JP2018088306A - 固体電解質組成物、固体電解質含有シートおよび全固体二次電池、ならびに、固体電解質含有シートおよび全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような状況下、有機電解液に代えて、無機固体電解質を用いた全固体二次電池が注目されている。全固体二次電池は負極、電解質および正極のすべてが固体からなり、有機電解液を用いた電池の課題とされる安全性ないし信頼性を大きく改善することができ、また長寿命化も可能になるとされる。さらに、全固体二次電池は、電極と電解質を直接並べて直列に配した構造とすることができる。そのため、有機電解液を用いた二次電池に比べてエネルギーの高密度化が可能となるので、電気自動車や大型蓄電池等への応用が期待されている。
<1>
周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、分散媒(C)と、バインダー(D)とを含有する固体電解質組成物であって、バインダー(D)がポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドおよび/またはポリエステルを含む、固体電解質組成物。
<2>
酸化防止剤(B)が、フェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤もしくは硫黄系酸化防止剤、またはこれらの酸化防止剤の2種以上を含む、<1>に記載の固体電解質組成物。
フェノール系酸化防止剤が下記一般式(1)で表され、アミン系酸化防止剤が下記一般式(2)で表される、<2>に記載の固体電解質組成物。
一般式(2)中、R21は水素原子、アルキル基、アリール基またはヘテロアリール基を示す。R22〜R29は各々独立に、水素原子またはアルキル基を示す。L2は(m2+n2)価の基を示す。m2は0以上の整数を示し、n2は1以上の整数を示す。Xは水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基または酸素ラジカルを示す。
酸化防止剤(B)の濃度が、全固形分中1ppm〜100,000ppmである、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<5>
分散媒(C)が、炭化水素溶媒、ケトン化合物溶媒、エーテル化合物溶媒、エステル化合物溶媒もしくはアルコール化合物溶媒、またはこれらの溶媒の2種以上を含む、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<6>
活物質(E)を含有する、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<7>
バインダー(D)が、平均粒子径10nm〜50μmのポリマー粒子である、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<8>
周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、バインダー(D)とを含む固体電解質含有シートであって、
バインダー(D)が、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドおよび/またはポリエステルを含む、固体電解質含有シート。
<9>
正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層の少なくとも1層が、<8>に記載の固体電解質含有シートである、全固体二次電池。
<10>
<1>〜<7>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を基材上に塗布し、塗膜を形成する工程を含む、固体電解質含有シートの製造方法。
<11>
<10>に記載の製造方法を介して全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、この順に有する。各層はそれぞれ接触しており、積層した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e−)が供給され、そこにリチウムイオン(Li+)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li+)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。
本発明の固体電解質組成物は、上記負極活物質層、固体電解質層及び/又は正極活物質層の成形材料として好ましく用いることができる。また、本発明の固体電解質含有シートは、上記負極活物質層、固体電解質層及び/又は正極活物質層として好適である。
本明細書において、正極活物質層(以下、正極層とも称す。)と負極活物質層(以下、負極層とも称す。)をあわせて電極層または活物質層と称することがある。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、分散媒(C)と、バインダー(D)とを含有する固体電解質組成物であって、バインダー(D)がポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステルまたはこれらのポリマーの組合せを含む。なお、以下、固体電解質組成物に含まれる各成分を、単に「酸化防止剤」のように符号を付さずに記載することもある。
以下、組成物中の各成分について詳述する。
本発明の固体電解質組成物は、硫化物系無機固体電解質(A)を含有する。
無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオンおよびアニオンに解離または遊離していない。この点で、電解液やポリマー中でカチオンおよびアニオンが解離または遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、LiFSI、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば特に限定されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
上記無機固体電解質は、この種の製品に適用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質は(i)硫化物系無機固体電解質及び(ii)酸化物系無機固体電解質が代表例として挙げられる。本発明では、硫化物系無機固体電解質が用いられる。
例えば下記式(I)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性硫化物系無機固体電解質が挙げられる。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 式(I)
