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JP5602541B2 - All-solid-state lithium ion battery - Google Patents

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JP5602541B2 JP2010188137A JP2010188137A JP5602541B2 JP 5602541 B2 JP5602541 B2 JP 5602541B2 JP 2010188137 A JP2010188137 A JP 2010188137A JP 2010188137 A JP2010188137 A JP 2010188137A JP 5602541 B2 JP5602541 B2 JP 5602541B2
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Description

本発明は全固体リチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to an all solid lithium ion battery.

無機固体電解質を使用し、電極においても有機物を使用しない全固体電池は有機電解液の漏液やガス発生の心配がなく安全な電池として期待されている。また、全固体電池は液系の電池と比較して、電池反応以外の反応が生じることが少なく、長寿命化も期待できる。   An all-solid-state battery that uses an inorganic solid electrolyte and does not use organic substances in the electrode is expected as a safe battery without leakage of organic electrolyte and gas generation. In addition, all solid-state batteries are less likely to undergo reactions other than battery reactions and can be expected to have a longer life compared to liquid batteries.

一例として全固体電池は固体電解質層の両側に正極層と負極層がそれぞれ積層される。無機固体電解質層として焼結体を使用する場合、固体電解質またはその未焼成体と電極の未焼成体を積層し、同時に焼成することによって電極や固体電解質の焼結体を作製すると同時にこれらの界面を良好に接合することが期待できる。この方法は製造工程を少なくすることができ、製造コストを低減することが出来ると同時に、電極層−固体電解質層の接合界面におけるイオンの移動抵抗を低減することが期待できる。   As an example, in an all-solid battery, a positive electrode layer and a negative electrode layer are respectively laminated on both sides of a solid electrolyte layer. When using a sintered body as the inorganic solid electrolyte layer, the solid electrolyte or its unfired body and the unfired body of the electrode are stacked and fired at the same time to produce the sintered body of the electrode and solid electrolyte, and at the same time the interface between them. Can be expected to be bonded well. This method can reduce the number of manufacturing steps, reduce the manufacturing cost, and at the same time, can be expected to reduce the ion migration resistance at the electrode layer-solid electrolyte layer junction interface.

しかし、一般的にリチウムイオン二次電池においては、正極活物質は酸化力の高い物質であり、負極活物質は還元力の高い物質である。電極内でのイオン伝導性を付与する為に、電極の未焼成体中には電極活物質粉末と共に固体電解質粉末を含有させて焼成することが好ましいが、焼成時の両者の粉末間の粒界において、両者が化学反応してしまう事がある。また、固体電解質層またはその未焼成体と同時に電極層の未焼成体を焼成する場合においても、電極層と固体電解質層の界面において電極活物質と固体電解質とが化学反応してしまう。
そのため電極活物質が分解されてその機能を果たさなくなったり、イオン伝導を阻害する化合物が生成されてしまう問題が生ずる事となる。
従って、電極層−固体電解質層の界面が焼成によって物理的に良好に接合されたとしても、この界面や電極層中の電極活物質と固体電解質間の粒界に生成された化合物によってリチウムイオンの移動抵抗が大きくなり、放電容量が理論容量まで遠くおよばない結果となる。さらに、前記生成化合物によって、設計電圧が得られないこともある。
また、電極の未焼成体のみを焼成することにより電極層の焼結体のみを作成し、その後固体電解質層の未焼成体と共に再度焼結する場合や、固体電解質層を接着する場合もある。このような場合も電極層の焼結時に電極層中の電極活物質と固体電解質間の粒界において両者が化学反応してしまう。
このことは、特に正極において顕著である。
However, in general, in a lithium ion secondary battery, the positive electrode active material is a material with high oxidizing power, and the negative electrode active material is a material with high reducing power. In order to provide ionic conductivity in the electrode, it is preferable that the unfired body of the electrode contains a solid electrolyte powder together with the electrode active material powder and is fired, but the grain boundary between both powders during firing is preferred. In some cases, both may chemically react. In addition, even when the unfired body of the electrode layer is fired simultaneously with the solid electrolyte layer or the unfired body thereof, the electrode active material and the solid electrolyte are chemically reacted at the interface between the electrode layer and the solid electrolyte layer.
For this reason, there arises a problem that the electrode active material is decomposed and does not perform its function, or a compound that inhibits ionic conduction is generated.
Accordingly, even if the interface between the electrode layer and the solid electrolyte layer is physically well bonded by firing, the lithium ions are formed by the compound formed at the interface and the grain boundary between the electrode active material and the solid electrolyte in the electrode layer. As a result, the moving resistance increases and the discharge capacity does not reach the theoretical capacity. Furthermore, a design voltage may not be obtained due to the product compound.
Moreover, only the unsintered body of an electrode is baked, and only the sintered body of an electrode layer is produced, Then, it may sinter again with the unsintered body of a solid electrolyte layer, and a solid electrolyte layer may be adhere | attached. Even in such a case, both of them chemically react at the grain boundary between the electrode active material in the electrode layer and the solid electrolyte during sintering of the electrode layer.
This is particularly noticeable in the positive electrode.

このような問題を解決する為に、焼成温度を低温にする方法も提案されているが、電極や固体電解質の焼結が不十分となり、高い開回路電圧を実現し、かつ、理論容量付近まで放電容量を高めるには至っていない。   In order to solve such problems, a method of lowering the firing temperature has also been proposed, but the sintering of the electrodes and the solid electrolyte becomes insufficient, a high open circuit voltage is realized, and even near the theoretical capacity. The discharge capacity has not been increased.

特許文献1には、電極の前駆体や固体電解質の前駆体等からなる積層体を焼成する雰囲気を低酸素雰囲気とすることが提案されている。しかしこれらの方法で作製された電池は0.88μA/cmの非常に小さな電流での充放電を行っているにすぎず、大電流での充放電は実現していない。また、放電容量も非常に小さい。
特開2007−227362号公報
Patent Document 1 proposes that the atmosphere in which a laminate made of an electrode precursor, a solid electrolyte precursor, or the like is fired is a low oxygen atmosphere. However, the battery manufactured by these methods is only charging / discharging with a very small current of 0.88 μA / cm 2 , and charging / discharging with a large current is not realized. Also, the discharge capacity is very small.
JP 2007-227362 A

本発明の課題は全固体リチウムイオン電池の電極層の未焼成体を焼成する際に、電極層中の電極活物質粉末と固体電解質粉末の粒界や、電極層と固体電解質層の界面で両者の化学反応によって電極活物質が分解したり、イオン伝導を阻害する物質が生成されてしまう事を低減し高い開回路電圧を実現し、高い放電容量を実現し、かつ製造コストが低い全固体リチウムイオン電池を提供することにある。   The subject of the present invention is that when the green body of the electrode layer of the all-solid-state lithium ion battery is fired, both the electrode active material powder and the solid electrolyte powder in the electrode layer and the interface between the electrode layer and the solid electrolyte layer are used. All-solid-state lithium with reduced electrode active material decomposition and generation of substances that inhibit ionic conduction, high open circuit voltage, high discharge capacity, and low manufacturing cost It is to provide an ion battery.

本発明者は上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、正極の活物質として特定の物質を選択し、かつ、電極中に混合する固体電解質の含有量を特定の割合とする事によって、上記の課題が解決できる事を見いだし、この発明を完成したものであり、その具体的な構成は以下の通りである。   In view of the above problems, the present inventor has conducted extensive research, and as a result of selecting a specific substance as an active material of the positive electrode and making the content of the solid electrolyte mixed in the electrode a specific ratio, It has been found that the above problems can be solved, and the present invention has been completed, and its specific configuration is as follows.

