JP2013097969A - Electrode for all-solid battery, and all-solid battery including the same - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも充填率を高く維持できる全固体電池用電極、及び当該電極を含む全固体電池を提供する。
【解決手段】少なくとも、粉末状の電極活物質、及び粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質を含有する全固体電池用電極であって、ヤング率が0.1GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が0.1MPa以上であることを特徴とする、全固体電池用電極。
【選択図】図3An electrode for an all solid state battery capable of maintaining a filling rate higher than that of the prior art and an all solid state battery including the electrode are provided.
An electrode for an all-solid battery containing at least a powdered electrode active material and a powdered lithium ion conductive solid electrolyte, having a Young's modulus of 0.1 GPa or more and / or a tensile strength. An electrode for an all solid state battery, characterized by being 0.1 MPa or more.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、従来よりも充填率を高く維持できる全固体電池用電極、及び当該電極を含む全固体電池に関する。 The present invention relates to an electrode for an all solid state battery capable of maintaining a higher filling rate than before, and an all solid state battery including the electrode.
二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池である。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。 The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. The battery can be stored (charged). Among secondary batteries, lithium secondary batteries are widely used as power sources for notebook personal computers, mobile phones, and the like because of their high energy density.
リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では下記式(I)の反応が進行する。
LixC→C+xLi++xe− (I)
(上記式(I)中、0<x<1である。)
式(I)の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、式(I)の反応で生じたリチウムイオン(Li+)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C) is used as the negative electrode active material, the reaction of the following formula (I) proceeds in the negative electrode during discharge.
Li x C → C + xLi + + xe − (I)
(In the above formula (I), 0 <x <1.)
Electrons generated by the reaction of formula (I) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated by the reaction of the formula (I) move by electroosmosis from the negative electrode side to the positive electrode side in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.
また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li1−xCoO2)を用いた場合、放電時において、正極では下記式(II)の反応が進行する。
Li1−xCoO2+xLi++xe−→LiCoO2 (II)
(上記式(II)中、0<x<1である。)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(I)及び式(II)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(LixC)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li1−xCoO2)が再生するため、再放電が可能となる。
When lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the following formula (II) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe − → LiCoO 2 (II)
(In the above formula (II), 0 <x <1.)
At the time of charging, reverse reactions of the above formulas (I) and (II) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (Li x C) containing lithium by graphite intercalation is Since lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.
二次電池の中でも、電解質を固体電解質とし、電池を全固体化した二次電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を含まないため、安全かつ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る。特許文献1には、少なくとも、負極、リチウムイオン伝導性固体電解質、正極及び集電体が積層されてなる全固体リチウム二次電池において、粉末状の正極と粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質とを積層状にして一体に加圧成型したものを用いたことを特徴とする全固体リチウム二次電池が開示されている。
Among secondary batteries, secondary batteries with solid electrolytes and solidified batteries do not contain flammable organic solvents in the batteries, so they can be safely and simplified, manufacturing costs and productivity It is considered excellent. In
特許文献1の明細書の段落[0031]には、粉末状の正極と粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質とを積層状にして一体に加圧成型する利点が記載されている。しかし、本発明者らが検討したところ、特許文献1に記載された様な構成では、加圧成型後の電池の充填率が著しく低下することが明らかとなった。
Paragraph [0031] of the specification of
図6(a)は、従来の全固体電池の一部であって、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質4からなる固体電解質層1と、当該固体電解質層1を一対の正極及び負極で挟持し、比較的強い力で拘束した積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。通常、正極は、正極活物質5、及び、必要であれば固体電解質4を混合した正極活物質層2を、また負極は、負極活物質6、及び、必要であれば固体電解質4を混合した負極活物質層3を、それぞれ備える。図6(a)に示した積層体は、矢印7で示すように、積層方向の両側から、比較的強い圧力で拘束されている。このような比較的強い圧力は、主に積層体の作製工程、例えば、加圧成型工程等において付与される圧力である。
FIG. 6A shows a part of a conventional all-solid battery, in which a
一方、図6(b)は、比較的弱い圧力で拘束した上記積層体について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。このような比較的弱い圧力は、主に当該積層体の加圧成型後において付与される圧力である。したがって、図6(b)に示すように、従来の全固体電池の製造工程においては、加圧成型後に積層体内の内圧が解放され、いわゆるスプリングバックにより、加圧方向とは反対側、すなわち外側へ膨張する結果、全固体電池の充填率、特に電極の充填率が低下し、電池抵抗が増加するおそれがあった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来よりも充填率を高く維持できる全固体電池用電極、及び当該電極を含む全固体電池を提供することを目的とする。
On the other hand, FIG.6 (b) is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about the said laminated body restrained with comparatively weak pressure. Such a relatively weak pressure is mainly a pressure applied after pressure molding of the laminate. Therefore, as shown in FIG. 6B, in the conventional manufacturing process of an all-solid-state battery, the internal pressure in the laminated body is released after pressure molding, and the so-called springback reverses the pressure direction, that is, the outside. As a result, the filling rate of the all-solid-state battery, particularly the filling rate of the electrode, may be reduced, and the battery resistance may be increased.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrode for an all solid state battery that can maintain a filling rate higher than that in the past, and an all solid state battery including the electrode.
本発明の全固体電池用電極は、少なくとも、粉末状の電極活物質、及び粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質を含有する全固体電池用電極であって、ヤング率が0.1GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が0.1MPa以上であることを特徴とする。 The electrode for an all solid state battery of the present invention is an electrode for an all solid state battery containing at least a powdered electrode active material and a powdered lithium ion conductive solid electrolyte, and has a Young's modulus of 0.1 GPa or more, and / Or the tensile strength is 0.1 MPa or more.
本発明においては、金属又は合金を含む結合剤をさらに含有することが好ましい。 In this invention, it is preferable to further contain the binder containing a metal or an alloy.
本発明においては、前記結合剤が、クロム、チタン、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも1つの金属元素を含有することが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the binder contains at least one metal element selected from the group consisting of chromium, titanium, and aluminum.
本発明においては、前記結合剤が、ヤング率が10GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が50MPa以上の金属又は合金を含有することが好ましい。 In the present invention, the binder preferably contains a metal or alloy having a Young's modulus of 10 GPa or more and / or a tensile strength of 50 MPa or more.
本発明においては、前記電極活物質、前記リチウムイオン伝導性固体電解質、及び前記結合剤が一体となるように加圧成型されていることが好ましい。 In the present invention, the electrode active material, the lithium ion conductive solid electrolyte, and the binder are preferably pressure-molded so as to be integrated.
本発明の全固体電池は、正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に介在する固体電解質層を備える全固体電池であって、前記正極及び前記負極のうち少なくともいずれか一方の電極が、上記全固体電池用電極であることを特徴とする。 The all solid state battery of the present invention is an all solid state battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is The all-solid-state battery electrode is characterized in that
本発明においては、前記正極、前記負極、及び前記固体電解質層が一体となるように加圧成型されていてもよい。 In the present invention, the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer may be pressure molded so as to be integrated.
