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JP7641719B2 - Internal resistance reducing agent for positive electrode active material layer, and electrode material for secondary battery using the same - Google Patents

Internal resistance reducing agent for positive electrode active material layer, and electrode material for secondary battery using the same Download PDF

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JP7641719B2
JP7641719B2 JP2020170591A JP2020170591A JP7641719B2 JP 7641719 B2 JP7641719 B2 JP 7641719B2 JP 2020170591 A JP2020170591 A JP 2020170591A JP 2020170591 A JP2020170591 A JP 2020170591A JP 7641719 B2 JP7641719 B2 JP 7641719B2
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Description

本発明は、正極活物質層の内部抵抗低減剤、並びにこれを用いた二次電池用電極材料に関する。 The present invention relates to an internal resistance reducing agent for a positive electrode active material layer, and an electrode material for a secondary battery using the same.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. In the automotive industry, there is hope that the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) will help reduce carbon dioxide emissions, and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to putting these into practical use.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for driving motors are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, are attracting attention and are currently being developed at a rapid pace.

ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 The lithium secondary batteries currently in widespread use use a flammable organic electrolyte as the electrolyte. These liquid-based lithium secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, etc. than other batteries.

そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。例えば、正極活物質の候補である硫黄単体(S)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。 In recent years, research and development of all-solid-state lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes has been actively conducted. A solid electrolyte is a material mainly composed of an ion conductor capable of ion conduction in a solid. Therefore, in principle, all-solid-state lithium secondary batteries do not cause various problems caused by flammable organic electrolytes as in conventional liquid-based lithium secondary batteries. In addition, in general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material can significantly improve the output density and energy density of a battery. For example, elemental sulfur (S 8 ), which is a candidate for a positive electrode active material, has an extremely large theoretical capacity of about 1670 mAh/g, and has the advantages of being low cost and abundant in resources.

このような硫黄単体(S)からなる正極活物質の大きい容量を十分に活用するとともに、二次電池の安定性を向上させることを目的とした技術が提案されている。例えば、特許文献1では、硫黄と炭素材料とを加熱処理または機械的処理することによって複合化した硫黄-炭素複合体にFe、Ni、Cu、Al等の金属を含有させることで、上記の目的の達成を図ろうとしている。 Technologies have been proposed that aim to fully utilize the large capacity of such a positive electrode active material made of elemental sulfur (S 8 ) and improve the stability of secondary batteries. For example, Patent Document 1 attempts to achieve the above objective by incorporating metals such as Fe, Ni, Cu, and Al into a sulfur-carbon composite obtained by compounding sulfur and a carbon material through a heat treatment or mechanical treatment.

特開2017-188301号公報JP 2017-188301 A

本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の技術(正極活物質層への金属単体の添加)を用いて二次電池を作製すると、高い充放電レートでの充放電の際に十分な容量が取り出せない(すなわち、いわゆる充放電レート特性が十分ではない)という問題があることが判明した。このように充放電レート特性が不十分である二次電池は、急速充放電に対応して十分な容量を活用することができない。 The inventors' investigations revealed that when a secondary battery is produced using the technology described in Patent Document 1 (addition of an elemental metal to the positive electrode active material layer), there is a problem in that sufficient capacity cannot be extracted during charging and discharging at a high charge and discharge rate (i.e., the so-called charge and discharge rate characteristics are insufficient). A secondary battery with such insufficient charge and discharge rate characteristics cannot utilize sufficient capacity in response to rapid charging and discharging.

そこで本発明は、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、充放電レート特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a means for improving the charge/discharge rate characteristics of secondary batteries that use a positive electrode active material containing sulfur.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、所定の数式で定義されるパラメータが所定の範囲内の値を示し、Liと接触したときにその硫黄のバンドギャップエネルギーを所定の値未満とするイオン性化合物を、硫黄を含む正極活物質とともに正極活物質層に添加することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems. As a result, they have found that the above problems can be solved by adding an ionic compound, which has a parameter defined by a predetermined formula within a predetermined range and which makes the band gap energy of sulfur less than a predetermined value when it comes into contact with Li 2 S 8 , to a positive electrode active material layer together with a positive electrode active material containing sulfur, and have completed the present invention.

本発明の一形態は、硫黄を含む正極活物質を含有する二次電池用正極の正極活物質層に添加されて前記正極活物質層の内部抵抗を低減させるのに用いられ、1種以上のカチオンと1種以上のアニオンとからなるイオン性化合物を有効成分として含有し、前記化合物についての下記数式1で表されるパラメータXがX<0.1を満足し、Liが前記化合物と接触したときの前記Liにおける硫黄のバンドギャップエネルギーが1.4[eV]未満となる、正極活物質層の内部抵抗低減剤である: One embodiment of the present invention is an internal resistance reducer for a positive electrode active material layer that is added to a positive electrode active material layer of a secondary battery positive electrode containing a sulfur-containing positive electrode active material to reduce the internal resistance of the positive electrode active material layer, the agent containing an ionic compound consisting of one or more cations and one or more anions as an active ingredient, the parameter X of the compound, which is represented by the following mathematical formula 1 , satisfies X< 0.1 , and the band gap energy of sulfur in the Li2S8 when the Li2S8 comes into contact with the compound is less than 1.4 [eV]:

式中、ρは前記化合物の密度(density)[g/cm]を表し、Efermiは前記化合物のフェルミエネルギー[eV]を表し、γは前記化合物の結晶角(crystal angle)[°]を表し、Mtotalは前記化合物の磁化(total magnetization)[A/m]を表し、Lは前記化合物の結晶格子bの長さ[Å]を表し、Vは前記化合物の結晶格子体積[Å]を表す。 In the formula, ρ represents the density of the compound [g/cm 3 ], E fermi represents the Fermi energy of the compound [eV], γ represents the crystal angle of the compound [°], M total represents the total magnetization of the compound [A/m], L b represents the length of the crystal lattice b of the compound [Å], and V represents the crystal lattice volume of the compound [Å 3 ].

本発明によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、充放電レート特性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the charge/discharge rate characteristics of a secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur.

図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated type all-solid-state lithium ion secondary battery which is one embodiment of the lithium ion secondary battery according to the present invention. 図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 shown in FIG. 図3は、硫黄を含む正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の充電過程および放電過程の双方における律速反応のエネルギー状態図である。FIG. 3 is an energy diagram of the rate-limiting reactions in both the charge and discharge processes of a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur. 図4は、イオン性化合物の有する26種類の物性パラメータと、硫黄のバンドギャップエネルギーとの相関係数を算出した結果を示す表である。FIG. 4 is a table showing the results of calculating correlation coefficients between 26 types of physical property parameters of an ionic compound and the band gap energy of sulfur.

以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。以下では、二次電池の一形態である、積層型(内部並列接続型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しないという利点がある。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 The above-mentioned embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiments. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios. The present invention will be described below using a stacked type (internal parallel connection type) all-solid-state lithium secondary battery, which is one form of secondary battery. As described above, the solid electrolyte constituting the all-solid-state lithium secondary battery is a material mainly composed of an ion conductor capable of ion conduction in a solid. For this reason, the all-solid-state lithium secondary battery has the advantage that, in principle, various problems caused by flammable organic electrolytes do not occur as in conventional liquid-based lithium secondary batteries. In addition, in general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material has the advantage that the output density and energy density of the battery can be significantly improved.

本発明の一形態は、硫黄を含む正極活物質を含有する二次電池用正極の正極活物質層に添加されて前記正極活物質層の内部抵抗を低減させるのに用いられ、1種以上のカチオンと1種以上のアニオンとからなるイオン性化合物を有効成分として含有し、前記化合物についての上記数式1で表されるパラメータXがX<0.1を満足し、Liが前記化合物と接触したときの前記Liにおける硫黄のバンドギャップエネルギーが1.4[eV]未満となる、正極活物質層の内部抵抗低減剤である。 One embodiment of the present invention is an internal resistance reducer for a positive electrode active material layer, which is added to a positive electrode active material layer of a positive electrode for a secondary battery containing a sulfur-containing positive electrode active material to reduce the internal resistance of the positive electrode active material layer, the agent containing an ionic compound consisting of one or more types of cations and one or more types of anions as an active ingredient, the parameter X represented by the above mathematical formula 1 for the compound satisfying X<0.1, and the band gap energy of sulfur in the Li 2 S 8 when the Li 2 S 8 comes into contact with the compound being less than 1.4 [eV].

