JP2013020837A - 固体電池構成層の成形体の製造方法および固体電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に静電スクリーン方式の積層方法に対して有効な、固体電池の構成層の積層体を周囲の型拘束なしに加圧して固体電池の構成層成形体を製造する方法およびこの成形体を含む固体電池を製造する方法を提供する。
【解決手段】固体電池の固体層を構成する成形体を製造する方法であって、
基板上に上記固体層の構成材料の粉末を配置する工程、
配置された粉末層を下記本加圧より小さい加圧力で仮加圧する工程、および
上記仮加圧された粉末層の、該仮加圧された領域の内側を本加圧する工程
を含む固体電池の固体層成形体の製造方法が提供される。
更に、本発明によれば、上記の製造方法により固体層成形体を製造する工程を含む固体電池の製造方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電池構成層の成形体の製造方法および固体電池の製造方法に関する。

固体電池は、正極層／固体電解質層／負極層という積層構造を持ち、各固体層の構成材料を順次積層し加圧一体化して製造される。すなわち、正極層および／または負極層と固体電解質層とから成る成形体が製造される。固体電解質の構成材料としてＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５のような硫化物成分を用いた硫化物固体電池は、高いイオン伝導率が得られるため注目されている。

従来、特許文献１に開示されているように、正極層、固体電解質層、負極層を積層し加圧することにより製造される。

全固体リチウムイオン二次電池に代表される固体電池の正極、固体電解質、負極の各固体層において、各個体粉末の粒子間に空隙が多いと粒子同士の接触界面の面積が減少し、イオンが移動する際の抵抗が大きくなる。これを解消するため、各層の粒子の配置をより密にする（充填率を上げる）ことにより、イオンの伝導度が大きく電池性能に優れた固体電池が得られる。

この固体層の積層方法として、圧粉方式、塗工方式、静電方式が行なわれている。

圧粉方式は、各層の構成粉末をダイス中に順次投入して、パンチで加圧する積層方法である。簡便であり、実験室レベルには向いているが、量産用としては実用的ではない。

塗工方式は、各層の構成粉末をスラリーとして、塗り重ね、乾燥、圧着する積層方法である。量産用の方式であり、液体の流動性を活かして膜厚が均一化できるが、その反面、湿式工程を含むためプロセスが煩雑になる。また塗り重ねた面積から切り出す場合、残部が多くなり歩留まりが悪くなる。

これら圧粉方式や塗工方式は、加圧する際に、型拘束するため電極層や固体電解質層という固体層内の空隙が充填され、密度が向上し、イオン伝導度が高まり、電池性能が向上する。

これに対して静電方式は、静電スクリーンを介して積層位置限定枠内の必要面積にのみ構成粉末を積層する。量産用の方式であり、バインダー添加による性能低下の虞がなく、歩留まりも良いが、スクリーン透過後の分散性が悪い。特に、静電条件下で粉末を積層する際に積層位置限定用の枠の側面に粉末が引き寄せられてしまい積層位置周縁部の積層量が不十分になり、さらに、積層した粉末を型拘束なしに加圧するので積層位置の周縁部の加圧が不十分になるという欠点があった。また、積層時に積層位置限定用枠の側面に付着した固体層の材料が短絡要因となるという欠点もあった。

特開２０１０−０５５８１１号公報

本発明は、特に静電スクリーン方式の積層方法に対して有効な、固体電池の構成層の積層体を周囲の型拘束なしに加圧して固体電池の構成層成形体を製造する方法およびこの成形体を含む固体電池を製造する方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、
固体電池の固体層を構成する成形体を製造する方法であって、
基板上に上記固体層の構成材料の粉末を配置する工程、
配置された粉末層を下記本加圧より小さい圧力で仮加圧する工程、および
上記仮加圧された粉末層の、上記仮加圧より大きい加圧力で本加圧する工程
を含む固体電池の固体層成形体の製造方法が提供される。

更に、本発明によれば、上記の製造方法により固体層成形体を製造する工程を含む固体電池の製造方法が提供される。

本発明によれば、固体電池の固体層より大きい領域を仮加圧することによりある程度硬化させ、該仮加圧された領域より小さく固体層より大きい領域を本加圧する際に、その周囲の仮加圧硬化部が型拘束に類似した作用をして、本加圧時に周縁部まで十分に加圧が行き渡り、全体に充填率が向上し、高いイオン伝導度が得られる。

