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JP2016081905A - Solid electrolyte layer - Google Patents

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JP2016081905A
JP2016081905A JP2015142240A JP2015142240A JP2016081905A JP 2016081905 A JP2016081905 A JP 2016081905A JP 2015142240 A JP2015142240 A JP 2015142240A JP 2015142240 A JP2015142240 A JP 2015142240A JP 2016081905 A JP2016081905 A JP 2016081905A
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solid electrolyte
electrolyte layer
solid
particles
layer
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Application number
JP2015142240A
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Japanese (ja)
Inventor
崇督 大友
Takamasa Otomo
崇督 大友
俊哉 齋藤
Toshiya Saito
俊哉 齋藤
英行 山村
Hideyuki Yamamura
英行 山村
英里香 沖
Erika Oki
英里香 沖
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte layer capable of suppressing the generation of a short circuit during charging.SOLUTION: The present invention provides a solid electrolyte layer used for an all-solid lithium battery. The solid electrolyte layer contains: a sulfide solid electrolyte material; and an inorganic solid material represented by MO(where, M represents a metal element, and x and y each represent an arbitrary number). In the solid electrolyte layer, the inorganic solid material is a secondary particle formed by the aggregation of primary particles, 66≤A/B≤208 is satisfied where A and B represent an average particle size of primary particles of the sulfide solid electrolyte material and an average particle size of the primary particles of the inorganic solid material, respectively, 2.4≤C/B≤4.6 is satisfied where C represents an average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material, and the content of the inorganic solid material is within a range of 0.1-1.0 wt.%.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、充電時における短絡の発生を抑制できる固体電解質層に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte layer capable of suppressing the occurrence of a short circuit during charging.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. Also in the automobile industry and the like, development of high-power and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is being promoted. Currently, lithium batteries are attracting attention among various batteries from the viewpoint of high energy density.

現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。   Since lithium batteries currently on the market use an electrolyte solution containing a flammable organic solvent, a safety device for preventing a temperature rise at the time of a short circuit and a structure for preventing a short circuit are required. In contrast, a lithium battery in which the electrolyte is changed to a solid electrolyte layer to make the battery completely solid does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and manufacturing costs and productivity can be reduced. It is considered excellent.

特許文献1には、第一の固体電解質粒子および第二の固体電解質粒子を含有する固体電解質層を備え、第二の固体電解質粒子の平均粒径Cが第一の固体電解質粒子の平均粒径Bよりも小さい全固体電池が開示されている。さらに、第一の固体電解質粒子および第二の固体電解質粒子の粒径比、および、それぞれの含有量が開示されている。また、この技術は、イオン伝導抵抗が低く、高充填率の固体電解質層を得る技術である。   Patent Document 1 includes a solid electrolyte layer containing first solid electrolyte particles and second solid electrolyte particles, and the average particle size C of the second solid electrolyte particles is the average particle size of the first solid electrolyte particles. An all solid state battery smaller than B is disclosed. Furthermore, the particle size ratio of the first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles and the respective contents thereof are disclosed. Further, this technique is a technique for obtaining a solid electrolyte layer having a low ion conduction resistance and a high filling rate.

特許文献2には、非晶質の硫化物固体電解質材料および酸化物(例えばSiO)を含む原料組成物を加熱し、非晶質の硫化物固体電解質材料を結晶化してなるものであり、酸化物の含有量が40質量%以下である硫化物固体電解質材料が開示されている。さらに、酸化物の含有量として、10質量%〜40質量%の範囲が開示されている。また、この技術は、非晶質の硫化物固体電解質材料に酸化物を添加し、その後、結晶化することで、アモルファスライクな結晶を作製し、イオン伝導度の向上を図る技術である。 In Patent Document 2, a raw material composition containing an amorphous sulfide solid electrolyte material and an oxide (for example, SiO 2 ) is heated, and the amorphous sulfide solid electrolyte material is crystallized. A sulfide solid electrolyte material having an oxide content of 40% by mass or less is disclosed. Furthermore, the range of 10 mass%-40 mass% is disclosed as content of an oxide. In addition, this technique is a technique in which an oxide is added to an amorphous sulfide solid electrolyte material, followed by crystallization, thereby producing an amorphous-like crystal and improving ion conductivity.

特開2013−157084号公報JP 2013-157084 A 特開2012−022801号公報JP 2012-022801 A

特許文献1には、固体電解質層を薄層化し、固体電解質層の充填率が低い場合、電極活物質層に含有される導電性物質が固体電解質層に混入し、短絡が発生しやすくなることが記載されている。さらに、短絡発生を抑制するために、微細化された固体電解質粒子を用いて、充填率を向上させることが記載されている。なお、特許文献1では、電池作製時の短絡を想定している。   In Patent Document 1, when the solid electrolyte layer is thinned and the filling rate of the solid electrolyte layer is low, the conductive material contained in the electrode active material layer is mixed into the solid electrolyte layer, and a short circuit is likely to occur. Is described. Furthermore, in order to suppress the occurrence of a short circuit, it is described that the filling rate is improved by using finely divided solid electrolyte particles. Note that Patent Document 1 assumes a short circuit when a battery is manufactured.

一方、充電時において、負極側に樹状のLi(Liデンドライト)が析出する場合がある。Liデンドライトが成長し、固体電解質層を貫通し、正極と接触すると短絡が生じる。ここで、特許文献1に記載されているように、微細化された固体電解質粒子を用い、充填率の向上を図ることで、Liデンドライトが固体電解質層を貫通することを、ある程度は抑制できる可能性がある。しかしながら、Liデンドライトは、固体電解質層の貫通孔の立体形状に合せて成長するため、Liデンドライトによる短絡を抑制するためには、固体電解質層の貫通孔を除去することが必要になる。そのため、単に充填率を向上させただけでは、Liデンドライトによる短絡を抑制することは困難である。   On the other hand, during charging, dendritic Li (Li dendrite) may be deposited on the negative electrode side. When Li dendrite grows, penetrates the solid electrolyte layer and contacts the positive electrode, a short circuit occurs. Here, as described in Patent Document 1, it is possible to suppress Li dendrite from penetrating the solid electrolyte layer to some extent by using fine solid electrolyte particles and improving the filling rate. There is sex. However, since the Li dendrite grows in accordance with the three-dimensional shape of the through hole of the solid electrolyte layer, it is necessary to remove the through hole of the solid electrolyte layer in order to suppress a short circuit due to the Li dendrite. Therefore, it is difficult to suppress a short circuit due to Li dendrite simply by improving the filling rate.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、充電時における短絡の発生を抑制できる固体電解質層を提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the solid electrolyte layer which can suppress generation | occurrence | production of the short circuit at the time of charge.

上記課題を解決するために、本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、固体電解質層に、硫化物固体電解質材料よりも十分に小さい酸化物(無機固体材料)を僅かに添加することで、Liデンドライトによる短絡を抑制できることを見出した。このようにして、本発明を完成させるに至った。   In order to solve the above problems, as a result of intensive studies by the present inventors, by adding a small amount of oxide (inorganic solid material) sufficiently smaller than the sulfide solid electrolyte material to the solid electrolyte layer, It discovered that the short circuit by Li dendrite could be suppressed. In this way, the present invention has been completed.

すなわち、本発明においては、全固体リチウム電池に用いられる固体電解質層であって、硫化物固体電解質材料と、M(Mは金属元素であり、xおよびyは任意の数である)で表される無機固体材料とを含有し、上記無機固体材料は、一次粒子が凝集した二次粒子であり、上記硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径、および、上記無機固体材料の上記一次粒子の平均粒径を、それぞれ、AおよびBとした場合に、66≦A/B≦208を満たし、上記無機固体材料の上記二次粒子の平均粒径をCとした場合に、2.4≦C/B≦4.6を満たし、上記無機固体材料の含有量が、0.1重量%〜1.0重量%の範囲内であることを特徴とする固体電解質層を提供する。 That is, in the present invention, a solid electrolyte layer used in an all-solid lithium battery, which is a sulfide solid electrolyte material and M x O y (M is a metal element, and x and y are arbitrary numbers). The inorganic solid material is a secondary particle in which primary particles are aggregated, the average particle diameter of primary particles of the sulfide solid electrolyte material, and the inorganic solid material When the average particle size of the primary particles is A and B, respectively, 66 ≦ A / B ≦ 208 is satisfied, and when the average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material is C, 2 The solid electrolyte layer satisfying .4 ≦ C / B ≦ 4.6 and the content of the inorganic solid material is in the range of 0.1 wt% to 1.0 wt%.

本発明によれば、硫化物固体電解質材料および無機固体材料の平均粒径(一次粒子の平均粒径)が特定の関係にあり、無機固体材料における一次粒子および二次粒子の平均粒径が特定の関係にあり、さらに、無機固体材料の含有量が特定の範囲内にあることで、充電時における短絡の発生を抑制した固体電解質層とすることができる。   According to the present invention, the average particle size (average particle size of primary particles) of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material has a specific relationship, and the average particle size of the primary particles and secondary particles in the inorganic solid material is specified. Furthermore, it can be set as the solid electrolyte layer which suppressed generation | occurrence | production of the short circuit at the time of charge because content of an inorganic solid material exists in a specific range.

本発明の固体電解質層は、充電時における短絡の発生を抑制できるという効果を奏する。   The solid electrolyte layer of the present invention has an effect of suppressing the occurrence of a short circuit during charging.

