when the integrated volume is determined from the particles. The same applies to the negative electrode active material and the solid electrolyte.

前記一次粒子からなる正極活物質粉末は、市販品を用いることができる。なお、正極活物質粉末は、一次粒子のみで構成されていることが望ましいが、二次粒子が一部混在しているものであってもよい。ただし、前述した問題を防ぐため、正極活物質粉末中の二次粒子の割合を30質量%以下とするのが好ましく、15質量%以下とするのがより好ましく、10質量%以下とするのが特に好ましい。 A commercial product can be used as the positive electrode active material powder composed of the primary particles. The positive electrode active material powder is desirably composed only of primary particles, but secondary particles may be partially mixed. However, in order to prevent the above-mentioned problems, the ratio of the secondary particles in the positive electrode active material powder is preferably 30% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and preferably 10% by mass or less. Especially preferred.

また、前記リチウムイオン伝導性被覆材は、ゾルゲル法、メカノフュージョン法、CVD法、PVD法などにより、正極活物質の表面に形成することができる。 Moreover, the lithium ion conductive coating material can be formed on the surface of the positive electrode active material by a sol-gel method, a mechanofusion method, a CVD method, a PVD method, or the like.

リチウムイオン伝導性被覆材の形成量は、正極活物質の表面の被覆率を大きくし、その作用を生じやすくするため、被覆材を含む正極活物質全体に対する、前記被覆材の割合が、0.1質量%以上となる量であることが好ましく、0.5質量%以上となる量であることがより好ましい。一方、リチウムイオン伝導性被覆材の形成量が多くなりすぎると、正極活物質粉末の単位重量あたりの容量が低下するため、正極活物質全体に対する、前記被覆材の割合が、5質量%以下となる量とすることが好ましく、2質量%以下となる量とすることがより好ましい。 The amount of the lithium ion conductive coating material to be formed increases the coverage of the surface of the positive electrode active material and facilitates its action. The amount is preferably 1% by mass or more, and more preferably 0.5% by mass or more. On the other hand, if the amount of the lithium ion conductive coating material formed is too large, the capacity per unit weight of the positive electrode active material powder will decrease. and more preferably 2% by mass or less.

正極合剤中での前記正極活物質粉末の含有割合は、正極の容量を大きくするため、65質量%以上とし、70質量%以上とすることが好ましい。一方、正極合剤中での固体電解質及び導電助剤の含有割合を一定以上として、正極合剤のイオン伝導性及び電子伝導性を優れたものとするために、正極合剤中での前記正極活物質粉末の含有割合は、85質量%以下とし、80質量%以下とすることが好ましい。 In order to increase the capacity of the positive electrode, the content of the positive electrode active material powder in the positive electrode mixture is 65% by mass or more, preferably 70% by mass or more. On the other hand, in order to make the positive electrode mixture have excellent ionic conductivity and electronic conductivity by setting the content ratio of the solid electrolyte and the conductive aid in the positive electrode mixture to a certain level or more, the positive electrode in the positive electrode mixture The content of the active material powder is 85% by mass or less, preferably 80% by mass or less.

正極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。 Carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanofiber, carbon nanotube, and the like can be used as the conductive additive for the positive electrode.

正極の固体電解質には、イオン伝導性を高めるために、硫化物系固体電解質を使用することが望ましい。硫化物系固体電解質としては、Li、S及びPと、必要に応じて構成元素となるハロゲン元素やSiなどから構成された化合物、例えば、LiS-P、LiS-SiS、LiS-P-GeS、LiS-B系ガラス;Li10GeP12(LGPS系);Li7+x1-ySi(-0.6≦x≦0.6、0.1≦y≦0.6)、Li7-x+yPS6-xClx+y(0.05≦y≦0.9、-3x+1.8≦y≦-3x+5.7)、Li7-xPS6-xClBr(x=y+z、1<x≦1.8、0.1≦z/y≦10)などが挙げられる。中でも、より高いイオン伝導性を有するLi7-x+yPS6-xClx+y(0.05≦y≦0.9、-3x+1.8≦y≦-3x+5.7)、Li7-xPS6-xClBr(x=y+z、1<x≦1.8、0.1≦z/y≦10)などのアルジロダイト型結晶構造を有する化合物がより好ましく、安定性の高いLi7-x+yPS6-xClx+y(0.05≦y≦0.9、-3x+1.8≦y≦-3x+5.7)が特に好ましく用いられる。 A sulfide-based solid electrolyte is desirably used for the solid electrolyte of the positive electrode in order to increase ion conductivity. Examples of sulfide-based solid electrolytes include compounds composed of Li, S, and P and, if necessary, halogen elements and Si as constituent elements, such as Li 2 SP 2 S 5 and Li 2 S—SiS. 2 , Li 2 SP 2 S 5 —GeS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 system glass; Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS system); Li 7+x P 1-y Si y S 6 (−0. 6≦x≦0.6, 0.1≦y≦0.6), Li 7−x+y PS 6−x Cl x+y (0.05≦y≦0.9, −3x+1.8≦y≦−3x+5. 7), Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (x=y+z, 1<x≦1.8, 0.1≦z/y≦10). Among them, Li 7-x+y PS 6-x Cl x+y (0.05≦y≦0.9, −3x+1.8≦y≦-3x+5.7), Li 7-x PS 6- Compounds having an aldirodite-type crystal structure such as xClyBrz ( x = y + z , 1 < x ≤ 1.8, 0.1 ≤ z/y ≤ 10) are more preferable, and highly stable Li 7-x+y PS 6-x Cl x+y (0.05≤y≤0.9, -3x+1.8≤y≤-3x+5.7) is particularly preferably used.

硫化物系固体電解質の平均粒子径は、前記粒度の正極活物質粉末を有する正極合剤の成形体の充填性を高め空隙率を低減するため、0.1μm以上とすることが好ましく、0.5μm以上とすることがより好ましく、また、5μm以下とすることが好ましい。 The average particle size of the sulfide-based solid electrolyte is preferably 0.1 μm or more in order to increase the filling property of the positive electrode mixture molded body having the positive electrode active material powder of the above particle size and to reduce the porosity. It is more preferably 5 μm or more, and preferably 5 μm or less.

正極合剤は、硫化物系固体電解質と共に、又は硫化物系固体電解質に換えて、他の固体電解質を含有していてもよく、硫化物系固体電解質の他の固体電解質としては、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。 The positive electrode mixture may contain other solid electrolytes together with the sulfide-based solid electrolyte or in place of the sulfide-based solid electrolyte. Solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like are included.

水素化物系固体電解質としては、例えば、LiBH、LIBHと下記のアルカリ金属化合物との固溶体(例えば、LiBHとアルカリ金属化合物とのモル比が1:1~20:1のもの)などが挙げられる。前記固溶体におけるアルカリ金属化合物としては、ハロゲン化リチウム(LiI、LiBr、LiF、LiClなど)、ハロゲン化ルビジウム(RbI、RbBr、RbiF、RbClなど)、ハロゲン化セシウム(CsI、CsBr、CsF、CsClなど)、リチウムアミド、ルビジウムアミド、セシウムアミドなどが挙げられる。 Examples of hydride-based solid electrolytes include LiBH 4 , solid solutions of LIBH 4 and the following alkali metal compounds (for example, those having a molar ratio of LiBH 4 to alkali metal compounds of 1:1 to 20:1), and the like. mentioned. Examples of alkali metal compounds in the solid solution include lithium halides (LiI, LiBr, LiF, LiCl, etc.), rubidium halides (RbI, RbBr, RbiF, RbCl, etc.), and cesium halides (CsI, CsBr, CsF, CsCl, etc.). , lithium amide, rubidium amide, and cesium amide.

酸化物系固体電解質としては、例えば、LiLaZr12、LiTi(PO、LiGe(PO、LiLaTiOなどが挙げられる。 Examples of oxide-based solid electrolytes include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LiTi(PO 4 ) 3 , LiGe(PO 4 ) 3 and LiLaTiO 3 .