本発明によれば、ヤング率及び/又は引っ張り強度が所定値以上であることにより、本発明に係る電極を全固体電池に採用した場合に、拘束圧の差によるスプリングバックを抑制し、電極の充填率を常に一定以上に保つ結果、当該全固体電池の抵抗を低減し、従来の全固体電池よりも高い出力が発揮できる。 According to the present invention, when the Young's modulus and / or the tensile strength is equal to or greater than a predetermined value, when the electrode according to the present invention is employed in an all-solid battery, spring back due to a difference in restraining pressure is suppressed, As a result of always keeping the filling rate above a certain level, the resistance of the all solid state battery can be reduced and a higher output than the conventional all solid state battery can be exhibited.
1.全固体電池用電極
本発明の全固体電池用電極は、少なくとも、粉末状の電極活物質、及び粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質を含有する全固体電池用電極であって、ヤング率が0.1GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が0.1MPa以上であることを特徴とする。
1. Electrode for all-solid-state battery The electrode for all-solid-state battery of the present invention is an electrode for all-solid-state battery containing at least a powdered electrode active material and a powdered lithium ion conductive solid electrolyte, and has a Young's modulus of 0. .1 GPa or more and / or tensile strength is 0.1 MPa or more.
本発明者らは、後述する比較例3及び比較例4に示すように、電解液を用いた液系電池の拘束圧と同程度の比較的弱い圧力(15kgf/cm2)で拘束した従来の全固体電池(比較例4)が、比較的強い圧力(450kgf/cm2)で拘束した従来の全固体電池(比較例3)よりも、直流内部抵抗が著しく高く、その結果電池の出力が著しく低いという課題を発見した。これは、従来の全固体電池については、加圧成型時の比較的強い拘束圧から解放した際に、上述したスプリングバックが生じる結果、電極密度の低下、電池材料同士の解離、及び電極−電解質層間の剥離等が生じるためであると考えられる。本発明者らの検討の結果、拘束圧が低い場合の全固体電池の充填率は、拘束圧が高い場合と比較して、正極で2%低く、負極で5%低いことが明らかとなった。 As shown in Comparative Examples 3 and 4 which will be described later, the present inventors have used a conventional method of restraining with a relatively weak pressure (15 kgf / cm 2 ) comparable to that of a liquid battery using an electrolytic solution. The all-solid-state battery (Comparative Example 4) has a significantly higher DC internal resistance than the conventional all-solid battery (Comparative Example 3) constrained with a relatively strong pressure (450 kgf / cm 2 ). I found the problem of low. This is because, for a conventional all-solid-state battery, when it is released from a relatively strong restraint pressure during pressure molding, the above-described springback occurs, resulting in a decrease in electrode density, dissociation between battery materials, and electrode-electrolyte. This is thought to be because peeling between layers occurs. As a result of the study by the present inventors, it was found that the filling rate of the all-solid-state battery when the constraint pressure is low is 2% lower for the positive electrode and 5% lower for the negative electrode than when the constraint pressure is high. .
本発明者らは、鋭意努力の結果、ヤング率が0.1GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が0.1MPa以上であることにより、外部から全固体電池用電極に付与される圧力が製造時より弱くなった際にも、当該電極に含まれる材料間の結合力を高める効果、いわゆるアンカー効果が発揮される結果、拘束圧にかかわらず当該電極の充填率を一定以上に保ち、全固体電池の出力を向上できることを見出し、本発明を完成させた。
全固体電池用電極のヤング率が0.1GPa未満であり、且つ、引っ張り強度が0.1MPa未満である場合には、全固体電池用電極の機械的強度が弱すぎるため、上述した内部圧力の解放によるスプリングバックを抑制できないおそれがある。
本発明の全固体電池用電極は、ヤング率が0.1〜1GPa、且つ、引っ張り強度が1〜100MPaであることがより好ましい。
As a result of diligent efforts, the inventors of the present invention have a Young's modulus of 0.1 GPa or more and / or a tensile strength of 0.1 MPa or more. Even when it becomes weaker, the effect of increasing the bonding force between the materials contained in the electrode, that is, the so-called anchor effect is exhibited. The inventors have found that the output of can be improved, and have completed the present invention.
When the Young's modulus of the all-solid-state battery electrode is less than 0.1 GPa and the tensile strength is less than 0.1 MPa, the mechanical strength of the all-solid-state battery electrode is too weak. There is a possibility that springback due to release cannot be suppressed.
The all-solid-state battery electrode of the present invention more preferably has a Young's modulus of 0.1 to 1 GPa and a tensile strength of 1 to 100 MPa.
ヤング率の測定方法としては、引張試験法、ねじり試験法、及び圧縮試験法等の静的試験法;振子法、共振法、及び超音波パルス法等の動的試験法;等が挙げられる。静的試験法の一種である引張試験法は、例えば、JIS G0567に準拠して実施できる。また、静的試験法の一種である圧縮試験法は、例えば、後述する実施例に示すように、微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、型番:MCT−211等)を用いて、測定された変位と試料に加えた圧力からヤング率を算出する方法である。また、動的試験法の一種である共振法、及び超音波パルス法は、例えば、JIS Z2280に準拠して実施できる。
引っ張り強度(引っ張り強さ)の測定は、JIS Z2241、及び/又は、JIS G0567に記載された方法に準拠して実施できる。
Examples of the Young's modulus measurement method include static test methods such as a tensile test method, a torsion test method, and a compression test method; dynamic test methods such as a pendulum method, a resonance method, and an ultrasonic pulse method. A tensile test method which is a kind of static test method can be performed in accordance with, for example, JIS G0567. The compression test method, which is a kind of static test method, is measured using, for example, a micro compression tester (manufactured by Shimadzu Corporation, model number: MCT-211, etc.) as shown in the examples described later. The Young's modulus is calculated from the measured displacement and the pressure applied to the sample. In addition, a resonance method and an ultrasonic pulse method, which are a kind of dynamic test method, can be performed in accordance with, for example, JIS Z2280.
Measurement of tensile strength (tensile strength) can be performed according to the method described in JIS Z2241 and / or JIS G0567.
本発明に係る全固体電池用電極は、粉末状の電極活物質、及び粉末状のリチウムイオン伝導性固体電解質を含有する。
以下、本発明に係る全固体電池用正極、及び全固体電池用負極について、順に説明する。
The electrode for an all solid state battery according to the present invention contains a powdered electrode active material and a powdered lithium ion conductive solid electrolyte.
Hereinafter, the positive electrode for an all-solid battery and the negative electrode for an all-solid battery according to the present invention will be described in order.
1−1.全固体電池用正極
本発明に係る全固体電池用電極が全固体電池用正極である場合には、好ましくは、粉末状の正極活物質、及び上記リチウムイオン伝導性固体電解質を含有する正極活物質層を備える。本発明に係る全固体電池用正極は、通常、正極活物質層に加えて、正極集電体、及び当該正極集電体に接続された正極リードを備える。
1-1. Positive electrode for all-solid-state battery When the all-solid-state battery electrode according to the present invention is a positive electrode for an all-solid-state battery, preferably, a positive electrode active material containing a powdery positive electrode active material and the above lithium ion conductive solid electrolyte With layers. The positive electrode for an all-solid battery according to the present invention usually includes a positive electrode current collector and a positive electrode lead connected to the positive electrode current collector in addition to the positive electrode active material layer.
本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiPO4、LiMnPO4、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8、Li3Fe2(PO4)3及びLi3V2(PO4)3等を挙げることができる。正極活物質からなる微粒子の表面にLiNbO3等を被覆してもよい。 Specific examples of the positive electrode active material used in the present invention include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4. , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. On the surface of fine particles composed of the positive electrode active material may be coated with LiNbO 3 or the like.
