JP2008243735A - Solid electrolyte, its molding method, lithium ion secondary battery and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質およびその成形方法、並びに当該固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte and a forming method thereof, a lithium ion secondary battery using the solid electrolyte, and a method of manufacturing the same.
現在、携帯電話やノートパソコンで実用化されているリチウムイオン二次電池の電解質は、非水系電解液や、それを高分子ポリマーに保持させたゲル電解質からなる。これら非水系電解液は可燃性を有しており、爆発引火する可能性が高いという問題点があるために、電解質として無機材料からなる固体電解質を用いることが検討されている。 Currently, the electrolyte of a lithium ion secondary battery that is put into practical use in a mobile phone or a notebook computer is composed of a non-aqueous electrolyte solution or a gel electrolyte in which the polymer polymer is held. Since these non-aqueous electrolytes are flammable and have a problem of high possibility of explosion and ignition, it has been studied to use a solid electrolyte made of an inorganic material as an electrolyte.
一般に、固体電解質は粉末状あるいは粒子状のものとして供給される。この粉末状の固体電解質をシート状に成形する場合、従来、固体電解質の粉末と、当該粉末同士を接着させる材料とを混合して、シート状に成形していた(特許文献1参照)。
しかしながら、この場合、成形された固体電解質中に電気伝導に寄与しない材料が含まれることとなり、固体電解質内部の抵抗が高くなり、イオン伝導率が低下するという問題があった。一方で、接着材料を含まない粉末の集合体としての固体電解質では、粉末間の接触抵抗に起因して、同様に固体電解質内部の抵抗が高くなってしまうという問題がある。 However, in this case, the molded solid electrolyte contains a material that does not contribute to electric conduction, and there is a problem that the internal resistance of the solid electrolyte increases and the ionic conductivity decreases. On the other hand, the solid electrolyte as an aggregate of powder that does not contain an adhesive material has a problem that the resistance inside the solid electrolyte similarly increases due to the contact resistance between the powders.
本発明の目的は、抵抗の低い固体電解質およびその成形方法、並びに当該固体電解質を用いた内部抵抗の低いリチウムイオン二次電池およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a solid electrolyte having a low resistance and a molding method thereof, a lithium ion secondary battery having a low internal resistance using the solid electrolyte, and a method for producing the same.
上記の課題を解決するため、本発明に係る固体電解質は、結晶相を有する粒子が融着して成形されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the solid electrolyte according to the present invention is characterized in that particles having a crystalline phase are fused and formed.
このような構成によれば、結晶相を有する粒子が融着していることから、単に粒子同士が接触している場合に比べて、接触抵抗が低くなる。また、電気伝導に寄与しない結着剤等の材料を含まずとも、1つの成形された固体電解質が構成されるため、そのような場合と比べて抵抗を低くすることができる。 According to such a configuration, since the particles having a crystal phase are fused, the contact resistance is lower than when the particles are simply in contact with each other. Moreover, since one molded solid electrolyte is comprised even if it does not contain materials, such as a binder which does not contribute to electrical conduction, resistance can be made low compared with such a case.
上記の課題を解決するため、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、前記正極および負極の間に介在する、結晶相を有する粒子が融着して成形された固体電解質と、を含む。 In order to solve the above problems, a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte formed by fusing particles having a crystalline phase interposed between the positive electrode and the negative electrode. And including.
このような構成によれば、結晶相を有する粒子が融着していることから、単に粒子同士が接触している場合に比べて、接触抵抗が低くなる。したがって、固体電解質の抵抗を低くできる。電気伝導に寄与しない結着剤等の材料を含まずとも、1つの成形された固体電解質が構成されるため、そのような場合と比べて抵抗を低くすることができる。固体電解質の抵抗を低くできることから、電池の内部抵抗の低抵抗化に繋がる。 According to such a configuration, since the particles having a crystal phase are fused, the contact resistance is lower than when the particles are simply in contact with each other. Therefore, the resistance of the solid electrolyte can be lowered. Even if a material such as a binder that does not contribute to electrical conduction is not included, one molded solid electrolyte is formed, so that the resistance can be lowered as compared with such a case. Since the resistance of the solid electrolyte can be lowered, the internal resistance of the battery is reduced.
前記固体電解質は、表面に凹凸が形成されており、前記正極および/または前記負極は、前記固体電解質の前記凹凸に合致した表面形状を有することが好ましい。電池の出力密度は、電極と固体電解質の接触面積にも関係している。このため、上記構成により、電池の出力密度を高めることができる。 The solid electrolyte preferably has irregularities formed on the surface thereof, and the positive electrode and / or the negative electrode preferably have a surface shape that matches the irregularities of the solid electrolyte. The power density of the battery is also related to the contact area between the electrode and the solid electrolyte. For this reason, the output density of a battery can be raised with the said structure.