(構成1)
無機固体からなる正極層、電解質層および負極層を含む全固体リチウムイオン電池であって、
前記正極層にLi1.3−xMPOである正極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、
前記固体電解質の前記正極活物質に対する質量比の値が1/9以上9以下である全固体リチウムイオン電池。
但し、xは0≦x≦0.5、yは0≦y≦0.5を満たし、AはAl、Mg、W、Ti、Na、から選ばれる1種以上であり、MはFe、Mn、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる1種以上である。
(構成2)
前記正極活物質が炭素で被覆されている構成1に記載の全固体リチウムイオン電池。
(構成3)
前記正極層に導電助剤が1質量%以上20質量%以下含まれている構成1または2に記載の全固体リチウムイオン電池。
(構成4)
前記負極層にLiTi5−x12である負極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、
前記固体電解質の前記負極活物質に対する質量比の値が1/9以上10以下である構成1から3のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。
但し、xは0≦x≦0.5、yは0≦y≦0.5を満たし、RはMg、Al、Wから選ばれる1種以上である。
(構成5)
前記負極活物質が炭素で被覆されている構成4に記載の全固体リチウムイオン電池
(構成6)
前記リチウムイオン伝導性の固体電解質はLi0.8+x+z2−jSi3−z12の結晶を含むことを特徴とする構成1から5のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。
但し、x、y、zは0≦x≦0.8、0≦z≦0.6、yは0≦y≦0.6、jは0≦j≦0.6を満たし、EはAl、Gaから選ばれる1種以上、GはGe、Ti、Zr、Y、Scから選ばれる1種類以上である。
(Configuration 1)
An all-solid lithium ion battery including a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer made of an inorganic solid,
The positive electrode layer includes a positive electrode active material that is Li 1.3-x A y MPO 4 and a lithium ion conductive solid electrolyte,
The all-solid-state lithium ion battery whose mass ratio value with respect to the said positive electrode active material of the said solid electrolyte is 1-9 or more and 9 or less.
However, x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5, A is one or more selected from Al, Mg, W, Ti, and Na, and M is Fe, Mn , Co, Ni, Cu, Zn.
(Configuration 2)
The all-solid-state lithium ion battery of the structure 1 with which the said positive electrode active material is coat | covered with carbon.
(Configuration 3)
The all-solid-state lithium ion battery of the structure 1 or 2 with which the conductive support agent is contained in the said positive electrode layer 1 mass% or more and 20 mass% or less.
(Configuration 4)
The negative electrode layer includes a negative electrode active material that is Li 4 Ti 5-x R y O 12 and a lithium ion conductive solid electrolyte,
The all-solid-state lithium ion battery in any one of the structures 1 to 3 whose mass ratio value with respect to the said negative electrode active material of the said solid electrolyte is 1-9 or more and 10 or less.
However, x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5, and R is one or more selected from Mg, Al, and W.
(Configuration 5)
The all-solid-state lithium ion battery according to Configuration 4, wherein the negative electrode active material is coated with carbon (Configuration 6).
All-solid-state lithium-ion according to any one of 5 from the configuration 1 the lithium ion conductive solid electrolyte, which comprises a crystal of Li 0.8 + x + z E y G 2-j Si z P 3-z O 12 battery.
However, x, y, z is 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ z ≦ 0.6, y is 0 ≦ y ≦ 0.6, j is 0 ≦ j ≦ 0.6, E is Al, One or more selected from Ga, and G is one or more selected from Ge, Ti, Zr, Y, and Sc.

本発明によれば、全固体リチウムイオン電池の電極層の未焼成体を焼成する際に、固体電解質層と電極層との界面および/または電極中の電極活物質と固体電解質との粒界での固体電解質や電極活物質の分解やイオン伝導を大きく阻害する化合物の生成が抑制されるので、高い放電容量が得られ、大きな作動電流においても高い充放電効率を得られる全固体リチウムイオン二次電池を得ることができる。
また、起電力が高いほど、より正極活物質は酸化力が高くなり、負極活物質は還元力が高くなるため、焼成時の分解やイオン伝導を大きく阻害する化合物の生成がより生じやすい。しかし、本発明によれば、より高い起電力を有する全固体リチウムイオン二次電池を得ることができる。
According to the present invention, when the green body of the electrode layer of the all-solid-state lithium ion battery is fired, at the interface between the solid electrolyte layer and the electrode layer and / or the grain boundary between the electrode active material and the solid electrolyte in the electrode. All-solid-state lithium ion secondary battery that has high discharge capacity and high charge / discharge efficiency even at large operating currents. A battery can be obtained.
Further, as the electromotive force is higher, the positive electrode active material has a higher oxidizing power and the negative electrode active material has a higher reducing power, so that decomposition during firing and generation of a compound that greatly inhibits ion conduction are more likely to occur. However, according to the present invention, an all solid lithium ion secondary battery having a higher electromotive force can be obtained.

正極活物質の種類と放電容量の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the kind of positive electrode active material, and discharge capacity.

本発明の全固体リチウムイオン二次電池は無機固体電解質層を挟み、正極と負極の2つの無機固体からなる電極層を有し、少なくとも1つの電極層が焼結されており、それぞれの電極層には集電体が接合されている。固体電解質層は、正極と負極の電極層を物理的に離間させ、かつリチウムイオンの伝導を担う。二つの電極層は固体電解質層に接合されている。固体電解質層と二つの電極層は焼成によって接合されていることが物理的および電気化学的な接合性を良好とする為に好ましい。   The all-solid-state lithium ion secondary battery of the present invention has an electrode layer composed of two inorganic solids, a positive electrode and a negative electrode, sandwiching an inorganic solid electrolyte layer, and at least one electrode layer is sintered. A current collector is joined to the. The solid electrolyte layer physically separates the positive electrode layer and the negative electrode layer and carries lithium ion conduction. The two electrode layers are joined to the solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer and the two electrode layers are preferably bonded by firing in order to improve physical and electrochemical bonding properties.

本発明の全固体リチウムイオン二次電池について述べる。本発明の全固体リチウムイオン二次電池は、無機固体からなる正極層、電解質層および負極層を含む全固体リチウムイオン電池であって、前記正極層にLi1−xMPOである正極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、前記固体電解質の前記正極活物質に対する質量比の値が1/9以上9以下であることを特徴とする。 The all solid lithium ion secondary battery of the present invention will be described. The all solid lithium ion secondary battery of the present invention is an all solid lithium ion battery including a positive electrode layer made of an inorganic solid, an electrolyte layer, and a negative electrode layer, and the positive electrode layer is Li 1-x A y MPO 4 An active material and a lithium ion conductive solid electrolyte are included, and the mass ratio of the solid electrolyte to the positive electrode active material is 1/9 or more and 9 or less.

正極活物質として、Li1−xMPOを使用し、さらに正極活物質に対する固体電解質の量を規程することにより、電極層の未焼成体を焼成する際に、固体電解質層と電極層との界面および/または電極中の電極活物質と固体電解質との粒界での固体電解質や電極活物質の分解やイオン伝導を大きく阻害する化合物の生成を効果的に抑制することができる。
ここで、Li1.3−xMPOにおいて、xは0≦x≦0.5、yは0≦y≦0.5を満たし、AはAl、Mg、W、Ti、Naから選ばれる1種以上であり、MはFe、Mn、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる1種以上である。
このなかでも上記式中においてAはAl、Mg、W、Ti、Naのから選ばれる1種であって良い。また、MはFe、Mn、Co、Ni、Cu、Znから選ばれる1種であって良い。特にMはNiとCoの固溶体が最も好ましい。CoとNiの比率は1:1が好ましい。また、上記式において、xの範囲は0.39≦x≦0.5がより好ましく、0.35≦x≦0.40が最も好ましい。
好ましい正極活物質は、具体的にLi0.95Al0.05Ni0.5Co0.5PO、Li0.95Al0.05CoPO、である。
When the unfired body of the electrode layer is fired by using Li 1-x A y MPO 4 as the positive electrode active material and further regulating the amount of the solid electrolyte relative to the positive electrode active material, the solid electrolyte layer and the electrode layer It is possible to effectively suppress the decomposition of the solid electrolyte and the electrode active material and the formation of a compound that greatly inhibits ionic conduction at the interface between the electrode and / or the grain boundary between the electrode active material in the electrode and the solid electrolyte.
Here, in Li 1.3-x A y MPO 4 , x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5, and A is selected from Al, Mg, W, Ti, and Na. M is one or more selected from Fe, Mn, Co, Ni, Cu, and Zn.
Among these, in the above formula, A may be one selected from Al, Mg, W, Ti, and Na. M may be one selected from Fe, Mn, Co, Ni, Cu, and Zn. In particular, M is most preferably a solid solution of Ni and Co. The ratio of Co and Ni is preferably 1: 1. In the above formula, the range of x is more preferably 0.39 ≦ x ≦ 0.5, and most preferably 0.35 ≦ x ≦ 0.40.
Preferable positive electrode active materials are specifically Li 0.95 Al 0.05 Ni 0.5 Co 0.5 PO 4 and Li 0.95 Al 0.05 CoPO 4 .

