JP6943023B2 - Laminated green sheet, all-solid-state secondary battery and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、全固体二次電池積層体、及び全固体二次電池積層体を製造するために使用される積層体グリーンシートに関する技術である。 The present invention is a technique relating to an all-solid-state secondary battery laminate and a laminate green sheet used for producing an all-solid-state secondary battery laminate.
近年は、パーソナルコンピュータ(PC)やスマートフォン等に代表される小型電子機器の高機能化に伴い、小型電子機器の消費電力が増大している。また、ハイブリッド車や電気自動車等の車載用途や、家庭用蓄電池等の定置用途の需要拡大が進んでいる。それに伴い、二次電池に対して更なる高エネルギー密度化への要求が加速している。
更に現在、上記用途に用いられているリチウムイオン二次電池は、有機電解液を使用しており、使用状況によっては電解液の漏液、発火等の可能性があるため、安全性向上が求められている。
In recent years, the power consumption of small electronic devices has been increasing along with the sophistication of small electronic devices represented by personal computers (PCs) and smartphones. In addition, demand for in-vehicle applications such as hybrid vehicles and electric vehicles and stationary applications such as household storage batteries is increasing. Along with this, the demand for higher energy density for secondary batteries is accelerating.
Furthermore, the lithium-ion secondary battery currently used for the above-mentioned applications uses an organic electrolytic solution, and depending on the usage conditions, the electrolytic solution may leak or ignite, so improvement in safety is required. Has been done.
これに対し、全固体二次電池は、有機電解液を使用せず、固体材料のみで構成されていることから、漏液、発火の可能性が低く、安全性に優れており、ポストリチウムイオン二次電池として有望である。
しかしながら、現在実用化されている全固体二次電池は、薄膜全固体二次電池のみであり、エネルギー密度が小さい。更に、正極層、固体電解質層、負極層を、蒸着法、スパッタ法により作製しているため、全固体二次電池を減圧雰囲気下で製造する必要があり、大面積化、大量生産には不適である。
On the other hand, the all-solid-state secondary battery does not use an organic electrolyte and is composed only of a solid material, so that there is a low possibility of liquid leakage and ignition, and it is excellent in safety and post-lithium ion. It is promising as a secondary battery.
However, the only all-solid-state secondary battery currently in practical use is a thin-film all-solid-state secondary battery, which has a low energy density. Furthermore, since the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are manufactured by a vapor deposition method and a sputtering method, it is necessary to manufacture an all-solid secondary battery in a reduced pressure atmosphere, which is not suitable for large area and mass production. Is.
また、活物質及び固体電解質有する電極層を焼成することで、活物質と固体電解質が反応し、界面に異なる結晶構造を有する変質層が生成する。この変質層が、両者間を跨ぐLiイオン伝導を阻害している。
これに対し、特許文献1には、活物質粒子表面に、C単体、Cu単体、Ni単体、Fe単体、Ni0.9Mg0.1合金で被覆することで変質層の生成が抑制されるとの記載がある。
Further, by firing the electrode layer having the active material and the solid electrolyte, the active material and the solid electrolyte react with each other to form an altered layer having a different crystal structure at the interface. This altered layer inhibits Li ion conduction across the two.
On the other hand,
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、被覆層自体が電池反応に無関係な物質であるため、被覆層の分だけエネルギー密度が下がる。また、被覆層の分だけコスト増大につながる。そればかりか、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムといった汎用的な材料を使用した場合、特許文献1の手法では変質層を生成してしまうといった課題がある。
本発明は、焼成時の結晶構造変化を抑制して、エネルギー密度が向上した全固体二次電池を提供することを目的とする。
However, in the method described in
An object of the present invention is to provide an all-solid-state secondary battery having an improved energy density by suppressing a change in crystal structure during firing.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、ガーネット型結晶構造の固体電解質で複合化された活物質を含む正極、負極層の間に固体電解質層を有する積層体グリーンシート、その積層体グリーンシートを用いた全固体二次電池及びそれらの製造方法に想到した。
すなわち、焼成時に、活物質と化学反応し結晶構造変化を起こすことのない酸化物固体電解質で被覆された活物質(以下、複合粒子とも呼ぶ)を採用することで、焼成時に各層内、各層間で結晶構造変化を起こすことが無く、変質層の生成が抑えられる。これによって、変質層による界面抵抗の上昇が抑制された全固体二次電池の作製が出来ることを見出した。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have conducted a laminated green sheet having a solid electrolyte layer between the positive electrode and negative electrode layers containing an active material composited with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure. , I came up with an all-solid secondary battery using the laminated green sheet and a method for manufacturing them.
That is, by adopting an active material (hereinafter, also referred to as composite particles) coated with an oxide solid electrolyte that does not chemically react with the active material and cause a change in crystal structure during firing, each layer and each layer during firing are used. The crystal structure does not change, and the formation of the altered layer is suppressed. It has been found that this makes it possible to manufacture an all-solid-state secondary battery in which an increase in interfacial resistance due to the altered layer is suppressed.
それだけではなく、活物質と固体電解質があらかじめ複合化されているため、リチウムイオン伝導に有利な界面が形成されている。このことは、全固体二次電池の性能向上に寄与する。
上記のように、複合粒子はイオン伝導が良好なため、正極及び負極層と固体電解質層とイオン伝導度パスを作るための、複合粒子以外に添加する固体電解質の量が減らせる。そのため、体積エネルギー密度が向上する。
Not only that, the active material and the solid electrolyte are pre-combined, so that an interface advantageous for lithium ion conduction is formed. This contributes to improving the performance of the all-solid-state secondary battery.
As described above, since the composite particles have good ionic conductivity, the amount of the solid electrolyte added in addition to the composite particles for forming the ionic conductivity path between the positive electrode and negative electrode layers and the solid electrolyte layer can be reduced. Therefore, the volumetric energy density is improved.
なお、グラファイト負極活物質とガーネット型結晶構造の固体電解質とを有するグリーンシートを焼成した場合に、変質層の生成が抑制される機序は明確ではないものの、後述の実施例のように変質層の生成が抑制されることは確認している。
そして、課題を解決するために、本発明の一態様に係る全固体二次電池は、正極層と、酸化物固体電解質を使用した固体電解質層と、グラファイト負極活物質を含有する負極層とがこの順に積層され、上記正極層は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆された正極活物質を有し、上記グラファイト負極活物質は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆されていることを特徴とする。
Although the mechanism by which the formation of the altered layer is suppressed when the green sheet having the graphite negative electrode active material and the solid electrolyte having a garnet-type crystal structure is fired is not clear, the altered layer is as described in Examples described later. It has been confirmed that the production of graphite is suppressed.
Then, in order to solve the problem, the all-solid secondary battery according to one aspect of the present invention includes a positive electrode layer, a solid electrolyte layer using an oxide solid electrolyte, and a negative electrode layer containing a graphite negative electrode active material. The positive electrode layer is laminated in this order and has a positive electrode active material coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure, and the graphite negative electrode active material is coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure. And.
また、本発明の一態様に係る積層体グリーンシートは、固体電解質層グリーンシートが、グラファイト負極活物質を含有する負極層グリーンシートと正極層グリーンシートで挟持され、上記正極層グリーンシートは、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆された正極活物質を有し、上記グラファイト負極活物質は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆されていることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る全固体二次電池の作製方法は、上の積層体グリーンシートを低酸素雰囲気下で焼成する工程を含む。
Further, in the laminated green sheet according to one aspect of the present invention, the solid electrolyte layer green sheet is sandwiched between the negative electrode layer green sheet containing the graphite negative electrode active material and the positive electrode layer green sheet, and the positive electrode layer green sheet is a garnet. It has a positive electrode active material coated with a solid electrolyte having a type crystal structure, and the graphite negative electrode active material is characterized by being coated with a solid electrolyte having a garnet type crystal structure.
Further, the method for producing an all-solid-state secondary battery according to one aspect of the present invention includes a step of firing the above laminated green sheet in a low oxygen atmosphere.
本発明の一態様によれば、活物質と固体電解質の複合化により、リチウムイオン伝導に有利な界面が形成されるため、エネルギー密度が高く電池性能が良好な全固体二次電池を提供することが出来る。 According to one aspect of the present invention, the composite of the active material and the solid electrolyte forms an interface advantageous for lithium ion conduction, so that an all-solid secondary battery having a high energy density and good battery performance can be provided. Can be done.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率、形状等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, the shape, etc. are different from the actual ones. Further, the embodiments shown below exemplify a configuration for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the materials, shapes, structures, etc. of the constituent parts as follows. It is not something that is specific to something. The technical idea of the present invention may be modified in various ways within the technical scope specified by the claims stated in the claims.
