JP2010040190A - Method for manufacturing pole material slurry - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体二次電池等の電極の製造に用いることのできる極材スラリーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode material slurry that can be used for producing an electrode such as an all-solid secondary battery.
近年、ビデオカメラ、携帯電話、ポータブルパソコン等の携帯機器の普及に伴い、二次電池の需要が高まっている。特に、負極活物質として炭素質材料(カーボン系材料)を使用し、正極活物質としてLiMO2(M=Ni,Co等)を使用し、電解液として有機溶媒を使用した非水系リチウムイオン二次電池が開発され注目されている。 In recent years, with the widespread use of portable devices such as video cameras, mobile phones, and portable personal computers, the demand for secondary batteries has increased. In particular, a non-aqueous lithium ion secondary using a carbonaceous material (carbon-based material) as the negative electrode active material, LiMO 2 (M = Ni, Co, etc.) as the positive electrode active material, and using an organic solvent as the electrolyte. Batteries have been developed and are attracting attention.
非水系二次電池の電極は、金属芯体の上に、活物質、導電剤、結着剤、溶剤等が混合されたスラリーを塗布し、極材層を形成することにより製造することができる。このとき、極材層中における成分の分散が不十分であると、サイクル特性に優れた二次電池にすることができない等の問題を生じる。 An electrode of a non-aqueous secondary battery can be manufactured by applying a slurry in which an active material, a conductive agent, a binder, a solvent, etc. are mixed on a metal core to form an electrode material layer. . At this time, if the dispersion of the components in the electrode material layer is insufficient, there arises a problem that a secondary battery having excellent cycle characteristics cannot be obtained.
特許文献1は、回転バランスの良い回転羽根により、優れた撹拌作用を有する高速撹拌機を開示している。しかし、特許文献1には、二次電池の性能を高めるような正極・負極用スラリーの製造方法は記載されていない。
特許文献2は、繊維状炭素からなる導電剤、活物質、結着剤及び溶剤を混合してスラリーを調製し、特許文献1の撹拌機を用いて撹拌処理を施し、スラリーを金属芯体に塗布して合剤層を形成する非水電解液二次電池用電極の製造方法を開示している。
しかし、特許文献2の発明は、非水電解液を対象とした二次電池であり、固体電解質を用いたものではない。導電助剤は繊維状炭素に限定されている。特許文献2の方法で、正極・負極用スラリーを作成し全固体Li二次電池を製造しても全固体Li二次電池の性能は高くならない。
However, the invention of
本発明の目的は、全固体二次電池の出力密度及びエネルギー密度を向上させ、それに伴いサイクル特性を向上させる電極の製造に用いることのできる極材スラリーの製造方法を提供することである。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the electrode material slurry which can be used for manufacture of the electrode which improves the output density and energy density of an all-solid-state secondary battery, and improves a cycling characteristic in connection with it.
本発明によれば、以下の極材スラリーの製造方法が提供される。
1.無機固体電解質、活物質及び分散媒を混合して混合液を作製し、
円筒形の撹拌槽と、前記撹拌槽内に、前記撹拌槽の内面から0.5〜5mmの間隔を開けて設けられた、複数の孔が形成された円筒部を有する回転羽根とを備える撹拌機の撹拌槽内に、前記混合液を入れ、
−20〜100℃の温度下で、前記回転羽根を15〜60m/秒の周速で回転させ、前記撹拌槽内において前記混合液を5〜600秒間滞留させ、前記撹拌槽の内面に押しつけて薄膜円筒状に拡げながら撹拌してスラリーを得る、
極材スラリーの製造方法。
2.前記無機固体電解質が硫化物系固体電解質であり、
前記活物質が負極活物質である1に記載の極材スラリーの製造方法。
3.前記混合液がさらに導電助剤を含む1又は2に記載の極材スラリーの製造方法。
4.前記混合液における、前記導電助剤の量が、前記活物質の0.1〜6重量%である3に記載の極材スラリーの製造方法。
5.前記導電助剤が、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、フラーレンからなる群から選ばれる少なくとも1つであって、平均粒径が0.0001〜10μmである3又は4に記載の極材スラリーの製造方法。
6.前記混合液における、前記導電助剤及び前記活物質と、前記無機固体電解質の含有量が、重量比で、3:7〜9:1である3〜5のいずれか一項に記載の極材スラリーの製造方法。
7.前記スラリーの固形分濃度が25〜80重量%である1〜6のいずれか一項に記載の極材スラリーの製造方法。
According to the present invention, the following method for producing an electrode slurry is provided.
1. An inorganic solid electrolyte, an active material, and a dispersion medium are mixed to prepare a mixed solution,
Stirring provided with a cylindrical stirring tank, and a rotary blade having a cylindrical portion in which a plurality of holes are formed in the stirring tank with an interval of 0.5 to 5 mm from the inner surface of the stirring tank. Put the mixed solution in the stirring tank of the machine,
The rotating blade is rotated at a peripheral speed of 15 to 60 m / sec at a temperature of −20 to 100 ° C., the mixed liquid is retained in the stirring tank for 5 to 600 seconds, and pressed against the inner surface of the stirring tank. A slurry is obtained by stirring while spreading into a thin-film cylinder.
Method for producing electrode material slurry.
2. The inorganic solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte;
2. The method for producing an electrode slurry according to 1, wherein the active material is a negative electrode active material.
3. The method for producing an electrode material slurry according to 1 or 2, wherein the mixed solution further contains a conductive additive.
