JP2016207570A - 負極活物質および全固体二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
リチウム電池は、一般的に、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、正極活物質層および負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、全固体二次電池における耐熱性の向上を図ることができる負極活物質およびこれを用いた全固体二次電池を提供することを主目的とする。
図1は本発明の負極活物質の一例を示す概略断面図である。図1に示す負極活物質10は、炭素を主成分とする活物質粒子1と、活物質粒子1の表面上に形成され、LixPOy(2≦x≦4、3≦y≦5)を含有する被覆層2と、を有することを特徴とする。
本発明に用いられる活物質粒子は、炭素を主成分とする。
「活物質粒子が炭素を主成分とする」とは、活物質粒子の全成分に対して、炭素のモル割合または重量割合が最も大きいことをいう。活物質粒子に含まれる炭素の割合は、50mol%以上であることが好ましく、60mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがさらに好ましい。また、活物質粒子に含まれる炭素の割合は、50重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがさらに好ましい。また、活物質粒子としては、炭素のみを有していても良く、炭素および他の成分を有していても良いが、炭素のみを有していることが好ましい。
また、炭素としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンファイバー、カーボンブラック等を挙げることができる。
本発明に用いられる被覆層は、活物質粒子の表面上に形成され、LixPOy(2≦x≦4、3≦y≦5)を含む。被覆層に含まれるLixPOyの割合は、50mol%以上であることが好ましく、60mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがさらに好ましい。また、被覆層に含まれるLixPOyの割合は、50重量%以上であることが好ましく、60重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがさらに好ましい。
被覆層は、活物質粒子と硫化物固体電解質材料との接触を防止し、両者の反応を抑制するものである。
また、スパッタリング法における被覆層のターゲットとしては、例えば、上述したLixPOy(2≦x≦4、3≦y≦5)を挙げることができる。
本発明の負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば、例えば1nm〜100μmの範囲内、中でも10nm〜30μmの範囲内であることが好ましい。
また、本発明の負極活物質は、硫化物固体電解質材料と接するように用いられることが好ましい。また、負極活物質は、硫化物固体電解質材料を含有する全固体二次電池に用いられることが好ましく、リチウム全固体二次電池に用いられることがより好ましい。
図2は本発明の全固体二次電池の一例を示す概略断面図である。
本発明の全固体二次電池20は、正極活物質を含有する正極活物質層11と、負極活物質を含有する負極活物質層12と、正極活物質層1および負極活物質層12の間に形成され、硫化物固体電解質材料を含有する固体電解質層13とを有する。全固体二次電池20は、通常、正極活物質層11の集電を行なう正極集電体14と負極活物質層12の集電を行なう負極集電体15とを有する。また、本発明においては、負極活物質が上述した「A.負極活物質」の項で説明した負極活物質であることを特徴とする。
以下、本発明の全固体二次電池の各構成について説明する。
本発明に用いられる負極活物質層は、上述した「A.負極活物質」に記載の負極活物質を含有する。本発明に用いられる負極活物質の詳細については、上述したため、ここでの記載は省略する。
本発明に用いられる固体電解質層は、硫化物固体電解質材料を含有する。
硫化物固体電解質材料の具体例については、上述した硫化物固体電解質材料と同様であるので、ここでの記載は省略する。
本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。なお、導電化材および結着材については、上述した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40重量%〜99重量%の範囲内であることが好ましい。
また、本発明の全固体二次電池は、正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極活物質の集電を行う正極集電体、および負極活物質の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、およびカーボン等が挙げられる。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケル、およびカーボン等が挙げられる。また、本発明の全固体二次電池は、電池ケースや、外装体を有していても良い。
本発明の全固体二次電池は、例えばリチウム全固体二次電池であることが好ましい。本発明の全固体二次電池を車載用電池として用いる場合、対象となる車両としては、電池を搭載しエンジンを搭載しない電気自動車や、電池およびエンジンの双方を搭載するハイブリッド自動車が挙げられる。本発明の全固体二次電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等が挙げられる。
