JP2016066570A - 電池、電池用電極体、および電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部抵抗を低減し、高出力化を実現できる電池、電池用電極体、および電池の製造方法を提供する。【解決手段】正極34と、負極31と、これらの間に配置される固体電解質層21とを備えた電池30を提供する。正極34は、正極用集電極2と、複数の正極活物質粒子4を有する正極合材層3と、を有する。負極31は、負極用集電極33と、負極活物質を含む負極活物質層32と、を有する。固体電解質層21は、正極合材層3の、負極31側の面に接して形成されている。正極合材層3の負極31側の面3aは平坦に形成され、この面3aに、正極活物質粒子4の結晶性の表面が露出している。【選択図】図1
Description
本発明は、電池、これに用いられる電池用電極体、および電池の製造方法に関する。
携帯電話機、モバイルコンピューター、カメラ、時計、電動工具等の電源として、繰り返し充電が可能な二次電池の開発が進められている。このような二次電池の中で、有機電解液を用いた二次電池は、液漏れ、ショート時の発火等の危険性を避けるため、安全面への配慮を必要とする。安全性を確保するための手法として、固体電解質を用いた二次電池(固体二次電池)が報告されている。
二次電池としては、スパッタリングなどの気相薄膜堆積法を用いて、正極薄膜/セラミックス電解質薄膜/負極薄膜のような積層体を形成する、薄膜型のリチウム電池がある。
しかし、薄膜型のリチウム二次電池には、活物質量が少なく電池容量が小さいという課題がある。
二次電池としては、スパッタリングなどの気相薄膜堆積法を用いて、正極薄膜/セラミックス電解質薄膜/負極薄膜のような積層体を形成する、薄膜型のリチウム電池がある。
しかし、薄膜型のリチウム二次電池には、活物質量が少なく電池容量が小さいという課題がある。
電池容量を大きくすることができるリチウム二次電池としては、バルク型の全固体電池が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1には、マンガンリチウム系の正極活物質を含む無機固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池が開示されている。
特許文献2には、薄膜形成した活物質に反応抑制部が形成され、これが固体電解質層と合わせてプレスされて得られた全固体電池が開示されている。
しかしながら、これらの全固体電池は、内部抵抗が高いため、電池出力を高めるのが難しかった。
特許文献1には、マンガンリチウム系の正極活物質を含む無機固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池が開示されている。
特許文献2には、薄膜形成した活物質に反応抑制部が形成され、これが固体電解質層と合わせてプレスされて得られた全固体電池が開示されている。
しかしながら、これらの全固体電池は、内部抵抗が高いため、電池出力を高めるのが難しかった。
本発明の一態様は、内部抵抗を低減し、高出力化を実現できる電池、これに用いられる電池用電極体、および電池の製造方法を提供する。
本発明の一態様は、正極と、負極と、これらの間に配置される固体電解質層とを備え、前記正極は、正極用集電極と、複数の正極活物質粒子を有する正極合材層と、を有し、前記負極は、負極用集電極と、負極活物質を含む負極活物質層と、を有し、前記固体電解質層は、前記正極合材層の、前記負極側の面に接して形成され、前記正極合材層の前記負極側の面は平坦に形成され、この面に、前記正極活物質粒子の結晶性の表面が露出している電池を提供する。
この電池によれば、正極合材層の負極側の面が平坦に形成されているため、固体電解質層には欠陥が生じにくい。このため、固体電解質層を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極合材層の負極側の面には、正極活物質粒子の結晶性の表面が露出しているため、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、金属などのエネルギー密度が高い材料を負極活物質層に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
この電池によれば、正極合材層の負極側の面が平坦に形成されているため、固体電解質層には欠陥が生じにくい。このため、固体電解質層を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極合材層の負極側の面には、正極活物質粒子の結晶性の表面が露出しているため、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、金属などのエネルギー密度が高い材料を負極活物質層に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
