特許 7524874 全固体電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】全固体電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0585 20100101AFI20240723BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALI20240723BHJP

   H01M 50/44 20210101ALI20240723BHJP

   H01M 50/446 20210101ALI20240723BHJP

   H01M 10/0564 20100101ALI20240723BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0585

H01M10/0562

H01M50/44

H01M50/446

H01M10/0564

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021156540

(22)【出願日】2021-09-27

(65)【公開番号】P2023047565

(43)【公開日】2023-04-06

【審査請求日】2023-05-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101203

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100104499

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 達人

(74)【代理人】

【識別番号】100129838

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 典輝

(72)【発明者】

【氏名】後藤 一平

【審査官】梅野 太朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１３９４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２５１９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０９９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４６３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１７３９５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／０５－１０／０５８７；１０／３６－１０／３９

Ｈ０１Ｍ５０／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正極層と、負極層と、前記正極層および前記負極層の間に配置された固体電解質層と、を有する電極構造体を備える全固体電池であって、
前記電極構造体は、前記正極層および前記負極層が対向する対向部を有し、
厚さ方向に沿った平面視において、前記対向部の形状は、長辺および短辺を有する矩形であり、
前記短辺の長さに対する前記長辺の長さの割合が、１．５以上であり、
前記固体電解質層は、不織布と、前記不織布の内部に配置された固体電解質と、を含有し、
前記平面視において、前記対向部における長手方向と、前記不織布における繊維方向とが、平行であり、
前記不織布において、前記繊維方向の引張強度が、前記繊維方向に直交する方向の引張強度より大きい、全固体電池。

【請求項2】

前記不織布における空隙率が、７０％以上９０％以下である、請求項１に記載の全固体電池。

【請求項3】

前記固体電解質が、無機固体電解質である、請求項１または請求項２に記載の全固体電池。

【請求項4】

前記無機固体電解質が、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質および水素化物固体電解質の少なくとも一種である、請求項３に記載の全固体電池。

【請求項5】

前記固体電解質が、２５℃で固体の溶融塩である、請求項１または請求項２に記載の全固体電池。

【請求項6】

前記固体電解質が、柔粘性結晶固体電解質である、請求項１または請求項２に記載の全固体電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、全固体電池に関する。

【背景技術】

【0002】

全固体電池は、正極層および負極層の間に固体電解質層を有する電池であり、可燃性の有機溶媒を含む電解液を有する液系電池に比べて、安全装置の簡素化が図りやすいという利点を有する。特許文献１には、全固体二次電池に用いられる固体電解質シートであって、不織布と、不織布の表面および内部に固体電解質とを含む固体電解質シートが開示されている。

【0003】

特許文献２には、樹脂からなるファイバーを有する不織布を形成する工程を備える、全固体電池用の固体電解質膜の製造方法が開示されている。また、特許文献３には、第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、第１方向と異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、第１構造体と第２構造体との間に配置された分離膜とを有する、電極組立体が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－０３１７８９号公報

【文献】特開２０２０－１８１７５８号公報

【文献】特表２０１３－５３４７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電池性能向上の観点から、サイクル特性が良好な全固体電池が求められている。本開示は上記実情に鑑みてなされたものであり、サイクル特性が良好な全固体電池を提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示においては、正極層と、負極層と、上記正極層および上記負極層の間に配置された固体電解質層と、を有する電極構造体を備える全固体電池であって、上記電極構造体は、上記正極層および上記負極層が対向する対向部を有し、厚さ方向に沿った平面視において、上記対向部の形状は、長辺および短辺を有する矩形であり、上記短辺の長さに対する上記長辺の長さの割合が、１．５以上であり、上記固体電解質層は、不織布と、上記不織布の内部に配置された固体電解質と、を含有し、上記平面視において、上記対向部における長手方向と、上記不織布における繊維方向との角度が、０°以上３０°以下である、全固体電池を提供する。

【0007】

本開示によれば、対向部における長手方向と、不織布における繊維方向との角度が、所定の範囲内にあることから、サイクル特性が良好な全固体電池となる。

【0008】

上記開示においては、上記角度が、０°以上１０°以下であってもよい。

【0009】

上記開示においては、上記不織布における空隙率が、７０％以上９０％以下であってもよい。

【0010】

上記開示では、上記不織布において、上記繊維方向の引張強度が、上記繊維方向に直交する方向の引張強度より大きくてもよい。

【0011】

上記開示においては、上記固体電解質が、無機固体電解質であってもよい。

【0012】

上記開示においては、上記無機固体電解質が、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質および水素化物固体電解質の少なくとも一種であってもよい。