4). 4. The method for producing an electrode material slurry according to 3, wherein the amount of the conductive additive in the mixed solution is 0.1 to 6% by weight of the active material.
5). The conductive assistant is at least one selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, ketjen black, thermal black, and fullerene, and the average particle diameter is 0.0001 to 10 μm according to 3 or 4. Method for producing electrode material slurry.
6). The pole material as described in any one of 3-5 whose content of the said conductive support agent and the said active material, and the said inorganic solid electrolyte in the said liquid mixture is 3: 7-9: 1 by weight ratio. A method for producing a slurry.
7). The manufacturing method of the electrode material slurry as described in any one of 1-6 whose solid content concentration of the said slurry is 25 to 80 weight%.
本発明によれば、新規な極材スラリーの製造方法が提供できる。本発明の方法で得られた極材から製造した電極を用いた全固体二次電池は、出力密度及びエネルギー密度が高く、サイクル特性に優れる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a novel electrode material slurry can be provided. The all-solid-state secondary battery using the electrode manufactured from the electrode material obtained by the method of the present invention has high output density and energy density, and is excellent in cycle characteristics.
本発明の極材スラリーの製造方法は、固体電解質、活物質及び分散媒を混合して混合液を作製し、撹拌機の撹拌槽内に、混合液を入れて撹拌する。
本発明に用いる撹拌機は、円筒形の撹拌槽と、撹拌槽内に、撹拌槽の内面から0.5〜5mmの間隔を開けて設けられた、複数の孔が形成された円筒部を有する回転羽根とを備える。
本発明では、このような撹拌機において、−20〜100℃の温度下で、回転羽根を15〜60m/秒の周速で回転させ、撹拌槽内において混合液を5〜600秒間滞留させ、混合液を撹拌槽の内面に押しつけて薄膜円筒状に拡げながら撹拌する。本発明では、短時間のうちに混合液に含まれる物質の凝集を解砕し、分散させることができる。
In the method for producing an electrode slurry of the present invention, a solid electrolyte, an active material, and a dispersion medium are mixed to prepare a mixed solution, and the mixed solution is placed in a stirring tank of a stirrer and stirred.
The stirrer used in the present invention has a cylindrical stirring tank and a cylindrical part in which a plurality of holes are formed in the stirring tank with a space of 0.5 to 5 mm from the inner surface of the stirring tank. With rotating blades.
In the present invention, in such a stirrer, the rotating blade is rotated at a peripheral speed of 15 to 60 m / sec at a temperature of −20 to 100 ° C., and the mixed liquid is retained in the stirrer tank for 5 to 600 seconds. The mixed liquid is pressed against the inner surface of the stirring tank and stirred while expanding into a thin-film cylinder. In the present invention, aggregation of substances contained in the mixed solution can be crushed and dispersed in a short time.
本発明に用いる上記撹拌機としては、例えば、特許文献1に記載された高速撹拌機を用いることができる。この高速撹拌機は、円筒状の撹拌槽内に回転軸を同心に設け、撹拌槽より僅かに小径の回転羽根を回転軸に取付け、回転羽根の高速回転により被処理液を撹拌槽の内面に薄膜円筒状に拡げながら撹拌する。回転羽根は、円筒体に半径方向の小孔を多数貫通して設けた多孔円筒部を外周側に備えている。この高速撹拌機では、回転羽根の高速回転により被処理液を撹拌槽の内面に押しつけて薄膜円筒状とし、この薄膜円筒状の被処理液中を回転羽根の円筒部が移動することにより、被処理液に大きな剪断力を加え、被処理液中の物質の凝集をほぐし分散させることができる。この撹拌機は、被処理液に対して衝突する面がないので、固体成分を含有する液を処理しても磨耗が少なく、回転羽根等の金属部分からの金属成分が混合液中に混入するおそれが少ない。
As the stirrer used in the present invention, for example, a high-speed stirrer described in
本発明に用いる撹拌機では、撹拌槽と回転羽根の間隔は0.5〜5mmである。0.5mm未満では粘性の高い混合液において撹拌槽と回転羽根の間に混合液が詰まってしまう可能性があり、5mmを超える間隔では十分なずり応力が混合液にかからず、撹拌を十分かけることができない。好ましくは、1.5〜3mmである。 In the stirrer used for this invention, the space | interval of a stirring tank and a rotary blade is 0.5-5 mm. If it is less than 0.5 mm, there is a possibility that the mixed solution will be clogged between the stirring tank and the rotary blade in a highly viscous mixed solution, and if the interval exceeds 5 mm, sufficient shear stress will not be applied to the mixed solution and stirring will be sufficient. I can't call. Preferably, it is 1.5-3 mm.
回転羽の周速は15〜60m/秒である。15m/秒未満では十分に撹拌されない可能性があり、60m/秒を超えると混合液にかかる応力が大きすぎるため、温度の上昇や固体成分の破壊のおそれがある。好ましくは、20〜50m/秒である。 The peripheral speed of the rotating wing is 15 to 60 m / sec. If it is less than 15 m / sec, it may not be sufficiently stirred, and if it exceeds 60 m / sec, the stress applied to the mixed solution is too large, and there is a risk of temperature rise and destruction of solid components. Preferably, it is 20-50 m / sec.