式中、LはLi、NaおよびKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。a1はさらに、1〜9が好ましく、1.5〜7.5がより好ましい。b1は0〜3が好ましい。d1はさらに、2.5〜10が好ましく、3.0〜8.5がより好ましい。e1はさらに、0〜5が好ましく、0〜3がより好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mであらわされる元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
上記硫化物系無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、本明細書において固形分(固形成分)とは、窒素雰囲気下80℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
本発明の固体電解質組成物は、上記硫化物系無機固体電解質(A)の他に、本発明の効果を奏する範囲内で、酸化物系無機固体電解質を含有してもよい。酸化物系無機固体電解質は、酸素原子(O)を含有し、かつ、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
本発明に用いられる酸化防止剤(B)は特に制限されないが、フェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤もしくは硫黄系酸化防止剤、またはこれらの2種以上を含むことが好ましい。さらに、酸化防止剤(B)はフェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤もしくは硫黄系酸化防止剤、またはこれらの2種以上であることが好ましい。
酸素存在下において、硫化物系無機固体電解質はその表面に架橋硫黄が形成されやすく、イオン伝導度の低下要因なりうる。本発明の固体電解質組成物は、酸化防止剤を用いることにより、硫化物系無機固体電解質の酸化を抑制しイオン伝導度の低下を抑制することができる。酸化防止剤を含有することにより、本発明の固体電解質組成物は、アルゴン雰囲気下だけでなく、乾燥空気下においても取り扱いおよび長期保管が可能になる。また酸化防止剤は本発明に用いられる特定のバインダー(D)と組み合わせて使用することによりバインダー(D)の酸化劣化による力学物性の低下を抑制することができるので、長期間に渡って高い結着性を維持することができる。上記作用効果は、本発明の固体電解質含有シートおよび全固体二次電池も同様に奏する。
一般式(2)中、R21は水素原子、アルキル基、アリール基またはヘテロアリール基を示す。R22〜R29は各々独立に、水素原子またはアルキル基を示す。L2は(m2+n2)価の基を示す。m2は0以上の整数を示し、n2は1以上の整数を示す。Xは水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基または酸素ラジカルを示す。
R11で示されるアリール基の炭素数は、6〜18が好ましく、6〜12がより好ましく、6〜10がさらに好ましい。R11で示されるアリール基の具体例としては、フェニル、トリル、キシリルおよびナフチルが挙げられる。
R11で示されるヘテロアリール基の環を構成する炭素数は、1〜10が好ましく、2〜8がより好ましく、2〜4がさらに好ましい。また、環員数は5または6が好ましい。環を構成するヘテロ原子としては、窒素原子、硫黄原子および酸素原子が挙げられる。環を構成するヘテロ原子の数は、1または2が好ましい。R11で示されるヘテロアリール基の具体例としては、ピリジル、フリルおよびチオフェニルが挙げられる。
アルキレン基は直鎖および分岐のいずれでもよく、炭素数は、1〜20が好ましく、2〜16がより好ましく、3〜10がさらに好ましい。
アルカントリイル基は直鎖および分岐のいずれでもよく、炭素数は、3〜30が好ましく、3〜20がより好ましく、3〜16がさらに好ましい。
アルカンテトライル基は直鎖および分岐のいずれでもよく、炭素数は、4〜30が好ましく、4〜20がより好ましく、4〜16がさらに好ましい。
アリーレン基の炭素数は、6〜20が好ましく、6〜16がより好ましく、6〜10がさらに好ましい。アリーレン基の具体例として、フェニレンおよびナフタレンジイルが挙げられる。
アレーントリイル基の炭素数は、6〜30が好ましく、6〜20がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アレーントリイル基の具体例としてベンゼントリイルおよびナフタレントリイルが挙げられる。
アレーンテトライル基の炭素数は、6〜30が好ましく、6〜20がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アレーンテトライル基の具体例としてベンゼンテトライルおよびナフタレンテトライルが挙げられる。
n1は、1〜8が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜4がさらに好ましい。
R21で示されるリール基は、R11で示されるアリール基と同義であり、好ましい範囲も同じである。
R21で示されるヘテロアリール基は、R11で示されるヘテロアリール基と同義であり、好ましい範囲も同じである。
L2はアミノ基を有することが好ましい。
Xで示されるアリール基の炭素数は、6〜20が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10がさらに好ましい。Xで示されるアリール基の具体例としては、フェニル、ナフチル、トリルおよびキシリルが挙げられる。
Xで示されるアルコキシ基におけるアルキル基は、Xで示されるアルキル基と同義である。
Xで示されるアリールオキシ基におけるアリール基は、Xで示されるアリール基と同義である。
n2は、1〜8が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜4がさらに好ましい。
また、上記アミン系酸化防止剤として、例えば、1−ナフチルアミン、2−ナフチルアミン、フェニレンジアミン、4,4'−ジアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン等の芳香族アミンが挙げられる。
酸化防止剤の分子量は120以上が好ましく200以上がさらに好ましく、300以上がより好ましい。分子量の上限は特に制限されないが、1,000以下が実際的である。
ポリマー型の酸化防止剤を用いても良く質量平均分子量100,000以下が好ましく50,000以下が好ましい。下限は特に制限されないが、2,500以上である。このようなポリマー型酸化防止剤としてはポリ(p−ヒドロキシスチレン)等が挙げられる。ここで、ポリマー型の酸化防止剤とは、質量平均分子量2,500以上の酸化防止剤を意味する。
酸化防止効率を高め、固体電解質組成物のスラリーまたは固体電解質シート中から揮発することを抑制するうえで、単官能よりも2官能、さらに多官能の酸化防止剤が好ましい。