【0013】

上記開示においては、上記固体電解質が、２５℃で固体の溶融塩であってもよい。

【0014】

上記開示においては、上記固体電解質が、柔粘性結晶固体電解質であってもよい。

【発明の効果】

【0015】

本開示における全固体電池は、サイクル特性が良好であるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示における全固体電池を例示する概略断面図である。

【図2】本開示における電極構造体を説明する概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本開示における全固体電池について、図面を用いて詳細に説明する。以下に示す各図は、模式的に示したものであり、部材の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。また、各図において、部材の断面を示すハッチングを適宜省略している。

【0018】

図１は、本開示における全固体電池を例示する概略断面図である。図１に示す全固体電池１００は、正極層１と、負極層２と、正極層１および負極層２の間に配置された固体電解質層３と、正極層１の集電を行う正極集電体４と、負極層２の集電を行う負極集電体５と、を有する電極構造体１０を備える。なお、特に図示しないが、全固体電池１００は、後述する外装体および拘束部材を備えていてもよい。電極構造体１０は、正極層１および負極層２が対向する対向部αを有する。

【0019】

図２は、本開示における全固体電池を例示する概略斜視図である。図２に示す電極構造体１０は、正極層１と、負極層２と、正極層１および負極層２の間に配置された固体電解質層３と、を有している。図２に示す電極構造体１０は、負極層２および固体電解質層３の平面視形状が同一である。さらに、厚さ方向Ｄ_Ｔに沿った平面視において、負極層２および固体電解質層３の外縁は、正極層１の外縁よりも外側に位置している。換言すると、負極層２および固体電解質層３の面積が、正極層１の面積より大きい。そのため、対向部の平面視形状は、正極層１の平面視形状と一致し、長辺および短辺を有する矩形である。

【0020】

また、図２に示すように、本開示においては、対向部の長辺が延びる方向を、対向部の長手方向Ｄ_Ｌと定義し、長手方向Ｄ_Ｌと直交する方向を、対向部の短手方向Ｄ_Ｓと定義する。一方、固体電解質層３は、不織布と、上記不織布の内部に配置された固体電解質と、を含有する。厚さ方向Ｄ_Ｔに沿った平面視において、対向部における長手方向Ｄ_Ｌと、固体電解質層３に含まれる不織布における繊維方向Ｄ_１との角度が、所定の範囲にある。なお、Ｄ_ＬとＤ_１との角度は、鋭角側の角度を意味する。

【0021】

本開示によれば、対向部における長手方向と、不織布における繊維方向との角度が、所定の範囲内にあることから、サイクル特性が良好な全固体電池となる。上述した特許文献１に記載されているように、不織布の内部に固体電解質を含む固体電解質シート（固体電解質層）が知られている。固体電解質層が不織布を含むことで、例えば、絶縁性能を維持したまま、固体電解質層の厚さを薄くできるという利点がある。

【0022】

一方、不織布を構成する複数の繊維が、一方向に沿って延びている場合、その引張強度は、等方的ではなく、異方的である。ここで、複数の繊維が主として延びる方向を繊維方向と定義する。繊維方向は、通常、不織布の製造工程における進行方向（流れ方向）に該当するＭＤ(Machine Direction)方向と一致する。また、一般的に、ＭＤ方向に直交する方向は、ＣＤ(Cross Direction)方向と称される。ＭＤ方向およびＣＤ方向は、不織布を顕微鏡で観察し、その繊維が延びる方向を確認することにより、特定できる。不織布を構成する複数の繊維が、一方向に沿って延びている場合、繊維方向（ＭＤ方向）の引張強度は、通常、繊維方向に直交する方向（ＣＤ方向）の引張強度より大きくなる。

【0023】

不織布において、ＭＤ方向の引張強度と、ＣＤ方向の引張強度とが異なると、充放電に伴う応力が固体電解質層に加わるたびに、固体電解質層の均一性が低下する。その結果、微短絡等の内部短絡が生じやすくなり、サイクル特性が低下する。また、対向部の平面視形状が、長辺および短辺を有する矩形である場合、長辺方向の体積変化（例えば伸びによる体積変化）が生じやすい。これに対して、本開示においては、体積変化が生じやすい長手方向と、引張強度が大きい繊維方向（ＭＤ方向）とが一致するように、固体電解質層を配置する。これにより、引張強度の異方性が緩和される。その結果、固体電解質層の均一性が維持され、サイクル特性が向上する。

