JP2015062186A - 複合粒子、固体電池用電極および複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その中で、従来用いられてきた非水電解液系のリチウム電池に比べて安全性が高く、セルの形状の自由度が高く、構造の自由度が増し、補器の数を減らすことができる等の多くの利点を有し得ることから、固体リチウム電池の実用化が期待されている。
それは、このような特徴を有し得る固体リチウム電池を得るためには、正極および負極の各電極と固体電解質のいずれもが安全性とともに高い出力を与え得る材料から構成されることが必要であるが、高い出力を与え得る電極および/又は高い出力を与え得る固体電解質が未だ得られていないためである。
例えば、特許文献1には、無機化合物からなる原料粉末を混合、造粒、焼成して得られた粒径の大きい正極活物質を用いた非水電解質二次電池用正極が記載されている。具体例として、リチウム炭酸塩とコバルト酸化物の混合物から攪拌混合造粒法によって前記正極活物質の一例であるLiCoO2を得た例が示されている。
さらに、本発明の目的は、固体電池に用いて高出力を与え得る複合粒子の製造方法を提供することである。
また、本発明は、前記複合粒子と硫化物固体電解質とを含む固体電池用電極に関する。
また、本発明は、活物質粒子と酸化物固体電解質前駆体の有機溶媒溶液とを転動流動層造粒装置内で造粒する噴霧工程を含む前記の複合粒子の製造方法であって、酸化物固体電解質前駆体の有機溶媒溶液が前記活物質粒子表面にコーティングされた際に、前記活物質粒子表面が湿潤状態になり得る温度に転動流動層造粒装置内の吸気温度を調整する、前記製造方法に関する。
また、本発明によれば、固体電池に用いて高出力を与え得る複合粒子を容易に得ることができる。
1)前記活物質が、正極活物質である固体電池用電極。
2)前記造粒体を用意する工程が、リチウムイオン伝導体原料と活物質とを含む前駆造粒体を用意する工程と、得られた造粒体を焼成する工程とからなる製造方法。
また、本発明においては、複数のリチウムイオン伝導体と複数の活物質とを含む造粒体を用意する工程と、前記造粒体と固体電解質とを均一混合する工程とを含むことによって、高出力を与え得る固体電池用電極を容易に得ることができる。
図1に示すように、本発明の固体電池用電極は、リチウムイオン伝導体と活物質と固体電解質とを含み、複数のリチウムイオン伝導体と複数の活物質とを含む複合粒子である造粒体を含むものである。
本発明の固体電池用電極を用いることにより固体電池の出力が高くなる理論的解明はなされていないが、前記構成を有することによって、リチウムイオンを貯める機能を有するがリチウムイオンの移動性が極めて低い活物質とリチウムイオン伝導体とが複合化されて造粒体を形成していることにより、造粒体内でのリチウムイオン伝導が可能となり、造粒体とともに電極内に含まれリチウムイオンを移動させる機能を持つ固体電解質との間で、固体電解質→リチウムイオン伝導体→活物質の経路での電極内でのリチウムイオンの移動が可能となることによると考えられる。
この問題点を解決する手段として、活物質と固体電解質との粒子の大きさを同程度に小さくそろえることが考えられるが、微粒子の凝集力がさらに大きくなるため固体電解質/活物質の界面の増大化を工業的に実現することは困難である。
前記の工程によって、例えば、図4に示すように、粒子内に複数個、例えば2〜100個のリチウムイオン伝導体と複数個、例えば2〜100個の活物質とを含む粒径が10〜1000μm程度の造粒体が得られる。
これに対して、従来技術では、造粒体は、リチウムイオン伝導体の薄膜によって1つの活物質粒子が被覆されたものである。
この実施態様において前記造粒体は、例えばリチウム伝導体原料を含む有機溶媒、例えばアルコール溶液、例えばエタノール、メタノール又はイソプロパノール溶液、好適にはエタノール溶液を、転動流動層造粒装置内で流動状態にある活物質粉末に噴霧し、そして乾燥することによって造粒体を形成し、得られた造粒体を空気中又は不活性雰囲気中で焼成することによって製造し得る。
この実施態様においてリチウムイオン伝導体と活物質との割合は、リチウムイオン伝導体:活物質(質量比)が1:1〜67000:1の範囲、例えば5:1〜25:1の範囲であることが好適である。
また、前記の方法において、粒子を流動状態にするための吸気風量は0.05〜2m3/h程度であることが好適である。
前記のリチウムイオン伝導体原料と活物質とからなる造粒体の焼成は、不活性雰囲気又は空気中、100〜350℃で1〜10時間程度加熱して行われる。特に、リチウムイオン伝導体が酸化物である場合、マッフル炉を用いて、空気中、100〜350℃、特に300〜350℃で1〜10時間程度加熱することによって行い得る。
前記の造粒体と固体電解質とを均一混合することによって、固体電池用電極を構成する電極材合材粉体、例えば正極合材粉体又は負極合材粉体、有利には正極合材粉体を得ることができる。
また、前記リチウムイオン伝導体原料としては、例えば前記リチウムイオン伝導体化合物中に含まれる金属元素のアルコキシド、例えばエトキシドなどが挙げられる。従って、2種類以上の金属元素を含むリチウムイオン伝導体原料としては、各金属元素のアルコキシド、例えばエトキシドを組み合わせて用い得る。
