JP2019160516A - 全固体電池の製造方法および全固体電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】負極箔からの負極層の滑落を抑制することが可能な、全固体電池の製造方法の提供。【解決手段】負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4がこの順で積層され、正極層の面積に比べて、固体電解質層および負極層の面積が大きい全固体電池10の製造方法であって、負極箔および負極層が積層された積層体、または、上記負極箔、上記負極層および上記固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、上記負極箔と上記負極層との間の密着力が30N/cm2以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する第1のプレス工程と、上記第二積層体を用いて、上記負極箔、上記負極層、上記固体電解質層および上記正極層を有する第三積層体を形成する積層体形成工程と、上記第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する第2のプレス工程と、を有する。【選択図】図1

Description

本開示は、全固体電池の製造方法および全固体電池に関する。
全固体電池は、負極層および正極層の間に固体電解質層を有する電池であり、可燃性の有機溶媒を含む電解液を有する液系電池に比べて、安全装置の簡素化が図りやすいという利点を有する。特許文献1には、第1集電体の表面および裏面のそれぞれに、第1活物質層、固体電解質層および第2活物質層が積層された積層体に対し、ロールプレスする技術が開示されている。
特開2017−130281号公報
全固体電池は、例えば図13(a)に示すように、正極層4の面積に比べて、固体電解質層3および負極層2の面積が大きくなるように設計される場合がある。このように設計された全固体電池10’は、全固体電池を駆動させた際に、活物質が膨張・収縮した場合であっても、負極層2と正極層4とが接触して短絡するといった問題の発生を抑制することができる。ここで、図13(a)に示すように、平面視上、正極層4と重なる領域を中央部Xとし、正極層4と重ならない領域を端部Yとする。
図13(a)、(b)に示すように、正極層4の面積に比べて、固体電解質層3および負極層4の面積が大きい場合、ロールプレスした際に、端部Yにおいて負極箔1から固体電解質層3および負極層2が滑落しやすい。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、負極箔からの固体電解質層および負極層の滑落を抑制することが可能な、全固体電池の製造方法を提供することを主目的とする。
上記課題を達成するために、本開示においては、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、上記正極層の面積に比べて、上記固体電解質層および上記負極層の面積が大きい全固体電池を製造する全固体電池の製造方法であって、上記負極箔および上記負極層が積層された積層体、または、上記負極箔、上記負極層および上記固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、上記負極箔と上記負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する第1のプレス工程と、上記第二積層体を用いて、上記負極箔、上記負極層、上記固体電解質層および上記正極層を有する第三積層体を形成する積層体形成工程と、上記第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する第2のプレス工程と、を有する全固体電池の製造方法を提供する。
本開示によれば、負極箔からの固体電解質層および負極層の滑落を抑制することが可能な、全固体電池の製造方法を提供することができる。
本開示においては、上記第1のプレス工程が、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスする工程であってもよい。
本開示においては、上記第2のプレス工程が、5.0t/cm以下の線圧でロールプレスする工程であってもよい。
また、本開示においては、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、上記正極層の面積に比べて、上記固体電解質層および上記負極層の面積が大きい全固体電池であって、上記負極層の充填率が80%以上であり、上記固体電解質層の充填率が70%以上であり、上記正極層の充填率が75%以上であり、平面視上、上記正極層の外周部の全てにおいて、上記固体電解質層が突出している、全固体電池を提供する。
本開示によれば、負極箔からの固体電解質層および負極層の滑落が抑制された全固体電池を提供することができる。
本開示においては、上記負極箔と上記負極層との間の密着力が30N/cm以上であってもよい。
本開示においては、平面視上、上記正極層の外周部の全てにおいて、上記固体電解質層が100μm以上突出していてもよい。
本開示においては、負極箔からの固体電解質層および負極層の滑落を抑制することが可能な、全固体電池の製造方法を提供することができるという効果を奏する。
本開示の全固体電池の製造方法を説明する説明図である。 本開示の全固体電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。 本開示の全固体電池の製造方法の他の例を示す概略工程図である。 本開示の全固体電池の製造方法の他の例を示す概略工程図である。 本開示の全固体電池の製造方法の他の例を示す概略工程図である。 本開示の全固体電池の一例を示す概略断面図である。 本開示の全固体電池を説明する説明図である。 本開示の全固体電池を説明する説明図である。 実施例における全固体電池の製造方法を示すフローチャートである。 実施例における負極層および固体電解質層の密着力を測定した結果である。 実施例において、負極箔からの負極層および固体電解質層の滑落の有無を観察した画像である。 本開示における「滑落」を説明するための説明図である。 従来の全固体電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。
以下、本開示の全固体電池の製造方法および全固体電池について、詳細に説明する。
A.全固体電池の製造方法