【0024】

図２に示すように、対向部における長手方向をＤ_Ｌとする。同様に、固体電解質層３に含まれる不織布における繊維方向をＤ_１とする。Ｄ_ＬとＤ_１との角度は、通常、３０°以下であり、２０°以下であってもよく、１０°以下であってもよい。一方、Ｄ_ＬとＤ_１との角度は、０°であってもよく、０°より大きくてもよい。

【0025】

１．電極構造体
本開示における電極構造体は、正極層と、負極層と、上記正極層および上記負極層の間に配置された固体電解質層と、を有する。また、電極構造体は、正極層および負極層が対向する対向部を有する。厚さ方向に沿った平面視において、対向部の形状は、長辺および短辺を有する矩形である。対向部の平面視形状は、典型的には長方形である。また、短辺の長さに対する長辺の長さの割合は、通常、１．５以上であり、２．０以上であってもよく、２．５以上であってもよい。一方、短辺の長さに対する長辺の長さの割合は、例えば２０以下であり、１５以下であってもよい。

【0026】

（１）固体電解質層
本開示における固体電解質層は、正極層および負極層の間に配置される層である。固体電解質層は、不織布と、上記不織布の内部に配置された固体電解質と、を含有する。

【0027】

（ｉ）不織布
不織布は、通常、複数の繊維を有し、複数の繊維の間に空隙が形成されている。また、複数の繊維は、繊維方向に沿って延びている。複数の繊維は、繊維方向に沿って、直線的に延びていてもよく、蛇行またはジグザグに延びていてもよい。繊維の材料としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂等の樹脂が挙げられる。ポリエステル系樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が挙げられる。ポリアミド系樹脂としては、例えばナイロン、アラミドが挙げられる。また、繊維の材料としてガラスを用いてもよい。すなわち、不織布は、ガラス繊維不織布であってもよい。不織布を構成する繊維の繊維径および繊維長は、特に限定されない。

【0028】

不織布の空隙率は、特に限定されないが、例えば５０％以上であり、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよい。不織布の空隙率が少なすぎると、内部抵抗が増加しやすい。一方、不織布の空隙率は、例えば９５％以下であり、９０％以下であってもよい。不織布の空隙率が多すぎると、支持体として機能しない可能性がある。不織布の空隙率は、例えば、不織布の断面観察により求めることができる。また、空隙の大きさは、特に限定されない。

【0029】

不織布において、繊維方向（ＭＤ方向）の引張強度をＴＳ_１とし、繊維方向に直交する方向（ＣＤ方向）の引張強度をＴＳ_２とする。ＴＳ_１は、ＴＳ_２より大きいことが好ましい。この場合、引張強度の異方性に起因して、サイクル特性が低下しやすい。これに対して、本開示においては、対向部における長手方向と、不織布における繊維方向との角度を、所定の範囲内にすることで、引張強度の異方性が緩和される。ＴＳ_１は、例えば１Ｎ／ｃｍ以上であり、３Ｎ／ｃｍ以上であってもよく、５Ｎ／ｃｍ以上であってもよい。一方、ＴＳ_１は、例えば５０Ｎ／ｃｍ以下である。また、ＴＳ_２は、例えば０．１Ｎ／ｃｍ以上であり、０．５Ｎ／ｃｍ以上であってもよく、１Ｎ／ｃｍ以上であってもよい。一方、ＴＳ_２は、例えば３０Ｎ／ｃｍ以下である。また、ＴＳ_２に対するＴＳ_１の割合（ＴＳ_１／ＴＳ_２）は、例えば、１．１以上であり、１．５以上であってもよく、２．０以上であってもよく、５．０以上であってもよい。一方、ＴＳ_１／ＴＳ_２は、例えば５０以下である。

【0030】

不織布の種類としては、例えば、ケミカルボンド不織布、サーマルボンド不織布、エアレイ不織布、スパンレース不織布、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ不織布、ステッチボンド不織布が挙げられる。また、不織布の厚さは、特に限定されないが、例えば１μｍ以上であり、５μｍ以上であってもよく、１０μｍ以上であってもよい。一方、不織布の厚さは、例えば５０μｍ以下である。