図1に示すように、本実施形態の金属箔集電体付き積層体グリーンシート16は、固体電解質層グリーンシート12が、負極層グリーンシート11と正極層グリーンシート13で挟持されている。更に、負極層グリーンシート11と正極層グリーンシート13における、固体電解質層グリーンシート12に対向しない面に金属箔集電体14が接着している。すなわち、本実施形態の金属箔集電体付き積層体グリーンシート16は、積層体グリーンシート本体が、2枚の金属箔集電体14で挟持された状態となっている。金属箔集電体14は、金属箔集電体14と大気が接触を防止する目的で炭化物被膜のような酸化防止膜が形成されていてもよい。
As shown in FIG. 1, in the laminated
図2は、図1に示す金属箔集電体付き積層体グリーンシート16に対し、加熱脱脂処理及び一括焼成工程を施して製造された全固体二次電池26の構成を示す断面図である。焼成工程は、低酸素雰囲気下で行うことが好ましい。符号24は、焼成済みの金属箔集電体を示す。
また金属箔集電体付き積層体グリーンシート16は、図3に示すように、固体電解質層グリーンシート12に負極層グリーンシート11が積層されて積層体グリーンシート本体が構成され、更に、負極層グリーンシート11における、固体電解質層グリーンシート12に対向しない面に金属箔集電体14が接着した構成となっていても良い。更に、固体電解質層グリーンシート12の上に正極層グリーンシート13が形成されていても良い。本実施形態の金属箔集電体付き積層体グリーンシート16は、積層体グリーンシート本体として、少なくとも固体電解質層グリーンシート12及び負極層グリーンシート11を有していればよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an all-solid-state
Further, in the laminated
図3に示す金属箔集電体付き積層体グリーンシート16から全固体二次電池26を製造する場合には、例えば、金属箔集電体付き積層体グリーンシート16に対し、加熱脱脂処理及び一括焼成工程を施した後に、積層体グリーンシート16の状態で金属箔集電体14を設けなかった固体電解質層22の上に、正極層25(図4ではLi箔)および金属箔集電体14をこの順で貼り付けることで、全固体二次電池26とする(図4参照)。
When the all-solid
また、積層体グリーンシート16は、図5に示すように、金属箔集電体を有しない積層体グリーンシート本体だけから構成されていても良い。この場合、積層体グリーンシート16に対し、加熱脱脂処理及び一括焼成工程を施した後に、集電体34を設ければよい(図6参照)。
本実施形態では、負極層グリーンシート11及び正極層グリーンシート13を形成するスラリーに含有させる活物質粒子を、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆した状態とした複合粒子の状態としてから含有させている。特に、負極活物質としてグラファイト負極活物質を使用し、そのグラファイト負極活物質をガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆した状態で使用した点が本実施形態の特徴の一つである。
以下、各構成要素について説明する。
Further, as shown in FIG. 5, the laminated
In the present embodiment, the active material particles contained in the slurry forming the negative electrode layer
Hereinafter, each component will be described.
(固体電解質層グリーンシート)
固体電解質層グリーンシート12は、酸化物固体電解質とバインダーとを有する、
酸化物固体電解質は、ガーネット型結晶構造の酸化物固体電解質が好ましい。酸化物固体電解質として、焼成後に酸化物固体電解質となるガラス体を含んでいても良い。ボロン、リチウム元素を少なくとも含む固体電解質を有していても良い。ガーネット型結晶構造の固体電解質は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成される複合酸化物であることが好ましい。なお、ボロンを含むことで融点、すなわち焼成温度を下げる効果がある。
(Solid electrolyte layer green sheet)
The solid electrolyte layer
The oxide solid electrolyte is preferably an oxide solid electrolyte having a garnet-type crystal structure. The oxide solid electrolyte may contain a glass body that becomes an oxide solid electrolyte after firing. It may have a solid electrolyte containing at least boron and lithium elements. The solid electrolyte having a garnet-type crystal structure is preferably a composite oxide composed of at least Li, La, Zr and O. The inclusion of boron has the effect of lowering the melting point, that is, the firing temperature.
(正極層グリーンシート)
正極層グリーンシート13は、正極活物質、固体電解質及びバインダーを有する。固体電解質として、焼成後に酸化物固体電解質となるガラス体を含んでいても良い。
正極活物質は、層状岩塩構造の正極活物質が好ましい。固体電解質は、ガーネット型結晶構造の固体電解質が好ましい。固体電解質は、焼成後に固体電解質となるガラス体を含んでいても良い。ボロン、リチウム元素を少なくとも含む固体電解質を有していても良い。ガーネット型結晶構造の固体電解質は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成される複合酸化物であることが好ましい。
導電助剤となる電子伝導性材料を有していても良い。
(Positive electrode layer green sheet)
The positive electrode layer
The positive electrode active material is preferably a positive electrode active material having a layered rock salt structure. The solid electrolyte is preferably a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure. The solid electrolyte may contain a glass body that becomes a solid electrolyte after firing. It may have a solid electrolyte containing at least boron and lithium elements. The solid electrolyte having a garnet-type crystal structure is preferably a composite oxide composed of at least Li, La, Zr and O.
It may have an electronically conductive material that serves as a conductive auxiliary agent.
(負極層グリーンシート)
負極層グリーンシート11は、グラファイト負極活物質、ガーネット型結晶構造の固体電解質及びバインダーを有する。固体電解質として、焼成後に固体電解質となるガラス体を含んでいても良い。ボロン、リチウム元素を少なくとも含む固体電解質を有していても良い。ガーネット型結晶構造の固体電解質は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成される複合酸化物であることが好ましい。
(Negative electrode layer green sheet)
The negative electrode layer
固体電解質のうち、ガーネット型結晶構造を有する固体電解質および、Li、Bを含む固体電解質以外の含有量は、10質量%未満であることが好ましい。より好ましくは、固体電解質のうち、ガーネット型結晶構造を有する固体電解質が90質量%以上である。
導電助剤となる電子伝導性材料を有していても良い。
The content of the solid electrolyte other than the solid electrolyte having a garnet-type crystal structure and the solid electrolyte containing Li and B is preferably less than 10% by mass. More preferably, 90% by mass or more of the solid electrolyte has a garnet-type crystal structure.
It may have an electronically conductive material that serves as a conductive auxiliary agent.
(各グリーンシートに使用されるバインダー)
バインダーは、活物質粒子、固体電解質粒子及び導電助剤と結着し、かつ、後述する焼成条件で分解する材料であれば良く、特に限定されない。バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチルセルロース、アクリル樹脂等を用いることができる。
(Binder used for each green sheet)
The binder is not particularly limited as long as it is a material that binds to the active material particles, the solid electrolyte particles, and the conductive auxiliary agent and decomposes under the firing conditions described later. As the binder, for example, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polyvinyl acetal, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethyl cellulose, acrylic resin and the like can be used.
正極層グリーンシート、固体電解質層グリーンシート及び負極層グリーンシートにおけるバインダーは、3質量部以上40質量部以下であることが望ましい。3質量部より少ない場合、十分な結着をすることできず、40質量部より大きい場合には、電極体積あたりの容量が大きく低下する。より好ましくは3質量部以上25質量部以下である。 The binder in the positive electrode layer green sheet, the solid electrolyte layer green sheet and the negative electrode layer green sheet is preferably 3 parts by mass or more and 40 parts by mass or less. If it is less than 3 parts by mass, sufficient binding cannot be achieved, and if it is larger than 40 parts by mass, the capacitance per electrode volume is greatly reduced. More preferably, it is 3 parts by mass or more and 25 parts by mass or less.
(固体電解質層)
固体電解質層22は、酸化物固体電解質を含んでいる。固体電解質の形状は例えば粒子形状である。
固体電解質層に含まれる固体電解質は、電子伝導性が小さく、リチウムイオン伝導性が高い材料であれば良い。固体電解質としては、例えば、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質の非晶質体(ガラス体)、結晶体、及びガラス体セラミックス等を用いることができる。特に、高温焼成が可能な酸化物系固体電解質が好ましく、NASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型結晶構造の酸化物、酸化物ガラス体等を用いることができる。例えば、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li0.29La0.571TiO3、Li4SiO4−Li3PO4、Li3BO3−Li3PO4、Li7La3Zr2O12、Li3.4V0.6Si0.4O4等を用いることができる。焼成時に、活物質と化学反応して、変質層を生成することがなく、また、リチウムイオン伝導度が高いといった観点から、ガーネット型結晶構造の固体電解質を使用することが好ましい。すなわち、特にガーネット型結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料が好ましく、更にはLi、La、Zrを含む酸化物が好ましく、Li、La、Zrの他に異元素がドープされていてもよい。また、ガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料に加えて、Li、Bを含むリチウムイオン伝導性材料が含まれていてもよい。例えば、Li7La3Zr2O12、Li3BO3、またLi7La3Zr2O12、Li3BO3に異元素がドープされた固体電解質が最適である。
(Solid electrolyte layer)
The
The solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer may be any material having low electron conductivity and high lithium ion conductivity. As the solid electrolyte, for example, an amorphous (glass), crystal, or glass ceramic of an oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte can be used. In particular, an oxide-based solid electrolyte capable of high-temperature firing is preferable, and NASICON-type oxides, perovskite-type oxides, LISION-type oxides, oxides having a garnet-type crystal structure, oxide glass bodies, and the like can be used. For example, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 0.29 La 0.571 TiO 3 , Li 4 SiO 4 −Li 3 PO 4 , Li 3 BO 3 − Li 3 PO 4 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 3.4 V 0.6 Si 0.4 O 4 and the like can be used. It is preferable to use a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure from the viewpoint that it does not chemically react with the active material during firing to form an altered layer and has high lithium ion conductivity. That is, a material having a garnet-type crystal structure and high conductivity of lithium ions is particularly preferable, and an oxide containing Li, La, and Zr is preferable, and even if a foreign element is doped in addition to Li, La, and Zr. good. Further, in addition to a material having a garnet-type crystal structure and high lithium ion conductivity, a lithium ion conductive material containing Li and B may be included. For example, a solid electrolyte in which Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 3 BO 3 and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 3 BO 3 are doped with a foreign element is optimal.
