JP2020098703A - イオン伝導体および蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.全固体電池102の構成:
(全体構成)
図1は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池(以下、「全固体電池」という)102の断面構成を概略的に示す説明図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向といい、Z軸負方向を下方向という。
電池本体110は、電池要素がすべて固体で構成されたリチウムイオン二次電池本体である。なお、本明細書において、電池要素がすべて固体で構成されているとは、すべての電池要素の骨格が固体で構成されていることを意味し、例えば該骨格中に液体が含浸した形態等を排除するものではない。電池本体110は、正極114と、負極116と、正極114と負極116との間に配置された固体電解質層112とを備える。以下の説明では、正極114と負極116とを、まとめて電極ともいう。電池本体110は、特許請求の範囲における蓄電デバイスに相当する。
固体電解質層112は、略平板形状の部材であり、固体電解質であるリチウムイオン伝導体202を含んでいる。より詳細には、固体電解質層112は、リチウムイオン伝導体202の粉末が加圧成形された成形体(圧粉体)である。固体電解質層112の厚さは、例えば数μm〜数百μm程度である。固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202の構成については、後に詳述する。
正極114は、略平板形状の部材であり、正極活物質214を含んでいる。正極114の厚さは、例えば数μm〜数百μm程度である。正極活物質214としては、例えば、S(硫黄)、TiS2、LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等が用いられる。また、正極114は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体204を含んでいる。正極114は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Ag(銀))を含んでいてもよい。また、正極114は、例えばLiNbO3によりコートされていてもよい。
負極116は、略平板形状の部材であり、負極活物質216を含んでいる。負極116の厚さは、例えば数μm〜数百μm程度である。負極活物質216としては、例えば、Li金属、Li−Al合金、Li4Ti5O12、カーボン、Si(ケイ素)、SiO等が用いられる。また、負極116は、リチウムイオン伝導助剤としての固体電解質であるリチウムイオン伝導体206を含んでいる。負極116は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni、Pt、Ag)を含んでいてもよい。
次に、固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202の構成について説明する。なお、正極114に含まれるリチウムイオン伝導体204および負極116に含まれるリチウムイオン伝導体206の構成は、固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202の構成と同様であるため、説明を省略する。
測定装置:リガク社製 RINT−TTR III
X線出力:50kV−300mA
フィルタ:Kβフィルタ
発散スリット:1.0mm
発散縦制限スリット:10mm
散乱スリット:開放
受光スリット:開放
走査モード:連続
スキャンスピード:2.0000°/min
サンプリング幅:0.0200°
走査軸:2θ/θ
次に、本実施形態の全固体電池102の製造方法の一例を説明する。はじめに、固体電解質層112を作製する。具体的には、クロソ系錯体水素化物の原料粉末(例えば、Li2B12H12・4H2Oの粉末)を準備し、真空加熱乾燥(例えば、250℃、20時間)を行うことにより乾燥粉末(Li2B12H12の粉末)を得る。この乾燥粉末に対してボールミルによる粉砕処理(例えば、回転数:400rpm、処理時間:10時間以上(ただし、5時間毎に30分間休止する))を行う。ボールミルによる粉砕処理を長くすることにより、クロソ系錯体水素化物の非晶質化度を上げることができる。ボールミルによる粉砕処理後の粉末に対して真空加熱乾燥(例えば、160℃、12時間)を行うことにより、乾燥粉末(Li2B12H12の粉末)を得る。この粉末を所定の圧力で加圧成型する。これにより、クロソ系錯体水素化物を含むリチウムイオン伝導体202から構成された固体電解質層112が作製される。
全固体電池102の各層(固体電解質層112、正極114、負極116)に含まれるリチウムイオン伝導体202、204、206について、リチウムイオン伝導性に関する性能評価を行った。図2は、性能評価結果を示す説明図である。また、図3は、ボールミルによる粉砕時間とクロソ系錯体水素化物の非晶質化度との関係を示す説明図であり、図4は、クロソ系錯体水素化物のX線回折パターンを例示する説明図であり、図5は、クロソ系錯体水素化物の非晶質化度とリチウムイオン伝導率との関係を示す説明図である。
図2および図5に示すように、非晶質化度が0%であるサンプルS1では、リチウムイオン伝導率が、7.00×10−7S/cm以下の低い値であった。このサンプルでは、非晶質化度が非常に低いために、抵抗の中でも粒界抵抗が非常に高くなっており、そのためにリチウムイオン伝導率が低くなっているものと推察される。
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (6)
- イオン伝導体において、
クロソ系錯体水素化物を含み、
前記クロソ系錯体水素化物の非晶質化度は、8%以上である、
ことを特徴とするイオン伝導体。 - 請求項1に記載のイオン伝導体において、
前記クロソ系錯体水素化物の非晶質化度は、35%以上である、
ことを特徴とするイオン伝導体。 - 請求項1または請求項2に記載のイオン伝導体において、
前記クロソ系錯体水素化物は、金属イオンであるカチオンと、一般式:(CmBn−mHn)(2−m)−(ただし、0≦m<2、5≦n≦12)で表されるアニオンとを含む、
ことを特徴とするイオン伝導体。 - 請求項3に記載のイオン伝導体において、
前記一般式において、n=10またはn=12である、
ことを特徴とするイオン伝導体。 - 請求項3に記載のイオン伝導体において、
前記一般式において、n=12かつm=0であり、
前記クロソ系錯体水素化物の格子定数は、9.62Å以上である、
ことを特徴とするイオン伝導体。 - 固体電解質層と、正極と、負極と、を備える蓄電デバイスにおいて、
前記固体電解質層と、前記正極と、前記負極との少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のイオン伝導体を含む、
ことを特徴とする蓄電デバイス。
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