正極活物質の平均粒径としては、例えば1〜50μmの範囲内、中でも1〜20μmの範囲内、特に3〜5μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなるおそれがあり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になるおそれがあるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 to 50 μm, more preferably in the range of 1 to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. It is. The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by measuring and averaging the particle diameter of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性固体電解質としては、硫化物系固体電解質、及び酸化物系固体電解質等を挙げることができる。
硫化物系固体電解質としては、具体的には、Li2S−P2S5、Li2S−P2S3、Li2S−P2S3−P2S5、Li2S−SiS2、Li2S−Si2S、Li2S−B2S3、Li2S−GeS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−SiS2−P2S5、Li2S−SiS2−Li4SiO4、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li3PS4−Li4GeS4、Li3.4P0.6Si0.4S4、Li3.25P0.25Ge0.76S4、Li4−xGe1−xPxS4等を例示することができる。これらの硫化物系固体電解質の中でも、特に、Li2S及びP2S5を含む固体電解質、すなわち、Li2S−P2S5、Li2S−P2S3−P2S5、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−SiS2−P2S5、Li3.4P0.6Si0.4S4、Li3.25P0.25Ge0.76S4、Li4−xGe1−xPxS4が好ましい。
酸化物系固体電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、La0.51Li0.34TiO0.74、Li3PO4、Li2SiO2、Li2SiO4等を例示することができる。
固体電解質は、1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
Examples of the lithium ion conductive solid electrolyte used in the present invention include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes.
Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , and Li 2 S—SiS. 2, Li 2 S-Si 2 S,
Specifically, as the oxide-based solid electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO Examples include 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 and the like.
Only one type of solid electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination.
本発明には、さらに、金属又は合金を含む結合剤を用いることが好ましい。金属又は合金を含む結合剤は、電極活物質やリチウムイオン電導性固体電解質より比較的ヤング率が高いため、加圧成型時の圧力解放後に生じるスプリングバックを抑制することで、材料同士の良好な接触を維持する結果、上記アンカー効果が発現する。当該アンカー効果により、加圧成型後に拘束圧が弱くなっても、材料同士が結合剤によりつなぎ留められるため、電極内部の内圧が解放されにくく、当該電極の充填率が高く保持される。
なお、本発明に用いられる結合剤は、延性が効果的に発揮されるという観点から、金属又は合金そのものであることが好ましい。
In the present invention, it is further preferable to use a binder containing a metal or an alloy. Since the binder containing a metal or an alloy has a relatively higher Young's modulus than the electrode active material and the lithium ion conductive solid electrolyte, the material between the materials can be improved by suppressing the spring back that occurs after the pressure is released during pressure molding. As a result of maintaining the contact, the anchor effect appears. Due to the anchor effect, even when the restraint pressure becomes weak after pressure molding, the materials are held together by the binder, so that the internal pressure inside the electrode is hardly released and the filling rate of the electrode is kept high.
In addition, it is preferable that the binder used for this invention is a metal or an alloy itself from a viewpoint that ductility is exhibited effectively.
本発明に用いられる結合剤は、ヤング率が10GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が50MPa以上の金属又は合金を含有することが好ましい。このように、ヤング率及び/又は引っ張り強度が特定値以上の金属又は合金材料を含有することにより、上記アンカー効果を発現させると共に、全固体電池用電極自体のヤング率及び引張り強度を高め、当該電極の充填率をさらに高く保持できる。結合剤のヤング率が10GPa未満であり、且つ、引っ張り強度が50MPa未満である場合には、結合剤の材料強度が弱すぎるため、電極材料同士をつなぎ留める力が、上述した内部圧力の解放によるスプリングバックに耐えられないおそれがある。なお、ヤング率及び引っ張り強度の測定方法は上述した通りである。
本発明に用いられる結合剤は、ヤング率が20〜1,000GPa、且つ、引っ張り強度が100MPa〜1GPaの金属又は合金を含有することがより好ましい。
The binder used in the present invention preferably contains a metal or alloy having a Young's modulus of 10 GPa or more and / or a tensile strength of 50 MPa or more. As described above, by including a metal or alloy material having a Young's modulus and / or tensile strength of a specific value or more, the anchor effect is exhibited, and the Young's modulus and tensile strength of the all-solid-state battery electrode itself are increased. The filling rate of the electrodes can be kept higher. When the Young's modulus of the binder is less than 10 GPa and the tensile strength is less than 50 MPa, since the material strength of the binder is too weak, the force to hold the electrode materials together is due to the release of the internal pressure described above. May not be able to withstand springback. The measuring method of Young's modulus and tensile strength is as described above.
The binder used in the present invention more preferably contains a metal or alloy having a Young's modulus of 20 to 1,000 GPa and a tensile strength of 100 MPa to 1 GPa.
結合剤としては、具体的には、クロム、チタン、又はアルミニウムを含む金属又は合金を用いることが好ましい。これらの金属元素は、結合剤に1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
クロム元素を含む金属又は合金としては、クロム単体、SUS、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、及び銅クロム等が挙げられる。
アルミニウム元素を含む金属又は合金としては、アルミニウム単体、アルミ生地(1000番系)、アルミニウム銅系合金(2000番系)、アルミニウムマンガン系合金(3000番系)、アルミニウムケイ素系合金(4000番系)、アルミニウムマグネシウム系合金(5000番系)、アルミニウムマグネシウムケイ素系合金(6000番系)、アルミニウム亜鉛マグネシウム系合金(7000番系)等が挙げられる。
チタン元素を含む金属又は合金としては、チタン単体;Ti5Al2.5Sn等のニアα型チタン合金;Ti6Al4V、Ti6Al6V2Sn等のα+β型チタン合金;Ti13V11Cr3Al、Ti20V4AlSn等のβ型チタン合金;等が挙げられる。
これらのクロム単体、クロム合金、アルミニウム単体、アルミニウム合金、チタン単体、及びチタン合金は、リチウムイオン伝導性固体電解質材料に安定で上記アンカー効果を効率よく発揮できるため好ましい。
Specifically, it is preferable to use a metal or alloy containing chromium, titanium, or aluminum as the binder. One kind of these metal elements may be contained in the binder, or two or more kinds thereof may be contained.
Examples of the metal or alloy containing chromium element include chromium alone, SUS, chromium molybdenum steel, nickel chromium steel, and copper chromium.
Examples of the metal or alloy containing aluminum element include aluminum alone, aluminum fabric (# 1000 series), aluminum copper series alloy (# 2000 series), aluminum manganese series alloy (# 3000 series), and aluminum silicon series alloy (# 4000 series). , Aluminum magnesium alloy (No. 5000), aluminum magnesium silicon alloy (No. 6000), aluminum zinc magnesium alloy (No. 7000), and the like.
Examples of the metal or alloy containing titanium element include: titanium alone; near α-type titanium alloy such as Ti 5 Al 2.5 Sn; α + β-type titanium alloy such as Ti 6 Al 4 V and Ti 6 Al 6 V 2 Sn; Ti 13 Β-type titanium alloys such as V 11 Cr 3 Al and Ti 20 V 4 AlSn;
These chromium simple substance, chromium alloy, aluminum simple substance, aluminum alloy, titanium simple substance, and titanium alloy are preferable because they are stable to the lithium ion conductive solid electrolyte material and can efficiently exhibit the anchor effect.