全固体電池の製造方法は、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、上記正極層の面積に比べて、上記固体電解質層および上記負極層の面積が大きい全固体電池を製造する製造方法であって、上記負極箔および上記負極層が積層された積層体、または、上記負極箔、上記負極層および上記固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、上記負極箔と上記負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する第1のプレス工程と、上記第二積層体を用いて、上記負極箔、上記負極層、上記固体電解質層および上記正極層を有する第三積層体を形成する積層体形成工程と、上記第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する第2のプレス工程と、を有する製造方法である。
図1(a)は、本開示の全固体電池の製造方法により得られる全固体電池の一例を示す概略平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A線断面図である。図1に示すように、本開示の全固体電池の製造方法により得られる全固体電池10は、ロールプレスした際に、端部Yにおいて負極箔1からの負極層2の滑落を抑制することができる。なお、負極箔1から負極層2が滑落した場合には、滑落した負極層2に付随して当該負極層2上の固体電解質層3も滑落してしまう。具体的な本開示の全固体電池の製造方法は、以下の通りである。
図2は、本開示の全固体電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。図2に示すように、本開示の全固体電池の製造方法は、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4がこの順で積層され、正極層4の面積に比べて、固体電解質層3の面積が大きい全固体電池10を製造する方法である。また、本開示の全固体電池の製造方法は、図2に示すように、負極箔1および負極層2が積層された積層体である第一積層体11に対し、負極箔1と負極層2との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体12を形成する第1のプレス工程と、第二積層体12を用いて、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4を有する第三積層体13を形成する積層体形成工程と、第三積層体13に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体14を形成する第2のプレス工程と、を有する。なお、図2に示す例は、正極層4を転写方法により形成した例であり、符号5で示す部材は転写箔を示す。そのため、図2に示す例において第2のプレス工程は、正極層を転写するためのロールプレス工程である。また、図2に示す例は、第2のプレス工程の後に、正極層4から転写箔5を除去し、その後、電極層を緻密化するために、第四積層体14に対してロールプレスを行う第3のプレス工程を有する例である。
図3は、本開示の全固体電池の製造方法の他の例を示す概略工程図である。図3に示す全固体電池の製造方法は、図2に示す全固体電池の製造方法と同様に、第1のプレス工程を有する。一方、図3に示す全固体電池の製造方法は、第1のプレス工程後、第二積層体12を用いて、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4を有する第三積層体13を形成する積層体形成工程と、第三積層体13に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体14を形成する第2のプレス工程と、を有する。なお、図2に示す例は、正極層4を例えば塗布法により形成した例である。そのため、図3に示す例において、第2のプレス工程は、電極層を緻密化するために、第三積層体13に対してロールプレスを行う工程である。また、図示はしないが、図3に示す全固体電池の製造方法は、必要に応じて、第2のプレス工程後に第3のプレス工程を有していてもよい。
図4は、本開示の全固体電池の製造方法の他の例を示す概略工程図である。図4に示す全固体電池の製造方法は、負極箔1、負極層2および固体電解質層3が積層された積層体である第一積層体11に対し、負極箔1と負極層2との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体12を形成する第1のプレス工程を有する。なお、図4に示す第二積層体12を用いて第三積層体を形成する積層体形成工程、および第三積層体に対しロールプレスし、第四積層体14を形成する第2のプレス工程等については、図2に示した積層体形成工程および第2のプレス工程と同様であってもよく、図3に示す積層体形成工程および第2のプレス工程と同様であってもよい。そのため、図4では、積層体形成工程以降の工程について省略する。
ところで、特許文献1には、全固体電池の性能を向上させるために、全固体電池に対してロールプレスする技術が開示されている。具体的には、図13(b)に示すように、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4がこの順で積層された全固体電池に対して、ロールプレスを行う技術である。一方、上述したように、全固体電池10’は、正極層4の面積に比べて、固体電解質層3および負極層2の面積が大きくなるように設計される場合がある。そうすると、図13(b)に示すように、ロールプレスを行った場合には、正極層4が積層された符号Xで示される中央部はロールプレスと接触するものの、中央部X以外の端部Yはロールプレスと接触しない。その結果、例えば図12(a)〜図12(c)に示すように、負極箔1から負極層2および固体電解質層3が滑落し、負極箔1が露出してしまうといった問題が生じる。このような問題が生じると、負極層2と正極層4とが接触して短絡してしまうおそれがある。図12(a)は、全固体電池10’の概略平面図であり、図12(b)は、図12(a)の破線で囲った領域Rを拡大した拡大図であり、図12(c)は、図12(a)のA’−A’線断面図である。