ただし、正極合剤のイオン伝導性が低下するのを防ぐため、正極合剤に使用する固体電解質全量中で、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の割合は、30質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、他の固体電解質を含まないことが特に好ましい。 However, in order to prevent the ionic conductivity of the positive electrode mixture from deteriorating, the proportion of solid electrolytes other than sulfide-based solid electrolytes in the total amount of solid electrolytes used in the positive electrode mixture should be 30% by mass or less. It is preferably 10% by mass or less, and particularly preferably does not contain other solid electrolytes.

正極合剤における固体電解質の含有割合は、イオン伝導性を高めるために、15質量%以上とすることが好ましく、20質量%以上とすることがより好ましく、一方、正極活物質粉末の含有量を確保するために、35質量%以下とすることが好ましく、30質量%以下とすることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture is preferably 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, in order to increase ion conductivity. In order to ensure this, the content is preferably 35% by mass or less, more preferably 30% by mass or less.

正極合剤には、必要に応じて樹脂製のバインダを含有させることができる。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂や、アクリル酸-アクリル酸エステル共重合体などのアクリル樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは正極合剤中において抵抗成分として作用するため、樹脂製のバインダを含有させる場合、その量をできるだけ少なくすることが望ましく、含有割合を0.5質量%以下とすることが好ましく、0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことが最も好ましい。 The positive electrode mixture may contain a resin binder as necessary. Examples of resin binders include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and acrylic resins such as acrylic acid-acrylic acid ester copolymers. However, since the resin binder acts as a resistance component in the positive electrode mixture, when the resin binder is contained, it is desirable to reduce the amount as much as possible. , more preferably 0.3% by mass or less, and most preferably 0% by mass (that is, containing no resin binder).

正極に集電体を使用する場合、その集電体としては、アルミニウムやステンレス鋼などの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the positive electrode, the current collector may be foil of metal such as aluminum or stainless steel, punching metal, net, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, or the like.

正極合剤の成形体の厚みは、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましく、500μm以上であることがより好ましい。一方、空隙率の低い成形体を形成しやすくし、また、負荷特性を向上させる観点からは、正極合剤の成形体の厚みは、2mm以下とすることが好ましく、1.2mm以下とすることがより好ましい。 The thickness of the molded positive electrode mixture is preferably 200 μm or more, more preferably 500 μm or more, from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. On the other hand, from the viewpoint of facilitating the formation of a molded body with a low porosity and improving load characteristics, the thickness of the positive electrode mixture molded body is preferably 2 mm or less, and preferably 1.2 mm or less. is more preferred.

なお、集電体を有する正極の場合は、集電体の片面あたりの正極合剤の成形体の厚みを前記の範囲とすればよい。 In the case of a positive electrode having a current collector, the thickness of the molded positive electrode mixture per one side of the current collector may be within the above range.

(負極)
全固体二次電池の負極は、負極活物質、導電助剤及び固体電解質などを含む負極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみから構成することができ、また、前記成形体と集電体とを一体化して構成することもできる。
(negative electrode)
The negative electrode of the all-solid secondary battery has a molded body of a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive aid, a solid electrolyte, and the like. It is also possible to integrate the molded body and the current collector.

負極活物質としては、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などのリチウムを吸蔵・放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si、Sn、Ge、Bi、Sb、In、Alなど、リチウムとの合金を形成することのできる元素単体、前記元素とリチウムとの合金を形成しない元素との合金、前記元素の酸化物などの化合物;リチウム含有窒化物;スピネル構造を有するリチウムチタン酸化物などの複合酸化物;リチウム金属;も、負極活物質として用いることができる。 Examples of negative electrode active materials include graphite, pyrolytic carbons, cokes, vitreous carbons, sintered organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon fibers, and the like, which can occlude and release lithium. One or a mixture of two or more carbonaceous materials is used. In addition, single elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, In, and Al that can form an alloy with lithium, alloys with elements that do not form alloys with lithium, and oxides of the above elements Lithium-containing nitrides; composite oxides such as lithium titanium oxides having a spinel structure; lithium metal; can also be used as the negative electrode active material.

負極合剤中での負極活物質の含有割合は、負極の容量を大きくするため、45質量%以上とすることが好ましく、50質量%以上とすることがより好ましい。一方、負極合剤中での固体電解質及び導電助剤の含有割合を一定以上として、負極合剤のイオン伝導性及び電子伝導性を優れたものとするために、負極合剤中での前記負極活物質の含有割合は、65質量%以下とすることが好ましく、60質量%以下とすることがより好ましい。 In order to increase the capacity of the negative electrode, the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is preferably 45% by mass or more, more preferably 50% by mass or more. On the other hand, in order to make the content ratio of the solid electrolyte and the conductive aid in the negative electrode mixture more than a certain level and to make the negative electrode mixture excellent in ionic conductivity and electronic conductivity, the negative electrode in the negative electrode mixture The content of the active material is preferably 65% by mass or less, more preferably 60% by mass or less.

負極の導電助剤には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素材料などを使用することができる。負極合剤における導電助剤の含有量は、負極合剤の成形体内での電子伝導性を良好にする観点から、5質量%以上であることが好ましく、7質量%以上であることがより好ましい。また、負極合剤中の導電助剤の量が多すぎると、負極合剤の成形体中に空隙が多くなりやすく、その充填率を高めることが困難になって、全固体二次電池の体積エネルギー密度が小さくなる虞がある。よって、負極合剤の成形体の空隙率を小さくする観点から、負極合剤における導電助剤の含有量は、15質量%以下であることが好ましく、12質量%以下であることがより好ましい。 Carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), graphene, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes can be used as the conductive aid for the negative electrode. The content of the conductive aid in the negative electrode mixture is preferably 5% by mass or more, more preferably 7% by mass or more, from the viewpoint of improving the electron conductivity in the negative electrode mixture molded body. . In addition, if the amount of the conductive agent in the negative electrode mixture is too large, voids tend to increase in the molded negative electrode mixture, making it difficult to increase the filling rate of the voids. There is a possibility that the energy density will become smaller. Therefore, from the viewpoint of reducing the porosity of the molded negative electrode mixture, the content of the conductive aid in the negative electrode mixture is preferably 15% by mass or less, more preferably 12% by mass or less.

負極の固体電解質にも、イオン伝導性を高めるために、硫化物系固体電解質を使用することが望ましい。前記硫化物系固体電解質としては、正極合剤に使用可能な硫化物系固体電解質として例示したものと同じ固体電解質を用いることができるが、より高いイオン伝導性を有するアルジロダイト型結晶構造を有する化合物が好ましく用いられ、柔軟性が高く負極合剤の充填密度を高めることのできるLi7-xPS6-xClBr(x=y+z、1<x≦1.8、0.1≦z/y≦10)がより好ましく用いられる。前記固体電解質を用いることにより、後述する加圧成形時の負極合剤の空隙率を、例えば20%以下、好ましくは15%以下とすることができる。 It is desirable to use a sulfide-based solid electrolyte also for the solid electrolyte of the negative electrode in order to increase ion conductivity. As the sulfide-based solid electrolyte, the same solid electrolyte as exemplified as the sulfide-based solid electrolyte that can be used for the positive electrode mixture can be used, but a compound having an aldirodite-type crystal structure with higher ionic conductivity Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (x=y+z, 1<x≦1.8, 0.1≦z /y≦10) is more preferably used. By using the solid electrolyte, the porosity of the negative electrode mixture during pressure molding, which will be described later, can be set to, for example, 20% or less, preferably 15% or less.

負極合剤は、硫化物系固体電解質と共に、又は硫化物系固体電解質に換えて、他の固体電解質を含有していてもよく、硫化物系固体電解質の他の固体電解質としては、水素化物系固体電解質、酸化物系固体電解質などが挙げられる。これらの固体電解質は、正極合剤に対して例示したものと同じ固体電解質を用いることができる The negative electrode mixture may contain other solid electrolytes together with the sulfide-based solid electrolyte or in place of the sulfide-based solid electrolyte. Solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like are included. For these solid electrolytes, the same solid electrolytes as those exemplified for the positive electrode mixture can be used.