さらに好ましくは、前記正極および/または前記負極は、シート状の集電体と、前記集電体の前記固体電解質側に設けられた、活物質の粒子を含む活物質層と、を有する。集電体の前記固体電解質側に配置された活物質層が活物質の粒子を含むことにより、当該粒子が固体電解質の表面の凹凸に充填され、その結果、活物質層の表面形状は、固体電解質の表面の凹凸に合致したものとなる。上記構成では、固体電解質の表面形状に合致した活物質層の表面形状を得るために、パターニング工程が不要となる。 More preferably, the positive electrode and / or the negative electrode include a sheet-like current collector and an active material layer including active material particles provided on the solid electrolyte side of the current collector. When the active material layer disposed on the solid electrolyte side of the current collector contains particles of the active material, the particles are filled in the irregularities on the surface of the solid electrolyte, and as a result, the surface shape of the active material layer is solid. It matches the unevenness of the electrolyte surface. In the above configuration, the patterning step is not required in order to obtain the surface shape of the active material layer that matches the surface shape of the solid electrolyte.
また、前記活物質層は、前記活物質の粒子と、前記固体電解質の粒子とを含み、前記活物質と前記固体電解質の粒子が融着していることが好ましい。これにより、活物質層と固体電解質との界面においてのみ活物質と固体電解質の粒子が接触している場合に比べて、活物質と固体電解質の粒子同士の接触面積を大きくすることができる。また、活物質と固体電解質の粒子とを融着させることにより、異粒子間の接触抵抗を低く抑えることができる。 The active material layer preferably includes the active material particles and the solid electrolyte particles, and the active material and the solid electrolyte particles are preferably fused. Thus, the contact area between the active material and the solid electrolyte particles can be increased as compared with the case where the active material and the solid electrolyte particles are in contact only at the interface between the active material layer and the solid electrolyte. Moreover, the contact resistance between different particles can be kept low by fusing the active material and the solid electrolyte particles.
上記の課題を解決するため、本発明に係る固体電解質の成形方法は、固体電解質の粉末を加熱した状態でプレスすることにより、前記粉末中の粒子を融着させて、固体電解質を成形することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a method for forming a solid electrolyte according to the present invention includes pressing a solid electrolyte powder in a heated state to fuse particles in the powder to form a solid electrolyte. It is characterized by.
このような構成によれば、粒子の表面層が僅かに融けた状態で接合(融着)されて、固体電解質の成形品が得られる。したがって、電気伝導に寄与しない接着剤を用いずとも固体電解質の粉末から固体電解質の成形品が得られる。 According to such a configuration, the particle surface layer is bonded (fused) in a slightly melted state, and a solid electrolyte molded product is obtained. Accordingly, a solid electrolyte molded product can be obtained from the solid electrolyte powder without using an adhesive that does not contribute to electrical conduction.
上記の課題を解決するため、本発明に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、固体電解質の粉末を加熱した状態でプレスすることにより、前記粉末中の粒子を融着させて、固体電解質を成形する工程と、前記固体電解質の両側に正極および負極を加熱圧着する工程と、を有する。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a lithium ion secondary battery according to the present invention includes pressing a solid electrolyte powder in a heated state to fuse particles in the powder to obtain a solid electrolyte. A step of forming, and a step of thermocompression bonding the positive electrode and the negative electrode on both sides of the solid electrolyte.
このような構成によれば、粒子の表面層が僅かに融けた状態で接合(融着)されて、固体電解質の成形品が得られ、この固体電解質の両側に正極および負極が加熱圧着されて、リチウムイオン二次電池が製造される。したがって、電気伝導に寄与しない接着剤を用いずとも固体電解質の粉末から固体電解質の成形品を製造でき、当該固体電解質を用いてリチウムイオン二次電池が製造される。 According to such a configuration, the surface layer of the particles is joined (fused) in a slightly melted state to obtain a solid electrolyte molded product, and the positive electrode and the negative electrode are thermocompression bonded to both sides of the solid electrolyte. A lithium ion secondary battery is manufactured. Therefore, a molded product of the solid electrolyte can be manufactured from the powder of the solid electrolyte without using an adhesive that does not contribute to electrical conduction, and a lithium ion secondary battery is manufactured using the solid electrolyte.
前記固体電解質を成形する工程において、前記固体電解質の粉末を前記固体電解質の転移点温度以上であり、軟化点温度以下の温度に加熱した状態でプレスすることが好ましい。固体電解質の転移点温度以上に加熱することにより、粉末中の粒子の結晶化および融着が可能となる。また、軟化点温度を超えて加熱してしまうと、結晶構造が変化して導電率が低下することがあるので、軟化点温度以下の温度に加熱することが好ましい。 In the step of forming the solid electrolyte, the solid electrolyte powder is preferably pressed in a state of being heated to a temperature not lower than the transition temperature of the solid electrolyte and not higher than the softening temperature. By heating above the transition temperature of the solid electrolyte, the particles in the powder can be crystallized and fused. In addition, if the heating exceeds the softening point temperature, the crystal structure may change and the electrical conductivity may decrease, so it is preferable to heat to a temperature below the softening point temperature.
前記固体電解質を成形する工程において、減圧下において前記固体電解質の粉末を加熱した状態でプレスする。これにより、固体電解質粒子間の空隙を減少させることができ、より緻密な融着が可能となる。緻密な融着は、固体電解質粒子の接触面積の増大に繋がり、固体電解質の抵抗を低くすることができる。 In the step of forming the solid electrolyte, the solid electrolyte powder is pressed in a heated state under reduced pressure. Thereby, the space | gap between solid electrolyte particles can be reduced, and a denser fusion | fusion is attained. Dense fusion leads to an increase in the contact area of the solid electrolyte particles, and can reduce the resistance of the solid electrolyte.