結合剤の形状・大きさは、電極材料間の結合力を高め、アンカー効果を発揮できる形状・大きさであれば、特に限定されない。結合剤の形状としては、例えば、粒子状、繊維状、帯状、板状等が挙げられる。なお、製造後の電極内の結合剤は、製造前の結合剤の原料の形状から変形していてもよい。
正極活物質層における結合剤の含有割合は、結合剤の種類によって異なるが、好ましくは1〜10体積%である。
The shape and size of the binder is not particularly limited as long as it can increase the bonding force between the electrode materials and exhibit the anchor effect. Examples of the shape of the binder include a particle shape, a fiber shape, a belt shape, and a plate shape. In addition, the binder in the electrode after manufacture may be deform | transformed from the shape of the raw material of the binder before manufacture.
Although the content rate of the binder in a positive electrode active material layer changes with kinds of binder, Preferably it is 1-10 volume%.
正極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着剤等を含有していても良い。
本発明に用いられる導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有割合は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1〜10質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. Examples thereof include carbon black such as acetylene black and ketjen black. . Moreover, although the content rate of the electrically conductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1-10 mass% normally.
本発明に用いられる結着剤としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層における結着剤の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着剤の含有割合は、通常1〜10質量%の範囲内である。 Examples of the binder used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content rate of a binder is in the range of 1-10 mass% normally.
本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の用途等により異なるものであるが、10〜250μmの範囲内であるのが好ましく、20〜200μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に30〜150μmの範囲内であることが最も好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the all-solid battery, but is preferably in the range of 10 to 250 μm and in the range of 20 to 200 μm. Is particularly preferable, and most preferably in the range of 30 to 150 μm.
本発明に用いられる正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、銅、SUS、ニッケル、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム、銅、及びSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。 The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, copper, SUS, nickel, iron, and titanium. Of these, aluminum, copper, and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.
本発明に係る全固体電池用正極を製造する方法は、特に限定されない。なお、正極内の電極材料の充填率を向上させ、且つ、結合剤によるアンカー効果を効率よく発揮させるために、上記正極活物質、リチウムイオン伝導性固体電解質、及び結合剤が一体となるように加圧成型することが好ましい。 The method for producing the positive electrode for an all-solid battery according to the present invention is not particularly limited. The positive electrode active material, the lithium ion conductive solid electrolyte, and the binder are integrated so as to improve the filling rate of the electrode material in the positive electrode and efficiently exhibit the anchor effect by the binder. It is preferable to perform pressure molding.
1−2.全固体電池用負極
本発明に係る全固体電池用電極が全固体電池用負極である場合には、好ましくは、粉末状の負極活物質、及び上記リチウムイオン伝導性固体電解質を含有する負極活物質層を備える。本発明に係る全固体電池用負極は、通常、負極活物質層に加えて、負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを備える。
1-2. Negative electrode for all-solid-state battery When the all-solid-state battery electrode according to the present invention is a negative electrode for all-solid-state battery, the negative electrode active material preferably contains a powdery negative electrode active material and the lithium ion conductive solid electrolyte. With layers. The all-solid-state battery negative electrode according to the present invention usually includes a negative electrode current collector and a negative electrode lead connected to the negative electrode current collector in addition to the negative electrode active material layer.
本発明に用いられる負極活物質は、金属、合金材料、及び/又は炭素材料を含有する。
負極活物質に使用できる金属及び合金材料としては、具体的には、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属;マグネシウム、カルシウム等の第2族元素;アルミニウム等の第13族元素;亜鉛、鉄等の遷移金属;又は、これらの金属を含有する合金材料や化合物が例示できる。負極活物質に使用できる炭素材料としては、グラファイト等が例示できる。負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
リチウム元素を含有する化合物としては、リチウム合金、リチウム元素を含有する金属酸化物、リチウム元素を含有する金属窒化物、リチウム元素を含有する金属硫化物が例示できる。
リチウム合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。リチウム元素を含有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。負極活物質層には、固体電解質をコートしたリチウムを用いることもできる。
The negative electrode active material used in the present invention contains a metal, an alloy material, and / or a carbon material.
Specific examples of metals and alloy materials that can be used for the negative electrode active material include alkali metals such as lithium, sodium, and potassium;
Examples of the compound containing lithium element include a lithium alloy, a metal oxide containing lithium element, a metal nitride containing lithium element, and a metal sulfide containing lithium element.
Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Examples of the metal oxide containing lithium element include lithium titanium oxide. Examples of the metal nitride containing lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride. Lithium coated with a solid electrolyte can also be used for the negative electrode active material layer.
全固体電池用負極に用いられるリチウムイオン伝導性固体電解質は、上述した全固体電池用正極と同様のものを使用できる。また、本発明に係る全固体電池用負極には、上述した結合剤を用いることが好ましい。
負極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着剤等を含有していても良い。導電化材及び結着剤は、上述した全固体電池用正極と同様のものを使用できる。
負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10〜100μmの範囲内、中でも10〜50μmの範囲内であることが好ましい。
The lithium ion conductive solid electrolyte used for the all-solid battery negative electrode can be the same as the above-described all-solid battery positive electrode. Moreover, it is preferable to use the binder mentioned above for the negative electrode for an all-solid-state battery according to the present invention.
The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary. As the conductive material and the binder, the same materials as those for the positive electrode for an all-solid battery described above can be used.
Although it does not specifically limit as a film thickness of a negative electrode active material layer, For example, it is preferable to exist in the range of 10-100 micrometers, especially in the range of 10-50 micrometers.
負極集電体には、上述した正極集電体と同様の材料を使用できる。また、負極集電体の形状としては、上述した正極集電体と同様の形状を採用できる。 The same material as the positive electrode current collector described above can be used for the negative electrode current collector. Further, as the shape of the negative electrode current collector, the same shape as that of the positive electrode current collector described above can be adopted.
本発明に係る全固体電池用負極を製造する方法は、特に限定されない。なお、負極内の電極材料の充填率を向上させ、且つ、結合剤によるアンカー効果を効率よく発揮させるために、上記負極活物質、リチウムイオン伝導性固体電解質、及び結合剤が一体となるように加圧成型することが好ましい。 The method for producing the all-solid battery negative electrode according to the present invention is not particularly limited. In addition, in order to improve the filling rate of the electrode material in the negative electrode and to efficiently exhibit the anchor effect by the binder, the negative electrode active material, the lithium ion conductive solid electrolyte, and the binder are integrated. It is preferable to perform pressure molding.
図1は、本発明に係る全固体電池用電極の層構成の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、二重破線は図の省略を示す。
全固体電池用電極の典型例100は、電極活物質層9及び電極集電体10を備える。当該典型例100が全固体電池用正極である場合には、電極活物質層9は正極活物質層であり、電極集電体10は正極集電体である。また、当該典型例100が全固体電池用負極である場合には、電極活物質層9は負極活物質層であり、電極集電体10は負極集電体である。
図1に示すように、電極活物質層9は、電極活物質11、リチウムイオン伝導性固体電解質4、及び結合剤12を含有する。図1に示すように、結合剤12は、電極活物質層内の電極材料同士を互いにつなぎ留める形状となることが好ましい。
FIG. 1 is a diagram illustrating a typical example of the layer configuration of an electrode for an all solid state battery according to the present invention, and is a diagram schematically illustrating a cross section cut in a stacking direction. Double broken lines indicate omission of the figure.