全固体電池をロールプレスすることにより、例えば図12(a)〜図12(c)に示すように、負極箔1から負極層2および固体電解質層3が滑落する理由としては、次のようなことが考えられる。まず、負極箔1は比較的硬い性質を有する部材である。これに対し、ロールプレス等により加圧される前の負極層2および固体電解質層3は、充填率が低く柔らかい性質を有する部材である。ここで、負極層2および固体電解質層3は、お互い柔らかい性質を有する部材であるため、比較的弱い圧力が加えられた場合であっても、高い密着力が得られる傾向にある。しかしながら、負極箔1および負極層2のように、一方が硬い性質を有し、他方が柔らかい性質を有する部材であると、比較的弱い圧力が加えられただけでは、所望の密着力を得ることができない傾向にある。このようなことから、従来の製造方法により得られる全固体電池において、負極箔1と負極層2との密着力が低いと言える。そのため、次のような課題が生じると考えられる。すなわち、例えば、ロールプレスにより、正極層4や、負極層2および固体電解質層3の中央部Xのみが加圧される結果、正極層4や、負極層2および固体電解質層3の中央部Xが面方向に変形してしまう。一方で、負極層2および固体電解質層3の端部Yは、正極層4と重ならないため、例えば図13(b)に示すように、ロールプレスされない。そうすると、負極層2および固体電解質層3の中央部Xと端部Yとの間でせん断力に差が生じて、負極箔1から負極層2が滑落してしまうという課題が生じると考えられる。なお、負極箔1から負極層2が滑落してしまうと、それに付随して滑落した負極層2上の固体電解質層3も滑落してしまう。
そこで、本開示の発明者等は、負極箔と負極層との密着力を向上させることで、上述した課題を解決することを試みた。具体的に、本開示の全固体電池の製造方法は、負極箔および負極層が積層された積層体、または、負極箔、負極層および固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、負極箔と負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する第1のプレス工程を有する。第1のプレス工程を有することにより、負極箔と負極層との間の密着力を高めることができる。したがって、第1のプレス工程の後に、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層が積層された第三積層体に対してロールプレスする第2のロールプレス工程を行ったときに、負極層および固体電解質層の端部において、負極箔からの負極層および固体電解質層の滑落を抑制することができる。
以下、全固体電池の製造方法に含まれる各工程について説明する。
1.第1のプレス工程
第1のプレス工程は、負極箔および負極層が積層された積層体、または、負極箔、負極層および固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、負極箔と負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する工程である。
本開示における「第一積層体」は、負極箔および負極層が積層された積層体、または、負極箔、負極層および固体電解質層が積層された積層体である。また、第一積層体における負極箔および負極層は、第1のプレス工程により、負極箔および負極層の間の密着力を向上させる前の状態であるため、負極箔および負極層の間の密着力は低い状態となる。具体的には、第一積層体における負極箔および負極層の間の密着力は、例えば30N/cm未満であり、20N/cm以下であってもよく、10N/cm以下であってもよい。また、本開示における「第二積層体」は、上述した第一積層体を第1のプレス工程によりロールプレスした後の積層体である。したがって、第二積層体における負極箔および負極層の間の密着力は、本開示で規定するように30N/cm以上である。また、第二積層体は、第一積層体を第1のプレス工程によりロールプレスした後の積層体であるため、負極箔および負極層の積層体であってもよく、負極箔、負極層および固体電解質層の積層体であってもよい。
第1のプレス工程は、負極箔および負極層が積層体された第一積層体に対してロールプレスする工程であってもよく、負極箔、負極層および固体電解質層が積層された第一積層体に対してロールプレスする工程であってもよい。前者である場合、第1のプレス工程は、例えば図2、3に示すように、負極箔1および負極層2が積層された第一積層体11に対してロールプレスした後に、積層体形成工程として、負極層2の負極箔1とは反対側の面に固体電解質層3を積層する工程を有する。一方、後者である場合、図4に示すように、第1のプレス工程は、負極箔1、負極層2および固体電解質層3が積層された第一積層体11に対してロールプレスする工程である。
ここで、「負極箔と負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスする」とは、後述する実施例と同様の方法により、負極箔と負極層との間の密着力を測定した際に、当該密着力が30N/cm以上となるような線圧でロールプレスすることをいう。負極箔と負極層との間の密着力は、例えば40N/cm以上であり、46N/cm以上であることが好ましく、50N/cm以上であることがより好ましい。負極箔と負極層との間の密着力が上記範囲内であることにより、例えば図1(a)、(b)に示すように、第2のプレス工程において全固体電池10の中央部Xをロールプレスした際に、負極箔1からの負極層2および固体電解質層3の滑落を抑制することができる。
ロールプレスは、負極箔と負極層との間で所望の密着力が得られる程度の線圧で行うことが好ましい。なお、負極箔と負極層との間の密着力は、ロールプレスの線圧の他にも温度条件の影響を受けるため、線圧のみで規定できるものではないが、例えば線圧が1.0t/cm以上であり、1.2t/cm以上であってもよく、1.3t/cm以上であってもよい。一方、ロールプレスの線圧は、例えば5t/cm以下とすることができる。
ロールプレスは、室温で行ってもよく、室温以上の温度下で行うホットロールプレスであってもよい。ホットロールプレスにおける加熱温度は、負極箔と負極層との間の密着力を向上させることができ、かつ負極層や固体電解質層に含まれる材料の化学反応が進行しない程度の温度であることが好ましい。ホットロールプレスにおける加熱温度は、例えば25℃以上であり、75℃以上であってもよく、100℃以上であってもよい。一方、ホットロールプレスにおける加熱温度は、例えば200℃以下であり、170℃以下であってもよく、140℃以下であってもよい。
ホットロールプレスにおける加熱方法は特に限定されないが、例えば、加熱したロールを用いる方法、炉を用いる方法が挙げられる。
