JP2019117768A - All-solid secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体二次電池に関する。 The present invention relates to an all solid secondary battery.
近年、全固体二次電池が注目されている。全固体二次電池は、正極活物質層、負極活物質層、及びこれらの活物質層の間に配置された固体電解質層を有する。全固体二次電池では、リチウムイオン(lithium ion)を伝導させる媒体が固体電解質となっている。 In recent years, all solid secondary batteries have attracted attention. The all solid secondary battery has a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer disposed between these active material layers. In the all solid secondary battery, a medium for conducting lithium ions is a solid electrolyte.
このような固体電解質を用いた全固体二次電池は、電解液を用いた従来のリチウムイオン電池と比較すると、構成物がすべて固体材料である点において大きく異なる。そして、電極活物質と固体電解質との界面がすべて固体−固体界面となるため、これらの界面抵抗が大きい。 The all-solid-state secondary battery using such a solid electrolyte is largely different from the conventional lithium ion battery using an electrolytic solution in that all the constituents are solid materials. And since all the interfaces of an electrode active material and a solid electrolyte turn into a solid-solid interface, these interface resistance is large.
特許文献1には、正極活物質層と固体電解質層との間でのリチウムイオンの移動を円滑にし、界面抵抗を低減させることを目的として、正極活物質層と固体電解質層との間にリン酸リチウムを含有する界面修飾層を配置することが提案されている。
ところで、全固体二次電池は、層間の界面が固体−固体界面となるため、リチウムイオンの移動経路の分布が不均一となり、この結果充放電時に局所的に電流が集中しやすい。このような場合、全固体二次電池内で短絡が生じやすくなる問題がある。特許文献1にはこのような短絡を防止することについての開示がない。
By the way, in the all solid secondary battery, the interface between the layers becomes a solid / solid interface, so the distribution of the migration path of lithium ions becomes uneven, and as a result, current tends to be concentrated locally at the time of charge and discharge. In such a case, there is a problem that a short circuit is likely to occur in the all solid secondary battery.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、短絡の発生が抑制された、新規かつ改良された全固体二次電池を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a new and improved all solid secondary battery in which the occurrence of a short circuit is suppressed. .
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
正極層と、
負極層と、
上記正極層及び上記負極層の間に配置された固体電解質層と、
上記正極層と上記固体電解質層との間に配置された緩衝層と、を含み、
上記緩衝層は、Li以外の単体金属および単体半金属ならびにこれらの酸化物および硫化物からなる群から選択される1種以上を含み、
前記緩衝層の厚みが、1.0nm以上1000nm以下である、全固体二次電池が提供される。
According to an aspect of the present invention, in order to solve the above problems,
A positive electrode layer,
A negative electrode layer,
A solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer;
A buffer layer disposed between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer,
The buffer layer contains one or more selected from the group consisting of single metals and single metals other than Li, and oxides and sulfides of these metals;
An all solid secondary battery is provided, wherein the thickness of the buffer layer is 1.0 nm or more and 1000 nm or less.
本観点によれば緩衝層は、固体電解質層や正極活物質層の緩衝層との界面付近において固体電解質層や正極活物質層を構成する固体電解質粒子や正極活物質粒子の間隙を埋めることができ、この結果固体電解質粒子や正極活物質粒子の接触をより確実なものとすることができる。このため、充放電時において全固体二次電池中でリチウムイオンの移動経路が均一に分布し、局所的にリチウムイオンの移動が生じることが防止される。この結果、全固体二次電池1の充放電時における短絡が防止される。
According to this aspect, the buffer layer fills the gaps between the solid electrolyte particles and the positive electrode active material particles constituting the solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer in the vicinity of the interface between the solid electrolyte layer and the buffer layer of the positive electrode active material layer. As a result, the contact of the solid electrolyte particles and the positive electrode active material particles can be made more reliable. For this reason, the movement path of lithium ions is uniformly distributed in the all solid secondary battery at the time of charge and discharge, and it is possible to prevent the movement of lithium ions locally. As a result, a short circuit at the time of charge and discharge of the all solid
ここで、上記単体金属および単体半金属のヤング率は、10GPa以上400GPa以下であってもよい。
この観点によれば、全固体二次電池の短絡をより効果的に抑制することができる。
Here, the Young's modulus of the single metal and the single semimetal may be 10 GPa or more and 400 GPa or less.
According to this aspect, it is possible to more effectively suppress the short circuit of the all solid secondary battery.
また、上記単体金属および単体半金属は、Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Zn、Ga、Ge、Se、Sr、Y、Zr、Mo、In、Sn、Ag、Sb、BaおよびBiからなる群から選択される1種以上であってもよい。
この観点によれば、全固体二次電池の短絡をより効果的に抑制することができる。
In addition, the single metal and the single metal mentioned above are Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Fe, Zn, Ga, Se, Sr, Y, Zr, Mo, In, Sn, Ag, Sb, Ba and Bi. It may be one or more selected from the group consisting of
According to this aspect, it is possible to more effectively suppress the short circuit of the all solid secondary battery.
また、上記単体金属は、卑金属であってもよい。
この観点によれば、全固体二次電池の短絡をより効果的に抑制することができる。
The single metal may be a base metal.
According to this aspect, it is possible to more effectively suppress the short circuit of the all solid secondary battery.
また、上記単体金属は、Znを含んでもよい。
この観点によれば、全固体二次電池の短絡をより効果的に抑制することができる。
Further, the single metal may include Zn.
According to this aspect, it is possible to more effectively suppress the short circuit of the all solid secondary battery.
また、固体電解質層は、硫黄と、ケイ素、リンおよびホウ素からなる群から選択される1種以上の元素とを含有する固体電解質を含んでいてもよい。
この観点によれば、固体電解質層のリチウム伝導性が向上し、全固体二次電池の電池特性が向上する。
The solid electrolyte layer may also contain a solid electrolyte containing sulfur and one or more elements selected from the group consisting of silicon, phosphorus and boron.
According to this aspect, the lithium conductivity of the solid electrolyte layer is improved, and the battery characteristics of the all-solid secondary battery are improved.
以上説明したように本発明によれば、全固体二次電池の短絡を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the short circuit of the all solid secondary battery.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図中の各構成要素は、説明の容易化のために適宜拡大または縮小されており、図中の各構成要素の大きさ、比率は、実際のものとは異なる。 The present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration will be assigned the same reference numerals and redundant description will be omitted. Further, each component in the drawing is appropriately enlarged or reduced for ease of explanation, and the size and ratio of each component in the drawing are different from actual ones.
