JP7659991B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. In the automotive industry, there is hope that the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) will help reduce carbon dioxide emissions, and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to putting these into practical use.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for driving motors are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium-ion secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium-ion secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, have attracted attention and are currently being developed at a rapid pace.
ここで、現在一般に普及しているリチウムイオン二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウムイオン二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 The currently widely used lithium-ion secondary batteries use a flammable organic electrolyte as the electrolyte. These liquid-based lithium-ion secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, etc. than other batteries.
そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウムイオン二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。 In recent years, therefore, there has been active research and development into all-solid-state lithium secondary batteries that use oxide- or sulfide-based solid electrolytes. A solid electrolyte is a material that is primarily composed of ion conductors that are capable of ion conduction in a solid state. For this reason, in principle, all-solid-state lithium secondary batteries do not encounter the various problems caused by flammable organic electrolytes that occur in conventional liquid-based lithium-ion secondary batteries. In addition, the use of high-potential, large-capacity positive electrode materials and large-capacity negative electrode materials generally leads to a significant improvement in the output density and energy density of the battery.
従来、全固体リチウム二次電池の1種として、充電過程において負極集電体上に金属リチウムを析出させる、いわゆるリチウム析出型のものが知られている(例えば、特許文献1を参照)。このようなリチウム析出型の全固体リチウム二次電池の充電過程においては、固体電解質層と負極集電体との間に金属リチウムが析出する。したがって、固体電解質層と負極集電体との間に金属リチウムが析出するための空間が必要である。このような空間が十分に存在しなければ、金属リチウムの析出に起因してデンドライトが成長して内部短絡を引き起こすといった問題や、充電過程において金属リチウムが析出する際の過電圧が大きくなり、充放電レート特性が低下するという問題がある。特許文献1では、固体電解質層と負極集電体との間に、カーボンおよび固体電解質を含み空隙率が60%以上であるリチウム吸蔵層を設けることでこのような問題の発生を防止することを試みている。 Conventionally, as one type of all-solid-state lithium secondary battery, a so-called lithium precipitation type battery in which metallic lithium is precipitated on the negative electrode current collector during charging is known (see, for example, Patent Document 1). In the charging process of such a lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery, metallic lithium is precipitated between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector. Therefore, a space is required between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector for metallic lithium to precipitate. If such a space does not exist sufficiently, there are problems such as the growth of dendrites due to the precipitation of metallic lithium causing an internal short circuit, and problems such as the overvoltage when metallic lithium is precipitated during the charging process becoming large and the charge/discharge rate characteristics deteriorating. Patent Document 1 attempts to prevent the occurrence of such problems by providing a lithium occlusion layer containing carbon and solid electrolyte and having a porosity of 60% or more between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載された技術を用いたとしても、依然として十分な充放電レート特性が達成できない場合があることが判明した。 However, the inventors' investigations have revealed that even if the technology described in Patent Document 1 is used, there are still cases where sufficient charge/discharge rate characteristics cannot be achieved.
そこで、本発明は、リチウム析出型のリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a means for improving the charge/discharge rate characteristics of lithium precipitation type lithium secondary batteries.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、リチウム析出型の発電要素および前記発電要素を積層方向に加圧する加圧部材を備えた二次電池において、負極集電体の固体電解質層側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)を所定の範囲に制御することで上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems, and as a result, have found that in a secondary battery including a lithium deposition-type power generating element and a pressing member that presses the power generating element in the stacking direction, the above problems can be solved by controlling the ten-point average roughness (R zJIS ) of the surface of the negative electrode current collector on the solid electrolyte layer side within a predetermined range, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明の一形態は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含有する正極活物質層を有する正極と、負極集電体を有し、充電時に前記負極集電体上にリチウム金属が析出する負極と、前記正極および前記負極の間に介在する固体電解質層とを有する発電要素、ならびに前記発電要素を積層方向に所定の圧力で加圧する加圧部材を備えるリチウム二次電池に関する。そして、前記負極集電体の前記固体電解質層側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)が3~50μmである点に特徴がある。 That is, one aspect of the present invention relates to a lithium secondary battery including a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a negative electrode having a negative electrode current collector on which lithium metal is deposited during charging, a power generating element having a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a pressing member that presses the power generating element with a predetermined pressure in a stacking direction, and the battery is characterized in that the ten-point average roughness (R zJIS ) of the surface of the negative electrode current collector on the side of the solid electrolyte layer is 3 to 50 μm.
本発明によれば、リチウム析出型のリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることができる。 The present invention can improve the charge/discharge rate characteristics of lithium precipitation type lithium secondary batteries.
本発明の一形態は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含有する正極活物質層を有する正極と、負極集電体を有し、充電時に前記負極集電体上にリチウム金属が析出する負極と、前記正極および前記負極の間に介在する固体電解質層とを有する発電要素、ならびに前記発電要素を積層方向に所定の圧力で加圧する加圧部材を備え、前記負極集電体の前記固体電解質層側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)が3~50μmである、リチウム二次電池である。本形態に係るリチウム二次電池によれば、リチウム析出型のリチウム二次電池において、充放電レート特性を向上させることができる。 One aspect of the present invention is a lithium secondary battery comprising: a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions; a negative electrode having a negative electrode current collector, on which lithium metal is deposited during charging; a power generating element having a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode; and a pressure member that presses the power generating element with a predetermined pressure in a stacking direction, the surface of the negative electrode current collector on the side of the solid electrolyte layer having a ten-point average roughness (R zJIS ) of 3 to 50 μm. The lithium secondary battery according to this aspect can improve the charge and discharge rate characteristics in a lithium deposition type lithium secondary battery.
以下、図面を参照しながら、本形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 The present embodiment will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiment. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図1は、本発明の一実施形態である積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウム二次電池(以下、単に「積層型二次電池」とも称する)の全体構造を模式的に表した断面図である。図1に示す積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。なお、積層型二次電池10aには、加圧部材によって発電要素21の積層方向に拘束圧力が付与されている(図示せず)。そのため、発電要素21の体積は、一定に保たれている。 Figure 1 is a cross-sectional view showing a schematic overall structure of a stacked type (internal parallel connection type) all-solid-state lithium secondary battery (hereinafter also simply referred to as a "stacked type secondary battery") according to one embodiment of the present invention. The stacked type secondary battery 10a shown in Figure 1 has a structure in which a roughly rectangular power generation element 21, where the actual charge/discharge reaction takes place, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior. Note that a restraining pressure is applied to the stacked type secondary battery 10a in the stacking direction of the power generation element 21 by a pressure member (not shown). Therefore, the volume of the power generation element 21 is kept constant.
図1に示すように、本形態の積層型二次電池10aの発電要素21は、負極集電体11’の両面にケッチェンブラック(登録商標)および固体電解質を含むカーボン層13が配置された負極と、固体電解質層17と、正極集電体11”の両面にリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質層15が配置された正極とを積層した構成を有している。具体的には、1つのカーボン層13とこれに隣接する正極活物質層15とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、負極、固体電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する負極、固体電解質層、および正極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in FIG. 1, the power generating element 21 of the stacked secondary battery 10a of this embodiment has a structure in which a negative electrode in which a carbon layer 13 containing Ketjen Black (registered trademark) and a solid electrolyte is arranged on both sides of a negative electrode collector 11', a solid electrolyte layer 17, and a positive electrode in which a positive electrode active material layer 15 containing a lithium transition metal composite oxide is arranged on both sides of a positive electrode collector 11" are stacked. Specifically, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode are stacked in this order so that one carbon layer 13 and the adjacent positive electrode active material layer 15 face each other through the solid electrolyte layer 17. As a result, the adjacent negative electrode, solid electrolyte layer, and positive electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a structure in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
負極集電体11’および正極集電体11”には、各電極(負極および正極)と導通される負極集電板25および正極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。負極集電板25および正極集電板27は、それぞれ必要に応じて負極端子リードおよび正極端子リード(図示せず)を介して、各電極の負極集電体11’および正極集電体11”に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 A negative electrode collector 25 and a positive electrode collector 27 that are electrically connected to the electrodes (negative and positive) are attached to the negative electrode collector 11' and the positive electrode collector 11", respectively, and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29 and led out of the laminate film 29. The negative electrode collector 25 and the positive electrode collector 27 may be attached to the negative electrode collector 11' and the positive electrode collector 11" of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, via negative electrode terminal leads and positive electrode terminal leads (not shown), respectively, as necessary.