ロールプレスのロールの送り速度は、負極箔と負極層との間で所望の密着力を得ることができる程度の速度であることが好ましい。具体的なロールの送り速度は、例えば100m/min以下であり、10m/min以下であってもよい。一方、ロールの送り速度は、例えば0.1m/min以上であり、0.3m/min以上であってもよい。
(1)負極箔
負極箔は、負極層の集電を行う機能を有する。
負極箔に用いられる材料は、導電性を有する材料であればよく、例えば、銅、ニッケル、ステンレス、バナジウム、マンガン、鉄、チタン、コバルトおよび亜鉛等が挙げられる。負極箔の厚み等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することができる。
(2)負極層
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。負極層は、必要に応じて、固体電解質、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していてもよい。
負極活物質としては、例えば、金属活物質およびカーボン活物質が挙げられる。金属活物質としては、例えば金属単体、金属合金が挙げられる。金属物質に含まれる金属元素としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等が挙げられる。金属合金は、上記金属元素を主成分として含有する合金であることが好ましい。Si合金としては、例えばSi−Al系合金、Si−Sn系合金、Si−In系合金、Si−Ag系合金、Si−Pb系合金、Si−Sb系合金、Si−Bi系合金、Si−Mg系合金、Si−Ca系合金、Si−Ge系合金等が挙げられる。なお、例えばSi−Al系合金とは、少なくともSiおよびAlを含有する合金を意味し、SiおよびAlのみを含有する合金であってもよく、さらに別の金属元素を含有する合金であってもよい。Si−Al系合金以外の合金についても同様である。金属合金は、2成分系合金であってもよく、3成分系以上の多成分系合金であってもよい。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。
負極活物質の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば、10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば、50μm以下であり、20μm以下であってもよい。負極層における負極活物質の割合は、例えば50重量%以上であり、60重量%以上であってもよい。一方、上記割合は、例えば99重量%以下である。
負極層に用いられる固体電解質については、後述する「(3)固体電解質層」の項に記載する材料と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。負極層に用いられる導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等が挙げられる。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ブチレンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有結着材が挙げられる。
負極層の厚みは、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。
負極層の面積は、後述する正極層の面積に比べて大きい。ここで、「負極層の面積は、正極層の面積に比べて大きい」とは、活物質が膨張・収縮した場合であっても短絡しない程度に、負極箔から負極層が滑落していない状態を指す。具体的には、後述する「B.全固体電池」の項に記載する内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
負極層の形成方法は、均質な負極層を所望の厚みで形成することができる方法であればよく、一般的な方法が挙げられる。具体的には、負極層の材料をプレスしてペレットを形成する方法であってもよく、負極層の材料および溶剤を含有するスラリーを調製し、これを所定の厚みで負極箔上に塗布することにより形成する方法であってもよい。
(3)固体電解質層
固体電解質層は、負極層および正極層の間に形成される。固体電解質層は、固体電解質を含有する層である。固体電解質層は、必要に応じて、結着材を含有していてもよい。
固体電解質は、イオン伝導性を有するものであれば、特に限定されない。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物非晶質固体電解質および結晶質酸化物・酸窒化物等が挙げられる。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS−SiS、LiI−LiS−SiS、LiI−LiS−P、LiO−LiS−P、LiI−LiO−LiS−P、LiI−LiS−P、LiI−LiPO−P、LiS−P、LiPS等が挙げられる。酸化物非晶質固体電解質としては、例えば、LiO−B−P、LiO−SiO等が挙げられる。結晶質酸化物・酸窒化物としては、例えば、LiI、LiN、LiLaTa12、LiLaZr12、LiBaLaTa12、LiPO(4−3/2w)Nw(w<1)、Li3.6Si0.60.4等が挙げられる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。また、固体電解質は、ガラスであってもよく、結晶化ガラス(ガラスセラミックス)であってもよい。固体電解質の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。
固体電解質層に用いられる結着材については、上述した「(2)負極層」の項に記載した材料と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10重量%以上であり、50重量%以上であってもよい。一方、上記固体電解質の含有量は、例えば、100重量%以下である。
固体電解質層の厚みは、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。
固体電解質層の面積は、後述する正極層の面積に比べて大きい。なお、正極層の面積に対して固体電解質層の面積が大きいことについては、上述した「(2)負極層」の項に記載した、内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