本発明の固体電解質によれば、固体電解質の抵抗を低くすることができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、固体電解質の抵抗を低くすることで、電池の内部抵抗を低くすることができる。また、本発明の固体電解質の成形方法によれば、接着剤を用いずに、低い抵抗を有する固体電解質を簡易に成形することができる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法によれば、内部抵抗の低いリチウムイオン二次電池を製造することができる。 According to the solid electrolyte of the present invention, the resistance of the solid electrolyte can be lowered. Moreover, according to the lithium ion secondary battery of this invention, the internal resistance of a battery can be made low by making resistance of a solid electrolyte low. Further, according to the method for molding a solid electrolyte of the present invention, a solid electrolyte having low resistance can be easily molded without using an adhesive. Furthermore, according to the manufacturing method of the lithium ion secondary battery of this invention, a lithium ion secondary battery with low internal resistance can be manufactured.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<リチウムイオン二次電池の構成>
図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の概略断面図である。リチウムイオン二次電池は、正極10と、負極20と、正極10および負極20間に介在する電解質30とを有する。
<Configuration of lithium ion secondary battery>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lithium ion secondary battery according to this embodiment. The lithium ion secondary battery includes a
正極10は、シート状の正極集電体11と、正極集電体11の固体電解質30側に配置された正極活物質層12とを有する。
The
正極集電体11は、正極10の集電のために配置され、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属や合金からなる。集電体表面は活物質の保持を促進するために、凹凸をつけたり、表面を粗らしたり、微小な穴(50μm以下)を多数個開けたものを用いることができる。
The positive electrode
正極活物質層12は、酸化還元反応により電気化学的にリチウムを挿入または脱離可能なリチウムを含む金属酸化物からなる正極活物質粒子を含む。このようなリチウムを含む金属酸化物としては、LiCoO2等のリチウム・コバルト系複合酸化物、LiNiO2等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、LiMn2O4等のリチウム・マンガン系複合酸化物、V2O5等のリチウム・バナジウム系複合酸化物、LiFeO2等のリチウム・鉄系複合酸化物を用いることができる。
The positive electrode
正極活物質層12は、正極活物質粒子の他に、当該正極活物質粒子を固化するための結着剤や、電気伝導を高めるための導電剤を含んでいてもよい。結着剤としては、スチレンーブタジエンゴム(SBR)等のゴム系樹脂や、ポリフッ化ビリニデン(PVDF)等のフッ素系樹脂を、カルボキシメチルセルロース(CMC)やN・メチル・2ピロリドン(NMP)等の、水溶液や溶媒に懸濁させて使用できる。しかし、結着剤は電気伝導に寄与しないので、できるだけ使わない方が好ましい。導電剤としては、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ等の炭素系材料を用いることができる。
In addition to the positive electrode active material particles, the positive electrode
負極20は、シート状の負極集電体21と、負極集電体21の固体電解質30側に配置された負極活物質層22とを有する。集電体表面は活物質の保持を促進するために、凹凸をつけたり、表面を粗らしたり、微小な穴(50μm以下)を多数個開けたものを用いることができる。
The
負極集電体21は、負極20の集電のために配置され、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス等の金属や合金を用いることができる。また、集電体表面は活物質の保持を促進するために、凹凸をつけたり、表面を粗らしたり、微小な穴(50μm以下)を多数個開けたものを用いることができる。
The negative electrode
負極活物質層22は、酸化還元反応により電気化学的にリチウムを挿入または脱離可能な負極活物質粒子を含む。このような負極活物質粒子として、金属リチウムや、リチウムと合金化するLiAl系、LiAg系、LiPb系、LiSi系合金がある。また、黒鉛や、樹脂を焼成炭素化した難黒鉛化炭素、コークスを熱処理した易黒鉛化炭素、フラーレン等の一般炭素材料を用いることができる。 The negative electrode active material layer 22 includes negative electrode active material particles capable of electrochemically inserting or removing lithium by an oxidation-reduction reaction. Examples of such negative electrode active material particles include metallic lithium and LiAl, LiAg, LiPb, and LiSi alloys that are alloyed with lithium. Also, general carbon materials such as graphite, non-graphitizable carbon obtained by firing carbonized resin, graphitizable carbon obtained by heat treating coke, and fullerene can be used.
