全固体電池
【課題】高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能な全固体電池を提供する。
【解決手段】正極活物質を含有する正極１、負極活物質を含有する負極２、及び固体電解質を含有する固体電解質層３を備えた全固体電池である。正極活物質、負極活物質、及び固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンである。また、Ｎ１及びＮ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【解決手段】正極活物質を含有する正極１、負極活物質を含有する負極２、及び固体電解質を含有する固体電解質層３を備えた全固体電池である。正極活物質、負極活物質、及び固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンである。また、Ｎ１及びＮ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能な全固体電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等のポータブル機器の開発に伴い、その電源としての電池の需要が大幅に拡大している。このような用途に用いられる電池においては、イオンを移動させる媒体として、有機溶媒等の液体の電解質（電解液）が従来使用されている。このような電解液を用いた電池においては、電解液の漏液等の問題を生ずる可能性がある。
【０００３】
このような問題を解消すべく、液体の電解質に代えて固体電解質を使用するとともに、その他の要素の全てを固体で構成した全固体電池の開発が進められている。かかる全固体電池は、電解質が固体であるために、発火等を誘引する漏液の心配がなく、また、腐食による電池性能の劣化等の問題も生じ難いものである。なかでも、全固体リチウム二次電池は、容易に高エネルギー密度とすることが可能な二次電池として各方面で盛んに研究が行われている。
【０００４】
関連する従来技術として、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４等のリチウムイオン伝導性電解質を固体電解質として用いたリチウム二次電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、固体電解質を電解質として用いた全固体電池は、液状の電解質を用いた電池に比して一般に出力が低く、大電流を取り出すことが困難であった。また、全固体電池は、充放電におけるレート特性やサイクル特性が低く、液状の電解質を用いた電池に比して電池寿命が短いという問題があった。
【０００６】
このような問題を解消し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性の向上を図った、固体電解質と同じ材料からなる無機酸化物を電極活物質の粒子間に介在させた固体電解質電池が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、特許文献２において開示された固体電解質電池であっても、出力特性や充放電サイクル特性に関しては未だ改善の余地がある。従って、更に高出力であるとともに長寿命な全固体電池を開発することが、産業界から要請されている。
【特許文献１】特開平５−２０５７４１号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能な全固体電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、固体電解質のイオン伝導性が低いことに起因して、大電流の取り出しや充放電サイクル特性の向上が困難となることを見出した。そこで本発明者らは、それぞれ所定の一般式（１）〜（３）で表される正極活物質、負極活物質、及び固体電解質を用いることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明によれば、以下に示す全固体電池が提供される。
【００１１】
［１］正極活物質を含有する正極、負極活物質を含有する負極、及び固体電解質を含有する固体電解質層を備えた全固体電池であって、前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である全固体電池。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンであり、ａ、ｄ、及びｇは０〜５の数であり、ｂ、ｅ、及びｈは１〜２の数であり、ｃ、ｆ、及びｉは１〜３の数である。前記一般式（１）中、Ｎ１は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（２）中、Ｎ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（３）中、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【００１２】
［２］前記ポリアニオンが、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種である前記［１］に記載の全固体電池。
【００１３】
［３］前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含み、前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含む前記［１］又は［２］に記載の全固体電池。
【００１４】
［４］前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、前記物質相互に同一である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１５】
［５］前記一般式（１）〜（３）中のＭが、前記物質相互に同一である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１６】
［６］前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質の骨格構造が、それぞれ、前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１７】
［７］前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン導電体である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１８】
［８］前記固体電解質が、前記正極及び／又は前記負極に含有されている前記［１］〜［７］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１９】
［９］前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、前記物質相互に同一である前記［１］〜［８］のいずれかに記載の全固体電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の全固体電池は、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能であるといった効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００２２】
