JP2020140963A - Solid electrolyte, all-solid secondary battery, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質、並びに全固体二次電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte, an all-solid secondary battery, and a method for producing the same.
リチウムイオン二次電池は、例えば、携帯電話、ノートPC、PDAなどの携帯小型機器の電源として広く使用されている。このような携帯小型機器で使用されるリチウムイオン二次電池は、小型化、薄型化、信頼性の向上が求められている。 Lithium-ion secondary batteries are widely used as a power source for small portable devices such as mobile phones, notebook PCs, and PDAs. Lithium-ion secondary batteries used in such small portable devices are required to be smaller, thinner, and more reliable.
リチウムイオン二次電池としては、電解質に有機電解液を用いたものと、固体電解質を用いたもの(いわゆる全固体二次電池)とが知られている。全固体二次電池には、有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池と比較して、電池形状の設計の自由度が高く、電池サイズの小型化や薄型化が容易であり、電解液の液漏れなどが起きず、信頼性が高いといった利点がある。 As the lithium ion secondary battery, one using an organic electrolytic solution as an electrolyte and one using a solid electrolyte (so-called all-solid secondary battery) are known. Compared to lithium-ion secondary batteries that use organic electrolytes, all-solid-state secondary batteries have a higher degree of freedom in battery shape design, and it is easier to reduce the size and thickness of batteries. It has the advantage of high reliability without liquid leakage.
一方で、全固体二次電池は、有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池と比較して、一般にリチウムイオンの伝導性が低い。このため、全固体二次電池には、有機電解液を用いたリチウムイオン二次電池と比較して、内部抵抗が高く、出力電流が低いといった課題がある。 On the other hand, the all-solid-state secondary battery generally has lower lithium ion conductivity than the lithium ion secondary battery using an organic electrolytic solution. Therefore, the all-solid-state secondary battery has problems that the internal resistance is high and the output current is low as compared with the lithium ion secondary battery using the organic electrolytic solution.
そこで、全固体二次電池では、固体電解質のリチウムイオンのイオン伝導性を高め、内部抵抗を低下させることが求められている(例えば、下記特許文献1〜3を参照。)。 Therefore, in an all-solid-state secondary battery, it is required to increase the ionic conductivity of lithium ions of a solid electrolyte and reduce the internal resistance (see, for example, Patent Documents 1 to 3 below).
具体的に、下記特許文献1には、結晶質のリチウムイオン伝導性物質と、母材としてのLi+ x(B1−y,Ay)z+O2− δ(式中、AはC,Al,Si,Ga,Ge,In,Snのうち少なくとも1種以上の元素であり、yは0≦y<1を満たし、zは(B1−y,Ay)の平均価数であり、x,z,δはx+z=δ/2の関係式を満たす。)と、を含む固体電解質が開示されている。 Specifically, Patent Document 1 below describes a crystalline lithium ion conductive substance and Li + x (B 1-y , A y ) z + O 2- δ as a base material (in the formula, A is C, It is at least one element among Al, Si, Ga, Ge, In, and Sn, y satisfies 0 ≦ y <1, and z is an average valence of (B 1-y , A y ). X, z, δ satisfy the relational expression of x + z = δ / 2), and a solid electrolyte containing the above is disclosed.
この固体電解質は、リチウムイオン伝導率が比較的高く、且つ、700℃程度の低温で焼結可能なものである。その理由は、母材としてのLi+ x(B1−y,Ay)z+O2− δが低温で融解するため、その融解温度と同程度の低温で焼結できると考えられる。 This solid electrolyte has a relatively high lithium ion conductivity and can be sintered at a low temperature of about 700 ° C. The reason is that Li + x (B 1-y , A y ) z + O 2- δ as the base material melts at a low temperature, so it is considered that it can be sintered at a low temperature similar to the melting temperature.
一方、下記特許文献2には、一般式LipLa(2−p)/3TiO3(0<p≦0.5)で表される酸化物の結晶構造の一部が前記酸化物の焼結温度よりも融点の低い低融点材料で置換されているか、この酸化物を主成分とし、この酸化物のほかに前記酸化物の焼結温度よりも融点の低い低融点材料(Bi、Li2B4O7、LiBO2から選ばれる1以上である)を含んでいるかの少なくとも一方を満たす焼結体である、固体電解質が開示されている。
On the other hand, in
一方、特許文献3には、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料であって、前記セラミックス材料が、Li、La、Zr及びOである主要構成元素と、少なくともBiを含む置換元素とを含んでなるガーネット型又はガーネット型類似の結晶単相から実質的になる酸化物焼結体からなる、セラミックス材料が開示されている。
On the other hand,
しかしながら、上述した特許文献1〜3に記載の技術においても、高いリチウムイオン伝導度を有する固体電解質が得られず、このような固体電解質を用いた全固体二次電池では、十分大きな容量が得られなかった。 However, even with the techniques described in Patent Documents 1 to 3 described above, a solid electrolyte having high lithium ion conductivity cannot be obtained, and an all-solid secondary battery using such a solid electrolyte can obtain a sufficiently large capacity. I couldn't.