本発明の全固体リチウム電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the all-solid-state lithium battery of this invention. 本発明の全固体リチウム電池の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the all-solid-state lithium battery of this invention. 本発明の全固体リチウム電池の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the all-solid-state lithium battery of this invention. 実施例1〜3および比較例1で得られた評価用電池に対する充放電測定の結果である。It is the result of the charging / discharging measurement with respect to the battery for evaluation obtained in Examples 1-3 and the comparative example 1. FIG. 比較例2〜7で得られた評価用電池に対する充放電測定の結果である。It is the result of the charging / discharging measurement with respect to the battery for evaluation obtained by Comparative Examples 2-7.

以下、本発明の固体電解質層および全固体リチウム電池について、詳細に説明する。   Hereinafter, the solid electrolyte layer and the all solid lithium battery of the present invention will be described in detail.

A.固体電解質層
本発明の固体電解質層は、全固体リチウム電池に用いられる固体電解質層であって、硫化物固体電解質材料と、M(Mは金属元素であり、xおよびyは任意の数である)で表される無機固体材料とを含有し、上記無機固体材料は、一次粒子が凝集した二次粒子であり、上記硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径、および、上記無機固体材料の上記一次粒子の平均粒径を、それぞれ、AおよびBとした場合に、66≦A/B≦208を満たし、上記無機固体材料の上記二次粒子の平均粒径をCとした場合に、2.4≦C/B≦4.6を満たし、上記無機固体材料の含有量が、0.1重量%〜1.0重量%の範囲内であることを特徴とする。
A. Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer of the present invention is a solid electrolyte layer used for an all-solid lithium battery, which is a sulfide solid electrolyte material, M x O y (M is a metal element, x and y are arbitrary The inorganic solid material is a secondary particle in which primary particles are aggregated, the average particle diameter of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material, and the above When the average particle size of the primary particles of the inorganic solid material is A and B, respectively, 66 ≦ A / B ≦ 208 is satisfied, and the average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material is C. In this case, 2.4 ≦ C / B ≦ 4.6 is satisfied, and the content of the inorganic solid material is in the range of 0.1 wt% to 1.0 wt%.

本発明によれば、硫化物固体電解質材料および無機固体材料の平均粒径(一次粒子の平均粒径)が特定の関係にあり、無機固体材料における一次粒子および二次粒子の平均粒径が特定の関係にあり、さらに、無機固体材料の含有量が特定の範囲内にあることで、充電時における短絡の発生を抑制した固体電解質層とすることができる。   According to the present invention, the average particle size (average particle size of primary particles) of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material has a specific relationship, and the average particle size of the primary particles and secondary particles in the inorganic solid material is specified. Furthermore, it can be set as the solid electrolyte layer which suppressed generation | occurrence | production of the short circuit at the time of charge because content of an inorganic solid material exists in a specific range.

ここで、硫化物固体電解質材料は、硫黄を有するため、塑性変形しやすい材料である。また、固体電解質層を形成する際に、厚さ方向のプレスを行うことにより、硫化物固体電解質材料の粒子(電解質粒子)は塑性変形する。従来のように、固体電解質層が無機固体材料を含有しない場合、固体電解質層形成用材料における電解質粒子の流動性は低く、電解質粒子の配置も不均一であると考えられる。そのため、プレス圧が均一に伝わらず、プレス後の固体電解質層に、空隙(特に貫通孔)が残存しやすいと考えられる。   Here, since the sulfide solid electrolyte material has sulfur, it is a material that is easily plastically deformed. Further, when the solid electrolyte layer is formed, the sulfide solid electrolyte material particles (electrolyte particles) are plastically deformed by pressing in the thickness direction. When the solid electrolyte layer does not contain an inorganic solid material as in the past, it is considered that the fluidity of the electrolyte particles in the solid electrolyte layer forming material is low, and the arrangement of the electrolyte particles is also non-uniform. Therefore, it is considered that the press pressure is not uniformly transmitted, and voids (particularly through holes) are likely to remain in the solid electrolyte layer after pressing.

これに対して、本発明においては、硫化物固体電解質材料よりも十分に小さい無機固体材料の粒子(無機固体粒子)を僅かに添加することで、固体電解質層の充填率が向上することを見出した。これは、無機固体粒子の添加により、合材混合時における電解質粒子の流動性が向上したためであると推測される。具体的には、合材混合時に、大きい粒子(電解質粒子)の周囲に小さい粒子(無機固体粒子)が引き付けられ、大きい粒子同士の間に小さい粒子が配置することで、大きい粒子の凝集を抑制でき、結果として、大きい粒子の流動性が向上すると考えられる。そのため、電解質粒子同士が凝集する部分が減り、プレス圧が均一に伝わることで、空隙(特に貫通孔)が生じることを抑制できる。   On the other hand, in the present invention, it has been found that the filling rate of the solid electrolyte layer is improved by slightly adding inorganic solid material particles (inorganic solid particles) sufficiently smaller than the sulfide solid electrolyte material. It was. This is presumably because the addition of inorganic solid particles improved the fluidity of the electrolyte particles during mixing of the mixture. Specifically, when mixing materials, small particles (inorganic solid particles) are attracted around large particles (electrolyte particles), and small particles are placed between large particles to suppress aggregation of large particles. As a result, it is considered that the fluidity of large particles is improved. Therefore, the part which electrolyte particle aggregates reduces, and it can suppress that a space | gap (especially through-hole) arises because a press pressure is transmitted uniformly.

また、Liデンドライトによる短絡を抑制するためには、塑性変形しやすい電解質粒子、および、塑性変形しにくい無機固体粒子という硬さの関係も重要である。すなわち、電解質粒子と、電解質粒子よりも硬い無機固体粒子とを組み合わせることが重要となる。硬さは、例えば、ビッカース硬度により判断することができる。   In addition, in order to suppress a short circuit due to Li dendrite, the relationship between hardness of electrolyte particles that are easily plastically deformed and inorganic solid particles that are difficult to be plastically deformed is also important. That is, it is important to combine electrolyte particles and inorganic solid particles harder than the electrolyte particles. The hardness can be determined by, for example, Vickers hardness.

本発明においては、プレス圧が加わった際に、固体電解質層に分散した硬い無機固体粒子に力が加わる。各々の無機固体粒子に加わった力は固体電解質層の内部で電解質粒子に伝わり、柔らかい電解質粒子は無機固体粒子を起点として塑性変形する。これにより電解質粒子が塑性変形しやすくなり、空隙が生じることを抑制できる。また、硫化物固体電解質材料は弾性を有する。硬い無機固体材料を用いることで、成型時の加圧および除圧による硫化物固体電解質材料の弾性変化に起因する割れを抑制できると考えられる。   In the present invention, when a press pressure is applied, force is applied to the hard inorganic solid particles dispersed in the solid electrolyte layer. The force applied to each inorganic solid particle is transmitted to the electrolyte particles inside the solid electrolyte layer, and the soft electrolyte particles are plastically deformed starting from the inorganic solid particles. As a result, the electrolyte particles are easily plastically deformed, and the generation of voids can be suppressed. The sulfide solid electrolyte material has elasticity. By using a hard inorganic solid material, it is thought that the crack resulting from the elastic change of the sulfide solid electrolyte material by the pressurization and pressure reduction at the time of shaping | molding can be suppressed.

また、特許文献1には、第一の固体電解質粒子および第二の固体電解質粒子を含有する固体電解質層を備え、第二の固体電解質粒子の平均粒径Cが第一の固体電解質粒子の平均粒径Bよりも小さい全固体電池が開示されている。しかしながら、第一の固体電解質粒子および第二の固体電解質粒子は、ともに塑性変形しやすい材料である。この場合、後述する比較例6、7に記載するように、充填率が向上する可能性はあるが、充電時における短絡の発生を抑制できない。すなわち、単に充填率を向上させただけでは、Liデンドライトによる短絡を抑制することは困難である。また、特許文献1は、粒子の流動性および硬さを考慮した本発明とは思想が異なる。一方、特許文献2には、酸化物の含有量として、10質量%〜40質量%の範囲が開示されているが、酸化物を僅かに添加することについては記載も示唆もされていない。また、特許文献2では、アモルファスライクな結晶を得るために酸化物を添加しており、粒子の流動性および硬さを考慮した本発明とは思想が異なる。
以下、本発明の固体電解質層について、さらに詳細に説明する。
Patent Document 1 includes a solid electrolyte layer containing first solid electrolyte particles and second solid electrolyte particles, and the average particle size C of the second solid electrolyte particles is the average of the first solid electrolyte particles. An all solid state battery smaller than the particle size B is disclosed. However, both the first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles are materials that are easily plastically deformed. In this case, as described in Comparative Examples 6 and 7, which will be described later, the filling rate may be improved, but the occurrence of a short circuit during charging cannot be suppressed. That is, it is difficult to suppress a short circuit due to Li dendrite simply by improving the filling rate. Patent Document 1 is different in concept from the present invention in consideration of the fluidity and hardness of particles. On the other hand, Patent Document 2 discloses a range of 10% by mass to 40% by mass as the content of oxides, but does not describe or suggest the slight addition of oxides. In Patent Document 2, an oxide is added in order to obtain an amorphous-like crystal, and the idea is different from that of the present invention considering the fluidity and hardness of particles.
Hereinafter, the solid electrolyte layer of the present invention will be described in more detail.