負極活物質層22は、負極活物質粒子の他に、当該負極活物質粒子を固化するための結着剤や、電気伝導を高めるための導電剤を含んでいてもよい。しかし、結着剤は電気伝導に寄与しないので、できるだけ使わない方が好ましい。結着剤および導電剤の種類については、正極活物質層12で説明したのと同様である。
In addition to the negative electrode active material particles, the negative electrode active material layer 22 may include a binder for solidifying the negative electrode active material particles and a conductive agent for enhancing electrical conduction. However, since the binder does not contribute to electrical conduction, it is preferable not to use it as much as possible. The types of the binder and the conductive agent are the same as those described for the positive electrode
固体電解質30の材料としては、難燃性のガラスセラミックス系材料を用いることが好ましく、LiPON等のリン酸リチウム系、Li2S−P2S5、thio−LISICON(チオリシコン)等の硫化リチウム系、LiNbO3とLiTaO3等の複合酸化物系が使用できる。特にLi2S−P2S5は240℃〜360℃の温度範囲で繰り返し何時間加熱処理しても導電率がほぼ同じ値を示すので、加熱融着成形や加熱融着圧着等の熱処理工程を何度か行う工程では好ましい。
The material of the
図2は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の詳細な構成の一例を示す図である。図3は、固体電解質30の好ましい一形態例を示す断面図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a detailed configuration of the lithium ion
図2に示すように、本実施形態に係る固体電解質30は、結晶相を有する粒径が数十ミクロン前後の固体電解質粒子31を融着して成形したものからなる。固体電解質粒子31の平均粒径としては、5μm〜50μmが好ましく、さらに好ましくは10μm前後〜20μm前後である。ここで、平均粒径が5μm未満であると、粒子は凝集し易くなるので好ましくない。平均粒径が50μmより大きくなると、微粒子間の接触面積が小さくなり、成形体内部に空隙部が含まれ不均質になるので好ましくない。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、固体電解質30の表面に凹凸が形成されていることが好ましい。固体電解質表面に接する正極10及び/または負極20の活物質層12、22はその凹凸形状に従って凸凹形状となる。この場合、固体電解質表面の凹凸は片面にのみ形成されていても、両面に形成されていても良い。ただし、正極及び/または負極活物質に金属を用いる場合は、その極側は平坦である方が好ましいのは当然である。この凹凸形状に関しては、円柱、円錐、四角柱、四角錐、波状、線状等種々考えられ、それらの組合せでもよい。そして凹凸形状は固体電解質表面のほぼ全面に形成されている方が好ましい。
As shown in FIG. 3, it is preferable that irregularities are formed on the surface of the
固体電解質30の凹凸のアスペクト比(b/a)は、好ましくは2以上であり、さらに好ましくは5以上である。固体電解質30の表面の凹凸のアスペクト比が大きくなれば、それだけ固体電解質30と電極との接触面積が増大することから、出力密度を向上させることができる。
The aspect ratio (b / a) of the unevenness of the
また、図2に示すように、本実施形態において、正極活物質層12は、正極活物質粒子13と固体電解質30を構成する粒子と同じ固体電解質粒子14とを含み、正極活物質粒子13と固体電解質粒子14とが融着していることが好ましい。また、負極活物質層22は、負極活物質粒子23と固体電解質30を構成する粒子と同じ固体電解質粒子24を含み、負極活物質粒子23と固体電解質粒子24とが融着していることが好ましい。なお、活物質粒子中に分散している固体電解質粒子は、それ自体がイオン伝導体であるので正極活物質層12の抵抗を高くすることはない。また、活物質層12、22には結着剤が添加されている必要はないが、導電剤は必要に応じて添加してもよい。
In addition, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the positive electrode
上記の本実施形態に係る固体電解質および当該固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池1の効果について説明する。
The effects of the solid electrolyte according to the present embodiment and the lithium ion
本実施形態に係る固体電解質30は、結晶相を有する粒子が融着した固体からなることから、単に粒子同士が接触している状態に比べて、接触抵抗を著しく小さくすることができる。また、固体電解質30は、電気伝導に寄与しない結着剤等の材料(成分)を含まないことから、このような場合と比べても、抵抗を低くすることができる。
Since the
また、固体電解質30の表面を凹凸形状とし、この固体電解質30の表面形状に合致した正極および負極を配置することにより、固体電解質30の表面が平面である場合と比べて、電極の表面積を大きくすることができる。したがって、リチウムイオン二次電池を高容量化できる。この場合、固体電解質表面の凹凸は片面でも良いし両面でも良い。
Further, by making the surface of the
また、正極活物質層12が、正極活物質粒子13と固体電解質粒子14とを含み、正極活物質粒子13と固体電解質粒子14とが融着していることにより、異種粒子が単に接触している状態に比べて、接触抵抗を著しく小さくすることができる。負極活物質層22についても同様である。
Further, since the positive electrode
正極活物質層12および/または負極活物質層22が粒子の集合体からなることにより、リソグラフィやエッチング等の技術を用いずに、固体電解質30の表面形状に合わせた三次元形状化が容易となる。したがって、容易に電極表面積を大きくすることができ、高容量化を実現できる。
By forming the positive electrode
また、正極活物質層12および/または負極活物質層22中の固体電解質粒子が、固体電解質30中の粒子に対しても融着することにより、固体電解質30と活物質層12,22とを一体化することができ、両者の界面抵抗を低減化できる。
Further, the solid electrolyte particles in the positive electrode
次に、上記の本実施形態に係る固体電解質30の成形方法およびリチウムイオン二次電池1の製造方法について説明する。
Next, a method for forming the
<固体電解質製造方法>