本発明の製造プロセスのフローを示す。 仮加圧の有無による充填率の変化を示す。 仮加圧の有無による比容量の変化を示す。 仮加圧の有無による抵抗率の変化を示す。

図１を参照して、本発明の固体層成形体の製造プロセスのフローを説明する。

先ず、図１（１）に示すように、積層工程においては、固体電池の固体層を構成する粉末を基板１０上に配置して、粉末層１２を形成する。配置方法は典型的には静電スクリーン方式であるが、圧粉方式や塗工方式であってもよい。基板１０は典型的には導体基板である。

次に、図１（２）に示すように、仮加圧工程においては、（１）で配置された粉末層１２を（５）に示す固体層（成形体）２０より大きい領域１２’に亘って、パンチ１４を用いて、型拘束せずに本加圧の加圧力Ｆ２より小さい加圧力Ｆ１で仮加圧する。仮加圧された領域１２’は、ある程度硬化している。

その後、図１（３）に示すように、本加圧工程においては、上記仮加圧された粉末層１２’を、仮加圧領域１２’より内側すなわち小さく、固体層２０より大きい領域１２”に亘って、パンチ１６を用いて、大きい加圧力Ｆ２で本加圧する。この本加圧中、パンチ１６が当らない周縁部１２’は仮加圧により硬化しており、パンチ１６により本加圧される領域１２”の粉末層の周囲を拘束する。これにより、本加圧領域１２”は高い充填率が達成される。

本加圧が済んだら、図１（４）に示すように、本加圧領域１２”内をパンチ１８で打ち抜いて図１（５）に示す固体層成形体２０を切り出す。

上記において、粉末層１２は、正極層、負極層、固体電解質層の１層または複数層であってよい。特に、固体電解質は硫化物系材料を用いると高いイオン伝導率が得られて有利である。また、上記の製造プロセスを全体的に用いて、固体電池を製造することができる。

本発明を硫化物系固体電池に適用した場合について、各層の典型例を説明する。
（１）硫化物系固体電解質
本発明に用いられる硫化物系固体電解質としては、硫黄を含むものであれば特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池に用いられるものを使用することができる。
例えば、Ｌｉ，Ｓ、および第三成分を有するもの等を挙げることができる。第三成分としては、例えばＰ，Ｇｅ，Ｂ，Ｓｉ，Ｉ，Ａｌ，ＧａおよびＡｓからなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。
このような硫化物系固体電解質としては、具体的には、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５，７０Ｌｉ_２Ｓ−３０Ｐ_２Ｓ_５，８０Ｌｉ_２Ｓ−２０Ｐ_２Ｓ_５，Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２，ＬｉＧｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４等を挙げることができ、なかでもＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５が好ましい。イオン伝導度が高いからである。

上記硫化物系固体電解質の製造方法としては、例えば、Ｌｉ，Ｓ、および第三成分を含んだ原料に対して、遊星型ボールミルでガラス化させる方法、または溶融急冷でガラス化させる方法等を挙げることができる。なお、上記硫化物系固体電解質の製造の際に、性能向上を目的として、熱処理を行っても良い。

本発明に用いられる硫化物固体電解質は、上記正極層、固体電解質層および負極層の少なくともいずれか一つに含まれるものである。本発明においては、これらの部材のいずれに含まれるものであっても良いが、通常、少なくとも上記固体電解質層に含まれるものである。

（２）正極層
本発明に用いられる正極層は、上記固体電解質層の一方の表面に形成されるものである。
このような正極層を形成するために用いられる正極層形成用材料としては、一般的な全固体電池における正極層に用いられるものと同様とすることができ、例えば、少なくとも正極活物質を有し、必要に応じてさらにＬｉイオン伝導性向上材および導電化材を有するものとすることができる。

