JP2017059534A - 全固体電池システム及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
0.32≦Z/W≦0.60
Z:全固体電池の制御放電容量(mAh)
W:合金系負極活物質粒子の理論容量(mAh/g)×合金系負極活物質粒子全体の重量(g)×アモルファス化率(%)。
2.合金系負極活物質粒子がケイ素粒子である、前記1に記載の全固体電池システム。
3.正極活物質層が、リチウム含有金属酸化物である保護コーティングによって被覆されている正極活物質を有している、前記1又は2に記載の全固体電池システム。
4.保護コーティングのリチウム含有金属酸化物がニオブ酸リチウムである、前記3に記載の全固体電池システム。
5.制御装置が充放電電圧を2.50V以上4.40V以下の範囲内で制御する、前記1〜4のいずれか1項に記載の全固体電池システム。
6.正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層を有している全固体電池と、全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する制御装置とを有する全固体電池システムの製造方法であって、正極活物質層、固体電解質層、及び合金系負極活物質粒子を有している負極活物質層を積層する積層工程、及び充放電電圧より高い初期充電電圧まで全固体電池を充電する初期充電工程を有する、全固体電池システムの製造方法。
7.合金系負極活物質粒子がケイ素粒子である、前記6に記載の方法。
8.充放電電圧が2.50V以上4.40V以下の範囲内であり、かつ初期充電工程において初期充電電圧が4.45Vより大きく5.00V以下である、前記6又は7に記載の方法。
9.正極活物質層が、リチウム含有金属酸化物である保護コーティングによって被覆されている正極活物質を有している、前記6〜8のうちいずれか1項に記載の方法。
10.保護コーティングのリチウム含有金属酸化物がニオブ酸リチウムである、前記9に記載の方法。
11.下記の条件を満たすように初期充電工程を行う、前記9又は10に記載の方法:(初期充電工程における上限充電電圧における電圧(V)に対する充電量(Q)の変化率(dQ/dV))/(充電電圧が4.00V以上4.40V以下であるときの電圧(V)に対する充電量(Q)の変化率(dQ/dV)の平均値)>1.3
本発明の全固体電池システムは、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層を有している全固体電池と、全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する制御装置とを有する全固体電池システムであって、負極活物質層中に合金系負極活物質粒子を有しており、合金系負極活物質粒子のアモルファス化率が27.8〜82.8%であり、かつ下記の条件を満たす:
0.32≦Z/W≦0.60
Z:全固体電池の制御放電容量(mAh)
W:合金系負極活物質粒子の理論容量(mAh/g)×合金系負極活物質粒子全体の重量(g)×アモルファス化率(%)。
本発明における正極活物質層は、正極活物質、並びに随意にバインダー、導電助剤、及び固体電解質を有している。
固体電解質層は上記正極活物質層において記載した電解質を利用することができる。固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上300μm以下であり、特に、0.1μm以上100μm以下であってよい。
負極活物質層は、負極活物質、並びに随意に導電助剤、バインダー、及び固体電解質を有している。
本発明の全固体電池システムに用いられる制御装置は、全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する。制御装置は、充放電電圧を制御することができる装置であれば、特に限定されない。制御装置は、例えば、全固体電池の放電時において、全固体電池の電圧が一定の電圧まで到達したかを判定し、一定の電圧まで到達した場合に放電を終了させる機能、及び全固体電池の充電時において、全固体電池の電圧が一定の電圧まで到達したかを判定し、一定の電圧まで到達した場合に充電を終了させる機能を有していてよい。
本発明の全固体電池システムに用いられる全固体電池(6)の具体的な構成例としては、正極集電体(1)、正極活物質層(2)、固体電解質層(3)、負極活物質層(4)、及び負極集電体(5)を、この順番で有する構成が挙げられる(図2参照)。
