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JP7105055B2 - Anode materials, anodes and batteries - Google Patents

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JP7105055B2 JP2017225081A JP2017225081A JP7105055B2 JP 7105055 B2 JP7105055 B2 JP 7105055B2 JP 2017225081 A JP2017225081 A JP 2017225081A JP 2017225081 A JP2017225081 A JP 2017225081A JP 7105055 B2 JP7105055 B2 JP 7105055B2
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Description

本発明は、負極材料、負極及び電池に関する。 The present invention relates to negative electrode materials, negative electrodes and batteries.

近年、電気自動車用電源、携帯端末用電源などの用途で、エネルギー密度が高く、充放電可能なリチウムイオン二次電池が広く用いられている。
現在市販されているリチウムイオン二次電池の多くは、高いエネルギー密度を有するために有機溶媒などの液体の電解質(電解液)が一般的に使用されている。この電解液は、炭酸エステルや環状エステルなどの非プロトン性有機溶媒などにリチウム塩を溶解させて用いられている。
BACKGROUND ART In recent years, lithium-ion secondary batteries, which have high energy density and can be charged and discharged, have been widely used in applications such as power sources for electric vehicles and power sources for mobile terminals.
Many lithium ion secondary batteries currently on the market generally use a liquid electrolyte (electrolytic solution) such as an organic solvent because of their high energy density. This electrolytic solution is used by dissolving a lithium salt in an aprotic organic solvent such as a carbonate ester or a cyclic ester.

しかし、液体の電解質(電解液)を用いたリチウムイオン二次電池においては、電解液が漏出するという危険性がある。また、電解液に一般的に用いられる有機溶媒などは可燃性物質であり、安全上、好ましくないという問題がある。 However, in a lithium-ion secondary battery using a liquid electrolyte (electrolytic solution), there is a risk that the electrolytic solution may leak. In addition, organic solvents and the like that are commonly used in electrolytic solutions are combustible substances, which poses the problem of being unfavorable in terms of safety.

そこで、有機溶媒など液体の電解質(電解液)に替えて、固体電解質を用いることが提案されている。また、電解質として固体電解質を用いるとともに、その他の構成要素も固体で構成された固体二次電池の開発が進められている。 Therefore, it has been proposed to use a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte (electrolytic solution) such as an organic solvent. In addition, development of a solid secondary battery in which a solid electrolyte is used as the electrolyte and other constituent elements are also solid is being developed.

固体電解質の中でTiを含む、Li1+xAlTi2-x3-ySi12(x=0.1~0.5、y=0.1~0.3)(以降LATPと称する)などの菱面体晶系のNASICON型の結晶構造を示す固体電解質や(La、Li)TiO(以降LLTOと称する)などのペロブスカイト型の結晶構造を示す固体電解質は、室温で高いイオン伝導度を有し、原料もGeOやNbに比べ安価で、Li海水電池などに用いられており耐水性が高いなど他の電解質に比べ優れた特性が確認されており、上記課題を解決しうる全固体電池用の固体電解質として期待されている。しかし、Liに対して2.0V程度でLATP中あるいはLLTO中のTiが還元してしまい2.0V以下では電解質として機能できないことから、既存のTiO(Li vs 1.8V)やLiTi12(Li vs 1.5V)などの負極材料を用いることができず、適正な負極材料がないという課題があった。 Li 1+x Al x Ti 2-x P 3-y Si y O 12 (x=0.1 to 0.5, y=0.1 to 0.3) containing Ti in the solid electrolyte (hereinafter referred to as LATP A solid electrolyte exhibiting a rhombohedral NASICON-type crystal structure such as (hereinafter referred to as LLTO) and a solid electrolyte exhibiting a perovskite-type crystal structure such as (La, Li)TiO 3 (hereinafter referred to as LLTO) exhibit high ion conductivity at room temperature. It is used in Li seawater batteries , etc., and has been confirmed to have superior properties compared to other electrolytes, such as high water resistance. It is expected as a solid electrolyte for all-solid-state batteries that can be solved. However, at about 2.0 V relative to Li, Ti in LATP or LLTO is reduced and cannot function as an electrolyte at 2.0 V or less. There is a problem that negative electrode materials such as 5 O 12 (Li vs. 1.5 V) cannot be used and there is no suitable negative electrode material.

非特許文献 「金属・空気2次電池の開発と最新技術」石原達己編集 ISBN978-4-907837-22-8Non-Patent Literature "Development and Latest Technology of Metal/Air Secondary Batteries" Edited by Tatsumi Ishihara ISBN978-4-907837-22-8 特開2007-258165JP 2007-258165

本発明は、上記課題を解決するものであり、高いイオン伝導性を持つ固体電解質に対応する、高い電位を持つ負極材料を用いることにより、低抵抗でサイクル特性の良い全固体電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, and provides an all-solid battery with low resistance and good cycle characteristics by using a negative electrode material with a high potential that corresponds to a solid electrolyte with high ion conductivity. With the goal.

本発明者らは、上記の課題を解決するため、鋭意試験研究を重ねた結果、全固体電池に用いる負極材料としてLi1+x+y+2z2-x―z3-ySi12(x=0.1~1.0、y=0~0.5、z=0~0.2)(AはMg、Caから選ばれる1種類以上とし、Mは Fe、Mn、Co、Ni、Cr、Y、Sc、Al、Vから選ばれる1種類以上とし、TはTi、Zr、Ge、Snから選ばれる1種類以上とする。)を用いることで、LATPが還元する電位Li vs 2.0V以上で充放電できることが可能であることを見出した。また、Li1+x+y+2Z2-x―z3-ySi12中の元素および比率を最適化することによりサイクル特性を向上できることも見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば以下に示す全固体電池が提供される。
In order to solve the above problems, the inventors of the present invention have conducted intensive tests and research and found that Li 1+x+y+2z A z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 as a negative electrode material for use in all-solid-state batteries. (x = 0.1 to 1.0, y = 0 to 0.5, z = 0 to 0.2) (A is one or more selected from Mg and Ca, and M is Fe, Mn, Co, Ni , Cr, Y, Sc, Al, and V, and T is at least one selected from Ti, Zr, Ge, and Sn. It was found that it is possible to charge and discharge at 0 V or more. Further, the present inventors have also found that the cycle characteristics can be improved by optimizing the elements and ratios in Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , and have completed the present invention.
That is, according to the present invention, the following all-solid-state battery is provided.

本発明によれば、高い酸化還元電位を持つLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12(x=0.1~1.0、y=0~0.5、z=0~0.2)を負極材料として用いることにより、リチウムに対して2.0V程度の電位で還元してしまうが高いイオン伝導度をもつLATPを固体電解質として使用することができるようになり、結果として低抵抗値の全固体電池を得ることができる。 According to the present invention, Li 1+x+y+2Z A ZM x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 (x=0.1-1.0, y=0-0.5) with high redox potential , z = 0 to 0.2) as a negative electrode material, it is possible to use LATP as a solid electrolyte, which is reduced to lithium at a potential of about 2.0 V but has high ionic conductivity. As a result, an all-solid-state battery with a low resistance value can be obtained.

実施例4 Li1.5Fe0.5Ti1.512の粉末X線回折測定の結果である。Example 4 It is the result of powder X - ray diffraction measurement of Li1.5Fe0.5Ti1.5P3O12 . 実施例15 Li1.5Fe0.5Zr1.512の粉末X線回折測定の結果である。Example 15 It is the result of powder X - ray diffraction measurement of Li1.5Fe0.5Zr1.5P3O12 . 実施例4 Li1.5Fe0.5Ti1.512の液系半電池の充放電評価結果の図である。(実線:充電、破線:放電)Example 4 It is a diagram of charge-discharge evaluation results of a Li1.5Fe0.5Ti1.5P3O12 liquid - based half -cell. (solid line: charging, dashed line: discharging) 比較例1 Ti成分を含まない耐還元性固体電解質を用いたTiOの全固体半電池の充放電評価の図である。(実線:充電、破線:放電)Comparative Example 1 FIG. 1 is a diagram showing charge-discharge evaluation of an all-solid-state half-cell of TiO 2 using a reduction-resistant solid electrolyte containing no Ti component. (solid line: charging, dashed line: discharging) 比較例2 LATP固体電解質を用いたTiOの全固体半電池の充放電評価結果の図である。(実線:充電、破線:放電)Comparative Example 2 FIG. 2 is a diagram showing charge/discharge evaluation results of a TiO 2 all-solid-state half-cell using a LATP solid electrolyte. (solid line: charging, dashed line: discharging) 実施例18 Ti成分を含まない耐還元性固体電解質を用いたLi1.5Fe0.5Ti1.512の全固体半電池の充放電評価結果の図である。(実線:充電、破線:放電)FIG. 18 is a diagram showing charge/discharge evaluation results of an all-solid-state half-cell of Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 P 3 O 12 using a reduction-resistant solid electrolyte containing no Ti component. (solid line: charging, dashed line: discharging) 実施例19 LATP固体電解質を用いたLi1.5Fe0.5Ti1.512の全固体半電池充放電評価結果の図である。(実線:充電、破線:放電)Example 19 It is a diagram of the charge-discharge evaluation results of an all-solid-state half-cell of Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 P 3 O 12 using a LATP solid electrolyte. (solid line: charging, dashed line: discharging) 実施例36 全固体電池の充放電評価結果の図である。(実線:充電、破線:放電)Example 36 It is a figure of the charging/discharging evaluation result of an all-solid-state battery. (solid line: charging, dashed line: discharging)

以下、本発明の全固体電池の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の趣旨を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the all-solid-state battery of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments at all, and can be carried out with appropriate changes within the scope of the purpose of the present invention. can do. It should be noted that descriptions of overlapping descriptions may be omitted as appropriate, but the gist of the invention is not limited.

