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JP2011175905A - All-solid lithium ion secondary battery - Google Patents

All-solid lithium ion secondary battery Download PDF

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JP2011175905A
JP2011175905A JP2010039969A JP2010039969A JP2011175905A JP 2011175905 A JP2011175905 A JP 2011175905A JP 2010039969 A JP2010039969 A JP 2010039969A JP 2010039969 A JP2010039969 A JP 2010039969A JP 2011175905 A JP2011175905 A JP 2011175905A
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JP
Japan
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conductor
electrode
positive electrode
solid
secondary battery
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010039969A
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Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Fukushima
孝明 福島
Fumiaki Sago
文昭 佐郷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
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Abstract

【課題】 高容量を維持したまま高速充放電ができる全固体型リチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】 正極1、固体電解質2および負極3が順次積層された発電要素を、集電体4を介して複数個直列に接続してなる全固体型リチウムイオン二次電池において、正極1および負極3のうちの少なくとも一方の電極1、3中に、該電極1、3の主面と平行に導体1a、3aが設けられており、該導体1a、3aが集電体4に電気的に接続されていることを特徴とする。導体1a、3aは電極1、3の側面に形成された端面導体1b、3bで集電体4に接続し、または電極1、3中に形成された柱状導体7により集電体4に接続する。
【選択図】図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all solid state lithium ion secondary battery capable of high speed charge / discharge while maintaining a high capacity.
In an all solid-state lithium ion secondary battery in which a plurality of power generating elements in which a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode are sequentially stacked are connected via a current collector, the positive electrode and In at least one electrode 1, 3 of the negative electrode 3, conductors 1 a, 3 a are provided in parallel to the main surfaces of the electrodes 1, 3, and the conductors 1 a, 3 a are electrically connected to the current collector 4. It is connected. The conductors 1a and 3a are connected to the current collector 4 by end surface conductors 1b and 3b formed on the side surfaces of the electrodes 1 and 3, or are connected to the current collector 4 by columnar conductors 7 formed in the electrodes 1 and 3. .
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、正極、固体電解質、負極が順次積層された発電要素を、集電体を介して複数個直列に接続してなる全固体型リチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to an all solid-state lithium ion secondary battery in which a plurality of power generating elements in which a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode are sequentially stacked are connected in series via a current collector.

近年、二次電池は携帯電話やノート型パソコンだけでなく、電気自動車用バッテリーとしてもその用途を広げている。これらの二次電池に共通して要求されているものは、長時間使用の指標となる高容量化である。二次電池における高容量化の手法としては、容量の大きな電極材料を用いる方法や、高い放電電圧を示す正極材料の適用、電解質の固体化などが挙げられる。   In recent years, secondary batteries have been used not only for mobile phones and notebook computers, but also as batteries for electric vehicles. What is commonly required for these secondary batteries is an increase in capacity that is an indicator of long-term use. Methods for increasing the capacity of the secondary battery include a method using an electrode material having a large capacity, application of a positive electrode material exhibiting a high discharge voltage, solidification of an electrolyte, and the like.

例えば、特許文献1では、負極材料にカーボンを用い、負極の導電性を得るために該負極に0.01〜20μmの粒径を有する銅粉末を添加し、電極の電子伝導性の向上を図っている。また特許文献2では、金属を付着した炭素粒子を含有した電極を用いることで、電極の電子伝導性の向上を図っている。一方、特許文献3では、正極を形成する粒子の表面に炭素などの導電性膜を成膜技術で形成したものを正極材料として用いることによって、正極の内部抵抗を低下させている。   For example, in Patent Document 1, carbon is used as the negative electrode material, and copper powder having a particle size of 0.01 to 20 μm is added to the negative electrode in order to obtain the conductivity of the negative electrode, thereby improving the electron conductivity of the electrode. ing. Moreover, in patent document 2, the improvement of the electronic conductivity of an electrode is aimed at by using the electrode containing the carbon particle which adhered the metal. On the other hand, in Patent Document 3, the internal resistance of the positive electrode is lowered by using, as a positive electrode material, a material in which a conductive film such as carbon is formed on the surface of particles forming the positive electrode by a film forming technique.

特開1996−7895号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1996-7895 特開2001−126768号公報JP 2001-126768 A 特開2000−58063号公報JP 2000-58063 A

高容量化と高速充放電は、全固体型リチウムイオン二次電池の特性において非常に重要である。高速充放電を行うために、従来、例えば上記特許文献1、2のように、導電材を電極物質に添加または付着させ、電極の導電性を向上させることが一般的に行われているが、導電材を少量添加するだけでは導電性を得ることができないため、導電材同士が電極内で接触するように大量の導電材を添加する必要がある。これにより、電極内における導電材の占める割合が高くなる一方で、電極内における活物質の割合が低下し、所定の容量を得ようとすると、電池のトータル重量や体積が大きくなり、逆に電極を所定寸法に収めようとすると電池容量は低下することになる。   High capacity and high-speed charging / discharging are very important in the characteristics of all solid-state lithium ion secondary batteries. In order to perform high-speed charging / discharging, conventionally, for example, as described in Patent Documents 1 and 2 above, it is generally performed to add or adhere a conductive material to an electrode substance to improve the conductivity of the electrode. Since conductivity cannot be obtained only by adding a small amount of conductive material, it is necessary to add a large amount of conductive material so that the conductive materials are in contact with each other in the electrode. As a result, the proportion of the conductive material in the electrode is increased, while the proportion of the active material in the electrode is decreased, and when trying to obtain a predetermined capacity, the total weight and volume of the battery are increased. The battery capacity will be reduced if it is intended to fit within a predetermined dimension.