なお、上記の説明では、積層型(内部並列接続タイプ)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明の一形態に係る全固体電池の一実施形態を説明した。しかしながら、本発明が適用可能な全固体電池の種類は特に制限されず、双極型(バイポーラ型)の全固体電池にも適用可能である。 In the above description, an embodiment of an all-solid-state battery according to one aspect of the present invention has been described using a stacked type (internal parallel connection type) all-solid-state lithium secondary battery as an example. However, the type of all-solid-state battery to which the present invention can be applied is not particularly limited, and the present invention can also be applied to bipolar type all-solid-state batteries.
図2は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の負極集電体の拡大断面図である。図2に示すように、本形態に係る積層型二次電池10aにおいて、負極集電体11’の固体電解質層17側の表面は平坦ではなく、当該表面には多数の凸部11aが存在している。具体的に、負極集電体11’の固体電解質層17側の表面は、その十点平均粗さ(RzJIS)が3~50μmの範囲となるような凹凸を有している。ここで、「十点平均粗さ(RzJIS)」とは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線から縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から5番目までの山頂の標高(Yp)の絶対値の平均値と、最も低い谷底から5番目までの谷底の標高(Yv)の絶対値の平均値との和を求め、この値をマイクロメートル(μm)で表したものである。この十点平均粗さ(RzJIS)は従来のJIS規格においてはRzと称されていたが、現行のJIS規格からは削除されている。ただし、その測定方法はJIS B 0601-2013の附属書JAに記載されていることから、本発明においてもこれに従って測定された値を採用するものとする。 2 is an enlarged cross-sectional view of a negative electrode current collector of a stacked secondary battery according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, in the stacked secondary battery 10a according to this embodiment, the surface of the negative electrode current collector 11' on the side of the solid electrolyte layer 17 is not flat, and a large number of protrusions 11a are present on the surface. Specifically, the surface of the negative electrode current collector 11' on the side of the solid electrolyte layer 17 has irregularities with a ten-point mean roughness (R zJIS ) in the range of 3 to 50 μm. Here, the "ten-point mean roughness (R zJIS )" refers to the sum of the average value of the absolute values of the elevations (Yp) of the highest to fifth peaks and the average value of the absolute values of the elevations (Yv) of the lowest to fifth valley bottoms, measured in the longitudinal magnification direction from the average line of the sampled portion, by extracting only a reference length from the roughness curve in the direction of the mean line, and expressing this value in micrometers (μm). This ten-point average roughness ( RzJIS ) was called Rz in the conventional JIS standard, but has been deleted from the current JIS standard. However, since the measurement method is described in Annex JA of JIS B 0601-2013, the values measured in accordance with this method will be adopted in the present invention.
なお、図2に示す実施形態において、負極集電体11’の固体電解質層17側の表面には、リチウム合金化金属層として、リチウムと合金化しうる金属であるスズ(Sn)のスパッタリング層12(厚さ30nm)が設けられている。 In the embodiment shown in FIG. 2, a sputtering layer 12 (thickness 30 nm) of tin (Sn), which is a metal that can be alloyed with lithium, is provided on the surface of the negative electrode current collector 11' on the side of the solid electrolyte layer 17 as a lithium alloying metal layer.
図3は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の斜視図である。図4は、図3に示すA方向から見た側面図である。 Figure 3 is a perspective view of a stacked secondary battery according to one embodiment of the present invention. Figure 4 is a side view seen from direction A shown in Figure 3.
図3および図4に示すように、本実施形態に係る積層型二次電池100は、図1に示すラミネートフィルム29に封止された発電要素21と、ラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持する2枚の金属板200と、締結部材としてのボルト300およびナット400と、を有している。この締結部材(ボルト300およびナット400)は金属板200がラミネートフィルム29に封止された発電要素21を挟持した状態で固定する機能を有している。これにより、金属板200および締結部材(ボルト300およびナット400)は発電要素21をその積層方向に加圧(拘束)する加圧部材として機能する。なお、加圧部材は発電要素21をその積層方向に加圧することができる部材であれば特に制限されない。加圧部材として、典型的には、金属板200のように剛性を有する材料から形成された板と上述した締結部材との組み合わせが用いられる。また、締結部材についても、ボルト300およびナット400のみならず、発電要素21をその積層方向に拘束するように金属板200の端部を固定するテンションプレートなどが用いられてもよい。 3 and 4, the stacked secondary battery 100 according to this embodiment includes the power generating element 21 sealed in the laminate film 29 shown in FIG. 1, two metal plates 200 that sandwich the power generating element 21 sealed in the laminate film 29, and a bolt 300 and a nut 400 as fastening members. The fastening members (bolt 300 and nut 400) have the function of fixing the power generating element 21 sealed in the laminate film 29 in a sandwiched state between the metal plates 200. As a result, the metal plates 200 and the fastening members (bolt 300 and nut 400) function as pressure members that press (restrain) the power generating element 21 in its stacking direction. The pressure members are not particularly limited as long as they are members that can press the power generating element 21 in its stacking direction. As the pressure members, a combination of a plate made of a material having rigidity such as the metal plate 200 and the above-mentioned fastening members is typically used. As for the fastening members, in addition to the bolts 300 and nuts 400, tension plates or the like that secure the ends of the metal plates 200 so as to restrain the power generating element 21 in the stacking direction may also be used.
なお、発電要素21に印加される荷重(発電要素の積層方向における拘束圧力)の下限は、例えば0.1MPa以上であり、好ましくは1MPa以上であり、より好ましくは5MPa以上である。発電要素の積層方向における拘束圧力の上限は、例えば100MPa以下であり、好ましくは90MPa以下であり、より好ましくは80MPa以下である。 The lower limit of the load applied to the power generating element 21 (restraint pressure in the stacking direction of the power generating element) is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 1 MPa or more, and more preferably 5 MPa or more. The upper limit of the restraint pressure in the stacking direction of the power generating element is, for example, 100 MPa or less, preferably 90 MPa or less, and more preferably 80 MPa or less.
以下、上述した積層型二次電池10aの主な構成要素について説明する。 The main components of the stacked secondary battery 10a described above are described below.
[正極集電体]
正極集電体は、電池反応(充放電反応)の進行に伴って正極から外部負荷に向かって放出され、または電源から正極に向かって流入する電子の流路として機能する導電性の部材である。正極集電体を構成する材料に特に制限はない。正極集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode current collector is a conductive member that functions as a flow path for electrons that are discharged from the positive electrode toward an external load or flow from a power source toward the positive electrode as the battery reaction (charge/discharge reaction) progresses. There are no particular limitations on the material that constitutes the positive electrode current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material that constitutes the positive electrode current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, clad materials of nickel and aluminum, clad materials of copper and aluminum, etc. may also be used. Also, foils in which the metal surface is coated with aluminum may be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, etc.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resin includes resins in which conductive fillers are added as necessary to non-conductive polymeric materials.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials may have excellent electric potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler can be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin that serves as the base material of the collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is necessarily required to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without any particular restriction as long as it is a material having electrical conductivity. For example, metals and conductive carbon can be mentioned as materials having excellent electrical conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing these metals. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 There are no particular restrictions on the amount of conductive filler added, so long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and it is generally 5 to 80% by mass relative to the total mass of the current collector (100% by mass).
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having electrical conductivity. Also, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the layers of the single cells, a metal layer may be provided on part of the current collector.
正極集電体の厚さについて特に制限はないが、一例としては10~100μmである。 There are no particular limitations on the thickness of the positive electrode current collector, but an example is 10 to 100 μm.
