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JP7632352B2 - Solid-state batteries and solid-state battery systems - Google Patents

Solid-state batteries and solid-state battery systems Download PDF

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JP7632352B2 JP2022037030A JP2022037030A JP7632352B2 JP 7632352 B2 JP7632352 B2 JP 7632352B2 JP 2022037030 A JP2022037030 A JP 2022037030A JP 2022037030 A JP2022037030 A JP 2022037030A JP 7632352 B2 JP7632352 B2 JP 7632352B2
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Description

本開示は、固体電池および固体電池システムに関する。 This disclosure relates to solid-state batteries and solid-state battery systems.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。 In recent years, with the rapid spread of information-related devices and communication devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones, the development of batteries to be used as power sources for these devices has become important. In the automotive industry, too, development of high-output, high-capacity batteries for electric and hybrid vehicles is underway.

電池の中でもリチウムイオン電池は、金属の中で最大のイオン化傾向を持つリチウムをキャリアとして用いるため、高い出力電圧が得られるという点で注目されている。また、固体電池は、正極と負極との間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いた電池であり、高い体積エネルギー密度が得られるという点で注目されている。 Among batteries, lithium-ion batteries have attracted attention because they use lithium, which has the greatest ionization tendency of all metals, as a carrier, and can therefore obtain high output voltages. Solid-state batteries, on the other hand, use a solid electrolyte instead of an electrolyte solution containing an organic solvent as the electrolyte between the positive and negative electrodes, and have attracted attention because they can obtain high volumetric energy density.

例えば、特許文献1には、負極集電体と、リチウム金属複合体を含む第1負極活物質層とを含む全固体二次電池用負極層について、負極集電体と第1負極活物質層との間に、金、銀、マグネシウム、亜鉛、シリコン、スズ、白金、パラジウム、アルミニウム、ビズマスのうちの一つ以上の元素を含んだ金属薄膜または準金属薄膜を含むことが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses that an anode layer for an all-solid-state secondary battery includes an anode current collector and a first anode active material layer containing a lithium metal composite, and that a metal thin film or semi-metal thin film containing one or more elements selected from gold, silver, magnesium, zinc, silicon, tin, platinum, palladium, aluminum, and bismuth is included between the anode current collector and the first anode active material layer.

また、特許文献2には、正極と、固体電解質と、負極とを有する全固体電池において、負極は、負極部材を備え、負極部材は、ステンレスメッシュの表面に、Mg、Ag、Al及びAuからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属が被覆してなる全固体電池が開示されている。 Patent Document 2 also discloses an all-solid-state battery having a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode, in which the negative electrode comprises a negative electrode member, and the negative electrode member is an all-solid-state battery in which the surface of a stainless steel mesh is coated with at least one metal selected from the group consisting of Mg, Ag, Al, and Au.

特開2021-077640号公報JP 2021-077640 A 特開2019-087420号公報JP 2019-087420 A

特許文献1には、充電により、負極集電体上に金属Liが析出し、金属Li層(第2負極活物質層)が形成されることが開示されている。このように、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池において、負極集電体上に析出した金属リチウム層は、放電時において固体電解質層側から溶解していく。そのため、放電が進行するにつれ、負極集電体と固体電解質層との間に隙間が生じやすくなる。その結果、特に充放電を繰り返すことで、容量低下が生じやすい。 Patent Document 1 discloses that metallic Li is precipitated on the negative electrode current collector by charging, forming a metallic Li layer (second negative electrode active material layer). In this way, in a solid-state battery that uses the precipitation-dissolution reaction of metallic lithium as the negative electrode reaction, the metallic lithium layer precipitated on the negative electrode current collector dissolves from the solid electrolyte layer side during discharge. Therefore, as discharge progresses, gaps are more likely to occur between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer. As a result, capacity reduction is likely to occur, especially with repeated charging and discharging.

本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制することができる固体電池を提供することを主目的とする。 This disclosure was made in consideration of the above problems, and its main objective is to provide a solid-state battery that can suppress the capacity loss that accompanies charge/discharge cycles.

上記課題を解決するために、本開示においては、負極集電体を有する負極と、正極と、上記負極および上記正極の間に配置された固体電解質層と、を有し、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池であって、上記負極集電体および上記固体電解質層の間に、Mgを含有するMg層と、Alを含有するAl層とが、上記負極集電体側からこの順に配置されている、固体電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure provides a solid-state battery that has a negative electrode having a negative electrode current collector, a positive electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode, and that utilizes a deposition-dissolution reaction of metallic lithium as the negative electrode reaction, in which an Mg layer containing Mg and an Al layer containing Al are disposed in this order from the negative electrode current collector side between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer.

本開示によれば、負極集電体および固体電解質層の間に、Mgを含有するMg層と、Alを含有するAl層とを、負極集電体側からこの順に設けることにより、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制可能な固体電池となる。 According to the present disclosure, a solid-state battery can be obtained that can suppress the capacity reduction associated with charge/discharge cycles by providing an Mg layer containing Mg and an Al layer containing Al between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer, in that order from the negative electrode current collector side.

上記開示において、上記Mg層と上記固体電解質層との間に、金属Li層を有していてもよい。 In the above disclosure, a metallic Li layer may be provided between the Mg layer and the solid electrolyte layer.

上記開示において、上記Mg層の厚さが、0.5μm以上5μm以下であってもよい。 In the above disclosure, the thickness of the Mg layer may be 0.5 μm or more and 5 μm or less.

上記開示において、上記Al層の厚さが、100nm以上500nm以下であってもよい。 In the above disclosure, the thickness of the Al layer may be 100 nm or more and 500 nm or less.

上記開示において、上記Mg層および上記Al層が、それぞれ蒸着層であってもよい。 In the above disclosure, the Mg layer and the Al layer may each be a vapor deposition layer.

上記開示において、上記固体電解質層が、硫化物固体電解質を含んでもよい。 In the above disclosure, the solid electrolyte layer may include a sulfide solid electrolyte.

また、本開示においては、負極集電体を有する負極と、正極と、上記負極および上記正極の間に配置された固体電解質層と、を有し、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池と、上記固体電池の放電を制御する放電制御装置と、を備える固体電池システムであって、上記固体電池は、上記負極集電体および上記固体電解質層の間に、Mgを含有するMg層と、Alを含有するAl層とを、上記負極集電体側からこの順に有し、上記放電制御装置は、放電時における上記固体電池の下限電圧を3.0Vより高く制御する、固体電池システムを提供する。 The present disclosure also provides a solid-state battery system including a solid-state battery having a negative electrode with a negative electrode current collector, a positive electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode, utilizing a deposition-dissolution reaction of metallic lithium as the negative electrode reaction, and a discharge control device that controls the discharge of the solid-state battery, in which the solid-state battery has an Mg layer containing Mg and an Al layer containing Al between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer, in that order from the negative electrode current collector side, and the discharge control device controls the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to be higher than 3.0 V.

本開示によれば、特定の固体電池に対して、放電時における下限電圧を制御することにより、電池が完全に放電されることを防止した固体電池システムとなる。 According to the present disclosure, a solid-state battery system is provided that prevents a specific solid-state battery from being completely discharged by controlling the lower limit voltage during discharge.