図１は、本発明の全固体電池の一実施形態の構成を説明する部分模式図である。図１に示すように、本実施形態の全固体電池は、正極１、負極２、及びこれらの間に配置される固体電解質層３を備えたものである。なお、正極１には、正極集電体４が電気的に接続されている。また、負極２には、負極集電体５が電気的に接続されている。
【００２３】
正極１は、正極活物質を含有する部分であり、その形状は、好ましくは厚み５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍの薄膜状である。この正極１に含まれる正極活物質は、下記一般式（１）で表される物質である。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
【００２４】
なお、前記一般式（１）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（１）中、Ｘ１はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ１はＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。更に、前記一般式（１）中、ａ＝０〜５、ｂ＝１〜２、及びｃ＝１〜３である。
【００２５】
また、前記一般式（１）中、Ｎ１は、遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ１はＦｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｕであることが好ましい。
【００２６】
正極活物質のより好適な具体例としては、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＣｕＰＯ４等を挙げることができる。
【００２７】
負極２は、負極活物質を含有する部分であり、その形状は、好ましくは厚み５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍの薄膜状である。この負極２に含まれる負極活物質は、下記一般式（２）で表される物質である。
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
【００２８】
なお、前記一般式（２）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（２）中、Ｘ２はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ２は、ＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。更に、前記一般式（２）中、ｄ＝０〜５、ｅ＝１〜２、及びｆ＝１〜３である。
【００２９】
また、前記一般式（２）中、Ｎ２は、遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ２は、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｖであることが好ましい。
【００３０】
負極活物質のより好適な具体例としては、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＣｕＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３等を挙げることができる。
【００３１】
固体電解質層３は、固体電解質を含有する部分である。この固体電解質層３は層状（薄膜状）に形成されており、通常、正極１と負極２を隔てるように配置されている。固体電解質層３の厚みは、好ましくは５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍである。
【００３２】
本実施形態の全固体電池の固体電解質層３に含まれる固体電解質は、下記一般式（３）で表される物質である。
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
【００３３】
なお、前記一般式（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（３）中、Ｘ３はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ３は、ＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。
【００３４】
また、前記一般式（３）中、Ｎ３は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ３は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌであることが好ましい。
【００３５】
固体電解質のより好適な具体例としては、ＬｉＴｉ（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３等のＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ Ｓｕｐｅｒ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有するカチオン伝導体を挙げることができる。
【００３６】
本実施形態の全固体電池においては、前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一のポリアニオンを少なくとも一種含み、前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一のポリアニオンを少なくとも一種含むことが好ましい。これにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。
【００３７】
また、本実施形態の全固体電池においては、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを表す、前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、物質相互に同一であることが好ましい。このように、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを構成するポリアニオンとなる元素群（Ｘ）を共通化することにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３を、物質相互で同一とすることにより、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。なお、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質の骨格構造が、それぞれ、前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造であることが、更に高出力であるとともに、充放電サイクル特性に優れ、より長寿命な電池とすることができるために好ましい。
【００３８】
