JP2023117209A - Negative electrode for solid electrolyte battery and solid electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質電池用負極及び固体電解質電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a negative electrode for a solid electrolyte battery and a solid electrolyte battery.
近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれており、電解質として固体電解質を用いる固体電解質電池が注目されている。固体電解質として、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、錯体水素化物系固体電解質等が知られている。 2. Description of the Related Art In recent years, the development of electronics technology has been remarkable, and efforts have been made to reduce the size, weight, thickness, and functions of portable electronic devices. Along with this, there is a strong demand for batteries that serve as power sources for electronic devices to be smaller, lighter, thinner, and more reliable. As solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, complex hydride-based solid electrolytes, and the like are known.
例えば、特許文献1には、酸化物系固体電解質を用いた固体電解質電池が記載されている。また特許文献2には、アルカリ金属化合物を含む錯体水素化物固体電解質を用いた全固体電池が記載されている。また特許文献3にはハロゲン化リチウムを含む硫化物系固体電解質を用いた全固体リチウム電池が記載されている。特許文献1~3には、ハロゲン化リチウムを電極に添加すると、種々の特性が向上する場合があることが記載されている。 For example, Patent Literature 1 describes a solid electrolyte battery using an oxide-based solid electrolyte. Further, Patent Document 2 describes an all-solid battery using a complex hydride solid electrolyte containing an alkali metal compound. Further, Patent Document 3 describes an all-solid lithium battery using a sulfide-based solid electrolyte containing lithium halide. Patent Documents 1 to 3 describe that the addition of lithium halide to an electrode may improve various properties.
酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、錯体水素化物系固体電解質は、それぞれ構成する材料が異なるため、異なる特性を有する。近年、これらの固体電解質よりイオン電導度が高い可能性がある固体電解質として、ハライド系固体電解質が検討されている。 Oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, and complex hydride-based solid electrolytes have different properties because of their different constituent materials. In recent years, halide-based solid electrolytes have been investigated as solid electrolytes that may have higher ionic conductivity than these solid electrolytes.
ハライド系固体電解質を用いた固体電解質電池は、初回充放電時の不可逆容量が大きく、初期充放電効率が十分ではない場合があった。 A solid electrolyte battery using a halide-based solid electrolyte has a large irreversible capacity during the initial charge/discharge, and the initial charge/discharge efficiency may not be sufficient.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、初期充放電効率に優れる固体電解質電池用負極及び固体電解質電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a negative electrode for a solid electrolyte battery and a solid electrolyte battery that are excellent in initial charge/discharge efficiency.
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 In order to solve the above problems, the following means are provided.
(1)第1の態様にかかる固体電解質電池用負極は、負極活物質と、第1化合物と、前記負極活物質に担持され初期充電過程で前記負極活物質との界面に前記負極活物質を保護するSEI被膜を形成する有機物と、を含む。前記第1化合物は、AaEbGcXd…(1)である。式(1)において、AはLi、または、NaとCaとのうちの少なくとも一方とLiであり、EはAl、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイドからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、GはOH、BO2、BO3、BO4、B3O6、B4O7、CO3、NO3、AlO2、SiO3、SiO4、Si2O7、Si3O9、Si4O11、Si6O18、PO3、PO4、P2O7、P3O10、SO3、SO4、SO5、S2O3、S2O4、S2O5、S2O6、S2O7、S2O8、BF4、PF6、BOB、(COO)2、N、AlCl4、CF3SO3、CH3COO、CF3COO、OOC-(CH2)2-COO、OOC-CH2-COO、OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO、OOC-CH(OH)-CH2-COO、C6H5SO3、OOC-CH=CH-COO、OOC-CH=CH-COO、C(OH)(CH2COOH)2COO、AsO4、BiO4、CrO4、MnO4、PtF6、PtCl6、PtBr6、PtI6、SbO4、SeO4、TeO4、HCOO、Oからなる群から選択される少なくとも1つの基であり、XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種の元素である。また0.5≦a<6、0<b<2、0≦c≦6、0<d≦6.1を満たす。 (1) A negative electrode for a solid electrolyte battery according to the first aspect includes a negative electrode active material, a first compound, and a negative electrode active material supported on the negative electrode active material, and the negative electrode active material is supported at the interface with the negative electrode active material during an initial charging process. and organics that form a protective SEI coating. The first compound is AaEbGcXd ( 1) . In formula (1), A is Li, or at least one of Na and Ca and Li, and E is Al, Sc, Y, Zr, Hf, at least one selected from the group consisting of lanthanoids is an element and G is OH, BO2 , BO3 , BO4, B3O6 , B4O7 , CO3 , NO3 , AlO2 , SiO3 , SiO4 , Si2O7 , Si3O 9 , Si4O11 , Si6O18 , PO3, PO4, P2O7 , P3O10 , SO3 , SO4 , SO5 , S2O3 , S2O4 , S2O 5 , S2O6 , S2O7 , S2O8 , BF4 , PF6 , BOB, ( COO ) 2 , N, AlCl4 , CF3SO3 , CH3COO , CF3COO , OOC- (CH 2 ) 2 -COO, OOC-CH 2 -COO, OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO, OOC-CH(OH)-CH 2 -COO, C 6 H 5 SO 3 , OOC- CH=CH-COO, OOC -CH=CH-COO, C(OH)( CH2COOH ) 2COO , AsO4, BiO4 , CrO4 , MnO4 , PtF6 , PtCl6 , PtBr6, PtI6 , At least one group selected from the group consisting of SbO 4 , SeO 4 , TeO 4 , HCOO and O; X is at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br and I; Further, 0.5≦a<6, 0<b<2, 0≦c≦6, and 0<d≦6.1 are satisfied.
(2)上記態様にかかる固体電解質電池用負極は、第2化合物をさらに有してもよい。前記第2化合物は、前記第1化合物と異なり、LiaEbXd…(2)である。式(2)において、EはAl、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイドからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.5≦a<6、0<b<2、0<d≦6.1を満たす。 (2) The solid electrolyte battery negative electrode according to the above aspect may further include a second compound. The second compound is Li a E b X d (2) unlike the first compound. In formula (2), E is at least one element selected from the group consisting of Al, Sc, Y, Zr, Hf, and lanthanides, and X is selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I. It is at least one element and satisfies 0.5≦a<6, 0<b<2, and 0<d≦6.1.
(3)上記態様にかかる固体電解質電池用負極において、前記有機物は、エチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、プロパンスルトン、アジピン酸ジビニル、酢酸ビニル、エチレンスルフィド、クロロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、メタンスルホン酸プロピニル、リチウムビス[1,2-オキサラト(2)-O、O’]ボレート、リチウムジフルオロモノ[1,2-ジオキサラト(2)-O、O’]ボレートからなる群から選択される何れか、又は、これらの重合物、である。 (3) In the solid electrolyte battery negative electrode according to the above aspect, the organic substance is ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, vinylene carbonate, propanesultone, divinyl adipate, vinyl acetate, ethylene sulfide, chloroethylene carbonate, catechol carbonate, methanesulfone. Any selected from the group consisting of propynyl acid, lithium bis[1,2-oxalato(2)-O,O']borate, and lithium difluoromono[1,2-dioxalato(2)-O,O']borate , or a polymer thereof.
(4)上記態様にかかる固体電解質電池用負極は、前記第1化合物より分子量の小さいリチウム塩をさらに含んでもよい。 (4) The negative electrode for a solid electrolyte battery according to the above aspect may further contain a lithium salt having a molecular weight smaller than that of the first compound.
(5)上記態様にかかる固体電解質電池用負極において、前記有機物は室温で固体でもよい。 (5) In the negative electrode for a solid electrolyte battery according to the aspect described above, the organic matter may be solid at room temperature.