上記開示において、上記放電制御装置は、放電時における上記固体電池の下限電圧を3.5V以下に制御してもよい。 In the above disclosure, the discharge control device may control the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to 3.5 V or less.

本開示においては、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制可能な固体電池を提供できるという効果を奏する。 The present disclosure has the effect of providing a solid-state battery that can suppress the capacity loss that occurs with charge/discharge cycles.

本開示における固体電池の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solid-state battery according to the present disclosure. 本開示における固体電池の別の一例を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of a solid-state battery according to the present disclosure. 実施例1で得られた固体電池の充放電曲線である。1 shows charge/discharge curves of the solid-state battery obtained in Example 1. 比較例1で得られた固体電池の充放電曲線である。1 shows charge/discharge curves of the solid-state battery obtained in Comparative Example 1.

以下、本開示における固体電池および固体電池システムについて、詳細に説明する。 The solid-state battery and solid-state battery system in this disclosure are described in detail below.

A.固体電池
図1は、本開示における固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す固体電池10は、負極集電体1を有する負極ANと、正極活物質層5および正極集電体6を有する正極CAと、負極ANおよび正極CAの間に配置された固体電解質層4と、を有し、負極集電体1および固体電解質層4の間に、Mgを含有するMg層2と、Alを含有するAl層3とが、負極集電体1側からこの順に配置されている。なお、図1に示すように、Mg層2およびAl層3は、負極ANの構成要素として捉えることもできる。なお、固体電池とは、固体電解質を含む電池を意味する。
A. Solid-state battery FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solid-state battery in the present disclosure. The solid-state battery 10 shown in FIG. 1 has an anode AN having an anode current collector 1, a cathode CA having a cathode active material layer 5 and a cathode current collector 6, and a solid electrolyte layer 4 arranged between the anode AN and the cathode CA, and an Mg layer 2 containing Mg and an Al layer 3 containing Al are arranged in this order from the anode current collector 1 side between the anode current collector 1 and the solid electrolyte layer 4. As shown in FIG. 1, the Mg layer 2 and the Al layer 3 can also be regarded as components of the anode AN. The solid-state battery means a battery containing a solid electrolyte.

また、固体電池10は、負極反応として金属Liの析出-溶解反応を利用した電池であり、エネルギー密度が高いという利点を有する。図1に示される固体電池10を充電すると、固体電池10は、固体電解質層4およびMg層2の間に、金属Li(負極活物質)が析出した負極活物質層7を有するものとなる。例えば、図2に示すように、固体電池10は、固体電解質層4およびAl層3の間に負極活物質層7を有するものとなる。すなわち、負極活物質層7は、析出した金属Liを含有する。 The solid-state battery 10 is a battery that utilizes the deposition-dissolution reaction of metallic Li as the anode reaction, and has the advantage of having a high energy density. When the solid-state battery 10 shown in FIG. 1 is charged, the solid-state battery 10 has an anode active material layer 7 in which metallic Li (anode active material) is deposited between the solid electrolyte layer 4 and the Mg layer 2. For example, as shown in FIG. 2, the solid-state battery 10 has an anode active material layer 7 between the solid electrolyte layer 4 and the Al layer 3. In other words, the anode active material layer 7 contains deposited metallic Li.

本開示によれば、負極集電体および固体電解質層の間に、負極集電体側から、Mg層、Al層をこの順に有することにより、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制可能な固体電池となる。上述したように、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池において、負極集電体上に析出した金属リチウム層は、放電時において固体電解質層側から溶解していく。そのため、放電が進行するにつれ、負極集電体と固体電解質層との間に隙間が生じやすくなる。その結果、特に充放電を繰り返すことで、容量低下が生じやすい。具体的に、充放電を繰り返すことで、隙間が拡大し、急激な容量低下が生じる可能性がある。また、充放電を繰り返すことで、金属リチウム層が固体電解質層から剥がれ、電池の機能を果たすことができなくなる可能性がある。 According to the present disclosure, a solid-state battery can suppress the capacity decrease associated with charge/discharge cycles by having an Mg layer and an Al layer in this order from the negative electrode collector side between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer. As described above, in a solid-state battery that uses the deposition-dissolution reaction of metallic lithium as the negative electrode reaction, the metallic lithium layer deposited on the negative electrode collector dissolves from the solid electrolyte layer side during discharge. Therefore, as the discharge progresses, a gap is likely to occur between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer. As a result, the capacity is likely to decrease, especially with repeated charge/discharge. Specifically, repeated charge/discharge may expand the gap, causing a rapid capacity decrease. In addition, repeated charge/discharge may cause the metallic lithium layer to peel off from the solid electrolyte layer, making it impossible for the battery to function.

これに対して、本開示においては、負極集電体および固体電解質層の間に、負極集電体側から、Mg層、Al層をこの順に有することにより、充放電サイクルに伴う容量低下が抑制される。これは、次のような理由と推察される。上述したように、充電により、固体電解質層およびAl層の間には、析出Liである金属Li層(負極活物質層)が生じる。この際、Mg層およびAl層にも、Liが取り込まれる。また、Mg層におけるMgが金属Li層中に拡散しやすい一方で、Al層におけるAlは金属Li層中に拡散しにくい。そのため、Al層は、充電後にLiを取り込んだ状態で負極集電体と固体電解質層との間に存在することとなる。また、Al層は取り込まれたLiを放出しにくい傾向にある。従って、放電が進行しても、Al層におけるLiは適度に残された状態となり、負極と固体電解質層との密着性が良好となりやすい。そのため、充放電を繰り返すことによる負極集電体と固体電解質層との間に生じる隙間の拡大を抑制することができる。 In contrast, in the present disclosure, the capacity decrease associated with the charge/discharge cycle is suppressed by having an Mg layer and an Al layer in this order from the negative electrode collector side between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer. This is presumably due to the following reason. As described above, a metallic Li layer (negative electrode active material layer) that is precipitated Li is generated between the solid electrolyte layer and the Al layer due to charging. At this time, Li is also taken into the Mg layer and the Al layer. In addition, while Mg in the Mg layer is likely to diffuse into the metallic Li layer, Al in the Al layer is unlikely to diffuse into the metallic Li layer. Therefore, the Al layer is present between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer in a state in which Li has been taken in after charging. In addition, the Al layer tends not to release the taken-in Li. Therefore, even if discharging proceeds, Li in the Al layer is left in a moderate state, and the adhesion between the negative electrode and the solid electrolyte layer is likely to be good. Therefore, it is possible to suppress the expansion of the gap that occurs between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer due to repeated charging and discharging.