図4〜6に、固体電解質を成形する治具構成の概略を示す。凹凸を有する固体電解質、及び正極及び/または負極を作製するために、まず固体電解質の成形を行う。成形には加圧治具を用いる。例えば、図4に示すように、強度的に十分な高さと厚みを持った中空リング40を用意する。また、図5に示すように、そのリング内径に隙間なく挿入可能な直径を有する円柱41を2本用意する。この円柱41の片面には所定の凹凸形状42が形成されており、もう片端は平坦43に加工されている。さらに、図6に示すように、中空リング40の内径に隙間なく挿入可能な直径を有し、両面が平坦な円柱49を2本用意する。
<Solid electrolyte production method>
4 to 6 show an outline of a jig configuration for forming a solid electrolyte. In order to produce a solid electrolyte having irregularities and a positive electrode and / or a negative electrode, the solid electrolyte is first molded. A pressure jig is used for molding. For example, as shown in FIG. 4, a
図7に示すように、最初に1本の円柱41を、凹凸形状42を上にして保持治具44aに立てる。そして、中空リング40を円柱41に挿入する。この時、円柱41は中空リング40から飛び出ないように保持治具で高さ調整されている。
As shown in FIG. 7, first, one
次に、図8に示すように、中空リング40内に微粉末からなる固体電解質粉末45を適量入れる。この量によって加圧融着成形後の固体電解質の厚さが決まる。少なすぎると成形された凹凸によって孔が開いてしまうし、多過ぎると抵抗値が高くなるので、成形後約50μm〜約500μmの厚さ(平均)になるような量を入れることが好ましい。固体電解質粉末45を入れた後、粒子が凹凸形状42上で均一な厚さになるように保持治具44aに振動等を与えてもよい。
Next, as shown in FIG. 8, an appropriate amount of
次に、図9に示すように、残りの円柱41を凹凸形状42が下になるように中空リング40に挿入する。この時、円柱41の平坦部43は中空リング40から出ている。
Next, as shown in FIG. 9, the remaining
次に、図10に示すように、保持治具44a上に保持治具44bをかぶせる。なお、保持治具44bには中空リング40の内部を減圧するための減圧口46を設けてある方が好ましい。
Next, as shown in FIG. 10, the holding
次に、図11に示すように、加圧の際の衝撃を吸収するバネ47を保持治具44b上に置き、加圧ピン48が円柱41の平坦部43を押すように保持治具44bに挿入する。
Next, as shown in FIG. 11, a
これら加熱融着成形に用いる治具は、加熱や加圧によって変形がなく、膨張の小さい材料が選ばれる。特に、中空リング40と2本の円柱41は成形に関わる重要な部品であるため、ハステロイ、N−155等のFe−Ni−Mo合金やFe−Ni−Cr―Co合金、グラファイト、石英等の熱膨張係数が小さく、耐熱性と強度の高い材料を用いることが好ましい。
As the jig used for the heat fusion molding, a material which is not deformed by heating or pressurization and has a small expansion is selected. In particular, since the
このようにして加圧のための準備が整った後、加圧を行う。加圧には加圧治具の形状に合わせて、油圧式プレス機等の一般的なプレス装置を用いることができる。加圧は縦方向でも横方向でもよいが、固体電解質粒子を円柱41間で均一に保持するためには、縦方向で加圧した方が好ましい。
After preparing for pressurization in this way, pressurization is performed. For pressurization, a general press apparatus such as a hydraulic press can be used in accordance with the shape of the pressurizing jig. Although the pressurization may be in the vertical direction or the horizontal direction, in order to keep the solid electrolyte particles uniformly between the
ここで、加圧の圧力が小さいと融着が不完全になると共に凹凸もうまく成形できない。一方、圧力が10t/cm2以上になると固体電解質を破壊してしまうので、圧力は少なくとも2000kg/cm2であり、この加圧圧力は固体電解質粒子の投入量によって変えることが好ましい。また、加圧時には減圧口46から中空リング40内部を大気圧以下に減圧することによって、固体電解質粒子間の空隙をなくすことができて、より緻密な融着が可能となる。
Here, if the pressure of the pressurization is small, the fusion is incomplete and the unevenness cannot be formed well. On the other hand, since the solid electrolyte is destroyed when the pressure becomes 10 t / cm 2 or more, the pressure is at least 2000 kg / cm 2 , and it is preferable to change this pressure depending on the amount of the solid electrolyte particles introduced. In addition, by reducing the pressure inside the
目標加熱温度保持時における加圧時間は、保持温度や固体電解質粉末の投入量にもよるため一概には言えないが、数時間以下が好ましい。また、加圧は昇温―温度保持―降温の全ての工程において、加圧し続ける方が好ましい。 Although the pressurization time at the time of holding the target heating temperature depends on the holding temperature and the amount of the solid electrolyte powder, it cannot be generally specified, but is preferably several hours or less. Further, it is preferable that the pressurization is continued in all the steps of raising temperature, maintaining temperature, and decreasing temperature.
加熱は、固体電解質が成形される部分が所定の温度になればよいので、例えば、固体電解質粒子が入っている部分だけを加熱してもよいし、加熱治具全体を加熱してもよい。 Since the heating may be performed so long as the portion where the solid electrolyte is formed reaches a predetermined temperature, for example, only the portion containing the solid electrolyte particles may be heated, or the entire heating jig may be heated.