また、特許文献3では、正極を形成する粒子の表面に炭素などの導電性膜を被覆し、正極を形成する粒子の容量を大きく低下させることなく、電極内の電子伝導性を高めようとしているが、電極においては電子の移動とともに、高容量化のため高いイオン電導度が重要であり、固体電解質を用いる場合に、正極を形成する粒子の表面を導電性膜で被覆してしまうと、導電性膜が正極内でのイオン伝導の妨げになってしまい、高容量が得られなくなってしまうという問題があった。   In Patent Document 3, the surface of the particles forming the positive electrode is covered with a conductive film such as carbon to increase the electron conductivity in the electrode without significantly reducing the capacity of the particles forming the positive electrode. However, in the electrode, high ion conductivity is important for increasing the capacity along with the movement of electrons. When a solid electrolyte is used, if the surface of the particles forming the positive electrode is covered with a conductive film, the conductivity is increased. The conductive film hinders ion conduction in the positive electrode, resulting in a problem that high capacity cannot be obtained.

本発明は、高容量を維持したまま高速充放電ができる全固体型リチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an all solid-state lithium ion secondary battery capable of high-speed charge / discharge while maintaining a high capacity.

本発明の全固体型リチウムイオン二次電池は、正極、固体電解質および負極が順次積層
された発電要素を、集電体を介して複数個直列に接続してなる全固体型リチウムイオン二次電池において、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極中に、該電極の主面と平行に導体が設けられており、該導体が前記集電体に電気的に接続されていることを特徴とする。
The all-solid-state lithium ion secondary battery of the present invention is an all-solid-state lithium ion secondary battery in which a plurality of power generating elements in which a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode are sequentially stacked are connected in series via a current collector. In the present invention, a conductor is provided in parallel with a main surface of the electrode in at least one of the positive electrode and the negative electrode, and the conductor is electrically connected to the current collector. And

このような全固体型リチウム二次電池では、正極および負極のうちの少なくとも一方の電極中に、この電極の主面と平行に導体が設けられており、導体が集電体に電気的に接続されているため、電極の主面と平行に設けられた導体を介して電極中の電子が集電体に良好に流れ、高速充放電が可能となる。また、導体を電子が伝導するため電極内の電子密度が下がり、電極内のイオン(金属カチオン)が、電子によるクーロン力によって移動性が抑制されなくなるため、付随的に電極中のイオン伝導が高まり、また、導体の厚みや線幅等を薄くし、電極中における導体の占める体積占有率を小さくすることができ、電極内における活物質の割合低下を最小限に抑制し、エネルギー密度の高い高容量の全固体型リチウムイオン二次電池を得ることができる。   In such an all solid-state lithium secondary battery, a conductor is provided in at least one of the positive electrode and the negative electrode in parallel with the main surface of the electrode, and the conductor is electrically connected to the current collector. Therefore, electrons in the electrode flow through the current collector through a conductor provided in parallel with the main surface of the electrode, and high-speed charge / discharge is possible. In addition, since electrons are conducted through the conductor, the electron density in the electrode is lowered, and the mobility of ions (metal cations) in the electrode is not suppressed by the Coulomb force caused by the electrons. In addition, the conductor thickness in the electrode can be reduced by reducing the thickness and line width of the conductor, minimizing the reduction in the proportion of the active material in the electrode, and high energy density. An all-solid-state lithium ion secondary battery having a capacity can be obtained.

また、本発明の全固体型リチウムイオン二次電池は、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極が無機酸化物からなるとともに、無機酸化物からなる前記電極中に前記導体が設けられていることを特徴とする。電極が無機酸化物からなる場合には電子伝導性が低いため、電極中に導体を形成することにより、電極中の電子伝導性を著しく向上することができる。   The all solid-state lithium ion secondary battery according to the present invention is such that at least one of the positive electrode and the negative electrode is made of an inorganic oxide, and the conductor is provided in the electrode made of an inorganic oxide. It is characterized by being. Since the electron conductivity is low when the electrode is made of an inorganic oxide, the electron conductivity in the electrode can be remarkably improved by forming a conductor in the electrode.