本形態に係る正極活物質層の内部抵抗低減剤(所定のイオン性化合物を有効成分として含む)は、硫黄を含む正極活物質を含有する二次電池用正極の正極活物質層に添加されることで、Liの硫黄の伝導体に添加剤(内部抵抗低減剤)の価電子帯がオーバーラップするなどしてより多くの電子が硫黄のバンドギャップに供給されるようになり、当該正極活物質層に含まれる硫黄のバンドギャップエネルギーを低下させることができる。その結果、当該正極活物質層の内部抵抗を低減させることができる。そしてその結果として、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、充放電レート特性を向上させることが可能となる。なお、本形態に係る内部抵抗低減剤の有効成分である上記所定のイオン性化合物が硫黄含有正極活物質を用いた二次電池の正極活物質層の内部抵抗を低減させる推定メカニズムについては、後述する。 The internal resistance reducing agent for the positive electrode active material layer according to the present embodiment (containing a specific ionic compound as an active ingredient) is added to the positive electrode active material layer of a secondary battery positive electrode containing a sulfur-containing positive electrode active material, so that the valence band of the additive (internal resistance reducing agent) overlaps with the sulfur conductor of Li 2 S 8 , and more electrons are supplied to the band gap of sulfur, thereby lowering the band gap energy of sulfur contained in the positive electrode active material layer. As a result, the internal resistance of the positive electrode active material layer can be reduced. As a result, it is possible to improve the charge and discharge rate characteristics in a secondary battery using a sulfur-containing positive electrode active material. The estimated mechanism by which the specific ionic compound, which is the active ingredient of the internal resistance reducing agent according to the present embodiment, reduces the internal resistance of the positive electrode active material layer of a secondary battery using a sulfur-containing positive electrode active material will be described later.

図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でないリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係るリチウムイオン二次電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a flat-layered all-solid-state lithium-ion secondary battery, which is one embodiment of the lithium-ion secondary battery according to the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 shown in Figure 1. The layered structure allows the battery to be compact and have a high capacity. In this specification, the flat-layered non-bipolar lithium-ion secondary battery shown in Figures 1 and 2 (hereinafter also simply referred to as a "layered battery") will be described in detail as an example. However, when viewed from the perspective of the internal electrical connection form (electrode structure) of the lithium-ion secondary battery according to this embodiment, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries.

図1に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 1, the stacked battery 10a has a flat rectangular shape, with a negative electrode current collector 25 and a positive electrode current collector 27 extending from both sides for extracting power. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked battery 10a, and its periphery is heat-sealed, with the power generating element 21 sealed with the negative electrode current collector 25 and the positive electrode current collector 27 extended to the outside.

なお、本形態に係るリチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated flat shape. A wound lithium ion secondary battery may be cylindrical, or may be a cylindrical shape that has been deformed to have a rectangular flat shape, and is not particularly limited. The cylindrical shape may be a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as the exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This form can achieve weight reduction.

また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 There are also no particular limitations on the way the current collectors (25, 27) shown in FIG. 1 are removed. The negative and positive current collectors 25 and 27 may be pulled out from the same side, or the negative and positive current collectors 25 and 27 may each be divided into multiple pieces and removed from each side; they are not limited to what is shown in FIG. 1. In addition, in a wound lithium-ion battery, the terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of tabs.

図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11”の両面に正極活物質を含有する正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in Figure 2, the stacked battery 10a of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, where the charge and discharge reactions actually proceed, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior material. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are stacked. The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer 15 containing a positive electrode active material is disposed on both sides of a positive electrode collector 11". The negative electrode has a structure in which a negative electrode active material layer 13 containing a negative electrode active material is disposed on both sides of a negative electrode collector 11'. Specifically, the positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the adjacent negative electrode active material layer 13 face each other through a solid electrolyte layer 17. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode form one single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a structure in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.

図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’,11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost positive electrode collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a positive electrode active material layer 15 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a collector dedicated to the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a collector with active material layers on both sides may be used as the outermost layer collector as is. In some cases, the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 may be used as the negative electrode and positive electrode, respectively, without using the collectors (11', 11").

負極集電体11’および正極集電体11”は、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”および負極集電体11’に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The negative electrode collector 11' and the positive electrode collector 11" are respectively attached with a negative electrode collector plate (tab) 25 and a positive electrode collector plate (tab) 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode), and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29, which is the battery exterior material, and are led out of the laminate film 29. The positive electrode collector plate 27 and the negative electrode collector plate 25 may be attached to the positive electrode collector 11" and the negative electrode collector 11' of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary.

以下、本形態に係るリチウムイオン二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the lithium-ion secondary battery according to this embodiment are described below.

[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition, a clad material of nickel and aluminum, or a clad material of copper and aluminum may be used. A foil in which a metal surface is coated with aluminum may also be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.

また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resin includes a resin in which a conductive filler is added as necessary to a non-conductive polymeric material.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials can have excellent electric potential resistance or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler can be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin that serves as the base material of the collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is necessarily required to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without any particular restriction as long as it is a material having electrical conductivity. For example, metals and conductive carbon can be mentioned as materials having excellent electrical conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing these metals. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 There are no particular restrictions on the amount of conductive filler added, so long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and it is generally 5 to 80% by mass relative to the total mass of the current collector (100% by mass).

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of a suitable combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. In addition, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer described later are conductive and can perform a current collecting function by themselves, it is not necessary to use a current collector as a member separate from these electrode active material layers. In such a form, the negative electrode active material layer described later constitutes the negative electrode as it is, and the positive electrode active material layer described later constitutes the positive electrode as it is.

[負極(負極活物質層)]
本形態に係る二次電池において、負極活物質層13は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb、LiTi12等が挙げられる。さらに、ケイ素系負極活物質やスズ系負極活物質が用いられてもよい。ここで、ケイ素およびスズは第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。これらの単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。ここで、ケイ素系負極活物質としては、Si単体を用いることが好ましい。また同様に、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiO(0.3≦x≦1.6)などのケイ素酸化物を用いることも好ましい。この際、xの範囲は0.5≦x≦1.5であることがより好ましく、0.7≦x≦1.2であることがさらに好ましい。さらには、ケイ素を含有する合金(ケイ素含有合金系負極活物質)が用いられてもよい。一方、スズ元素を含む負極活物質(スズ系負極活物質)としては、Sn単体、スズ合金(Cu-Sn合金、Co-Sn合金)、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物等が挙げられる。このうち、アモルファススズ酸化物としてはSnB0.40.63.1が例示される。また、スズケイ素酸化物としてはSnSiOが例示される。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、金属リチウムのほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。負極活物質は、金属リチウム、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましく、金属リチウムを含むことが特に好ましい。
[Negative electrode (negative electrode active material layer)]
In the secondary battery according to this embodiment, the negative electrode active material layer 13 includes a negative electrode active material. The type of the negative electrode active material is not particularly limited, but includes carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Examples of the metal oxide include Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , and the like. Furthermore, silicon-based negative electrode active materials and tin-based negative electrode active materials may be used. Here, silicon and tin belong to the 14th group of elements, and are known to be negative electrode active materials that can greatly improve the capacity of non-aqueous electrolyte secondary batteries. These simple substances can absorb and release a large number of charge carriers (lithium ions, etc.) per unit volume (mass), and therefore become high-capacity negative electrode active materials. Here, it is preferable to use Si simple substance as the silicon-based negative electrode active material. Similarly, it is also preferable to use silicon oxide such as SiO x (0.3≦x≦1.6) disproportionated into two phases of Si phase and silicon oxide phase. In this case, the range of x is more preferably 0.5≦x≦1.5, and even more preferably 0.7≦x≦1.2. Furthermore, an alloy containing silicon (silicon-containing alloy-based negative electrode active material) may be used. On the other hand, negative electrode active materials containing tin element (tin-based negative electrode active materials) include simple Sn, tin alloys (Cu—Sn alloys, Co—Sn alloys), amorphous tin oxides, tin silicon oxides, and the like. Among these, an example of amorphous tin oxide is SnB 0.4 P 0.6 O 3.1 . An example of tin silicon oxide is SnSiO 3. Furthermore, a metal containing lithium may be used as the negative electrode active material. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it is an active material containing lithium, and examples thereof include metallic lithium as well as lithium-containing alloys. The lithium-containing alloy may be, for example, an alloy of Li and at least one of In, Al, Si and Sn. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than the above may be used. The negative electrode active material preferably contains metallic lithium, a silicon-based negative electrode active material or a tin-based negative electrode active material, and particularly preferably contains metallic lithium.

負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the negative electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the negative electrode active material is particulate, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and more preferably within the range of 50 to 90% by mass.

負極活物質層は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 It is preferable that the negative electrode active material layer further contains a solid electrolyte. By containing the solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of the solid electrolyte include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, and a sulfide solid electrolyte is preferable.

硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPS4、LiS-P、LiS-P-LiI、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は正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「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硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, 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 (wherein x and y are positive numbers, and M is any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In). Note that the description "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.

硫化物固体電解質は、例えば、LiPS骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよく、Li骨格を有していてもよい。LiPS骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-LiPS、LiI-LiBr-LiPS4、LiPSが挙げられる。また、Li骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、LiS-Pを主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLiPSX(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes called LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Examples of sulfide solid electrolytes include LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1). In particular, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing P element, and more preferably a material containing Li 2 S-P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br or I, preferably Cl).