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、高いイオン伝導度を有する固体電解質、並びに、このような固体電解質を用いることによって、大きな容量を得ることができる全固体二次電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and a solid electrolyte having high ionic conductivity and an all-solid state in which a large capacity can be obtained by using such a solid electrolyte. An object of the present invention is to provide a secondary battery and a method for manufacturing the secondary battery.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔1〕 第1の固体電解質粒子と、第2の固体電解質粒子とを含み、
前記第1の固体電解質粒子と前記第2の固体電解質粒子とが互いに同一の結晶構造を有し、
前記第1の固体電解質粒子の平均粒径をD1とし、前記第1の固体電解質粒子の焼結温度をT1とし、前記第2の固体電解質粒子の平均粒径をD2とし、前記第2の固体電解質粒子の焼結温度をT2としたときに、
D1>D2、
T1>T2
の関係を満足することを特徴とする固体電解質。
〔2〕 0.1×D1≧D2
の関係を満足することを特徴とする前記〔1〕に記載の固体電解質。
〔3〕 前記第1の固体電解質粒子の表面のうち、少なくとも50%以上が前記第2の固体電解質粒子と接触していることを特徴とする前記〔1〕又は〔2〕に記載の固体電解質。
〔4〕 T1−T2≧100℃
の関係を満足することを特徴とする前記〔1〕〜〔3〕の何れか一項に記載の固体電解質。
〔5〕 前記第1の固体電解質粒子と前記第2の固体電解質粒子とが互いに異なる組成を有することを特徴とする前記〔1〕〜〔4〕の何れか一項に記載の固体電解質。
〔6〕 前記第1の固体電解質粒子は、Li、La、Zr、Oを含むガーネット構造を有し、
前記第2の固体電解質粒子は、Li、La、Bi、Oを含むガーネット構造を有することを特徴とする前記〔1〕〜〔5〕の何れか一項に記載の固体電解質。
〔7〕 前記〔1〕〜〔6〕の何れか一項に記載の固体電解質を備える全固体二次電池。
〔8〕 第1の固体電解質粒子と、第2の固体電解質粒子とを含む固体電解質を用いた全固体二次電池の製造方法であって、
前記第1の固体電解質粒子と前記第2の固体電解質粒子とが互いに同一の結晶構造を有し、
前記第1の固体電解質粒子の平均粒径をD1とし、前記第1の固体電解質粒子の焼結温度をT1とし、前記第2の固体電解質粒子の平均粒径をD2とし、前記第2の固体電解質粒子の焼結温度をT2としたときに、
D1>D2、
T1>T2
の関係を満足する固体電解質を用いることを特徴とする全固体二次電池の製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
[1] The first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles are included.
The first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles have the same crystal structure as each other.
The average particle size of the first solid electrolyte particles is D1, the sintering temperature of the first solid electrolyte particles is T1, the average particle size of the second solid electrolyte particles is D2, and the second solid is solid. When the sintering temperature of the electrolyte particles is T2,
D1> D2,
T1> T2
A solid electrolyte characterized by satisfying the relationship of.
[2] 0.1 × D1 ≧ D2
The solid electrolyte according to the above [1], which satisfies the above-mentioned relationship.
[3] The solid electrolyte according to the above [1] or [2], wherein at least 50% or more of the surfaces of the first solid electrolyte particles are in contact with the second solid electrolyte particles. ..
[4] T1-T2 ≥ 100 ° C
The solid electrolyte according to any one of the above [1] to [3], which is characterized by satisfying the above-mentioned relationship.
[5] The solid electrolyte according to any one of the above [1] to [4], wherein the first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles have different compositions from each other.
[6] The first solid electrolyte particle has a garnet structure containing Li, La, Zr, and O, and has a garnet structure.
The solid electrolyte according to any one of the above [1] to [5], wherein the second solid electrolyte particles have a garnet structure containing Li, La, Bi, and O.
[7] An all-solid-state secondary battery comprising the solid electrolyte according to any one of the above [1] to [6].
[8] A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte containing a first solid electrolyte particle and a second solid electrolyte particle.
The first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles have the same crystal structure as each other.
The average particle size of the first solid electrolyte particles is D1, the sintering temperature of the first solid electrolyte particles is T1, the average particle size of the second solid electrolyte particles is D2, and the second solid is solid. When the sintering temperature of the electrolyte particles is T2,
D1> D2,
T1> T2
A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery, which comprises using a solid electrolyte that satisfies the above relationship.
以上のように、本発明によれば、高いイオン伝導度を有する固体電解質、並びに、このような固体電解質を用いることによって、大きな容量を得ることができる全固体二次電池及びその製造方法を提供することが可能である。 As described above, according to the present invention, there is provided a solid electrolyte having high ionic conductivity, an all-solid secondary battery capable of obtaining a large capacity by using such a solid electrolyte, and a method for producing the same. It is possible to do.
以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。したがって、図面に記載の各構成要素の寸法比率などは、実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In addition, in the drawing used in the following description, in order to make the feature of the present invention easy to understand, the feature portion may be enlarged and shown for convenience. Therefore, the dimensional ratio and the like of each component described in the drawings may differ from the actual ones. Further, the materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof.