さらに、本発明の全固体型リチウムイオン二次電池は、前記導体が導体パターンからなるとともに、前記電極中に、該電極の厚み方向に柱状導体が設けられており、該柱状導体により、前記導体パターンと前記集電体とが接続されていることを特徴とする。このような全固体型リチウムイオン二次電池では、電極中の電子が導体を流れ、電極の厚み方向に形成された柱状導体を介して集電体に流れるため、導体パターンと集電体間の距離が短く、これにより電極中の電子伝導性を向上することができる。   Furthermore, in the all-solid-state lithium ion secondary battery of the present invention, the conductor is formed of a conductor pattern, and a columnar conductor is provided in the electrode in the thickness direction of the electrode. A pattern and the current collector are connected to each other. In such an all-solid-state lithium ion secondary battery, electrons in the electrode flow through the conductor and flow to the current collector through the columnar conductor formed in the thickness direction of the electrode, and therefore, between the conductor pattern and the current collector. The distance is short, which can improve the electron conductivity in the electrode.

さらにまた、本発明の全固体型リチウムイオン二次電池は、前記導体が導体パターンからなるとともに、前記電極の側面に端面導体が設けられており、該端面導体に、前記導体パターンと前記集電体とが接続されていることを特徴とする。このような全固体型リチウムイオン二次電池では、電極中の電子が導体を流れ、電極側面の端面導体を介して集電体に流れるため、電極中の電子伝導性を向上することができる。   Furthermore, in the all solid-state lithium ion secondary battery of the present invention, the conductor comprises a conductor pattern, and an end face conductor is provided on a side surface of the electrode, and the conductor pattern and the current collector are provided on the end face conductor. It is characterized by being connected to the body. In such an all solid-state lithium ion secondary battery, electrons in the electrode flow through the conductor and flow to the current collector through the end surface conductor on the side surface of the electrode, so that the electron conductivity in the electrode can be improved.

本発明の全固体型リチウムイオン二次電池では、電極の主面と平行に設けられた導体を介して電極中の電子が集電体に良好に流れ、高速充放電が可能となるとともに、導体を電子が伝導するため電極内の電子密度が下がり、これに伴い、付随的に電極中のイオン伝導が高まり、また、電極中における導体の占める体積占有率を小さくして、エネルギー密度の高い高容量の全固体型リチウムイオン二次電池を得ることができる。   In the all-solid-state lithium ion secondary battery of the present invention, electrons in the electrode flow through the current collector through the conductor provided in parallel with the main surface of the electrode, enabling high-speed charging / discharging and the conductor. As a result, the electron density in the electrode decreases, and accordingly, the ionic conduction in the electrode increases, and the volume occupation of the conductor in the electrode decreases, resulting in a high energy density. An all-solid-state lithium ion secondary battery having a capacity can be obtained.

バイポーラ型の全固体型リチウムイオン二次電池の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery. 正極内の導体と集電体との接続構造を示すもので、(a)は正極の縦断面図、(b)は正極の縦断面図である。The connection structure of the conductor and collector in a positive electrode is shown, (a) is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode, (b) is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode. 正極内の導体と集電体との他の接続構造を示すもので、(a)は正極の縦断面図、(b)は正極の縦断面図である。The other connection structure of the conductor and collector in a positive electrode is shown, (a) is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode, (b) is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode. 全固体型リチウムイオン二次電池を収納容器内に収納した状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which accommodated the all-solid-type lithium ion secondary battery in the storage container.

図1は、バイポーラ型の全固体型リチウムイオン二次電池の縦断面図である。図1に示
すように、全固体型リチウムイオン二次電池は、少なくとも正極活物質からなる正極1と、固体電解質2と、少なくとも負極活物質からなる負極3とを順次積層して接合し一体化させた発電要素を、複数個集電体4を介して直列に接続して構成されている。
FIG. 1 is a vertical sectional view of a bipolar all solid-state lithium ion secondary battery. As shown in FIG. 1, an all-solid-state lithium ion secondary battery includes a positive electrode 1 made of at least a positive electrode active material, a solid electrolyte 2 and a negative electrode 3 made of at least a negative electrode active material, which are sequentially stacked and joined together. A plurality of generated power generation elements are connected in series via a current collector 4.

一般的には正極1と負極3とを金属製の集電体4で接続するが、予め自立できる強度を持った正極1、固体電解質2および負極3が積層され一体化された発電要素を作製し、複数の発電要素を集電体4を介して電気的に直列に接続して全固体型リチウムイオン二次電池を構成できる。   In general, the positive electrode 1 and the negative electrode 3 are connected by a metal current collector 4. However, a power generation element in which the positive electrode 1, the solid electrolyte 2, and the negative electrode 3 having a self-supporting strength are laminated and integrated is manufactured. In addition, an all-solid-state lithium ion secondary battery can be configured by electrically connecting a plurality of power generation elements in series via the current collector 4.