負極活物質としては、SiO(但しzは0.1≦z≦2.2を満たす)、Nb、LiTi12、Li0.1WO、MoO、LiMn、LiFe、LiNiVO、Li1.5CoVO、Li2.5ZnVO、LiMnV6.96、LiFe(PO、LiTi(PO、グラファイト、ハードカーボン、Sn−Cu、Sn0.50.5などを使用することが可能であるが、LiTi5−x12で(但し、xは0≦x≦0.5、yは0≦y≦0.5を満たし、RはMg、Al、Wから選ばれる1種以上)を使用する事により、電子伝導性が付与されるため好ましい。
より具体的にはLiTi12、LiTi4.95Al0.0512、LiFe(PO、LiTi(POが好ましい。
As the negative electrode active material, SiO z (where z satisfies 0.1 ≦ z ≦ 2.2), Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 0.1 WO 2 , MoO 2 , Li 2 Mn 4 O 9 , Li 5 Fe 2 O 3 , Li 2 NiVO 4 , Li 1.5 CoVO 4 , Li 2.5 ZnVO 4 , Li 2 MnV 2 O 6.96 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , LiTi 2 (PO 4 ) 3 , graphite, hard carbon, Sn—Cu, Sn 0.5 B 0.5 O 3 and the like can be used, but Li 4 Ti 5-x R y O 12 (however, , X satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5, and R is one or more selected from Mg, Al, and W), thereby providing electronic conductivity. Therefore, it is preferable.
More specifically, Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 4.95 Al 0.05 O 12 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , and LiTi 2 (PO 4 ) 3 are preferable.

正極層には、正極層に接合される固体電解質層と、正極層中の活物質とのリチウムイオン伝導パスを良好に形成する為に、イオン伝導助剤として固体電解質が含まれる。   The positive electrode layer includes a solid electrolyte as an ion conduction aid in order to satisfactorily form a lithium ion conduction path between the solid electrolyte layer bonded to the positive electrode layer and the active material in the positive electrode layer.

負極層においても、負極層に接合される固体電解質層と、負極層中の活物質とのリチウムイオン伝導パスを良好に形成する為に、イオン伝導助剤として固体電解質が含まれることが好ましい。 Also in the negative electrode layer, in order to satisfactorily form a lithium ion conduction path between the solid electrolyte layer bonded to the negative electrode layer and the active material in the negative electrode layer, a solid electrolyte is preferably included as an ion conduction aid.

固体電解質をイオン伝導助剤として正極層または負極層の電極層中に含ませるには、電極活物質および導電助剤と共にリチウムイオン伝導性の固体電解質の粉末または焼結後にリチウムイオン伝導性を発現する無機固体粉末を混合し、焼結すれば良い。 In order to include a solid electrolyte as an ion conduction aid in the electrode layer of the positive electrode layer or the negative electrode layer, the lithium ion conductive solid electrolyte powder or lithium ion conductivity is exhibited after sintering together with the electrode active material and the conductive aid. The inorganic solid powder to be mixed may be mixed and sintered.

正極層に含まれるリチウムイオン伝導性の固体電解質含有量は、正極層中の正極活物質に対する質量比で1/9以上9以下である。より好ましくは2/8以上6/4以下であり、さらに好ましくは3/7以上4/6以下である。この範囲でリチウムイオン伝導性の固体電解質を含有させ、かつ、正極活物質を限定することで、良好なイオン伝導を得つつ、電極層の焼成時の固体電解質や電極活物質の分解や化合物の生成を効果的に抑制することができる。 The lithium ion conductive solid electrolyte content contained in the positive electrode layer is 1/9 or more and 9 or less in mass ratio with respect to the positive electrode active material in the positive electrode layer. More preferably, they are 2/8 or more and 6/4 or less, More preferably, they are 3/7 or more and 4/6 or less. By including a lithium ion conductive solid electrolyte within this range and limiting the positive electrode active material, the solid electrolyte and electrode active material can be decomposed and the compound active during firing of the electrode layer while obtaining good ion conduction. Generation can be effectively suppressed.

負極層においてもリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれる事が、負極層中のリチウムイオン伝導性を高める為に好ましい。含まれるリチウムイオン伝導性の固体電解質含有量は、負極層中の負極活物質に対する質量比で1/9以上10以下が好ましく、2/8以上6/4以下がより好ましく、3/7以上4/6以下が最も好ましい。 The negative electrode layer also preferably contains a lithium ion conductive solid electrolyte in order to increase the lithium ion conductivity in the negative electrode layer. The content of the lithium ion conductive solid electrolyte contained is preferably 1/9 or more and 10 or less, more preferably 2/8 or more and 6/4 or less, and more preferably 3/7 or more and 4 by mass ratio with respect to the negative electrode active material in the negative electrode layer. / 6 or less is most preferable.

正極層と負極層の間に位置する固体電解質層、および電極層を構成する電極材料中にイオン伝導助剤として存在す固体電解質はリチウムイオン伝導性を有する結晶を含む化合物を使用することができる。例えば、LiN、LISICON類、ペロブスカイト構造を有するLa0.55Li0.35TiO、NASICON型構造を有する物質(例えばLi1+XAl(Ti,Ge)2-X(PO、LiTi12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等)が使用できる。 As the solid electrolyte layer located between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and the solid electrolyte existing as an ion conduction aid in the electrode material constituting the electrode layer, a compound containing a crystal having lithium ion conductivity can be used. . For example, LiN, LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 having a perovskite structure, a material having a NASICON type structure (for example, Li 1 + X Al x (Ti, Ge) 2 -X (PO 4 ) 3 , LiTi 2 P 3 O 12, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4) 3 , etc.) can be used.

その中でも特に、Li1+x+z2−jSi3−z12(但し、j、x、y、zは0≦x≦0.8、0≦z≦0.6、yは0≦y≦0.6、jは0≦j≦0.6を満たし、EはAl、Gaから選ばれる1種以上、GはGe、Ti、Zr、Y、Scから選ばれる1種類以上)の結晶を含む物質はリチウムイオン伝導度が高く、化学的に安定しており、扱いが容易であるという利点がある。また、この結晶は特定組成のガラスを熱処理することにより、ガラスセラミックス中の結晶として析出させる事が可能である。上記結晶を有するガラスセラミックスの粒子は、粒子中においてイオン伝導を妨げる空孔や結晶粒界をほとんど有しない点で好ましい。 Among them, Li 1 + x + z E y G 2 -j Si z P 3 -z O 12 (where j, x, y, and z are 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ z ≦ 0.6, and y is 0) ≦ y ≦ 0.6, j satisfies 0 ≦ j ≦ 0.6, E is one or more selected from Al and Ga, and G is one or more selected from Ge, Ti, Zr, Y, and Sc) A substance containing crystals has an advantage that it has high lithium ion conductivity, is chemically stable, and is easy to handle. Further, this crystal can be precipitated as a crystal in glass ceramics by heat-treating a glass having a specific composition. The glass ceramic particles having the above crystal are preferable in that they have almost no vacancies or crystal grain boundaries that hinder ion conduction in the particles.

ここで、ガラスセラミックスとは、アモルファスガラスを熱処理することによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる物質であり、非晶質固体と結晶からなる物質をいう。更に、ガラス相すべてを結晶相に相転移させた物質、すなわち、物質中の結晶量(結晶化度)が100質量%のものを含む。ガラスセラミックスの場合は析出結晶の粒子間や析出結晶中に空孔がほとんどない為にイオン伝導の点で有利である。
固体電解質層の作製において、または電極層の作製において電極層中に固体電解質を含有させる為には、上記ガラスセラミックスの粉末、またはガラスセラミックスの原ガラスの粉末を使用することができる。原ガラスの粉末を使用する場合は固体電解質層や電極層の焼成過程においてガラス粉末中に結晶が析出しガラスセラミックスとなる。すなわち、上記結晶を析出する原ガラスは、焼結後にリチウムイオン伝導性を発現する無機固体である。
Here, the glass ceramic is a substance obtained by precipitating a crystalline phase in a glass phase by heat-treating an amorphous glass, and means a substance composed of an amorphous solid and a crystal. Further, it includes substances in which the entire glass phase is phase-transitioned into a crystalline phase, that is, a substance having a crystal amount (crystallinity) of 100% by mass in the substance. In the case of glass ceramics, there are almost no vacancies between and within the precipitated crystals, which is advantageous in terms of ion conduction.
In order to incorporate a solid electrolyte in the electrode layer in the production of the solid electrolyte layer or in the production of the electrode layer, the glass ceramic powder or the glass ceramic raw glass powder can be used. When the raw glass powder is used, crystals are deposited in the glass powder in the firing process of the solid electrolyte layer and the electrode layer to form glass ceramics. That is, the original glass on which the crystals are precipitated is an inorganic solid that exhibits lithium ion conductivity after sintering.