混合液の滞留時間は5〜600秒である。5秒未満では十分に撹拌されない可能性があり、600秒を超えると混合液にかかる応力が大きすぎるため、温度の上昇や固体成分の破壊のおそれがある。好ましくは、10〜180秒である。 The residence time of the mixed solution is 5 to 600 seconds. If the time is less than 5 seconds, the mixture may not be sufficiently stirred. If the time is longer than 600 seconds, the stress applied to the mixed solution is too large, so that the temperature may rise or the solid components may be destroyed. Preferably, it is 10 to 180 seconds.
撹拌温度は−20〜100℃である。−20℃未満ではスラリーの粘度が高く、装置に負担がかかる可能性があり、100℃を超えると分散媒が蒸発してしまう可能性がある。 The stirring temperature is -20 to 100 ° C. If it is less than −20 ° C., the viscosity of the slurry is high and there is a possibility that the apparatus is burdened. If it exceeds 100 ° C., the dispersion medium may evaporate.
本発明に用いる固体電解質として、例えば硫化物系固体電解質や酸化物系固体電解質が挙げられ、好ましくは硫化物系固体電解質である。 Examples of the solid electrolyte used in the present invention include a sulfide-based solid electrolyte and an oxide-based solid electrolyte, and a sulfide-based solid electrolyte is preferable.
硫化物系電解質として、例えば、イオウ元素、リチウム元素、及びホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、リン及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素を含む硫化物系電解質粉体を使用できる。粉体の平均粒径は0.01〜100μmが好ましい。
このような硫化物系電解質粉体は、硫化リチウムと、AmSnで表される化合物(Aは、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、リン又はアルミニウムであり、m及びnはそれぞれ1〜10の整数である。)から得られる。
As the sulfide-based electrolyte, for example, a sulfide-based electrolyte powder containing sulfur element, lithium element, and at least one element selected from the group consisting of boron, silicon, germanium, phosphorus, and aluminum can be used. The average particle size of the powder is preferably 0.01 to 100 μm.
Such sulfide electrolyte powder, a lithium sulfide, a compound represented by A m S n (A is selected from boron, silicon, germanium, a phosphorous or aluminum, m and n are each an integer from 1 to 10 Is obtained from.
また、硫化物系電解質として、例えば、イオウ元素、リチウム元素、酸素元素、及びホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、リン及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素を含む硫化物系電解質粉体を使用できる。粉体の平均粒径は0.01〜100μmが好ましい。
このような硫化物系電解質粉体は、硫化リチウム、AmSnで表される化合物(Aは、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、リン又はアルミニウムであり、m及びnはそれぞれ1〜10の整数である。)、及びLixMyOzで表される化合物(Mはホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、硫黄、リン又はアルミニウムであり、x、y及びzはそれぞれ1〜10の整数である。)から得られる。
Further, as the sulfide-based electrolyte, for example, a sulfide-based electrolyte powder containing sulfur element, lithium element, oxygen element, and at least one element selected from the group consisting of boron, silicon, germanium, phosphorus, and aluminum can be used. . The average particle size of the powder is preferably 0.01 to 100 μm.
Such sulfide electrolyte powder, lithium sulfide, a compound represented by A m S n (A is selected from boron, silicon, germanium, a phosphorous or aluminum, m and n are an integer from 1 to 10, respectively And a compound represented by Li x M y O z (M is boron, silicon, germanium, sulfur, phosphorus, or aluminum, and x, y, and z are each an integer of 1 to 10). can get.
本発明に用いることのできる酸化物系電解質は、リチウムイオン伝導性の結晶を含むことにより高いイオン伝導性を有し、電極内のリチウムイオン移動を担うのに充分な伝導性を有することができるものである。
具体的には、LiN、LISICON類、ペロブスカイト構造を有するLa0.55Li0.35TiO3、NASICON型構造を有するLiTi2P3O12等が例示される。
その中でも特に好ましいリチウムイオン伝導性の結晶は、Li1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2−xSiyP3−yO12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)である。この結晶はリチウムイオン伝導度が高く、化学的に安定しており扱いが容易であるという利点がある。また、この結晶は特定組成のガラスを熱処理することにより、ガラスセラミックス中の結晶として析出させることが可能である。
The oxide electrolyte that can be used in the present invention has high ionic conductivity by including a lithium ion conductive crystal, and can have sufficient conductivity to carry lithium ion migration in the electrode. Is.
Specifically, LiN, LISICON, La0.55Li0.35TiO 3 having a perovskite structure, LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON type structure, and the like are exemplified.
Among them, a particularly preferable lithium ion conductive crystal is Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2−x Si y P 3−y O 12 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). ). This crystal has the advantages of high lithium ion conductivity, chemical stability and easy handling. Moreover, this crystal | crystallization can be precipitated as a crystal | crystallization in glass ceramics by heat-processing the glass of a specific composition.
本発明で用いる活物質には、正極活物質と負極活物質がある。
負極活物質としては市販されているものを特に限定なく使用することができ、炭素材料、Sn金属、In金属等を好適に用いることができる。具体的には、天然黒鉛や各種グラファイト、Sn,Si,Al,Sb,Zn,Bi等の金属粉、Sn5Cu6,Sn2Co,Sn2Fe等の金属合金粉、その他アモルファス合金やメッキ合金が挙げられる。粒径に関しても特に制限はないが、平均粒径が数μm〜80μmのものを好適に用いることができる。
The active material used in the present invention includes a positive electrode active material and a negative electrode active material.