(全固体二次電池)
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図1に示す全固体二次電池1について説明する。なお、図1は、全固体二次電池1の構成を示す断面図である。
(All-solid-state secondary battery)
First, as an embodiment of the present invention, for example, the all-solid-state secondary battery 1 shown in FIG. 1 will be described. Note that FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the all-solid-state secondary battery 1.
本実施形態の全固体二次電池1は、図1に示すように、全固体リチウムイオン二次電池に本発明を適用したものである。具体的に、この全固体二次電池1は、第1の電極2と、第2の電極3と、第1の電極2と第2の電極3との間に介在される固体電解質4とを備えている。
As shown in FIG. 1, the all-solid-state secondary battery 1 of the present embodiment is an all-solid-state lithium-ion secondary battery to which the present invention is applied. Specifically, the all-solid-state secondary battery 1 contains a
全固体二次電池1は、これら第1の電極2と固体電解質4と第2の電極3とが繰り返し積層された積層体5を有している。また、全固体二次電池1は、この積層体5を構成する複数の第1の電極1の各々と電気的に接続された第1の接続端子6と、この積層体5を構成する複数の第2の電極2の各々と電気的に接続された第2の接続端子7とを備えている。
The all-solid-state secondary battery 1 has a
第1の接続端子6は、積層体5の一方の側面に対向して、この側面から露出した各第1の電極2の端部と接触して設けられている。第2の接続端子7は、積層体5の他方の側面に対向して、この側面から露出した各第2の電極3の端部と接触して設けられている。
The
第1の接続端子6及び第2の接続端子7には、導電率が大きい材質のものを用いることが好ましい。具体的には、例えば、銀(Ag)やパラジウム(Pd)、金(Au)、プラチナ(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)又はこれらの合金などを用いることができる。なお、第1の接続端子6及び第2の接続端子7には、互いに同じ材質のものを用いてもよく、互いに異なる材質のものを用いてもよい。
It is preferable to use a material having a high conductivity for the
全固体二次電池1では、第1の電極2と第2電極3とのうち、何れか一方(本実施形態では第1の電極層2)が正極(以下、正極2とする。)として機能し、何れか他方(本実施形態では第2の電極3)が負極(以下、負極3とする。)として機能する。
In the all-solid-state secondary battery 1, one of the
これにより、本実施形態の全固体二次電池1では、固体電解質4を挟んで交互に積層された正極2と負極3との間で、この固体電解質4を介したリチウムイオンの授受により充放電が行われる。
As a result, in the all-solid-state secondary battery 1 of the present embodiment, charge / discharge is performed by exchanging lithium ions via the solid electrolyte 4 between the
なお、第1の電極2と第2の電極3とは、第1の接続端子6と第2の接続端子7とに正負の何れの極性の外部端子を接続するかによって、正極と負極との何れかとして機能することになる。
The
正極2は、正極集電体2aと、正極活物質2bとを有している。同様に、負極3は、負極集電体3aと、負極活物質3bとを有している。
The
正極集電体2a及び負極集電体3aには、導電率が高い材質のものを用いることが好ましい。具体的には、例えば、銀(Ag)やパラジウム(Pd)、金(Au)、プラチナ(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)又はこれらの合金などを用いることができる。
It is preferable to use materials having high conductivity for the positive electrode
その中でも、銅は、正極活物質2b、負極活物質3b及び固体電解質4と反応しにくいため、正極集電体2a及び負極集電体3aに銅を用いた場合、全固体二次電池1の内部抵抗を低減できる。なお、正極集電体2a及び負極集電体3bには、互いに同じ材質のものを用いてもよく、互いに異なる材質のものを用いてもよい。
Among them, copper does not easily react with the positive electrode
正極活物質2bは、正極集電体2aの両面に設けられている。但し、積層体5の最上層又は最下層が正極2で構成されている場合、この最上層又は最下層に位置する正極2は、その下層又は上層側において負極3と対向する正極集電体2aの片面のみに正極活物質2bを設けた構成となる。
The positive electrode
同様に、負極活物質3bは、負極集電体3aの両面に設けられている。但し、積層体5の最上層又は最下層が負極3で構成されている場合、この最上層又は最下層に位置する負極3は、その下層又は上層側において正極2と対向する負極集電体3aの片面のみに負極活物質3bを設けた構成となる。
Similarly, the negative electrode
正極活物質2b及び負極活物質3bには、リチウムイオンを効率的に挿入、脱離できる活物質を適宜選択して用いることができる。具体的には、遷移金属酸化物や遷移金属複合酸化物などを用いることができる。より具体的には、例えば、リチウムマンガン複合酸化物Li2MnaMa1−aO3(0.8≦a≦1、Ma=Co、Ni)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMbPO4(但し、Mbは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素を表す。)、リン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3又はLiVOPO4)、Li2MnO3−LiMcO2(Mc=Mn、Co、Ni)で表されるLi過剰系固溶体、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LisNitCouAlvO2(0.9<s<1.3、0.9<t+u+v<1.1)で表される複合金属酸化物などを用いることができる。
As the positive electrode
正極活物質2bと負極活物質3bとは、明確な区別がなく、2種類の化合物の電位を比較して、より貴な電位を示す化合物を正極活物質2bとして用い、より卑な電位を示す化合物を負極活物質3bとして用いることができる。
There is no clear distinction between the positive electrode
