JP2019192609A - All-solid lithium battery and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体リチウム二次電池(以下、全固体リチウム電池という)及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an all solid lithium secondary battery (hereinafter referred to as an all solid lithium battery) and a method for producing the same.
リチウム二次電池(リチウムイオン二次電池とも称される)用の正極活物質層として、リチウム複合酸化物(典型的にはリチウム遷移金属酸化物)の粉末とバインダーや導電剤等の添加物とを混練及び成形して得られた、粉末分散型の正極が広く知られている。かかる粉末分散型の正極は、容量に寄与しないバインダーを比較的多量に(例えば10重量%程度)含んでいるため、正極活物質としてのリチウム複合酸化物の充填密度が低くなる。このため、粉末分散型の正極は、容量や充放電効率の面で改善の余地が大きかった。 As a positive electrode active material layer for a lithium secondary battery (also called a lithium ion secondary battery), a powder of a lithium composite oxide (typically a lithium transition metal oxide) and an additive such as a binder or a conductive agent A powder-dispersed positive electrode obtained by kneading and molding is widely known. Such a powder-dispersed positive electrode contains a relatively large amount of binder (for example, about 10% by weight) that does not contribute to capacity, so that the packing density of the lithium composite oxide as the positive electrode active material is low. For this reason, the powder-dispersed positive electrode has much room for improvement in terms of capacity and charge / discharge efficiency.
そこで、正極ないし正極活物質層をリチウム複合酸化物焼結体板で構成することにより、容量や充放電効率を改善しようとする試みがなされている。この場合、正極又は正極活物質層にはバインダーが含まれないため、リチウム複合酸化物の充填密度が高くなることで、高容量や良好な充放電効率が得られることが期待される。例えば、特許文献1(国際公開第2017/146088号)には、固体電解質部材を備えるリチウム二次電池の正極として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等のリチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、複数の一次粒子の(003)面が正極板の板面に対して0°超30°以下の平均配向角度で配向している、低角配向正極板を用いることが開示されている。上記配向により、充放電時における正極板と固体電解質部材との界面において発生する応力が緩和される。すなわち、正極板の板面方向における膨張収縮率を小さくして、正極板と固体電解質部材との界面に生じる応力を緩和することができ、それにより固体電解質部材の欠陥や固体電解質部材からの正極板の剥離を抑制することができる。 Therefore, attempts have been made to improve capacity and charge / discharge efficiency by forming the positive electrode or the positive electrode active material layer with a lithium composite oxide sintered plate. In this case, since the binder is not contained in the positive electrode or the positive electrode active material layer, it is expected that high capacity and good charge / discharge efficiency can be obtained by increasing the packing density of the lithium composite oxide. For example, Patent Document 1 (International Publication No. 2017/146088) discloses a plurality of primary elements composed of a lithium composite oxide such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode of a lithium secondary battery including a solid electrolyte member. It is disclosed to use a low-angle-oriented positive electrode plate including particles, in which (003) planes of a plurality of primary particles are oriented at an average orientation angle of more than 0 ° and 30 ° or less with respect to the plate surface of the positive electrode plate. Yes. By the above orientation, stress generated at the interface between the positive electrode plate and the solid electrolyte member during charge / discharge is relaxed. That is, the expansion and contraction rate in the plate surface direction of the positive electrode plate can be reduced to relieve the stress generated at the interface between the positive electrode plate and the solid electrolyte member, thereby causing defects in the solid electrolyte member and the positive electrode from the solid electrolyte member. The peeling of the plate can be suppressed.
また、負極ないし正極活物質層をリチウム複合酸化物焼結体板で構成することも知られている。例えば、特許文献2(特開2015−185337号公報)には、正極、負極及び固体電解質部材を有し、正極又は負極にチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)焼結体を用いた全固体電池が開示されている。この文献に開示される焼結体は相対密度(緻密度)90%以上と緻密なものである。これは、全固体二次電池のエネルギー密度を高めるためには正極及び負極は緻密であることが望ましいという一般的な理解に基づくものであるといえる。 It is also known that the negative electrode or the positive electrode active material layer is composed of a lithium composite oxide sintered plate. For example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-185337) includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte member, and uses a lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) sintered body for the positive electrode or the negative electrode. A solid state battery is disclosed. The sintered body disclosed in this document is dense with a relative density (dense) of 90% or more. This can be said to be based on a general understanding that the positive electrode and the negative electrode are desirably dense in order to increase the energy density of the all-solid-state secondary battery.
ところで、リチウムイオン伝導度の高い固体電解質として、逆ペロブスカイト型構造を有するリチウムイオン伝導材料が提案されている。例えば、特許文献3(国際公開第2012/112229号)には、Li3OCl及びLi(3−x)Mx/2OA(式中、0≦x≦0.8、MはMg、Ca、Ba及びSrからなる群から選択される少なくとも1種であり、AはF、Cl、Br及びIからなる群から選択される少なくとも1種である)が、優れたリチウムイオン伝導性を呈する固体電解質として開示されている。また、非特許文献1(Yutao Li et al., "Fluorine-Doped Antiperovskite Electrolyte for All-Solid-State Lithim-Ion Batteries", Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9965-9968)には、Li2OHX(式中、XはCl又はBrである)が全固体二次電池用の固体電解質として有望であること、及び上記Li2OHClにフッ素をドープしてOH−の一部をF−で一部置換した化合物が全固体二次電池に適した電気化学的安定性を呈することが開示されている。 By the way, a lithium ion conductive material having an inverted perovskite structure has been proposed as a solid electrolyte having high lithium ion conductivity. For example, Patent Document 3 (International Publication No. 2012/112229) describes Li 3 OCl and Li (3-x) M x / 2 OA (where 0 ≦ x ≦ 0.8, M is Mg, Ca, A solid electrolyte having excellent lithium ion conductivity, wherein at least one selected from the group consisting of Ba and Sr, and A is at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br and I) It is disclosed as. Non-Patent Document 1 (Yutao Li et al., “Fluorine-Doped Antiperovskite Electrolyte for All-Solid-State Lithim-Ion Batteries”, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9965-9968) Li 2 OHX (wherein X is Cl or Br) is promising as a solid electrolyte for an all-solid secondary battery, and the Li 2 OHCl is doped with fluorine to partially convert OH − into F − It is disclosed that the compound partially substituted in (1) exhibits electrochemical stability suitable for an all-solid-state secondary battery.
上述したような低角配向正極板、負極板及び固体電解質を用いることで、高性能な全固体リチウム電池を作製できるのではないかと本発明者らは当初考えた。しかしながら、そのような全固体リチウム電池を実際に作製したところ、作製した複数個の電池中に充放電性能が顕著に悪い電池が存在しうることが判明した。これはLi3OCl等の固体電解質を始め、上述したような電池構成を採用した際に生じる特有の問題であった。 The present inventors initially thought that a high-performance all-solid lithium battery could be produced by using the low-angle-oriented positive electrode plate, the negative electrode plate, and the solid electrolyte as described above. However, when such an all-solid lithium battery was actually produced, it was found that a battery with significantly poor charge / discharge performance may exist among the produced batteries. This is a peculiar problem that occurs when a battery configuration such as that described above, including a solid electrolyte such as Li 3 OCl, is employed.
本発明者らは、今般、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を用い、また、低角配向正極板の空隙率を0%以上10%以下とすることで、充放電性能を顕著に改善することができるとの知見を得た。 The present inventors have now used a solid electrolyte represented by a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4 , and the charge / discharge performance of the low angle oriented positive electrode plate is 0% or more and 10% or less. The knowledge that it can improve remarkably was acquired.
したがって、本発明の目的は、低角配向正極板と組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材を用いた全固体リチウム電池において、充放電性能を顕著に改善することができることにある。 Accordingly, an object of the present invention is to significantly improve charge / discharge performance in an all-solid-state lithium battery using a solid electrolyte member including a low-angle-oriented positive electrode plate and a solid electrolyte represented by a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4. There is in being able to.