アデカスタブPEP−36、アデカスタブPEP−8、アデカスタブHP−10、アデカスタブ2112、アデカスタブ2112RG、アデカスタブ1178、アデカスタブ1500、アデカスタブC、アデカスタブ135A,アデカスタブ3010、アデカスタブTPP、アデカスタブAO−30、アデカスタブAO−412S、アデカスタブAO−503、アデカスタブLA−52、アデカスタブLA−57、アデカスタブLA−63P、アデカスタブLA−68、アデカスタブLA−72、アデカスタブLA−77Y、アデカスタブLA−77G、アデカスタブLA−81
IRGANOX1010、IRGANOX1035、IRGANOX1076、IRGANOX1098、IRGANOX1135、IRGANOX1330、IRGANOX1726、IRGANOX1425WL、IRGANOX1520L、IRGANOX245、IRGANOX259、IRGANOX3114、IRGANOX5057、IRGANOX565、IRGAFOS168、IRGANOX B225、IRGANOX B215、IRGASTAB PUR68、IRGASTAB FS042
CHIMASSORB 2020 FDL、CHIMASSORB944 FDL
TINUVIN PA144、TINUVIN765、TINUVIN770DF、TINUVIN111FDL、TINUVIN783FDL、TINUVIN791FB
SUMILIZER GA−80、SUMILIZER MDP−S、SUMILIZER WX−R、SUMILIZER WX−RC、SUMILIZER TP−D
なお、市販されている分散媒を使用する場合、酸化防止剤が含まれていることがあるが、この場合、分散媒に含まれる酸化防止剤も酸化防止剤(B)として組成物を構成する。
置換基Pとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等、ただし本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味である。)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、アラルキル基(好ましくは炭素数7〜23のアラルキル基、例えば、ベンジル、フェネチル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、環構成原子として酸素原子、硫黄原子および窒素原子から選択される少なくとも1つを有する5又は6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、テトラヒドロピラニル、テトラヒドロフラニル、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等、ただし本明細書においてアルコキシ基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1−ナフチルオキシカルボニル、3−メチルフェノキシカルボニル、4−メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル等)、アリーロイル基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイル基、例えば、ベンゾイル等、ただし本明細書においてアシル基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等、ただし本明細書においてアシルオキシ基というときには通常アリーロイルオキシ基を含む意味である。)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルスルファニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルファニル基、例えば、メチルスルファニル、エチルスルファニル、イソプロピルスルファニル、ベンジルスルファニル等)、アリールスルファニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールスルファニル基、例えば、フェニルスルファニル、1−ナフチルスルファニル、3−メチルフェニルスルファニル、4−メトキシフェニルスルファニル等)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数6〜22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホリル基、例えば、−OP(=O)(RP)2)、ホスホニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホニル基、例えば、−P(=O)(RP)2)、ホスフィニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスフィニル基、例えば、−P(RP)2)、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルイミノ基((メタ)アクリルアミド基)、ヒドロキシ基、スルファニル基、カルボキシ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。
また、これらの置換基Pで挙げた各基は、上記の置換基Pがさらに置換していてもよい。
化合物、置換基および連結基等がアルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基および/またはアルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
分散媒(C)としては、硫化物系無機固体電解質(A)、酸化防止剤(B)及びバインダー(D)等を分散(溶解を含む意味で使用する。以下同様。)させるため分散媒を含有することが好ましい。分散媒の具体例としては下記のものが挙げられる。
なお、分散媒体(C)は、炭化水素溶媒、ケトン化合物溶媒、エーテル化合物溶媒もしくはアルコール化合物溶媒、またはこれらの溶媒の2種以上の混合物であることが好ましい。
バインダー(D)は、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドおよび/またはポリエステルを含む。すなわち、バインダー(D)は、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドもしくはポリエステル、またはこれらのポリマーの2種以上を含む。バインダー(D)は、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドもしくはポリエステル、またはこれらのポリマーの2種以上の組合せであることが好ましい。
異なる種類のバインダーを混合しても良いし、1つのポリマー鎖中に異なる結合を有するポリマーであっても良い。