特に、正極活物質として、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4、LixNi1/2Mn1/2O2、LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Lix[NiyLi1/3−2y/3]O3(0≦x≦1、0<y<1/2)やこれらのリチウム遷移金属酸化物のリチウム又は遷移金属を他の元素で置換したリチウム遷移金属酸化物、例えばLiNiMnCoO2が挙げられる。
また、負極活物質として、炭素材料(C)、例えばグラファイト又はハードカーボンが好適に挙げられる。
前記導電材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、球状炭素微粒子、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーが挙げられる。
そして、本発明の実施態様における電極中には、リチウムイオン伝導体と活物質と固体電解質とが必須成分として含まれるが、前記成分以外に電子伝導度を向上させるための導電材などの成分が10質量%以下、特に5質量%以下含まれ得る。
また、本発明の実施態様において、固体電池用負極を得る場合は活物質として、負極活物質、例えばグラファイト、ハードカーボンなどの炭素材料(C)を用い得る。
そして、固体電池は、例えば適した固体電解質をセルに入れ、プレスし、固体電解質層のペレットを作製し、次いで正極合材粉体および負極合材粉体を固体電解質層の両側に導入、そしてプレスすることによって作製し得る。
また、固体電池は、先ず正極合材粉体および負極合材粉体をプレスしてペレット化して正極および負極を形成し、次いで両極の間に電解質層を形成して作製し得る。
あるいは、例えば前記の正極合材粉体を溶媒に分散させ、塗布法により金属箔からなる集電体に電極を形成し、次いで同様に塗布法により電解質層を形成し、次いで負極合材粉体を用いて負極を形成し、最後に金属箔からなる集電体を積層することによって作製し得る。
以下の実施例は単に説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。
以下の記載において、部は質量部を示す。
以下の各例において、造粒又はコーティング装置として、図5に模式図を示す転動流動層造粒装置(パウレック社製、MP−01)を用いた。
以下の各例において、造粒体の粒径は電子顕微鏡観察により求めた。また、造粒体の電子顕微鏡観察は以下の装置を用いて行った。
電子顕微鏡:JEOL(日本電子社)製
造粒体中のリチウムイオン伝導体をゾル−ゲル法により合成した。リチウムイオン伝導体であるLiNbO3の原料となるアルコキシド溶液は、ペンタエトキシドニオブとエトキシドリチウム(ともに高純度化学社製)をエタノールに溶解し、固形分割合6質量%で調合した。これらアルコキシドのエタノール溶液1600gを活物質としてのLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(日亜化学社製)1kgに対して噴霧を行った。その際、吸気温度50℃、吸気風量0.2m3/時間、ロータ回転数300rpm、噴霧速度5g/分の条件で造粒体を形成した。造粒体中のLiNbO3の前駆体を酸化物にするためにマッフル炉を用いて350℃、5時間の焼成を行った。
次いで、焼成済みの造粒体と硫化物系固体電解質であるLi3PS4とを5:5の質量比にて試験管ミキサーを用いて均一になるまで混合し、分散させ、正極合材を作製した。
造粒体について電子顕微鏡観察を行った。電子顕微鏡写真の写しを図4に示す。
前記固体電解質をセルに入れ、プレスし、電解質層のペレットを作製した。次いで、正極合材および負極合材を電解質層の両側に導入し、プレスして、圧粉電池を作製した。
得られた放電カーブの結果を比較例の結果と共に、まとめて図6に示す。
出力の測定結果を比較例の結果とともに、まとめて図7に示す。
活物質LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2粒子表面に、均一なリチウムイオン伝導体LiNbO3薄膜層を形成した。その際に、図5に示す転動流動層装置の運転条件は、吸気温度80℃、吸気風量0.3m3/時間、ロータ回転数300rpm、噴霧速度4g/分の条件であり、焼成条件は350℃、5時間であった。
次いで、実施例1と同様にして、正極合材、負極合材および圧粉電池を作製した。
得られた電極表面についてSEM測定を行った。得られたSEM写真の写しを図2に示す。
また、電池について実施例1と同様に電池の評価を行った。
得られた結果を実施例の結果とともに、まとめて図6および図7に示す。
Claims (4)
- 複数の活物質粒子が複合化してなる複合粒子であって、複合粒子内の活物質粒子間に酸化物固体電解質が備えられ、複合粒子内に硫化物固体電解質を含まない、前記複合粒子。
- 請求項1に記載の複合粒子と硫化物固体電解質とを含む固体電池用電極。
- 活物質粒子と酸化物固体電解質前駆体の有機溶媒溶液とを転動流動層造粒装置内で造粒する噴霧工程を含む請求項1に記載の複合粒子の製造方法であって、酸化物固体電解質前駆体の有機溶媒溶液が前記活物質粒子表面にコーティングされた際に、前記活物質粒子表面が湿潤状態になり得る温度に転動流動層造粒装置内の吸気温度を調整する、前記製造方法。
- 前記活物質粒子表面が湿潤状態になり得る温度が、室温以上50℃以下の温度である請求項3に記載の製造方法。
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