固体電解質層の形成方法は、均質な固体電解質層を所望の厚みで形成することができる方法であればよく、一般的な方法が挙げられる。具体的には、上述した負極層の形成方法と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
2.積層体形成工程
積層体形成工程は、第二積層体を用いて、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層を有する第三積層体を形成する工程である。なお、固体電解質層については、上記「1.第1のプレス工程 (3)固体電解質層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
本開示における「第三積層体」は、第二積層体を用いて、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層された積層体である。なお、例えば、図2に示すように、正極層4を転写方法により形成する場合には、第三積層体13は、負極箔1、負極層2、固体電解質層3、正極層4および転写箔5がこの順で積層された積層体であってもよい。
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極層は、必要に応じて、固体電解質、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していてもよい。
正極活物質としては、全固体電池の種類に応じて適宜選択され、例えば、酸化物活物質、硫化物活物質等が挙げられる。正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、マンガン酸リチウム(LiMn)、Li(Ni0.5Mn1.5)O、Li1+xMn2−x−y(MがAl、Mg、Co、Fe、Ni、Znから選択される一種以上である。)等のスピネル型活物質、チタン酸リチウム(LiTiO)、LiFePO、LiMnPO、LiCoPO、LiNiPO等のオリビン型活物質等が挙げられる。
正極層に用いられる固体電解質、導電化材および結着材については、上述した「1.第1のプレス工程 (2)負極層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
正極層の厚みは、例えば0.1μm以上1000μm以下とすることができる。
正極層の面積は、上述した負極層および固体電解質層の面積に比べて小さい。正極層の面積は、負極層および固体電解質層の面積に応じて適宜調整することが好ましい。具体的には、負極層および固体電解質層の面積が、上記「(2)負極層」および「(3)固体電解質層」の項に記載した比率となるような面積で正極層を形成することが好ましい。
正極層の形成方法は、均質な正極層を所望の厚みで形成することができる方法であればよく、一般的な方法が挙げられる。具体的には、上述した負極層の形成方法と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
正極層に含まれる正極活物質は、表面に被覆層が形成されていてもよい。正極活物質の表面に被覆層が形成されていることにより、正極活物質と固体電解質との反応を抑制することができ、出力特性に優れた電固体電池を得ることができる。被覆層の材料は、イオン伝導性を有し、かつ活物質や固体電解質と接触して流動せず、被覆層の形態を維持することが可能な材料であることが好ましい。被覆層の材料としては、例えば、LiNbO、LiPO、LiTi12等が挙げられる。被覆層の厚みは、例えば0.1nm以上あり、1nm以上であってもよい。一方、被覆層の厚みは、例えば100nm以下であり、20nm以下であってもよい。正極活物質表面における被覆層の被覆率は、例えば50%以上であり、80%以上であってもよい。被覆層の形成方法としては、例えば、転動流動コーティング法が挙げられる。
3.第2のプレス工程
第2のプレス工程は、第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する工程である。第2のプレス工程におけるロールプレスの線圧は、例えば1.5t/cm以上であり、2.0t/cm以上であってもよく、3.0t/cm以上であってもよい。一方、上記ロールプレスの線圧は、例えば5.0t/cm以下とすることができる。
本開示における「第四積層体」は、第三積層体を第2のプレス工程によりロールプレスした後の積層体である。したがって、第三積層体であるか、あるいは第四積層体であるかの判別は、例えば、正極層がロールプレスされる前であるか、あるいは後であるかを判断することにより行うことができる。具体的には、第四積層体における正極層は、第三積層体における正極層に比べて充填率が高い状態であるため、正極層の充填率を測定することにより判別することができる。なお、充填率については、後述する「B.全固体電池」の項に記載するため、ここでの記載は省略する。
第2のプレス工程は、第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する工程であれば特に限定されない。第2のプレス工程の一例としては、例えば、図2に示すように、正極層4を転写するためのプレスを行う工程や、図3や図5に示すように、第三積層体13を構成する各層を緻密化するためのプレスを行う工程が挙げられる。
第2のプレス工程は、例えば図2に示すように、正極層4を転写法により形成する際に、正極層4を転写するために、負極箔1、負極層2、固体電解質層3、正極層4および転写箔5が積層された第三積層体13に対して、プレスを行う工程であってもよい。第2のプレス工程が、正極層を転写するためのプレスを行う工程である場合、ロールプレスの線圧は、正極層を転写することができる程度であればよい。具体的な線圧は、例えば1.2t/cm以上であり、1.3t/cm以上であってもよい。一方、上記ロールプレスの線圧は、例えば2.0t/cm以下とすることができる。
第2のプレス工程は、例えば図3や図5に示すように、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4が積層された第三積層体13の各層を緻密化するために、第三積層体13に対してプレスを行う工程であってもよい。第2のプレス工程が、第三積層体を構成する各層を緻密化するためのプレスを行う工程である場合、ロールプレスの線圧は、各層を緻密化することができる程度であればよい。具体的な線圧は、例えば1.5t/cm以上であり、2.0t/cm以上であってもよく、3.0t/cm以上であってもよい。一方、ロールプレスの線圧は、例えば5.0t/cm以下とすることができる。第2のプレス工程が、第三積層体を構成する各層を緻密化するためのプレスを行う工程である場合、当該第2のプレス工程の前に、必要に応じてその他のプレス工程を有していてもよい。例えば、図5に示すように、第2のプレス工程の前に、正極層4を転写法により形成する際に、正極層4を転写するためのプレス工程を有していてもよい。すなわち、第1のプレス工程後に、第二積層体12上に固体電解質層3、正極層4および転写箔5を積層し、当該積層体に対して、ロールプレスを行ってもよい。このときの正極層4を転写するためのプレス工程におけるロールプレスの線圧は、例えば0.2t/cm以上であり、0.5t/cm以上であってもよい。一方、上記正極層4を転写するためのプレス工程の線圧は、例えば1t/cm未満とすることができる。