固体電解質層22の厚さは、1μm以上1000μm以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは1μm以上500μm以下の範囲である。固体電解質層22の厚さが1μmよりも薄い場合、正極層23と負極層21とが短絡しやすくなり、全固体二次電池26の性能が低下するだけでなく、安全性も低下する可能性がある。また、固体電解質層グリーンシート12の厚さが1000μmよりも厚い場合、固体電解質層22におけるリチウムイオン等の伝導イオンの移動が阻害されやすくなり、全固体二次電池26の出力が低くなる可能性がある。
The thickness of the
(正極層)
正極層23は、正極活物質と固体電解質を含んでいる。
正極層23に含まれる正極活物質は、リチウム、コバルトを含む材料であればよく、特に限定されない。正極層グリーンシート13は、負極層グリーンシート11に含まれる活物質より貴な電位を示す活物質を正極活物質として含有する。
正極活物質としては、層状岩塩型の結晶構造を有するものであることが好ましく、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(Li(NiCoMn)O2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、又はマンガン酸リチウム(Li(NiCoMn)O2)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)に異元素がドープされたリチウム遷移金属化合物が最適である。このとき、リチウムイオン二次電池で汎用的な材料を全固体二次電池で使用することが好ましく、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を使用することが特に好ましい。
(Positive electrode layer)
The positive electrode layer 23 contains a positive electrode active material and a solid electrolyte.
The positive electrode active material contained in the positive electrode layer 23 may be any material containing lithium and cobalt, and is not particularly limited. The positive electrode layer
The positive electrode active material preferably has a layered rock salt type crystal structure, and is, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel cobalt manganate (Li (NiCoMn) O 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO). 2 ), or a lithium transition metal compound in which a foreign element is doped in lithium manganate (Li (NiComn) O 2 ) or lithium iron oxide (LiFePO 4) is optimal. At this time, it is preferable to use a general-purpose material for the lithium ion secondary battery in the all-solid-state secondary battery, and it is particularly preferable to use lithium cobalt oxide (LiCoO2).
ここで、正極側及び負極側に含有させる活物質粒子は、リチウムイオンを吸蔵・放出することができる材料が使用され、活物質粒子のうち、より貴な電位を示すものを正極活物質粒子として用い、より卑な電位を示すものを負極活物質粒子として用いることができる。
また、正極層23に含まれる固体電解質としては、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料であればよく、特にガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料が好ましく、さらにはLi、La、Zrを含む酸化物が好ましく、Li、La、Zrの他に異元素がドープされていてもよい。また、ガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料に加えて、Li、Bを含むリチウムイオン伝導性材料が含まれていてもよい。例えば、Li7La3Zr2O12、Li3BO3、またLi7La3Zr2O12、Li3BO3に異元素がドープされた固体電解質が最適である。
Here, as the active material particles contained in the positive electrode side and the negative electrode side, a material capable of occluding and releasing lithium ions is used, and among the active material particles, those showing a more noble potential are used as the positive electrode active material particles. Those having a lower potential can be used as the negative electrode active material particles.
The solid electrolyte contained in the positive electrode layer 23 may be any material having low electron conductivity and high lithium ion conductivity, and particularly a material having a garnet-type crystal structure and high lithium ion conductivity. Preferably, an oxide containing Li, La, and Zr is preferable, and a foreign element may be doped in addition to Li, La, and Zr. Further, in addition to a material having a garnet-type crystal structure and high lithium ion conductivity, a lithium ion conductive material containing Li and B may be included. For example, a solid electrolyte in which Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 3 BO 3 and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 3 BO 3 are doped with a foreign element is optimal.
固体電解質のうち、ガーネット型結晶構造を有する固体電解質および、Li、Bを含む固体電解質以外の含有量は、10質量%未満であることが好ましい。10%以上含有された場合には、後に示す全固体電池の製造方法のうち、焼成工程において抵抗層が形成され、電池性能が低下する場合がある。
正極層23は、導電助剤を含有していてもよい。導電助剤としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、導電性炭素材料、特にカーボンブラックや活性炭、カーボン炭素繊維等を用いることができる。
The content of the solid electrolyte other than the solid electrolyte having a garnet-type crystal structure and the solid electrolyte containing Li and B is preferably less than 10% by mass. If it is contained in an amount of 10% or more, a resistance layer may be formed in the firing step in the method for manufacturing an all-solid-state battery described later, and the battery performance may be deteriorated.
The positive electrode layer 23 may contain a conductive auxiliary agent. The conductive auxiliary agent is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, a conductive carbon material, particularly carbon black, activated carbon, carbon carbon fiber, or the like can be used.
正極層23における導電助剤の含有量は、正極活物質の質量に対して0質量%超90質量%未満であることが好ましい。導電助剤の含有量が90質量%以上であると、正極層23中の正極活物質量が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがあるためである。
正極層23は、所望の電池容量に応じて任意の厚さを選択することができる。
正極層23を構成する少なくとも1種類の材料が金属箔集電体14と融着している状態が好ましい。
The content of the conductive auxiliary agent in the positive electrode layer 23 is preferably more than 0% by mass and less than 90% by mass with respect to the mass of the positive electrode active material. This is because if the content of the conductive auxiliary agent is 90% by mass or more, the amount of the positive electrode active material in the positive electrode layer 23 may be insufficient and the lithium storage capacity may decrease.
The thickness of the positive electrode layer 23 can be selected as desired according to the desired battery capacity.
It is preferable that at least one kind of material constituting the positive electrode layer 23 is fused with the metal leaf
例えば正極活物質が金属箔集電体14と融着している状態が好ましい。
その理由は、正極活物質と金属箔集電体14が融着し、密着性が良好なため、正極活物質と金属箔集電体14の間で電子のやり取りがスムーズになる、即ち、抵抗が低減し、電池性能が向上するためである。
For example, it is preferable that the positive electrode active material is fused with the metal leaf
The reason is that the positive electrode active material and the metal leaf
(負極層)
負極層21は、グラファイト負極活物質と、ガーネット型結晶構造の固体電解質とを含んでいる。
グラファイト負極活物質粒子の材料としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト等が例示出来る。
(Negative electrode layer)
The
Examples of the material of the graphite negative electrode active material particles include hard carbon, soft carbon, and graphite.
本実施形態では、負極層21に含まれる主な負極活物質粒子がグラファイト負極活物質粒子であるが、他の負極活物質粒子が含まれていても良い。但し、負極層21に含まれる負極活物質粒子のうち、グラファイト負極活物質粒子が70質量%以上が好ましく、より好ましくは90質量%以上である。
他の負極活物質粒子としては、Sn系合金、Si系合金等の合金材料、LiCoN等の窒化物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、リン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)等のリチウム遷移金属酸化物を用いることができる。
In the present embodiment, the main negative electrode active material particles contained in the
Other negative electrode active material particles include alloy materials such as Sn-based alloys and Si-based alloys, nitrides such as LiCoN, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), and lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 (PO). 4 ) Lithium transition metal oxides such as 3) can be used.
ガーネット型結晶構造の固体電解質は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成される複合酸化物であることが好ましい。
ここで、負極層21に含まれる固体電解質としては、固体電解質層22および正極層23に含まれる固体電解質と同様の材料を用いることができる。負極層21に含まれる固体電解質は、2種以上を混合して用いてもよい。また、負極層21に含まれる固体電解質は、固体電解質層22および正極層23に含まれる固体電解質と同じであってもよく、異なっていてもよい。
The solid electrolyte having a garnet-type crystal structure is preferably a composite oxide composed of at least Li, La, Zr and O.
Here, as the solid electrolyte contained in the
負極層21に含まれる固体電解質としては、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料であればよく、特にガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料が好ましく、さらにはLi、La、Zrを含む酸化物が好ましく、Li、La、Zrの他に異元素がドープされていてもよい。また、ガーネット型の結晶構造を有するリチウムイオンの伝導性が高い材料に加えて、Li、Bを含むリチウムイオン伝導性材料が含まれていてもよい。例えば、Li7La3Zr2O12、Li3BO3、またLi7La3Zr2O12、Li3BO3に異元素がドープされた固体電解質が最適である。
The solid electrolyte contained in the
固体電解質のうち、ガーネット型結晶構造を有する固体電解質および、Li、Bを含む固体電解質以外の含有量は、10質量%未満であることが好ましい。10%以上含有された場合には、後に示す全固体電池の製造方法のうち、焼成工程において抵抗層が形成され、電池性能が低下する場合がある。
負極層21は、導電助剤を含有していてもよい。導電助剤としては、正極層23に含まれる導電助剤と同様に導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、導電性炭素材料、特にカーボンブラックや活性炭、カーボン炭素繊維等を用いることができる。
The content of the solid electrolyte other than the solid electrolyte having a garnet-type crystal structure and the solid electrolyte containing Li and B is preferably less than 10% by mass. If it is contained in an amount of 10% or more, a resistance layer may be formed in the firing step in the method for manufacturing an all-solid-state battery described later, and the battery performance may be deteriorated.
