JP2014175080A - 全固体電池、及び、全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】全固体電池は、正極活物質を含有する正極電極層と、負極活物質を含有する負極電極層と、正極電極層と負極電極層との間に位置する固体電解質層とを備える。固体電解質層は、酸化物系固体電解質材料によって形成されている。正極電極層と負極電極層とのうちの少なくとも一方は、硫化物系固体電解質材料と結着材とを含有する。
【選択図】図3
Description
A.実施形態:
A−1:全固体電池の構成:
A−2.正極電極層の詳細構成:
A−3.負極電極層の詳細構成:
A−4:固体電解質層の詳細構成:
A−5:全固体電池の製造方法:
B.結着材に関する実験例:
B−1.概要:
B−2.全固体電池のサンプル1〜7の作製:
B−3.全固体電池のサンプル8,9の作製:
B−4.全固体電池の抵抗測定:
C.変形例:
A−1:全固体電池の構成:
図1は、本発明の一実施形態としての全固体電池10の断面を示す説明図である。全固体電池10は、電池本体15と、電池本体15を両側から挟持する一対の集電体50,60とを備える。電池本体15は、正極として機能する正極電極層20と、負極として機能する負極電極層30と、正極電極層20と負極電極層30の間に位置する導電性の固体電解質層40とを備える。
正極電極層20は、正極活物質と、硫化物系固体電解質と、結着材と、導電性カーボンとを含有するペーストを、固体電解質層40の表面に塗布し、塗布したペースト層をプレス(加圧)することによって形成されている。
XLi2S−(1−X)P2S5 …(1)
(式中、Xは、0.65≦X≦0.80である。)
負極電極層30は、負極活物質と、硫化物系固体電解質と、結着材とを含有するペーストを、固体電解質層40の表面のうち、正極電極層20が形成されていない方の表面に塗布し、塗布したペースト層をプレスすることによって形成されている。
固体電解質層40は、酸化物系固体電解質材料によって形成された板状部材である。本実施形態では、固体電解質層40は、酸化物系リチウムイオン伝導性固体電解質材料によって形成されている。
Li1+YAlYM2-Y(PO4)3 …(2)
(式中、Mは、ゲルマニウム、チタン、ハフニウム、ジルコニウムからなる群から選択される少なくとも1種であり、Yは、0≦Y≦1である)
図2は、本発明の一実施形態としての全固体電池10の製造方法の概要を示す工程図である。まず、正極活物質と、硫化物系固体電解質材料と、結着材とを含有する正極用ペーストを準備する(工程S100)。次に、負極活物質と、硫化物系固体電解質材料と、結着材とを含有する負極用ペーストを準備する(工程S110)。ペーストの作製方法の詳細については、後述する。
B−1.概要:
本実験例では、電極層に含まれる結着材と、全固体電池の内部抵抗との関係を調べた。具体的には、結着材を含む電極層によって構成された全固体電池のサンプル1〜7と、結着材を含まない電極層によって構成された全固体電池のサンプル8、9とを作製し、全固体電池のサンプル1〜9の内部抵抗を調べた。
[酸化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の作製]
本実験例では、全固体電池の各サンプルにおける固体電解質層40を構成する酸化物系リチウムイオン伝導性固体電解質(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)を以下の手順によって作製した。まず、原料であるGeO2、Li2CO3、(NH3)2HPO4、及びAl2O3を、化学量論的組成で秤量した。秤量した原料を、アルミナポット内にジルコニアボールと共に投入し、エタノール溶媒中で15時間粉砕混合した。次いで、エタノールを気化させて900℃による熱処理(焼成)を2時間行った。