そして、本発明では、正極1中に、この正極1の主面に平行に導体1aが3層形成されており、3層の導体1aが正極1の側面に形成された端面導体1bにより接続され、この端面導体1bが集電体9に接続されている。また、負極3中にも、同様に、この負極3の主面に平行に導体3aが3層形成されており、3層の導体3aが負極3の側面に形成された端面導体3bにより接続され、この端面導体3bが集電体9に接続されている。導体1a、3a、端面導体1b、3bの材料としては、Cu、Ag−Pd、Ag、W等を用いることができる。導体1a、3aの材料、端面導体1b、3bの材料としては、正極1および負極3で異なる材料を用いることができる。導体1a、3aは、導体ペーストを塗布して形成された導体パターンからなり、薄い導体膜である。図2、図3の場合も同様である。   In the present invention, three layers of conductors 1 a are formed in the positive electrode 1 in parallel with the main surface of the positive electrode 1, and the three layers of conductors 1 a are connected by an end surface conductor 1 b formed on the side surface of the positive electrode 1. The end face conductor 1b is connected to the current collector 9. Similarly, in the negative electrode 3, three layers of conductors 3 a are formed in parallel to the main surface of the negative electrode 3, and the three layers of conductors 3 a are connected by an end surface conductor 3 b formed on the side surface of the negative electrode 3. The end face conductor 3b is connected to the current collector 9. As materials for the conductors 1a and 3a and the end face conductors 1b and 3b, Cu, Ag-Pd, Ag, W, or the like can be used. Different materials can be used for the positive electrode 1 and the negative electrode 3 as the material of the conductors 1a and 3a and the material of the end face conductors 1b and 3b. The conductors 1a and 3a are formed of a conductor pattern formed by applying a conductor paste, and are thin conductor films. The same applies to the cases of FIGS.

導体1aは、図2(a)に示すように、断面形状が矩形状の正極1中に、正極1の主面と平行に形成されており、直線状とされ、複数の直線状の導体1aが平行に形成されている。これらの直線状の導体1aの一端は、正極1の側面に露出しており、正極1の側面に設けられた端面導体1bに接続している。7本の直線状の導体1a間の間隔Lは、正極1の厚み以下であることが望ましい。   As shown in FIG. 2A, the conductor 1a is formed in parallel with the main surface of the positive electrode 1 in the positive electrode 1 having a rectangular cross section, and is formed into a straight line, and a plurality of linear conductors 1a. Are formed in parallel. One end of these linear conductors 1 a is exposed on the side surface of the positive electrode 1 and is connected to an end surface conductor 1 b provided on the side surface of the positive electrode 1. The interval L between the seven linear conductors 1a is preferably equal to or less than the thickness of the positive electrode 1.

同様に、導体3aは、図示しないが、断面形状が矩形状の負極3中に、負極3の主面と平行に形成されており、直線状とされ、複数の直線状の導体3aが平行に形成されている。これらの直線状の導体3aの一端は、負極3の側面に露出しており、負極3の側面に設けられた端面導体3bに接続している。複数の直線状の導体3a間の間隔Lは、負極3の厚み以下であることが望ましい。   Similarly, although not shown, the conductor 3a is formed in parallel with the main surface of the negative electrode 3 in the negative electrode 3 having a rectangular cross-sectional shape, and is formed into a straight line, and a plurality of linear conductors 3a are parallel to each other. Is formed. One end of these linear conductors 3 a is exposed on the side surface of the negative electrode 3, and is connected to an end surface conductor 3 b provided on the side surface of the negative electrode 3. The interval L between the plurality of linear conductors 3 a is desirably equal to or less than the thickness of the negative electrode 3.

正極1の厚みは5μm以上、好ましくは30μm以上、更に好ましくは50μm以上であることが望ましい。正極1の厚みが薄い場合には、電子の移動距離が短いため、正極1内の電子伝導があまり電池性能に影響を与えないが、30μm以上、50μm以上と厚くなると、正極1内の電子伝導が電池性能に影響を与えるようになるため、本発明を好適に用いることができる。   The thickness of the positive electrode 1 is desirably 5 μm or more, preferably 30 μm or more, and more preferably 50 μm or more. When the thickness of the positive electrode 1 is small, the electron travel distance is short, and thus the electron conduction in the positive electrode 1 does not affect the battery performance so much. However, when the thickness is larger than 30 μm or more than 50 μm, the electron conduction in the positive electrode 1 Affects the battery performance, so that the present invention can be preferably used.

負極3の厚みは負極容量にもよるが、正極と同等以上の容量となる厚みで、固体電解質2の厚みは絶縁が保持できる厚みで、かつ、できるだけ薄い膜厚が好ましく100〜500nmとされている。   Although the thickness of the negative electrode 3 depends on the negative electrode capacity, the thickness is equal to or greater than that of the positive electrode, the thickness of the solid electrolyte 2 is a thickness that can maintain insulation, and a thickness as thin as possible is preferably 100 to 500 nm. Yes.

また、図1、2では、端面導体1b、3bにより、導体1a、3aを集電体4に接続したが、図3に示すように、正極1中に、該正極1の厚み方向に設けられた柱状導体7により、導体1aと集電体4とが接続されている。負極3の導体3aについても同様である。   In FIGS. 1 and 2, the conductors 1 a and 3 a are connected to the current collector 4 by the end face conductors 1 b and 3 b, but as shown in FIG. 3, they are provided in the positive electrode 1 in the thickness direction of the positive electrode 1. The conductor 1 a and the current collector 4 are connected by the columnar conductor 7. The same applies to the conductor 3a of the negative electrode 3.