本実施形態の全固体電池においては、前記一般式（１）〜（３）中のＭは、それぞれの物質で、相互に同一の元素であっても、異なる元素であってもよい。但し、前記一般式（１）〜（３）中のＭが、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質相互に同一であることが好ましい。このように、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを構成する特定の元素（Ｍ）を共通化することにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、前記一般式（１）〜（３）中のＭを、物質相互で同一とすることにより、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。更に、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン伝導体で統一されていることが好ましい。
【００３９】
本実施形態の全固体電池においては、正極活物質及び負極活物質のそれぞれを表す前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、物質相互に同一であることが、より長期間の保存が可能となるために好ましく、更には、正極活物質と負極活物質が、同一の組成式で表される物質であることが好ましい。市販されている液系の二次電池には、安全性を確保すべく、所定の電圧枠を外れる電位となった場合に以後の充放電を強制的に禁止するプログラムが保護回路に組まれているのが一般的である。このような状況下、二次電池を満充電の状態で出荷及び保存すると、電解液の劣化が早く進行し易くなるとともに、自己放電もし易くなるという不都合があった。一方、二次電池を放電状態で出荷及び保存すると、自己放電によって電圧が低下し、前述の保護回路が作動してしまうという不都合があった。このため、上記の不都合を解消すべく、所定の電圧枠内の中間電位近傍となるよう、二次電池を半充電した状態で出荷及び保存するのが一般的である。
【００４０】
そこで、前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２を、正極活物質と負極活物質で同一とすると、放電状態（電圧＝０Ｖ）で出荷及び保存することができる。このため、保存時に電解液が極めて劣化し難く、自己放電が抑制され、より長期間の保存が可能となる。更に、前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２を、正極活物質と負極活物質で同一とすると、放電時と充電時における両電極の体積変化率が同調することになる。従って、電池全体でみると体積変化がほとんどないために、電極や固体電解質にクラックが発生する等の不具合が生じ難く、電池の劣化が起こり難いといった利点がある。
【００４１】
また、本実施形態の全固体電池は、その全ての構成要素がセラミックス材料、即ち固体であるために、漏液や腐食による電池性能の劣化等の問題も生じ難く、安全性の高い電池である。更に、全ての構成要素をセラミックス材料としたために、簡易なプロセスによって作製可能であり、低コストで製造することができる。
【００４２】
図２は、本発明の全固体電池の他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。図２において、正極１１は、多数の粒子状の正極活物質３１が凝集することによって構成されており、正極集電体１４が電気的に接続されている。また、負極１２は、多数の粒子状の負極活物質３２が凝集することによって構成されており、負極集電体１５が電気的に接続されている。更に、固体電解質層１３は、多数の粒子状の固体電解質３３が凝集することによって構成されている。
【００４３】
本実施形態の全固体電池においては、正極１１及び負極１２に固体電解質３３が含有されている。このように、正極１１及び負極１２に固体電解質３３が含有されていると、更に高出力であるとともに長寿命化することができるために好ましい。これは、正極１１、負極１２、及び固体電解質層１３の相互のイオン伝導性が、更に向上するためであると推察される。より具体的には、粒子状の多数の固体電解質３３が、それぞれの電極を構成する粒子状の活物質（正極活物質３１、負極活物質３２）の粒界において三次元的に接続した状態でそれぞれの電極に含有されていることが好ましい。
【００４４】
なお、固体電解質３３は、正極１１と負極１２のいずれか一方にのみ含有されていてもよいが、正極１１と負極１２の両方に含有されていると、より高出力であるとともに長寿命化することが可能となるために好ましい。
【００４５】
図３は、本発明の全固体電池の更に他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。図３に示す実施形態の全固体電池１０は、複数の正極２１ａ，２１ｂ、及び複数の負極２２ａ，２２ｂを備えるとともに、これらが固体電解質層２３を介在させた状態で積層された積層構造を有するものである。ここで、正極２１ａ，２１ｂには、それぞれ正極集電体２４が電気的に接続されている。また、負極２２ａ，２２ｂには、それぞれ負極集電体２５が電気的に接続されている。このように、複数の正極２１ａ，２１ｂ、及び複数の負極２２ａ，２２ｂを備えた積層構造とすることも可能である。なお、図３における符号２０は、正極２１ａ，２１ｂ、負極２２ａ，２２ｂ、及び固体電解質層２３を少なくとも収納可能なケースを示す。
【００４６】
次に、本発明の全固体電池を製造する方法について、一例を挙げつつ説明する。正極１（図１参照）を作製するには、プレス法、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法を用いることができる。プレス法では、正極活物質粉末を金型等に充填し、加圧することで成形体を得る。一方、ドクターブレード法、ロールコーター法では、先ず、正極活物質とポリビニルアルコール等のバインダーを混合して混合物を得る。なお、混合物には、必要に応じて固体電解質を適当量添加してもよい。次に、得られた混合物にトルエン等の有機溶剤を添加して正極スラリーを調製する。調製した正極スラリーを、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法によって所定厚みの薄膜状又はシート状に成形する。乾燥後、必要に応じて切断等の加工を施し、焼成することにより、正極１を作製することができる。なお、負極２、及び固体電解質層３についても、上述の正極１と同様の操作によって作製することができる。
【００４７】
作製した正極１、負極２、及び固体電解質層３を積層するとともに、正極集電体４、及び負極集電体５を配設する。正極集電体４及び負極集電体５を構成する材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、白金（Ｐｔ）／パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ＩＴＯ（インジウム−錫酸化膜）等を挙げることができる。
【００４８】
正極集電体４、及び負極集電体５は、例えば、スパッタリング法、抵抗により蒸着源を加熱して蒸着させる抵抗加熱蒸着法、イオンビームにより蒸着源を加熱して蒸着させるイオンビーム蒸着法、電子ビームにより蒸着源を加熱して蒸着させる電子ビーム蒸着法等の方法によって、正極１及び負極２に配設することができる。正極集電体４と負極集電体５の絶縁を確保しつつケース等に収納すれば、本実施形態の全固体電池を製造することができる。
【００４９】