前記正極合材層の前記負極側の面の算術平均粗さRaは、前記固体電解質層の厚さより小さいことが好ましい。
このようにすれば、固体電解質層に欠陥が生じにくくなるため、電気的なリークを確実に抑制し、内部抵抗を低減できる。
このようにすれば、固体電解質層に欠陥が生じにくくなるため、電気的なリークを確実に抑制し、内部抵抗を低減できる。
前記正極活物質粒子は、前記結晶性の表面を有する結晶化層を有する構造とすることができる。
このようにすれば、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を生じにくくすることができる。
このようにすれば、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を生じにくくすることができる。
前記露出した正極活物質粒子のうち少なくとも一部は、前記面を平坦化するための加工により一部が切除され、その切断面が露出している構造とすることができる。
本発明の一態様は、前記電池の正極に用いられる電池用電極体であって、前記正極用集電極と、前記正極合材層と、を有する電池用電極体を提供する。
本発明の一態様は、前記電池の製造方法であって、前記正極合材層の前記負極側の面を平坦化加工し、前記平坦化された前記正極合材層に露出した前記正極活物質粒子の面を、熱処理によって前記結晶性の表面とする電池の製造方法を提供する。
この製造方法によれば、正極合材層の負極側の面を精度よく平坦化し、固体電解質層に欠陥を生じにくくすることができる。このため、固体電解質層を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極合材層の負極側の面に、正極活物質粒子の結晶性の表面を露出させ、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を抑えることができる。
正極において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、金属などのエネルギー密度が高い負極材料と組合わせることによって、電池容量密度を高めることができる。
この製造方法によれば、正極合材層の負極側の面を精度よく平坦化し、固体電解質層に欠陥を生じにくくすることができる。このため、固体電解質層を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極合材層の負極側の面に、正極活物質粒子の結晶性の表面を露出させ、正極活物質粒子の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を抑えることができる。
正極において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、金属などのエネルギー密度が高い負極材料と組合わせることによって、電池容量密度を高めることができる。
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図1および図2は、本発明の電池の第1実施形態である電池30を示す模式図である。
電池30は、電池用電極体(以下、電極体という)20からなる正極34と、負極31と、これらの間に配置された無機固体電解質層21とを備えている。
図1および図2は、本発明の電池の第1実施形態である電池30を示す模式図である。
電池30は、電池用電極体(以下、電極体という)20からなる正極34と、負極31と、これらの間に配置された無機固体電解質層21とを備えている。
電極体20は、正極用集電極2(以下、単に集電極2という)と、集電極2の一方の面に当接して設けられた正極合材層3と、を備えている。
集電極2は、Al、Cu、Ni、Ti、ステンレス、カーボン等の導電性材料からなる。集電極2としては、薄板材(または箔材)を使用できる。集電極2には、正極配線層(図示せず)を接続することができる。
集電極2は、Al、Cu、Ni、Ti、ステンレス、カーボン等の導電性材料からなる。集電極2としては、薄板材(または箔材)を使用できる。集電極2には、正極配線層(図示せず)を接続することができる。
正極合材層3は、複数の正極活物質粒子4を含む材料から構成されている。正極合材層3は、例えば複数の正極活物質粒子4が焼結されて形成された成型体としてよい。