ただし、負極合剤のイオン伝導性が低下するのを防ぐため、負極合剤に使用する固体電解質全量中で、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の割合は、30質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、他の固体電解質を含まないことが特に好ましい。 However, in order to prevent the ionic conductivity of the negative electrode mixture from decreasing, the proportion of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte in the total amount of solid electrolyte used in the negative electrode mixture should be 30% by mass or less. It is preferably 10% by mass or less, and particularly preferably does not contain other solid electrolytes.

負極合剤における固体電解質の含有割合は、イオン伝導性を高めるために、35質量%以上とすることが好ましく、40質量%以上とすることがより好ましく、一方、負極活物質の含有量を確保するために、55質量%以下とすることが好ましく、50質量%以下とすることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture is preferably 35% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, in order to increase ion conductivity, while securing the content of the negative electrode active material. Therefore, it is preferably 55% by mass or less, more preferably 50% by mass or less.

負極合剤には、必要に応じて樹脂製のバインダを含有させることができる。樹脂製のバインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素樹脂や、アクリル酸-アクリル酸エステル共重合体などのアクリル樹脂などが挙げられる。ただし、樹脂製のバインダは負極合剤中において抵抗成分として作用するため、樹脂製のバインダを含有させる場合、その量をできるだけ少なくすることが望ましく、含有割合を0.5質量%以下とすることが好ましく、0.3質量%以下であることがより好ましく、0質量%である(すなわち、樹脂製のバインダを含有させない)ことが最も好ましい。 The negative electrode mixture may contain a resin binder, if necessary. Examples of resin binders include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and acrylic resins such as acrylic acid-acrylic acid ester copolymers. However, since the resin binder acts as a resistance component in the negative electrode mixture, when the resin binder is contained, it is desirable to reduce the amount as much as possible, and the content ratio is 0.5% by mass or less. , more preferably 0.3% by mass or less, and most preferably 0% by mass (that is, containing no resin binder).

負極に集電体を用いる場合、その集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル、発泡メタル;カーボンシート;などを用いることができる。 When a current collector is used for the negative electrode, the current collector may be copper or nickel foil, punching metal, mesh, expanded metal, foamed metal, carbon sheet, or the like.

負極合剤の成形体の厚みは、電池の高容量化の観点から、200μm以上であることが好ましく、500μm以上であることがより好ましい。一方、空隙率の低い成形体を形成しやすくし、また、負荷特性を向上させる観点からは、負極合剤の成形体の厚みは、3mm以下とすることが好ましく、2mm以下とすることがより好ましい。なお、集電体を有する負極の場合は、集電体の片面あたりの負極合剤の成形体の厚みを前記の範囲とすればよい。 The thickness of the molded negative electrode mixture is preferably 200 μm or more, more preferably 500 μm or more, from the viewpoint of increasing the capacity of the battery. On the other hand, from the viewpoint of facilitating the formation of a molded body with a low porosity and improving load characteristics, the thickness of the molded body of the negative electrode mixture is preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less. preferable. In the case of a negative electrode having a current collector, the thickness of the molded negative electrode mixture per one side of the current collector may be within the above range.

(固体電解質層)
全固体二次電池の固体電解質層における固体電解質には、イオン伝導性を高めるために、硫化物系固体電解質を使用する。前記硫化物系固体電解質としては、正極合剤に使用可能な硫化物系固体電解質として例示したものと同じ固体電解質を用いることができるが、より高いイオン伝導性を有するアルジロダイト型結晶構造を有する化合物が好ましく用いられ、Li7-xPS6-xClBr(x=y+z、1<x≦1.8、0.1≦z/y≦10)がより好ましく用いられる。
(Solid electrolyte layer)
A sulfide-based solid electrolyte is used as the solid electrolyte in the solid electrolyte layer of the all-solid secondary battery in order to increase ion conductivity. As the sulfide-based solid electrolyte, the same solid electrolyte as exemplified as the sulfide-based solid electrolyte that can be used for the positive electrode mixture can be used, but a compound having an aldirodite-type crystal structure with higher ionic conductivity is preferably used, and Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (x=y+z, 1<x≦1.8, 0.1≦z/y≦10) is more preferably used.

硫化物系固体電解質は、加圧成形時の空隙率を低くするため、平均粒子径を0.3~1.5μmとすることが望ましい。 The sulfide-based solid electrolyte preferably has an average particle size of 0.3 to 1.5 μm in order to reduce the porosity during pressure molding.

なお、固体電解質層は、一層のみで構成するのであってもよいが、積層構造とすることもできる。正極と接する層を、安定性の高い硫化物系固体電解質、例えば、Li7-x+yPS6-xClx+y(0.05≦y≦0.9、-3x+1.8≦y≦-3x+5.7)で構成し、負極側の層を、高いイオン伝導性を有する硫化物系固体電解質、例えば、Li7-xPS6-xClBr(x=y+z、1<x≦1.8、0.1≦z/y≦10)で構成することもできる。 Note that the solid electrolyte layer may be composed of only one layer, but it can also have a laminated structure. The layer in contact with the positive electrode is made of a highly stable sulfide-based solid electrolyte such as Li 7-x+y PS 6-x Cl x+y (0.05≦y≦0.9, -3x+1.8≦y≦-3x+5.7 ), and the layer on the negative electrode side is a sulfide-based solid electrolyte having high ion conductivity, such as Li 7-x PS 6-x Cl y Br z (x=y+z, 1<x≦1.8, 0.1≤z/y≤10).

固体電解質層は、硫化物系固体電解質と共に他の固体電解質を含有してもよい。固体電解質層のイオン伝導性が低下するのを防ぐため、固体電解質層における、硫化物系固体電解質以外の固体電解質の含有割合は、固体電解質全体の30質量%以下とすることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、他の固体電解質を含まないことが特に好ましい。 The solid electrolyte layer may contain other solid electrolytes together with the sulfide-based solid electrolyte. In order to prevent the ionic conductivity of the solid electrolyte layer from decreasing, the content of the solid electrolyte other than the sulfide-based solid electrolyte in the solid electrolyte layer is preferably 30% by mass or less of the total solid electrolyte, and is preferably 10% by mass. % or less, and it is particularly preferable not to contain other solid electrolytes.

固体電解質層の厚みは、正極と負極の間の絶縁性を確保するため、15μm以上とし、20μm以上が好ましく、25μm以上がより好ましく、30μm以上がさらに好ましい。一方、電池の内部抵抗を低減するため、固体電解質層の厚みは、120μm以下とし、100μm以下とすることが好ましく、80μm以下とすることがより好ましく、60μm以下とすることが特に好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is set to 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 25 μm or more, and even more preferably 30 μm or more, in order to ensure insulation between the positive electrode and the negative electrode. On the other hand, in order to reduce the internal resistance of the battery, the thickness of the solid electrolyte layer is 120 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less, and particularly preferably 60 μm or less.

(積層電極体)
前記正極合剤の成形体は、例えば、正極活物質粉末、導電助剤及び固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した正極合剤で構成されており、前記正極合剤を金型内に投入して所定の厚みの層を形成した後、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。また、前記負極合剤の成形体は、例えば、負極活物質、導電助剤及び固体電解質、さらには必要に応じて添加されるバインダなどを混合して調製した負極合剤で構成されており、前記負極合剤を金型内に投入して所定の厚みの層を形成した後、加圧成形などによって圧縮することで形成することができる。
(Laminate electrode body)
The molded body of the positive electrode mixture is composed of, for example, a positive electrode mixture prepared by mixing a positive electrode active material powder, a conductive aid, a solid electrolyte, and a binder added as necessary. It can be formed by putting the positive electrode material mixture into a mold to form a layer having a predetermined thickness, and then compressing it by pressure molding or the like. In addition, the molded body of the negative electrode mixture is composed of a negative electrode mixture prepared by mixing, for example, a negative electrode active material, a conductive agent, a solid electrolyte, and a binder added as necessary, It can be formed by putting the negative electrode mixture into a mold to form a layer having a predetermined thickness, and then compressing it by pressure molding or the like.

