JP2020053154A - 負極合材 - Google Patents
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Abstract
Description
全固体電池の中でも全固体リチウムイオン電池は、リチウムイオンの移動を伴う電池反応を利用するためエネルギー密度が高いという点、また、正極と負極の間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いるという点で注目されている。
本開示は、上記実情に鑑み、全固体電池に用いたときに当該全固体電池の抵抗を低くし、且つ、当該全固体電池の充電性能を向上させることができる負極合材を提供することを目的とする。
前記負極合材は、第1の負極活物質と、第2の負極活物質を含み、
第1の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位と第2の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位との差が1.0V以上である、ことを特徴とする負極合材を提供する。
前記第2の負極活物質は、Li4Ti5O12であり、
前記負極合材に含まれる前記第1の負極活物質の質量と前記第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、前記第2の負極活物質の含有割合が5質量%〜15質量%であってもよい。
前記負極合材は、第1の負極活物質と、第2の負極活物質を含み、
第1の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位と第2の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位との差が1.0V以上である、ことを特徴とする負極合材を提供する。
全固体電池では空隙やバインダーなどの存在により、電極の厚さ方向に対するリチウムイオン伝導パスを阻害してしまう。そのため、全固体電池では、液系電池に比較して電極の厚み方向のリチウムイオン伝導パスが悪い。特に、電極の厚みが大きい場合には、厚み方向での電極の反応ムラが著しく発生し、負極内においては、当該負極内の正極側の負極活物質の反応は起こりやすいが、当該負極内の負極集電体側の負極活物質の反応は起こりにくいという現象が生じる。
また、電池の充電時に大電流が流れた場合、負極において、対向している正極に近い側の負極内の負極活物質の反応が顕著に起こりやすく、負極において正常にLiを吸蔵する反応を行うことができず、電池の不可逆容量が発生してしまう。
そのため、全固体電池において充電性能を向上させるためには、電極内の抵抗を低くし、電極の厚み方向に対するリチウムの拡散性を向上させる必要がある。
本研究者は、負極内にリチウム金属に対する反応電位の異なる2種類以上の負極活物質を混合することにより、負極内のリチウムの拡散を促進させ、全固体電池の充電性能を向上させることができることを見出した。
これは、負極内にリチウム金属に対する反応電位の異なる2種類以上の負極活物質が存在することにより、当該反応電位の差が負極内にリチウムが拡散するための推進力となるためであると推定される。
第1の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位と第2の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位との差は下限が1.0V以上であればよく、上限は特に限定されないが、所望の電池の起電力を確保する観点から、2.0V以下であってもよく、1.6V以下であってもよい。上記反応電位差が1.0V以上であることにより、負極合材層内のリチウムが拡散するための推進力が得られ、負極合材層内のリチウムの拡散を促進させることができる。
第1の負極活物質は、炭素(反応電位:0.15〜0.05Vvs.Li/Li+)、Si(反応電位:0.35〜0.05Vvs.Li/Li+)、及びSn(反応電位:0.65〜0.35Vvs.Li/Li+)からなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
第2の負極活物質は、Li4Ti5O12(以下LTOと称する場合がある)であることが好ましい。LTOの反応電位は、1.50〜1.65Vvs.Li/Li+である。
負極活物質の反応電位は、例えば、測定対象となる負極活物質を含む負極を備える電池について開回路電圧(OCV)を測定することにより算出することができる。また、負極活物質の反応電位は、例えば、測定対象となる負極活物質を含む負極について三電極法により充放電曲線を観測し、当該充放電曲線から電池の充放電時の負極活物質の開回路電位(OCP)を測定することができる。そして、当該開回路電位を負極活物質の反応電位としてもよい。
また、負極活物質の反応電位は、上記開回路電位の測定において、当該負極活物質に対しリチウムが挿入脱離可能な負極容量の範囲、または、負極活物質がリチウムと合金化可能な負極容量の範囲で、5%刻み等で測定した各負極容量における各OCPの値の平均値であってもよい。
したがって、本開示においては、第1の負極活物質の反応電位と第2の負極活物質の反応電位との差は、第1の負極活物質の反応電位の平均値と、第2の負極活物質の反応電位の平均値との差(平均反応電位差)であってもよい。
図1に示すように、LTOの電位と炭素の電位との電位差が負極合材層内のリチウムの拡散の推進力となって、負極合材層内のリチウムの拡散を促進すると考えられる。
図1に示す充電曲線は、負極活物質を含む負極について三電極法により得たものである。
負極活物質が粒子である場合の当該粒子の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上100μm以下であることが好ましく、10nm以上30μm以下であることがより好ましい。