また、正極集電体2aと負極集電体3aとは、それぞれ正極活物質2bと負極活物質3bとを含んでいてもよい。それぞれの集電体2a,3aに含まれる活物質2b,3bの含有比は、集電体として機能する限り特に限定はされないものの、例えば、正極集電体/正極活物質、又は、負極集電体/負極活物質が、それぞれ体積比率で90/10から70/30の範囲であることが好ましい。
Further, the positive electrode
正極集電体2aと負極集電体3aとがそれぞれ正極活物質2bと負極活物質3bとを含むことによって、正極2を構成する正極集電体2aと正極活物質2bとの密着性と、負極3を構成する負極集電体3aと負極活物質3bとの密着性とが向上する。
Since the positive electrode
また、正極2及び負極3は、上述した正極活物質2b及び負極活物質3bと共に、例えば、導電助剤や結着剤などを含むものであってよい。
Further, the
固体電解質4は、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料を適宜選択して用いることができる。具体的には、例えば、Li6.4Al0.2La3Zr2O12(LLZO)、Li5La3Bi2O12、LLZO+LiBO2などのガーネット型の結晶構造を有する化合物や、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)、LiZr2(PO4)3(LZP)、Li1.1Y0.1Zr1.9(PO4)3などのNASICON型の結晶構造を有する化合物、Li0.29La0.57TiO3、Li0.45La0.57Ti0.95O3などのペロブスカイト型の結晶構造を有する化合物などを用いることができる。 As the solid electrolyte 4, a material having low electron conductivity and high lithium ion conductivity can be appropriately selected and used. Specifically, for example, a compound having a garnet-type crystal structure such as Li 6.4 Al 0.2 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 5 La 3 Bi 2 O 12 , LLZO + LiBO 2 , and Li 1 .3 NASICON such as Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP), LiZr 2 (PO 4 ) 3 (LZP), Li 1.1 Y 0.1 Zr 1.9 (PO 4 ) 3. A compound having a perovskite type crystal structure such as a compound having a type crystal structure, Li 0.29 La 0.57 TiO 3 , Li 0.45 La 0.57 Ti 0.95 O 3, and the like can be used.
(全固体二次電池の製造方法)
次に、上記全固体二次電池1の製造方法について説明する。
上記全固体二次電池1を製造する際は、先ず、上記積層体5を作製する。上記積層体5を作製方法としては、同時焼成法又は逐次焼成法を用いることができる。
(Manufacturing method of all-solid-state secondary battery)
Next, a method for manufacturing the all-solid-state secondary battery 1 will be described.
When manufacturing the all-solid-state secondary battery 1, first, the
同時焼成法は、各層を形成する材料を積層した後、一括焼成により積層体5を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を形成する毎に焼成を行う方法である。
The co-fired method is a method in which the materials forming each layer are laminated and then the
同時焼成法を用いる場合、逐次焼成法を用いる場合と比較して、少ない作業工程で積層体5を作製できる。また、同時焼成法を用いる場合、逐次焼成法を用いる場合と比較して、得られる積層体5が緻密となる。したがって、本実施形態では、同時焼成法を用いて積層体5を作製する場合を例に挙げて説明する。
When the simultaneous firing method is used, the
同時焼成法を用いて積層体5を作製する際は、積層体5を構成する各材料のペーストを作成する工程と、ペーストを塗布乾燥してグリーンシートを作製する工程と、グリーンシートを積層して積層シートとし、これを同時焼成する工程とを有する。
When the
具体的には、先ず、積層体5を構成する正極集電体2a、正極活物質2b、固体電解質4、負極活物質3b、及び負極集電体3aの各材料をペースト化する。
Specifically, first, each material of the positive electrode
各材料をペースト化する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストを得る方法が用いられる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒やバインダーが含まれる。 The method for making each material into a paste is not particularly limited, and for example, a method of mixing powders of each material with a vehicle to obtain a paste is used. Here, vehicle is a general term for media in the liquid phase. Vehicles include solvents and binders.
このような方法を用いて、正極集電体2a用のペースト、正極活物質2b用のペースト、固体電解質4用のペースト、負極活物質3b用のペースト、及び負極集電体3a用のペーストを作製する。
Using such a method, a paste for the positive electrode
次に、グリーンシートを作製する。グリーンシートは、それぞれの材料毎に作製されたペーストをPET(ポリエチレンテレフタラート)フィルムなどの基材上に塗布し、必要に応じて乾燥させた後、基材を剥離して得られるものである。ペーストの塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷や塗布、転写、ドクターブレードなどの公知の方法を用いることができる。 Next, a green sheet is prepared. The green sheet is obtained by applying a paste prepared for each material on a base material such as PET (polyethylene terephthalate) film, drying it if necessary, and then peeling off the base material. .. The method of applying the paste is not particularly limited, and for example, known methods such as screen printing, application, transfer, and doctor blade can be used.
