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公開番号2025098975
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-02
出願番号2024220944
出願日2024-12-17
発明の名称全固体二次電池
出願人三星エスディアイ株式会社,SAMSUNG SDI Co., LTD.
代理人弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ
主分類H01M 10/052 20100101AFI20250625BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】全固体二次電池を提供する。
【解決手段】正極層、負極層、及び正極層と負極層との間の固体電解質層を含み、正極層が正極集電体及び正極集電体の一面上の正極活物質層を含み、負極層が負極集電体及び負極集電体の一面上の第1負極活物質層を含み、第1負極活物質層がリチウムと合金または化合物を形成することができる第1負極活物質、第2負極活物質及び繊維状炭素系材料を含み、第1負極活物質層の初期充電容量(B)と正極活物質層の初期充電容量(A)の比率(B/A)が0.01～0.75である、全固体二次電池が提示される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
正極層、負極層、及び前記正極層と前記負極層との間の固体電解質層を含み、
前記正極層が正極集電体及び前記正極集電体の一面上の正極活物質層を含み、
前記負極層が負極集電体及び前記負極集電体の一面上の第１負極活物質層を含み、
前記第１負極活物質層がリチウムと合金または化合物を形成することができる第１負極活物質、第２負極活物質及び繊維状炭素系材料を含み、
前記第１負極活物質層の初期充電容量（Ｂ）と前記正極活物質層の初期充電容量（Ａ）との比率（Ｂ／Ａ）が０．０１～０．７５であり、
前記正極活物質層の初期充電容量は、第１開放回路電圧(1
st
open circuit voltage)から、Ｌｉ／Ｌｉ＋を基準として最大充電電圧(maximum charging voltage)までの充電によって決定され、
前記第１負極活物質層の初期充電容量は、第２開放回路電圧(2
nd
open circuit voltage)から、Ｌｉ／Ｌｉ＋を基準として０．０１Ｖまでの充電によって決定される、全固体二次電池。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記第１負極活物質が粒子状であり、前記第１負極活物質の大きさが２μｍ以下であり、前記第１負極活物質の縦横比が５以下である、請求項１に記載の全固体二次電池。
【請求項３】
前記第１負極活物質が第１金属系負極活物質を含み、
前記第１金属系負極活物質がシリコン（Ｓｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ビスマス（Ｂｉ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはこれらの組合わせを含む、請求項２に記載の全固体二次電池。
【請求項４】
前記第１負極活物質の大きさが前記繊維状炭素系材料の長さに比べてさらに小さく、
前記第１負極活物質の大きさまたは第２負極活物質の大きさと前記繊維状炭素系材料の長さの比が１：１０から１：２０００である、請求項１に記載の全固体二次電池。
【請求項５】
前記繊維状炭素系材料が導電性炭素系材料であり、
前記繊維状炭素系材料の縦横比が１０以上であり、
前記繊維状炭素系材料が非晶質(amorphous)繊維状炭素系材料、結晶質(crystalline)繊維状炭素系材料、またはこれらの組合わせを含む、請求項１に記載の全固体二次電池。
【請求項６】
前記繊維状炭素系材料が繊維状炭素ナノ構造体(fibrous carbon nanostructure)を含み、
前記繊維状炭素ナノ構造体が炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノベルト、またはこれらの組合わせを含む、請求項１に記載の全固体二次電池。
【請求項７】
前記炭素ナノチューブが炭素ナノチューブ１次構造体、複数の炭素ナノチューブ１次粒子を含む炭素ナノチューブ２次構造体、またはこれらの組合わせを含み、
前記炭素ナノチューブ１次構造体が一つの炭素ナノチューブ単位体である、請求項６に記載の全固体二次電池。
【請求項８】
前記炭素ナノチューブ１次構造体が単一壁炭素ナノチューブ(SWCNT、single-walled carbon nanotube)、二重壁炭素ナノチューブ(DWCNT、double-walled carbon nanotube)、多重壁炭素ナノチューブ(MWCNT、multi-walled carbon nanotube)、またはこれらの組合わせを含み、
前記炭素ナノチューブ１次構造体の直径が１ｎｍ～２０ｎｍであり、前記炭素ナノチューブ１次構造体の長さが１００ｎｍ～２μｍであり、
前記炭素ナノチューブ２次構造体がバンドル型炭素ナノチューブ(bundle-type carbon nanotube)、ロープ型炭素ナノチューブ(rope-type carbon nanotube)、またはこれらの組合わせを含み、
前記炭素ナノチューブ２次構造体の直径が２ｎｍ～５０ｎｍであり、前記炭素ナノチューブ２次構造体の長さが５００ｎｍ～１０００μｍである、請求項７に記載の全固体二次電池。
【請求項９】
