JP2018160445A - 複合電解質、二次電池、電池パック及び車両 - Google Patents
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Abstract
Description
第1の実施形態によると、複合電解質が提供される。この複合電解質は、無機固体粒子混合物と、Liを含む非水電解質とを含む。無機固体粒子混合物は、25℃における第1のLiイオン伝導率を有する第1の無機固体粒子と、25℃における第2のLiイオン伝導率を有する第2の無機固体粒子とを含む。25℃における第2のLiイオン伝導率は、25℃における第1のLiイオン伝導率よりも低い。非水電解質の重量の複合電解質の重量に対する比は、0.1%以上25%以下である。無機固体粒子混合物は、10≦d90/d10≦500を満たす。ここで、d10は、無機固体粒子混合物のレーザー回折散乱法により得られる累積粒度曲線において、小粒子径側からの累積頻度が10%となる粒子径[μm]である。d90は、無機固体粒子混合物の累積粒度曲線において、小粒子径側からの累積頻度が90%となる粒子径[μm]である。
Liイオン伝導性の第1の無機固体粒子の第1のLiイオン伝導率は、例えば、25℃において1×10-10S/cm以上である。このような第1の無機固体粒子としては、Liイオン伝導性が高く、耐還元性の高さや、電気化学窓が広い利点があることから、ガーネット型構造の無機固体粒子を用いることが好ましい。ガーネット型構造の無機固体粒子としては、例えば、一般式La5+xAxLa3-xM2O12(Aは、Ca、Sr及びBaからなる群より選択される1種若しくは2種、又はCa、Sr及びBaの組み合わせであり、MはNb及び/又はTaである)、一般式Li3M2-xL2O12(MはTa及び/又はNbであり、LはZrである)、一般式Li7-3xAlxLa3Zr3O12、又は式Li7La3Zr2O12で表される組成を有する化合物の粒子が挙げられる。上記一般式において、xは0以上0.5以下であることが好ましい。中でもLi6.25Al0.25La3Zr3O12やLi7La3Zr2O12はイオン伝導性が高く、電気化学的に安定なために優れた放電性能と優れたサイクル寿命性能を実現でき、さらには、微粒子化しても有機溶媒に対して化学的に安定であるという利点がある。
非水電解質は、Liイオンを含む。
非水電解質は、例えば先に説明したように、液状非水電解質、固体状ポリマー電解質及び/又はゲル状ポリマー電解質を含み得る。固体状ポリマー電解質及び/又はゲル状ポリマー電解質を含む非水電解質は、有機ポリマー含有電解質と呼ぶこともできる。
第1の実施形態に係る複合電解質は、無機固体粒子混合物と、Liを含む非水電解質とを混合する。この際、非水電解質の重量が、複合電解質の重量に対して0.1%以上25%以下になるようにする。
[第1の前処理]
二次電池に含まれている複合電解質を測定対象とする場合、以下の手順で複合電解質を二次電池から取り出す。
以上のようにして得られた第2の混合物をレーザー回折散乱法による粒度分布測定に供することにより、無機固体粒子混合物の累積頻度曲線を得ることができる。
以上のようにして得られた第2の混合物を、純水に分散して、遠心分離に供する。遠心分離されたそれぞれの部分を、フリーズドライ装置を用いて回収する。かくして、第2の混合物から、組成及び粒子径が異なる粒子を分離することができる。分離した粒子のそれぞれを、粉末X線回折測定、粒度分布測定、BET法に依る比表面積測定、イオン伝導率測定に供することにより、複合電解質に含まれていた粒子の各種特性を調べることができる。もちろん、各粒子をこれら方法以外の分析に供することもできる。
複合電解質から以上のようにして分離した各粒子をCu−Kα線源を用いた粉末X線回折法に供することにより、各粒子の結晶構造を調べることができる。
各粒子の粒度分布は、レーザー回折散乱法による粒度分布測定により測定する。この測定により得られた粒度分布から、各粒子の平均粒子径を求めることもできる。
BET比表面積の測定にあたっては、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET法であり、単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論である。これにより求められた比表面積のことを、BET比表面積と称する。
第1の無機固体粒子及び第2の無機固体粒子のイオン伝導率は、以下の手順で測定することができる。
[複合電解質についてのイオン伝導率及びモジュラススペクトルの測定方法]
複合電解質についての交流インピーダンス測定を行うことでイオン伝導率を算出できるほか、複素モジュラススペクトルを用いた解析方法を実施することにより、複合電解質中におけるLiイオン濃度の分布を規定することができる。
複合電解質中のLiイオン濃度分布は、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Back-scattering Spectrometry:RBS)/核反応分析法(Nuclear Reaction Analysis :NRA)を併用したin-situ測定にて確認することができる。