なかでもポリウレタン、ポリウレア、ポリアミドが特に好ましい。
これらのバインダーはハードセグメント部分とソフトセグメント部分を有することが好ましい。ハードセグメント部分はウレタン結合、ウレア結合、アミド結合からなる水素結合性連結基を有することが好ましい。ソフトセグメント部分は質量平均分子量500以上のポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、シリコーン鎖、炭化水素鎖(ポリブタジエン鎖、ポリイソプレン鎖、水添ポリブタジエン鎖、水添ポリイソプレン鎖)のすくなくともいずれかを有することが好ましい。
これらバインダーは極性基(ヒドロキシ基、カルボキシル基、スルホニル基、リン酸基、ニトリル基等)を有することが好ましい。
ガラス転移温度は上限100℃以下が好ましく50℃以下がより好ましい。下限は−80℃以上が好ましく、−50℃以上がより好ましい。
昇温速度:5℃/min
測定開始温度:−100℃
測定終了温度:150℃
試料パン:アルミニウム製パン
測定試料の質量:5mg
Tgの算定:DSCチャートの下降開始点と下降終了点の中間温度の小数点以下を四捨五入することでTgを算定する。
本発明において、バインダーが分散媒(C)に対して不溶の粒子であることが固体電解質組成物の分散安定性の観点から好ましい。ここで、「バインダーが分散媒(C)に対して不溶の粒子である」とは、30℃の分散媒に添加し、24時間静置しても、平均粒子径が5%以上低下しないことを意味し、3%以上低下しないことが好ましく、1%以上低下しないことがより好ましい。
なお、バインダー粒子が分散媒に全く溶解していない状態では、添加前に対する平均粒子径の上記変化量は0%である。
また、固体電解質組成物中におけるバインダーは、硫化物系無機固体電解質(A)及び活物質(E)間でのイオン伝導性の低下抑制のため、平均粒子径10nm〜50μmであることが好ましく、10〜1000nmのナノ粒子であることがより好ましい。
バインダー粒子を任意の溶媒(固体電解質組成物の調製に用いる分散媒。例えば、オクタン)を用いて20mlサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製して測定し、その平均値を採用する。
なお、作製された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について上記ポリマー粒子の平均粒子径の測定方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー粒子以外の粒子の平均粒子径の測定値を排除することにより行うことができる。
また、バインダーを構成するポリマーは、固体の状態で使用しても良いし、ポリマー粒子分散液またはポリマー溶液の状態で用いてもよい。
本発明では、バインダーの質量に対する、硫化物系無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(硫化物系無機固体電解質の質量+活物質の質量)/バインダーの質量]は、1,000〜1の範囲が好ましい。この比はさらに500〜2がより好ましく、250〜10がさらに好ましい。
また、バインダーの質量に対する、酸化防止剤の質量比[酸化防止剤の質量/バインダーの質量]は、0.01〜100の範囲が好ましい。この比はさらに0.1〜10がより好ましく、0.2〜5がさらに好ましい。硫化物系無機固体電解質の質量に対する、酸化防止剤の質量比[酸化防止剤の質量/硫化物系無機固体電解質の質量]は、0.001〜1の範囲が好ましい。この比はさらに0.005〜0.1がより好ましく、0.01〜0.05がさらに好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第1族又は第2族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な活物質(E)を含有してもよい。以下、活物質(E)を単に活物質とも称する。
活物質としては、正極活物質及び負極活物質が挙げられ、正極活物質である遷移金属酸化物、又は、負極活物質であるチタン酸リチウムもしくは黒鉛が好ましい。
本発明において、活物質(正極活物質、負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極用組成物(正極用組成物、負極用組成物)ということがある。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物や、有機物、硫黄などのLiと複合化できる元素や硫黄と金属の複合物などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、CuおよびVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、PまたはBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物および(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。本発明において、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましい。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8およびLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4(リン酸鉄リチウム[LFP])およびLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類ならびにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩およびLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4およびLi2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物を有する遷移金属酸化物が好ましく、オリビン型リン酸鉄塩がより好ましく、LFPがさらに好ましい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫等の金属酸化物、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体およびリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、Sn、Si、AlおよびIn等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。中でも、炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵および放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