【0031】

（ii）固体電解質
固体電解質層は、不織布の内部に配置された固体電解質を含有する。固体電解質層は、固体電解質を１種のみ含有していてもよく、２種以上含有していてもよい。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、水素化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質、窒化物固体電解質等の無機固体電解質が挙げられる。硫化物固体電解質は、アニオン元素の主成分として、硫黄（Ｓ）を含有することが好ましい。酸化物固体電解質は、アニオン元素の主成分として、酸素（Ｏ）を含有することが好ましい。水素化物固体電解質は、アニオン元素の主成分として、水素（Ｈ）を含有することが好ましい。ハロゲン化物固体電解質は、アニオンの主成分として、ハロゲン（Ｘ）を含有することが好ましい。窒化物固体電解質は、アニオン元素の主成分として、窒素（Ｎ）を含有することが好ましい。

【0032】

硫化物固体電解質は、例えば、Ｌｉ元素、Ａ元素（Ａは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも一種である）、および、Ｓ元素を含有することが好ましい。また、硫化物固体電解質は、Ｏ元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。ハロゲン元素としては、例えば、Ｆ元素、Ｃｌ元素、Ｂｒ元素、Ｉ元素が挙げられる。

【0033】

硫化物固体電解質は、オルト組成のアニオン構造（例えば、ＰＳ_４ ^３－構造、ＳｉＳ_４ ^４－構造、ＧｅＳ_４ ^４－構造、ＡｌＳ_３ ^３－構造またはＢＳ_３ ^３－構造）をアニオン構造の主成分として有することが好ましい。化学安定性の高いからである。オルト組成のアニオン構造の割合は、硫化物固体電解質における全アニオン構造に対して、例えば７０ｍｏｌ％以上であり、９０ｍｏｌ％以上であってもよい。

【0034】

硫化物固体電解質は、非晶質であってもよく、結晶質であってもよい。後者の場合、硫化物固体電解質は、結晶相を有する。結晶相としては、例えば、Thio-LISICON型結晶相、ＬＧＰＳ型結晶相、アルジロダイト型結晶相が挙げられる。

【0035】

硫化物固体電解質の組成は、特に限定されないが、例えば、ｘＬｉ_２Ｓ・（１００－ｘ）Ｐ_２Ｓ_５（７０≦ｘ≦８０）、ｙＬｉＩ・ｚＬｉＢｒ・（１００－ｙ－ｚ）（ｘＬｉ_２Ｓ・（１－ｘ）Ｐ_２Ｓ_５）（０．７≦ｘ≦０．８、０≦ｙ≦３０、０≦ｚ≦３０）が挙げられる。

【0036】

硫化物固体電解質は、一般式（１）：Ｌｉ_４－ｘＧｅ_１－ｘＰ_ｘＳ_４（０＜ｘ＜１）で表される組成を有していてもよい。一般式（１）において、Ｇｅの少なくとも一部は、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＶおよびＮｂの少なくとも一つで置換されていてもよい。一般式（１）において、Ｐの少なくとも一部は、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＶおよびＮｂの少なくとも一つで置換されていてもよい。一般式（１）において、Ｌｉの一部は、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、ＣａおよびＺｎの少なくとも一つで置換されていてもよい。一般式（１）において、Ｓの一部は、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、ＢｒおよびＩの少なくとも一つ）で置換されていてもよい。

【0037】

硫化物固体電解質の他の組成として、例えば、Ｌｉ_{７－ｘ－２ｙ}ＰＳ_{６－ｘ－ｙ}Ｘ_ｙ、Ｌｉ_{８－ｘ－２ｙ}ＳｉＳ_{６－ｘ－ｙ}Ｘ_ｙ、Ｌｉ_{８－ｘ－２ｙ}ＧｅＳ_{６－ｘ－ｙ}Ｘ_ｙが挙げられる。これらの組成において、Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、ＢｒおよびＩの少なくとも一種であり、ｘおよびｙは、０≦ｘ、０≦ｙを満たす。

【0038】

酸化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ元素、Ｙ元素（Ｙは、Ｎｂ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓの少なくとも一種である）、および、Ｏ元素を含有する固体電解質が挙げられる。酸化物固体電解質の具体例としては、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_７－ｘＬａ_３（Ｚｒ_２－ｘＮｂ_ｘ）Ｏ_１２（０≦ｘ≦２）、Ｌｉ_５Ｌａ_３Ｎｂ_２Ｏ_１２等のガーネット型固体電解質；（Ｌｉ，Ｌａ）ＴｉＯ_３、（Ｌｉ，Ｌａ）ＮｂＯ_３、（Ｌｉ，Ｓｒ）（Ｔａ，Ｚｒ）Ｏ_３等のペロブスカイト型固体電解質；Ｌｉ（Ａｌ，Ｔｉ）（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ（Ａｌ，Ｇａ）（ＰＯ_４）_３のナシコン型固体電解質；Ｌｉ_３ＰＯ_４、ＬＩＰＯＮ（Ｌｉ_３ＰＯ_４のＯの一部をＮで置換した化合物）等のＬｉ－Ｐ－Ｏ系固体電解質；Ｌｉ_３ＢＯ_３、Ｌｉ_３ＢＯ_３のＯの一部をＣで置換した化合物等のＬｉ－Ｂ－Ｏ系固体電解質が挙げられる。