また、硫化物固体電解質がLiS-P系である場合、LiSおよびPの割合は、モル比で、LiS:P=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLiS:P=70:30~80:20であることが好ましい。 Furthermore, when the sulfide solid electrolyte is a Li 2 S-P 2 S 5 system, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 , in terms of molar ratio, is preferably within the range of Li 2 S:P 2 S 5 =50:50 to 100:0, and in particular, Li 2 S:P 2 S 5 =70:30 to 80:20.

また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be a sulfide glass, a crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill, etc.) on the raw material composition. The crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat treating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ion conductivity (for example, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25° C.) is preferably, for example, 1×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1×10 −4 S/cm or more. The value of the ion conductivity of the solid electrolyte can be measured by an AC impedance method.

酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlGe2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlTi2-x(PO(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds (LAGP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2), and compounds (LATP) represented by the general formula Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2). Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), and LiLaZrO (e.g., Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).

固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 The shape of the solid electrolyte may be, for example, a particulate shape such as a true sphere or an oval sphere, a thin film shape, etc. When the solid electrolyte is particulate, its average particle size ( D50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle size ( D50 ) is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more.

負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、1~60質量%の範囲内であることが好ましく、10~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is preferably within the range of 1 to 60 mass %, and more preferably within the range of 10 to 50 mass %.

負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive additive and a binder in addition to the above-mentioned negative electrode active material and solid electrolyte.

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive assistants include, but are not limited to, metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys or metal oxides containing these metals, carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, activated carbon fibers, etc.), carbon nanotubes (CNT), and carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.). In addition, particulate ceramic materials and resin materials coated with the above-mentioned metal materials by plating or the like can also be used as conductive assistants. Among these conductive assistants, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon, more preferably to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, and carbon, and even more preferably to include at least one carbon. These conductive assistants may be used alone or in combination of two or more.

導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The conductive assistant is preferably particulate or fibrous. When the conductive assistant is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, spindle shape, etc.

導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 When the conductive assistant is particulate, the average particle diameter (primary particle diameter) is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical properties of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive assistant" means the maximum distance L between any two points on the contour line of the conductive assistant. The value of the "average particle diameter of the conductive assistant" is calculated as the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields of view using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive assistant, the content of the conductive assistant in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10 mass %, more preferably 2 to 8 mass %, and even more preferably 4 to 7 mass %, relative to the total mass of the negative electrode active material layer. Within such a range, it is possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, which can effectively contribute to improving the battery characteristics.

一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, binders are not particularly limited, but examples include the following materials:

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Thermoplastic polymers such as polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced by other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyether nitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene-isoprene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene Fluorine resins such as ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), etc., vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), etc. Examples of the fluororubber include vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluororubber (VDF-CTFE fluororubber), and other vinylidene fluoride-based fluororubbers, epoxy resins, etc. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

負極活物質層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended secondary battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.

[固体電解質層]
本形態に係る二次電池において、固体電解質層は、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在し、固体電解質を必須に含有する層である。
[Solid electrolyte layer]
In the secondary battery according to this embodiment, the solid electrolyte layer is interposed between the above-mentioned positive electrode active material layer and negative electrode active material layer, and is a layer that essentially contains a solid electrolyte.

固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。ただし、固体電解質の全量100質量%に占める硫化物固体電解質の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 There are no particular limitations on the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, and the solid electrolytes and their preferred forms exemplified in the section on the negative electrode active material layer can be used in the same way. In some cases, a solid electrolyte other than the above-mentioned solid electrolyte may be used in combination. However, the content of the sulfide solid electrolyte in the total amount of the solid electrolyte (100% by mass) is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダについても、負極活物質層の欄において説明した例示および好ましい形態が同様に採用されうる。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. The examples and preferred forms described in the section on the negative electrode active material layer may also be used for the binder that may be contained in the solid electrolyte layer.

固体電解質層の厚みは、目的とするリチウムイオン二次電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは10μm以上であり、より好ましくは50μm以上であり、さらに好ましくは100μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended lithium ion secondary battery, but from the viewpoint of improving the volumetric energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 400 μm or less. On the other hand, there is no particular limit on the lower limit of the thickness of the solid electrolyte layer, but it is preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, and even more preferably 100 μm or more.

[正極活物質層]
本形態に係る二次電池において、正極活物質層は、硫黄を含む正極活物質を含む。硫黄を含む正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられ、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、TiS、TiS、TiS4、NiS、NiS、CuS、FeS、LiS、MoS、MoS等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS、TiS、TiS4、FeSおよびMoSが好ましく、硫黄単体(S)、TiSおよびFeSがより好ましく、高容量であるという観点からは硫黄単体(S)が特に好ましい。なお、硫黄単体(S)としては、S構造を有するα硫黄、β硫黄、またはγ硫黄が用いられうる。これらの硫黄単体は、放電時においてはリチウムイオンを吸蔵してリチウムの(多)硫化物の形態で正極活物質層中に存在する。
[Positive electrode active material layer]
In the secondary battery according to this embodiment, the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material containing sulfur. The type of the positive electrode active material containing sulfur is not particularly limited, but may include, in addition to sulfur element (S), particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds, and may be any material that can release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging by utilizing the oxidation-reduction reaction of sulfur. Examples of the organic sulfur compound include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbonate sulfide, and the like, which are typified by compounds described in the pamphlet of International Publication No. 2010/044437. Among them, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate, or a thioamide group are more preferred. Here, the sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing sulfur atoms, obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating under an inert gas or under reduced pressure. Its estimated structure is a structure in which polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic ring, and at least a part of S is bonded to C, as shown in, for example, Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and further has peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 , and 929 cm -1 . On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability, specifically, sulfur element (S), TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 2 , MoS 3 and the like. Among them, S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, sulfur element (S), TiS 2 and FeS 2 are more preferred, and sulfur element (S) is particularly preferred from the viewpoint of high capacity. In addition, as the sulfur element (S), α sulfur, β sulfur, or γ sulfur having an S 8 structure can be used. These sulfur elements absorb lithium ions during discharge and exist in the positive electrode active material layer in the form of lithium (poly)sulfide.

ここで、正極活物質として硫黄単体(S)が用いられる場合、正極活物質としての硫黄単体(S)は、導電材料と複合化されてなる複合材料の形態で正極活物質層中に含まれることが好ましい。この複合材料は、硫黄単体と導電材料との混合物を加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、導電材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態、硫黄と導電材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態、細かな硫黄粒子の表面や内部に導電材料が分布している状態、または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。 Here, when elemental sulfur (S) is used as the positive electrode active material, it is preferable that the elemental sulfur (S) as the positive electrode active material is contained in the positive electrode active material layer in the form of a composite material obtained by compounding with a conductive material. This composite material is in a state in which a mixture of elemental sulfur and a conductive material is compounded by subjecting it to a heat treatment or mechanical mixing. More specifically, it is in a state in which sulfur is distributed on the surface or in the pores of the conductive material, in a state in which sulfur and the conductive material are uniformly dispersed at the nano level and aggregated to form particles, in a state in which the conductive material is distributed on the surface or inside of fine sulfur particles, or in a state in which a combination of two or more of these states is present.

上記複合材料を構成する導電材料として、好ましくは炭素材料が用いられる。炭素材料としては、特に限定されないが、例えば、活性炭(例えば、関西熱化学株式会社製MSC-30)、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンファイバー、グラフェン等が挙げられる。また、これらを組み合わせて使用することも可能であり、例えば、活性炭とケッチェンブラック(登録商標)とを組み合わせて使用した場合には、充放電におけるプラトー領域が広がり、充放電サイクルを重ねても充放電容量の維持率が高くなるという利点がある。なかでも、炭素材料は細孔を有するものであることが好ましく、活性炭であることがより好ましい。また、導電材料が細孔を有する場合に、正極活物質および内部抵抗低減剤が当該細孔の内部に配置されていることが特に好ましい。 Carbon materials are preferably used as the conductive material constituting the composite material. Examples of carbon materials include, but are not limited to, activated carbon (e.g., MSC-30 manufactured by Kansai Thermochemical Co., Ltd.), carbon black, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), carbon fiber, graphene, etc. These materials can also be used in combination. For example, when activated carbon is used in combination with Ketjen Black (registered trademark), the plateau region during charging and discharging is expanded, and there is an advantage in that the retention rate of the charge and discharge capacity is increased even after repeated charge and discharge cycles. In particular, it is preferable for the carbon material to have pores, and activated carbon is more preferable. In addition, when the conductive material has pores, it is particularly preferable that the positive electrode active material and the internal resistance reducing agent are arranged inside the pores.