なお、正極１、負極２、及び固体電解質層３をそれぞれ別々に作製した後、これらを積層する作製手順について説明したが、これ以外の手順に従って各層を積層してもよい。例えば、固体電解質層３及び負極２を、正極１上に順次形成しつつ積層してもよい。また、各層を逐次焼成してもよいし、一括焼成してもよい。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末を金型プレスで成形することにより、直径約φ２０ｍｍの円板状の成形体を得た。得られた成形体の一方の面上と他方の面上に、ＬｉＦｅＰＯ４（正極活物質）の粉末、及びＬｉＣｏＰＯ４（負極活物質）の粉末をそれぞれプレスして積層することにより、積層成形体を得た。得られた積層成形体をＡｒ雰囲気中、８００℃で焼成することにより、積層焼成体を作製した。作製した積層焼成体の両表面上に、金（Ａｕ）をスパッタリングすることにより集電層を形成した。集電層が形成された積層焼成体を、不活性雰囲気のグローブボックス内でＣＲ２０３２型のコイン電池に組み込み、全固体電池（実施例１）を作製した。なお、断面ＳＥＭ観察によって測定した正極、負極、及び固体電解質層の厚み（平均値）は、それぞれ５０μｍ、５０μｍ、及び５００μｍであった。
【００５２】
（実施例２〜４，６、比較例１）
表１に示す固体電解質、正極活物質、及び負極活物質をそれぞれ用いたこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、全固体電池（実施例２〜４，６、比較例１）を作製した。正極、負極、及び固体電解質層の厚みの測定結果を表１に示す。
【００５３】
（実施例５）
Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末を金型プレスで成形することにより、直径約φ２０ｍｍの円板状の成形体を得た。ＬｉＦｅＰＯ４（正極活物質）の粉末、及びＬｉＣｏＰＯ４（負極活物質）の粉末を、それぞれＬｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末と乳鉢を使用して混合することにより、正極活物質−固体電解質混合粉末、及び負極活物質−固体電解質混合粉末を得た。これ以降は、前述の実施例１の場合と同様にして、全固体電池（実施例５）を作製した。正極、負極、及び固体電解質層の厚みの測定結果を表１に示す。なお、電極（正極と負極の合計）に含有される固体電解質の量は、５０質量％であった。
【００５４】
［サイクル試験］：１０μＡにて所定の電圧まで、定電流・定電圧充電を行った後、電流を遮断して１０分間放置し、次いで１０μＡにて所定のカットオフ電圧まで放電する。この一連の操作を１サイクルとする充放電サイクルを１００サイクル繰り返した後の放電容量の、初期の放電容量に対する割合（容量維持率（％））を算出した。結果を表１に示す。
【００５５】
［電池内部抵抗］：１０μＡにて所定の電圧まで、定電流・定電圧充電を行った後、電流を遮断して１０分間放置し、次いで１０μＡにて放電した。１０μＡにて放電してから１秒後の電圧降下値から、電池内部抵抗（ｋΩ）を算出した。結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
（考察）
実施例１〜６の全固体電池は、比較例１の全固体電池に比して、容量維持率に優れ、電池内部抵抗が小さいことが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の全固体電池は、ポータブル機器用電池、ＩＣカード内蔵用電池、インプラント医療器具用電池、基板表面実装用電池、太陽電池をはじめとする他の電池と組み合せて用いられる電池（ハイブリッド電源用電池）等として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の全固体電池の一実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【図２】本発明の全固体電池の他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【図３】本発明の全固体電池の更に他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１１，２１ａ，２１ｂ：正極、２，１２，２２ａ，２２ｂ：負極、３，１３，２３：固体電解質層、４，１４，２４：正極集電体、５，１５，２５：負極集電体、１０：全固体電池、２０：ケース、３１：正極活物質、３２：負極活物質、３３：固体電解質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能な全固体電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等のポータブル機器の開発に伴い、その電源としての電池の需要が大幅に拡大している。このような用途に用いられる電池においては、イオンを移動させる媒体として、有機溶媒等の液体の電解質（電解液）が従来使用されている。このような電解液を用いた電池においては、電解液の漏液等の問題を生ずる可能性がある。
【０００３】
このような問題を解消すべく、液体の電解質に代えて固体電解質を使用するとともに、その他の要素の全てを固体で構成した全固体電池の開発が進められている。かかる全固体電池は、電解質が固体であるために、発火等を誘引する漏液の心配がなく、また、腐食による電池性能の劣化等の問題も生じ難いものである。なかでも、全固体リチウム二次電池は、容易に高エネルギー密度とすることが可能な二次電池として各方面で盛んに研究が行われている。
【０００４】
関連する従来技術として、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４等のリチウムイオン伝導性電解質を固体電解質として用いたリチウム二次電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、固体電解質を電解質として用いた全固体電池は、液状の電解質を用いた電池に比して一般に出力が低く、大電流を取り出すことが困難であった。また、全固体電池は、充放電におけるレート特性やサイクル特性が低く、液状の電解質を用いた電池に比して電池寿命が短いという問題があった。
【０００６】
このような問題を解消し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性の向上を図った、固体電解質と同じ材料からなる無機酸化物を電極活物質の粒子間に介在させた固体電解質電池が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、特許文献２において開示された固体電解質電池であっても、出力特性や充放電サイクル特性に関しては未だ改善の余地がある。従って、更に高出力であるとともに長寿命な全固体電池を開発することが、産業界から要請されている。
【特許文献１】特開平５−２０５７４１号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能な全固体電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、固体電解質のイオン伝導性が低いことに起因して、大電流の取り出しや充放電サイクル特性の向上が困難となることを見出した。そこで本発明者らは、それぞれ所定の一般式（１）〜（３）で表される正極活物質、負極活物質、及び固体電解質を用いることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明によれば、以下に示す全固体電池が提供される。
【００１１】