前記正極合剤の成形体及び負極合剤の成形体は、そのままで、あるいは圧着などの方法で集電体と貼り合わされ、電極(正極及び負極)として使用される。 The molded body of the positive electrode mixture and the molded body of the negative electrode mixture are used as electrodes (positive electrode and negative electrode) as they are or by bonding them to a current collector by a method such as pressure bonding.

固体電解質層は、例えば、固体電解質粒子を金型内に投入して所定の厚みの層(固体電解質粒子の層状の集合体)とした後、加圧成形などによって層を厚み方向に圧縮する方法により形成することができる。固体電解質粒子は、溶媒もバインダもいずれもない状態で金型に充填される。すなわち、固体電解質粒子は、溶媒及びバインダのいずれも伴わない粒子の層状の集合体の状態で金型に充填され、加圧される。固体電解質層は、加圧により成形体となった状態で電池の組み立てに用いられる。加圧時の圧力は、面圧で1000MPa以上とすればよい。これにより、固体電解質層の空隙率を低く、且つ、界面の凹凸の高さを低くすることが容易になる。 The solid electrolyte layer is produced, for example, by putting solid electrolyte particles into a mold to form a layer (a layered aggregate of solid electrolyte particles) having a predetermined thickness, and then compressing the layer in the thickness direction by pressure molding or the like. can be formed by The solid electrolyte particles are filled into the mold without any solvent or binder. That is, the solid electrolyte particles are filled into a mold in the form of a layered aggregate of particles without solvent and binder, and pressed. The solid electrolyte layer is used for assembling a battery in a state of being formed into a compact by pressing. The pressure during pressurization may be 1000 MPa or more in terms of surface pressure. This makes it easy to reduce the porosity of the solid electrolyte layer and reduce the height of the irregularities at the interface.

なお、固体電解質層の形成に際し、加圧が複数回行われる場合は、そのうちの1回の圧力が、面圧で1000MPa以上となればよい。また、固体電解質粒子の層状の集合体の加圧時の圧力を、1200Mpa以上としてもよい。 In addition, when pressurization is performed a plurality of times during the formation of the solid electrolyte layer, one pressurization should be 1000 MPa or more in terms of surface pressure. Further, the pressure when pressing the layered assembly of solid electrolyte particles may be 1200 Mpa or more.

正極合剤の成形体と負極合剤の成形体とは、固体電解質層を介して積層され、一体化されることにより、積層電極体となって電池の組み立てに用いられる。 The molded body of the positive electrode mixture and the molded body of the negative electrode mixture are laminated via the solid electrolyte layer and integrated to form a laminated electrode body, which is used for assembling a battery.

前記正極合剤の成形体の作製条件は、例えば以下の条件とすることができる。 For example, the following conditions can be used as the conditions for producing the positive electrode mixture compact.

一次粒子よりなる正極活物質粉末と、硫化物系固体電解質などを混合し、前記正極活物質粉末を65~85質量%の割合で含有する正極合剤を調製し、これを金型内に投入して所定の厚みの層を形成し、加圧することにより、正極合剤の成形体が作製される。加圧の際の圧力は、面圧として、1000MPa(10ton/cm)以上とすることが好ましい。これにより、成形体の空隙率を10%以下とすることが容易になる。 A positive electrode active material powder made of primary particles is mixed with a sulfide-based solid electrolyte or the like to prepare a positive electrode mixture containing the positive electrode active material powder at a ratio of 65 to 85% by mass, and this is put into a mold. A molded body of the positive electrode material mixture is produced by forming a layer of a predetermined thickness and applying pressure. The pressure at the time of pressurization is preferably 1000 MPa (10 ton/cm 2 ) or more as surface pressure. This makes it easy to make the porosity of the molded body 10% or less.

また、負極合剤の成形体についても、例えば、正極合剤の成形体の作製と同様の条件で行うことができ、加圧の際の圧力を、面圧として、1000MPa(10ton/cm)以上とし、充填率を高めることもできる。 In addition, the negative electrode mixture molded body can be produced, for example, under the same conditions as those for the positive electrode mixture molded body. As described above, the filling rate can be increased.

なお、正極合剤の層の加圧や負極合剤の加圧は一度で行ってもよいが、いったん1000MPa未満の圧力で加圧して合剤の充填率をある程度高めておき、さらに1000MPa以上の圧力で加圧して目的とする成形体を形成するのであってもよい。 The positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer may be pressurized at one time. It may be pressurized with pressure to form the desired compact.

各層を積層していく順番は限定されない。例えば、先に負極合剤の層を形成し、その上に固体電解質の層を形成し、さらにその上に正極合剤の層を形成して積層体を形成してもよい。また、先に固体電解質の層を作製し、その一方の側に負極合剤及び正極合剤のうち一方の層を形成し、さらに固体電解質の層の他方の側に、負極合剤及び正極合剤のうち他方の層を形成して、積層体を形成してもよい。 The order of laminating each layer is not limited. For example, a laminate may be formed by first forming a layer of the negative electrode mixture, forming a layer of the solid electrolyte thereon, and further forming a layer of the positive electrode mixture thereon. Alternatively, a solid electrolyte layer is formed first, one layer of the negative electrode mixture and the positive electrode mixture is formed on one side of the solid electrolyte layer, and the negative electrode mixture and the positive electrode mixture are formed on the other side of the solid electrolyte layer. The other layer of the agent may be formed to form a laminate.

あるいは、正極合剤の成形体、固体電解質層、負極合剤の成形体を予め別々に作製しておき、最後にこれらを積層して一体化するのであってもよい。例えば、正極合剤の成形体、固体電解質層、及び、負極合剤の成形体の各々を、予め別々に加圧成形して作製してもよい。 Alternatively, the molded body of the positive electrode mixture, the solid electrolyte layer, and the molded body of the negative electrode mixture may be prepared separately in advance, and finally laminated and integrated. For example, the molded body of the positive electrode mixture, the solid electrolyte layer, and the molded body of the negative electrode mixture may be individually pressure-molded in advance.

このように、先に固体電解質の層を、固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPaの面圧で加圧することで作製し、次いで、その固体電解質の層の両側に、別途加圧成形により作製された負極合剤の層及び正極合剤の層を作製する方が、製造効率の観点から好ましい。この場合、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さを小さくしやすく、均質な固体電解質層を形成しやすいためである。 In this way, a solid electrolyte layer is first produced by pressing a layered aggregate of solid electrolyte particles at a surface pressure of 1000 MPa, and then separately press-molded on both sides of the solid electrolyte layer. From the viewpoint of manufacturing efficiency, it is preferable to form a layer of the negative electrode mixture and a layer of the positive electrode mixture. This is because, in this case, it is easy to reduce the height of irregularities at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and the negative electrode, and it is easy to form a homogeneous solid electrolyte layer.

各層の加圧時の面圧は、製造装置の制約から、生産性を考慮すると、通常、2000MPa(20ton/cm)程度まで印加できると考えられ、実際に得られる正極合剤の成形体及び負極合剤の成形体の空隙率は、5%程度が下限値になると考えられる。 The surface pressure of each layer during pressurization is considered to be normally up to about 2000 MPa (20 ton/cm 2 ) in consideration of productivity due to the restrictions of the manufacturing equipment. It is considered that the lower limit of the porosity of the molded body of the negative electrode mixture is about 5%.

なお、本明細書でいう正極合剤及び負極合剤の成形体の空隙率は、前記成形体の厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記式(1)を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算される値である。 The porosity of the molded body of the positive electrode mixture and the negative electrode mixture referred to in this specification is calculated from the thickness of the molded body, the mass per area, and the density of the constituent components using the following formula (1). is a value calculated by summing over

P = 100-(Σai/ρi)×(m/t) (1) P = 100-(Σai/ρi)×(m/t) (1)

ここで、前記式(1)中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm)、m:成形体の単位面積あたりの質量(g/cm)、t:成形体の厚み(cm)である。 Here, in the above formula (1), ai: ratio of component i expressed in mass %, ρi: density of component i (g/cm 3 ), m: mass per unit area of compact (g/cm 2 ), t: thickness (cm) of molded body.