ロールプレスは、ホットロールプレスであってもよい。なお、ホットロールプレスについては、上述した「1.第1のプレス工程」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。また、ロールプレスのロールの送り速度についても、上述した「1.第1のプレス工程」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
4.第3のプレス工程
本開示においては、第2のプレス工程の後に、必要に応じて第3のプレス工程を有していてもよい。すなわち、第3のプレス工程は、第四積層体に対してロールプレスを行う工程である。本開示においては、例えば、以下のような場合に第3のプレス工程を有していてもよい。すなわち、図2に示すように、正極層4を転写法により形成し、上述した第2のプレス工程が、正極層4を転写するためのプレスを行う工程であるとき、第2のプレス工程の後に、例えば第四積層体を構成する各層を緻密化するための第3のプレス工程を有していてもよい。このときの第3のプレス工程の線圧は、第2のプレス工程よりも高い線圧とすることができる。第3のプレス工程におけるロールプレスの線圧は、例えば1.0t/cm以上であり、1.5t/cm以上であってもよく、2.0t/cm以上であってもよく、3.0t/cm以上であってもよく、4.0t/cm以上であってもよい。一方、ロールプレスの線圧は、例えば、5.0t/cm以下とすることができる。
第3のプレス工程におけるロールプレスの詳細については、上述した「2.第2のプレス工程」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
B.全固体電池
本開示の全固体電池は、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、上記正極層の面積に比べて、上記固体電解質層および上記負極層の面積が大きい全固体電池であって、上記負極層の充填率が80%以上であり、上記固体電解質層の充填率が70%以上であり、上記正極層の充填率が75%以上であり、平面視上、上記正極層の外周部の全てにおいて、上記固体電解質層が突出している、電池である。
図6は、本開示の全固体電池の一例を示す概略断面図である。図6に示すように、本開示の全固体電池10は、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4がこの順で積層され、正極層4の面積に比べて、固体電解質層3および負極層2の面積が大きい。また、本開示の全固体電池10は、負極層2の充填率が80%以上であり、固体電解質層3の充填率が70%以上であり、正極層4の充填率が75%以上である。さらに、本開示の全固体電池10は、平面視上、正極層4の外周部の全てにおいて、固体電解質層3が突出している。
ここで、「平面視上、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が突出している」とは、次のようなことを意味する。まず、図7(a)は、本開示の全固体電池の概略平面図であり、図7(b)は、図7(a)のB−B線断面図である。例えば、図7(a)に示すように、本開示の全固体電池10を平面視したとき、正極層4の外周(破線L)よりも固体電解質層3の外周(破線L)の方が大きく、正極層4の外周部の全てにおいて、固体電解質層3と正極層4とが重ならない領域(図7(a)の2つの破線で囲われた領域)を有することを意味する。なお、図7(a)が平面図であることから、固体電解質層3についてのみ説明したが、図7(b)に示すように、固体電解質層3が負極層2上に積層体されているため、負極層2についても、固体電解質層3と同様のことが言える。
本開示によれば、負極箔からの固体電解質層および負極層の滑落が抑制された全固体電池を提供することができる。本開示は、上記「A.全固体電池の製造方法」の項に記載したように、負極箔から負極層および固体電解質層が滑落してしまうという課題を有する。これに対し、本開示の全固体電池は、平面視上、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が突出している全固体電池を得ることができ、上記課題を解決することができる。具体的に、上記課題は、例えば図13(a)、(b)に示すように、負極箔1、負極層2、固体電解質層3および正極層4が積層された積層体に対し、加圧した場合に生じる課題である。本開示の全固体電池10は、各部材の充填率が所定の値以上であることから、所定の圧力が加えられた状態であると言える。これに対し、本開示の全固体電池は、所定の圧力が加えられた状態であるにもかかわらず、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が突出しており、負極箔からの負極層および固体電解質層の滑落の発生を抑制できていると言える。
本開示の全固体電池は、負極箔と負極層との間の密着力が30N/cm以上であることが好ましい。上記「A.全固体電池の製造方法」の項に記載したように、負極箔と負極層との間の密着力が30N/cm以上であることにより、上述した効果を十分に得ることができる。また、本開示において、負極箔と負極層との間の密着力を30N/cm以上とすることは、例えば、負極箔および負極層が積層体された積層体に対して1.0t/cm以上の線圧でロールプレスすることで、達成することができる。