The
負極層21における導電助剤の含有量は、負極活物質の質量に対して0質量%超90質量%未満であることが好ましい。導電助剤の含有量が90質量%以上であると、負極層21中の負極活物質量が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがあるためである。
負極層グリーンシート11は、所望の電池容量に応じて任意の厚さを選択することができる。
The content of the conductive auxiliary agent in the
The thickness of the negative electrode layer
負極層21を構成する少なくとも1種類の材料が金属箔集電体14と融着している状態が好ましい。
例えば負極活物質が金属箔集電体14と融着している状態が好ましい。
その理由は、負極活物質と金属箔集電体14が融着し、密着性が良好なため、負極活物質と金属箔集電体14の間で電子のやり取りがスムーズになる、即ち、抵抗が低減し、電池性能が向上するためである。
It is preferable that at least one kind of material constituting the
For example, it is preferable that the negative electrode active material is fused with the metal leaf
The reason is that the negative electrode active material and the metal leaf
(金属箔集電体)
金属箔集電体14は、正極集電体若しくは負極集電体を構成する。正極集電体および負極集電体は、導電性を有する材料であれば、特に限定されないが、金属箔が好ましい為、本実施形態では、金属箔集電体14を例示している。
金属箔集電体14の材料としては、導電性を有する材料であれば特に限定はされず、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅、パラジウム、金および白金などの金属材料を用いることができる。また、金属箔集電体14の材料として、後述する焼成条件で溶融および分解しないことや、金属箔集電体14にかかる電池作動電位や導電性を考慮して選択することが好ましい。また、酸化防止膜材料としては、カーボン膜など高温大気下においても変質せず、金属箔と大気との接触を防止する材料であれば何でも良い。酸化防止膜としてのカーボン膜厚は、10nm以上の膜厚が望ましく、金属集電箔上への蒸着法、スパッタ法、CVD法による形成、集電箔上に形成した樹脂層の不活性焼成による形成が可能である。
(Metal leaf current collector)
The metal leaf
The material of the metal foil
金属箔集電体14の引っ張り強さは、10N/10mm以上であることが好ましい。金属箔集電体14の引っ張り強さが10N/10mm以上である場合、全固体二次電池26を製造時の焼成工程において金属箔集電体14にクラック等が生じにくくなる。また、金属箔集電体14の引っ張り強さが10N/10mm以上である場合、正極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシート11からなる積層体グリーンシート16を十分に支持する強度が得られる。
The tensile strength of the metal leaf
なお、本実施形態の全固体二次電池26は、後述する正極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシート11を積層し、焼成して製造される。このため、全固体二次電池26の金属箔集電体14は、焼成工程においてクラック等が生じないという特性を有することが重要となる。
金属箔集電体14の厚さは、3μm以上50μm以下であることが好ましい。金属箔集電体14の厚さが3μm以上50μm以下である場合、積層焼成体の製造時において金属箔集電体14にクラック等が入りにくく、また、積層体グリーンシート16を十分に支持する厚みが得られる。
The all-solid-state
The thickness of the metal leaf
「全固体二次電池の製造方法」
以下、上述のような構成からなる全固体二次電池26の製造方法について説明する。
本実施形態の全固体二次電池26の製造方法は、複合粒子作製工程、積層体グリーンシート作製工程、および焼成工程を備える。
"Manufacturing method of all-solid-state secondary battery"
Hereinafter, a method for manufacturing the all-solid-state
The method for manufacturing the all-solid-state
(複合粒子作製工程)
複合粒子作製工程は、正極活物質をガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆した粒子である正極用の複合粒子4を作製すると共に、グラファイト負極活物質をガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆した粒子である負極用の複合粒子4を作製する工程である。
(Composite particle manufacturing process)
In the composite particle preparation step, composite particles 4 for the positive electrode, which are particles in which the positive electrode active material is coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure, are produced, and particles in which the graphite negative electrode active material is coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure. This is a step of producing the composite particles 4 for the negative electrode.
本実施形態における複合粒子4の作製は、図7のように活物質1の外周に固体電解質3を被着させる被着工程と、図8のように被着させた固体電解質3を一時的に軟化させて固化させる軟化固化工程を備える。
被着工程の処理には、転動流動コーティング法、スプレー法、浸漬法、スプレードライヤーを用いる方法等が挙げられ、それらの方法で活物質1、固体電解質3、バインダー2の複合粒子4を作製する。このとき、活物質1の粒子径よりも固体電解質3の粒子径を小さくすることで、固体電解質3が、模式図である図7のように、活物質1の周りにバインダー2によって被着した状態になりやすくなる。
In the production of the composite particles 4 in the present embodiment, the adhesion step of depositing the solid electrolyte 3 on the outer periphery of the
Examples of the treatment in the adhesion step include a rolling flow coating method, a spray method, a dipping method, a method using a spray dryer, and the like, and these methods are used to prepare composite particles 4 of an
軟化固化工程では、被着工程後の複合粒子4を焼成することで、バインダー2が昇華して除去される共に固体電解質3が粘性のある状態で軟化した後。再度固化することで、活物質1が固体電解質3で被覆されて、目的の複合粒子4が作製される。なお図8は模式図であり、複数の活物質1が固体電解質3を介して数珠状や塊状に繋がっている状態となって場合もある。
In the softening and solidifying step, the composite particles 4 after the adhesion step are calcined to sublimate and remove the
本実施形態において使用する材料の平均粒径については、活物質1の粒子は、十μm〜数十μmであり、固体電解質3の粒子は数百nm〜数μmである。それら粒度の違う粒子同士を一括で複合化するといった観点から、複合粒子4の作製はスプレードライヤー法が特に好ましい。
複合粒子4を焼成し、複合粒子4を作製する焼成温度としては、バインダー2が分解し、且つ、活物質と固体電解質が焼成する温度が好ましく、300℃以上1100℃以下が好ましい。
Regarding the average particle size of the material used in the present embodiment, the particles of the
The firing temperature at which the composite particles 4 are fired to produce the composite particles 4 is preferably a temperature at which the
(積層体グリーンシート作製工程)
積層体グリーンシート16の製造方法は、例えば金属箔集電体14からなる負極集電体上に、負極活物質を含む負極用スラリーを塗布又は印刷後乾燥して負極層グリーンシートを形成する負極層グリーンシート形成工程と、負極層グリーンシート11上に固体電解質を含む固体電解質スラリーを塗布又は印刷後乾燥して固体電解質層グリーンシート12を形成する固体電解質層グリーンシート形成工程と、固体電解質層グリーンシート12上に、正極活物質を含む正極用スラリーを塗布又は印刷後乾燥して正極層グリーンシート13を形成する正極層グリーンシート形成工程と、を備えている。
(Laminated green sheet manufacturing process)
The method for manufacturing the laminated
なお、図5のような金属箔集電体14を有しない積層体グリーンシート16を製造方法する場合には、上記の正極集電体の代わりに基材を使用すればよい。
グリーンシートのスラリーを塗布する基材は特に限定されず、積層体グリーンシート16を基材上に作製したのち剥離することができればよく、例えば、フィルム、金属箔、離型剤をコートしたフィルムもしくは金属箔、などが使用できる。
In the case of manufacturing the laminated
The base material to which the slurry of the green sheet is applied is not particularly limited, and it is sufficient that the laminated
基材の厚さは特に限定されないが、薄すぎると積層体グリーンシート16を構成する各スラリーを乾燥するときに湾曲し、積層体グリーンシート16が破壊される場合があり、一方で、厚すぎると剥離時に積層体グリーンシート16を破壊することがある。具体的には、例えば、3μm以上100μm以下が好ましく、より好ましくは5μm以上80μm以下である。
The thickness of the base material is not particularly limited, but if it is too thin, it may be curved when each slurry constituting the laminated
(固体電解質層グリーンシート12の製造方法)
固体電解質層グリーンシート12は、酸化物固体電解質粒子および有機物からなるバインダーを溶媒と共に混合して形成された固体電解質スラリーを塗布もしくは印刷したのち、乾燥して形成される。固体電解質スラリーは、例えば後述する正極層グリーンシート13または負極層グリーンシート11上に塗布される。固体電解質スラリーの調製方法は特に限定されない。
(Manufacturing method of solid electrolyte layer green sheet 12)
The solid electrolyte layer
固体電解質層グリーンシートにより形成される固体電解質層の厚さは、1μm以上500μm以下の範囲となることが好ましい。1μmよりも薄いと、正極層と負極層が短絡し、全固体二次電池の性能が低下するだけでなく、安全性も低下する可能性がある。500μmよりも厚いと固体電解質層におけるリチウムイオン等の伝導イオンの移動が阻害され、全固体二次電池の出力が低くなる可能性がある。 Solid Electrolyte Layer The thickness of the solid electrolyte layer formed by the green sheet is preferably in the range of 1 μm or more and 500 μm or less. If it is thinner than 1 μm, the positive electrode layer and the negative electrode layer are short-circuited, which may not only reduce the performance of the all-solid-state secondary battery but also reduce the safety. If it is thicker than 500 μm, the movement of conducting ions such as lithium ions in the solid electrolyte layer is hindered, and the output of the all-solid secondary battery may decrease.
(正極層グリーンシートの製造方法)
正極層グリーンシート13は、正極用の複合粒子4、固体電解質粒子および有機物からなるバインダーを溶媒と共に混合して正極用スラリーを塗布もしくは印刷したのち、乾燥して形成される。正極用スラリーは、正極集電体となる金属箔集電体14または後述する固体電解質層グリーンシート12上に塗布される。正極用スラリーの調製方法は特に限定されない。
(Manufacturing method of positive electrode layer green sheet)
The positive electrode layer
(負極層グリーンシートの製造方法)
負極層グリーンシート11は、負極用の複合粒子4、固体電解質粒子および有機物からなるバインダーを溶媒と共に混合して負極用スラリーを塗布もしくは印刷したのち、乾燥して形成される。負極用スラリーは、負極集電体となる金属箔集電体14または後述する固体電解質層グリーンシート12上に塗布される。負極用スラリーの調製方法は特に限定されない。
(Manufacturing method of negative electrode layer green sheet)
The negative electrode layer
なお、正極層グリーンシート、固体電解質層グリーンシート及び負極層グリーンシートにおける固体電解質粒子は、同じであっても異なっても良く、同一のグリーンシート内に2種以上を併用しても良い。
正極層グリーンシート及び負極層グリーンシートにおいて、複合粒子4に対して添加する他の固体電解質は、複合粒子4内の固体電解質と化学反応して結晶構造が変化しない材料であれば特に限定は無い。グリーンシート内の総固体電解質量は、活物質に対して、20質量部以上80質量部以下であることが望ましい。20質量部より少ない場合は、固体電解質が少なすぎるため、イオン伝導度が小さくなり、電池性能の劣化を招いてしまい、80質量部より大きい場合は、層内の活物質量が少なく、結果として全固体電池全体のエネルギー密度が低くなってしまう。
The solid electrolyte particles in the positive electrode layer green sheet, the solid electrolyte layer green sheet, and the negative electrode layer green sheet may be the same or different, and two or more kinds may be used in combination in the same green sheet.
