JP2015176854A - 酸化物系固体電解質及びその用途 - Google Patents
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Abstract
Description
安全性を確保するために、非水系溶媒を使用せずに、電解質を固体材料から形成する、いわゆる固体電解質を使用した全固体二次電池が提案されている。この固体材料としては、Li2S−P2S5で表される硫化物系固体電解質が多く報告されている。しかし、硫化物系固体電解質は、その製造原料に硫化物を使用するため、作業性の観点からの課題があった。そこで、硫化物系ではない固体電解質として、酸化物系の固体電解質が報告されている。
例えば、Li系の固体電解質として、NASICON型のLi1+xAlxTi2-x(PO4)3(LATP)、ペロブスカイト型のLi3+xLa2/3-xTiO3(LLT)、ガーネット型で立方晶のLi7La3Zr2O12(LLZ)が、Na系の固体電解質として、β’’アルミナ型のNa2O・(5〜7)Al2O3、NASICON型のNa3Zr2Si2PO12が、報告されている。しかしながら、これら固体電解質は、使用可能な負極材料が限定されたり、固体電解質間や、固体電解質と活物質間の界面を密着させることで導電性を向上させるために1000℃を超える高温での焼結が必要であったりする等の課題があった。特に、高温での焼結は、固体電解質間や、固体電解質と活物質間の界面に高抵抗相が形成されることがあり、導電率向上の妨げになっていた。
そのため近年、焼結温度を下げる試みが種々なされている。例えば、特開2013−37992号公報では、上記LLZ系の酸化物に、Li3BO3を混合することで、固体電解質を形成する際の焼結温度を650〜800℃に下げることができるとされている。
また、本発明によれば、正極活物質と、上記酸化物系固体電解質とを含むことを特徴とする全固体電池用の正極が提供される。
また、本発明によれば、正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層及び正極の少なくとも一方が、上記酸化物系固体電解質を含むことを特徴とする全固体二次電池が提供される。
更に、酸化物系固体電解質が、ガラスセラミックス状又はガラス状である場合、より十分な導電性を与え得る酸化物系固体電解質を提供できる。
また、酸化物系固体電解質が、一般式(I)’(100−x)Li3BO3・xLi2SO4(式中、xは0<x<25である)で表される場合、より十分な導電性を与え得る酸化物系固体電解質を提供できる。
本発明の酸化物系固体電解質は、一般式(I):Aa(B1-bSb)Oc(式中、AはNa及びLiから選択され、aは2.75<a<3であり、bは0<b<0.25であり、cは3<c<3.25である)で表される。この酸化物系固体電解質は、全固体電池の固体電解質層及び/又は正極を構成する固体電解質として使用可能である。加えて、この酸化物系固体電解質は、300℃程度以下の加熱でも、十分な導電性を固体電解質及び/又は正極に付与できる。なお、「及び/又は」は、A及び/又はBで表現すると、A、B又は、A及びBを意味する。
また、酸化物系固体電解質が、X線回折(CuKα、λ=1.5418Å)において、2θ=21.5±0.5°、2θ=23±0.5°、2θ=28.5±0.5°、2θ=29±0.5°、2θ=32±0.5°、2θ=36±0.5°、2θ=38±0.5°及び2θ=39.5±0.5°に回折ピークを有していることが好ましい。これら回折ピークを有する酸化物系固体電解質は、より導電性の向上した固体電解質層及び/又は正極が得られる。
なお、ガラスセラミックス状は、対応するガラス状に存在していたガラス転移点が存在しない状態であることが好ましい。また、ガラスセラミックス状は、非晶質状態のガラス成分中に、結晶質部が分散した状態であってもよい。結晶質部の割合は、全体に対して、50重量%以上であることが好ましく、80重量%以上であることがより好ましい。なお、結晶質部の割合は固体NMRにより測定可能である。
酸化物系固体電解質は、一般式(I)’(100−x)Li3BO3・xLi2SO4(式中、xは0<x<25である)で表される電解質であることが好ましい。この電解質であれば、導電性の向上した固体電解質層及び/又は正極が得られる。