第2の実施形態によると、二次電池が提供される。この二次電池は、正極活物質含有層と、負極活物質含有層と、Li伝導層とを具備する。Li伝導層は、正極活物質含有層と負極活物質含有層との間に位置する。Li伝導層は、第1の実施形態に係る複合電解質を含む。
負極活物質含有層は、例えば、負極活物質と、導電剤と、バインダとを含むことができる。
正極活物質含有層は、例えば、正極活物質と、導電剤と、バインダとを含むことができる。
負極で用いることができる集電体としては、Al(アルミニウム)を含有する箔を用いることが好ましい。このようなAl含有箔としては、Al箔又はAl合金箔が望ましい。特に、純Al(純度100%)のアルミニウム箔、又はAl純度が98%以上100%未満のAl合金箔を用いることが好ましい。Al箔の純度が99.99%以上であることがより好ましい。Al箔及びAl合金箔の厚さは、例えば20μm以下であり、より好ましくは15μm以下である。Al合金としては、Alの他に、Fe、Mg、Zn、Mn及びSiからなる群より選択される1種類以上の元素を含む合金が好ましい。例えば、Al−Fe合金、Al−Mn系合金及びAl−Mg系合金は、Alよりさらに高い強度を得ることが可能である。一方、AlおよびAl合金中のCu、Ni、Crなどの遷移金属の含有量は100ppm以下(0ppmを含む)にすることが好ましい。例えば、Al−Cu系合金では、強度は高まるが、耐食性は悪化するので、集電体としては不適である。
Li伝導層は、第1の実施形態に係る複合電解質を含む。Li伝導層と正極活物質含有層との界面は、正極活物質含有層の表面の凹凸を反映し得る。同様に、Li伝導層と負極活物質含有層との界面は、負極活物質含有層の表面の凹凸を反映し得る。例えば、活物質含有層の表面は、その構成素材による凹凸を有し得る。また、活物質含有層の表面は、活物質含有層の表面に活物質が位置していることにより、活物質粒子による凹凸も有し得る。
外装部材としては、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器を使用することができる。
負極端子は、リチウムの酸化還元電位に対する電位が1.0V以上3.0V(vs.Li/Li+)以下において電気的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成される。具体的には、負極端子の材料としては、銅、ニッケル、ステンレス若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
正極端子は、リチウムの酸化還元電位に対する電位が3.0V以上4.5V以下(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成される。正極端子の材料としては、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
電池におけるLi伝導層の最小厚さは、以下のように測定する。まず、測定対象の電池から先に説明したようにして電極複合体を取り出す。次いで、取り出した電極複合体を、先に説明したようにして、FIBを用いて切断する。かくして、正極活物質含有層/Li伝導層/負極活物質含有層の積層断面を得ることができる。かくして得られた切断面に含まれる全ての層をSEMで測定する。このときの観測倍率は、20000倍が好ましい。積層断面に含まれる全ての層を観察し、Li伝導層が最も薄い部分の厚みを前記電解質層の厚さが最も小さい部位の厚さとして規定する。
図4は、第2の実施形態に係る二次電池が具備することができる第1の例の電極複合体の概略断面図である。
図5は、第2の実施形態に係る二次電池が具備することができる第2の例の電極複合体の概略断面図である。
第3の実施形態によると、組電池が提供される。第3の実施形態に係る組電池は、第2の実施形態に係る二次電池を複数個具備している。
第4の実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第3の実施形態に係る組電池を具備している。この電池パックは、第3の実施形態に係る組電池の代わりに、単一の第2の実施形態に係る二次電池を具備していてもよい。
第5の実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第4の実施形態に係る電池パックを搭載している。
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。なお、以下実施例において、Li伝導層の厚み測定を行う際には、Li伝導層をFIBで切断し、複合電解質の断面をSEMにより観察した。観察の倍率は、20,000倍とした。
実施例1では、以下の手順で実施例1の電極組を作製した。
正極活物質として、LiMn0.85Fe0.1Mg0.05PO4の組成式を有するオリビン型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物の粒子を準備した。準備した粒子は、平均粒子径が5nmである炭素微粒子が表面に付着していた。付着量は、0.1重量%であった。準備した粒子は、一次粒子であり、平均一次粒子径が50nmであった。
