JP2016031782A - All-solid type secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体電解質を有する全固体二次電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an all-solid secondary battery having a solid electrolyte and a method for manufacturing the same.
近年、大容量の電気化学デバイスとしてリチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタの開発が盛んに行われ、民生機器、産業機械、自動車など様々な分野にて利用され始めている。電気化学デバイスに求められる特性としては、高エネルギー密度、高パワー密度など大容量で応答性が高いものが挙げられる。さらには、発火事故などの事例もあることから、電気化学デバイスにおける安全性についても高度化が求められている。とりわけ車載用、医療用の電気化学デバイスにおける事故は人命に直結するため、より高い安全性が問われる。電気化学デバイスでの発火事故の原因のひとつとして、内部に電解液と呼ばれる燃焼性の液体が含まれていることが挙げられる。不測の事態においても、破裂や発火が起きないデバイスが求められており、近年、電気化学デバイスの全固体化が望まれている。 In recent years, lithium-ion secondary batteries and electric double layer capacitors have been actively developed as large-capacity electrochemical devices, and have begun to be used in various fields such as consumer equipment, industrial machinery, and automobiles. Properties required for electrochemical devices include high energy density, high power density, and high capacity and high responsiveness. Furthermore, since there are cases such as ignition accidents, sophistication is also required for safety in electrochemical devices. In particular, accidents in in-vehicle and medical electrochemical devices are directly related to human life, and therefore higher safety is required. One of the causes of ignition accidents in electrochemical devices is that flammable liquids called electrolytes are contained inside. There is a demand for a device that does not rupture or ignite even in an unforeseen situation, and in recent years, it has been desired to make an electrochemical device completely solid.
特許文献1には、固体電解質の材料例としてリチウムイオン伝導性を有する結晶である、Li1+x+zMx(Ge1−yTiy)2−xSizP3−zO12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)が開示されている。
In
全固体二次電池においては、固体電解質の製造における焼結の程度を調整することが重要である。焼結不足は信頼性悪化、過剰焼結は容量低下の要因になり得るからである。しかしながら、量産工程において焼結性を逐一チェックすることは容易ではない。 In an all-solid secondary battery, it is important to adjust the degree of sintering in the production of the solid electrolyte. This is because insufficient sintering can cause deterioration in reliability, and excessive sintering can cause reduction in capacity. However, it is not easy to check the sinterability one by one in the mass production process.
これらのことを考慮し、本発明は、固体電解質の焼結性をチェックしやすい材料を用いた全固体二次電池及びその製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an all-solid-state secondary battery using a material that easily checks the sinterability of a solid electrolyte and a method for manufacturing the same.
本発明によれば、全固体二次電池は、正極層と負極層とが固体電解質層を介して積層されてなる積層部、及び前記積層部の少なくとも一方に形成されてなる固体電解質からなる保護層、を有する。L*a*b*表色系で表現される色彩色差測定において前記保護層が10以上90以下の明度L*及び10以上の彩度(a*×a*+b*×b*)1/2を呈する。好ましくは、保護層にV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びBからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素が含まれる。 According to the present invention, the all-solid-state secondary battery includes a laminated portion in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are laminated via a solid electrolyte layer, and a protection comprising a solid electrolyte formed in at least one of the laminated portions. Having a layer. In the color difference measurement expressed in the L * a * b * color system, the protective layer has a lightness L * of 10 or more and 90 or less and a saturation of 10 or more (a * × a * + b * × b *) 1/2 Presents. Preferably, the protective layer contains at least one element selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and B.
本発明の製造方法によれば、固体電解質のグリーンシートを製造し、前記グリーンシートに正極層を形成し、前記グリーンシートに負極層を形成し、保護層となる前記グリーンシートを積層し、焼成前ブロックを製造し、前記焼成前ブロックを焼成することにより、全固体二次電池が得られる。本発明の製造方法では、前記保護層となる前記グリーンシートにはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びBからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素とが含まれる。 According to the manufacturing method of the present invention, a solid electrolyte green sheet is manufactured, a positive electrode layer is formed on the green sheet, a negative electrode layer is formed on the green sheet, the green sheet serving as a protective layer is laminated, and fired An all-solid-state secondary battery is obtained by manufacturing the front block and firing the pre-fired block. In the production method of the present invention, the green sheet serving as the protective layer contains at least one element selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and B.
本発明によれば、保護層の外観の色調から固体電解質の焼結性(密度)を判断できるため、二次電池の特性を悪化させることなく、焼結が適正であることを外観から判別できる。好適態様によれば、固体電解質の結晶構造を変えずに色調による焼結性評価を可能ならしめる所定の明度、色相の材料が得られ、二次電池の蓄電容量を低下させることがない。 According to the present invention, since the sinterability (density) of the solid electrolyte can be determined from the color tone of the outer appearance of the protective layer, it can be determined from the appearance that the sintering is appropriate without deteriorating the characteristics of the secondary battery. . According to the preferred embodiment, a material having a predetermined brightness and hue that enables sinterability evaluation by color tone without changing the crystal structure of the solid electrolyte is obtained, and the storage capacity of the secondary battery is not reduced.
