JP2018120760A - 正極の製造方法、及び、酸化物固体電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子を酸処理する工程、酸処理した前記粒子と前記リチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩とを混合して混合物を得る工程、及び、前記混合物を加熱して焼結させる工程を備える、正極の製造方法
を開示する。
「酸処理」とは、上記の粒子と酸とを接触させて、粒子の表面を変質させる処理をいう。酸としては水素イオンを含むものであればよく、有機酸、無機酸を問わない。
「リチウム塩」とは、リチウムイオンと陰イオンとの塩をいい、上記のリチウム含有複合酸化物よりも融点が低いものであればよい。
「酸処理した前記粒子とリチウム塩とを混合」とは、固体同士の乾式混合であってもよいし、溶媒を用いた湿式混合であってもよい。
「混合物」は、酸処理した上記粒子とリチウム塩とを少なくとも含むものであればよく、必要に応じて導電材等の任意成分が含まれていてもよい。
層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子を酸処理する工程、酸処理した前記粒子と前記リチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩とを混合して混合物を得る工程、前記混合物からなる層と酸化物固体電解質層とを積層して積層体を得る工程、及び、前記積層体を前記リチウム塩の融点以上、且つ、前記混合物と前記酸化物固体電解質との反応温度未満で加熱して、前記酸化物固体電解質層の表面で前記混合物を焼結させる工程を備える、酸化物固体電池の製造方法
を開示する。
「酸化物固体電池」とは、正極と負極とこれらの間に配置された酸化物固体電解質層とを備えた電池をいう。
図1、2に正極の製造方法S10の流れを示す。製造方法S10は、層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子1を酸処理する工程S1、酸処理した粒子1’と上記のリチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩2とを混合して混合物3を得る工程S2、及び、混合物3を加熱して焼結させる工程S3を備える。
図2(A)に示すように、工程S1においては、層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子1を酸処理する。
図2(B)に示すように、工程S2においては、工程S1にて酸処理した粒子1’とリチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩2とを混合して混合物3を得る。
図2(C)に示すように、工程S3においては、工程S2にて得られた混合物3を加熱して焼結させる。これにより、正極10を製造できる。
図3、4に酸化物固体電池の製造方法S100を示す。製造方法S100は、層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子1を酸処理する工程S11、酸処理した粒子1’と上記のリチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩2とを混合して混合物を得る工程S12、混合物3からなる層と酸化物固体電解質層4とを積層して積層体5を得る工程S13、及び、積層体5をリチウム塩2の融点以上、且つ、混合物3と酸化物固体電解質との反応温度未満で加熱して、酸化物固体電解質層4の表面で混合物3を焼結させる工程S14を備える。
図4(A)、(B)に示すように、工程S11及び工程S12は、上述した工程S1及び工程S2と同様の工程である。ここでは説明を省略する。
図4(C)に示すように、工程S13においては、混合物3からなる層と酸化物固体電解質層4とを積層して積層体5を得る。
図4(D)に示すように、工程S14においては、積層体5を、リチウム塩2の融点以上、且つ、混合物3と酸化物固体電解質との反応温度未満で加熱して、酸化物固体電解質層4の表面で混合物3を焼結させる。これにより、正極10と酸化物固体電解質層20との接合体50が得られる。当該接合体50に負極30を設ける(後述するように工程S14において、混合物3からなる層及び酸化物固体電解質層4の焼結と同時に負極材料を接合させる場合も含む)ことで、酸化物固体電池100を製造することができる。
酸化物固体電池100に備えられる負極30は、負極活物質を含むものであればよい。負極活物質としては、例えば、ケイ素やリチウムを採用可能である。電池を高容量化できることから、ケイ素が好ましい。
酸化物固体電池100には、適宜、集電体や端子等が設けられる。これらの設置方法自体は公知であり、ここでは説明を省略する。
以下の実施例では、層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物としてコバルト酸リチウム(Li2CoO2)を用い、リチウム塩として硝酸リチウム(LiNO3)を用いた例について示すが、本開示の製造方法はこの形態に限定されるものではない。これら以外の材料を用いた場合でも、同様の効果が奏されることは自明である。
ビーカーに、pH1に調整された塩酸(HCl)500mlを入れ、ここにコバルト酸リチウムの粒子3gを投入した。その後、スターラーを用いて回転数500rpmで、温度25℃にて16時間攪拌した。攪拌終了後、液を濾紙で濾過し、酸処理したコバルト酸リチウム粒子を得た。