［１］正極活物質を含有する正極、負極活物質を含有する負極、及び固体電解質を含有する固体電解質層を備えた全固体電池であって、前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である全固体電池。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンであり、ａ、ｄ、及びｇは０〜５の数であり、ｂ、ｅ、及びｈは１〜２の数であり、ｃ、ｆ、及びｉは１〜３の数である。前記一般式（１）中、Ｎ１は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（２）中、Ｎ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（３）中、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【００１２】
［２］前記ポリアニオンが、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種である前記［１］に記載の全固体電池。
【００１３】
［３］前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含み、前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含む前記［１］又は［２］に記載の全固体電池。
【００１４】
［４］前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、前記物質相互に同一である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１５】
［５］前記一般式（１）〜（３）中のＭが、前記物質相互に同一である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１６】
［６］前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質の骨格構造が、それぞれ、前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１７】
［７］前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン導電体である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１８】
［８］前記固体電解質が、前記正極及び／又は前記負極に含有されている前記［１］〜［７］のいずれかに記載の全固体電池。
【００１９】
［９］前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、前記物質相互に同一である前記［１］〜［８］のいずれかに記載の全固体電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の全固体電池は、高出力及び長寿命であるとともに安全性が高く、低コストで製造可能であるといった効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００２２】
図１は、本発明の全固体電池の一実施形態の構成を説明する部分模式図である。図１に示すように、本実施形態の全固体電池は、正極１、負極２、及びこれらの間に配置される固体電解質層３を備えたものである。なお、正極１には、正極集電体４が電気的に接続されている。また、負極２には、負極集電体５が電気的に接続されている。
【００２３】
正極１は、正極活物質を含有する部分であり、その形状は、好ましくは厚み５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍの薄膜状である。この正極１に含まれる正極活物質は、下記一般式（１）で表される物質である。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
【００２４】
なお、前記一般式（１）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（１）中、Ｘ１はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ１はＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。更に、前記一般式（１）中、ａ＝０〜５、ｂ＝１〜２、及びｃ＝１〜３である。
【００２５】
また、前記一般式（１）中、Ｎ１は、遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ１はＦｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｕであることが好ましい。
【００２６】
正極活物質のより好適な具体例としては、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＣｕＰＯ４等を挙げることができる。
【００２７】
負極２は、負極活物質を含有する部分であり、その形状は、好ましくは厚み５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍの薄膜状である。この負極２に含まれる負極活物質は、下記一般式（２）で表される物質である。
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
【００２８】
なお、前記一般式（２）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（２）中、Ｘ２はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ２は、ＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。更に、前記一般式（２）中、ｄ＝０〜５、ｅ＝１〜２、及びｆ＝１〜３である。
【００２９】
また、前記一般式（２）中、Ｎ２は、遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ２は、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｖであることが好ましい。
【００３０】
負極活物質のより好適な具体例としては、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＣｕＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３等を挙げることができる。
【００３１】
固体電解質層３は、固体電解質を含有する部分である。この固体電解質層３は層状（薄膜状）に形成されており、通常、正極１と負極２を隔てるように配置されている。固体電解質層３の厚みは、好ましくは５〜５００μｍ、更に好ましくは２０〜１００μｍである。
【００３２】
本実施形態の全固体電池の固体電解質層３に含まれる固体電解質は、下記一般式（３）で表される物質である。
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
【００３３】
なお、前記一般式（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａである。なかでも、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇであることが好ましい。また、前記一般式（３）中、Ｘ３はポリアニオンである。このポリアニオンの具体例としては、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なかでも、Ｘ３は、ＰＯ４、ＭｏＯ４であることが好ましい。