(硫化物固体電解質材料の作製)
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)およびヨウ化リチウム(LiI)を用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、Li2SおよびP2S5を、75Li2S・25P2S5のモル比(Li3PS4、オルト組成)となるように秤量した。次に、LiIが10mol%となるように、LiIを秤量した。この混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrO2ボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間処理および15分休止のメカニカルミリングを40回行った。その後、得られた試料を、ホットプレート上でヘプタンを除去するように乾燥させ、硫化物固体電解質材料を得た。合成された硫化物固体電解質材料の組成は、10LiI・90(0.75Li2S・0.25P2S5)であった。
硫化物固体電解質材料と、脱水ヘプタン(関東化学製)及びジブチルエーテルとの合計重量が10gであり、かつ、当該合計重量に占める硫化物固体電解質材料の重量の割合が10重量%となるように調製した。硫化物固体電解質材料、脱水ヘプタン、及びジブチルエーテルと、ZrO2ボール(φ1mm)40gとを、45mlのZrO2ポットに投入し、ポットを完全に密閉した(Ar雰囲気)。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、自公転回転数150rpmにて、20時間の湿式メカニカルミリングを行うことにより、硫化物固体電解質材料を粉砕し、微粒子化させた。
アルミニウム製のシャーレの上に、微粒子化で微粒子状にされた硫化物固体電解質材料を1g配置し、180℃に加熱したホットプレート上で2時間に亘って保持することにより、微粒子状の硫化物固体電解質材料を結晶化させた。
エタノール溶媒に、等モルのLiOC2H5及びNb(OC2H5)5を溶解させて作製した組成物を、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業株式会社)の表面に、転動流動コーティング装置(SFP−01、株式会社パウレック製)を用いてスプレーコートした。その後、コーティングされたLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を、350℃、大気圧下で1時間に亘って熱処理することにより、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(活物質)の表面にLiNbO3の層(被覆層)を形成し、正極活物質を作製した。正極活物質の平均粒径(D50)は5μmであった。得られた正極活物質52g、硫化物固体電解質材料17g、導電化材として気相法炭素繊維(VGCF(登録商標))1g、脱水ヘプタン(関東化学株式会社)15g、PVDF(バインダー)0.4gを秤量した。各成分を、十分に混合して正極合材スラリーを得た。Al箔に正極合材スラリーを塗工し、乾燥させて正極合材を得た。Al箔から正極合材をかきとり回収した。
グラファイト(三菱化学株式会社製)の表面上に、バレルスパッタ法を用いて、Li3PO4を成膜し、平均厚さ10nmの被覆層を形成して、負極活物質を得た。
負極活物質36gと、硫化物固体電解質材料25g、PVDF(バインダー)0.5gを秤量した。各成分を、十分に混合して負極合材スラリーを得た。Cu箔に負極合材スラリーを塗工し乾燥させて負極合材を得た。Cu箔から負極合材をかきとり回収した。
硫化物固体電解質材料とバインダー(ABR)とを、硫化物固体電解質材料:ABR=98:2(体積比)で混合して、固体電解質合材(セパレータ)を得た。
正極合材100mg、固体電解質合材100mgを秤量した。また、負極合材80mg秤量した。負極合材の量は、後述する正極活物質層の容量と負極活物質層の容量との比率が正極活物質層:負極活物質層=1:1.1となるように調整した(図3(a−1)、(a−2)および(a−3))。
充電処理後、評価用電池をばらし、充電正極合材1bおよび充電負極合材2b(試料)を得た(図3(e))。
負極活物質として、被覆層を有しないグラファイト(三菱化学株式会社製)を用いたこと以外は、実施例と同様に評価用電池および充電負極合材を得た。
実施例および比較例の充電負極合材のDSCを測定した。測定条件は、昇温速度10℃/min、Ar雰囲気、測定温度50℃〜500℃、使用するパン:SUSパン(金メッキ)とした。結果を図4に示す。
2 … 被覆層
10 … 負極活物質
11 … 正極活物質層
12 … 負極活物質層
13 … 固体電解質層
14 … 正極集電体
15 … 負極集電体
20 … 全固体二次電池
Claims (2)
- 炭素を主成分とする活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面上に形成され、LixPOy(2≦x≦4、3≦y≦5)を含有する被覆層と、
を有することを特徴とする負極活物質。 - 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成され、硫化物固体電解質材料を含有する固体電解質層と、を有する全固体二次電池であって、
前記負極活物質が、請求項1に記載の負極活物質であることを特徴とする全固体二次電池。
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