シャーレにおいて、硝酸リチウムを純水に溶解させた。この溶液に上記の酸処理したコバルト酸リチウム粒子を投入し、超音波分散した。その後、ホットプレートで加熱し水分を蒸発させることで、酸処理したコバルト酸リチウム粒子と硝酸リチウムとの混合物を得た。
φ11.28mm(1cm2)のアルミナ(Al2O3)製ペレット成形治具に、上記の混合物を500mg投入し(ここで、混合物を、カーボン(C)シート/金(Au)シート/混合物/金(Au)シート/カーボン(C)シートの順で挟み込むものとした)、ステンレス鋼(SUS304)製のダイスで圧力100MPa、アルゴン雰囲気、温度400℃、8時間の条件で加圧しながら加熱し、混合物を焼結させて評価用の正極を得た。
コバルト酸リチウム粒子を酸処理せずにそのまま用いたこと以外は実施例と同様にして正極を得た。
硝酸リチウムと混合することなく、コバルト酸リチウム粒子を単独で加圧しながら加熱したこと以外は、比較例と同様にして正極を得た。得られた正極は、焼結が全く進行しておらず、電子伝導性の評価は不可能であった。正極を低温で焼結させるためには、層状岩塩型のリチウム含有複合酸化物粒子とこれよりも融点の低いリチウム塩とを混合することが有効であることが分かった。
実施例及び比較例に係る正極に対し、10、20、25、40、60℃の温度環境下で、0.02、0.01、−0.01、−0.02Vの電圧を印加し、そのときの電流を測定し、抵抗を算出し、電子伝導性を評価した。結果を図6に示す。
以下の実施例では、層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物としてコバルト酸リチウムを用い、リチウム塩として硝酸リチウムを用い、酸化物固体電解質としてガーネット型のランタンジルコン酸リチウム(Li7La3Zr2O12)を用い、負極としてリチウム金属を用いた例について示すが、本開示の製造方法はこの形態に限定されるものではない。これら以外の材料を用いた場合でも、同様の効果が奏されることは自明である。
上記(1−1)及び(1−2)と同様にして混合物を得た。
φ11.28mm(1cm2)のアルミナ(Al2O3)製ペレット成形治具にランタンジルコン酸リチウムの粒子を450mg投入し、ステンレス鋼(SUS304)製のダイスで圧力100MPaで成形して酸化物固体電解質層を得た。治具内の酸化物固体電解質層の表面に上記の混合物を18.9mg積層し、ステンレス鋼(SUS304)製のダイスで圧力100MPa、アルゴン雰囲気、温度400℃、8時間の条件で加圧しながら加熱し、正極と酸化物固体電解質層との接合体を得た。ここで、層構成は、カーボン(C)シート/金(Au)シート/酸化物固体電解質層/正極層/金(Au)シート/カーボン(C)シートの順とした。
得られた接合体の酸化物固体電解質層側のカーボンシート及び金シートを研磨により除去し、露出した酸化物固体電解質層の表面にリチウムを蒸着させて負極として接合させて、評価用の酸化物固体電池を得た。
コバルト酸リチウム粒子を酸処理せずにそのまま用いたこと以外は実施例と同様にして酸化物固体電池を得た。
実施例及び比較例に係る電池に対し、60℃の温度環境下で0.02mAで4.05Vまで充電した後、0.02mAで3Vまで放電させた。実施例に係る電池の充放電曲線を図7(A)に、比較例に係る電池の充放電曲線を図7(B)に示す。
ギ酸リチウム一水和物(HCOOLi・H2O)と酢酸リチウム二水和物(CH3COOLi・2H2O)とを所定のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合して混合物を得た。
2 リチウム塩
3 混合物
4 酸化物固体電解質層
5 積層体
6 負極材料
10 正極
20 酸化物固体電解質層
30 負極
100 酸化物固体電池
Claims (6)
- 層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子を酸処理する工程、
酸処理した前記粒子と前記リチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩とを混合して混合物を得る工程、及び
前記混合物を加熱して焼結させる工程
を備える、正極の製造方法。 - 前記リチウム塩が、硝酸リチウム、ギ酸リチウム及び酢酸リチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である、
請求項1に記載の製造方法。 - 前記リチウム塩が、ギ酸リチウムと酢酸リチウムとの混合物である、
請求項1に記載の製造方法。 - 前記混合物を焼結させる工程において、前記混合物を加圧しながら加熱するか、又は、前記混合物を加圧した後に加熱する、
請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。 - 層状岩塩型構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子を酸処理する工程、
酸処理した前記粒子と前記リチウム含有複合酸化物よりも融点が低いリチウム塩とを混合して混合物を得る工程、
前記混合物からなる層と酸化物固体電解質層とを積層して積層体を得る工程、及び、
前記積層体を前記リチウム塩の融点以上、且つ、前記混合物と前記酸化物固体電解質との反応温度未満で加熱して、前記酸化物固体電解質層の表面で前記混合物を焼結させる工程
を備える、酸化物固体電池の製造方法。 - 前記酸化物固体電解質が、ガーネット型のランタンジルコン酸リチウムを含み、
前記積層体を加熱する温度が、前記リチウム塩の融点以上、且つ、600℃未満である、
請求項5に記載の製造方法。
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