上記正極活物質としては、例えばＬｉＣｏＯ_２，ＬｉＭｎ_２Ｏ_４，Ｌｉ_２ＮｉＭｎ_３Ｏ_８，ＬｉＶＯ_２，ＬｉＣｒＯ_２，ＬｉＦｅＰＯ_４，ＬｉＣｏＰＯ_４，ＬｉＮｉＯ_２，ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２等を挙げることができ、なかでもＬｉＣｏＯ_２が好ましい。上記Ｌｉイオン伝導性向上材としては、例えば、上記固体電解質層に用いられる固体電解質と同様の材料を用いることができる。上記導電化材としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。

上記正極層の厚さとしては、特に限定されるものではないが、通常１μｍ〜１００μｍの範囲内である。また、上記正極層の形成方法としては、例えば粉末の正極層形成用材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。

（３）負極層
本発明に用いられる負極層は、上述した正極層が形成されていない固体電解質層の表面に形成されるものである。
このような負極層を形成するために用いられる負極層形成用材料としては、一般的な全固体電池における負極層と同様のものとすることができ、例えば、少なくとも負極活物質を有し、必要に応じてさらにＬｉイオン伝導性向上材および導電化材を有するものとすることができる。

上記負極活物質としては、例えば金属系活物質およびカーボン系活物質を挙げることができる。上記金属系活物質としては、例えばＩｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｓｎ等を挙げることができる。また、上記金属系活物質は、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２等の無機酸化物系活物質であっても良い。一方、上記カーボン系活物質としては、例えば黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボンおよびソフトカーボン等を挙げることができる。また、Ｌｉイオン伝導性向上材および導電化材としては、上述した正極層形成用材料に用いられる材料と同様のものを用いることができる。

上記負極層の厚さとしては、特に限定されるものではないが、通常１μｍ〜１００μｍの範囲内である。また、上記負極層の形成方法としては、例えば負極層形成用材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。

〔実施例１〕
本発明に従って、固体電池の固体電解質層（１層）の成形体を製造した。

＜成形条件＞
層組成：ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５
加圧力：仮加圧３トン、本加圧４．３トン、
得られた成形体の充填率を図２に示す。比較のため仮加圧無しで直接本加圧した場合の結果も示す。本発明例（仮加圧＋本加圧）は、比較例（本加圧のみ）に比べて、充填率が１．２５倍に向上した。

〔実施例２〕
本発明により、下記組成の材料を用いてセルを製造した。

＜使用材料＞
正極活物質 ：ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２
正極活物質コート：ＬｉＮｂＯ_３
導電助剤 ：多層カーボンナノチューブ（ＶＧＣＦ）
電解質 ：ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５
負極活物質 ：アモルファスコートグラファイト（ＭＦ６）
実施例１と同じ加圧力の条件で本発明例（仮加圧＋本加圧）と比較例（本加圧のみ）について得られたセルの電池性能を図３、図４に示す。

比容量（図３）、抵抗率（図４）ともに、本加圧のみの比較例に比べて、仮加圧＋本加圧の本発明例は性能が顕著に向上している。

このように、従来のように本加圧のみを行なった場合に比べて、本発明により仮加圧＋本加圧を行なうことにより、充填率が向上し、それに伴って電池性能が大幅に向上する。

本発明によれば、特に静電スクリーン方式の配置方法に対して有効な、固体電池の構成層の積層体を周囲の型拘束なしに加圧して固体電池の構成層成形体を製造する方法およびこの成形体を含む固体電池を製造する方法が提供される。

Claims (5)

1. 固体電池の固体層を構成する成形体を製造する方法であって、
   基板上に上記固体層の構成材料の粉末を配置する工程、
   配置された粉末層を下記本加圧より小さい加圧力で仮加圧する工程、および
   上記仮加圧された粉末層の、該仮加圧された領域の内側を本加圧する工程
   を含む固体電池の固体層成形体の製造方法。
2. 請求項１において、上記積層を静電スクリーン方式により行なうことを特徴とする固体電池の固体層成形体の製造方法。
3. 請求項１または２において、上記固体層が正極、負極および電解質層のうちの少なくとも１層であることを特徴とする固体電池の固体層成形体の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、上記基板が集電箔であることを特徴とする固体電池の固体層成形体の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項の製造方法により固体層成形体を製造する工程を含む固体電池の製造方法。

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