1.硫化物固体電解質材料
本発明における硫化物固体電解質材料は、通常、アニオン元素として硫黄元素を主体として有する。硫化物固体電解質材料としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiCl、LiS−P−LiBr、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)、Li10GeP12等を挙げることができる。また、硫化物固体電解質材料は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良く、ガラスセラミックスであっても良い。
1. Sulfide solid electrolyte material The sulfide solid electrolyte material in the present invention usually has a sulfur element as an anion element. Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—P 2 S 5 —LiCl, and Li 2 S—P 2 S 5 —. LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S- SiS 2 -LiBr, Li 2 S- SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( however, m, n is the number of positive .Z is, Ge, Zn, one of Ga.), Li 2 S- GeS 2, Li 2 S- SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li x MO (However, x, y is a positive number .M is, P, Si, Ge, B , Al, Ga, either an In.), May be mentioned Li 10 GeP 2 S 12 or the like. The sulfide solid electrolyte material may be amorphous, crystalline, or glass ceramic.

硫化物固体電解質材料は、Li元素、P元素およびS元素を有するイオン伝導体を有することが好ましい。上記イオン伝導体は、通常、Liカチオンと、PおよびSを含むアニオン構造とから構成される。中でも、上記イオン伝導体は、PS 3−構造をアニオン構造の主体(50mol%以上)として含有することが好ましい。中でも、PS 3−構造の割合は、イオン伝導体の全アニオン構造に対して、70mol%以上であることが好ましく、90mol%以上であることがより好ましい。なお、PS 3−構造の割合は、ラマン分光法、NMR、XPS等により決定することができる。 The sulfide solid electrolyte material preferably has an ionic conductor having Li element, P element and S element. The ionic conductor is usually composed of a Li cation and an anionic structure containing P and S. Among them, the ion conductor preferably contains a PS 4 3- structure mainly anionic structures (more than 50 mol%). Among them, the proportion of PS 4 3- structure, the total anion structure of the ion conductor is preferably at least 70 mol%, more preferably at least 90 mol%. Note that the ratio of the PS 4 3- structure can be determined by Raman spectroscopy, NMR, XPS, or the like.

また、硫化物固体電解質材料は、上記イオン伝導体を主体として有することが好ましい。硫化物固体電解質材料における上記イオン伝導体の割合は、65mol%以上であることが好ましく、75mol%以上であることがより好ましい。また、硫化物固体電解質材料は上記イオン伝導体のみから構成されていても良く、他の成分を含有していても良い。他の成分としては、例えば、LiIを挙げることができる。   The sulfide solid electrolyte material preferably has the above ionic conductor as a main component. The ratio of the ionic conductor in the sulfide solid electrolyte material is preferably 65 mol% or more, and more preferably 75 mol% or more. Moreover, the sulfide solid electrolyte material may be comprised only from the said ion conductor, and may contain the other component. Examples of other components include LiI.

LiIの割合は、例えば5mol%以上であり、20mol%以上であることが好ましい。一方、LiIの割合は、例えば35mol%以下であり、30mol%以下であることが好ましい。特に、硫化物固体電解質材料は、xLiI・(100−x)(yLiS・(1−y)P)(20≦x≦30、0.7≦y≦0.8)の組成を有することが好ましい。なお、yは、0.72以上であることが好ましく、0.74以上であることがより好ましい。また、yは、0.78以下であることが好ましく、0.76以下であることがより好ましい。 The ratio of LiI is, for example, 5 mol% or more, and preferably 20 mol% or more. On the other hand, the ratio of LiI is, for example, 35 mol% or less, and preferably 30 mol% or less. In particular, the sulfide solid electrolyte material has a composition of xLiI · (100−x) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) (20 ≦ x ≦ 30, 0.7 ≦ y ≦ 0.8). It is preferable to have. In addition, it is preferable that y is 0.72 or more, and it is more preferable that it is 0.74 or more. Moreover, y is preferably 0.78 or less, and more preferably 0.76 or less.

硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導性が高いことが好ましく、常温(25℃)におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10−4S/cm以上であることが好ましく、1×10−3S/cm以上であることがより好ましい。 The sulfide solid electrolyte material preferably has high Li ion conductivity, and the Li ion conductivity at room temperature (25 ° C.) is preferably 1 × 10 −4 S / cm or more, for example, 1 × 10 −3. More preferably, it is S / cm or more.

2.無機固体材料
本発明における無機固体材料は、M(Mは金属元素であり、xおよびyは任意の数である)で表される酸化物である。そのため、硫化物固体電解質材料よりも硬い材料である。また、無機固体材料は、絶縁性材料であることが好ましい。硫化物固体電解質材料との反応を抑制できるからである。Mとしては、例えば、Si、Al、Tiの少なくとも一種を挙げることができる。Mは一種であっても良く、二種以上であっても良い。Mにおけるxおよびyは、自然界に存在し得る酸化物が得られる値であれば特に限定されるものではない。通常は、電気的中性の観点から、Mの価数およびxの値に対応して、yの値が決定される。無機固体材料としては、例えば、SiO、Al、TiOの少なくとも一種を挙げることができる。また、無機固体材料は、活物質として機能しない材料であることが好ましい。硫化物固体電解質材料と反応し、硫化物固体電解質材料が劣化することを抑制できるからである。
2. Inorganic Solid Material The inorganic solid material in the present invention is an oxide represented by M x O y (M is a metal element, and x and y are arbitrary numbers). Therefore, the material is harder than the sulfide solid electrolyte material. The inorganic solid material is preferably an insulating material. This is because the reaction with the sulfide solid electrolyte material can be suppressed. Examples of M include at least one of Si, Al, and Ti. M may be one kind or two or more kinds. X and y in M x O y are not particularly limited as long as they are values that can provide oxides that can exist in nature. Usually, from the viewpoint of electrical neutrality, the value of y is determined corresponding to the valence of M and the value of x. Examples of the inorganic solid material include at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 . The inorganic solid material is preferably a material that does not function as an active material. It is because it can suppress that it reacts with sulfide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material deteriorates.

3.固体電解質層
本発明の固体電解質層は、硫化物固体電解質材料および無機固体材料を含有する。これらの材料は、均一に分散していることが好ましい。ここで、本発明における無機固体材料は、一次粒子が凝集した二次粒子である。一方、本発明における硫化物固体電解質材料は、一次粒子が凝集した凝集体である。なお、硫化物固体電解質材料において、一次粒子は凝集しているが、それが粒子としての形状を有するか否か(二次粒子に該当するか否か)は、厳密には判断が難しいため、凝集体と表現する。硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径、無機固体材料の一次粒子の平均粒径、および無機固体材料の二次粒子の平均粒径を、それぞれ、A、BおよびCとする。平均粒径とは、粒度分布におけるD50をいう。なお、粒度分布とは、どのような大きさ(粒径)の粒子が、どのような割合(全体を100%とする相対分布量)で含まれるかを示す指標である。市販の材料は、通常、分布量のピークが1つのみ存在する。また、例えばボールミル等で粉砕を行うことで粒径を調整した粒子の粒度分布も、概ね正規分布に従い、分布量のピークも1つのみ存在する。平均粒径は、例えば、SEMによる観察、粒度分布測定装置により、求めることができる。
3. Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer of the present invention contains a sulfide solid electrolyte material and an inorganic solid material. These materials are preferably dispersed uniformly. Here, the inorganic solid material in the present invention is secondary particles in which primary particles are aggregated. On the other hand, the sulfide solid electrolyte material in the present invention is an aggregate in which primary particles are aggregated. In the sulfide solid electrolyte material, primary particles are agglomerated, but it is difficult to strictly determine whether or not it has a shape as a particle (whether it corresponds to a secondary particle). Expressed as an aggregate. The average particle size of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material, the average particle size of the primary particles of the inorganic solid material, and the average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material are A, B, and C, respectively. The average particle diameter refers to the D 50 in the particle size distribution. The particle size distribution is an index indicating what size (particle size) particles are contained in what proportion (relative distribution amount with 100% as a whole). Commercially available materials usually have only one distribution peak. Further, for example, the particle size distribution of particles whose particle size is adjusted by pulverization with a ball mill or the like generally follows a normal distribution, and there is only one distribution amount peak. The average particle diameter can be determined, for example, by observation with an SEM and a particle size distribution measuring device.

硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径Aは、無機固体材料の一次粒子の平均粒径Bよりも大きい。A/Bの値は、通常、66以上であり、70以上であることが好ましく、100以上であることがより好ましい。一方、A/Bの値は、通常、208以下であり、180以下であることが好ましい。硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径Aは、特に限定されるものではないが、例えば、0.01μm〜10μmの範囲内であり、0.05μm〜2μmの範囲内であることが好ましい。なお、上記一次粒子の凝集体の平均粒径は、例えば、0.5μm〜30μmの範囲内であり、1μm〜20μmの範囲内であることが好ましい。一方、無機固体材料の一次粒子の平均粒径Bは、特に限定されるものではないが、例えば、1nm以上であり、5nm以上であることが好ましい。一方、平均粒径Bは、例えば、100nm以下であり、50nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましい。   The average particle diameter A of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material is larger than the average particle diameter B of the primary particles of the inorganic solid material. The value of A / B is usually 66 or more, preferably 70 or more, and more preferably 100 or more. On the other hand, the value of A / B is usually 208 or less, and preferably 180 or less. The average particle diameter A of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.01 μm to 10 μm, and preferably in the range of 0.05 μm to 2 μm. . In addition, the average particle diameter of the aggregate of the primary particles is, for example, in the range of 0.5 μm to 30 μm, and preferably in the range of 1 μm to 20 μm. On the other hand, the average particle diameter B of the primary particles of the inorganic solid material is not particularly limited, but is, for example, 1 nm or more and preferably 5 nm or more. On the other hand, the average particle diameter B is, for example, 100 nm or less, preferably 50 nm or less, and more preferably 20 nm or less.

