JP2008103292A - All-solid battery for household electric appliance - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、家電用全固体電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery for home appliances.
電池は、携帯可能な電子機器の主電源として重要であり、特に、ボタン電池やガム型電池は、小さくまたは薄いため、軽薄短小の電子機器にとって有用である。このような小型の電池は、一般に、電子機器内に設けられた電池ケースに装填されるが、軽くて薄い電池が要望されている。
このような用途に使用される電池として、高性能リチウム電池等二次電池の需要が増加しており、安全性が高く、高性能な二次電池の開発が望まれている。
リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。無機固体電解質は、その性質上一般に不燃又は難燃で、通常使用される有機溶媒電解質と比較し安全性の高い材料である。そのため、該電解質を用いた高い安全性を備えた全固体リチウム電池の開発が望まれている。
Batteries are important as a main power source for portable electronic devices. In particular, button batteries and gum-type batteries are small or thin, and thus are useful for light, thin and small electronic devices. Such a small battery is generally loaded in a battery case provided in an electronic device, and a light and thin battery is desired.
As batteries used for such applications, demand for secondary batteries such as high performance lithium batteries is increasing, and development of secondary batteries with high safety and high performance is desired.
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte. Inorganic solid electrolytes are generally nonflammable or flame retardant in nature and are safer materials than commonly used organic solvent electrolytes. Therefore, development of an all-solid lithium battery with high safety using the electrolyte is desired.
全固体リチウム電池において、従来は、シート状や薄膜状等の固体電解質層の成形体を形成するためにはバインダーが用いられている。しかしながら、成形体を得るため、固体電解質層にバインダーを混入させると、イオン伝導パスが切断され固体電解質層のイオン伝導性が低下する問題がある。
このように、全固体リチウム電池を構成する部材として、固体電解質のみからなる電解質層が検討されているが、固体電解質だけからなる単一層の薄膜は形成が困難である。また、電池を作動させた場合、電解質中のリチウムイオン伝導性は電解質層の厚みに依存し、電解質層が薄いほど、リチウムイオン伝導度が高まるため、固体電解質層の薄膜化が望まれている。
In an all-solid-state lithium battery, conventionally, a binder is used to form a molded body of a solid electrolyte layer such as a sheet or a thin film. However, when a binder is mixed in the solid electrolyte layer in order to obtain a molded body, there is a problem that the ion conduction path is cut and the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is lowered.
As described above, an electrolyte layer made of only a solid electrolyte has been studied as a member constituting an all-solid lithium battery, but it is difficult to form a single-layer thin film made of only a solid electrolyte. In addition, when the battery is operated, the lithium ion conductivity in the electrolyte depends on the thickness of the electrolyte layer, and the thinner the electrolyte layer, the higher the lithium ion conductivity. Therefore, it is desired to reduce the thickness of the solid electrolyte layer. .
特に、硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が他の無機化合物より高いことが知られており、特許文献1等に記載の無機固体電解質を使用できる。具体的には、Li2SとSiS2、GeS2、P2S5、B2S3の組合せから成る無機固体電解質に、適宜、Li3PO4やハロゲン、ハロゲン化合物を添加した無機固体電解質を用いることができる。
In particular, sulfide-based inorganic solid electrolytes are known to have higher ionic conductivity than other inorganic compounds, and the inorganic solid electrolytes described in
本発明は、上記状況に鑑み、液絡がなく、耐熱性、安全性の高い、繰り返しの充放電に対して電池特性を維持することができ、かつ、高出力の得られるイオン伝導性の高い家電用全固体電池を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention has no liquid junction, has high heat resistance, high safety, can maintain battery characteristics against repeated charge and discharge, and has high ion conductivity with high output. It aims at providing the all-solid-state battery for household appliances.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、特定の材質で構成される固体電解質層を用いることで上記課題を解決し得ることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成されたものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problem can be solved by using a solid electrolyte layer made of a specific material. The present invention has been completed based on such findings.
すなわち、本発明は、
[1]正極と負極の間に固体電解質層を介在させてなる全固体電池素子を複数個接続して構成した全固体電池であって、作動電位が30V以下である家電用全固体電池、
[2]前記固体電解質がリチウム元素、リン元素及び硫黄元素を含有し、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有するリチウムイオン伝導性硫化物系結晶化ガラスである上記[1]に記載の家電用全固体電池、
[3]前記固体電解質がリチウム元素、リン元素及び硫黄元素を含有し、該固体電解質の固体31P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有し、前記固体電解質に占める前記結晶の比率が60〜100mol%である上記[1]に記載の家電用全固体電池、
[4]外装材で被覆され、該外装材が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる外装体をさらに吸着剤及び/又はアルカリ性物質含有材料で被覆したものである上記[1]〜[3]のいずれかに記載の家電用全固体電池、
[5]外装材で被覆され、該外装材が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなり、かつ該外装材が吸着材及び/又はアルカリ性物質を含有する上記[1]〜[3]のいずれかに記載の家電用全固体電池、及び
[6]前記正極及び負極の固体電解質層と対峙しない側に複数の貫通孔を有する支持板をそれぞれ備え、各支持板の対応する貫通孔を介して支持板が連結・緊締されることによって全固体電池素子に1.5〜200MPaの圧力が印加されることを特徴とする上記[1]〜[5]のいずれかに記載の家電用全固体電池、
を提供するものである。
That is, the present invention
[1] An all-solid battery in which a plurality of all-solid battery elements each having a solid electrolyte layer interposed between a positive electrode and a negative electrode are connected, and has an operating potential of 30 V or less,
[2] The solid electrolyte contains a lithium element, a phosphorus element, and a sulfur element. In X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å), 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg. 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg. The all-solid-state battery for home appliances according to the above [1], which is a lithium ion conductive sulfide-based crystallized glass having a peak,
[3] The solid electrolyte contains lithium element, phosphorus element and sulfur element, and the solid 31 P-NMR spectrum of the solid electrolyte is at positions of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm. The all-solid-state battery for household appliances as described in said [1] which has a peak resulting from a crystal | crystallization and the ratio of the said crystal | crystallization occupied to the said solid electrolyte is 60-100 mol%,
[4] The above [1] to [3], which are coated with an exterior material, and the exterior material is further coated with an adsorbent and / or an alkaline substance-containing material on an exterior body made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin. All-solid-state battery for home appliances according to any one of
[5] Any of the above [1] to [3], which is covered with an exterior material, the exterior material is made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin, and the exterior material contains an adsorbent and / or an alkaline substance. All-solid-state batteries for home appliances according to [6], and [6] a support plate having a plurality of through holes on the side not facing the solid electrolyte layer of the positive electrode and the negative electrode, respectively, and supported through corresponding through holes of each support plate The all-solid-state battery for home appliances according to any one of the above [1] to [5], wherein a pressure of 1.5 to 200 MPa is applied to the all-solid-state battery element by connecting and tightening the plates;
Is to provide.