【0039】

水素化物固体電解質は、例えば、Ｌｉと、水素を含有する錯アニオンと、を有する。錯アニオンとしては、例えば、（ＢＨ_４）^－、（ＮＨ_２）^－、（ＡｌＨ_４）^－、（ＡｌＨ_６）^３－が挙げられる。ハロゲン化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_{６ ３ｚ}Ｙ_ｚＸ_６（ＸはＣｌおよびＢｒの少なくとも一種であり、ｚは０＜ｚ＜２を満たす）が挙げられる。窒化物固体電解質としては、例えばＬｉ_３Ｎが挙げられる。

【0040】

固体電解質の他の例としては、２５℃で固体の溶融塩が挙げられる。溶融塩は、カチオンおよびアニオンを有する。カチオンとしては、例えば、リチウムイオン等の無機カチオン；アンモニウム系カチオン、ピペリジニウム系カチオン、ピロジジニウム系カチオン、イミダゾリウム系カチオン、ピリジウム系カチオン、脂環式アミン系カチオン、脂肪族アミン系カチオン、脂肪族ホスホニウム系カチオン等の有機カチオンが挙げられる。アニオンとしては、例えば、スルホニルアミド構造を有するアニオンが挙げられる。スルホニルアミド構造を有するアニオンとしては、例えば、ビス（トリフルオロメタンスルフォニル）アミド、ビス（フルオロスルフォニル）アミド、ビス（ペンタフロオロエタンスルフォニル）アミド、（フルオロスルフォニル）（トリフロオロメタンスルフォニル）アミドが挙げられる。溶融塩の融点は、通常、２５℃以上であり、３０℃以上であってもよく、４０℃以上であってもよい。一方、溶融塩の融点は、例えば２００℃以下であり、１５０℃以下であってもよく、１２０℃以下であってもよい。

【0041】

固体電解質の他の例としては、柔粘性結晶固体電解質が挙げられる。柔粘性結晶とは、規則的に整列した三次元結晶格子から構成され、分子種もしくは分子イオンのレベルでは配向的、回転的な無秩序さが存在する物質をいう。柔粘性結晶は、カチオンおよびアニオンを有する。カチオンとしては、例えば、ピロリジニウム、テトラアルキルアンモニウム、テトラアルキルホスホニウムが挙げられる。アニオンとしては、例えば、ヘキサフルオロホスフェイト、テトラフルオロボレート、チオシアネート、ビス（トリフルオロメタンスルフォニル）アミド、ビス（フルオロスルフォニル）アミド、ビス（ペンタフロオロエタンスルフォニル）アミド、（フルオロスルフォニル）（トリフロオロメタンスルフォニル）アミドが挙げられる。

【0042】

固体電解質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。固体電解質の平均粒径（Ｄ_５０）は、特に限定されないが、例えば１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以上であってもよい。一方、固体電解質の平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば５０μｍ以下であり、２０μｍ以下であってもよい。固体電解質の平均粒径（Ｄ_５０）は、不織布の厚さより小さいことが好ましい。平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば、レーザー回折式粒度分布計、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による測定から算出できる。不織布における空隙の合計体積に対する、固体電解質の合計体積の割合は、例えば５０体積％以上であり、７０体積％以上であってもよく、９０体積％以上であってもよい。

【0043】

（iii）固体電解質層
固体電解質層は、バインダーを含有していてもよく、含有していなくてもよい。バインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム、水素化ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、水素化スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム等のゴム系バインダー；ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン－ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等のフッ化物系バインダーが挙げられる。固体電解質層におけるバインダーの割合は、固体電解質１００重量部に対して、例えば、０重量部以上３重量部以下である。

【0044】

固体電解質層の平面視形状は、長辺および短辺を有する矩形であることが好ましい。固体電解質層の平面視形状は、負極層の平面視形状と同一であってもよく、正極層の平面視形状と同一であってもよい。固体電解質層のヤング率は、例えば１ＧＰａ以上である。固体電解質層の厚さは、特に限定されないが、例えば１μｍ以上であり、５μｍ以上であってもよく、１０μｍ以上であってもよい。一方、固体電解質層の厚さは、例えば１５０μｍ以下であり、１００μｍ以下であってもよい。