(6)上記態様にかかる固体電解質電池用負極は、前記負極活物質を被覆する前記SEI被膜をさらに備えてもよい。前記SEI被膜は、前記有機物と前記負極活物質との界面に形成された有機のSEI被膜と、前記第1化合物と前記負極活物質との間に形成された無機のSEI被膜と、を有する。 (6) The negative electrode for a solid electrolyte battery according to the above aspect may further include the SEI coating that coats the negative electrode active material. The SEI coating includes an organic SEI coating formed on the interface between the organic substance and the negative electrode active material, and an inorganic SEI coating formed between the first compound and the negative electrode active material.
(7)第2の態様にかかる固体電解質電池は、上記態様にかかる固体電解質電池用負極と、正極と、前記固体電解質電池用負極と前記正極との間にあり固体電解質を含む固体電解質層と、を備える。 (7) A solid electrolyte battery according to a second aspect includes a solid electrolyte battery negative electrode according to the above aspect, a positive electrode, and a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte between the solid electrolyte battery negative electrode and the positive electrode. , provided.
(8)上記態様にかかる固体電解質電池において、前記固体電解質は、前記第1化合物と同じでもよい。 (8) In the solid electrolyte battery according to the above aspect, the solid electrolyte may be the same as the first compound.
上記態様にかかる固体電解質電池用負極及び固体電解質電池は、初期充放電効率に優れる。 The negative electrode for a solid electrolyte battery and the solid electrolyte battery according to the above aspect are excellent in initial charge/discharge efficiency.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, this embodiment will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, there are cases where characteristic portions are enlarged for convenience in order to make it easier to understand the features of the present invention, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. be. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be implemented with appropriate modifications without changing the gist of the invention.
[固体電解質電池]
図1は、本実施形態にかかる固体電解質電池100の断面模式図である。図1に示す固体電解質電池100は、発電素子40と外装体50とを備える。外装体50は、発電素子40の周囲を被覆する。発電素子40は、接続された一対の端子60、62によって外部と接続される。図1では、積層型の電池を示したが、巻回型の電池でもよい。固体電解質電池100は、例えば、ラミネート電池、角型電池、円筒型電池、コイン型電池、ボタン型電池等に用いられる。
[Solid electrolyte battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
<発電素子>
発電素子40は、固体電解質層10と正極20と負極30とを備える。発電素子40は、正極20と負極30の間で固体電解質層10を介したイオンの授受及び外部回路を介した電子の授受により充電または放電する。
<Power generation element>
The
「固体電解質層」
固体電解質層10は、正極20と負極30とに挟まれる。固体電解質層10は、外部から印加された電圧によってイオンを移動させることができる固体電解質を含む。例えば、固体電解質は、リチウムイオンを伝導し、電子の移動を阻害する。
"Solid electrolyte layer"
固体電解質は、例えば、リチウムを含む。固体電解質は、例えば、酸化物系材料、硫化物系材料、ハライド系材料でもよい。 The solid electrolyte contains lithium, for example. The solid electrolyte may be, for example, an oxide-based material, a sulfide-based material, or a halide-based material.
固体電解質は、例えば、AaEbGcXd…(1)で表されるハライド系固体電解質である。固体電解質は、粉末(粒子)の状態であってもよいし、粉末を焼結した焼結体の状態でもよい。また固体電解質は、粉末を圧縮して成形した成形体、粉末とバインダーとの混合物を成形した成形体、粉末とバインダーと溶媒とを含む塗料を塗布した後、加熱して溶媒を除去することにより形成した塗膜でもよい。 The solid electrolyte is , for example, a halide - based solid electrolyte represented by AaEbGcXd (1). The solid electrolyte may be in the state of powder (particles), or may be in the state of a sintered body obtained by sintering powder. Solid electrolytes are produced by compressing and molding powder, by molding a mixture of powder and binder, by applying paint containing powder, binder and solvent, and then heating to remove the solvent. A formed coating film may be used.
AはLi、または、NaとCaとのうち少なくとも一方とLiである。AがNaまたはCaを含む場合、LiとNaまたはCaとの割合は、モル比(Li:NaまたはCa)で1.00:0.03~1.00:0.20であることが好ましく、1.00:0.04~1.00:0.10であることがより好ましい。当該範囲であると、固体電解質層10の還元側の電位窓が広くなる。
A is Li, or at least one of Na and Ca and Li. When A contains Na or Ca, the ratio of Li to Na or Ca is preferably 1.00:0.03 to 1.00:0.20 in terms of molar ratio (Li:Na or Ca), It is more preferably 1.00:0.04 to 1.00:0.10. Within this range, the potential window on the reduction side of the
aは、0.5≦a<6を満たし、好ましくは2.0≦a≦4.0を満たし、より好ましくは2.5≦a≦3.5をみたす。EがZrまたはHfである場合、aは1.0≦a≦3.0が好ましく、1.5≦a≦2.5がより好ましい。式(1)で表される化合物において、aが0.5≦a<6であれば、化合物中に含まれるLiの含有量が適正となり、固体電解質層10のイオン伝導度の高くなる。
a satisfies 0.5≦a<6, preferably 2.0≦a≦4.0, more preferably 2.5≦a≦3.5. When E is Zr or Hf, a is preferably 1.0≤a≤3.0, more preferably 1.5≤a≤2.5. In the compound represented by the formula (1), when a is 0.5≦a<6, the content of Li contained in the compound becomes appropriate, and the ion conductivity of the
Eは、必須の成分であり、Al、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)からなる群から選択される少なくとも1種の元素である。Eは、Al、Sc、Y、Zr、Hf、Laを含むことが好ましく、Zr、Yを含むことがより好ましい。Eは、固体電解質層10のイオン電導度を向上する。bは0<b<2である。bは、Eを含むことによる効果がより効果的に得られるため、0.6≦bであることが好ましい。また、Eは、固体電解質層10の骨格を形成する元素である。bは、b≦1であることがより好ましい。
E is an essential component, Al, Sc, Y, Zr, Hf, lanthanides (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu ) is at least one element selected from the group consisting of E preferably contains Al, Sc, Y, Zr, Hf and La, more preferably Zr and Y. E improves the ionic conductivity of the
Gは、例えば、OH、BO2、BO3、BO4、B3O6、B4O7、CO3、NO3、AlO2、SiO3、SiO4、Si2O7、Si3O9、Si4O11、Si6O18、PO3、PO4、P2O7、P3O10、SO3、SO4、SO5、S2O3、S2O4、S2O5、S2O6、S2O7、S2O8、BF4、PF6、BOB、(COO)2、N、AlCl4、CF3SO3、CH3COO、CF3COO、OOC-(CH2)2-COO、OOC-CH2-COO、OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO、OOC-CH(OH)-CH2-COO、C6H5SO3、OOC-CH=CH-COO、OOC-CH=CH-COO、C(OH)(CH2COOH)2COO、AsO4、BiO4、CrO4、MnO4、PtF6、PtCl6、PtBr6、PtI6、SbO4、SeO4、TeO4、HCOOからなる群から選択される少なくとも1つの基である。Gは、OH、SO4、CH3COO、CF3COO、HCOO、Oからなる群から選択される少なくとも1つの基であることが好ましく、特にSO4であることが好ましい。Gを含むと、固体電解質層10の還元側の電位窓が広くなり、還元されにくくなる。
G is, for example, OH , BO2 , BO3 , BO4, B3O6 , B4O7 , CO3, NO3 , AlO2 , SiO3 , SiO4 , Si2O7 , Si3O9 , Si4O11 , Si6O18 , PO3 , PO4 , P2O7 , P3O10 , SO3 , SO4 , SO5 , S2O3 , S2O4 , S2O5 , S 2 O 6 , S 2 O 7 , S 2 O 8 , BF 4 , PF 6 , BOB, (COO) 2 , N, AlCl 4 , CF 3 SO 3 , CH 3 COO, CF 3 COO, OOC-( CH2 ) 2 -COO, OOC-CH2 - COO, OOC- CH (OH ) -CH(OH)-COO, OOC-CH(OH)-CH2 - COO, C6H5SO3 , OOC-CH =CH-COO, OOC -CH=CH-COO, C(OH)( CH2COOH ) 2COO , AsO4, BiO4 , CrO4 , MnO4 , PtF6 , PtCl6, PtBr6 , PtI6 , SbO 4 , SeO 4 , TeO 4 and HCOO. G is preferably at least one group selected from the group consisting of OH, SO 4 , CH 3 COO, CF 3 COO, HCOO and O, particularly preferably SO 4 . When G is included, the potential window on the reduction side of the
cは0≦c≦6を満たす。cは、Gを含むことによる還元側の電位窓が広くなる効果がより顕著となるため、0.5≦cであることが好ましい。cは、Gの含有量が多すぎることに起因する固体電解質のイオン伝導度の低下が生じないように、c≦3であることが好ましい。 c satisfies 0≦c≦6. c is preferably 0.5≦c, since the effect of widening the potential window on the reduction side due to the inclusion of G becomes more pronounced. c is preferably c≦3 so that the ionic conductivity of the solid electrolyte does not decrease due to excessive G content.
XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種以上である。Xは、固体電解質のイオン電導度を高めるために、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種以上であることが好ましく、Brおよび/またはIを含むことが好ましく、特にIを含むことが好ましい。XがFを含む場合、Xはイオン伝導度の高い固体電解質となるため、Fと、Cl、Br、Iからなる群から選択される2種以上とを含むことが好ましい。 X is at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br and I; X is preferably at least one selected from the group consisting of Cl, Br, and I, and preferably contains Br and/or I, particularly I, in order to increase the ionic conductivity of the solid electrolyte. preferably included. When X contains F, it preferably contains F and two or more selected from the group consisting of Cl, Br, and I because X forms a solid electrolyte with high ionic conductivity.
XがFであると、イオン伝導度が十分に高く、かつ耐酸化性に優れる固体電解質となる。XがClであると、イオン伝導度が高く、かつ耐酸化性および耐還元性のバランスが良い固体電解質となる。XがBrであると、イオン伝導度十分に高く、かつ耐酸化性および耐還元性のバランスが良い固体電解質となる。XがIであると、イオン伝導度の高い固体電解質となる。 When X is F, the solid electrolyte has sufficiently high ionic conductivity and excellent oxidation resistance. When X is Cl, the solid electrolyte has high ionic conductivity and well-balanced oxidation resistance and reduction resistance. When X is Br, the solid electrolyte has sufficiently high ionic conductivity and a good balance between oxidation resistance and reduction resistance. When X is I, the solid electrolyte has high ionic conductivity.
dは、0<d≦6.1を満たす。dは1≦dであることが好ましい。dが1≦dであると、固体電解質を加圧成形してペレット状に成形する場合に、ペレットの強度が高くなる。また、dが1≦dであると、固体電解質のイオン伝導度が高くなる。また、dは、Xの含有量が多すぎることによってGが不足して、固体電解質の電位窓が狭くならないように、d≦5であることが好ましい。 d satisfies 0<d≦6.1. d is preferably 1≤d. When d is 1≦d, the strength of the pellet increases when the solid electrolyte is press-molded into a pellet. Further, when d is 1≦d, the ionic conductivity of the solid electrolyte increases. Further, d is preferably d≦5 so that the potential window of the solid electrolyte is not narrowed due to insufficient G due to excessive X content.
固体電解質は、例えば、Li2ZrSO4Cl4、Li2ZrCO3Cl4、Li2Zr((COO)2)0.5Cl5、Li2Zr(CH3COO)0.2Cl5.8、Li2Zr(CF3COO)0.2Cl5.8、Li2Zr(HCOO)0.4Cl5.6、Li2ZrBO2Cl5、Li2ZrBF4Cl5、Li3YSO4Cl4、Li3YCO3Cl4、Li3YBO2Cl5、Li3YBF4Cl5である。 The solid electrolyte is , for example , Li2ZrSO4Cl4 , Li2ZrCO3Cl4 , Li2Zr ( (COO) 2 ) 0.5Cl5 , Li2Zr ( CH3COO ) 0.2Cl5.8 , Li2Zr ( CF3COO ) 0.2Cl5.8 , Li2Zr (HCOO ) 0.4Cl5.6 , Li2ZrBO2Cl5 , Li2ZrBF4Cl5 , Li3YSO4Cl 4 , Li3YCO3Cl4 , Li3YBO2Cl5 , Li3YBF4Cl5 . _ _
「正極」
図1に示すように、正極20は、板状(箔状)の正極集電体22と正極合剤層24とを有する。正極合剤層24は、正極集電体22の少なくとも一面に接する。
"positive electrode"
As shown in FIG. 1 , the
(正極集電体)
正極集電体22は、充電時の酸化に耐え腐食しにくい電子伝導性の材料であれば良い。正極集電体22は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタンなどの金属、伝導性樹脂等である。正極集電体22は、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(正極合剤層)
正極合剤層24は、正極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダーおよび導電助剤を含む。
(Positive electrode mixture layer)
The positive
(正極活物質)
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離(インターカレーション・デインターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の固体電解質電池に用いられている正極活物質を使用できる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is capable of reversibly occluding/releasing, inserting/deintercalating lithium ions (intercalation/deintercalation), and is used in known solid electrolyte batteries. can be used. Examples of positive electrode active materials include lithium-containing metal oxides and lithium-containing metal phosphates.
リチウム含有金属酸化物は、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiVOPO4、Li3V2(PO4)3)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Feから選択される少なくとも1種を示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等である。 Lithium- containing metal oxides include , for example, lithium cobaltate ( LiCoO2 ), lithium nickelate ( LiNiO2 ), lithium manganese spinel ( LiMn2O4 ), and general formula: LiNixCoyMnzO2 (x+y+z = 1), lithium vanadium compounds ( LiVOPO4 , Li3V2 ( PO4 ) 3 ), olivine -type LiMPO4 (wherein M is selected from Co, Ni, Mn, Fe, at least one of which is shown), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), and the like.
また正極活物質は、リチウムを含有していないものでもよい。このような正極活物質としては、リチウム非含有金属酸化物(MnO2、V2O5など)、リチウム非含有金属硫化物(MoS2など)、リチウム非含有フッ化物(FeF3、VF3など)などが挙げられる。リチウムを含有していない正極活物質を用いる場合、あらかじめ負極にリチウムイオンをドープしておく、またはリチウムイオンを含有する負極を用いる。 Moreover, the positive electrode active material may not contain lithium. Such positive electrode active materials include lithium-free metal oxides ( MnO2 , V2O5 , etc.), lithium-free metal sulfides ( MoS2, etc.), lithium-free fluorides ( FeF3 , VF3 , etc.). ) and the like. When using a positive electrode active material that does not contain lithium, the negative electrode is previously doped with lithium ions, or a negative electrode containing lithium ions is used.