本発明によれば、液絡がなく、耐熱性、安全性の高い、繰り返しの充放電に対して電池特性を維持することができ、かつ、高出力の得られるイオン伝導性の高い家電用全固体電池を提供することができる。 According to the present invention, there is no liquid junction, heat resistance, high safety, battery characteristics can be maintained for repeated charging and discharging, and high output can be obtained. A solid state battery can be provided.
本発明の全固体電池は、正極と負極の間に固体電解質層を介在させてなる全固体電池素子を複数個接続して構成した全固体電池であって、作動電位が30V以下である家電用全固体電池である。
ここで、用いる固体電解質として、リチウム元素、リン元素及び硫黄元素を含有し、X線回折ピークが特定のパターンを有するリチウムイオン伝導性硫化物系結晶化ガラスを使用することを特徴とする(以下「固体電解質A」ということがある。)。
The all solid state battery of the present invention is an all solid state battery constructed by connecting a plurality of all solid state battery elements having a solid electrolyte layer interposed between a positive electrode and a negative electrode, and has an operating potential of 30 V or less. It is an all-solid-state battery.
Here, as the solid electrolyte to be used, a lithium ion conductive sulfide-based crystallized glass containing a lithium element, a phosphorus element, and a sulfur element and having an X-ray diffraction peak having a specific pattern is used (hereinafter referred to as “the solid electrolyte”). Sometimes referred to as “solid electrolyte A”).
該リチウムイオン伝導性硫化物系結晶化ガラスは、構成成分として、リチウム、リン及び硫黄元素を含有し、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有する。
上記の8領域において、回折ピークを有する結晶構造は、過去において観測されておらず、この硫化物系結晶化ガラスが新規な結晶構造を有していることを示している。このような結晶構造を有する硫化物系結晶化ガラスは、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。
The lithium ion conductive sulfide-based crystallized glass contains lithium, phosphorus and sulfur elements as constituent components, and in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Cu), 2θ = 17.8 ± 0.3 deg. , 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30 It has a diffraction peak at 0.0 ± 0.3 deg.
In the above eight regions, a crystal structure having a diffraction peak has not been observed in the past, indicating that this sulfide-based crystallized glass has a novel crystal structure. A sulfide-based crystallized glass having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.
この結晶構造は、Li2S:68〜74モル%及びP2S5:26〜32モル%の組成からなる硫化物系ガラスを、150〜360℃で焼成処理することで発現することができる。 This crystal structure can be manifested by firing a sulfide-based glass having a composition of Li 2 S: 68 to 74 mol% and P 2 S 5 : 26 to 32 mol% at 150 to 360 ° C. .
出発原料のLi2Sとしては、例えば、非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを反応させて得たLi2Sを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄して精製したものが使用できる。
具体的には、特開平7−330312号公報に開示された製造方法で、Li2Sを製造することが好ましく、このLi2Sを特願2003−363403号の記載の方法で精製したものが好ましい。
As the starting material Li 2 S, for example, Li 2 S obtained by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aprotic organic solvent is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent. A purified product can be used.
Specifically, Li 2 S is preferably produced by the production method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-330312, and this Li 2 S is purified by the method described in Japanese Patent Application No. 2003-363403. preferable.
このLi2Sの製造方法は、簡易な手段によって高純度の硫化リチウムを得ることができるため、硫化物系結晶化ガラスの原料コストを削減できる。また、上記の精製方法は、簡便な処理により、Li2Sに含まれる不純物である硫黄酸化物やN−メチルアミノ酪酸リチウム(以下、LMABという)等を除去できるため、経済的に有利であるとともに、得られた高純度の硫化リチウムを用いたリチウム二次電池用固体電解質は、純度に起因する性能低下が抑えられ、その結果、優れたリチウム二次電池(固体電池)を得ることができる。
尚、Li2Sに含まれる硫黄酸化物の総量は、0.15質量%以下であることが好ましく、LMABは、0.1質量%以下であることが好ましい。
Since this Li 2 S production method can obtain high-purity lithium sulfide by a simple means, the raw material cost of sulfide-based crystallized glass can be reduced. In addition, the above purification method is economically advantageous because it can remove sulfur oxide, lithium N-methylaminobutyrate (hereinafter referred to as LMAB), and the like, which are impurities contained in Li 2 S, by a simple treatment. At the same time, the obtained solid electrolyte for a lithium secondary battery using high-purity lithium sulfide can suppress a decrease in performance due to purity, and as a result, an excellent lithium secondary battery (solid battery) can be obtained. .
Incidentally, the total amount of sulfur oxides contained in the Li 2 S, preferably 0.15 mass% or less, LMAB is preferably not more than 0.1 mass%.
P2S5は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。
また、P2S5に代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。これにより、入手が容易で、かつ安価な材料から本発明の硫化物系結晶化ガラスを製造することができる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。
P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold.
Further, instead of P 2 S 5 , simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) in a corresponding molar ratio can be used. As a result, the sulfide-based crystallized glass of the present invention can be produced from an easily available and inexpensive material. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.