(ガラス電解質)
本発明で使用されるガラス電解質は、LiO-G(G=Al、Nb、Y、SiO、B、P、V、TeO、CeO、GeO、Biなど一種以上)が上げられるが、リチウム濃度が酸化物換算で15質量%以上でありアモルファス状であり室温のリチウムイオン伝導度が1×10-11S/cm以上であれば特に限定しない。特に優れた特性を示すものとしては、LiO-Al-Pを基本組成とする。本発明のガラス電解質に含まれる各成分の含有量は、特に明記しない限りは酸化物基準の質量%で表す。ここで、「酸化物換算組成」は、ガラス電解質の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総質量を100質量%として、ガラス電解質中に含有される各成分を表記した組成である。
(glass electrolyte)
The glass electrolyte used in the present invention is Li 2 OG (G=Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Y 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 5 , P 2 O 5 , V 2 O 5 , TeO 2 , CeO 2 , GeO 2 , Bi 2 O 3 , etc.), but the lithium concentration is 15% by mass or more in terms of oxide, it is amorphous, and the lithium ion conductivity at room temperature is 1 × 10 There is no particular limitation as long as it is -11 S/cm or higher. A basic composition of Li 2 O—Al 2 O 3 —P 2 O 5 exhibits particularly excellent characteristics. Unless otherwise specified, the content of each component contained in the glass electrolyte of the present invention is represented by mass % based on oxides. Here, the "composition converted to oxide" is the amount of oxides produced, assuming that the oxides, composite salts, metal fluorides, etc. used as raw materials for the glass electrolyte are all decomposed and changed into oxides when melted. It is a composition in which each component contained in the glass electrolyte is described with the total mass as 100% by mass.

高温で正極材料又は負極材料と固体電解質を焼成するとLiや遷移金属が拡散し内部抵抗の増加や放電容量の低下を生じさせ、固体電解質、正極材料又は負極材料が充放電容量を持たない材料に分解するなどの副反応が起こる。上記のガラス電解質を用いることで、700℃以下程度の低温でガラス電解質が軟化し界面を形成し、低温で全固体電池を構成することが可能となり上記副反応を抑制できる。 When the positive electrode material or negative electrode material and the solid electrolyte are sintered at a high temperature, Li and transition metals diffuse, causing an increase in internal resistance and a decrease in discharge capacity, and the solid electrolyte, positive electrode material, or negative electrode material becomes a material with no charge-discharge capacity. Side reactions such as decomposition occur. By using the above glass electrolyte, the glass electrolyte softens at a low temperature of about 700° C. or less to form an interface, and an all-solid-state battery can be constructed at a low temperature, thereby suppressing the above side reactions.

(負極層)
本発明の全固体電池における負極層は、負極材料及び、リチウムイオン伝導性の固体電解質としてのガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上及び導電助剤を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
負極層材料の全質量に対する負極材料の含有量は、20質量%~90質量%が好ましい。特にこの含有量を20質量%以上にすることで、全固体電池の電池容量を高めることができる。そのため、負極材料の含有量は、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上とする。一方で、この含有量を90質量%以下にすることで、電極層の電子伝導を確保し易くできる。そのため、負極材料の含有量は、好ましくは90質量%以下、好ましくは70質量%以下、より好ましくは50質量%以下とする。
(Negative electrode layer)
The negative electrode layer in the all-solid-state battery of the present invention is obtained by sintering a material containing a negative electrode material, at least one of a glass electrolyte, a ceramics electrolyte, or a glass ceramics electrolyte as a lithium ion conductive solid electrolyte, and a conductive aid. is preferably
The content of the negative electrode material with respect to the total mass of the negative electrode layer material is preferably 20% by mass to 90% by mass. In particular, by making this content 20% by mass or more, the battery capacity of the all-solid-state battery can be increased. Therefore, the content of the negative electrode material is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more. On the other hand, by making this content 90% by mass or less, it is possible to easily ensure electron conduction in the electrode layer. Therefore, the content of the negative electrode material is preferably 90% by mass or less, preferably 70% by mass or less, and more preferably 50% by mass or less.

(負極材料)
Li1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12(x=0.1~1.0、y=0~0.5、z=0~0.2)の充電前の結晶構造はいずれも菱面体晶系であることが好ましい。
xは、結晶構造をイオン伝導性の高い菱面体晶系に保ち、価数が変わることにより充放電が可能となるため、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.3以上とする。他方で、xが高くなり過ぎると菱面体晶系の結晶構造に歪みが生じ、イオン伝導度が低下する。そのため、xは1.0以下、より好ましくは0.8以下、さらに好ましくは0.7以下とする。
yは負極材料中のリチウムの量を増やし伝導度を上げることができる。好ましくは0以上、より好ましくは0.02以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.08以上とする。他方でyが高くなり過ぎると合成温度があがり、イオン伝導度も低下する。そのため、yは0.5以下、より好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.2以下とする。
zは結晶構造をイオン伝導性の高い菱面体晶系に保ち、価数変化しないことで結晶構造を安定化させることのできる任意成分である。好ましくは0以上、より好ましくは0.02以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.1以上とする。他方でzが高くなり過ぎると、負極層あるいは電解質層中にガラス電解質などを用いている場合、共有アルカリ効果を発生させることで全体のイオン伝導性が低下する。そのため、zは0.2以下、より好ましくは0.15以下、さらに好ましくは0.12以下とする。
(negative electrode material)
Before charging Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 (x=0.1-1.0, y=0-0.5, z=0-0.2) preferably have a rhombohedral crystal system.
x is preferably 0.1 or more, more preferably 0.2 or more, and still more preferably 0.2 or more, because the crystal structure is maintained in a rhombohedral system with high ionic conductivity, and charging and discharging are possible by changing the valence. 0.3 or more. On the other hand, if x is too high, the rhombohedral crystal structure will be distorted and the ionic conductivity will decrease. Therefore, x is set to 1.0 or less, more preferably 0.8 or less, and even more preferably 0.7 or less.
y can increase the amount of lithium in the negative electrode material and increase the conductivity. It is preferably 0 or more, more preferably 0.02 or more, more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.08 or more. On the other hand, if y becomes too high, the synthesis temperature rises and the ionic conductivity also decreases. Therefore, y is set to 0.5 or less, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less.
z is an optional component capable of stabilizing the crystal structure by keeping the crystal structure in a rhombohedral system with high ion conductivity and not changing the valence. It is preferably 0 or more, more preferably 0.02 or more, more preferably 0.05 or more, still more preferably 0.1 or more. On the other hand, if z is too high, the ionic conductivity of the whole will decrease due to the shared alkali effect if a glass electrolyte or the like is used in the negative electrode layer or the electrolyte layer. Therefore, z should be 0.2 or less, more preferably 0.15 or less, and even more preferably 0.12 or less.

Fe成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0.1超含有する場合に、Feの価数が変わることにより充放電することができる任意成分である。従って、Feの含有量は、好ましくは0.1超、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.3以上、更に好ましくは0.4以上とする。
他方で、Fe成分の含有量を化学組成比で0.8以下にすることで、結晶構造を菱面体晶系で保つことができ、活物質として機能することができる。従って、Fe成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.8以下、より好ましくは0.7以下、更に好ましくは0.6以下とする。
Fe成分は、原料としてFe、Fe(OH)、FeCO等を用いることができる。
When the Fe component has a chemical composition of Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 and the chemical composition ratio exceeds 0.1, the valence of Fe changes. It is an optional component that can be charged and discharged by Therefore, the Fe content is preferably more than 0.1, more preferably 0.2 or more, still more preferably 0.3 or more, and still more preferably 0.4 or more.
On the other hand, by setting the content of the Fe component to 0.8 or less in terms of chemical composition ratio, the crystal structure can be maintained in the rhombohedral system and can function as an active material. Therefore, the content of the Fe component is preferably 0.8 or less, more preferably 0.7 or less, still more preferably 0.6 or less in chemical composition ratio.
As for the Fe component, Fe 2 O 3 , Fe(OH) 2 , FeCO 3 or the like can be used as raw materials.

Al成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、菱面体晶系の結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Alの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Al成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Al成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
Al成分は、原料としてAl、Al(OH)、Al(PO等を用いることができる。
When the Al component contains a chemical composition ratio of more than 0 when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , it has a rhombohedral crystal structure. It is an optional ingredient that can be stabilized. Therefore, the Al content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Al component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the crystal structure can be maintained in a rhombohedral system while retaining the elements that contribute to charging and discharging, and it can function as an active material. can be done. Therefore, the content of the Al component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.
Al component can use Al2O3 , Al(OH) 3 , Al(PO3)3 etc. as a raw material.

Y成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、菱面体晶系の結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Yの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Y成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Y成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
The Y component has a rhombohedral crystal structure when the chemical composition ratio is greater than 0 when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 It is an optional ingredient that can be stabilized. Therefore, the Y content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Y component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the crystal structure can be maintained in a rhombohedral system while retaining the elements that contribute to charge and discharge, and it can function as an active material. can be done. Therefore, the content of component Y is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.

Sc成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、菱面体晶系の結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Scの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Sc成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Sc成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
The Sc component has a rhombohedral crystal structure when the chemical composition ratio is greater than 0 when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 It is an optional ingredient that can be stabilized. Therefore, the Sc content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Sc component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the crystal structure can be maintained in a rhombohedral system while retaining the elements that contribute to charge and discharge, and it can function as an active material. can be done. Therefore, the content of the Sc component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.

Mn成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、充放電によりFeあるいはTiの価数が変わった際の膨張収縮を調整し、結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Mnの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Mn成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Mn成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the Mn component contains more than 0 in the chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the value of Fe or Ti increases by charging and discharging. It is an optional component that can adjust the expansion and contraction when the number changes and stabilize the crystal structure. Therefore, the Mn content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Mn component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the charge/discharge potential can be maintained at a low potential. Therefore, the content of the Mn component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, still more preferably 0.2 or less in chemical composition ratio.

Ni成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、充放電によりFeあるいはTiの価数が変わった際の膨張収縮を調整し、結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Niの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Ni成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Ni成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the Ni component contains more than 0 in the chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the value of Fe or Ti is reduced by charging and discharging. It is an optional component that can adjust the expansion and contraction when the number changes and stabilize the crystal structure. Therefore, the Ni content is preferably more than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Ni component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the charge/discharge potential can be maintained at a low potential. Therefore, the content of the Ni component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, still more preferably 0.2 or less in chemical composition ratio.

Cr成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、充放電によりFeあるいはTiの価数が変わった際の膨張収縮を調整し、結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Crの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Cr成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Cr成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the Cr component contains more than 0 in the chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the value of Fe or Ti increases by charging and discharging. It is an optional component that can adjust the expansion and contraction when the number changes and stabilize the crystal structure. Therefore, the Cr content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the Cr component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the charge/discharge potential can be maintained at a low potential. Therefore, the content of the Cr component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, still more preferably 0.2 or less in chemical composition ratio.

