JP2018037326A - 固体電解質成形体の製造方法、複合体の製造方法、および電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(Li7-3x+yGax)(La3-yCay)Zr2O12 ・・・(1)
(但し、0.1≦x≦1、0.01≦y≦0.5を満たす。)
Li7-zLa3(Zr2-zAα)O12 ・・・(2)
(但し、0.1≦z≦1を満たし、AはTa、Nb、およびSbのうち少なくとも1種を表し、0≦α<2を満たす。)
固体電解質の前駆体が含まれる溶液を加熱して、第1の焼成を施す第2の工程と、第2の工程で得られた生成物に、加圧を施して成形物を形成する第3の工程と、成形物に第2の焼成を施して、多孔質の焼成体を形成する第4の工程と、を備える。
<電池>
まず、本実施形態に係る電池について、図1を参照して説明する。本実施形態では、電池としてリチウム電池を例に挙げて説明する。図1は、実施形態1に係る電池としてのリチウム電池の構成を示す概略斜視図である。
次に、リチウム電池100に含まれる複合体10の構成について、図2を参照して説明する。図2は、リチウム電池の構成を示す概略断面図である。
(Li7-3x+yGax)(La3-yCay)Zr2O12 ・・・(1)
(但し、0.1≦x≦1、0.01≦y≦0.5を満たす。)
Li7-zLa3(Zr2-zAα)O12 ・・・(2)
(但し、0.1≦z≦1を満たし、AはTa、Nb、およびSbのうち少なくとも1種を表し、0≦α<2を満たす。)
本実施形態に係る電池としてのリチウム電池100の製造方法について、図3、図4A、図4B、図4C、図4D、図4E、図4F、図4Gを参照して説明する。リチウム電池100の製造方法は、固体電解質層2(固体電解質成形体)の製造方法、および複合体10の製造方法を含んでいる。図3は、リチウム電池の製造方法を示す工程フロー図である。図4Aから図4Eは、固体電解質成形体の製造方法を示す模式図である。図4Fおよび図4Gは、複合体の製造方法を示す模式図である。なお、図3に示した工程フローは一例であって、これに限定されるものではない。
固体電解質成形体としての固体電解質層2の製造方法は、下記式(1)、(2)のいずれか一方の固体電解質の前駆体が含まれる溶液2Xを、調製する第1の工程S1と、
(Li7-3x+yGax)(La3-yCay)Zr2O12 ・・・(1)
(但し、0.1≦x≦1、0.01≦y≦0.5を満たす。)
Li7-zLa3(Zr2-zAα)O12 ・・・(2)
(但し、0.1≦z≦1を満たし、AはTa、Nb、およびSbのうち少なくとも1種を表し、0≦α<2を満たす。)
固体電解質の前駆体が含まれる溶液2X(以降、単に「前駆体溶液2X」とも言う。)を加熱して、第1の焼成を施す第2の工程S2と、第2の工程S2で得られた生成物に、加圧を施して成形物を形成する第3の工程S3と、成形物に第2の焼成を施して、多孔質の焼成体を形成する第4の工程S4と、を備える。
(A)固体電解質が有する金属原子を、固体電解質の組成式に従った割合で含み、酸化により固体電解質となる金属塩を有する組成物。
(B)固体電解質が有する金属原子を、固体電解質の組成式に従った割合で含む金属アルコキシド化合物を有する組成物。
(C)固体電解質の微粒子、または固体電解質が有する金属原子を、固体電解質の組成式に従った割合で含む微粒子ゾルを溶剤に分散させた分散液。
(D)固体電解質が有する金属原子を、固体電解質の組成式に従った割合で含み、酸化により固体電解質となる金属塩および金属アルコキシド化合物を有する組成物。
β={w/(v・ρ)}×100 ・・・(A)
複合体10の製造方法は、上記の製造方法を用いて製造された固体電解質層2(固体電解質成形体)に、正極活物質3の前駆体が含まれる溶液3Xを接触させて、少なくとも固体電解質層2の孔に正極活物質3を形成する第5の工程を備えている。
リチウム電池100の製造方法は、上記の製造方法を用いて製造された複合体10と、負極としての第2の集電極42とを接合する工程を備えている。
<金属化合物溶液の調製>
まず、金属化合物として、リチウム化合物、ガリウム化合物、ランタン化合物、カルシウム化合物、ジルコニウム化合物、ニオブ化合物、タンタル化合物、アンチモン化合物と、溶媒とを用いて、それぞれの金属化合物溶液を調製した。
マグネチックスターラーバー(磁石式撹拌子)を入れた30gのパイレックス製試薬瓶へ、純度99.95%の硝酸リチウム(関東化学 3N5)1.3789gと、2−n−ブトキシエタノール(エチレングルコールモノブチルエーテル)(関東化学 鹿特級)18.6211gとを秤量した。次いで、ホットプレート機能付きマグネチックスターラーに載せ、190℃にて1時間撹拌しながら、硝酸リチウムを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解し、室温(約20℃)まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。なお、硝酸リチウムの純度は、イオンクロマトグラフィー質量分析計を用いて測定することが可能である。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、硝酸ガリウム・n水和物(n=五.五:高純度化学研究所 3N)3.5470gと、エチルアルコール6.4530gとを秤量した。次いで、ホットプレート機能付きマグネチックスターラーに載せ、90℃にて1時間撹拌しながら、硝酸ガリウム・n水和物(n=五.五)をエチルアルコールに完全に溶解し、室温まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸ガリウム・n水和物(n=五.五)のエチルアルコール溶液を得た。なお、用いた硝酸ガリウム・n水和物の水和数nは、燃焼実験による質量減少の結果から、5.5(五.五)であった。