熱処理により、上記結晶を析出する原ガラスは
酸化物基準のmol%表示で、
LiO:10〜25%、および
Al+Ga:0.5〜15%、および
TiO+GeO+ZrO+Y+Sc:25〜50%、および
SiO:0〜15%、および
:26〜40%
の各成分を含有するガラスを溶融、急冷することで得ることができる。
The raw glass on which the crystals are precipitated by heat treatment is expressed in mol% based on the oxide,
Li 2 O: 10~25%, and Al 2 O 3 + Ga 2 O 3: 0.5~15%, and TiO 2 + GeO 2 + ZrO 2 + Y 2 O 3 + Sc 2 O 3: 25~50%, and SiO 2 0 to 15% and P 2 O 5: 26~40%
It can be obtained by melting and quenching a glass containing each of the components.

正極活物質および負極活物質は、活物質のリチウムイオンの吸蔵、放出に伴う電子の授受がスムーズに行われる為に、炭素で被覆されていても良い。活物質が炭素で被覆されているとは、活物質の結晶粒界に炭素の層が存在することである。前記効果を得るためには前記炭素の層の厚みとしては1nm〜1μmが好ましく、3nm〜100nmがより好ましく、5nm〜10nmが最も好ましい。同様に前記効果を得るためには、活物質の結晶子の周囲を全て被覆することが必要ではなく、ある一定以上の面積を被覆すれば良い。具体的には結晶子の面積の5%〜100%が好ましく、40%〜100%がより好ましく、60%〜100%が最も好ましい。
ここで、電極層中の活物質周囲の被覆層の厚さは電極層を削り出し、微粉末状態にした試料をTEM(透過型電子顕微鏡)観察することで確認することができる。また、被覆層の存在面積割合は3次元の測定は困難であるため、TEM像に現われる粒界の線の長さの合計に対する保護層の長さの割合を被覆層の面積割合とする。TEMで観察ができない場合はEPMAによるマッピング分析によって観察し、同様に存在面積割合を求める。保護層の存在面積割合は電池の全ての部位について測定しなくとも良く、任意に選んだ部位のTEM観察像において測定した値を用いることができる。また、特異的にごく限られた一部の部位のみ(例えば電極層の体積の3%以下)で保護層の存在面積割合が他の部位と異なっていても、他の部位が本発明で規定する被覆層の面積割合に合致するのであれば、その電池は本発明の効果を得ることができる。
The positive electrode active material and the negative electrode active material may be coated with carbon in order to smoothly transfer and receive electrons associated with insertion and extraction of lithium ions in the active material. The fact that the active material is coated with carbon means that a carbon layer exists at the crystal grain boundary of the active material. In order to obtain the effect, the thickness of the carbon layer is preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 3 nm to 100 nm, and most preferably 5 nm to 10 nm. Similarly, in order to obtain the above effect, it is not necessary to cover the entire periphery of the active material crystallites, and it is sufficient to cover a certain area or more. Specifically, 5% to 100% of the area of the crystallite is preferable, 40% to 100% is more preferable, and 60% to 100% is most preferable.
Here, the thickness of the coating layer around the active material in the electrode layer can be confirmed by scraping the electrode layer and observing the sample in a fine powder state with a TEM (transmission electron microscope). Further, since the three-dimensional measurement is difficult for the existing area ratio of the coating layer, the ratio of the length of the protective layer to the total length of the grain boundary lines appearing in the TEM image is defined as the area ratio of the coating layer. When observation with TEM is not possible, observation is performed by mapping analysis with EPMA, and the ratio of the existing area is obtained in the same manner. The area ratio of the protective layer does not need to be measured for all parts of the battery, and a value measured in a TEM observation image of an arbitrarily selected part can be used. In addition, even if only a specific limited part (for example, 3% or less of the volume of the electrode layer) is different from the other part, the other part is defined in the present invention. If the area ratio of the covering layer to be matched is satisfied, the battery can obtain the effects of the present invention.

正極層を構成する正極材料中または、負極層を構成する負極材料中には、正極層や負極層の電極層に接合される集電体と電極層中の電極活物質との電子伝導パスを良好に形成する為に、導電助剤が含まれることが好ましい。
導電助剤の含有率は、電池容量と電極層の電子伝導性のバランスを考慮し、含まれる電極層の電極材料(すなわち、正極材料または負極材料)全体に対し、1質量%以上20質量%以下であることが好ましく、2質量%以上15質量%以下であることがより好ましく、4質量%以上10質量%以下であることが最も好ましい。導電助剤は、炭素やチタンやニッケル、クロム、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属や白金、金、ロジウムなどの貴金属を含むことができる。
In the positive electrode material constituting the positive electrode layer or the negative electrode material constituting the negative electrode layer, an electron conduction path between the current collector bonded to the electrode layer of the positive electrode layer or the negative electrode layer and the electrode active material in the electrode layer is provided. In order to form well, it is preferable that a conductive support agent is contained.
The content of the conductive assistant is 1% by mass or more and 20% by mass with respect to the entire electrode material (that is, the positive electrode material or the negative electrode material) of the electrode layer in consideration of the balance between the battery capacity and the electron conductivity of the electrode layer. The content is preferably 2% by mass or more, more preferably 15% by mass or less, and most preferably 4% by mass or more and 10% by mass or less. The conductive additive can include metals such as carbon, titanium, nickel, chromium, iron, stainless steel, and aluminum, and noble metals such as platinum, gold, and rhodium.

本発明の全固体リチウムイオン電池の電極層と固体電解質層の積層体の製造は電極層前駆体、固体電解質層前駆体を焼成することにより作製することができる。焼成の方法は種々の態様を用いることができる。
すなわち、電極層前駆体、固体電解質層前駆体をそれぞれ焼成した後に積層し、再度焼成して各層を接合する方法や、いずれかの層を焼成して焼結体とした後に当該焼結体上に前駆体を積層し、焼結体と前駆体を同時に焼成して接合する方法や、二以上の層の前駆体を積層し同時に焼成して焼結体としながら層間を接合する方法などである。
電極層前駆体、固体電解質層前駆体とはそれぞれ、電極層の未焼成体、固体電解質層の未焼成体を意味する。
The laminate of the electrode layer and solid electrolyte layer of the all solid lithium ion battery of the present invention can be produced by firing the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor. Various modes can be used for the firing method.
That is, the electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor are respectively fired and then stacked and fired again to join the layers, or after firing any of the layers into a sintered body, A method in which the precursors are stacked on each other, and the sintered body and the precursor are simultaneously fired and bonded, and a method in which two or more layers of precursors are stacked and simultaneously fired to form a sintered body to bond the layers. .
The electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor mean a green body of the electrode layer and a green body of the solid electrolyte layer, respectively.

さらに電極層上に集電体を積層するが、薄膜状の金属層を接合しても良いし、前駆体から焼成により形成しても良い。なお、電極層自体の電子伝導性が高ければ、集電体はなくても良い。   Further, a current collector is laminated on the electrode layer, but a thin metal layer may be joined, or may be formed by firing from a precursor. Note that the current collector may not be provided as long as the electrode layer itself has high electron conductivity.

固体電解質層前駆体は固体電解質の粉末を材料粉末として成形すればよい。固体電解質粉末の平均粒子径は固体電解質層を緻密にしてイオン伝導率を上げるため、0.1μm〜3μmが好ましく、0.1μm〜1μmがより好ましく、0.1μm〜0.6μmが最も好ましい。   The solid electrolyte layer precursor may be formed using a solid electrolyte powder as a material powder. The average particle diameter of the solid electrolyte powder is preferably 0.1 μm to 3 μm, more preferably 0.1 μm to 1 μm, and most preferably 0.1 μm to 0.6 μm in order to increase the ionic conductivity by densifying the solid electrolyte layer.