[正極活物質層]
本形態に係るリチウム二次電池を構成する正極は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含有する正極活物質層を有する。正極活物質層15は、典型的には図1に示すように正極集電体11”の表面に配置されたものであるが、正極活物質層15自体がそれなりの導電性を有している場合などには、正極集電体を用いずに正極活物質層自体が正極を構成することも可能である。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode constituting the lithium secondary battery according to this embodiment has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions. The positive electrode active material layer 15 is typically disposed on the surface of a positive electrode current collector 11" as shown in FIG. 1, but in cases where the positive electrode active material layer 15 itself has a certain degree of conductivity, it is also possible for the positive electrode active material layer itself to constitute the positive electrode without using a positive electrode current collector.
正極活物質としては、二次電池の充電過程においてリチウムイオンを放出し、放電過程においてリチウムイオンを吸蔵しうる物質であれば特に制限されない。このような正極活物質の一例として、M1元素およびO元素を含有し、前記M1元素はLi、Mn、Ni、Co、Cr、FeおよびPからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有するものが挙げられる。このような正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12、LiVO2が挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can release lithium ions during the charging process of the secondary battery and absorb lithium ions during the discharging process. An example of such a positive electrode active material includes a material that contains an M1 element and an O element, and the M1 element contains at least one element selected from the group consisting of Li, Mn, Ni, Co, Cr, Fe and P. Examples of such a positive electrode active material include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , and Li(Ni-Mn-Co)O 2 , spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine type active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of oxide active materials other than those mentioned above include Li 4 Ti 5 O 12 and LiVO 2 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may also be used.
好ましい実施形態において、本形態に係るリチウム二次電池を構成する正極活物質層15は、出力特性の観点から、正極活物質としてリチウムとコバルトとを含有する層状岩塩型活物質(例えば、Li(Ni-Mn-Co)O2)を含む。 In a preferred embodiment, the positive electrode active material layer 15 constituting the lithium secondary battery according to this embodiment contains, from the viewpoint of output characteristics, a layered rock salt type active material containing lithium and cobalt (for example, Li(Ni--Mn--Co)O 2 ) as the positive electrode active material.
正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、正極活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the positive electrode active material may be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the positive electrode active material is particulate, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material can be measured by a laser diffraction scattering method.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、30~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましく、45~80質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 30 to 99 mass%, more preferably within the range of 40 to 90 mass%, and even more preferably within the range of 45 to 80 mass%.
本形態に係るリチウム二次電池において、正極活物質層15は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。固体電解質としては、硫化物固体電解質、樹脂固体電解質および酸化物固体電解質が挙げられる。なお、固体電解質としては、使用する電極活物質の充放電に伴う体積膨張の程度に応じて、所望の体積弾性率を有する材料を適宜選択することができる。 In the lithium secondary battery according to this embodiment, the positive electrode active material layer 15 preferably further contains a solid electrolyte. Examples of the solid electrolyte include a sulfide solid electrolyte, a resin solid electrolyte, and an oxide solid electrolyte. As the solid electrolyte, a material having a desired bulk modulus can be appropriately selected according to the degree of volume expansion accompanying the charge and discharge of the electrode active material used.
本形態に係る二次電池の好ましい一実施形態において、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質の体積変化に対してより追従できるとの観点から、好ましくは樹脂固体電解質を含む。このような樹脂固体電解質としては、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートおよびこれらの誘導体ならびにこれらの共重合体などが挙げられる。 In a preferred embodiment of the secondary battery according to the present invention, the solid electrolyte preferably includes a resin solid electrolyte, from the viewpoint of being able to better follow the volume change of the electrode active material accompanying charging and discharging. Examples of such a resin solid electrolyte include fluororesin, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylate, and derivatives and copolymers thereof.
フッ素樹脂の例としては、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)およびこれらの誘導体などを構成単位として含むフッ素樹脂が挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのホモポリマー、VdFとHFPとの共重合体のような2元共重合体などが挙げられる。 Examples of fluororesins include those containing vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), tetrafluoroethylene (TFE), and derivatives of these as structural units. Specific examples include homopolymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene (PHFP), and polytetrafluoroethylene (PTFE), and binary copolymers such as a copolymer of VdF and HFP.
本形態に係る二次電池の他の好ましい実施形態において、固体電解質は、充放電に伴う電極活物質の体積変化に対してより追従できるとの観点から、好ましくはS元素を含む硫化物固体電解質であり、より好ましくはLi元素、M元素およびS元素を含み、前記M元素はP、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Nb、Al、Sb、Br、ClおよびIからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する硫化物固体電解質であり、さらに好ましくはS元素、Li元素およびP元素を含む硫化物固体電解質である。 In another preferred embodiment of the secondary battery according to the present invention, the solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing an S element, from the viewpoint of being more responsive to the volume change of the electrode active material accompanying charging and discharging, more preferably a sulfide solid electrolyte containing Li, M and S, the M element containing at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, Nb, Al, Sb, Br, Cl and I, and even more preferably a sulfide solid electrolyte containing S, Li and P.
硫化物固体電解質は、Li3PS4骨格を有していてもよく、Li4P2S7骨格を有していてもよく、Li4P2S6骨格を有していてもよい。Li3PS4骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。より詳細には、例えば、LPS(Li2S-P2S5)、Li7P3S11、Li3.2P0.96S、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li10GeP2S12、またはLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIである)等が挙げられる。なお、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。中でも、硫化物固体電解質は、高イオン電導度であり、かつ低体積弾性率であるため充放電に伴う電極活物質の体積変化により追従できるとの観点から、好ましくはLPS(Li2S-P2S5)、Li6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIである)、Li7P3S11、Li3.2P0.96SおよびLi3PS4からなる群から選択される。 The sulfide solid electrolyte may have a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes called LPS. Examples of sulfide solid electrolytes include LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1). More specifically, examples of the sulfide include LPS (Li 2 S-P 2 S 5 ), Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br, or I). Note that the description "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. Among these, the sulfide solid electrolyte is preferably selected from the group consisting of LPS (Li 2 S-P 2 S 5 ), Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br or I), Li 7 P 3 S 11 , Li 3.2 P 0.96 S and Li 3 PS 4 , from the viewpoint that it has high ionic conductivity and a low bulk modulus and can therefore follow the volume change of the electrode active material accompanying charge and discharge.
正極活物質層における固体電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、1~70質量%の範囲内であることが好ましく、10~60質量%の範囲内であることがより好ましく、20~55質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 1 to 70 mass%, more preferably within the range of 10 to 60 mass%, and even more preferably within the range of 20 to 55 mass%.
(導電助剤およびバインダ)
正極活物質層は、正極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。ただし、好ましい実施形態においては、正極活物質層はバインダを含まず、より好ましい実施形態においては、正極活物質層は導電助剤およびバインダを含まない。
(Conductive assistant and binder)
The positive electrode active material layer may further contain at least one of a conductive assistant and a binder in addition to the positive electrode active material and the solid electrolyte. However, in a preferred embodiment, the positive electrode active material layer does not contain a binder, and in a more preferred embodiment, the positive electrode active material layer does not contain a conductive assistant and a binder.
導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive assistants include, but are not limited to, metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys or metal oxides containing these metals, carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, activated carbon fibers, etc.), carbon nanotubes (CNT), and carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.). In addition, particulate ceramic materials and resin materials coated with the above-mentioned metal materials by plating or the like can also be used as conductive assistants. Among these conductive assistants, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon, more preferably to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, and carbon, and even more preferably to include at least one carbon. These conductive assistants may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The conductive assistant is preferably particulate or fibrous. When the conductive assistant is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, spindle shape, etc.
導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 When the conductive assistant is particulate, the average particle diameter (primary particle diameter) is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical properties of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive assistant" means the maximum distance L between any two points on the contour line of the conductive assistant. The value of the "average particle diameter of the conductive assistant" is calculated as the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields of view using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
正極活物質層が導電助剤を含む場合、当該正極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、正極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、正極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the positive electrode active material layer contains a conductive assistant, the content of the conductive assistant in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10 mass %, more preferably 2 to 8 mass %, and even more preferably 4 to 7 mass %, relative to the total mass of the positive electrode active material layer. Within such a range, it is possible to form a stronger electron conduction path in the positive electrode active material layer, which can effectively contribute to improving the battery characteristics.