マグネチックスターラーバーを入れた30gのパイレックス製試薬瓶へ、硝酸ランタン・六水和物(関東化学 4N)8.6608gと、2−n−ブトキシエタノール11.3392gとを秤量した。次いで、ホットプレート機能付きマグネチックスターラーに載せ、140℃にて30分間撹拌しながら、硝酸ランタン・六水和物を2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解し、室温まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、硝酸カルシウム・四水和物(関東化学 3N)2.3600gと、2−n−ブトキシエタノール7.6400gとを秤量した。次いで、ホットプレート機能付きマグネチックスターラーに載せ、100℃にて30分間撹拌しながら、硝酸カルシウム・四水和物を2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解し、室温まで徐冷して、1mol/kg濃度の硝酸カルシウム・四水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、ジルコニウムテトラノルマルブトキシド(関東化学 GC:ガスクロマトグラフィー純度87.5質量%)3.8368gと、2−n−ブトキシエタノール6.1632gとを秤量した。次いで、マグネチックスターラーに載せ、室温にて30分間撹拌しながら、ジルコニウムテトラノルマルブトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。なお、上記ジルコニウムテトラノルマルブトキシドについて、GC純度における他成分12.5質量%は、n−ブチルアルコールである。また、イオンクロマトグラフィー質量分析計を用いて測定した純度は3Nである。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、ニオブペンタエトキシド(高純度化学研究所 3N)3.1821gと、2−n−ブトキシエタノール6.8179gとを秤量した。次いで、マグネチックスターラーに載せ、室温にて30分間撹拌しながら、ニオブペンタエトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のニオブペンタエトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、タンタルペンタノルマルブトキシド(高純度化学研究所 5N)5.4640gと、2−n−ブトキシエタノール4.5360gとを秤量した。次いで、マグネチックスターラーに載せ、室温にて30分間撹拌しながら、タンタルペンタノルマルブトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のタンタルペンタノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
マグネチックスターラーバーを入れた20gのパイレックス製試薬瓶へ、アンチモントリノルマルブトキシド(高純度化学研究所 5N)3.4110gと、2−n−ブトキシエタノール6.5890gとを秤量した。次いで、マグネチックスターラーに載せ、室温にて30分間撹拌しながら、アンチモントリノルマルブトキシドを2−n−ブトキシエタノールに完全に溶解して、1mol/kg濃度のアンチモントリノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液を得た。
次に、第1の工程S1として、式(1):(Li7-3x+yGax)(La3-yCay)Zr2O12におけるx、y、または式(2):Li7-zLa3(Zr2-zAα)O12におけるz、A、αが、図5に示した組成となるように、以上の金属化合物溶液を用いて、実施例1から実施例7、比較例1から比較例6の固体電解質の前駆体を含む溶液(以降、単に「前駆体溶液」とも言う。)を調製した。