加熱には、通常の加熱方法を用いることができる。例えば、抵抗加熱、高周波加熱等を用いることができる。この時、固体電解質が成形される部分の温度が比較的均一になるように温度調整器等によって温度制御を行う。加熱温度は固体電解質材料の転移点温度以上、軟化点温度以下の温度が好ましい。より好ましくは、転移点温度以上、転移点温度+200℃以下である。加熱温度が軟化点温度を越えてしまうと、結晶構造が変化して導電率が低下することがあり、また、軟化した固体電解質が加圧治具に強固に付着したりする現象が生じるので好ましくない。 A normal heating method can be used for heating. For example, resistance heating, high frequency heating, or the like can be used. At this time, temperature control is performed by a temperature controller or the like so that the temperature of the portion where the solid electrolyte is formed becomes relatively uniform. The heating temperature is preferably a temperature not lower than the transition point temperature and not higher than the softening point temperature of the solid electrolyte material. More preferably, it is not lower than the transition temperature and not higher than the transition temperature + 200 ° C. If the heating temperature exceeds the softening point temperature, the crystal structure may change and the conductivity may decrease, and the softened solid electrolyte may be firmly attached to the pressure jig, which is preferable. Absent.
上記の加熱により、固体電解質粉末45中の粒子が結晶化する。そして、加圧の効果も相まって、結晶相を有する粒子同士が融着し、所望の成形品となる。なお、粒子の結晶化と融着を同時にする必要はなく、加熱融着成形前に、固体電解質粉末45を結晶化させるための熱処理を行ってもよい。このときの熱処理温度は、上記の加熱融着成形におけるものと同じ条件が適用される。
By the heating, the particles in the
加熱融着成形によって三次元化された固体電解質成形品50を作製後、電極の圧着を行う。この場合も加圧治具を用いるが、固体電解質の時と異なり、円柱41の両端が平坦な円柱49を2本用いる。保持治具44aに円柱49を立てて、中空リング40を円柱に挿入する。そして、中空リング内径より僅かに小さい直径に切り抜いた負極集電体21となる金属箔を円柱49上に置き、さらにその上に、負極活物質粒子23に固体電解質粒子24を添加分散させたもの(以下、負極剤)を均一な厚さになるように入れる。この時保持治具44aに振動を加えてもよい。
After producing the three-dimensional solid electrolyte molded product 50 by heat fusion molding, the electrodes are crimped. In this case as well, a pressurizing jig is used, but unlike the case of the solid electrolyte, two
次に、加熱融着成形した固体電解質30の成形品を負極剤の上に置き、その上に正極活物質粒子13に固体電解質粒子14を添加分散させたもの(以下、正極剤)を電解質剤表面で均一になるように入れる。この時再度保持治具44aに振動を与えてもよい。そして、正極剤上に中空リング内径より僅かに小さい直径に切り抜いた正極集電体となる金属箔を置き、もう一つの円柱49を中空リング40に挿入する。
Next, a molded product of the
このようにして、負極集電体―負極剤―固体電解質―正極剤―正極集電体を積層し、加圧の準備が整った後、固体電解質の加熱融着成形と同様の方法で加熱融着圧着を行い、三次元電極を有するリチウムイオン二次電池1を作製する。この場合も加圧は、縦方向、横方向どちらでもよいが、多数の材料を積層しているので、縦方向で加圧する方が好ましい。また、この例では、負極集電体から積層したが、正極集電体から積層してもよい。このように積層することによって、一度の加熱融着圧着で電池セル構造を形成できるので、コストダウンに効果的である。さらに、この例では、負極集電体―負極剤(以下、負極)、正極集電体−正極剤(以下、正極)を同時に加熱融着圧着したが、事前に塗布法等によって形成された負極や正極を、負極−電解質剤−正極の構成で積層し、加熱融着圧着することもできる。
In this way, the negative electrode current collector-negative electrode agent-solid electrolyte-positive electrode agent-positive electrode current collector is laminated, and after preparation for pressurization is completed, heat fusion is performed in the same manner as the heat fusion molding of the solid electrolyte. The lithium ion
加熱融着圧着は多数の材料が積層しているため、加圧時の圧力が低いと積層構造が形成されないので、少なくとも1000kg/cm2の圧力で加圧することが好ましい。この圧力は積層構造物の高さ、すなわち負極剤投入量、固体電解質の厚さ、正極剤投入量によって変更することが好ましい。また、一気に高い圧力を加えて加圧すると積層構造が壊れることがあるので、徐々に高くしていく方が好ましい。 Since a large number of materials are laminated in the heat fusion pressure bonding, since a laminated structure is not formed if the pressure at the time of pressurization is low, it is preferable to pressurize at a pressure of at least 1000 kg / cm 2 . This pressure is preferably changed according to the height of the laminated structure, that is, the negative electrode agent input amount, the thickness of the solid electrolyte, and the positive electrode agent input amount. In addition, when a high pressure is applied at a stretch, the laminated structure may be broken, so it is preferable to increase the pressure gradually.