また、正極合剤及び負極合剤の成形体の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、画像処理により二値化して空隙部分の割合を求め、正極合剤の成形体の空隙率を算出するのであってもよい。この場合、前記の方法により求まる空隙率と整合する値となるよう、画像処理の条件決めをしておくことが望ましい。 In addition, the cross section of the molded body of the positive electrode mixture and the negative electrode mixture was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the ratio of the void portion was obtained by binarization by image processing, and the porosity of the molded body of the positive electrode mixture was calculated. It may be calculated. In this case, it is desirable to determine the conditions of the image processing so that the value matches the porosity obtained by the above method.

固体電解質層の中央部及び周縁部の空隙率は以下のようにして測定される。固体電解質層を、厚み方向から見て、最も長い幅の線を通り厚み方向に平行な面で切断する。その切断した断面において、周縁部と中央部のSEM画像を取得する。 The porosities of the central portion and peripheral portion of the solid electrolyte layer are measured as follows. Seen from the thickness direction, the solid electrolyte layer is cut along a plane parallel to the thickness direction through the longest line. SEM images of the peripheral portion and the central portion of the cut cross section are acquired.

図1は、固体電解質層の空隙率を測定する領域(周縁部及び中央部)を説明するための図である。図1に示す例では、正極10、負極20、及び、正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30を備える全固体二次電池を切断した場合の断面が示されている。固体電解質層30を厚み方向(図1におけるz方向)から見て、最も長い幅の幅方向(x方向)の線に沿って厚み方向に切断する。図1の例では、固体電解質層30の厚み方向から見た形状(上面視形状)は、円形である。この場合、円の中心を通る線に沿って厚み方向に固体電解質層30を切断する。上面視形状が、楕円の場合は、楕円の長軸に沿って切断する。上面視形状が、長方形の場合は、2つの長辺の間の中央線に沿って切断する。図1に示す例では、R1が周縁部であり、R2が中央部である。 FIG. 1 is a diagram for explaining regions (peripheral portion and central portion) where the porosity of a solid electrolyte layer is measured. In the example shown in FIG. 1, a cross section of an all-solid secondary battery including a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a solid electrolyte layer 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 is cut. When viewed from the thickness direction (z direction in FIG. 1), the solid electrolyte layer 30 is cut in the thickness direction along the longest line in the width direction (x direction). In the example of FIG. 1, the shape of the solid electrolyte layer 30 seen from the thickness direction (top view shape) is circular. In this case, solid electrolyte layer 30 is cut in the thickness direction along a line passing through the center of the circle. If the top view shape is an ellipse, cut along the major axis of the ellipse. If the top view shape is a rectangle, cut along the center line between the two long sides. In the example shown in FIG. 1, R1 is the peripheral portion and R2 is the central portion.

周縁部は、断面の正極と負極の間に介在する固体電解質層について、層の断面の幅方向において端からs=100μmの位置を中心とし、かつ厚み方向中央を含む領域であって、幅方向の長さ:25μm、厚み方向の長さ:19μmの矩形領域である。中央部は、断面の正極と負極の間に介在する固体電解質層について、層の断面の中心(厚み方向中央且つ幅方向中央)を含む領域であって、幅方向の長さ:25μm、厚み方向の長さ:19μmの矩形領域である。 The peripheral portion is a region centered at a position s = 100 μm from the end in the width direction of the cross section of the solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in the cross section and including the center in the thickness direction. length: 25 μm and length in the thickness direction: 19 μm. The central portion is a region including the center of the cross section of the layer (the center in the thickness direction and the center in the width direction) of the solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode in the cross section, and has a length in the width direction of 25 μm and a length in the thickness direction of 25 μm. length: a rectangular area of 19 μm.

これら周縁部と中央部のそれぞれのSEM画像を、画像解析ソフト(ImageJ等)を用いて二値化し、明るいコントラスト(高輝度)を物質、暗いコントラスト(低輝度)を空隙とし、空隙部分の面積割合を求めることにより空隙率を算出する。 These SEM images of the peripheral part and the central part are binarized using image analysis software (such as ImageJ). The porosity is calculated by calculating the ratio.

使用する機器および条件は、例えば以下のようにすることができる。
走査型電子顕微鏡:日立S4800
検出器:反射電子強調モード
加速電圧:2kV
倍率:5,000倍
取込解像度:2,560×1,920
最小ドット長:9.9nm(円相当径:11.2nm)
最小ドット面積:98nm
解析面積:4.81×10nm
Equipment and conditions to be used can be, for example, as follows.
Scanning electron microscope: Hitachi S4800
Detector: Backscattered electron enhancement mode Accelerating voltage: 2 kV
Magnification: 5,000 times Capture resolution: 2,560 x 1,920
Minimum dot length: 9.9 nm (circle equivalent diameter: 11.2 nm)
Minimum dot area: 98nm2
Analysis area: 4.81×10 8 nm 2

得られたSEM画像に対し、Photoshop(登録商標)にてグレースケール変換を行う。この際、ノイズ低減のためガウスフィルタ(0.5pixel)を使用する。次に、ImageJにてSEM画像のヒストグラムを数値化する。図2は、SEM画像のヒストグラムの一例を示す図である。ヒストグラムにおいて、最大頻度における輝度:aを中心値とする。前記中心値よりも高輝度側で、数値が前記最大頻度の3%となる頻度における輝度:bを読み取り、さらに、前記中心値よりも低輝度側で、数値が前記中心値よりもbとaとの差分:c(=b-a)だけ小さくなる輝度:d(=a―c)を求め、前記輝度dを閾値とする。 Grayscale conversion is performed on the obtained SEM image using Photoshop (registered trademark). At this time, a Gaussian filter (0.5 pixels) is used for noise reduction. Next, ImageJ quantifies the histogram of the SEM image. FIG. 2 is a diagram showing an example of a histogram of an SEM image. In the histogram, the luminance at the maximum frequency: a is taken as the central value. On the higher luminance side than the central value, the luminance at the frequency at which the numerical value is 3% of the maximum frequency: Read b, and further, on the lower luminance side than the central value, the numerical values are b and a than the central value A luminance d (=a−c) that is reduced by a difference: c (=b−a) is obtained, and the luminance d is used as a threshold value.

さらに、画像解析ソフト「映像君」により、先に求めた閾値dで2値化を行ってSEM画像を低輝度部と高輝度部に分ける。SEM画像における低輝度部の面積の割合を空隙率として算出する。この際、面積が900nm(0.09×10-2μm)より小さくなる閾値以下の低輝度部については、ノイズ成分と判断されることから、除外して空隙率を求める。 Further, the SEM image is divided into a low-luminance portion and a high-luminance portion by performing binarization with the threshold value d previously obtained using the image analysis software "Eizo-kun". The ratio of the area of the low-luminance portion in the SEM image is calculated as the porosity. At this time, the porosity is calculated by excluding the low-luminance portion below the threshold whose area is less than 900 nm 2 (0.09×10 −2 μm 2 ) because it is judged as a noise component.

なお、SEM画像(反射電子像)を取得する矩形領域の大きさは、固体電解質層が薄い場合には、その厚みに応じて変更することができる。固体電解質層の厚みがおよそ24μm以下の場合は、矩形領域が固体電解質層の正極側界面近傍の領域および負極側界面近傍の領域を含まないよう、前記矩形領域の厚み方向の長さを、固体電解質層の厚みの80%とすればよい。 It should be noted that the size of the rectangular region for acquiring the SEM image (backscattered electron image) can be changed according to the thickness of the solid electrolyte layer when the solid electrolyte layer is thin. When the thickness of the solid electrolyte layer is about 24 μm or less, the length of the rectangular region in the thickness direction is adjusted so that the rectangular region does not include the region near the positive electrode side interface and the region near the negative electrode side interface of the solid electrolyte layer. It may be 80% of the thickness of the electrolyte layer.

