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公開番号2025124544
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-26
出願番号2024020680
出願日2024-02-14
発明の名称固体二次電池及びその製造方法
出願人本田技研工業株式会社
代理人個人,個人
主分類H01M 10/0585 20100101AFI20250819BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】内部抵抗の増加や内部短絡が起こりにくく、高い充放電容量を有する固体二次電池を提供すること。
【解決手段】固体二次電池1は、正極活物質層22を有する正極層20と、固体電解質層40と、中間層50と、負極層30とを有し、正極層20、固体電解質層40、中間層50及び負極層30はそれぞれ隣接する層と接合されている電極積層体10を備え、正極層20と固体電解質層40を接合する前の正極活物質層22の複合弾性率が30GPa未満であって、固体電解質層40の複合弾性率が15GPa未満であり、固体電解質層40と中間層50を接合する前の固体電解質層40の複合弾性率が18GPa未満であって、中間層50の複合弾性率が1GPa未満であり、電極積層体10の正極活物質層22、固体電解質層40、中間層50及び負極層30の各層の複合弾性率が、中間層50<負極層30<固体電解質層40<正極活物質層22の関係を満たす。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
正極集電体及び正極活物質層を有する正極層と、前記正極活物質層に対向する負極集電体を有する負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置された固体電解質層と、前記負極層と前記固体電解質層との間に配置された中間層と、を有し、前記正極層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層はそれぞれ隣接する層と接合されている電極積層体を備え、
前記正極層と前記固体電解質層を接合する前の前記正極活物質層の複合弾性率が３０ＧＰａ未満であって、前記固体電解質層の複合弾性率が１５ＧＰａ未満であり、
前記固体電解質層と前記中間層を接合する前の前記固体電解質層の複合弾性率が１８ＧＰａ未満であって、前記中間層の複合弾性率が１ＧＰａ未満であり、
前記電極積層体の前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の各層の複合弾性率が、中間層＜負極層＜固体電解質層＜正極活物質層の関係を満たす、固体二次電池。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記正極層と前記固体電解質層を接合する前の前記正極活物質層の相対密度が７５％未満であって、前記固体電解質層の相対密度が７５％未満であり、
前記固体電解質層と前記中間層を接合する前の前記固体電解質層の相対密度が８５％未満であって、前記中間層の相対密度が４０％未満であり、
前記電極積層体の前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の中で、前記中間層の相対密度が最も小さい、請求項１に記載の固体二次電池。
【請求項３】
前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の各層間の接触界面の展開面積比が、いずれも０．２以上である、請求項１又は２に記載の固体二次電池。
【請求項４】
前記電極積層体の前記中間層の複合弾性率が１ＧＰａ未満である、請求項１又は２に記載の固体二次電池。
【請求項５】
前記電極積層体の前記中間層の相対密度が３０％以上６０％以下の範囲内にある、請求項１又は２に記載の固体二次電池。
【請求項６】
前記電極積層体の前記中間層は、無定形炭素粒子を含む、請求項１又は２に記載の固体二次電池。
【請求項７】
正極集電体及び正極活物質層を有する正極層と、前記正極活物質層に対向する負極集電体を有する負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置された固体電解質層と、前記負極層と前記固体電解質層との間に配置された中間層と、を有し、前記正極層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層はそれぞれ隣接する層と接合されている電極積層体を備え、
前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の各層間の接触界面の展開面積比が、いずれも０．２以上である、固体二次電池。
【請求項８】
前記正極活物質層と前記固体電解質層の接触界面の展開面積比が最も高く、前記固体電解質層と前記中間層の接触界面の展開面積比が次に高く、前記中間層と前記負極層の接触界面の展開面積比が最も低い、請求項７に記載の固体二次電池。
【請求項９】
前記正極活物質層と前記固体電解質層の接触界面の展開面積比は、前記固体電解質層と前記中間層の接触界面の展開面積比に対して１．５倍以上３．０倍以下の範囲内にあり、前記固体電解質層と前記中間層の接触界面の展開面積比は、前記中間層と前記負極層の接触界面の展開面積比に対して２．０倍以上５．０倍以下の範囲内にある、請求項７又は８に記載の固体二次電池。
【請求項１０】
正極集電体及び正極活物質層を有する正極層と、前記正極活物質層に対向する負極集電体を有する負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置された固体電解質層と、前記負極層と前記固体電解質層との間に配置された中間層と、を有し、前記正極層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層はそれぞれ隣接する層と接合されている電極積層体を備える固体二次電池の製造方法であって、