次に、それぞれの材料毎に作製されたグリーンシートを、所望の順序及び積層数で積み重ねて積層シートを作製する。グリーンシートを積層する際は、必要に応じてアライメントや切断などを行う。例えば、並列型又は直並列型の電池を作製する場合には、正極集電体2aの端面と負極集電体3aの端面とが一致しないようにアライメントを行い、それぞれのグリーンシートを積み重ねることが好ましい。
Next, the green sheets produced for each material are stacked in a desired order and the number of layers to prepare a laminated sheet. When laminating green sheets, alignment and cutting are performed as necessary. For example, when manufacturing a parallel type or serial parallel type battery, it is possible to align the end faces of the positive electrode
また、積層シートは、正極ユニット及び負極ユニットを作製し、これらのユニットを積層する方法を用いて作製してもよい。 Further, the laminated sheet may be produced by producing a positive electrode unit and a negative electrode unit and using a method of laminating these units.
具体的には、先ず、PETフィルムなどの基材の上に、固体電解質4用のペーストをドクターブレード法により塗布し、乾燥してシート状の固体電解質4を形成する。 Specifically, first, a paste for the solid electrolyte 4 is applied onto a base material such as a PET film by the doctor blade method, and dried to form a sheet-shaped solid electrolyte 4.
次に、固体電解質4の上に、スクリーン印刷により正極活物質2b用のペーストを印刷して乾燥し、正極活物質2bを形成する。
Next, the paste for the positive electrode
次に、正極活物質2bの上に、スクリーン印刷により正極集電体2a用のペーストを印刷して乾燥し、正極集電体2aを形成する。
Next, the paste for the positive electrode
次に、正極集電体2aの上に、スクリーン印刷により正極活物質2b用のペーストを印刷して乾燥し、正極活物質2bを形成する。
Next, the paste for the positive electrode
その後、PETフィルムを剥離することで、正極ユニットが得られる。正極ユニットは、固体電解質4、正極活物質2b、正極集電体2a、及び正極活物質2bが、この順で積層された積層シートである。
Then, the PET film is peeled off to obtain a positive electrode unit. The positive electrode unit is a laminated sheet in which a solid electrolyte 4, a positive electrode
また、同様の手順で、負極ユニットを作製する。負極ユニットは、固体電解質4、負極活物質3b、負極集電体3a、及び負極活物質3bが、この順で積層された積層シートである。
Further, the negative electrode unit is manufactured by the same procedure. The negative electrode unit is a laminated sheet in which a solid electrolyte 4, a negative electrode
次に、正極ユニットと負極ユニットとを積層する。このとき、正極ユニットの固体電解質4と、負極ユニットの負極活物質3bとが向かい合うように積層する。若しくは、正極ユニットの正極活物質2bと、負極ユニットの固体電解質4とが向かい合うように積層する。
Next, the positive electrode unit and the negative electrode unit are laminated. At this time, the solid electrolyte 4 of the positive electrode unit and the negative electrode
これにより、正極活物質2b、正極集電体2a、正極活物質層2b、固体電解質4、負極活物質3b、負極集電体3a、負極活物質層3b、及び固体電解質4が、この順で積層された積層シートが得られる。
As a result, the positive electrode
なお、正極ユニットと負極ユニットとを積層する際には、正極ユニットの正極集電体2aと、負極ユニットの負極集電体3aとを交互にずらしながら積層する。また、正極ユニットと負極ユニットとを交互にずらすことよって、固体電解質4が存在しなくなった部分には、固体電解質3用のシートを積み重ねながら、積層シートを作製する。
When laminating the positive electrode unit and the negative electrode unit, the positive electrode
次に、作製した積層シートを一括して圧着する。圧着は、加熱しながら行うことが好ましい。圧着時の加熱温度は、例えば40〜95℃とする。 Next, the produced laminated sheets are collectively crimped. The crimping is preferably performed while heating. The heating temperature during crimping is, for example, 40 to 95 ° C.
次に、圧着した積層シートを一括して脱バイ及び同時焼成し、焼結体からなる積層体5を得る。積層シートの脱バイは、例えば、窒素雰囲気下で300〜800℃に加熱することにより行う。脱バイ時間は、例えば、0.1〜10時間とする。積層シートの焼成は、例えば、窒素雰囲気下で600〜1000℃に加熱することにより行う。焼成時間は、例えば、0.1〜3時間とする。
Next, the crimped laminated sheets are collectively removed and co-fired to obtain a
作製された積層体5は、アルミナ(Al2O3)などの研磨材と共に、円筒型の容器に入れて、バレル研磨を行ってもよい。これにより、積層体5の角の面取りを行うことができまた、その他の研磨方法として、積層体5をサンドブラストにより研磨してもよい。この研磨方法では、特定の部分のみを削ることができるため好ましい。
The produced
次に、作製された積層体5の互いに対向する側面に、第1の接続端子6と第2の接続端子7とを形成する。第1の接続端子6及び第2の接続端子7は、スパッタリングなどの手段を用いて形成することができる。
以上のような工程を経ることによって、上記全固体二次電池1を製造することが可能である。
Next, the
By going through the above steps, the all-solid-state secondary battery 1 can be manufactured.