<1.全固体二次電池の構成>
まず、図1に基づいて、本実施形態に係る全固体二次電池1の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る全固体二次電池の概略構成を示す断面図である。
<1. Configuration of all solid secondary battery>
First, based on FIG. 1, the structure of the all-solid-state
図1、図2に示すように、全固体二次電池1は、図1に示すように、正極層10、負極層20、固体電解質層30および緩衝層40を備える。
(正極層)
正極層10は、正極集電体11及び正極活物質層12を含む。正極集電体11としては、例えば、インジウム(In)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)またはこれらの合金からなる板状体または箔状体等が挙げられる。正極集電体11は省略されても良い。なお、正極集電体11は、全固体二次電池1の使用時において、図示せぬ端子を介して、配線に接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the all solid
(Positive layer)
The
正極活物質層12は、通常正極活物質及び固体電解質を含む。なお、正極活物質層12に含まれる固体電解質は、固体電解質層30に含まれる固体電解質と同種のものであっても、同種でなくてもよい。固体電解質の詳細は固体電解質層30の項にて詳細に説明する。
The positive electrode
正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することが可能な正極活物質であればよい。 The positive electrode active material may be any positive electrode active material capable of reversibly absorbing and desorbing lithium ions.
例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム(以下、LCOと称する)、ニッケル酸リチウム(Lithium nickel oxide)、ニッケルコバルト酸リチウム(lithium nickel cobalt oxide)、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(以下、NCAと称する)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(以下、NCMと称する)、マンガン酸リチウム(Lithium manganate)、リン酸鉄リチウム(lithium iron phosphate)等のリチウム塩、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、または酸化バナジウム(Vanadium oxide)等を用いて形成することができる。これらの正極活物質は、それぞれ単独で用いられてもよく、また2種以上を組み合わせて用いられてもよい。 For example, the positive electrode active material is lithium cobaltate (hereinafter referred to as LCO), lithium nickel oxide, lithium nickel cobalt oxide, lithium nickel cobalt aluminumate (hereinafter referred to as NCA) , Lithium cobalt salts such as lithium lithium cobaltate (hereinafter referred to as NCM), lithium manganate (Lithium manganate), lithium iron phosphate (lithium iron phosphate), nickel sulfide, copper sulfide, sulfur, iron oxide, or vanadium oxide (Vanadium oxide) etc. can be used. Each of these positive electrode active materials may be used alone, or two or more may be used in combination.
また、正極活物質は、上述したリチウム塩のうち、層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩を含んで形成されることが好ましい。ここで、「層状」とは、薄いシート状の形状を表す。また、「岩塩型構造」とは、結晶構造の1種である塩化ナトリウム型構造のことを表し、具体的には、陽イオンおよび陰イオンの各々が形成する面心立方格子が互いに単位格子の稜の1/2だけずれて配置された構造を表す。 Further, the positive electrode active material is preferably formed by including the lithium salt of a transition metal oxide having a layered rock salt type structure among the lithium salts described above. Here, "layered" represents a thin sheet-like shape. The term "rock salt type structure" refers to a sodium chloride type structure which is a kind of crystal structure, and more specifically, face-centered cubic lattices formed by each of cations and anions are unit cells of one another. It represents a structure that is arranged offset by 1/2 of the weir.
このような層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩としては、例えば、LiNixCoyAlzO2(NCA)、またはLiNixCoyMnzO2(NCM)(ただし、0<x<1、0<y<1、0<z<1、かつx+y+z=1)などの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩が挙げられる。 The lithium salt of a transition metal oxide having such a layered rock-salt structure, for example, LiNi x Co y Al z O 2 (NCA), or LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM) ( where 0 < Lithium salts of ternary transition metal oxides such as x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, and x + y + z = 1) can be mentioned.
正極活物質が、上記の層状岩塩型構造を有する三元系遷移金属酸化物のリチウム塩を含む場合、全固体二次電池1のエネルギー(energy)密度および熱安定性を向上させることができる。
When the positive electrode active material contains a lithium salt of a ternary transition metal oxide having a layered rock salt type structure described above, the energy density and thermal stability of the all-solid
正極活物質は、被覆層によって覆われていてもよい。ここで、本実施形態の被覆層は、全固体二次電池の正極活物質の被覆層として公知のものであればどのようなものであってもよい。被覆層の例としては、例えば、Li2O−ZrO2等が挙げられる。 The positive electrode active material may be covered by a covering layer. Here, the covering layer of the present embodiment may be any layer as long as it is known as a covering layer of the positive electrode active material of the all solid secondary battery. Examples of the coating layer, for example, Li 2 O-ZrO 2 or the like.
また、正極活物質が、NCAまたはNCMなどの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩にて形成されており、正極活物質としてニッケル(Ni)を含む場合、全固体二次電池1の容量密度を上昇させ、充電状態での正極活物質からの金属溶出を少なくすることができる。これにより、本実施形態に係る全固体二次電池1は、充電状態での長期信頼性およびサイクル(cycle)特性を向上させることができる。
In addition, when the positive electrode active material is formed of a lithium salt of a ternary transition metal oxide such as NCA or NCM, and includes nickel (Ni) as the positive electrode active material, the capacity density of all solid
ここで、正極活物質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。また、正極活物質の粒径は特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極活物質に適用可能な範囲であれば良い。なお、正極活物質層12における正極活物質の含有量も特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極層に適用可能な範囲であれば良い。
Here, as a shape of a positive electrode active material, particle shapes, such as a spherical shape and an elliptical spherical shape, can be mentioned, for example. Further, the particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, as long as it can be applied to the positive electrode active material of the conventional all solid secondary battery. The content of the positive electrode active material in the positive electrode
また、正極活物質層12には、上述した正極活物質および固体電解質に加えて、例えば、導電助剤、結着材、フィラー(filler)、分散剤、イオン導電助剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。
In addition to the above-described positive electrode active material and solid electrolyte, the positive electrode
正極活物質層12に配合可能な導電助剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉等を挙げることができる。また、正極活物質層12に配合可能な結着剤としては、例えば、スチレンブタジエンゴム(styrene−butadiene rubber:SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。さらに、正極層10に配合可能なフィラー、分散剤、イオン導電助剤等としては、一般にリチウムイオン二次電池の電極に用いられる公知の材料を用いることができる。
As a conductive support agent which can be mix | blended with the positive electrode
(負極層)
負極層20は、負極集電体21及び負極活物質層22を含む。負極集電体21としては、例えば、インジウム(In)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)またはこれらの合金からなる板状体または箔状体等が挙げられる。負極集電体21は省略されても良い。
(Anode layer)
The
負極活物質層22は、例えば、負極活物質と、固体電解質と、導電助剤とを含む層であることができる。 The negative electrode active material layer 22 can be, for example, a layer containing a negative electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive.