【００３４】
また、前記一般式（３）中、Ｎ３は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である。なかでも、Ｎ３は、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌであることが好ましい。
【００３５】
固体電解質のより好適な具体例としては、ＬｉＴｉ（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３等のＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ Ｓｕｐｅｒ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有するカチオン伝導体を挙げることができる。
【００３６】
本実施形態の全固体電池においては、前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一のポリアニオンを少なくとも一種含み、前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一のポリアニオンを少なくとも一種含むことが好ましい。これにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。
【００３７】
また、本実施形態の全固体電池においては、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを表す、前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、物質相互に同一であることが好ましい。このように、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを構成するポリアニオンとなる元素群（Ｘ）を共通化することにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３を、物質相互で同一とすることにより、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。なお、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質の骨格構造が、それぞれ、前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造であることが、更に高出力であるとともに、充放電サイクル特性に優れ、より長寿命な電池とすることができるために好ましい。
【００３８】
本実施形態の全固体電池においては、前記一般式（１）〜（３）中のＭは、それぞれの物質で、相互に同一の元素であっても、異なる元素であってもよい。但し、前記一般式（１）〜（３）中のＭが、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質相互に同一であることが好ましい。このように、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質のそれぞれを構成する特定の元素（Ｍ）を共通化することにより、更に高出力であるとともに、より長寿命な電池とすることができる。これは、前記一般式（１）〜（３）中のＭを、物質相互で同一とすることにより、正極１、負極２、及び固体電解質層３の相互のイオン伝導性が向上し、大電流の取り出しや充放電サイクル特性が向上したためであると推察される。更に、正極活物質、負極活物質、及び固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン伝導体で統一されていることが好ましい。
【００３９】
本実施形態の全固体電池においては、正極活物質及び負極活物質のそれぞれを表す前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、物質相互に同一であることが、より長期間の保存が可能となるために好ましく、更には、正極活物質と負極活物質が、同一の組成式で表される物質であることが好ましい。市販されている液系の二次電池には、安全性を確保すべく、所定の電圧枠を外れる電位となった場合に以後の充放電を強制的に禁止するプログラムが保護回路に組まれているのが一般的である。このような状況下、二次電池を満充電の状態で出荷及び保存すると、電解液の劣化が早く進行し易くなるとともに、自己放電もし易くなるという不都合があった。一方、二次電池を放電状態で出荷及び保存すると、自己放電によって電圧が低下し、前述の保護回路が作動してしまうという不都合があった。このため、上記の不都合を解消すべく、所定の電圧枠内の中間電位近傍となるよう、二次電池を半充電した状態で出荷及び保存するのが一般的である。
【００４０】
そこで、前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２を、正極活物質と負極活物質で同一とすると、放電状態（電圧＝０Ｖ）で出荷及び保存することができる。このため、保存時に電解液が極めて劣化し難く、自己放電が抑制され、より長期間の保存が可能となる。更に、前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２を、正極活物質と負極活物質で同一とすると、放電時と充電時における両電極の体積変化率が同調することになる。従って、電池全体でみると体積変化がほとんどないために、電極や固体電解質にクラックが発生する等の不具合が生じ難く、電池の劣化が起こり難いといった利点がある。
【００４１】
また、本実施形態の全固体電池は、その全ての構成要素がセラミックス材料、即ち固体であるために、漏液や腐食による電池性能の劣化等の問題も生じ難く、安全性の高い電池である。更に、全ての構成要素をセラミックス材料としたために、簡易なプロセスによって作製可能であり、低コストで製造することができる。
【００４２】
図２は、本発明の全固体電池の他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。図２において、正極１１は、多数の粒子状の正極活物質３１が凝集することによって構成されており、正極集電体１４が電気的に接続されている。また、負極１２は、多数の粒子状の負極活物質３２が凝集することによって構成されており、負極集電体１５が電気的に接続されている。更に、固体電解質層１３は、多数の粒子状の固体電解質３３が凝集することによって構成されている。
【００４３】
本実施形態の全固体電池においては、正極１１及び負極１２に固体電解質３３が含有されている。このように、正極１１及び負極１２に固体電解質３３が含有されていると、更に高出力であるとともに長寿命化することができるために好ましい。これは、正極１１、負極１２、及び固体電解質層１３の相互のイオン伝導性が、更に向上するためであると推察される。より具体的には、粒子状の多数の固体電解質３３が、それぞれの電極を構成する粒子状の活物質（正極活物質３１、負極活物質３２）の粒界において三次元的に接続した状態でそれぞれの電極に含有されていることが好ましい。
【００４４】
なお、固体電解質３３は、正極１１と負極１２のいずれか一方にのみ含有されていてもよいが、正極１１と負極１２の両方に含有されていると、より高出力であるとともに長寿命化することが可能となるために好ましい。