正極活物質層は、硫黄を含む正極活物質に加えて、硫黄を含まない正極活物質をさらに含んでもよい。硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、Li(Ni-Mn-Co)O等の層状岩塩型活物質、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO等のオリビン型活物質、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、LiTi12が挙げられる。 The positive electrode active material layer may further contain a positive electrode active material that does not contain sulfur in addition to the positive electrode active material that contains sulfur. Examples of the positive electrode active material that does not contain sulfur include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and Li(Ni-Mn-Co)O 2 , spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4. Examples of oxide active materials other than the above include Li 4 Ti 5 O 12 .

場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。ただし、正極活物質の全量100質量%に占める硫黄を含む正極活物質の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may also be used. However, the content of the positive electrode active material containing sulfur in the total amount of the positive electrode active material (100% by mass) is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the positive electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the positive electrode active material is particulate, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、35~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、正極活物質が上記複合材料の形態である場合、この含有量の値は、導電材料を除く正極活物質(硫黄単体)のみの質量を基準に算出するものとする。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 35 to 99 mass %, and more preferably within the range of 40 to 90 mass %. When the positive electrode active material is in the form of the composite material, the content is calculated based on the mass of only the positive electrode active material (sulfur element) excluding the conductive material.

また、正極活物質層は、導電助剤および/またはバインダをさらに含んでもよく、これらの具体的な形態および好ましい形態については、上述した負極活物質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。同様に、正極活物質層は固体電解質をさらに含むことが好ましく、硫化物固体電解質をさらに含むことが特に好ましい。硫化物固体電解質などの固体電解質の具体的な形態および好ましい形態についても、上述した負極活物質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。 The positive electrode active material layer may further include a conductive additive and/or a binder, and specific and preferred forms thereof may be similarly adopted to those described in the section on the negative electrode active material layer above. Similarly, the positive electrode active material layer preferably further includes a solid electrolyte, and particularly preferably further includes a sulfide solid electrolyte. Specific and preferred forms of the solid electrolyte, such as the sulfide solid electrolyte, may be similarly adopted to those described in the section on the negative electrode active material layer above.

したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、硫黄を含む正極活物質と、導電材料と、硫化物固体電解質と、本形態に係る内部抵抗低減剤とを含む、二次電池用正極材料が提供される。また、本発明の他の好ましい実施形態によれば、硫黄を含む正極活物質と、細孔を有する導電材料と、硫化物固体電解質と、本形態に係る内部抵抗低減剤とを含み、正極活物質および内部抵抗低減剤が当該細孔の内部に配置されている、二次電池用正極材料もまた、提供される。これらの実施形態に係る二次電池用正極材料によれば、硫黄の電極反応が進行する反応場に内部抵抗低減剤を多く存在させることができ、また、硫黄への電子伝導パスについても十分に確保することができる結果、本発明の作用効果をよりいっそう発現させることができるという利点がある。 Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, a positive electrode material for a secondary battery is provided, which includes a positive electrode active material containing sulfur, a conductive material, a sulfide solid electrolyte, and the internal resistance reducing agent according to this embodiment. In addition, according to another preferred embodiment of the present invention, a positive electrode material for a secondary battery is also provided, which includes a positive electrode active material containing sulfur, a conductive material having pores, a sulfide solid electrolyte, and the internal resistance reducing agent according to this embodiment, and the positive electrode active material and the internal resistance reducing agent are disposed inside the pores. According to the positive electrode material for a secondary battery according to these embodiments, it is possible to make a large amount of the internal resistance reducing agent present in the reaction field where the electrode reaction of sulfur progresses, and also to sufficiently secure an electron conduction path to sulfur, which has the advantage that the effect of the present invention can be further expressed.

本形態に係る正極活物質層の内部抵抗低減剤において、有効成分は1種以上のカチオンと1種以上のアニオンとからなるイオン性化合物である。また、内部抵抗低減剤の有効成分である当該イオン性化合物は、当該化合物についての下記数式1で表されるパラメータXがX<0.1を満足するという特徴をも有している。 In the internal resistance reducing agent for the positive electrode active material layer according to this embodiment, the active ingredient is an ionic compound consisting of one or more cations and one or more anions. The ionic compound that is the active ingredient of the internal resistance reducing agent is also characterized in that the parameter X for the compound, which is expressed by the following mathematical formula 1, satisfies X<0.1.

数式1において、ρは前記化合物の密度(density)[g/cm]を表し、Efermiは前記化合物のフェルミエネルギー[eV]を表し、γは前記化合物の結晶角(crystal angle)[°]を表し、Mtotalは前記化合物の磁化(total magnetization)[A/m]を表し、Lは前記化合物の結晶格子bの長さ[Å]を表し、Vは前記化合物の結晶格子体積[Å]を表す。以下、上記パラメータXを用いた関係式(X<0.1)の導出過程について、説明する。 In Equation 1, ρ represents the density of the compound [g/cm 3 ], E fermi represents the Fermi energy of the compound [eV], γ represents the crystal angle of the compound [°], M total represents the total magnetization of the compound [A/m], L b represents the length of the crystal lattice b of the compound [Å], and V represents the crystal lattice volume of the compound [Å 3 ]. Hereinafter, the process of deriving the relational equation (X<0.1) using the parameter X will be described.

本発明者らは、硫黄を含む正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池における充放電反応における律速段階を特定すべく、密度汎関数理論(DFT)に基づく電子状態計算法である密度汎関数法を用いて、上記充放電反応を構成する素反応について解析を行った。ここで、密度汎関数理論(DFT)(密度汎関数法)は、実験データや経験パラメータを用いることなくシュレーディンガー方程式(ディラック方程式)から物性や化学反応を予測する第一原理計算の1種であり、計算対象となる分子構造について、生成エネルギーEgや、分子軌道(その分子を構成する電子が存在できる軌道)のエネルギー準位を算出する手法である。 The inventors analyzed the elementary reactions that make up the charge/discharge reaction in a lithium-ion secondary battery that uses a sulfur-containing cathode active material using density functional theory (DFT), which is an electronic state calculation method based on density functional theory (DFT), in order to identify the rate-determining step in the charge/discharge reaction. Here, density functional theory (DFT) (density functional theory) is a type of first-principles calculation that predicts physical properties and chemical reactions from the Schrödinger equation (Dirac equation) without using experimental data or empirical parameters, and is a method of calculating the formation energy Eg and the energy level of the molecular orbital (the orbit in which the electrons that make up the molecule can exist) for the molecular structure that is the subject of the calculation.

ここで、硫黄単体(S)はリチウムを含まないため、これを正極活物質として見ると、当該正極活物質を含むリチウムイオン二次電池は最も充電が進行した状態にあるということができる。一方、このリチウム二次電池の放電が進行すると、正極活物質である硫黄単体(S)は徐々にリチウムと結合することにより種々の還元生成物を経由し、最終的にはLiSとなる。つまり、LiSのみを正極活物質として含むリチウムイオン二次電池は最も放電が進行した状態にあるということができる。 Here, since elemental sulfur (S 8 ) does not contain lithium, when viewed as a positive electrode active material, it can be said that a lithium ion secondary battery containing this positive electrode active material is in the most charged state. On the other hand, as the discharge of this lithium secondary battery progresses, elemental sulfur (S 8 ), which is the positive electrode active material, gradually combines with lithium to go through various reduction products and finally become Li 2 S. In other words, it can be said that a lithium ion secondary battery containing only Li 2 S as a positive electrode active material is in the most discharged state.

ここで、硫黄単体(S)とLiSとの間で硫黄原子およびリチウム原子の含有モル比が異なる還元生成物(中間体)としては、(S)→Li→Li→Li→Li→Li→Li→Li→(LiS)が想定されうる。そこで本発明者らは、硫黄単体(S)およびLiS並びにこれらの想定される還元生成物(中間体)のそれぞれについて、DFTに基づいて構造最適化(分子を構成する原子の位置を変化させ、生成エネルギーが最低となる構造を求める計算)を行い、安定な原子配置での生成エネルギーを算出した。そして、反応物と生成物との組み合わせとして想定されるすべての場合について、生成物の生成エネルギー(Eproducts)から反応物の生成エネルギー(Ereactants)を引いた値を各反応におけるギブス自由エネルギー(ΔG)とみなした。なお、詳細な計算条件は以下の通りである:
シミュレーションプログラム:Vienna ab-initio simulation package (VASP)
相関汎関数:B3LYP
カットオフエネルギー:400 [eV]
擬ポテンシャル:PAW GGA
電子緩和アルゴリズム:preconditioned residuum-minimization
イオン緩和アルゴリズム:RMM-DIIS。
Here, the following can be assumed as reduction products (intermediates) having different molar ratios of sulfur atoms and lithium atoms between elemental sulfur (S 8 ) and Li 2 S: (S 8 ) → Li 2 S 8 → Li 2 S 7 → Li 2 S 6 → Li 2 S 5 → Li 2 S 4 → Li 2 S 3 → Li 2 S 2 → (Li 2 S). Therefore, the inventors performed structural optimization (calculation to change the positions of atoms constituting the molecule and obtain the structure with the lowest formation energy) based on DFT for elemental sulfur ( S 8 ) and Li 2 S and each of these assumed reduction products (intermediates), and calculated the formation energy in a stable atomic configuration. For all possible combinations of reactants and products, the Gibbs free energy (ΔG) for each reaction was calculated by subtracting the energy of formation of the reactants (E reactants ) from the energy of formation of the products (E products ). The detailed calculation conditions are as follows:
Simulation program: Vienna ab-initio simulation package (VASP)
Correlation functional: B3LYP
Cutoff energy: 400 [eV]
Pseudopotential: PAW GGA
Electronic relaxation algorithm: preconditioned residuum-minimization
Ion relaxation algorithm: RMM-DIIS.