一方、加熱温度は固体電解質を加熱融着成形した温度と同じであるか、もしくは数十℃高い方が好ましい。加熱融着圧着温度が高過ぎると、より強固な融着が可能になるものの、加圧治具への融着も同時に生じるため好ましくない。 On the other hand, the heating temperature is preferably the same as the temperature at which the solid electrolyte is heat-sealed or formed, or higher by several tens of degrees Celsius. When the heat fusion pressure bonding temperature is too high, although stronger fusion is possible, fusion to the pressure jig is also not preferable.
なお、ここでは、結晶相を有する固体電解質を加熱融着成形することを示したが、ガラス状の固体電解質粒子に結晶相を析出させる熱処理を兼ねて、ガラス状固体電解質の結晶化と同時に加熱融着成形してもよい。 Here, it is shown that the solid electrolyte having a crystalline phase is formed by heat fusion molding. However, the solid electrolyte is heated simultaneously with the crystallization of the glassy solid electrolyte also as a heat treatment for precipitating the crystalline phase on the glassy solid electrolyte particles. Fusion molding may be performed.
[実施例1]
まず片面は平坦であり、残りの片面に、深さ200μm,線幅100μmで縦横にピッチ200μmで引かれた線状痕を有する直径20mmの円柱41を2本準備した。この円柱を保持治具に線状痕を上にして立てて、中空リング40を挿入した。
[Example 1]
First, one side was flat, and two
次に、固体電解質粉末45として、硫化リチウム系結晶であるLi2S−P2S5を用意した。Li2S−P2S5は以下のようにして作製した。Li2S:P2S5=70:30(モル比)となるように秤量し、乳鉢にて混合し、遊星型ボールミルを用いたメカニカルミリング法によって、窒素雰囲気中、室温で20時間の処理を行いガラス状のLi2S−P2S5を得た。その後、このガラス状Li2S−P2S5を300℃で熱処理を行い、結晶相を有する固体電解質Li2S−P2S5とした。この固体電解質のTgは約210℃であった。また平均粒径は21μmであった。
Next, Li 2 S—P 2 S 5 , which is a lithium sulfide-based crystal, was prepared as the
この固体電解質粉末100mgを線状痕上に高さが均一になるように置いた。そして、もう一つの円柱41の線状痕を下にして中空リング40に挿入し、それらの上に保持治具44bをかぶせ、バネ47と加圧ピン48を定位置に配置して加圧前品とした。この加圧前品を油圧プレス機にセットして、加圧前品内部を10Paに減圧し、3800kg/cm2の圧力を加えながら、加圧前品を330℃で1時間加熱した。その後、加圧を続けながら降温して、直径20mm,厚さ500μmに加熱融着成形された固体電解質の成形品を得た。この固体電解質の表裏面には、深さ約180μmの線状形状が転写されていた。
100 mg of this solid electrolyte powder was placed on the linear trace so that the height was uniform. Then, the other
一方、電極の圧着に対して、正極活物質粒子13としてLiCoO2を、負極活物質粒子23として黒鉛を用意し、正極はLiCoO2:アセチレンブラック:固体電解質=5:1:4(wt%)の割合で、負極は黒鉛:固体電解質=5:5(wt%)の割合で均一に混合した正極剤と負極剤をそれぞれ作製した。また、正極集電体11および負極集電体21として、それぞれ直径20mmのアルミニウム箔と銅箔を準備した。さらに、両端が平坦な円柱49を2本準備した。
On the other hand, LiCoO 2 is prepared as the positive electrode
次に、この円柱49を保持治具44aに立てて、中空リング40を挿入した。そして、銅箔を円柱上に置き、以下、負極剤、固体電解質、正極剤、アルミニウム箔の順番に積層し、最後に円柱49を中空リングに挿入し、保持治具44b、バネ47、加圧ピン48を定位置に配置して圧着前品とした。
Next, the
この圧着前品を油圧プレス機にセットして、圧着前品内部を10Paに減圧し2800kg/cm2の圧力を加えながら、圧着前品を360℃で1時間加熱した。その後、加圧を続けながら降温して、外径20mm,厚さ900μmに加熱融着圧着された電池を得た。交流インピーダンス法を用いて、この電池の導電率を測定したところ、3.2×10-3S/cmであった。さらに容量を調べたところ、203mAh/gであった。 This pre-compression product was set in a hydraulic press, the pre-compression product was depressurized to 10 Pa, and the pre-compression product was heated at 360 ° C. for 1 hour while applying a pressure of 2800 kg / cm 2 . Thereafter, the temperature was lowered while continuing the pressurization to obtain a battery which was heat-sealed and bonded to an outer diameter of 20 mm and a thickness of 900 μm. When the electric conductivity of this battery was measured using the alternating current impedance method, it was 3.2 × 10 −3 S / cm. When the capacity was further examined, it was 203 mAh / g.