また、正極活物質または負極活物質を含む電極表面は硫黄またはリンで表面処理されていてもよい。
さらに、正極活物質または負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線または活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていても良い。
本発明の固体電解質組成物は、導電助剤を含有することも好ましい。導電助剤としては、特に制限はなく、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン、フラーレンなどの炭素質材料であっても良いし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でも良く、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体など導電性高分子を用いても良い。またこれらのうち1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明の固体電解質組成物は分散剤を含有してもよい。分散剤を添加することで活物質及び硫化物系無機固体電解質のいずれかの濃度が高い場合、並びに、粒子径が細かく表面積が増大する場合においてもその凝集を抑制し、均一な活物質層及び固体電解質層を形成することができる。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発および/または静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩を含有してもよい。
リチウム塩としては、特に制限はなく、例えば、特開2015−088486号公報の段落0082〜0085記載のリチウム塩が好ましい。
リチウム塩の含有量は、硫化物系無機固体電解質100質量部に対して0質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、硫化物系無機固体電解質(A)と酸化防止剤(B)とバインダー(D)とを分散媒(C)の存在下で分散して、スラリー化することで調製することができる。
スラリー化は、各種の混合機を用いて硫化物系無機固体電解質(A)と酸化防止剤(B)とバインダー(D)と、分散媒(C)とを混合することにより行うことができる。混合装置としては、特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサー、ブレードミキサー、ロールミル、ニーダーおよびディスクミルが挙げられる。混合条件は特に制限されないが、例えば、ボールミルを用いた場合、150〜700rpm(rotation per minute)で1時間〜24時間混合することが好ましい。また、各成分の添加順序は、本発明の効果を奏する限り特に制限されるものではない。
活物質(E)、導電助剤、粒子分散剤等の成分を含有する固体電解質組成物を調製する場合には、上記の硫化物系無機固体電解質(A)等の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。
本発明の固体電解質含有シートは、周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、バインダー(D)とを含む全固体二次電池用シートであって、上記バインダー(D)が、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドもしくはポリエステル、またはこれらの2種以上を含む。
この全固体二次電池用シートは、基材と固体電解質層又は活物質層を有していれば、他の層を有してもよいが、活物質を含有するものは後述する全固体二次電池用電極シートに分類される。他の層としては、例えば、保護層、集電体、コート層(集電体、固体電解質層、活物質層)等が挙げられる。
全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、固体電解質層と保護層とを基材上に、この順で有するシートが挙げられる。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、後記集電体で説明した材料、有機材料および無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレンおよびセルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラスおよびセラミック等が挙げられる。
このシートは、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
ここで、本発明の固体電解質組成物は、上記の方法によって、調製できる。
電極シートを構成する各層の層厚は、上述の、本発明の全固体二次電池において説明した各層の層厚と同じである。また、電極シートを構成する各層の構成は、後記、本発明の全固体二次電池において説明した各層の構成と同じである。
電極シートは、本発明の固体電解質組成物を金属箔上に製膜(塗布乾燥)して、金属箔上に活物質層を形成することにより、得られる。
本発明の全固体二次電池は、正極と、この正極に対向する負極と、正極及び負極の間の固体電解質層とを有する。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有する。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有する。
正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層は、本発明の固体電解質組成物を用いて形成されることが好ましい。
本発明の固体電解質組成物を用いて形成された正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、固体電解質組成物の固形分におけるものと基本的に同じである。
また、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層は、電池性能に影響を与えない範囲で分散媒(C)を含有していてもよく、含有量は1ppm以上10000ppm以下が好ましい。なお、本発明の全固体二次電池の活物質層中における分散媒(C)の含有割合は、後述の本発明の固体電解質含有シートで記載する方法を参照し、測定することができる。
以下に、図1を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層が本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている。
正極活物質層4及び/又は負極活物質層2が、活物質を含有する本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、正極活物質層4及び負極活物質層2は、それぞれ、正極活物質又は負極活物質を含み、さらに、硫化物系無機固体電解質(A)と酸化防止剤(B)とバインダー(D)とを含む。