さらには、本開示における固体電池は、充放電曲線の放電カーブにおいて、3.2V~3.0Vにプラトーが生じる。そのため、放電時における下限電圧を3.0Vより高くすることで、従来の固体電池に比べて、電池が完全に放電されることを防ぎやすくなる。その結果、充放電を繰り返し行った場合でも、容量低下をより一層抑制することができる。一方、放電が進行し、固体電池の電圧が所定の電圧(例えば3.5V)に達すると、電圧が急降下する場合がある。そのような場合であっても、上記プラトーを生じることから、放電時における下限電圧を、従来よりも低く設定することができ、固体電池の容量特性を最大限に活用できる。 Furthermore, in the solid-state battery disclosed herein, a plateau occurs at 3.2 V to 3.0 V in the discharge curve of the charge/discharge curve. Therefore, by setting the lower limit voltage during discharge higher than 3.0 V, it becomes easier to prevent the battery from being completely discharged compared to conventional solid-state batteries. As a result, even when charging and discharging are repeated, capacity reduction can be further suppressed. On the other hand, when the discharge progresses and the voltage of the solid-state battery reaches a predetermined voltage (e.g., 3.5 V), the voltage may suddenly drop. Even in such a case, since the above-mentioned plateau occurs, the lower limit voltage during discharge can be set lower than before, and the capacity characteristics of the solid-state battery can be fully utilized.

1.負極
本開示における負極は、負極集電体を少なくとも有する。また、本開示における負極は、負極集電体側から順に、Mgを含有するMg層と、Alを含有するAl層とを有することが好ましい。また、充電後の固体電池における負極は、Mg層を基準として、負極集電体とは反対側に、析出Liである負極活物質層を有することが好ましい。また、Al層を基準として、負極集電体とは反対側に、析出Liである負極活物質層を有してもよい。
1. Negative electrode The negative electrode in the present disclosure has at least a negative electrode current collector. In addition, the negative electrode in the present disclosure preferably has, in order from the negative electrode current collector side, an Mg layer containing Mg and an Al layer containing Al. In addition, the negative electrode in the solid-state battery after charging preferably has a negative electrode active material layer of precipitated Li on the opposite side of the negative electrode current collector with respect to the Mg layer. In addition, the negative electrode may have a negative electrode active material layer of precipitated Li on the opposite side of the negative electrode current collector with respect to the Al layer.

(1)Mg層
本開示におけるMg層は、Mgを少なくとも含有する。Mg層は、金属元素の主成分として、Mgを含有することが好ましい。Mg層における全ての金属元素に対するMgの割合は、例えば50atm%以上であり、70atm%以上であってもよく、90atm%以上であってもよい。
(1) Mg layer The Mg layer in the present disclosure contains at least Mg. The Mg layer preferably contains Mg as a main component of metal elements. The ratio of Mg to all metal elements in the Mg layer is, for example, 50 atm % or more, may be 70 atm % or more, or may be 90 atm % or more.

Mg層は、金属元素として、Mgのみを含有していてもよく、Mg以外の金属元素を含有していてもよい。Mg以外の金属元素の典型例としては、Liが挙げられる。通常、初回充電時に、Mg層にLiが取り込まれ、MgLi合金が形成される。一方、初回充電前のMg層は、Liを含有していてもよく、Liを含有していなくてもよい。また、Mg以外の金属元素の他の例としては、例えば、Au、Cu、Fe、Ti、Zn、Niが挙げられる。また、Mg層は、例えば、O等の非金属元素を含有していてもよい。Mg層は、Mg以外の元素を1種類含有していてもよく、2種以上含有していてもよい。 The Mg layer may contain only Mg as a metal element, or may contain a metal element other than Mg. A typical example of a metal element other than Mg is Li. Usually, Li is taken into the Mg layer during the first charge, and an MgLi alloy is formed. On the other hand, the Mg layer before the first charge may contain Li or may not contain Li. Other examples of metal elements other than Mg include Au, Cu, Fe, Ti, Zn, and Ni. The Mg layer may contain a nonmetal element such as O. The Mg layer may contain one type of element other than Mg, or may contain two or more types.

Mg層は、Mgを含むMg蒸着層であってよい。Mg蒸着層は厚さが均一であるため、負極集電体との密着性が良好となる。Mg蒸着層は、通常、蒸着法により形成される。蒸着法は、真空蒸着、スパッタリング等の物理蒸着であってもよく、化学蒸着であってもよい。蒸着源としては、例えば、金属マグネシウム、マグネシウムとマグネシウム以外の金属とを含有する合金が挙げられる。Mg蒸着層のように、本開示におけるMg層は導電材(例えば炭素材料)を含有しない層であってもよい。同様に、本開示におけるMg層はバインダー(例えばポリマー材料)を含有しない層であってもよい。 The Mg layer may be an Mg vapor deposition layer containing Mg. The Mg vapor deposition layer has a uniform thickness, and therefore has good adhesion to the negative electrode current collector. The Mg vapor deposition layer is usually formed by a vapor deposition method. The vapor deposition method may be physical vapor deposition such as vacuum deposition or sputtering, or may be chemical vapor deposition. Examples of the vapor deposition source include metallic magnesium and alloys containing magnesium and a metal other than magnesium. Like the Mg vapor deposition layer, the Mg layer in the present disclosure may be a layer that does not contain a conductive material (e.g., a carbon material). Similarly, the Mg layer in the present disclosure may be a layer that does not contain a binder (e.g., a polymer material).

Mg層は、Mg含有粒子を含む層であってもよい。Mg含有粒子は、Mg単体粒子であってもよく、Mg合金粒子であってもよい。Mg合金粒子は、Mgと、Mg以外の金属元素を含有する。Mg層がMg含有粒子を含む層である場合、Mg層は、導電材を含有していてもよく、含有していなくてもよい。同様に、Mg層は、バインダーを含有していてもよく、含有していなくてもよい。 The Mg layer may be a layer containing Mg-containing particles. The Mg-containing particles may be Mg simple particles or Mg alloy particles. The Mg alloy particles contain Mg and a metal element other than Mg. When the Mg layer is a layer containing Mg-containing particles, the Mg layer may or may not contain a conductive material. Similarly, the Mg layer may or may not contain a binder.

Mg層は、負極集電体の一方の表面の一部に形成されていてもよく、全面に形成されていてもよい。Mg層による負極集電体の被覆率は、例えば70%以上であり、80%以上であってもよく、90%以上であってもよい。Mg層は、負極集電体と直接接していることが好ましい。また、Mg層の厚さは特に限定されないが、例えば0.5μm以上であり、1μm以上であってもよい。一方、Mg層の厚さは、例えば10μm以下であり、5μm以下であってもよい。 The Mg layer may be formed on a portion of one surface of the negative electrode current collector, or may be formed on the entire surface. The coverage of the negative electrode current collector with the Mg layer is, for example, 70% or more, 80% or more, or 90% or more. It is preferable that the Mg layer is in direct contact with the negative electrode current collector. The thickness of the Mg layer is not particularly limited, but may be, for example, 0.5 μm or more, or 1 μm or more. On the other hand, the thickness of the Mg layer is, for example, 10 μm or less, or may be 5 μm or less.

(2)Al層
本開示におけるAl層は、Alを少なくとも含有する。Al層は、金属元素の主成分として、Alを含有することが好ましい。Al層における全ての金属元素に対するAlの割合は、例えば50atm%以上であり、70atm%以上であってもよく、90atm%以上であってもよい。
(2) Al layer The Al layer in the present disclosure contains at least Al. The Al layer preferably contains Al as a main component of metal elements. The ratio of Al to all metal elements in the Al layer is, for example, 50 atm% or more, may be 70 atm% or more, or may be 90 atm% or more.