(バインダー)
バインダーは、正極合剤層24内において正極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、正極合剤層24と正極集電体22とを、強固に接着する。正極合剤層24は、バインダーを含むことが好ましい。バインダーは、耐酸化性を有し、接着性が良いことが好ましい。
(binder)
The binder binds the positive electrode active material, the solid electrolyte, and the conductive aid to each other in the positive
正極合剤層24に用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体、ポリアクリル酸(PA)及びその共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン(PE)、または、これらの混合物などが挙げられる。これらの中でも、バインダーとしては、特にPVDFを用いることが好ましい。
Binders used in the positive
正極合剤層24における固体電解質の含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%~50質量%であることが好ましく、5質量%~30質量%であることがより好ましい。
The content of the solid electrolyte in the positive
正極合剤層24におけるバインダーの含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、1質量%~15質量%であることが好ましく、3質量%~5質量%であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度の正極20を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、一般的なバインダーは電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。
The content of the binder in the positive
(導電助剤)
導電助剤は、正極合剤層24の電子伝導性を良好にする。導電助剤は、公知のものを用いることができる。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、鉄、アモルファス金属などの金属、ITOなどの伝導性酸化物、またはこれらの混合物である。導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。
(Conductivity aid)
The conductive aid improves the electron conductivity of the positive
正極合剤層24における導電助剤の含有率は、特に限定されない。導電助剤を添加する場合には通常、正極活物質、固体電解質、導電助剤及びバインダーの質量の総和を基準にして、導電助剤の質量比は、0.5質量%~20質量%であることが好ましく、1質量%~5質量%とすることがより好ましい。
The content of the conductive aid in the positive
「負極」
図1に示すように、負極30は、負極集電体32と負極合剤層34とを有する。負極合剤層34は、負極集電体32に接する。
"negative electrode"
As shown in FIG. 1 , the
(負極集電体)
負極集電体32は、電子伝導性を有すれば良い。負極集電体32は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属、または、伝導性樹脂等である。負極集電体32は、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
(Negative electrode current collector)
The negative electrode
(負極合剤層)
負極合剤層34は、負極活物質34Aと第1化合物34Bと有機物34Cとを含む。図2は、負極合剤層34の特徴部分を拡大した模式図である。負極合剤層34は、バインダー、導電助剤34Dを含んでもよい。バインダー及び導電助剤34Dは、公知の物を用いることができる。導電助剤34Dは、例えば、カーボンブラックである。また図3は、負極合剤層34の一つの負極活物質34Aの近傍を拡大した模式図である。
(Negative electrode mixture layer)
The negative
負極活物質34Aは、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの挿入及び脱離を可逆的に進行させることができればよく、特に限定されない。負極活物質34Aには、公知の固体電解質電池に用いられている負極活物質を使用できる。
The negative electrode
負極活物質34Aは、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などの炭素材料、Si、SiOx、Sn、アルミニウムなどのリチウムと化合できる金属、これらの合金、これら金属と炭素材料との複合材料、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、SnO2などの酸化物、金属リチウム等である。負極活物質34Aは、天然黒鉛が好ましい。
The negative electrode
第1化合物34Bは、AaEbGcXd…(1)である。第1化合物34Bは、上述のハライド系固体電解質と同じ材料である。第1化合物34Bと固体電解質層10に用いられている固体電解質とは、異なっていても同じでもよい。
The
有機物34Cは、負極活物質34Aに担持されている。図4は、負極活物質34Aが黒鉛の場合に負極活物質に担持された有機物34Cのイメージ図である。有機物34Cは、例えば、負極活物質34Aの複数の箇所に点在して担持されている。図4は、初期の充放電を繰り返す前の負極活物質34Aの近傍の状態を表す。
The
有機物34Cは、初期充電過程で負極活物質34Aとの界面に負極活物質34Aを保護するSEI被膜を形成する有機物である。SEI(Solid electrolyte interphase)被膜は、充放電過程で電池の負極活物質の表面に形成される層である。リチウムイオンはSEI被膜を通過できる一方で、リチウムイオンと共に移動する分子量の大きな分子はSEI被膜を通過できない。そのため、SEI被膜が形成されることで、負極活物質は、副反応から保護される。SEI被膜は、負極活物質を保護する保護層である。
The
有機物34Cの一部は、初期充放電過程で分解され、SEI被膜を形成する。有機物34Cの一部は、未反応で、負極合剤層34内に残る。初期充放電過程の一例は、負極のハーフセル測定において、0.01Cの電流で5mV(vs.Li/Li+)まで充電後、0.01Cの電流で3.0V(vs.Li/Li+)まで放電する過程である。換言すると、有機物34Cは、0.01Cの電流で5mV(vs.Li/Li+)まで充電後、0.01Cの電流で3.0V(vs.Li/Li+)まで放電する過程で一部が分解され、SEI被膜を形成する有機物である。
A part of the
有機物34Cは、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)、プロパンスルトン、アジピン酸ジビニル、酢酸ビニル、エチレンスルフィド、クロロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、メタンスルホン酸プロピニル、リチウムビス[1,2-オキサラト(2)-O、O’]ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロモノ[1,2-ジオキサラト(2)-O、O’]ボレート(LiDFOB)からなる群から選択される何れか、又は、これらの重合物、である。
有機物34Cは、室温で固体であることが好ましい。室温とは、例えば、25℃である。エチレンカーボネート、プロパンスルトン、アジピン酸ジビニルは、室温で固体である。
また図5は、初期の充放電を行った後の負極活物質34Aの近傍の状態のイメージ図である。負極活物質34Aの周囲にはSEI被膜35が形成されている。リチウムイオンは、SEI被膜35を通過できる。またSEI被膜35の周囲に、有機物34Cと第1化合物34Bとの混合塩37があってもよい。また図示省略しているが、未反応の有機物34Cが負極活物質34Aに担持されたままとなっていてもよい。
FIG. 5 is an image diagram of the state in the vicinity of the negative electrode
SEI被膜35は、有機のSEI被膜と無機のSEI被膜とを有する。SEI被膜35は、例えば、有機のSEI被膜が支配的な部分と、無機のSEI被膜が支配的な部分と、を有する。支配的な部分とは、特定の領域内の50%以上が特定の構造で支配されていることを意味する。
The
有機のSEI被膜は、有機物34Cが分解することで形成される。負極合剤層34に含まれる第1化合物34Bと有機物34Cとの界面で、リチウムイオンが有機物に配位し、配位構造が形成される。この配位構造が形成された部分と負極活物質34Aの界面で、初回の充電時に室温で安定なSEI被膜が形成される。当該反応は、第1化合物34Aがリチウムイオンを遊離しやすい性質のため生じると推定される。有機のSEI被膜は、有機物34Cと負極活物質34Aとの界面に形成される。図4に示すように、有機物34Cは負極活物質34Aの複数の箇所に点在して担持されているため、SEI被膜35の中に、有機のSEI被膜が支配的な部分が生じる。
The organic SEI coating is formed by decomposition of the
無機のSEI被膜は、第1化合物34Bが分解することで形成される。無機のSEI被膜は、第1化合物34Bと負極活物質34Aとの間に形成される。
The inorganic SEI coating is formed by decomposition of the
有機のSEI被膜は、無機のSEI被膜より薄い。例えば、有機のSEI被膜は数nm~数十nmであり、無機のSEI被膜は、数十nm~数百nmである。 Organic SEI coatings are thinner than inorganic SEI coatings. For example, the organic SEI coating has a thickness of several nm to several tens of nm, and the inorganic SEI coating has a thickness of several tens of nm to several hundreds of nm.
有機物34Cと第1化合物34Bとの混合塩37は、第1化合物34Bのリチウムイオンが遊離し、有機物に配位することで形成される。
The
また負極合剤層34は、さらに第2化合物34Eを含んでもよい。図6は、変形例にかかる負極合材層の特徴部分の拡大図である。第2化合物34Eは、第1化合物34Bと異なる。第2化合物34Eは、LiaEbXd…(2)で表される。式(2)において、X、E、a、b、dの定義は上記の式(1)と同じである。
Moreover, the negative
式(2)で表される化合物は、例えば、EはAl、Zr、Hfからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0.5≦a<3、0<b<0.05、0<d≦3である。式(2)で表される化合物は、EとしてZrを、XとしてCl、Iの少なくとも1種含むことが好ましい。 In the compound represented by formula (2), for example, E is at least one element selected from the group consisting of Al, Zr, and Hf, and 0.5≦a<3, 0<b<0.05 , 0<d≦3. The compound represented by the formula (2) preferably contains at least one of Zr as E, Cl, and I as X.
