固体电解质层叠体及使用其的全固体电池的制作方法

本公开涉及固体电解质层叠体及使用其的全固体电池。

背景技术：

近年来，将电解液置换为固体电解质的全固体电池正受到关注。与之相伴，正在积极进行与固体电解质层相关的开发。

例如，在专利文献1中公开了具有分隔体(隔板)的锂电池，该分隔体由具有多个贯通孔的电绝缘性片材和填充在这些贯通孔中的固体电解质构成。

另外，也进行大量将作为绝缘体的氧化铝添加至固体电解质层以提高固体电解质层的功能性的努力。例如，在专利文献2中公开了将氧化铝粒子添加至固体电解质层由此能抑制内部短路的技术。另外，专利文献3中公开了将氧化铝与硫化物系锂离子传导性固体电解质混合以提高离子传导性的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-106627号公报

专利文献2：日本特开2017-73201号公报

专利文献3：日本特开2009-64645号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

如上述那样，研究了使固体电解质层叠体含有作为绝缘体的氧化铝。

但是，在固体电解质层叠体含有氧化铝等绝缘体时，有时根据其含量，全固体电池的内部电阻增加从而过电压增加，由此导致全固体电池的放电容量下降。

因此，本公开鉴于上述情况而完成，目的在于提供即使含有氧化铝等绝缘体也能抑制全固体电池的放电容量的下降的固体电解质层叠体。

另外，本公开的目的还在于，提供具有上述那样的固体电解质层叠体的全固体电池。

用于解决课题的手段

本公开的本发明人发现，通过以下手段能解决上述课题。

<方案1>

1.固体电解质层叠体，其为包含固体电解质和绝缘体的固体电解质层叠体，其中，

其为将第1的低绝缘体含有固体电解质层、高绝缘体含有固体电解质层和第2的低绝缘体含有固体电解质层按该顺序层叠的多层结构，

上述第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的上述绝缘体的含有率小于上述高绝缘体含有固体电解质层中的上述绝缘体的含有率。

<方案2>

方案1所述的固体电解质层叠体，其中，上述第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的上述绝缘体的含有率为上述高绝缘体含有固体电解质层中的上述绝缘体的含有率的0.9倍以下。

<方案3>

方案1或2所述的固体电解质层叠体，其中，上述绝缘体包含金属氧化物粒子。

<方案4>

方案3所述的固体电解质层叠体，其中，上述金属氧化物粒子为氧化铝粒子。

<方案5>

方案1或2所述的固体电解质层叠体，其中，上述绝缘体包含粘合剂。

<方案6>

方案1～5的任一项所述的固体电解质层叠体，其中，上述固体电解质包含硫化物固体电解质。

<方案7>

全固体电池，其具有一个以上的将正极集电体层、正极活性物质层、方案1～6的任一项所述的固体电解质层叠体、负极活性物质层和负极集电体层按该顺序层叠而成的单位全固体电池。

<方案8>

方案7所述的全固体电池，其为锂离子二次电池。

发明效果

根据本公开的固体电解质层叠体，尽管含有氧化铝等绝缘体，但仍能抑制全固体电池的放电容量的下降。因此，例如根据本公开的固体电解质层叠体，能抑制全固体电池的放电容量的下降，并享有由固体电解质层叠体含有氧化铝等绝缘体所带来的利益。

附图说明

图1是示出本公开的固体电解质层叠体的一个方式的概略截面图。

图2是示出本公开的固体电解质层叠体的一个方式的概略截面图。

图3是示出实施例1的全固体电池的结构的略图。

附图标记说明

1正极集电体层

2正极活性物质层

4负极活性物质层

5负极集电体层

6单位全固体电池

10、30固体电解质层叠体

100全固体电池

l1第1的低绝缘体含有固体电解质层

l2第2的低绝缘体含有固体电解质层

h1高绝缘体含有固体电解质层

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本公开的实施方式进行详细说明。予以说明，本公开不受以下的实施方式限定，可在本公开的主旨的范围内进行各种变形来实施。另外，在附图的说明中，对相同的要素赋予相同的附图标记，省略重复的说明。最后，以下的图中所示的方式为本公开的例示，不限定本公开。

《固体电解质层叠体》

本公开的固体电解质层叠体为包含固体电解质和绝缘体的固体电解质层叠体，其中，

其为将第1的低绝缘体含有固体电解质层、高绝缘体含有固体电解质层和第2的低绝缘体含有固体电解质层按该顺序层叠的多层结构，

第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的绝缘体的含有率小于高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率。