Al層は、金属元素として、Alのみを含有していてもよく、Al以外の金属元素を含有していてもよい。Al以外の金属元素の典型例としては、Liが挙げられる。通常、初回充電時に、Al層にLiが取り込まれ、AlLi合金が形成される。一方、初回充電前のAl層は、Liを含有していてもよく、Liを含有していなくてもよい。また、Al以外の金属元素の他の例としては、例えば、Sn、Si、Ti、Sc等が挙げられる。また、Al層は、例えば、O等の非金属元素を含有していてもよい。Al層は、Al以外の元素を1種類含有していてもよく、2種以上含有していてもよい。 The Al layer may contain only Al as a metal element, or may contain a metal element other than Al. A typical example of a metal element other than Al is Li. Usually, during the first charge, Li is taken into the Al layer to form an AlLi alloy. On the other hand, the Al layer before the first charge may contain Li or may not contain Li. Other examples of metal elements other than Al include, for example, Sn, Si, Ti, Sc, etc. The Al layer may also contain a nonmetal element such as O. The Al layer may contain one type of element other than Al, or may contain two or more types.

Al層は、Alを含むAl蒸着層であってよい。Al蒸着層は厚さが均一であるため、Mg層との密着性が良好となる。Al蒸着層は、通常、蒸着法により形成される。蒸着法は、真空蒸着、スパッタリング等の物理蒸着であってもよく、化学蒸着であってもよい。蒸着源としては、例えば、金属アルミニウム、アルミニウムとアルミニウム以外の金属とを含有する合金が挙げられる。Al蒸着層のように、本開示におけるAl層は導電材(例えば炭素材料)を含有しない層であってもよい。同様に、本開示におけるAl層はバインダー(例えばポリマー材料)を含有しない層であってもよい。 The Al layer may be an Al vapor deposition layer containing Al. The Al vapor deposition layer has a uniform thickness, and therefore has good adhesion to the Mg layer. The Al vapor deposition layer is usually formed by a vapor deposition method. The vapor deposition method may be physical vapor deposition such as vacuum deposition or sputtering, or may be chemical vapor deposition. Examples of the vapor deposition source include metallic aluminum and alloys containing aluminum and a metal other than aluminum. Like the Al vapor deposition layer, the Al layer in the present disclosure may be a layer that does not contain a conductive material (e.g., a carbon material). Similarly, the Al layer in the present disclosure may be a layer that does not contain a binder (e.g., a polymer material).

Al層は、Al含有粒子を含む層であってもよい。Al含有粒子は、Al単体粒子であってもよく、Al合金粒子であってもよい。Al合金粒子は、Alと、Al以外の金属元素を含有する。Al層がAl含有粒子を含む層である場合、Al層は、導電材を含有していてもよく、含有していなくてもよい。同様に、Al層は、バインダーを含有していてもよく、含有していなくてもよい。 The Al layer may be a layer containing Al-containing particles. The Al-containing particles may be Al simple particles or Al alloy particles. The Al alloy particles contain Al and a metal element other than Al. When the Al layer is a layer containing Al-containing particles, the Al layer may or may not contain a conductive material. Similarly, the Al layer may or may not contain a binder.

Al層は、負極集電体の一方の表面の一部に形成されていてもよく、全面に形成されていてもよい。Al層による負極集電体の被覆率は、例えば70%以上であり、80%以上であってもよく、90%以上であってもよい。Al層は、Mg集電体と直接接していることが好ましい。また、Al層の厚さは特に限定されないが、例えば50nm以上であり、100nm以上であってもよく、260nm以上であってもよい。一方、Al層の厚さは、例えば、1μm以下であり、500nm以下であってもよく、400nm以下であってもよい。 The Al layer may be formed on a portion of one surface of the negative electrode current collector, or may be formed on the entire surface. The coverage of the negative electrode current collector with the Al layer is, for example, 70% or more, 80% or more, or 90% or more. It is preferable that the Al layer is in direct contact with the Mg current collector. The thickness of the Al layer is not particularly limited, but may be, for example, 50 nm or more, 100 nm or more, or 260 nm or more. On the other hand, the thickness of the Al layer is, for example, 1 μm or less, 500 nm or less, or 400 nm or less.

(3)負極集電体
負極集電体の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)、銅、ニッケル、カーボン等が挙げられる。また、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状が挙げられる。負極集電体の厚さは、例えば、0.1μm以上であり、1μm以上であっても良い。負極集電体の厚さが小さすぎると、集電機能が低くなる可能性がある。一方、負極集電体の厚さは、例えば、1mm以下であり、100μm以下であっても良い。負極集電体の厚さが大きすぎると、固体電池のエネルギー密度が低くなる可能性がある。
(3) Negative electrode current collector Examples of the material of the negative electrode current collector include SUS (stainless steel), copper, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include foil, mesh, and porous. The thickness of the negative electrode current collector is, for example, 0.1 μm or more, and may be 1 μm or more. If the thickness of the negative electrode current collector is too small, the current collecting function may be reduced. On the other hand, the thickness of the negative electrode current collector is, for example, 1 mm or less, and may be 100 μm or less. If the thickness of the negative electrode current collector is too large, the energy density of the solid battery may be reduced.

2.固体電解質層
本開示における固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含有する層である。また、固体電解質層は、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質層は、Al層と直接接触していてもよい。また、固体電解質層およびAl層の間に、析出Liである負極活物質層が配置されていてもよい。
2. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer in the present disclosure is a layer containing at least a solid electrolyte. The solid electrolyte layer may contain a binder as necessary. The solid electrolyte layer may be in direct contact with the Al layer. A negative electrode active material layer of precipitated Li may be disposed between the solid electrolyte layer and the Al layer.

固体電解質としては、例えば、ハロゲン化物固体電解質、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質等の無機固体電解質、ポリマー電解質、ゲル電解質等の有機固体電解質が挙げられる。これらの中でも、特に硫化物固体電解質が好ましい。放電が進んでも、負極との密着性が良好となりやすいためである。 Examples of solid electrolytes include inorganic solid electrolytes such as halide solid electrolytes, sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, and nitride solid electrolytes, and organic solid electrolytes such as polymer electrolytes and gel electrolytes. Among these, sulfide solid electrolytes are particularly preferred because they tend to maintain good adhesion to the negative electrode even as the discharge progresses.