第2化合物34Eは、例えば、負極活物質34Aと第1化合物34Bとの間にある。第2化合物34Eは、負極活物質34Aと第1化合物34Bとの反応を防止し、第1化合物34Bの分解を抑制する。
The
第2化合物34Eは、例えば、負極活物質34Aの周囲の少なくとも一部を被覆している。第2化合物34Eは、負極合剤層34を積層方向に沿って切断した断面において、負極活物質34Aの周囲長の30%以上を被覆していることが好ましい。断面画像は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)で確認できる。
The
式(2)で表される化合物は、物理的な力に対して変形しやすく、化学的に相溶しやすい。そのため、第2化合物34Eは、物理的な力を受けて負極活物質34Aの表面にコーティングする。また第2化合物34Eは、第1化合物34Bに対する相溶性が高いことで、分子レベルで、負極活物質34Aと第1化合物34Bとの間を結合する。
The compound represented by formula (2) is easily deformed by physical force and is chemically compatible. Therefore, the
負極合剤層34に含まれる第1化合物34Bの質量%は、例えば、有機物34Cの質量%より大きい。また負極合剤層34に含まれる第1化合物34Bの質量%は、例えば、第2化合物34Eの質量%より大きい。負極合剤層34に含まれる有機物34Cの質量%は、例えば、第2化合物34Eの質量%より大きい。
The mass % of the
負極合剤層34に含まれる負極活物質34Aの質量%は、例えば、50質量%以上であり、好ましくは60質量%以上である。負極合剤層34に含まれる第1化合物34Bの質量%は、例えば、20質量%以上30質量%以下である。負極合剤層34に含まれる有機物34Cの質量%は、例えば、10質量%以下である。第2化合物34Eの質量%は、例えば、10質量%以下である。
The mass % of the negative electrode
負極活物質34Aの平均粒径は、例えば、有機物34Cまたは第2化合物34Eの平均粒径より大きい。当該条件を満たすと、負極活物質34Aと第1化合物34Bとの間に、有機物34Cや第2化合物34Eが形成されやすくなる。
The average particle size of the negative electrode
平均粒径は、負極合剤層34を積層方向に沿って切断した断面画像から求める。断面画像は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)で確認できる。断面画像で確認できる負極活物質34A、第1化合物34B、有機物34C、第2化合物34Eをそれぞれ10個抽出し、それらの平均を求めることで平均粒径とする。それぞれの物質は、画像のコントラストから切り分けることができ、それぞれ抽出できる。負極活物質34A、第1化合物34B、有機物34C及び第2化合物34Eが不定形の場合は、その長軸方向の径を粒径とする。
The average particle size is obtained from a cross-sectional image of the negative
また負極合剤層34は、第1化合物34Bより分子量の小さいリチウム塩をさらに含んでもよい。分子量の異なるリチウム塩を混合することにより、第1化合物34Bと有機物34Cの界面でのリチウムイオンの配位構造の形成が促進され、固体電解質電池100の不可逆容量が低減する。リチウム塩は、例えば、LiF、LiCl、LiBr、LiI、LiPF6、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(SO2F)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB、LiN(FSO2)2等である。
Moreover, the negative
<外装体>
外装体50は、その内部に発電素子40を収納する。外装体50は、外部から内部への水分などの侵入を防ぐ。外装体50は、例えば図1に示すように、金属箔52と、金属箔52の各面に積層された樹脂層54と、を有する。外装体50は、金属箔52を樹脂層54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムである。
<Exterior body>
The exterior body 50 accommodates the
金属箔52は、例えばアルミ箔、ステンレス箔である。樹脂層54は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂膜を利用できる。樹脂層54を構成する材料は、内側と外側とで異なっていてもよい。例えば、外側の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(PA)等を用い、内側の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等を用いることができる。
The metal foil 52 is, for example, aluminum foil or stainless steel foil. For the
<端子>
端子60、62は、それぞれ正極20と負極30とに接続されている。正極20に接続された端子60は正極端子であり、負極30に接続された端子62は負極端子である。端子60、62は、外部との電気的接続を担う。端子60、62は、アルミニウム、ニッケル、銅等の導電材料から形成されている。接続方法は、溶接でもネジ止めでもよい。端子60、62は短絡を防ぐために、絶縁テープで保護することが好ましい。
<Terminal>
[固体電解質電池の製造方法]
次に、本実施形態にかかる固体電解質電池の製造方法について説明する。まず固体電解質を準備する。固体電解質は、例えば、所定のモル比で所定の元素を含む原料粉末を混合し、メカノケミカル反応をさせる方法により製造できる。また所定のモル比で所定の元素を含む原料粉末を混合、成形し、真空中または不活性ガス雰囲気中で焼結することで、焼結体の固体電解質を形成してもよい。
[Method for producing solid electrolyte battery]
Next, a method for manufacturing the solid electrolyte battery according to this embodiment will be described. First, a solid electrolyte is prepared. A solid electrolyte can be produced, for example, by mixing raw material powders containing predetermined elements in a predetermined molar ratio and causing a mechanochemical reaction. Alternatively, a solid electrolyte of a sintered body may be formed by mixing raw material powders containing a predetermined element in a predetermined molar ratio, molding, and sintering in a vacuum or in an inert gas atmosphere.
原材粉末中にハロゲン化物原料が含まれている場合、ハロゲン化物原料は、温度を上げると蒸発しやすい。このため、焼結する際の雰囲気中にハロゲンガスを共存させて、ハロゲンを補ってもよい。また、原材粉末中にハロゲン化物原料が含まれている場合、密閉性の高い型を用いてホットプレス法により焼結しても良い。この場合、型の密閉性が高いため、焼結によるハロゲン化物原料の蒸発を抑制できる。このようにして焼結することにより、所定の組成を有する化合物からなる焼結体の状態の固体電解質が得られる。 When the raw material powder contains a halide raw material, the halide raw material tends to evaporate when the temperature is raised. Therefore, a halogen gas may coexist in the atmosphere during sintering to compensate for the halogen. Moreover, when the raw material powder contains a halide raw material, it may be sintered by a hot press method using a highly airtight mold. In this case, since the mold is highly sealed, evaporation of the halide raw material due to sintering can be suppressed. By sintering in this manner, a solid electrolyte in the form of a sintered body made of a compound having a predetermined composition is obtained.
また固体電解質の製造する際に、必要に応じて熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことにより、固体電解質の結晶子サイズを調整できる。熱処理としては、例えば、アルゴンガス雰囲気中で、130℃~650℃で0.5~60時間行うことが好ましく、140℃~600℃で1~30時間行うことがより好ましい。アルゴンガス雰囲気中で、150~550℃で5~24時間行うことにより、上記結晶子サイズが5nm~500nmである固体電解質が得られる。 Moreover, when manufacturing a solid electrolyte, you may heat-process as needed. By performing heat treatment, the crystallite size of the solid electrolyte can be adjusted. The heat treatment is preferably carried out at 130° C. to 650° C. for 0.5 to 60 hours, more preferably at 140° C. to 600° C. for 1 to 30 hours, in an argon gas atmosphere. A solid electrolyte having a crystallite size of 5 nm to 500 nm can be obtained by carrying out in an argon gas atmosphere at 150 to 550° C. for 5 to 24 hours.