負極活物質は、正極活物質層12に含まれる正極活物質と比較して充放電電位が低く、リチウムとの合金化、またはリチウムの可逆的な吸蔵および放出が可能な活物質材料にて構成される。
The negative electrode active material has a charge / discharge potential lower than that of the positive electrode active material contained in the positive electrode
例えば、負極活物質として、金属活物質またはカーボン(carbon)活物質等を用いることができる。金属活物質としては、例えば、リチウム(Li)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、およびケイ素(Si)等の金属、ならびにこれらの合金等を用いることができる。また、カーボン活物質としては、例えば、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス(coke)、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール(furfuryl alcohol)樹脂焼成炭素、ポリアセン(polyacene)、ピッチ(pitch)系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛、および難黒鉛化性炭素等を用いることができる。なお、これらの負極活物質は、単独で用いられてもよく、また2種以上を組み合わせて用いられてもよい。 For example, as the negative electrode active material, a metal active material, a carbon (carbon) active material, or the like can be used. As the metal active material, for example, metals such as lithium (Li), indium (In), aluminum (Al), tin (Sn), and silicon (Si), alloys of these, and the like can be used. Also, as the carbon active material, for example, artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-calcined carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke (coke), mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-calcined Carbon, polyacene, pitch-based carbon fiber, vapor grown carbon fiber, natural graphite, non-graphitizable carbon and the like can be used. Note that these negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤は、正極活物質層12における導電助剤と同様の導電助剤を用いることができる。固体電解質は、正極活物質層12に含まれる固体電解質と同様の化合物を用いることができる。そのため、これらの構成についてのここでの説明は省略する。
The same conductive aid as the conductive aid in the positive electrode
また、負極活物質層22には、上述した負極活物質、固体電解質、および導電助剤に加えて、例えば、結着材、フィラー、分散剤、およびイオン導電剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。負極活物質層22に配合される添加剤としては、上述した正極活物質層12に配合される添加剤と同様のものを用いることができる。
なお、以上説明した負極層20は、全固体二次電池1の使用時において、図示せぬ端子を介して、配線に接続される。
In addition to the above-described negative electrode active material, solid electrolyte, and conductive additive, the negative electrode active material layer 22 is appropriately blended with additives such as a binder, a filler, a dispersant, and an ion conductive agent, for example. It may be As the additive to be added to the negative electrode active material layer 22, the same one as the additive to be added to the positive electrode
In addition, the
(固体電解質層)
固体電解質層30は、正極層10および負極層20の間に形成され、固体電解質を含む。
(Solid electrolyte layer)
The
固体電解質は、例えば硫化物系固体電解質材料で構成される。硫化物系固体電解質材料としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiX(Xはハロゲン元素、例えばI、Cl)、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(m、nは正の数、ZはGe、ZnまたはGaのいずれか)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LipMOq(p、qは正の数、MはP、Si、Ge、B、Al、GaまたはInのいずれか)等を挙げることができる。ここで、硫化物系固体電解質材料は、出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を溶融急冷法やメカニカルミリング(mechanical milling)法等によって処理することで作製される。また、これらの処理の後にさらに熱処理を行っても良い。固体電解質は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良く、両者が混ざった状態でも良い。 The solid electrolyte is made of, for example, a sulfide-based solid electrolyte material. As the sulfide-based solid electrolyte material, for example, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiX (X is a halogen element such as I, Cl), 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, Li2 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 (m, n is any positive number, Z is Ge, and Zn, or Ga), Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 2 S-SiS 2 - Li p MO q (p, q is a positive number, M is P, Si, Ge B, Al, either Ga or In), and the like. Here, the sulfide-based solid electrolyte material is produced by treating a starting material (for example, Li 2 S, P 2 S 5 or the like) by a melt-quenching method, a mechanical milling method, or the like. Further, heat treatment may be further performed after these treatments. The solid electrolyte may be amorphous or crystalline, or may be in a mixed state.
また、固体電解質として、上記の硫化物固体電解質材料のうち、硫黄と、ケイ素、リンおよびホウ素からなる群から選択される1種以上の元素とを含有する材料を用いることが好ましい。これにより、固体電解質層のリチウム伝導性が向上し、全固体二次電池1の電池特性が向上する。特に、固体電解質として少なくとも構成元素として硫黄(S)、リン(P)およびリチウム(Li)を含むものを用いることが好ましく、特にLi2S−P2S5を含むものを用いることがより好ましい。
In addition, it is preferable to use, as the solid electrolyte, a material containing sulfur and one or more elements selected from the group consisting of silicon, phosphorus and boron among the above-mentioned sulfide solid electrolyte materials. Thereby, the lithium conductivity of the solid electrolyte layer is improved, and the battery characteristics of the all-solid
ここで、固体電解質を形成する硫化物系固体電解質材料としてLi2S−P2S5を含むものを用いる場合、Li2SとP2S5との混合モル比は、例えば、Li2S:P2S5=50:50〜90:10の範囲で選択されてもよい。また、固体電解質層30には、結着剤を更に含んでいても良い。固体電解質層30に含まれる結着剤は、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。固体電解質層30内の結着剤は、正極活物質層12内の結着剤と同種であってもよいし、異なっていても良い。