[実施例2]
実施例1の固体電解質を作製する場合に、負極側に接する面を両端が平坦な円柱を用いて、さらに、負極剤にインジウム箔を用いた以外は、実施例1と同様の方法で電池を作製した。この場合、電池の固体電解質剤の正極側には凹凸があり、負極側は平坦である。この電池の導電率を、交流インピーダンス法を用いて測定したところ、2.9×10-3S/cmであった。また容量を調べたところ、135mAh/gであった。
[Example 2]
When producing the solid electrolyte of Example 1, a battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a cylinder in which both ends were flat on the surface in contact with the negative electrode side and indium foil was used as the negative electrode agent. Produced. In this case, the positive electrode side of the solid electrolyte agent of the battery is uneven, and the negative electrode side is flat. The conductivity of this battery was measured using an AC impedance method and found to be 2.9 × 10 −3 S / cm. When the capacity was examined, it was 135 mAh / g.
[実施例3]
実施例1の固体電解質を作製する場合に、両端が平坦な円柱2本を用いた以外は、実施例1と同様の方法で電池を作製した。この場合、電池の固体電解質の表面に凹凸はなく、平坦である。この電池の導電率を、交流インピーダンス法を用いて測定したところ、2.3×10-3S/cmであった。また容量を調べたところ、88mAh/gであった。
[Example 3]
When producing the solid electrolyte of Example 1, a battery was produced in the same manner as in Example 1 except that two cylinders having flat ends were used. In this case, the surface of the solid electrolyte of the battery is flat with no irregularities. The conductivity of this battery was measured using an AC impedance method and found to be 2.3 × 10 −3 S / cm. When the capacity was examined, it was 88 mAh / g.
[比較例1]
実施例1の固体電解質を作製する場合に、両端が平坦な円柱2本を用い、さらに加熱を行わずに加圧して固体電解質の成形体を得た以外は、実施例1と同様の方法で電池を作製した。この場合、電池の固体電解質の表面に凹凸はなく、平坦である。この電池の導電率を、交流インピーダンス法を用いて測定したところ、8.3×10-4S/cmであった。また容量を調べたところ、59mAh/gであった。
[Comparative Example 1]
In the case of producing the solid electrolyte of Example 1, the same method as in Example 1 was used except that two cylinders with flat ends were used and the solid electrolyte was molded by applying pressure without heating. A battery was produced. In this case, the surface of the solid electrolyte of the battery is flat with no irregularities. The conductivity of this battery was measured using an AC impedance method and found to be 8.3 × 10 −4 S / cm. When the capacity was examined, it was 59 mAh / g.
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…リチウムイオン二次電池、10…正極、11…正極集電体、12…正極活物質層、13…正極活物質粒子、14…固体電解質粒子、20…負極、21…負極集電体、22…負極活物質層、23…負極活物質粒子、24…固体電解質粒子、30…固体電解質、31…固体電解質粒子、40…中空リング、41…円柱、42…凹凸部、43…平坦部、44a,44b…保持治具、45…固体電解質粉末、46…減圧口、47…バネ、48…加圧ピン、49…円柱
DESCRIPTION OF
Claims (9)
固体電解質。 The particles having a crystalline phase are fused and shaped,
Solid electrolyte.
負極と、
前記正極および負極の間に介在する、結晶相を有する粒子が融着して成形された固体電解質と、
を含むリチウムイオン二次電池。 A positive electrode;
A negative electrode,
A solid electrolyte formed by fusing particles having a crystalline phase interposed between the positive electrode and the negative electrode;
Lithium ion secondary battery containing.
前記正極および/または前記負極は、前記固体電解質の前記凹凸に合致した表面形状を有する、
請求項2記載のリチウムイオン二次電池。 The solid electrolyte has irregularities formed on the surface,
The positive electrode and / or the negative electrode has a surface shape that matches the irregularities of the solid electrolyte,
The lithium ion secondary battery according to claim 2.
シート状の集電体と、
前記集電体の前記固体電解質側に設けられた、活物質の粒子を含む活物質層と、
を有する請求項3記載のリチウム二次電池。 The positive electrode and / or the negative electrode is
A sheet-like current collector;
An active material layer including active material particles provided on the solid electrolyte side of the current collector;
The lithium secondary battery according to claim 3, comprising:
前記活物質の粒子と、
前記固体電解質の粒子とを含み、
前記活物質と前記固体電解質の粒子が融着している、
請求項4記載のリチウムイオン二次電池。 The active material layer is
Particles of the active material;
The solid electrolyte particles,
The active material and the solid electrolyte particles are fused.
The lithium ion secondary battery according to claim 4.
固体電解質の成形方法。 By pressing the solid electrolyte powder in a heated state, the particles in the powder are fused to form a solid electrolyte.
A method for forming a solid electrolyte.
前記固体電解質の両側に正極および負極を加熱圧着する工程と、
を有するリチウムイオン二次電池の製造方法。 Pressing the solid electrolyte powder in a heated state to fuse the particles in the powder to form a solid electrolyte; and
Heat-pressing a positive electrode and a negative electrode on both sides of the solid electrolyte;
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery which has this.
請求項7記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。 In the step of forming the solid electrolyte, the powder of the solid electrolyte is pressed at a temperature equal to or higher than the transition temperature of the solid electrolyte and heated to a temperature equal to or lower than the softening temperature.
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery of Claim 7.
請求項7記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。 In the step of forming the solid electrolyte, pressing the solid electrolyte powder in a heated state under reduced pressure,
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery of Claim 7.
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