【0045】

固体電解質層における不織布と、正極層とは、直接接触していてもよい。一方、不織布と、正極層との間には、正極側固体電解質部が配置されていてもよい。正極側固体電解質部が配置されることで、内部抵抗が低減される。正極側固体電解質部は、少なくとも固体電解質を含有し、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質およびバインダーについては、上述した内容と同様である。正極側固体電解質部は、通常、電子伝導性を有しない。

【0046】

固体電解質層における不織布と、負極層とは、直接接触していてもよい。一方、不織布と、負極層との間には、負極側固体電解質部が配置されていてもよい。負極側固体電解質部が配置されることで、内部抵抗が低減される。負極側固体電解質部は、少なくとも固体電解質を含有し、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質およびバインダーについては、上述した内容と同様である。負極側固体電解質部は、通常、電子伝導性を有しない。

【0047】

（２）正極層
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。正極活物質としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＶＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２等の岩塩層状型活物質、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．５Ｍｎ_１．５）Ｏ_４等のスピネル型活物質、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４等のオリビン型活物質が挙げられる。

【0048】

酸化物活物質の表面には、Ｌｉイオン伝導性酸化物を含有する保護層が形成されていてもよい。酸化物活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。Ｌｉイオン伝導性酸化物としては、例えばＬｉＮｂＯ_３が挙げられる。保護層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。また、正極活物質として、例えばＬｉ_２Ｓを用いることもできる。

【0049】

正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均粒径（Ｄ_５０）は、特に限定されないが、例えば１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以上であってもよい。一方、正極活物質の平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば５０μｍ以下であり、２０μｍ以下であってもよい。

【0050】

正極層は、導電材を含有していてもよい。導電材としては、例えば、炭素材料、金属粒子、導電性ポリマーが挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）等の繊維状炭素材料が挙げられる。また、正極層に用いられる固体電解質およびバインダーについては、上記「（１）固体電解質層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。正極層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である。正極層の平面視形状は、長辺および短辺を有する矩形であることが好ましい。

【0051】

（３）負極層
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、リチウム合金等のＬｉ系活物質；グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素系活物質；チタン酸リチウム等の酸化物系活物質；Ｓｉ単体、Ｓｉ合金、酸化ケイ素等のＳｉ系活物質が挙げられる。

【0052】

負極活物質の形状は、例えば、粒子状が挙げられる。負極活物質の平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば１０ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以上であってもよい。一方、負極活物質の平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば５０μｍ以下であり、２０μｍ以下であってもよい。

【0053】

負極層に用いられる導電材、固体電解質およびバインダーについては、上記「（１）固体電解質層」および上記「（２）正極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。負極層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である。負極層の平面視形状は、長辺および短辺を有する矩形であることが好ましい。

【0054】

（４）電極構造体
電極構造体は、正極層、固体電解質層および負極層を有する。ここで、正極層、固体電解質層および負極層のセットを発電単位とした場合、電極構造体は、発電単位を１つのみ有していてもよく、２つ以上有していてもよい。電極構造体が２つ以上の発電単位を有する場合、それらの発電単位は、直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよい。

【0055】

電極構造体は、正極層の集電を行う正極集電体を有していてもよい。正極集電体は、典型的には、正極層を基準として、固体電解質層とは反対側の位置に配置される。正極集電体の材料としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、カーボンが挙げられる。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状が挙げられる。

【0056】

電極構造体は、負極層の集電を行う負極集電体を有していてもよい。負極集電体は、典型的には、負極層を基準として、固体電解質層とは反対側の位置に配置される。負極集電体の材料としては、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル、カーボンが挙げられる。また、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状が挙げられる。

【0057】

２．全固体電池
本開示における全固体電池は、電極構造体を少なくとも収納する外装体を有していてもよい。外装体としては、例えば、ラミネート型外装体、ケース型外装体が挙げられる。

【0058】

全固体電池は、電極構造体に対して、厚さ方向に拘束圧力を付与する拘束部材を備えていてもよい。拘束圧力は、例えば０．１ＭＰａ以上であり、１ＭＰａ以上であってもよく、５ＭＰａ以上であってもよい。一方、拘束圧力は、例えば１００ＭＰａ以下であり、５０ＭＰａ以下であってもよく、２０ＭＰａ以下であってもよい。