正極合材層3の形状は、例えばコイン型とすることができる。例えばCR2032型のコイン型電池に適用可能な形状とすることができる。
正極合材層3の形状は、例えばコイン型とすることができる。例えばCR2032型のコイン型電池に適用可能な形状とすることができる。
本実施形態の電池30をリチウム二次電池に適用する場合、正極活物質粒子4には、リチウム複酸化物、リチウム塩などのリチウム含有物質が挙げられる。リチウム含有物質としては、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、Li2Mn2O3、LiCo1−xNixO2、LiNiO2、LiFePO4、Li2FeP2O7、LiMnPO4、LiFeBO3、Li3V2(PO4)3、Li2CuO2、LiFeF3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等が挙げられる。これらの正極活物質は、正極活物質層中に1種または2種以上用いることができる。
正極活物質粒子4の平均粒径は、サブミクロン〜数十μm(例えば0.5μm〜20μm、好ましくは1μm〜10μm)とすることができる。正極活物質粒子4は、平均粒径が特定範囲にある粒子を選択使用してもよい。
粒径を適切に選択することによって、正極合材層3の上面3aの算術平均粗さRaを小さくすることができる。
なお、平均粒径とは、例えば、正極合材層3を切断して露出した断面において、露出した全ての正極活物質粒子4が形成する面における最大径(最大長さ)の平均値とすることができる。
粒径を適切に選択することによって、正極合材層3の上面3aの算術平均粗さRaを小さくすることができる。
なお、平均粒径とは、例えば、正極合材層3を切断して露出した断面において、露出した全ての正極活物質粒子4が形成する面における最大径(最大長さ)の平均値とすることができる。
正極合材層3の、負極31側の表面(図1および図2の上面3a)は、平坦に形成されている。
上面3aの算術平均粗さRa(JIS B 0601に準拠)は、無機固体電解質層21の厚さより小さいことが好ましい。上面3aの算術平均粗さRaは、例えば1μm未満とすることができる。
これによって、無機固体電解質層21に欠陥が生じにくくなるため、電気的なリークを確実に抑制し、内部抵抗を低減できる。
上面3aの算術平均粗さRa(JIS B 0601に準拠)は、無機固体電解質層21の厚さより小さいことが好ましい。上面3aの算術平均粗さRaは、例えば1μm未満とすることができる。
これによって、無機固体電解質層21に欠陥が生じにくくなるため、電気的なリークを確実に抑制し、内部抵抗を低減できる。
図1および図2に示す正極合材層3の上面3aに露出した正極活物質粒子4のうち少なくとも一部は、正極活物質粒子4の一部が、後述する平坦化加工(研磨加工など)により切除された形状とされ、切断面が露出面となっている。
例えば、図2において、正極活物質粒子4Aは粒子の上部が切除された形状とされ、切断面が上面3aに露出している。
例えば、図2において、正極活物質粒子4Aは粒子の上部が切除された形状とされ、切断面が上面3aに露出している。
正極合材層3の上面3aにおいて、正極活物質粒子4の上面(露出面)の表層部分は結晶化層4aとなっている。結晶化層4aは、例えば、正極活物質粒子4の表面から一定深さの層状領域である。結晶化層4aは、正極活物質粒子4の断面の観察により確認できる。
正極活物質粒子4の表層部分が結晶化層4aとなっているため、正極活物質粒子4の結晶性の表面が上面3aに露出していることになる。
結晶化層4aの厚さは、例えば0.01〜1μm(例えば0.1〜0.5μm)とすることができる。
正極活物質粒子4の表層部分が結晶化層4aとなっているため、正極活物質粒子4の結晶性の表面が上面3aに露出していることになる。
結晶化層4aの厚さは、例えば0.01〜1μm(例えば0.1〜0.5μm)とすることができる。
結晶化層4aは、正極活物質粒子4を構成する正極活物質の結晶化温度以上の温度で熱処理することにより形成することができる。
結晶化層4aの有無は、ラマン分光分析などにより確認することができる。例えば正極活物質粒子4がLiCoO2の場合、ラマンスペクトルにおける600〜700cm−1の強度に対して、LiCoO2(R−3m)に由来するA1g(595cm−1付近)とEg(485cm−1付近)の強度が十分に大きければ結晶化を確認できる。
なお、結晶化層4aは、正極活物質粒子4の他の部分と区別できない形態で形成されていてもよい。
結晶化層4aの有無は、ラマン分光分析などにより確認することができる。例えば正極活物質粒子4がLiCoO2の場合、ラマンスペクトルにおける600〜700cm−1の強度に対して、LiCoO2(R−3m)に由来するA1g(595cm−1付近)とEg(485cm−1付近)の強度が十分に大きければ結晶化を確認できる。