硫化物固体電解質は、例えば、Li元素、X元素(Xは、P、As、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、Inの少なくとも一種である)、および、S元素を含有することが好ましい。また、硫化物固体電解質は、O元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。固体電解質の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。 The sulfide solid electrolyte preferably contains, for example, Li, X (X is at least one of P, As, Sb, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, and In), and S. The sulfide solid electrolyte may further contain at least one of O and halogen. The shape of the solid electrolyte may be, for example, particulate.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiS-P、LiS-P-GeS、LiS-P-SnS、LiS-P-SiS、LiS-P-LiI、LiS-P-LiI-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等が挙げられる。なお、上記「LiS-P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる材料を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -GeS 2 , Li 2 S-P 2 S 5 -SnS 2 , Li 2 S-P 2 S 5 -SiS 2 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2- LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers, and Z is Ge, Zn, or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x and y are positive numbers, and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga, or In), etc. The above description of "Li 2 S-P 2 S 5 " means a material obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

固体電解質は、ガラスであってもよく、ガラスセラミックスであってもよく、結晶材料であってもよい。ガラスは、原料組成物(例えばLiSおよびPの混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであってもよく、湿式メカニカルミリングであってもよいが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止できるからである。また、ガラスセラミックスは、ガラスを熱処理することにより得ることができる。また、結晶材料は、例えば、原料組成物に対して固相反応処理することにより得ることができる。なお、固体電解質層に含まれる固体電解質は1種であってもよいし、2種以上であってもよい。例えば、無機固体電解質および有機固体電解質を共に含有していてもよい。 The solid electrolyte may be glass, glass ceramics, or a crystalline material. The glass can be obtained by amorphous processing of a raw material composition (for example, a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 ). Examples of amorphous processing include mechanical milling. The mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, but the latter is preferred. This is because the raw material composition can be prevented from adhering to the wall surface of a container or the like. In addition, glass ceramics can be obtained by heat treating glass. In addition, the crystalline material can be obtained, for example, by performing a solid-phase reaction process on the raw material composition. The solid electrolyte layer may contain one type of solid electrolyte, or two or more types. For example, it may contain both an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte.

固体電解質の形状は、粒子状であることが好ましい。また、固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば、0.01μm以上である。一方、固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば、10μm以下であり、5μm以下であってもよい。固体電解質の25℃におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10-4S/cm以上であり、1×10-3S/cm以上であることが好ましい。 The shape of the solid electrolyte is preferably particulate. The average particle size (D 50 ) of the solid electrolyte is, for example, 0.01 μm or more. On the other hand, the average particle size (D 50 ) of the solid electrolyte is, for example, 10 μm or less, and may be 5 μm or less. The Li ion conductivity of the solid electrolyte at 25° C. is, for example, 1×10 −4 S/cm or more, and preferably 1×10 −3 S/cm or more.

固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、70重量%以上であり、90重量%以上であってもよい。固体電解質層は、必要に応じて、バインダーを含有していてもよい。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂、アクリレートブタジエンゴム(ABR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系樹脂等が挙げられる。また、固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上である。一方、固体電解質層の厚さは、例えば、300μm以下であり、100μm以下であってもよい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, 70% by weight or more, and may be 90% by weight or more. The solid electrolyte layer may contain a binder as necessary. Examples of the binder include fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), and rubber-based resins such as acrylate butadiene rubber (ABR) and styrene butadiene rubber (SBR). The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 0.1 μm or more. On the other hand, the thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 300 μm or less, and may be 100 μm or less.

3.正極
本開示における正極は、正極活物質層および正極集電体を有することが好ましい。本開示における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーのうち少なくとも一つを含有していてもよい。
3. Positive electrode The positive electrode in the present disclosure preferably has a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector. The positive electrode active material layer in the present disclosure is a layer containing at least a positive electrode active material. In addition, the positive electrode active material layer may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder, as necessary.

正極活物質は、特に限定されないが、例えば、酸化物活物質、硫黄系活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi0.8Co0.1Al0.1等の岩塩層状型活物質、LiMn、LiTi12、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO等のオリビン型活物質が挙げられる。また、酸化物活物質として、Li1+xMn2-x-y(Mは、Al、Mg、Co、Fe、Ni、Znの少なくとも一種、0<x+y<2)で表されるLiMnスピネル活物質、チタン酸リチウム等を用いてもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include oxide active materials and sulfur-based active materials. Examples of oxide active materials include rock salt layered active materials such as LiCoO2 , LiMnO2 , LiNiO2, LiVO2 , LiNi1 / 3Co1 /3Mn1 / 3O2 , and LiNi0.8Co0.1Al0.1O2 , spinel active materials such as LiMn2O4 , Li4Ti5O12 , and Li ( Ni0.5Mn1.5 ) O4 , and olivine active materials such as LiFePO4 , LiMnPO4 , LiNiPO4 , and LiCoPO4 . In addition, as the oxide active material, a LiMn spinel active material represented by Li1 +xMn2 -xyMyO4 ( M is at least one of Al, Mg, Co, Fe, Ni, and Zn, 0<x+y<2), lithium titanate, or the like may be used.

また、酸化物活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていてもよい。酸化物活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO、LiTi12、LiPOが挙げられる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm以上であり、1nm以上であってもよい。一方、コート層の厚さは、例えば、100nm以下であり、20nm以下であってもよい。酸化物活物質表面におけるコート層の被覆率は、例えば、70%以上であり、90%以上であってもよい。 In addition, a coating layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the oxide active material. This is because the reaction between the oxide active material and the solid electrolyte can be suppressed. Examples of Li ion conductive oxides include LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 3 PO 4. The thickness of the coating layer is, for example, 0.1 nm or more, and may be 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coating layer is, for example, 100 nm or less, and may be 20 nm or less. The coverage of the coating layer on the surface of the oxide active material is, for example, 70% or more, and may be 90% or more.

また、硫黄系活物質は、少なくともS元素を含有する活物質である。硫黄系活物質は、Li元素を含有していてもよく、含有していなくてもよい。硫黄系活物質としては、例えば、単体硫黄、硫化リチウム(LiS)、多硫化リチウム(LiSx、2≦x≦8)が挙げられる。 The sulfur-based active material is an active material containing at least S element. The sulfur-based active material may or may not contain Li element. Examples of the sulfur-based active material include elemental sulfur, lithium sulfide (Li 2 S), and lithium polysulfide (Li 2 Sx, 2≦x≦8).

正極活物質層における正極活物質の割合は、例えば20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、正極活物質の割合は、例えば80重量%以下であり、70重量%以下であってもよく、60重量%以下であってもよい。 The proportion of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is, for example, 20% by weight or more, may be 30% by weight or more, or may be 40% by weight or more. On the other hand, the proportion of the positive electrode active material is, for example, 80% by weight or less, may be 70% by weight or less, or may be 60% by weight or less.

導電材としては、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料の具体例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、VGCF、グラファイトが挙げられる。固体電解質およびバインダーについては「2.固体電解質層」に記載した内容と同様である。また、正極活物質層の厚さは、例えば0.1μm以上、1000μm以下である。 The conductive material may be, for example, a carbon material. Specific examples of the carbon material include acetylene black, ketjen black, VGCF, and graphite. The solid electrolyte and binder are the same as those described in "2. Solid electrolyte layer." The thickness of the positive electrode active material layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.

また、正極集電体の材料としては、例えば、Al、Ni、およびCが挙げられる。正極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状が挙げられる。 Examples of materials for the positive electrode current collector include Al, Ni, and C. Examples of the shape of the positive electrode current collector include foil, mesh, and porous.