A commercially available negative electrode active material can be used without particular limitation, and a carbon material, Sn metal, In metal, or the like can be suitably used. Specifically, natural graphite, various graphites, metal powder such as Sn, Si, Al, Sb, Zn, Bi, metal alloy powder such as Sn 5 Cu 6 , Sn 2 Co, Sn 2 Fe, other amorphous alloys and plating An alloy is mentioned. Although there is no restriction | limiting in particular regarding a particle size, A thing with an average particle diameter of several micrometers-80 micrometers can be used suitably.
正極活物質としては市販されているものを特に限定なく使用することができ、リチウムと遷移金属の複合酸化物等を好適に用いることができる。具体的には、以下に示す各材料及び各元素の組成比が異なる類似の材料が使用でき、LiCoO2,LiNiCoO2,LiNiO2,LiNiMnCoO2,LiFeMnO2,Li2PtO3,LiMnNiO4,LiMn2O4,LiNiMnO2,LiNiVO4,LiCrMnO4,LiFePO4,LiFe(SO4)3,LiCoVO4,LiCoPO4,S等が挙げられる。粒径に関しても特に制限はないが、平均粒径が数μm〜15μmのものを好適に用いることができる。 A commercially available positive electrode active material can be used without particular limitation, and a composite oxide of lithium and a transition metal can be suitably used. Specifically, the following materials and similar materials having different composition ratios of the respective elements can be used, and LiCoO 2 , LiNiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNiMnCoO 2 , LiFeMnO 2 , Li 2 PtO 3 , LiMnNiO 4 , LiMn 2 Examples include O 4 , LiNiMnO 2 , LiNiVO 4 , LiCrMnO 4 , LiFePO 4 , LiFe (SO 4 ) 3 , LiCoVO 4 , LiCoPO 4 , S, and the like. Although there is no restriction | limiting in particular regarding a particle size, The thing with an average particle diameter of several micrometers-15 micrometers can be used suitably.
活物質と固体電解質を混合して極材を作製する。好適な活物質の割合は、活物質と固体電解質の総重量の30重量%〜90重量%である。より好ましくは、40重量%〜80重量%であり、さらに好ましくは50重量%〜80重量%である。 An electrode material is prepared by mixing an active material and a solid electrolyte. A suitable ratio of the active material is 30% to 90% by weight of the total weight of the active material and the solid electrolyte. More preferably, it is 40 weight%-80 weight%, More preferably, it is 50 weight%-80 weight%.
本発明に用いる分散媒は、極材との反応性が低いものが好ましいが、極材表面をコートし、極材と分散媒が反応しないような処置をしていれば、極材との反応性が高くても使用することができる。
混合液に水分と反応しやすい物質が含まれる場合は、脱水処理された分散媒を用いれば、空気中の水分による影響を低減できる。
好ましい分散媒は、トルエン・キシレン等の炭化水素系有機溶媒やエーテルやカーボネート化合物等の有機溶剤である。
The dispersion medium used in the present invention preferably has a low reactivity with the electrode material, but if the electrode material surface is coated so that the electrode material and the dispersion medium do not react, the reaction with the electrode material It can be used even if it has high properties.
When a substance that easily reacts with moisture is contained in the mixed liquid, the influence of moisture in the air can be reduced by using a dehydrated dispersion medium.
Preferred dispersion media are hydrocarbon organic solvents such as toluene and xylene, and organic solvents such as ethers and carbonate compounds.
極材混合液の作成方法は、固体電解質と分散媒の混合物に撹拌を維持したまま極材を加える方法、予め固体電解質と極材の乾燥粉体を混合して合材を形成しその後所定量を分散媒に加えて撹拌する方法、極材と固体電解質を別々に分散媒に加えて撹拌する方法等、いずれでもよい。
極材混合液において、極材は分散媒中に分散していて、分散媒に溶解していない。
The method of preparing the electrode material mixture is a method of adding the electrode material while maintaining stirring to the mixture of the solid electrolyte and the dispersion medium, mixing the solid electrolyte and the dry powder of the electrode material in advance to form a mixture, and then a predetermined amount Any of a method of adding and stirring the material to the dispersion medium, a method of separately adding the pole material and the solid electrolyte to the dispersion medium, and the like may be used.
In the polar material mixture, the polar material is dispersed in the dispersion medium and is not dissolved in the dispersion medium.
混合液は、さらに導電助剤を含むことが好ましい。
導電助剤の平均粒径は0.0001〜10μmが好ましい。0.0001μm未満では再凝集をしてしまうため導電パスが形成されない可能性があり、10μmを超えると、スラリー中に導電助剤が均一に分散されたときに、スラリー中に粒子がまばらに存在する状態となり、導電パスが途切れ、電子伝導性が悪くなる可能性がある。上記平均粒径は、導電助剤をSEM観察し、1視野で300程度の粒子が確認できる倍率を選択し、その倍率において8視野の観察を行い、任意の500検体をピックアップしてメジアン径D50となる値から得られる数平均粒径である。
It is preferable that the mixed solution further contains a conductive additive.
The average particle size of the conductive assistant is preferably 0.0001 to 10 μm. If it is less than 0.0001 μm, the conductive path may not be formed because it re-aggregates. If it exceeds 10 μm, particles are sparsely present in the slurry when the conductive aid is evenly dispersed in the slurry. The conductive path is interrupted, and the electronic conductivity may be deteriorated. The average particle size is determined by SEM observation of the conductive additive, selecting a magnification at which about 300 particles can be confirmed in one field of view, observing eight fields at that magnification, picking up an arbitrary 500 specimens, and picking up a median diameter D50 Is the number average particle diameter obtained from the value.