次いで、正極20を準備する。正極は、正極集電体22上に、正極活物質を含むペーストを塗布し、乾燥させて正極合剤層24を形成することにより製造される。
Next, the
次いで、負極30を準備する。まず負極活物質34Aに有機物34Cを担持させる。有機物34Cは、例えば、負極活物質34Aと有機物34Cとを乾式混合することで、負極活物質34Aの表面に担持する。また有機物34Cを溶媒に添加した後に負極活物質34Aと混合する湿式混合法で、負極活物質34Aの表面に有機物34Cを担持させてもよい。また乾式混合又は湿式混合の際に、リチウム塩を追加してもよい。次いで、有機物34Cが担持した負極活物質34、第1化合物34Bを混合したペーストを負極集電体32に塗布する。そして、塗布膜を乾燥させて負極合剤層34を形成する。ペーストには、必要に応じて第2化合物34Eを添加してもよい。
Next, the
発電素子40は、例えば、粉末成型法を用いて作製できる。正極20の上に、穴部を有するガイドを設置し、ガイド内に固体電解質を充填する。その後、固体電解質の表面をならし、固体電解質の上に負極30を重ねる。このことにより、正極20と負極30との間に固体電解質が挟まれる。その後、正極20および負極30に圧力を加えることで、固体電解質を加圧成形する。加圧成形されることにより、正極20と固体電解質層10と負極30が、この順に積層された積層体が得られる。
The
次に、積層体を形成している正極20の正極集電体22および負極30の負極集電体32に、それぞれ公知の方法により外部端子を溶接し、正極集電体22または負極集電体32と外部端子とを電気的に接続する。その後、外部端子と接続された積層体を外装体50に収納し、外装体50の開口部をヒートシールすることにより密封する。以上の工程により、本実施形態の固体電解質電池100が得られる。
Next, external terminals are welded by a known method to the positive electrode
本実施形態に係る固体電解質電池100は、負極合剤層34が有機物34Cを有することで、負極活物質34Aの表面に安定なSEI被膜を形成できる。有機物34Cの分解に伴うSEI被膜は、第1化合物34Bの分解に伴うSEI被膜より薄く形成される。すなわち、有機物34Cの分解に伴うSEI被膜は、第1化合物34Bの分解に伴うSEI被膜より消費される化学容量が少ない。第1化合物34Bの代わりに有機物34Cが分解され、第1化合物34Bの分解を抑制することで、固体電解質電池100の不可逆容量が小さくなり、初期充放電効率が向上する。
In the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. , substitutions, and other modifications are possible.
「実施例1」
(固体電解質の作製)
露点約-70℃のグローブボックス内において、塩化ジルコニウム(ZrCl4)と硫酸リチウム(Li2SO4)とをそれぞれ、モル比で1:1の割合になるように原料粉末を秤量した。あらかじめジルコニアボールを入れている遊星型ボールミル用のジルコニア製密閉容器に、原料粉末を投入した。次に密閉容器に蓋をし、蓋を容器本体にねじ止めし、さらに蓋と容器の間をポリイミドテープでシールした。ポリイミドテープは水分を遮断する効果がある。次に、ジルコニア製密閉容器を遊星型ボールミルにセットした。自転回転数500rpm、公転回転数500rpmとし、自転の回転方向と公転の回転方向とを逆方向として、24時間メカノケミカル反応させ、固体電解質(Li2ZrSO4Cl4)を生成させた。
"Example 1"
(Preparation of solid electrolyte)
In a glove box with a dew point of about −70° C., raw material powders of zirconium chloride (ZrCl 4 ) and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) were weighed out in a molar ratio of 1:1. The raw material powder was charged into a zirconia airtight container for a planetary ball mill containing zirconia balls in advance. Next, the sealed container was covered with a lid, the lid was screwed to the container body, and the gap between the lid and the container was sealed with polyimide tape. Polyimide tape has the effect of blocking moisture. Next, the zirconia airtight container was set in a planetary ball mill. A rotation speed of 500 rpm and a rotation speed of 500 rpm were set, and the rotation direction of rotation and the rotation direction of revolution were reversed, and mechanochemical reaction was carried out for 24 hours to generate a solid electrolyte (Li 2 ZrSO 4 Cl 4 ).
得られた固体電解質は、平均1次粒子径が0.1μmであった。なお、遊星型ボールミルは、通常雰囲気(大気)中に設置している。遊星型ボールミル用のジルコニア製密閉容器はねじ止めさらにポリイミドテープでシールしてあり、遊星型ボールミルにジルコニア製密閉容器をセットすると、ジルコニア製密閉容器が固く押圧固定される構造であるため、通常雰囲気であっても、ジルコニア製密閉容器内には大気から水分の混入は殆どないと考えられる。 The obtained solid electrolyte had an average primary particle size of 0.1 μm. The planetary ball mill is usually installed in the atmosphere (atmosphere). The sealed zirconia container for the planetary ball mill is screwed and sealed with polyimide tape. Even so, it is considered that the zirconia sealed container hardly contains moisture from the atmosphere.
(負極合剤の作製)
負極合剤も、露点約-70℃のグローブボックス内で作製した。負極活物質34Aとして平均粒子径が11.0μmの黒鉛(Gr)を用いた。この黒鉛の公称容量は342mAhg-1である。また第1化合物34Bとして上記の固体電解質と同じものを用いた。有機物34Cとして、エチレンカーボネート(EC)を用いた。負極活物質34Aと、第1化合物34Bと、絶縁物34Cとを、質量比で70:29.25:0.75(=Gr:Li2ZrSO4Cl4:EC)となるように秤量し、めのう製の乳棒と乳鉢を用いて15分間混合して負極合剤を得た。このように混合により負極合剤を作製する方法を、乾式混合という。
(Preparation of negative electrode mixture)
A negative electrode mixture was also prepared in a glove box with a dew point of about -70°C. Graphite (Gr) having an average particle size of 11.0 μm was used as the negative electrode
(ハーフセルの作製)
ハーフセルも、露点約-70℃のグローブボックス内で作製した。ハーフセルは、ペレット作製治具を用いて作製した。ペレット作製治具は、内径10mmのPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)製ホルダーと、直径9.99mmの上パンチおよび下パンチとを有する。上下パンチの材質はダイス鋼(SKD11材)である。
(Fabrication of half-cell)
A half-cell was also fabricated in a glove box with a dew point of about -70°C. A half cell was produced using a pellet production jig. The pellet production jig has a PEEK (polyetheretherketone) holder with an inner diameter of 10 mm and upper and lower punches with a diameter of 9.99 mm. The material of the upper and lower punches is die steel (SKD11 material).
ペレット作製治具のPEEK製ホルダーに下パンチを挿入し、下パンチの上に固体電解質を110mg投入した。次いで、樹脂ホルダーを振動させ、固体電解質の表面を均した後、固体電解質の上に上パンチを挿入して、プレス機を用いて約4KNの加重でプレスした。 A lower punch was inserted into the PEEK holder of the pellet production jig, and 110 mg of the solid electrolyte was put on the lower punch. Next, after the resin holder was vibrated to level the surface of the solid electrolyte, an upper punch was inserted onto the solid electrolyte and pressed with a load of about 4 KN using a pressing machine.
次に、上パンチを抜いて、固体電解質の上に、負極合剤を10mg投入した。次いで、PEEK製ホルダーを振動させ、負極合剤の表面を均した後、負極合剤の上に上パンチを挿入して、プレス機を用いて3KNの加重でプレスした。次に、下パンチを外して、固体電解質層の上に直径10mmのLi箔を投入し、下パンチを挿入した。こうして、負極合剤層、固体電解質層、Li箔が順に積層されたハーフセルを作製した。 Next, the upper punch was pulled out, and 10 mg of the negative electrode mixture was put on the solid electrolyte. Next, after the PEEK holder was vibrated to level the surface of the negative electrode mixture, an upper punch was inserted onto the negative electrode mixture and pressed with a load of 3 KN using a pressing machine. Next, the lower punch was removed, a Li foil with a diameter of 10 mm was put on the solid electrolyte layer, and the lower punch was inserted. In this way, a half cell was produced in which the negative electrode mixture layer, the solid electrolyte layer, and the Li foil were laminated in this order.