本発明の硫化物系結晶化ガラスの組成は、Li2S:68〜74モル%及びP2S5:32〜26モル%とする。この配合比の範囲を外れると、本発明特有の結晶構造が発現せず、イオン伝導度が小さくなり、固体電解質として十分な性能を発揮しない。特にLi2Sの配合量を、68〜73モル%とし、P2S5の配合量を、32〜27モル%とすることが好ましい。 The composition of the sulfide-based crystallized glass of the present invention is Li 2 S: 68 to 74 mol% and P 2 S 5 : 32 to 26 mol%. If the blending ratio is out of the range, the crystal structure peculiar to the present invention is not exhibited, the ionic conductivity is decreased, and the performance as a solid electrolyte is not exhibited. In particular, the blending amount of Li 2 S is preferably 68 to 73 mol%, and the blending amount of P 2 S 5 is preferably 32 to 27 mol%.
尚、本発明の結晶化ガラスが有する結晶構造を発現できる範囲において、上記P2S5、Li2Sの他に出発原料として、Al2S3、B2S3、GeS2及びSiS2からなる群より選ばれる少なくとも1種の硫化物を含ませることができる。かかる硫化物を加えると、硫化物系ガラスを形成する際に、より安定なガラスを生成させることができる。
同様に、Li2S及びP2S5に加え、Li3PO4、Li4SiO4、Li4GeO4、Li3BO3及びLi3AlO3からなる群より選ばれる少なくとも1種のオルトオキソ酸リチウムを含ませることができる。かかるオルトオキソ酸リチウムを含ませると、結晶化ガラス中のガラスを安定化させることができる。
さらに、Li2S及びP2S5に加え、上述した硫化物を少なくとも一種類以上含ませ、さらに、上述したオルトオキソ酸リチウムを少なくとも一種類以上含ませることができる。
In addition, as long as the crystal structure of the crystallized glass of the present invention can be expressed, the starting materials other than P 2 S 5 and Li 2 S are Al 2 S 3 , B 2 S 3 , GeS 2 and SiS 2. At least one sulfide selected from the group consisting of: When such a sulfide is added, a more stable glass can be produced when a sulfide-based glass is formed.
Similarly, at least one orthooxo acid selected from the group consisting of Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3 and Li 3 AlO 3 in addition to Li 2 S and P 2 S 5. Lithium can be included. When such lithium orthooxo acid is included, the glass in the crystallized glass can be stabilized.
Furthermore, in addition to Li 2 S and P 2 S 5 , at least one kind of the above-described sulfide can be included, and further, at least one kind of the above-described lithium orthooxo acid can be included.
上記出発原料の混合物を硫化物系ガラスとする方法としては、例えば、メカニカルミリング処理(以下、MM処理と示すことがある。)又は溶融急冷法がある。
MM処理を用いて硫化物系ガラスを形成すると、ガラス生成域を拡大することができるため好ましい。また、溶融急冷法で行なう加熱処理が不要となり、室温で行えるので、製造工程の簡略化も可能となる。
Examples of the method of using the mixture of the starting materials as the sulfide glass include a mechanical milling process (hereinafter sometimes referred to as MM process) or a melt quenching method.
It is preferable to form a sulfide-based glass using the MM treatment because the glass generation region can be expanded. Further, since the heat treatment performed by the melt quenching method is not necessary and can be performed at room temperature, the manufacturing process can be simplified.
溶融急冷法やMM処理により硫化物系ガラスを形成する際、窒素等の不活性ガスの雰囲気を用いるのが好ましい。水蒸気や酸素等は、出発物質と反応し易いからである。
MM処理では、ボールミルを使用するのが好ましい。大きな機械的エネルギーが得られるからである。
ボールミルとしては、遊星型ボールミル機を使用するのが好ましい。遊星型ボールミルでは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転するので、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
When forming the sulfide-based glass by the melt quenching method or the MM treatment, it is preferable to use an atmosphere of an inert gas such as nitrogen. This is because water vapor, oxygen and the like easily react with the starting material.
In the MM treatment, it is preferable to use a ball mill. This is because large mechanical energy can be obtained.
As the ball mill, it is preferable to use a planetary ball mill. In the planetary ball mill, since the base plate revolves while the pot rotates, very high impact energy can be generated efficiently.
MM処理の条件は、使用する機器等により適宜調整すればよいが、回転速度が速いほど、硫化物系ガラスの生成速度は速くなり、回転時間が長いほど硫化物系ガラスヘの原料の転化率は高くなる。例えば、一般的な遊星型ボールミル機を使用した場合は、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。 The conditions for the MM treatment may be adjusted as appropriate depending on the equipment to be used. However, the faster the rotation speed, the faster the generation rate of the sulfide-based glass, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material to the sulfide-based glass. Get higher. For example, when a general planetary ball mill is used, the rotation speed may be several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
得られた硫化物系ガラスを焼成処理し結晶化させて、本発明のリチウムイオン伝導性硫化物系結晶化ガラスとする。このときの焼成温度は150℃〜360℃とする。150℃未満では、硫化物系ガラスのガラス転移点以下の温度であるため結晶化が進行しない。一方、360℃を超えると、上述した本発明特有の結晶構造を有する結晶ガラスが生成せず、上記特許文献1に記載された結晶構造に変化してしまう。焼成温度は200℃〜350℃の範囲が特に好ましい。焼成時間は、結晶が生成する条件であれば特に限定はなく、瞬時であっても長時間であっても構わない。また、焼成温度までの昇温パターンについても特に限定はない。
The obtained sulfide glass is fired and crystallized to obtain the lithium ion conductive sulfide crystallized glass of the present invention. The baking temperature at this time shall be 150 to 360 degreeC. Below 150 ° C., crystallization does not proceed because the temperature is below the glass transition point of the sulfide-based glass. On the other hand, when it exceeds 360 ° C., the above-described crystal glass having a crystal structure unique to the present invention is not generated, and the crystal structure described in
本発明の硫化物系結晶化ガラスは、少なくとも5V以上の分解電圧を持ち、不燃性の無機固体、リチウムイオン輸率が1であるという特性を保持しつつ、室温において10-3S/cm台という、今までにない極めて高いリチウムイオン伝導性を示す。従って、リチウム電池の固体電解質用の材料として、極めて適している。
また、上記の特性を有する本発明の固体電解質(固体電解質A)を使用した全固体電池は、エネルギー密度が高く、安全性及び充放電サイクル特性が優れている。
The sulfide-based crystallized glass of the present invention has a decomposition voltage of at least 5 V or more, a nonflammable inorganic solid, and a lithium ion transport number of 1 while maintaining a property of 10 −3 S / cm level at room temperature. It exhibits an extremely high lithium ion conductivity that has never been seen before. Therefore, it is extremely suitable as a material for a solid electrolyte of a lithium battery.