(1)ガラス状の酸化物系固体電解質は、リチウム及び/又はナトリウムの硼酸塩と硫酸塩とを混合することにより得ることができる。混合には、両塩をより均一に混合する観点から、メカニカルミリング処理を使用することが好ましい。
メカニカルミリング処理は、原料を十分混合・反応できさえすれば、処理装置及び処理条件には特に限定されない。
処理装置としては、通常ボールミルが使用できる。ボールミルは、大きな機械的エネルギーが得られるため好ましい。ボールミルの中でも、遊星型ボールミルは、ポットが自転回転すると共に、台盤が公転回転するため、高い衝撃エネルギーを効率よく発生させることができるので、好ましい。
なお、硼酸塩及び硫酸塩は、メカニカルミリング処理時の加水分解反応を回避するという観点から、無水状態であることが好ましい。両塩が結晶水を含む場合、予め空気中で2時間程度熱処理しておくことが好ましい。熱処理の温度は、両塩の種類に応じて適宜決定できる。更に、硼酸塩は、リチウム及び/又はナトリウムの水酸化物と硼酸とを反応させることで得てもよい。
ガラス転移点(Tg)は、固体電解質の構成元素に応じて相違するが、例えば、Li3BO3−Li2SO4系の場合、190〜250℃の範囲にある。また第一結晶化温度(Tc)は210〜270℃の範囲にある。熱処理温度の上限は、特に限定されないが、通常、第一結晶化温度+100℃である。
熱処理時間は、ガラス状をガラスセラミックス状に変換し得る時間であり、熱処理温度が高いと短く、低いと長くなる。熱処理時間は、通常、0.1〜10時間の範囲である。
酸化物系固体電解質は、全固体二次電池の固体電解質層及び/又は正極を構成する固体電解質として使用することが好ましい。酸化物系固体電解質を固体電解質層に使用する場合は、正極には酸化物系固体電解質層が含まれていてもいなくてもよい。また、酸化物系固体電解質を正極に使用する場合は、固体電解質層には酸化物系固体電解質層が含まれていてもいなくてもよい。即ち、
(i)酸化物系固体電解質を含む固体電解質層と、含まない正極
(ii)酸化物系固体電解質を含まない固体電解質層と、含む正極
(iii)酸化物系固体電解質を含む固体電解質層と正極
の組み合わせが挙げられる。(i)〜(iii)の組み合わせは、いずれも全固体電池で一般的な硫化物系固体電解質の使用量を削減できるという利点がある。
なお、全固体二次電池は、通常、正極、負極、及び正極と負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備えている。
(1)固体電解質層
固体電解質層には、上記酸化物系固体電解質以外に、全固体二次電池に通常使用される電解質(例えば、LiI、NaI、Li3PO4、Na3PO4等)が含まれていてもよい。なお、固体電解質層中、上記酸化物系固体電解質が占める割合は、80重量%以上であることが好ましく、全量であることがより好ましい。固体電解質層の厚さは、1〜1000μmであることが好ましく、1〜200μmであることがより好ましい。固体電解質層は、例えば、その原料をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。プレスは、300℃程度以下の温度、200〜400MPaの圧力で、0.1〜5時間行うことができる。本発明の酸化物系固体電解質は、プレス温度が従来より低温であっても、高い導電性を固体電解質層に付与できる。
正極は、上記酸化物系固体電解質及び正極活物質を少なくとも含む。
正極活物質としては、Li0.44MnO2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiCoO2、LiFeO2、LiCrO2、Li3V2(PO4)3、LiMn2O4等の種々の遷移金属化合物等のリチウム系活物質、Na0.44MnO2、NaNi0.5Mn0.5O2、NaCoO2、NaFeO2、NaCrO2、Na3V2(PO4)3、NaMn2O4等の種々の遷移金属化合物等のナトリウム系活物質、FeS、TiS2等が挙げられる。この内、粒子状の正極活物質はLiNbO3等の材料で被覆されていてもよい。ホットプレスにより得られた酸化物系固体電解質を使用する場合、より充放電効率を高めるためにこの被覆がされていることが好ましい。