導電助剤として、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、フラーレンが挙げられる。これらは単独で用いても混合して用いてもよい。細かく、かつ、電子伝導性に優れた導電助剤を利用することによって、電子伝導パスが形成され、リチウム電池の出力密度及びエネルギー密度が向上し、それに伴いサイクル特性が向上する。 Examples of the conductive assistant include carbon black, acetylene black, ketjen black, thermal black, and fullerene. These may be used alone or in combination. By using a conductive additive that is fine and excellent in electron conductivity, an electron conduction path is formed, the output density and energy density of the lithium battery are improved, and the cycle characteristics are improved accordingly.
混合液において、導電助剤は活物質の0.1〜6重量%含まれることが好ましい。0.1重量%未満では電子伝導パスを十分に形成することができず、6重量%を超えるとイオン伝導パスを阻害してしまう可能性が生じる。好ましくは、1〜5重量%である。 In the mixed solution, the conductive assistant is preferably contained in an amount of 0.1 to 6% by weight of the active material. If the amount is less than 0.1% by weight, the electron conduction path cannot be sufficiently formed. If the amount exceeds 6% by weight, the ion conduction path may be inhibited. Preferably, it is 1 to 5% by weight.
また、混合液において、導電助剤と活物質の総量と、無機固体電解質が3:7〜9:1の重量比で含まれることが好ましい。この比率を外れると、電子伝導性及びイオン伝導性のバランスが悪く、特性が向上しないおそれがある。好ましくは、5:5〜8:2である。 Moreover, it is preferable that the total amount of a conductive support agent and an active material, and an inorganic solid electrolyte are contained in a mixed liquid by the weight ratio of 3: 7-9: 1. If this ratio is not satisfied, the balance between electron conductivity and ion conductivity may be poor, and the characteristics may not be improved. Preferably, it is 5: 5 to 8: 2.
極材の混合液には、バインダー、リチウム塩等も含むことができる。 The mixture of polar materials can also contain a binder, a lithium salt, and the like.
得られる極材スラリーの固形分濃度は好ましくは25〜80重量%である。25重量%未満では十分なズリ応力がスラリーにかかりにくく、80重量%を超えると混合液にかかる応力が大きすぎるため、温度の上昇や固体成分の破壊のおそれがある。好ましくは、30〜50重量%である。 The solid content concentration of the obtained electrode material slurry is preferably 25 to 80% by weight. If the amount is less than 25% by weight, it is difficult for sufficient shear stress to be applied to the slurry. Preferably, it is 30 to 50% by weight.
さらに、極材スラリーにおいて、リチウムイオン伝導性バインダーを、固形分総量に対して0.01〜10重量%含むことが好ましい。0.01重量%未満では成形性が悪く、10重量%を超えると、固体電解質のリチウムイオン伝導性に対してバインダーのリチウムイオン伝導性が低いため、スラリー中のイオン伝導度が低くなる可能性がある。より好ましくは、1〜7重量%である。バインダーは、混合液を作成する際に添加してもよいし、撹拌した後のスラリーに添加してもよい。 Further, in the electrode material slurry, it is preferable that the lithium ion conductive binder is contained in an amount of 0.01 to 10% by weight based on the total solid content. If it is less than 0.01% by weight, the moldability is poor, and if it exceeds 10% by weight, the lithium ion conductivity of the binder is low relative to the lithium ion conductivity of the solid electrolyte, so the ionic conductivity in the slurry may be low. There is. More preferably, it is 1 to 7% by weight. The binder may be added when preparing the mixed solution, or may be added to the slurry after stirring.
上記の方法により得た極材スラリーを、公知の方法により基材の上に塗布して電極(負極・正極)シートを形成できる。例えば、スラリーを十分撹拌し、集電体である基板上に滴下しドクターブレードで膜化する方法、スピンコートする方法、スクリーン印刷する方法等により極材膜を形成して、電極シートを作製する。 The electrode material slurry obtained by the above method can be applied onto a substrate by a known method to form an electrode (negative electrode / positive electrode) sheet. For example, the electrode sheet is prepared by sufficiently stirring the slurry, dropping it onto a current collector substrate, forming a film with a doctor blade, spin coating, screen printing, etc. .
また、スラリー中の分散媒を蒸発させて粉末にし、蒸着等により電極シートを作成することもできる。乾式による静電塗布法等により電極を作製することもできる。 Alternatively, the dispersion medium in the slurry can be evaporated to a powder, and an electrode sheet can be prepared by vapor deposition or the like. An electrode can also be produced by a dry electrostatic coating method or the like.
正極集電シートおよび負極集電シートとしては、例えば、ステンレス鋼、金、白金、亜鉛、ニッケル、スズ、アルミニウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、タングステン、チタン等の金属及び、これらの合金にて、シート、箔、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等に形成されたものが用いられる。特に、正極集電シートではアルミニウム箔、負極集電シートではアルミニウム箔やスズ箔が、集電性、加工性、コストの点で好ましい。 Examples of the positive electrode current collector sheet and the negative electrode current collector sheet include, for example, stainless steel, gold, platinum, zinc, nickel, tin, aluminum, molybdenum, niobium, tantalum, tungsten, titanium, and alloys thereof, and alloys thereof. , Foil, net, punched metal, expanded metal, etc. are used. In particular, an aluminum foil is preferable for the positive electrode current collector sheet, and an aluminum foil or a tin foil is preferable for the negative electrode current collector sheet in terms of current collection, workability, and cost.