在本公开的固体电解质层叠体中，所谓第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层、及高绝缘体含有固体电解质层，是指将各自的层中的绝缘体的含有率相比，将含有率相对最高的层称作“高绝缘体含有固体电解质层”，将剩下的含有率相对低的层称作“第1的低绝缘体含有固体电解质层”或“第2的低绝缘体含有固体电解质层”。另外，第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的绝缘体的含有率是指第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中包含的绝缘体的体积相对于第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自的固体成分(即，是指构成第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自的材料中不包括溶剂和空气的部分)的总体积的比例，另外，高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率是指高绝缘体含有固体电解质层中包含的绝缘体的体积相对于高绝缘体含有固体电解质层的固体成分(即，构成高绝缘体含有固体电解质层的材料中不包括溶剂和空气的部分)的总体积的比例。

在本公开的固体电解质层叠体中，第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层以及高绝缘体含有固体电解质层的组成在各自的层内可以均匀，也可以具有倾斜(梯度)地变化。另外，只要第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率各自小于高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率，则第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层以及高绝缘体含有固体电解质层的各自可以具有相同的组成，也可以具有不同的组成。另外，第1的低绝缘体含有固体电解质层中的组成(例如绝缘体的含有率、绝缘体的种类和固体电解质的种类等)、和第2的低绝缘体含有固体电解质层中的组成(例如绝缘体的含有率、绝缘体的种类和固体电解质的种类等)可以相同，也可以不同。

如上所述，根据本公开的固体电解质层叠体，能抑制全固体电池的放电容量的下降，并享有由固体电解质层叠体含有氧化铝等绝缘体所带来的利益。

具体地，在例如绝缘体比固体电解质便宜的情况下，通过固体电解质层叠体含有这样的绝缘体，能降低固体电解质层叠体的原料成本，并维持用于抑制全固体电池的内部短路所需的固体电解质层叠体的厚度。另外，在例如绝缘体为氧化铝粒子的情况下，通过如在专利文献2中那样固体电解质层叠体含有氧化铝粒子，能抑制使用这样的固体电解质层叠体的全固体电池的内部短路。另外，在绝缘体为粘合剂的情况下，通过固体电解质层叠体含有粘合剂，能改良固体电解质层叠体的结构稳定性。

图1是示出本公开的固体电解质层叠体的一个方案的概略截面图。固体电解质层叠体10包含固体电解质和绝缘体。固体电解质层叠体10为将第1的低绝缘体含有固体电解质层l1、高绝缘体含有固体电解质层h1和第2的低绝缘体含有固体电解质层l2按该顺序层叠的多层结构，第1的低绝缘体含有固体电解质层l1和第2的低绝缘体含有固体电解质层l2的各自中的绝缘体的含有率小于高绝缘体含有固体电解质层h1中的绝缘体的含有率。予以说明，第1的低绝缘体含有固体电解质层l1中的绝缘体的含有率和第2的低绝缘体含有固体电解质层l2中的绝缘体的含有率可以相同，也可以不同。

如上所述，在固体电解质层含有绝缘体时，存在全固体电池的过电压增加、由此全固体电池的放电容量会下降这样的问题。

与之相关，认为这样的过电压的增加的原因在于，伴随固体电解质层中的绝缘体的含有率的增加，固体电解质层自身的离子传导率下降。即，认为固体电解质层中含有的绝缘体与其含量的增加相对应地在充放电时阻碍固体电解质层内的锂离子这样的离子的传导，由此增大过电压。

但是，本公开的本发明人发现，固体电解质层含有绝缘体时的过电压的增加主要由固体电解质层和与其邻接的活性物质层之间的界面处的离子传导率的下降、更特别是固体电解质层和正极活性物质层之间的界面处的离子传导率的下降而产生。即，本公开的本发明人发现，该过电压的增加主要由在固体电解质层和与其邻接的活性物质层之间的界面存在的氧化铝等绝缘体而产生。

基于这样的发现而得到的本公开的固体电解质层叠体为将第1的低绝缘体含有固体电解质层、高绝缘体含有固体电解质层和第2的低绝缘体含有固体电解质层按该顺序层叠的多层结构，并且第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的绝缘体的含有率小于高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率。根据这样的本公开的固体电解质层叠体，能改良绝缘体的含有率比较小的低绝缘体含有固体电解质层(即，第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层)和与其邻接的活性物质层之间的界面处的离子传导率，由此降低使用了这样的固体电解质层叠体的全固体电池的过电压。