無機固体材料の二次粒子の平均粒径Cは、無機固体材料の一次粒子の平均粒径Bよりも大きい。C/Bの値は、通常、2.4以上であり、2.5以上であることが好ましい。一方、C/Bの値は、通常、4.6以下であり、4.5以下であることが好ましい。無機固体材料の二次粒子の平均粒径Cは、例えば、3nm以上であり、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがより好ましい。一方、平均粒径Cは、例えば、150nm以下であり、100nm以下であることが好ましく、60nm以下であることがより好ましい。   The average particle size C of the secondary particles of the inorganic solid material is larger than the average particle size B of the primary particles of the inorganic solid material. The value of C / B is usually 2.4 or more and preferably 2.5 or more. On the other hand, the value of C / B is usually 4.6 or less and preferably 4.5 or less. The average particle size C of the secondary particles of the inorganic solid material is, for example, 3 nm or more, preferably 10 nm or more, and more preferably 20 nm or more. On the other hand, the average particle diameter C is, for example, 150 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 60 nm or less.

固体電解質層に含まれる無機固体材料の含有量は、通常、0.1重量%以上であり、0.3重量%以上であることが好ましい。一方、無機固体材料の含有量は、通常、1.0重量%以下であり、0.8重量%以下であることが好ましい。また、固体電解質層に含まれる硫化物固体電解質材料および無機固体材料の合計の含有量は、例えば80重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましく、95重量%以上であることがさらに好ましい。   The content of the inorganic solid material contained in the solid electrolyte layer is usually 0.1% by weight or more, and preferably 0.3% by weight or more. On the other hand, the content of the inorganic solid material is usually 1.0% by weight or less, and preferably 0.8% by weight or less. Further, the total content of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material contained in the solid electrolyte layer is, for example, preferably 80% by weight or more, more preferably 90% by weight or more, and 95% by weight or more. More preferably.

本発明の固体電解質層は、硫化物固体電解質材料および無機固体材料のみを含有していても良く、さらに他の材料を含有していても良い。他の材料としては、結着材を挙げることができる。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有結着材等を挙げることができる。   The solid electrolyte layer of the present invention may contain only a sulfide solid electrolyte material and an inorganic solid material, or may contain other materials. Examples of the other material include a binder. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

固体電解質層の充填率は、より高いことが好ましい。具体的には、95%以上であることが好ましく、96%以上であることがより好ましく、97%以上であることがさらに好ましい。固体電解質層のLiイオン伝導度は、より高いことが好ましく、常温(25℃)におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10−4S/cm以上であることが好ましく、1×10−3S/cm以上であることがより好ましい。 The filling rate of the solid electrolyte layer is preferably higher. Specifically, it is preferably 95% or more, more preferably 96% or more, and further preferably 97% or more. The Li ion conductivity of the solid electrolyte layer is preferably higher, and the Li ion conductivity at room temperature (25 ° C.) is preferably 1 × 10 −4 S / cm or more, for example, 1 × 10 −3 S. / Cm or more is more preferable.

固体電解質層の厚さは、例えば1000μm以下であり、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。一方、固体電解質層の厚さは、例えば1μm以上であり、10μm以上であることが好ましい。なお、固体電解質層の厚さとは、固体電解質層の平均厚さをいう。   The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 1000 μm or less, preferably 500 μm or less, and more preferably 300 μm or less. On the other hand, the thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 1 μm or more, and preferably 10 μm or more. In addition, the thickness of a solid electrolyte layer means the average thickness of a solid electrolyte layer.

本発明においては、上述した固体電解質層の製造方法を提供することもできる。すなわち、全固体リチウム電池に用いられる固体電解質層の製造方法であって、硫化物固体電解質材料と、M(Mは金属元素であり、xおよびyは任意の数である)で表される無機固体材料とを含有する電解質合材をプレスするプレス工程を有し、上記無機固体材料は、一次粒子が凝集した二次粒子であり、上記硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径、および、上記無機固体材料の上記一次粒子の平均粒径を、それぞれ、AおよびBとした場合に、66≦A/B≦208を満たし、上記無機固体材料の上記二次粒子の平均粒径を、Cとした場合に、2.4≦C/B≦4.6を満たし、上記無機固体材料の含有量が、0.1重量%〜1.0重量%の範囲内であることを特徴とする固体電解質層の製造方法を提供することもできる。 In this invention, the manufacturing method of the solid electrolyte layer mentioned above can also be provided. That is, a method for producing a solid electrolyte layer used for an all-solid lithium battery, represented by a sulfide solid electrolyte material and M x O y (M is a metal element, and x and y are arbitrary numbers). And pressing the electrolyte mixture containing the inorganic solid material, wherein the inorganic solid material is a secondary particle in which the primary particles are aggregated, and the average particle size of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material When the average particle size and the average particle size of the primary particles of the inorganic solid material are A and B, respectively, 66 ≦ A / B ≦ 208 is satisfied, and the average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material When the diameter is C, 2.4 ≦ C / B ≦ 4.6 is satisfied, and the content of the inorganic solid material is in the range of 0.1 wt% to 1.0 wt%. It is also possible to provide a method for producing a solid electrolyte layer that is characterized .

B.全固体リチウム電池
本発明の全固体リチウム電池は、上記した固体電解質層を備えることを特徴とする。
B. All-solid-state lithium battery The all-solid-state lithium battery of the present invention includes the above-described solid electrolyte layer.

本発明によれば、上記した固体電解質層を備えることで、充電時における短絡の発生を抑制した全固体リチウム電池とすることができる。本発明の全固体リチウム電池は、上述した固体電解質層を備えるものであれば特に限定されるものではないが、後述する第一実施態様〜第三実施態様のいずれかであることが好ましい。   According to this invention, it can be set as the all-solid-state lithium battery which suppressed generation | occurrence | production of the short circuit at the time of charge by providing the above-mentioned solid electrolyte layer. Although the all-solid-state lithium battery of this invention will not be specifically limited if it is provided with the solid electrolyte layer mentioned above, It is preferable that it is in any one of the 1st embodiment-3rd embodiment mentioned later.

1.第一実施態様
第一実施態様の全固体リチウム電池は、正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を有する一般的な電池である。具体的には、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを備え、上記固体電解質層が上記「A.固体電解質層」に記載した固体電解質層であることを特徴とする全固体リチウム電池である。
1. First Embodiment The all solid lithium battery of the first embodiment is a general battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer. Specifically, a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are provided. It is a solid electrolyte layer described in “Solid electrolyte layer”.

図1は、第一実施態様の全固体リチウム電池の一例を示す概略断面図である。図1における全固体リチウム電池10は、正極活物質層1と、負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に形成された固体電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有する。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all solid lithium battery of the first embodiment. 1 includes a positive electrode active material layer 1, a negative electrode active material layer 2, a solid electrolyte layer 3 formed between the positive electrode active material layer 1 and the negative electrode active material layer 2, and a positive electrode active material. It has a positive electrode current collector 4 that collects current from the layer 1, a negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode active material layer 2, and a battery case 6 that houses these members.

(1)正極活物質層
第一実施態様における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。
(1) Positive electrode active material layer The positive electrode active material layer in the first embodiment is a layer containing at least a positive electrode active material. The positive electrode active material layer may contain at least one of a conductive material, a binder, and a solid electrolyte material in addition to the positive electrode active material.

正極活物質としては、例えば、酸化物活物質を挙げることができる。酸化物活物質としては、具体的には、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCuPO等のオリビン型活物質等を挙げることができる。また、LiFeSiO、LiMnSiOを正極活物質として用いても良い。 Examples of the positive electrode active material include an oxide active material. As the oxide active material, specifically, rock salt layer type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 And spinel type active materials such as Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , and olivine type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCuPO 4 . It is also possible to use a Li 2 FeSiO 4, Li 2 MnSiO 4 as a positive electrode active material.

正極活物質の表面は、コート層で被覆されていても良い。正極活物質と硫化物固体電解質材料との反応を抑制できるからである。コート層の材料としては、例えば、LiNbO、LiPO、LiPON等のLiイオン伝導性酸化物を挙げることができる。コート層の平均厚さは、例えば1nm〜20nmの範囲内であることが好ましく、1nm〜10nmの範囲内であることがより好ましい。 The surface of the positive electrode active material may be coated with a coat layer. This is because the reaction between the positive electrode active material and the sulfide solid electrolyte material can be suppressed. Examples of the material for the coat layer include Li ion conductive oxides such as LiNbO 3 , Li 3 PO 4 , and LiPON. For example, the average thickness of the coat layer is preferably in the range of 1 nm to 20 nm, and more preferably in the range of 1 nm to 10 nm.

導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、VGCF、グラファイト等の炭素材料を挙げることができる。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有結着材等を挙げることができる。固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料および酸化物固体電解質材料を挙げることができる。また、正極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。   Examples of the conductive material include carbon materials such as acetylene black, ketjen black, VGCF, and graphite. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF). Examples of the solid electrolyte material include a sulfide solid electrolyte material and an oxide solid electrolyte material. The thickness of the positive electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

(2)負極活物質層
第一実施態様における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。
(2) Negative electrode active material layer The negative electrode active material layer in the first embodiment is a layer containing at least a negative electrode active material. The negative electrode active material layer may contain at least one of a conductive material, a binder, and a solid electrolyte material in addition to the negative electrode active material.

負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。負極活物質の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましく、例えば60重量%〜99重量%の範囲内、中でも70重量%〜95重量%の範囲内であることが好ましい。   Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. Examples of the metal active material include In, Al, Si, and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. The content of the negative electrode active material is preferably higher from the viewpoint of capacity, for example, preferably in the range of 60 wt% to 99 wt%, and more preferably in the range of 70 wt% to 95 wt%.