V成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、充放電によりFeあるいはTiの価数が変わった際の膨張収縮を調整し、結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Vの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、V成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、V成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the chemical composition of the V component is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 and the chemical composition ratio is greater than 0, the value of Fe or Ti increases by charging and discharging. It is an optional component that can adjust the expansion and contraction when the number changes and stabilize the crystal structure. Therefore, the V content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the content of the V component to 0.3 or less in chemical composition ratio, the charge/discharge potential can be maintained at a low potential. Therefore, the content of component V is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.

Co成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、充放電によりFeあるいはTiの価数が変わった際の膨張収縮を調整し、結晶構造を安定化させることができる任意成分である。従って、Coの含有量は、好ましくは0超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.1以上とする。
他方で、Co成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Co成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the Co component contains more than 0 in the chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the value of Fe or Ti decreases due to charging and discharging. It is an optional component that can adjust the expansion and contraction when the number changes and stabilize the crystal structure. Therefore, the Co content is preferably greater than 0, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, and still more preferably 0.1 or more.
On the other hand, by setting the Co component content to 0.3 or less in chemical composition ratio, the charge/discharge potential can be maintained at a low potential. Therefore, the content of the Co component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.

Mg成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、価数のバランスによりLiを多く結晶に含ませることにより電位を下げることができる任意成分である。従ってMgの含有量は、好ましくは0.01超、より好ましくは0.03以上、更に好ましくは0.05以上とする。
他方で、Mg成分の含有量を化学組成比で0.2以下にすることで、結晶構造の安定化とリチウムイオン伝導性ガラス電解質との反応でMg成分がリチウムイオン伝導性ガラス電解質に溶け出し共有アルカリ効果を発生させることにより、リチウムイオン伝導性ガラスの伝導度を下げることを抑制することができる。従って、Mg成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.2以下、更に好ましくは0.15以下とする。
When the chemical composition of the Mg component is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 and the chemical composition ratio exceeds 0, Li is increased due to the balance of valences. It is an optional component that can lower the potential by being contained in the crystal. Therefore, the Mg content is preferably more than 0.01, more preferably 0.03 or more, and still more preferably 0.05 or more.
On the other hand, by setting the content of the Mg component to 0.2 or less in chemical composition ratio, the Mg component dissolves into the lithium ion conductive glass electrolyte due to the stabilization of the crystal structure and the reaction with the lithium ion conductive glass electrolyte. By generating a covalent alkali effect, it is possible to suppress lowering of the conductivity of the lithium ion conductive glass. Therefore, the content of the Mg component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.2 or less, still more preferably 0.15 or less in terms of chemical composition ratio.

Ca成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0超含有する場合に、価数のバランスによりLiを多く結晶に含ませることにより電位を下げることができる任意成分である。従ってCaの含有量は、好ましくは0.01超、より好ましくは0.03以上、更に好ましくは0.05以上とする。
他方で、Ca成分の含有量を化学組成比で0.2以下にすることで、結晶構造の安定化とリチウムイオン伝導性ガラス電解質との反応でCa成分がリチウムイオン伝導性ガラス電解質に溶け出し共有アルカリ効果を発生させることにより、リチウムイオン伝導性ガラスの伝導度を下げることを抑制することができる。従って、Ca成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.2以下、更に好ましくは0.15以下とする。
When the Ca component contains more than 0 in the chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , Li is increased due to the balance of valences. It is an optional component that can lower the potential by being contained in the crystal. Therefore, the Ca content is preferably more than 0.01, more preferably 0.03 or more, and still more preferably 0.05 or more.
On the other hand, by setting the content of the Ca component to 0.2 or less in chemical composition ratio, the Ca component dissolves into the lithium ion conductive glass electrolyte due to the stabilization of the crystal structure and the reaction with the lithium ion conductive glass electrolyte. By generating a covalent alkali effect, it is possible to suppress lowering of the conductivity of the lithium ion conductive glass. Therefore, the content of the Ca component is preferably 0.3 or less, more preferably 0.2 or less, and still more preferably 0.15 or less in terms of chemical composition ratio.

Ti成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0.1超含有する場合に、Tiの価数が変わることにより充放電容量を増加させることができる任意成分である。従って、Tiの含有量は、好ましくは0.1超、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.3以上、更に好ましくは0.4以上とする。
他方で、Ti成分の含有量を化学組成比で1.95以下にすることで、結晶構造を菱面体晶系で保つことができ、活物質として機能することができる。従って、Ti成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.95以下、より好ましくは1.9以下、更に好ましくは1.8以下とする。
When the Ti component has a chemical composition of Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 and the chemical composition ratio exceeds 0.1, the valence of Ti changes. It is an optional component that can increase the charge/discharge capacity. Therefore, the Ti content is preferably more than 0.1, more preferably 0.2 or more, still more preferably 0.3 or more, and still more preferably 0.4 or more.
On the other hand, by setting the content of the Ti component to 1.95 or less in terms of chemical composition ratio, the crystal structure can be maintained in the rhombohedral system and can function as an active material. Therefore, the content of the Ti component is preferably 1.95 or less, more preferably 1.9 or less, still more preferably 1.8 or less in chemical composition ratio.

Zr成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0.1超含有する場合に、Tの価数が変わった際にも価数変化しないため、結晶構造を安定化させサイクル特性を向上させることができる任意成分である。Zrの含有量は、好ましくは0.1超、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.3以上とする。
他方で、Zr成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Ti成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
When the Zr component contains more than 0.1 in chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the valence of T changes. It is an optional component capable of stabilizing the crystal structure and improving the cycle characteristics because it does not change its valence even when it is subjected to sintering. The Zr content is preferably greater than 0.1, more preferably 0.2 or more, and still more preferably 0.3 or more.
On the other hand, by setting the content of the Zr component to 1.9 or less in chemical composition ratio, the lithium ion conductivity of the crystal itself can be maintained at a high level, and the reaction resistance can be lowered. Therefore, the content of the Ti component is preferably 1.9 or less, more preferably 1.8 or less, still more preferably 1.7 or less in terms of chemical composition ratio.

Ge成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0.1超含有する場合に、Tの価数が変わった際にも価数変化しないため、結晶構造を安定化させサイクル特性を向上させることができる任意成分である。Geの含有量は、好ましくは0.1超、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.3以上とする。
他方で、Ge成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Ge成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
When the Ge component contains more than 0.1 in chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the valence of T changes. It is an optional component capable of stabilizing the crystal structure and improving the cycle characteristics because it does not change its valence even when it is subjected to sintering. The Ge content is preferably greater than 0.1, more preferably 0.2 or more, and still more preferably 0.3 or more.
On the other hand, by setting the content of the Ge component to 1.9 or less in chemical composition ratio, the lithium ion conductivity of the crystal itself can be maintained at a high level, and the reaction resistance can be lowered. Therefore, the content of the Ge component is preferably 1.9 or less, more preferably 1.8 or less, still more preferably 1.7 or less in terms of chemical composition ratio.

Sn成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際に化学組成比で0.1超含有する場合に、Tの価数が変わった際にも価数変化しないため、結晶構造を安定化させサイクル特性を向上させることができる任意成分である。Snの含有量は、好ましくは0.1超、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.3以上とする。
他方で、Sn成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Sn成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
When the Sn component contains more than 0.1 in chemical composition ratio when the chemical composition is Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 , the valence of T changes. It is an optional component capable of stabilizing the crystal structure and improving the cycle characteristics because it does not change its valence even when it is subjected to sintering. The Sn content is preferably more than 0.1, more preferably 0.2 or more, and still more preferably 0.3 or more.
On the other hand, by setting the content of the Sn component to 1.9 or less in chemical composition ratio, the lithium ion conductivity of the crystal itself can be maintained at a high level, and the reaction resistance can be lowered. Therefore, the content of the Sn component is preferably 1.9 or less, more preferably 1.8 or less, still more preferably 1.7 or less in terms of chemical composition ratio.

P成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-z3-ySi12とした際にSiなどで置換することで化学組成比で2.5超含有する場合に、菱面体晶系を保持できる必須成分である。従って、Pの含有量は、好ましくは2.5超、より好ましくは2.6以上、より好ましくは2.7以上、更に好ましくは2.8以上、更に好ましくは2.85以上とする。結晶構造を安定化させるためにはSiなどを置換せずに3のままでも良い。
他方で、P成分の含有量を化学組成比で3以下にすることで、Siを含有させることができるが、価数のバランスによりLiを多く結晶に含ませることにより電位を下げることができる。従って、P成分の含有量は、好ましくは化学組成比で3以下、より好ましくは2.95以下、更に好ましくは2.9以下とする。
When the P component has a chemical composition of Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-z P 3-y Si y O 12 and is substituted with Si or the like, the chemical composition ratio exceeds 2.5. , is an essential component that can maintain the rhombohedral crystal system. Therefore, the P content is preferably more than 2.5, more preferably 2.6 or more, more preferably 2.7 or more, still more preferably 2.8 or more, still more preferably 2.85 or more. In order to stabilize the crystal structure, 3 may be left as it is without substituting Si or the like.
On the other hand, by setting the content of the P component to 3 or less in chemical composition ratio, Si can be included, but the potential can be lowered by including a large amount of Li in the crystal due to the valence balance. Therefore, the content of the P component is preferably 3 or less, more preferably 2.95 or less, still more preferably 2.9 or less in terms of chemical composition ratio.

Si成分は、化学組成をLi1+x+y+2Z2-x-y3-ySi12とした際に化学組成比で0.01超含有する場合に、価数のバランスによりLiを多く結晶に含ませることにより電位を下げることができる任意成分である。従ってSiの含有量は、好ましくは0.01超、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上とする。
他方で、Si成分の含有量を化学組成比で0.5以下にすることで、結晶構造の安定化と焼成温度の低温下ができる。従って、Si成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.5以下、より好ましくは0.3以下、更に好ましくは0.2以下とする。
When the Si component has a chemical composition of Li 1+x+y+2Z A Z M x T 2-x-y P 3-y Si y O 12 and contains more than 0.01 in chemical composition ratio, Li is an optional component that can lower the potential by including a large amount of in the crystal. Therefore, the Si content is preferably more than 0.01, more preferably 0.02 or more, and still more preferably 0.05 or more.
On the other hand, by setting the content of the Si component to 0.5 or less in chemical composition ratio, the crystal structure can be stabilized and the firing temperature can be lowered. Therefore, the content of the Si component is preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less, still more preferably 0.2 or less in terms of chemical composition ratio.