本発明の一態様によれば、空隙率が0%以上10%以下のリチウム複合酸化物焼結体板である配向正極板であって、前記リチウム複合酸化物焼結体板が、リチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、前記複数の一次粒子が前記配向正極板の板面に対して0°超30°以下の平均配向角度で配向している、配向正極板と、
Tiを含み、かつ、0.4V(対Li/Li+)以上でリチウムイオンを挿入脱離可能な負極板と、
組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質で表される固体電解質を含む固体電解質部材と、
を備える、全固体リチウム電池が提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided an oriented positive electrode plate which is a lithium composite oxide sintered body plate having a porosity of 0% or more and 10% or less, wherein the lithium composite oxide sintered body plate is a lithium composite oxide sintered plate. An alignment positive electrode plate comprising a plurality of primary particles composed of a material, wherein the plurality of primary particles are aligned at an average alignment angle of more than 0 ° and 30 ° or less with respect to the plate surface of the alignment positive electrode plate;
A negative electrode plate containing Ti and capable of inserting and extracting lithium ions at 0.4 V (vs. Li / Li + ) or higher;
A solid electrolyte member including a solid electrolyte represented by a solid electrolyte represented by a composition formula 3 LiOH · Li 2 SO 4 ;
An all-solid lithium battery is provided.
本発明の他の一態様によれば、前記全固体リチウム電池の製造方法であって、
前記正極板又は前記負極板に、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材を載置する工程と、
前記固体電解質粉末上に前記負極板又は前記正極板を載置する工程と、
前記負極板を前記正極板に向けて又は前記正極板を前記負極板に向けてプレスする工程と、
を含む、全固体リチウム電池の製造方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing the all solid lithium battery,
Placing a solid electrolyte member containing a solid electrolyte represented by a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4 on the positive electrode plate or the negative electrode plate;
Placing the negative electrode plate or the positive electrode plate on the solid electrolyte powder;
Pressing the negative electrode plate toward the positive electrode plate or the positive electrode plate toward the negative electrode plate;
A method for producing an all-solid lithium battery is provided.
(全固体リチウム電池の構成)
図1に本発明の全固体リチウム電池の一例を模式的に示す。図1に示される全固体リチウム電池10は、配向正極板12、固体電解質部材14、及び負極板16を含む。
(Configuration of all-solid lithium battery)
FIG. 1 schematically shows an example of the all solid lithium battery of the present invention. An all
配向正極板12は、空隙率が0%以上10%以下のリチウム複合酸化物焼結体板である。このリチウム複合酸化物焼結体板は、リチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、複数の一次粒子が配向正極板の板面に対して0°超30°以下の平均配向角度で配向している、いわゆる「低角配向正極板」である。
The oriented
固体電解質部材14は、下記組成式(1)で表される固体電解質を含む。
組成式(1)・・・3LiOH・Li2SO4
The
Composition formula (1)... 3LiOH.Li 2 SO 4
負極板16は、0.4V(対Li/Li+)以上でリチウムイオンを挿入脱離可能な負極板であり、Tiを含んでいる。
The
このように、空隙率が0%以上10%以下の低角配向正極板12と上記組成式(1)の固体電解質を含む固体電解質部材14とを用いることによって、全固体リチウム電池における充放電性能を顕著に改善することができる。
Thus, charge / discharge performance in an all-solid-state lithium battery is obtained by using the low-angle-oriented
前述のとおり、特許文献1〜3に開示されるような、低角配向正極板、負極板及び固体電解質を用いることで、高性能な全固体リチウム電池を作製できるのではないかと本発明者らは当初考えた。しかしながら、そのような全固体リチウム電池を実際に作製したところ、作製した複数個の電池中に、電池抵抗が高く、充放電性能が顕著に悪い電池が存在することがあった。その原因は定かではないが、上記組成式(1)の固体電解質を含む固体電解質部材を用い、また、低角配向正極板の空隙率を0%以上10%以下とすることで、好都合に解消され、充放電性能を顕著に改善することができる。 As described above, the present inventors may be able to produce a high-performance all-solid-state lithium battery by using a low-angle-oriented positive electrode plate, a negative electrode plate, and a solid electrolyte as disclosed in Patent Documents 1 to 3. Initially thought. However, when such an all-solid-state lithium battery was actually produced, there were cases where batteries having high battery resistance and remarkably poor charge / discharge performance existed among the produced batteries. The cause is not clear, but it can be solved conveniently by using a solid electrolyte member containing the solid electrolyte of the above composition formula (1) and setting the porosity of the low-angle oriented positive electrode plate to 0% or more and 10% or less. Thus, the charge / discharge performance can be remarkably improved.
配向正極板12は、リチウム複合酸化物焼結体板である。このリチウム複合酸化物焼結体板は、層状岩塩構造を有するリチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、複数の一次粒子が配向正極板の板面に対して0°超30°以下の平均配向角度で配向している。
The alignment
配向正極板12は、互いに結合された複数の一次粒子11で構成された配向焼結体である。各一次粒子11は、主に板状であるが、直方体状、立方体状及び球状などに形成されたものが含まれていてもよい。各一次粒子11の断面形状は特に制限されるものではなく、矩形、矩形以外の多角形、円形、楕円形、或いはこれら以外の複雑形状であってもよい。
The oriented
各一次粒子11はリチウム複合酸化物で構成される。リチウム複合酸化物とは、LixMO2(0.05<x<1.10であり、Mは少なくとも1種類の遷移金属であり、Mは典型的にはCo、Ni、Mn及びAlの1種以上を含む)で表される酸化物である。リチウム複合酸化物は層状岩塩構造を有する。層状岩塩構造とは、リチウム層とリチウム以外の遷移金属層とが酸素の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち酸化物イオンを介して遷移金属イオン層とリチウム単独層とが交互に積層した結晶構造(典型的にはα−NaFeO2型構造、すなわち立方晶岩塩型構造の[111]軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列した構造)をいう。リチウム複合酸化物の例としては、LixCoO2(コバルト酸リチウム)、LixNiO2(ニッケル酸リチウム)、LixMnO2(マンガン酸リチウム)、LixNiMnO2(ニッケル・マンガン酸リチウム)、LixNiCoO2(ニッケル・コバルト酸リチウム)、LixCoNiMnO2(コバルト・ニッケル・マンガン酸リチウム)、LixCoMnO2(コバルト・マンガン酸リチウム)等が挙げられ、特に好ましくはLixCoO2(コバルト酸リチウム、典型的にはLiCoO2)である。リチウム複合酸化物には、Mg、Al、Si、Ca、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Sn、Sb、Te、Ba、Bi、及びWから選択される1種以上の元素が含まれていてもよい。 Each primary particle 11 is composed of a lithium composite oxide. The lithium composite oxide is Li x MO 2 (0.05 <x <1.10, M is at least one transition metal, and M is typically 1 of Co, Ni, Mn, and Al. Oxide containing a species or more). The lithium composite oxide has a layered rock salt structure. The layered rock salt structure is a crystal structure in which lithium layers and transition metal layers other than lithium are alternately stacked with oxygen layers in between, that is, the transition metal ion layer and the lithium single layer are alternately arranged via oxide ions. It refers to a laminated crystal structure (typically an α-NaFeO 2 type structure, ie, a structure in which transition metals and lithium are regularly arranged in the [111] axis direction of a cubic rock salt type structure). Examples of the lithium composite oxide include Li x CoO 2 (lithium cobaltate), Li x NiO 2 (lithium nickelate), Li x MnO 2 (lithium manganate), Li x NiMnO 2 (nickel / lithium manganate) , Li x NiCoO 2 (nickel / lithium cobaltate), Li x CoNiMnO 2 (cobalt / nickel / lithium manganate), Li x CoMnO 2 (cobalt / lithium manganate), and the like, particularly preferably Li x CoO 2. (Lithium cobaltate, typically LiCoO 2 ). The lithium composite oxide includes Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, Te, Ba One or more elements selected from Bi, Bi, and W may be included.