また、直径50mm、厚み5mmのステンレス鋼板2枚と、直径50mm、厚み2mmのベークライト(登録商標)板2枚とを準備した。次いで、2枚のステンレス鋼板および2枚のベークライト(登録商標)板に、ネジを通す穴をそれぞれ4つずつ設けた。ネジを通す穴は、電気化学セルと、2枚のステンレス鋼板および2枚のベークライト(登録商標)板とを積層したときに、2枚のステンレス鋼板と2枚のベークライト(登録商標)板とが平面視で重なり、かつ電気化学セルと平面視で重ならない位置に設けた。 Also, two stainless steel plates with a diameter of 50 mm and a thickness of 5 mm and two Bakelite (registered trademark) plates with a diameter of 50 mm and a thickness of 2 mm were prepared. Next, two stainless steel plates and two Bakelite (registered trademark) plates were each provided with four holes for passing screws. When the electrochemical cell, two stainless steel plates, and two Bakelite (registered trademark) plates are stacked, the holes for the screws are formed between the two stainless steel plates and the two Bakelite (registered trademark) plates. It was provided at a position that overlaps with the electrochemical cell in plan view and does not overlap with the electrochemical cell in plan view.
その後、ステンレス鋼板、ベークライト(登録商標)板、ハーフセル、ベークライト(登録商標)板、ステンレス鋼板をこの順に積層し、上記のネジ穴にネジを入れて1N・mのトルクで締めた。このようにして、電気化学セルの上パンチおよび下パンチが、ベークライト(登録商標)板によって絶縁されたハーフセルを得た。次に、前記ハーフセルを25℃の恒温槽に48時間静置し開回路電圧を安定させた。 Thereafter, a stainless steel plate, a Bakelite (registered trademark) plate, a half cell, a Bakelite (registered trademark) plate, and a stainless steel plate were laminated in this order, and screws were inserted into the screw holes and tightened with a torque of 1 N·m. Thus, a half cell was obtained in which the upper and lower punches of the electrochemical cell were insulated by Bakelite® plates. Next, the half cell was placed in a constant temperature bath at 25° C. for 48 hours to stabilize the open circuit voltage.
作製したハーフセルを用いて、負極の電気化学特性を評価した。測定は25℃の恒温槽にハーフセルを静置して行った。充放電電流の表記には、C(シー)レートを用いた。nC(mA)は、公称容量(mAh)を1/n(h)で充放電できる電流である。上記の黒鉛の公称放電容量は342mAhg-1であるので、上記ハーフセルの公称容量は、「負極合剤質量(mg)」/1000×「負極合剤中の黒鉛の割合」×「黒鉛の公称容量(mAhg-1)」=10/1000×0.67×342=2.29mAhとなる。従って、0.01Cの電流は2.29mA×0.01×1000=22.9μAとなる。0.01Cの電流で5mV(vs.Li/Li+)まで充電し、0.01Cの電流で3.0V(vs.Li/Li+)まで放電した。実施例1のセルの初期充放電効率は、65%であった。 Electrochemical characteristics of the negative electrode were evaluated using the half cell thus produced. The measurement was carried out by leaving the half cell in a constant temperature bath at 25°C. The C (see) rate was used for the notation of the charge/discharge current. nC (mA) is the current that can charge and discharge the nominal capacity (mAh) at 1/n (h). Since the nominal discharge capacity of the above graphite is 342 mAhg −1 , the nominal capacity of the half cell is “negative electrode mixture mass (mg)” / 1000 × “ratio of graphite in negative electrode mixture” × “nominal capacity of graphite (mAhg −1 )”=10/1000×0.67×342=2.29 mAh. Therefore, the current of 0.01C is 2.29mA*0.01*1000=22.9uA. It was charged to 5 mV (vs. Li/Li + ) at a current of 0.01 C and discharged to 3.0 V (vs. Li/Li + ) at a current of 0.01 C. The initial charge/discharge efficiency of the cell of Example 1 was 65%.
初期充放電効率は、次式で求めた。
初期充放電効率(%)=放電容量(mAh)/充電容量(mAh)×100
The initial charge/discharge efficiency was obtained by the following formula.
Initial charge/discharge efficiency (%) = discharge capacity (mAh) / charge capacity (mAh) x 100
次にグローブボックス内において、この充放電後のハーフセルを分解し、負極合剤を取り出して切断し、断面を走査型電子顕微鏡で測定した。そして、絶縁物が、負極活物質と第1化合物との間にあることを確認した。また負極活物質、絶縁物の粒径を測定した。 Next, in a glove box, the half cell after charging and discharging was disassembled, the negative electrode mixture was taken out and cut, and the cross section was measured with a scanning electron microscope. Then, it was confirmed that an insulator was present between the negative electrode active material and the first compound. Also, the particle diameters of the negative electrode active material and the insulator were measured.
「実施例2~実施例12」
実施例2~実施例12は、有機物として用いる材料を変更した点が、実施例1と異なる。また実施例2~実施例12の中には、負極活物質34Aへの有機物の担持方法として、湿式混合を適用したものもある(表1参照)。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例1と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
実施例2は、有機物をフルオロエチレンカーボネート(FEC)とした。
実施例3は、有機物をビニレンカーボネート(VC)とした。
実施例4は、有機物をプロパンスルトンとした。
実施例5は、有機物をアジピン酸ジビニルとした。
実施例6は、有機物を酢酸ビニルとした。
実施例7は、有機物をエチレンスルフィドとした。
実施例8は、有機物をクロロエチレンカーボネート(CLEC)とした。
実施例9は、有機物をカテコールカーボネートとした。
実施例10は、有機物をメタンスルホン酸プロピニルとした。
実施例11は、有機物をリチウムビス[1,2-オキサラト(2)-O,O’]ボレート(LiBOB)とした。
実施例12は、有機物をリチウムジフルオロモノ[1,2-ジオキサラト(2)-O,O’]ボレート(LiDFOB)とした。
"Example 2 to Example 12"
Examples 2 to 12 are different from Example 1 in that the material used as the organic substance was changed. Some of Examples 2 to 12 employ wet mixing as a method for supporting organic matter on the negative electrode
In Example 2, fluoroethylene carbonate (FEC) was used as the organic substance.
In Example 3, vinylene carbonate (VC) was used as the organic substance.
In Example 4, propane sultone was used as the organic matter.
In Example 5, divinyl adipate was used as the organic substance.
In Example 6, vinyl acetate was used as the organic matter.
In Example 7, ethylene sulfide was used as the organic substance.
In Example 8, chloroethylene carbonate (CLEC) was used as the organic matter.
In Example 9, catechol carbonate was used as the organic matter.
In Example 10, propynyl methanesulfonate was used as the organic matter.
In Example 11, lithium bis[1,2-oxalato(2)-O,O']borate (LiBOB) was used as the organic material.
In Example 12, lithium difluoromono[1,2-dioxalato(2)-O,O']borate (LiDFOB) was used as the organic substance.