本発明記載の負極材料の組成はLi成分についてはICP発光分光分析で確認できる。また、それ以外の組成については蛍光X線分析測定で確認できる。また、電極内に分散された場合、透過型電子顕微鏡のEDX測定などによっても解析することができる。その場合、Li成分については分析上の相違が発生することと、負極活物質であるためにLi量が不明量であることから、他の組成の価数のバランスから推定することもできる。 The composition of the negative electrode material according to the present invention can be confirmed by ICP emission spectroscopic analysis for the Li component. Other compositions can be confirmed by fluorescent X-ray analysis measurement. Moreover, when dispersed in an electrode, it can be analyzed by EDX measurement of a transmission electron microscope. In this case, the Li component may be estimated from the balance of the valences of the other compositions, since there is an analytical difference and the amount of Li is unknown due to the negative electrode active material.

上記負極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量は、2質量%以上含有する場合に、リチウムイオン伝導性の界面を形成できる。また上記ガラス電解質は、正極層の密度を高め、体積当たりのエネルギー密度を高くする成分である。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上、更に好ましくは4質量%以上、特に好ましくは5質量%以上とする。
他方で、上記正極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量を20質量%以下にすることで、セラミックス電解質に比べて低いリチウムイオン伝導度のガラス電解質が過剰に存在にすることに起因するリチウムイオン伝導度の低下を抑制できる。また、負極層中の電子伝導は導電助剤同士の接触又は接合によって生じる電子伝達によって成るので、電子伝導性を有しないガラス電解質により導電助剤同士の接触が阻害されると電子伝導の抵抗が高くなる。よって、電子伝導性を有しないガラス電解質が過剰に存在することに起因する電子伝導度の低下を抑制できる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下とする。
When the content of the glass electrolyte with respect to the total mass of the negative electrode layer material is 2% by mass or more, a lithium ion conductive interface can be formed. The glass electrolyte is a component that increases the density of the positive electrode layer and increases the energy density per volume. Therefore, the content of the glass electrolyte is preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, still more preferably 4% by mass or more, and particularly preferably 5% by mass or more.
On the other hand, by setting the content of the glass electrolyte to 20% by mass or less with respect to the total mass of the positive electrode layer material, the glass electrolyte having a lower lithium ion conductivity than the ceramic electrolyte is excessively present. A decrease in ionic conductivity can be suppressed. In addition, since electron conduction in the negative electrode layer is caused by electron transfer caused by contact or bonding between conductive aids, resistance to electronic conduction increases when contact between conductive aids is inhibited by a glass electrolyte that does not have electronic conductivity. get higher Therefore, it is possible to suppress the decrease in electronic conductivity caused by the excessive presence of the glass electrolyte having no electronic conductivity. Therefore, the content of the glass electrolyte is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and even more preferably 10% by mass or less.

本発明の負極層材料のセラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質は、特に限定しないが、菱面体晶系を有するリチウム含有リン酸化合物であることが好ましい。その化学式は、LiM’12(X=1~1.7)で表される。ここでM’はZr、Ti、Fe、Mn、Co、Cr、Ca、Mg、Sr、Y、Sc、Sn、La、Ge、Nb、Alからなる群より選ばれた1種以上の元素である。また、Pの一部をSi又はBに、Oの一部をF、Cl等で置換してもよい。例えば、Li1.15Ti1.85Al0.15Si0.052.9512、Li1.2Ti1.8Al0.1Ge0.1Si0.052.9512等を用いることができる。また、異なる組成の材料を混合又は複合してもよい。ガラス電解質などで表面をコートしてもよい。又は、熱処理によりNASICON型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の結晶相を析出するガラスセラミックスを用いてもよい。ここで、上記ガラスセラミックスにおけるLiOの配合割合は酸化物換算で8質量%以下であることが好ましい。NASICON構造でなくとも、Li、La、Mg、Ca、Fe、Co、Cr、Mn、Ti、Zr、Sn、Y、Sc、P、Si、O、In、Nb、Fからなり、LISICON型、ぺロブスカイト型、β―Fe(SO型、LiIn(PO型の結晶構造をもちLiイオンを室温で1×10-5S/cm以上伝導する固体電解質を用いても良い。また、上記電解質を混合しても良い。 Although the ceramic electrolyte or glass ceramic electrolyte of the negative electrode layer material of the present invention is not particularly limited, it is preferably a lithium-containing phosphate compound having a rhombohedral crystal system. Its chemical formula is represented by Li x M' 2 P 3 O 12 (X=1 to 1.7). Here, M' is one or more elements selected from the group consisting of Zr, Ti, Fe, Mn, Co, Cr, Ca, Mg, Sr, Y, Sc, Sn, La, Ge, Nb and Al. . Also, part of P may be replaced with Si or B, and part of O may be replaced with F, Cl, or the like. For example , Li1.15Ti1.85Al0.15Si0.05P2.95O12 , Li1.2Ti1.8Al0.1Ge0.1Si0.05P2.95O _ _ _ _ _ _ 12 or the like can be used. Also, materials with different compositions may be mixed or combined. The surface may be coated with a glass electrolyte or the like. Alternatively, glass-ceramics that deposit a crystal phase of a lithium-containing phosphate compound having a NASICON-type structure by heat treatment may be used. Here, the mixing ratio of Li 2 O in the glass-ceramics is preferably 8% by mass or less in terms of oxide. Li, La, Mg, Ca, Fe, Co, Cr, Mn, Ti, Zr, Sn, Y, Sc, P, Si, O, In, Nb, F, LISICON type, PE Using a solid electrolyte that has a loovskite type, β-Fe 2 (SO 4 ) 3 type, and Li 3 In 2 (PO 4 ) 3 type crystal structure and conducts Li ions at room temperature at 1×10 −5 S/cm or more Also good. Also, the above electrolyte may be mixed.

本発明の負極層材料の導電助剤は、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、アルミ合金、亜鉛合金、銀、ルテニウムなど電子伝導性を有する材料を用いることができる。異なる材料を混合または複合して良い。
上記負極層材料の全質量に対する、導電助剤の含有量は導電助剤の種類にもよるが5質量%~30質量%であることが好ましい。
特に、上記含有量を5質量%以上にすることで、導電助剤によって形成される電子伝導のネットワークが確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、負極層における導電助剤の合計含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは7質量%以上、更に好ましくは8質量%以上とする。
他方で、上記含有量を30質量%以下にすることで、負極層中に含まれる負極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、負極層における上記導電助剤の含有量は、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下とする。
Materials having electron conductivity, such as carbon, graphite, carbon nanotubes, aluminum alloys, zinc alloys, silver, and ruthenium, can be used as the conductive aid for the negative electrode layer material of the present invention. Different materials may be mixed or combined.
The content of the conductive aid with respect to the total mass of the negative electrode layer material is preferably 5% by mass to 30% by mass, although it depends on the type of the conductive aid.
In particular, when the content is 5% by mass or more, the electron conduction network formed by the conductive aid is easily secured, so that the charge/discharge characteristics and battery capacity of the battery can be easily improved. Therefore, the total content of the conductive aid in the negative electrode layer is preferably 5% by mass or more, more preferably 7% by mass or more, and even more preferably 8% by mass or more.
On the other hand, by setting the content to 30% by mass or less, the content of the negative electrode material contained in the negative electrode layer increases, so that the energy density of the all-solid-state battery can be increased. Therefore, the content of the conductive aid in the negative electrode layer is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and even more preferably 15% by mass or less.

(正極層)
本発明の全固体電池における正極層は、正極材料及び、リチウムイオン伝導性の固体電解質としてのガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上及び導電助剤を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
上記正極層の正極材料の種類は限定されない。本発明の正極材料としては、オリビン構造を有するLiRPOであって、RはFe、Co、Mn、Niのうち1種以上で、Alなどにより一部を置換してもよい。また、Pの一部をSi又はBで置換してもよい。Oの一部をFで置換してもよい。また、スピネル構造を持つLiMn、層状酸化物のLiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiNi1/2Mn1/2、LiNiO、LiCoOなどを用いてもよい。最も好適な正極材料は、焼成時に固体電解質と反応し酸素が放出されると放電容量が低下するため、酸素がリンと強硬に結合しているオリビン構造である。次に好適な正極材料は、順にスピネル構造を持つLiMn、次いで上記層状酸化物である。
正極層材料の全質量に対する上記正極材料の含有量は、10質量%~60質量%が好ましい。特にこの含有量を10質量%以上にすることで、全固体電池の電池容量を高めることができる。そのため、正極材料の含有量は、好ましくは10質量%以上、より好ましくは18質量%以上とする。一方で、この含有量を60質量%以下にすることで、電極層のイオン伝導性を確保し易くできる。そのため、正極材料の含有量は、好ましくは60質量%以下、好ましくは50質量%以下、より好ましくは35質量%以下とする。
(positive electrode layer)
The positive electrode layer in the all-solid-state battery of the present invention is obtained by sintering a material containing a positive electrode material, at least one of a glass electrolyte, a ceramics electrolyte, or a glass ceramics electrolyte as a lithium ion conductive solid electrolyte, and a conductive aid. is preferably
The type of positive electrode material for the positive electrode layer is not limited. The positive electrode material of the present invention is LiRPO 4 having an olivine structure, where R is one or more of Fe, Co, Mn and Ni, and a portion thereof may be substituted with Al or the like. Also, part of P may be replaced with Si or B. Part of O may be replaced with F. Further, LiMn 2 O 4 having a spinel structure, layered oxide LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , LiNiO 2 , LiCoO 2 etc. good too. The most suitable positive electrode material has an olivine structure in which oxygen is strongly bonded to phosphorus, since discharge capacity decreases when oxygen is released by reacting with the solid electrolyte during firing. The next preferred cathode material is LiMn 2 O 4 with a spinel structure, followed by the above layered oxides.
The content of the positive electrode material with respect to the total mass of the positive electrode layer material is preferably 10% by mass to 60% by mass. In particular, by making this content 10% by mass or more, the battery capacity of the all-solid-state battery can be increased. Therefore, the content of the positive electrode material is preferably 10% by mass or more, more preferably 18% by mass or more. On the other hand, by setting the content to 60% by mass or less, the ion conductivity of the electrode layer can be easily ensured. Therefore, the content of the positive electrode material is preferably 60% by mass or less, preferably 50% by mass or less, and more preferably 35% by mass or less.