A typical example 100 of an electrode for an all solid state battery includes an electrode active material layer 9 and an electrode
As shown in FIG. 1, the electrode active material layer 9 contains an electrode
2.全固体電池
本発明の全固体電池は、正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に介在する固体電解質層を備える全固体電池であって、前記正極及び前記負極のうち少なくともいずれか一方の電極が、上記全固体電池用電極であることを特徴とする。
上記全固体電池用電極が結合剤を含むことにより、当該全固体電池用電極を備える本発明の全固体電池は、比較的弱い拘束圧においても充填率が低くなりにくく、そのため従来の全固体電池よりも内部抵抗が小さく、高出力の運転が可能である。
2. All-solid battery The all-solid battery of the present invention is an all-solid battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode The electrode is an electrode for an all-solid battery.
When the all-solid-state battery electrode contains a binder, the all-solid-state battery according to the present invention having the all-solid-state battery electrode is less likely to have a low filling rate even at a relatively weak restraint pressure. The internal resistance is smaller than that, and high output operation is possible.
本発明に係る全固体電池は、正極及び負極がいずれも上述した全固体電池用電極であってもよい。また、本発明に係る全固体電池は、正極又は負極のいずれか一方が上述した全固体電池用電極であってもよい。 In the all solid state battery according to the present invention, the positive electrode and the negative electrode may be the all solid state battery electrodes described above. Moreover, the all-solid-state battery which concerns on this invention may be the electrode for all-solid-state batteries which any one of the positive electrode or the negative electrode mentioned above.
負極のみが上述した全固体電池用負極である場合には、本発明に係る全固体電池中の正極は、結合剤を含まないこと以外は、上述した全固体電池用正極と同様である。 When only the negative electrode is the above-described negative electrode for an all solid state battery, the positive electrode in the all solid state battery according to the present invention is the same as the above-described positive electrode for an all solid state battery except that it does not contain a binder.
正極のみが上述した全固体電池用正極である場合、本発明に係る全固体電池中の負極が備える負極活物質層は、負極活物質のみを含有するものであってもよく、負極活物質の他に、上述した導電化材及び結着剤の少なくとも一方を含有するものであってもよい。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極活物質層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及び結着剤を有する負極活物質層とすることができる。
その他の点については、結合剤を含まないこと以外、上述した全固体電池用負極と同様である。
When only the positive electrode is the above-described positive electrode for an all-solid battery, the negative electrode active material layer included in the negative electrode in the all-solid battery according to the present invention may contain only the negative electrode active material. In addition, it may contain at least one of the above-described conductive material and binder. For example, when the negative electrode active material has a foil shape, a negative electrode active material layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, a negative electrode active material layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained.
About another point, it is the same as that of the negative electrode for all-solid-state batteries mentioned above except not containing a binder.
図2(a)は、本発明に係る全固体電池の一部であって、固体電解質層1を、上述した全固体電池用正極及び全固体電池用負極で挟持し、比較的強い力で拘束した積層体の典型例について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
本典型例200は、固体電解質層1、正極、及び負極を備える。固体電解質層1は、リチウムイオン伝導性固体電解質4を含む。正極は、正極活物質5、リチウムイオン伝導性固体電解質4、及び結合剤12を含む正極活物質層2を備える。また、負極は、負極活物質6、リチウムイオン伝導性固体電解質4、及び結合剤12を含む負極活物質層3を備える。図2(a)に示した典型例200は、矢印7で示すように、積層方向の両側から、比較的強い圧力で拘束されている。
一方、図2(b)は、比較的弱い圧力で拘束した上記典型例200について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。図2(b)に示すように、本典型例200においては、結合剤により電極材料同士が互いにつなぎ留められているため、スプリングバックを抑制でき、全固体電池の充填率の低下を防止できる。したがって、本典型例200は、拘束圧にかかわらず内部抵抗の増加及び出力低下を防止できる。
FIG. 2A shows a part of an all-solid battery according to the present invention, in which the
The typical example 200 includes a
On the other hand, FIG. 2B is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction of the above-described typical example 200 restrained by a relatively weak pressure. As shown in FIG. 2B, in the present typical example 200, the electrode materials are connected to each other by the binder, so that the spring back can be suppressed and the filling rate of the all-solid battery can be prevented from being lowered. Therefore, the present typical example 200 can prevent an increase in internal resistance and a decrease in output regardless of the restraining pressure.
以下、本発明に係る全固体電池に用いられる固体電解質層、及び好適に用いられる電池ケースについて、詳細に説明する。 Hereinafter, the solid electrolyte layer used in the all solid state battery according to the present invention and the battery case suitably used will be described in detail.
本発明に用いられる固体電解質層は、正極及び負極の間に保持され、正極と負極との間で金属イオンを交換する働きを有する。
固体電解質としては、上述した硫化物系固体電解質、及び酸化物系固体電解質の他に、ポリマー電解質等を用いることができる。
ポリマー電解質は、通常、リチウム塩及びポリマーを含有する。リチウム塩としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6等の無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2(Li−TFSI)、LiN(SO2C2F5)2及びLiC(SO2CF3)3等の有機リチウム塩等を挙げることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。
固体電解質は、1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
The solid electrolyte layer used in the present invention is held between the positive electrode and the negative electrode, and has a function of exchanging metal ions between the positive electrode and the negative electrode.
As the solid electrolyte, in addition to the above-described sulfide-based solid electrolyte and oxide-based solid electrolyte, a polymer electrolyte or the like can be used.
The polymer electrolyte usually contains a lithium salt and a polymer. Examples of lithium salts include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and organic lithium salts such as LiC (SO 2 CF 3 ) 3 . The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.
Only one type of solid electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination.
本発明の全固体電池は、正極、負極、及び固体電解質層が一体となるように加圧成型されていてもよい。加圧成型の方法は、特に限定されず、公知の方法を採用できる。 The all solid state battery of the present invention may be pressure molded so that the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte layer are integrated. The method of pressure molding is not particularly limited, and a known method can be employed.
本発明に係る全固体電池は、通常、正極、負極、及び固体電解質層等を収納する電池ケースを備える。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。 The all solid state battery according to the present invention usually includes a battery case that houses a positive electrode, a negative electrode, a solid electrolyte layer, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type.
以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.
1.全固体電池用負極の作製
[実施例1]
負極活物質としてグラファイト(三菱化学製)9.06mgを、固体電解質として75Li2S・25P2S5を8.24mgを、それぞれ秤量して混合した。当該混合物に、さらに結合剤として、SUS粉(粒径8〜10μm)を、混合物全体の体積に対して3体積%となるように混合したものを負極合材とした。
底面積1cm2の金型に負極合材を30mg秤量し、4ton/cm2でプレスした。その後、450kgf/cm2で拘束し、実施例1の全固体電池用負極を作製した。
1. Preparation of negative electrode for all solid state battery [Example 1]
9.06 mg of graphite (manufactured by Mitsubishi Chemical) as a negative electrode active material and 8.24 mg of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 as a solid electrolyte were weighed and mixed. The mixture was further mixed with SUS powder (particle size: 8 to 10 μm) as a binder so as to be 3% by volume with respect to the total volume of the mixture.
The negative electrode composite in a mold having a
[実施例2]
負極合材の調製までは、上記実施例1と同様である。
底面積1cm2の金型に負極合材を30mg秤量し、4ton/cm2でプレスした。その後、15kgf/cm2で拘束し、実施例2の全固体電池用負極を作製した。
[Example 2]
The process up to the preparation of the negative electrode mixture is the same as in Example 1.