図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。
図1は本発明に係る全固体二次電池の模式断面図である。全固体二次電池1は、正極層31と負極層32(両者併せて、電極層、と呼ぶ。)とが固体電解質層21を介して上下に積層された積層構造を有する。「上下に積層された」というのは、本発明では、積層方向を上下方向であると定義する趣旨であって、積層構造の製造方法を限定する趣旨ではないし、実装時の方向性を限定する趣旨でもない。また、どちらが上でどちらが下であるかについては特に定める必要が無い。
The present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and in the drawings, the characteristic portions of the invention may be emphasized and expressed, so that the accuracy of the scale is not necessarily guaranteed in each part of the drawings. Not.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an all solid state secondary battery according to the present invention. The all-solid-state
全固体二次電池1が有する典型的な積層単位として、正極層31/固体電解質層21/負極層32/固体電解質層21、という積層構造が挙げられる。全固体二次電池1は、この積層単位を1つだけ有してもよいし、好適には、この積層単位を複数、好ましくは10〜200単位程度有していてもよい。前述の積層単位又はその繰り返しによる積層構造を積層部と称する。積層部の上下の少なくとも一方に、好ましくは両方には、固体電解質からなる保護層11、12が設けられる。図示された態様では、正極層31は、全固体二次電池1の一側面(図1では紙面左側)に設けられた第1の外部電極41に接続しており、負極層32は、全固体二次電池1の前記外部電極41とは反対側の側面(図1では紙面右側)に設けられた第2の外部電極42に接続している。なお、全体的な積層構造や外部電極41、42の構造などについては、全固体二次電池における従来技術を適宜参照することができる。
つまり、正極層と負極層とが固体電解質層を介して積層されてなる積層部、及び前記積層部の少なくとも一方に形成されてなる固体電解質からなる保護層、を有している。そして、第1の外部電極は、前記正極層に接続し、第2の外部電極は、前記負極層に接続している。一つの態様としては、正極層は、集電極と正極活物質層からなり、負極層は、集電極と負極活物質層からなる。実施例では積層部の両面に保護層が形成されている。
As a typical stack unit of the all-solid-state
That is, it has a laminated part in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are laminated via a solid electrolyte layer, and a protective layer made of a solid electrolyte formed in at least one of the laminated parts. The first external electrode is connected to the positive electrode layer, and the second external electrode is connected to the negative electrode layer. In one embodiment, the positive electrode layer is composed of a collector electrode and a positive electrode active material layer, and the negative electrode layer is composed of a collector electrode and a negative electrode active material layer. In the embodiment, protective layers are formed on both surfaces of the laminated portion.
保護層11、12の固体電解質は、積層部内の固体電解質層21と異質材料であってもよいし、同質材料であってもよい。保護層11、12の固体電解質と、積層部内の固体電解質層が同じ組成であると、焼成字の収縮が同じとなるため、クラックが発生しにくくより好適である。この場合、積層部内の固体電解質層にも保護層11、12の固体電解質と同じ元素が含まれていてもよい。
The solid electrolyte of the
保護層11、12及び固体電解質層21の固体電解質は、好適にはリチウムを含んだNASICON構造をもつリン酸塩からなる。このようなリン酸塩は固体電解質用の材料として従来公知であり、特に限定なく援用することができる。典型例として、例えば、Tiとの複合リン酸リチウム塩などが挙げられ、Al、Ge、Sn、Hf、Zr、Y、Laなどといった金属元素を、前記Tiに置き換えて用いたり、追加したりすることも可能である。AlはGaやInやLaなど他の3価の遷移金属に置換してもよい。リチウムを含みNASICON構造をもつリン酸塩は、より具体的には、例えば、下記の組成のものが挙げられる。
LiTi2(PO4)3、
Li(1+x)AlxTi(2−x)(PO4)3(0≦x≦2、LATP)等。
The solid electrolytes of the
LiTi 2 (PO 4 ) 3 ,
Li (1 + x) Al x Ti (2-x) (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2, LATP) and the like.