正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
正極活物質層の空隙率は、二次電池のエネルギー密度を向上させる観点から、20%以下であることが好ましく、より好ましくは18%以下であり、さらに好ましくは15%以下である。下限値は特に制限されないが、5%以上が好ましい。 From the viewpoint of improving the energy density of the secondary battery, the porosity of the positive electrode active material layer is preferably 20% or less, more preferably 18% or less, and even more preferably 15% or less. There is no particular lower limit, but a value of 5% or more is preferable.
[固体電解質層]
固体電解質層は、正極活物質層と負極集電体との間に介在する層であり、固体電解質を(通常は主成分として)含有する。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer is a layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode current collector, and contains a solid electrolyte (usually as a main component). The specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, and therefore a detailed description thereof will be omitted here.
固体電解質層における固体電解質の含有量は、固体電解質層の合計質量に対して、例えば、10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably in the range of 10 to 100 mass %, more preferably in the range of 50 to 100 mass %, and even more preferably in the range of 90 to 100 mass %, relative to the total mass of the solid electrolyte layer.
固体電解質層は、上述した固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above.
固体電解質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[負極集電体]
負極集電体は、電池反応(充放電反応)の進行に伴って負極から電源に向かって放出され、または外部負荷から負極に向かって流入する電子の流路として機能する導電性の部材である。負極集電体を構成する材料に特に制限はない。負極集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode current collector is a conductive member that functions as a flow path for electrons that are discharged from the negative electrode to the power source or flow from an external load to the negative electrode as the battery reaction (charge/discharge reaction) progresses. There are no particular limitations on the material that constitutes the negative electrode current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material that constitutes the negative electrode current collector.
ここで、図2を参照しつつ上述したように、負極集電体11’は、固体電解質層17側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)が3~50μmであるという特徴を有している。このような粗さとすることが容易であり、また、加圧部材によって印加される拘束圧力によっても上記の粗さが長期間にわたって維持されうるという観点から、負極集電体の構成材料は金属であることが好ましい。具体的には、金属としては、ニッケル、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。なかでも、電子伝導性や電池作動電位等の観点からは、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 As described above with reference to FIG. 2, the negative electrode current collector 11′ is characterized in that the surface on the solid electrolyte layer 17 side has a ten-point average roughness (R zJIS ) of 3 to 50 μm. From the viewpoints that such a roughness can be easily achieved and that the roughness can be maintained for a long period of time even under the restraining pressure applied by the pressure member, it is preferable that the material constituting the negative electrode current collector is a metal. Specific examples of metals include nickel, stainless steel, titanium, and copper. Among them, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and the like.
負極集電体の厚さについて特に制限はないが、一例としては10~100μmである。また、上述した十点平均粗さ(RzJIS)の値は、3~50μmの範囲内の値であればよいが、好ましくは5~40μmであり、さらに好ましくは10~30μmである。負極集電体の表面における十点平均粗さ(RzJIS)の値をこのような範囲内の値に制御する手法についても特に制限はなく、金属箔の表面を粗化(粗面化)処理するための従来公知の手法が適宜採用されうる。このような金属箔の表面の粗化(粗面化)処理としては、造粒処理等のアップ法や、エッチング処理および研磨処理といったダウン法などが挙げられる。 There is no particular limit to the thickness of the negative electrode current collector, but an example is 10 to 100 μm. The value of the ten-point mean roughness (R zJIS ) described above may be within the range of 3 to 50 μm, preferably 5 to 40 μm, and more preferably 10 to 30 μm. There is no particular limit to the method for controlling the ten-point mean roughness (R zJIS ) value on the surface of the negative electrode current collector to a value within such a range, and a conventionally known method for roughening (roughening) the surface of a metal foil can be appropriately adopted. Examples of such roughening (roughening) treatment of the surface of a metal foil include an up method such as a granulation treatment, and a down method such as an etching treatment and a polishing treatment.
ここで、本形態に係るリチウム二次電池によれば、いわゆるリチウム析出型の発電要素および前記発電要素を積層方向に所定の圧力で加圧する加圧部材を備えるリチウム二次電池において、負極集電体の固体電解質層側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)を上記所定の範囲に制御することにより、充放電レート特性を向上させることが可能となる。そのメカニズムは完全には明らかとはなっていないが、上述した十点平均粗さ(RzJIS)の値が3μm以上と比較的大きいことにより、負極集電体と固体電解質層との間に充電過程でリチウム金属が析出するための空間が十分に確保される。その結果、リチウム金属の析出時の過電圧の増大が抑制されて、充放電レート特性の向上が図られるものと考えられる。また、充電過程でのリチウム析出に起因する負極の体積変化についても、上記の空間がある程度吸収したことで、負極集電体上へのリチウム金属の均一な析出が達成でき、このことも充放電レート特性の向上に寄与していると考えられる。言い換えれば、上述した特許文献1に記載の技術によっても十分な充放電レート特性が達成できなかったのは、充電過程でのリチウム析出に起因する負極の体積変化を十分に緩和することができなかったためであると推測される。なお、本形態に係るリチウム二次電池において、上述した十点平均粗さ(RzJIS)の上限値は50μm以下とされている。これは、RzJISの値が50μmを超えると、充電過程における負極集電体上へのリチウム金属の均一な析出が逆に達成されにくくなるためである。 Here, according to the lithium secondary battery of this embodiment, in a lithium secondary battery including a so-called lithium precipitation type power generating element and a pressing member for pressing the power generating element with a predetermined pressure in the stacking direction, the ten-point mean roughness ( RzJIS ) of the surface of the negative electrode current collector on the solid electrolyte layer side is controlled to the above-mentioned predetermined range, thereby making it possible to improve the charge and discharge rate characteristics. Although the mechanism is not completely clear, the above-mentioned ten-point mean roughness ( RzJIS ) value is relatively large, at 3 μm or more, so that a sufficient space is secured between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer for lithium metal to precipitate during the charging process. As a result, it is considered that the increase in overvoltage during lithium metal precipitation is suppressed, and the charge and discharge rate characteristics are improved. In addition, the above-mentioned space absorbs the volume change of the negative electrode caused by lithium precipitation during the charging process to a certain extent, so that lithium metal can be uniformly precipitated on the negative electrode current collector, which is also considered to contribute to the improvement of the charge and discharge rate characteristics. In other words, it is presumed that the reason why sufficient charge/discharge rate characteristics could not be achieved even by the technology described in the above-mentioned Patent Document 1 is that the volume change of the negative electrode caused by lithium deposition during the charging process could not be sufficiently alleviated. In the lithium secondary battery according to this embodiment, the upper limit value of the above-mentioned ten-point average roughness ( RzJIS ) is set to 50 μm or less. This is because if the value of RzJIS exceeds 50 μm, it becomes difficult to achieve uniform deposition of lithium metal on the negative electrode current collector during the charging process.
本形態に係るリチウム二次電池において、負極集電体は湾曲していてもよい。負極集電体が湾曲していることで、充電過程において析出するリチウム金属を保持するための空間をより大きく配置することが可能となりうる。なお、湾曲の向きについて特に制限はなく、負極集電体の中央部が固体電解質層に向かって突出していてもよいし、陥没していてもよい。また、湾曲の程度については特に制限はないが、変位高さ(発電要素の積層方向における負極集電体の最大距離)として3~50μm程度とすることができる。 In the lithium secondary battery according to this embodiment, the negative electrode current collector may be curved. By curving the negative electrode current collector, it may be possible to arrange a larger space for holding the lithium metal that precipitates during the charging process. There is no particular restriction on the direction of the curvature, and the center of the negative electrode current collector may protrude toward the solid electrolyte layer or may be recessed. There is also no particular restriction on the degree of curvature, but the displacement height (the maximum distance of the negative electrode current collector in the stacking direction of the power generating element) may be about 3 to 50 μm.