上記正極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量は、2質量%以上含有する場合に、リチウムイオン伝導性の界面を形成できる。また上記ガラス電解質は、正極層の密度を高め、体積当たりのエネルギー密度を高くする成分である。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上、更に好ましくは4質量%以上、特に好ましくは5質量%以上とする。
他方で、上記正極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量を20質量%以下にすることで、セラミックス電解質に比べて低いリチウムイオン伝導度のガラス電解質が過剰に存在にすることに起因するリチウムイオン伝導度の低下を抑制できる。また、負極層中の電子伝導は導電助剤同士の接触又は接合によって生じる電子伝達によって成るので、電子伝導性を有しないガラス電解質により導電助剤同士の接触が阻害されると電子伝導の抵抗が高くなる。よって、電子伝導性を有しないガラス電解質が過剰に存在することに起因する電子伝導度の低下を抑制できる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下とする。
When the content of the glass electrolyte with respect to the total mass of the positive electrode layer material is 2% by mass or more, a lithium ion conductive interface can be formed. The glass electrolyte is a component that increases the density of the positive electrode layer and increases the energy density per volume. Therefore, the content of the glass electrolyte is preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, still more preferably 4% by mass or more, and particularly preferably 5% by mass or more.
On the other hand, by setting the content of the glass electrolyte to 20% by mass or less with respect to the total mass of the positive electrode layer material, the glass electrolyte having a lower lithium ion conductivity than the ceramic electrolyte is excessively present. A decrease in ionic conductivity can be suppressed. In addition, since electron conduction in the negative electrode layer is caused by electron transfer caused by contact or bonding between conductive aids, resistance to electronic conduction increases when contact between conductive aids is inhibited by a glass electrolyte that does not have electronic conductivity. get higher Therefore, it is possible to suppress the decrease in electronic conductivity caused by the excessive presence of the glass electrolyte having no electronic conductivity. Therefore, the content of the glass electrolyte is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and even more preferably 10% by mass or less.

本発明の正極層材料のセラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質は、特に限定しないが、菱面体晶系を有するリチウム含有リン酸化合物であることが好ましい。その化学式は、LiM”12(X=1~1.7)で表される。ここでM”はZr、Ti、Fe、Mn、Co、Cr、Ca、Mg、Sr、Y、Sc、Sn、La、Ge、Nb、Alからなる群より選ばれた1種以上の元素である。また、Pの一部をSi又はBに、Oの一部をF、Cl等で置換してもよい。例えば、Li1.15Ti1.85Al0.15Si0.052.9512、Li1.2Ti1.8Al0.1Ge0.1Si0.052.9512等を用いることができる。また、異なる組成の材料を混合又は複合してもよい。ガラス電解質などで表面をコートしてもよい。又は、熱処理によりNASICON型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の結晶相を析出するガラスセラミックスを用いてもよい。ここで、上記ガラスセラミックスにおけるLiOの配合割合は酸化物換算で8質量%以下であることが好ましい。NASICON構造でなくとも、Li、La、Mg、Ca、Fe、Co、Cr、Mn、Ti、Zr、Sn、Y、Sc、P、Si、O、In、Nb、Fからなり、LISICON型、ぺロブスカイト型、β―Fe(SO型、LiIn(PO型の結晶構造をもちLiイオンを室温で1×10-5S/cm以上伝導する固体電解質を用いても良い。また、上記電解質を混合しても良い。 Although the ceramic electrolyte or glass ceramic electrolyte of the positive electrode layer material of the present invention is not particularly limited, it is preferably a lithium-containing phosphate compound having a rhombohedral crystal system. Its chemical formula is Li x M″ 2 P 3 O 12 (X=1-1.7), where M″ is Zr, Ti, Fe, Mn, Co, Cr, Ca, Mg, Sr, One or more elements selected from the group consisting of Y, Sc, Sn, La, Ge, Nb and Al. Also, part of P may be replaced with Si or B, and part of O may be replaced with F, Cl, or the like. For example , Li1.15Ti1.85Al0.15Si0.05P2.95O12 , Li1.2Ti1.8Al0.1Ge0.1Si0.05P2.95O _ _ _ _ _ _ 12 or the like can be used. Also, materials with different compositions may be mixed or combined. The surface may be coated with a glass electrolyte or the like. Alternatively, glass-ceramics that deposit a crystal phase of a lithium-containing phosphate compound having a NASICON-type structure by heat treatment may be used. Here, the mixing ratio of Li 2 O in the glass ceramics is preferably 8% by mass or less in terms of oxide. Li, La, Mg, Ca, Fe, Co, Cr, Mn, Ti, Zr, Sn, Y, Sc, P, Si, O, In, Nb, F, LISICON type, PE Using a solid electrolyte having a loovskite type, β-Fe 2 (SO 4 ) 3 type, Li 3 In 2 (PO 4 ) 3 type crystal structure and conducting Li ions at room temperature at 1×10 −5 S/cm or more Also good. Also, the above electrolyte may be mixed.

上記正極層材料の全質量に対する、リチウム伝導性の固体電解質の含有量は30質量%~80質量%であることが好ましい。
特に、上記含有量を30質量%以上にすることで、ガラス電解質によって形成されるリチウムイオンの移動経路が確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、電極層におけるリチウム伝導性の固体電解質の合計含有量は、好ましくは30質量%以上、より好ましくは45質量%以上、更に好ましくは55質量%以上とする。
他方で、上記含有量を80質量%以下にすることで、正極層中に含まれる正極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、正極層における上記リチウム伝導性の固体電解質の含有量は、好ましくは75質量%以下、より好ましくは70質量%以下、さらに好ましくは65質量%以下とする。
本発明の正極層材料の導電助剤は、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、アルミ合金、亜鉛合金、銀、ルテニウムなど電子伝導性を有する材料を用いることができる。異なる材料を混合または複合して良い。
上記正極層材料の全質量に対する、導電助剤の含有量は導電助剤の種類にもよるが5質量%~30質量%であることが好ましい。
特に、上記含有量を5質量%以上にすることで、導電助剤によって形成される電子伝導のネットワークが確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、正極層における導電助剤の合計含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは7質量%以上、更に好ましくは8質量%以上とする。
他方で、上記含有量を30質量%以下にすることで、正極層中に含まれる正極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、正極層における上記導電助剤の含有量は、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下とする。
The content of the lithium conductive solid electrolyte is preferably 30% by mass to 80% by mass with respect to the total mass of the positive electrode layer material.
In particular, by setting the content to 30% by mass or more, it becomes easier to secure a movement path for lithium ions formed by the glass electrolyte, so that the charging/discharging characteristics and battery capacity of the battery can be more easily improved. Therefore, the total content of the lithium conductive solid electrolyte in the electrode layer is preferably 30% by mass or more, more preferably 45% by mass or more, and even more preferably 55% by mass or more.
On the other hand, by setting the content to 80% by mass or less, the content of the positive electrode material contained in the positive electrode layer increases, so that the energy density of the all-solid-state battery can be increased. Therefore, the content of the lithium conductive solid electrolyte in the positive electrode layer is preferably 75% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, and even more preferably 65% by mass or less.
Materials having electron conductivity, such as carbon, graphite, carbon nanotubes, aluminum alloys, zinc alloys, silver, and ruthenium, can be used as the conductive aid for the positive electrode layer material of the present invention. Different materials may be mixed or combined.
The content of the conductive aid with respect to the total weight of the positive electrode layer material is preferably 5% by mass to 30% by mass, although it depends on the type of the conductive aid.
In particular, when the content is 5% by mass or more, the electron conduction network formed by the conductive aid is easily secured, so that the charge/discharge characteristics and battery capacity of the battery can be easily improved. Therefore, the total content of the conductive aid in the positive electrode layer is preferably 5% by mass or more, more preferably 7% by mass or more, and even more preferably 8% by mass or more.
On the other hand, by setting the content to 30% by mass or less, the content of the positive electrode material contained in the positive electrode layer increases, so that the energy density of the all-solid-state battery can be increased. Therefore, the content of the conductive aid in the positive electrode layer is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and even more preferably 15% by mass or less.

(固体電解質層)
本発明の全固体電池における固体電解質層は、固体電解質としての、ガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer in the all-solid-state battery of the present invention is preferably a sintered material containing at least one of a glass electrolyte, a ceramics electrolyte, and a glass-ceramics electrolyte as a solid electrolyte.

上記固体電解質層材料の全質量に対する上記ガラス電解質の含有量は、3質量%以上の場合に、ガラス電解質がセラミックス電解質界面に行き渡り、固体電解質層のイオン伝導度を上げる事が出来る。また、上記固体電解質層の密度を上げることができるので強度も高くできる。3質量%未満の場合、固体電解質層のイオン伝導度を高くできない。従って、固体電解質層中のガラス電解質の含有量は、好ましくは3質量%以上、より好ましくは4質量%以上、更に好ましくは4.5質量%以上、特に好ましくは5質量%以上とする。
他方で、上記ガラス電解質の含有量が15質量%を超えると、セラミックス電解質同士をつないでいる上記ガラス電解質の膜厚が厚くなり、リチウムイオンがガラス電解質を通る距離が長くなる。セラミックス電解質よりも伝導度が低いガラス電解質の伝導度の影響が強くなり、結果としてイオン伝導度が低下する。そこで、上記ガラス電解質の含有量を15質量%以下にすることで上記のようなイオン伝導度の低下を防ぐことができる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは15質量%以下、より好ましくは12質量%以下、更に好ましくは9質量%以下とする。
When the content of the glass electrolyte with respect to the total mass of the solid electrolyte layer material is 3% by mass or more, the glass electrolyte spreads over the ceramic electrolyte interface, and the ion conductivity of the solid electrolyte layer can be increased. Moreover, since the density of the solid electrolyte layer can be increased, the strength can also be increased. If it is less than 3% by mass, the ionic conductivity of the solid electrolyte layer cannot be increased. Therefore, the content of the glass electrolyte in the solid electrolyte layer is preferably 3% by mass or more, more preferably 4% by mass or more, still more preferably 4.5% by mass or more, and particularly preferably 5% by mass or more.
On the other hand, when the content of the glass electrolyte exceeds 15% by mass, the film thickness of the glass electrolyte connecting the ceramic electrolytes becomes thicker, and the distance through which lithium ions pass through the glass electrolyte becomes longer. The influence of the conductivity of the glass electrolyte, which is lower than that of the ceramics electrolyte, becomes stronger, and as a result, the ionic conductivity decreases. Therefore, by setting the content of the glass electrolyte to 15% by mass or less, it is possible to prevent the decrease in ion conductivity as described above. Therefore, the content of the glass electrolyte is preferably 15% by mass or less, more preferably 12% by mass or less, and even more preferably 9% by mass or less.

