JP2016001598A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池は、正極層と負極層との間に固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池において、前記正極層が正極集電体層及び正極活物質層からなり、前記負極層が負極集電体層及び負極活物質層からなり、前記固体電解質層が前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に位置し、前記固体電解質層を構成する固体電解質と正極活物質層及び負極活物質層を構成する正極活物質及び負極活物質のいずれか一方の粒径の比((固体電解質の粒径)/(正極活物質の粒径または負極活物質の粒径))が3.0から10.0の範囲であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
図1は、本実施形態の一例に係るリチウムイオン二次電池20の概念的構造を示す断面図である。本実施形態のリチウムイオン二次電池20は、正極層1と負極層2が固体電解質層3を介して積層されており、正極層1は正極集電体層4と正極活物質層5からなり、負極層2は負極集電体層6と負極活物質層7からなる。また、固体電解質層3は固体電解質10からなり、正極集電体層4は正極集電体11からなり、正極活物質層5は正極活物質12からなり、負極集電体層6は負極集電体13からなり、負極活物質層7は負極活物質14からなる。なお、以降の明細書中の説明として、正極活物質12及び負極活物質14のいずれか一方又は両方を総称として活物質と呼び、正極活物質層5及び負極活物質層7のいずれか一方又は両方を総称して活物質層と呼び、正極及び負極のいずれか一方又は両方を総称して電極と呼ぶことがある。
本実施形態のリチウムイオン二次電池20の固体電解質層3を構成する固体電解質10としては、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料を用いるのが好ましい。例えば、La0.5Li0.5TiO3などのペロブスカイト型化合物や、Li14Zn(GeO4)4などのリシコン型化合物、Li7La3Zr2O12などのガーネット型化合物、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3やLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3などのナシコン型化合物、Li3.25Ge0.25P0.75S4やLi3PS4などのチオリシコン型化合物、Li2S−P2S5やLi2O−V2O5−SiO2などのガラス化合物、Li3PO4やLi3.5Si0.5P0.5O4やLi2.9PO3.3N0.46などのリン酸化合物、よりなる群から選択される少なくとも1種であることが望ましい。特にLi1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≦x≦0.6)に代表されるリン酸チタンアルミニウムリチウムが好ましく、Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≦x≦0.6)であることがさらに好ましい。
本実施形態のリチウムイオン二次電池20の正極活物質層5及び負極活物質層7を構成する正極活物質12及び負極活物質14としては、リチウムイオンを効率よく挿入、脱離できる材料を用いるのが好ましい。
また、このチタンまたはアルミニウムは、正極活物質層5または負極活物質層7中で濃淡を持って分布していることが好ましい。さらに、固体電解質層3に近い側よりも、固体電解質層3から遠い側(つまり正極集電体層11または負極集電体層13に近い側)の方がその成分の元素濃度が低い状態で存在することがより好ましい。また、本実施形態では、正極活物質層5と正極集電体層4、または負極活物質層7と負極集電体層6の界面近傍まで、すなわち正極活物質層5または負極活物質層7の全域に渡って分布することにより、界面抵抗の低減、ひいては内部抵抗の低下を図ることができる。
本実施形態のリチウムイオン二次電池20の正極集電体層4及び負極集電体層6を構成する正極集電体11及び負極集電体13としては、導電率が大きい材料を用いるのが好ましく、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケルなどを用いるのが好ましい。特に、銅は固体電解質10のLi1+x2Alx2Ti2−x2(PO4)3(0≦x2≦0.6)と反応し難く、さらにリチウムイオン二次電池20の内部抵抗の低減に効果があるため好ましい。また、正極集電体層4及び負極集電体層6を構成する正極集電体11及び負極集電体13は、正極と負極で同じであってもよいし、異なっていてもよい。
本実施形態のリチウムイオン二次電池20の固体電解質10と正極活物質12及び負極活物質14の粒径を制御するために、固体電解質層3又は正極活物質層5又は負極活物質層7は焼結助剤を含んでいてもよい。焼結助剤の種類は特に限定されず、リチウム酸化物、ナトリウム酸化物、カリウム酸化物、酸化ホウ素、酸化ケイ素、酸化ビスマス、酸化リンよりなる群から選択される少なくとも1種であることが望ましい。
本実施形態のリチウムイオン二次電池20は、正極集電体層4、正極活物質層5、固体電解質層3、負極活物質層7、及び、負極集電体層6の各材料をペースト化し、塗布乾燥してグリーンシートを作製し、係るグリーンシートを積層し、作製した積層体を同時に焼成することにより製造する。
以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、部表示は、断りのない限り、質量部である。