上記のようにして測定される固体電解質層の断面の中央部の空隙率は、3%以下となるように固体電解質層が形成され、2%以下であることが好ましく、1%以下であることがより好ましい。 The solid electrolyte layer is formed such that the porosity of the central portion of the cross section of the solid electrolyte layer measured as described above is 3% or less, preferably 2% or less, and 1% or less. is more preferred.

また、上記のようにして測定される固体電解質層の周縁部の空隙率は、5%以下であることが好ましく、4%以下がより好ましく、3%以下がさらに好ましい。 Moreover, the porosity of the periphery of the solid electrolyte layer measured as described above is preferably 5% or less, more preferably 4% or less, and even more preferably 3% or less.

固体電解質層の厚み及び界面の凹凸の高さは、以下のようにして測定される中央部近傍での値を用いる。前記空隙率を測定する際に設定される固体電解質層の断面について、その断面の正極と固体電解質層との界面の凹凸、及び、固体電解質層と負極との界面の凹凸の状態がわかるよう、断面の幅方向の中央から、両側にそれぞれ100μmずつの領域(全体が幅方向に200μmの長さとなる領域)を含むSEM画像を取得する。SEM画像は、幅方向にずらしながら複数の画像を取得したものをつなぎ合わせ、前記領域全体の画像とすればよい。取得した前記領域全体のSEM画像において、図3に示すように、正極と固体電解質層の界面において、最も固体電解質層寄りの点を通る厚み方向に垂直な線L1と、最も正極寄りに位置する点を通り、厚み方向に垂直な線L2を引く。同様に、負極と固体電解質層の界面において、最も固体電解質層寄りに位置する点を通る厚み方向に垂直な線L3と、最も負極寄りに位置する点を通り、厚み方向に垂直な線L4を引く。この場合、L1とL3の間の距離T1を、固体電解質層の厚みとする。線L1、L2の間の距離H1を、正極と固体電解質層との界面の厚み方向の凹凸の高さを示す値とする。線L3、L4の間の距離H2を、負極と固体電解質層との界面の厚み方向の凹凸の高さを示す値とする。 As for the thickness of the solid electrolyte layer and the height of the irregularities at the interface, values near the central portion measured as follows are used. Regarding the cross section of the solid electrolyte layer set when measuring the porosity, the unevenness of the interface between the positive electrode and the solid electrolyte layer and the unevenness of the interface between the solid electrolyte layer and the negative electrode in the cross section can be understood. An SEM image including regions of 100 μm each on both sides (regions with a length of 200 μm in the width direction as a whole) is obtained from the center of the cross section in the width direction. The SEM image may be an image of the entire region by combining a plurality of images acquired while shifting in the width direction. In the obtained SEM image of the entire region, as shown in FIG. 3, at the interface between the positive electrode and the solid electrolyte layer, a line L1 perpendicular to the thickness direction passing through the point closest to the solid electrolyte layer and a line L1 located closest to the positive electrode A line L2 passing through the point and perpendicular to the thickness direction is drawn. Similarly, at the interface between the negative electrode and the solid electrolyte layer, a line L3 passing through the point closest to the solid electrolyte layer and perpendicular to the thickness direction, and a line L4 passing through the point closest to the negative electrode and perpendicular to the thickness direction. Pull. In this case, the distance T1 between L1 and L3 is the thickness of the solid electrolyte layer. A distance H1 between the lines L1 and L2 is a value indicating the height of unevenness in the thickness direction of the interface between the positive electrode and the solid electrolyte layer. A distance H2 between the lines L3 and L4 is a value indicating the height of unevenness in the thickness direction of the interface between the negative electrode and the solid electrolyte layer.

上記のようにして測定される固体電解質層の厚みは、15μm以上である。これにより、硫化物系固体電解質粒子が加圧成形されて形成された固体電解質層の厚みのばらつき、すなわち、固体電解質層の界面の凹凸がある程度生じても、短絡を防止することができる。 The thickness of the solid electrolyte layer measured as described above is 15 μm or more. As a result, a short circuit can be prevented even if the thickness of the solid electrolyte layer formed by pressure-molding the sulfide-based solid electrolyte particles varies, that is, even if unevenness occurs to some extent at the interface of the solid electrolyte layer.

上記のようにして測定される固体電解質と正極との界面の凹凸の高さ及び固体電解質と負極との界面の凹凸の高さは、正極と負極の充放電反応を均一にするために、いずれも、7μm以下とし、5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましい。 The height of the unevenness at the interface between the solid electrolyte and the positive electrode and the height of the unevenness at the interface between the solid electrolyte and the negative electrode, which are measured as described above, should be is 7 μm or less, preferably 5 μm or less, more preferably 3 μm or less.

正極合剤、負極合剤、及び固体電解質層形成用組成物のうち少なくとも1つは、加熱された状態で加圧成形されるのであってもよい。固体電解質材料が加熱により軟化した状態で成形されることにより、活物質と固体電解質材料、あるいは固体電解質材料同士の接触面積が増加し、成形体の充填性を高めることができる。 At least one of the positive electrode mixture, the negative electrode mixture, and the composition for forming the solid electrolyte layer may be pressure-molded in a heated state. Since the solid electrolyte material is molded in a state of being softened by heating, the contact area between the active material and the solid electrolyte material or between the solid electrolyte materials increases, and the fillability of the compact can be improved.

加熱温度は、固体電解質材料の構成にもよるが、例えば、60~200℃とすることができる。加熱による硫化物系固体電解質の変性を抑える観点から、固体電解質層の形成工程における加熱温度は、200℃以下が好ましく、150℃以下がより好ましく、100℃以下がさらに好ましい。 The heating temperature may be, for example, 60 to 200° C., depending on the composition of the solid electrolyte material. From the viewpoint of suppressing denaturation of the sulfide-based solid electrolyte due to heating, the heating temperature in the step of forming the solid electrolyte layer is preferably 200° C. or lower, more preferably 150° C. or lower, and even more preferably 100° C. or lower.

(電池の形態)
本発明の全固体二次電池は、例えばコイン形電池として構成することができる。図4は、コイン形電池の断面図を模式的に表すものであり、図4に示す電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、正極10、負極20、及び正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
(Battery form)
The all-solid secondary battery of the present invention can be configured as, for example, a coin-shaped battery. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a coin-shaped battery. The battery 1 shown in FIG. 4 is formed of an outer can 40, a sealing can 50, and a resin gasket 60 interposed therebetween. The positive electrode 10 , the negative electrode 20 , and the solid electrolyte layer 30 interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are enclosed in the outer package.

封口缶50は、外装缶40の開口部にガスケット60を介して嵌合しており、外装缶40の開口端部が内方に締め付けられ、これによりガスケット60が封口缶50に当接することで、外装缶40の開口部が封口されて素子内部が密閉構造となっている。 The sealing can 50 is fitted to the opening of the outer can 40 via a gasket 60, and the open end of the outer can 40 is tightened inward, whereby the gasket 60 abuts the sealing can 50. , the opening of the exterior can 40 is sealed to form a sealed structure inside the device.

外装缶及び封口缶にはステンレス鋼製のものなどが使用できる。また、ガスケットの素材には、ポリプロピレン、ナイロンなどを使用できるほか、電池の用途との関係で耐熱性が要求される場合には、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル(PEE)、ポリスルフォン(PSF)、ポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの融点が240℃を超える耐熱樹脂を使用することもできる。また、電池が耐熱性を要求される用途に適用される場合、その封口には、ガラスハーメチックシールを利用することもできる。 A stainless steel can or the like can be used for the outer can and the sealing can. In addition, polypropylene, nylon, etc. can be used for gasket materials, and tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA), etc., can be used when heat resistance is required in relation to battery applications. Heat resistance with a melting point exceeding 240°C such as fluorine resin, polyphenylene ether (PEE), polysulfone (PSF), polyarylate (PAR), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), etc. Resin can also be used. Moreover, when the battery is applied to applications requiring heat resistance, a glass hermetic seal can be used for the sealing.