電極層前駆体は電極活物質の粉末と必要に応じて固体電解質の粉末、電子伝導助材の粉末を電極材料粉末として成形すればよい。電極活物質粉末の平均粒子径は電極反応面積を上げるため、0.1μm〜10μmが好ましく、0.1μm〜3μmがより好ましく、0.1μm〜1μmが最も好ましい。
電極層前駆体に含む固体電解質粉末の平均粒子径は反応面積を上げるため、0.1μm〜10μmが好ましく、0.1μm〜1μmがより好ましく、0.1μm〜0.6μmが最も好ましい。
電子伝導助材粉末の平均粒子径は伝導度を上げるため、10nm〜3μmが好ましく、10nm〜1μmがより好ましく、10nm〜50nmが最も好ましい
なお、平均粒子径はレーザー回折法によって測定した時のD50(累積50%径)の値であり、具体的には日機装株式会社製の粒度分析計マイクロトラックMT3300EXIIまたはベックマン・コールター社製サブミクロン粒子アナライザーN5によって測定した値を用いることができる。なお、前記平均粒子径は体積基準で表わした値である。
The electrode layer precursor may be formed by using an electrode active material powder and, if necessary, a solid electrolyte powder and an electron conduction aid powder as an electrode material powder. The average particle diameter of the electrode active material powder is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 3 μm, and most preferably 0.1 μm to 1 μm in order to increase the electrode reaction area.
The average particle size of the solid electrolyte powder contained in the electrode layer precursor is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 1 μm, and most preferably 0.1 μm to 0.6 μm in order to increase the reaction area.
The average particle size of the electron conduction aid powder is preferably 10 nm to 3 μm, more preferably 10 nm to 1 μm, most preferably 10 nm to 50 nm in order to increase the conductivity. The average particle size is D50 when measured by a laser diffraction method. Specifically, a value measured with a particle size analyzer Microtrac MT3300EXII manufactured by Nikkiso Co., Ltd. or a submicron particle analyzer N5 manufactured by Beckman Coulter, Inc. can be used. The average particle diameter is a value expressed on a volume basis.

電極活物質の粒子に被覆層を形成するためには、電極層前駆体の原料粉末の表面に被覆層となる物質を被覆して、これを電極材料粉末とすることが好ましい。例えば電極活物質粒子の表面に炭素を被覆する場合、電極活物質とスクロースやグルコースなどの糖類の水溶液を混合しながら水分を乾燥し、黒鉛坩堝内、不活性雰囲気下で熱処理すれば良い。   In order to form the coating layer on the particles of the electrode active material, it is preferable to coat the surface of the raw material powder of the electrode layer precursor with a substance that becomes the coating layer, and to use this as the electrode material powder. For example, when the surface of the electrode active material particles is coated with carbon, the water is dried while mixing the electrode active material and an aqueous solution of saccharides such as sucrose and glucose, and heat treatment is performed in a graphite crucible in an inert atmosphere.

電極層前駆体や固体電解質層前駆体は上述の原料粉末を加圧成形したものでも良いが、薄板状や任意の形状に成形し易い点でグリーンシートを前駆体とすることが好ましい。
ここでグリーンシートとは、焼成前のガラス、ガラスセラミックス、セラミックス等の粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤等を混合してスラリーとし、当該スラリーを薄板状に成形後、溶剤を揮発させた未焼成体を意味することができる。この成形は、ドクターブレードやカレンダ法、スピンコートやディップコーティングなどの塗布法、印刷法、ダイコーター法、スプレー法等により行うことができる。焼成前のグリーンシートは柔軟であり、任意の形状に切断することや、積層することも可能である。
The electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor may be formed by pressure-molding the above-mentioned raw material powder, but it is preferable to use a green sheet as a precursor because it can be easily formed into a thin plate shape or an arbitrary shape.
Here, the green sheet is a mixture of an organic binder, a plasticizer, a solvent, and the like mixed with powder before firing, glass, glass ceramics, ceramics, etc. to form a slurry, and after forming the slurry into a thin plate shape, the solvent is volatilized. It can mean a fired body. This molding can be performed by a doctor blade, a calendar method, a coating method such as spin coating or dip coating, a printing method, a die coater method, a spray method, or the like. The green sheet before firing is flexible and can be cut into an arbitrary shape or laminated.

有機バインダーとしては、プレス成形やラバープレス、押し出し成形、射出成形用の成形助剤として市販されている汎用のバインダーを用いることができる。具体的には、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチルメタアクリレート、ビニル系の共重合物等を用いることができる。有機バインダーの含有量の下限値は、シート形状を維持させやすくするため、電極活物質粉体、固体電解質粉体、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して1重量%以上とすることが好ましく、3重量%以上とすることがより好ましく、5重量%以上とすることが最も好ましい。   As the organic binder, a general-purpose binder commercially available as a molding aid for press molding, rubber press, extrusion molding, or injection molding can be used. Specifically, acrylic resin, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, methacrylic resin, urethane resin, butyl methacrylate, vinyl copolymer and the like can be used. The lower limit of the content of the organic binder is 1% by weight with respect to the amount of the mixed slurry composed of the electrode active material powder, the solid electrolyte powder, the organic binder, the plasticizer, the solvent, etc. in order to easily maintain the sheet shape. Preferably, the content is preferably 3% by weight or more, and more preferably 5% by weight or more.

また、有機バインダーの含有量の上限値は、脱脂後の空隙を低減させやすくするため、混合スラリーの量に対して50重量%以下とすることが好ましく、40重量%以下とすることがより好ましく、30重量%以下とすることが最も好ましい。   Further, the upper limit of the content of the organic binder is preferably 50% by weight or less, more preferably 40% by weight or less with respect to the amount of the mixed slurry in order to easily reduce voids after degreasing. 30% by weight or less is most preferable.

溶剤は粉体を均質に分散する為に用いてもよい。溶剤としてはPVA、IPA、ブタノール、トルエン、キシレン、アセトニトリル、NMPなど公知の材料を使用することができるが、環境の点でアルコール若しくは水が好ましい。更に均質で緻密な固体電解質を得るために、電極活物質や固体電解質粉末、有機バインダーと共に分散剤を適量添加することも可能であり、混合乾燥時の泡抜きを良好にするための界面活性剤などを適量添加することも可能である。   A solvent may be used to uniformly disperse the powder. As the solvent, known materials such as PVA, IPA, butanol, toluene, xylene, acetonitrile, NMP can be used, but alcohol or water is preferable from the viewpoint of environment. In order to obtain a more homogeneous and dense solid electrolyte, an appropriate amount of a dispersant can be added together with an electrode active material, a solid electrolyte powder, and an organic binder, and a surfactant for improving foam removal during mixing and drying. It is also possible to add an appropriate amount.

また、グリーンシートには、Liを含む無機化合物を同時に含有する事も可能である。これは、Liを含む無機化合物が焼結助剤(バインダー)として働き、焼結時に粒子同士を結合させる働きを持つ。Liを含む無機化合物としてはLiPO、LiPO、LiI、LiN、LiO、Li、LiF等が挙げられる。 In addition, the green sheet can contain an inorganic compound containing Li at the same time. This is because an inorganic compound containing Li functions as a sintering aid (binder) and has a function of bonding particles during sintering. Examples of the inorganic compound containing Li include Li 3 PO 4 , LiPO 3 , LiI, LiN, Li 2 O, Li 2 O 2 , and LiF.

グリーンシートの成形はドクターブレード法、カレンダ法等の公知の方法を用い、シート状に成形する。成形後のグリーンシートの厚みの下限値は、乾燥工程において内部の残溶媒量をできるだけ少なくし表面にクラックを生じさせないようにするため、300μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が最も好ましい。また、グリーンシートの厚みの下限値は安定したハンドリング性をもたせるため1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上が最も好ましい。更に必要に応じて任意の形状に加工してもよい。焼成後の固体電解質、電極等を所望の厚みとするために、同種のグリーンシートを積層してもよい。また焼成後の固体電解質の緻密性をより向上させる為に、グリーンシートをロールプレスや一軸、等方加圧等により加圧しても良い。   The green sheet is formed into a sheet using a known method such as a doctor blade method or a calendar method. The lower limit of the thickness of the green sheet after molding is preferably 300 μm or less, more preferably 150 μm or less, and most preferably 100 μm or less in order to minimize the amount of residual solvent in the drying step and prevent cracks on the surface. preferable. Further, the lower limit of the thickness of the green sheet is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and most preferably 10 μm or more in order to provide stable handling properties. Furthermore, you may process into arbitrary shapes as needed. In order to obtain the desired thickness of the solid electrolyte, electrode, and the like after firing, the same type of green sheets may be laminated. In order to further improve the density of the solid electrolyte after firing, the green sheet may be pressed by a roll press, uniaxial, isotropic pressurization, or the like.