Here, in the case of using a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a sulfide-based solid electrolyte material forming a solid electrolyte, the mixing molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is, for example, Li 2 S It may be selected in the range of P 2 S 5 = 50: 50 to 90:10. The
(緩衝層)
緩衝層40は、正極層10の正極活物質層12と固体電解質層30との間に配置されている。そして、緩衝層40は、Li以外の単体金属および単体半金属ならびにこれらの酸化物および硫化物からなる群から選択される1種以上を含む。これにより、全固体二次電池1の充放電時における短絡が防止される。
(Buffer layer)
The
詳細に説明すると、まず、緩衝層40の構成成分が単体金属または単体半金属の場合、これらは、初期の充放電により酸化され、酸化物または硫化物となる。そして、(半)金属酸化物および硫化物は、電気抵抗率が比較的高い微電気抵抗物である。
More specifically, when the constituent components of the
次に、緩衝層40は、正極活物質層12と固体電解質層30との間に配置されるが、全固体二次電池1製造時には一般にプレスにより押圧されている。したがって、緩衝層40は、固体電解質層30や正極活物質層12の緩衝層40との界面付近において固体電解質層30や正極活物質層12を構成する固体電解質粒子や正極活物質粒子の間隙を埋めることができ、この結果固体電解質粒子や正極活物質粒子の接触をより確実なものとすることができる。このような緩衝層40に起因する固体電解質粒子や正極活物質粒子の接触は、全固体二次電池1の緩衝層40の平面方向に比較的均一に生じる。このため、充放電時において全固体二次電池1中でリチウムイオンの移動経路が均一に分布し、局所的にリチウムイオンの移動が生じることが防止される。
Next, the
さらに、上述したように緩衝層40を構成する(半)金属酸化物および硫化物は、電気抵抗率が比較的高く、固体電解質層30や正極活物質層12の表面付近における間隙は微電気抵抗物としての緩衝層40で充填される。このため、不本意な短絡が防止される。さらには、このような緩衝層40で間隙が充填されることから、固体電解質層30および正極活物質層12の界面付近における不本意な副反応等が防止される。以上の各効果が相乗的に作用することにより、全固体二次電池1の充放電時における短絡が防止される。
Furthermore, as described above, the (semi) metal oxides and sulfides constituting the
また、緩衝層40を構成する単体金属または単体半金属のヤング率は、特に限定されないが、例えば10GPa以上400GPa以下、好ましくは100GPa以上200GPa以下である。緩衝層40を構成する単体金属または単体半金属のヤング率が上述した範囲内であると、上述したようにプレスされた際に適度に伸びて、固体電解質層30や正極活物質層12の緩衝層40との界面付近において固体電解質層30や正極活物質層12を構成する固体電解質粒子や正極活物質粒子の間隙を適度に埋めることができる。上記ヤング率が前記下限値未満だと、その単体金属または単体半金属の種類によっては、プレスされた際に過度に伸びてしまい、界面抵抗を却って増加させてしまう場合がある。一方で、上記ヤング率が前記上限値を超えると、プレス条件によっては、単体金属または単体半金属が十分に伸びず、上記間隙を埋める効果を十分に得られない場合がある。
The Young's modulus of the single metal or the single semimetal constituting the
緩衝層40を構成する成分は、上述したようにLi以外の単体(半)金属ならびにこれらの酸化物および硫化物であればよい。例えば、このような成分としては、Mg、Al、Ca、Ti、Cr、Fe、Zn、Ga、Ge、Se、Sr、Y、Zr、Mo、In、Sn、Ag、Sb、BaおよびBiならびにこれらの酸化物および硫化物等が挙げられる。これらの成分は、上述した範囲のヤング率を有することから、緩衝層40の効果が十分に発揮される。
The component which comprises the
さらに、単体金属は、卑金属であることが好ましい。単体金属が卑金属である場合、容易に酸化して酸化物または硫化物が生成する。したがって、より確実に緩衝層40の機能が発揮される。
Furthermore, the single metal is preferably a base metal. When the simplex metal is a base metal, it is easily oxidized to form an oxide or a sulfide. Therefore, the function of the
また、緩衝層40は、ZnまたはBiあるいはこれらの酸化物または硫化物で構成されることが好ましく、ZnまたはZnの酸化物または硫化物で構成されることが好ましい。これらの成分は、特に適度な大きさのヤング率(Zn:108GPa、Bi:32GPa)を有するともに、適度な大きさの電気抵抗(絶縁性)を有している。したがって、全固体二次電池1の短絡がより一層抑制される。
The
また、緩衝層40は、主として上述した単体(半)金属ならびにこれらの酸化物および硫化物で構成されている。具体的には、緩衝層40における単体(半)金属ならびにこれらの酸化物および硫化物の含有量は、例えば90質量%以上、好ましくは95質量%以上である。なお、緩衝層40には、全固体二次電池1の充放電反応に起因した他の物質が含まれていてもよい。特に好ましくは、緩衝層40は、本質的に上述した単体(半)金属ならびにこれらの酸化物および硫化物からなる。
The
また、緩衝層40の厚さは、1.0nm以上1000nm以下である。緩衝層40の厚さが上記下限値未満であると、緩衝層40の機能が十分に発揮されず、短絡の抑制効果を得られない。一方で、緩衝層40の厚さが上記上限値を超えると、緩衝層40による界面抵抗が大きく、却って短絡の抑制が困難となる緩衝層40の厚さは、好ましくは50nm以上500nm以下である。
The thickness of the
以上説明した全固体二次電池1は、緩衝層40により、充放電時において電流が局所的に集中することが防止されており、また、正極活物質層12および固体電解質層30の界面における間隙が充填されている。したがって、全固体二次電池1は充放電時における短絡が防止されている。
In the all-solid
<2.全固体二次電池の製造方法>
続いて、本実施形態に係る全固体二次電池の製造方法の一例について説明する。本実施形態に係る全固体二次電池1は、正極層10、負極層20、および固体電解質層30をそれぞれ製造した後、正極層10の正極活物質層12上または固体電解質層30の正極活物質側の面に緩衝層40を形成し、上記の各層を積層することにより製造することができる。正極層10、負極層20、及び固体電解質層30は公知の方法で作製することができる。
<2. Method of manufacturing all solid secondary battery>
Then, an example of the manufacturing method of the all-solid-state secondary battery which concerns on this embodiment is demonstrated. In the all solid
(正極層作製工程)
正極活物質は、公知の方法で作製することができる。続いて、作製した正極活物質と、後述する方法で作製した固体電解質と、各種添加材とを混合し非極性溶媒に添加してスラリー(slurry)またはペースト(paste)を形成する。さらに、得られたスラリーまたはペーストを正極集電体11上に塗布し、乾燥した後に、圧延することで、正極層10を得ることができる。正極集電体11を用いずに、正極活物質と、各種添加剤との混合物をペレット(pellet)状に圧密化成形することで正極層10を作製してもよい。なお、正極活物質層12の密度比を高めるために、必要に応じてロールプレス等のプレス工程を行うこともできる。
(Positive electrode preparation process)
The positive electrode active material can be produced by a known method. Subsequently, the prepared positive electrode active material, a solid electrolyte prepared by a method described later, and various additives are mixed and added to a nonpolar solvent to form a slurry or a paste. Furthermore, the
(負極層作製工程)
負極層20は、正極層と同様の方法で作製することができる。具体的には、まず、負極活物質と、固体電解質と、導電助剤と、各種添加剤とを混合し、水または有機溶媒などの溶媒に添加することでスラリーまたはペーストを形成する。さらに、得られたスラリーまたはペーストを集電体に塗布し、乾燥した後に、圧延することで、負極層20を得ることができる。なお、金属LiまたはLiイオンと合金を作る金属の箔状体を負極層20として用いてもよい。
(Step of preparing negative electrode layer)
The
(固体電解質層作製工程)
固体電解質層30は、硫化物系固体電解質材料にて形成された固体電解質により作製することができる。
(Solid electrolyte layer preparation process)
The
まず、溶融急冷法やメカニカルミリング(mechanical milling)法により出発原料を処理する。 First, the starting material is treated by a melt-quenching method or a mechanical milling method.