各一次粒子11の配向角度の平均値、すなわち平均配向角度は0°超30°以下である。これにより、以下の様々な利点がもたらされる。第一に、各一次粒子11が厚み方向に対して傾斜した向きに寝た状態になるため、各一次粒子同士の密着性を向上させることができる。その結果、ある一次粒子11と当該一次粒子11の長手方向両側に隣接する他の一次粒子11との間におけるリチウムイオン伝導性を向上させることができるため、レート特性を向上させることができる。第二に、サイクル特性を向上させることができる。すなわち、リチウムイオンの出入りに応じて(003)面と垂直な方向に各一次粒子11が伸縮するところ、板面方向に対する(003)面の傾斜角度を小さくすることによって、板面方向における配向正極板12の膨張収縮量が低減されて、配向正極板12と固体電解質部材14との間に応力が生じることを抑制できる。第三に、レート特性をより向上させることができる。これは、上述のとおり、リチウムイオンの出入りに際して、配向正極板12では、板面方向よりも厚み方向における膨張収縮が優勢となるため、配向正極板12の膨張収縮がスムーズになるところ、それに伴ってリチウムイオンの出入りもスムーズになるからである。
The average value of the orientation angles of the primary particles 11, that is, the average orientation angle is more than 0 ° and not more than 30 °. This provides the following various advantages. First, since each primary particle 11 is in a state of lying in a direction inclined with respect to the thickness direction, the adhesion between the primary particles can be improved. As a result, since the lithium ion conductivity between a certain primary particle 11 and other primary particles 11 adjacent to both sides in the longitudinal direction of the primary particle 11 can be improved, rate characteristics can be improved. Second, cycle characteristics can be improved. That is, when each primary particle 11 expands and contracts in the direction perpendicular to the (003) plane in accordance with the entry and exit of lithium ions, the orientation positive electrode in the plate plane direction is reduced by reducing the inclination angle of the (003) plane with respect to the plate plane direction. The expansion / contraction amount of the
一次粒子11の平均配向角度は、(i)正極板をクロスセクションポリッシャ(CP)により研磨し、(ii)得られた正極板断面(正極板の板面に垂直な断面)を所定の倍率(例えば1000倍)及び所定の視野(例えば125μm×125μm)でEBSD測定し、(iii)得られたEBSD像において特定される全ての粒子について、一次粒子の(003)面と正極板の板面とがなす角度(すなわち(003)からの結晶方位の傾き)を傾斜角として求め、(iv)それらの角度の平均値を算出することにより決定することができる。一次粒子11の平均配向角度は、レート特性の更なる向上の観点から、30°以下が好ましく、より好ましくは25°以下である。一次粒子11の平均配向角度は、レート特性の更なる向上の観点から、2°以上が好ましく、より好ましくは5°以上である。 The average orientation angle of the primary particles 11 is determined by (i) polishing the positive electrode plate with a cross section polisher (CP), and (ii) obtaining a cross section of the positive electrode plate (a cross section perpendicular to the plate surface of the positive electrode plate) at a predetermined magnification ( (Eg, 1000 times) and a predetermined field of view (for example, 125 μm × 125 μm), and (iii) For all particles specified in the obtained EBSD image, the (003) plane of primary particles and the plate surface of the positive electrode plate Can be determined by calculating the average value of these angles (iv). The average orientation angle of the primary particles 11 is preferably 30 ° or less, more preferably 25 ° or less, from the viewpoint of further improving the rate characteristics. The average orientation angle of the primary particles 11 is preferably 2 ° or more, more preferably 5 ° or more, from the viewpoint of further improving the rate characteristics.
各一次粒子11の配向角度は、0°から90°まで広く分布していてもよいが、その大部分は0°超30°以下の領域に分布していることが好ましい。すなわち、配向正極板12を構成する配向焼結体は、その断面(正極板の板面に垂直な断面)をEBSDにより解析した場合に、解析された断面に含まれる一次粒子11のうち配向正極板12の板面に対する配向角度が0°超30°以下である一次粒子11(以下、低角一次粒子という)の合計面積が、断面に含まれる一次粒子11(具体的には平均配向角度の算出に用いた30個の一次粒子11)の総面積に対して70%以上であるのが好ましく、より好ましくは80%以上である。これにより、相互密着性の高い一次粒子11の割合を増加させることができるため、レート特性をより向上させることができる。また、低角一次粒子のうち配向角度が20°以下であるものの合計面積は、平均配向角度の算出に用いた30個の一次粒子11の総面積に対して50%以上であることがより好ましい。さらに、低角一次粒子のうち配向角度が10°以下であるものの合計面積は、平均配向角度の算出に用いた30個の一次粒子11の総面積に対して15%以上であることがより好ましい。
The orientation angle of each primary particle 11 may be widely distributed from 0 ° to 90 °, but most of the primary particles 11 are preferably distributed in the region of more than 0 ° and not more than 30 °. That is, the oriented sintered body constituting the oriented
各一次粒子11は、主に板状であるため、正極板の板面に垂直な断面において、各一次粒子11の断面はそれぞれ所定方向に延びており、典型的には略矩形状となる。すなわち、配向焼結体は、その断面をEBSDにより解析した場合に、解析された断面に含まれる一次粒子11のうちアスペクト比が4以上である一次粒子11の合計面積が、断面に含まれる一次粒子11(具体的には平均配向角度の算出に用いた30個の一次粒子11)の総面積に対して70%以上であるのが好ましく、より好ましくは80%以上である。これにより、一次粒子11同士の相互密着性をより向上することができ、その結果、レート特性をより向上させることができる。一次粒子11のアスペクト比は、一次粒子11の最大フェレー径を最小フェレー径で除した値である。最大フェレー径は、正極板の板面に垂直な断面をEBSDにより解析したEBSD像上において、一次粒子11を平行な2本の直線で挟んだ場合における当該直線間の最大距離である。最小フェレー径は、正極板の板面に垂直な断面をEBSDにより解析したEBSD像上において、一次粒子11を平行な2本の直線で挟んだ場合における当該直線間の最小距離である。 Since each primary particle 11 is mainly plate-shaped, in the cross section perpendicular to the plate surface of the positive electrode plate, the cross section of each primary particle 11 extends in a predetermined direction, and typically has a substantially rectangular shape. That is, when the cross section of the oriented sintered body is analyzed by EBSD, the total area of the primary particles 11 having an aspect ratio of 4 or more among the primary particles 11 included in the analyzed cross section is included in the cross section. The total area of the particles 11 (specifically, 30 primary particles 11 used for calculating the average orientation angle) is preferably 70% or more, more preferably 80% or more. Thereby, the mutual adhesion between the primary particles 11 can be further improved, and as a result, the rate characteristics can be further improved. The aspect ratio of the primary particles 11 is a value obtained by dividing the maximum ferret diameter of the primary particles 11 by the minimum ferret diameter. The maximum ferret diameter is the maximum distance between the straight lines when the primary particle 11 is sandwiched between two parallel lines on the EBSD image obtained by analyzing the cross section perpendicular to the plate surface of the positive electrode plate by EBSD. The minimum ferret diameter is the minimum distance between the straight lines when the primary particle 11 is sandwiched between two parallel lines on the EBSD image obtained by analyzing the cross section perpendicular to the plate surface of the positive electrode plate by EBSD.
配向焼結体を構成する複数の一次粒子の平均粒径が5μm以上であるのが好ましい。具体的には、平均配向角度の算出に用いた30個の一次粒子11の平均粒径が、5μm以上であることが好ましく、より好ましくは7μm以上、さらに好ましくは12μm以上である。これにより、リチウムイオンが伝導する方向における一次粒子11同士の粒界数が少なくなって全体としてのリチウムイオン伝導性が向上するため、レート特性をより向上させることができる。一次粒子11の平均粒径は、各一次粒子11の円相当径を算術平均した値である。円相当径とは、EBSD像上において、各一次粒子11と同じ面積を有する円の直径のことである。 The average particle size of the plurality of primary particles constituting the oriented sintered body is preferably 5 μm or more. Specifically, the average particle diameter of the 30 primary particles 11 used for calculating the average orientation angle is preferably 5 μm or more, more preferably 7 μm or more, and further preferably 12 μm or more. Thereby, since the number of grain boundaries between the primary particles 11 in the direction in which lithium ions are conducted is reduced and the lithium ion conductivity as a whole is improved, the rate characteristics can be further improved. The average particle diameter of the primary particles 11 is a value obtained by arithmetically averaging the equivalent circle diameters of the primary particles 11. The equivalent circle diameter is the diameter of a circle having the same area as each primary particle 11 on the EBSD image.