第2の負極活物質の含有量が20質量%以上の場合、第2の負極活物質がLTOの場合、LTOの比容量は165mAh/g程度であり、第1の負極活物質が炭素の場合、炭素の比容量370mAh/gに比較して小さい。そのため、LTOを入れ過ぎると負極として炭素のみの場合の容量と同容量を確保するには、負極合材層の厚みを厚くするか、又は、負極合材層中に含まれる固体電解質の含有割合を減らし、負極合材層中に含まれる負極活物質の含有割合を高くする必要がある。いずれの場合であっても、負極の抵抗が上がる傾向がある、そのため、第2の負極活物質としてLTOを負極合材層に入れすぎるとLTOを入れることによるリチウムの拡散性の向上効果よりも負極の抵抗の方が向上してしまう。
導電材及びバインダーとしては、後述する正極合材層に含まれる材料と同様のものを選択することができる。
負極合材の形態は、粒子状であってもよく、圧粉体であってもよく、ペースト状(負極合材ペースト)であってもよい。負極合材の圧粉体はそのまま負極合材層としてもよい。負極合材ペーストは、後述する負極集電体や固体電解質層の一面上に塗工して乾燥させることにより負極合材層を形成してもよい。
本開示に用いられる全固体電池は、通常、正極合材層を含む正極と、本開示の負極合材を含有する負極合材層を含む負極と、当該正極合材層及び当該負極合材層の間に配置される固体電解質層と、を備える。
本開示の全固体電池は、本開示の負極合材を含有する負極合材層を含む負極を備えていることにより、当該全固体電池の抵抗を低くし、且つ、当該全固体電池の充電性能を向上させることができる。
図2に示すように、全固体電池100は、正極合材層12及び正極集電体14を含む正極16と、負極合材層13及び負極集電体15を含む負極17と、正極16と負極17の間に配置される固体電解質層11を備える。
正極は、少なくとも正極合材層と、正極集電体を有する。
正極合材層は、正極活物質を含み、任意成分として、固体電解質、導電材、バインダーが含まれていてもよい。
正極活物質の形状は特に限定されるものではないが、粒子状であってもよい。
正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていても良い。正極活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。
Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO3、Li4Ti5O12、Li3PO4が挙げられる。コート層の厚さは、下限が例えば、0.1nm以上であり、1nm以上であっても良い。一方、コート層の厚さは、上限が例えば、100nm以下であり、20nm以下であっても良い。正極活物質表面におけるコート層の被覆率は、例えば、70%以上であり、90%以上であっても良い。
正極合材層における固体電解質の含有量は特に限定されるものではない。
正極合材層における導電材の含有量は特に限定されるものではない。
正極合材層を形成する方法としては、特に限定されないが、正極活物質及び必要に応じ他の成分を含む正極合材の粉末を加圧成形する方法等が挙げられる。また、正極合材層を形成する方法の別の例としては、正極活物質、溶媒及び必要に応じ他の成分を含む正極合材ペーストを用意し、当該正極合材ペーストを正極集電体又は固体電解質層の一面上に塗布し、当該正極合材ペーストを乾燥する方法等が挙げられる。正極合材ペーストに用いられる溶媒は、例えば酢酸ブチル、ヘプタン、N−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。正極集電体又は固体電解質層の一面上に正極合材ペーストを塗布する方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
正極集電体の形態は特に限定されるものではなく、箔状、メッシュ状等、種々の形態とすることができる。
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を有する。
固体電解質は、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が挙げられ、電池の出力を向上させる観点から、硫化物系固体電解質が好ましい。
硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−SiS2、LiX−Li2S−SiS2、LiX−Li2S−P2S5、LiX−Li2O−Li2S−P2S5、LiX−Li2S−P2O5、LiX−Li3PO4−P2S5、Li3PS4等が挙げられ、LiI−LiBr−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−P2S5が好ましい。なお、上記「Li2S−P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる材料を意味し、他の記載についても同様である。また、上記LiXの「X」は、ハロゲン元素を示す。さらに、原料組成物中にLiXは、1種含まれていてもよく、2種以上含まれていてもよい。
硫化物系固体電解質は、ガラスであってもよく、結晶材料であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。ガラスは、原料組成物(例えばLi2SおよびP2S5の混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止できるからである。また、ガラスセラミックスは、ガラスを熱処理することにより得ることができる。また、結晶材料は、例えば、原料組成物に対して固相反応処理することにより得ることができる。
酸化物系固体電解質としては、例えばLi6.25La3Zr2Al0.25O12、Li3PO4、Li3+xPO4−xNx(LiPON)等が挙げられる。
また、固体電解質の粒子の平均粒径(D50)は、特に限定されない。