例えば、溶融急冷法を用いる場合、出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を所定量混合し、ペレット状にしたものを真空中で所定の反応温度で反応させた後、急冷することによって硫化物系固体電解質材料を作製することができる。なお、Li2SおよびP2S5の混合物の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃であり、より好ましくは800℃〜900℃である。また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間であり、より好ましくは1時間〜12時間である。さらに、反応物の急冷温度は、通常10℃以下であり、好ましくは0℃以下であり、急冷速度は、通常1℃/sec〜10000℃/sec程度であり、好ましくは1℃/sec〜1000℃/sec程度である。 For example, in the case of using a melt quenching method, predetermined amounts of starting materials (eg, Li 2 S, P 2 S 5 etc.) are mixed, pelletized, reacted in vacuum at a predetermined reaction temperature, and then quenched. Thus, a sulfide-based solid electrolyte material can be produced. The reaction temperature of the mixture of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably 400 ° C. to 1000 ° C., more preferably 800 ° C. to 900 ° C. The reaction time is preferably 0.1 hour to 12 hours, more preferably 1 hour to 12 hours. Furthermore, the quenching temperature of the reaction product is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the quenching rate is usually about 1 ° C./sec to 10000 ° C./sec, preferably 1 ° C./sec. It is about ° C / sec.
また、メカニカルミリング法を用いる場合、ボールミルなどを用いて出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を撹拌させて反応させることで、硫化物系固体電解質材料を作製することができる。なお、メカニカルミリング法における撹拌速度および撹拌時間は特に限定されないが、撹拌速度が速いほど硫化物系固体電解質材料の生成速度を速くすることができ、撹拌時間が長いほど硫化物系固体電解質材料への原料の転化率を高くすることができる。 In addition, when using mechanical milling, a sulfide-based solid electrolyte material can be produced by allowing a starting material (for example, Li 2 S, P 2 S 5 or the like) to be stirred and reacted using a ball mill or the like. . Although the stirring speed and the stirring time in the mechanical milling method are not particularly limited, the faster the stirring speed, the faster the formation speed of the sulfide-based solid electrolyte material can be, and the longer the stirring time, the sulfide-based solid electrolyte material Conversion rate of raw materials can be increased.
その後、溶融急冷法またはメカニカルミリング法により得られた混合原料を所定温度で熱処理した後、粉砕することにより粒子状の固体電解質を作製することができる。固体電解質がガラス転移点を持つ場合は、熱処理によって非晶質から結晶質に変わる場合がある。 Thereafter, the mixed raw material obtained by the melt-quenching method or the mechanical milling method is heat-treated at a predetermined temperature, and then pulverized to produce a particulate solid electrolyte. When the solid electrolyte has a glass transition temperature, it may be changed from amorphous to crystalline by heat treatment.
続いて、上記の方法で得られた固体電解質を、例えば、エアロゾルデポジション(aerosol deposition)法、コールドスプレー(cold spray)法、スパッタ法等の公知の成膜法を用いて成膜することにより、固体電解質層30を作製することができる。なお、固体電解質層30は、固体電解質粒子単体を加圧することにより作製されてもよい。また、固体電解質層30は、固体電解質と、溶媒、結着剤を混合し、塗布乾燥し加圧することにより固体電解質層30を作製してもよい。なお、固体電解質層30の密度比を高めるために、必要に応じてロールプレス等のプレス工程を行うこともできる。
Subsequently, the solid electrolyte obtained by the above method is formed into a film, for example, by using a known film forming method such as an aerosol deposition method, a cold spray method, or a sputtering method. The
(緩衝層形成工程)
次に、正極層10の正極活物質層12上または固体電解質層30の正極活物質側の面に緩衝層40を形成する。緩衝層40の形成方法は特に限定されず、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の物理的気相成長法、プラズマCVD等の化学的気相成長法やスピンコート、スクリーン印刷等の湿式塗布法を適宜利用することができる。上述した中でも真空蒸着等の物理的気相成長法を用いて単体(半)金属の形成を行うことが簡便であり、かつ緩衝層40の厚さの制御の観点からも好ましい。
(Buffer layer formation process)
Next, the
(積層工程)
次いで、正極活物質層12(すなわち、正極層10)及び固体電解質層30と、負極活物質層22(すなわち、負極層20)とを積層することで電極積層体を作製する。この際に、緩衝層40が正極活物質層12と固体電解質層30との間に配置されるように積層を行う。ついで、電極積層体をプレスする。以上の工程により、全固体二次電池1が作製される。プレスを行うための具体的なプレス方法は特に制限されず、従来の全固体二次電池1の作製に使用されるプレス方法であってもよい。たとえば、ロールプレス等によってプレスを行えば良い。
(Lamination process)
Next, the positive electrode active material layer 12 (that is, the positive electrode layer 10), the
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例は、あくまでも一例であって、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The examples are merely examples and do not limit the present invention.
[1.全固体二次電池の製造]
<実施例1>
(正極構造体の作製)
正極活物質としてのLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)三元系粉末と、硫化物系固体電解質としてのLi2S−P2S5(80:20モル%)非晶質粉末と、正極層導電性物質(導電助剤)としての気相成長炭素繊維粉末とを60:35:5の質量%比で秤量し、自転公転ミキサを用いて混合した。
[1. Production of all solid secondary battery]
Example 1
(Preparation of positive electrode structure)
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) ternary powder as a positive electrode active material, and Li 2 S—P 2 S 5 (80: 20 mol%) as a sulfide-based solid electrolyte The amorphous powder and the vapor grown carbon fiber powder as the positive electrode layer conductive substance (conductive auxiliary agent) were weighed at a mass% ratio of 60: 35: 5 and mixed using a rotation and revolution mixer.
次いで、この混合粉に、結着剤としてのスチレン・ブタジエンゴム(SBR)が溶解した脱水キシレン溶液をSBRが混合粉の総質量に対して5.0質量%となるように添加して1次混合液を調製した。さらに、この1次混合液に、粘度調整のための脱水キシレンを適量添加することで、2次混合液を調製した。さらに、混合粉の分散性を向上させるために、直径5mmのジルコニアボールを、空間、混合粉、ジルコニアボールがそれぞれ混練容器の全容積に対して1/3ずつを占めるように2次混合液に投入した。これにより生成された3次混合液を自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌することで、正極活物質層塗工液を調製した。 Subsequently, a dehydrated xylene solution in which styrene butadiene rubber (SBR) as a binder is dissolved is added to this mixed powder so that SBR becomes 5.0% by mass with respect to the total mass of the mixed powder, and the primary A mixture was prepared. Furthermore, a secondary mixed solution was prepared by adding an appropriate amount of dehydrated xylene for viscosity adjustment to the primary mixed solution. Furthermore, in order to improve the dispersibility of the mixed powder, a zirconia ball with a diameter of 5 mm is added to the secondary mixed solution so that the space, the mixed powder, and the zirconia ball occupy 1/3 of the total volume of the kneading vessel. It was thrown in. The tertiary mixed solution generated in this manner was introduced into a rotation and revolution mixer, and stirred for 3 minutes at 3000 rpm to prepare a positive electrode active material layer coating solution.