全固体二次電池の形態は、図4に示すような、外装缶と封口缶とガスケットとで構成された外装体を有する扁平形状のものに限定されず、例えば、樹脂フィルムや金属-樹脂ラミネートフィルムで構成された外装体を有するものや、金属製で有底筒形(円筒形や角筒形)の外装缶と、その開口部を封止する封止構造とを有する外装体を有するものであってもよい。 The form of the all-solid secondary battery is not limited to a flat shape having an exterior body composed of an exterior can, a sealing can, and a gasket, as shown in FIG. Those having an exterior made of a film, or those having an exterior made of metal and having a bottomed cylindrical (cylindrical or rectangular) outer can and a sealing structure for sealing the opening. may be

本発明の全固体二次電池は、従来から知られている二次電池と同様の用途に適用し得るが、電解液に代えて固体電解質を有していることから耐熱性に優れており、高温に曝されるような用途に好ましく使用することができる。 The all-solid secondary battery of the present invention can be applied to the same uses as conventionally known secondary batteries, but has excellent heat resistance because it has a solid electrolyte instead of an electrolytic solution. It can be preferably used for applications exposed to high temperatures.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 The present invention will be described in detail below based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

(実施例1)
<積層電極体の作製>
平均粒子径が0.7μmの硫化物系固体電解質:Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8の粉末9.6mgを粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて70MPa(0.7tf/cm)の圧力で加圧成形を行い、固体電解質の仮成形層を形成した。
(Example 1)
<Production of laminated electrode body>
A sulfide-based solid electrolyte having an average particle size of 0.7 μm: 9.6 mg of powder of Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br 0.8 is put into a powder molding mold and pressed at 70 MPa ( Pressure molding was performed at a pressure of 0.7 tf/cm 2 ) to form a temporary molding layer of the solid electrolyte.

次に、前記金型内の前記固体電解質の仮成形層の上に、平均粒子径が2μmのチタン酸リチウム(LiTi12、負極活物質)と、平均粒子径が0.7μmの硫化物系固体電解質:Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8と、グラフェン(導電助剤)とを、質量比で50:41:9の割合で混合して作製した負極合剤:101mgを投入し、300MPa(3tf/cm)の圧力で加圧成形を行い、固体電解質の仮成形層の一方の側に負極の仮成形層が形成された積層体を作製した。 Next, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , negative electrode active material) having an average particle size of 2 μm and a Sulfide-based solid electrolyte: Negative electrode produced by mixing Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br 0.8 and graphene (conductive assistant) at a mass ratio of 50:41:9 Mixture: 101 mg was added and press-molded at a pressure of 300 MPa (3 tf/cm 2 ) to produce a laminate in which a temporary molded layer of the negative electrode was formed on one side of the temporary molded layer of the solid electrolyte.

さらに、前記積層体を有する金型を上下反転させた後、上側に配置された前記固体電解質の仮成形層の上に、表面にLiNbOの被覆層が形成された平均粒子径が5μmのLiCoO(正極活物質)と、平均粒子径が3μmの硫化物系固体電解質:Li7.0PS5.4Cl1.2と、カーボンブラックと、気相成長炭素繊維(VGCF)とを、質量比で70:26.8:1.1:2.1で混合して作製した正極合剤:73mgを投入し、1300MPa(13tf/cm)の圧力で加圧成形を行うことにより、負極の仮成形層、固体電解質の仮成形層、および前記正極合剤を圧縮して、負極層と110μmの厚みを有する固体電解質層と正極層とが一体化された積層電極体を得た。なお、被覆層を含む正極活物質粉末の全体の重量に対する、前記被覆層の重量の割合は、2質量%であった。 Furthermore, after the mold having the laminate was turned upside down, LiCoO with an average particle size of 5 μm having a LiNbO 3 coating layer formed on the surface was formed on the temporary molding layer of the solid electrolyte placed on the upper side. 2 (positive electrode active material), a sulfide-based solid electrolyte: Li 7.0 PS 5.4 Cl 1.2 having an average particle size of 3 μm, carbon black, and vapor grown carbon fiber (VGCF), 73 mg of a positive electrode mixture prepared by mixing at a ratio of 70:26.8:1.1:2.1 was added, and pressure molding was performed at a pressure of 1300 MPa (13 tf/cm 2 ) to form a negative electrode. The temporary molding layer, the temporary molding layer of the solid electrolyte, and the positive electrode mixture were compressed to obtain a laminated electrode body in which the negative electrode layer, the solid electrolyte layer having a thickness of 110 μm, and the positive electrode layer were integrated. The ratio of the weight of the coating layer to the total weight of the positive electrode active material powder including the coating layer was 2% by mass.

固体電解質層の断面について、5000倍の倍率で得られたSEM画像を上記画像処理することにより、周縁部の空隙率と中央部の空隙率とを求めた。求めた空隙率は、周縁部の空隙率が、2.9%、中央部の空隙率が0.8%であった。また、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さは、それぞれ、3.9μm及び4.4μmであった。 Regarding the cross section of the solid electrolyte layer, the porosity of the peripheral portion and the porosity of the central portion were determined by subjecting the SEM image obtained at a magnification of 5000 times to the image processing described above. The obtained porosity was 2.9% for the peripheral portion and 0.8% for the central portion. Further, the heights of the irregularities at the interfaces between the solid electrolyte layer and the positive and negative electrodes were 3.9 μm and 4.4 μm, respectively.

<電池の組み立て> <Battery assembly>

ステンレス鋼製の封口缶及び外装缶を外装体として用い、封口缶及び外装缶と前記積層電極体との間に、それぞれ厚みが0.1mmの多孔質カーボンシートが配置されるようにして封止を行うことにより、コイン形全固体二次電池を組み立てた。 A sealing can and an outer can made of stainless steel are used as an outer package, and a porous carbon sheet having a thickness of 0.1 mm is arranged between the sealing can and the outer can and the laminated electrode body for sealing. A coin-shaped all-solid-state secondary battery was assembled by performing.

(比較例1)
3つの層の積層体を形成した後にプレス機を用いて行う加圧成形の圧力を、600MPa(6ton/cm)とした以外は実施例1と同様にして積層電極体を作製し、コイン形全固体二次電池を組み立てた。
(Comparative example 1)
A laminated electrode body was produced in the same manner as in Example 1 except that the pressure for pressure molding performed using a press after forming a laminate of three layers was 600 MPa (6 ton/cm 2 ). An all-solid secondary battery was assembled.

固体電解質層の断面について、5000倍の倍率で得られたSEM画像を画像処理して求めた空隙率は、中央部が5.2%、周縁部が7.9%であった。また、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さは、それぞれ、4.2μm及び4.8μmであった。固体電解質層の厚みは、115μmであった。 Regarding the cross section of the solid electrolyte layer, the porosity obtained by image processing the SEM image obtained at a magnification of 5000 was 5.2% in the central portion and 7.9% in the peripheral portion. Further, the heights of the irregularities at the interfaces between the solid electrolyte layer and the positive and negative electrodes were 4.2 μm and 4.8 μm, respectively. The thickness of the solid electrolyte layer was 115 μm.

(比較例2)
実施例1で作製した負極合剤:101mgを粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて300MPa(3tf/cm)の圧力で加圧成形を行い、負極の仮成形層を形成した。
次に、前記負極の仮成形層の上に、平均粒子径が0.7μmの硫化物系固体電解質:Li5.4PS4.4Cl0.8Br0.8の粉末9.6mgを投入し、70MPa(0.7tf/cm)の圧力で加圧成形を行い、負極の仮成形層の一方の上に固体電解質の仮成形層が形成された積層体を作製した。
さらに、前記固体電解質の仮成形層の上に、実施例1で作製した正極合剤:73mgを投入し、1300MPa(13tf/cm)の圧力で加圧成形を行うことにより、負極の仮成形層、固体電解質の仮成形層、および前記正極合剤を圧縮して、負極層と固体電解質層と正極層とが一体化された積層電極体を得た。
(Comparative example 2)
101 mg of the negative electrode mixture prepared in Example 1 was placed in a powder molding die and press-molded at a pressure of 300 MPa (3 tf/cm 2 ) using a pressing machine to form a temporary molded layer of the negative electrode.
Next, 9.6 mg of powder of sulfide-based solid electrolyte: Li 5.4 PS 4.4 Cl 0.8 Br 0.8 having an average particle size of 0.7 μm is put on the temporary molded layer of the negative electrode. Then, pressure molding was performed at a pressure of 70 MPa (0.7 tf/cm 2 ) to produce a laminate in which a temporary molded layer of solid electrolyte was formed on one side of the temporary molded layer of negative electrode.
Furthermore, 73 mg of the positive electrode mixture prepared in Example 1 was put on the temporary molding layer of the solid electrolyte, and pressure molding was performed at a pressure of 1300 MPa (13 tf/cm 2 ) to temporarily mold the negative electrode. A laminated electrode body in which the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, and the positive electrode layer were integrated was obtained by compressing the layer, the temporary molded layer of the solid electrolyte, and the positive electrode mixture.