本開示の全固体電池は、平面視上、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が100μm以上突出していることが好ましい。ここで、「平面視上、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が100μm以上突出している」とは、次のようなことを意味する。図8は、負極箔から負極層および固体電解質層が滑落する前の状態(右図)と、負極箔から負極層および固体電解質層が滑落した後の状態(左図)を示す概略図である。「平面視上、正極層の外周部の全てにおいて、固体電解質層が100μm以上突出している」とは、図8の左図に示すように、負極箔1からの負極層2および固体電解質層3の滑落が生じた場合であっても、少なくとも、固体電解質層3が露出した距離Yが100μm以上であることを意味する。本開示においては、平面視上、上記正極層の外周部の全てにおいて、上記固体電解質層が、例えば、200μm以上突出していてもよく、300μm以上突出していてもよく、400μm以上突出していてもよい。活物質が膨張・収縮した場合であっても、正極層および負極層の接触を十分に抑制することができ、短絡を効果的に防止することができるからである。
本開示においては、負極層は、平面視上、正極層と重なる領域の充填率が90%以上であり、平面視上、正極層と重ならない領域の充填率が80%以上であり、固体電解質層は、平面視上、正極層と重なる領域の充填率が90%以上であってもよい。なお、上記規定は、次のようなことを意味する。すなわち、図6に示すように、負極層2の中央部2Xに比べて負極層2の端部2Yの充填率が高いことから、正極層4が積層された後に、厚み方向に加圧されたこと(上記「A.全固体電池の製造方法」の項における第2のプレス工程)が規定されている。また、本開示の全固体電池10は、負極層2の端部2Yの充填率が80%以上であることから、負極箔1に負極層2を積層した積層体、または負極箔1、負極層2および固体電解質層3を積層した積層体に対し、厚み方向に加圧されたこと(上記「A.全固体電池の製造方法」の項における第1のプレス工程)が規定されている。
1.負極箔
本開示の負極箔については、上記「A.全固体電池の製造方法 1.第1のプレス工程 (1)負極箔」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
2.負極層
本開示の負極層は、充填率が80%以上である。具体的に、負極層は、平面視上、正極層と重なる領域の充填率が90%以上であってもよい。ここで、負極層において「平面視上、正極層と重なる領域」とは、例えば図6における符号2Xで示す領域である。以下、負極層において正極層と重なる領域を、単に負極層の中央部と称して説明する場合がある。負極層の中央部の充填率は、例えば93%以上であってもよく、95%以上であってもよい。一方、負極層は、平面視上、正極層と重ならない領域の充填率が80%以上である。ここで、負極層において「平面視上、正極層と重ならない領域」とは、例えば図6における符号2Yで示す領域であり、平面視上、正極層から露出した領域である。以下、負極層において正極層と重ならない領域を、単に負極層の端部と称して説明する場合がある。負極層の端部の充填率は、例えば85%以上であってもよく、90%以上であってもよい。なお、充填率の測定方法については、後述する実施例と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
負極層のその他の説明については、上記「A.全固体電池の製造方法 1.第1のプレス工程 (2)負極層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
3.固体電解質層
本開示の固体電解質層は、充填率が70%以上である。具体的に、固体電解質層は、平面視上、正極層と重なる領域の充填率が90%以上であってもよい。ここで、固体電解質層において「平面視上、正極層と重なる領域」とは、例えば図6における符号3Xで示す領域である。以下、固体電解質層において正極層と重なる領域を、単に固体電解質層の中央部と称して説明する場合がある。固体電解質層の中央部の充填率は、例えば93%以上であってもよい。一方、固体電解質層は、正極層と重ならない領域の充填率は、例えば70%以上である。ここで、負極層において「平面視上、正極層と重ならない領域」とは、例えば図6における符号3Yで示す領域であり、平面視上、正極層から露出した領域である。以下、固体電解質層において正極層と重ならない領域を、単に固体電解質層の端部と称して説明する場合がある。固体電解質層の端部の充填率は、例えば80%以上であってもよく、85%以上であってもよい。なお、充填率の測定方法については、後述する実施例と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
固体電解質層のその他の説明については、上記「A.全固体電池の製造方法 1.第1のプレス工程 (3)固体電解質層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
4.正極層
本開示の正極層の充填率は75%以上である。正極層の充填率は、例えば80%以上であり、85%以上であってもよい。なお、充填率の測定方法については、後述する実施例と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
正極層のその他の説明については、上記「A.全固体電池の製造方法 1.第1のプレス工程 (1)正極層」および「A.全固体電池の製造方法 1.第1のプレス工程 (2)被覆層」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
5.その他の構成
全固体電池は、その他の構成として、例えば、正極層の集電を行う正極集電体(正極箔)や、全固体電池を構成する上述した部材を収納する電池ケースを備えていてもよい。なお、全固体電池を構成する正極集電体や電池ケースについては、一般的な全固体電池に用いられる部材と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
6.全固体電池
本開示の全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。全固体電池の形状としては、例えばコイン型、ラミネート型、円筒型および角型等が挙げられる。また、本開示の全固体電池は、正極層、固体電解質層、負極層を有する発電要素を複数積層した積層電池であってもよい。積層電池は、各発電要素を並列に接続した電池であってよく、各発電要素を直列に接続した電池であってもよい。
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。
以下に実施例を示して本開示をさらに具体的に説明する。
[実施例1〜7、比較例1〜3]
図9および以下に示す方法により、全固体電池を作製した。
(正極層用ペーストの作製)