本実験例では、各サンプルの電極層に混合される硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を以下の手順によって作製した。まず、アルゴン雰囲気グローブボックス中で、原料であるLi2SとP2S5を、モル比がLi2S:P2S5=80:20となるように秤量した。秤量した原料を、遊星型ボールミルのジルコニアポット内にジルコニアボールと共に投入し、アルゴン雰囲気中、回転数540rpmで9時間メカニカルミリングを行った。以下では、メカニカルミリング後の試料を「硫化物ガラス」とも呼ぶ。
本実験例では、正極合材を2種類、負極合材を1種類作製した。
・正極合材1(Li4Ti5O12合材)の作製:
アルゴン雰囲気、露点−60℃以下のグローブボックス中にて、Li4Ti5O12、硫化物ガラス、ケッチェンブラックを、質量比がLi4Ti5O12:硫化物ガラス:ケッチェンブラック=30:70:10となるように秤量した。秤量した原料を、遊星型ボールミルのジルコニアポット内にジルコニアボールと共に投入し、回転数200rpmで1時間混合を行なうことによって、正極合材1を作製した。なお、本実験例では、45ccのジルコニアポットと、直径4mmのジルコニアボールを200個用いた。
アルゴン雰囲気、露点−60℃以下のグローブボックス中にて、FeS2、硫化物ガラスを、質量比がFeS2:硫化物ガラス=70:30となるように秤量した。秤量した原料を、遊星型ボールミルのジルコニアポット内にジルコニアボールと共に投入し、回転数380rpmで1時間混合を行なうことによって、正極合材2を作製した。なお、本実験例では、45ccのジルコニアポットと、直径4mmのジルコニアボールを200個用いた。
Li−Al、硫化物ガラスを、質量比がLi−Al:硫化物ガラス=50:50となるように秤量し、乳鉢を用いて混合することによって、負極合材を作製した。
・正極用ペースト1の作製:
アルゴン雰囲気、露点−60℃以下のグローブボックス中にて、上記のように作製した正極合材1を、遊星型ボールミルのジルコニアポット内にジルコニアボールと共に投入した。そして、各種結着材と溶媒とを添加して、回転数200rpmで1時間混合を行なうことによって、正極用ペースト1を作製した。
正極用ペースト2は、正極合材1の代わりに、正極合材2を用いて、上記の正極用ペースト1と同様にして作製した。
上記のように作製した負極合材を、遊星型ボールミルのジルコニアポット内にジルコニアボールと共に投入した。そして、各種結着材と溶媒とを添加して、回転数100rpmで1時間混合を行なうことによって、負極用ペーストを作製した。
得られた各電極ペーストをLAGP焼結体上に片面約5mgずつ塗布し、金属の固定治具によって50MPaの圧力で加圧した。加圧を解除し、アルミ板で挟んで全固体電池のサンプル1〜7を作製した。
本実験例では、さらに、電極層20,30に結着材を含有しない全固体電池のサンプル8,9を作製した。具体的には、結着材を含有しない電極合材をプレス成型して電極ペレット(プレス体)を作製した。そして、正極ペレットと、LAGP焼結体と、負極ペレットとを積層して全固体電池のサンプル8,9を作製した。以下では、全固体電池のサンプル8,9の作製方法のうち、サンプル1〜7と同一の作製方法については説明を省略し、サンプル8,9の固有の作製方法について説明する。
・正極ペレットの作製:
本実験例では、2種類の正極ペレットを作製した。正極ペレット1(Li4Ti5O12合材プレス体)は、加圧成形可能な直径10mmの円形型内で、集電体として用いられるSUS基材と、正極合材1(約15mg)とをこの順番で積層し、360Mpaでプレス成形することにより作製した。正極ペレット2(FeS2合材プレス体)も、正極合材1の代わりに正極合材2を用いて、同様にして作製した。
負極ペレット(Li−Al合材プレス体)は、加圧成形可能な直径10mmの円形型内で、集電体として用いられるSUS基材と、負極合材(約10mg)とをこの順番で積層し、360Mpaでプレス成形することにより作製した。
全固体電池のサンプル8を作製する際には、まず、正極ペレット1、LAGP焼結体、負極ペレットをこの順番で積層し、この積層体を集電体を介して約50Mpaの圧力で挟持することによって各構成部材を固定した。そして、加圧を解除し、集電体を含む積層体をアルミ板で挟むことによって、全固体電池のサンプル8を作製した。全固体電池のサンプル9は、正極ペレット1の代わりに、正極ペレット2を用いて、上記のサンプル8と同様にして作製した。