配向正極板12を構成するリチウム複合酸化物焼結体板の空隙率は0%以上10%以下であり、好ましくは0%以上8%以下、より好ましくは0%以上5%以下、さらに好ましくは0%以上3%以下である。このような範囲内の空隙率であると、充放電性能の顕著な改善を実現できる。配向正極板12の空隙率は、配向正極板12における、空隙の体積比率である。この空隙率は、正極板の板面に垂直な断面のSEM像を画像解析することにより測定することができる。例えば、(i)焼結体板をクロスセクションポリッシャ(CP)で加工して研磨断面を露出させ、(ii)この研磨断面を所定の倍率(例えば1000倍)及び所定の視野(例えば125μm×125μm)でSEM(走査電子顕微鏡)により観察し、(iii)得られたSEM像を画像解析し、視野内の全ての空隙の面積を視野内の焼結体板の面積(断面積)で除し、得られた値に100を乗じることにより空隙率(%)を得ることができる。
The porosity of the lithium composite oxide sintered body plate constituting the aligned
配向正極板12の厚さは、単位面積当りの活物質容量を高めて全固体リチウム電池10のエネルギー密度を向上する観点から、30μm以上であり、好ましくは40μm以上、特に好ましくは50μm以上、最も好ましくは55μm以上である。厚さの上限値は特に限定されないが、充放電の繰り返しに伴う電池特性の劣化(特に抵抗値の上昇)を抑制する観点から、配向正極板12の厚さは200μm未満が好ましく、より好ましくは150μm以下、さらに好ましくは120μm以下、特に好ましくは100μm以下、最も好ましくは90μm以下、80μm以下又は70μm以下である。また、配向正極板のサイズは、好ましくは5mm×5mm平方以上、より好ましくは10mm×10mm平方以上であり、別の表現をすれば、好ましくは25mm2以上、より好ましくは100mm2以上である。
The thickness of the alignment
配向正極板12の固体電解質部材14から離れた側の面には、正極集電体13が設けられるのが好ましい。また、負極板16の固体電解質部材14から離れた側の面には、負極集電体17が設けられるのが好ましい。正極集電体13及び負極集電体17を構成する材料の例としては、白金(Pt)、白金(Pt)/パラジウム(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ITO(インジウム−錫酸化膜)等が挙げられる。
A positive electrode
配向正極板12、固体電解質部材14及び負極板16は容器18に収容される。容器18は、単位電池又はそれを複数個直列若しくは並列に積層させたスタックを収容可能な容器であれば特に限定されない。特に、全固体リチウム電池10は電解液の漏れの懸念が無いため、容器18は比較的簡素な容器形態を採用可能であり、外装材での包装であってもよい。例えば、電子回路に実装するためのチップ形態や、薄く幅広の空間用途のためのラミネートセル形態(例えばアルミニウム(Al)/ポリプロピレン(PP)の複層品)が採用可能である。正極集電体13及び/又は負極集電体17が容器18の一部を兼ねる構造としてもよい。また、耐熱性をより高めるために、ポリプロピレンの代わりにPCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、ポリイミド、ポリアミド等の耐熱樹脂を用いてもよい。
The alignment
固体電解質部材14の典型的な形態は固体電解質層である。固体電解質部材14としては、LiOH原料粉末とLi2SO4原料粉末とをモル比4:1から3:1で混合した混合物を、Ar雰囲気で加熱処理(400〜450℃、0.1〜1時間)することで溶融した溶融物を急冷することによって得られる凝固物を用いることができる。この凝固物は、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材である。すなわち、この凝固物は、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質のみから構成される場合だけでなく、これと異なる組成式xLiOH・yLi2SO4(例えばx=4、y=1)で表される固体電解質を同時に含むことも許容される固体電解質部材である。なお、固体電解質部材14としては、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含みつつ、かつ、異なる構成元素からなる固体電解質を含んでもよいことは言うまでもない。
A typical form of the
固体電解質部材14の寸法は特に限定されないが、固体電解質層の厚さは充放電レート特性と機械的強度の観点から、0.0005mm〜1.0mmが好ましく、より好ましくは0.001mm〜0.1mm、さらに好ましくは0.002〜0.05mmである。固体電解質層の厚さは、正極板12(又は、負極板16)上に載置する固体電解質量により制御してもよいし、プレス時に用いるスペーサーにより制御してもよい。その際に使用するスペーサーの種類は特に限定されないが、例えばAl2O3、MgO、ZrO2等のセラミックスを用いてもよい。
The dimension of the
負極板16は0.4V(対Li/Li+)以上でリチウムイオンを挿入脱離可能な負極板であり、Tiを含んでいる。かかる条件を満たす負極活物質は、少なくともTiを含有する酸化物であるのが好ましい。そのような負極活物質の好ましい例としては、チタン酸リチウムLi4Ti5O12(以下、LTO)、ニオブチタン複合酸化物Nb2TiO7、酸化チタンTiO2が挙げられ、より好ましくはLTO及びNb2TiO7、さらに好ましくはLTOである。なお、LTOは典型的にはスピネル型構造を有するものとして知られているが、充放電時には他の構造も採りうる。例えば、LTOは充放電時にLi4Ti5O12(スピネル構造)とLi7Ti5O12(岩塩構造)の二相共存にて反応が進行する。したがって、LTOはスピネル構造に限定されるものではない。
The
負極板16は焼結体板(例えばLTO又はNb2TiO7焼結体板)であるのが好ましい。焼結体板の場合、負極板にはバインダーが含まれないため、負極活物質(例えばLTO又はNb2TiO7)の充填密度が高くなることで、高容量や良好な充放電効率を得ることができる。なお、負極板にはバインダーが含まれない理由は、グリーンシートにバインダーが含まれていたとしても、焼成時にバインダーが消失又は焼失するからである。LTO焼結体板は、特許文献2(特開2015−185337号公報)に記載される方法に従って製造することができる。
The
負極板16は緻密であってもよいし、空隙を含んでいるものであってもよい。負極板16が空隙を含む場合、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの出入りに伴う結晶格子の伸縮によって発生する応力が、当該空隙によって良好(均一)に開放される結果、充放電サイクルの繰り返しに伴う粒界クラックの発生が可及的に抑制されるとの利点がある。
The
負極板16の空隙率は2〜40%であるのが好ましく、より好ましくは3〜30%である。このような範囲内であると、空隙による応力開放効果と、高容量化の効果とを望ましく実現することができる。負極板16の空隙率は、負極板16における、空隙の体積比率であり、前述した配向正極板12の空隙率と同様に、負極板16の断面SEM像を画像解析することにより測定することにより測定することができる。
The porosity of the
負極板16の厚さは、単位面積当りの活物質容量を高めて全固体リチウム電池10のエネルギー密度を向上する観点から、25μm以上であり、好ましくは30μm以上であり、より好ましくは40μm以上、特に好ましくは50μm以上、最も好ましくは55μm以上である。厚さの上限値は特に限定されないが、充放電の繰り返しに伴う電池特性の劣化(特に抵抗値の上昇)を抑制する観点から、負極板16の厚さは400μm以下が好ましく、より好ましくは300μm以下である。また、負極板16のサイズは、好ましくは5mm×5mm平方以上、より好ましくは10mm×10mm平方以上であり、別の表現をすれば、好ましくは25mm2以上、より好ましくは100mm2以上である。
The thickness of the
前述のとおり、配向正極板12はLiCoO2(LCO)焼結体板であるのが好ましく、負極板16はLi4Ti5O12(LTO)焼結体板であるのが好ましい。特に、LCO配向正極板の配向角度の平均値、すなわち平均配向角度が0°超30°以下である場合、充放電時に面方向へ膨張収縮が生じず、また、LTO負極板も充放電時に膨張収縮が生じなく、固体電解質部材14も充放電時に膨張収縮しないため、充放電時に応力(特に配向正極板12又は負極板16と固体電解質部材14との界面における応力)が発生しなくなり、充放電を安定に行うことができる。また、上記同様の目的から、負極板16としてNb2TiO7焼結体板を用いる場合は、膨張収縮を制御するように、Nb2TiO7焼結体板を構成する一次粒子を配向させるのが好ましい。
As described above, the oriented
本発明の全固体リチウム電池10は、常温でも充放電可能ではあるが、100℃以上の温度で充放電されるのが好ましい。100℃以上の温度で充放電させることで、急速充放電を高いサイクル容量維持率で実現することができる。すなわち、全固体リチウム電池10を100℃以上の高温で充放電させることで、急速充放電が可能となる。つまり、全固体リチウム電池10は上記温度で高速でかつ安定に駆動することができる。しかも、急速充放電を繰り返し行っても高い容量を維持することができる、すなわち高いサイクル容量維持率を実現することができる。したがって、充放電時における全固体リチウム電池10の好ましい作動温度は100℃以上であり、より好ましくは100〜300℃であり、さらに好ましくは100〜200℃、特に好ましくは100〜150℃である。上記作動温度を実現するための加熱手段は、各種ヒータや発熱を伴う各種装置又はデバイスであることができるが、好ましい例としては通電加熱式セラミックヒーターが挙げられる。換言すれば、本態様の全固体リチウム電池10は加熱手段を伴った二次電池システムとして提供されるのが好ましい。
The all-solid-
(配向正極板12の製造方法)
1.LiCoO2テンプレート粒子の作製
Co3O4原料粉末とLi2CO3原料粉末とを混合して焼成(500〜900℃、1〜20時間)することによって、LiCoO2粉末を合成する。
(Manufacturing method of the alignment positive electrode plate 12)
1. Preparation of LiCoO 2 Template Particles Co 3 O 4 raw material powder and Li 2 CO 3 raw material powder are mixed and fired (500 to 900 ° C. for 1 to 20 hours) to synthesize LiCoO 2 powder.