【００４５】
図３は、本発明の全固体電池の更に他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。図３に示す実施形態の全固体電池１０は、複数の正極２１ａ，２１ｂ、及び複数の負極２２ａ，２２ｂを備えるとともに、これらが固体電解質層２３を介在させた状態で積層された積層構造を有するものである。ここで、正極２１ａ，２１ｂには、それぞれ正極集電体２４が電気的に接続されている。また、負極２２ａ，２２ｂには、それぞれ負極集電体２５が電気的に接続されている。このように、複数の正極２１ａ，２１ｂ、及び複数の負極２２ａ，２２ｂを備えた積層構造とすることも可能である。なお、図３における符号２０は、正極２１ａ，２１ｂ、負極２２ａ，２２ｂ、及び固体電解質層２３を少なくとも収納可能なケースを示す。
【００４６】
次に、本発明の全固体電池を製造する方法について、一例を挙げつつ説明する。正極１（図１参照）を作製するには、プレス法、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法を用いることができる。プレス法では、正極活物質粉末を金型等に充填し、加圧することで成形体を得る。一方、ドクターブレード法、ロールコーター法では、先ず、正極活物質とポリビニルアルコール等のバインダーを混合して混合物を得る。なお、混合物には、必要に応じて固体電解質を適当量添加してもよい。次に、得られた混合物にトルエン等の有機溶剤を添加して正極スラリーを調製する。調製した正極スラリーを、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法によって所定厚みの薄膜状又はシート状に成形する。乾燥後、必要に応じて切断等の加工を施し、焼成することにより、正極１を作製することができる。なお、負極２、及び固体電解質層３についても、上述の正極１と同様の操作によって作製することができる。
【００４７】
作製した正極１、負極２、及び固体電解質層３を積層するとともに、正極集電体４、及び負極集電体５を配設する。正極集電体４及び負極集電体５を構成する材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、白金（Ｐｔ）／パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ＩＴＯ（インジウム−錫酸化膜）等を挙げることができる。
【００４８】
正極集電体４、及び負極集電体５は、例えば、スパッタリング法、抵抗により蒸着源を加熱して蒸着させる抵抗加熱蒸着法、イオンビームにより蒸着源を加熱して蒸着させるイオンビーム蒸着法、電子ビームにより蒸着源を加熱して蒸着させる電子ビーム蒸着法等の方法によって、正極１及び負極２に配設することができる。正極集電体４と負極集電体５の絶縁を確保しつつケース等に収納すれば、本実施形態の全固体電池を製造することができる。
【００４９】
なお、正極１、負極２、及び固体電解質層３をそれぞれ別々に作製した後、これらを積層する作製手順について説明したが、これ以外の手順に従って各層を積層してもよい。例えば、固体電解質層３及び負極２を、正極１上に順次形成しつつ積層してもよい。また、各層を逐次焼成してもよいし、一括焼成してもよい。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末を金型プレスで成形することにより、直径約φ２０ｍｍの円板状の成形体を得た。得られた成形体の一方の面上と他方の面上に、ＬｉＦｅＰＯ４（正極活物質）の粉末、及びＬｉＣｏＰＯ４（負極活物質）の粉末をそれぞれプレスして積層することにより、積層成形体を得た。得られた積層成形体をＡｒ雰囲気中、８００℃で焼成することにより、積層焼成体を作製した。作製した積層焼成体の両表面上に、金（Ａｕ）をスパッタリングすることにより集電層を形成した。集電層が形成された積層焼成体を、不活性雰囲気のグローブボックス内でＣＲ２０３２型のコイン電池に組み込み、全固体電池（実施例１）を作製した。なお、断面ＳＥＭ観察によって測定した正極、負極、及び固体電解質層の厚み（平均値）は、それぞれ５０μｍ、５０μｍ、及び５００μｍであった。
【００５２】
（実施例２〜４，６、比較例１）
表１に示す固体電解質、正極活物質、及び負極活物質をそれぞれ用いたこと以外は、前述の実施例１の場合と同様にして、全固体電池（実施例２〜４，６、比較例１）を作製した。正極、負極、及び固体電解質層の厚みの測定結果を表１に示す。
【００５３】
（実施例５）
Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末を金型プレスで成形することにより、直径約φ２０ｍｍの円板状の成形体を得た。ＬｉＦｅＰＯ４（正極活物質）の粉末、及びＬｉＣｏＰＯ４（負極活物質）の粉末を、それぞれＬｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３（固体電解質）の粉末と乳鉢を使用して混合することにより、正極活物質−固体電解質混合粉末、及び負極活物質−固体電解質混合粉末を得た。これ以降は、前述の実施例１の場合と同様にして、全固体電池（実施例５）を作製した。正極、負極、及び固体電解質層の厚みの測定結果を表１に示す。なお、電極（正極と負極の合計）に含有される固体電解質の量は、５０質量％であった。
【００５４】
［サイクル試験］：１０μＡにて所定の電圧まで、定電流・定電圧充電を行った後、電流を遮断して１０分間放置し、次いで１０μＡにて所定のカットオフ電圧まで放電する。この一連の操作を１サイクルとする充放電サイクルを１００サイクル繰り返した後の放電容量の、初期の放電容量に対する割合（容量維持率（％））を算出した。結果を表１に示す。
【００５５】
［電池内部抵抗］：１０μＡにて所定の電圧まで、定電流・定電圧充電を行った後、電流を遮断して１０分間放置し、次いで１０μＡにて放電した。１０μＡにて放電してから１秒後の電圧降下値から、電池内部抵抗（ｋΩ）を算出した。結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
（考察）
実施例１〜６の全固体電池は、比較例１の全固体電池に比して、容量維持率に優れ、電池内部抵抗が小さいことが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の全固体電池は、ポータブル機器用電池、ＩＣカード内蔵用電池、インプラント医療器具用電池、基板表面実装用電池、太陽電池をはじめとする他の電池と組み合せて用いられる電池（ハイブリッド電源用電池）等として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の全固体電池の一実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【図２】本発明の全固体電池の他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【図３】本発明の全固体電池の更に他の実施形態の構成を説明する部分模式図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１１，２１ａ，２１ｂ：正極、２，１２，２２ａ，２２ｂ：負極、３，１３，２３：固体電解質層、４，１４，２４：正極集電体、５，１５，２５：負極集電体、１０：全固体電池、２０：ケース、３１：正極活物質、３２：負極活物質、３３：固体電解質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質を含有する正極、負極活物質を含有する負極、及び固体電解質を含有する固体電解質層を備えた全固体電池であって、