なお、結晶化層4aは、正極活物質粒子4の他の部分と区別できない形態で形成されていてもよい。
電極体20は、薄く形成すればリチウムイオンの拡散距離が小さくなり、出力を高めることができる。電極体20の厚さはレート特性等に合わせて定めることができる。電極体20の厚さは、例えば100μmまたはそれ以下とすることができる。
無機固体電解質層21の材料としては、例えば以下の無機固体電解質が使用できる。
(1)リチウムイオン伝導性を有する無機結晶、無機ガラスまたは部分結晶化ガラス
(2)LiTi2(PO4)3、Li1.3M0.3Ti1.7(PO4)3[ただし、M=Al、Sc]などのNASICON型セラミックス結晶
(3)Li0.35La0.55TiO3、LiSr2TiTaO6、Li3xLa1/3−xTaO3などのペロブスカイト型セラミックス結晶
(4)Li4−xSi1−xPxS4、Li4−xGe1−xPxS4などのチオリシン結晶
(5)Li14Zn(GeO4)4などのリシコン結晶
(6)Liドープβ−Al2O3結晶
(7)上記結晶を含む部分結晶化ガラス
(8)Li2S−SiS2−LiPO3系、Li2S−P2S5系などの硫化物ガラス
(9)Li2O−SiO2−B2O3系、Li2O−SiO2−ZrO2系酸化物ガラス
(10)リン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)ガラス
(11)LiI結晶
(12)Li3PO4結晶
(13)Li7La3Zr2O12などのガーネット型セラミックス結晶
(14)ホウ酸リチウムオキシナイトライド(LiBON)ガラス
なかでも特に、LiPONガラスが好適である。
(1)リチウムイオン伝導性を有する無機結晶、無機ガラスまたは部分結晶化ガラス
(2)LiTi2(PO4)3、Li1.3M0.3Ti1.7(PO4)3[ただし、M=Al、Sc]などのNASICON型セラミックス結晶
(3)Li0.35La0.55TiO3、LiSr2TiTaO6、Li3xLa1/3−xTaO3などのペロブスカイト型セラミックス結晶
(4)Li4−xSi1−xPxS4、Li4−xGe1−xPxS4などのチオリシン結晶
(5)Li14Zn(GeO4)4などのリシコン結晶
(6)Liドープβ−Al2O3結晶
(7)上記結晶を含む部分結晶化ガラス
(8)Li2S−SiS2−LiPO3系、Li2S−P2S5系などの硫化物ガラス
(9)Li2O−SiO2−B2O3系、Li2O−SiO2−ZrO2系酸化物ガラス
(10)リン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)ガラス
(11)LiI結晶
(12)Li3PO4結晶
(13)Li7La3Zr2O12などのガーネット型セラミックス結晶
(14)ホウ酸リチウムオキシナイトライド(LiBON)ガラス
なかでも特に、LiPONガラスが好適である。
無機固体電解質層21は、正極合材層3の上面3aの算術平均粗さRaよりも厚く形成することによって、表面の欠陥を少なくすることができる。無機固体電解質層21の厚みは、例えば1μm以上とすることができる。
無機固体電解質層21を設けることによって、正極34と負極31との間の短絡を防止することができる。
無機固体電解質層21を設けることによって、正極34と負極31との間の短絡を防止することができる。
負極31は、負極用集電極33(以下、単に集電極33という)と、集電極33の一方の面に当接して設けられた負極活物質層32と、を備えている。
集電極33は、Cu、Ni、Ti、Al、ステンレス、カーボン等の導電性材料からなる。集電極33としては、薄板材(または箔材)を使用できる。集電極33には、負極配線層(図示せず)を接続することができる。
集電極33は、Cu、Ni、Ti、Al、ステンレス、カーボン等の導電性材料からなる。集電極33としては、薄板材(または箔材)を使用できる。集電極33には、負極配線層(図示せず)を接続することができる。
負極活物質層32は、Li金属またはLi合金を含む材料からなることが好ましい。
Li合金としては、Li−Ag、Li−Al、Li−In、Li−Bi、Li−Sb、Li−Si、Li−Snなどを用いることができる。
Li合金としては、Li−Ag、Li−Al、Li−In、Li−Bi、Li−Sb、Li−Si、Li−Snなどを用いることができる。
次に、電池30の製造方法を説明する。
図3に示すように、集電極2の一方の面に、正極合材層3Aを設ける。