固体電解質層21の形成方法は特に限定なく、従来技術を適宜参照することができる。例えば、上述のリン酸塩の材料を適切な粒度分布をもつように調製し、結着材、分散剤、可塑剤などとともに、水性溶媒あるいは有機溶媒に均一に分散させて、スラリーを得る。このとき、ビーズミル、湿式ジェットミル、各種混錬機、高圧ホモジナイザーなどを用いることができ、中でも、粒度分布の調整と分散とを同時に行うことができることからビーズミルの使用が好ましい。得られたスラリーを塗工して所望の厚さをもつグリーンシート得る。塗工方法は特に限定なく、従来技術を適宜参照することができ、スロットダイ方式、リバースコート方式、グラビアコート方式、バーコート方式、ドクターブレード方式などが非限定的に挙げられる。
The formation method of the
保護層11、12の少なくとも一方は、明度L*は10〜90が好ましい。90を超えると、白色が強くなりすぎ、色の差が判別しにくくなり、10を下回ると、黒色が強くなりすぎて、やはり色の差が判別しにくくなるため、好ましくない。より好ましくは20〜80である。彩度C*は20以上が好ましく、20を下回ると色がくすみすぎて、色の差が判別しにくくなる。好ましくは、40以上である。L*値やC*値は、以下に述べるL*a*b*表色系によるパラメータである。
At least one of the
L*a*b*表色系は、物体の色を表わすための標準的な規格である(JIS Z8781−4:2013)。L*a*b*表色系では、明度をL*、色相と彩度を示す色度をa*、b*で表す。a*、b*は、色の方向を示しており、a*は赤方向、−a*は緑方向、そしてb*は黄方向、−b*は青方向を示す。数値が大きいほど色あざやかであり、数値が小さいほどくすんだ色になる。a*方向及びb*方向の絶対値の大きさが色のあざやかさに関連するパラメータであり、本発明では、明度L*値および(a*×a*+b*×b*)1/2の値(本明細書では、彩度C*値、とも呼ぶ。)に着目する。 The L * a * b * color system is a standard specification for representing the color of an object (JIS Z8781-4: 2013). In the L * a * b * color system, lightness is represented by L *, and chromaticity indicating hue and saturation is represented by a * and b *. a * and b * indicate the color direction, a * indicates the red direction, -a * indicates the green direction, b * indicates the yellow direction, and -b * indicates the blue direction. The higher the value, the brighter the color, and the smaller the value, the dull color. The magnitudes of the absolute values in the a * direction and b * direction are parameters related to the vividness of the color. In the present invention, the brightness L * value and (a * × a * + b * × b *) 1/2 Focus on the value (also referred to herein as the saturation C * value).
L*、a*、b*の各値は完全に独立してコントロールできる性質のものではないが、概して、L*値を下げるには遷移金属等の添加量を増加することが有効であり、a*値やb*値を制御するには遷移金属等の種類を変更することが有効である。 Although the values of L *, a *, and b * are not of a property that can be controlled completely independently, in general, it is effective to increase the addition amount of a transition metal or the like in order to lower the L * value. In order to control the a * value and the b * value, it is effective to change the type of transition metal or the like.
リチウムを含みNASICON構造をもつリン酸塩にV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuなどの遷移金属やBを添加して焼結させると、着色させることができる。ほとんどの場合、焼成温度増加に伴い、焼結密度の増加と焼結体の色の変化が両方観察され、焼結密度と色のパラメータに比例に近い相関関係が成り立つ。焼結密度の変化に対して、色のパラメータの変化が大きいほど、焼結を管理しやすくなる。さらに狙いの焼結密度付近の色のパラメータが極端な値でないことが好ましい。ここでいう極端な値とは上述の明度L*が10を下回る、あるいは90を上回る値や彩度C*が20を下回る値の時である。温度が低い側にばらついた際、焼結不足による信頼性低下や特性悪化が起きる。また温度が高い側にばらついた際、過剰焼結や異種材料間の相互反応や異常粒成長などによる容量低下や特性悪化が起きる。このような不具合を外観から推測できる色のパラメータが好ましい。 When a transition metal such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or B is added to a phosphate containing lithium and having a NASICON structure and sintered, it can be colored. In most cases, as the firing temperature is increased, both an increase in the sintered density and a change in the color of the sintered body are observed, and a correlation close to proportionality is established between the sintered density and the color parameter. The greater the change in color parameter relative to the change in sintering density, the easier it is to manage the sintering. Furthermore, it is preferable that the color parameter near the target sintered density is not an extreme value. The extreme value referred to here is when the lightness L * is less than 10, or when the value is more than 90 or when the saturation C * is less than 20. When the temperature fluctuates on the low temperature side, reliability is deteriorated and characteristics deteriorate due to insufficient sintering. Further, when the temperature fluctuates on the high temperature side, capacity reduction and characteristic deterioration occur due to oversintering, interaction between different materials and abnormal grain growth. Color parameters that can infer such defects from the appearance are preferred.