上記のようにして作製した全固体電池のサンプル1〜9の抵抗を、上述した電気化学測定システムを用いて、交流インピーダンス測定法によって測定した。交流インピーダンス測定法によって得られた波形は、円弧と直線からなり、円弧の切片を全固体電池の内部抵抗として求めた。
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態では、正極電極層20と負極電極層30の両方に、硫化物系固体電解質材料及び結着材が含有されている。ただし、硫化物系固体電解質材料及び結着材は、正極電極層20と負極電極層30とのうちの少なくとも一方に含有されていればよい。このようにしても、全固体電池10の内部抵抗を低減することができる。
上記実施形態において、正極電極層20に、複数種類の結着材が同時に含有されていてもよい。同様に、負極電極層30に、複数種類の結着材が同時に含有されていてもよい。
上記実施形態では、正極電極層20と、固体電解質層40と、負極電極層30とを加圧した状態に維持するための拘束具は取り付けられていない。ただし、全固体電池10を完成させる際に、正極電極層20と、固体電解質層40と、負極電極層30とを加圧した状態に維持するための拘束具を取り付けてもよい。拘束具による圧力は、製造時における圧力以上であってもよく、製造時における圧力より小さくてもよい。拘束具による圧力が製造時における圧力より小さくても、正極電極層20と負極電極層30とのうちの少なくとも一方に、硫化物系固体電解質材料と結着材とが含有されているので、全固体電池10の内部抵抗を低減することができる。
上記実施形態では、正極電極層20及び負極電極層30は、リチウムイオンの授受を行なう活物質を含有している。すなわち、上記実施形態では、全固体電池10において授受されるイオンとして、リチウムイオンが用いられている。ただし、正極電極層20及び負極電極層30は、リチウムイオンの授受を行なう活物質の代わりに、他のイオンの授受を行なう活物質を含有してもよい。
15…電池本体
20…正極電極層
30…負極電極層
40…固体電解質層
50…集電体
60…集電体
Claims (4)
- 正極活物質を含有する正極電極層と、
負極活物質を含有する負極電極層と、
前記正極電極層と前記負極電極層との間に位置する固体電解質層と
を備える全固体電池であって、
前記固体電解質層は、酸化物系固体電解質材料によって形成されており、
前記正極電極層と前記負極電極層とのうちの少なくとも一方は、硫化物系固体電解質材料と結着材とを含有することを特徴とする、全固体電池。 - 正極電極層と、負極電極層と、前記正極電極層と前記負極電極層との間に位置する固体電解質層とを備える全固体電池の製造方法であって、
(a)正極活物質を含有する正極用ペーストを準備する工程と、
(b)負極活物質を含有する負極用ペーストを準備する工程と、
(c)酸化物系固体電解質材料によって形成された前記固体電解質層を準備する工程と、
(d)前記固体電解質層の一方の面に前記正極用ペーストを塗布して、前記正極電極層を形成する工程と、
(e)前記固体電解質層の他方の面に前記負極用ペーストを塗布して、前記負極電極層を形成する工程と、
(f)前記固体電解質層に塗布された前記正極用ペースト及び前記負極用ペーストを加圧する工程と
を備え、
前記正極用ペーストと前記負極用ペーストとのうちの少なくとも一方は、硫化物系固体電解質材料と結着材とを含有することを特徴とする、全固体電池の製造方法。 - 請求項2に記載の全固体電池の製造方法であって、さらに、
(g)前記加圧を解除する工程を備えることを特徴とする、全固体電池の製造方法。 - 請求項2または請求項3に記載の全固体電池の製造方法であって、さらに、
(h)前記加圧時における圧力よりも小さい圧力で加圧した状態で固定する工程を備えることを特徴とする、全固体電池の製造方法。
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