正極には、更に、結着剤、導電剤等が混合されていてもよい。
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン等が挙げられる。
導電剤としては、天然黒鉛、人工黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、デンカブラック、カーボンブラック、気相成長カーボンファィバ(VGCF)等が挙げられる。
正極は、SUS、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
正極は、例えば、酸化物系固体電解質と正極活物質及び、任意に結着剤、導電剤等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。プレスは、300℃程度以下の温度、200〜400MPaの圧力で、0.1〜5時間行うことができる。本発明の酸化物系固体電解質は、プレス温度が従来より低温であっても、高い導電性を正極に付与できる。
また、このプレスは、固体電解質層の形成時のプレスと兼ねていてもよい。兼ねることで、正極と固体電解質層の界面での密着性をより向上できる。
これら固体電解質層及び正極には、全固体電池用に使用されているものをいずれも使用できる。
(1)固体電解質層
固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、全固体電池に一般的に使用されるLi2S−MxSy(MはP、Si、Ge、B、Al及びGaから選択され、xとyは、Mの種類に応じて、化学量論比を与える数である)のような硫化物系のものが挙げられる。Li2SとMxSyとの比は、50:50〜90:10(モル比)の割合であることが好ましい。固体電解質層は、例えば、その原料をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。
(2)正極
正極としては、上記酸化物系固体電解質を含む正極において、酸化物系固体電解質を上記硫化物系固体電解質に代えた正極が挙げられる。
負極は、特に限定されない。負極は、負極活物質のみからなっていてもよく、結着剤、導電剤、電解質等と混合されていてもよい。
負極活物質としては、Li、Na、In、Sn等の金属、Li合金、Na合金、グラファイト、ハードカーボン、Li4/3Ti5/3O4、Na3V2(PO4)3、SnO等の種々の遷移金属酸化物等が挙げられる。
結着剤及び導電剤は、上記正極の欄で挙げた物をいずれも使用できる。電解質は、酸化物系及び硫化物系の固体電解質をいずれも使用できる。
負極は、例えば、負極活物質及び、任意に結着剤、導電剤、電解質等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。また、負極活物質として金属又はその合金からなる金属シート(箔)を使用する場合、それをそのまま使用可能である。
負極は、SUS、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
全固体二次電池は、例えば、正極と、電解質層と、負極とを積層し、プレスすることにより得ることができる。
実施例1(ガラス状の酸化物系固体電解質の製造)
一般式(I)’(100−x)Li3BO3・xLi2SO4で表される固体電解質を以下の手順で製造した。
まず、LiOH・H2O(和光純薬製、純度98〜102%)とH3BO3(和光純薬製、純度99.5%)とを反応させた後、600℃で2時間、空気雰囲気下で加熱することによりLi3BO3結晶を得た。
上記とは別に、Li2SO4・H2O(和光純薬製、純度99%)を300℃で2時間、空気雰囲気下で加熱することによりLi2SO4結晶を得た。
なお、上記製造法は、Akitoshi Hayashi et al., Journal of Non−Crystalline Solids 356 (2010) 2670−2673のExperimentalの記載に準じている。
実施例1と同様にしてガラス状の酸化物系固体電解質を得た後、結晶化温度以上の290℃で2時間加熱し、室温まで冷却することでガラスセラミックス状の酸化物系固体電解質を得た。