The negative electrode composite in a mold having a
[比較例1]
SUS粉を加えなかったこと以外は、上記実施例1と同様に負極合材を調製した。
底面積1cm2の金型に負極合材を30mg秤量し、4ton/cm2でプレスした。その後、450kgf/cm2で拘束し、比較例1の全固体電池用負極を作製した。
[Comparative Example 1]
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that SUS powder was not added.
The negative electrode composite in a mold having a
[比較例2]
SUS粉を加えなかったこと以外は、上記実施例1と同様に負極合材を調製した。
底面積1cm2の金型に負極合材を30mg秤量し、4ton/cm2でプレスした。その後、15kgf/cm2で拘束し、比較例2の全固体電池用負極を作製した。
[Comparative Example 2]
A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that SUS powder was not added.
The negative electrode composite in a mold having a
2.全固体電池用負極の充填率及びヤング率の測定
実施例1−実施例2、及び比較例1−比較例2の全固体電池用負極について、充填率及びヤング率を測定した。
充填率の測定条件は以下の通りである。まず、空の拘束治具を、測定する試料に加える拘束圧と同じ圧力(実施例1及び比較例1:450kgf/cm2、実施例2及び比較例2:15kgf/cm2)で拘束し、ダイヤルゲージを0点調整した。次に、負極合材の各原料の比重から200mm厚さ分の負極合材量を算出し、秤量した。なお、治具投入部はφ11.28mm(1cm2)であった。続いて、拘束治具に秤量した当該負極合材を投入し、4ton/cm2で加圧成型した。上記圧力(実施例1及び比較例1:450kgf/cm2、実施例2及び比較例2:15kgf/cm2)により加圧成型後の拘束治具を拘束し、ダイヤルゲージにて試料の高さを計測し、比重から充填率を算出した。
充填率の測定は、室温(15〜25℃)、アルゴン雰囲気下で行った。
2. Measurement of Filling Ratio and Young's Modulus of Negative Electrode for All Solid Battery The filling ratio and Young's modulus of the negative electrode for all solid battery of Example 1 to Example 2 and Comparative Example 1 to Comparative Example 2 were measured.
The measurement conditions for the filling rate are as follows. First, an empty restraining jig is restrained with the same pressure as the restraining pressure applied to the sample to be measured (Example 1 and Comparative Example 1: 450 kgf / cm 2 , Example 2 and Comparative Example 2: 15 kgf / cm 2 ), The dial gauge was adjusted to zero. Next, the amount of the negative electrode mixture for a thickness of 200 mm was calculated from the specific gravity of each raw material of the negative electrode mixture, and weighed. In addition, the jig insertion part was φ 11.28 mm (1 cm 2 ). Subsequently, the negative electrode composite material weighed was put into a restraining jig, and pressure-molded at 4 ton / cm 2 . The restraint jig after press molding was restrained by the above pressure (Example 1 and Comparative Example 1: 450 kgf / cm 2 , Example 2 and Comparative Example 2: 15 kgf / cm 2 ), and the height of the sample was measured with a dial gauge. Was measured, and the filling rate was calculated from the specific gravity.
The filling factor was measured at room temperature (15 to 25 ° C.) in an argon atmosphere.
ヤング率の測定条件は以下の通りである。測定には微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、型番:MCT−211)を用いた。ヤング率の測定は、室温(15〜25℃)、アルゴン雰囲気下で行った。
まず、充填率の測定に用いた試料(φ11.28mm(1cm2)、t=200mmのペレット)を拘束治具から取り出した。次に、内径φ10mmの円筒治具にペレットを設置し、ペレット中央部を上記試験機の圧子で押して変位を測定した。測定した変位及びペレットに加えた圧力によりヤング率を算出した。
The measurement conditions for Young's modulus are as follows. For the measurement, a micro compression tester (manufactured by Shimadzu Corporation, model number: MCT-211) was used. The Young's modulus was measured at room temperature (15 to 25 ° C.) in an argon atmosphere.
First, a sample (φ11.28 mm (1 cm 2 ), pellet of t = 200 mm) used for the filling rate measurement was taken out from the restraining jig. Next, the pellet was placed in a cylindrical jig having an inner diameter of φ10 mm, and the center of the pellet was pushed with the indenter of the tester to measure the displacement. The Young's modulus was calculated from the measured displacement and the pressure applied to the pellet.
図3は、実施例1−実施例2、及び比較例1−比較例2の全固体電池用負極の充填率を示したグラフである。図3は、縦軸に充填率(%)、横軸に結合剤添加割合(体積%)をとったグラフである。なお、図3中、黒四角のプロットは450kgf/cm2で拘束した全固体電池用負極の充填率、黒三角のプロットは15kgf/cm2で拘束した全固体電池用負極の充填率をそれぞれ示す。
図3から分かるように、比較例1(結合剤添加割合:0体積%、拘束圧:450kgf/cm2)の充填率は、97.3%である。また、比較例2(結合剤添加割合:0体積%、拘束圧:15kgf/cm2)の充填率は、92.6%である。したがって、比較例1と比較例2の充填率の差は4.7%である。
一方、図3から分かるように、実施例1(結合剤添加割合:3体積%、拘束圧:450kgf/cm2)の充填率は、96.2%である。また、実施例2(結合剤添加割合:3体積%、拘束圧:15kgf/cm2)の充填率は、95.7%である。したがって、実施例1と実施例2の充填率の差は0.5%である。
以上より、結合剤を3体積%加えた場合(実施例1及び実施例2)は、結合剤を全く加えない場合(比較例1及び比較例2)よりも、拘束圧の違いによる充填率の差が極めて小さい。この結果から、作製時のプレスにより結合剤を含む電極材料同士が互いにつなぎ留められ、拘束圧が弱くなった場合のスプリングバックが抑制されることが示唆される。
FIG. 3 is a graph showing the filling rates of the negative electrodes for all solid state batteries of Example 1 to Example 2 and Comparative Example 1 to Comparative Example 2. FIG. 3 is a graph in which the vertical axis represents the filling rate (%) and the horizontal axis represents the binder addition ratio (volume%). In FIG. 3, the black square plot indicates the filling rate of the negative electrode for all solid state batteries constrained at 450 kgf / cm 2 , and the black triangle plot indicates the filling rate of the negative electrode for all solid state batteries constrained at 15 kgf / cm 2. .
As can be seen from FIG. 3, the filling rate of Comparative Example 1 (binding agent addition ratio: 0% by volume, restraining pressure: 450 kgf / cm 2 ) is 97.3%. Moreover, the filling rate of Comparative Example 2 (binding agent addition ratio: 0% by volume, restraining pressure: 15 kgf / cm 2 ) is 92.6%. Therefore, the difference in filling factor between Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is 4.7%.
On the other hand, as can be seen from FIG. 3, the filling rate of Example 1 (binding agent addition ratio: 3% by volume, restraint pressure: 450 kgf / cm 2 ) is 96.2%. Moreover, the filling rate of Example 2 (binder addition ratio: 3 volume%, restraint pressure: 15 kgf / cm 2 ) is 95.7%. Therefore, the difference in filling rate between Example 1 and Example 2 is 0.5%.