正極合材層3Aは、正極活物質粒子4を加圧成型した後、大気雰囲気で焼結して得ることができる。焼結温度は例えば900℃以上とすることができる。
正極合材層3Aは、正極活物質粒子4を含むスラリーを集電極2上に塗布、乾燥させたのちに大気雰囲気で焼結することにより形成してもよい。
正極合材層3Aは、焼結前に成型してもよいし、焼結した後に抜き型を用いて成型してもよい。
図3に示すように、集電極2の一方の面に、正極合材層3Aを設ける。
正極合材層3Aは、正極活物質粒子4を加圧成型した後、大気雰囲気で焼結して得ることができる。焼結温度は例えば900℃以上とすることができる。
正極合材層3Aは、正極活物質粒子4を含むスラリーを集電極2上に塗布、乾燥させたのちに大気雰囲気で焼結することにより形成してもよい。
正極合材層3Aは、焼結前に成型してもよいし、焼結した後に抜き型を用いて成型してもよい。
図4に示すように、正極合材層3Aの負極31側の表面(図1および図2の上面3a)を研磨加工などにより平坦化する。平坦化加工後の正極合材層を「正極合材層3」という。
平坦化加工の方法は特に限定されず、機械的な研磨加工でもよいし、化学的研磨加工または化学的機械的研磨加工(CMP:Chemical Mechanical Polishing)でもよい。
平坦化加工の方法は特に限定されず、機械的な研磨加工でもよいし、化学的研磨加工または化学的機械的研磨加工(CMP:Chemical Mechanical Polishing)でもよい。
正極合材層3の上面3aに露出した正極活物質粒子4の表層部分は、平坦化加工によって、表面の少なくとも一部で結晶構造が乱れて結晶性が低下することがある。結晶構造の乱れは、ラマン分光分析などにより確認することができる。
また、平坦化加工の際には、正極合材層3の上面3aに微小な多数のクラックが形成されることがある。
また、平坦化加工の際には、正極合材層3の上面3aに微小な多数のクラックが形成されることがある。
正極合材層3の上面3aを平坦化加工する方法は研磨加工に限らず、例えば、上面3aに位置する正極活物質粒子4の粒径を適切に調整するとともに、加圧成型を行うことなどにより上面3aを平坦化することもできる。
図5に示すように、正極合材層3の上面3aを、正極活物質粒子4を構成する正極活物質の結晶化温度以上の温度で熱処理することにより、上面3aに露出した正極活物質粒子4の表層部分の結晶構造を整え、結晶化層4aとする。
上述のように、平坦化加工により結晶構造の乱れが生じていた場合には、結晶化層4aは、いったん乱れた結晶構造を再び整えたことになるため「再結晶化層」ということができる。
上述のように、平坦化加工により結晶構造の乱れが生じていた場合には、結晶化層4aは、いったん乱れた結晶構造を再び整えたことになるため「再結晶化層」ということができる。
熱処理の温度は600〜1000℃が好ましく、700〜800℃がさらに好ましい。処理時間は例えば8時間とすることができる。
熱処理温度は、低すぎれば結晶化が不十分となり、またクラックが残存しやすい。一方、熱処理温度は高すぎれば活物質粒子4からのLi抜けが起こりやすくなる。
熱処理温度を前記範囲とすれば、結晶化を十分に進行させることができる。また、クラックを修復するとともに、Li抜けを防ぐことができる。
なお、平坦化加工に使用した研磨微粉が上面3aに残っている場合には、熱処理に先だって上面3aを洗浄し、研磨微粉を除去することが好ましい。
熱処理温度は、低すぎれば結晶化が不十分となり、またクラックが残存しやすい。一方、熱処理温度は高すぎれば活物質粒子4からのLi抜けが起こりやすくなる。
熱処理温度を前記範囲とすれば、結晶化を十分に進行させることができる。また、クラックを修復するとともに、Li抜けを防ぐことができる。
なお、平坦化加工に使用した研磨微粉が上面3aに残っている場合には、熱処理に先だって上面3aを洗浄し、研磨微粉を除去することが好ましい。
次いで、図1に示すように、正極合材層3の上面3aに、無機固体電解質層21を形成する。
無機固体電解質層21は、気相法(スパッタ法など)により、正極合材層3の上面3aに形成することができる。
例えば、LiPONからなる無機固体電解質層21は、リン酸リチウムターゲットを用いて、窒素雰囲気下で反応性スパッタにより形成することができる。LiBONからなる無機固体電解質層21は、ホウ酸リチウムターゲットを用いて、窒素雰囲気下で反応性スパッタにより形成することができる。
無機固体電解質層21を形成する際には、無機固体電解質層21の形成に先だって、正極合材層3の上面3aを清浄化するのが好ましい。
無機固体電解質層21は、気相法(スパッタ法など)により、正極合材層3の上面3aに形成することができる。