In the positive electrode layer green sheet and the negative electrode layer green sheet, the other solid electrolyte added to the composite particles 4 is not particularly limited as long as it is a material that does not change its crystal structure by chemically reacting with the solid electrolyte in the composite particles 4. .. The total solid electrolytic mass in the green sheet is preferably 20 parts by mass or more and 80 parts by mass or less with respect to the active material. If it is less than 20 parts by mass, the amount of solid electrolyte is too small, so that the ionic conductivity becomes small and the battery performance deteriorates. If it is more than 80 parts by mass, the amount of active material in the layer is small, and as a result. The energy density of the entire all-solid-state battery becomes low.
正極用スラリー、負極用スラリーおよび固体電解質スラリーに用いるバインダーは、後述する焼成条件で分解するものであれば特に限定されない。バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチルセルロース、アクリル樹脂などを用いることができる。 The binder used for the positive electrode slurry, the negative electrode slurry, and the solid electrolyte slurry is not particularly limited as long as it decomposes under the firing conditions described later. As the binder, for example, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl acetal, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethyl cellulose, acrylic resin and the like can be used.
正極層グリーンシート13、負極層グリーンシート11および固体電解質層グリーンシート12において、バインダーは、3質量%以上40質量%以下含まれることが好ましく、3質量%以上25質量%以下であることがより好ましい。すなわち、各スラリーから溶媒を除いた固形分全体に対するバインダーの含有量が3質量%以上40質量%以下であることが好ましく、3質量%以上25質量%以下であることがより好ましい。
In the positive electrode layer
バインダーの含有量が3質量%より少ない場合、例えば活物質同士または固体電解質同士が十分に結着することできない場合がある。また、バインダーの含有量が40質量%より大きい場合には、体積あたりの電池容量が低下する。
正極用スラリー、固体電解質スラリー及び負極用スラリーは、正極層グリーンシート、固体電解質層グリーンシート及び負極層グリーンシートの焼成時に各グリーンシート内におけるマトリックス構造の形成を促進し、焼成温度を低下させる焼成助剤を更に含有していても良い。焼成助剤は、活物質粒子及び固体電解質粒子と反応せず、固体電解質粒子の焼成温度よりも軟化点温度が低ければ特に限定はされない。焼成助剤としては、例えば、ホウ素化合物を用いることができる。各グリーンシートの焼成助剤の含有量と焼成温度を調整することで、積層焼成体を焼成により形成する際に、各層の内部歪や内部応力によるクラックを防止するとともに、マトリックス構造の形成を促進することができる。
If the content of the binder is less than 3% by mass, for example, the active materials or the solid electrolytes may not be sufficiently bonded to each other. Further, when the content of the binder is larger than 40% by mass, the battery capacity per volume decreases.
The positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry, and the negative electrode slurry are used to promote the formation of a matrix structure in each green sheet during firing of the positive electrode layer green sheet, the solid electrolyte layer green sheet, and the negative electrode layer green sheet, and to lower the firing temperature. Auxiliary agents may be further contained. The firing aid is not particularly limited as long as it does not react with the active material particles and the solid electrolyte particles and the softening point temperature is lower than the firing temperature of the solid electrolyte particles. As the firing aid, for example, a boron compound can be used. By adjusting the content of the firing aid and the firing temperature of each green sheet, cracks due to internal strain and internal stress of each layer are prevented and the formation of a matrix structure is promoted when the laminated fired body is formed by firing. can do.
正極用スラリー、負極用スラリーおよび固体電解質スラリーに用いられる溶媒は、上述したバインダーを溶解可能であれば特に限定されないが、例えばエタノール、イソプロパノール、n−ブタノール等のアルコール類、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチレングリコールエチルエーテル、イソホロン、乳酸ブチル、ジオクチルフタレート、ジオクチルアジペート、ベンジルアルコール、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの有機溶剤、および水を用いることができる。なお、これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。スラリーの乾燥が容易であることから、溶媒の沸点は200℃以下であることが好ましい。 The solvent used for the positive electrode slurry, the negative electrode slurry and the solid electrolyte slurry is not particularly limited as long as the above-mentioned binder can be dissolved, and for example, alcohols such as ethanol, isopropanol and n-butanol, toluene, ethyl acetate and acetic acid. Butyl, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, ethylene glycol ethyl ether, isophorone, butyl lactate, dioctyl phthalate, dioctyl adipate, benzyl alcohol, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), etc. Organic solvent and water can be used. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The boiling point of the solvent is preferably 200 ° C. or lower because the slurry can be easily dried.
正極用スラリー及び負極用スラリーは、上述した正極活物質又は負極活物質、固体電解質、バインダー、導電助剤、焼成助剤などと、溶媒とを混合することで作製できる。また、固体電解質スラリーは、上述した固体電解質、バインダー、導電助剤、焼成助剤などと、溶媒とを混合することで作製できる。スラリーの混合方法は特に限定されず、必要に応じて、増粘剤、可塑剤、消泡剤、レベリング剤、密着性付与剤のような添加剤を添加してもよい。 The positive electrode slurry and the negative electrode slurry can be produced by mixing the above-mentioned positive electrode active material or negative electrode active material, solid electrolyte, binder, conductive additive, firing aid and the like with a solvent. Further, the solid electrolyte slurry can be prepared by mixing the above-mentioned solid electrolyte, binder, conductive additive, firing aid and the like with a solvent. The method of mixing the slurry is not particularly limited, and additives such as a thickener, a plasticizer, a defoaming agent, a leveling agent, and an adhesion imparting agent may be added as needed.
正極用スラリー、負極用スラリーおよび固体電解質スラリーの塗布および印刷方法としては、具体的には、ドクターブレード法、カレンダー法、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法、オフセット法、ダイコート法、スプレー法、スクリーン印刷法等を用いることができる。
正極用スラリー、負極用スラリーおよび固体電解質スラリーの乾燥方法は、特に限定されないが、例えば、加熱乾燥、減圧乾燥、加熱減圧乾燥などを用いることができる。乾燥雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気雰囲気下、不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気)下で行うことができる。
Specific examples of the coating and printing methods for the positive electrode slurry, the negative electrode slurry and the solid electrolyte slurry include the doctor blade method, the calendar method, the spin coating method, the dip coating method, the inkjet method, the offset method, the die coating method and the spray method. , Screen printing method and the like can be used.
The method for drying the positive electrode slurry, the negative electrode slurry, and the solid electrolyte slurry is not particularly limited, and for example, heat drying, vacuum drying, heating vacuum drying, and the like can be used. The dry atmosphere is not particularly limited, and can be performed in an atmospheric atmosphere or an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere), for example.
正極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシート11は、順に積層された積層体グリーンシート16を構成する。積層体グリーンシート16は、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシートだけから構成されていても良い。
正極層グリーンシートにより形成される正極層の厚さや、負極層グリーンシートにより形成される負極層の厚さは、所望の電池容量に応じて決定することができる。
The positive electrode layer
The thickness of the positive electrode layer formed by the positive electrode layer green sheet and the thickness of the negative electrode layer formed by the negative electrode layer green sheet can be determined according to the desired battery capacity.
加圧することで積層体グリーンシート16の機械的強度を上げるとともに、積層体グリーンシート16に内在する空隙を低減させても良い。加圧方法は特に限定されないが、例えば平板プレス、ロールプレス、ホットプレス、冷間静水圧プレス、熱間静水圧プレスなどを用いることができる。加圧は1回のみであってもよいし、数回に分けてもよい。
基材上に積層体グリーンシート16を形成した場合に、上記の処理の後に基材は剥離される。剥離前の積層体グリーンシート16の空隙率は特に限定されず、剥離前に加圧工程を入れても入れなくてもよい。
By applying pressure, the mechanical strength of the laminated
When the laminated
(焼成工程)
本実施形態の全固体二次電池26は、上記のように製造した積層体グリーンシート16を焼成し、バインダーを脱脂することで形成される。
ここで、焼成前の積層体グリーンシート16にあっては、正極層グリーンシート13、負極層グリーンシート11における、複合粒子4及び他の固体電解質粒子は、図9に示すような状態になっているが、焼成によって、複合粒子4の固体電解質や他の固体電解質粒子6は、焼成の熱によって一時的に軟化して、他の複合粒子4の固体電解質や他の固体電解質粒子とくっついた状態となると共に隙間を埋める。
(Baking process)
The all-solid-state
Here, in the laminated
積層体グリーンシート16に前もって集電体を接着しない場合には、積層体グリーンシート16を焼成してなる積層焼成体における、露出している正極面若しくは負極面に対し、集電性を有する層を形成すればよい。導電性を有する層の形成方法は特に限定されず、例えば、金属箔を正極面および負極面に密着して、加圧し、集電層を形成することができる。また、集電層を構成する材料は、正極または負極に密着し、導電性を得られるものであれば特に限定されず、例えば、金属箔、導電性薄膜層、導電性ペースト、導電性粘着材などが挙げられる。
When the current collector is not adhered to the laminated
焼成工程における加熱温度は、積層体グリーンシートに含まれるバインダーの熱分解温度以上、且つ、活物質粒子の酸化温度未満又は集電体の燃焼温度未満の温度であり、具体的には300℃以上1100℃以下が好ましく、更には300℃以上900℃以下がより好ましい。300℃より低いとバインダーが燃焼しきらずに残渣となり、層内で抵抗体となる可能性がある。1100℃よりも高いと、活物質粒子や固体電解質粒子が溶融・変質し、電池性能を劣化させる可能性がある。 The heating temperature in the firing step is a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the binder contained in the laminated green sheet and lower than the oxidation temperature of the active material particles or lower than the combustion temperature of the current collector, specifically 300 ° C. or higher. It is preferably 1100 ° C. or lower, and more preferably 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. If the temperature is lower than 300 ° C., the binder will not burn completely and will become a residue, which may become a resistor in the layer. If the temperature is higher than 1100 ° C., the active material particles and the solid electrolyte particles may be melted and denatured, which may deteriorate the battery performance.