上記固体電解質層材料に含まれるセラミックス電解質の種類は限定されない。本発明の固体電解質としては菱面体晶系のNASICON型構造を有するリチウム含有リン酸化合物であって、化学式Li12(X=1~1.7)で表される。ここでLは、Zr、Ti、Fe、Mn、Co、Ca、Mg、Sr、Y、La、Ge、Nb、Alからなる群より選ばれた1種以上の元素である。また、Pの一部をSiやBに、Oの一部をF、Cl等で置換しても良い。例えば、Li1.2Zr1.85Al0.15Si0.052.9512、Li1.2Zr1.85Al0.1Ti0.05Si0.05等を用いることができる。また、異なる組成の材料を混合又は複合しても良い。ガラス電解質などで表面をコートしても良い。NASICON型とは別のリチウムイオン伝導体、β-Fe(SO型LiIn(PO、ペロブスカイト型リチウムイオン伝導体La0.51Li0.34TiO2.94を用いても良い。 The type of ceramic electrolyte contained in the solid electrolyte layer material is not limited. The solid electrolyte of the present invention is a lithium-containing phosphate compound having a rhombohedral NASICON structure and is represented by the chemical formula Li x L 2 P 3 O 12 (X=1 to 1.7). Here, L is one or more elements selected from the group consisting of Zr, Ti, Fe, Mn, Co, Ca, Mg, Sr, Y, La, Ge, Nb and Al. Also, part of P may be replaced with Si or B, and part of O may be replaced with F, Cl, or the like. For example , Li1.2Zr1.85Al0.15Si0.05P2.95O12 , Li1.2Zr1.85Al0.1Ti0.05Si0.05 , etc. can be used . can. Also, materials with different compositions may be mixed or combined. The surface may be coated with a glass electrolyte or the like. Lithium ion conductors different from the NASICON type, β-Fe 2 (SO 4 ) 3 type Li 3 In 2 (PO 4 ) 3 , perovskite type lithium ion conductor La 0.51 Li 0.34 TiO 2.94 . You can use it.

上記固体電解質層材料の全質量に対して、リチウムイオン伝導性の固体電解質の含有量を80質量%以上にすることが好ましい。これにより、固体電解質層中にリチウムイオンの伝導する経路が形成され易くなるため、固体電解質層のリチウムイオン伝導性をより高めることができる。
他方で、上記リチウムイオン伝導性の固体電解質の含有量の上限は特に限定されず、100質量%であってもよい。
It is preferable that the content of the lithium ion conductive solid electrolyte is 80% by mass or more with respect to the total mass of the solid electrolyte layer material. This facilitates the formation of paths for lithium ion conduction in the solid electrolyte layer, so that the lithium ion conductivity of the solid electrolyte layer can be further enhanced.
On the other hand, the upper limit of the content of the lithium ion conductive solid electrolyte is not particularly limited, and may be 100% by mass.

実施例
<負極材料作製>
負極材料は調合、焼成、粉砕の3つの手順で作製した。
Example <Preparation of negative electrode material>
The negative electrode material was produced by three procedures of preparation, firing, and pulverization.

(調合)
表1の実施例1~実施例17までの負極材料について原料をLiPO、Fe、MgO、Al(PO、Y、MnO、CoO、TiO、GeO、ZrO、正リン酸(HPO)、SiOとし、それぞれ量論比で混合した。正リン酸成分以外をアルミナ乳鉢で混合し、のちに正リン酸を加えて、泡とり錬太郎で5分間混練し2分冷却を1セットとし、3セット混練した。
(mixing)
LiPO 3 , Fe 2 O 3 , MgO, Al(PO 3 ) 3 , Y 2 O 3 , MnO 2 , CoO, TiO 2 , GeO 2 , ZrO 2 , orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), and SiO 2 were mixed in a stoichiometric ratio. Components other than orthophosphoric acid were mixed in an alumina mortar, then orthophosphoric acid was added, kneaded for 5 minutes with a foam removing Rentaro, and then cooled for 2 minutes.

(焼成)
Zrを使用しない実施例1~実施例11および実施例16については、石英るつぼに入れて大気下で1000℃5時間焼成した。Zrを化学量論比で0.2および0.5使用する実施例12および13は大気下で1100℃5時間焼成した。Zrを化学量論比で1および1.5使用する実施例14および15は1100℃5時間焼成した後に、アルミナ乳鉢で粉砕し、白金板の上に移して、1350℃で1時間焼成した。
(firing)
Examples 1 to 11 and 16, which do not use Zr, were placed in a quartz crucible and fired in the air at 1000° C. for 5 hours. Examples 12 and 13 using 0.2 and 0.5 stoichiometric ratios of Zr were calcined in air at 1100° C. for 5 hours. Examples 14 and 15 using 1 and 1.5 stoichiometric ratios of Zr were fired at 1100°C for 5 hours, pulverized in an alumina mortar, transferred onto a platinum plate, and fired at 1350°C for 1 hour.

(粉砕)
焼成した試料はアルミナ乳鉢・乳棒を用いて、106μmメッシュパスまで粉砕後、湿式の遊星ボールミルでD90で1.5μm以下まで粉砕した。
(crushing)
The fired sample was pulverized to 106 μm mesh pass using an alumina mortar and pestle, and then pulverized to 1.5 μm or less at D90 with a wet planetary ball mill.

(粉末X線回折測定)
得られた試料は106メッシュパスまで粉砕した試料について粉末X線回折測定を行い、結晶構造を評価した。実施例4のX線回折測定結果を図1に、実施例15のX線回折測定結果を図2に示す。いずれもNASICON型のLATP12あるいはLAZP12と同様に菱面体晶系であった。実施例1から17いずれの負極材料も菱面体晶系であることを確認した。
(ICP発光分光分析)
焼成後の試料のLi成分はXRF・ZSX Primus II(アジレント・テクノロジー製)で評価した。いずれの試料も仕込み組成の±10%以内に収まることを確認した。
(蛍光X線分析)
焼成後の試料のLi成分以外の元素はXRF・ZSX Primus II(RIGAKU製)で評価した。いずれの組成も仕込み組成の±10%以内に収まることを確認した。
(Powder X-ray diffraction measurement)
The obtained sample was ground to 106 mesh pass and subjected to powder X-ray diffraction measurement to evaluate the crystal structure. The results of X-ray diffraction measurement of Example 4 are shown in FIG. 1, and the results of X-ray diffraction measurement of Example 15 are shown in FIG. All of them had a rhombohedral crystal system like NASICON type LATP12 or LAZP12. It was confirmed that all negative electrode materials of Examples 1 to 17 were rhombohedral crystal systems.
(ICP emission spectroscopic analysis)
The Li component of the fired sample was evaluated by XRF-ZSX Primus II (manufactured by Agilent Technologies). All samples were confirmed to be within ±10% of the charged composition.
(Fluorescent X-ray analysis)
Elements other than the Li component in the fired sample were evaluated by XRF/ZSX Primus II (manufactured by RIGAKU). It was confirmed that all compositions were within ±10% of the starting composition.

Figure 0007105055000001
Figure 0007105055000001

<固体電解質作製>
<固体電解質の調製 LATP12>
セラミックス電解質の1つとして、Li1.2Al0.15Ti1.85Si0.052.9512を調製した。原料としてLiPO、TiO、Al(PO、及びSiOの微紛体と、HPO溶液とを量論比で混合した後、石英るつぼにて1000℃で5時間焼成した。焼成した原料の混合物をスタンプミルで106μm以下に粉砕し、湿式の遊星ボールミルで1μm以下まで粉砕することで固体電解質を得た(以降この固体電解質をLATP12と言及する)。
<Preparation of solid electrolyte>
<Preparation of solid electrolyte LATP12>
Li1.2Al0.15Ti1.85Si0.05P2.95O12 was prepared as one of the ceramic electrolytes . Fine powders of LiPO 3 , TiO 2 , Al(PO 3 ) 3 and SiO 2 as raw materials were mixed with H 3 PO 4 solution in a stoichiometric ratio, and then fired in a quartz crucible at 1000° C. for 5 hours. The fired raw material mixture was pulverized to 106 μm or less with a stamp mill, and pulverized to 1 μm or less with a wet planetary ball mill to obtain a solid electrolyte (hereinafter, this solid electrolyte is referred to as LATP12).

<固体電解質の調製 LAZP12>
固体電解質の1つとして、Ti成分を含まないLi1.2Al0.15Zr1.85Si0.052.9512を調製した。原料としてLiPO、ZrO、Al(PO、及びSiOの微紛体と、HPO溶液とを量論比で混合した後、白金板上にて1400℃で1時間焼成した。焼成した原料の混合物をスタンプミルで106μm以下に粉砕し、湿式の遊星ボールミルで1μm以下まで粉砕することで耐還元性固体電解質を得た(以降この耐還元性固体電解質をLAZP12と言及する)。
<Preparation of solid electrolyte LAZP12>
As one of the solid electrolytes , Li1.2Al0.15Zr1.85Si0.05P2.95O12 containing no Ti component was prepared. Fine powders of LiPO 3 , ZrO 2 , Al(PO 3 ) 3 and SiO 2 as raw materials were mixed with H 3 PO 4 solution in a stoichiometric ratio, and then fired on a platinum plate at 1400° C. for 1 hour. . The fired raw material mixture was pulverized to 106 μm or less with a stamp mill, and pulverized to 1 μm or less with a wet planetary ball mill to obtain a reduction-resistant solid electrolyte (hereinafter, this reduction-resistant solid electrolyte is referred to as LAZP12).