Moreover, the all-solid-state battery using the solid electrolyte (solid electrolyte A) of the present invention having the above characteristics has high energy density, and is excellent in safety and charge / discharge cycle characteristics.
また、本発明で好適に用い得る固体電解質として、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含有する固体電解質であって、下記(1)及び(2)の条件を満たすものも挙げることができる(以下「固体電解質B」ということがある。)。
(1)固体電解質の固体31P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmに、結晶に起因するピークを有する。
(2)固体電解質に占める(1)のピークを生じる結晶の比率(Xc)が60mol%〜100mol%である。
Further, as a solid electrolyte that can be suitably used in the present invention, a solid electrolyte containing a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element, and a sulfur (S) element, the following conditions (1) and (2) are satisfied. A material that satisfies this condition can also be mentioned (hereinafter sometimes referred to as “solid electrolyte B”).
(1) The solid 31 P-NMR spectrum of the solid electrolyte has peaks due to crystals at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm.
(2) The ratio (Xc) of crystals that give rise to the peak of (1) in the solid electrolyte is 60 mol% to 100 mol%.
条件(1)の2つのピークは、高イオン伝導性結晶成分が固体電解質に存在する場合に観測されるものである。具体的には、結晶中のP2S7 4-とPS4 3-に起因するピークである。 The two peaks of condition (1) are observed when a high ion conductive crystal component is present in the solid electrolyte. Specifically, a peak due to P 2 S 7 4- and PS 4 3- in the crystal.
条件(2)は、固体電解質中に占める上記結晶の比率Xcを規定するものである。
固体電解質中において高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上、具体的には60mol%以上存在すると、リチウムイオンが高イオン伝導性の結晶を主に移動するようになる。従って、固体電解質中の非結晶部分(ガラス部分)や、高イオン伝導性を示さない結晶格子(例えば、P2S6 4-)を移動する場合に比べて、リチウムイオン伝導度が向上する。比率Xcは65mol%〜100mol%であることが好ましい。
上記結晶の比率Xcは、原料である硫化物ガラスの熱処理時間及び温度を調整することにより制御できる。
尚、固体31P−NMRスペクトルの測定は、例えば、日本電子株式会社製のJNM−CMXP302NMR装置を使用して、観測核を31P、観測周波数を121.339MHz、測定温度を室温、測定法をMAS法として行なう。
Condition (2) defines the ratio Xc of the crystal in the solid electrolyte.
When a high ion conductive crystal component is present in a predetermined amount or more, specifically 60 mol% or more in the solid electrolyte, lithium ions move mainly through the high ion conductive crystal. Therefore, the non-crystalline portion in the solid electrolyte (glass portion) and a crystal lattice that does not exhibit high ionic conductivity (e.g., P 2 S 6 4-) than when moving, thereby improving lithium ion conductivity. The ratio Xc is preferably 65 mol% to 100 mol%.
The crystal ratio Xc can be controlled by adjusting the heat treatment time and temperature of the sulfide glass as a raw material.
The solid 31 P-NMR spectrum can be measured, for example, using a JNM-CMXP302 NMR apparatus manufactured by JEOL Ltd., with an observation nucleus of 31 P, an observation frequency of 121.339 MHz, a measurement temperature of room temperature, and a measurement method. Performed as MAS method.
比率Xcの測定方法は、固体31P−NMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出する。詳細は特願2005−356889を参照すればよい。 The method for measuring the ratio Xc is to calculate a resonance line observed at 70 to 120 ppm into a Gaussian curve using a nonlinear least square method and calculate from the area ratio of each curve for the solid 31 P-NMR spectrum. For details, refer to Japanese Patent Application No. 2005-356889.
本発明の固体電解質では、固体7LiNMR法で測定される室温(25℃)におけるスピン−格子緩和時間T1Liが400ms以下であることが好ましい。緩和時間T1Liは、ガラス状態又は結晶状態とガラス状態を含む固体電解質内における分子運動性の指標
となり、T1Liが短いと分子運動性が高くなる。従って、放電時におけるリチウムイオンの拡散がしやすいため、イオン伝導度が高くなる。本発明においては、上述したように、高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上含むため、T1Liを400ms以下にできる。T1Liは、好ましくは350ms以下である。
In the solid electrolyte of the present invention, the spin-lattice relaxation time T 1Li at room temperature (25 ° C.) measured by a solid-state 7 LiNMR method is preferably 400 ms or less. Relaxation time T 1Li becomes a molecular mobility of indicators in the solid electrolyte in comprising a glass state or a crystalline state and a glass state, molecular mobility is high and T 1Li short. Accordingly, since lithium ions are easily diffused during discharge, ion conductivity is increased. In the present invention, as described above, since a high ion conductive crystal component is contained in a predetermined amount or more, T 1Li can be 400 ms or less. T 1Li is preferably 350 ms or less.
本発明の固体電解質は、例えば、リチウム(Li)、リン(P)及び硫黄(S)の各元素を含有する硫化物ガラスを、190℃以上220℃以下の温度で3〜240時間熱処理、又は220℃より高く340℃以下の温度で、0.1〜240時間熱処理することにより作製できる。
硫化物ガラスの原料としては、固体電解質Aと同様に、例えば、Li2S及びP2S5が使用できる。
The solid electrolyte of the present invention is, for example, a heat treatment of sulfide glass containing each element of lithium (Li), phosphorus (P) and sulfur (S) at a temperature of 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower for 3 to 240 hours, or It can be produced by heat treatment at a temperature higher than 220 ° C. and not higher than 340 ° C. for 0.1 to 240 hours.