因此，例如根据本公开的全固体电解质层叠体，与将相同量的绝缘体在固体电解质层叠体中均匀分散地配置的情形相比，能改良绝缘体的含有率比较小的低绝缘体含有固体电解质层和与其邻接的活性物质层之间的界面处的离子传导性，由此降低使用了这样的固体电解质层叠体的全固体电池的过电压。

在本公开中，第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的绝缘体的含有率例如可以为高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率的0.9倍以下、0.8倍以下、0.7倍以下、0.6倍以下、0.5倍以下、0.4倍以下、0.3倍以下、0.2倍以下或0.1倍以下，另外可以为0.001倍以上、0.05倍以上、0.01倍以上或0.1倍以上。

在本公开中，固体电解质层叠体的第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层的各自中的绝缘体的含有率只要小于高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率就没有特别限定，可以为0.1体积％以上、0.5体积％以上、0.9体积％以上、1体积％以上或5体积％以上，另外可以为50体积％以下、40体积％以下、30体积％以下、20体积％以下、15体积％以下或10体积％以下。

另外，在本公开中，固体电解质层叠体的高绝缘体含有固体电解质层中的绝缘体的含有率没有特别限定，可以为0.2体积％以上、0.5体积％以上、0.9体积％以上、1体积％以上、5体积％以上、10体积％以上或20体积％以上，另外可以为50体积％以下、40体积％以下、30体积％以下、20体积％以下、15体积％以下或10体积％以下。

固体电解质层叠体的整体厚度以及构成固体电解质层叠体的第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层、及高绝缘体含有固体电解质层的厚度没有特别限定，可根据所需的全固体电池的用途或使用目的来设定。

以下，对本公开的固体电解质层叠体的构成材料进行详细说明。

<固体电解质>

本公开的固体电解质层叠体包含固体电解质。固体电解质没有特别限定，可使用能作为全固体电池的固体电解质利用的材料。作为固体电解质，可使用硫化物固体电解质或氧化物固体电解质。这些之中，固体电解质优选包含硫化物固体电解质。另外，固体电解质可以为玻璃，也可以为结晶化玻璃(玻璃陶瓷)。

作为硫化物固体电解质的实例，可举出硫化物系非晶质固体电解质、硫化物系结晶质固体电解质或硫银锗矿型固体电解质等，但不限于此。作为具体的硫化物固体电解质的实例，可举出li2s-p2s5系(li7p3s11、li3ps4、li8p2s9等)、li2s-sis2、lii-li2s-sis2、lii-li2s-p2s5、lii-libr-li2s-p2s5、li2s-p2s5-ges2(li13gep3s16、li10gep2s12等)、lii-li2s-p2o5、lii-li3po4-p2s5、li7-xps6-xclx等或者它们的组合，但不限于此。

作为氧化物固体电解质的实例，可举出li7la3zr2o12、li7-xla3zr1-xnbxo12、li7-3xla3zr2alxo12、li3xla2/3-xtio3、li1+xalxti2-x(po4)3、li1+xalxge2-x(po4)3、li3po4或li3+xpo4-xnx(lipon)等，但不限于此。

<绝缘体>

本公开的固体电解质层叠体包含绝缘体。

本公开的固体电解质层叠体中包含的绝缘体没有特别限定，可使用能应用于全固体电池的公知材料。作为绝缘体，可举出对于为了电池反应而需要使在固体电解质中导通的锂离子等锂而言为绝缘性的材料，例如无机材料、有机材料或它们的混合物。

作为无机材料，可举出：无机材料的粒子，特别是氧化铁、二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)、tio2、batio3等金属氧化物粒子；氮化铝、氮化硅等无机氮化物的粒子；氟化钙、氟化钡、硫酸钡等难溶性的离子晶体的粒子；硅、金刚石等共价晶体的粒子；蒙脱石等粘土粒子等。另外，作为无机材料，可举出来自无机粘结剂(例如硅溶胶)的二氧化硅。