【0059】

本開示における全固体電池は、典型的には全固体リチウムイオン二次電池である。全固体電池の用途は、特に限定されないが、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＢＥＶ）、ガソリン自動車、ディーゼル自動車等の車両の電源が挙げられる。特に、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車または電気自動車の駆動用電源に用いられることが好ましい。また、本開示における全固体電池は、車両以外の移動体（例えば、鉄道、船舶、航空機）の電源として用いられてもよく、情報処理装置等の電気製品の電源として用いられてもよい。

【0060】

本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

【実施例】

【0061】

［実施例１］
（正極の作製）
正極活物質として、レーザー回折・散乱法に基づいて測定される平均粒子径（Ｄ_５０）が５μｍであるＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２粉体を使用した。次に、ゾルゲル法を用いて、正極活物質の表面にＬｉＮｂＯ_３を被覆した。また、硫化物固体電解質として、レーザー回折・散乱法に基づいて測定される平均粒子径（Ｄ_５０）が２．５μｍである１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ・７５（０．７５Ｌｉ_２Ｓ・０．２５Ｐ_２Ｓ_５）ガラスセラミックスを使用した。

【0062】

その後、正極活物質および硫化物固体電解質を、重量比率が、正極活物質：硫化物固体電解質＝７５：２５となるように秤量し、それらを混合し、第１混合物を得た。次に、正極活物質１００重量部に対して、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）系バインダーが３重量部、導電材（カーボンナノファイバー、ＣＮＦ）が１０重量部となるように秤量し、それらを第１混合物に添加し、第２混合物を得た。次に、第２混合物に分散媒（酪酸ブチル）を添加し、固形分濃度を６０重量％に調整し、１分間超音波分散処理することで、正極スラリーを得た。

【0063】

得られた正極スラリーを、ブレードコーティングにより、正極集電体（アルミニウム箔、厚さ１５μｍ）上に、目付量１５ｍｇ／ｃｍ^２で均一に塗工し、１００℃で６０分間乾燥した。これにより、正極集電体および正極層を有する正極（正極構造体）を得た。

【0064】

（負極の作製）
負極活物質として、レーザー回折・散乱法に基づいて測定される平均粒子径（Ｄ_５０）が５μｍであるＳｉ粉末を使用した。また、硫化物固体電解質として、レーザー回折・散乱法に基づいて測定される平均粒子径（Ｄ_５０）が２．５μｍである１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ・７５（０．７５Ｌｉ_２Ｓ・０．２５Ｐ_２Ｓ_５）ガラスセラミックスを使用した。

【0065】

その後、負極活物質および硫化物固体電解質を、重量比率が、負極活物質：硫化物固体電解質＝５０：５０となるように秤量し、それらを混合し、第３混合物を得た。次に、負極活物質１００重量部に対して、ＳＢＲ系バインダーが３重量部、導電材（ＣＮＦ）が１０重量部となるように秤量し、それらを第３混合物に添加し、第４混合物を得た。次に、第４混合物に分散媒（酪酸ブチル）を添加し、固形分濃度を４０重量％に調整し、１分間超音波分散処理することで、負極スラリーを得た。

【0066】

得られた負極スラリーを、ブレードコーティングにより、負極集電体（粗化銅箔、厚さ２５μｍ、Ｒ_Ｚ＝５μｍ）上に、目付量３ｍｇ／ｃｍ^２で均一に塗工し、１００℃で６０分間乾燥した。これにより、負極集電体および負極層を有する負極（負極構造体）を得た。

【0067】

（固体電解質層の作製）
硫化物固体電解質として、レーザー回折・散乱法に基づいて測定される平均粒子径（Ｄ_５０）が２．５μｍである１５ＬｉＢｒ・１０ＬｉＩ・７５（０．７５Ｌｉ_２Ｓ・０．２５Ｐ_２Ｓ_５）ガラスセラミックスを使用した。また、バインダーとして、ＳＢＲ系バインダーを使用した。

【0068】

その後、硫化物固体電解質およびバインダーを、重量比率が、硫化物固体電解質：バインダー＝９９：１となるように秤量し、それらを混合し、第５混合物を得た。次に、第５混合物に分散媒（酪酸ブチル）を添加し、固形分濃度を５０重量％に調整し、１分間超音波分散処理することで、固体電解質層用のスラリーを得た。

【0069】

その後、アルミニウム箔上に、ポリエステル製不織布（厚さ１５μｍ、空隙率８０％、ＭＤ方向の引張強度５Ｎ／ｃｍ、ＣＤ方向の引張強度１Ｎ／ｃｍ）を配置した。次に、得られたスラリーを、ブレードコーティングにより、ポリエステル製不織布上に、目付量５．８ｍｇ／ｃｍ^２（不織布を含む厚さ１５μｍ）で均一に塗工し、１００℃で６０分間乾燥した。これにより、アルミニウム箔および固体電解質層を有する転写部材を得た。