このような全固体型リチウムイオン二次電池では、電極1、3中の電子が導体1a、3aを流れ、電極1、3の厚み方向に形成された柱状導体7を介して集電体4に流れるため
、導体1a、3aと集電体4間の距離が短く、これにより電極1、3中の電子伝導性を向上することができる。柱状導体7は、図3では1本の導体1a、3aに一つ接続したが、1本の導体1a、3aに複数の柱状導体7を接続することができる。この場合には、柱状導体7からも、電子が集電体4流れ、高速充放電が可能となる。
In such an all-solid-state lithium ion secondary battery, the electrons in the electrodes 1 and 3 flow through the conductors 1a and 3a and pass through the columnar conductors 7 formed in the thickness direction of the electrodes 1 and 3 to the current collector 4. Since it flows, the distance between the conductors 1a and 3a and the current collector 4 is short, whereby the electron conductivity in the electrodes 1 and 3 can be improved. In FIG. 3, one columnar conductor 7 is connected to one conductor 1a, 3a, but a plurality of columnar conductors 7 can be connected to one conductor 1a, 3a. In this case, the current flows from the current collector 4 also from the columnar conductor 7, and high-speed charge / discharge is possible.

なお、図1では、正極1および負極2にそれぞれ導体1a、3aを形成したが、正極1または負極2のいずれかに導体1aまたは導体3aを形成しても良い。   In FIG. 1, the conductors 1 a and 3 a are formed on the positive electrode 1 and the negative electrode 2, respectively, but the conductor 1 a or the conductor 3 a may be formed on either the positive electrode 1 or the negative electrode 2.

また、図1〜図3は、導体1a、3aを、導体ペーストを塗布して形成した導体パターンで形成した場合について説明したが、本発明では、導体1a、3aを、例えば、導線を編み込んだメッシュで作製しても良い。この場合には、電極を形成するシート間にメッシュを挟み込み、焼成することにより作製することができる。また、メッシュを電極1、3の側面から突出するように配置し、突出した部分を集電体と接続することができる。   Moreover, although FIGS. 1-3 demonstrated the case where the conductors 1a and 3a were formed with the conductor pattern formed by apply | coating a conductor paste, in this invention, the conductors 1a and 3a were braided, for example, conducting wire. You may produce with a mesh. In this case, it can be produced by sandwiching a mesh between sheets forming electrodes and firing. Moreover, a mesh can be arrange | positioned so that it may protrude from the side surface of the electrodes 1 and 3, and the protruded part can be connected with a collector.

全固体型リチウムイオン二次電池を構成する正極1、固体電解質2、負極3、集電体4などは、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられているものを用いることができる。以下に本形態の全固体型リチウムイオン二次電池に使用できる正極1、固体電解質2、負極3、集電体4などについて説明する。   As the positive electrode 1, the solid electrolyte 2, the negative electrode 3, the current collector 4, and the like constituting the all solid-state lithium ion secondary battery, those used in general lithium ion secondary batteries can be used. The positive electrode 1, solid electrolyte 2, negative electrode 3, current collector 4, and the like that can be used in the all solid-state lithium ion secondary battery of this embodiment will be described below.

集電体4としては、例えば、熱可塑性樹脂と導電性フィラーから成る導電性接着剤を用いることができる。また一般的に用いられている導体板を用いることもできる。   As the current collector 4, for example, a conductive adhesive made of a thermoplastic resin and a conductive filler can be used. Moreover, the conductor plate generally used can also be used.

正極1は少なくとも正極活物質からなり、正極活物資としては、リチウム含有遷移金属酸化物が好適に用いられる。具体的にはリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、リン酸系リチウム鉄複合酸化物、リチウムチタン複合酸化物などが挙げられる。   The positive electrode 1 is composed of at least a positive electrode active material, and a lithium-containing transition metal oxide is preferably used as the positive electrode active material. Specific examples include lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, phosphoric acid lithium iron composite oxide, and lithium titanium composite oxide.

負極3も少なくとも負極活物質からなり、負極活物質としては炭素材料、遷移金属酸化物、リチウム含有遷移金属酸化物などが使用可能である。なお、負極活物質に金属リチウムなどを用いる場合は、正極のみ導体を用いればよい。   The negative electrode 3 is also made of at least a negative electrode active material. As the negative electrode active material, a carbon material, a transition metal oxide, a lithium-containing transition metal oxide, or the like can be used. In addition, when using metal lithium etc. for a negative electrode active material, what is necessary is just to use a conductor only for a positive electrode.