導電化材、結着材および固体電解質材料については、上述した内容と同様である。また、負極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。   The conductive material, the binder, and the solid electrolyte material are the same as described above. The thickness of the negative electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

(3)固体電解質層
第一実施態様における固体電解質層については、上記「A.固体電解質層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
(3) Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer in the first embodiment is the same as the contents described in the above “A. Solid electrolyte layer”, so description thereof is omitted here.

(4)その他の構成
第一実施態様の全固体リチウム電池は、通常、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および、負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。また、電池ケースには、一般的な電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。
(4) Other configurations The all-solid-state lithium battery of the first embodiment usually has a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer. . Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Moreover, the battery case of a general battery can be used for a battery case. Examples of the battery case include a SUS battery case.

(5)全固体リチウム電池
第一実施態様の全固体リチウム電池は、充電時の電流密度を制御する充電制御部を有していても良い。充電時の電流密度は、短絡が生じない電流密度であれば特に限定されるものではないが、例えば0.026mA/cm以上であり、0.26mA/cm以上であることが好ましく、1.3mA/cm以上であることがより好ましく、2.6mA/cm以上であることがさらに好ましい。一方、充電時の電流密度は、例えば52mA/cm以下であり、10.4mA/cm以下であることが好ましく、5.2mA/cm以下であることがより好ましい。
(5) All-solid-state lithium battery The all-solid-state lithium battery of the first embodiment may have a charge control unit that controls the current density during charging. Current density at the time of charging, but is not particularly limited as long as the current density does not occur short circuit is for example 0.026mA / cm 2 or more, preferably 0.26 mA / cm 2 or more, 1 more preferably .3mA / cm 2 or more, further preferably 2.6 mA / cm 2 or more. On the other hand, the current density at the time of charge, for example, 52 mA / cm 2 or less, is preferably 10.4 mA / cm 2 or less, and more preferably 5.2 mA / cm 2 or less.

第一実施態様の全固体リチウム電池は、拘束部材により、厚さ方向の拘束圧が付与されていても良い。拘束部材の種類は特に限定されるものではなく、一般的な拘束部材を用いることができる。拘束圧(面圧)は、特に限定されるものではないが、例えば0.1MPa以上であり、1MPa以上であることが好ましい。拘束圧を大きくすることで、活物質粒子と電解質粒子との接触等、粒子同士の接触を維持しやすいという利点がある。一方、拘束圧(面圧)は、例えば100MPa以下であり、50MPa以下であることが好ましい。拘束圧が大きすぎると、拘束部材に高い剛性が求められ、拘束部材が大型化する可能性があるからである。   The all solid lithium battery of the first embodiment may be provided with a restraining pressure in the thickness direction by a restraining member. The kind of restraint member is not specifically limited, A general restraint member can be used. The restraining pressure (surface pressure) is not particularly limited, but is, for example, 0.1 MPa or more, and preferably 1 MPa or more. By increasing the restraint pressure, there is an advantage that it is easy to maintain contact between particles such as contact between active material particles and electrolyte particles. On the other hand, the restraint pressure (surface pressure) is, for example, 100 MPa or less, and preferably 50 MPa or less. This is because if the restraint pressure is too large, the restraint member is required to have high rigidity, and the restraint member may be increased in size.

第一実施態様の全固体リチウム電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を有するものであれば特に限定されるものではない。さらに、全固体リチウム電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。なお、一次電池には、一次電池的使用(充電後、一度の放電だけを目的とした使用)も含まれる。また、全固体リチウム電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。   The all solid lithium battery of the first embodiment is not particularly limited as long as it has the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer described above. Further, the all solid lithium battery may be a primary battery or a secondary battery, but among them, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as an in-vehicle battery. The primary battery includes primary battery use (use for the purpose of discharging only once after charging). In addition, examples of the shape of the all solid lithium battery include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

また、第一実施態様においては、上述した全固体リチウム電池の製造方法を提供することもできる。すなわち、上述した固体電解質層を形成する固体電解質層形成工程を有することを特徴とする全固体リチウム電池の製造方法を提供することもできる。   In the first embodiment, the above-described method for producing an all-solid lithium battery can also be provided. That is, the manufacturing method of the all-solid-state lithium battery characterized by having the solid electrolyte layer formation process which forms the solid electrolyte layer mentioned above can also be provided.

2.第二実施態様
第二実施態様の全固体リチウム電池は、組み立て時に負極活物質層を設けず、その後の充電により、負極活物質としてのLi金属を析出させる電池である。具体的には、負極集電体、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体をこの順で備え、上記負極集電体の表面上に、上記固体電解質層を備え、上記固体電解質層が上記「A.固体電解質層」に記載した固体電解質層であることを特徴とする全固体リチウム電池である。
2. Second Embodiment The all-solid lithium battery of the second embodiment is a battery in which a negative electrode active material layer is not provided at the time of assembly, and Li metal as a negative electrode active material is deposited by subsequent charging. Specifically, a negative electrode current collector, a solid electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector are provided in this order, the solid electrolyte layer is provided on the surface of the negative electrode current collector, and the solid electrolyte layer is provided. Is an all-solid-state lithium battery characterized in that it is the solid electrolyte layer described in “A. Solid electrolyte layer” above.

図2は、第二実施態様の全固体リチウム電池の一例を示す概略断面図である。図2における全固体リチウム電池10は、負極集電体5、固体電解質層3、正極活物質層1および正極集電体4をこの順で備える。負極集電体5の表面上に、固体電解質層3が配置され、両者は接触している。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all solid lithium battery of the second embodiment. The all solid lithium battery 10 in FIG. 2 includes a negative electrode current collector 5, a solid electrolyte layer 3, a positive electrode active material layer 1, and a positive electrode current collector 4 in this order. The solid electrolyte layer 3 is disposed on the surface of the negative electrode current collector 5, and both are in contact with each other.

組み立て時に負極活物質層を設けず、その後の充電により、負極活物質としてのLi金属を析出させる全固体リチウム電池は、組み立て時に負極活物質層を設けた全固体リチウム電池に比べて、Liデンドライトによる短絡が顕著に生じやすくなるという特有の課題がある。組み立て時に負極活物質層を設けた全固体リチウム電池に充電を行った場合、負極活物質(例えばカーボン)の内部にLiが挿入されるため、通常、負極活物質の表面に直ちにLi析出は生じない。これに対して、組み立て時に負極活物質層を設けない場合、充電時に、負極集電体の表面にLi析出が生じるため、Liデンドライトによる短絡が生じやすくなる。   The all-solid-state lithium battery in which the negative electrode active material layer is not provided at the time of assembly and Li metal as a negative electrode active material is deposited by the subsequent charging is higher than the all-solid-state lithium battery in which the negative electrode active material layer is provided at the time of assembly. There is a peculiar problem that short-circuiting due to is likely to occur remarkably. When an all-solid lithium battery provided with a negative electrode active material layer is charged during assembly, Li is inserted into the negative electrode active material (for example, carbon), so usually Li deposition occurs immediately on the surface of the negative electrode active material. Absent. On the other hand, when the negative electrode active material layer is not provided at the time of assembly, Li deposition occurs on the surface of the negative electrode current collector at the time of charging, so that a short circuit due to Li dendrite is likely to occur.

このように、第二実施態様の全固体リチウム電池は、構造的に、顕著に短絡が生じやすいが、上述した固体電解質層を用いることで、短絡の発生を効果的に抑制できる。なお、第二実施態様の全固体リチウム電池の構成は、組み立て時に負極活物質層を設けないこと以外、基本的に、第一実施態様の全固体リチウム電池の構成と同様である。   Thus, although the all-solid-state lithium battery of the second embodiment is structurally easily short-circuited, the occurrence of a short-circuit can be effectively suppressed by using the above-described solid electrolyte layer. The configuration of the all-solid lithium battery of the second embodiment is basically the same as the configuration of the all-solid lithium battery of the first embodiment except that the negative electrode active material layer is not provided during assembly.

第二実施態様においては、負極集電体の材料がLiと合金化しない材料であることが好ましい。具体的には、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。負極集電体の形態としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状、多孔質状等を挙げることができる。また、電池ケースが、負極集電体の機能を兼ね備えていても良い。負極集電体の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば1μm〜50μmの範囲内であり、5μm〜20μmの範囲内であることが好ましい。   In the second embodiment, the material of the negative electrode current collector is preferably a material that does not alloy with Li. Specific examples include SUS, copper, nickel, and carbon. Examples of the form of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh shape, and a porous shape. Moreover, the battery case may have the function of a negative electrode current collector. Although the thickness of a negative electrode collector is not specifically limited, For example, it exists in the range of 1 micrometer-50 micrometers, and it is preferable that it exists in the range of 5 micrometers-20 micrometers.

第二実施態様においては、固体電解質層に含まれる硫化物固体電解質材料がGe、Si等の金属元素を含有しないことが好ましい。耐還元性が高く、Liと反応しにくいからである。   In the second embodiment, it is preferable that the sulfide solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer does not contain a metal element such as Ge or Si. This is because the reduction resistance is high and it is difficult to react with Li.