正極活物質及び負極活物質として、以下の方法で作製したLi3V2(PO4)3を用いた。その作製方法としては、Li2CO3とV2O5とNH4H2PO4とを出発材料とし、ボールミルで16時間湿式混合を行い、脱水乾燥した後に得られた粉体を850℃で2時間、窒素水素混合ガス中で仮焼した。仮焼品をボールミルで湿式粉砕を行った後、脱水乾燥して正極活物質粉末及び負極活物質粉末を得た。この粉体の平均粒径は0.2μmであった。作製した粉体の組成がLi3V2(PO4)3であることは、X線回折装置を使用して確認した。
正極活物質ペースト及び負極活物質ペーストは、この正極活物質粉末及び負極活物質粉末100部に、バインダーとしてエチルセルロース15部と、溶媒としてジヒドロターピネオール65部とを加えて、混合・分散して正極活物質層用ペースト及び負極活物質層用ペーストを作製した。
固体電解質として、以下の方法で作製したLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3を用いた。Li2CO3とAl2O3とTiO2とNH4H2PO4を出発材料として、ボールミルで16時間湿式混合を行った後、脱水乾燥した。得られた粉体を800℃で2時間、空気中で仮焼した。仮焼品をボールミルで18時間湿式粉砕を行った後、脱水乾燥して固体電解質の粉末を得た。この粉体の平均粒径は0.6μmであった。作製した粉体の組成がLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3であることは、X線回折装置を使用して確認した。
この固体電解質層用ペーストをドクターブレード法でPETフィルムを基材としてシート成形し、厚さ15μmの固体電解質層用シートを得た。
正極集電体及び負極集電体として用いたCuとLi3V2(PO4)3とを体積比率で80/20となるように混合した後、バインダーとしてエチルセルロース10部と、溶媒としてジヒドロターピネオール50部を加えて混合・分散して正極集電体層用ペースト及び負極集電体層用ペーストを作製した。Cuの平均粒径は0.9μmであった。
銀粉末とエポキシ樹脂、溶剤とを三本ロールで混錬・分散し、熱硬化型の端子電極ペーストを作製した。
上記の固体電解質層用シート上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで正極活物質層用ペーストを印刷し、80℃で10分間乾燥した。次に、その上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで正極集電体層用ペーストを印刷し、80℃で10分間乾燥した。更にその上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで正極活物質層用ペーストを再度印刷し、80℃で10分間乾燥し、次いでPETフィルムを剥離した。このようにして、固体電解質層用シート上に、正極活物質層用ペースト、正極集電体層用ペースト、正極活物質層用ペーストがこの順に印刷・乾燥された正極活物質ユニットのシートを得た。
上記の固体電解質層用シート上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで負極活物質層用ペーストを印刷し、80℃で10分間乾燥した。次に、その上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで負極集電体層用ペーストを印刷し、80℃で10分間乾燥した。更にその上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで負極活物質層用ペーストを再度印刷し、80℃で10分間乾燥し、次いでPETフィルムを剥離した。このようにして、固体電解質層用シート上に、負極活物質層用ペースト、負極集電体層用ペースト、負極活物質層用ペーストがこの順に印刷・乾燥された負極活物質ユニットのシートを得た。
正極活物質ユニットと負極活物質ユニットを、正極活物質層用ペースト、正極集電体層用ペースト、正極活物質層用ペースト、固体電解質層用シート、負極活物質層用ペースト、負極集電体層用ペースト、負極活物質層用ペースト、固体電解質層用シートの順に形成されるように積み重ねた。このとき、正極活物質ユニットの正極集電体層用ペーストが一の端面にのみ延出し、負極活物質ユニットの負極集電体層用ペーストが他の面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねた。この積み重ねられたユニットの両面に厚さ500μmとなるように固体電解質層用シートを積み重ね、その後、これを熱圧着により成形した後、切断して積層ブロックを作製した。その後、積層ブロックを同時焼成して積層体を得た。同時焼成は、窒素中で昇温速度200℃/時間で焼成温度840℃まで昇温して、その温度に2時間保持し、焼成後は自然冷却した。
積層体の端面に端子電極ペーストを塗布し、150℃、30分の熱硬化を行い、一対の端子電極を形成してリチウムイオンニ次電池を得た。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を12時間に変更し、粉体の平均粒径が1.0μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を8時間に変更し、粉体の平均粒径が1.6μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を4時間に変更し、粉体の平均粒径が2.0μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を24時間に変更し、粉体の平均粒径が0.2μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を20時間に変更し、粉体の平均粒径が0.4μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