ここで、充電反応においては各反応におけるΔGは正の値であり、反応物よりも生成物の方がエネルギー的に不安定である。このため、充電反応においては、反応物を固定した場合に想定される反応のうち、ΔGが最小である反応が実際に進行していると判断した。最も放電が進行した状態であるLiSを正極活物質として含むリチウム二次電池の充電反応が進行する場合を想定して、実際に計算を行った結果を下記の表1に示す(小数第三位で四捨五入した値を示している)。 Here, in the charging reaction, ΔG in each reaction is a positive value, and the product is energetically more unstable than the reactant. Therefore, in the charging reaction, it was determined that the reaction with the smallest ΔG among the reactions assumed when the reactant is fixed is actually proceeding. The results of actual calculations are shown in Table 1 below (values rounded off to the third decimal place) assuming that the charging reaction of a lithium secondary battery containing Li 2 S as a positive electrode active material, which is the most discharged state, proceeds.

表1に示すように、LiSについては、例えば、リチウムを放出してLiを生成する反応(2LiS→Li+2Li)が想定される。この際の反応物の生成エネルギー(Ereactants)および反応物の生成エネルギー(Eproducts)はそれぞれ14.41[eV]および15.44[eV]であり、これらの差として算出されるギブス自由エネルギー(ΔG=Eproducts-Ereactants)は1.02[eV]と算出される。 As shown in Table 1, for Li 2 S, for example, a reaction (2Li 2 S → Li 2 S 2 + 2Li) is assumed in which lithium is released to generate Li 2 S 2. The formation energies of the reactants (E reactants ) and the formation energies of the reactants (E products ) in this case are 14.41 [eV] and 15.44 [eV], respectively, and the Gibbs free energy (ΔG = E products - E reactants ) calculated as the difference between these is calculated to be 1.02 [eV].

また、LiSについて想定される反応としては、上記のもののほか、Li、Li、Li、Li、Li、Liと反応してLi、Li、Li、Li、Li、Liをそれぞれ生成する反応もある。これらの各反応のΔGは上記表1に示す通りであるが、いずれもLiを生成する反応におけるΔGよりも大きい。したがって、LiSについて実際には、ΔGが最小となるLiの生成反応が進行するものと結論付けた。また、このような解析をその後も同様に進め、各反応物について想定される反応のうち、ΔGが最小の値(表1に太字で示した)となる反応が実際に進行するものと結論付けた。その結果、充電反応において、LiSはLiを生成した後にLi、Li、Li、Li、Li、LiおよびSを順次生成するものと考えられた。ここで、LiSからSに至る8つの反応のうちΔGが最大のものは、最終段階におけるLiSからのSの生成反応(Li→S+2Li)である。このことから、このSの生成反応が充電過程において反応速度が最も遅い反応(律速反応)であると考えられた。 In addition to the above, Li 2 S may react with Li 2 S 2 , Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , and Li 2 S 7 to produce Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , Li 2 S 7 , and Li 2 S 8 . The ΔG of each of these reactions is shown in Table 1 above, but all of them are larger than the ΔG in the reaction that produces Li 2 S 2. Therefore, it was concluded that the reaction that produces Li 2 S 2 , which has the smallest ΔG, actually proceeds with respect to Li 2 S. In addition, the analysis was continued in the same manner, and it was concluded that the reaction with the smallest ΔG (shown in bold in Table 1) among the reactions assumed for each reactant actually proceeds. As a result, it was considered that in the charging reaction, Li 2 S produces Li 2 S 2 , and then Li 2 S 3 , Li 2 S 4 , Li 2 S 5 , Li 2 S 6 , Li 2 S 7 , Li 2 S 8 and S 8 in sequence. Here, the reaction with the largest ΔG among the eight reactions from Li 2 S to S 8 is the reaction of producing S 8 from Li 2 S in the final stage (Li 2 S 8 → S 8 + 2Li). From this, it was considered that the reaction of producing S 8 is the reaction with the slowest reaction rate (rate-determining reaction) in the charging process.

一方、放電反応については、最も充電が進行した状態であるSを正極活物質として含むリチウム二次電池の放電反応が進行する場合を想定して、実際に計算を行った結果を下記の表2に示す。なお、放電反応においては各反応におけるΔGは負の値であり、反応物よりも生成物の方がエネルギー的に安定である。このため、放電反応においては、反応物を固定した場合に想定される反応のうち、ΔGの絶対値が最大である反応が実際に進行していると判断した。 On the other hand, for the discharge reaction, the results of actual calculations were shown in Table 2 below, assuming that the discharge reaction of a lithium secondary battery containing S 8 , which is the most charged state, as the positive electrode active material proceeds. In addition, ΔG in each discharge reaction is a negative value, and the product is more energetically stable than the reactant. For this reason, it was determined that the reaction with the largest absolute value of ΔG is actually proceeding among the reactions assumed when the reactant is fixed in the discharge reaction.

表2に示すように、SについてはLiを生成する反応(S+2Li→Li)のみが想定される。その後、ΔGの絶対値が最大(表2に太字で示した)となるように、LiはLiを生成し(Li+2Li→2Li)、LiはLiを生成し(Li+2Li→2Li)、LiはLiSを生成する(Li+2Li→2LiS)と考えられた。ここで、上述したように、放電反応においては反応物よりも生成物の方がエネルギー的に安定である。ただし、実際に反応が進行するには各反応の反応物における励起エネルギーを超える必要がある。したがって、上述したSからLiSに至る4つの反応のそれぞれについて、反応物(S、Li、Li、Li)の励起エネルギーを算出した。具体的には、各反応物のLUMO(最低非占有分子軌道;電子が入っていない分子軌道のうちエネルギー準位が最低の軌道)のエネルギー準位(ELUMO)とフェルミ準位(電子の存在確率が50%であるエネルギー準位;Efermi)との差が励起エネルギーに相当するとみなして、励起エネルギーE°をE°=ELUMO-Efermiの式に従って算出した。その結果、上記4つの反応のそれぞれの励起エネルギーE°は上記表2に示す値として算出された。ここで、SからLiSに至る4つの反応のうち励起エネルギーE°が最大のものは、最初の段階におけるSからのLiの生成反応(S+2Li→Li)である。このことから、SからのLiの生成反応が放電過程において反応速度が最も遅い反応(律速反応)であると考えられた。 As shown in Table 2, only the reaction ( S 8 + 2Li → Li 2 S 8 ) that produces Li 2 S 8 is assumed for S 8. Then, Li 2 S 8 produces Li 2 S 4 (Li 2 S 8 + 2Li → 2Li 2 S 4 ), Li 2 S 4 produces Li 2 S 2 (Li 2 S 4 + 2Li → 2Li 2 S 2 ), and Li 2 S 2 produces Li 2 S (Li 2 S 2 + 2Li → 2Li 2 S ) so that the absolute value of ΔG is maximized (shown in bold in Table 2 ). Here, as described above, in the discharge reaction, the product is more energetically stable than the reactant. However, in order for the reaction to actually proceed, it is necessary to exceed the excitation energy of the reactant of each reaction. Therefore, for each of the four reactions from S8 to Li2S described above, the excitation energy of the reactants ( S8 , Li2S8 , Li2S4 , Li2S2 ) was calculated. Specifically, the difference between the energy level (ELUMO) of the LUMO (lowest unoccupied molecular orbital; the lowest energy level among the molecular orbitals that do not contain electrons) of each reactant and the Fermi level (energy level at which the probability of an electron existing is 50%; Efermi ) was considered to correspond to the excitation energy, and the excitation energy E° was calculated according to the formula E°= ELUMO - Efermi . As a result, the excitation energy E° of each of the four reactions was calculated as the value shown in Table 2 above. Here, among the four reactions from S8 to Li2S , the reaction with the largest excitation energy E° is the reaction ( S8 + 2LiLi2S8 ) in the initial stage of producing Li2S8 from S8 . From this, it was thought that the reaction of producing Li2S8 from S8 was the reaction with the slowest reaction rate (rate-determining reaction) in the discharge process.