負極は、負極合材層と負極集電体を有する。
負極合材層は、本開示の負極合材を含む。
負極合材層の厚みは特に限定されないが、0.1μm〜500μmであってもよい。
負極集電体の形態は特に限定されるものではなく、箔状、メッシュ状等、種々の形態とすることができる。
外装体の形状としては、特に限定されないが、ラミネート型等を挙げることができる。
外装体の材質は、電解質に安定なものであれば特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、アクリル樹脂等の樹脂等が挙げられる。
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、及び角型等を挙げることができる。
この場合、固体電解質材料の粉末、正極合材の粉末、及び負極合材の粉末を加圧成形する際のプレス圧は、通常1MPa以上600MPa以下程度である。
加圧方法としては、特に制限されないが、例えば、平板プレス、ロールプレス等を用いて圧力を付加する方法等が挙げられる。
本開示の全固体電池の製造方法の別の例としては、例えば、まず、固体電解質材料の粉末を加圧成形することにより固体電解質層を形成する。そして、正極集電体の一面上に正極合材ペーストを塗布し、当該正極合材ペーストを乾燥させることにより正極合材層を含む正極を得る。その後、負極集電体の一面上に負極合材ペーストを塗布し、当該負極合材ペーストを乾燥させることにより負極合材層を含む負極を得る。そして、正極集電体、正極合材層、固体電解質層、負極合材層、負極集電体の順となるように固体電解質層を正極合材層と負極合材層の間に配置することにより全固体電池を得ることができる。
全固体電池の製造は、系内の水分をできるだけ除去した状態で行うとよい。例えば、各製造工程において、系内を減圧すること、系内を不活性ガス等の水分を実質的に含まないガスで置換すること等が有効と考えられる。
[固体電解質の合成]
固体電解質の原料として、Li2S(フルウチ化学社製)0.550gとP2S5(アルドリッチ社製)0.887gとLiI(日宝化学社製)0.285gとLiBr(高純度化学社製)0.277gを秤量し、これらの原料をメノウ乳鉢に投入し、乳棒を用いて当該原料を5分間混合し、混合物を得た。その後、得られた混合物と脱水ヘプタン(関東化学工業社製)4gを容器に入れ、遊星型ボールミルを用い40時間メカニカルミリングすることで固体電解質として、LiI−LiBr−Li2S−P2S5を得た。
ポリプロピレン製容器に、第1の負極活物質として炭素粒子(三菱化学株式会社製)と、第2の負極活物質としてチタン酸リチウムLi4Ti5O12(石原産業社製)と、固体電解質としてLiI−LiBr−Li2S−P2S5を0.776gと、PVdF(クレハ社製)を0.02gと、酪酸ブチル(ナカライテスク社製)を2.4g投入し、これらの原料を、超音波ホモジナイザー(SMT社製UH−50)を用いて混合したものを負極合材ペーストとした。
負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質と第2の負極活物質の合計は1.16gとし、第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が5質量%含まれるようにした。すなわち、第1の負極活物質を1.102g、第2の負極活物質を0.058g用いた。
正極活物質としては、表面にLiNbO3が被覆されたLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業社製)を使用した。
ポリプロピレン製容器に、上記正極活物質を1.5g、導電材としてVGCF(昭和電工社製)を0.023g、固体電解質(LiI−LiBr−Li2S−P2S5)を0.239g、PVdF(クレハ社製)を0.013g、酪酸ブチル(ナカライテスク社製)0.8gを投入し、これらの原料を、超音波ホモジナイザー(SMT社製UH−50)を用いて混合したものを正極合材ペーストとした。
ポリプロピレン製容器に、ヘプタンと、ブタジエンゴム系バインダーを5質量%含むヘプタン溶液と、固体電解質として平均粒径2.5μmのLiI−Li2S−P2S5系ガラスセラミックとを加え、これらの原料を、超音波分散装置を用いて、30秒間攪拌した。次に、容器を振とう器で3分間振とうさせて、固体電解質層用ペーストを得た。
アプリケーターを使用してドクターブレード法にて正極集電体としてのアルミニウム箔の一面上に正極合材ペーストを塗工した。塗工時の正極合材の目付量は、18mg/cm2とした。塗工後、100℃のホットプレス上で正極合材ペーストを30分間乾燥させて、アルミニウム箔の一面上に正極合材層を有する正極を得た。
同様にして、負極集電体としての銅箔の一面上に負極合材ペーストを塗工した。塗工時の負極合材の目付量は、得られる負極が正極に対して、容量比が1.3となる量に調整した。塗工後、100℃のホットプレス上で負極合材ペーストを30分乾燥させて、銅箔の一面上に負極合材層を有する負極を得た。
負極の容量は、第1の負極活物質としての炭素の理論容量を370mAh/g、第2の負極活物質としてのLTOの理論容量を165mAh/gとして、第1の負極活物質と、第2の負極活物質の含有割合から算出した。
上記で得られた正極を事前プレスした。事前プレス後の正極について、正極合材層の一面上に、ダイコーターにより固体電解質層用ペーストを塗工し、100℃のホットプレート上で、固体電解質層用ペーストを30分間乾燥させた。その後、正極を2ton/cm2(≒196MPa)の圧力でロールプレスして、正極合材層の一面上に固体電解質層を備える正極側積層体を得た。
上記で得られた負極を事前プレスした。事前プレス後の負極について、負極合材層の表面に、ダイコーターにより固体電解質層用ペーストを塗工し、100℃のホットプレート上で、固体電解質層用ペーストを30分間乾燥させた。その後、負極を2ton/cm2(≒196MPa)の圧力でロールプレスして、負極合材層の一面上に固体電解質層を備える負極側積層体を得た。