さらに、これについても図2を参照しつつ上述したように、負極集電体11’の固体電解質層17側の表面には、リチウムと合金化しうる金属を含むリチウム合金化金属層(図2に示すスズ(Sn)のスパッタリング層12)が配置されていることが好ましい。リチウムと合金化しうる金属としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ビスマス、スズ、鉛、インジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、銀、金、カドミウム、ガリウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できるという観点から、リチウムと合金化しうる材料は、マグネシウム、銀、ケイ素、金、インジウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウムおよび亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、マグネシウム、スズ、銀、ケイ素、金またはインジウムを含むことがより好ましい。 Furthermore, as described above with reference to FIG. 2, it is preferable that a lithium alloying metal layer (tin (Sn) sputtering layer 12 shown in FIG. 2) containing a metal that can be alloyed with lithium is disposed on the surface of the negative electrode current collector 11' on the side of the solid electrolyte layer 17. Examples of metals that can be alloyed with lithium include aluminum, magnesium, zinc, bismuth, tin, lead, indium, ruthenium, rhodium, iridium, palladium, platinum, silver, gold, cadmium, gallium, thallium, silicon, and germanium. Among these, from the viewpoint of being able to configure a battery with excellent capacity and energy density, it is preferable that the material that can be alloyed with lithium contains at least one metal selected from the group consisting of magnesium, silver, silicon, gold, indium, germanium, tin, lead, aluminum, and zinc, and more preferably contains magnesium, tin, silver, silicon, gold, or indium.
なお、リチウム合金化金属層の厚さは特に制限されないが、好ましくは10nm~10μm程度である。また、負極集電体の表面にリチウム合金化金属層を配置する具体的な手法についても特に制限はなく、スパッタリング法等の乾式法のほか、リチウムと合金化しうる金属の微粒子を含むスラリーを塗布し乾燥させる湿式法などが挙げられる。 The thickness of the lithium alloying metal layer is not particularly limited, but is preferably about 10 nm to 10 μm. There is also no particular limit to the specific method for disposing the lithium alloying metal layer on the surface of the negative electrode current collector, and examples of the method include dry methods such as sputtering, as well as wet methods in which a slurry containing fine particles of a metal that can be alloyed with lithium is applied and dried.
上記のような構成によれば、リチウム二次電池の充電時に固体電解質層を経由して負極側に到達したリチウムイオンは、リチウムと合金化しうる金属と合金化する。そして、リチウム含有合金として負極集電体の表面に存在する空間中に保持されることになる。金属リチウムが単体で析出する場合と比較して、リチウム含有合金として析出する場合の方が析出エネルギーは小さいことから、上記のような構成とすることにより、金属リチウムをより均一に析出させることが可能となる。また、負極集電体と固体電解質層との間の界面抵抗も低下してより大きい電流密度を実現することが可能である。その結果、充放電レート特性をよりいっそう向上させることができる。 According to the above-mentioned configuration, when the lithium secondary battery is charged, the lithium ions that reach the negative electrode side through the solid electrolyte layer are alloyed with a metal that can be alloyed with lithium. The lithium-containing alloy is then held in the space present on the surface of the negative electrode current collector. Compared to when metallic lithium is precipitated as a single substance, the precipitation energy is smaller when the lithium-containing alloy is precipitated, so by adopting the above-mentioned configuration, metallic lithium can be precipitated more uniformly. In addition, the interface resistance between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer is also reduced, making it possible to achieve a higher current density. As a result, the charge/discharge rate characteristics can be further improved.
また、図1を参照しつつ上述したように、負極集電体11’の固体電解質層17側の表面には、非黒鉛カーボンを含むカーボン層が配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、嵩高く導電性が高いカーボンが負極集電体と固体電解質層との間に配置されることになる。その結果、充電過程においてリチウム金属が析出するための空間の減少を最小限に抑制しつつ、固体電解質層と負極集電体との接触面積を増大させることでこれらの界面における接触抵抗を低減でき、ひいては充放電レート特性をより一層向上させることに寄与することができる。なお、カーボン層に高結晶性の黒鉛を用いると、負極集電体上で配向して容易に剥離してしまう虞がある。これに対し、カーボン層に非黒鉛カーボンを用いることで、負極集電体からのカーボン層の剥離を抑制できる。 As described above with reference to FIG. 1, it is preferable that a carbon layer containing non-graphite carbon is disposed on the surface of the negative electrode collector 11' on the side of the solid electrolyte layer 17. With this configuration, bulky and highly conductive carbon is disposed between the negative electrode collector and the solid electrolyte layer. As a result, the contact area between the solid electrolyte layer and the negative electrode collector can be increased while minimizing the reduction in space for lithium metal to precipitate during the charging process, thereby reducing the contact resistance at the interface between them, which in turn contributes to further improving the charge/discharge rate characteristics. If highly crystalline graphite is used for the carbon layer, it may be oriented on the negative electrode collector and easily peel off. In contrast, by using non-graphite carbon for the carbon layer, peeling of the carbon layer from the negative electrode collector can be suppressed.
カーボン層を形成するのに用いられる非黒鉛カーボンとしては、例えば、ケッチェンブラック(登録商標)、気相成長カーボンファイバ(VGCF)、アセチレンブラック、活性炭、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン等が挙げられ、なかでもケッチェンブラック(登録商標)が好ましい。ケッチェンブラック(登録商標)の場合、層間にリチウムイオンが挿入されにくいため、金属リチウムの析出・溶解電位よりも貴な電位で充放電が進行しにくく、電池のエネルギー密度の向上に寄与しうる。なお、非黒鉛カーボンの平均粒子径(D50)は、例えば10nm~10μmの範囲内であることが好ましく、15nm~5μmの範囲内であることがより好ましい。なお、非黒鉛カーボンの平均粒子径の値としては、レーザー回折式の粒度分布計により算出された値、またはSEM等の電子顕微鏡を用いた画像解析に基づいて測定された値が用いられうる。 Examples of non-graphite carbon used to form the carbon layer include Ketjen Black (registered trademark), vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black, activated carbon, furnace black, carbon nanotubes (CNT), graphene, etc., among which Ketjen Black (registered trademark) is preferred. In the case of Ketjen Black (registered trademark), lithium ions are unlikely to be inserted between the layers, so charging and discharging is unlikely to proceed at a potential more noble than the deposition and dissolution potential of metallic lithium, which can contribute to improving the energy density of the battery. The average particle size (D50) of the non-graphite carbon is preferably within the range of 10 nm to 10 μm, for example, and more preferably within the range of 15 nm to 5 μm. The value of the average particle size of the non-graphite carbon can be calculated using a laser diffraction particle size distribution meter or measured based on image analysis using an electron microscope such as a SEM.
カーボン層は、上述した固体電解質をさらに含んでもよい。カーボン層中のカーボンと固体電解質との比率は、これら2種類の材料の質量比に関して、カーボン:固体電解質=1:1~10:0であることが好ましく、カーボン:固体電解質=2:1~10:0であることがより好ましい。また、カーボン層を形成する方法についても特に制限はなく、例えば、乳鉢と乳棒を用いた手混ぜ混合や、ホモジナイザー、メカニカルミリング等によって得られた混合物を湿式で塗布する方法や、当該混合物を正極活物質層などと同様の圧粉成形によってカーボン層の形状に成形してもよい。 The carbon layer may further contain the above-mentioned solid electrolyte. The ratio of carbon to solid electrolyte in the carbon layer, in terms of the mass ratio of these two types of materials, is preferably carbon:solid electrolyte = 1:1 to 10:0, and more preferably carbon:solid electrolyte = 2:1 to 10:0. There are also no particular limitations on the method of forming the carbon layer. For example, the method may include a method of wet-coating a mixture obtained by hand mixing using a mortar and pestle, a homogenizer, mechanical milling, or the like, or the mixture may be molded into the shape of the carbon layer by powder compaction in the same manner as the positive electrode active material layer.