負極活物質として、Li4Ti5O12の組成式を有するチタン酸リチウムの粒子を準備した。チタン酸リチウムの粒子の一次平均粒子径は、0.6μmであった。チタン酸リチウムの粒子のBET比表面積は、10m2/gであった。また、導電剤として、平均粒子径が6μmである黒鉛粉末を準備した。また、バインダとして、PVdFを準備した。
第1の無機固体粒子として、ガーネット型の結晶構造を有し、Li7La3Zr2O12(LLZ)の組成式を有する粒子を準備した。この粒子は、累積頻度分布におけるd50(平均一次粒子径)が0.35μmであり、d10が0.12μmであり、d90が1.61μmであった。この粒子は、以下の方法で調製した。まず、LLZの粒子を準備した。次いで、これらを3つの群に均等に分けた。第1の群の粒子は、10mmφのジルコニアボールを用いて140rpmで1時間での粉砕に供した。第2の群の粒子は、1mmφのジルコニアボールを用いて180rpmで3時間の条件での粉砕に供した。第3の群の粒子は、イソプロピルアルコールに分散し、0.3mmφのジルコニアビーズを用いて周速10m/sの条件で湿式ビーズミル粉砕に供した。粉砕したこれらの群の粒子を混合し、第1の無機固体粒子とした。第1の無機固体粒子の平均粒子径、BET比表面積及び25℃での第1のLiイオン伝導率を以下の表1に示す。
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを、体積比1:2で混合して、混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウムLiPF6を、1.2Mの濃度で溶解した。かくして液状非水電解質を得た。
PVdFと、先に準備した無機固体粒子混合物とを、N−メチルピロリドン(NMP)に投入し、スラリーを調製した。PVdFは、無機固体粒子混合物に対して、5重量%の量で投入した。
実施例2〜7では、複合電解質中の非水電解質の量を変更したこと以外は実施例1と同様の手順で、実施例2〜7の電極組を作製した。具体的には、非水電解質の量を、2.0重量%(実施例2)、4.0重量%(実施例3)、10.0重量%(実施例4)、16.0重量%(実施例5)、20.0重量%(実施例6)、及び25.0重量%(実施例7)となるように変更した。
実施例8〜13では、以下の点以外は実施例3と同様の手順で、実施例8〜13の電極組をそれぞれ作製した。
実施例14〜20では、第1の無機固体粒子と第2の無機固体粒子とを変更したこと以外は実施例3と同様の手順で、実施例14〜20の電極組を作製した。
実施例21〜27では、以下の点以外は実施例3と同様の手順により、実施例21〜27の電極組を作製した。
実施例28〜31では、第1の無機固体粒子及び第2の無機固体粒子の粒度分布を実施例1のそれと異ならせたこと以外は実施例3と同様の手順により、実施例28〜31の電極組を作製した。
実施例28では、第1の無機固体粒子の粉砕条件のうち10mmφのジルコニアボールを用いたボールミル粉砕のみを実施し、第2の無機粒子の粉砕条件のうち、湿式ビーズミル粉砕の条件を周速15m/sとし、8時間粉砕した。
実施例32〜34では、以下の点以外は実施例3と同様の手順により、実施例32〜34の電極組を作製した。
実施例35〜41では、以下の点以外は実施例3と同様の手順により、実施例35〜41の電極組を作製した。
実施例42では、以下の手順でバイポーラ構造を有する電極を含む電極組を作製した。
比較例1では、以下の点以外は実施例1と同様の手順により、比較例1の電極組を作製した。
比較例2では、厚さが20μmであるポリエチレン(PE)セパレータを用いた以外は比較例1と同様の手順により、比較例2の電極組を作製した。
比較例3では、以下の点以外は実施例1と同様の手順により、比較例3の電極組を作製した。
比較例4では、以下の点以外は実施例1と同様の手順により、比較例4の電極組を作製した。
比較例5では、LLZの粒子を用いなかったこと以外は実施例8と同様にして、比較例5の電極組を作製した。
比較例6では、アルミナの粒子を用いなかったこと以外は実施例8と同様にして、比較例6の電極組を作製した。
比較例7〜9では、無機固体粒子混合物の比d90/d10を実施例1のそれと異ならせたこと以外は実施例1と同様の手順により、比較例7〜9の電極組を作製した。
比較例7では、第1の無機固体粒子及び第2の無機固体粒子の粒度分布において、d90/d10が8前後となるように適宜粉砕条件の調整を実施した。
比較例10及び11では、以下の点以外は実施例3と同様の手順により、比較例10及び11の電極組を作製した。
各実施例及び比較例の電極組を、ラミネートフィルム製外装材に収納し、外装材の外周部を熱封止した。かくして、各実施例及び比較例の二次電池を作製した。
以下の手順で、各実施例及び比較例の二次電池を評価した。
実施例43では、以下の点以外は実施例3と同様の手順で、実施例43の電極組を作製した。
実施例44では、以下の点以外は実施例3と同様の手順で、実施例44の電極組を作製した。
実施例43及び44の電極組を、ラミネートフィルム製外装材に収納し、外装材の外周部を熱封止した。かくして、実施例43及び44の二次電池を作製した。