得られたLiCoO2粉末をポットミルにて体積基準D50粒径0.1μm〜10μmに粉砕することによって、板面と平行にリチウムイオンを伝導可能な板状のLiCoO2粒子が得られる。得られたLiCoO2粒子は、劈開面に沿って劈開しやすい状態となっている。LiCoO2粒子を解砕によって劈開させることで、LiCoO2テンプレート粒子を作製する。 The obtained LiCoO 2 powder is pulverized to a volume-based D50 particle size of 0.1 μm to 10 μm by a pot mill, whereby plate-like LiCoO 2 particles capable of conducting lithium ions in parallel with the plate surface are obtained. The obtained LiCoO 2 particles are easily cleaved along the cleavage plane. It is to cleave by crushing the LiCoO 2 particles to prepare a LiCoO 2 template particles.
このようなLiCoO2粒子は、LiCoO2粉末スラリーを用いたグリーンシートを粒成長させた後に解砕する手法や、フラックス法や水熱合成、融液を用いた単結晶育成、ゾルゲル法など板状結晶を合成する手法によっても得ることができる。 Such LiCoO 2 particles can be obtained by a method of crushing after growing a green sheet using LiCoO 2 powder slurry, a plate method such as a flux method, hydrothermal synthesis, single crystal growth using a melt, or a sol-gel method. It can also be obtained by a method of synthesizing crystals.
本工程では、下記の通り、配向正極板12を構成する一次粒子のプロファイルを制御することができる。
In this step, the profile of the primary particles constituting the aligned
まず、LiCoO2テンプレート粒子のアスペクト比及び粒径の少なくとも一方を調整することによって、配向角度が0°超30°以下である低角一次粒子の合計面積割合を制御することができる。具体的には、LiCoO2テンプレート粒子のアスペクト比を大きくするほど、また、LiCoO2テンプレート粒子の粒径を大きくするほど、低角一次粒子の合計面積割合を高めることができる。 First, by adjusting at least one of the aspect ratio and the particle size of the LiCoO 2 template particles, the total area ratio of the low-angle primary particles whose orientation angle is greater than 0 ° and 30 ° or less can be controlled. Specifically, the larger the aspect ratio of LiCoO 2 template particles, also, the larger the particle size of the LiCoO 2 template particles, it is possible to increase the total area ratio of the low-angle primary particles.
LiCoO2テンプレート粒子のアスペクト比と粒径のそれぞれは、Co3O4原料粉末及びLi2CO3原料粉末の粒径、及び粉砕時の粉砕条件(粉砕時間、粉砕エネルギー、粉砕手法など)、及び粉砕後の分級のうち少なくとも1つによって調整することができる。 Each of the aspect ratio and the particle size of the LiCoO 2 template particles is the particle size of the Co 3 O 4 raw material powder and the Li 2 CO 3 raw material powder, and the pulverization conditions during pulverization (such as pulverization time, pulverization energy, pulverization technique), and It can be adjusted by at least one of the classification after pulverization.
また、LiCoO2テンプレート粒子の粒径を調整することによって、一次粒子の平均粒径を制御することができる。 Moreover, the average particle diameter of the primary particles can be controlled by adjusting the particle diameter of the LiCoO 2 template particles.
また、LiCoO2テンプレート粒子の粒径を調整することによって、配向正極板12の緻密度を制御することができる。具体的には、LiCoO2テンプレート粒子の粒径を小さくするほど、配向正極板12の緻密度を高めることができる。
Further, the density of the aligned
2.マトリックス粒子の作製
Co3O4原料粉末をマトリックス粒子として用いる。Co3O4原料粉末の体積基準D50粒径は特に制限されず、例えば0.1〜1.0μmとすることができるが、LiCoO2テンプレート粒子の体積基準D50粒径より小さいことが好ましい。このマトリックス粒子は、Co(OH)2原料を500℃〜800℃で1〜10時間熱処理を行なうことによっても得ることができる。また、マトリックス粒子には、Co3O4のほか、Co(OH)2粒子を用いてもよいし、LiCoO2粒子を用いてもよい。
2. Preparation of matrix particles Co 3 O 4 raw material powder is used as matrix particles. The volume-based D50 particle size of the Co 3 O 4 raw material powder is not particularly limited and can be, for example, 0.1 to 1.0 μm, but is preferably smaller than the volume-based D50 particle size of LiCoO 2 template particles. The matrix particles can also be obtained by subjecting a Co (OH) 2 raw material to heat treatment at 500 ° C. to 800 ° C. for 1 to 10 hours. In addition to Co 3 O 4 , Co (OH) 2 particles or LiCoO 2 particles may be used as matrix particles.
本工程では、下記の通り、配向正極板12を構成する一次粒子のプロファイルを制御することができる。
In this step, the profile of the primary particles constituting the aligned
まず、LiCoO2テンプレート粒子の粒径に対するマトリックス粒子の粒径の比(以下、「マトリックス/テンプレート粒径比」という。)を調整することによって、配向角度が0°超30°以下である低角一次粒子の合計面積割合を制御することができる。具体的には、マトリックス/テンプレート粒径比を小さくするほど、すなわち、マトリックス粒子の粒径が小さいほど、後述する焼成工程においてマトリックス粒子がLiCoO2テンプレート粒子に取り込まれやすくなるため、低角一次粒子の合計面積割合を高めることができる。 First, by adjusting the ratio of the particle size of the matrix particles to the particle size of the LiCoO 2 template particles (hereinafter referred to as “matrix / template particle size ratio”), the orientation angle is less than 0 ° and less than 30 °. The total area ratio of the primary particles can be controlled. Specifically, the smaller the matrix / template particle size ratio, that is, the smaller the particle size of the matrix particles, the easier it is for the matrix particles to be incorporated into the LiCoO 2 template particles in the firing step described later. The total area ratio can be increased.
また、マトリックス/テンプレート粒径比を調整することによって、配向正極板12の緻密度を制御することができる。具体的には、マトリックス/テンプレート粒径比を小さくするほど、すなわち、マトリックス粒子の粒径が小さいほど、配向正極板12の緻密度を高めることができる。
Further, the density of the aligned
3.グリーンシートの作製
LiCoO2テンプレート粒子とマトリックス粒子を100:3〜3:97に混合した粉末と分散媒とバインダーと可塑剤と分散剤とを混合しながら、減圧下で撹拌して脱泡するとともに所望の粘度に調整することによってスラリーを調製する。
3. Preparation of green sheet While mixing powder, dispersion medium, binder, plasticizer and dispersant in which LiCoO 2 template particles and matrix particles are mixed in a ratio of 100: 3 to 3:97, the mixture is stirred and degassed under reduced pressure. A slurry is prepared by adjusting to the desired viscosity.
次に、LiCoO2テンプレート粒子にせん断力を印加可能な成形手法を用いて、調製したスラリーを成形することによって成形体を形成する。これによって、各一次粒子の平均配向角度を0°超30°以下とすることができる。 Next, a molded body is formed by molding the prepared slurry using a molding technique capable of applying a shearing force to LiCoO 2 template particles. Thereby, the average orientation angle of each primary particle can be made to be more than 0 ° and not more than 30 °.
LiCoO2テンプレート粒子にせん断力を印加可能な成形手法としては、ドクターブレード法が好適である。ドクターブレード法を用いる場合には、調製したスラリーをPETフィルムの上に成形することによって、成形体としてのグリーンシートが形成される。 A doctor blade method is suitable as a forming technique capable of applying a shearing force to LiCoO 2 template particles. When the doctor blade method is used, a green sheet as a molded body is formed by molding the prepared slurry on a PET film.
本工程では、下記の通り、配向正極板12を構成する一次粒子のプロファイルを制御することができる。
In this step, the profile of the primary particles constituting the aligned
まず、成形速度を調整することによって、配向角度が0°超30°以下である低角一次粒子の合計面積割合を制御することができる。具体的には、成形速度が速いほど、低角一次粒子の合計面積割合を高めることができる。 First, by adjusting the molding speed, the total area ratio of low-angle primary particles having an orientation angle of more than 0 ° and not more than 30 ° can be controlled. Specifically, the higher the molding speed, the higher the total area ratio of the low-angle primary particles.