ところで、本実施形態の固体電解質4は、図2に拡大して示すように、第1の固体電解質粒子11と、第2の固体電解質粒子12とを含み、これら第1の固体電解質粒子11と第2の固体電解質粒子12とが緻密化された構造を有している。なお、図2は、固体電解質4の断面構造を示す模式図である。
By the way, as shown in an enlarged manner in FIG. 2, the solid electrolyte 4 of the present embodiment includes the first
具体的に、本実施形態の固体電解質4では、第1の固体電解質粒子11と第2の固体電解質粒子12とが、互いに同一の結晶構造を有している。また、第1の固体電解質粒子11の平均粒径をD1とし、第1の固体電解質粒子11の焼結温度をT1とし、第2の固体電解質粒子12の平均粒径をD2とし、第2の固体電解質粒子12の焼結温度をT2としたときに、下記式(1),(2)の関係を満足している。
D1>D2 …(1)
T1>T2 …(2)
Specifically, in the solid electrolyte 4 of the present embodiment, the first
D1> D2 ... (1)
T1> T2 ... (2)
ここで、各固体電解質粒子11,12の平均粒径D1,D2については、固体電解質4の断面を切り出し、アニール処理やケミカルエッチングなどにより粒界を際立たせた後、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察する。このとき得られた観察像において、各固体電解質粒子11,12を判別する。各固体電解質粒子11,12の組成が異なる場合は、エネルギー分散型X線分析(EDS)を用いて、区別することができる。その後、各固体電解質粒子11,12の平均粒径D1,D2を測定する。具体的には、各固体電解質粒子11,12の最長径を測定し、観察視野で可能な限り全ての固体電解質粒子11,12の最長径を測定した後、その平均値から各固体電解質粒子11,12の平均粒径D1,D2を求めた。
Here, regarding the average particle diameters D1 and D2 of the
なお、固体電解質粒子11,12の組成が同じ場合、画像処理の結果からヒストグラムを作成し、その結果から固体電解質粒子11,12を区別し、平均粒径D1、D2を求めてもよい。
When the compositions of the
各固体電解質粒子11,12の焼結温度T1,T2については、図3に示すように、各固体電解質粒子11,12を構成する材料と同じ組成の成形体を作製し、熱機械分析(TMA)により熱収縮挙動を測定した。このとき、焼結挙動における微分曲線(DTMA)のピーク値を各固体電解質粒子11,12の焼結温度T1,T2とした。なお、図3は、TMAにより熱収縮挙動を測定したときの測定曲線(TMA)と、その焼結挙動における微分曲線(DTMA)とを示すグラフである。
As for the sintering temperatures T1 and T2 of the
本実施形態の全固体二次電池1では、かかる構成を有することで、高温で焼結する固体電解質4を低温で焼成することが可能となり、空隙率が小さく、高いリチウムイオン伝導度を有する固体電解質4を得ることが可能である。また、この固体電解質4を用いた全固体二次電池1において、十分大きな容量を得ることが可能である。 The all-solid-state secondary battery 1 of the present embodiment has such a configuration, so that the solid electrolyte 4 sintered at a high temperature can be fired at a low temperature, a solid having a small porosity and a high lithium ion conductivity. It is possible to obtain the electrolyte 4. Further, in the all-solid-state secondary battery 1 using the solid electrolyte 4, it is possible to obtain a sufficiently large capacity.
上記効果が得られる理由については、必ずしも明確ではないものの、以下の作用によるものと考えられる。すなわち、本実施形態の固体電解質4では、第1の固体電解質粒子11の平均粒径D1よりも第2の固体電解質粒子12の平均粒径D2が小さくなる(D1>D2)ことで、第1の固体電解質粒子11の間に第2の固体電解質粒子12が存在し易くなる。これにより、充填率が高い積層体5を作製することができ、上述した焼結の際に空隙率を小さくすることが可能である。
The reason why the above effect is obtained is not necessarily clear, but it is considered to be due to the following action. That is, in the solid electrolyte 4 of the present embodiment, the average particle size D2 of the second
なお、空隙率については、固体電解質4の断面を切り出し、アニール処理やケミカルエッチングなどにより粒界を際立たせた後、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察する。このとき得られた観察像から、各固体電解質粒子11,12の占める面積E1と、それ以外の面積E2とを算出し、その空隙率を求めた。すなわち、空隙率は、{E2/(E1+E2)}×100で求まる値[%]である。
The porosity is observed by a scanning electron microscope (SEM) after cutting out a cross section of the solid electrolyte 4 and making the grain boundaries stand out by annealing treatment or chemical etching. From the observation image obtained at this time, the area E1 occupied by the
また、本実施形態の固体電解質4では、第1の固体電解質粒子11の焼結温度T1よりも第2の固体電解質粒子12の焼結温度T2が小さくなる(T1>T2)ことで、この固体電解質5を焼結するために昇温していく過程で、先ず、第2の固体電解質粒子12の焼結温度T2に到達する。また、その温度を維持することによって、始めに第2の固体電解質粒子12が焼結し始める。また、焼成温度は、第1の固体電解質粒子11の焼結温度T1と第2の固体電解質粒子12の焼結温度T2との間に設定することが好ましい。
Further, in the solid electrolyte 4 of the present embodiment, the sintering temperature T2 of the second
これにより、第2の固体電解質粒子12が焼結する過程で糊のような作用をし、第1の固体電解質粒子11を巻き込みながら、固体電解質5が緻密化される。これら緻密化の作用により、高密度な固体電解質5が得られる。
As a result, the second
また、第1の固体電解質粒子11と第2の固体電解質粒子12とが互いに同じ結晶構造を有することで、第1の固体電解質粒子11と第2の固体電解質粒子12との界面で接合が取り易くなり、粒界抵抗を低くすることができる。
Further, since the first
これにより、高いリチウムイオン伝導度を有する固体電解質5を得ることが可能である。また、この固体電解質5を用いた全固体二次電池1において、十分大きな容量を得ることが可能である。また、この固体電解質5を用いた全固体二次電池1の製造方法によって、十分大きな容量を得た全固体二次電池を製造することが可能である。
This makes it possible to obtain the
ここで、本実施形態の固体電解質粒子11の平均粒径は、0.2≦D1≦10μm、好ましくは0.5≦D1≦5.0μm、より好ましくは1.0≦D1≦1.2μmである。
Here, the average particle size of the
一方、本実施形態の固体電解質粒子12の平均粒径は、0.01≦D2≦2.0μm、好ましくは0.03≦D2≦1.5μm、より好ましくは0.05≦D2≦1.0μmである。
On the other hand, the average particle size of the
また、本実施形態の固体電解質4では、更に、下記式(3)の関係を満足することが好ましい。
0.1×D1≧D2 …(3)
Further, it is preferable that the solid electrolyte 4 of the present embodiment further satisfies the relationship of the following formula (3).