明度L*は好ましくは20以上80以下であり、彩度(a*×a*+b*×b*)1/2は好ましくは20以上である。彩度(a*×a*+b*×b*)1/2はさらに好ましくは40以上である。焼結密度(Density)、明度L*(L*value)、彩度C*(C*L*value)の変化率を、ΔD、ΔL*、ΔC*とする。具体的に焼結密度と色のパラメータの相関関係として明度L*の変化率ΔL*と焼結密度Dの変化率ΔDの比率ΔL*/ΔDの絶対値、および彩度C*の変化率ΔC*とΔDの比率ΔC*/ΔDの絶対値はともに10以上が好ましい(すなわちΔL*/ΔDが10以上で、かつΔC*とΔDが10以上)。これらの比率が10を下回ると、焼結密度Dが変化しても色のパラメータがほとんど変化しないので、焼結の具合を判断できなくなる。さらに好ましくはこれらの比率がともに20以上であり、その場合、目視でもその差異を識別できるようになる(すなわちΔL*/ΔDが20以上で、かつΔC*とΔDが20以上)。 The lightness L * is preferably 20 or more and 80 or less, and the saturation (a * × a * + b * × b *) 1/2 is preferably 20 or more. The saturation (a * × a * + b * × b *) 1/2 is more preferably 40 or more. The change rates of the sintered density (Density), lightness L * (L * value), and saturation C * (C * L * value) are ΔD, ΔL *, and ΔC *. Specifically, as a correlation between the sintered density and the color parameter, the absolute value of the ratio ΔL * / ΔD of the change rate ΔL * of the lightness L * and the change rate ΔD of the sintered density D, and the change rate ΔC of the saturation C * The absolute value of the ratio ΔC * / ΔD between * and ΔD is preferably 10 or more (that is, ΔL * / ΔD is 10 or more and ΔC * and ΔD are 10 or more). If these ratios are less than 10, the color parameters hardly change even if the sintering density D changes, so that the degree of sintering cannot be judged. More preferably, both of these ratios are 20 or more, and in this case, the difference can be identified visually (that is, ΔL * / ΔD is 20 or more, and ΔC * and ΔD are 20 or more).
別の遷移金属等をドープしてTiサイト等の一部サイトを置換することで、視認可能な色を呈する材料へと調整できる。遷移金属の添加は前記LATP等の合成段階で添加してもよいし、合成後LATP等のグリーンシートを塗工する際のスラリー作製の配合時に添加してもよい。固体電解質層用と保護層用で塗工方式を変える場合、保護層用のみに別途遷移金属等を添加してもよい。また、添加量を考慮して他の構成元素の割合を全体で化学量論組成としてもよいし、化学量論組成のLATP等に遷移金属を追加で添加してもよい。 By substituting a part of the site such as Ti site by doping with another transition metal or the like, it can be adjusted to a material exhibiting a visible color. The transition metal may be added at the synthesis stage of LATP or the like, or may be added at the time of blending the slurry when applying a green sheet such as LATP after synthesis. When the coating method is changed for the solid electrolyte layer and the protective layer, a transition metal or the like may be added separately only for the protective layer. Further, in consideration of the addition amount, the ratio of the other constituent elements may be the stoichiometric composition as a whole, or a transition metal may be additionally added to LATP or the like of the stoichiometric composition.
別の遷移金属等の添加量は特性への影響をできるだけなくすために少量であるほど好ましい。特に積層部内の固体電解質層と保護層の収縮率が著しく異なるほど添加することはチップ焼成時のクラックやデラミネーションを誘発するため好ましくない。添加による二次相の生成は保護層のみであれば特性に影響することは少ないので、問題になりにくい。以上のことから、一般的に添加する量としてはTiとAlの合計量1molに対して好ましくは0.005〜0.5molであり、さらに好ましくは0.01〜0.25molである。本発明によれば、比較的少量で視認可能な色を呈する元素としては一般的に第4周期の遷移金属元素、中でもとりわけ第5族〜11族が有効である。一方、第5周期の遷移金属元素では色が呈しにくい傾向がある。
The addition amount of another transition metal or the like is preferably as small as possible in order to eliminate the influence on the characteristics as much as possible. In particular, it is not preferable to add the solid electrolyte layer and the protective layer in the laminated portion so that the shrinkage ratios are significantly different, because cracks and delamination are induced during chip firing. The generation of the secondary phase due to the addition is less likely to be a problem because only the protective layer has little effect on the characteristics. From the above, the amount generally added is preferably 0.005 to 0.5 mol and more preferably 0.01 to 0.25 mol with respect to 1 mol of the total amount of Ti and Al. According to the present invention, the transition metal element of the fourth period, particularly the
保護層11、12に好ましく加えられる元素としてV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びBからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素が挙げられる。これらの元素の添加により、固体電解質の結晶構造を変えることがないから二次電池の蓄電容量の低下が抑えられ、かつ、上述のような明度・色相のものが得られる。
Examples of the element preferably added to the
正極層31及び負極層32としては、典型的には、集電体層(図示せず)を2層の活物質層で挟んでなる積層構造が挙げられる。
The
電極の活物質については、二次電池における従来技術を適宜参照することができる。例えば、正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムマンガンニッケル複合化合物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄などの粉末を用いてもよい。負極活物質としては、チタン酸化物、リチウムチタン複合酸化物、カーボン、リン酸バナジウムリチウムなどの粉末を用いてもよい。これら活物質に加えて、固体電解質材料や、カーボンや金属といった導電性材料などをさらに用いてもよい。これらの部材とバインダーと可塑剤を水あるいは有機溶剤に均一分散させることで正(負)極活物質層ペーストを得ることができる。 For the active material of the electrode, the prior art in the secondary battery can be referred to as appropriate. For example, as the positive electrode active material, lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, lithium manganese nickel composite compound, spinel type lithium manganese nickel composite oxide, lithium manganese cobalt You may use powder, such as complex oxide and lithium iron phosphate. As the negative electrode active material, powders of titanium oxide, lithium-titanium composite oxide, carbon, lithium vanadium phosphate, and the like may be used. In addition to these active materials, a solid electrolyte material or a conductive material such as carbon or metal may be further used. A positive (negative) electrode active material layer paste can be obtained by uniformly dispersing these members, binder and plasticizer in water or an organic solvent.