「実施例13」
実施例13は、負極合剤にリチウム塩としてLiClを添加した点が、実施例2と異なる。負極活物質34Aと第1化合物34Bと絶縁物34Cとリチウム塩の質量比は、70:29.25:0.68:0.07(=Gr:Li2ZrSO4Cl4:FEC:LiCl)とした。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例2と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
"Example 13"
Example 13 differs from Example 2 in that LiCl was added as a lithium salt to the negative electrode mixture. The mass ratio of the negative electrode
「実施例14」
実施例14は、負極合剤に第2化合物としてLi1.96Zr0.01Cl2を添加した点が、実施例2と異なる。負極活物質34Aと第1化合物34Bと有機物34Cと第2化合物34Eの質量比は、70:29:0.75:0.25(=Gr:Li2ZrSO4Cl4:FEC:Li2Zr0.01Cl2)とした。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例2と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
"Example 14"
Example 14 differs from Example 2 in that Li 1.96 Zr 0.01 Cl 2 was added as the second compound to the negative electrode mixture. The mass ratio of the negative electrode
「実施例15~17」
実施例15~17は、第1化合物及び固体電解質を変更した点が実施例2と異なる。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例2と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
実施例15は、第1化合物をLi2Zr(HCOO)Cl5とした。
実施例16は、第1化合物をLi2Zr((COO)2)0.5Cl5とした。
実施例17は、第1化合物をLi2Zr(CH3COO)Cl5とした。
"Examples 15-17"
Examples 15-17 differ from Example 2 in that the first compound and the solid electrolyte were changed. A half cell was produced with the other configurations being the same, and the initial charge/discharge efficiency was determined under the same charge/discharge conditions as in Example 2.
Example 15 used Li 2 Zr(HCOO)Cl 5 as the first compound.
Example 16 used Li 2 Zr((COO) 2 ) 0.5 Cl 5 as the first compound.
Example 17 used Li 2 Zr(CH 3 COO)Cl 5 as the first compound.
「実施例18」
実施例18は、負極活物質をシリコンに変え、導電助剤としてカーボンブラック、リチウム塩としてLiPF6を追加した点が、実施例2と異なる。負極活物質34Aと導電助剤34Dと第1化合物34Bと有機物34Cとリチウム塩の質量比は、67:3:29.25:0.7:0.05(=Gr:CB:Li2ZrSO4Cl4:FEC:LiPF6)とした。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例2と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
"Example 18"
Example 18 differs from Example 2 in that the negative electrode active material is changed to silicon, carbon black is added as a conductive agent, and LiPF 6 is added as a lithium salt. The mass ratio of the negative electrode
「比較例1」
比較例1は、負極合剤を作製する際に、有機物34Cを添加しなかった点が実施例1と異なる。負極合剤における負極活物質34Aと第1化合物34Bの質量比は、70:30とした。その他の構成は同様にして、ハーフセルを作製し、実施例1と同じ充放電条件で初期充放電効率を求めた。
"Comparative Example 1"
Comparative Example 1 differs from Example 1 in that the
以下の表1に実施例1~20及び比較例1の結果をまとめた。表1中のGrは黒鉛、CBはカーボンブラックを表す。 The results of Examples 1 to 20 and Comparative Example 1 are summarized in Table 1 below. Gr in Table 1 represents graphite, and CB represents carbon black.
実施例1~20に示す負極を用いたセルはいずれも、比較例1に示す負極を用いたセルより初期充放電効率より高かった。すなわち、有機物を負極合剤に添加することで、初期充放電効率が向上した。 All of the cells using the negative electrodes of Examples 1 to 20 had higher initial charge-discharge efficiencies than the cells using the negative electrode of Comparative Example 1. That is, the initial charge/discharge efficiency was improved by adding an organic substance to the negative electrode mixture.
10…固体電解質層、20…正極、22…正極集電体、24…正極合剤層、30…負極、32…負極集電体、34…負極合剤層、34A…負極活物質、34B…第1化合物、34C…有機物、34D…導電助剤、34E…第2化合物、40…発電素子、50…外装体、52…金属箔、54…樹脂層、60,62…端子、100…固体電解質電池
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1化合物は、AaEbGcXd…(1)であり、
式(1)において、
AはLi、または、NaとCaとのうちの少なくとも一方とLiであり、
EはAl、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイドからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
GはOH、BO2、BO3、BO4、B3O6、B4O7、CO3、NO3、AlO2、SiO3、SiO4、Si2O7、Si3O9、Si4O11、Si6O18、PO3、PO4、P2O7、P3O10、SO3、SO4、SO5、S2O3、S2O4、S2O5、S2O6、S2O7、S2O8、BF4、PF6、BOB、(COO)2、N、AlCl4、CF3SO3、CH3COO、CF3COO、OOC-(CH2)2-COO、OOC-CH2-COO、OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO、OOC-CH(OH)-CH2-COO、C6H5SO3、OOC-CH=CH-COO、OOC-CH=CH-COO、C(OH)(CH2COOH)2COO、AsO4、BiO4、CrO4、MnO4、PtF6、PtCl6、PtBr6、PtI6、SbO4、SeO4、TeO4、HCOO、Oからなる群から選択される少なくとも1つの基であり、
XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
0.5≦a<6、0<b<2、0≦<c≦6、0<d≦6.1を満たす、固体電解質電池用負極。 a negative electrode active material, a first compound, and an organic material that forms an SEI film that protects the negative electrode active material at the interface with the negative electrode active material during an initial charging process, and that is supported by the negative electrode active material;
The first compound is A a E b G c X d (1),
In formula (1),
A is Li or at least one of Na and Ca and Li;
E is at least one element selected from the group consisting of Al, Sc, Y, Zr, Hf, and lanthanides;
G is OH, BO2, BO3, BO4, B3O6 , B4O7 , CO3 , NO3 , AlO2 , SiO3 , SiO4 , Si2O7 , Si3O9 , Si4 O11 , Si6O18 , PO3 , PO4, P2O7 , P3O10 , SO3 , SO4 , SO5 , S2O3 , S2O4 , S2O5 , S2 O6 , S2O7 , S2O8 , BF4 , PF6 , BOB , (COO) 2 , N, AlCl4 , CF3SO3 , CH3COO , CF3COO , OOC- ( CH2 ) 2 -COO, OOC-CH2 - COO, OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO, OOC-CH ( OH)-CH2 - COO, C6H5SO3 , OOC-CH=CH- COO , OOC-CH=CH-COO, C(OH)( CH2COOH ) 2COO , AsO4, BiO4 , CrO4 , MnO4 , PtF6 , PtCl6, PtBr6 , PtI6 , SbO4 , SeO 4 , TeO 4 , HCOO, and at least one group selected from the group consisting of O;
X is at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I;
A negative electrode for a solid electrolyte battery that satisfies 0.5≦a<6, 0<b<2, 0≦<c≦6, and 0<d≦6.1.
前記第2化合物は、前記第1化合物と異なり、LiaEbXd…(2)であり、
式(2)において、
EはAl、Sc、Y、Zr、Hf、ランタノイドからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
0.5≦a<6、0<b<2、0<d≦6.1を満たす、請求項1に記載の固体電解質電池用負極。 further comprising a second compound;
The second compound is Li a E b X d (2), unlike the first compound,
In formula (2),
E is at least one element selected from the group consisting of Al, Sc, Y, Zr, Hf, and lanthanides;
X is at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I;
2. The negative electrode for a solid electrolyte battery according to claim 1, which satisfies 0.5≦a<6, 0<b<2, and 0<d≦6.1.
前記SEI被膜は、前記有機物と前記負極活物質との界面に形成された有機のSEI被膜と、前記第1化合物と前記負極活物質との間に形成された無機のSEI被膜と、を有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の固体電解質電池用負極。 Further comprising the SEI coating covering the negative electrode active material,
The SEI coating includes an organic SEI coating formed at the interface between the organic substance and the negative electrode active material, and an inorganic SEI coating formed between the first compound and the negative electrode active material, The negative electrode for a solid electrolyte battery according to any one of claims 1 to 5.
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