次いで、正極集電体として厚さ20μmのアルミ箔集電体を用意し、卓上スクリーン印刷機に正極集電体を載置し、孔径が2.0cm×2.0cmで厚みが150μmのメタルマスクを用いて正極活物質層塗工液をシート上に塗工した。その後、正極活物質層塗工液が塗工されたシートを60℃のホットプレートで30分乾燥させた後、80℃で12時間真空乾燥させた。これにより、正極集電体上に正極活物質層を形成した。乾燥後の正極集電体及び正極活物質層の総厚さは165μm前後であった。 Next, an aluminum foil current collector with a thickness of 20 μm is prepared as a positive electrode current collector, and the positive electrode current collector is placed on a desktop screen printing machine, and the metal mask has a hole diameter of 2.0 cm × 2.0 cm and a thickness of 150 μm. The positive electrode active material layer coating liquid was coated on the sheet using Thereafter, the sheet coated with the positive electrode active material layer coating liquid was dried on a hot plate at 60 ° C. for 30 minutes, and then vacuum dried at 80 ° C. for 12 hours. Thus, a positive electrode active material layer was formed on the positive electrode current collector. The total thickness of the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer after drying was about 165 μm.
(負極構造体の作製)
負極活物質としての黒鉛粉末(80℃で24時間真空乾燥したもの)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを95.0:5.0の質量%比で秤量した。そして、これらの材料と適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌した後、1分脱泡処理することで、負極活物質層塗工液を調製した。
(Preparation of negative electrode structure)
Graphite powder (as vacuum dried at 80 ° C. for 24 hours) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were weighed at a mass% ratio of 95.0: 5.0. Then, these materials and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are charged into a rotation and revolution mixer, stirred at 3000 rpm for 3 minutes, and defoamed for 1 minute to coat the negative electrode active material layer The solution was prepared.
次いで、負極集電体として厚さ20μmのニッケル箔集電体を用意し、孔径が2.2cm×2.2cmで厚みが250μmのメタルマスクを用いて負極活物質層塗工液をニッケル集電体上に塗工した。負極層塗工液が塗工されたシートを、80℃に加熱された乾燥機内に収納し、15分乾燥した。さらに、乾燥後のシートを80℃で24時間真空乾燥を行った。これにより、負極構造体を作製した。負極構造体の厚みは140μm前後であった。 Next, a 20 μm thick nickel foil current collector is prepared as a negative electrode current collector, and using a metal mask having a pore size of 2.2 cm × 2.2 cm and a thickness of 250 μm, the negative electrode active material layer coating liquid is It was coated on the body. The sheet coated with the negative electrode layer coating liquid was housed in a dryer heated to 80 ° C. and dried for 15 minutes. Furthermore, the dried sheet was vacuum dried at 80 ° C. for 24 hours. Thus, a negative electrode structure was produced. The thickness of the negative electrode structure was about 140 μm.
(固体電解質層の作製)
硫化物系固体電解質としてのLi2S−P2S5(80:20モル%)非晶質粉末に、SBRが溶解した脱水キシレン溶液をSBRが混合粉の総質量に対して2.0質量%となるように添加して1次混合液を調製した。さらに、この1次混合液に、粘度調整のための脱水キシレンを適量添加することで、2次混合液を調製した。さらに、混合粉の分散性を向上させるために、直径5mmのジルコニアボールを、空間、混合粉、ジルコニアボールがそれぞれ混練容器の全容積に対して1/3ずつを占めるように3次混合液に投入した。これにより得られた3次混合液を自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌することで、固体電解質層塗工液を調製した。
(Preparation of solid electrolyte layer)
Dehydrated xylene solution in which SBR is dissolved in Li 2 S-P 2 S 5 (80: 20 mol%) amorphous powder as a sulfide-based solid electrolyte, 2.0 mass based on the total mass of the mixed powder % To obtain a primary mixture. Furthermore, a secondary mixed solution was prepared by adding an appropriate amount of dehydrated xylene for viscosity adjustment to the primary mixed solution. Furthermore, in order to improve the dispersibility of the mixed powder, a zirconia ball with a diameter of 5 mm is added to the tertiary mixture so that the space, the mixed powder, and the zirconia ball occupy 1/3 of the total volume of the kneading vessel. It was thrown in. The tertiary mixed solution thus obtained was introduced into a rotation and revolution mixer, and stirred for 3 minutes at 3000 rpm to prepare a solid electrolyte layer coating solution.
卓上スクリーン印刷機にポリエチレンテレフタレート(Polyethyleneterephthalate:PET)を載置し、孔径が2.5cm×2.5cmで厚みが300μmのメタルマスクを用いて固体電解質層塗工液をPETシート上に塗工した。その後、40℃のホットプレートで10分乾燥させた後、40℃で12時間真空乾燥させ、固体電解質層を形成した。乾燥後の固体電解質層の総厚さは180μm前後であった。 Polyethylene terephthalate (Polyethylene terephthalate: PET) was placed on a desktop screen printing machine, and a solid electrolyte layer coating liquid was coated on a PET sheet using a metal mask with a hole diameter of 2.5 cm × 2.5 cm and a thickness of 300 μm. . Thereafter, the resultant was dried on a hot plate at 40 ° C. for 10 minutes and then vacuum dried at 40 ° C. for 12 hours to form a solid electrolyte layer. The total thickness of the solid electrolyte layer after drying was around 180 μm.
(緩衝層の作製)
上記のようにして得られた正極構造体の正極質層上に真空蒸着法によって、緩衝層としての厚さ100nmの亜鉛層を形成し、正極/緩衝層の構造体を得た。
(Preparation of buffer layer)
A 100 nm thick zinc layer as a buffer layer was formed on the positive electrode layer of the positive electrode structure obtained as described above by a vacuum evaporation method to obtain a positive electrode / buffer layer structure.