本発明の全固体電池システムの製造方法は、正極活物質層、固体電解質層、及び合金系負極活物質粒子を負極活物質として有している負極活物質層を積層する積層工程、及び積層工程後に電池使用時における充放電電圧より高い充電電圧まで充電する初期充電工程を有する方法である。
積層工程は、正極活物質層、固体電解質層、及び合金系負極活物質粒子を負極活物質として有している負極活物質層を、積層する工程である。積層工程において用いられる正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び合金系負極活物質粒子は、本発明の全固体電池に用いられる正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び合金系負極活物質粒子と同様の物を使用することができる。また、正極活物質層に含まれる正極活物質の全部又は一部は、リチウムを成分として含有しているリチウム含有金属酸化物の保護コーティングによって被覆されていることができる。リチウム含有金属酸化物としては、特に限定はされないが、例えばニオブ酸リチウムを挙げることができる。
初期充電工程では、正極活物質から放出させるリチウムイオンを合金系負極活物質粒子と反応させることにより、合金系負極活物質のアモルファス化を進行させる。
下記のとおり、実施例1〜3、及び比較例1〜5の全固体電池を作製し、その電池性能を評価した。
下記のとおりにして、実施例1の全固体電池を作製してその電池性能を評価した。
(1)正極活物質層の作製
分散媒としての酪酸ブチル、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンを溶解した5wt%酪酸ブチル溶液、保護コーティングとしてのニオブ酸リチウムでコーティングされた、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、固体電解質としてのLi2S−P2S5系ガラスセラミック、及び導電助剤としてのVGCF(気相法炭素繊維)を、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置(エスエムテー製、製品名UH−50)で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器(柴田科学株式会社製、製品名TTM−1)で3分間振とうし、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌して、正極活物質層用ペーストを作製した。
分散媒としての酪酸ブチル、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンを溶解した5wt%酪酸ブチル溶液、負極活物質としてのケイ素粒子(高純度化学製)、固体電解質としてのLi2S−P2S5系ガラスセラミック、及び導電助剤としてのVGCF(気相法炭素繊維)を、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器で30分間振とうして、負極活物質層用ペーストを作製した。
分散媒としてのヘプタン、バインダーとしてのブタジエンゴムを溶解した5wt%ヘプタン溶液、及び固体電解質としてのヨウ化リチウムを含有するLi2S−P2S5系ガラスセラミックを、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器で30分間振とうして、固体電解質層用ペーストを作製した。
固体電解質層が正極活物質層と接するように、固体電解質層を正極活物質層に積層して、1ton/cm2でプレスし、固体電解質層の基盤としてのアルミニウム箔を剥がして、固体電解質層と正極活物質層の積層体を作製した。
作製した実施例1の全固体電池に対して、初期充電として10時間率(1/10C)で4.55Vまで定電流―定電圧充電(終止電流1/100C)して、初期放電として定電流―定電圧放電で2.50Vまで放電した。その後、4.40Vまで定電流―定電圧充電(終止電流1/100C)して、定電流―定電圧放電で2.50Vまで放電して、実施例1の全固体電池の耐久試験前の放電容量を測定した。
実施例1と同様の方法により実施例2、3及び比較例1〜3の全固体電池を作製した。その後、初期充電電圧を、実施例2につき4.70V、実施例3につき5.00V、比較例1につき4.45V、比較例2につき4.40V、及び比較例3につき3.60V、としたことを除いて、実施例1と同様の方法により実施例2、3及び比較例1〜3の全固体電池の電池性能を評価した。