また、成形体の密度を調整することによって、一次粒子の平均粒径を制御することができる。具体的には、成形体の密度を大きくするほど、一次粒子の平均粒径を大きくすることができる。 Moreover, the average particle diameter of a primary particle can be controlled by adjusting the density of a molded object. Specifically, the average particle diameter of the primary particles can be increased as the density of the molded body is increased.
また、LiCoO2テンプレート粒子とマトリックス粒子との混合比を調整することによっても、配向正極板12の緻密度を制御することができる。具体的には、LiCoO2テンプレート粒子の量を少なくするほど、配向正極板12の緻密度を高める下げることができる。
The density of the aligned
4.配向焼結板の作製
スラリーの成形体をジルコニア製セッターに載置して加熱処理(500℃〜900℃、1〜10時間)することによって、中間体としての焼結板を得る。
4). Preparation of Oriented Sintered Plate A molded product of slurry is placed on a zirconia setter and subjected to heat treatment (500 ° C. to 900 ° C., 1 to 10 hours) to obtain a sintered plate as an intermediate.
次に、合成したリチウムシートをLi/Co比が1.0になるように、焼結板をリチウムシートで上下挟み込み、ジルコニアセッター上に載せる。 Next, the sintered plate is sandwiched between lithium sheets so that the Li / Co ratio is 1.0, and the synthesized lithium sheet is placed on a zirconia setter.
次に、セッターをアルミナ鞘に入れ、大気中にて焼成(700〜850℃、1〜20時間)した後、焼結板をリチウムシートで上下挟み、さらに焼成(750〜900℃、1〜40時間)することによって、LiCoO2焼結板を得る。この焼成工程は、2度に分けて行ってもよいし、1度に行なってもよい。2度に分けて焼成する場合には、1度目の焼成温度が2度目の焼成温度より低いことが好ましい
本工程では、下記の通り、配向正極板12を構成する一次粒子のプロファイルを制御することができる。
Next, after putting a setter into an alumina sheath and firing in the atmosphere (700 to 850 ° C., 1 to 20 hours), the sintered plate is sandwiched between lithium sheets and further fired (750 to 900 ° C., 1 to 40). Time) to obtain a LiCoO 2 sintered plate. This firing step may be performed in two steps or may be performed once. When firing twice, it is preferable that the first firing temperature is lower than the second firing temperature. In this step, the profile of the primary particles constituting the aligned
まず、焼成時の昇温速度を調整することによって、配向角度が0°超30°以下である低角一次粒子の合計面積割合を制御することができる。具体的には、昇温速度を速くするほど、マトリックス粒子どうしの焼結が抑えられて、低角一次粒子の合計面積割合を高めることができる。 First, the total area ratio of the low-angle primary particles whose orientation angle is more than 0 ° and not more than 30 ° can be controlled by adjusting the temperature rising rate during firing. Specifically, the higher the temperature increase rate, the more the sintering of the matrix particles is suppressed, and the total area ratio of the low-angle primary particles can be increased.
また、中間体の加熱処理温度を調整することによっても、配向角度が0°超30°以下である低角一次粒子の合計面積割合を制御することができる。具体的には、中間体の加熱処理温度を低くするほど、マトリックス粒子どうしの焼結が抑えられて、低角一次粒子の合計面積割合を高めることができる。 In addition, the total area ratio of the low-angle primary particles whose orientation angle is greater than 0 ° and 30 ° or less can also be controlled by adjusting the heat treatment temperature of the intermediate. Specifically, the lower the heat treatment temperature of the intermediate, the more the sintering of the matrix particles is suppressed, and the total area ratio of the low-angle primary particles can be increased.
また、焼成時の昇温速度及び中間体の加熱処理温度の少なくとも一方を調整することによって、一次粒子の平均粒径を制御することができる。具体的には、昇温速度を速くするほど、また、中間体の加熱処理温度を低くするほど、一次粒子の平均粒径を大きくすることができる。 Moreover, the average particle diameter of the primary particles can be controlled by adjusting at least one of the temperature increase rate during firing and the heat treatment temperature of the intermediate. Specifically, the average particle diameter of the primary particles can be increased as the rate of temperature increase is increased and the heat treatment temperature of the intermediate is decreased.
また、焼成時のLi(例えば、Li2CO3)量及び焼結助剤(例えば、ホウ酸や酸化ビスマス)量の少なくとも一方を調整することによっても、一次粒子の平均粒径を制御することができる。具体的には、Li量多くするほど、また、焼結助剤量を多くするほど、一次粒子の平均粒径を大きくすることができる。 Also, the average particle size of the primary particles can be controlled by adjusting at least one of the amount of Li (for example, Li 2 CO 3 ) and the amount of sintering aid (for example, boric acid or bismuth oxide) during firing. Can do. Specifically, the average particle size of the primary particles can be increased as the amount of Li is increased and the amount of the sintering aid is increased.
また、焼成時のLi(例えば、Li2CO3)量を調整することによって、配向正極板12の緻密度を制御することができる。具体的には、Li量を多くするほど、配向正極板12の緻密度を高めることができる。
Moreover, the density of the alignment
また、焼成時のプロファイルを調整することによって、配向正極板12の緻密度を制御することができる。具体的には、焼成温度を遅くするほど、また、焼成時間を長くするほど、配向正極板12の緻密度を高めることができる。
Further, the density of the aligned
(全固体リチウム電池10の製造方法)
まず、LiOH原料粉末とLi2SO4原料粉末とを体積比3:1で混合した混合物を、Ar雰囲気で加熱処理(400〜450℃、0.1〜1時間)することで溶融させた後、この溶融物を急冷することによって凝固物を得る。この凝固物が、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材である。
(Manufacturing method of all-solid-state lithium battery 10)
First, LiOH raw material powder and Li 2 SO 4 raw material powder and a volume ratio of 3: The mixed mixture 1, heat treatment in an Ar atmosphere (400 to 450 ° C., 0.1 to 1 h) was melted in to it The solid is obtained by quenching the melt. This solidified product is a solid electrolyte member containing a solid electrolyte represented by a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4 .
次に、得られた固体電解質を正極板12(又は、負極板16)上に載置する。 Next, the obtained solid electrolyte is placed on the positive electrode plate 12 (or the negative electrode plate 16).
次に、固体電解質上に負極板14(又は、正極板12)を載置した後、負極板14(又は、正極板12)を正極板12(又は、負極板16)に向けてプレスする。 Next, after placing the negative electrode plate 14 (or the positive electrode plate 12) on the solid electrolyte, the negative electrode plate 14 (or the positive electrode plate 12) is pressed toward the positive electrode plate 12 (or the negative electrode plate 16).
以上によって、全固体リチウム電池10が形成される。
Thus, the all
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。なお、以下の例において、LiCoO2を「LCO」と略称し、Li4Ti5O12を「LTO」と略称するものとする。 The present invention is more specifically described by the following examples. In the following example, LiCoO 2 is abbreviated as “LCO”, and Li 4 Ti 5 O 12 is abbreviated as “LTO”.
(実施例1〜4,比較例1〜2の作製)
(1)正極板の作製
(Preparation of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2)
(1) Production of positive electrode plate
(1a)LCOグリーンシートの作製
Li/Coのモル比が1.02となるように秤量されたCo3O4粉末(正同化学工業株式会社製、平均粒径0.9μm)とLi2CO3粉末(本荘ケミカル株式会社製)を混合後、750℃で5時間保持した。得られた粉末をポットミルにて体積基準D50が0.4μmとなるように粉砕して、LCO板状粒子からなる粉末を得た。得られたLCO粉末100重量部と、分散媒(トルエン:イソプロパノール=1:1)100重量部と、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)10重量部と、可塑剤(DOP:Di(2−ethylhexyl)phthalate、黒金化成株式会社製)4重量部と、分散剤(製品名レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部とを混合した。得られた混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を4000cPに調整することによって、LCOスラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製LVT型粘度計で測定した。こうして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルム上にシート状に成形することによって、表1に示すように、一次粒子の平均配向角度が3°〜20°に調整されたLCOグリーンシートを形成した。LCOグリーンシートの厚さは焼成後の厚さが50μmとなるような値とした。
(1a) Preparation of LCO Green Sheet Co 3 O 4 powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., average particle size 0.9 μm) and Li 2 CO weighed so that the molar ratio of Li / Co is 1.02. After mixing 3 powders (Honjo Chemical Co., Ltd.), the mixture was held at 750 ° C. for 5 hours. The obtained powder was pulverized by a pot mill so that the volume standard D50 was 0.4 μm to obtain a powder composed of LCO plate-like particles. 100 parts by weight of the obtained LCO powder, 100 parts by weight of a dispersion medium (toluene: isopropanol = 1: 1), 10 parts by weight of a binder (polyvinyl butyral: product number BM-2, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.), and a plasticizer 4 parts by weight (DOP: Di (2-ethylhexyl) phthalate, manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) and 2 parts by weight of a dispersant (product name: Rheodor SP-O30, manufactured by Kao Corporation) were mixed. The obtained mixture was stirred and degassed under reduced pressure, and an LCO slurry was prepared by adjusting the viscosity to 4000 cP. The viscosity was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. An LCO green sheet in which the average orientation angle of primary particles is adjusted to 3 ° to 20 ° as shown in Table 1 by forming the slurry thus prepared into a sheet on a PET film by a doctor blade method. Formed. The thickness of the LCO green sheet was set to a value such that the thickness after firing was 50 μm.