0.1 × D1 ≧ D2… (3)
上記式(3)の関係を満足する場合、第1の固体電解質粒子11の間に第2の固体電解質粒子12が存在し易くなり、上記効果が更に得られ易くなる。
When the relationship of the above formula (3) is satisfied, the second
また、本実施形態の固体電解質4では、更に、下記式(4)の関係を満足することが好ましい。
T1−T2≧100℃ …(4)
Further, it is preferable that the solid electrolyte 4 of the present embodiment further satisfies the relationship of the following formula (4).
T1-T2 ≥ 100 ° C ... (4)
上記式(4)の関係を満足する場合、第1の固体電解質粒子11の間に第2の固体電解質粒子12が存在し易くなり、上記効果が更に得られ易くなる。
When the relationship of the above formula (4) is satisfied, the second
また、本実施形態の固体電解質4では、第1の固体電解質粒子11の表面のうち、少なくとも50%以上が第2の固体電解質粒子12と接触していることが好ましい。
Further, in the solid electrolyte 4 of the present embodiment, it is preferable that at least 50% or more of the surface of the first
ここで、接触率については、固体電解質4の断面を切り出し、アニール処理やケミカルエッチングなどにより粒界を際立たせた後、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察する。このとき得られた観察像から、近在する20個の第1の固体電解質粒子11を選択し、各第1の固体電解質粒子11の界面周長L1と、各第1の固体電解質粒子の第2の固体電解質粒子が接する部分の界面周長L2とを算出し、その接触率を求めた。すなわち、接触率は、(L2/L1)×100で求まる値の平均値[%]である。
Here, the contact ratio is observed by a scanning electron microscope (SEM) after cutting out a cross section of the solid electrolyte 4 and highlighting the grain boundaries by annealing treatment or chemical etching. From the observation image obtained at this time, 20 nearby first
また、第1の固体電解質粒子11と第2の固体電解質粒子12とは、互いに異なる組成を有することが好ましい。これにより、高温で焼結する固体電解質4を低温で焼成することが可能となり、空隙率が小さく、高いリチウムイオン伝導度を有する固体電解質4を得ることが可能である。
Further, it is preferable that the first
第1の固体電解質粒子11は、Li、La、Zr、Oを含むガーネット構造を有し、第2の固体電解質粒子12は、Li、La、Bi、Oを含むガーネット構造を有することが好ましい。具体的には、第1の固体電解質粒子11として、ガーネット型の結晶構造を有するLi6.4Al0.2La3Zr2O12を用い、第2の固体電解質粒子12として、ガーネット型の結晶構造を有するLi5La3Bi2O12を用いることが好ましい。
The first
これにより、高温で焼結する固体電解質4を低温で焼成することが可能となり、空隙率が小さく、高いリチウムイオン伝導度を有する固体電解質4を得ることが可能である。 As a result, the solid electrolyte 4 sintered at a high temperature can be fired at a low temperature, and the solid electrolyte 4 having a small porosity and high lithium ion conductivity can be obtained.
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等はほんの一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更を加えることが可能である。 The present invention is not necessarily limited to that of the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. That is, each configuration and a combination thereof in the above embodiment are only examples, and it is possible to add, omit, replace, and make other changes to the configuration within a range that does not deviate from the gist of the present invention. ..
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。 Hereinafter, the effects of the present invention will be made clearer by examples. The present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist thereof.
(実施例1〜14及び比較例1〜6)
下記表1に示すように、実施例1〜14及び比較例1〜6の固体電解質を実際に作製し、それぞれの固体電解質について、接触率、空隙率、イオン伝導度の測定を行った。また、各固体電解質を用いた全固体二次電池を作製し、それぞれの容量の測定を行った。その結果をまとめたものを下記表1に示す。
(Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6)
As shown in Table 1 below, the solid electrolytes of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 were actually prepared, and the contact rate, porosity, and ionic conductivity of each solid electrolyte were measured. In addition, an all-solid-state secondary battery using each solid electrolyte was prepared, and the capacity of each battery was measured. The results are summarized in Table 1 below.