固体電解質2には、有機電解液を高分子材料でゲル化したゲル電解質、イオン伝導性高分子材料に電解質塩を溶解させた高分子固体電解質、無機材料からなる無機固体電解質など流動性がなく正負極間に固定化可能な電解質であれば、それぞれを組み合わせて、例えば無機固体電解質を高分子固体電解質中に分散複合化させて用いるなど、いずれも適用可能である。中でも無機固体電解質は難燃性、不燃性に優れることから単体で用いると安全性の高いバイポーラ型の全固体型リチウムイオン二次電池を提供することができ、好適である。   The solid electrolyte 2 has no fluidity such as a gel electrolyte obtained by gelling an organic electrolyte with a polymer material, a polymer solid electrolyte obtained by dissolving an electrolyte salt in an ion conductive polymer material, and an inorganic solid electrolyte made of an inorganic material. As long as the electrolytes can be immobilized between the positive and negative electrodes, any of them can be applied, for example, an inorganic solid electrolyte can be dispersed and combined in a polymer solid electrolyte. Among them, the inorganic solid electrolyte is excellent in flame retardancy and non-flammability, and therefore, when used alone, a bipolar all solid lithium ion secondary battery with high safety can be provided, which is preferable.

有機電解液に用いる有機溶媒には、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ガンマーブチロラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2―メチルテトラヒドロフラン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよびメチルエチルカーボネートから選ばれる1種もしくは2種以上の混合系の溶媒が挙げられる。電解質塩としては、例えば、LiClO4,LiBF4,LiPF6,LiCF3SO3,LiN(CF3SO2)2,LiN(C2F5SO2)2などのリチウム塩を挙げることができる。   Examples of the organic solvent used in the organic electrolyte include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, gamma-butyrolactone, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, dimethyl ether, tetrahydrofuran, and 2-methyltetrahydrofuran. , One or a mixture of two or more solvents selected from dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of the electrolyte salt include lithium salts such as LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiCF3SO3, LiN (CF3SO2) 2, and LiN (C2F5SO2) 2.

ゲル電解質に用いられる高分子材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルクロライド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートなどのイオン伝導性を持たない高分子材料やイオン伝導性を有する高分子材料を挙げることができる。   Examples of the polymer material used for the gel electrolyte include a polymer material having no ion conductivity and a polymer material having ion conductivity, such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, and polymethyl methacrylate. .

イオン伝導性を有する高分子材料としては、例えばポリエチレンオキシドに代表されるエチレンオキシド骨格を有する高分子やプロピレンオキシドに代表されるプロピレンオキシド骨格を有する高分子、またそれらの混合物や共重合体などが挙げられる。高分子固体電解質を作製する場合はこれらイオン伝導性高分子に上述の有機電解液と同じ電解質塩を溶解して用いることができる。   Examples of the polymer material having ion conductivity include a polymer having an ethylene oxide skeleton represented by polyethylene oxide, a polymer having a propylene oxide skeleton represented by propylene oxide, and a mixture or copolymer thereof. It is done. When producing a polymer solid electrolyte, the same electrolyte salt as the above-mentioned organic electrolyte can be dissolved in these ion conductive polymers.

無機固体電解質としては、例えばLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3やLi3.6Ge0.6V0.4O4、Li0.35La0.55TiO3などの結晶質固体電解質、30LiI-41Li2O-29P2O5や40Li2O-35B2O3-25LiNbO3などの酸化物系非晶質固体電解質、45LiI-37Li2S-18P2S5や1Li3PO4-63Li2S-36SiS2などの硫化物系非晶質固体電解質、Li3PO4-xNxなどの非晶質薄膜固体電解質を挙げることができる。 Examples of inorganic solid electrolytes include crystalline solid electrolytes such as Li1.3Al0.3Ti1.7 (PO4) 3, Li3.6Ge0.6V0.4O4, Li0.35La0.55TiO3, 30LiI-41Li2O-29P2O5 and 40Li2O-35B2O3-25LiNbO3 Oxide-based amorphous solid electrolyte such as 45LiI-37Li2S-18P2S5 and sulfide-based amorphous solid electrolyte such as 1Li3PO4-63Li2S-36SiS2, amorphous thin-film solid electrolyte such as Li 3 PO 4-x N x Can be mentioned.

全固体型リチウムイオン二次電池の製法について説明する。   A method for producing an all solid-state lithium ion secondary battery will be described.

まず、例えば、LiMn2O4の粉体に対して、バインダーと分散材を溶媒とともに所定量添
加してスラリーを作製する。スラリーにはさらに焼結助剤として、例えばBやLi、Siの酸化物などを添加しても良い。この後、ドクターブレードやコーターなどによってテープ成形を行い乾燥することで、例えば厚みが50μmのグリーンシートを作製する。
First, for example, a predetermined amount of a binder and a dispersing agent together with a solvent are added to a LiMn 2 O 4 powder to prepare a slurry. For example, B, Li, or Si oxide may be added to the slurry as a sintering aid. Thereafter, a green sheet having a thickness of 50 μm, for example, is produced by tape forming with a doctor blade or a coater and drying.

得られたグリーンシートに、例えばスクリーン印刷により、例えばCuペーストを印刷し、複数条の導体パターンを形成した。これらの導体パターンが形成されたグリーンシートを3層積層し、最後に導体パターンが形成されていないグリーンシートを積層し、加圧して乾燥後、焼成して正極を形成する。   For example, a Cu paste was printed on the obtained green sheet by, for example, screen printing to form a plurality of conductor patterns. Three layers of green sheets on which these conductor patterns are formed are stacked, and finally a green sheet on which no conductor patterns are formed is stacked, pressed and dried, and then fired to form a positive electrode.