負極活物質層の作製において、ドクターブレード法によって、作製される負極活物質層の厚さが、実施例1における負極活物質層の厚さに対して、比較例4につき約2倍、比較例5につき約0.5倍になるようにしたことを除いて、実施例1と同様の方法により比較例4及び5の全固体電池を作製した。その後、比較例4及び5について、初期充電電圧を4.45Vとしたことを除いて、実施例1と同様の方法により比較例4及び5の全固体電池の電池性能を評価した。
実施例1〜3、及び比較例1〜5の全固体電池の作製条件、電池構成、及び測定結果を、下記の表1に表した。
表1において、「Si重量」は、全固体電池に含まれる、負極活物質としてのケイ素粒子の重量である。
実施例1〜3の全固体電池は、「アモルファス化率」が、それぞれ、27.8%、34.1%、及び36.2%であり、かつ、「Z/W」が、それぞれ、0.53、0.54、及び0.52であった。したがって、実施例1〜3の全固体電池は、いずれも、アモルファス化率が27.8〜82.8%であること、及び0.32≦Z/W≦0.60であることを満たしている。
下記のとおり、実施例4〜7、及び比較例6、7の全固体電池を作製し、その電池性能を評価した。
実施例1と同様の方法により実施例4〜7及び比較例6、7の全固体電池を作製した。その後、実施例4について、実施例1の方法と同様にして全固体電池の電池性能を評価した。また実施例5〜7及び比較例6、7の全固体電池の初期充電電圧を、実施例5につき4.60V、実施例6につき4.65V、実施例7につき4.70V、比較例6につき4.40、比較例7につき4.45Vにしたことを除いて、実施例1と同様の方法により実施例5〜7及び比較例6、7の全固体電池の電池性能を評価した。
実施例4〜7及び比較例6、7の全固体電池の作製条件、電池構成、及び測定結果を下記の表2に表した。
表2において、「β」は、初期充電工程における、上限充電電圧における電圧(V)に対する容量(Q)の変化率(dQ/dV)であり、「α」は、充電電圧が4.0V以上4.4V以下であるときの電圧(V)に対する容量(Q)の変化率(dQ/dV)の平均値である。
実施例4〜6の方法では、β/αが、ぞれぞれ、1.91、2.18、及び1.65になるようにして、全固体電池の作製を行った。したがって、実施例4〜6の方法は、β/α>1.3を満たしている。
β/αの値と、リチウム含有金属酸化物による正極活物質の保護コーティングとの関係を示すために、下記のとおり、参考例1〜6の全固体電池を作製し、その電池性能を評価した。
負極活物質を天然黒鉛系カーボンに置き換えたことを除いて、実施例4と同様にして参考例1〜3の全固体電池を作製した。
正極活物質を、ニオブ酸リチウムによって被覆されていないLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2に置き換え、かつ負極活物質を天然黒鉛系カーボンに置き換えたことを除いて実施例4と同様にして参考例4〜6の全固体電池を作製した。
参考例1〜6の全固体電池の実験条件及び測定結果を下記の表3に表した。
表3において、「β/α」は、表2の説明において記載したとおりである。
表3のとおり、参考例1〜3では、β/αが、それぞれ、1.19、1.77、及び1.52であり、1より大きくなったのに対して、参考例4〜6では、β/αが、それぞれ、0.93、0.90、及び0.53であり、1より小さくなった。このことは、ニオブ酸リチウムを正極活物質層中に含有させることによって、β/αの値を大きくすることができることを示している。即ち、ニオブ酸リチウムを正極活物質層中に含有させることで、高い電圧においてより多くのリチウムイオンを負極活物質に供給できる。
下記のとおり、実施例8〜11の全固体電池を作製し、その電池性能を評価した。
1.仮の全固体リチウム二次電池の製造方法
(1)リチウム供給用正極活物質層の作製
分散媒としての酪酸ブチル、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンを溶解した5wt%酪酸ブチル溶液、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、固体電解質としてのヨウ化リチウムを含有するLi2S−P2S5系ガラスセラミック、及び導電助剤としてのVGCF(気相法炭素繊維)を、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置(エスエムテー製、製品名UH−50)で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器(柴田科学株式会社製、製品名TTM−1)で3分間振とうし、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌して正極活物質層用ペーストを作製した。