全固体二次電池は、正極と、負極と、正極及び負極間に挟持された固体電解質層から構成される。本発明の方法で得られる極材スラリーから製造した電極シートは、全固体二次電池の負極及び/又は正極として用いることができる。
本発明の製造方法で得られるスラリーは、活物質、固体電解質、分散媒がよく混合しそれぞれ均一分散しているので、これから製造した電極中に電子伝導及びイオン導電パスが形成され、電池の出力密度及びエネルギー密度が向上し、サイクル特性も向上する。
The all solid state secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The electrode sheet manufactured from the electrode material slurry obtained by the method of the present invention can be used as a negative electrode and / or a positive electrode of an all-solid secondary battery.
In the slurry obtained by the production method of the present invention, the active material, the solid electrolyte, and the dispersion medium are well mixed and uniformly dispersed, so that an electron conduction and ion conduction path is formed in the electrode produced from this, and the output of the battery The density and energy density are improved, and the cycle characteristics are also improved.
製造例1
[硫化リチウムの製造]
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報における第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後(約80分)に反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1
[Production of lithium sulfide]
Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) in JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated under a nitrogen stream (200 cc / min), and the reacted lithium hydrosulfide was dehydrosulfurized to obtain lithium sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. The reaction was completed after the dehydrosulfurization reaction of lithium hydrosulfide (about 80 minutes) to obtain lithium sulfide.
[硫化リチウムの精製]
上記で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリ)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100ミリLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。尚、亜硫酸リチウム(Li2SO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)並びにチオ硫酸リチウム(Li2S2O3)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(NMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。
[Purification of lithium sulfide]
After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained above, 100 ml of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured. Incidentally,
製造例2
[硫化物系固体電解質の製造]
製造例1にて製造したLi2Sと、P2S5(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。これらを70対30のモル比に調整した250gの混合物を、ジルコニア製ボールを充填したSUS製容器(容量6.7L)に入れ、露点−40℃以下のドライ雰囲気下及び室温下で、200時間振動ミルにより、1kJ/kg・sの機械的エネルギーを加えてメカニカルミリング処理することにより、白黄色粉末の硫化物系固体電解質粉体を得た。
得られた粉末について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られたチャートより、原料結晶のピークは完全に消失し、この硫化物系固体電解質粉体はガラス化していることが確認された。
得られた硫化物系ガラス固体電解質粉体(非晶質ガラス電解質)を、アルゴン雰囲気のSUS管に入れて密閉し、300℃2時間の焼成処理を施し、硫化物系ガラスセラミック固体電解質(結晶化ガラス電解質)を作製した。
Production Example 2
[Production of sulfide-based solid electrolytes]
Li 2 S produced in Production Example 1 and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were used as starting materials. 250 g of the mixture adjusted to a molar ratio of 70:30 was placed in a SUS container (capacity: 6.7 L) filled with zirconia balls, and 200 hours under a dry atmosphere at a dew point of −40 ° C. or lower and at room temperature. A mechanical milling treatment was performed by applying mechanical energy of 1 kJ / kg · s by a vibration mill to obtain a sulfide-based solid electrolyte powder of white yellow powder.
Powder X-ray diffraction measurement was performed on the obtained powder (CuKα: λ = 1.5418Å). From the obtained chart, it was confirmed that the peak of the raw material crystal disappeared completely, and this sulfide-based solid electrolyte powder was vitrified.
The obtained sulfide-based glass solid electrolyte powder (amorphous glass electrolyte) is sealed in an SUS tube in an argon atmosphere, subjected to a firing treatment at 300 ° C. for 2 hours, and a sulfide-based glass ceramic solid electrolyte (crystal) A vitrified glass electrolyte).
上記にて作製した結晶化ガラス電解質について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られた結晶化ガラス電解質は、2θ=17.8±0.3deg、18.2±0.3deg、19.8±0.3deg、21.8±0.3deg、23.8±0.3deg、25.9±0.3deg、29.5±0.3deg、30.0±0.3degに回折ピークを有することを確認した。 The crystallized glass electrolyte produced above was subjected to powder X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418Å). The obtained crystallized glass electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg. 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg.
また得られた結晶化ガラス電解質の結晶化度が50%以上であることを確認した。この結晶化度は、JNM−CMXP302NMR装置(日本電子株式会社製)を用いて、以下の条件で固体31P−NMRスペクトルを測定し、得られた固体31PNMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出した。 Moreover, it confirmed that the crystallinity degree of the obtained crystallized glass electrolyte was 50% or more. The crystallinity, using JNM-CMXP302NMR apparatus (manufactured by JEOL Ltd.), to measure the solid 31 PNMR spectrum under the following conditions, the obtained solid 31 PNMR spectrum, is observed in 70~120ppm The resonance lines were separated into Gaussian curves using a non-linear least square method and calculated from the area ratio of each curve.