ガラス状及びガラスセラミックス状の酸化物系固体電解質80mgを室温(約25℃)で0.1時間プレス(圧力360MPa)することで直径10mm、厚さ約1mmのペレットを得た。また、温度を255℃、プレス時間を4時間とすること以外は、前記と同様にしてペレットを得た。前者のプレスをcold press、後者のプレスをhot pressと称する。
(1)cold pressにより得られたガラス状酸化物系固体電解質のペレット
得られたペレットを用いて測定した、XRDパターン、DTA曲線及びインピーダンスプロットを図3〜5に示す。なお、DTA曲線とインピーダンスプロットの測定は、メカニカルミリング(MM)処理時間が図3記載の時間のペレットを用いた。図3中、例えば、MM 40hは、メカニカルミリング処理を40時間行ったことを意味する。図3に記載のないx=5、15及び100は、処理時間をそれぞれ100時間、50時間及び0時間(MM処理なし)とした。X=100はMM処理なしのLi2SO4結晶そのもののDTA曲線を意味する。
図4中、250〜300℃付近の発熱ピークは結晶相の存在を、400℃付近の発熱ピークは準安定相のβ−Li2SO4とLi3BO3への分解を、560℃付近の吸熱ピークはβ−Li2SO4からαLi2SO4への相転移を、それ以降の吸熱ピークは融解を、それぞれ意味している。図4から、Li2SO4が増えることにより融点が低下し、x=60において最も低い融点を示すことが分かる。
図5から、x=10の場合、最もインピーダンスが小さいことが分かる。
得られたガラスセラミックスを用いて測定した、XRDパターン、インピーダンスプロット及び導電率を表すグラフを図6〜8に示す。なお、これら図の測定は、図3記載の時間(図3に記載のないx=5及び15は、処理時間をそれぞれ100時間及び50時間とした)、メカニカルミリング処理を行って得られたガラスをcold pressして得られたガラス成型体に対して、290℃付近の結晶化温度以上で2時間加熱して得られたペレットを用いた。図7及び8には、対応するx値のガラス状酸化物系固体電解質の値を合わせて記載している。図7中、○はガラスセラミックスを、●はガラスを意味する。図8中、◆はガラスセラミックスを、●はガラスを意味する。
図7及び8から、xが25以下の場合、ガラスセラミックス状酸化物系固体電解質がガラス状よりも導電率が高いが、xが50以上の場合、その逆であることが分かる。特に、図8から、300℃以下の熱処理で導電率の高い酸化物系固体電解質を作製可能であることが分かる。
255℃、360MPaで4時間ホットプレスすることによって得られたペレットを用いて測定した、インピーダンスプロットを図9に示す。なお、図9の測定は、メカニカルミリング処理時間が50時間のペレットを用いた。図9には、対応するx値のcold pressにより得られたガラス状酸化物系固体電解質の値を合わせて記載している。図9中、○はホットプレスで得られたペレット、●はコールドプレスで得られたペレットのプロットを意味する。
図9から、hot pressにより得られたガラス酸化物系固体電解質の方が、cold pressにより得られたものより、小さいインピーダンスを有することが分かる。
hot pressにより得られたガラスペレットを290℃で2時間熱処理して得られたガラスセラミックス状ペレットの断面のSEM写真を図2(a)及び(b)に示す。図2(b)は図2(a)の断面写真の一部分の拡大図である。これらの写真から、電解質間の空隙が、cold pressの場合より更に埋められて減少していることが分かる。
得られたペレットを用いて測定した、インピーダンスプロットを図10に示す。なお、図10の測定は、メカニカルミリング処理時間が50時間のペレットを用いた。図10には、対応するx値のcold pressにより得られたガラスセラミックス状酸化物系固体電解質の値を合わせて記載している。図10中、○はホットプレスで得られたペレット、●はコールドプレスで得られたペレットのプロットを意味する。
図10から、hot pressにより得られたガラスセラミックス状酸化物系固体電解質の方が、cold pressにより得られたものより、小さいインピーダンスを有することが分かる。