正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する硫化物系無機固体電解質(A)、酸化防止剤(B)、バインダー(D)は、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明の全固体二次電池、特に、本発明の固体電解質組成物を用いて作製される本発明の全固体二次電池は、電池電圧の経時後の優れた低下抑制効果を示す。これは、硫化物系無機固体電解質(A)の分解およびバインダーの劣化に伴うイオン伝導度の低下が抑制され、硫化物系無機固体電解質(A)、活物質(E)が分散性よく層中に存在し、層厚の均一性に優れるているためと考えられる。
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケルおよびチタンなどの他に、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウムおよびアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケルおよびチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金またはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金およびステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
上記の各層を配置して全固体二次電池の基本構造を作製することができる。用途によってはこのまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためにはさらに適当な筐体に封入して用いる。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金およびステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
本発明の固体電解質含有シートは、本発明の固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
上記態様により、硫化物系無機固体電解質(A)と酸化防止剤(B)とバインダー(D)とを含有する層を基材上に有する固体電解質含有シートを作製することができる。
その他、塗布等の工程については、下記全固体二次電池の製造に記載の方法を使用することができる。
なお、本発明の固体電解質含有シートは、電池性能に影響を与えない範囲内で、上記層中に分散媒(C)を含有してもよく、好ましい含有量は、1ppm以上10000ppm以下である。
なお、本発明の固体電解質含有シートの上記層中の分散媒(C)の含有割合は、以下の方法で測定することができる。
固体電解質含有シートを20mm角で打ち抜き、ガラス瓶中で重テトラヒドロフランに浸漬させる。得られた溶出物をシリンジフィルターでろ過して1H−NMRにより定量操作を行う。1H−NMRピーク面積と溶媒の量の相関性は検量線を作成して求める。
全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造は、常法によって行うことができる。具体的には、全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートは、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下詳述する。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。さらに、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。必要によりこれを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることができる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。さらに、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
固体電解質組成物の塗布方法は、特に限定されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布およびバーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に限定されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下がさらに好ましい。このような温度範囲で加熱することで、分散媒(C)を除去し、固体状態にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性を得ることができる。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては、特に限定されず、一般的には30〜300℃の範囲である。硫化物系無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。
加圧は塗布溶媒又は分散媒をあらかじめ乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
なお、各組成物は同時に塗布しても良いし、塗布乾燥プレスを同時および/または逐次行っても良い。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積や膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車(電気自動車等)、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
〔1〕正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層の少なくとも1層が導電助剤を含有する全固体二次電池。
〔2〕正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層の少なくとも1層が、分散媒(C)によって、硫化物系無機固体電解質(A)と酸化防止剤(B)とバインダー(D)と、活物質(E)及び/又は導電助剤とが分散されたスラリーを湿式塗布し製膜される全固体二次電池の製造方法。
〔3〕上記固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜してなる電極シート。
〔4〕上記固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜する電極シートの製造方法。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi−P−S系ガラス、LLTおよびLLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがある。上記のイオン輸送材料としての電解質と区別する際には、これを「電解質塩」または「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては、例えばLiTFSIが挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集や偏在が生じていてもよい。
−Li−P−S系ガラスの合成−
硫化物系無機固体電解質として、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.HamGa,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231−235およびA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872−873の非特許文献を参考にして、Li−P−S系ガラスを合成した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、上記硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を密閉した。フリッチュ社製の遊星ボールミルP−7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行い、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li−P−S系ガラス)6.20gを得た。イオン伝導度は0.28mS/cm、平均粒子径は20.3μmであった。
なお、硫化物系無機固体電解質のイオン伝導度は以下の方法で測定した。
上記で合成した硫化物系無機固体電解質を100mg計測し、直径12mmの円形に成形可能な加圧成型機に投入し、360MPaの加圧を行うことで、直径12mmの硫化物系無機固体電解質成形体を得た。この成形体をステンレス鋼の電極板で挟み、電気化学測定用セルを作製した。
得られた電気化学測定用セルを交流インピーダンス法で測定することにより、電極層材のイオン伝導抵抗(R(ion))を得た。
下記式から、硫化物系無機固体電解質イオン伝導度を求めた。
硫化物系無機固体電解質のイオン伝導度=硫化物系無機固体電解質成形体の厚み(cm)/(R(ion)×硫化物系無機固体電解質成形体面積(半径×半径×π)(cm2))
<試験>
下記で調製した固体電解質組成物の経時前と経時後のイオン伝導度を測定し、経時前のイオン伝導度に対して経時後のイオン伝導度がどの程度低下したかを評価した。以下、試験方法を記載する。また、評価を下記表1の「イオン伝導度の低下抑制効果」の列に記載する。
調製した固体電解質組成物のスラリーに対して、露点−70℃のアルゴン雰囲気下で、100℃に加熱したホットプレート上で2時間常圧(760mmHg)乾燥を行った。得られた乾燥粉末について、インピーダンス法によりイオン伝導度を測定した。これを経時前のイオン伝導度(Ia)とする。
2週間撹拌した後のスラリーを、上記と同様の方法で乾燥させることにより得た乾燥粉末のイオン伝導度を、インピーダンス法により測定した。これを経時後のイオン伝導度(Ib)とする。
撹拌速度:300rpm
空気との接触面積:960mm2
上記で得られたコイン型冶具を用いて、30℃の恒温槽中、交流インピーダンス法により、加圧下(49MPa)でのイオン伝導度を求めた。このとき、コイン型冶具の加圧には図2に示した試験体を用いた。11が上部支持板、12が下部支持板、13がコイン型冶具、Sがネジである。
以下に評価基準を示す。C以上が合格レベルである。
A:0.9<(Ib/Ia)
B:0.7<(Ib/Ia)≦0.9
C:0.5<(Ib/Ia)≦0.7
D:0.3<(Ib/Ia)≦0.5
E:0.1<(Ib/Ia)≦0.3
F:(Ib/Ia)≦0.1
−固体電解質組成物S−1の調製−
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、上記で合成したLi−P−S系ガラス0.8質量部、酸化防止剤(B−1)0.008質量部、バインダー(D−1)の10%THF溶液0.4質量部(バインダー固形分として0.04質量部)、分散媒体としてヘプタン3.6質量部を投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間攪拌を続けて固体電解質組成物S−1を調製した。
下記表1に示す組成に変更したこと以外は、固体電解質組成物S−1と同様にして、固体電解質組成物S−2〜S−9およびT−1〜T−5を調製した。
ここで、固体電解質組成物S−1〜S−9が本発明の固体電解質組成物であり、固体電解質組成物T−1〜T−5が比較の固体電解質組成物である。
以下、上記表1に記載の各成分の詳細を記載する。
なお、バインダー(D)の質量部は、固形分の質量部を意味する。
PSt:ポリスチレン(Mw:100,000(Aldrich社製))
Li/P/S:上記で合成したLi−P−S系ガラス
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、固体電解質組成物S−1 4.4gを加えた。これに正極活物質LCOを3.2g加え、その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで10分間攪拌を続け正極用組成物P−1を調製した。
正極用組成物の組成は、固体電解質組成物S−1の組成に正極活物質を合わせたものであるので、下記表2では固体電解質組成物S−1と正極活物質により正極用組成物P−1の組成を示している。
下記表2に示す組成に変更したこと以外は、正極用組成物P−1と同様にして、正極用組成物P−2〜P−10およびHP−1〜HP−4を調製した。
ここで、正極用組成物P−1〜P−10が本発明の固体電解質組成物であり、正極用組成物HP−1〜HP−4が比較の固体電解質組成物である。
LCO:LiCoO2
LMO:LiMn2O4
NCA:LiNi0.85Co0.10Al0.05O2
NMC:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、固体電解質組成物(S−1)4.4gを加えた。これに負極活物質としてLTO(Li4Ti5O12)を3.2g加え、その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで10分間攪拌を続け負極用組成物N−1を調製した。
下記表3に示す組成に変更したこと以外は、負極用組成物N−1と同様にして、負極用組成物N−2〜N−10および負極用組成物HN−1〜HN−4を調製した。