この正極の表面に、例えばRFスパッタにてLi3PO4-xNxの300μmの固体電解質を形成する。 A 300 μm solid electrolyte of Li 3 PO 4-x N x is formed on the surface of the positive electrode by, for example, RF sputtering.

負極についても同様に、Li4Ti5O12の粉体に対して、バインダーと分散材を溶媒ととも
に所定量添加してスラリーを作製する。スラリーにはさらに正極材と同様にBやLi、Siの酸化物などの焼結助剤を添加しても良い。この後、ドクターブレードやコーターなどによってテープ成形を行い乾燥することで、例えば厚みが25μmのグリーンシートを作製する。
Similarly, for the negative electrode, a predetermined amount of a binder and a dispersant are added together with a solvent to a Li 4 Ti 5 O 12 powder to prepare a slurry. A sintering aid such as an oxide of B, Li, or Si may be further added to the slurry in the same manner as the positive electrode material. Thereafter, a green sheet having a thickness of, for example, 25 μm is produced by tape forming with a doctor blade, a coater, or the like and drying.

得られたグリーンシートに、例えばスクリーン印刷により、例えばCuペーストを印刷し、複数条の導体パターンを形成する。これらの導体パターンが形成されたグリーンシートを3層積層し、最後に導体パターンが形成されていないグリーンシートを積層し、加圧して乾燥後、焼成して負極を形成する。   For example, a Cu paste is printed on the obtained green sheet, for example, by screen printing to form a plurality of conductor patterns. Three green sheets on which these conductor patterns are formed are laminated, and finally, green sheets on which no conductor pattern is formed are laminated, pressed and dried, and then fired to form a negative electrode.

この負極の表面にも、例えばRFスパッタにてLi3PO4-xNxの300μmの固体電解質を形成する。 A 300 μm solid electrolyte of Li 3 PO 4-x N x is also formed on the surface of the negative electrode by RF sputtering, for example.

そして、正極に形成された固体電解質と、負極に形成された固体電解質とを接触させた状態で加熱し、一体化させ、発電要素を作製する。   Then, the solid electrolyte formed on the positive electrode and the solid electrolyte formed on the negative electrode are heated and brought into contact with each other to produce a power generation element.

この後、例えばステンレスからなる集電体の両面にカーボン等の導電性接着剤を塗布し、これを用いて複数の発電要素を接合し、この後、正極、負極の側面に端面導体用のペーストを印刷し、加熱して、集電体および導体と接続する端面導体を形成し、全固体型リチウムイオン二次電池を作製することができる。   Thereafter, a conductive adhesive such as carbon is applied to both surfaces of a current collector made of, for example, stainless steel, and a plurality of power generation elements are joined using this, and then, a paste for end face conductors on the side surfaces of the positive electrode and the negative electrode Is printed and heated to form an end face conductor connected to the current collector and the conductor, and an all-solid-state lithium ion secondary battery can be manufactured.

導体を柱状導体を介して集電体に接続する場合について説明する。例えば、正極を形成
するためのグリーンシート(電極層の一部となる)にスルーホールを形成し、このスルーホールに導体(柱状導体の一部となる)を印刷して埋め込み、さらにグリーンシートの導体に接続するように導体パターンを形成し、このような導体と導体パターンが形成されたグリーンシートを複数層積層し、積層されたものを焼成することにより、正極を形成することができる。スルーホールに充填された導体同士の接続が困難な場合には、グリーンシートのスルーホールに充填された導体が露出した部分にランド用の導体パターンを印刷し、ランド用の導体パターンが形成されたグリーンシートを積層することにより、スルーホールの導体と導体パターンとを容易に接続することができる。
A case where the conductor is connected to the current collector via the columnar conductor will be described. For example, a through hole is formed in a green sheet for forming a positive electrode (which becomes a part of the electrode layer), and a conductor (which becomes a part of a columnar conductor) is printed and embedded in the through hole. A positive electrode can be formed by forming a conductor pattern so as to be connected to a conductor, laminating a plurality of layers of such a conductor and a green sheet on which the conductor pattern is formed, and firing the laminated layer. When it is difficult to connect the conductors filled in the through hole, the land conductor pattern was printed on the exposed portion of the green sheet through which the conductor filled in the through hole was exposed. By laminating the green sheets, the conductor of the through hole and the conductor pattern can be easily connected.