ガラスセラミックス状酸化物系固体電解質が充放電可能であることを以下のようにして確認した。ガラスセラミックス状酸化物系固体電解質は、90Li3BO3・10Li2SO4を使用した。
具体的には、90Li3BO3・10Li2SO4で表されるガラス状酸化物系固体電解質80mgを室温、360MPaでプレスして固体電解質層としてのペレットを得た。
上記ペレットとは別にLiCoO2(戸田工業製、平均粒径10μm、正極活物質)と上記固体電解質を重量比7:3で混合することで、合剤を得た。得られた合剤10mgを上記ペレット上に載せ、10分間、室温でプレス(cold press)することで、固体電解質層上に正極が積層された複合体を得た。
得られた複合体を、Ar雰囲気下、290℃で2時間熱処理することで、固体電解質をガラス状からガラスセラミックス状に変化させた。
得られたセルを室温下、10μA cm-2の条件で充放電させた。得られた結果を図11に示す。図11から、ガラスセラミックス状酸化物系固体電解質を使用した全固体二次電池が充放電可能であることが分かる。
更に、上記セルにおいて、正極断面のSEM写真を図12(a)及び(b)に示す。図12(b)は、図12(a)中の白四角で囲われた部分の拡大図である。図12(a)及び(b)中、薄いグレーは正極活物質を、濃いグレーは固体電解質を示している。図12(a)及び(b)から正極活物質と固体電解質とから形成される空隙が、固体電解質層の変形により減少しており、活物質と電解質が面接触している部位が多く存在していることが分かる。よってこの電解質が酸化物でありながら、高い成形性を有していることが分かった。
以下の2点を変更すること以外は、実施例4と同様に充放電測定用セルを作製した。
(1)正極活物質には、LiCoO2(戸田工業社製、平均粒径10μm)粒子表面上にLiNbO3薄膜をコーティングしたものを用いた。このコーティングはN.Ohta et al.,Electrochemistry Communications,9(2007) 1486−1490.に記載された方法に従って行った。
(2)正極と電解質の複合体をAr雰囲気下、245℃で4時間熱処理(hot press)した後、さらに290℃で2時間熱処理することで、固体電解質をガラス状からガラスセラミックス状に変化させた。
得られたセルを室温下、10μA cm-2の条件で充放電させた。得られた結果を図13に示す。図13から、hot pressを経て得られたガラスセラミックス状酸化物系固体電解質を使用した全固体二次電池が充放電可能であり、実施例4の電池と比較して、より大きな充放電容量の得られることが分かった。
Claims (7)
- 一般式(I):Aa(B1-bSb)Oc(式中、AはNa及びLiから選択され、aは2.75<a<3であり、bは0<b<0.25であり、cは3<c<3.25である)で表されることを特徴とする全固体電池用の酸化物系固体電解質。
- 前記酸化物系固体電解質が、X線回折(CuKα、λ=1.5418Å)において、2θ=21.5±0.5°、2θ=23±0.5°、2θ=28.5±0.5°、2θ=29±0.5°、2θ=32±0.5°、2θ=36±0.5°、2θ=38±0.5°及び2θ=39.5±0.5°に回折ピークを有する請求項1に記載の酸化物系固体電解質。
- 前記酸化物系固体電解質が、ガラスセラミックス状又はガラス状である請求項1又は2に記載の酸化物系固体電解質。
- 前記酸化物系固体電解質が、一般式(I)’(100−x)Li3BO3・xLi2SO4(式中、xは0<x<25である)で表される請求項1〜3のいずれか1つに記載の酸化物系固体電解質。
- 正極と負極間に位置し、請求項1〜4のいずれか1つに記載の酸化物系固体電解質を含むことを特徴とする全固体電池用の固体電解質層。
- 正極活物質と、請求項1〜4のいずれか1つに記載の酸化物系固体電解質とを含むことを特徴とする全固体電池用の正極。
- 正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層及び正極の少なくとも一方が、請求項1〜4のいずれか1つに記載の酸化物系固体電解質を含むことを特徴とする全固体二次電池。
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