前記第２負極活物質が粒子状であり、前記第２負極活物質の大きさが１μｍ未満であり、前記第２負極活物質の縦横比が５以下であり、
前記第２負極活物質が炭素系負極活物質、前記第１負極活物質と区別される第２金属系負極活物質、またはこれらの組合わせを含み、
前記炭素系負極活物質は、非晶質炭素(amorphous carbon)、結晶性炭素(crystalline carbon)、多孔性炭素、またはこれらの組合わせを含み、
前記第２金属系負極活物質が金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ビスマス（Ｂｉ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはこれらの組合わせを含む、請求項１に記載の全固体二次電池。
【請求項１０】
前記第２負極活物質が非晶質炭素からなる第１粒子及び第２金属系負極活物質からなる第２粒子の混合物を含み、
前記第２粒子の含量は、前記混合物の全重量を基準に１～６０ｗｔ％である、請求項１に記載の全固体二次電池。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、全固体二次電池に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノート型パソコン、電気自動車など電池を使用する電子器具の急速な普及に伴い、エネルギー密度が高く、高容量である二次電池の需要が急増している。このため、リチウム二次電池の性能向上のための研究開発が活発に進められている。リチウム二次電池は、リチウムイオンの吸蔵(intercalation)及び放出(deintercalation)が可能な活物質を含む正極及び負極と電解液を含む電池である。リチウム二次電池は、リチウムイオンが正極及び負極に／から吸蔵／放出される際の酸化及び還元反応によって電気エネルギーを生産する。
【０００３】
最近、産業上の要求によってエネルギー密度と安全性の高い電池の開発が活発になされている。例えば、リチウム電池は、情報機器、通信機器、自動車など多様な用途に使用される。自動車は、生命に関わるものであって、安全性も重要である。
【０００４】
液体電解質を採用したリチウム電池は、短絡時に火災及び／または爆発する可能性が増大しうる。液体電解質の代わりに、固体電解質を採用した全固体二次電池が提案されている。固体電解質は、液体電解質に比べて発火の可能性が低い。
【０００５】
全固体二次電池は、液体電解質の代わりに、固体電解質を採用することにより、火災や爆発の可能性を低減することができる。全固体電池は、向上した安全性を提供することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、正極活物質層の初期充電容量に比べて小さい初期充電容量を有する負極活物質層が繊維状炭素系材料及びバインダを含むことにより、充放電時における体積変化が抑制され、向上したサイクル特性を有する全固体二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態によって、
正極層、負極層、及び正極層と負極層との間の固体電解質層を含み、
正極層が正極集電体及び正極集電体の一面上の正極活物質層を含み、
負極層が負極集電体及び負極集電体の一面上の第１負極活物質層を含み、
第１負極活物質層がリチウムと合金または化合物を形成することができる第１負極活物質、第２負極活物質、及び繊維状炭素系材料を含み、
第１負極活物質層の初期充電容量（Ｂ）と正極活物質層の初期充電容量（Ａ）との比率（Ｂ／Ａ）が０．０１～０．７５であり、
正極活物質層の初期充電容量は、第１開放回路電圧(1
st
open circuit voltage)から、Ｌｉ／Ｌｉ
＋
を基準として最大充電電圧(maximum charging voltage)までの充電によって決定され、
第１負極活物質層の初期充電容量は、第２開放回路電圧(2
nd
open circuit voltage)から、Ｌｉ／Ｌｉ
＋
を基準として、０．０１Vまでの充電によって決定される、全固体二次電池が提供される。
【０００８】
一実施形態によって、
正極層、負極層、及び正極層と負極層との間の固体電解質層を含み、
正極層が正極集電体及び正極集電体の一面上の正極活物質層を含み、
負極層が負極集電体及び負極集電体の一面上の第１負極活物質層を含み、
第１負極活物質層がリチウムと合金または化合物を形成することができる第１負極活物質、第２負極活物質、及び繊維状炭素系材料を含む、全固体二次電池が提供される。
【０００９】
他の一実施形態によって、
正極層、負極層、及び正極層と負極層との間に配置された固体電解質層を含み、
正極層が正極集電体及び正極集電体の一面または両面上に配置された正極活物質層を含み、
正極活物質層がリチウム含有硫化物系正極活物質を含み、リチウム含有硫化物系正極活物質がＬｉ
２
Ｓ含有複合体を含み、
負極層が負極集電体及び負極集電体の一面上に配置された第１負極活物質層を含む、全固体二次電池が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明の実施形態によると、正極活物質層の初期充電容量に比べて小さい初期充電容量を有する負極活物質層において、繊維状炭素系材料とバインダを含むことにより、減少した充放電時の体積変化及び向上したサイクル特性を有する全固体二次電池を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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