酪酸ブチルと、ポリフッ化ビニリデンを溶解した酪酸ブチル溶液と、正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3(平均粒径4μm)と、硫化物固体電解質としてLiIを含むLiS−P系のガラスセラミック(平均粒径0.8μm)と、導電化材としてVGCFとを、容器に加えて、フィルミックス分散装置を用いて撹拌した。これにより、正極層用ペーストを得た。
(負極層用ペーストの作製)
酪酸ブチルと、ポリフッ化ビニリデンを溶解した酪酸ブチル溶液と、負極活物質としてSi(平均粒径5μm)と、硫化物固体電解質としてLiIを含むLiS−P系のガラスセラミック(平均粒径0.8μm)とを、容器に加えて、超音波分散装置を用いて30秒間撹拌した。これにより、負極層用ペーストを作製した。
(固体電解質層用ペーストの作製)
ヘプタンと、ポリフッ化ビニリデンを溶解したヘプタン溶液(5wt%)と、硫化物固体電解質としてLiIを含むLiS−P系のガラスセラミックとを、容器に加えて、超音波分散装置を用いて30秒間撹拌した。このようにして、固体電解質層用ペーストを得た。
(正極層の作製)
得られた正極層用ペーストを、ブレード法によりアルミニウム箔に塗工し、その後、100℃に加熱したホットプレート上で30分間乾燥することにより、正極層を作製した。
(負極層および固体電解質層の作製)
得られた負極層用ペーストを、ブレード法により銅箔(負極箔)の一方の面に塗工し、その直後、負極層用ペースト上に得られた固体電解質層用ペーストを塗工した。その後、100℃に加熱したホットプレート上で30分間乾燥することにより、負極層および固体電解質層を成膜した。次いで、銅箔の他方の面にも、上記と同様にして負極層および固体電解質層を成膜した。これにより、固体電解質層、負極層、負極箔、負極層および固体電解質層がこの順で積層された第一積層体を得た。
(第1のプレス工程)
負極箔、負極層(充填率:55%)および固体電解質層(充填率:60%)を有する上記第一積層体を、厚み0.1mmのSUS板に挟み込み、所定の線圧および温度条件にてロールプレスし、第二積層体を得た。なお、線圧および温度条件については、表1に示す。表1に示すように、第1のプレス工程において1.0t/cm以上の線圧でロールプレスした後の負極層の充填率は85%以上であり、固体電解質層の充填率は80%以上であった。
(積層体形成工程、第2のプレス工程)
第1のプレス工程後、固体電解質層上に、成膜した上記正極層を重ね合わせた第三積層体を、厚み0.1mmのSUS板で挟みこみ、線圧1.3t/cmおよび温度25℃にてロールプレスし、第四積層体を得た。その後、正極層からアルミニウム箔を剥離した。
(第3のプレス工程:緻密化)
第2のプレス工程後、負極箔、負極層、固体電解質層および正極層を有する第四積層体を、厚み0.1mmのSUS板に挟み込み、線圧5t/cmおよび温度170℃にてロールプレスした。これにより、各層を緻密化した。第3のプレス工程により緻密化した後の正極層の充填率は90%であり、負極層において、平面視上、正極層と重なる領域の充填率は97%であり、固体電解質層において、平面視上、正極層と重なる領域の充填率は89%であった。
[評価]
(密着力の測定)
直径11.28mmの打抜き冶具を用いて、第1のプレス工程後の負極層および固体電解質層を打抜き、直径10mmの両面テープを用いて垂直引張り試験を実施した。引張速度は40mm/minとし、3回測定時の平均値を、負極箔と負極層との間の密着力とした。結果は、表1、図10に示す。
(滑落の有無)
第3のプレス工程後に、負極箔から負極層および固体電解質層が滑落したか否かを目視により確認した。結果は、表1および図11(a)〜(c)に示す。なお、図11(a)は、実施例1で得られた全固体電池の写真であり、図11(b)は、比較例1で得られた全固体電池の写真であり、図11(c)は、比較例2で得られた全固体電池の写真である。図11(a)〜(c)に示す符号は、例えば図2に示す符号と同じである。
表1および図10に示すように、線圧1t/cm以上で第1のプレス工程を行うことで、負極箔と負極層との間の密着力を向上させることができ、第3のプレス工程を行った場合であっても、負極箔からの負極層および固体電解質層の滑落の無い全固体電池を得ることができた。
1 … 負極箔
2 … 負極層
3 … 固体電解質層
4 … 正極層
10 … 全固体電池

Claims (6)

  1. 負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、前記正極層の面積に比べて、前記固体電解質層および前記負極層の面積が大きい全固体電池を製造する全固体電池の製造方法であって、
    前記負極箔および前記負極層が積層された積層体、または、前記負極箔、前記負極層および前記固体電解質層が積層された積層体である第一積層体に対し、前記負極箔と前記負極層との間の密着力が30N/cm以上となるようにロールプレスし、第二積層体を形成する第1のプレス工程と、
    前記第二積層体を用いて、前記負極箔、前記負極層、前記固体電解質層および前記正極層を有する第三積層体を形成する積層体形成工程と、
    前記第三積層体に対し、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスし、第四積層体を形成する第2のプレス工程と、を有する全固体電池の製造方法。
  2. 前記第1のプレス工程が、1.0t/cm以上の線圧でロールプレスする工程である、請求項1に記載の全固体電池の製造方法。
  3. 前記第2のプレス工程が、5.0t/cm以下の線圧でロールプレスする工程である、請求項1または請求項2に記載の全固体電池の製造方法。
  4. 負極箔、負極層、固体電解質層および正極層がこの順で積層され、前記正極層の面積に比べて、前記固体電解質層および前記負極層の面積が大きい全固体電池であって、
    前記負極層の充填率が80%以上であり、
    前記固体電解質層の充填率が70%以上であり、
    前記正極層の充填率が75%以上であり、
    平面視上、前記正極層の外周部の全てにおいて、前記固体電解質層が突出している、全固体電池。
  5. 前記負極箔と前記負極層との間の密着力が30N/cm以上である、請求項4に記載の全固体電池。
  6. 平面視上、前記正極層の外周部の全てにおいて、前記固体電解質層が100μm以上突出している、請求項4または請求項5に記載の全固体電池。
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