(1b)Li2CO3グリーンシート(過剰リチウム源)の作製
Li2CO3原料粉末(体積基準D50粒径2.5μm、本荘ケミカル株式会社製)100重量部と、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)5重量部と、可塑剤(DOP:フタル酸ジ(2−エチルヘキシル)、黒金化成株式会社製)2重量部と、分散剤(レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部とを混合した。得られた混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を4000cPに調整することによって、Li2CO3スラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製LVT型粘度計で測定した。こうして調製されたLi2CO3スラリーを、PETフィルム上にシート状に成形することによって、Li2CO3グリーンシートを形成した。
(1b) Production of Li 2 CO 3 green sheet (excess lithium source) Li 2 CO 3 raw material powder (volume basis D50 particle size 2.5 μm, manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) 100 parts by weight and binder (polyvinyl butyral: product number BM) -2, 5 parts by weight of Sekisui Chemical Co., Ltd., 2 parts by weight of plasticizer (DOP: di (2-ethylhexyl) phthalate, Kurokin Kasei Co., Ltd.) and dispersant (Rheodor SP-O30, Kao) 2 parts by weight) were mixed. The resulting mixture was stirred and degassed under reduced pressure, and the viscosity was adjusted to 4000 cP to prepare a Li 2 CO 3 slurry. The viscosity was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. A Li 2 CO 3 green sheet was formed by forming the Li 2 CO 3 slurry thus prepared into a sheet on a PET film.
(1c)LCO焼結板(正極板)の作製
PETフィルムから剥がしたLCOグリーンシートをカッターで50mm角に切り出し、下部セッターとしてのマグネシア製セッター(寸法90mm角、高さ1mm)の中央に載置した。LCOグリーンシートを昇温速度200℃/hで600℃まで昇温して3時間脱脂した後、900℃で3時間保持することで仮焼した。得られたLCO仮焼板におけるCo含有量に対する、Li2CO3グリーンシートにおけるLi含有量のモル比である、Li/Co比が0.5となるようなサイズに、乾燥されたLi2CO3グリーンシートを切り出した。LCO仮焼板上に、上記切り出されたLi2CO3グリーンシート片を過剰リチウム源として載置し、その上に上部セッターとしての多孔質マグネシア製セッターを載置した。上記焼結板及びグリーンシート片をセッターで挟んだ状態で、120mm角のアルミナ鞘(株式会社ニッカトー製)内に載置した。このとき、アルミナ鞘を密閉せず、0.5mmの隙間を空けて蓋をした。得られた積層物を昇温速度200℃/hで600℃まで昇温して3時間脱脂した後に、800℃まで200℃/hで昇温して5時間保持した後800℃〜900℃まで200℃/hで昇温して24時間保持することで焼成を行った。この際、焼成温度を変更することによって、実施例1〜4及び比較例2それぞれのLCO焼結体板(正極板)における空隙率を表1に示すように変更した。
(1c) Production of LCO sintered plate (positive electrode plate) The LCO green sheet peeled off from the PET film was cut into a 50 mm square with a cutter and placed in the center of a magnesia setter (dimension 90 mm square, height 1 mm) as a lower setter. did. The LCO green sheet was heated to 600 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h, degreased for 3 hours, and then calcined by holding at 900 ° C. for 3 hours. To Co content in the resultant LCO calcined plate, the molar ratio of Li content in Li 2 CO 3 green sheet, sized to Li / Co ratio is 0.5, dried Li 2 CO Three green sheets were cut out. On the LCO calcined plate, the cut out Li 2 CO 3 green sheet piece was placed as an excess lithium source, and a porous magnesia setter as an upper setter was placed thereon. The sintered plate and the green sheet piece were placed in a 120 mm square alumina sheath (Nikkato Co., Ltd.) with the setter sandwiched between them. At this time, the alumina sheath was not sealed, and a gap of 0.5 mm was left to cover. The obtained laminate was heated to 600 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h and degreased for 3 hours, then heated to 800 ° C. at 200 ° C./h and held for 5 hours, and then from 800 ° C. to 900 ° C. Firing was performed by raising the temperature at 200 ° C./h and holding for 24 hours. At this time, the porosity in each LCO sintered body plate (positive electrode plate) of each of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2 was changed as shown in Table 1 by changing the firing temperature.
焼成後、室温まで降温させた後に焼成体をアルミナ鞘より取り出した。こうしてLCO焼結板を正極板として得た。得られたLCO焼結体板の下部セッターに接触していた面にスパッタリングによりAu膜(厚さ100nm)を集電層として形成した後、10mm×10mm平方の形状にレーザー加工した。 After firing, the temperature was lowered to room temperature, and then the fired body was taken out from the alumina sheath. Thus, an LCO sintered plate was obtained as a positive electrode plate. An Au film (thickness: 100 nm) was formed as a current collecting layer by sputtering on the surface of the obtained LCO sintered body plate that was in contact with the lower setter, and then laser processed into a 10 mm × 10 mm square shape.
(2)負極板の作製
(2a)LTOグリーンシートの作製
LTO粉末(体積基準D50粒径0.06μm、シグマアルドリッチジャパン合同会社製)100重量部と、分散媒(トルエン:イソプロパノール=1:1)100重量部と、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)20重量部と、可塑剤(DOP:Di(2−ethylhexyl)phthalate、黒金化成株式会社製)4重量部と、分散剤(製品名レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部とを混合した。得られた負極原料混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を4000cPに調整することによって、LTOスラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製LVT型粘度計で測定した。こうして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルム上にシート状に成形することによって、LTOグリーンシートを形成した。乾燥後のLTOグリーンシートの厚さは焼成後の厚さが50μmとなるような値とした。
(2) Production of negative electrode plate (2a) Production of LTO green sheet LTO powder (volume basis D50 particle size 0.06 μm, Sigma-Aldrich Japan GK) 100 parts by weight and dispersion medium (toluene: isopropanol = 1: 1) 100 parts by weight, 20 parts by weight of a binder (polyvinyl butyral: product number BM-2, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) and 4 parts by weight of a plasticizer (DOP: Di (2-ethylhexyl) phthalate, manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.) And 2 parts by weight of a dispersant (product name Leodol SP-O30, manufactured by Kao Corporation) were mixed. The obtained negative electrode raw material mixture was stirred and degassed under reduced pressure, and an LTO slurry was prepared by adjusting the viscosity to 4000 cP. The viscosity was measured with an LVT viscometer manufactured by Brookfield. The slurry thus prepared was formed into a sheet on a PET film by a doctor blade method to form an LTO green sheet. The thickness of the LTO green sheet after drying was set to such a value that the thickness after firing was 50 μm.
(2b)LTOグリーンシートの焼成
得られたグリーンシートを25mm角にカッターナイフで切り出し、エンボス加工され
ジルコニア製セッター上に載置した。セッター上のグリーンシートをアルミナ製鞘に入れて500℃で5時間保持した後に、昇温速度200℃/hにて昇温し、800℃で5時間焼成を行なった。得られたLTO焼結体板のセッターに接触していた面にスパッタリングによりAu膜(厚さ100nm)を集電層として形成した後、10mm×10mm平方の形状にレーザー加工した。
(2b) Firing of LTO green sheet The obtained green sheet was cut into a 25 mm square with a cutter knife, embossed and placed on a zirconia setter. The green sheet on the setter was put in an alumina sheath and held at 500 ° C. for 5 hours, and then heated at a temperature rising rate of 200 ° C./h and baked at 800 ° C. for 5 hours. An Au film (thickness: 100 nm) was formed as a current collecting layer by sputtering on the surface of the obtained LTO sintered body plate that was in contact with the setter, and then laser processed into a 10 mm × 10 mm square shape.
