JP2013084377A - 電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池は、正極および負極と共に固体電解質層を備え、正極、負極および固体電解質層のうちの少なくとも1つは、固体電解質結着剤を含む。
【選択図】図1
Description
1.電池の構成
2.電池の製造方法
3.変形例
図1は、本技術の一実施形態における電池の断面構成を表している。
この電池は、いわゆる全固体電池であると共に、電極反応物質であるリチウムの授受により電池容量が繰り返して得られる二次電池である。すなわち、ここで説明する電池は、リチウムイオンの吸蔵放出により負極の容量が得られるリチウムイオン二次電池でもよいし、リチウム金属の析出溶解により負極の容量が得られるリチウム金属二次電池でもよい。
正極1は、電極反応物質(リチウムイオン)を吸蔵放出可能である活物質(正極活物質)のいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、必要に応じて正極結着剤、正極導電剤または結晶性固体電解質などの他の材料を含んでいてもよい。
負極2は、電極反応物質(リチウムイオン)を吸蔵放出可能である活物質(負極活物質)のいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、必要に応じて負極結着剤、負極導電剤または結晶性固体電解質などの他の材料を含んでいてもよい。なお、負極結着剤および負極導電剤に関する詳細は、例えば、正極結着剤および正極導電剤と同様である。ただし、正極1と同様に、負極2が後述する固体電解質結着剤を含んでいる場合には、負極結着剤は必ずしも必要でない。
固体電解質層3は、結晶性固体電解質のいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、必要に応じて電解質結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。なお、電解質結着剤に関する詳細は、例えば、正極結着剤と同様である。ただし、正極1と同様に、固体電解質層3が後述する固体電解質結着剤を含んでいる場合には、電解質結着剤は必ずしも必要でない。
ここで、正極1、負極2および固体電解質層3のうちの少なくとも1つは、固体電解質結着剤を含んでおり、その固体電解質結着剤は、加熱時に流動性を示す性質を有している。この固体電解質結着剤は、例えば、電極反応物質の元素(ここではリチウム)と、ガラス形成元素と、酸素(O)または硫黄(S)とを構成元素として含んでいる。このため、固体電解質結着剤は、電極反応物質(リチウムイオン)のイオン伝導性を有している。
この電池では、例えば、充電時において、正極1から放出されたリチウムイオンが固体電解質層3を介して負極2に取り込まれると共に、放電時において、負極2から放出されたリチウムイオンが固体電解質層3を介して正極1に取り込まれる。
この電池は、例えば、以下の手順により製造される。図2および図3は、電池の製造方法を説明するためのものであり、いずれも図1に対応する断面構成を示している。なお、以下では、正極1、負極2および固体電解質層3の全てに結晶性固体電解質および固体電解質結着剤が含まれる場合について説明する。
この電池によれば、正極1、負極2および固体電解質層3のうちの少なくとも1つが固体電解質結着剤を含んでいる。この場合には、上記したように、固体電解質結着剤が電池の製造工程において加熱されることで流動性を発揮する。特に、固体電解質結着剤がリチウムとガラス形成元素と酸素または硫黄とを構成元素として含んでいれば、ガラス転移温度Tg以上の温度で加熱されることで良好な流動性が発揮される。これにより、固体電解質結着剤が活物質または結晶性固体電解質などの粒子間の微細な隙間に入り込むため、粒子同士が結着されると共に、その粒子間にリチウムイオンの伝導経路が確保される。よって、粒子間における界面抵抗の上昇が抑制されるため、イオン伝導性を向上させることができる。
正極準備体1A、負極準備体2Aおよび固体電解質層準備体3Aを積層してから加熱したが、これに限られない。
以下の手順により、固体電解質の物性測定用のペレットサンプルを作製してイオン伝導性を比較した。
(1)
正極および負極と共に固体電解質層を備え、
前記正極、前記負極および前記固体電解質層のうちの少なくとも1つは固体電解質結着剤を含む、
電池。
(2)
前記正極および前記負極は電極反応物質を授受可能な活物質を含み、
前記固体電解質結着剤は、前記電極反応物質の元素と、ガラス形成元素と、酸素(O)または硫黄(S)とを構成元素として含む、
上記(1)に記載の電池。
(3)
前記固体電解質結着剤はガラス状である、
上記(2)に記載の電池。
(4)
前記電極反応物質はリチウム(Li)であり、前記固体電解質結着剤はリチウムを構成元素として含む、
上記(2)または(3)に記載の電池。
(5)
前記ガラス形成元素はケイ素(Si)、ホウ素(B)、リン(P)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、テルル(Te)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、ビスマス(Bi)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)およびバナジウム(V)のうちの少なくとも1種である、
上記(2)ないし(4)のいずれかに記載の電池。
(6)
前記固体電解質結着剤はガラス転移温度Tg以上の温度で加熱され、毛細管現象を利用して少なくとも前記活物質間の隙間に入り込んでいる、
上記(2)ないし(5)のいずれかに記載の電池。
(7)
前記正極、前記負極および前記固体電解質層はいずれも前記固体電解質結着剤を含む、