固体31P−NMRスペクトルの測定条件
観測核 :31P
観測周波数:121.339MHz
測定温度 :室温
測定法 :MAS法
パルス系列:シングルパルス
90°パルス幅:4μs
マジック角回転の回転数:8600Hz
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:100〜2000s
(最大のスピン−格子緩和時間の5倍以上になるよう設定)
積算回数 :64回
化学シフトは、外部基準として(NH4)2HPO4(化学シフト1.33ppm)を用い決定した。
試料充填時の空気中の水分による変質を防ぐため、乾燥窒素を連続的に流しているドライボックス中で密閉性の試料管に試料を充填した。
Measurement conditions of solid 31 P-NMR spectrum Observation nucleus: 31 P
Observation frequency: 121.339 MHz
Measurement temperature: Room temperature Measurement method: MAS method Pulse sequence: Single pulse 90 ° Pulse width: 4 μs
Magic angle rotation speed: 8600Hz
Wait time until the next pulse application after FID measurement: 100-2000s
(Set to be more than 5 times the maximum spin-lattice relaxation time)
Number of integrations: 64 times Chemical shifts were determined using (NH 4 ) 2 HPO 4 (chemical shift 1.33 ppm) as an external reference.
In order to prevent deterioration due to moisture in the air during sample filling, the sample was filled into a hermetic sample tube in a dry box in which dry nitrogen was continuously flowed.
実施例1
図1は、スラリーの撹拌処理に用いた高速撹拌機を示す断面図である。具体的には、商品名「T.K.フィルミックス」(プライミクス株式会社製)を用いた。
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a high-speed stirrer used for slurry stirring. Specifically, the trade name “TK Philmix” (manufactured by Primex Corporation) was used.
図1に示すように、撹拌機には円筒形の内面を有する撹拌槽1が設けられており、撹拌槽1の周囲には外槽2が設けられている。撹拌槽1と外槽2の間には、冷却水室3が形成されている。冷却水室3に冷却水が流入管4から供給され、撹拌で生じる摩擦熱を吸収して図示されない流出管から排出される。撹拌槽1の底部には弁5a及び6aを有する供給管5及び6が接続されている。この供給管5及び6は、原料の供給に使用することができる。バッチ生産の場合には、撹拌槽1の底部に栓を導入し使用することができる。
As shown in FIG. 1, the stirrer is provided with a stirring
撹拌槽1の上部には、堰板7が載置され、その上に上部容器8が取り付けられている。この上部容器8に流出管9が接続されている。上部容器8は、蓋8a及び冷却水室8bを有しており、製品を連続生産するときに用いられる。この場合、堰板7として、その内径が図示のものより大きいものに交換され、原料を供給管5及び6から連続供給し、撹拌後の液が堰板7を越えて連続的に流出するように扱われる。冷却水室8bは、水路に冷却水室3と並列に接続されている。
A
回転軸10は、蓋8aを気密に貫通して撹拌槽1と同心に設置されており、上部に設けたモーターで高速に回転するように駆動される。回転軸10の下端には、回転羽根11が取付けられている。
The rotating
回転羽根11は円筒部12を有しており、円筒部12はアーム13を介してボス14により回転軸10に取り付けられている。円筒部12には、多数の孔12aが形成されている。アーム13には、適当な数の連通孔13aが形成されている。
The
図1は、混合液Lを入れた状態を示している。混合液Lは、回転羽根11の高速回転により、円周方向に押しつけられ、回転によって生じる遠心力により撹拌槽1の内面に薄膜円筒状に密着しながら回転する。混合液Lは、その表面と撹拌槽1との内面との速度差によるずれによって撹拌作用を受け、混合液L中に含有される物質が分散される。孔12a内に流入した混合液Lは、孔の回転によって強い回転力を受け、孔12a内から間隙S内に流入して、圧力を上昇させるとともに、間隙S内の混合液Lの流れを乱すことにより、撹拌作用を助長する。
FIG. 1 shows a state in which the liquid mixture L is put. The liquid mixture L is pressed in the circumferential direction by the high-speed rotation of the
製造例2にて合成した固体電解質、グラファイト(活物質)、導電助剤、及びトルエン(分散媒)を用いて負極合材混合液を作製した。グラファイトとして日本黒鉛工業株式会社製のCGBを、導電助剤として電気化学工業株式会社製デンカブラックを使用した。
デンカブラックはCGBに対して1重量%加えた。CGBとデンカブラックの総量と固体電解質の重量比が6:4となるように秤量した。トルエンを、負極合材混合液において固形分濃度が45重量%となる量だけ加えた。
A negative electrode mixture mixture was prepared using the solid electrolyte, graphite (active material), conductive additive, and toluene (dispersion medium) synthesized in Production Example 2. CGB manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. was used as the graphite, and Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was used as the conductive assistant.
Denka black was added at 1% by weight with respect to CGB. Weighing was performed so that the weight ratio of the total amount of CGB and Denka Black to the solid electrolyte was 6: 4. Toluene was added in such an amount that the solid content concentration in the negative electrode mixture mixture was 45% by weight.
上記のように調製した混合液を図1に記載した撹拌槽1内に充填し、撹拌槽1と回転羽根11の間隔が2mmになるよう回転羽根11を回転軸10に取付け、回転羽根11を周速30m/秒の条件下で180秒撹拌した。このときの撹拌槽1の温度は25〜35℃であった。
The mixed liquid prepared as described above is filled in the
得られたスラリーをAl集電体上に塗布し乾燥させることで、負極シートを作製した。
得られた負極シートを負極とした。正極は、リチウム複合酸化物と製造例2で得た固体電解質を重量比7:3で乳鉢混合して作製した。電解質には、それぞれの電極にも用いた製造例2で得た固体電解質を用いた。集電体としてTi箔を使用し、Ti箔/負極/電解質/正極/Ti箔の順で積層して10〜600MPaで複数回圧縮しリチウム電池を作製した。
The obtained slurry was applied on an Al current collector and dried to prepare a negative electrode sheet.