以上述べたようなDFTに基づく計算から、硫黄を含む正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の充電過程における律速反応は、LiSからのSの生成反応(Li→S+2Li)であると特定された。同様に、硫黄を含む正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の放電過程における律速反応はSからのLiの生成反応(S+2Li→Li)であると特定された。ここで、上記の2つの律速反応のエネルギー状態図を図3に示す。図3に示すように、放電反応における律速反応であるSからのLiの生成反応(S+2Li→Li)は、ΔGが負の値を示す発熱反応である。ただし、この反応は発熱反応ではあるものの、バンドギャップエネルギー(活性化エネルギー)Eを超えるエネルギーが与えられなければ進行しない。これに対し、充電反応における律速反応であるLiSからのSの生成反応(Li→S+2Li)は、ΔGが正の値を示す吸熱反応である。この反応は、ギブス自由エネルギー(ΔG)と上述したバンドギャップエネルギー(活性化エネルギー)Eの合計であるエネルギー障壁(E)を超えるエネルギーが与えられなければ進行しない。 From the calculation based on DFT as described above, the rate-limiting reaction in the charging process of a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur was identified as the production reaction of S 8 from Li 2 S (Li 2 S 8 → S 8 + 2Li). Similarly, the rate-limiting reaction in the discharging process of a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur was identified as the production reaction of Li 2 S 8 from S 8 (S 8 + 2Li → Li 2 S 8 ). Here, the energy state diagram of the above two rate-limiting reactions is shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the production reaction of Li 2 S 8 from S 8 , which is the rate-limiting reaction in the discharging reaction (S 8 + 2Li → Li 2 S 8 ), is an exothermic reaction in which ΔG shows a negative value. However, although this reaction is an exothermic reaction, it does not proceed unless energy exceeding the band gap energy (activation energy) E b is given. In contrast, the rate-determining reaction in the charging reaction, the production reaction of S8 from Li2S ( Li2S8S8 + 2Li), is an endothermic reaction with a positive ΔG value. This reaction does not proceed unless energy is provided that exceeds the energy barrier ( Ea ), which is the sum of the Gibbs free energy (ΔG) and the above-mentioned band gap energy (activation energy) Eb .

これらの知見に基づき、本発明者らは、上記の2つの律速反応のそれぞれにおけるエネルギー障壁の指標であるEを低減させうる添加剤を探索した。具体的に、本発明者らは、各種のイオン性化合物を対象として検討を進めた。その過程で、各種のイオン性化合物の有する26種類の物性パラメータについて、Liにおける硫黄のバンドギャップエネルギーに及ぼす正または負の影響が大きい(すなわち、硫黄のバンドギャップエネルギーとの相関係数の絶対値が大きい)物性パラメータを統計解析により調べた。図4は、イオン性化合物の有する26種類の物性パラメータと、硫黄のバンドギャップエネルギーとの相関係数を算出した結果を示す表である。この際、26種類の物性パラメータの値については、Materials Projectのウェブサイト(https://materialsproject.org/)に記載された値を採用した。一方、それぞれのイオン性化合物と接触した際のLiにおける硫黄のバンドギャップエネルギーの値については、上記と同様のシミュレーションプログラムを用いて算出した。詳細な計算条件は以下の通りである:
シミュレーションプログラム:Vienna ab-initio simulation package (VASP)
相関汎関数:B3LYP
カットオフエネルギー:500 [eV]
擬ポテンシャル:PAW GGA
電子緩和アルゴリズム:preconditioned residuum-minimization
イオン緩和アルゴリズム:RMM-DIIS。
Based on these findings, the present inventors have searched for additives that can reduce Ea , which is an index of the energy barrier in each of the two rate-determining reactions. Specifically, the present inventors have conducted research on various ionic compounds. In the process, for 26 types of physical parameters possessed by various ionic compounds, physical parameters that have a large positive or negative effect on the band gap energy of sulfur in Li 2 S 8 (i.e., the absolute value of the correlation coefficient with the band gap energy of sulfur is large) were examined by statistical analysis. FIG. 4 is a table showing the results of calculating the correlation coefficient between 26 types of physical parameters possessed by ionic compounds and the band gap energy of sulfur. In this case, the values of the 26 types of physical parameters were adopted from the values listed on the Materials Project website (https://materialsproject.org/). Meanwhile, the value of the band gap energy of sulfur in Li 2 S 8 when in contact with each ionic compound was calculated using the same simulation program as above. The detailed calculation conditions are as follows:
Simulation program: Vienna ab-initio simulation package (VASP)
Correlation functional: B3LYP
Cutoff energy: 500 [eV]
Pseudopotential: PAW GGA
Electronic relaxation algorithm: preconditioned residuum-minimization
Ion relaxation algorithm: RMM-DIIS.

なお、統計解析には種々のソフトウェアが使用可能であるが、ここではJUSE-StatWorks(株式会社日本科学技術研修所)を用いた。その結果、硫黄のバンドギャップエネルギーとの相関係数が正負それぞれで大きい物性パラメータとして、以下の6種類を特定するに至った:
(負の相関係数が大きい物性パラメータ)
イオン性化合物の密度(ρ[g/cm]):相関係数は-0.544
イオン性化合物のフェルミエネルギー(Efermi[eV]):相関係数は-0.511
イオン性化合物の結晶角(γ[°]):相関係数は-0.325
(正の相関係数が大きい物性パラメータ)
イオン性化合物の磁化(Mtotal[A/m]):相関係数は0.438
イオン性化合物の結晶格子bの長さ(L[Å]):相関係数は0.436
イオン性化合物の結晶格子体積(V[Å]):相関係数は0.396。
Various software can be used for statistical analysis, but JUSE-StatWorks (JUSE Institute of Science and Technology, Inc.) was used here. As a result, the following six types of physical property parameters were identified as having large positive and negative correlation coefficients with the band gap energy of sulfur:
(Physical property parameters with large negative correlation coefficients)
Density of ionic compounds (ρ [g/cm 3 ]): correlation coefficient is -0.544
Fermi energy of ionic compounds (E fermi [eV]): correlation coefficient is -0.511
Crystal angle of ionic compounds (γ [°]): correlation coefficient is -0.325
(Physical property parameters with large positive correlation coefficients)
Magnetization of ionic compounds (M total [A/m]): correlation coefficient is 0.438
Crystal lattice b length of ionic compound (L b [Å]): correlation coefficient is 0.436
Crystal lattice volume of ionic compounds (V [Å 3 ]): correlation coefficient is 0.396.

このようにして特定された6種類の物性パラメータは、単位系や桁数、正負が異なっている。このため、6種類の物性パラメータのそれぞれを規格化した上で足し合わせたのが上記数式1である。そして、このように導出された数式1に、24種類のイオン性化合物の物性パラメータの値を代入して得られたパラメータXについて、上記で算出されたバンドギャップエネルギーの値との関係を調べた。その結果を下記の表3に示す。 The six physical parameters identified in this way have different unit systems, digits, and positive and negative values. For this reason, the six physical parameters were standardized and then added together to obtain the above formula 1. The values of the physical parameters of the 24 ionic compounds were then substituted into the formula 1 derived in this way to obtain parameter X, which was then used to investigate its relationship with the band gap energy value calculated above. The results are shown in Table 3 below.

表3に示すように、各種のイオン性化合物のうち、パラメータXが0.1未満(X<0.1)のものであれば、当該化合物がLiと接触したときのLiにおける硫黄のバンドギャップエネルギーが小さい値となる。なお、添加剤としてのグラファイト(黒鉛)を正極活物質層に添加すると、Liがグラファイトと接触したときのLiにおける硫黄のバンドギャップエネルギーは1.4[eV]となる。よってここでは、グラファイトよりも添加剤としての効果が高い(すなわち、当該バンドギャップエネルギーが1.4[eV]未満となる)ものを実施例とした。 As shown in Table 3, among various ionic compounds, if the parameter X is less than 0.1 (X<0.1), the band gap energy of sulfur in Li 2 S 8 when the compound comes into contact with Li 2 S 8 is small. When graphite (black lead) is added as an additive to the positive electrode active material layer, the band gap energy of sulfur in Li 2 S 8 when Li 2 S 8 comes into contact with graphite is 1.4 [eV]. Therefore, in this example, a compound having a higher additive effect than graphite (i.e., the band gap energy is less than 1.4 [eV]) is used.