【0070】

（全固体電池の作製）
転写部材を、７．５ｃｍ×５．１ｃｍの長方形に切り出した。この際、繊維方向（ＭＤ方向）が長方形の長辺と平行となるように、転写部材を切り出した。また、負極構造体を７．５ｃｍ×５．１ｃｍの長方形に切り出した。また、正極構造体を、７．３ｃｍ×４．９ｃｍの長方形に切り出した。

【0071】

その後、負極構造体における負極層と、転写部材における固体電解質層とを重ね合わせ、１ｔｏｎ／ｃｍ^２のプレス圧でロールプレスした。この際、固体電解質層における繊維方向（ＭＤ方向）がロールプレスの進行方向と平行となるように、ロールプレスを行った。次に、転写部材からアルミニウム箔を剥離した。これにより、負極集電体、負極層および固体電解質層を有する構造体Ｘを得た。次に、構造体Ｘにおける固体電解質層と、正極構造体における正極層とを重ね合わせ、３ｔｏｎ／ｃｍ^２のプレス圧でロールプレスした。この際、固体電解質層における繊維方向（ＭＤ方向）がロールプレスの進行方向と平行となるように、ロールプレスを行った。これにより、負極集電体、負極層、固体電解質層、正極層および正極集電体を有する構造体Ｙを得た。なお、構造体Ｙにおける対向部の面積は３６．０ｃｍ^２である。次に、構造体Ｙを、正極端子および負極端子が予め付設された外装体（アルミニウム製のラミネートフィルム）で密閉することで、全固体電池を得た。

【0072】

［実施例２］
転写部材および負極構造体を、８．６ｃｍ×４．５ｃｍの長方形に切り出し、正極構造体を、８．４ｃｍ×４．３ｃｍの長方形に切り出したこと以外は、実施例１と同様にして全固体電池を得た。

【0073】

［実施例３］
転写部材および負極構造体を、９．７ｃｍ×４．０ｃｍの長方形に切り出し、正極構造体を、９．５ｃｍ×３．８ｃｍの長方形に切り出したこと以外は、実施例１と同様にして全固体電池を得た。

【0074】

［実施例４］
転写部材および負極構造体を、１０．７ｃｍ×３．６ｃｍの長方形に切り出し、正極構造体を、１０．５ｃｍ×３．４ｃｍの長方形に切り出したこと以外は、実施例１と同様にして全固体電池を得た。

【0075】

［実施例５］
転写部材および負極構造体を、１２．２ｃｍ×３．２ｃｍの長方形に切り出し、正極構造体を、１２．０ｃｍ×３．０ｃｍの長方形に切り出したこと以外は、実施例１と同様にして全固体電池を得た。

【0076】

［比較例１］
繊維方向（ＭＤ方向）が長方形の短辺と平行となるように、転写部材を切り出したこと以外は、実施例５と同様にして全固体電池を得た。

【0077】

［比較例２］
転写部材および負極構造体を、６．２ｃｍ×６．２ｃｍの長方形に切り出し、正極構造体を、６．０ｃｍ×６．０ｃｍの正方形に切り出したこと以外は、実施例１と同様にして全固体電池を得た。

【0078】

［評価］
実施例１～５および比較例１、２で作製した全固体電池を用いて、サイクル試験を行った。測定は、以下の手順で行った。まず、全固体電池を、１００ＭＰａの圧力で拘束し、電流レート３６ｍＡで、４.５ＶまでＣＣＣＶ充電した（電流カット値：０．３６ｍＡ）。次に、電流レート３６ｍＡで、３．０ＶまでＣＣＣＶ放電した（電流カット値：０．３６ｍＡ）。この充放電を１００サイクル行い、容量維持率を求めた。その結果を表１に示す。
容量維持率（％）＝１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量×１００

【0079】

【表1】

【0080】

表１に示すように、実施例１～５では、比較例１、２に比べて、容量維持率が大きくなった。その理由は、対向部における長手方向と、不織布における繊維方向との角度を小さくすることで、引張強度の異方性が緩和されたためであると推測される。

【符号の説明】

【0081】

１…正極層
２…負極層
３…固体電解質層
４…正極集電体
５…負極集電体
１０…電極構造体
１００…全固体電池

【図1】

【図2】