The obtained negative electrode sheet was used as a negative electrode. The positive electrode was prepared by mixing the lithium composite oxide and the solid electrolyte obtained in Production Example 2 in a mortar at a weight ratio of 7: 3. As the electrolyte, the solid electrolyte obtained in Production Example 2 used for each electrode was used. A Ti foil was used as a current collector, laminated in the order of Ti foil / negative electrode / electrolyte / positive electrode / Ti foil, and compressed several times at 10 to 600 MPa to produce a lithium battery.
作製した電池の充放電測定は、カットオフ電圧を下限1.0V、上限4.2Vで、電流密度は400μA/cm2の条件のもとで行った。
その結果、充電容量に対する放電容量の比から求める充放電効率は90%であった。
The charge / discharge measurement of the produced battery was performed under the conditions that the cut-off voltage was a lower limit of 1.0 V, an upper limit of 4.2 V, and the current density was 400 μA / cm 2 .
As a result, the charge / discharge efficiency obtained from the ratio of the discharge capacity to the charge capacity was 90%.
比較例1
図1に示す撹拌機を用いてスラリーを撹拌する代わりに、フリッチュ社製遊星型ボールミルP−7にて370rpm2時間の条件で混合した他は、実施例1と同様にして負極シート、電池を作製し評価した。充放電効率は75%であった。
Comparative Example 1
Instead of stirring the slurry using the stirrer shown in FIG. 1, a negative electrode sheet and a battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the mixture was mixed in a planetary ball mill P-7 manufactured by Fritsch under a condition of 370 rpm for 2 hours. And evaluated. The charge / discharge efficiency was 75%.
実施例2
デンカブラックを加えず、CGBと固体電解質の重量比を6:4とした他は、実施例1と同様にして負極シート、電池を作製し評価した。充放電効率は79%であった。
Example 2
A negative electrode sheet and a battery were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that Denka Black was not added and the weight ratio of CGB to the solid electrolyte was 6: 4. The charge / discharge efficiency was 79%.
本発明の製造方法によって極材スラリーを製造でき、このスラリーから電極を製造できる。この電極はリチウム電池等の全固体二次電池に使用できる。
全固体二次電池は、各種携帯電子機器に用いられ、特にノート型パソコン、ノート型ワープロ、パームトップ(ポケット)パソコン、携帯電話、PHS、携帯ファックス、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオカメラ、携帯テレビ、ポータブルCD、ポータブルMD、電動髭剃り機、電子手張、トランシーバー、電動工具、ラジオ、テープレコーダ、デジタルカメラ、携帯コピー機、携帯ゲーム機等に用いることができる。また、全固体二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車、自動販売機、電動カート、ロードレベリング用蓄電システム、家庭用蓄電器、分散型電力貯蔵機システム(据置型電化製品に内蔵)、非常時電力供給システム等にも用いることができる。
The electrode material slurry can be produced by the production method of the present invention, and the electrode can be produced from this slurry. This electrode can be used for an all-solid secondary battery such as a lithium battery.
All-solid-state secondary batteries are used in various portable electronic devices, especially notebook computers, notebook word processors, palmtop (pocket) computers, mobile phones, PHS, mobile faxes, mobile printers, headphone stereos, video cameras, and mobile TVs. , Portable CD, portable MD, electric shaving machine, electronic handrail, transceiver, electric tool, radio, tape recorder, digital camera, portable copying machine, portable game machine and the like. In addition, all-solid-state secondary batteries are electric vehicles, hybrid vehicles, vending machines, electric carts, load leveling power storage systems, household power storage devices, distributed power storage systems (built in stationary appliances), emergency power It can also be used for supply systems and the like.
1 撹拌槽
3,8b 冷却水室
5,6 供給管
7 堰板
10 回転軸
11 回転羽根
12 円筒部
12a 孔
L スラリー
S 間隙
t 膜厚
DESCRIPTION OF
Claims (7)
円筒形の撹拌槽と、前記撹拌槽内に、前記撹拌槽の内面から0.5〜5mmの間隔を開けて設けられた、複数の孔が形成された円筒部を有する回転羽根とを備える撹拌機の撹拌槽内に、前記混合液を入れ、
−20〜100℃の温度下で、前記回転羽根を15〜60m/秒の周速で回転させ、前記撹拌槽内において前記混合液を5〜600秒間滞留させ、前記撹拌槽の内面に押しつけて薄膜円筒状に拡げながら撹拌してスラリーを得る、
極材スラリーの製造方法。 An inorganic solid electrolyte, an active material, and a dispersion medium are mixed to prepare a mixed solution,
Stirring provided with a cylindrical stirring tank, and a rotary blade having a cylindrical portion in which a plurality of holes are formed in the stirring tank with an interval of 0.5 to 5 mm from the inner surface of the stirring tank. Put the mixed solution in the stirring tank of the machine,
The rotating blade is rotated at a peripheral speed of 15 to 60 m / sec at a temperature of −20 to 100 ° C., the mixed liquid is retained in the stirring tank for 5 to 600 seconds, and pressed against the inner surface of the stirring tank. A slurry is obtained by stirring while spreading into a thin-film cylinder.
Method for producing electrode material slurry.
前記活物質が負極活物質である請求項1に記載の極材スラリーの製造方法。 The inorganic solid electrolyte is a sulfide-based solid electrolyte;
The method for producing an electrode slurry according to claim 1, wherein the active material is a negative electrode active material.
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