分散媒としての酪酸ブチル、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンを溶解した5wt%酪酸ブチル溶液、負極活物質としてのケイ素粒子、固体電解質としてのヨウ化リチウムを含有するLi2S−P2S5系ガラスセラミック、及び導電助剤としてのVGCF(気相法炭素繊維)を、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器で30分間振とうして負極活物質層用ペーストを作製した。
分散媒としてのヘプタン、バインダーとしてのブタジエンゴムを溶解した5wt%ヘプタン溶液、及び固体電解質としてのヨウ化リチウムを含有するLi2S−P2S5系ガラスセラミックを、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器で30分間振とうして固体電解質層用ペーストを作製した。
リチウム供給用正極活物質層と固体電解質層の積層体を直径12.5mmの打抜き治具で、負極活物質層と固体電解質層の積層体を直径13.0mmの治具でそれぞれ打ち抜いた。双方をそれぞれの固体電解質層が互いに接するように積層し、拘束治具を用いて2N/mの拘束圧で拘束して、仮の全固体リチウム二次電池とした。
仮の全固体リチウム二次電池をデシケーターに入れて、0.05Cで4.55Vまで定電流―定電圧充電を行った(終止電流0.01C)。その後、定電流―定電圧で2.50Vまで放電した。これにより、負極活物質層にリチウムを供給した。
その後、仮の全固体リチウム二次電池の拘束を外し、リチウム供給用正極活物質層と固体電解質層の積層体と失活リチウム非含有負極活物質層と固体電解質層の積層体に分解した。負極活物質層と固体電解質層の積層体を第1の積層体とした。また、仮の全固体リチウム二次電池に使用したリチウム供給用正極活物質層のリチウム含有量が、新しく作製した積層体の正極活物質層のリチウム含有量の1.5倍となるようにしたことを除いて、上述の正極活物質層と固体電解質層の積層体と同様の製造方法によって新しい積層体を作製した。この新しい積層体を直径12.5mmの打抜き治具で打ち抜いたものを第2の積層体とした。
分散媒としてのヘプタン、バインダーとしてのブタジエンゴムを溶解した5wt%ヘプタン溶液、及び固体電解質としてのヨウ化リチウムを含有するLi2S−P2S5系ガラスセラミックを、ポリプロピレン製容器に加えて、超音波分散装置で30秒間撹拌した。その後、ポリプロピレン製容器を振とう器で30分間振とうして接合用固体電解質層用ペーストを作製した。
完成させた実施例8の全固体リチウム二次電池をデシケーターに入れて、0.05Cで4.55Vまで定電流―定電圧充電を行った(終止電流0.01C)。その後、定電流―定電圧で2.50Vまで放電して、その放電容量を測定した。
充放電終了後、実施例8の全固体リチウム二次電池を定電流―定電圧充電により4.40Vまで充電し、定電流―定電圧放電により2.50Vまで放電して、その放電容量を測定した(第1の放電容量)。その後、0.5時間率(2C)で4.17Vまで充電した後、3.17Vまで放電する工程を300サイクル繰り返した。300サイクル後、実施例8の全固体リチウム二次電池を定電流―定電圧充電により4.40Vまで充電し、定電流―定電圧放電により2.50Vまで放電して、その放電容量を測定した(第2の放電容量)。第2の放電容量/第1の放電容量を計算し、容量維持率を測定した。
新しく作製した積層体の正極活物質層のリチウム含有量に対する仮の全固体リチウム二次電池に使用した正極活物質層のリチウム含有量が、実施例9では1.50倍、実施例10では1.01倍となるようにしたことを除いて、実施例8と同様にして全固体リチウム二次電池を作製した。
正極活物質層と固体電解質層の積層体、及び負極活物質層と固体電解質層の積層体の間に、実施例8の方法と同様にして作製した接合用固体電解質層を挿入して積層したことを除いて、実施例8の全固体リチウム二次電池と同様にして、実施例11の全固体リチウム二次電池を得た。実施例11の全固体リチウム二次電池に対して実施例8と同様にして初期充放電を行い、放電容量を測定した。また、実施例11の全固体リチウム二次電池に対して、実施例8と同様にして容量維持率の測定を行った。