なお、上述したカーボン層において、当該カーボン層を構成する非黒鉛カーボンの表面は、リチウムと合金化しうる金属によって被覆されていることが好ましい。このような構成とすることにより、固体電解質層と負極集電体との接触面積をよりいっそう増大させることができ、また、電極面積を実質的に増大させることができる結果、充放電レート特性のよりいっそうの向上が図られるという利点がある。ここで、「非黒鉛カーボンの表面がリチウムと合金化しうる金属によって被覆されている」形態としては、上述したカーボン層の固体電解質層側の表面にリチウムと合金化しうる金属を含むリチウム合金化金属層が設けられる形態が挙げられる。また、カーボン層を構成する前の非黒鉛カーボンの表面をめっき処理などによってリチウムと合金化しうる金属によって被覆したものを用いて上述したカーボン層を形成する形態もまた、採用されうる。 In the above-mentioned carbon layer, the surface of the non-graphite carbon constituting the carbon layer is preferably coated with a metal that can be alloyed with lithium. This configuration can further increase the contact area between the solid electrolyte layer and the negative electrode current collector, and can also substantially increase the electrode area, which has the advantage of further improving the charge/discharge rate characteristics. Here, an example of a form in which the "surface of the non-graphite carbon is coated with a metal that can be alloyed with lithium" is a form in which a lithium alloying metal layer containing a metal that can be alloyed with lithium is provided on the surface of the above-mentioned carbon layer on the solid electrolyte layer side. In addition, a form in which the surface of the non-graphite carbon before the carbon layer is formed is coated with a metal that can be alloyed with lithium by plating or the like to form the above-mentioned carbon layer can also be adopted.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、カーボン被覆アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、負極集電板25と正極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive and negative current collector plates]
The material constituting the current collector plate (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a secondary battery can be used. As the material constituting the current collector plate, for example, a metal material such as aluminum, carbon-coated aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof is preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27, or different materials may be used.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11”、11’)と集電板(27、25)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive and negative electrode leads]
Although not shown in the figures, the current collectors (11", 11') and the current collecting plates (27, 25) may be electrically connected via a positive electrode lead and a negative electrode lead. As the constituent materials of the positive electrode and the negative electrode lead, materials used in known lithium secondary batteries may be similarly adopted. Note that the part removed from the exterior is preferably covered with a heat-resistant insulating heat-shrinkable tube or the like so as to prevent contact with peripheral devices or wiring, causing electric leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices, etc.).
[電池外装体]
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior body]
As the battery exterior body, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum, which can cover the power generating element as shown in FIG. 1, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is preferable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, a laminate film containing aluminum is more preferable as the exterior body because it can easily adjust the group pressure applied to the power generating element from the outside.
図5は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の外観を表した斜視図である。図5に示すように、扁平な積層型二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、積層型二次電池50の電池外装体(ラミネートフィルム52)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1に示す積層型二次電池10aの発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極集電体11”および正極活物質層15)、固体電解質層17、並びに負極(負極集電体11’)で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 5 is a perspective view showing the appearance of a stacked secondary battery according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the flat stacked secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for extracting power are pulled out from both sides. The power generating element 57 is wrapped in the battery outer casing (laminate film 52) of the stacked secondary battery 50, and the periphery is heat-sealed, and the power generating element 57 is sealed in a state in which the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 are pulled out to the outside. Here, the power generating element 57 corresponds to the power generating element 21 of the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 described above. The power generating element 57 is a stack of multiple single cell layers (single cells) 19 consisting of a positive electrode (positive electrode current collector 11" and positive electrode active material layer 15), a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode current collector 11').
なお、本形態に係るリチウム二次電池は、扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装体に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。また、図5に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図5に示すものに制限されるものではない。また、巻回型の全固体電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 The lithium secondary battery according to this embodiment is not limited to a flat shape. A wound-type all-solid-state battery may be cylindrical, or may be a cylindrical shape that has been deformed to have a rectangular flat shape, and is not particularly limited. In the above-mentioned cylindrical shape, a laminate film may be used for the exterior body, or a conventional cylindrical can (metal can) may be used, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is exteriorized with an aluminum laminate film. This form can achieve weight reduction. In addition, there is no particular restriction on the removal of the tabs 58 and 59 shown in FIG. 5. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of tabs and taken out from each side, and are not limited to those shown in FIG. In addition, in a wound-type all-solid-state battery, a cylindrical can (metal can) may be used instead of the tabs to form the terminals.
以上、本形態に係る二次電池が全固体リチウム二次電池である場合を例に挙げて説明したが、本形態に係るリチウム二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。なお、液体電解質(電解液)としては、従来公知の有機溶媒に従来公知のリチウム塩が溶解した形態を有する溶液が用いられる。液体電解質(電解液)は、有機溶媒およびリチウム塩以外の添加剤をさらに含有してもよい。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 Although the above description has been given with reference to an example in which the secondary battery according to the present embodiment is an all-solid-state lithium secondary battery, the lithium secondary battery according to the present embodiment does not have to be an all-solid-state type. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). There is no particular restriction on the amount of liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be contained in the solid electrolyte layer, but it is preferable that the amount is such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and leakage of the liquid electrolyte (electrolytic solution) does not occur. In addition, as the liquid electrolyte (electrolytic solution), a solution having a form in which a conventionally known lithium salt is dissolved in a conventionally known organic solvent is used. The liquid electrolyte (electrolytic solution) may further contain additives other than the organic solvent and the lithium salt. These additives may be used alone or in combination of two or more. In addition, the amount of additive used when using the additive in the electrolyte can be appropriately adjusted.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery pack]
A battery pack is a device that consists of multiple batteries connected together. More specifically, it is a device that uses at least two batteries and is connected in series or parallel or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A small, removable battery pack can be formed by connecting multiple batteries in series or in parallel. Then, multiple such small, removable battery packs can be connected in series or in parallel to form a large-capacity, high-output battery pack suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. How many batteries are connected to form a battery pack, and how many stages of small battery packs are stacked to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it will be installed.
[車両]
本形態に係るリチウム二次電池は、体積あたりのエネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められる。したがって、本形態に係る全固体電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The lithium secondary battery according to the present embodiment has a high energy density per volume. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger size are required compared to electric and portable electronic device applications. Therefore, the all-solid-state battery according to the present embodiment can be suitably used as a power source for vehicles, for example, a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source.
具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、出力特性に優れた高容量の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより、走行距離の長い自動車とすることができるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, the battery or a battery pack consisting of a combination of multiple batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, a high-capacity battery with excellent output characteristics can be constructed, and by mounting such a battery, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving distance or an electric vehicle with a long driving distance per charge can be constructed. For example, if the battery or a battery pack consisting of a combination of multiple batteries is used in a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles, etc.), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles), it can be made into a vehicle with a long driving distance. However, the use is not limited to automobiles, and it can be applied to various power sources for other vehicles, such as mobile bodies such as trains, and can also be used as a mounted power source for uninterruptible power supplies, etc.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、以下において、操作はグローブボックス内で行った。また、グローブボックス内で用いた器具および装置等は、事前に十分に乾燥処理を行った。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples. Note that the operations below were performed in a glove box. Furthermore, the tools and equipment used in the glove box were thoroughly dried beforehand.
<比較例1>
(正極合剤の調製)
正極活物質としてLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、固体電解質としてLPS(Li2S-P2S5)、および導電助剤としてアセチレンブラックの所定量を秤量し、ビーズをさらに添加してローラー混合することにより、正極合剤を得た。なお、各成分の配合比(質量比)は、正極活物質:固体電解質:導電助剤=60:34:6とした。
<Comparative Example 1>
(Preparation of Positive Electrode Mixture)
A predetermined amount of LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 as a positive electrode active material, LPS ( Li2S - P2S5 ) as a solid electrolyte , and acetylene black as a conductive additive were weighed out, and beads were further added and mixed with a roller to obtain a positive electrode mixture. The compounding ratio (mass ratio) of each component was positive electrode active material: solid electrolyte: conductive additive = 60:34:6.
(評価用セルの作製)
上記で調製した正極合剤と、負極集電体とを対向させ、この間に固体電解質層を介在させることで、評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
(Preparation of evaluation cells)
The positive electrode mixture prepared above and a negative electrode current collector were placed opposite each other with a solid electrolyte layer interposed therebetween to prepare an evaluation cell (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery).