作为有机材料，可举出有机粘合剂，特别是聚偏二氟乙烯(pvdf)、羧甲基纤维素(cmc)、丁二烯橡胶(br)或苯乙烯丁二烯橡胶(sbr)等橡胶系粘合剂。

《全固体电池》

本公开可提供具有含有上述的绝缘体的固体电解质层叠体的全固体电池。

本公开的全固体电池具有一个以上的将正极集电体层、正极活性物质层、本公开的固体电解质层叠体、负极活性物质层和负极集电体层按该顺序层叠而成的单位全固体电池。

图2是示出本公开的全固体电池的一个方案的概要截面图。图2中，全固体电池100可具有将正极集电体层1、正极活性物质层2、固体电解质层叠体30的第1的低绝缘体含有固体电解质层l1、固体电解质层叠体30的高绝缘体含有固体电解质层h1和固体电解质层叠体30的第2的低绝缘体含有固体电解质层l2、负极活性物质层4以及负极集电体层5按该顺序层叠而成的单位全固体电池6。予以说明，图2中所示的全固体电池100只具有一个单位全固体电池6，但本公开的全固体电池可根据使用用途或使用目的等具有2个以上的单位全固体电池。

作为本公开的全固体电池的形状，没有特别限定，例如可举出硬币型、层压型(袋型)、圆筒型和矩形等。

在本公开中，作为全固体电池的种类，可举出全固体锂离子电池、全固体钠离子电池、全固体镁离子电池和全固体钙离子电池等，其中优选全固体锂离子电池和全固体钠离子电池，特别优选全固体锂离子电池。另外，全固体电池可以为一次电池，也可以为二次电池，其中优选为二次电池。

即，本公开的全固体电池优选为锂离子二次电池。

以下，以作为本公开的全固体电池的优选方案的锂离子二次电池为例，对正极集电体层、正极活性物质层、负极活性物质层和负极集电体层进行说明。予以说明，关于固体电解质层叠体，为上述那样，因此在此省略说明。

<正极集电体层>

用于正极集电体层的导电性材料没有特别限定，可适当采用能用于全固体电池的公知的导电性材料。例如，用于正极集电体层的导电性材料可以为sus、铝、铜、镍、铁、钛或碳等，但不限于此。

作为正极集电体层的形状，没有特别限定，例如可举出箔状、板状、网状等。其中优选箔状。

<正极活性物质层>

正极活性物质层包含正极活性物质。另外，正极活性物质层还可进一步包含上述的固体电解质。另外，可根据使用用途或使用目的等包含例如导电助剂或粘合剂等用于全固体电池的正极活性物质层的添加剂。

(正极活性物质)

在本公开中，作为使用的正极活性物质的材料，没有特别限定，可使用公知的材料。例如，正极活性物质可以为钴酸锂(licoo2)、镍酸锂(linio2)、锰酸锂(limn2o4)、lini1/3co1/3mn1/3o2、由li1+xmn2-x-ymyo4(m为选自al、mg、co、fe、ni和zn中的一种以上的金属元素)表示的组成的异种元素置换li-mn尖晶石等，但不限于此。

(导电助剂)

作为导电助剂，没有特别限定，可使用公知的导电助剂。例如，导电助剂可以为乙炔黑、科琴黑、石墨、碳纤维(例如气相生长法碳纤维(vgcf：vaporgrowncarbonfiber))和金属材料等，但不限于此。

(粘合剂)

作为粘合剂，没有特别限定，可使用公知的粘合剂。例如，粘合剂可以为聚偏二氟乙烯(pvdf)、羧甲基纤维素(cmc)、丁二烯橡胶(br)或苯乙烯丁二烯橡胶(sbr)等橡胶系粘合剂材料或它们的组合，但不限于此。

<负极活性物质层>

负极活性物质层包含负极活性物质。另外，负极活性物质层还可进一步包含上述的固体电解质。另外，可根据使用用途或使用目的等包含例如导电助剂或粘合剂等用于全固体电池的负极活性物质层的添加剂。

(负极活性物质)

在本公开中，作为使用的负极活性物质的材料，没有特别限定，优选能吸留和放出锂离子等金属离子。例如，负极活性物质可以为li、sn、si或in等金属，li4ti5o12等氧化物，或者硬碳、软碳或石墨等碳材料等，但不限于此。

关于用于负极活性物质层的固体电解质、导电助剂、粘合剂等其它添加剂，可适当采用上述“正极活性物质层”和“固体电解质层叠体”的项目中说明的那些。

<负极集电体层>

用于负极集电体层的导电性材料没有特别限定，可适当采用能用于全固体电池的公知的导电性材料。例如，用于负极集电体层的导电性材料可以为sus、铝、铜、镍、铁、钛或碳等，但不限于此。