実施例1では、式(2)において、zが0.25、AがNb(ニオブ)、αが0.25のリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液8.1000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液3.0000g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液2.0000g、1mol/kg濃度のニオブペンタエトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液0.2500gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、実施例1の前駆体溶液を得た。なお、実施例2の前駆体溶液は、実施例1と同一組成であるため、実施例1と同様に調製した。
実施例3では、式(2)において、zが0.50、AがTa(タンタル)、αが0.50のリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液7.8000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液3.0000g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液1.7143g、1mol/kg濃度のタンタルペンタノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液0.5000gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、実施例3の前駆体溶液を得た。
実施例1では、式(2)において、zが0.50、AがSb(アンチモン)、αが0.50のリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液7.8000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液3.0000g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液1.7143g、1mol/kg濃度のアンチモントリノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液0.5000gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、実施例4の前駆体溶液を得た。
実施例5では、式(1)において、xが0.50、yが0.05のリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液6.6600g、1mol/kg濃度の硝酸ガリウム・n水和物(n=五.五)のエチルアルコール溶液0.5000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液2.9500g、1mol/kg濃度の硝酸カルシウム・四水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液0.0500g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液2.2857gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、実施例5の前駆体溶液を得た。なお、実施例6および実施例7の前駆体溶液は、実施例5と同一組成であるため、実施例5と同様に調製した。
比較例1の前駆体溶液は、実施例1と同一組成であるため、実施例1と同様に調製した。
比較例2では、式(1)において、xが0.50、yが0.00のリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液6.6000g、1mol/kg濃度の硝酸ガリウム・n水和物(n=5.5)のエチルアルコール溶液0.5000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液3.0000g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液2.2857gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、比較例2の前駆体溶液を得た。なお、比較例2はyが0.00であって、式(1)において、0.01≦y≦0.5を満たさない。
比較例3では、式(2)において、zが0.00、Aを含まないリチウム複合酸化物の前駆体を含む溶液を調製する。まず、1mol/kg濃度の硝酸リチウムの2−n−ブトキシエタノール溶液8.4000g、1mol/kg濃度の硝酸ランタン・六水和物の2−n−ブトキシエタノール溶液3.0000g、1mol/kg濃度のジルコニウムテトラノルマルブトキシドの2−n−ブトキシエタノール溶液2.2857gを秤量し、マグネチックスターラーバーを投入した。次いで、マグネチックスターラーを用いて、室温にて30分間撹拌し、比較例3の前駆体溶液を得た。なお、比較例3はzが0.00であり、Aを含まない(αが0.00)ことから、式(2)において、0.1≦z≦1、AはTa、Nb、およびSbのうち少なくとも1種を満たさない。
比較例4の前駆体溶液は、実施例4と同一組成であるため、実施例4と同様に調製した。