正極、固体電解質、負極それぞれのグリーンシートを積層する場合、積層後のグリーンシートの厚みの上限値は焼成時間の短縮のため2mm以下が好ましく、1mm以下がより好ましく、800μm以下が最も好ましい。また、グリーンシートの厚みの下限値はうねり度低減のため30μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましく、200μm以上が最も好ましい。また、グリーンシートの積層体が焼成される際に撓んだり破損することを防ぐ為に、これらのグリーンシートを支持体上に積層して焼成しても良い。   When the green sheets of the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode are laminated, the upper limit of the thickness of the green sheet after lamination is preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less, and most preferably 800 μm or less for shortening the firing time. Further, the lower limit of the thickness of the green sheet is preferably 30 μm or more, more preferably 100 μm or more, and most preferably 200 μm or more in order to reduce the degree of undulation. Further, in order to prevent the green sheet laminate from being bent or damaged when fired, these green sheets may be laminated on the support and fired.

電極層前駆体を焼成する際の最高温度は750℃〜1100℃が好ましく、900℃〜1050℃がより好ましく、950℃〜1000℃が最も好ましい。
固体電解質層前駆体を焼成する際の最高温度は850℃〜1100℃が好ましく、900℃〜1050℃がより好ましく、950℃〜1000℃が最も好ましい。
The maximum temperature when firing the electrode layer precursor is preferably 750 ° C to 1100 ° C, more preferably 900 ° C to 1050 ° C, and most preferably 950 ° C to 1000 ° C.
The maximum temperature when firing the solid electrolyte layer precursor is preferably 850 ° C to 1100 ° C, more preferably 900 ° C to 1050 ° C, and most preferably 950 ° C to 1000 ° C.

電極層前駆体を焼成する工程、または少なくとも1つの電極層前駆体を含む電極層前駆体と固体電解質層前駆体の積層体を焼成する工程においては、N、H、He、Ar、CO、CO、CHから選ばれる少なくとも1種のガスを含む雰囲気で焼成することが好ましい。このような雰囲気とすることで、保護層の変質や焼失を抑制し、保護層が固体電解質や電極活物質の分解反応を抑制する効果が得やすくなる。 In the step of firing the electrode layer precursor, or the step of firing the laminate of the electrode layer precursor containing at least one electrode layer precursor and the solid electrolyte layer precursor, N 2 , H 2 , He, Ar, CO Firing in an atmosphere containing at least one gas selected from 2 , CO, and CH 4 is preferred. By setting it as such an atmosphere, it becomes easy to acquire the effect which suppresses the quality change and burning of a protective layer, and a protective layer suppresses the decomposition reaction of a solid electrolyte or an electrode active material.

上記の他、焼成雰囲気の酸素分圧を低減させることを可能にする材料からなる成形体を電極層前駆体に接触させながら焼成する工程によっても保護層の変質や焼失を抑制し、保護層の材料が電極活物質と固体電解質の分解反応を抑制する効果が得やすくなる。これは上述のガスを含む雰囲気で焼成すると共に行っても良い。
酸素分圧を低減させることを可能にする材料とは、雰囲気中の酸素と燃焼反応を起こすことが可能な材料であることが好ましい。具体的には炭素系材料あるいは、炭素系材料に金属粒子を分散させたシートであることが好ましく、グラファイトからなるセッター、あるいはFeの微粒子を分散させたグラファイトからなるセッターが最も好ましい。
In addition to the above, the protective layer can be prevented from being altered or burned by the step of firing while the molded body made of a material that can reduce the oxygen partial pressure in the firing atmosphere is in contact with the electrode layer precursor. The material can easily obtain an effect of suppressing the decomposition reaction between the electrode active material and the solid electrolyte. This may be performed while firing in an atmosphere containing the gas described above.
The material capable of reducing the oxygen partial pressure is preferably a material capable of causing a combustion reaction with oxygen in the atmosphere. Specifically, a carbon material or a sheet in which metal particles are dispersed in a carbon material is preferable, and a setter made of graphite or a setter made of graphite in which Fe fine particles are dispersed is most preferable.

焼結後の電極層の厚さは電極層中のイオン移動抵抗と電池容量のバランスから5μm〜1mmが好ましく、10μm〜500μmがより好ましく、20〜100μmが最も好ましい。一方の電極(例えば負極)に支持体としての機能を付与させる場合は電極の厚さは2mmを上限としても良い。
焼結後の固体電解質層の厚さは、負極と正極を隔離することができれば十分であり薄いほうが好ましいが、機械的強度との兼ね合いからに1μm〜100μmが好ましく、1μm〜50μmがより好ましく、1〜20μmが最も好ましい。
The thickness of the electrode layer after sintering is preferably 5 μm to 1 mm, more preferably 10 μm to 500 μm, and most preferably 20 to 100 μm from the balance of the ion transfer resistance in the electrode layer and the battery capacity. In the case where one electrode (for example, the negative electrode) is provided with a function as a support, the thickness of the electrode may be 2 mm as an upper limit.
The thickness of the solid electrolyte layer after sintering is sufficient if the negative electrode and the positive electrode can be separated, and is preferably thinner, but is preferably 1 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 50 μm in view of mechanical strength. Most preferred is 1 to 20 μm.

以下、本発明に係る全固体リチウムイオン電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。
[リチウムイオン伝導ガラスセラミックスの作製]
原料としてHPO、Al(PO、LiCO、SiO、TiOを使用し、これらを酸化物換算のmol%でPを35.0%、Alを7.5%、LiOを15.0%、TiOを38.0%、SiOを4.5%といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中1500℃でガラス融液を撹拌しながら4時間加熱熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状ガラスを得た。
前記フレーク状ガラスをそれぞれラボスケールのジェットミルにより粉砕して、ジルコニア製の回転ローラーにより分級を行い、平均粒子径20μmの粉末とした。この粉末を遊星ボールミル、アトライター、ビーズミル等で更に粉砕し、平均粒子径0.6μmを有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの原ガラス粉末(以後原ガラス粉末とする)を得た。
Hereinafter, the all-solid-state lithium ion battery according to the present invention will be described with specific examples.
[Production of lithium ion conductive glass ceramics]
H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , and TiO 2 are used as raw materials, and these are mol% in terms of oxide, P 2 O 5 is 35.0%, Al 2 O 3 is 7.5%, Li 2 O is 15.0%, TiO 2 is 38.0% and SiO 2 is 4.5%. The glass melt was heated and melted at 1500 ° C. for 4 hours in an electric furnace while stirring. Thereafter, the glass melt was dropped into running water to obtain flaky glass.
Each of the flaky glasses was pulverized by a lab scale jet mill and classified by a zirconia rotating roller to obtain a powder having an average particle diameter of 20 μm. This powder was further pulverized with a planetary ball mill, an attritor, a bead mill, etc. to obtain an original glass powder of lithium ion conductive glass ceramics (hereinafter referred to as an original glass powder) having an average particle diameter of 0.6 μm.

[リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス基板の作製]
原ガラス粉末に、水に分散させたアクリル樹脂に分散剤を添加し、ボールミルで12時間に亘り撹拌することでスラリーを調製した。このスラリーにおけるガラス微粒子の含有量は65.5質量%であり、アクリル樹脂の含有量は13.5質量%であった。かかるスラリーを、ドクターブレード法で離型処理を施したPETフィルム上に厚み20μmで成形し、80℃にて一次乾燥を、更に95℃で二次乾燥を行うことで、シート状物を得た。
PETフィルムを剥離した後のシート状物26枚を重畳し、等方加圧装置(CIP)を用いて196.1MPaにて10分間に亘り加圧を行うことで、緻密なグリーンシートを作製した。
グリーンシートをφ59.5mmに切り出し、1000℃で1時間焼成した。そして、焼成処理物をX線回折法で調査したところ、主結晶相がLi1+x+yAlTi2−xSi3−y12(式中、0≦x≦0.4、0<y≦0.6)であることが確認された。また、インピーダンス測定を行って求めたイオン伝導度は2.0×10−4Scm−1であった。厚さは380μm、直径はφ50mmであった。
[Preparation of Lithium Ion Conductive Glass Ceramic Substrate]
To the raw glass powder, a dispersant was added to an acrylic resin dispersed in water, and a slurry was prepared by stirring with a ball mill for 12 hours. The content of glass fine particles in this slurry was 65.5% by mass, and the content of acrylic resin was 13.5% by mass. Such a slurry was molded to a thickness of 20 μm on a PET film which had been subjected to a release treatment by the doctor blade method, and was subjected to primary drying at 80 ° C. and further secondary drying at 95 ° C. to obtain a sheet-like material. .
A dense green sheet was prepared by superimposing 26 sheets after peeling the PET film and applying pressure at 196.1 MPa for 10 minutes using an isotropic pressure device (CIP). .
The green sheet was cut into 59.5 mm and fired at 1000 ° C. for 1 hour. When the fired product was examined by X-ray diffraction, the main crystal phase was Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6) was confirmed. Moreover, the ionic conductivity obtained by performing impedance measurement was 2.0 × 10 −4 Scm −1 . The thickness was 380 μm and the diameter was 50 mm.