As the raw material for sulfide glass, for example, Li 2 S and P 2 S 5 can be used as in the case of the solid electrolyte A.
Li2Sは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。例えば、非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを反応させて得たLi2Sを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄して精製したものが好ましく使用できる。
具体的には、特開平7−330312号公報に開示された製造方法で、Li2Sを製造することが好ましく、このLi2Sを国際公開WO2005/40039号の記載の方法で精製したものが好ましい。
As Li 2 S, those commercially available without particular limitation can be used, but those having high purity are preferred. For example, the Li 2 S obtained by reacting lithium hydroxide with hydrogen sulfide in an aprotic organic solvent, an organic solvent, those purified by washing with 100 ° C. or higher temperature can be preferably used.
Specifically, in the manufacturing method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312, it is preferable to produce Li 2 S, it is obtained by purification of the Li 2 S by the method described in International Publication WO2005 / No. 40039 preferable.
このLi2Sの製造方法は、簡易な手段によって高純度の硫化リチウムを得ることができるため、硫化物ガラスの原料コストを削減できる。また、上記の精製方法は、簡便な処理により、Li2Sに含まれる不純物である硫黄酸化物やN−メチルアミノ酪酸リチウム(以下、LMABという)等を除去できるため、経済的に有利である。
尚、Li2Sに含まれる硫黄酸化物の総量は、0.15質量%以下であることが好ましく、LMABは、0.1質量%以下であることが好ましい。
Since this Li 2 S manufacturing method can obtain high-purity lithium sulfide by simple means, the raw material cost of sulfide glass can be reduced. In addition, the above purification method is economically advantageous because it can remove sulfur oxide, lithium N-methylaminobutyrate (hereinafter referred to as LMAB), and the like, which are impurities contained in Li 2 S, by a simple treatment. .
Incidentally, the total amount of sulfur oxides contained in the Li 2 S, preferably 0.15 mass% or less, LMAB is preferably not more than 0.1 mass%.
P2S5は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、P2S5に代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.
上記原料の混合比は、特に限定はなく適宜調整すればよいが、好ましくは、Li2S:P2S5=7:3(モル比)程度である。 The mixing ratio of the raw materials is not particularly limited and may be appropriately adjusted, but is preferably about Li 2 S: P 2 S 5 = 7: 3 (molar ratio).
硫化物ガラスの作製方法としては、例えば、溶融急冷法やメカニカルミリング法(以下、MM法と示すことがある。)がある。
具体的には、溶融急冷法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物ガラスが得られる。
この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
Examples of the method for producing the sulfide glass include a melt quenching method and a mechanical milling method (hereinafter sometimes referred to as MM method).
Specifically, in the case of the melt quenching method, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S mixed in a mortar is put into a carbon-coated quartz tube and vacuum sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass is put into ice and quenched to obtain a sulfide glass.
The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours.
また、MM法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて所定時間反応させることにより、硫化物ガラスが得られる。
尚、MM法ではボールミルを使用するのが好ましい。具体的には、遊星型ボールミル機を使用するのが好ましい。遊星型ボールミルでは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転するので、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十
〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
以上、溶融急冷法及びMM法による硫化物ガラスの具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
In the case of the MM method, sulfide glass is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting them for a predetermined time by a mechanical milling method.
In the MM method, it is preferable to use a ball mill. Specifically, it is preferable to use a planetary ball mill. In the planetary ball mill, since the base plate revolves while the pot rotates, very high impact energy can be generated efficiently.
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Although specific examples of the sulfide glass by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.
その後、得られた硫化物ガラスを所定の温度で熱処理し、本発明の固体電解質を生成させる。
固体電解質を生成させる熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは、195℃〜335℃、特に好ましくは、200℃〜330℃である。
190℃より低いと高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、340℃より高いとイオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
熱処理時間は、190℃以上220℃以下の温度の場合は、3〜240時間が好ましく、特に4〜230時間が好ましい。また、220℃より高く340℃以下の温度の場合は、0.1〜240時間が好ましく、特に0.2〜235時間が好ましく、さらに、0.3〜230時間が好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、240時間より長いと、イオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
Thereafter, the obtained sulfide glass is heat-treated at a predetermined temperature to produce the solid electrolyte of the present invention.
The heat treatment temperature for generating the solid electrolyte is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C.
When the temperature is lower than 190 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 340 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
In the case of a temperature of 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours. Moreover, in the case of the temperature higher than 220 degreeC and 340 degrees C or less, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are especially preferable, Furthermore, 0.3 to 230 hours are preferable.
If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, a crystal having high ion conductivity may be difficult to obtain, and if it is longer than 240 hours, a crystal having low ion conductivity may be generated.
本発明の固体電解質は、少なくとも10V以上の分解電圧を持ち、不燃性の無機固体である。また、リチウムイオン輸率が1であるという特性を保持しつつ、室温において10-3S/cm台という極めて高いリチウムイオン伝導性を示す。従って、リチウム電池の固体電解質用の材料として極めて適している。また、耐熱性の優れた固体電解質である。 The solid electrolyte of the present invention is a nonflammable inorganic solid having a decomposition voltage of at least 10 V or more. Further, while maintaining the property that the lithium ion transport number is 1, it exhibits extremely high lithium ion conductivity of 10 −3 S / cm level at room temperature. Therefore, it is extremely suitable as a material for a solid electrolyte of a lithium battery. Moreover, it is a solid electrolyte excellent in heat resistance.