集電体の導電性金属としては、Ni、Cu、Pd、Ag、Pt、Au、Al、Feなどの金属の単体あるいは合金あるいは酸化物を非限定的に挙げることができる。上述の正(負)極活物質層ペーストと集電体用の導電性金属ペーストを用いることで、正極層31、負極層32の前駆体を形成させることができる。形成方法の一例として、上述した固体電解質層用のグリーンシート上に正(負)極活物質層ペーストを印刷し、次いで、導電性金属ペーストを印刷し、さらに、その上に、再度、正(負)極活物質層を印刷することで、正(負)極活物質層/集電極体/正(負)極活物質層という積層構造体を製造することができる。印刷の方法は特に限定はされず、スクリーン印刷法、凹版印刷法、凸版印刷法、カレンダロール法などといった従来公知の印刷法を適用できる。薄層かつ高積層の積層デバイスを作製するにはスクリーン印刷がもっとも一般的と考えられる一方、ごく微細な電極パターンや特殊形状が必要な場合はインクジェット印刷を適用する方が好適な場合もある。
Examples of the conductive metal of the current collector include, but are not limited to, simple metals, alloys, or oxides of metals such as Ni, Cu, Pd, Ag, Pt, Au, Al, and Fe. By using the positive (negative) electrode active material layer paste and the current collector conductive metal paste, the precursors of the
積層体の製造については公知技術を適宜参照することができる。典型的には、上述の正極及び負極用の積層構造体を印刷によって形成した固体電解質層21のためのグリーンシートを適宜積層して、各種手法で圧着して積層体(積層部の前駆体)を得る。この積層体の上下の少なくとも一方には保護層11、12用グリーンシートを積層させる。このようにして、焼成前ブロックを得る。必要に応じて外部電極41、42を形成させたり、チップ形状にカットした後、焼成前ブロックを焼成する。焼成の条件は酸化性雰囲気下あるいは非酸化性雰囲気下で、最高温度を好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは500℃〜900℃で行う。最高温度での保持時間は好ましくは10min〜10hrであり、より好ましくは30min〜5hrであり、さらに好ましくは1hr〜3hrである。短時間の保持だと構造体の内部と外側での焼成ムラの懸念が生じ、保持時間が長すぎると生産性が悪くなりプロセスコストが嵩む。最高温度に達するまでにバインダーを十分に除去するために酸化性雰囲気において最高温度より低い温度で保持する工程を設けてもよい。プロセスコストを低減するためにはできるだけ低温で焼成することが望ましい。焼成後に、再酸化処理を施してもよい。このようにして、本発明の全固体二次電池が得られる。好適には、上述の保護層用グリーンシートに、リチウムを含みNASICON構造をもつリン酸塩と、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びBからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素とを含ませる。
Known techniques can be referred to as appropriate for the production of the laminate. Typically, a green sheet for the
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に記載された態様に限定されるわけではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in these examples.