例えば、LiPONからなる無機固体電解質層21は、リン酸リチウムターゲットを用いて、窒素雰囲気下で反応性スパッタにより形成することができる。LiBONからなる無機固体電解質層21は、ホウ酸リチウムターゲットを用いて、窒素雰囲気下で反応性スパッタにより形成することができる。
無機固体電解質層21を形成する際には、無機固体電解質層21の形成に先だって、正極合材層3の上面3aを清浄化するのが好ましい。
次いで、無機固体電解質層21上に、負極活物質層32を形成する。
負極活物質層32は、気相法(スパッタ法、蒸着法、CVD法など)により形成することができる。例えば、無機固体電解質層21の上面の所定の領域に蒸着法により形成することができる。
負極活物質層32は、薄板材または箔材で構成し、機械的手法または電気機械的手法により無機固体電解質層21の上面に設けてもよい。
負極活物質層32を形成する際には、負極活物質層32の形成に先だって、無機固体電解質層21の上面を清浄化するのが好ましい。
負極活物質層32は、気相法(スパッタ法、蒸着法、CVD法など)により形成することができる。例えば、無機固体電解質層21の上面の所定の領域に蒸着法により形成することができる。
負極活物質層32は、薄板材または箔材で構成し、機械的手法または電気機械的手法により無機固体電解質層21の上面に設けてもよい。
負極活物質層32を形成する際には、負極活物質層32の形成に先だって、無機固体電解質層21の上面を清浄化するのが好ましい。
次いで、負極活物質層32上に集電極33を形成する。
電極体20と無機固体電解質層21と負極31とが互いに積層され、全体が加圧成型されて一体化されることにより、図1等に示す電池30が得られる。
電極体20と無機固体電解質層21と負極31とが互いに積層され、全体が加圧成型されて一体化されることにより、図1等に示す電池30が得られる。
電池30では、正極合材層3の上面3aが平坦に形成されているため、無機固体電解質層21には欠陥が生じにくい。このため、無機固体電解質層21を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極活物質粒子4に結晶化層4aが形成されているため、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極34において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、エネルギー密度が高い材料、例えば金属リチウム(またはリチウム合金)を負極活物質層32に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
また、正極活物質粒子4に結晶化層4aが形成されているため、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極34において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、エネルギー密度が高い材料、例えば金属リチウム(またはリチウム合金)を負極活物質層32に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
また、前記製造方法によれば、正極合材層3の上面3aを精度よく平坦化し、無機固体電解質層21に欠陥を生じにくくすることができる。このため、無機固体電解質層21を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極合材層3の上面3aに、正極活物質粒子4の結晶性の表面を露出させ、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を抑えることができる。
また、正極合材層3の上面3aに、正極活物質粒子4の結晶性の表面を露出させ、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大を抑えることができる。
図6および図7は、本発明の電池の第2実施形態である電池40を示す模式図である。以下の説明において、第1実施形態の電池30との共通部分については同一符号を付してその説明を省略する。
電池40は、正極合材層3に代えて正極合材層43を有する点で、図1に示す電池30と異なる。
電池40は、正極合材層3に代えて正極合材層43を有する点で、図1に示す電池30と異なる。
正極合材層43は、複数の正極活物質粒子4の隙間に複合電解質41が充填されて構成されている。
複合電解質41は、例えば固体電解質41aとガラス電解質41bとの複合体である。複合電解質41は、複数の粒状の固体電解質41aがガラス電解質41b中に分散された構造としてよい。