全固体二次電池は、固体電解質層、正極集電体、正極活物質、固体電解質、負極活物質、負極集電体、及び、固体電解質の各シートを、この順で積層し、同時焼成法により焼成して積層体を作製した。 An all-solid secondary battery is a simultaneous firing method in which sheets of a solid electrolyte layer, a positive electrode current collector, a positive electrode active material, a solid electrolyte, a negative electrode active material, a negative electrode current collector, and a solid electrolyte are laminated in this order. To prepare a laminated body.
正極集電体と負極集電体には、銅、又は、パラジウムを用い、正極活物質と負極活物質には、Li3V2(PO4)3を主に用いた。 Copper or palladium was used for the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 was mainly used for the positive electrode active material and the negative electrode active material.
その後、積層体に第1の接続端子及び第2の接続端子を取り付けて、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。 Then, the first connection terminal and the second connection terminal were attached to the laminated body to prepare an all-solid-state lithium ion secondary battery.
表1に示すように、実施例1〜14の固体電解質は、比較例1〜6の固体電解質に比べて、空隙率が小さく、高いリチウムイオン伝導度を有することがわかる。また、実施例1〜14の固体電解質を用いた全固体二次電池は、比較例1〜6の固体電解質を用いた全固体二次電池に比べて、大きな容量が得られた。 As shown in Table 1, it can be seen that the solid electrolytes of Examples 1 to 14 have a smaller porosity and higher lithium ion conductivity than the solid electrolytes of Comparative Examples 1 to 6. Further, the all-solid-state secondary battery using the solid electrolytes of Examples 1 to 14 obtained a larger capacity than the all-solid-state secondary battery using the solid electrolytes of Comparative Examples 1 to 6.
1…全固体二次電池 2…第1の電極(正極) 2a…正極集電体 2b…正極活物質 3…第2の電極(負極) 3a…負極集電体 3b…負極活物質 4…固体電解質 5…積層体 6…第1の接続端子 7…第2の接続端子 11…第1の固体電解質粒子 12…第2の固体電解質粒子
1 ... All-solid
Claims (8)
前記第1の固体電解質粒子と前記第2の固体電解質粒子とが互いに同一の結晶構造を有し、
前記第1の固体電解質粒子の平均粒径をD1とし、前記第1の固体電解質粒子の焼結温度をT1とし、前記第2の固体電解質粒子の平均粒径をD2とし、前記第2の固体電解質粒子の焼結温度をT2としたときに、
D1>D2、
T1>T2
の関係を満足することを特徴とする固体電解質。 Containing a first solid electrolyte particle and a second solid electrolyte particle,
The first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles have the same crystal structure as each other.
The average particle size of the first solid electrolyte particles is D1, the sintering temperature of the first solid electrolyte particles is T1, the average particle size of the second solid electrolyte particles is D2, and the second solid is solid. When the sintering temperature of the electrolyte particles is T2,
D1> D2,
T1> T2
A solid electrolyte characterized by satisfying the relationship of.
の関係を満足することを特徴とする請求項1に記載の固体電解質。 0.1 × D1 ≧ D2
The solid electrolyte according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
の関係を満足することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の固体電解質。 T1-T2 ≥ 100 ° C
The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte satisfies the above-mentioned relationship.
前記第2の固体電解質粒子は、Li、La、Bi、Oを含むガーネット構造を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の固体電解質。 The first solid electrolyte particle has a garnet structure containing Li, La, Zr, and O, and has a garnet structure.
The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the second solid electrolyte particles have a garnet structure containing Li, La, Bi, and O.
前記第1の固体電解質粒子と前記第2の固体電解質粒子とが互いに同一の結晶構造を有し、
前記第1の固体電解質粒子の平均粒径をD1とし、前記第1の固体電解質粒子の焼結温度をT1とし、前記第2の固体電解質粒子の平均粒径をD2とし、前記第2の固体電解質粒子の焼結温度をT2としたときに、
D1>D2、
T1>T2
の関係を満足する固体電解質を用いることを特徴とする全固体二次電池の製造方法。 A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte containing a first solid electrolyte particle and a second solid electrolyte particle.
The first solid electrolyte particles and the second solid electrolyte particles have the same crystal structure as each other.
The average particle size of the first solid electrolyte particles is D1, the sintering temperature of the first solid electrolyte particles is T1, the average particle size of the second solid electrolyte particles is D2, and the second solid is solid. When the sintering temperature of the electrolyte particles is T2,
D1> D2,
T1> T2
A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery, which comprises using a solid electrolyte that satisfies the above relationship.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019030431 | 2019-02-22 | ||
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022201755A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 太陽誘電株式会社 | Solid electrolyte, all-solid-state battery, method for manufacturing solid electrolyte, and method for manufacturing all-solid-state battery |
-
2020
- 2020-02-21 JP JP2020028486A patent/JP2020140963A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022201755A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 太陽誘電株式会社 | Solid electrolyte, all-solid-state battery, method for manufacturing solid electrolyte, and method for manufacturing all-solid-state battery |
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