[製造例1]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.017V2O5/1.5P2O5という比率になるように、Li2CO3、α―Al2O3、アナターゼ型TiO2、NH4H2PO4、V2O5を混合し、大気中、850℃で仮焼することで固相反応させ、固体電解質V−LATPの粉体(粉体1)を得た。得られた粉体1を粉末XRD法で評価した。図2は、前記評価による回折パターンであり、粉体1のパターンは、図2(a)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体1の色は黄色を呈していた。
[Production Example 1]
Li 2 CO 3 , α-Al 2 so that the molar ratio is 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.017V 2 O 5 /1.5P 2 O 5 O 3 , anatase-type TiO 2 , NH 4 H 2 PO 4 , and V 2 O 5 are mixed and calcined at 850 ° C. in the atmosphere to cause a solid-phase reaction to obtain a solid electrolyte V-LATP powder (powder) 1) was obtained. The obtained
[製造例2]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.034MnO2/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Mn−LATPの粉体(粉体2)を得た。ここで、Mnの原料としてMnCO3を用いた。得られた粉体2の粉末XRD法による回折パターンを図2(b)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体2の色は薄紫色を呈していた。
[Production Example 2]
Solid electrolyte as in Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.034 MnO 2 /1.5P 2 O 5 A powder of Mn-LATP (powder 2) was obtained. Here, MnCO 3 was used as a raw material for Mn. A diffraction pattern of the obtained
[製造例3]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.2CoO/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Co−LATPの粉体(粉体3)を得た。ここで、Coの原料として(CH3COO)2Co・4H2Oを用いた。得られた粉体3の粉末XRD法による回折パターンを図2(c)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、概ね単相であったが、添加量を多くしたことでわずかに二次相が確認された。粉体3の色は紫色を呈していた。
[Production Example 3]
The solid electrolyte Co was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.2CoO/1.5P 2 O 5. A powder of LATP (powder 3) was obtained. Here, (CH 3 COO) 2 Co.4H 2 O was used as a raw material for Co. A diffraction pattern of the obtained
[製造例4]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.2NiO/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Ni−LATPの粉体(粉体4)を得た。ここで、Niの原料としてNiOを用いた。得られた粉体4の粉末XRD法による回折パターンを図2(d)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、概ね単相であったが、添加量を多くしたことでわずかに二次相が確認された。粉体4の色は黄色を呈していた。
[Production Example 4]
Solid electrolyte Ni in the same manner as in Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.2NiO/1.5P 2 O 5. A powder of LATP (powder 4) was obtained. Here, NiO was used as a Ni raw material. A diffraction pattern of the obtained
[製造例5]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.034CuO/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Cu−LATPの粉体(粉体5)を得た。ここで、Cuの原料としてCuOを用いた。得られた粉体5の粉末XRD法による回折パターンを図2(e)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体5の色は緑白色を呈していた。
[Production Example 5]
Mol 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7
[製造例6]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.017B2O3/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質B−LATPの粉体(粉体6)を得た。ここで、Bの原料としてH3BO3を用いた。得られた粉体6の粉末XRD法による回折パターンを図2(f)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体6の色は黄白色を呈していた。
[Production Example 6]
The same as Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.017B 2 O 3 /1.5P 2 O 5 A solid electrolyte B-LATP powder (powder 6) was obtained. Here, H 3 BO 3 was used as a raw material for B. A diffraction pattern of the obtained
[製造例7]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質LATPの粉体(粉体7)を得た。得られた粉体7の粉末XRD法による回折パターンを図2(g)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体7の色は白色を呈していた。
[Production Example 7]
The solid electrolyte LATP powder (as in Production Example 1) except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /1.5P 2 O 5 A powder 7) was obtained. A diffraction pattern of the obtained powder 7 by the powder XRD method is shown in FIG. As shown in the figure, a diffraction peak attributed to the NASICON crystal structure was observed, and it was confirmed that it was almost single phase. The color of the powder 7 was white.