具体的には、LPS(Li2S-P2S5)100mgを秤量し、セラミック管内に入れ、表面を平滑にならした上で、締結治具を用いて400[MPa]で加圧して、固体電解質ペレット(φ10mm)を作製した。 Specifically, 100 mg of LPS (Li 2 S—P 2 S 5 ) was weighed out, placed in a ceramic tube, and the surface was smoothed. Then, a pressure of 400 MPa was applied using a fastening jig to produce a solid electrolyte pellet (φ10 mm).
その後、締結治具を抜き、ペレットの片面に正極合剤の所定量を配置し、締結治具を用いて200[MPa]で加圧して、正極活物質層を作製した。また、ペレットのもう片面に、負極集電体としてニッケル箔(福田金属箔粉工業株式会社製、表面平滑タイプNIF L、厚さ20μm)を配置し、締結治具を用いて100[MPa]で加圧して、評価用セルを作製した。そして、作製した評価用セルを、締結治具を用いて、65[MPa]の拘束圧力にて拘束することにより、本比較例の評価用セルを作製した。なお、ここで用いたニッケル箔の表面のうち、粗化処理が施された面の十点平均粗さ(RzJIS)を、JIS B 0601-2013の附属書JAに記載の方法に従って測定したところ、2μmであった。また、正極活物質層の厚みは、25μmであった。 Thereafter, the fastening jig was removed, a predetermined amount of the positive electrode mixture was placed on one side of the pellet, and the positive electrode active material layer was prepared by applying pressure of 200 [MPa] using the fastening jig. In addition, nickel foil (manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., surface smooth type NIF L, thickness 20 μm) was placed as a negative electrode current collector on the other side of the pellet, and the evaluation cell was prepared by applying pressure of 100 [MPa] using the fastening jig. Then, the evaluation cell of this comparative example was prepared by constraining the evaluation cell prepared at a constraining pressure of 65 [MPa] using the fastening jig. In addition, the ten-point average roughness (R zJIS ) of the surface of the nickel foil used here that was subjected to the roughening treatment was measured according to the method described in Appendix JA of JIS B 0601-2013, and was 2 μm. In addition, the thickness of the positive electrode active material layer was 25 μm.
(電池の充放電後の正極活物質層の観察)
上記で作製した全固体リチウム二次電池について、以下の充放電試験条件に従って1サイクルの充放電を行った。
(Observation of the positive electrode active material layer after charging and discharging the battery)
The all-solid-state lithium secondary battery prepared above was subjected to one cycle of charge and discharge under the following charge and discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電条件
[電圧範囲]2.5~4.2V
[充電過程]CCCV
[放電過程]CCCV
[充放電レート]0.05C、0.2Cまたは1.0C(順次増加させた)
(充放電後、それぞれ30分休止)
2)評価温度:298K(25℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge conditions [Voltage range] 2.5 to 4.2 V
[Charging process] CCCV
[Discharge process] CCCV
[Charge/discharge rate] 0.05C, 0.2C or 1.0C (increased sequentially)
(After charging and discharging, rest for 30 minutes each)
2) Evaluation temperature: 298K (25°C).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(負極集電体上へリチウム金属が析出する)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、0.05Cにて2.5Vから4.2Vまで充電した。その後、放電過程(負極集電体上のリチウム金属が溶解する)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、0.05Cにて4.2Vから2.5Vまで放電した。0.05Cでの充放電において異常(容量の急激な低下)が確認されなければ0.2Cのレートで同様に充放電試験を行った。また、0.2Cでの充放電において異常が見られなければ1.0Cのレートで同様に充放電試験を行った。ここで、1Cとは、その電流値で1時間充電すると、ちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。 The evaluation cell was charged from 2.5 V to 4.2 V at 0.05 C in a constant current/constant voltage (CCCV) mode in the charging process (lithium metal precipitates on the negative electrode current collector) in a thermostatic chamber set to the above evaluation temperature using a charge/discharge tester. Then, in the discharging process (lithium metal on the negative electrode current collector dissolves), the cell was discharged from 4.2 V to 2.5 V at 0.05 C in a constant current/constant voltage (CCCV) mode. If no abnormality (sudden drop in capacity) was observed during charging/discharging at 0.05 C, a similar charge/discharge test was performed at a rate of 0.2 C. If no abnormality was observed during charging/discharging at 0.2 C, a similar charge/discharge test was performed at a rate of 1.0 C. Here, 1 C refers to the current value at which the battery is fully charged (100% charged) when charged for 1 hour at that current value.
以上の結果、本比較例においては、0.05Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、充放電試験を中止した。これは、表面平滑タイプの負極集電体を用いたことで、負極集電体と固体電解質層との間に充電過程でリチウム金属が析出するための空間が十分に存在しない結果、リチウム金属の析出時の過電圧が増大したことによるものと考えられる。また、充電過程でのリチウム析出により負極の体積変化が生じ、リチウム金属が負極集電体上に均一に析出することができなかったと考えられる。 As a result of the above, in this comparative example, a rapid decrease in capacity was confirmed during the charging process at 0.05C, and the charge/discharge test was discontinued. This is thought to be because the use of a smooth-surface type negative electrode current collector meant that there was insufficient space between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer for lithium metal to precipitate during the charging process, resulting in an increase in overvoltage during lithium metal precipitation. It is also thought that lithium precipitation during the charging process caused a change in the volume of the negative electrode, preventing lithium metal from being uniformly precipitated on the negative electrode current collector.
<比較例2>
上述したニッケル箔の固体電解質層側の表面に、スパッタリング法を用いて、リチウムと合金化しうる金属であるマグネシウムからなるスパッタリング層(厚さ30nm)を形成したものを負極集電体として用いたこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、本比較例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
<Comparative Example 2>
An evaluation cell for this comparative example (lithium precipitation-type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Comparative Example 1 described above, except that a sputtering layer (thickness 30 nm) made of magnesium, which is a metal that can be alloyed with lithium, was formed by sputtering on the surface of the above-mentioned nickel foil on the solid electrolyte layer side, and used as a negative electrode current collector.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本比較例においても、0.05Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test using the same method as above. As a result, a rapid decrease in capacity was confirmed during the charging process at 0.05 C in this comparative example as well, so the charge/discharge test was discontinued.
<実施例1>
負極集電体として、ニッケル箔(福田金属箔粉工業株式会社製、表面粗化タイプNIF-MT、厚さ20μm)を用いたこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。なお、ここで用いたニッケル箔の表面のうち、粗化処理が施された面の十点平均粗さ(RzJIS)を、JIS B 0601-2013の附属書JAに記載の方法に従って測定したところ、10μmであった。
Example 1
Except for using nickel foil (surface roughened type NIF-MT, thickness 20 μm, manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) as the negative electrode current collector, an evaluation cell (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery) of this example was produced in the same manner as in Comparative Example 1 described above. The ten-point average roughness (R zJIS ) of the roughened surface of the nickel foil used here was measured according to the method described in Appendix JA of JIS B 0601-2013 and was found to be 10 μm.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、0.2Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge test at 0.05C, but a sudden decrease in capacity was confirmed during the charging process at 0.2C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例2>
上述したニッケル箔の固体電解質層側の表面に、スパッタリング法を用いて、リチウムと合金化しうる金属であるマグネシウムからなるスパッタリング層(厚さ30nm)を形成したものを負極集電体として用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 2
An evaluation cell of this example (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that a sputtering layer (thickness 30 nm) made of magnesium, which is a metal that can be alloyed with lithium, was formed by sputtering on the surface of the above-mentioned nickel foil on the solid electrolyte layer side, and used as a negative electrode current collector.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験および0.2Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、1.0Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge tests at 0.05C and 0.2C, but a sudden decrease in capacity was observed during the charging process at 1.0C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例3>
リチウムと合金化しうる金属として、マグネシウムに代えてスズを用いて負極集電体の表面にスパッタリング層を形成したこと以外は、上述した実施例2と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 3
An evaluation cell of this example (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 2 described above, except that a sputtering layer was formed on the surface of the negative electrode current collector using tin instead of magnesium as a metal that can be alloyed with lithium.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験および0.2Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、1.0Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge tests at 0.05C and 0.2C, but a sudden decrease in capacity was observed during the charging process at 1.0C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例4>
リチウムと合金化しうる金属として、マグネシウムに代えて銀を用いて負極集電体の表面にスパッタリング層を形成したこと以外は、上述した実施例2と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 4
An evaluation cell of this example (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 2 described above, except that silver was used instead of magnesium as a metal capable of being alloyed with lithium to form a sputtering layer on the surface of the negative electrode current collector.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験および0.2Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、1.0Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge tests at 0.05C and 0.2C, but a sudden decrease in capacity was observed during the charging process at 1.0C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例5>
上述したニッケル箔の固体電解質層側の表面に、ケッチェンブラック(登録商標)および固体電解質を含むカーボン層を形成したものを負極集電体として用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 5
An evaluation cell of this example (lithium precipitation type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that a carbon layer containing Ketjen Black (registered trademark) and a solid electrolyte was formed on the surface of the nickel foil on the solid electrolyte layer side and used as a negative electrode current collector.
