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
Description
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/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、を有する製造方法である。
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/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工程である。
負極箔は、負極層の集電を行う機能を有する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(平均粒径4μm)と、硫化物固体電解質としてLiIを含むLi2S−P2S5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。
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Li2S−P2S5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。
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Li2S−P2S5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。
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。
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。
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/cm2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。
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。
(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。
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。
2 … 負極層
3 … 固体電解質層
4 … 正極層
10 … 全固体電池
Claims (6)
- 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/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、
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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 前記負極箔と前記負極層との間の密着力が30N/cm2以上である、請求項4に記載の全固体電池。
- 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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