[製造例8]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.017Nb2O5/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Nb−LATPの粉体(粉体8)を得た。ここで、Nbの原料としてNb2O5を用いた。得られた粉体8の粉末XRD法による回折パターンを図2(h)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体8の色は白色を呈していた。
[Production Example 8]
The same as Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.017 Nb 2 O 5 /1.5P 2 O 5. A solid electrolyte Nb-LATP powder (powder 8) was obtained. Here, Nb 2 O 5 was used as a raw material for Nb. A diffraction pattern of the obtained
[製造例9]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.034SnO2/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Sn−LATPの粉体(粉体9)を得た。ここで、Snの原料としてSnO2を用いた。得られた粉体9の粉末XRD法による回折パターンを図2(i)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体9の色は白色を呈していた。
[Production Example 9]
The solid electrolyte was the same as in Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.034 SnO 2 /1.5P 2 O 5. Sn-LATP powder (powder 9) was obtained. Here, SnO 2 was used as a raw material of Sn. A diffraction pattern of the obtained
[製造例10]
モル換算で0.65Li2O/0.15Al2O3/1.7TiO2/0.034MoO3/1.5P2O5という比率で混合したことのほかは、製造例1と同様に固体電解質Mo−LATPの粉体(粉体10)を得た。ここで、Moの原料としてMoO3を用いた。得られた粉体10の粉末XRD法による回折パターンを図2(j)に示す。図示されるように、NASICON型の結晶構造に帰属される回折ピークが観察され、ほぼ単相であることを確認した。粉体10の色は白色を呈していた。
[Production Example 10]
The solid electrolyte was the same as in Production Example 1 except that it was mixed in a molar ratio of 0.65Li 2 O / 0.15Al 2 O 3 /1.7TiO 2 /0.034 MoO 3 /1.5P 2 O 5. Mo-LATP powder (powder 10) was obtained. Here, MoO 3 was used as a Mo raw material. A diffraction pattern of the obtained
[実施例1]
上述の固体電解質Co−LATPの粉体(粉体3)を用いて、チップ形状の全固体電池を作製した。粉体3を用いて固体電解質用のグリーンシートを作製し、正極層として、PdとLiCoPO4と固体電解質のコンポジットペーストをパターン印刷し、その上に同様のパターンでPd集電体ペーストを印刷した後、再度その上に同様のパターンでPd−LiCoPO4コンポジットペーストを印刷した。また固体電解質グリーンシート上に別途、負極層としてPdペーストを印刷した。負極活物質は固体電解質に含まれるTiの酸化還元(Ti4+→Ti3+)を利用する。このときの印刷パターンは正極層と引き出し部分が異なるようなパターンとした。正極層を印刷したグリーンシート15枚と負極層を印刷したグリーンシート16枚を用意して、負極・正極・負極・正極という具合に交互に積層することで内部に30セル分形成した積層体を作り、その上下に保護層として、それぞれ粉体3を用いた上述の固体電解質用のグリーンシート20層分を積層し、圧着したシートを形成させた。保護層の外側にPdペーストを正極用パターンで印刷したもの1枚を、電極印刷面を内側にするように積層した。これは作製したチップの正極側が目視で分かるようにするためである。保護層、積層部、保護層の順で積層したものを、静水圧プレス機により120℃・40MPaで圧着し、正極引き出し部と負極引き出し部ができるようにチップ状に切断した。このチップを大気中830℃で3hr焼成することで積層チップ型全固体リチウムイオン二次電池を得た。
焼成後のチップは、紫色の外観を呈しており、充放電も行えることを確認した。このときのチップサイズは凡そ5mm四方であった。このチップの保護層について色彩色差測定を行い、67.32のL*値、24.01のa*および−19.43のb*値を得た(すなわち、C*値は30.89である。)。
[Example 1]
Using the above-mentioned solid electrolyte Co-LATP powder (powder 3), a chip-shaped all-solid battery was produced. A green sheet for a solid electrolyte was prepared using the
It was confirmed that the chip after firing had a purple appearance and could be charged and discharged. The chip size at this time was about 5 mm square. A color difference measurement was performed on the protective layer of this chip to obtain an L * value of 67.32, an a * of 24.01 and a b * value of −19.43 (ie, the C * value is 30.89). .)
別途、焼成温度を930℃とさらに高温にして、焼結具合を変化させたところ、より濃い紫色の外観を呈するチップが得られた。このチップでは正極活物質が固体電解質と反応したと考えられ、容量低下が確認された。このチップの保護層について色彩色差測定を行い、51.24のL*値、31.22のa*および―23.14のb*値を得た(すなわち、C*値は38.86である。)。このように焼成工程での不具合による焼けすぎなどを外観から識別できる可能性が示された。この830℃焼成チップと930℃焼成チップの外観色の違いは目視でもはっきりと認識できた。
Separately, the sintering temperature was further increased to 930 ° C. to change the sintering condition, and a chip having a darker purple appearance was obtained. In this chip, it was considered that the positive electrode active material reacted with the solid electrolyte, and a decrease in capacity was confirmed. A color difference measurement was performed on the protective layer of this chip to obtain an L * value of 51.24, an a * of 31.22 and a b * value of −23.14 (ie, the C * value is 38.86). .) Thus, the possibility that overburning due to a defect in the firing process can be distinguished from the appearance was shown. The difference in appearance color between the 830 ° C. fired chip and the 930 ° C. fired chip could be clearly recognized visually.