固体電解質層の断面について、5000倍の倍率で得られたSEM画像を画像処理して求めた空隙率は、中央部が1.0%、周縁部が3.3%であった。また、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さは、それぞれ、7.8μmおよび8.8μmであった。固体電解質層の厚みは、111μmであった Regarding the cross section of the solid electrolyte layer, the porosity obtained by image processing the SEM image obtained at a magnification of 5000 times was 1.0% in the central portion and 3.3% in the peripheral portion. Further, the heights of the irregularities at the interfaces between the solid electrolyte layer and the positive and negative electrodes were 7.8 μm and 8.8 μm, respectively. The thickness of the solid electrolyte layer was 111 µm.

(比較例3)
加圧成形後の固体電解質層の厚みが10μmとなるよう、硫化物系固体電解質の粉末の投入量を調整して積層電極体を作製した以外は、実施例1と同様にしてコイン形全固体二次電池を組み立てた。
(Comparative Example 3)
An all-solid coin-shaped electrode body was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of the sulfide-based solid electrolyte powder added was adjusted so that the thickness of the solid electrolyte layer after pressure molding was 10 μm. A secondary battery was assembled.

実施例1及び比較例1~2の全固体二次電池について、下記の各評価を行った。なお、比較例3の全固体二次電池は、短絡を生じていたため評価を行わなかった。 The following evaluations were performed on the all-solid secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The all-solid secondary battery of Comparative Example 3 was not evaluated because a short circuit occurred.

<負荷特性評価>
作製した実施例1及び比較例1~2の電池について、0.2Cの電流値で電池電圧が3.1Vになるまで行う定電流充電と、3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで行う定電圧充電を組み合わせた定電流-定電圧充電を行い、さらに、0.1Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行い、0.1Cでの放電容量を測定した。
<Load characteristics evaluation>
For the fabricated batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, constant current charging was performed at a current value of 0.2 C until the battery voltage reached 3.1 V, and at a voltage of 3.1 V the current value reached 0.02 C. Constant-current-constant-voltage charging is performed by combining constant-voltage charging until the battery voltage reaches 0.1C. It was measured.

次に、前記と同様の定電流-定電圧充電を行い、さらに、0.5Cの電流値で電池電圧が1.2Vになるまで定電流放電を行って、0.5Cでの放電容量を測定した。0.5Cでの放電容量を0.1Cでの放電容量で徐した値(%)を求め、それぞれの電池の負荷特性を評価した。 Next, constant current-constant voltage charging is performed in the same manner as described above, and constant current discharging is performed at a current value of 0.5 C until the battery voltage reaches 1.2 V, and the discharge capacity at 0.5 C is measured. did. The value (%) obtained by dividing the discharge capacity at 0.5C by the discharge capacity at 0.1C was obtained, and the load characteristics of each battery were evaluated.

<サイクル特性評価>
実施例及び比較例の電池に対し、100℃の環境下において以下の条件で充放電サイクルを50サイクル繰り返した。
<Cycle characteristics evaluation>
The batteries of Examples and Comparative Examples were subjected to 50 charge-discharge cycles in an environment of 100° C. under the following conditions.

0.2Cの電流値で電圧が3.1Vになるまで定電流充電を行い、続いて3.1Vの電圧で電流値が0.02Cになるまで定電圧充電を行い、次いで、0.2Cの電流値で電圧が1.2Vになるまで定電流放電させる充放電サイクルを50サイクル繰り返し、2サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の低下の割合(容量低下率)により、サイクル特性を評価した。この評価結果を表1に示す。 Constant-current charging was performed at a current value of 0.2C until the voltage reached 3.1V, followed by constant-voltage charging at a voltage of 3.1V until the current value reached 0.02C, and then charging at a voltage of 0.2C. Repeat 50 cycles of charging and discharging cycles in which constant current discharge is performed until the voltage reaches 1.2 V at the current value. evaluated. Table 1 shows the evaluation results.

Figure 2022158106000002
Figure 2022158106000002

実施例1の全固体二次電池では、硫化物系固体電解質粒子を加圧成形することにより、厚みを15μm以上とする固体電解質層を形成し、中央部の空隙率を35%以下とし、且つ固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さを、それぞれ7μm以下としたことにより、負荷特性及びサイクル特性に優れた電池となった。 In the all-solid secondary battery of Example 1, a solid electrolyte layer having a thickness of 15 μm or more is formed by pressure-molding sulfide-based solid electrolyte particles, and the porosity of the central portion is 35% or less, and By setting the height of the irregularities at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and the negative electrode to 7 μm or less, the battery was excellent in load characteristics and cycle characteristics.

一方、比較例1の電池では、固体電解質層の中央部の空隙率が5%を超えたため、負荷特性及びサイクル特性が低下した。比較例2の電池では、固体電解質層と正極および負極との界面の凹凸の高さが7μmを超えたため、サイクル特性が低下した。また、固体電解質層の厚みが15μ未満である比較例3の電池では、短絡が生じた。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, since the porosity of the central portion of the solid electrolyte layer exceeded 5%, the load characteristics and cycle characteristics were degraded. In the battery of Comparative Example 2, the height of the irregularities at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode and negative electrode exceeded 7 μm, so that the cycle characteristics were degraded. Also, in the battery of Comparative Example 3 in which the thickness of the solid electrolyte layer was less than 15 μm, a short circuit occurred.

1 全固体二次電池
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
1 All Solid Secondary Battery 10 Positive Electrode 20 Negative Electrode 30 Solid Electrolyte Layer 40 Outer Can 50 Sealing Can 60 Gasket

Claims (2)

正極、負極、及び前記正極と前記負極の間に配置された硫化物系固体電解質を含有する固体電解質層を有する全固体二次電池であって、
前記固体電解質層は、厚みが15μm以上120μm以下であり、前記固体電解質層の断面の中央部について、走査型電子顕微鏡(SEM)画像から算出される空隙率が3%以下であり、且つ、前記固体電解質層と前記正極および前記負極との界面の凹凸の高さが、それぞれ7μm以下であることを特徴とする全固体二次電池。
An all-solid secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer containing a sulfide-based solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The solid electrolyte layer has a thickness of 15 μm or more and 120 μm or less, and a porosity calculated from a scanning electron microscope (SEM) image of the central portion of the cross section of the solid electrolyte layer is 3% or less, and An all-solid secondary battery, wherein heights of irregularities at interfaces between a solid electrolyte layer and the positive electrode and the negative electrode are each 7 μm or less.
請求項1に記載の全固体二次電池の製造方法であって、
溶媒を用いずに硫化物系固体電解質粒子を金型内に充填し、前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を形成する工程と、
前記硫化物系固体電解質粒子の層状の集合体を1000MPa以上の面圧で加圧成形する工程を有することを特徴とする全固体二次電池の製造方法。
A method for manufacturing the all-solid secondary battery according to claim 1,
filling a mold with sulfide-based solid electrolyte particles without using a solvent to form a layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles;
A method for producing an all-solid secondary battery, comprising a step of pressure-molding the layered aggregate of the sulfide-based solid electrolyte particles with a surface pressure of 1000 MPa or more.
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