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である全固体電池。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンであり、ａ、ｄ、及びｇは０〜５の数であり、ｂ、ｅ、及びｈは１〜２の数であり、ｃ、ｆ、及びｉは１〜３の数である。前記一般式（１）中、Ｎ１は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（２）中、Ｎ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（３）中、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【請求項２】
前記ポリアニオンが、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種である請求項１に記載の全固体電池。
【請求項３】
前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含み、
前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含む請求項１又は２に記載の全固体電池。
【請求項４】
前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、前記物質相互に同一である請求項１〜３のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項５】
前記一般式（１）〜（３）中のＭが、前記物質相互に同一である請求項１〜４のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項６】
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質の骨格構造が、それぞれ、
前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造である請求項１〜５のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項７】
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン導電体である請求項１〜６のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項８】
前記固体電解質が、前記正極及び／又は前記負極に含有されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項９】
前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、前記物質相互に同一である請求項１〜８のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項１】
正極活物質を含有する正極、負極活物質を含有する負極、及び固体電解質を含有する固体電解質層を備えた全固体電池であって、
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、それぞれ下記一般式（１）〜（３）で表される物質である全固体電池。
ＭａＮ１ｂＸ１ｃ （１）
ＭｄＮ２ｅＸ２ｆ （２）
ＭｇＮ３ｈＸ３ｉ （３）
（但し、前記一般式（１）〜（３）中、ＭはＨ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、又はＣａであり、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３はポリアニオンであり、ａ、ｄ、及びｇは０〜５の数であり、ｂ、ｅ、及びｈは１〜２の数であり、ｃ、ｆ、及びｉは１〜３の数である。前記一般式（１）中、Ｎ１は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（２）中、Ｎ２は遷移金属、Ａｌ、及びＣｕからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記一般式（３）中、Ｎ３はＴｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｓｃ、及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種である）
【請求項２】
前記ポリアニオンが、ＳｉＯ４、ＰＯ４、ＳＯ４、ＭｏＯ４、ＷＯ４、ＢＯ４、及びＢＯ３からなる群より選択される少なくとも一種である請求項１に記載の全固体電池。
【請求項３】
前記一般式（１）及び（２）中、Ｘ１とＸ２が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含み、
前記一般式（２）及び（３）中、Ｘ２とＸ３が、同一の前記ポリアニオンを少なくとも一種含む請求項１又は２に記載の全固体電池。
【請求項４】
前記一般式（１）〜（３）中のＸ１、Ｘ２、及びＸ３が、前記物質相互に同一である請求項１〜３のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項５】
前記一般式（１）〜（３）中のＭが、前記物質相互に同一である請求項１〜４のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項６】
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質の骨格構造が、それぞれ、
前記一般式（１）中のＸ１、前記一般式（２）中のＸ２、及び前記一般式（３）中のＸ３を各々の共有の頂点とする頂点共有骨格構造である請求項１〜５のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項７】
前記正極活物質、前記負極活物質、及び前記固体電解質が、ＮＡＳＩＣＯＮ構造を有するカチオン導電体である請求項１〜６のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項８】
前記固体電解質が、前記正極及び／又は前記負極に含有されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の全固体電池。
【請求項９】
前記一般式（１）及び（２）中のＮ１とＮ２が、前記物質相互に同一である請求項１〜８のいずれか一項に記載の全固体電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２５８１６５（Ｐ２００７−２５８１６５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４３０１５（Ｐ２００７−４３０１５）
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人科学技術振興機構「革新技術開発研究事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人科学技術振興機構「革新技術開発研究事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]