[参考実験1]
上述の固体電解質Co−LATPの粉体(粉体3)のグリーンシートを40枚積層・圧着させた後、φ17mmに打ち抜いて、大気中700℃〜900℃で複数の温度で焼成した。焼成後のそれぞれの円板の密度を測定した。また、色彩色差計を用いて円板の色をL*a*b*方式で測定した。円板の密度と色彩色差計から得られる各パラメータの関係をプロットした。図3は前記プロットを示す。明度を表すL*値、赤・緑方向の色度を表すa*値、黄・青方向を表すb*値および彩度を表すC*値を、図3(a)、(b)、(c)および(d)にそれぞれ示す。これらの図によれば、円板密度の変化に対して、色の各パラメータも大きく変化することが確認できる。したがって色を測定することで円板密度すなわち焼結具合を窺い知ることが出来る。このレベルのパラメータ変化では、目視での観察でも円板密度上昇に伴う色が変化を確認することができる。このように製品の外観色を定量することにより、予め緻密化レベルとの相関を調べておくことで、焼成における緻密化度の指標とすることができ、焼成工程での非破壊・非接触での工程管理の有力なツールとなり得る。
[Reference Experiment 1]
Forty green sheets of the above-mentioned solid electrolyte Co-LATP powder (powder 3) were laminated and pressure-bonded, then punched out to 17 mm and fired at 700 to 900 ° C. in the atmosphere at a plurality of temperatures. The density of each disc after firing was measured. Moreover, the color of the disk was measured by the L * a * b * method using a color difference meter. The relationship between the density of the disc and each parameter obtained from the color difference meter was plotted. FIG. 3 shows the plot. 3 (a), (b), (b), L * value representing lightness, a * value representing chromaticity in the red / green direction, b * value representing yellow / blue direction, and C * value representing saturation. Shown in c) and (d), respectively. According to these figures, it can be confirmed that each parameter of the color changes greatly with respect to the change of the disk density. Therefore, it is possible to know the disk density, that is, the degree of sintering by measuring the color. With this level of parameter change, it is possible to confirm a change in color due to an increase in disc density even by visual observation. By quantifying the appearance color of the product in this way, by investigating the correlation with the densification level in advance, it can be used as an indicator of the degree of densification in firing, and nondestructive and non-contact in the firing process. It can be a powerful tool for process management.
[参考実験2]
上述の固体電解質LATPの粉体(粉体7)のグリーンシートを40枚積層・圧着させた後、φ17mmに打ち抜いて、大気中650℃〜950℃で複数の温度で焼成した。焼成後のそれぞれの円板の密度を測定した。また、色彩色差計を用いて円板の色をL*a*b*方式で測定した。円板の密度と色彩色差計空得られる各パラメータの関係をプロットした。図4は前記プロットを示す。図3の場合と同様に、L*値、a*値、b*値およびC*値を、図4(a)、(b)、(c)および(d)にそれぞれ示す。これらの図によれば、円板密度の変化に対して、色の各パラメータはほとんど変化しないことが確認できる。したがって色を測定しても円板密度すなわち焼結具合を窺い知ることは不可能である。このレベルのパラメータ変化では、目視での観察でも円板密度上昇に伴う色の変化を確認することはできない上、色も全て白色でほとんど違いを認識することは出来なかった。
[Reference Experiment 2]
After 40 green sheets of the above-mentioned solid electrolyte LATP powder (powder 7) were laminated and pressure-bonded, they were punched to 17 mm and fired at 650 ° C. to 950 ° C. in the atmosphere at a plurality of temperatures. The density of each disc after firing was measured. Moreover, the color of the disk was measured by the L * a * b * method using a color difference meter. The relationship between the density of the disc and each parameter obtained with the color difference meter is plotted. FIG. 4 shows the plot. As in FIG. 3, the L * value, a * value, b * value, and C * value are shown in FIGS. 4 (a), (b), (c), and (d), respectively. According to these figures, it can be confirmed that each parameter of the color hardly changes with the change of the disc density. Therefore, it is impossible to know the disk density, that is, the degree of sintering even if the color is measured. With this level of parameter change, it was impossible to confirm the color change accompanying the increase in the disk density even by visual observation, and the color was all white and almost no difference could be recognized.
1 全固体二次電池 11、12 保護層
21 固体電解質層 31 正極層
32 負極層 41、42 外部電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
L*a*b*表色系で表現される色彩色差測定において前記保護層が10以上90以下の明度L*及び10以上の彩度(a*×a*+b*×b*)1/2を呈する、
全固体二次電池。 A laminated portion in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are laminated via a solid electrolyte layer, and a protective layer made of a solid electrolyte formed in at least one of the laminated portions,
In the color difference measurement expressed in the L * a * b * color system, the protective layer has a lightness L * of 10 or more and 90 or less and a saturation of 10 or more (a * × a * + b * × b *) 1/2 Presenting,
All-solid secondary battery.
前記グリーンシートに正極層を形成し、
前記グリーンシートに負極層を形成し、
保護層となる前記グリーンシートを積層し、焼成前ブロックを製造し、
前記焼成前ブロックを焼成する工程を有し、
前記保護層となる前記グリーンシートにはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びBからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素とが含まれる、
全固体二次電池の製造方法。 Manufacturing solid electrolyte green sheets,
Forming a positive electrode layer on the green sheet;
Forming a negative electrode layer on the green sheet;
Laminating the green sheet to be a protective layer, producing a block before firing,
Having the step of firing the block before firing,
The green sheet serving as the protective layer includes at least one element selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and B.
Manufacturing method of all-solid-state secondary battery.
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