先に説明したのと同様の手順で、実施例43及び44の二次電池を評価した。その結果を以下の表12に示す。
Claims (17)
- 25℃における第1のLiイオン伝導率を有する第1の無機固体粒子及び25℃における第2のLiイオン伝導率を有する第2の無機固体粒子を含み、25℃における前記第2のLiイオン伝導率が25℃における前記第1のLiイオン伝導率よりも低い無機固体粒子混合物と、
Liを含む非水電解質と
を含む複合電解質であって、
前記非水電解質の重量の前記複合電解質の重量に対する比が、0.1%以上25%以下であり、
前記無機固体粒子混合物は、10≦d90/d10≦500を満たし、ここで、d10は、前記無機固体粒子混合物のレーザー回折散乱法により得られる累積粒度曲線において、小粒子径側からの累積頻度が10%となる粒子径[μm]であり、d90は、前記累積粒度曲線において、小粒子径側からの累積頻度が90%となる粒子径[μm]である複合電解質。 - 25℃における前記第1のLiイオン伝導率が1×10-10S/cm以上であり、25℃における前記第2のLiイオン伝導率が1×10-10S/cm未満であり、
前記第1の無機固体粒子の重量の前記第2の無機固体粒子の重量に対する比が、1%以上99%未満である請求項1に記載の複合電解質。 - 前記無機固体粒子混合物は、10≦σH/σLを満たし、ここでσHは、25℃における前記第1のLiイオン伝導率であり、σLは、25℃における前記第2のLiイオン伝導率である請求項1又は2に記載の複合電解質。
- 前記第1の無機固体粒子の平均粒子径が前記第2の無機固体粒子の平均粒子径と等しいか、又は
前記無機固体粒子混合物は、1<RH/RL≦100を満たし、ここで、RHは、前記第1の無機固体粒子及び前記第2の無機固体粒子のうち平均粒子径が大きい方の粒子の平均粒子径[μm]であり、RLは、前記第1の無機固体粒子及び前記第2の無機固体粒子のうち平均粒子径が小さい方の粒子の平均粒子径[μm]である請求項1〜3の何れか1項に記載の複合電解質。 - 前記第1の無機固体粒子のBET比表面積[m2/g]が前記第2の無機固体粒子のBET比表面積[m2/g]と等しいか、又は
前記無機固体粒子混合物は、1<SH/SL≦50を満たし、ここで、SHは、前記第1の無機固体粒子及び前記第2の無機固体粒子のうちBET比表面積が大きい方の粒子のBET比表面積[m2/g]であり、SLは、前記第1の無機固体粒子及び前記第2の無機固体粒子のうちBET比表面積が小さい方の粒子のBET比表面積[m2/g]である請求項1〜3の何れか1項に記載の複合電解質。 - 前記複合電解質は、不等式:ω1>ω2を満たし、
ω1は、前記複合電解質の複素モジュラススペクトルにおけるピーク周波数であり、
ω2は、前記非水電解質の複素モジュラススペクトルにおけるピーク周波数である請求項1〜5の何れか1項に記載の複合電解質。 - 前記複合電解質は、不等式:C2≧C1>C3を満たし、
C1は、前記第1の無機固体粒子と前記非水電解質との界面におけるLiイオン濃度[mol/L]であり、
C2は、前記第2の無機固体粒子と前記非水電解質との界面におけるLiイオン濃度[mol/L]であり、
C3は、前記非水電解質中のLiイオン濃度[mol/L]である請求項1〜6の何れか1項に記載の複合電解質。 - 前記非水電解質は、固体状ポリマー電解質及び/又はゲル状ポリマー電解質を含む請求項1〜7の何れか1項に記載の複合電解質。
- 正極活物質含有層と、
負極活物質含有層と、
前記正極活物質含有層と前記負極活物質含有層との間に位置し、請求項1〜8の何れか1項に記載の複合電解質を含むLi伝導層と
を具備した二次電池。 - 前記Li伝導層は、8μm未満の最小厚さを有する請求項9に記載の二次電池。
- 前記負極活物質含有層は、Ti含有負極活物質を含む請求項9又は10に記載の二次電池。
- 前記二次電池は、第1の電極複合体及び前記第1の電極複合体の隣に位置する第2の電極複合体を具備し、
前記電極複合体の各々は、
第1の表面と、その裏面としての第2の表面とを含む集電体と、
前記集電体の前記第1の表面上に配置された前記正極活物質含有層と、
前記集電体の前記第2の表面上に配置された前記負極活物質含有層と
を具備し、
前記Li伝導層が、前記第1の電極複合体の前記正極活物質含有層と、前記第2の電極複合体の前記負極活物質含有層との間に位置している請求項9〜11の何れか1項に記載の二次電池。 - 請求項9〜12の何れか1項に記載の二次電池を含む電池パック。
- 通電用の外部端子と、
保護回路と
を更に具備する請求項13に記載の電池パック。 - 複数の前記二次電池を具備し、
前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている請求項13又は14に記載の電池パック。 - 請求項13〜15の何れか1項に記載の電池パックを搭載した車両。
- 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、請求項16に記載の車両。
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