3.第三実施態様
第三実施態様の全固体リチウム電池は、第二実施態様の全固体リチウム電池に対して充電を行った電池である。負極集電体、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体をこの順で備え、上記負極集電体の上記固体電解質層側の表面に析出したLi金属である負極活物質層を備え、上記固体電解質層が上記「A.固体電解質層」に記載した固体電解質層であることを特徴とする全固体リチウム電池である。
3. Third Embodiment The all solid lithium battery of the third embodiment is a battery obtained by charging the all solid lithium battery of the second embodiment. A negative electrode current collector, a solid electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector are provided in this order, and a negative electrode active material layer that is Li metal deposited on the surface of the negative electrode current collector on the solid electrolyte layer side is provided. The all-solid-state lithium battery is characterized in that the solid electrolyte layer is the solid electrolyte layer described in "A. Solid electrolyte layer" above.

図3は、第三実施態様の全固体リチウム電池の一例を示す概略断面図である。図3における全固体リチウム電池10は、負極集電体5、固体電解質層3、正極活物質層1および正極集電体4をこの順で備える。さらに、負極集電体5の固体電解質層3側に析出したLi金属である負極活物質層2を備える。なお、第三実施態様の全固体リチウム電池の構成は、析出したLi金属である負極活物質層を備えること以外、基本的に、第二実施態様の全固体リチウム電池の構成と同様である。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the all solid lithium battery of the third embodiment. The all solid lithium battery 10 in FIG. 3 includes a negative electrode current collector 5, a solid electrolyte layer 3, a positive electrode active material layer 1, and a positive electrode current collector 4 in this order. Furthermore, the negative electrode active material layer 2 which is Li metal deposited on the solid electrolyte layer 3 side of the negative electrode current collector 5 is provided. The configuration of the all-solid lithium battery of the third embodiment is basically the same as the configuration of the all-solid lithium battery of the second embodiment except that it includes a negative electrode active material layer that is deposited Li metal.

Li金属が負極集電体の表面に析出していることは、両者の界面を観察することで確認することができる。界面の観察には、例えば電界放出形走査型電子顕微鏡(FE−SEM)を用いることができる。例えば、蒸着で予めLi金属を配置した場合、Li金属は密な状態で均一に存在している。また、例えば、予めLi金属箔を配置した場合、適切な加圧力を付与すれば、Li金属は密な状態で均一に存在する。一方、Li金属を析出させた場合、Li金属は少し疎な状態で比較的電解質に追従して存在している。また、析出したLi金属の表面は、繊維状(直径約100nm)になることがある。   The fact that Li metal is deposited on the surface of the negative electrode current collector can be confirmed by observing the interface between the two. For example, a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) can be used for observation of the interface. For example, when Li metal is arranged in advance by vapor deposition, the Li metal exists uniformly in a dense state. For example, when Li metal foil is previously arranged, if an appropriate pressing force is applied, Li metal exists uniformly in a dense state. On the other hand, when Li metal is deposited, Li metal exists relatively following the electrolyte in a slightly sparse state. Moreover, the surface of the deposited Li metal may be fibrous (about 100 nm in diameter).

負極集電体の表面に析出するLi金属の厚さは、充電状態(State of Charge)によっても変動する。Li金属の最大厚さは、例えば50μm以下であり、30μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましい。なお、Li金属の最大厚さは、最も充電が進んだ状態における平均厚さとして算出することができる。   The thickness of the Li metal deposited on the surface of the negative electrode current collector also varies depending on the state of charge. The maximum thickness of the Li metal is, for example, 50 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 20 μm or less. Note that the maximum thickness of the Li metal can be calculated as an average thickness in a state in which charging is most advanced.

また、第三実施態様においては、充電時に析出するLi金属を負極活物質とする。そのため、電池全体におけるLi量は、通常、正極活物質層および固体電解質層のLi量と一致する。また、固体電解質層で電気化学的な酸化還元分解反応等が起こらない場合、固体電解質層のLi量が一定であるため、充電時において正極活物質層から減少したLi量と、充電時において負極集電体上に析出したLi量とは一致することになる。また、充電が完全に進んだ状態では、正極活物質がLiを含有しない場合がある。   In the third embodiment, Li metal that precipitates during charging is used as the negative electrode active material. Therefore, the amount of Li in the entire battery usually matches the amount of Li in the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer. Further, when an electrochemical redox decomposition reaction or the like does not occur in the solid electrolyte layer, the amount of Li in the solid electrolyte layer is constant, so that the amount of Li decreased from the positive electrode active material layer during charging and the negative electrode during charging This corresponds to the amount of Li deposited on the current collector. Further, in a state where the charging is completely advanced, the positive electrode active material may not contain Li.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
(硫化物固体電解質材料の作製)
出発原料として、硫化リチウム(LiS、純度99.9%、日本化学工業社製)と、五硫化二リン(P、純度99%、アルドリッチ社製)と、ヨウ化リチウム(LiI、純度99.9%、アルドリッチ社製)とを用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、LiS、PおよびLiIを、20LiI・80(0.75LiS・0.25P)の組成比で混合した。この混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrOボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間処理および15分休止のメカニカルミリングを40回行った。次に、ヘプタンを除去するため、100℃、1時間の条件で乾燥を行った。これにより、硫化物ガラスを得た。その後、得られた硫化物ガラスに対して、Ar雰囲気、180℃、3時間の条件で熱処理を行うことで、硫化物ガラスを結晶化させ、ガラスセラミックス(硫化物固体電解質材料)を得た。
[Example 1]
(Preparation of sulfide solid electrolyte material)
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S, purity 99.9%, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , purity 99%, manufactured by Aldrich), and lithium iodide (LiI) , Purity 99.9%, manufactured by Aldrich). Next, in a glove box under an Ar atmosphere (dew point −70 ° C.), Li 2 S, P 2 S 5 and LiI are combined in a composition ratio of 20LiI · 80 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ). Mixed. 2 g of this mixture is charged into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less, 4 g) is charged, and ZrO 2 balls (φ = 5 mm, 53 g) are charged. The container was completely sealed (Ar atmosphere). This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed 40 times with a base plate rotation speed of 500 rpm and a one-hour treatment and a 15-minute pause. Next, in order to remove heptane, drying was performed at 100 ° C. for 1 hour. Thereby, sulfide glass was obtained. Thereafter, the obtained sulfide glass was subjected to heat treatment under conditions of Ar atmosphere, 180 ° C., and 3 hours to crystallize the sulfide glass to obtain glass ceramics (sulfide solid electrolyte material).

(電解質合材の作製)
得られた硫化物固体電解質材料を粉砕し、一次粒子の平均粒径D50を2.5μmに調整した。この硫化物固体電解質材料と、無機固体材料(SiO、平均一次粒径12nm、平均二次粒径30nm)とを、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=99.9:0.1の重量比で秤量した。次に、分散媒として脱水ヘプタンを添加し、超音波ホモジナイザーにて混合した。次に、ヘプタンを除去するため、100℃、1時間の条件で乾燥を行った。これにより、電解質合材を得た。
(Production of electrolyte mixture)
The resulting sulfide solid electrolyte material was ground to adjust the average particle diameter D 50 of the primary particles in the 2.5 [mu] m. This sulfide solid electrolyte material and an inorganic solid material (SiO 2 , average primary particle size 12 nm, average secondary particle size 30 nm) are mixed with a weight of sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 99.9: 0.1. Weighed by ratio. Next, dehydrated heptane was added as a dispersion medium and mixed with an ultrasonic homogenizer. Next, in order to remove heptane, drying was performed at 100 ° C. for 1 hour. This obtained the electrolyte compound material.

(正極合材の作製)
正極活物質として、LiCoO(日本化学工業製、商品名セルシード、平均粒径D50=10μm)を用意した。この正極活物質の表面に、転動流動コーティング装置(パウレック社製、MP01)を用いて、LiNbOから構成されるコート層(平均厚さ10nm)を形成した。
(Preparation of positive electrode mixture)
LiCoO 2 (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., trade name cell seed, average particle size D 50 = 10 μm) was prepared as a positive electrode active material. A coating layer (average thickness of 10 nm) composed of LiNbO 3 was formed on the surface of this positive electrode active material using a tumbling fluidized coating apparatus (MP01, manufactured by POWREC).

得られた正極活物質(LiNbOでコートしたLiCoO)と、硫化物固体電解質材料(20LiI・80(0.75LiS・0.25P)、ガラスセラミックス、一次粒子の平均粒径D50=0.8μm)とを、正極活物質:硫化物固体電解質材料=93:7の重量比で秤量した。なお、硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径は、ボールミルで粉砕することで調整した。次に、分散媒として脱水ヘプタンを添加し、超音波ホモジナイザーにて混合した。次に、ヘプタンを除去するため、100℃、1時間の条件で乾燥を行った。これにより、正極合材を得た。 The obtained positive electrode active material (LiCoO 2 coated with LiNbO 3 ), sulfide solid electrolyte material (20LiI · 80 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ), glass ceramics, average particle size of primary particles D 50 = 0.8 μm) was weighed at a weight ratio of positive electrode active material: sulfide solid electrolyte material = 93: 7. The average particle size of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material was adjusted by pulverizing with a ball mill. Next, dehydrated heptane was added as a dispersion medium and mixed with an ultrasonic homogenizer. Next, in order to remove heptane, drying was performed at 100 ° C. for 1 hour. This obtained the positive electrode compound material.