4.その他の構成
本開示における固体電池は、正極、固体電解質層および負極に対して、厚さ方向に沿って拘束圧を付与する拘束治具をさらに有していてもよい。拘束治具としては、公知の治具を用いることができる。拘束圧は、例えば0.1MPa以上であり、1MPa以上であってもよい。一方、拘束圧は、例えば50MPa以下であり、20MPa以下であってもよく、15MPa以下であってもよく、10MPa以下であってもよい。拘束圧が小さいほど、拘束治具の大型化を抑制できる。一方、拘束圧が小さいほど、短絡が生じやすくなるが、本開示における保護層を設けることで、短絡の発生を抑制できる。
4. Other configurations The solid-state battery in the present disclosure may further have a restraining jig that applies a restraining pressure to the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the negative electrode along the thickness direction. A known jig can be used as the restraining jig. The restraining pressure is, for example, 0.1 MPa or more, and may be 1 MPa or more. On the other hand, the restraining pressure is, for example, 50 MPa or less, may be 20 MPa or less, may be 15 MPa or less, or may be 10 MPa or less. The smaller the restraining pressure, the more the restraining jig can be suppressed from becoming large. On the other hand, the smaller the restraining pressure, the more likely a short circuit is to occur, but the occurrence of a short circuit can be suppressed by providing the protective layer in the present disclosure.

5.固体電池
図1に示すように、固体電池10は、負極集電体1、Mgを含有するMg層2、Alを含有するAl層3、固体電解質層4、正極活物質層5、および、正極集電体6をこの順に有する。図1に示すように、固体電池10は、固体電解質層4およびAl層3の間に、負極活物質層を有しなくてもよい。特に、固体電解質層4およびAl層3とは、直接接触していることが好ましい。一方、図1に示される固体電池10を充電すると、固体電池10は、固体電解質層4およびMg層2の間に、金属Li(負極活物質)が析出した負極活物質層7を有するものとなる。例えば、図2に示すように、固体電池10は、Al層3と固体電解質層4との間に、析出Liである負極活物質層7を有する。
5. Solid-state battery As shown in FIG. 1, the solid-state battery 10 has an anode current collector 1, an Mg layer 2 containing Mg, an Al layer 3 containing Al, a solid electrolyte layer 4, a cathode active material layer 5, and a cathode current collector 6 in this order. As shown in FIG. 1, the solid-state battery 10 does not need to have an anode active material layer between the solid electrolyte layer 4 and the Al layer 3. In particular, it is preferable that the solid electrolyte layer 4 and the Al layer 3 are in direct contact. On the other hand, when the solid-state battery 10 shown in FIG. 1 is charged, the solid-state battery 10 has an anode active material layer 7 in which metal Li (anode active material) is precipitated between the solid electrolyte layer 4 and the Mg layer 2. For example, as shown in FIG. 2, the solid-state battery 10 has an anode active material layer 7, which is precipitated Li, between the Al layer 3 and the solid electrolyte layer 4.

本開示における固体電池は、通常、リチウムイオン電池である。また、本開示における固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。 The solid-state battery in this disclosure is typically a lithium-ion battery. The solid-state battery in this disclosure may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because it can be repeatedly charged and discharged, and is useful, for example, as an in-vehicle battery.

B.固体電池システム
本開示においては、負極集電体を有する負極と、正極と、上記負極および上記正極の間に配置された固体電解質層と、を有し、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池と、上記固体電池の放電を制御する放電制御装置と、を備える固体電池システムであって、上記固体電池は、上記負極集電体および上記固体電解質層の間に、Mgを含有するMg層と、Alを含有するAl層とを、上記負極集電体側からこの順に有し、上記放電制御装置は、放電時における上記固体電池の下限電圧を3.0Vより高く制御する、固体電池システムを提供する。
B. Solid-state battery system The present disclosure provides a solid-state battery system including a solid-state battery having a negative electrode with a negative electrode current collector, a positive electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode, utilizing a deposition-dissolution reaction of metallic lithium as a negative electrode reaction, and a discharge control device that controls discharge of the solid-state battery, wherein the solid-state battery has an Mg layer containing Mg and an Al layer containing Al between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer, in this order from the negative electrode current collector side, and the discharge control device controls the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to be higher than 3.0 V.

本開示によれば、特定の固体電池に対して、放電時における下限電圧を制御することにより、電池が完全に放電されることを防止した固体電池システムとなる。 According to the present disclosure, a solid-state battery system is provided that prevents a specific solid-state battery from being completely discharged by controlling the lower limit voltage during discharge.

本開示における固体電池は、上記「A.固体電池」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。本開示における固体電池は、放電容量(mAh)を横軸、電圧(V)を縦軸とした放電曲線における放電カーブにおいて、通常、3.2V~3.0Vに放電プラトーが存在する。また、本開示における正極活物質層は、上述した正極活物質を含有する。正極活物質の放電反応電位は、例えば3.5V(vs Li/Li)以上である。放電反応電位は、例えば、サイクリックボルタメトリ法により求めることができる。 The solid-state battery in the present disclosure is similar to the contents described in "A. Solid-state battery" above, so the description here is omitted. In the solid-state battery in the present disclosure, a discharge plateau usually exists at 3.2 V to 3.0 V in a discharge curve in which the horizontal axis is the discharge capacity (mAh) and the vertical axis is the voltage (V). In addition, the positive electrode active material layer in the present disclosure contains the above-mentioned positive electrode active material. The discharge reaction potential of the positive electrode active material is, for example, 3.5 V (vs Li/Li + ) or more. The discharge reaction potential can be determined, for example, by a cyclic voltammetry method.

本開示における放電制御装置は、上記固体電池の放電を制御する。放電制御装置は、通常、固体電池の電圧に基づいて、固体電池の放電を制御するように構成されている。具体的に、放電制御装置は、放電時における固体電池の下限電圧を3.0Vより高く制御する。すなわち、放電制御装置は、固体電池の電圧が3.0Vに達する前に、放電を終止するように、固体電池の放電を制御する。放電制御装置は、放電時における固体電池の下限電圧を、3.05V以上に制御してもよく、3.15V以上に制御してもよい。 The discharge control device in the present disclosure controls the discharge of the solid-state battery. The discharge control device is typically configured to control the discharge of the solid-state battery based on the voltage of the solid-state battery. Specifically, the discharge control device controls the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to be higher than 3.0 V. That is, the discharge control device controls the discharge of the solid-state battery so that the discharge is terminated before the voltage of the solid-state battery reaches 3.0 V. The discharge control device may control the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to 3.05 V or higher, or 3.15 V or higher.

一方、放電制御装置は、放電時における固体電池の下限電圧を、3.5V以下に制御してもよく、3.4V以下に制御してもよく、3.3V以下に制御してもよい。下限電圧の上記値以下にすることで、固体電池の容量特性を最大限に活用できる。 On the other hand, the discharge control device may control the lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to 3.5 V or less, 3.4 V or less, or 3.3 V or less. By setting the lower limit voltage to the above value or less, the capacity characteristics of the solid-state battery can be utilized to the maximum.