实施例

以下，示出本公开的实施例。予以说明，以下的实施例只用于说明，不限定本公开。

<实施例1>

在实施例1中，制作了具有图3所示的层叠构成的全固体电池。即，在实施例1中，制作了按正极集电体层、正极活性物质层、第1的低绝缘体含有固体电解质层、高绝缘体含有固体电解质层、第2的低绝缘体含有固体电解质层、负极活性物质层和负极集电体层的顺序层叠的全固体电池。该层叠构成示于下述的表1中。关于该全固体电池的各层的详细内容，如以下那样。

作为正极集电体层1，使用了铝箔。

正极活性物质层2含有正极活性物质(lini1/3co1/3mn1/3o2)、硫化物固体电解质(以li7p3s11为主成分的固体电解质)、粘合剂(pvdf)和导电助剂(vgcf)。

以将第1的低绝缘体含有固体电解质层、高绝缘体含有固体电解质层和第2的低绝缘体含有固体电解质层按该顺序层叠的多层结构的形式制作了固体电解质层叠体60。

第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层各自含有硫化物固体电解质(以li7p3s11为主成分的固体电解质)和作为绝缘体的粘合剂(pvdf)。在此，第1和第2的低绝缘体含有固体电解质层各自中的粘合剂的含有率为1体积％，且硫化物固体电解质的含有率为99.0体积％。

高绝缘体含有固体电解质层除了含有作为绝缘体的氧化铝(α-al2o3)以及粘合剂的含有率为1体积％、氧化铝的含有率为49.5体积％且硫化物固体电解质的含有率为49.5体积％以外，与低绝缘体含有固体电解质层同样。

负极活性物质层4含有负极活性物质(si)、硫化物固体电解质(以li7p3s11为主成分的固体电解质)、粘合剂(pvdf)和导电助剂(vgcf)。

作为负极集电体层5，使用了铜箔。

<比较例1>

在比较例1中，除了改变固体电解质层叠体的层叠构成以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。具体地，在比较例1中，除了使固体电解质层叠体依次具有第1的低绝缘体含有固体电解质层、第2的低绝缘体含有固体电解质层和高绝缘体含有固体电解质层以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。该层叠构成示于下述的表1中。

<比较例2>

在比较例2中，除了改变固体电解质层叠体的层叠构成以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。具体地，在比较例2中，除了使固体电解质层叠体依次具有高绝缘体含有固体电解质层、第1的低绝缘体含有固体电解质层和第2的低绝缘体含有固体电解质层以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。该层叠构成示于下述的表1中。

<比较例3>

在比较例3中，除了改变固体电解质层叠体的层叠构成以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。具体地，在比较例3中，除了使固体电解质层叠体具有3层的第1的低绝缘体含有固体电解质层以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。该层叠构成示于下述的表1中。

<比较例4>

在比较例4中，除了改变固体电解质层叠体的层叠构成以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。具体地，在比较例4中，除了使固体电解质层叠体具有3层的高绝缘体含有固体电解质层以外，与实施例1同样地操作，制作了全固体电池。该层叠构成示于下述的表1中。

<评价>

对实施例和比较例的各全固体电池，以0.1c进行恒电流充电至电压达到4.55v，其后以恒电压进行充电至电流成为0.01c。然后，以1c进行恒电流放电至电压成为3.0v。测定了各全固体电池的1c恒电流放电时的放电容量。将其结果示于表1。另外，关于实施例和比较例的各全固体电池的固体电解质层叠体中的固体电解质的量的比，也汇总在表1中。

表1

第1的低绝缘体含有固体电解质层^＊1：氧化铝含有率0体积％

高绝缘体含有固体电解质层^＊2：氧化铝含有率49.5体积％

第2的低绝缘体含有固体电解质层^＊3：氧化铝含有率0体积％

放电容量^＊4：将比较例3设为“100％”时的比。

固体电解质层叠体中的固体电解质的量^＊5：将比较例3设为“100％”时的比。

如从表1可知的那样，实施例1的全固体电池中，固体电解质层叠体含有作为绝缘体的氧化铝和粘合剂，由此尽管固体电解质层叠体中的固体电解质的量少于比较例3的全固体电池，但具有与比较例3的全固体电池同样或相近的放电容量。

予以说明，在上述的实施例1和比较例中，对绝缘体主要为氧化铝的情形进行了讨论，但认为在绝缘体主要为粘合剂的情况下也可得到同样的效果。