(3)固体電解質部材の作製
まず、Li2SO4原料粉末とLiOH原料粉末とを、体積比3:1で混合した。
(3) Preparation of the solid electrolyte member First, a Li 2 SO 4 raw material powder and LiOH raw material powder, a volume ratio of 3: 1 mixture.
次に、混合物をAr雰囲気のガラス管に入れ、430℃で2時間加熱することによって溶融した。そして、ガラス管を水中に投入して10分間保持することによって、溶融物を急冷して凝固体を形成した。 Next, the mixture was put in a glass tube in an Ar atmosphere and melted by heating at 430 ° C. for 2 hours. Then, the glass tube was put into water and held for 10 minutes, whereby the melt was rapidly cooled to form a solidified body.
次に、Ar雰囲気において10mm×10mm平方の凝固体を切り出した。 Next, a 10 mm × 10 mm square solidified body was cut out in an Ar atmosphere.
(4)電池作製
上記正極板上に切り出した凝固体を載置し、上から負極板を加圧しながら載せた。このとき凝固体は圧縮されて、最終的に厚さ20μmの固体電解質層が形成された。得られた正極板/固体電解質/負極板からなるセルを用いて100個のラミネート電池を作製した。
(4) Battery preparation The solidified body cut out on the positive electrode plate was placed, and the negative electrode plate was placed while pressing from above. At this time, the solidified body was compressed, and finally a solid electrolyte layer having a thickness of 20 μm was formed. 100 laminated batteries were produced using the obtained positive electrode plate / solid electrolyte / negative electrode plate cell.
(5)評価
上記(1)で合成されたLCO正極板、上記(2)で合成されたLTO負極板、及び上記(4)で作製された電池について、以下に示されるとおり各種の評価を行った。
(5) Evaluation Regarding the LCO positive electrode plate synthesized in the above (1), the LTO negative electrode plate synthesized in the above (2), and the battery produced in the above (4), various evaluations were performed as shown below. It was.
(比較例1の作製)
比較例1では、無配向のLCO焼結板(正極板)を用いた以外は、実施例1〜4及び比較理恵2と同じ工程にて電池を作製した。比較例1で用いた無配向のLCO焼結板は、市販のLCO粉末を用いて作製したグリーンシートを、昇温速度200℃/hで600℃まで昇温して3時間脱脂した後、900℃まで200℃/hで昇温して24時間保持することで焼成を行うことによって作製した。
(Production of Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a battery was fabricated in the same process as Examples 1 to 4 and Comparative Reason 2 except that a non-oriented LCO sintered plate (positive electrode plate) was used. The non-oriented LCO sintered plate used in Comparative Example 1 was obtained by heating a green sheet produced using a commercially available LCO powder to 600 ° C. at a temperature rising rate of 200 ° C./h and degreasing for 3 hours. The temperature was raised to 200 ° C./h up to 200 ° C. and kept for 24 hours to perform firing.
<空隙率>
LCO正極板及びLTO負極板の各々をクロスセクションポリッシャ(CP)(日本電子株式会社製、IB−15000CP)により研磨し、得られた電極板断面を1000倍の視野(125μm×125μm)でSEM観察(日本電子株式会社製、JSM6390LA)した後に画像解析し、全ての空隙の面積を各板の面積で除し、得られた値に100を乗じることで各電極板の空隙率(%)を算出した。
<Porosity>
Each of the LCO positive electrode plate and the LTO negative electrode plate is polished with a cross section polisher (CP) (IB-15000CP, manufactured by JEOL Ltd.), and the obtained electrode plate cross section is observed by SEM with a 1000 × field of view (125 μm × 125 μm). (JSM 6390LA, manufactured by JEOL Ltd.) After image analysis, the area of all voids was divided by the area of each plate, and the resulting value was multiplied by 100 to calculate the porosity (%) of each electrode plate did.
<一次粒子の平均配向角度>
LCO正極板をクロスセクションポリッシャ(CP)(日本電子株式会社製、IB−15000CP)により研磨し、得られた正極板断面(正極板の板面に垂直な断面)を1000倍の視野(125μm×125μm)でEBSD測定して、EBSD像を得た。このEBSD測定は、ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、型式JSM−7800F)を用いて行った。得られたEBSD像において特定される全ての粒子について、一次粒子の(003)面と正極板の板面とがなす角度(すなわち(003)からの結晶方位の傾き)を傾斜角として求め、それらの角度の平均値を一次粒子の平均配向角度(平均傾斜角)とした。
<Average orientation angle of primary particles>
The LCO positive electrode plate was polished with a cross section polisher (CP) (IB-15000CP, manufactured by JEOL Ltd.), and the resulting positive electrode plate cross section (cross section perpendicular to the plate surface of the positive electrode plate) was viewed 1000 times (125 μm × EBSD measurement was performed at 125 μm to obtain an EBSD image. This EBSD measurement was performed using a Schottky field emission scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model JSM-7800F). For all the particles specified in the obtained EBSD image, the angle formed by the (003) plane of the primary particle and the plate surface of the positive electrode plate (that is, the inclination of the crystal orientation from (003)) is determined as the inclination angle, The average value of the angles was defined as the average orientation angle (average tilt angle) of the primary particles.
<充放電可否評価>
150℃の作動温度において、0.2Cレートで電池電圧が2.7Vとなるまで定電流充電して電流値が0.02Cレートになるまで定電圧充電した後、0.2Cレートで1.5Vになるまで放電することによって、充放電の可否を判定した。
<Evaluation of charge / discharge availability>
At an operating temperature of 150 ° C., constant current charging is performed until the battery voltage reaches 2.7 V at a 0.2 C rate, and constant voltage charging is performed until the current value reaches a 0.02 C rate, and then 1.5 V at a 0.2 C rate. It was determined whether or not charging / discharging was possible by discharging until.
表1に示すように、空隙率が0%以上10%以下、かつ、一次粒子の平均配向角度が0°超30°以下の配向正極板と、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材とを用いることによって、全固体リチウム電池における充放電性能を顕著に改善できることが確認できた。 As shown in Table 1, the positive electrode plate having a porosity of 0% or more and 10% or less and an average orientation angle of primary particles of more than 0 ° and 30 ° or less, and a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4 It was confirmed that the charge / discharge performance in the all-solid lithium battery can be remarkably improved by using the solid electrolyte member containing the solid electrolyte.
10 全固体リチウム電池
11 一次粒子
12 正極板
13 正極集電体
14 固体電解質部材
16 負極板
17 負極集電体
18 容器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Tiを含み、かつ、0.4V(対Li/Li+)以上でリチウムイオンを挿入脱離可能な負極板と、
組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材と、
を備える、
全固体リチウム電池。 An oriented positive electrode plate which is a lithium composite oxide sintered body plate having a porosity of 0% or more and 10% or less, wherein the lithium composite oxide sintered plate is a plurality of primary particles composed of a lithium composite oxide An oriented positive electrode plate, wherein the plurality of primary particles are oriented at an average orientation angle of more than 0 ° and not more than 30 ° with respect to the plate surface of the oriented positive electrode plate;
A negative electrode plate containing Ti and capable of inserting and extracting lithium ions at 0.4 V (vs. Li / Li + ) or higher;
A solid electrolyte member including a solid electrolyte represented by a composition formula 3 LiOH · Li 2 SO 4 ;
Comprising
All solid lithium battery.
請求項1に記載の全固体リチウム電池。 The lithium composite oxide is lithium cobalt oxide;
The all solid lithium battery according to claim 1.
請求項1又は2に記載の全固体リチウム電池。 It is charged and discharged at a temperature of 100 ° C or higher,
The all-solid-state lithium battery of Claim 1 or 2.
前記正極板又は前記負極板に、組成式3LiOH・Li2SO4で表される固体電解質を含む固体電解質部材を載置する工程と、
前記固体電解質上に前記負極板又は前記正極板を載置する工程と、
前記負極板を前記正極板に向けて又は前記正極板を前記負極板に向けてプレスする工程と、
を含む、
全固体リチウム電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the all-solid-state lithium battery as described in any one of Claims 1-3,
Placing a solid electrolyte member containing a solid electrolyte represented by a composition formula 3LiOH · Li 2 SO 4 on the positive electrode plate or the negative electrode plate;
Placing the negative electrode plate or the positive electrode plate on the solid electrolyte; and
Pressing the negative electrode plate toward the positive electrode plate or the positive electrode plate toward the negative electrode plate;
including,
A method for producing an all-solid-state lithium battery.
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