本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。 This disclosure is not limited to the above-described embodiments. The above-described embodiments are merely examples, and anything that has substantially the same configuration as the technical ideas described in the claims of this disclosure and exhibits similar effects is included within the technical scope of this disclosure.

[実施例1]
(負極部材の作製)
負極集電体として、SUS箔(SUS304)を準備した。SUS箔上にMgを蒸着させ、厚さ1000nmの金属Mg層を形成した。次いで、金属Mg層上にAlを蒸着させ、厚さ250nmの金属Al層を形成した。これにより、負極集電体上に、第1層として金属Mg層、第2層として金属Al層をこの順に有する負極部材を作製した。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode member)
A SUS foil (SUS304) was prepared as a negative electrode current collector. Mg was evaporated onto the SUS foil to form a 1000 nm thick metal Mg layer. Then, Al was evaporated onto the metal Mg layer to form a 250 nm thick metal Al layer. This produced a negative electrode member having a metal Mg layer as a first layer and a metal Al layer as a second layer in this order on the negative electrode current collector.

(正極部材の作製)
正極活物質(ニッケルコバルトアルミン酸リチウム(NCA)、硫化物系固体電解質、および導電材(カーボン)を有機溶媒中で湿式混合し、正極合材を調製した。次いで、アプリケーターを使用したブレード法にて、正極集電体(アルミニウム箔)上に、正極ペーストを塗工した。塗工後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させた。これにより、正極集電体および正極活物質層を有する正極部材を得た。
(Preparation of Positive Electrode Member)
A positive electrode active material (lithium nickel cobalt aluminate (NCA), a sulfide-based solid electrolyte, and a conductive material (carbon) were wet-mixed in an organic solvent to prepare a positive electrode mixture. Next, the positive electrode paste was applied onto a positive electrode current collector (aluminum foil) by a blade method using an applicator. After application, the paste was dried on a hot plate at 100° C. for 30 minutes. This resulted in a positive electrode member having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer.

(固体電池の作製)
硫化物固体電解質として、LiS-P-LiI系の硫化物固体電解質を準備した。粉末状の硫化物固体電解質を、アルミナ製円筒状ダイ(断面積:1cm)に詰めた後、鋼製のパンチ棒を用いて荷重10kNで一軸圧縮成型することにより、固体電解質層を成型した。次に、成型後の固体電解質層の一方の面上に、正極活物質層が固体電解質層側となるように正極部材を配置した後、パンチ棒を用いて荷重10kNで一軸圧縮成型することにより、正極と固体電解質層との積層体を得た。続いて、上記積層体において、固体電解質の他方の面上にAl層が固体電解質層側となるように負極部材を配置した後、パンチ棒を用いて荷重40kNで一軸圧縮成型することにより、正極、固体電解質層及び負極が積層した、実施例1の固体電池を作製した。
(Fabrication of solid-state batteries)
As the sulfide solid electrolyte, a Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-based sulfide solid electrolyte was prepared. The powdered sulfide solid electrolyte was packed into an alumina cylindrical die (cross-sectional area: 1 cm 2 ), and then uniaxial compression molding was performed with a steel punch rod at a load of 10 kN to form a solid electrolyte layer. Next, a positive electrode member was placed on one side of the molded solid electrolyte layer so that the positive electrode active material layer was on the solid electrolyte layer side, and then uniaxial compression molding was performed with a punch rod at a load of 10 kN to obtain a stack of a positive electrode and a solid electrolyte layer. Next, in the above stack, a negative electrode member was placed on the other side of the solid electrolyte so that the Al layer was on the solid electrolyte layer side, and then uniaxial compression molding was performed with a load of 40 kN to form a solid battery of Example 1 in which a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode were stacked.

[実施例2、3]
負極集電体上に形成する金属Mg層および金属Al層の厚さを、表1中の厚さに変更した負極部材を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で固体電池を作製した。
[Examples 2 and 3]
A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a negative electrode member in which the thicknesses of the metallic Mg layer and metallic Al layer formed on the negative electrode current collector were changed to those shown in Table 1 was used.

[比較例1]
負極集電体(SUS箔)上にMgを蒸着させ、厚さ1000nmの金属Mg層を形成したものを負極部材として用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で固体電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a negative electrode current collector (SUS foil) was used as the negative electrode member, which was prepared by depositing Mg onto the negative electrode current collector to form a metallic Mg layer having a thickness of 1000 nm.

[比較例2]
負極集電体(SUS箔)上にMgおよびAl(Mg:Al(モル比)=90:10)を蒸着させ、厚さ1000nmのMg-Al合金層を形成したものを負極部材として用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で固体電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a negative electrode current collector (SUS foil) was used as the negative electrode member, which was prepared by depositing Mg and Al (Mg:Al (molar ratio) = 90:10) to form a 1000 nm-thick Mg-Al alloy layer.

[比較例3]
負極集電体(SUS箔)上にAlを蒸着させ、厚さ250nmの金属Al層を形成した。次いで、金属Al層上にMgを蒸着させ、厚さ1000nmの金属Mg層を形成した。これにより、負極集電体上に、第1層として金属Al層、第2層として金属Mg層をこの順に有する負極部材を作製した。得られた負極部材を用いた以外は、実施例1と同様の方法で固体電池を作製した。
[Comparative Example 3]
Al was evaporated onto the negative electrode current collector (SUS foil) to form a metal Al layer with a thickness of 250 nm. Next, Mg was evaporated onto the metal Al layer to form a metal Mg layer with a thickness of 1000 nm. This produced a negative electrode member having a metal Al layer as a first layer and a metal Mg layer as a second layer in this order on the negative electrode current collector. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained negative electrode member was used.

[比較例4]
負極集電体(SUS箔)上にMgを蒸着させ、厚さ1000nmの金属Mg層を形成した。次いで、金属Mg層上にAgを蒸着させ、厚さ250nmの金属Ag層を形成した。これにより、負極集電体上に、第1層として金属Mg層、第2層として金属Ag層をこの順に有する負極部材を作製した。得られた負極部材を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で固体電池を作製した。
[Comparative Example 4]
Mg was evaporated onto the negative electrode current collector (SUS foil) to form a 1000 nm thick metal Mg layer. Then, Ag was evaporated onto the metal Mg layer to form a 250 nm thick metal Ag layer. This produced a negative electrode member having a metal Mg layer as the first layer and a metal Ag layer as the second layer in this order on the negative electrode current collector. A solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained negative electrode member was used.

[評価]
(充放電試験)
実施例1~3および比較例1~4の固体電池について、下記制御条件1および下記制御条件2で充放電試験を50サイクル行い、放電容量を測定し、下記(式A)により放電容量維持率を算出した。結果を表2に示す。
[evaluation]
(Charge/discharge test)
For the solid-state batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, a charge/discharge test was performed for 50 cycles under the following control conditions 1 and 2, the discharge capacity was measured, and the discharge capacity retention rate was calculated by the following formula A. The results are shown in Table 2.