以上のことから、添加剤としてのイオン性化合物のうち、硫黄のバンドギャップエネルギーが1.4[eV]未満となるものとして、パラメータXの範囲を0.1未満(X<0.1)としたのである。硫黄のバンドギャップエネルギーの低減効果に優れるという観点から、パラメータXは、好ましくはX≦0.021を満たし、より好ましくは≦-0.343を満たし、さらに好ましくはX≦-0.996を満たし、特に好ましくはX≦-1.0を満たし、最も好ましくはX≦-1.232を満たす。このようなパラメータXに関する規定を満足する具体的なイオン性化合物について特に制限はなく、上述した算出過程によって算出されたパラメータXの範囲が上記の範囲内の値となるものであれば特に制限なく用いられうる。本形態に係る内部抵抗低減剤の有効成分として用いられうるイオン性化合物の一例を挙げると、好ましくはGaN、SrN、AgO、AlP、NiPおよびTaNからなる群から選択される1種または2種以上であり、より好ましくはNiPおよび/またはTaNであり、特に好ましくはTaNである。これらの好ましい化合物を添加剤として用いると硫黄のバンドギャップエネルギー(E)の値は特に小さい値となり、正極活物質層の内部抵抗を低下させて、二次電池の充放電レート特性を大幅に向上させることが可能となる。 From the above, the range of the parameter X is set to less than 0.1 (X<0.1) as the ionic compound as an additive in which the band gap energy of sulfur is less than 1.4 [eV]. From the viewpoint of excellent effect of reducing the band gap energy of sulfur, the parameter X preferably satisfies X≦0.021, more preferably satisfies ≦-0.343, even more preferably satisfies X≦-0.996, particularly preferably satisfies X≦-1.0, and most preferably satisfies X≦-1.232. There is no particular restriction on the specific ionic compound that satisfies the provision regarding such parameter X, and it can be used without particular restriction as long as the range of the parameter X calculated by the above-mentioned calculation process is within the above range. An example of an ionic compound that can be used as an active ingredient of the internal resistance reducing agent according to this embodiment is preferably one or more selected from the group consisting of GaN, SrN, AgO, AlP, NiP 2 and TaN, more preferably NiP 2 and/or TaN, and particularly preferably TaN. When these preferred compounds are used as additives, the band gap energy (E b ) of sulfur becomes particularly small, thereby reducing the internal resistance of the positive electrode active material layer and significantly improving the charge/discharge rate characteristics of the secondary battery.

上述したように、本形態に係る正極活物質層の内部抵抗低減剤は、硫黄を含む正極活物質を含有する二次電池用正極の正極活物質層に添加されることで、当該正極活物質層の内部抵抗を低減させることができる。その結果、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、充放電レート特性を向上させることができる。ここで、なお、本形態に係る内部抵抗低減剤が硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池の正極活物質層において内部抵抗を低減させる推定メカニズムについては、以下のように推測される。 As described above, the internal resistance reducing agent for the positive electrode active material layer according to this embodiment can be added to the positive electrode active material layer of a secondary battery positive electrode containing a sulfur-containing positive electrode active material to reduce the internal resistance of the positive electrode active material layer. As a result, the charge/discharge rate characteristics can be improved in a secondary battery using a sulfur-containing positive electrode active material. Here, the estimated mechanism by which the internal resistance reducing agent according to this embodiment reduces the internal resistance in the positive electrode active material layer of a secondary battery using a sulfur-containing positive electrode active material is speculated to be as follows.

すなわち、上述した統計解析の結果、硫黄のバンドギャップエネルギーとの相関係数が正負それぞれで大きい物性パラメータとして、上記6種類の物性パラメータが特定されている。これら6種類の物性パラメータが硫黄のバンドギャップエネルギーに及ぼしうる影響について考察すると、まず、相関係数が負の値で絶対値が大きい物性パラメータのうち、イオン性化合物の密度(ρ)については、この値が大きいほどイオン性化合物の単位体積あたりに存在する元素の数が多くなるか、またはより原子量の大きい元素が存在することを意味する。このため、密度(ρ)が大きいイオン性化合物を添加すると、より多くの電子が硫黄と相互作用を起こし、バンドギャップエネルギーを低減させるものと考えられる。イオン性化合物のフェルミエネルギー(Efermi)については、この値が大きいほど硫黄のバンドギャップに対して添加剤の価電子帯のオーバーラップが大きくなる。このため、フェルミエネルギー(Efermi)が大きいイオン性化合物を添加すると、硫黄のバンドギャップに対してより多くの電子が供給され、バンドギャップエネルギーを低減させるものと考えられる。イオン性化合物の結晶角(γ)は結晶格子a-bがなす角を意味し、当該イオン性化合物の結晶歪みの指標となる。ここで、歪みの少ない結晶ほど安定性が高く相互作用を起こしにくい。したがって、結晶角(γ)が大きいイオン性化合物は結晶歪みが大きく硫黄との相互作用を起こしやすいことから、結果としてバンドギャップエネルギーの低減に寄与するものと考えられる。続いて、相関係数が正の値で絶対値が大きい物性パラメータのうち、イオン性化合物の磁化(Mtotal)については、この値が大きいほど不対電子が多く磁気モーメントが互いに揃おうとする傾向が高い(強磁性である)ことを意味する。したがって、イオン性化合物の磁化(Mtotal)が高いほど硫黄への電子の供給がなされにくくなる。このため、磁化(Mtotal)が低いイオン性化合物を添加すると、硫黄のバンドギャップに対してより多くの電子が供給され、バンドギャップエネルギーを低減させるものと考えられる。イオン性化合物の結晶格子bの長さ(L)については、この値が小さいほどイオン性化合物の単位体積あたりに存在する元素の数が多くなることを意味する。このため、結晶格子bの長さ(L)が小さいイオン性化合物を添加すると、より多くの電子が硫黄と相互作用を起こし、バンドギャップエネルギーを低減させるものと考えられる。最後に、イオン性化合物の結晶格子体積(V)についても、この値が小さいほどイオン性化合物の単位体積あたりに存在する元素の数が多くなることを意味する。このため、結晶格子体積(V)が小さいイオン性化合物を添加すると、より多くの電子が硫黄と相互作用を起こし、バンドギャップエネルギーを低減させるものと考えられる。 That is, as a result of the above-mentioned statistical analysis, the above six types of physical parameters have been identified as physical parameters with large positive and negative correlation coefficients with the band gap energy of sulfur. Considering the influence that these six types of physical parameters may have on the band gap energy of sulfur, first, among the physical parameters with a negative correlation coefficient and a large absolute value, the density (ρ) of the ionic compound means that the larger this value is, the more elements exist per unit volume of the ionic compound, or the more elements with larger atomic weights exist. Therefore, it is considered that when an ionic compound with a large density (ρ) is added, more electrons interact with sulfur, thereby reducing the band gap energy. Regarding the Fermi energy (E fermi ) of the ionic compound, the larger this value is, the greater the overlap of the valence band of the additive with respect to the band gap of sulfur. Therefore, it is considered that when an ionic compound with a large Fermi energy (E fermi ) is added, more electrons are supplied to the band gap of sulfur, thereby reducing the band gap energy. The crystal angle (γ) of an ionic compound means the angle between the crystal lattice a-b, and is an index of the crystal distortion of the ionic compound. Here, the less the distortion, the more stable the crystal is and the less likely it is to cause an interaction. Therefore, an ionic compound with a large crystal angle (γ) has a large crystal distortion and is more likely to cause an interaction with sulfur, and as a result, it is considered to contribute to the reduction of the band gap energy. Next, among the physical parameters with a positive correlation coefficient and a large absolute value, the magnetization (M total ) of an ionic compound means that the larger this value is, the more unpaired electrons there are and the higher the tendency for the magnetic moments to align with each other (ferromagnetic). Therefore, the higher the magnetization (M total ) of an ionic compound, the more difficult it is to supply electrons to sulfur. For this reason, when an ionic compound with a low magnetization ( M total ) is added, it is considered that more electrons are supplied to the band gap of sulfur, thereby reducing the band gap energy. As for the length (L b ) of the crystal lattice b of an ionic compound, the smaller this value is, the more elements exist per unit volume of the ionic compound. Therefore, it is believed that when an ionic compound with a small crystal lattice b length (L b ) is added, more electrons interact with sulfur, reducing the band gap energy. Finally, the smaller the crystal lattice volume (V) of the ionic compound, the more elements there are in the unit volume of the ionic compound. Therefore, it is believed that when an ionic compound with a small crystal lattice volume (V) is added, more electrons interact with sulfur, reducing the band gap energy.