(全固体二次電池の作製)
正極/緩衝層構造体、固体電解質層および負極構造体をトムソン刃で打ちぬいた。PET上の固体電解質層を、正極/緩衝層構造体に対し、正極/緩衝層構造体の緩衝層側面が接するように重ねてロールギャップ150μmのロールプレス機を用いたドライラミネーション法により、貼り合わせることで、正極/緩衝層構造体と固体電解質層の集合体を形成した。
(Preparation of all solid secondary battery)
The positive electrode / buffer layer structure, the solid electrolyte layer and the negative electrode structure were punched out with a Thomson blade. The solid electrolyte layer on PET is stacked on the positive electrode / buffer layer structure so that the side of the buffer layer of the positive electrode / buffer layer structure is in contact, and bonded by a dry lamination method using a roll press with a roll gap of 150 μm. Thus, an assembly of the positive electrode / buffer layer structure and the solid electrolyte layer was formed.
上記正極/緩衝層構造体と固体電解質層の集合体の固体電解質層面と負極構造体の負極活物質層側面とを重ねて、一軸プレス機を用いて10トンの圧力で加圧成型を行うことで、全固体二次電池の単セルを作製した。 The solid electrolyte layer side of the assembly of the positive electrode / buffer layer structure and the solid electrolyte layer and the side surface of the negative electrode active material layer of the negative electrode structure are stacked, and pressure molding is performed at a pressure of 10 tons using a uniaxial press. Then, a single cell of the all solid secondary battery was manufactured.
(全固体二次電池の封入)
作製した単セルを、端子を取り付けたアルミニウムラミネートフィルムに入れ、真空機で100Paまで真空排気した後、ヒートシールを行いパックした。
(Encapsulation of all solid secondary battery)
The produced unit cell was put into an aluminum laminate film attached with a terminal, evacuated to 100 Pa with a vacuum machine, and heat sealed to pack.
<実施例2>
真空蒸着で形成した亜鉛層の厚みが1,000nm(1μm)であること以外は実施例1と同様にして、実施例2に係る全固体二次電池を製造した。
Example 2
An all solid secondary battery according to Example 2 was manufactured in the same manner as Example 1, except that the thickness of the zinc layer formed by vacuum evaporation was 1,000 nm (1 μm).
<実施例3>
真空蒸着で形成した亜鉛層の厚みが1.0nmであること以外は実施例1と同様にして、実施例3に係る全固体二次電池を製造した。
Example 3
An all solid secondary battery according to Example 3 was manufactured in the same manner as Example 1 except that the thickness of the zinc layer formed by vacuum evaporation was 1.0 nm.
<実施例4>
緩衝層としての亜鉛層の形成を正極活物質上ではなく、固体電解質層上に行った以外は、実施例1と同様にして、実施例4に係る全固体二次電池を製造した。具体的には、真空蒸着により、固体電解質層面上に亜鉛層を形成させて、固体電解質層/緩衝層の構造体を形成した。ついで、固体電解質層/緩衝層構造体の緩衝層側と正極構造体の正極活物質層側とを重ねて、ロールプレス機で貼り合せることにより、実施例4に係る全固体二次電池を製造した。
Example 4
An all solid secondary battery according to Example 4 was manufactured in the same manner as Example 1, except that the formation of the zinc layer as the buffer layer was performed not on the positive electrode active material but on the solid electrolyte layer. Specifically, a zinc layer was formed on the surface of the solid electrolyte layer by vacuum evaporation to form a solid electrolyte layer / buffer layer structure. Next, the buffer layer side of the solid electrolyte layer / buffer layer structure and the positive electrode active material layer side of the positive electrode structure are overlapped and bonded by a roll press to produce an all solid secondary battery according to Example 4. did.
<実施例5>
亜鉛に代えてビスマス(Bi)を用いて真空蒸着を行い、緩衝層として亜鉛層に代えてビスマス層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例5に係る全固体二次電池を製造した。
Example 5
An all solid secondary battery according to Example 5 in the same manner as Example 1, except that vacuum evaporation was performed using bismuth (Bi) instead of zinc, and a bismuth layer was formed instead of the zinc layer as a buffer layer. Manufactured.
<実施例6>
亜鉛に代えてビスマス(Bi)を用いて真空蒸着を行い、緩衝層として亜鉛層に代えてビスマス層を形成した以外は、実施例4と同様にして、実施例6に係る全固体二次電池を製造した。
Example 6
An all solid secondary battery according to Example 6 in the same manner as Example 4, except that vacuum evaporation was performed using bismuth (Bi) instead of zinc, and a bismuth layer was formed instead of the zinc layer as a buffer layer. Manufactured.
<比較例1>
緩衝層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較例1に係る全固体二次電池を製造した。
Comparative Example 1
An all solid secondary battery according to Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as Example 1 except that the buffer layer was not formed.
<比較例2>
真空蒸着で形成した亜鉛層の厚みが2,000nm(2μm)であること以外は実施例1と同様にして、比較例2に係る全固体二次電池を製造した。
Comparative Example 2
An all solid secondary battery according to Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as Example 1, except that the thickness of the zinc layer formed by vacuum deposition was 2,000 nm (2 μm).
<比較例3>
真空蒸着で形成した亜鉛層の厚みが0.5nmであること以外は実施例1と同様にして、比較例3に係る全固体二次電池を製造した。
Comparative Example 3
An all solid secondary battery according to Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as Example 1, except that the thickness of the zinc layer formed by vacuum evaporation was 0.5 nm.
<比較例4>
正極活物質層と固体電解質層との間に緩衝層を形成せず、負極活物質層と固体電解質層との間に緩衝層を形成した以外は、実施例1と同様にして、比較例4に係る全固体二次電池を製造した。具体的には、真空蒸着により負極構造体の負極活物質層面上に厚み100nmの亜鉛層を形成させて、負極/緩衝層の構造体を形成した。次いで、負極/緩衝層構造体の緩衝層側面と正極構造体の正極活物質層側面とが接するように、負極/緩衝層構造体と正極構造体とを重ねて、一軸プレス機で加圧成形を行なった。
Comparative Example 4
Comparative Example 4 is the same as Example 1 except that no buffer layer is formed between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and a buffer layer is formed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer. An all solid secondary battery according to Specifically, a zinc layer having a thickness of 100 nm was formed on the negative electrode active material layer surface of the negative electrode structure by vacuum evaporation to form a negative electrode / buffer layer structure. Next, the negative electrode / buffer layer structure and the positive electrode structure are stacked so that the buffer layer side surface of the negative electrode / buffer layer structure and the positive electrode active material layer side surface of the positive electrode structure are in contact, and pressure molding is performed with a uniaxial press. Did.