焼成工程での雰囲気は特に限定されず、例えば、大気雰囲気下、不活性雰囲気(窒素雰囲気、アルゴン雰囲気)下で行うことができる。正極活物質及び負極活物質と金属箔集電体14の反応や金属箔集電体14の導電性低下が懸念される場合は、焼成工程を不活性雰囲気下で行うことが望ましい。
焼成工程における焼成時間は、使用するバインダーが十分に分解される時間であればよく、特に限定されない。
The atmosphere in the firing step is not particularly limited, and for example, it can be carried out in an atmospheric atmosphere or an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, argon atmosphere). When there is concern about the reaction between the positive electrode active material and the negative electrode active material and the metal leaf
The firing time in the firing step is not particularly limited as long as the binder to be used is sufficiently decomposed.
以上のように、本実施形態では、焼成時に、活物質と化学反応し結晶構造変化を起こすことのない酸化物固体電解質で被覆された活物質(複合粒子4)を採用することで、焼成時に各層内、各層間で結晶構造変化を起こすこと無く、また、活物質と固体電解質の複合化により、リチウムイオン伝導に有利な界面が形成されるため、電池性能が良好で、エネルギー密度の高い全固体二次電池の作製が可能となった。 As described above, in the present embodiment, by adopting an active material (composite particles 4) coated with an oxide solid electrolyte that does not chemically react with the active material and cause a change in crystal structure during firing, the active material (composite particles 4) is used during firing. The battery performance is good and the energy density is high because an interface advantageous for lithium ion conduction is formed by combining the active material and the solid electrolyte without causing a change in crystal structure in each layer or between layers. It has become possible to manufacture solid secondary batteries.
これにより、正極集電体としての金属箔集電体14および正極層23、負極集電体としての金属箔集電体14と負極層21との界面抵抗を抑制しつつ、1回の焼成工程で全固体二次電池26を製造することが可能となった。金属箔集電体14の貼り合わせ方法は特に限定されないが、例えば平板プレス、ロールプレス、ホットプレス、冷間静水圧プレス、熱間静水圧プレスなどを用いることができる。
As a result, one firing step while suppressing the interfacial resistance between the metal foil
ここで、全固体二次電池26の構成は、直列全固体二次電池であっても良い。そのような全固体二次電池26は、例えば、正極層23、正極層23上に設けられた固体電解質層22、及び固体電解質層22上に設けられた負極層21、を備える複数の電極積層体を備える。更に、その全固体二次電池26は、積層された複数の電極積層体同士の間及び積層された複数の電極積層体の積層方向外面のさらに外側に、正極層23又は負極層21と密着して設けられた、複数の金属箔集電体14を備える。
Here, the configuration of the all-solid-state
この全固体二次電池26の製造は、例えば、正極集電体に正極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシート11を形成した積層体グリーンシート16上に、正極集電体に正極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12および負極層グリーンシート11を形成した積層体グリーンシート16を連続的に積層した積層体グリーンシート16を作製し、その作製した積層体グリーンシート16一括焼成し、金属箔集電体14を貼り合せることによって実現される。
The production of the all-solid
以下に、図を参照して、本実施形態に係る、焼成時に、活物質と化学反応し結晶構造変化を起こすことのない酸化物固体電解質で被覆された活物質(複合粒子4)を使用した積層体グリーンシート、その積層体グリーンシートを用いた全固体二次電池及びそれらの製造方法に関する具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本実施形態は下記実施例によって制限されるものではない。 Hereinafter, referring to the figure, an active material (composite particles 4) coated with an oxide solid electrolyte that does not chemically react with the active material and cause a change in crystal structure during firing according to the present embodiment is used. Specific examples and comparative examples of a laminated green sheet, an all-solid secondary battery using the laminated green sheet, and a method for manufacturing them will be described. The present embodiment is not limited to the following examples.
(実施例1)
<正極用の複合粒子作製工程>
正極用の活物質粒子として層状岩塩構造のコバルト酸リチウム(LiCoO2、豊島製作所製)粉末80質量部、固体電解質粒子としてガーネット型結晶構造のLLZ(Li7La3Zr2O12、豊島製作所製)粉末20質量部、バインダーとしてポリビニルピロリドン23質量部、溶剤として水を使用し、スラリーを作製した。作製したスラリーを使用し、スプレードライヤー法にて、図7に示すような活物質、固体電解質及びバインダーの複合粒子4を作製した。それを焼成することで、図8のような正極活物質と固体電解質が一体となった正極用の複合粒子4を作製した。
(Example 1)
<Composite particle manufacturing process for positive electrode>
80 parts by mass of layered lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , manufactured by Toyoshima Seisakusho) powder as active material particles for the positive electrode , and LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , manufactured by Toyoshima Seisakusho) having a garnet-type crystal structure as solid electrolyte particles. ) 20 parts by mass of powder, 23 parts by mass of polyvinylpyrrolidone as a binder, and water as a solvent were used to prepare a slurry. Using the prepared slurry, composite particles 4 of an active material, a solid electrolyte and a binder as shown in FIG. 7 were prepared by a spray dryer method. By firing it, composite particles 4 for a positive electrode in which a positive electrode active material and a solid electrolyte as shown in FIG. 8 were integrated were produced.
<負極用の複合粒子作製工程>
負極活物質粒子として球状天然黒鉛(SMG、日立化成工業製)粉末80質量部、固体電解質粒子としてLLZ(Li7La3Zr2O12、豊島製作所製)粉末20質量部、バインダーとしてポリビニルピロリドン23質量部、溶剤として水を使用し、スラリーを作製した。作製したスラリーを使用し、スプレードライヤー法にて、図7に示すような活物質、固体電解質及びバインダーの複合粒子4を作製した。それを焼成することで、図8のような負極活物質と固体電解質が一体となった負極用の複合粒子4を作製した。
<Composite particle manufacturing process for negative electrode>
80 parts by mass of spherical natural graphite (SMG, manufactured by Hitachi Kasei Kogyo) powder as negative electrode active material particles, 20 parts by mass of LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , manufactured by Toyoshima Seisakusho) powder as solid electrolyte particles, polyvinylpyrrolidone 23 as a binder A slurry was prepared by using water as a solvent in parts by mass. Using the prepared slurry, composite particles 4 of an active material, a solid electrolyte and a binder as shown in FIG. 7 were prepared by a spray dryer method. By firing it, composite particles 4 for the negative electrode, in which the negative electrode active material and the solid electrolyte as shown in FIG. 8 were integrated, were produced.
<正極用スラリーの作製>
作製した正極用の複合粒子4粉末95質量部、固体電解質粒子としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末5質量部、バインダーとしてポリビニルブチラール(PVB)16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して正極用スラリーを作製した。
<Preparation of slurry for positive electrode>
95 parts by mass of the prepared composite particle 4 powder for the positive electrode, 5 parts by mass of ball mill pulverized LLZ powder as solid electrolyte particles, 16 parts by mass of polyvinyl butyral (PVB) as a binder, and a solvent (tarpineol) are mixed to form a slurry. , This slurry was defoamed to prepare a positive electrode slurry.
<固体電解質スラリーの作製>
固体電解質粒子としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末100質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して固体電解質スラリーを作製した。
<Preparation of solid electrolyte slurry>
100 parts by mass of ball mill pulverized LLZ powder as solid electrolyte particles, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) were mixed to form a slurry, and this slurry was defoamed to prepare a solid electrolyte slurry.
<負極用スラリーの作製>
作製した負極用の複合粒子4粉末95質量部、固体電解質としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末5質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極用スラリーを作製した。
<Preparation of slurry for negative electrode>
95 parts by mass of the prepared composite particle 4 powder for the negative electrode, 5 parts by mass of LLZ powder crushed by a ball mill as a solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) were mixed to form a slurry, and this slurry was defoamed. To prepare a slurry for the negative electrode.
<積層体グリーンシート作製工程>
集電体として15μmのニッケル箔を使用し、これを負極集電体とし、この集電体上に負極用スラリーを塗布、乾燥して負極層グリーンシートを作製し、この負極層グリーンシート上に、上記固体電解質スラリーを塗布、乾燥して固体電解質層グリーンシートを作製し、この固体電解質層グリーンシート上に、上記正極用スラリーを塗布、乾燥して正極層グリーンシートを作製することで、金属箔集電体付きの積層体グリーンシートを作製した。
<Laminated green sheet manufacturing process>
A 15 μm nickel foil is used as the current collector, and this is used as the negative electrode current collector. A negative electrode slurry is applied onto the current collector and dried to prepare a negative electrode layer green sheet, which is then placed on the negative electrode layer green sheet. , The solid electrolyte slurry is applied and dried to prepare a solid electrolyte layer green sheet, and the positive electrode slurry is applied and dried on the solid electrolyte layer green sheet to prepare a metal positive electrode layer green sheet. A laminated green sheet with a foil current collector was produced.