(評価用電池の作製)
マコール製のシリンダの中に、電解質合材を100mg入れ、98MPaでプレスすることで固体電解質層を成型した。次に、固体電解質層の一方の表面に正極合材を20.4mg入れ、784MPaでプレスすることで正極活物質層を成型した。得られた積層体の両面をSUS製ピストンで挟み、ボルト3本で締め付けることで、評価用電池を得た(トルク=2Nm、面圧=15MPa)。その後、評価用電池を、ガラス製容器(Ar雰囲気)に入れて密閉した。なお、硫化物固体電解質材料を用いる作業は、いずれも、乾燥Ar雰囲気のグローブボックス中で行った。また、評価用電池は、組み立て時に負極活物質層を設けず、その後の充電により、負極活物質としてのLi金属を析出させる電池である。固体電解質層の厚さは480μmであった。
(Production of evaluation battery)
A solid electrolyte layer was molded by putting 100 mg of the electrolyte mixture in a cylinder made of Macor and pressing it at 98 MPa. Next, 20.4 mg of the positive electrode mixture was put on one surface of the solid electrolyte layer, and the positive electrode active material layer was molded by pressing at 784 MPa. A battery for evaluation was obtained by sandwiching both surfaces of the obtained laminate with a SUS piston and tightening with three bolts (torque = 2 Nm, surface pressure = 15 MPa). Thereafter, the evaluation battery was sealed in a glass container (Ar atmosphere). In addition, all operations using the sulfide solid electrolyte material were performed in a glove box in a dry Ar atmosphere. Moreover, the battery for evaluation is a battery which does not provide a negative electrode active material layer at the time of assembly, but deposits Li metal as a negative electrode active material by subsequent charging. The thickness of the solid electrolyte layer was 480 μm.

[実施例2]
硫化物固体電解質材料および無機固体材料の重量比を、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=99.0:1.0に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Example 2]
An evaluation battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material was changed to sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 99.0: 1.0. Obtained.

[実施例3]
硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径D50を0.8μmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Example 3]
Except that the average particle diameter D 50 of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material was changed to 0.8 [mu] m, in the same manner as in Example 1 to obtain a test battery.

[実施例4]
無機固体材料として、平均一次粒径12nm、平均二次粒径54nmのSiOを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Example 4]
A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that SiO 2 having an average primary particle size of 12 nm and an average secondary particle size of 54 nm was used as the inorganic solid material.

[実施例5]
無機固体材料として、平均一次粒径12nm、平均二次粒径54nmのSiOを用い、硫化物固体電解質材料および無機固体材料の重量比を、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=99.0:1.0に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Example 5]
As the inorganic solid material, SiO 2 having an average primary particle size of 12 nm and an average secondary particle size of 54 nm is used, and the weight ratio of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material is set to sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 99.0. : A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was changed to 1.0.

[比較例1]
無機固体材料を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 1]
A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that the inorganic solid material was not used.

[比較例2]
硫化物固体電解質材料および無機固体材料の重量比を、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=95.0:5.0に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 2]
An evaluation battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material was changed to sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 95.0: 5.0. Obtained.

[比較例3]
硫化物固体電解質材料および無機固体材料の重量比を、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=90.0:10.0に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 3]
An evaluation battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material was changed to sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 90.0: 10.0. Obtained.

[比較例4]
無機固体材料として、凝集していない一次粒子であるSiO(平均粒径D50=0.8μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 4]
A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that SiO 2 (average particle diameter D 50 = 0.8 μm), which is primary particles not aggregated, was used as the inorganic solid material.

[比較例5]
硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径D50を0.8μmに変更し、無機固体材料として、凝集していない一次粒子であるSiO(平均粒径D50=0.8μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 5]
The average particle diameter D 50 of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material is changed to 0.8 μm, and SiO 2 (average particle diameter D 50 = 0.8 μm), which is an unaggregated primary particle, is used as the inorganic solid material. A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that.

[比較例6]
無機固体材料の代わりに、硫化物固体電解質材料(20LiI・80(0.75LiS・0.25P)、ガラスセラミックス、一次粒子の平均粒径D50=0.8μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 6]
Instead of the inorganic solid material, a sulfide solid electrolyte material (20LiI · 80 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ), glass ceramics, average particle size D 50 = 0.8 μm of primary particles) was used. A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that.

[比較例7]
無機固体材料の代わりに、硫化物固体電解質材料(20LiI・80(0.75LiS・0.25P)、ガラスセラミックス、一次粒子の平均粒径D50=0.8μm)を用い、一次粒子の平均粒径D50=2.5μmの硫化物固体電解質材料A、および、一次粒子の平均粒径D50=0.8μmの硫化物固体電解質材料Bの重量比を、A:B=75:25に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 7]
Instead of the inorganic solid material, a sulfide solid electrolyte material (20LiI · 80 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ), glass ceramics, average particle diameter D 50 = 0.8 μm of primary particles) The weight ratio of sulfide solid electrolyte material A having an average primary particle diameter D 50 = 2.5 μm and sulfide solid electrolyte material B having an average primary particle diameter D 50 = 0.8 μm is defined as A: B = An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio was changed to 75:25.

[比較例8]
無機固体材料として、平均一次粒径12nm、平均二次粒径100nmのSiOを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Comparative Example 8]
A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that SiO 2 having an average primary particle size of 12 nm and an average secondary particle size of 100 nm was used as the inorganic solid material.

[比較例9]
無機固体材料として、平均一次粒径12nm、平均二次粒径100nmのSiOを用い、硫化物固体電解質材料および無機固体材料の重量比を、硫化物固体電解質材料:無機固体材料=99.0:1.0に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。なお、実施例1〜5および比較例1〜9の条件を表1に示す。
[Comparative Example 9]
As the inorganic solid material, SiO 2 having an average primary particle size of 12 nm and an average secondary particle size of 100 nm is used, and the weight ratio of the sulfide solid electrolyte material and the inorganic solid material is determined as follows: sulfide solid electrolyte material: inorganic solid material = 99.0 : A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was changed to 1.0. Table 1 shows the conditions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 9.

Figure 2016081905
Figure 2016081905

[評価]
(充放電測定)
実施例1〜3および比較例1〜7で得られた評価用電池を用いて、充放電測定を行った。なお、実施例4、5および比較例8、9では、充放電測定を行っていない。測定条件は、25℃、電位範囲3.0V〜4.2V、電流密度0.26mA/cm、1.3mA/cmまたは2.6mA/cm、CC充放電とした。内部短絡が起きた場合には、充電が終了しないため、その場合は20時間で充電を終了させ、放電させた。また、得られた充放電容量からクーロン効率を算出した。なお、内部短絡の有無は、充電時の急激な電圧低下の有無、および、クーロン効率から判断した。充電時の急激な電圧低下とは、具体的には、充電カーブに波形の乱れが見られることいい、通常は電圧が横這いに伸びる。充放電測定の結果を図4、図5および表2に示す。
[Evaluation]
(Charge / discharge measurement)
Charge / discharge measurements were performed using the evaluation batteries obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7. In Examples 4 and 5 and Comparative Examples 8 and 9, no charge / discharge measurement is performed. Measurement conditions were 25 ° C., the potential range 3.0V~4.2V, current density 0.26mA / cm 2, 1.3mA / cm 2 or 2.6 mA / cm 2, CC charge and discharge. When an internal short circuit occurred, charging did not end. In that case, charging was terminated and discharged in 20 hours. Moreover, coulomb efficiency was computed from the obtained charging / discharging capacity | capacitance. In addition, the presence or absence of the internal short circuit was judged from the presence or absence of a rapid voltage drop during charging and the coulomb efficiency. Specifically, the sudden voltage drop at the time of charging means that the charging curve has a waveform disturbance. Normally, the voltage increases sideways. The results of the charge / discharge measurement are shown in FIGS.

Figure 2016081905
Figure 2016081905

図4(a)〜(c)に示すように、実施例1〜3では、0.26mA/cm〜2.6mA/cmの電流密度において明らかな短絡は確認されず、充放電可能であった。これに対して、図4(d)に示すように、比較例1では、0.26mA/cmの電流密度において明らかな短絡は確認されなかったが、1.3mA/cm以上の電流密度において充電時に短絡が起こった。図4(e)は、図4(d)の拡大図であり、図4(e)では充電時の急激な電圧低下が確認できる。 As shown in FIGS. 4A to 4C, in Examples 1 to 3, no obvious short circuit was confirmed at a current density of 0.26 mA / cm 2 to 2.6 mA / cm 2 , and charge and discharge were possible. there were. In contrast, as shown in FIG. 4 (d), in Comparative Example 1, although the apparent short circuit at a current density of 0.26 mA / cm 2 was confirmed, 1.3 mA / cm 2 or more current density A short circuit occurred during charging. FIG. 4 (e) is an enlarged view of FIG. 4 (d). In FIG. 4 (e), a rapid voltage drop during charging can be confirmed.

また、比較例1と同様に、比較例4(図5(c))および比較例5(図5(d))でも、0.26mA/cmの電流密度において明らかな短絡は確認されなかったが、1.3mA/cm以上の電流密度において充電時に短絡が起こった。また、比較例2(図5(a))、比較例3(図5(b))、比較例6(図5(e))、比較例7(図5(f))では、0.26mA/cmの電流密度においても短絡が生じており、ほとんど充電できなかった。 Similarly to Comparative Example 1, in Comparative Example 4 (FIG. 5 (c)) and Comparative Example 5 (FIG. 5 (d)), no obvious short circuit was observed at a current density of 0.26 mA / cm 2 . However, a short circuit occurred during charging at a current density of 1.3 mA / cm 2 or more. Further, in Comparative Example 2 (FIG. 5A), Comparative Example 3 (FIG. 5B), Comparative Example 6 (FIG. 5E), and Comparative Example 7 (FIG. 5F), 0.26 mA. Even at a current density of / cm 2, a short circuit occurred and the battery could hardly be charged.