From the above, when 3% by volume of the binder was added (Example 1 and Example 2), the filling rate due to the difference in restraint pressure was higher than when no binder was added (Comparative Example 1 and Comparative Example 2). The difference is very small. From this result, it is suggested that the electrode materials containing the binder are held together by the press at the time of production, and the spring back is suppressed when the restraining pressure is weakened.
図4は、実施例1(結合剤添加割合:3体積%、拘束圧:450kgf/cm2)及び比較例1(結合剤添加割合:0体積%、拘束圧:450kgf/cm2)の全固体電池用負極のヤング率を示した棒グラフである。
図4から分かるように、比較例1のヤング率は0.080GPaである。一方、実施例1のヤング率は0.748GPaである。したがって、結合剤を3体積%添加した実施例1のヤング率は、結合剤を添加しなかった比較例1のヤング率の9倍を超え、実施例1の全固体電池用負極は、比較例1よりも機械的強度に優れることが分かる。
FIG. 4 shows the total solids of Example 1 (Binder addition ratio: 3% by volume, restraint pressure: 450 kgf / cm 2 ) and Comparative Example 1 (Binder addition ratio: 0% by volume, restraint pressure: 450 kgf / cm 2 ). It is the bar graph which showed the Young's modulus of the negative electrode for batteries.
As can be seen from FIG. 4, the Young's modulus of Comparative Example 1 is 0.080 GPa. On the other hand, the Young's modulus of Example 1 is 0.748 GPa. Therefore, the Young's modulus of Example 1 to which 3% by volume of the binder was added exceeded 9 times the Young's modulus of Comparative Example 1 to which no binder was added, and the negative electrode for the all-solid-state battery of Example 1 was a comparative example. It can be seen that the mechanical strength is superior to 1.
3.全固体電池の作製
[実施例3]
正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学製)12.03mg、導電化材として気相成長炭素繊維(VGCF、昭和電工製)を0.51mg、固体電解質として75Li2S・25P2S5を5.03mg、それぞれ秤量して混合し、正極合材とした。
次に、負極活物質としてグラファイト(三菱化学製)9.06mg、固体電解質として75Li2S・25P2S5を8.24mg、それぞれ秤量して混合した。当該混合物に、さらに結合剤として、SUS粉(粒径8〜10μm)を、混合物全体の体積に対して3体積%となるように混合したものを負極合材とした。
固体電解質層には、75Li2S・25P2S5を用いた。
3. Production of all-solid battery [Example 3]
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (Nichia Chemical) 12.03 mg as a positive electrode active material, 0.51 mg of vapor grown carbon fiber (VGCF, Showa Denko) as a conductive material, solid As an electrolyte, 5.03 mg of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was weighed and mixed to prepare a positive electrode mixture.
Next, 9.06 mg of graphite (manufactured by Mitsubishi Chemical) as the negative electrode active material and 8.24 mg of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 as the solid electrolyte were weighed and mixed. The mixture was further mixed with SUS powder (particle size: 8 to 10 μm) as a binder so as to be 3% by volume with respect to the total volume of the mixture.
75Li 2 S · 25P 2 S 5 was used for the solid electrolyte layer.
底面積1cm2の金型に、固体電解質(75Li2S・25P2S5)を50mg秤量し、1ton/cm2でプレスし固体電解質層を形成した。次に、当該固体電解質層の片面に、上記正極合材を19.5mg加え、1ton/cm2でプレスして正極活物質層を形成した。続いて、当該固体電解質層の正極活物質層を形成した面の反対側の面に、負極合材を18.5mg加え、4ton/cm2でプレスして負極活物質層を形成した。
正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層からなる上記積層体を、正極活物質層側から正極集電体としてアルミニウム箔(日本製箔製、厚さ15μm)、負極活物質層側から負極集電体として銅箔(日本製箔製、厚さ10μm)により狭持し、450kgf/cm2で拘束して、実施例3の全固体電池を作製した。
The
An aluminum foil (made of Japanese foil, thickness 15 μm) is used as the positive electrode current collector from the positive electrode active material layer side, and the negative electrode active material layer side, with the above laminate comprising the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer. From this, the negative electrode current collector was sandwiched between copper foils (manufactured by Nippon Foil Co., Ltd., thickness: 10 μm) and restrained at 450 kgf / cm 2 to produce an all-solid battery of Example 3.
[実施例4]
拘束圧を450kgf/cm2から15kgf/cm2に変更した以外は、実施例3と同様に、実施例4の全固体電池を作製した。
[Example 4]
An all-solid battery of Example 4 was produced in the same manner as in Example 3 except that the restraining pressure was changed from 450 kgf / cm 2 to 15 kgf / cm 2 .
[比較例3]
実施例3と同様に正極合材を調製した。固体電解質層には、実施例3と同様に75Li2S・25P2S5を用いた。SUS粉を加えなかったこと以外は、上記実施例3と同様に負極合材を調製した。
実施例3と同様に、固体電解質層及び正極活物質層を形成した。次に、固体電解質層の正極活物質層を形成した面の反対側の面に、負極合材を17.1mg加え、4ton/cm2でプレスして負極活物質層を形成した。
正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層からなる上記積層体を、実施例3と同様に、正極活物質層側から正極集電体としてアルミニウム箔、負極活物質層側から負極集電体として銅箔により狭持し、450kgf/cm2で拘束して、比較例3の全固体電池を作製した。
[Comparative Example 3]
A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 3. 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was used for the solid electrolyte layer in the same manner as in Example 3. A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 3 except that SUS powder was not added.
In the same manner as in Example 3, a solid electrolyte layer and a positive electrode active material layer were formed. Next, 17.1 mg of the negative electrode mixture was added to the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the positive electrode active material layer was formed, and pressed at 4 ton / cm 2 to form a negative electrode active material layer.
In the same manner as in Example 3, the above laminate comprising the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer was used as the positive electrode current collector from the positive electrode active material layer side, and the negative electrode current collector was collected from the negative electrode active material layer side. An all-solid-state battery of Comparative Example 3 was fabricated by sandwiching it with a copper foil as an electric body and restraining it with 450 kgf / cm 2 .
[比較例4]
実施例3と同様に正極合材を調製した。固体電解質層には、実施例3と同様に75Li2S・25P2S5を用いた。SUS粉を加えなかったこと以外は、上記実施例3と同様に負極合材を調製した。
実施例3と同様に、固体電解質層及び正極活物質層を形成した。次に、固体電解質層の正極活物質層を形成した面の反対側の面に、負極合材を17.1mg加え、4ton/cm2でプレスして負極活物質層を形成した。
正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層からなる上記積層体を、実施例3と同様に、正極活物質層側から正極集電体としてアルミニウム箔、負極活物質層側から負極集電体として銅箔により狭持し、15kgf/cm2で拘束して、比較例4の全固体電池を作製した。
[Comparative Example 4]
A positive electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 3. 75Li 2 S · 25P 2 S 5 was used for the solid electrolyte layer in the same manner as in Example 3. A negative electrode mixture was prepared in the same manner as in Example 3 except that SUS powder was not added.
In the same manner as in Example 3, a solid electrolyte layer and a positive electrode active material layer were formed. Next, 17.1 mg of the negative electrode mixture was added to the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the positive electrode active material layer was formed, and pressed at 4 ton / cm 2 to form a negative electrode active material layer.