<切断工程>
作製した積層体グリーンシートの正極層グリーンシート上に、他の集電体として上記と同じニッケル箔を乗せ、これを正極集電体とし、この集電体を80℃、1000kgf/cm2(98MPa)で加圧し、正極集電体、負極集電体が、積層体グリーンシートのそれぞれ異なる面で露出するように個々の要素に切断した。切断後の金属箔集電体付き積層体グリーンシートは30mm×30mmであった。
<Cutting process>
The same nickel foil as above was placed on the positive electrode layer green sheet of the produced laminated green sheet as another current collector, and this was used as the positive electrode current collector, and this current collector was used at 80 ° C. and 1000 kgf / cm 2 (98 MPa). ), The positive electrode current collector and the negative electrode current collector were cut into individual elements so as to be exposed on different surfaces of the laminated green sheet. The laminated green sheet with the metal leaf current collector after cutting was 30 mm × 30 mm.
<脱脂工程>
上述した金属箔集電体付き積層体グリーンシートを、大気中、昇温速度20℃/分で室温から500℃まで昇温し、500℃で30分間保持して脱脂を実施した。
<焼成工程>
脱脂工程後、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で500℃から800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。その後、焼成された積層焼成体を炉内放冷で室温まで冷却し、実施例1の全固体二次電池を作製した。
<Solvent degreasing process>
The above-mentioned laminated green sheet with a metal leaf current collector was heated from room temperature to 500 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min in the air, and held at 500 ° C. for 30 minutes for degreasing.
<Baking process>
After the degreasing step, the temperature was raised from 500 ° C. to 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min in an argon stream, and the temperature was maintained at 800 ° C. for 3 hours for firing. Then, the fired laminated fired body was cooled to room temperature by allowing it to cool in the furnace to prepare an all-solid-state secondary battery of Example 1.
(実施例2)
実施例1の<正極用スラリーの作製>、<負極用スラリーの作製>において、導電助剤としてアセチレンブラック(AB,Li−400,電気化学工業製)を、活物質95質量部に対して、5質量部を添加した以外は、実施例1と同様の条件で実施例2の全固体二次電池を作製した。
(Example 2)
In <Preparation of Slurry for Positive Electrode> and <Preparation of Slurry for Negative Electrode> of Example 1, acetylene black (AB, Li-400, manufactured by Electrochemical Industry Co., Ltd.) was used as a conductive auxiliary agent with respect to 95 parts by mass of the active material. An all-solid-state secondary battery of Example 2 was produced under the same conditions as in Example 1 except that 5 parts by mass was added.
(実施例3)
実施例1の<正極用スラリーの作製>、<固体電解質スラリー>、<負極用スラリーの作製>において、固体電解質としてLLZの代わりに、同じガーネット型結晶構造を持つ酸化物固体電解質であるLLZN(Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12)を使用した以外は、実施例1と同様の条件で実施例3の全固体二次電池を作製した。
以下に、活物質と固体電解質が焼成前後で結晶構造が変化するか調査した実施例4、5を示す。
(Example 3)
In Example 1, <Preparation of Positive Electrode Slurry>, <Solid Electrode Slurry>, and <Preparation of Negative Electrode Slurry>, LLZN (MLZN), which is an oxide solid electrolyte having the same garnet-type crystal structure, is used instead of LLZ as the solid electrolyte. An all-solid secondary battery of Example 3 was produced under the same conditions as in Example 1 except that Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12) was used.
Examples 4 and 5 in which it is investigated whether the crystal structure of the active material and the solid electrolyte change before and after firing are shown below.
(実施例4)
<正極活物質と固体電解質の焼成試料作製>
コバルト酸リチウム50質量部とLLZ50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、コバルト酸リチウムとLLZの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Example 4)
<Preparation of calcined samples of positive electrode active material and solid electrolyte>
50 parts by mass of lithium cobalt oxide and 50 parts by mass of LLZ were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of lithium cobalt oxide and LLZ, heated to 800 ° C at a heating rate of 20 ° C / min in an argon stream, and held at 800 ° C for 3 hours. The crucible was fired. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
(実施例5)
<負極活物質と固体電解質の焼成試料作製>
SMG50質量部とLLZ50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、SMGとLLZの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Example 5)
<Preparation of calcined samples of negative electrode active material and solid electrolyte>
50 parts by mass of SMG and 50 parts by mass of LLZ were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of SMG and LLZ, heated to 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min in an argon stream, held at 800 ° C. for 3 hours, and fired. Was carried out. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
(比較例1)
比較例1は、実施例1の<正極複合粒子作製工程>、<負極複合粒子作製工程>を実施せず、<正極用スラリーの作製>、<負極用スラリーの作製>を以下のように実施した。
<正極用スラリーの作製>
正極活物質粒子としてコバルト酸リチウム(LiCoO2、豊島製作所製)粉末76質量部、固体電解質としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末24質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極用スラリーを作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, <Preparation of positive electrode composite particle production step> and <Negative electrode composite particle production step> of Example 1 were not carried out, but <Preparation of positive electrode slurry> and <Preparation of negative electrode composite particle> were carried out as follows. bottom.
<Preparation of slurry for positive electrode>
76 parts by mass of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , manufactured by Toyoshima Seisakusho) powder as positive electrode active material particles, 24 parts by mass of ball mill pulverized LLZ powder as a solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) are mixed. A slurry was prepared, and this slurry was defoamed to prepare a slurry for a negative electrode.
<負極用スラリーの作製>
球状天然黒鉛(SMG、日立化成工業製)粉末76質量部、固体電解質としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末24質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極用スラリーを作製した。
それ以外は、実施例1と同様の条件で比較例1の全固体二次電池を作製した。
<Preparation of slurry for negative electrode>
76 parts by mass of spherical natural graphite (SMG, manufactured by Hitachi Kasei Kogyo) powder, 24 parts by mass of LLZ powder crushed by a ball mill as a solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) are mixed to form a slurry. Was defoamed to prepare a slurry for the negative electrode.
Other than that, the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 1 was produced under the same conditions as in Example 1.
(比較例2)
比較例2は、実施例1の<正極複合粒子作製工程>、<負極複合粒子作製工程>を実施せず、<正極用スラリーの作製>、<負極用スラリーの作製>を以下のように実施した。
<正極用スラリーの作製>
正極活物質粒子としてコバルト酸リチウム(LiCoO2、豊島製作所製)粉末50質量部、固体電解質としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末50質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極用スラリーを作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, <Preparation of positive electrode composite particle production step> and <Negative electrode composite particle production step> of Example 1 were not carried out, but <Preparation of positive electrode slurry> and <Preparation of negative electrode composite particle> were carried out as follows. bottom.
<Preparation of slurry for positive electrode>
50 parts by mass of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , manufactured by Toyoshima Seisakusho) powder as positive electrode active material particles, 50 parts by mass of ball mill pulverized LLZ powder as a solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) are mixed. A slurry was prepared, and this slurry was defoamed to prepare a slurry for a negative electrode.
<負極用スラリーの作製>
球状天然黒鉛(SMG、日立化成工業製)粉末50質量部、固体電解質としてボールミル粉砕を行ったLLZ粉末50質量部、バインダーとしてPVB16質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極用スラリーを作製した。
それ以外は、実施例1と同様の条件で比較例2の全固体二次電池を作製した。
<Preparation of slurry for negative electrode>
50 parts by mass of spherical natural graphite (SMG, manufactured by Hitachi Kasei Kogyo) powder, 50 parts by mass of LLZ powder crushed by a ball mill as a solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as a binder, and a solvent (tarpineol) are mixed to form a slurry. Was defoamed to prepare a slurry for the negative electrode.
Other than that, the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 2 was produced under the same conditions as in Example 1.
(比較例3)
実施例1の<正極複合粒子作製工程>において、固体電解質としてLLZの代わりに、結晶構造の異なるNASICON型結晶構造のLAGP(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)を使用した以外は、実施例1と同様の条件で比較例3の全固体二次電池を作製した。
(比較例4)
実施例1の<負極複合粒子作製工程>において、固体電解質としてLLZの代わりに、LAGPを使用した以外は、実施例1と同様の条件で比較例4の全固体二次電池を作製した。
(Comparative Example 3)
In the <positive electrode composite particle manufacturing step> of Example 1, except that LAGP (Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ) having a NASICON type crystal structure having a different crystal structure was used instead of LLZ as the solid electrolyte. An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 3 was produced under the same conditions as in Example 1.
(Comparative Example 4)
In the <negative electrode composite particle production step> of Example 1, the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 4 was produced under the same conditions as in Example 1 except that LAGP was used instead of LLZ as the solid electrolyte.
(比較例5)
実施例1の正極活物質をコバルト酸リチウムの代わりに逆スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn2O4、豊島製作所製)にした以外は、実施例1と同様の条件で比較例5の全固体二次電池を作製した。
(比較例6)
実施例1の負極活物質をSMGの代わりにチタン酸リチウムにした以外は、実施例1と同様の条件で比較例6の全固体二次電池を作製した。
以下に、活物質と固体電解質、固体電解質同士が焼成前後で結晶構造が変化するか調査した比較例7〜10を示す。
(Comparative Example 5)
All-solid-state battery of Comparative Example 5 under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode active material of Example 1 was lithium manganate (LiMn 2 O 4, manufactured by Toyoshima Seisakusho) having an inverted spinel structure instead of lithium cobalt oxide. A secondary battery was manufactured.