固体電解質の作製において、ボールミルでの湿式粉砕の時間を2時間に変更し、粉体の平均粒径が2.4μmであったこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径が0.6μmのLiVOPO4を用いたこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径1.0μmのLiVOPO4を用いたこと以外は実施例1−2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径1.6μmのLiVOPO4を用いたこと以外は実施例1−3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径2.0μmのLiVOPO4を用いたこと以外は実施例1−4と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径0.2μmのLiVOPO4を用いたこと以外は比較例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径0.4μmのLiVOPO4を用いたこと以外は比較例1−2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径2.4μmのLiVOPO4を用いたこと以外は比較例1−3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が0.6μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は実施例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例3−2)
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が1.0μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は実施例1−2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例3−3)
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が1.6μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は実施例1−3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例3−4)
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が2.0μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は実施例1−4と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は比較例1−1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が0.4μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は比較例1−2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
正極活物質に粉体の平均粒径が0.2μmのLiCoO2を用い、負極活物質に粉体の平均粒径が2.4μmのLi4Ti5O12を用いたこと以外は比較例1−3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
それぞれの端子電極にリード線を取り付け、繰り返し充放電試験を行った。測定条件は、充電及び放電時の電流はいずれも2.0μA、充電時及び放電時の打ち切り電圧をそれぞれ4.0V及び0Vとした。5サイクル目の放電容量と放電開始時の電圧降下から算出した内部抵抗を表1に示した。
2 負極層
3 固体電解質層
4 正極集電体層
5 正極活物質層
6 負極集電体層
7 負極活物質層
10 固体電解質
11 正極集電体
12 正極活物質
13 負極集電体
14 負極活物質
20 リチウムイオン二次電池
Claims (2)
- 正極層と負極層との間に固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池において、前記正極層が正極集電体層及び正極活物質層からなり、
前記負極層が負極集電体層及び負極活物質層からなり、
前記固体電解質層が前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に位置し、
前記固体電解質層を構成する固体電解質と
正極活物質層及び負極活物質層を構成する正極活物質及び負極活物質の
いずれか一方の粒径の比((固体電解質の粒径)/(正極活物質の粒径または負極活物質の粒径))が3.0から10.0の範囲であること
を特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記固体電解質層がLi1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≦x≦0.6)であり、
前記正極活物質層及び負極活物質層の一方又は両方が
LiVOPO4及びLi3V2(PO4)3の一方又は両方であること
を特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
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