本発明にかかる全固体電池は電解質層、正極及び負極からなり、必要に応じて集電体を有する。
電解質層は、例えば、上述の粒子状のリチウムイオン伝導性固体物質を、ブラスト法やエアロゾルデポジション法にて製膜することで製造できる。また、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)又は溶射法等でもリチウムイオン伝導性固体物質の製膜が可能である。
更に、固体電解質と溶媒やバインダー(結着材や高分子化合物等)を混合させた溶液を塗布、塗工した後、溶媒を除去し成膜化する方法もある。又、固体電解質自体や固体電解質とバインダー(結着材や高分子化合物等)や支持体(固体電解質層の強度を補強させたり、固体電解質自体の短絡を防ぐための材料や化合物等)を混合・組合せた電解質を加圧プレスすることで成膜することも可能である。
簡便な装置や室温条件下、固体電解質の状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、上述のブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
電解質層の膜厚は、1〜500μmの範囲が好ましく、より好ましくは1〜50μmであり、特に好ましくは1〜30μmである。
The all-solid-state battery according to the present invention includes an electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode, and has a current collector as necessary.
The electrolyte layer can be manufactured, for example, by forming a film of the above-described particulate lithium ion conductive solid material by a blast method or an aerosol deposition method. Also, a lithium ion conductive solid material can be formed by a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method (CVD), a thermal spraying method, or the like.
Further, there is a method in which a solution in which a solid electrolyte is mixed with a solvent and a binder (such as a binder and a polymer compound) is applied and applied, and then the solvent is removed to form a film. Also, the solid electrolyte itself, solid electrolyte and binder (binder, polymer compound, etc.) and support (materials and compounds to reinforce the strength of the solid electrolyte layer and prevent short circuit of the solid electrolyte itself) are mixed -It is also possible to form a film by pressing the combined electrolyte under pressure.
The blasting method and the aerosol deposition method described above are preferable because a film can be formed in a temperature range that does not change the state of the solid electrolyte under a simple apparatus and room temperature conditions.
The thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 1 to 500 μm, more preferably 1 to 50 μm, and particularly preferably 1 to 30 μm.
本発明では集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又は、これらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。 In the present invention, the current collector is a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof. Can be used.
全固体電池の部材である固体状の電極材料(極材)においては、電子伝導性に加えてイオン伝導度を向上させるため、極材の粒子同士が密着し、粒子間の接合点や面を多く存在させ、イオン伝導パスをより多く確保することが重要である。そのため、例えば、電解質等のイオン伝導活物質を混合し、極材とする方法が用いられる。又、極材粒子間の隙間に生じる空間(単位体積における空間体積と極材粒子の体積の割合:空隙率)が少ない程、極材層が密に詰まっており、イオン伝導度は高くなる。
本発明の電極は、上記極材(正極材又は負極材)を集電体の少なくとも一部に膜状に形成することで作製できる。製膜方法としては、上述した電池用部材の製造と同様、ブラスト法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法又は溶射法等が挙げられる。このような方法により製膜することで、極材層の空隙率をより小さくすることができ、イオン伝導度を向上させることができる。
又、固体電解質層の製造法で記載されている他の同様の方法で電極層を製作することが可能である。
尚、簡便な装置や室温条件下、電解質の結晶状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
In a solid electrode material (electrode material) that is a member of an all-solid battery, in order to improve ion conductivity in addition to electron conductivity, the particles of the electrode material are in close contact with each other, and the junction points and surfaces between the particles are determined. It is important to ensure that there are many ion conduction paths. Therefore, for example, a method of mixing an ion conductive active material such as an electrolyte to obtain an electrode material is used. Further, the smaller the space generated in the gaps between the polar material particles (the ratio of the volume of the polar material particles to the volume of the polar material particles: the porosity), the denser the polar material layer is and the higher the ionic conductivity.
The electrode of the present invention can be produced by forming the electrode material (positive electrode material or negative electrode material) in a film shape on at least a part of the current collector. Examples of the film forming method include a blast method, an aerosol deposition method, a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a thermal spray method, as in the production of the battery member described above. By forming a film by such a method, the porosity of the electrode material layer can be further reduced, and the ionic conductivity can be improved.
In addition, the electrode layer can be manufactured by other similar methods described in the method for manufacturing the solid electrolyte layer.
The blasting method and the aerosol deposition method are preferred because a film can be formed in a temperature range that does not change the crystal state of the electrolyte under a simple apparatus and room temperature conditions.
正極材としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等、またはセレン化ニオブ(NbSe3)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。これらのうちコバルト酸リチウムが好ましい。
As a positive electrode material, what is used as a positive electrode active material in the battery field | area can be used. For example, the sulfide, titanium sulfide (TiS 2), molybdenum sulfide (MoS 2), iron sulfide (FeS, FeS 2), copper sulfide (CuS) and nickel sulfide (Ni 3 S 2) or the like can be used.
In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), or niobium selenide (NbSe 3 ) can be used. It is also possible to use a mixture of these. Of these, lithium cobaltate is preferred.
また、導電助剤として、電子が正極活物質内で円滑に移動するようにするための電気的に導電性を有す物質を適宜添加してもよい。前記、電気的に導電性を有する物質としては特に限定しないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブのような導電性物質又はポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールのような導電性高分子を単独又は混合して用いることができる。 Further, as a conductive aid, a substance having electrical conductivity for allowing electrons to move smoothly in the positive electrode active material may be added as appropriate. The electrically conductive substance is not particularly limited, but a conductive substance such as acetylene black, carbon black and carbon nanotube or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene and polypyrrole may be used alone or in combination. Can be used.
負極材としては、電池分野において負極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素や、これらの金属自体や他の元素、化合物と組合せた合金を、負極材として用いることができる。
更に、極材に電解質層で使用する固体電解物質を混合して使用してもよい。
As a negative electrode material, what is used as a negative electrode active material in the battery field | area can be used. For example, carbon materials, specifically artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon Examples include fibers, vapor grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or it may be a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
In addition, metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or an alloy combined with these metals themselves, other elements, or compounds can be used as the negative electrode material.
Furthermore, you may mix and use the solid electrolyte material used for an electrolyte layer with an pole material.
本発明の全固体電池は、上述した本発明の電池用部材及び/又は電極各部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
The all-solid-state battery of the present invention can be produced by bonding and joining the above-described battery members and / or electrode members of the present invention. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity.