複合電解質41は、例えば固体電解質41aとガラス電解質41bとの複合体である。複合電解質41は、複数の粒状の固体電解質41aがガラス電解質41b中に分散された構造としてよい。
固体電解質41aとしては、例えば、上述の(1)〜(14)のうち、結晶性の材料が使用できる。
ガラス電解質41bとしては、リン酸リチウム系のガラス材料(LiPONガラス)、またはホウ酸リチウム系のガラス材料(例えばLi3BO3ガラス)などが使用できる。
ガラス電解質41bとしては、リン酸リチウム系のガラス材料(LiPONガラス)、またはホウ酸リチウム系のガラス材料(例えばLi3BO3ガラス)などが使用できる。
正極合材層43の上面43aに露出した正極活物質粒子4の表層部分は結晶化層4aとなっている。
複合電解質41の形成には、例えば液相プロセスであるゾルゲル法を用いることができる。ゾルゲル法を用いて複合電解質41を形成するには、以下の方法をとることができる。
正極活物質粒子4からなる成型体に、固体電解質41aの前駆体溶液を浸透させ、前記前駆体を加水分解・重縮合反応によってゾルとし、更に反応を進めてゲルとし、これを熱処理することによって、固体電解質41aとする。
さらに、溶融した低融点ガラス電解質を成型体に浸透させることによって、このガラス電解質41bと固体電解質41aとの複合体である複合電解質41を形成することができる。
正極活物質粒子4からなる成型体に、固体電解質41aの前駆体溶液を浸透させ、前記前駆体を加水分解・重縮合反応によってゾルとし、更に反応を進めてゲルとし、これを熱処理することによって、固体電解質41aとする。
さらに、溶融した低融点ガラス電解質を成型体に浸透させることによって、このガラス電解質41bと固体電解質41aとの複合体である複合電解質41を形成することができる。
複合電解質41の固体電解質41aの形成と、結晶化層4aの形成とは、共通の熱処理によって行うことができる。例えば、正極活物質粒子4を前記前駆体溶液とともに加圧成型し、得られた成型体の一面を研磨処理などにより平坦化した後に熱処理を行うことによって、複合電解質41の固体電解質41aの形成と、結晶化層4aの形成とを同時に行うことができる。
正極合材層43は、次のようにして作製してもよい。
正極活物質粒子4と、粉状の固体電解質と、粉状のガラス電解質とを混合し、この混合物を加熱加圧成型することにより成型体とする。
成型体の一面を研磨処理などにより平坦化し、この平坦化した面に、熱処理よって結晶化層4aを形成した後、成型体を焼結する。これによって、正極合材層43を得る。
正極活物質粒子4と、粉状の固体電解質と、粉状のガラス電解質とを混合し、この混合物を加熱加圧成型することにより成型体とする。
成型体の一面を研磨処理などにより平坦化し、この平坦化した面に、熱処理よって結晶化層4aを形成した後、成型体を焼結する。これによって、正極合材層43を得る。
電池40は、第1実施形態の電池30と同様に、正極合材層43の上面43aが平坦に形成されているため、無機固体電解質層21には欠陥が生じにくい。このため、無機固体電解質層21を薄くした場合でも電気的なリークを抑制し、内部抵抗を低減できる。
また、正極活物質粒子4に結晶化層4aが形成されているため、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極34において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、エネルギー密度が高い材料、例えば金属リチウム(またはリチウム合金)を負極活物質層32に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
また、正極活物質粒子4に結晶化層4aが形成されているため、正極活物質粒子4の結晶構造の乱れによる内部抵抗の増大は生じない。
正極34において内部抵抗を低くすることができるため、高出力化を図ることができる。また、エネルギー密度が高い材料、例えば金属リチウム(またはリチウム合金)を負極活物質層32に用いることによって、電池容量密度を高めることができる。
さらに、電池40では、正極合材層43に複合電解質41が用いられているため、正極合材層43におけるイオン伝導度を高め、出力を大きくすることができる。
本発明の電池は、携帯電話やノートパソコン等の携帯電子機器、電気自動車などにも利用可能となる。
なお、本発明の電池用電極体及び電池は、前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、正極合材層3には、有機溶媒または有機電解液を含浸させてもよい。
有機溶媒としては、エチレングリコール、炭酸エチレン等を用いることができる。