[正極活物質、負極活物質の前処理]
(正極活物質の処理)
表1に記載の各正極活物質それぞれについて、表面処理を行った。正極活物質10gに変性エタノール40g、10mmのジルコニアボール(YTZボール、東ソー)を200g、250ccジルコニアポットに入れ、遊星ボールミルにて250rpm100分間粉砕処理を行った。その後、ジルコニアボールを0.5mm、300gに変更して、300rpm、100分間粉砕処理をおこなった。粉砕後の試料粒子径はD50で0.5μmであった。
粉砕試料に20重量%スクロース溶液2.5gを加え、乳鉢で混合、乾燥後に炭素坩堝に入れ、上方にグラファイト粉末の入った皿を配置し、N雰囲気下600℃ 3時間焼成した。
[Pretreatment of positive electrode active material and negative electrode active material]
(Treatment of positive electrode active material)
Each positive electrode active material described in Table 1 was subjected to surface treatment. 10 g of the positive electrode active material, 40 g of denatured ethanol, 200 g of 10 mm zirconia balls (YTZ balls, Tosoh) were placed in a 250 cc zirconia pot, and pulverized at 250 rpm for 100 minutes in a planetary ball mill. Thereafter, the zirconia balls were changed to 0.5 mm and 300 g, and pulverization was performed at 300 rpm for 100 minutes. The sample particle diameter after pulverization was 0.5 μm at D50.
2.5 g of a 20 wt% sucrose solution was added to the pulverized sample, mixed in a mortar, dried, placed in a carbon crucible, a dish containing graphite powder was placed above, and baked at 600 ° C. for 3 hours in an N 2 atmosphere.

(負極活物質の処理)
負極活物質LiTi12について表面処理を行った。負極活物質10g(石原産業株式会社製・LC855−17C、D50 20μm)に20重量%スクロース溶液2.5gを加え、乳鉢で混合、乾燥後に炭素坩堝に入れ、上方にグラファイト粉末の入った皿を配置し、N雰囲気下600℃、3時間焼成した。
(Treatment of negative electrode active material)
The negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12 was subjected to surface treatment. Add 2.5g of 20wt% sucrose solution to 10g of negative electrode active material (Ishihara Sangyo Co., Ltd., LC855-17C, D50 20µm), mix in a mortar, dry and place in a carbon crucible. And firing at 600 ° C. for 3 hours under N 2 atmosphere.

[電極スラリーの作製とセルの焼成]
表1に示すように、表面処理をした各正極活物質と、原ガラス粉末、電子伝導助剤(カーボン・ナノファイバー、VGCF(登録商標)昭和電工株式会社製)、バインダー(オリコックスKC250、共栄化学)、分散剤(フローレンG700、共栄化学)、溶剤(変性エタノール、和光純薬)を混合し、正極スラリーを6種類作製した。
上記において焼成した直径50mmのリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス基板の片面に各正極スラリーを塗布、基板周縁部のスラリーをウエスでふき取り大気放置でスラリーを乾燥させた後、表1に示す焼成温度でN雰囲気下10分間焼成した。
正極スラリーに含まれる原ガラス粉末は焼成後にリチウムイオン伝導性の固体電解質となった。
[Preparation of electrode slurry and firing of cell]
As shown in Table 1, each surface-treated positive electrode active material, raw glass powder, electron conduction aid (carbon nanofiber, manufactured by VGCF (registered trademark) Showa Denko KK), binder (Oricox KC250, Kyoei) Chemistry), a dispersant (Floren G700, Kyoei Chemical) and a solvent (modified ethanol, Wako Pure Chemical Industries) were mixed to prepare six types of positive electrode slurries.
Each positive electrode slurry was applied to one side of a 50 mm diameter lithium ion conductive glass ceramic substrate fired in the above, and the slurry at the peripheral edge of the substrate was wiped with a waste cloth and allowed to dry in the atmosphere. Baking for 10 minutes in 2 atmospheres.
The raw glass powder contained in the positive electrode slurry became a lithium ion conductive solid electrolyte after firing.

表2に示すように、表面処理をした負極活物質LiTi12と、バインダー(オリコックスKC250、共栄化学)、分散剤(フローレンG700、共栄化学)、溶剤(変性エタノール、和光純薬)を混合し、負極スラリーを作製した。
各正極スラリーを塗布、焼成したリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス基板の反対面に負極スラリーを塗布し、周縁部のスラリーをウエスでふき取り大気放置でスラリーを乾燥させた後、N雰囲気で500℃、10分間焼成した。
As shown in Table 2, the surface-treated negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12 , binder (Oricox KC250, Kyoei Chemical), dispersant (Floren G700, Kyoei Chemical), solvent (modified ethanol, Wako Pure Chemical) ) To prepare a negative electrode slurry.
Applying a respective positive electrode slurry, the negative electrode slurry was coated on the opposite surface of the fired lithium ion conductive glass-ceramic substrate, after the slurry of the peripheral portion is dried slurry with air left wiping waste cloth, 500 ° C. in a N 2 atmosphere, Baked for 10 minutes.

厚さ25μmアルミ箔および銅箔を幅5mm長さ35mmのリードをつけたφ45の円形にくり貫き集電体とした。アルミ箔の集電体を正極側に、銅箔の集電体を負極側に配置し、真空パックの圧着により正極と正極集電体、負極と負極集電体間を接触させた。   An aluminum foil and a copper foil having a thickness of 25 μm were cut into a circular shape of φ45 with a lead having a width of 5 mm and a length of 35 mm to obtain a current collector. The aluminum foil current collector was disposed on the positive electrode side, and the copper foil current collector was disposed on the negative electrode side, and the positive electrode and the positive electrode current collector were brought into contact with each other by vacuum bonding.

[充放電試験]
作製した6種類の電池について、CC−CV充電を行った。充電電圧が6Vとなるまで充電レート0.1Cで充電し、その後充電電圧6Vを維持しながら、充電容量が理論容量に達したところで充電を終了した。充電後、CC放電を行った。放電レート0.025Cで放電し、放電電圧が0.01Vとなった時点で放電を終了した。前記充電、放電を1サイクルとし、4サイクルの充放電を行い、5サイクル目の充電終了後に開回路電圧を測定した。充放電の環境温度時の環境温度及び測定温度は120℃とした。
[Charge / discharge test]
CC-CV charge was performed about 6 types of produced batteries. The battery was charged at a charging rate of 0.1 C until the charging voltage reached 6 V, and then the charging was terminated when the charging capacity reached the theoretical capacity while maintaining the charging voltage of 6 V. After charging, CC discharge was performed. The battery was discharged at a discharge rate of 0.025C, and the discharge was terminated when the discharge voltage reached 0.01V. The charge and discharge were set as one cycle, and charge / discharge of 4 cycles was performed, and the open circuit voltage was measured after completion of the charge of the 5th cycle. The environmental temperature and the measurement temperature at the environmental temperature of charge / discharge were 120 ° C.

[結果]
正極活物質と充放電容量の関係を表3と図1に示す。Li1−xMNPOの正極活物質いずれもが、高い開回路電圧と高い放電容量を示した。
[result]
The relationship between the positive electrode active material and the charge / discharge capacity is shown in Table 3 and FIG. All of the Li 1-x MNPO 4 positive electrode active materials showed high open circuit voltage and high discharge capacity.