本形態に係る二次電池用正極材料において、上述した内部抵抗低減剤の含有量は特に制限されないが、正極材料100質量%に対して、好ましくは2質量%以下であり、より好ましくは1質量%以下である。このような構成とすることで、正極材料に含まれる正極活物質の含有量が必要以上に少なくなり過ぎることが防止され、電池のエネルギー密度の向上に有効に寄与しうる。また、正極活物質層における各成分の配合バランスが適切なものとなり、電子伝導およびイオン伝導の経路がそれぞれ十分に確保されうる。なお、内部抵抗低減剤の含有量の下限値について特に制限はないが、内部抵抗低減剤としての機能を発現させるという観点からは、好ましくは0.1質量%以上であり、より好ましくは0.3質量%以上であり、特に好ましくは0.5質量%以上である。また、本形態に係る二次電池用正極材料が導電材料を硫化物固体電解質とともに含む場合において、内部抵抗低減剤と導電材料との質量比率は特に制限されない。ただし、硫黄への電子伝導パスを十分に確保するという観点から、内部抵抗低減剤の質量に対する導電材料の質量の比率(導電材料/内部抵抗低減剤)は、好ましくは8以上であり、より好ましくは10以上であり、さらに好ましくは13以上であり、特に好ましくは17以上である。なお、この値の上限値について特に制限はないが、一例としては200以下であり、好ましくは150以下であり、より好ましくは100以下であり、特に好ましくは50以下である。 In the positive electrode material for secondary batteries according to this embodiment, the content of the internal resistance reducing agent is not particularly limited, but is preferably 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, relative to 100% by mass of the positive electrode material. By configuring in this manner, the content of the positive electrode active material contained in the positive electrode material is prevented from becoming too small more than necessary, which can effectively contribute to improving the energy density of the battery. In addition, the blending balance of each component in the positive electrode active material layer is appropriate, and the paths of electronic conduction and ion conduction can be sufficiently secured. There is no particular limit on the lower limit of the content of the internal resistance reducing agent, but from the viewpoint of expressing the function as an internal resistance reducing agent, it is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% by mass or more, and particularly preferably 0.5% by mass or more. In addition, when the positive electrode material for secondary batteries according to this embodiment contains a conductive material together with a sulfide solid electrolyte, the mass ratio of the internal resistance reducing agent to the conductive material is not particularly limited. However, from the viewpoint of ensuring a sufficient electron conduction path to the sulfur, the ratio of the mass of the conductive material to the mass of the internal resistance reducing agent (conductive material/internal resistance reducing agent) is preferably 8 or more, more preferably 10 or more, even more preferably 13 or more, and particularly preferably 17 or more. There is no particular upper limit to this value, but as an example, it is 200 or less, preferably 150 or less, more preferably 100 or less, and particularly preferably 50 or less.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive and negative current collector plates]
The material constituting the current collector plate (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a secondary battery can be used. As the material constituting the current collector plate, for example, a metal material such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof is preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25, or different materials may be used.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11’、11”)と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive and negative electrode leads]
Although not shown in the figures, the current collectors (11', 11") and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via positive and negative electrode leads. As the constituent materials of the positive and negative electrode leads, materials used in known lithium ion secondary batteries may be similarly adopted. Note that the portion removed from the exterior is preferably covered with a heat-resistant insulating heat-shrink tube or the like so as to prevent contact with peripheral devices or wiring, causing electric leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices, etc.).

[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum, which can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is preferable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, since the group pressure applied to the power generating element from the outside can be easily adjusted, a laminate film containing aluminum is more preferable as the exterior body.

本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to the present embodiment has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, and thus has high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to the present embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.

以上、リチウムイオン二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of a lithium-ion secondary battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and can be modified as appropriate based on the claims.

例えば、本発明に係るリチウムイオン二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the type of battery to which the lithium ion secondary battery of the present invention can be applied includes a bipolar battery that includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.

また、本形態に係る二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 The secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state type. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). There is no particular limit to the amount of liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be contained in the solid electrolyte layer, but it is preferable that the amount is such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and leakage of the liquid electrolyte (electrolytic solution) does not occur.

用いられうる液体電解質(電解液)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 The liquid electrolyte (electrolyte) that can be used has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents that can be used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and γ-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).

リチウム塩としては、Li(FSON(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSON(LiFSI)である。 Examples of the lithium salt include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI ), Li ( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Among these , the lithium salt is preferably Li( FSO2 ) 2N (LiFSI) from the viewpoints of battery output and charge/discharge cycle characteristics.

液体電解質(電解液)は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The liquid electrolyte (electrolyte) may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate. Examples of the additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. The amount of additive used in the electrolyte can be adjusted as appropriate.

[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery pack]
A battery pack is a device that consists of multiple batteries connected together. More specifically, it is a device that uses at least two batteries and is configured in series or parallel or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.

電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A small, removable battery pack can be formed by connecting multiple batteries in series or in parallel. Then, multiple such small, removable battery packs can be further connected in series or in parallel to form a large-capacity, high-output battery pack (battery module, battery pack, etc.) suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. How many batteries are connected to form a battery pack, and how many stages of small battery packs are stacked to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it is to be installed.

[車両]
電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
The battery or a battery pack formed by combining a plurality of batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, a battery with excellent long-term reliability and long life can be configured, so that by mounting such a battery, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving distance or an electric vehicle with a long driving distance per charge can be configured. For example, if the battery or a battery pack formed by combining a plurality of batteries is used in a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles, etc.), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles), it becomes a vehicle with a long life and high reliability. However, the use is not limited to automobiles, and it can be applied to various power sources of other vehicles, for example, mobile bodies such as trains, and can also be used as a mounted power source for an uninterruptible power supply device, etc.

10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム。
10a stacked battery,
11' negative electrode current collector,
11" positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
25 negative electrode current collector,
27 positive electrode current collector,
29 Laminating film.

Claims (10)

硫黄単体を含む正極活物質を含有する二次電池用正極の正極活物質層に添加されて前記正極活物質層の内部抵抗を低減させるのに用いられ、1種以上のカチオンと1種以上のアニオンとからなるイオン性化合物を有効成分として含有し、前記化合物についての下記数式1で表されるパラメータXがX<0.1を満足し、Liが前記化合物と接触したときの前記Liにおける硫黄のバンドギャップエネルギーが1.4[eV]未満となる、正極活物質層の内部抵抗低減剤(ただし、前記イオン性化合物がTaNであるものを除く)
式中、ρは前記化合物の密度[g/cm]を表し、Efermiは前記化合物のフェルミエネルギー[eV]を表し、γは前記化合物の結晶角[°]を表し、Mtotalは前記化合物の磁化[A/m]を表し、Lは前記化合物の結晶格子bの長さ[Å]を表し、Vは前記化合物の結晶格子体積[Å]を表す。
An internal resistance reducer for a positive electrode active material layer, which is added to a positive electrode active material layer of a secondary battery positive electrode containing a positive electrode active material containing elemental sulfur to reduce the internal resistance of the positive electrode active material layer, the agent containing an ionic compound consisting of one or more types of cations and one or more types of anions as an active ingredient, the parameter X represented by the following mathematical formula 1 for the compound satisfying X< 0.1 , and the band gap energy of sulfur in the Li2S8 when the Li2S8 comes into contact with the compound being less than 1.4 [eV] (excluding those in which the ionic compound is TaN) :
In the formula, ρ represents the density [g/cm 3 ] of the compound, E fermi represents the Fermi energy [eV] of the compound, γ represents the crystal angle [°] of the compound, M total represents the magnetization [A/m] of the compound, L b represents the length [Å] of the crystal lattice b of the compound, and V represents the crystal lattice volume [Å 3 ] of the compound.
前記XがX≦0.021を満たす、請求項1に記載の内部抵抗低減剤。 The internal resistance reducing agent according to claim 1, wherein X satisfies X≦0.021. 前記XがX≦-0.343を満たす、請求項2に記載の内部抵抗低減剤。 The internal resistance reducing agent according to claim 2, wherein X satisfies X≦-0.343. 前記XがX≦-0.996を満たす、請求項3に記載の内部抵抗低減剤。 The internal resistance reducing agent according to claim 3, wherein X satisfies X≦-0.996. 前記XがX≦-1.232を満たす、請求項4に記載の内部抵抗低減剤。 The internal resistance reducing agent according to claim 4, wherein X satisfies X≦-1.232. 前記有効成分が、GaN、SrN、AgO、AlPおよびNiP らなる群から選択される1種または2種以上のイオン性化合物を含む、請求項1に記載の内部抵抗低減剤。 2. The internal resistance reducing agent according to claim 1, wherein the active ingredient comprises one or more ionic compounds selected from the group consisting of GaN, SrN, AgO, AlP , and NiP2 . 前記有効成分が、NiP 含む、請求項1に記載の内部抵抗低減剤。 The internal resistance reducing agent according to claim 1 , wherein the active ingredient comprises NiP2 . 硫黄単体を含む正極活物質と、導電材料と、硫化物固体電解質と、請求項1~のいずれか1項に記載の内部抵抗低減剤と、を含む、二次電池用正極材料。 A positive electrode material for a secondary battery, comprising: a positive electrode active material containing elemental sulfur; a conductive material; a sulfide solid electrolyte; and the internal resistance reducing agent according to any one of claims 1 to 7 . 前記導電材料が細孔を有し、前記正極活物質および前記内部抵抗低減剤が前記細孔の内部に配置されている、請求項に記載の二次電池用正極材料。 9. The positive electrode material for a secondary battery according to claim 8 , wherein the conductive material has pores, and the positive electrode active material and the internal resistance reducing agent are disposed inside the pores. 前記内部抵抗低減剤の含有量が、正極材料100質量%に対して2質量%以下である、請求項またはに記載の二次電池用正極材料。 10. The positive electrode material for a secondary battery according to claim 8 , wherein the content of the internal resistance reducing agent is 2 mass% or less with respect to 100 mass% of the positive electrode material.
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