<ガラス電解質の調製>
ガラス電解質として、LiO-Al-P系ガラスを作製した。酸化物基準組成で、20質量%のLiO、4.5質量%のAl及び75.5質量%のPを含有するように原料を秤量して均一に混合した後、坩堝に投入して1250℃で溶解した。熔解したガラスを水中にキャストして、ガラス電解質を調製した。上記電解質を、スタンプミルを用いて106μmメッシュパスまで粉砕後、湿式の遊星ボールミルで平均粒径1μm以下まで粉砕することで、ガラス電解質を得た(以降このガラス電解質をLIGAl9と言及する)。
<Preparation of glass electrolyte>
Li 2 O—Al 2 O 3 —P 2 O 5 system glass was produced as a glass electrolyte. After weighing and uniformly mixing the raw materials to contain 20 wt% Li2O , 4.5 wt% Al2O3 and 75.5 wt% P2O5 in the oxide standard composition , was placed in a crucible and melted at 1250°C. A glass electrolyte was prepared by casting a molten glass in water. The above electrolyte was pulverized to a 106 μm mesh pass using a stamp mill and then pulverized to an average particle size of 1 μm or less with a wet planetary ball mill to obtain a glass electrolyte (hereinafter referred to as LIGAl9).

<液系半電池による特性評価>
作製した負極材料と、導電性付与材としてのアセチレンブラック(デンカブラック:電気化学工業株式会社製、粒状品)、結着材としてPVdF(ポリフッ化ビニリデン)とを固形分の質量比で62:9:9となるように混合・混練して、厚さ0.2mmギャップにて銅箔上にシート成形し、これを直径1.5cmに打抜き、マイティプレスにて銅箔を含まない密度が2.5g/cmになるようにプレスして電極合剤とした。
<Characteristic evaluation by liquid-based half-cell>
The prepared negative electrode material, acetylene black (Denka black: granular product manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductivity-imparting material, and PVdF (polyvinylidene fluoride) as a binder were mixed at a solid content mass ratio of 62:9. The mixture was mixed and kneaded so as to have a thickness of 9, sheet-formed on a copper foil with a thickness gap of 0.2 mm, punched out into a diameter of 1.5 cm, and a density of 2.0 cm without the copper foil by a mighty press. It was pressed to 5 g/cm 3 to obtain an electrode mixture.

その後、HSセル(株式会社宝泉製)に金属リチウム、セパレータ(Polypore製 セルガード2401)、作製した電極合剤をそれぞれを電解液として1MのLiPFを溶解したエチルメチルカーボネート/エチレンカーボネートの7/3混合電解液(富山薬品工業株式会社製)を満たして封入し、コイン型リチウム二次電池を作製した。正負極、隔膜、電解液等の一連の電池組立ては、アルゴン置換されたグローブボックス内で行った。 After that, an HS cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.) was charged with metallic lithium, a separator (manufactured by Polypore Celgard 2401), and the prepared electrode mixture as an electrolyte, respectively, and 1 M LiPF 6 was dissolved in ethyl methyl carbonate / ethylene carbonate 7 / 3 mixed electrolyte solution (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) was filled and sealed to produce a coin-type lithium secondary battery. A series of battery assembly including the positive and negative electrodes, diaphragm, electrolyte solution, etc. was performed in an argon-substituted glove box.

以上のようにして得た負極材料を組み込んだHSセルに対して、25℃において1/10Cの放電レートで、2.0V~3.2Vの動作電圧範囲で定電流充放電を実施した。負極材料を実施例4とした場合の充放電測定結果を図3に示す。負極材料を実施例1~17とした場合の液系半電池での評価結果を表2に示す。いずれの負極材料においても、放電容量を確認できた。
The HS cell incorporating the negative electrode material obtained as described above was charged and discharged at a constant current at a discharge rate of 1/10 C at 25° C. in an operating voltage range of 2.0V to 3.2V. FIG. 3 shows the charging/discharging measurement results when the negative electrode material of Example 4 was used. Table 2 shows the evaluation results of the liquid-based half-cells in which the negative electrode materials of Examples 1 to 17 were used. A discharge capacity could be confirmed for any of the negative electrode materials.

Figure 0007105055000002
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<全固体半電池による特性評価>
負極材料の全固体電池での機能を確認するために、Li金属を対極とした半電池を作製して全固体電池における負極材料の充放電特性を評価した。上記半電池はLi金属、Liイオン伝導性ポリマー電解質層、固体電解質層及び負極層で構成される。Liイオン伝導性ポリマー電解質は、ZEOSPAN8100(商標)(日本ゼオン)及びLi-TFSI(化学式(CFSONLi)を質量比でZEOSPAN:Li-TFSI=7.7:2.3になるように混合し、エタノールでスラリー状にした後、シート成形後乾燥して作製した。
固体電解質層及び負極層は粉末を圧粉して加圧成形後に焼結させることで作製した。
<Characteristic evaluation by all-solid-state half-cell>
In order to confirm the function of the negative electrode material in an all-solid-state battery, a half-cell was fabricated using Li metal as a counter electrode, and the charge-discharge characteristics of the negative electrode material in the all-solid-state battery were evaluated. The half-cell is composed of a Li metal, a Li ion-conducting polymer electrolyte layer, a solid electrolyte layer and a negative electrode layer. The Li-ion conductive polymer electrolyte is ZEOSPAN8100 (trademark) (Nippon Zeon) and Li-TFSI (chemical formula (CF 3 SO 2 ) 2 NLi) with a weight ratio of ZEOSPAN:Li-TFSI = 7.7:2.3. The mixture was mixed in the manner described above, made into a slurry with ethanol, formed into a sheet, and then dried.
The solid electrolyte layer and the negative electrode layer were produced by compacting powder, pressing, and then sintering.

負極層の組成を表3に、固体電解質層の組成を表4に示した。
上記負極層及び上記固体電解質層を表3及び表4に従って調製し、Φ5mmのYTZボール(ニッカトー製)100gを加え、泡とり錬太郎(シンキー製ARV-200)を用いて1000rpmで5分間混合及び3分間冷却を3回繰り返した後、YTZボールを分離し、溶媒を乾燥除去した。乾燥した粉末をラボミルサーで粉末状にしたものを以降の実験に使用した。
φ11mmの金型に混合した負極層の材料を30mg加えてスパチュラで整えて押し具で面を整えた後に、混合した固体電解質層の材料を60mg加えてスパチュラで面を整えた。次いで、2000kg/cmの圧力でプレスした後、600℃で焼成し、焼結体を得た。負極層表面及び固体電解質層表面を800番の耐水研磨紙で軽く研磨した後、負極層面側に集電用の銅箔をカーボンペースト及びカーボンペーパーを用いて接着し、露点-50℃のドライルーム内において150℃で1時間焼成した。
銅箔に対してLi金属を圧着した後、Liイオン伝導性ポリマー電解質を保護層として、Liイオン伝導性ポリマー電解質と上記焼結体の固体電解質層とが接するように張り付けた。銅箔が外部端子に接続できるように外部に出した状態でアルミラミネートパッケージングで上記Li金属、上記焼結体及び上記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質を真空パックすることにより外気と遮断した。
表5に比較例1、比較例2、実施例18および実施例19の全固体半電池の密度と抵抗測定の結果を示す。質量は0.1mgまで測定できる電子天秤を用い、厚さはデジタルマイクロメータを、径はデジタルノギスを用いて評価した。抵抗測定は、LCRメータ(日置電機製 3522-50 LCR HiTESTER)を用い、1V、1kHzの抵抗を測定した。Ti系の固体電解質であるLATP12を電解質層として用いた比較例2および実施例19は、Tiを用いない耐還元性固体電解質であるLAZP12を電解質層として用いた比較例1および実施例18に比べて1/20程度の低抵抗となった。固体電解質にTi系のLATP12を用いることで、全固体半電池の抵抗値を大きく下げることができることが確認できた。
図4に比較例1の、図5に比較例2の、図6に実施例18、図7に実施例19の全固体半電池の充放電測定結果を示す。充放電試験はアスカ電子製充放電試験機(ACD-M01A)を用い評価した。充放電電流は17μA、比較例1は1.2Vカットオフ、比較例2および実施例18は2.0Vカットオフ、実施例19は2.4VでCC充電後、3VカットオフでCC放電を行って評価した。
比較例1は2.0Vの放電電圧を示した。比較例2は、抵抗は低かったが充電と放電の不可逆容量が高く、TiOを負極材料としているのにも関わらず、放電電圧は2.7V程度であった。このことにより固体電解質であるLATP12がTiOを負極活物質として使用できないことが、本試験でも確認できた。耐還元性固体電解質であるTiを使用しないLAZP12を使用した比較例2においては、TiOが充放電できることを確認した。同様に実施例18において、耐還元性固体電解質LAZP12を用いると充放電できることが確認できた。Ti系の固体電解質であるLATP12を用いた実施例19は平均2.6Vの放電電圧を示した。実施例19により作製した負極材料Li1.5Fe0.5Ti1.512を用いればLATP12固体電解質を使用して充放電できることが確認できた。 実施例19と同様の実験方法でLATP12固体電解質を用いて実施例1から実施例17の負極活物質よりなる半電池の充放電特性評価した、実施例19~実施例35の結果を表6に示す。
Table 3 shows the composition of the negative electrode layer, and Table 4 shows the composition of the solid electrolyte layer.
The negative electrode layer and the solid electrolyte layer were prepared according to Tables 3 and 4, 100 g of Φ5 mm YTZ balls (manufactured by Nikkato) were added, and mixed and After three 3-minute cooling cycles, the YTZ balls were separated and the solvent was dried off. The dried powder was pulverized with a laboratory miller and used in subsequent experiments.
After adding 30 mg of the mixed negative electrode layer material to a mold of 11 mm in diameter and smoothing the surface with a spatula and smoothing the surface with a pressing tool, 60 mg of the mixed solid electrolyte layer material was added and the surface was smoothed with a spatula. Then, after being pressed at a pressure of 2000 kg/cm 2 , it was fired at 600° C. to obtain a sintered body. After lightly polishing the surface of the negative electrode layer and the surface of the solid electrolyte layer with No. 800 water-resistant abrasive paper, a copper foil for current collection was adhered to the negative electrode layer side using carbon paste and carbon paper, and placed in a dry room with a dew point of -50°C. calcined at 150° C. for 1 hour.
After the Li metal was press-bonded to the copper foil, the Li ion-conducting polymer electrolyte was used as a protective layer and adhered so that the Li ion-conducting polymer electrolyte and the solid electrolyte layer of the sintered body were in contact with each other. The Li metal, the sintered body, and the lithium ion conductive polymer electrolyte were vacuum-packed in an aluminum laminate package with the copper foil exposed so that it could be connected to an external terminal.
Table 5 shows the density and resistance measurement results of the all-solid-state half-cells of Comparative Example 1, Comparative Example 2, Example 18 and Example 19. The mass was evaluated using an electronic balance capable of measuring up to 0.1 mg, the thickness was evaluated using a digital micrometer, and the diameter was evaluated using a digital caliper. For resistance measurement, an LCR meter (3522-50 LCR HiTESTER manufactured by Hioki Denki Co., Ltd.) was used to measure resistance at 1 V and 1 kHz. Comparative Example 2 and Example 19 using LATP12, which is a Ti-based solid electrolyte, as an electrolyte layer are compared to Comparative Example 1 and Example 18, which uses LAZP12, which is a reduction-resistant solid electrolyte that does not use Ti, as an electrolyte layer. The resistance was as low as about 1/20. It was confirmed that the resistance value of the all-solid-state half-cell can be greatly reduced by using Ti-based LATP12 as the solid electrolyte.
4 shows comparative example 1, FIG. 5 shows comparative example 2, FIG. 6 shows example 18, and FIG. The charging/discharging test was evaluated using an Aska Electronics charging/discharging tester (ACD-M01A). The charge/discharge current was 17 μA, with a 1.2 V cutoff for Comparative Example 1, a 2.0 V cutoff for Comparative Example 2 and Example 18, and a 2.4V CC charge for Example 19 followed by CC discharge with a 3V cutoff. evaluated.
Comparative Example 1 showed a discharge voltage of 2.0V. In Comparative Example 2, although the resistance was low, the irreversible capacity between charge and discharge was high, and the discharge voltage was about 2.7 V in spite of using TiO 2 as the negative electrode material. As a result, this test also confirmed that LATP12, which is a solid electrolyte, cannot use TiO 2 as a negative electrode active material. In Comparative Example 2 using LAZP12 which does not use Ti, which is a reduction-resistant solid electrolyte, it was confirmed that TiO 2 can be charged and discharged. Similarly, in Example 18, it was confirmed that the use of the reduction-resistant solid electrolyte LAZP12 enabled charging and discharging. Example 19 using LATP12, which is a Ti-based solid electrolyte, showed an average discharge voltage of 2.6V. It was confirmed that the negative electrode material Li 1.5 Fe 0.5 Ti 1.5 P 3 O 12 prepared in Example 19 could be charged and discharged using a LATP12 solid electrolyte. The results of Examples 19 to 35, in which charge-discharge characteristics of the half-cells composed of the negative electrode active materials of Examples 1 to 17 were evaluated using LATP12 solid electrolyte by the same experimental method as in Example 19, are shown in Table 6. show.