ここで、負極用組成物N−1〜N−10が本発明の固体電解質組成物であり、負極用組成物HN−1〜HN−4が比較の固体電解質組成物である。
LTO:Li4Ti5O12
表3に示す負極用組成物を集電体であるステンレス鋼(SUS)箔(厚さ20μm)上に塗布し、80℃で20分間乾燥することにより負極層を形成した。さらにこの負極層上に表1に示す固体電解質組成物を塗布し、80℃で1時間乾燥することにより固体電解質層を形成した。
一方、表2に示す正極用組成物を集電体であるアルミニウム箔(厚さ30μm)上に塗布し、80℃で1時間乾燥することにより正極層を形成した。
この2枚(負極シートと正極シート)を張り合わせることにより、負極層、固体電解質層、正極層をこの順に含む全固体二次電池シートを得た。
各層の構成の組み合わせを下記表4に示す。
上記で製造した全固体二次電池シート17を直径14.5mmの円板状に切り出し、図3に示すように、スペーサーとワッシャー(いずれも図3に示されていない。)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース16に入れて、アルゴンガスを封入しトルクレンチで8ニュートン(N)の力で締め付け、図1に示す層構成を有する全固体二次電池18を製造した。
上記で作製した実施例及び比較例の全固体二次電池に対して以下の評価を行った。評価結果を下記表4に示す。
上記で作製した全固体二次電池の電池電圧を、東洋システム社製の充放電評価装置「TOSCAT−3000(商品名)」により測定した。
充電は、電流密度2A/m2で電池電圧が4.2Vに達するまで行い、4.2Vに到達後は、電流密度が0.2A/m2未満となるまで、4.2Vでの定電圧充電を実施した。放電は、電流密度2A/m2で電池電圧が3.0Vに達するまで行った。これを1サイクルとして3サイクル繰り返して行い、3サイクル目の5mAh/g放電後の電池電圧を読み取った。
以下の評価基準で評価した。なお、ランクA〜Cが合格レベルである。
A:フレッシュ品に対する2週間保存後の全固体二次電池の電圧の低下率が10%以下
B:フレッシュ品に対する2週間保存後の全固体二次電池の電圧の低下率が10%を超え30%以下
C:フレッシュ品に対する2週間保存後の全固体二次電池の電圧の低下率が30%を超え50%以下
D:フレッシュ品に対する2週間保存後の全固体二次電池の電圧の低下率が50%を超え90%以下
E:電池駆動せず。
2週間保存品:上記作製した負極シートと正極シートを、張り合わせる前に、それぞれ露点−70℃の乾燥空気下で30日間保管した。保管後、負極シートと正極シートを張り合わせて得た全固体二次電池シートを用いて作製した全固体二次電池
これに対して、本発明の全固体二次電池は、全て電池評価が合格レベルであった。
電池No.101〜125と電池No.c104の結果から、酸化防止剤を用いても、本発明に規定のバインダーを用いない全固体二次電池は、電池評価が合格レベルに達しないことがわかる。この理由は以下のように考えられる。電池No.c104では、酸化防止剤により、硫化物系無機固体電解質の経時による酸化劣化が抑制されるが、バインダーに対しては、このような効果は生じない。これに対して、本発明に規定のバインダーを用いると固体粒子間の結着性がより向上し、さらに、硫化物系無機固体電解質の経時による酸化劣化が抑制されることと合わせて、バインダーの酸化劣化も抑制されることにより、全固体二次電池の性能が、所定期間保管後も優れる。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 上部支持板
12 下部支持板
13 コイン型治具
14 コインケース
15 乾燥粉末
S ネジ
16 2032型コインケース
17 全固体二次電池シート
18 全固体二次電池
Claims (11)
- 周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、分散媒(C)と、バインダー(D)とを含有する固体電解質組成物であって、前記バインダー(D)がポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドおよび/またはポリエステルを含む、固体電解質組成物。
- 前記酸化防止剤(B)が、フェノール系酸化防止剤、アミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤もしくは硫黄系酸化防止剤、またはこれらの酸化防止剤の2種以上を含む、請求項1に記載の固体電解質組成物。
- 前記フェノール系酸化防止剤が下記一般式(1)で表され、前記アミン系酸化防止剤が下記一般式(2)で表される、請求項2に記載の固体電解質組成物。
一般式(2)中、R21は水素原子、アルキル基、アリール基またはヘテロアリール基を示す。R22〜R29は各々独立に、水素原子またはアルキル基を示す。L2は(m2+n2)価の基を示す。m2は0以上の整数を示し、n2は1以上の整数を示す。Xは水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基または酸素ラジカルを示す。 - 前記酸化防止剤(B)の濃度が、全固形分中1ppm〜100,000ppmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記分散媒(C)が、炭化水素溶媒、ケトン化合物溶媒、エーテル化合物溶媒、エステル化合物溶媒もしくはアルコール化合物溶媒、またはこれらの溶媒の2種以上を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 活物質(E)を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー(D)が、平均粒子径10nm〜50μmのポリマー粒子である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する硫化物系無機固体電解質(A)と、酸化防止剤(B)と、バインダー(D)とを含む固体電解質含有シートであって、
前記バインダー(D)が、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミドおよび/またはポリエステルを含む、固体電解質含有シート。 - 正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも1層が、請求項8に記載の固体電解質含有シートである、全固体二次電池。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を基材上に塗布し、塗膜を形成する工程を含む、固体電解質含有シートの製造方法。
- 請求項10に記載の製造方法を介して全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
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