<制御条件1>
上限4.2V、下限3.0V、電流:2C、温度:60℃
<制御条件2>
上限4.2V、下限3.2V、電流:2C、温度:60℃
<Control condition 1>
Upper limit 4.2V, lower limit 3.0V, current: 2C, temperature: 60℃
<Control condition 2>
Upper limit 4.2V, lower limit 3.2V, current: 2C, temperature: 60℃

(式A)R50=(C50/C)×100
(上記式A中、R50は固体電池の50サイクル目の放電容量維持率(%)を示し、C50は固体電池の50サイクル目の放電容量を示し、Cは固体電池の1サイクル目の放電容量を示す。)
(Formula A) R 50 = (C 50 /C 1 )×100
(In the above formula A, R50 represents the discharge capacity retention rate (%) at the 50th cycle of the solid-state battery, C50 represents the discharge capacity at the 50th cycle of the solid-state battery, and C1 represents the discharge capacity at the 1st cycle of the solid-state battery.)

また、実施例1および比較例1の固体電池に対し、制御条件1で充放電を行った際の1サイクル目の充放電曲線を図3および図4にそれぞれ示す。図3の実施例1の放電曲線には、3.2V~3.0Vでプラトーが確認されたが、図4の比較例1の放電曲線には、3.6V~3.0Vの間でプラトーが確認されなかった。また、実施例2および実施例3の固体電池でも、実施例1の固体電池と同様に、3.2V~3.0Vでプラトーが確認された。 Figures 3 and 4 show the charge/discharge curves for the first cycle when the solid-state batteries of Example 1 and Comparative Example 1 were charged and discharged under Control Condition 1. A plateau was observed between 3.2 V and 3.0 V in the discharge curve for Example 1 in Figure 3, but no plateau was observed between 3.6 V and 3.0 V in the discharge curve for Comparative Example 1 in Figure 4. Similarly to the solid-state battery of Example 1, a plateau was observed between 3.2 V and 3.0 V in the solid-state batteries of Example 2 and Example 3.

表2に示すように、実施例1~3の固体電池は、制御条件1および制御条件2のいずれにおいても、比較例1~3よりも容量維持率が高いことが確認された。また、比較例4では、初回充放電にて、短絡が発生した(NG)。 As shown in Table 2, it was confirmed that the solid-state batteries of Examples 1 to 3 had a higher capacity retention rate than Comparative Examples 1 to 3 under both Control Condition 1 and Control Condition 2. In Comparative Example 4, a short circuit occurred during the initial charge/discharge (NG).

実施例1~3の固体電池を用いた場合において、放電時の下限電圧を3.2Vに制御した場合(制御条件2)は、3.0Vに制御した場合(制御条件1)と比べ、容量維持率が特に高いことが確認された。これは、放電下限電圧を3.2Vとして充放電を行うことにより、電池が完全に放電されることを防ぐことができ、充放電を繰り返し行った場合でも容量維持率の低下をより一層抑制することができたと考えられる。 When the solid-state batteries of Examples 1 to 3 were used, it was confirmed that the capacity retention rate was particularly high when the lower limit voltage during discharge was controlled to 3.2 V (control condition 2) compared to when it was controlled to 3.0 V (control condition 1). This is thought to be because by charging and discharging with the lower limit voltage of discharge set to 3.2 V, it is possible to prevent the battery from being completely discharged, and to further suppress the decrease in the capacity retention rate even when charging and discharging are repeated.

1 …負極集電体
2 …Mg層
3 …Al層
4 …固体電解質層
5 …正極活物質層
6 …正極集電体
7 …負極活物質層
10 …固体電池
1...Negative electrode current collector 2...Mg layer 3...Al layer 4...Solid electrolyte layer 5...Positive electrode active material layer 6...Positive electrode current collector 7...Negative electrode active material layer 10...Solid battery

Claims (3)

負極集電体を有する負極と、正極活物質層および正極集電体を有する正極と、前記負極および前記正極の間に配置された固体電解質層と、を有し、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池であって、
前記負極集電体および前記固体電解質層の間に、金属マグネシウムの蒸着層であるMg層と、金属アルミニウムの蒸着層であるAl層とが、前記負極集電体側からこの順に配置されており、
前記Mg層の厚さが、0.5μm以上5μm以下であり、
前記Al層の厚さが、100nm以上500nm以下であり、
前記固体電解質層が、硫化物固体電解質を含み、
前記正極活物質層が、ニッケルコバルトアルミン酸リチウムおよび硫化物固体電解質を含む、固体電池。
A solid-state battery comprising: a negative electrode having a negative electrode current collector; a positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector; and a solid electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode, the solid-state battery utilizing a deposition-dissolution reaction of metallic lithium as a negative electrode reaction,
an Mg layer which is a vapor-deposited layer of metallic magnesium and an Al layer which is a vapor-deposited layer of metallic aluminum are disposed in this order from the negative electrode current collector between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer;
The thickness of the Mg layer is 0.5 μm or more and 5 μm or less,
The thickness of the Al layer is 100 nm or more and 500 nm or less,
the solid electrolyte layer includes a sulfide solid electrolyte,
The positive electrode active material layer comprises lithium nickel cobalt aluminate and a sulfide solid electrolyte .
負極集電体を有する負極と、正極活物質層および正極集電体を有する正極と、前記負極および前記正極の間に配置された固体電解質層と、を有し、負極反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した固体電池と、
前記固体電池の放電を制御する放電制御装置と、
を備える固体電池システムであって、
前記固体電池は、前記負極集電体および前記固体電解質層の間に、金属マグネシウムの蒸着層であるMg層と、金属アルミニウムの蒸着層であるAl層とを、前記負極集電体側からこの順に有し、前記Mg層の厚さが、0.5μm以上5μm以下であり、前記Al層の厚さが、100nm以上500nm以下であり、前記固体電解質層が、硫化物固体電解質を含み、前記正極活物質層が、ニッケルコバルトアルミン酸リチウムおよび硫化物固体電解質を含み、
前記放電制御装置は、放電時における前記固体電池の下限電圧を3.0Vより高く制御する、固体電池システム。
a solid-state battery comprising: a negative electrode having a negative electrode current collector; a positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector; and a solid electrolyte layer disposed between the negative electrode and the positive electrode, the solid-state battery utilizing a deposition-dissolution reaction of metallic lithium as a negative electrode reaction;
A discharge control device that controls discharge of the solid-state battery;
A solid-state battery system comprising:
the solid-state battery has, between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer, an Mg layer which is a vapor-deposited layer of metallic magnesium , and an Al layer which is a vapor-deposited layer of metallic aluminum , in this order from the negative electrode current collector side, the Mg layer has a thickness of 0.5 μm or more and 5 μm or less, the Al layer has a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less, the solid electrolyte layer contains a sulfide solid electrolyte, and the positive electrode active material layer contains lithium nickel cobalt aluminate and a sulfide solid electrolyte,
The discharge control device controls a lower limit voltage of the solid-state battery during discharge to be higher than 3.0 V.
前記放電制御装置は、放電時における前記固体電池の下限電圧を3.5V以下に制御する、請求項に記載の固体電池システム。 The solid-state battery system according to claim 2 , wherein the discharge control device controls a lower limit voltage of the solid-state battery during discharging to 3.5 V or less.
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