前記正極活物質層と前記固体電解質層とを接合して、正極層－固体電解質層接合体を得る第１接合工程と、
前記正極層－固体電解質層接合体の前記固体電解質層と前記中間層とを接合して正極層－固体電解質層－中間層接合体を得る第２接合工程と、
前記正極層－固体電解質層－中間層接合体の前記中間層と、前記負極層とを接合して前記電極積層体を得る第３接合工程と、を含み、
前記第１接合工程の接合前の前記正極活物質層の複合弾性率が３０ＧＰａ未満であって、接合前の前記固体電解質層の複合弾性率が１０ＧＰａ未満であり、
前記第２接合工程の接合前の前記固体電解質層の複合弾性率が１８ＧＰａ未満であって、接合前の前記中間層の複合弾性率が１ＧＰａ未満である、固体二次電池の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体二次電池及びその製造方法に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池に関する研究開発が行われている。二次電池の中でも正極層と負極層との間に固体電解質層を配置した電極積層体を有する固体二次電池は、固体電解質が不燃性であるために安全性が向上する点や、より高いエネルギー密度を有する点において優れており、特に注目を集めている。固体二次電池の特性を改善するために、固体電解質層と負極層との間に中間層を設けることが検討されている。例えば、中間層として、還元分解について固体電解質よりも安定で、せん断弾性率が２ＧＰａ以上で、固体電解質層のせん断弾性率との差が５０ＧＰａ以下である保護層を配置することが検討されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特願２０２２－０５５３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体二次電池では、充放電容量を増加させることが課題である。充放電容量増加のために、固体二次電池では、負極活物質としてリチウムを用いること、電極積層体の正極層の正極活物質層や固体電解質層を高密度化することが検討されている。しかしながら、正極活物質層や固体電解質層が高密度化されていても、正極層の正極活物質層と固体電解質層の接触界面の密着性が低くなりすぎたり、接合面積が狭くなりすぎたりする場合には、充電時に電荷移動媒体であるリチウムイオンが負極層以外の場所で析出することがある。充電時の電荷移動媒体の析出位置が不適切となると、電極積層体の内部抵抗の増加や電流集中による内部短絡が起こり、充放電容量が低下することがある。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、内部抵抗の増加や内部短絡が起こりにくく、高い充放電容量を有する固体二次電池及びその製造方法を提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、正極層と、負極層と、正極層と負極層との間に配置された固体電解質層と、負極層と固体電解質層との間に配置された中間層と、を有する電極積層体において、隣接する各層を接合する際の各層の複合弾性率を調整することによって、上記の課題を解決することが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
（１）正極集電体及び正極活物質層を有する正極層と、前記正極活物質層に対向する負極集電体を有する負極層と、前記正極層と前記負極層との間に配置された固体電解質層と、前記負極層と前記固体電解質層との間に配置された中間層と、を有し、前記正極層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層はそれぞれ隣接する層と接合されている電極積層体を備え、前記正極層と前記固体電解質層を接合する前の前記正極活物質層の複合弾性率が３０ＧＰａ未満であって、前記固体電解質層の複合弾性率が１５ＧＰａ未満であり、前記固体電解質層と前記中間層を接合する前の前記固体電解質層の複合弾性率が１８ＧＰａ未満であって、前記中間層の複合弾性率が１ＧＰａ未満であり、前記電極積層体の前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の各層の複合弾性率が、中間層＜負極層＜固体電解質層＜正極活物質層の関係を満たす、固体二次電池。
【０００８】
（１）の固体二次電池は、接合前の正極層と固体電解質層の複合弾性率及び接合前の固体電解質層と中間層の複合弾性率が上記の範囲内にあるので、これらを接合して得た電極積層体は各層の接触界面の密着性が高くなる。このため、充電時の電荷移動媒体の析出位置が適切となる。また、電極積層体の各層の複合弾性率が上記の関係を満し、正極活物質層の複合弾性率が最も高く、高密度な層となるので、正極層の電気容量が高くなる。よって、この固体二次電池は、内部抵抗の増加や内部短絡が起こりにくく、高い充放電容量を有する。
【０００９】
（２）前記正極層と前記固体電解質層を接合する前の前記正極活物質層の相対密度が７５％未満であって、前記固体電解質層の相対密度が７５％未満であり、前記固体電解質層と前記中間層を接合する前の前記固体電解質層の相対密度が８５％未満であって、前記中間層の相対密度が４０％未満であり、前記電極積層体の前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記中間層及び前記負極層の中で、前記中間層の相対密度が最も小さい、（１）に記載の固体二次電池。
【００１０】
（２）の固体二次電池は、接合前の正極層と固体電解質層の相対密度及び接合前の固体電解質層と中間層の相対密度が上記の範囲内にあるので、これらを接合して得た電極積層体は、各層の接触界面の密着性がより高くなる。このため、充電時の電荷移動媒体の析出位置がより適切となる。また、電極積層体の各層の相対密度が上記の関係を満たし、正極活物質層の相対密度が高いので、正極層の電気容量がより高くなる。
（【００１１】以降は省略されています）

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