正極あるいは負極を作製するにはいくつかの方法が可能であり、例えば正極活物質あるいは負極活物質と導電剤と結着剤を含有するスラリーを作製し離型性を有するポリエチレンテレフタレート製フィルム(以下、PETフィルム)上に塗布して乾燥後、剥離して必要に応じて形状加工を施し正極あるいは負極とする方法や、正極活物質あるいは負極活物質と結着剤からなるスラリーを同様にPETフィルム上に塗布して剥離、整形後焼成して正極活物質あるいは負極活物質からなる焼結体を作製し正極あるいは負極とすることもできる。   Several methods are possible for producing a positive electrode or a negative electrode. For example, a film made of polyethylene terephthalate having a releasability by producing a slurry containing a positive electrode active material or a negative electrode active material, a conductive agent and a binder (hereinafter referred to as a film) , PET film), drying, peeling, and applying shape processing as necessary to form a positive electrode or a negative electrode, or a positive electrode active material or a slurry comprising a negative electrode active material and a binder in the same manner. A sintered body made of a positive electrode active material or a negative electrode active material can be produced by applying it on the surface, peeling, shaping and firing, and forming a positive electrode or a negative electrode.

正極と負極を接合し一体化するための固体電解質には高分子固体電解質や無機固体電解質、有機電解液を含んでいるもののゲル化することによって流動性が失われているゲル電解質を利用できる。なお、各種電解質は単独でも積層でも、複合化してでも利用可能である。   As the solid electrolyte for joining and integrating the positive electrode and the negative electrode, a gel electrolyte that contains a polymer solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or an organic electrolyte but loses its fluidity by gelation can be used. Various electrolytes can be used alone, in layers, or in composite form.

このようにして形成された全固体型リチウムイオン二次電池は、収納容器内に収容されて使用される。収納容器は、ラミネート型リチウムイオン電池や従来のコイン電池などで使用されている外装体や集電端子がいずれも適用可能である。例えば、図4に示すように、アルミニウムや亜鉛、鉄、ニッケル、ステンレスなどからなる電子伝導性を有する金属板をプレス成形法などによって加工した蓋材21と、電槽本体22とを絶縁パッキン23を介在させてかしめて封止することにより作製することができる。なお、図4では、導体1a、3aの記載は省略した。さらに、図1では、正極1と、固体電解質2と、負極3とを順次積層して接合し一体化させた発電要素の積層数が3層であるが、積層数について用途によって異なるものであり、特に限定されるものではない。   The all solid-state lithium ion secondary battery formed in this way is used by being accommodated in a storage container. As the storage container, any of an exterior body and a current collecting terminal used in a laminate type lithium ion battery or a conventional coin battery can be applied. For example, as shown in FIG. 4, a lid member 21 obtained by processing a metal plate having electronic conductivity made of aluminum, zinc, iron, nickel, stainless steel, or the like by a press molding method and the battery case body 22 are insulative packing 23. It can be produced by caulking and sealing. In FIG. 4, the conductors 1a and 3a are not shown. Further, in FIG. 1, the number of power generation elements in which the positive electrode 1, the solid electrolyte 2, and the negative electrode 3 are sequentially stacked, joined, and integrated is three, but the number of stacks varies depending on the application. There is no particular limitation.

1・・・正極
1a・・・導体
1b・・・端面導体
2・・・固体電解質
3・・・負極
3a・・・導体
3b・・・端面導体
4・・・集電体
7・・・柱状導体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode 1a ... Conductor 1b ... End surface conductor 2 ... Solid electrolyte 3 ... Negative electrode 3a ... Conductor 3b ... End surface conductor 4 ... Current collector 7 ... Columnar shape conductor

Claims (4)

正極、固体電解質および負極が順次積層された発電要素を、集電体を介して複数個直列に接続してなる全固体型リチウムイオン二次電池において、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極中に、該電極の主面と平行に導体が設けられており、該導体が前記集電体に電気的に接続されていることを特徴とする全固体型リチウムイオン二次電池。   In an all-solid-state lithium ion secondary battery in which a plurality of power generation elements in which a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode are sequentially stacked are connected in series via a current collector, at least one of the positive electrode and the negative electrode An all-solid-state lithium ion secondary battery, wherein a conductor is provided in an electrode in parallel with the main surface of the electrode, and the conductor is electrically connected to the current collector. 前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方の電極が無機酸化物からなるとともに、無機酸化物からなる前記電極中に前記導体が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の全固体型リチウムイオン二次電池。   The all-solid-state type according to claim 1, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is made of an inorganic oxide, and the conductor is provided in the electrode made of an inorganic oxide. Lithium ion secondary battery. 前記導体が導体パターンからなるとともに、前記電極中に、該電極の厚み方向に柱状導体が設けられており、該柱状導体に、前記導体パターンと前記集電体とが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の全固体型リチウムイオン二次電池。   The conductor comprises a conductor pattern, and a columnar conductor is provided in the electrode in the thickness direction of the electrode, and the conductor pattern and the current collector are connected to the columnar conductor. The all-solid-state lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2. 前記導体が導体パターンからなるとともに、前記電極の側面に端面導体が設けられており、該端面導体に、前記導体パターンと前記集電体とが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の全固体型リチウムイオン二次電池。   The conductor comprises a conductor pattern, and an end face conductor is provided on a side surface of the electrode, and the conductor pattern and the current collector are connected to the end face conductor. 2. The all solid state lithium ion secondary battery according to 2.
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