表2に示すように、実施例1、2および比較例2、3は、A/Bの値およびC/Bの値が共通し、無機固体材料の割合が異なるが、無機固体材料の割合が0.1重量%〜1重量%の範囲内にある場合に、短絡の発生を抑制できた。また、実施例1、3および比較例4、5は、無機固体材料の割合が共通するが、A/Bの値が66〜208の範囲内にある場合に、短絡の発生を抑制できた。また、比較例6、7は、無機固体材料の代わりに、硫化物固体電解質材料を用いたが、短絡が生じた。無機固体材料のように硬い材料を用いることが、短絡の抑制に効果的であることが確認できた。   As shown in Table 2, Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 and 3 have the same A / B value and C / B value, and the ratio of the inorganic solid material is different. The occurrence of a short circuit could be suppressed when it was within the range of 0.1 wt% to 1 wt%. In Examples 1 and 3 and Comparative Examples 4 and 5, the proportion of the inorganic solid material was common, but when the A / B value was in the range of 66 to 208, the occurrence of a short circuit could be suppressed. In Comparative Examples 6 and 7, a sulfide solid electrolyte material was used instead of the inorganic solid material, but a short circuit occurred. It has been confirmed that using a hard material such as an inorganic solid material is effective in suppressing a short circuit.

また、表2に示すように、実施例1〜3では、0.26mA/cm〜2.6mA/cmの電流密度において、80%以上の高いクーロン効率を示した。比較例1、4、5では、1.3mA/cm以上の電流密度において充電時に短絡が起きたため、クーロン効率が大幅に低下した。なお、比較例2、3、6、7はほとんど充電できなかったため、クーロン効率は算出していない。 As shown in Table 2, Examples 1 to 3 showed a high Coulomb efficiency of 80% or more at a current density of 0.26 mA / cm 2 to 2.6 mA / cm 2 . In Comparative Examples 1, 4, and 5, since a short circuit occurred during charging at a current density of 1.3 mA / cm 2 or more, the Coulomb efficiency was greatly reduced. Since Comparative Examples 2, 3, 6, and 7 could hardly be charged, the Coulomb efficiency was not calculated.

(充填率測定およびLiイオン伝導度測定)
実施例1〜5および比較例1〜9で作製した電解質合材を、マコール製のシリンダの中に100mg入れ、784MPaでプレスすることで固体電解質層を成型した。次に、得られた固体電解質層の両面をSUS製ピストンで挟み、ボルト3本で締め付けた(トルク=2Nm、面圧=15MPa)。次に、固体電解質層の厚さを測定して、見かけの密度を算出した。固体電解質層の見かけの密度=重量/(厚み×ペレット面積(1cm))である。また、固体電解質層の構成成分の真密度および含有量から、固体電解質層の真密度を算出した。なお、20LiI・80(0.75LiS・0.25P)およびSiOの真密度は、それぞれ2.2g/cmおよび2.65g/cmである。固体電解質層の真密度=重量/(構成成分の含有量/構成成分の真密度)である。見かけの密度および真密度から、固体電解質層の充填率を算出した。また、実施例1〜3および比較例1〜7で作製した電解質合材を用いた固体電解質層に対してインピーダンス測定を行い、Liイオン伝導度を求めた。なお、実施例4、5および比較例8、9では、Liイオン伝導度測定を行っていない。その結果を上記表2に示す。
(Filling rate measurement and Li ion conductivity measurement)
A solid electrolyte layer was molded by putting 100 mg of the electrolyte mixture produced in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 9 into a cylinder made by Macor and pressing it at 784 MPa. Next, both surfaces of the obtained solid electrolyte layer were sandwiched between SUS pistons and tightened with three bolts (torque = 2 Nm, surface pressure = 15 MPa). Next, the apparent density was calculated by measuring the thickness of the solid electrolyte layer. Apparent density of solid electrolyte layer = weight / (thickness × pellet area (1 cm 2 )). Further, the true density of the solid electrolyte layer was calculated from the true density and content of the constituent components of the solid electrolyte layer. Incidentally, the true density of 20LiI · 80 (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5) and SiO 2 are each 2.2 g / cm 3 and 2.65 g / cm 3. True density of solid electrolyte layer = weight / (content of component / true density of component). From the apparent density and the true density, the filling rate of the solid electrolyte layer was calculated. Moreover, the impedance measurement was performed with respect to the solid electrolyte layer using the electrolyte compound material produced in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-7, and Li ion conductivity was calculated | required. In Examples 4 and 5 and Comparative Examples 8 and 9, Li ion conductivity measurement is not performed. The results are shown in Table 2 above.

表2に示すように、実施例1、2および比較例2、3は、A/Bの値およびC/Bの値が共通し、無機固体材料の割合が異なるが、無機固体材料の増加に伴い、Liイオン伝導度は低下した。また、比較例1の充填率を基準とした場合、実施例1、2では充填率が向上し、比較例2、3では充填率が低下した。したがって、固体電解質層の充填率の向上が、短絡の抑制に寄与したことが示唆された。また、実施例1、2および実施例4、5は、A/Bの値が共通し、C/Bの値が異なるが、実施例4は、無機固体材料の含有量が同じである実施例1よりも充填率が高く、同様に、実施例5は、無機固体材料の含有量が同じである実施例2よりも充填率が高かった。そのため、短絡の発生を抑制できることが示唆された。   As shown in Table 2, Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 and 3 have the same A / B value and C / B value, and the ratio of the inorganic solid material is different. Along with this, the Li ion conductivity decreased. Further, when the filling rate of Comparative Example 1 was used as a reference, the filling rate was improved in Examples 1 and 2, and the filling rate was lowered in Comparative Examples 2 and 3. Therefore, it was suggested that the improvement of the filling rate of the solid electrolyte layer contributed to the suppression of the short circuit. Examples 1 and 2 and Examples 4 and 5 have the same A / B value and different C / B values, but Example 4 is an example in which the content of the inorganic solid material is the same. The filling rate was higher than 1, and similarly, Example 5 had a higher filling rate than Example 2 in which the content of the inorganic solid material was the same. Therefore, it was suggested that generation | occurrence | production of a short circuit can be suppressed.

実施例1、3、4および比較例4、5、8は、無機固体材料の割合が共通するが、比較例1の充填率を基準とした場合、実施例1、3、4では充填率が向上し、比較例4、5、8では充填率が低下した。また、比較例8および比較例9は、A/Bの値およびC/Bの値が共通し、無機固体材料の割合が異なるが、充填率は、同程度であった。このように、A/Bの値が66〜208の範囲内にあり、C/Bの値が2.4〜4.6の範囲内にある場合に、固体電解質層の充填率が向上し、短絡が抑制できたことが示唆された。なお、比較例6、7の充填率は、比較例1の充填率より高くなったが、短絡が生じた。これは、無機固体材料が存在しない状況では、プレス圧が均一に伝わりにくいため、または、成型時の加圧および除圧による硫化物固体電解質材料の弾性変化に起因する割れが生じやすいため、貫通孔を除去できなかったことに起因すると推測される。   Examples 1, 3, 4 and Comparative Examples 4, 5, 8 have the same ratio of the inorganic solid material. However, when the filling rate of Comparative Example 1 is used as a reference, Examples 1, 3, 4 have a filling rate of It improved and the filling rate fell in Comparative Examples 4, 5, and 8. Further, Comparative Example 8 and Comparative Example 9 had the same A / B value and C / B value, and differed in the proportion of the inorganic solid material, but the filling rate was similar. Thus, when the A / B value is in the range of 66 to 208 and the C / B value is in the range of 2.4 to 4.6, the filling rate of the solid electrolyte layer is improved. It was suggested that the short circuit could be suppressed. In addition, although the filling rate of Comparative Examples 6 and 7 became higher than the filling rate of Comparative Example 1, a short circuit occurred. This is because in the absence of inorganic solid material, the press pressure is difficult to be transmitted uniformly, or cracking due to the elastic change of the sulfide solid electrolyte material due to pressurization and depressurization during molding tends to occur. This is presumably due to the failure to remove the holes.

1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … 全固体リチウム電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 6 ... Battery case 10 ... All solid lithium battery

Claims (1)

全固体リチウム電池に用いられる固体電解質層であって、
硫化物固体電解質材料と、M(Mは金属元素であり、xおよびyは任意の数である)で表される無機固体材料とを含有し、
前記無機固体材料は、一次粒子が凝集した二次粒子であり、
前記硫化物固体電解質材料の一次粒子の平均粒径、および、前記無機固体材料の前記一次粒子の平均粒径を、それぞれ、AおよびBとした場合に、66≦A/B≦208を満たし、
前記無機固体材料の前記二次粒子の平均粒径を、Cとした場合に、2.4≦C/B≦4.6を満たし、
前記無機固体材料の含有量が、0.1重量%〜1.0重量%の範囲内であることを特徴とする固体電解質層。
A solid electrolyte layer used in an all-solid lithium battery,
A sulfide solid electrolyte material, and an inorganic solid material represented by M x O y (M is a metal element, x and y are arbitrary numbers),
The inorganic solid material is a secondary particle in which primary particles are aggregated,
When the average particle size of the primary particles of the sulfide solid electrolyte material and the average particle size of the primary particles of the inorganic solid material are A and B, respectively, 66 ≦ A / B ≦ 208 is satisfied,
When the average particle size of the secondary particles of the inorganic solid material is C, 2.4 ≦ C / B ≦ 4.6 is satisfied,
The solid electrolyte layer, wherein the content of the inorganic solid material is in the range of 0.1 wt% to 1.0 wt%.
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