Figure 0007105055000003
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Figure 0007105055000004
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Figure 0007105055000005
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Figure 0007105055000006
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<全固体電池での評価>
正極材料としてLiMn0.75Fe0.25POを用いた全固体電池を作製し、負極材料の特性を評価した。
<Evaluation with all-solid-state battery>
An all-solid battery was fabricated using LiMn 0.75 Fe 0.25 PO 4 as a positive electrode material, and the characteristics of the negative electrode material were evaluated.

(正極層)
正極層の組成を表7に従って調製し、Φ5mmのYTZボール(ニッカトー製)100gを加え、泡とり錬太郎(シンキー製ARV-200)を用いて1000rpmで5分間混合及び3分間冷却を3回繰り返した後、YTZボールを分離し、溶媒を乾燥除去した。乾燥した粉末をラボミルサーで粉末状にしたものを以降の実験に使用した。
(positive electrode layer)
The composition of the positive electrode layer was prepared according to Table 7, 100 g of Φ5 mm YTZ balls (manufactured by Nikkato) were added, and using Awatori Rentaro (ARV-200 manufactured by Thinky), mixing was performed for 5 minutes at 1000 rpm and cooling for 3 minutes was repeated three times. After that, the YTZ balls were separated and the solvent was removed by drying. The dried powder was pulverized with a laboratory miller and used in subsequent experiments.

Figure 0007105055000007
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(全固体電池構成)
作製した負極材料の電極材料での機能を確認するため、表8の組成で全固体電池を構成した。φ11mmの金型に混合した負極層の材料を30mg加えてスパチュラで整えて押し具で面を整えた後に、混合した固体電解質層の材料を60mg加えてスパチュラで面を整えた。最後に混合した正極層の材料を30mg加えスパチュラで面を整えた。次いで、2000kg/cmの圧力でプレスした後、600℃で焼成し、焼結体を得た。負極層表面及び正極表面を800番の耐水研磨紙で軽く研磨し、外周の短絡を抑制するために100μmほど外周を研削した後、負極層面側に集電用の銅箔をカーボンペースト及びカーボンペーパーを用いて接着し、正極層面側に集電用のアルミ箔をカーボンペーストおよびカーボンペーパーを用いて接着した。露点-50℃のドライルーム内において150℃で1時間焼成した。焼成後、集電用の銅箔およびアルミ箔が外部に出るようにアルミラミネートフィルムにて真空パックし、全固体電池を外気と遮断した。
質量は0.1mgまで測定できる電子天秤を用い、厚さはデジタルマイクロメータを径はデジタルノギスを用いて評価した。抵抗測定は、LCRメータ(日置電機製 3522-50 LCR HiTESTER)を用い、1V、1kHzの抵抗を測定した。充放電試験はアスカ電子製充放電試験機(ACD-M01A)を用い評価した。充放電電流は17μA、比較例3は3.2Vカットオフ、比較例4および実施例36は2.2VカットオフでCC充電後、0.1VカットオフでCC放電を行って評価した。
表9に試作した全固体電池の密度および抵抗測定の結果を示す。図8に実施例36の充放電測定の結果を示す。比較例3は、放電電圧は高くできるが、抵抗が高い。比較例4は比較例2の半電池での結果と同様に抵抗が低いが、2サイクル目以降は充放電挙動を示さなかった。LATP12を固体電解質として用いた実施例36はLAZP12固体電解質を用いた比較例3に比べ1/40の抵抗であることが確認できた。これによりLiMn0.75Fe0.25POが全固体電池の負極として機能できることが確認できた。
(All-solid-state battery configuration)
In order to confirm the function of the prepared negative electrode material as an electrode material, an all-solid-state battery was constructed with the composition shown in Table 8. After adding 30 mg of the mixed negative electrode layer material to a mold of 11 mm in diameter and smoothing the surface with a spatula and smoothing the surface with a pressing tool, 60 mg of the mixed solid electrolyte layer material was added and the surface was smoothed with a spatula. Finally, 30 mg of the mixed positive electrode layer material was added and the surface was smoothed with a spatula. Then, after being pressed at a pressure of 2000 kg/cm 2 , it was fired at 600° C. to obtain a sintered body. The surface of the negative electrode layer and the surface of the positive electrode were lightly polished with No. 800 water-resistant abrasive paper, and the outer periphery was ground by about 100 μm to suppress short circuits on the outer periphery. and an aluminum foil for current collection was adhered to the positive electrode layer side using carbon paste and carbon paper. It was calcined at 150°C for 1 hour in a dry room with a dew point of -50°C. After baking, the all-solid-state battery was shielded from the outside air by vacuum-packing with an aluminum laminate film so that the current-collecting copper foil and aluminum foil were exposed to the outside.
The mass was evaluated using an electronic balance capable of measuring up to 0.1 mg, the thickness was evaluated using a digital micrometer, and the diameter was evaluated using a digital caliper. For resistance measurement, an LCR meter (3522-50 LCR HiTESTER manufactured by Hioki Denki Co., Ltd.) was used to measure resistance at 1 V and 1 kHz. The charging/discharging test was evaluated using an Aska Electronics charging/discharging tester (ACD-M01A). The charging/discharging current was 17 μA, Comparative Example 3 was CC charged with a 3.2V cutoff, Comparative Example 4 and Example 36 were CC charged with a 2.2V cutoff and then CC discharged with a 0.1V cutoff.
Table 9 shows the density and resistance measurement results of the prototype all-solid-state battery. FIG. 8 shows the results of charge/discharge measurement of Example 36. In FIG. In Comparative Example 3, the discharge voltage can be increased, but the resistance is high. Comparative Example 4 had a low resistance, similar to the result of the half cell of Comparative Example 2, but did not exhibit charging/discharging behavior after the second cycle. It was confirmed that the resistance of Example 36 using LATP12 as a solid electrolyte was 1/40 of that of Comparative Example 3 using LAZP12 solid electrolyte. As a result, it was confirmed that LiMn 0.75 Fe 0.25 PO 4 can function as a negative electrode for all-solid-state batteries.

Figure 0007105055000008
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Figure 0007105055000009
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Claims (3)

Li1+x+y+2ZTi2-x-z3-ySi12(x=0.1~0.8、y=0~0.5、z=0~0.2)を含み、充電前の結晶構造が菱面体晶系である負極活物質。
(AはMg、Caから選ばれる1種類以上とする。)
(MはFe、Mn、Co、Ni、Cr、Vから選ばれる1種類以上とする。)
Li 1+x+y+2Z A Z M x Ti 2-x-z P 3-y Si y O 12 (x=0.1-0.8, y=0-0.5, z=0-0.2), A negative electrode active material having a rhombohedral crystal structure before charging.
(A is at least one selected from Mg and Ca.)
(M is one or more selected from Fe, Mn, Co, Ni, Cr, and V.)
請求項1に記載の負極活物質を用いる全固体電池。 An all-solid battery using the negative electrode active material according to claim 1 . 請求項1に記載の負極活物質を用い、正極層、負極層又は電解質層の少なくともいずれか一つに、ガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくともいずれか一つを用いる全固体電池。
An all-solid battery using the negative electrode active material according to claim 1 and using at least one of a glass electrolyte, a ceramics electrolyte, and a glass ceramics electrolyte for at least one of a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer.
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