In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
本発明の全固体電池は、上記電解質と電極剤を接触又は混合させ高温下にさらしても副反応を起こさず、電池として作動する。また、エネルギー密度が高く、安全性及び充放電サイクル特性、長期安定性が優れている。さらに、本発明の電池は薄型化が可能であるため、積層して高出力を得ることができ、また、高度の集積が可能である。 The all-solid-state battery of the present invention operates as a battery without causing side reactions even when the electrolyte and the electrode agent are contacted or mixed and exposed to high temperatures. Moreover, the energy density is high, and safety, charge / discharge cycle characteristics, and long-term stability are excellent. Furthermore, since the battery of the present invention can be thinned, it can be stacked to obtain a high output and can be highly integrated.
本発明の全固体電池は樹脂等の外装材で被覆することができる。また、外装材として熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる外装体にさらに吸着材及び/又はアルカリ性物質含有材料で被覆したものを用いることができる。本発明の固体電池は固体電解質中に、水と反応して硫化水素を発生する可能性のある硫黄化合物を含有しているが、全固体電池が何らかの原因で破壊されたとしても、硫化水素を吸着材又はアルカリ性物質含有材料が捕捉して無害化することができる。
また、アルカリ性物質含有材料で被覆することに代え、外装体自体にアルカリ性物質を含有させることもできる。
The all solid state battery of the present invention can be covered with an exterior material such as a resin. Moreover, what coat | covered with the adsorbent and / or the alkaline substance containing material further to the exterior body which consists of a thermoplastic resin or a thermosetting resin as an exterior material can be used. The solid battery of the present invention contains a sulfur compound that may react with water to generate hydrogen sulfide in the solid electrolyte. Even if the all solid battery is destroyed for some reason, The adsorbent or the alkaline substance-containing material can be captured and detoxified.
Moreover, it can replace with coat | cover with an alkaline substance containing material, and can also make an exterior body itself contain an alkaline substance.
また、本発明の全固体電池は、正極及び負極の固体電解質層と対峙しない側に複数の貫通孔を有する支持板をそれぞれ備え、各支持板の対応する貫通孔を介して支持板が連結・緊締されることによって全固体電池素子に1.5〜200MPaの圧力が印加されることが好ましい。このような方法で圧力を加えることで、固体電解質層の全面に対して平準な加圧が可能であり、電池中央部での電池の膨れを抑制することができ、かつ繰り返しの充放電に対して電池特性を維持することができる。 In addition, the all solid state battery of the present invention includes a support plate having a plurality of through holes on the side of the positive electrode and the negative electrode that do not face the solid electrolyte layer, and the support plate is connected via the corresponding through hole of each support plate. It is preferable that a pressure of 1.5 to 200 MPa is applied to the all solid state battery element by tightening. By applying pressure in this way, it is possible to apply uniform pressure to the entire surface of the solid electrolyte layer, to suppress battery swelling at the center of the battery, and against repeated charge and discharge. Battery characteristics can be maintained.
実施例1
(1)固体電解質の作製
高純度硫化リチウム(出光興産社製、純度:99.9%)を0.651g(1.42×10-2mol)と五硫化二燐(アルドリッチ社製)を1.349g(6.07×10-3mol)をよく混合し、これらの粉末をアルミナ製ポットに投入し完全密閉した。
このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、メカニカルミリングを行なった。この際、はじめの数分間は出発原料を十分に混合する目的で、低速回転(85rpm)でミリングを行った。その後、徐々に回転数を上げ370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。
得られた粉末をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。
Example 1
(1) Preparation of solid electrolyte 0.651 g (1.42 × 10 −2 mol) of high-purity lithium sulfide (made by Idemitsu Kosan Co., Ltd., purity: 99.9%) and 1 phosphorous pentasulfide (made by Aldrich) .349 g (6.07 × 10 −3 mol) was mixed well, and these powders were put into an alumina pot and completely sealed.
The pot was attached to a planetary ball mill and mechanical milling was performed. At this time, milling was performed at a low speed (85 rpm) for the first few minutes in order to sufficiently mix the starting materials. Thereafter, the rotational speed was gradually increased and mechanical milling was performed at 370 rpm for 20 hours.
As a result of evaluating the obtained powder by X-ray measurement, it was confirmed that it was vitrified (sulfide glass).
得られた硫化物ガラスを、330℃で1時間熱処理し、ガラスセラミック化することによって、固体電解質を作製した。
この固体電解質のイオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で5.0×10-3S/cmを示した。
また、該固体電解質の31P−NMRを測定した結果、結晶比率Xcは85mol%、緩和時間T1Liは240msであり、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置にピークが存在した。
上記固体電解質をペレット状(直径約10mm、厚み約1mm)の成形体に加工した。
この成形体のイオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で4.5×10-3S/cmを示した。また、31P−NMRにより測定した結晶化度は78モル%であった。
The obtained sulfide glass was heat-treated at 330 ° C. for 1 hour to form a glass ceramic, thereby producing a solid electrolyte.
When the ionic conductivity of this solid electrolyte was measured by the alternating current impedance method (measurement frequency: 100 Hz to 15 MHz), it showed 5.0 × 10 −3 S / cm at room temperature.
As a result of measuring 31 P-NMR of the solid electrolyte, the crystal ratio Xc was 85 mol%, the relaxation time T 1Li was 240 ms, and peaks were observed at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm. Existed.
The solid electrolyte was processed into a pellet-shaped (diameter of about 10 mm, thickness of about 1 mm).
When the ion conductivity of this molded body was measured by an alternating current impedance method (measurement frequency: 100 Hz to 15 MHz), it showed 4.5 × 10 −3 S / cm at room temperature. The crystallinity measured by 31 P-NMR was 78 mol%.
(2)正極材の製造
上記(1)で製造したガラスセラミックス固体電解質と正極活物質であるコバルト酸リチウムを質量比で5:8(固体電解質:コバルト酸リチウム)の割合で混合し、正極材とした。
(2) Production of positive electrode material The glass ceramic solid electrolyte produced in (1) above and lithium cobalt oxide as the positive electrode active material are mixed at a mass ratio of 5: 8 (solid electrolyte: lithium cobalt oxide), and the positive electrode material is produced. It was.