上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の電池。
(8)
前記固体電解質層は結晶性固体電解質を含み、
前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方は前記結晶性固体電解質を含む、
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の電池。
(9)
固体電解質結着剤を含むように正極準備体、負極準備体および固体電解質層準備体のうちの少なくとも1つを形成し、
前記固体電解質結着剤を加熱して正極、負極および固体電解質層のうちの少なくとも1つを形成する
電池の製造方法。
(10)
前記正極準備体および前記負極準備体は電極反応物質を授受可能な活物質を含み、
前記固体電解質結着剤は、前記電極反応物質の元素と、ガラス形成元素と、酸素または硫黄とを構成元素として含み、
前記固体電解質結着剤の加熱温度をガラス転移温度Tg以上とする、
上記(9)に記載の電池の製造方法。
(11)
前記正極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記正極準備体と前記固体電解質層準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱し、
または、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記負極準備体と前記固体電解質層準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱し、
または、前記正極準備体、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記固体電解質層準備体を挟むように前記正極準備体と前記負極準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱する、
上記(9)または(10)に記載の電池の製造方法。
(12)
前記正極準備体、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体のうちの少なくとも1つの形成方法として塗布法を用いる、
上記(9)ないし(11)のいずれかに記載の電池の製造方法。
Claims (12)
- 正極および負極と共に固体電解質層を備え、
前記正極、前記負極および前記固体電解質層のうちの少なくとも1つは固体電解質結着剤を含む、
電池。 - 前記正極および前記負極は電極反応物質を授受可能な活物質を含み、
前記固体電解質結着剤は、前記電極反応物質の元素と、ガラス形成元素と、酸素(O)または硫黄(S)とを構成元素として含む、
請求項1記載の電池。 - 前記固体電解質結着剤はガラス状である、
請求項2記載の電池。 - 前記電極反応物質はリチウム(Li)であり、前記固体電解質結着剤はリチウムを構成元素として含む、
請求項2記載の電池。 - 前記ガラス形成元素はケイ素(Si)、ホウ素(B)、リン(P)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、テルル(Te)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、ビスマス(Bi)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)およびバナジウム(V)のうちの少なくとも1種である、
請求項2記載の電池。 - 前記固体電解質結着剤はガラス転移温度Tg以上の温度で加熱され、毛細管現象を利用して少なくとも前記活物質間の隙間に入り込んでいる、
請求項2記載の電池。 - 前記正極、前記負極および前記固体電解質層はいずれも前記固体電解質結着剤を含む、
請求項1記載の電池。 - 前記固体電解質層は結晶性固体電解質を含み、
前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方は前記結晶性固体電解質を含む、
請求項1記載の電池。 - 固体電解質結着剤を含むように正極準備体、負極準備体および固体電解質層準備体のうちの少なくとも1つを形成し、
前記固体電解質結着剤を加熱して正極、負極および固体電解質層のうちの少なくとも1つを形成する
電池の製造方法。 - 前記正極準備体および前記負極準備体は電極反応物質を授受可能な活物質を含み、
前記固体電解質結着剤は、前記電極反応物質の元素と、ガラス形成元素と、酸素または硫黄とを構成元素として含み、
前記固体電解質結着剤の加熱温度をガラス転移温度Tg以上とする、
請求項9記載の電池の製造方法。 - 前記正極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記正極準備体と前記固体電解質層準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱し、
または、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記負極準備体と前記固体電解質層準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱し、
または、前記正極準備体、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体はいずれも前記固体電解質結着剤を含み、前記固体電解質層準備体を挟むように前記正極準備体と前記負極準備体とを積層してから前記固体電解質結着剤を加熱する、
請求項9記載の電池の製造方法。 - 前記正極準備体、前記負極準備体および前記固体電解質層準備体のうちの少なくとも1つの形成方法として塗布法を用いる、
請求項9記載の電池の製造方法。
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