表4は、実施例8〜11の全固体電池の作製条件、電池構成、及び測定結果を示している。
表4において、「分解再構成の有無」は、全固体電池を分解して正極活物質層を交換する工程(上述3の「電池の分解・再構成」)の有無を示している。
実施例10の全固体リチウム二次電池の「抵抗」は96%であり、実施例11の全固体リチウム二次電池の「抵抗」よりも小さくなっている。一方、実施例10の全固体リチウム二次電池の「容量維持率」は132%であり、実施例11の全固体リチウム二次電池の「容量維持率」よりも大きくなっている。
アモルファス化率は、全固体電池に規定の電圧を加えて充電を行い、2.50Vまで放電した後、負極活物質層のうち、固体電解質層から5μm〜15μm離れた位置のTEM測定によって測定された10μm×10μmの視野に存在する、少なくとも4粒子以上のケイ素粒子について(ケイ素粒子は一部が含まれていればよく、全体像が必ずしも見える必要はない。)、BF像から確認されるケイ素粒子の面積対する、ケイ素粒子のうちアモルファス化された部分の面積の割合として計算することができる。この計算により得られたアモルファス化率の値と、初期充電量の値の相関を、実施例1、比較例1及び比較例2の全固体電池について調べた。
2 正極活物質層
3 固体電解質層
4 負極活物質層
5 負極集電体
6〜8 全固体電池
Claims (11)
- 正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層を有している全固体電池と、前記全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する制御装置とを有する全固体電池システムであって、
前記負極活物質層中に合金系負極活物質粒子を有しており、
前記合金系負極活物質粒子のアモルファス化率が27.8〜82.8%であり、かつ下記の条件を満たす、全固体電池システム:
0.32≦Z/W≦0.60
Z:前記全固体電池の制御放電容量(mAh)
W:合金系負極活物質粒子の理論容量(mAh/g)×前記合金系負極活物質粒子全体の重量(g)×前記アモルファス化率(%)。 - 前記合金系負極活物質粒子がケイ素粒子である、請求項1に記載の全固体電池システム。
- 前記正極活物質層が、リチウム含有金属酸化物である保護コーティングによって被覆されている正極活物質を有している、請求項1又は2に記載の全固体電池システム。
- 保護コーティングの前記リチウム含有金属酸化物がニオブ酸リチウムである、請求項3に記載の全固体電池システム。
- 前記制御装置が充放電電圧を2.50V以上4.40V以下の範囲内で制御する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の全固体電池システム。
- 正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層を有している全固体電池と、前記全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する制御装置とを有する全固体電池システムの製造方法であって、前記正極活物質層、前記固体電解質層、及び合金系負極活物質粒子を有している前記負極活物質層を積層する積層工程、及び前記充放電電圧より高い初期充電電圧まで前記全固体電池を充電する初期充電工程を有する、全固体電池システムの製造方法。
- 前記合金系負極活物質粒子がケイ素粒子である、請求項6に記載の方法。
- 前記充放電電圧が2.50V以上4.40V以下の範囲内であり、かつ前記初期充電工程において前記初期充電電圧が4.45Vより大きく5.00V以下である、請求項6又は7に記載の方法。
- 前記正極活物質層が、リチウム含有金属酸化物である保護コーティングによって被覆されている正極活物質を有している、請求項6〜8のうちいずれか1項に記載の方法。
- 保護コーティングの前記リチウム含有金属酸化物がニオブ酸リチウムである、請求項9に記載の方法。
- 下記の条件を満たすように前記初期充電工程を行う、請求項9又は10に記載の方法:
(初期充電工程における上限充電電圧における電圧(V)に対する充電量(Q)の変化率(dQ/dV))/(充電電圧が4.00V以上4.40V以下であるときの電圧(V)に対する充電量(Q)の変化率(dQ/dV)の平均値)>1.3。
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