(3)負極材の製造
上記(1)で製造したガラスセラミックス固体電解質と負極活物質であるカーボングラファイトを質量比で1:1(固体電解質:カーボングラファイト)の割合で混合し、負極材とした。
(3) Production of negative electrode material The glass ceramic solid electrolyte produced in (1) above and carbon graphite as the negative electrode active material were mixed at a mass ratio of 1: 1 (solid electrolyte: carbon graphite) to obtain a negative electrode material. .
(4)ユニット2の製造
エアロゾルデポジション装置(AD装置、渕田ナノ技研製)を用い、図1に示すユニット2を製造した。具体的には5×5×1mmのステンレス鋼(SUS)板(集電体11)上に、AD装置を用い上記(2)で製造した正極材を吹きつけ、200μmの正極層を形成した。更に、その上に、上記(1)で製造した固体電解質を吹きつけ、20μmの固体電解質層を形成した。
(4) Manufacture of
(5)ユニット1の製造
AD装置を用い、図1に示すユニット1を製造した。具体的には5×5×1mmのステンレス鋼(SUS)板(集電体11)上の片面に、AD装置を用い上記(3)で製造した負極材を吹きつけ、200μmの負極層を形成した。更に、その上に、上記(1)で製造した固体電解質を吹きつけ、20μmの固体電解質層を形成した。
(5) Manufacture of
(6)固体電池素子の製造
上記ユニット1及び2からそれぞれ20mmφの円形の積層体をくりぬいた。該円形のユニット1及び2の間に上記(1)で製造した固体電解質0.1mgを分散させ、加圧プレス機により、981MPa(10トン/cm2)の圧力をかけて、固体電池素子を製造した。
(6) Manufacture of a solid battery element Each of the
(7)全固体電池の製造
上記(6)で製造した固体電池素子を5個直列につないだ(ユニット3)。ユニット3を2個直列に接続し、厚さ5mmの2枚のアクリル板(支持板21)で挟んだ。(なお、図2では便宜上2個を直列した図としてある。)アクリル板には図3に示すように5つの貫通孔22が設けられており、ボルト、ナット、ワッシャーからなる連結治具23を用い、レンチを使用して、アクリル板と電池が接する面の圧力が1.96MPa(20kg/cm2)となるように緊締した。なお、アクリル板と電池が接する面の圧力はその間にあらかじめ挿入しておいた感圧試験紙33にて測定した。
なお、2個の固体電池素子は溶接により接合した電極端子29により配線した。また、一部ポリプロピレン樹脂により保護コートを施した(図2中の28)。
(7) Production of all-solid-state battery Five solid-state battery elements produced in the above (6) were connected in series (unit 3). Two units 3 were connected in series and sandwiched between two acrylic plates (support plate 21) having a thickness of 5 mm. (In FIG. 2, the two are shown in series for convenience.) As shown in FIG. 3, the acrylic plate is provided with five through
The two solid battery elements were wired by
(8)樹脂(外装材)による封止
上記(7)で製造した固体電池20を、図2に示すように樹脂(外装体24)で被覆した。樹脂(外装体24)による被覆は、図3に示す装置を用いて行った。すなわち、全固体電池20を樹脂封止用金型30中に装填し、溶融樹脂Pとしてポリブタジエン樹脂(出光興産株式会社製「エポール」)をキャビィティ31に注入した。冷却して該ブタジエン樹脂を硬化させた後、金型をはずし、樹脂で封止された固体電池をとりだした。
(8) Sealing with Resin (Exterior Material) The
(9)アルカリ性物質含有材料による被覆
上記(8)で製造された樹脂で封止された固体電池を、図2に示すように、樹脂製の外装ケース26中に樹脂(外装体24)で封止された固体電池20を設置し、該電池の周囲全体を直径2mmの水酸化マグネシウムビーズ25で覆い、本発明の車両用全固体電池を製造した。なお、電極端子29には、電極端子27を接合し、かつ水酸化マグネシウムビーズ25と接する部分28については、ポリプロピレン樹脂で被覆した。
該全固体電池の初期充放電効率は84%であり、作動電位は28.5Vであった。
(9) Coating with Alkaline Substance-Containing Material As shown in FIG. 2, the solid battery sealed with the resin manufactured in (8) is sealed with a resin (exterior body 24) in a resin
The all-solid-state battery had an initial charge / discharge efficiency of 84% and an operating potential of 28.5V.
本発明の固体電池は、液絡がなく、耐熱性、安全性の高い、繰り返しの充放電に対して電池特性を維持することができる高性能な二次電池である。従って、携帯情報端末、携帯電子機器、パーソナルコンピューターなどの家電用電池として最適である。 The solid state battery of the present invention is a high-performance secondary battery that has no liquid junction, has high heat resistance and high safety, and can maintain battery characteristics against repeated charge and discharge. Therefore, it is optimal as a battery for home appliances such as a portable information terminal, a portable electronic device, and a personal computer.
1:ユニット1
2:ユニット2
3:ユニット3
11:集電体
12:負極
13:固体電解質
14:正極
20:固体電池素子
21:支持板
22:貫通孔
23:連結治具
24:外装体(樹脂)
25:水酸化マグネシウムビーズ
26:外装ケース
27:電極端子
28:水酸化マグネシウムビーズと接する部分
29:電極端子
30:樹脂封止用金型
31:キャビティ
32:加圧用治具
33:感圧試験紙
1:
2:
3: Unit 3
11: current collector 12: negative electrode 13: solid electrolyte 14: positive electrode 20: solid battery element 21: support plate 22: through hole 23: connecting jig 24: exterior body (resin)
25: Magnesium hydroxide beads 26: Exterior case 27: Electrode terminal 28: Part in contact with magnesium hydroxide beads 29: Electrode terminal 30: Resin sealing mold 31: Cavity 32: Pressurizing jig 33: Pressure-sensitive test paper
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