具体的には、まず、ケッチェンブラック(登録商標)(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製、ECP600JD:KB、D50=34nm)と、固体電解質(LPS)を用い、質量比でケッチェンブラック(登録商標):LPS=2:1となるように秤量し、手混ぜ混合後、ヘプタンを加え、ホモジナイザー(株式会社エスエムテー製、UH-50)を用いて3分間混合して混合物を得た。次いで、得られた混合物をニッケル箔の固体電解質層側の表面に均一に塗布し、乾燥することにより、カーボン層を形成した。なお、カーボン層の厚さは20μmとした。 Specifically, first, Ketjen Black (registered trademark) (manufactured by Lion Specialty Chemicals, ECP600JD:KB, D50 = 34 nm) and solid electrolyte (LPS) were weighed out to a mass ratio of Ketjen Black (registered trademark):LPS = 2:1, mixed by hand, added with heptane, and mixed for 3 minutes using a homogenizer (manufactured by SMT Corporation, UH-50) to obtain a mixture. Next, the obtained mixture was uniformly applied to the surface of the nickel foil on the solid electrolyte layer side, and dried to form a carbon layer. The carbon layer had a thickness of 20 μm.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験および0.2Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、1.0Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge tests at 0.05C and 0.2C, but a sudden decrease in capacity was observed during the charging process at 1.0C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例6>
カーボン層の露出表面(固体電解質層側の表面)に、上述した実施例3と同様の手法を用いてスズのスパッタリング層をさらに形成したこと以外は、上述した実施例5と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 6
An evaluation cell of this example (lithium deposition-type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 5 described above, except that a tin sputtering layer was further formed on the exposed surface (the surface on the solid electrolyte layer side) of the carbon layer by using the same method as in Example 3 described above.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験、0.2Cでの充放電試験および1.0Cでの充放電試験のすべてにおいて容量の急激な低下は確認されなかった。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in any of the charge/discharge tests at 0.05C, 0.2C, and 1.0C.
<実施例7>
スズのスパッタリング層の露出表面(固体電解質層側の表面)に、上述した実施例5と同様の手法を用いてカーボン層をさらに形成したこと以外は、上述した実施例3と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 7
An evaluation cell of this example (lithium deposition type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 3 described above, except that a carbon layer was further formed on the exposed surface (the surface on the solid electrolyte layer side) of the tin sputtering layer by using the same method as in Example 5 described above.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験および0.2Cでの充放電試験においては容量の急激な低下が見られなかったものの、1.0Cでの充電過程において容量の急激な低下が確認されたことから、その時点で充放電試験を中止した。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in the charge/discharge tests at 0.05C and 0.2C, but a sudden decrease in capacity was observed during the charging process at 1.0C, so the charge/discharge test was stopped at that point.
<実施例8>
カーボン層の露出表面(固体電解質層側の表面)に、上述した実施例3と同様の手法を用いてスズのスパッタリング層をさらに形成したこと以外は、上述した実施例7と同様の手法により、本実施例の評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
Example 8
An evaluation cell of this example (lithium deposition-type all-solid-state lithium secondary battery) was produced in the same manner as in Example 7 described above, except that a tin sputtering layer was further formed on the exposed surface (the surface on the solid electrolyte layer side) of the carbon layer by using the same method as in Example 3 described above.
上記で作製した評価用セルについて、上記と同様の手法により充放電試験を行った。その結果、本実施例においては、0.05Cでの充放電試験、0.2Cでの充放電試験および1.0Cでの充放電試験のすべてにおいて容量の急激な低下は確認されなかった。 The evaluation cell prepared above was subjected to a charge/discharge test in the same manner as above. As a result, in this example, no sudden decrease in capacity was observed in any of the charge/discharge tests at 0.05C, 0.2C, and 1.0C.
以上の結果をまとめたものを下記の表1に示す。 The above results are summarized in Table 1 below.
以上の実施例および比較例に示す結果から、本発明に係る構成とすることにより、リチウム析出型のリチウム二次電池における充放電レート特性を向上させることができることがわかる。これは、表面粗化タイプの負極集電体を用いたことで、負極集電体と固体電解質層との間に充電過程でリチウム金属が析出するための空間が十分に確保される結果、リチウム金属の析出時の過電圧の増大が抑制されたことによるものと考えられる。また、充電過程でのリチウム析出に起因する負極の体積変化についても、上記の空間がある程度吸収したことで、負極集電体上へのリチウム金属の均一な析出が達成できたものと考えられる。 From the results shown in the above examples and comparative examples, it can be seen that the configuration according to the present invention can improve the charge/discharge rate characteristics of lithium precipitation type lithium secondary batteries. This is believed to be because the use of a surface-roughened type negative electrode current collector ensures sufficient space between the negative electrode current collector and the solid electrolyte layer for lithium metal to precipitate during the charging process, thereby suppressing the increase in overvoltage during lithium metal precipitation. In addition, the above-mentioned space is believed to have absorbed to some extent the volume change of the negative electrode caused by lithium precipitation during the charging process, thereby achieving uniform precipitation of lithium metal on the negative electrode current collector.
さらに、負極集電体の表面に、リチウムと合金化しうる金属を含む層を配置することや、非黒鉛カーボンを含むカーボン層を配置することにより、充放電レート特性をよりいっそう向上させうることもわかる。 Furthermore, it has been found that the charge/discharge rate characteristics can be further improved by providing a layer containing a metal that can be alloyed with lithium or a carbon layer containing non-graphitic carbon on the surface of the negative electrode current collector.
10a、50、100 積層型二次電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
11a 凸部、
12 スズ(Sn)のスパッタリング層、
13 カーボン層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25 負極集電板(負極タブ)、
27 正極集電板(正極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
200 金属板、
300 ボルト、
400 ナット。
10a, 50, 100 Stacked secondary battery,
11' negative electrode current collector,
11" positive electrode current collector,
11a convex portion,
12 Tin (Sn) sputtering layer,
13 carbon layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 Power generating element,
25 negative electrode current collector (negative electrode tab),
27 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
29, 52 Laminate film,
58 positive electrode tab,
59 negative electrode tab,
200 metal plate,
300 volts,
400 Nut.
Claims (5)
負極集電体を有し、充電時に前記負極集電体上にリチウム金属が析出する負極と、
前記正極および前記負極の間に介在し、S元素を含む固体電解質を含有する固体電解質層と、
を有する発電要素、ならびに前記発電要素を積層方向に所定の圧力で加圧する加圧部材を備え、
前記負極集電体の前記固体電解質層側の表面の十点平均粗さ(RzJIS)が10μmを超えて50μm以下である、リチウム二次電池。 a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions;
a negative electrode having a negative electrode current collector on which lithium metal is deposited during charging;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and containing a solid electrolyte containing an S element ;
and a pressure member that applies a predetermined pressure to the power generating element in a stacking direction,
a ten-point average roughness (R zJIS ) of a surface of the negative electrode current collector on the side of the solid electrolyte layer is more than 10 μm and not more than 50 μm.
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