有機電解液としては、塩素酸リチウムをエチレングリコールに溶解した飽和溶液などが好適に用いられる。六フッ化リン酸リチウムまたは塩素酸リチウムを炭酸エチレンやエチレングリコールに溶解した飽和溶液を用いてもよい。
正極合材層3に有機溶媒または有機電解液を含浸させることによって、正極合材層3におけるイオン伝導度を高め、電池30の出力を大きくすることができる。
例えば、正極合材層3には、有機溶媒または有機電解液を含浸させてもよい。
有機溶媒としては、エチレングリコール、炭酸エチレン等を用いることができる。
有機電解液としては、塩素酸リチウムをエチレングリコールに溶解した飽和溶液などが好適に用いられる。六フッ化リン酸リチウムまたは塩素酸リチウムを炭酸エチレンやエチレングリコールに溶解した飽和溶液を用いてもよい。
正極合材層3に有機溶媒または有機電解液を含浸させることによって、正極合材層3におけるイオン伝導度を高め、電池30の出力を大きくすることができる。
2…正極用集電極、3…正極合材層、4…正極活物質粒子、4a…結晶化層、21…無機固体電解質層(固体電解質層)、30,40…電池、31…負極、32…負極活物質層、33…負極用集電極、34…正極。
Claims (6)
- 正極と、負極と、これらの間に配置される固体電解質層とを備え、
前記正極は、正極用集電極と、複数の正極活物質粒子を有する正極合材層と、を有し、
前記負極は、負極用集電極と、負極活物質を含む負極活物質層と、を有し、
前記固体電解質層は、前記正極合材層の、前記負極側の面に接して形成され、
前記正極合材層の前記負極側の面は平坦に形成され、この面に、前記正極活物質粒子の結晶性の表面が露出していることを特徴とする電池。 - 前記正極合材層の前記負極側の面の算術平均粗さRaは、前記固体電解質層の厚さより小さいことを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記正極活物質粒子は、前記結晶性の表面を有する結晶化層を有する請求項1または2に記載の電池。
- 前記露出した正極活物質粒子のうち少なくとも一部は、前記面を平坦化するための加工により一部が切除され、その切断面が露出していることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の電池。
- 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の電池の正極に用いられる電池用電極体であって、
前記正極用集電極と、前記正極合材層と、を有することを特徴とする電池用電極体。 - 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の電池の製造方法であって、
前記正極合材層の前記負極側の面を平坦化加工し、
前記平坦化された前記正極合材層に露出した前記正極活物質粒子の面を、熱処理によって前記結晶性の表面とすることを特徴とする電池の製造方法。
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JP2014196234A JP2016066570A (ja) | 2014-09-26 | 2014-09-26 | 電池、電池用電極体、および電池の製造方法 |
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JPWO2018123479A1 (ja) * | 2016-12-27 | 2019-10-31 | 日本碍子株式会社 | リチウムイオン電池及びその製造方法 |
US11843120B2 (en) | 2020-09-17 | 2023-12-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Electrode, battery, and method for manufacturing electrode |
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2014
- 2014-09-26 JP JP2014196234A patent/JP2016066570A/ja active Pending
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JPWO2018123479A1 (ja) * | 2016-12-27 | 2019-10-31 | 日本碍子株式会社 | リチウムイオン電池及びその製造方法 |
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