(正極活物質の比較例)
正極活物質に、Li1.3−xMPO以外の材料としてLiCoO、LiNiO、LiMnを用いた場合の評価を実施した。
表4に示すように、各正極活物質と、原ガラス粉末、電子伝導助剤(カーボン・ナノファイバー、VGCF(登録商標)昭和電工株式会社製)、バインダー(オリコックスKC250、共栄化学)、分散剤(フローレンG700、共栄化学)、溶剤(変性エタノール、和光純薬)を混合し、正極スラリーを3種類作製した。
上記実施例において焼成した直径50mmのリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス基板の片面に各正極スラリーを塗布、基板周縁部のスラリーをウエスでふき取り大気放置でスラリーを乾燥させた後、表4に示す焼成温度でN雰囲気下10分間焼成した。
正極スラリーに含まれる原ガラス粉末は焼成後にリチウムイオン伝導性の固体電解質となった。
(Comparative example of positive electrode active material)
Evaluation was performed when LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 were used as the positive electrode active material as a material other than Li 1.3-x A y MPO 4 .
As shown in Table 4, each positive electrode active material, raw glass powder, electron conduction aid (carbon nanofiber, VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko KK), binder (Oricox KC250, Kyoei Chemical), dispersion An agent (Floren G700, Kyoei Chemical) and a solvent (modified ethanol, Wako Pure Chemical Industries) were mixed to prepare three types of positive electrode slurries.
Each positive electrode slurry was applied to one side of a 50 mm diameter lithium ion conductive glass ceramic substrate fired in the above examples, the slurry at the periphery of the substrate was wiped off with a waste cloth, and the slurry was allowed to stand in the air. And baked in an N 2 atmosphere for 10 minutes.
The raw glass powder contained in the positive electrode slurry became a lithium ion conductive solid electrolyte after firing.

上記実施例の表2と同様に、表面処理をした負極活物質LiTi12と、バインダー(オリコックスKC250、共栄化学)、分散剤(フローレンG700、共栄化学)、溶剤(変性エタノール、和光純薬)を混合し、負極スラリーを作製した。
各正極スラリーを塗布、焼成したリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス基板の反対面に負極スラリーを塗布し、周縁部のスラリーをウエスでふき取り大気放置でスラリーを乾燥させた後、N雰囲気で500℃10分間焼成した。
作製した3種類の電池について、CC−CV充電を行った。充電電圧が4Vとなるまで充電レート0.1Cで充電し、その後充電電圧4Vを維持しながら、充電容量が理論容量に達したところで充電を終了した。充電後、CC放電を行った。放電レート0.025Cで放電し、放電電圧が0.01Vとなった時点で放電を終了した。前記充電、放電を1サイクルとし、4サイクルの充放電を行い、5サイクル目の充電終了後に開回路電圧を測定した。充放電の環境温度時の環境温度及び測定温度は120℃とした。
評価結果を表5に示す。もっとも高い開回路電圧を示したLiCoOでも充電後の開回路電圧は0.4Vであり、放電も確認できなかった。正極活物質の機能は認められなかった。
Similarly to Table 2 of the above-mentioned Examples, the surface-treated negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12 , a binder (Oricox KC250, Kyoei Chemical), a dispersant (Floren G700, Kyoei Chemical), a solvent (modified ethanol, Wako Pure Chemical) was mixed to prepare a negative electrode slurry.
The negative electrode slurry was applied to the opposite surface of the lithium ion conductive glass ceramic substrate coated and fired with each positive electrode slurry, the slurry at the peripheral edge was wiped off with a waste cloth, and the slurry was dried in the atmosphere, and then at 500 ° C. in an N 2 atmosphere. Baked for minutes.
CC-CV charge was performed about three types of produced batteries. The battery was charged at a charge rate of 0.1 C until the charge voltage reached 4 V, and then the charge was terminated when the charge capacity reached the theoretical capacity while maintaining the charge voltage of 4 V. After charging, CC discharge was performed. The battery was discharged at a discharge rate of 0.025C, and the discharge was terminated when the discharge voltage reached 0.01V. The charge and discharge were set as one cycle, and charge / discharge of 4 cycles was performed, and the open circuit voltage was measured after completion of the charge of the 5th cycle. The environmental temperature and the measurement temperature at the environmental temperature of charge / discharge were 120 ° C.
The evaluation results are shown in Table 5. Even in LiCoO 2 which showed the highest open circuit voltage, the open circuit voltage after charging was 0.4 V, and discharge could not be confirmed. The function of the positive electrode active material was not recognized.

(電解質と正極活物質の比率の検討)
電極中の固体電解質と正極活物質の比率を替え、それ以外は上記実施例と同様に電池を作製し、放電容量を測定した。使用した電極活物質はLiFePOとした。結果を表6に示す。
(Examination of the ratio of electrolyte to positive electrode active material)
Batteries were prepared in the same manner as in the above Example except that the ratio between the solid electrolyte and the positive electrode active material in the electrode was changed, and the discharge capacity was measured. The electrode active material used was LiFePO 4 . The results are shown in Table 6.

固体電解質/正極活物質比が9/1を超えると、焼結時において正極活物質が拡散により電極中の固体電解質に埋没し、その結果、放電容量が急激に低下し、電池としての出力が期待できなくなる。
固体電解質/正極活物質比が1/9未満であると、焼成時の反応によって、電極中で機能する固体電解質がほぼ消失してしまうことにより、急激に放電容量が低下し、電池としての機能が期待できなくなる。










When the solid electrolyte / positive electrode active material ratio exceeds 9/1, the positive electrode active material is buried in the solid electrolyte in the electrode due to diffusion during sintering, and as a result, the discharge capacity rapidly decreases, and the output as a battery is reduced. You can't expect.
When the ratio of solid electrolyte / positive electrode active material is less than 1/9, the solid electrolyte that functions in the electrode is almost lost due to the reaction during firing, so that the discharge capacity is drastically reduced and the battery functions. Cannot be expected.










Claims (5)

無機固体からなる正極層、電解質層および負極層を含む全固体リチウムイオン電池であって、前記正極層にLi1.3−x Al NiPOである正極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、前記リチウムイオン伝導性の固体電解質はLi0.8+x+z2−jSi3−z12の結晶を含み、前記固体電解質の前記正極活物質に対する質量比の値が1/9以上9以下である全固体リチウムイオン電池。
但し、前記Li 1.3−x Al NiPO の式中、xは0≦x≦0.5、yは0.05≦y≦0.5を満たし、前記Li 0.8+x+z 2−j Si 3−z 12 の式中、x、y、zは0≦x≦0.8、0≦z≦0.6、yは0≦y≦0.6、jは0≦j≦0.6を満たし、EはAl、Gaから選ばれる1種以上、GはGe、Ti、Zr、Y、Scから選ばれる1種類以上である。
An all solid lithium ion battery including a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer made of an inorganic solid, wherein the positive electrode layer includes a positive electrode active material that is Li 1.3-x Al y Ni PO 4 and a lithium ion conductive solid. contains an electrolyte, the lithium ion conductive solid electrolyte comprises a crystal of Li 0.8 + x + z E y G 2-j Si z P 3-z O 12, the mass ratio relative to the positive electrode active material of the solid electrolyte All-solid-state lithium ion battery whose value is 1/9 or more and 9 or less.
However, in the formula of Li 1.3-x Al y NiPO 4 , x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0.05 ≦ y ≦ 0.5, and Li 0.8 + x + z E y G 2 -j Si z P 3-z wherein the O 12, x, y, z is 0 ≦ x ≦ 0.8,0 ≦ z ≦ 0.6, y is 0 ≦ y ≦ 0.6, j is 0 ≦ j ≦ 0.6 is satisfied, E is one or more selected from Al and Ga, and G is one or more selected from Ge, Ti, Zr, Y, and Sc.
前記正極活物質が炭素で被覆されている請求項1に記載の全固体リチウムイオン電池。 The all-solid-state lithium ion battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material is coated with carbon. 前記正極層に導電助剤が1質量%以上20質量%以下含まれている請求項1または2に記載の全固体リチウムイオン電池。 The all-solid-state lithium ion battery of Claim 1 or 2 with which the conductive support agent is contained in the said positive electrode layer 1 mass% or more and 20 mass% or less. 前記負極層にLiTi5−x12である負極活物質とリチウムイオン伝導性の固体電解質が含まれており、前記固体電解質の前記負極活物質に対する質量比の値が1/9以上10以下である請求項1から3のいずれかに記載の全固体リチウムイオン電池。
但し、xは0≦x≦0.5、yは0≦y≦0.5を満たし、RはMg、Al、Wから選ばれる1種以上である。
The negative electrode layer includes a negative electrode active material that is Li 4 Ti 5-x R y O 12 and a lithium ion conductive solid electrolyte, and the mass ratio of the solid electrolyte to the negative electrode active material is 1/9. The all solid lithium ion battery according to any one of claims 1 to 3, which is 10 or more.
However, x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.5, y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.5, and R is one or more selected from Mg, Al, and W.
前記負極活物質が炭素で被覆されている請求項4に記載の全固体リチウムイオン電池。 The all-solid-state lithium ion battery of Claim 4 with which the said negative electrode active material is coat | covered with carbon.
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