比較例5の前駆体溶液は、実施例5と同一組成であるため、実施例5と同様に調製した。
比較例6の前駆体溶液は、実施例3と同一組成であるため、実施例3と同様に調製した。
次に、実施例および比較例の前駆体溶液を用いて、実施例および比較例の固体電解質成形体を製造する。図6は、実施例および比較例に係る固体電解質成形体の製造条件を示す図表である。
まず、正極活物質を形成するための、正極活物質の前駆体が含まれる溶液を調製する。正極活物質の形成材料として、上述したリチウム複合金属化合物のLiCoO2を用いた。LiCoO2の前駆体が含まれる溶液の調製には、公知の方法を用いることができる。本実施形態では、リチウム化合物およびコバルト化合物を溶媒に溶解する方法を用いた。具体的には、炭酸リチウム(リチウム源)、炭酸コバルト(コバルト源)、2−エチル酪酸を、上記の順でモル比を1:1:7として反応容器に入れた。次に、窒素ガス雰囲気中で還流して反応させ、2−エチル酪酸リチウムおよび2−エチル酪酸コバルトが合成された溶液を得た。その後、上記溶液に減圧蒸留を施して副生成物を除去し、金属酸化物換算で5質量%濃度となるように、ブチルアルコールを用いて希釈溶液とした。さらに、希釈溶液にろ過を施して、粒子状の副生成物を除去することにより、LiCoO2の前駆体が含まれる溶液(以降、単に「LiCoO2前駆体溶液」とも言う。)を得た。
実施例および比較例の固体電解質成形体および評価用複合体について、以下の方法にて評価を行い、その結果を図7に記載した。図7は、実施例および比較例に係る評価結果を示す図表である。
上記評価の結果について、図7を参照して説明する。
図7に示したように、実施例1から実施例7のいずれにおいても、45%以上、60%以下の嵩密度が確保できている。一方、比較例1から比較例6については、比較例3が49%となった他は、比較例1、2、4、6が60%を超え、比較例5が45%未満となった。これにより、比較例1から比較例6は、比較例3を除き、嵩密度が45%以上、60%以下の範囲から外れていた。
図7に示したように、実施例1から実施例7の総イオン伝導率は、2.2×10-4S/cmから1.2×10-4S/cmと良好な数値が得られた。一方、比較例1から比較例6では、固体電解質の組成が上記式(1)、(2)を満たさない比較例3において、1.5×10-6S/cmとなった。
上記実施形態においては、上記式(1)、(2)のいずれかの固体電解質を、それらの前駆体が含まれる溶液2Xから製造する製造方法を説明した。固体電解質の製造方法は、このような湿式法に限定されない。例えば、固相合成法、ゾル・ゲル法、金属有機化合物分解法(MOD:Metal Organic Decomposition法)などを用いてもよい。本変形例では、固相合成法を用いた固体電解質粒子(固体電解質)の製造方法について、一例を挙げて説明する。
Claims (8)
- 下記式(1)、(2)のいずれか一方の固体電解質の前駆体が含まれる溶液を、調製する第1の工程と、
(Li7-3x+yGax)(La3-yCay)Zr2O12 ・・・(1)
(但し、0.1≦x≦1、0.01≦y≦0.5を満たす。)
Li7-zLa3(Zr2-zAα)O12 ・・・(2)
(但し、0.1≦z≦1を満たし、AはTa、Nb、およびSbのうち少なくとも1種を表し、0≦α<2を満たす。)
前記固体電解質の前駆体が含まれる溶液を加熱して、第1の焼成を施す第2の工程と、
前記第2の工程で得られた生成物に、加圧を施して成形物を形成する第3の工程と、
前記成形物に第2の焼成を施して、多孔質の焼成体を形成する第4の工程と、を備え
た固体電解質成形体の製造方法。 - 前記加圧は、一軸プレスを用いて、0.50kN/mm2以上、0.64kN/mm2以下の圧力を5分間印加し、前記焼成体の嵩密度を45%以上、60%以下とする請求項1に記載の固体電解質成形体の製造方法。
- 前記第1の焼成における焼成温度は、500℃以上、650℃以下である、請求項1または請求項2に記載の固体電解質成形体の製造方法。
- 前記第2の焼成における焼成温度は、800℃以上、950℃以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の固体電解質成形体の製造方法。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の製造方法を用いて製造された固体電解質成形体に、正極活物質の前駆体が含まれる溶液を接触させて、少なくとも前記固体電解質成形体の孔内に前記正極活物質を形成する第5の工程を備えた複合体の製造方法。
- 前記固体電解質成形体と前記正極活物質とを、加熱により乾燥、焼成する第6の工程を備えた請求項5に記載の複合体の製造方法。
- 前記第6の工程における焼成温度が、700℃以上、800℃以下である請求項6に記載の複合体の製造方法。
- 請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の複合体の製造方法を用いて製造された複合体と、負極とを接合する工程を備えた電池の製造方法。
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