<比較例5>
正極活物質層と固体電解質層との間に緩衝層を形成せず、負極活物質層と固体電解質層との間に緩衝層を形成し、緩衝層を亜鉛層ではなくビスマス層とした以外は、実施例1と同様にして、比較例5に係る全固体二次電池を製造した。具体的には、真空蒸着により負極構造体の負極活物質層面上に厚み100nmのビスマス層を形成させて、負極/緩衝層の構造体を形成した。次いで、負極/緩衝層構造体の緩衝層側面と正極構造体の正極活物質層側面とが接するように、負極/緩衝層構造体と正極構造体とを重ねて、一軸プレス機で加圧成形を行なった。
Comparative Example 5
No buffer layer is formed between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer, but a buffer layer is formed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer, and the buffer layer is not the zinc layer but the bismuth layer In the same manner as in Example 1, an all solid secondary battery according to Comparative Example 5 was manufactured. Specifically, a bismuth layer having a thickness of 100 nm was formed on the surface of the negative electrode active material layer of the negative electrode structure by vacuum evaporation to form a negative electrode / buffer layer structure. Next, the negative electrode / buffer layer structure and the positive electrode structure are stacked so that the buffer layer side surface of the negative electrode / buffer layer structure and the positive electrode active material layer side surface of the positive electrode structure are in contact, and pressure molding is performed with a uniaxial press. Did.
[2.評価]
(充電時短絡試験)
各実施例および比較例に係る全固体二次電池(単セル)の容量(Ah)を東洋システム製充放電評価装置 TOSCAT−3100により測定した。初期容量の測定では、Cレートで0.1Cで充電を行い、0.01Cで放電した。その後、任意のレート(0.1C、0.33C、0.5C)で充電し、0.1Cで放電を行なった。ここでCレートとは、セル容量に対する電流値の比を意味する。
[2. Evaluation]
(Short circuit test during charging)
The capacity (Ah) of the all-solid-state secondary battery (single cell) according to each example and comparative example was measured by TOSCAT-3100 charge / discharge evaluation apparatus manufactured by Toyo System. In the measurement of the initial capacity, charging was performed at 0.1 C at a C rate, and discharging was performed at 0.01 C. Then, it charged at an arbitrary rate (0.1 C, 0.33 C, 0.5 C) and discharged at 0.1 C. Here, the C rate means the ratio of the current value to the cell capacity.
充電時に短絡が発生した場合には、充電の途中で電圧の低下が生じたり、完全に充電できないために放電容量が低下したりする。したがって、充電時におけるこのような状況の発生を短絡の発生と判断し、各実施例および比較例に係る全固体二次電池(単セル)について、上記レート毎に短絡の有無の評価を行った。結果を表1に示す。 If a short circuit occurs during charging, the voltage may drop during charging, or the discharge capacity may decrease because charging can not be completed completely. Therefore, the occurrence of such a condition during charging was determined to be the occurrence of a short circuit, and the evaluation of the presence or absence of a short circuit was performed at all the rates for all solid secondary batteries (single cells) according to Examples and Comparative Examples. . The results are shown in Table 1.
(緩衝層の元素状態評価)
充電時短絡試験後の各実施例1〜4に係る全固体二次電池を解体し、正極/緩衝層構造体を取り出した。X線光電子分光解析装置(アルバックファイ社製、ESCA5800)を用いて、正極/緩衝層構造体の緩衝層側からX線光電子分光(XPS)測定を行った。実施例1〜4のいずれにおいても、結合エネルギーがおよそ1022eVを中心とするピークが観測され、亜鉛が2価で存在することが分かった。さらにオージェ測定を行うと、結合エネルギーがおよそ497eVを中心とするピークが観測され、緩衝層中の金属亜鉛が酸化亜鉛または硫化亜鉛に変化していることが確認できた。
(Evaluation of elemental state of buffer layer)
The all-solid secondary batteries according to Examples 1 to 4 after the short circuit test at the time of charge were disassembled, and the positive electrode / buffer layer structure was taken out. An X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement was performed from the buffer layer side of the positive electrode / buffer layer structure using an X-ray photoelectron spectrometer (ESCA5800 manufactured by ULVAC-PHI, Inc.). In any of Examples 1 to 4, a peak having a binding energy of about 1022 eV was observed, and it was found that zinc was present in a divalent manner. Furthermore, when the Auger measurement was performed, it was confirmed that a peak centered on about 497 eV in binding energy was observed, and the metal zinc in the buffer layer was changed to zinc oxide or zinc sulfide.
各実施例および比較例に係る全固体二次電池の構成および充電時短絡試験の結果を表1に示す。
The configuration of the all solid secondary battery according to each example and comparative example and the result of the short circuit test at the time of charge are shown in Table 1.
表1から明らかなように、実施例1〜6にかかる全固体二次電池は、充電時における短絡が好適に防止されており、高レートの場合であっても短絡が防止されていた。 As is clear from Table 1, in the all-solid-state secondary batteries according to Examples 1 to 6, the short circuit during charging was suitably prevented, and the short circuit was prevented even at a high rate.
これに対し、比較例1〜5に係る全固体二次電池は、比較的低いレートでも短絡が生じた。特に、比較例4、5においては、負極活物質層と固体電解質層との間に緩衝層を形成しても、短絡が防止できないことが判明した。 On the other hand, in all solid secondary batteries according to Comparative Examples 1 to 5, a short circuit occurred even at a relatively low rate. In particular, in Comparative Examples 4 and 5, it was found that the short circuit can not be prevented even if the buffer layer is formed between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is obvious that those skilled in the art to which the present invention belongs can conceive of various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also fall within the technical scope of the present invention.
1 全固体二次電池
10 正極層
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 負極層
21 負極集電体
22 負極活物質層
30 固体電解質層
40 緩衝層
1 all solid
Claims (6)
負極層と、
前記正極層及び前記負極層の間に配置された固体電解質層と、
前記正極層と前記固体電解質層との間に配置された緩衝層と、を含み、
前記緩衝層は、Li以外の単体金属および単体半金属ならびにこれらの酸化物および硫化物からなる群から選択される1種以上を含み、
前記緩衝層の厚みが、1.0nm以上1000nm以下である、全固体二次電池。 A positive electrode layer,
A negative electrode layer,
A solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer;
A buffer layer disposed between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer,
The buffer layer contains one or more selected from the group consisting of a single metal and a single metalloid other than Li, and oxides and sulfides thereof.
The all-solid-state secondary battery whose thickness of the said buffer layer is 1.0 nm or more and 1000 nm or less.
The all solid according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid electrolyte layer comprises a solid electrolyte containing sulfur and one or more elements selected from the group consisting of silicon, phosphorus and boron. Secondary battery.
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