(Comparative Example 6)
An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 6 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the negative electrode active material of Example 1 was lithium titanate instead of SMG.
Below, Comparative Examples 7 to 10 are shown in which it is investigated whether the crystal structure of the active material, the solid electrolyte, and the solid electrolyte changes before and after firing.
(比較例7)
<コバルト酸リチウムとLAGPの焼成試料作製>
コバルト酸リチウム50質量部とLAGP50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、コバルト酸リチウムとLAGPの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Comparative Example 7)
<Preparation of calcined samples of lithium cobalt oxide and LAGP>
50 parts by mass of lithium cobalt oxide and 50 parts by mass of LAGP were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of lithium cobalt oxide and LAGP, heated to 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min in an argon stream, and held at 800 ° C. for 3 hours. The crucible was fired. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
(比較例8)
<SMGとLAGPの焼成試料作製>
SMG50質量部とLAGP50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、SMGとLAGPの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Comparative Example 8)
<Preparation of calcined samples of SMG and LAGP>
50 parts by mass of SMG and 50 parts by mass of LAGP were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of SMG and LAGP, heated to 800 ° C at a heating rate of 20 ° C / min in an argon stream, held at 800 ° C for 3 hours, and fired. Was carried out. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
(比較例9)
<マンガン酸リチウムとLLZの焼成試料作製>
マンガン酸リチウム50質量部とLLZ50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、マンガン酸リチウムとLLZの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Comparative Example 9)
<Preparation of calcined samples of lithium manganate and LLZ>
50 parts by mass of lithium manganate and 50 parts by mass of LLZ were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of lithium manganate and LLZ, heated to 800 ° C at a heating rate of 20 ° C / min in an argon stream, and held at 800 ° C for 3 hours. The crucible was fired. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
(比較例10)
<チタン酸リチウムと固体電解質の焼成試料作製>
チタン酸リチウム50質量部とLLZ50質量部をメノウ乳鉢で混合し、混合物1gを15φのダイスに入れ加圧し、円盤状のペレットに成型した。成型したペレットは、左記で作製した、チタン酸リチウムとLLZの混合物を敷いたアルミナ坩堝に入れ、アルゴン気流中、昇温速度20℃/分で800℃まで昇温し、800℃で3時間保持し焼成を実施した。焼成後のペレットをメノウ乳鉢で再び粉砕し、結晶構造変化調査用の試料を作製した。
(Comparative Example 10)
<Preparation of calcined samples of lithium titanate and solid electrolyte>
50 parts by mass of lithium titanate and 50 parts by mass of LLZ were mixed in an agate mortar, and 1 g of the mixture was placed in a 15φ die and pressurized to form a disk-shaped pellet. The molded pellets are placed in an alumina crucible prepared on the left and laid with a mixture of lithium titanate and LLZ, heated to 800 ° C at a heating rate of 20 ° C / min in an argon stream, and held at 800 ° C for 3 hours. Crucible firing was carried out. The calcined pellets were crushed again in an agate mortar to prepare a sample for investigating changes in crystal structure.
<結晶構造解析>
結晶構造解析は以下のようにして実施した。
実施例4、5及び比較例7〜10で作製した粉末試料を粉末X線回折装置(D/teX Ultra2、Rigaku製)にて結晶構造解析を行った。結晶構造解析は、焼成前後の粉末X線回折ピークの変化を観察し、結晶構造に変化が無いものは「無し」、変化があるものは「あり」とした。評価結果を表1に示す。
<Crystal structure analysis>
The crystal structure analysis was carried out as follows.
The powder samples prepared in Examples 4 and 5 and Comparative Examples 7 to 10 were subjected to crystal structure analysis using a powder X-ray diffractometer (D / teX Ultra2, manufactured by Rigaku). In the crystal structure analysis, changes in the powder X-ray diffraction peak before and after firing were observed, and those with no change in the crystal structure were rated as "none" and those with a change were rated as "yes". The evaluation results are shown in Table 1.
(評価)
<電気化学評価>
電気化学評価は以下の方法で実施した。
(evaluation)
<Electrochemical evaluation>
The electrochemical evaluation was carried out by the following method.
(実施例1〜3、比較例1〜6の電池評価方法)
10個の全固体二次電池を評価した。0.01Cの定電流法によって4.3Vまで充電し、10個の平均値を求めた。その後、平均値を設計容量で割り、容量率とした。評価結果を表2に示す。
評価は以下のようにした。
(Battery evaluation methods of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6)
Ten all-solid-state secondary batteries were evaluated. It was charged to 4.3V by the constant current method of 0.01C, and the average value of 10 pieces was calculated. After that, the average value was divided by the design capacity to obtain the capacity ratio. The evaluation results are shown in Table 2.
The evaluation was as follows.
A:容量率 40%以上
B:容量率 20%以上40%未満
C:容量率 0%以上20%未満
この中で、容量率がAのものを良品とした。
A: Capacity rate 40% or more B: Capacity rate 20% or more and less than 40% C: Capacity rate 0% or more and less than 20% Among these, those with a capacity rate of A were considered as non-defective products.
なお、電池設計容量を表3に示す。 The battery design capacity is shown in Table 3.
表1より、正極活物質及び負極活物質と酸化物固体電解質LLZは、焼成において結晶構造が変化しないことが分かり、界面抵抗が上昇しないことが示唆された(実施例4、5)。しかしながら、LAGPは正極活物質、負極活物質と焼成において化学反応し、結晶構造が変化している、すなわち、変質層を形成していることがわかり、界面抵抗が上昇していることが示唆された(比較例7、8)。また、マンガン酸リチウム及びチタン酸リチウムは固体電解質LLZと化学反応して結晶構造が変化していた(比較例9、10)。
以上より、ガーネット型結晶構造の固体電解質とグラファイトを使用した実施例1〜3の電池は良品であることが示唆された。
From Table 1, it was found that the crystal structures of the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the oxide solid electrolyte LLZ did not change during firing, suggesting that the interfacial resistance did not increase (Examples 4 and 5). However, it was found that LAGP chemically reacted with the positive electrode active material and the negative electrode active material in firing to change the crystal structure, that is, to form an altered layer, suggesting that the interfacial resistance is increased. (Comparative Examples 7 and 8). Further, lithium manganate and lithium titanate chemically reacted with the solid electrolyte LLZ to change the crystal structure (Comparative Examples 9 and 10).
From the above, it was suggested that the batteries of Examples 1 to 3 using the solid electrolyte having a garnet-type crystal structure and graphite were good products.
表2より、比較例1の電池は、活物質を複合化していないため、活物質と固体電解質が作るイオン伝導度パスが十分ではなく、活物質と固体電解質の層内の配合比が同一の実施例1と比較すると電池性能が劣る結果となった。比較例2は、比較例1と比較して固体電解質の量が多いため、活物質と固体電解質が作るイオン伝導度パスは多く電池性能はBであったが、表3でも分かるように、実施例1〜3と比較してエネルギー密度が低という欠点がある。 From Table 2, since the battery of Comparative Example 1 does not have a composite of the active material, the ionic conductivity path formed by the active material and the solid electrolyte is not sufficient, and the compounding ratio of the active material and the solid electrolyte in the layer is the same. The result was that the battery performance was inferior to that of Example 1. Since the amount of the solid electrolyte in Comparative Example 2 was larger than that in Comparative Example 1, the ionic conductivity path formed by the active material and the solid electrolyte was large and the battery performance was B. However, as can be seen in Table 3, the implementation was carried out. There is a drawback that the energy density is low as compared with Examples 1 to 3.
表3より、実施例1〜3の電池は、比較例2の電池と比較して、エネルギー密度の高い電池であると言える。
以上のように、粒子の複合化はエネルギー密度の向上、電池性能の向上に寄与することが示唆され、本発明が全固体二次電池の性能向上に効果があることが確認された。
From Table 3, it can be said that the batteries of Examples 1 to 3 have higher energy densities than the batteries of Comparative Example 2.
As described above, it was suggested that the compounding of particles contributes to the improvement of energy density and the improvement of battery performance, and it was confirmed that the present invention is effective in improving the performance of the all-solid-state secondary battery.
本発明は、全固体二次電池の性能向上に大きく寄与し、産業上おおいに利用できる発明である。 The present invention greatly contributes to the improvement of the performance of the all-solid-state secondary battery and can be widely used industrially.
1 活物質
2 バインダー
3 固体電解質
4 複合粒子
11 負極層グリーンシート
12 固体電解質層グリーンシート
13 正極層グリーンシート
14 金属箔集電体
16 積層体グリーンシート
21 負極層
22 固体電解質層
23 正極層
26 全固体二次電池
34 焼成後に設ける集電体
1
Claims (13)
上記正極層は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆された正極活物質を有し、
上記グラファイト負極活物質は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆されていることを特徴とする全固体二次電池。 The positive electrode layer, the solid electrolyte layer using the oxide solid electrolyte, and the negative electrode layer containing the graphite negative electrode active material are laminated in this order and fired .
The positive electrode layer has a positive electrode active material coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure.
The graphite negative electrode active material is an all-solid secondary battery characterized in that it is coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure.
上記正極層グリーンシートは、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆された正極活物質を有し、
上記グラファイト負極活物質は、ガーネット型結晶構造の固体電解質で被覆されていることを特徴とする積層体グリーンシート。 The solid electrolyte layer green sheet is sandwiched between the negative electrode layer green sheet containing the graphite negative electrode active material and the positive electrode layer green sheet.
The positive electrode layer green sheet has a positive electrode active material coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure, and has a positive electrode active material.
The graphite negative electrode active material is a laminated green sheet characterized in that it is coated with a solid electrolyte having a garnet-type crystal structure.
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