In the same manner as in Example 3, the above laminate comprising the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer was used as the positive electrode current collector from the positive electrode active material layer side, and the negative electrode current collector was collected from the negative electrode active material layer side. An all-solid-state battery of Comparative Example 4 was produced by sandwiching it with a copper foil as an electric conductor and restraining it with 15 kgf / cm 2 .
4.全固体電池の直流内部抵抗(DCIR)の測定
実施例3−実施例4、及び比較例3−比較例4の全固体電池について、直流内部抵抗を測定した。直流内部抵抗の測定条件は以下の通りである。
測定温度:25℃
測定電位:3.6V
放電レート:3C
測定時間:5秒
測定機器:東洋システム株式会社製、型番:TOSCAT−3200
測定雰囲気:アルゴン
4). Measurement of direct current internal resistance (DCIR) of all solid state batteries For all solid state batteries of Example 3 to Example 4 and Comparative Example 3 to Comparative Example 4, direct current internal resistance was measured. The measurement conditions of the DC internal resistance are as follows.
Measurement temperature: 25 ° C
Measurement potential: 3.6V
Discharge rate: 3C
Measurement time: 5 seconds Measuring instrument: manufactured by Toyo System Co., Ltd. Model: TOSCAT-3200
Measurement atmosphere: Argon
図5は、実施例3−実施例4、及び比較例3−比較例4の全固体電池の直流内部抵抗を示したグラフである。図5は、縦軸に直流内部抵抗(DCIR、Ω・cm2)、横軸に拘束圧(kgf/cm2)をとったグラフである。なお、図5中、黒四角のプロットは負極活物質層中の結合剤添加割合が3体積%である全固体電池(実施例3及び実施例4)の直流内部抵抗、黒三角のプロットは負極活物質層中に結合剤を含まない全固体電池(比較例3及び比較例4)の直流内部抵抗をそれぞれ示す。
図5から分かるように、比較例3(結合剤添加割合:0体積%、拘束圧:450kgf/cm2)の直流内部抵抗は、65.5Ω・cm2である。また、比較例4(結合剤添加割合:0体積%、拘束圧:15kgf/cm2)の直流内部抵抗は、73.7Ω・cm2である。
一方、図5から分かるように、実施例3(結合剤添加割合:3体積%、拘束圧:450kgf/cm2)の直流内部抵抗は、56.8Ω・cm2である。また、実施例4(結合剤添加割合:3体積%、拘束圧:15kgf/cm2)の直流内部抵抗は、61.7Ω・cm2である。
以上より、結合剤を3体積%含む負極活物質層を備える全固体電池(実施例3及び実施例4)は、結合剤を一切含まない負極活物質層を備える全固体電池(比較例3及び比較例4)よりも、直流内部抵抗が小さい。この結果は、全固体電池作製時のプレスにより、結合剤を含む電極材料同士が互いにつなぎ留められ、負極活物質層内の密度が高まる結果、拘束圧の強弱に関わらず、内部抵抗が小さくなることを示す。
FIG. 5 is a graph showing the DC internal resistance of all solid state batteries of Example 3 to Example 4 and Comparative Example 3 to Comparative Example 4. FIG. 5 is a graph in which the vertical axis represents DC internal resistance (DCIR, Ω · cm 2 ) and the horizontal axis represents restraint pressure (kgf / cm 2 ). In FIG. 5, the black square plot indicates the direct current internal resistance of the all solid state battery (Example 3 and Example 4) in which the binder addition ratio in the negative electrode active material layer is 3% by volume, and the black triangle plot indicates the negative electrode. DC internal resistances of all solid state batteries (Comparative Example 3 and Comparative Example 4) containing no binder in the active material layer are shown.
As can be seen from FIG. 5, the direct current internal resistance of Comparative Example 3 (binding agent addition ratio: 0% by volume, restraint pressure: 450 kgf / cm 2 ) is 65.5 Ω · cm 2 . Moreover, the direct-current internal resistance of Comparative Example 4 (binding agent addition ratio: 0% by volume, restraint pressure: 15 kgf / cm 2 ) is 73.7 Ω · cm 2 .
On the other hand, as can be seen from FIG. 5, the DC internal resistance of Example 3 (binding agent addition ratio: 3% by volume, restraint pressure: 450 kgf / cm 2 ) is 56.8 Ω · cm 2 . Further, the direct current internal resistance of Example 4 (binding agent addition ratio: 3% by volume, restraint pressure: 15 kgf / cm 2 ) is 61.7 Ω · cm 2 .
As described above, the all solid state battery (Example 3 and Example 4) including the negative electrode active material layer containing 3% by volume of the binder is the all solid state battery (Comparative Example 3 and Example 3) including the negative electrode active material layer containing no binder. The DC internal resistance is smaller than in Comparative Example 4). As a result of this, as a result of the press at the time of producing the all-solid-state battery, the electrode materials including the binder are connected to each other, and the density in the negative electrode active material layer is increased. As a result, the internal resistance is reduced regardless of the strength of the restraint pressure. It shows that.
なお、拘束圧が450kgf/cm2である実施例3の内部抵抗は、拘束圧が15kgf/cm2である実施例4の内部抵抗よりも小さい。これは、結合剤として用いたSUSが、負極活物質層内で導電化材としても働くと考えられるため、実施例3の全固体電池が、実施例4の全固体電池よりもさらに充放電効率が高まったことを示唆する。ただし、実施例3と実施例4の内部抵抗の差が、比較例3と比較例4の内部抵抗の差よりも小さいため、SUSは、導電化材としての働きのみならず、結合剤として負極活物質層内の充填率を高く保つ働きも有すると考えられる。 In addition, the internal resistance of Example 3 whose restraint pressure is 450 kgf / cm < 2 > is smaller than the internal resistance of Example 4 whose restraint pressure is 15 kgf / cm < 2 >. This is because SUS used as a binder is considered to work as a conductive material in the negative electrode active material layer, so that the all-solid-state battery of Example 3 is more charged and discharged than the all-solid-state battery of Example 4. Suggests that However, since the difference in internal resistance between Example 3 and Example 4 is smaller than the difference in internal resistance between Comparative Example 3 and Comparative Example 4, SUS not only functions as a conductive material but also serves as a negative electrode as a binder. It is also considered to have a function of keeping the filling rate in the active material layer high.
1 固体電解質層
2 正極活物質層
3 負極活物質層
4 リチウムイオン伝導性固体電解質
5 正極活物質
6 負極活物質
7 比較的強い圧力の方向を示す矢印
8 比較的弱い圧力の方向を示す矢印
9 電極活物質層
10 電極集電体
11 電極活物質
12 結合剤
100 本発明に係る全固体電池用電極の典型例
200 本発明に係る全固体電池の一部である積層体の典型例
DESCRIPTION OF
Claims (7)
ヤング率が0.1GPa以上、及び/又は、引っ張り強度が0.1MPa以上であることを特徴とする、全固体電池用電極。 An electrode for an all solid state battery containing at least a powdered electrode active material and a powdered lithium ion conductive solid electrolyte,
An electrode for an all-solid-state battery having a Young's modulus of 0.1 GPa or more and / or a tensile strength of 0.1 MPa or more.
前記正極及び前記負極のうち少なくともいずれか一方の電極が、前記請求項1乃至5のいずれか一項に記載の全固体電池用電極であることを特徴とする、全固体電池。 An all-solid battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode,
6. An all-solid battery, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode for an all-solid battery according to any one of claims 1 to 5.
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