正極側積層体と負極側積層体とをそれぞれ打ち抜き加工し、正極側積層体の固体電解質層と、負極側積層体の固体電解質層との間に、固体電解質層用ペーストを配置し、正極側積層体の固体電解質層と、負極側積層体の固体電解質層とを貼り合わせるようにして重ね合わせ、積層体を得た。その後、積層体を130℃の温度にて、2ton/cm2(≒196MPa)でプレスし、正極と固体電解質層と負極とをこの順に有する発電要素を得た。
得られた発電要素をラミネート樹脂で封入し、発電要素を1Mpaで拘束することで、評価用の全固体リチウムイオン二次電池とした。
上記[負極合材ペーストの作製]において、負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が10質量%含まれるようにしたこと以外は、実施例1と同様に、負極合材ペースト、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
上記[負極合材ペーストの作製]において、負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が15質量%含まれるようにしたこと以外は、実施例1と同様に、負極合材ペースト、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
上記[負極合材ペーストの作製]において、負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が2.5質量%含まれるようにしたこと以外は、実施例1と同様に、負極合材ペースト、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
上記[負極合材ペーストの作製]において、負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が17.5質量%含まれるようにしたこと以外は、実施例1と同様に、負極合材ペースト、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
上記[負極合材ペーストの作製]において、負極合材ペースト中に含まれる第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質が20質量%含まれるようにしたこと以外は、実施例1と同様に、負極合材ペースト、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
上記[負極合材ペーストの作製]において、第2の負極活物質を用いなかったこと以外は、実施例1と同様に、負極合材、及び全固体リチウムイオン二次電池を得た。
得られた実施例1〜6、比較例1の各全固体リチウムイオン二次電池(評価用電池)について、抵抗測定前のコンディショングとして温度25℃、充放電レート0.1Cにて電池電圧が4.35V〜3.0Vの範囲で5サイクルの定電流−定電圧(CC−CV)充放電を実施した。
各評価用電池について、当該評価用電池の電圧をSOCが30%となるように調整後、充電レート2Cにて10秒間通電した際の電圧降下分ΔVを通電電流値で除算することで、評価用電池のSOC30%の時の抵抗値を算出した。
同様に各評価用電池について、当該評価用電池の電圧をSOCが70%となるように調整後、充電レート2Cにて10秒間通電した際の電圧降下分ΔVを通電電流値で除算することで、評価用電池のSOC70%の時の抵抗値を算出した。
結果を図3、図4、表1に示す。
本開示において、充電状態値(SOC:State of Charge)は、電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量はSOC100%である。
その後、各評価用電池について、温度25℃、充放電レートを2Cに設定して、電池電圧が4.35V〜3.0Vの範囲で定電流−定電圧充放電を30サイクル実施した。
充電性能試験において、各評価用電池の1サイクル目の充電容量と放電容量を測定し、充電容量に対する放電容量(放電容量/充電容量)を算出した。
また、各評価用電池の30サイクル目の充電容量と放電容量を測定し、充電容量に対する放電容量を算出した。
結果を図5、表1に示す。なお、表1においてサイクルはcycと表記した。
よって、第1の負極活物質の質量と第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、第2の負極活物質の含有割合が0質量%を超え、20質量%以下含まれる負極合材を用いた全固体電池は、当該全固体電池の抵抗を低くすることができ、且つ、当該全固体電池の充電性能を向上させることができることが実証された。
12 正極合材層
13 負極合材層
14 正極集電体
15 負極集電体
16 正極
17 負極
100 全固体電池
Claims (2)
- 負極合材層を含む負極を備える全固体電池用の負極合材であって、
前記負極合材は、第1の負極活物質と、第2の負極活物質を含み、
第1の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位と第2の負極活物質のリチウム金属に対する反応電位との差が1.0V以上である、ことを特徴とする負極合材。 - 前記第1の負極活物質は、炭素、Si、及びSnからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記第2の負極活物質は、Li4Ti5O12であり、
前記負極合材に含まれる前記第1の負極活物質の質量と前記第2の負極活物質の質量の合計を100質量%としたとき、前記第2の負極活物質の含有割合が5質量%〜15質量%である、請求項1に記載の負極合材。
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