JP2021144807A - 全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(S1) 電気めっきによって、銅箔の表面にニッケルめっき皮膜を形成することにより、負極集電体を形成する。
(S2) 負極集電体の表面に、負極活物質層を形成することにより、負極を形成する。
(S3) 負極、固体電解質層および正極を含む、全固体電池を製造する。
固体電解質層は、正極と負極とを物理的に分離している。負極活物質層は、負極活物質および硫化物固体電解質を含む。
電気めっきにおいて、+2.2%以上の均一電着性を有するめっき液が使用される。
ニッケルめっき皮膜は、2.0g/m2以上4.4g/m2以下の付着量を有するように形成される。
図1は、本実施形態における全固体電池の製造方法の概略フローチャートである。
本実施形態における全固体電池の製造方法は、《(S1)めっき処理》、《(S2)負極の形成》および《(S3)全固体電池の製造》を含む。
本実施形態における全固体電池の製造方法は、電気めっきによって、Cu箔の表面にNiめっき皮膜を形成することにより、負極集電体を形成することを含む。
Cu箔は、負極集電体の基材である。Cu箔は、例えば、1μm以上100μm以下の厚さを有していてもよい。Cu箔は、例えば、5μm以上50μm以下の厚さを有していてもよい。Cu箔は、例えば、5μm以上30μm以下の厚さを有していてもよい。Cu箔は、例えば、10μm以上20μm以下の厚さを有していてもよい。
めっき液中において、Cu箔に対して電気めっきが施されることにより、Cu箔の表面にNiめっき皮膜が形成される。Niめっき皮膜は、2.0g/m2以上4.4g/m2以下の付着量を有するように形成される。Niめっき皮膜の形成により、負極集電体が形成される。
本実施形態におけるめっき液は、+2.2%以上の均一電着性を有する。めっき液が+2.2%以上の均一電着性を有することにより、Niめっき皮膜の付着量が4.4g/m2以下であっても、所望の剥離耐性が期待される。これにより、高い初回充放電効率が期待される。めっき液は、例えば+2.3%以上の均一電着性を有していてもよい。めっき液は、例えば+2.5%以上の均一電着性を有していてもよい。めっき液は、例えば+2.5%以下の均一電着性を有していてもよい。めっき液は、例えば+2.3%以下の均一電着性を有していてもよい。めっき液は、例えば+2.2%以上+2.3%以下の均一電着性を有していてもよい。めっき液の均一電着性は、ハーリングセルによって測定される。
T={(P−M)/(P+M−2)}×100
=[{5−(A/B)}/{5+(A/B)−2}]×100 …(I)
「T」は、均一電着性(%)を示す。
「P」は、両陰極板への電流分配比を示す。
「M」は、両陰極板におけるNi析出量の比を示す。
「A」は、第1陰極板201におけるNi析出量(g)を示す。
「B」は、第2陰極板202におけるNi析出量(g)を示す。
めっき液が+2.2%以上の均一電着性を有する限り、めっき液は任意の組成を有し得る。めっき液は、例えば、ホウ酸またはクエン酸ナトリウムと、硫酸ニッケル(無水物)と、残部を占める水と、を含んでいてもよい。ホウ酸またはクエン酸ナトリウムの濃度は、例えば、30g/L以上40g/L以下であってもよい。硫酸ニッケルの濃度は、例えば、40g/L以上400g/L以下であってもよい。
めっき液が+2.2%以上の均一電着性を有し、かつNiめっき皮膜の付着量が2.0g/m2以上4.4g/m2以下になり得る限り、任意の操業条件が採用され得る。
電気めっきにより、Cu箔の表面にNiめっき皮膜が形成される。負極活物質層に含まれる硫化物固体電解質と、Cu箔との接触が阻害され得る限り、Niめっき皮膜は、Cu箔の表面の全部に形成されていてもよいし、Cu箔の表面の一部に形成されていてもよい。例えば、Niめっき皮膜は、Cu箔の両面に形成されていてもよいし、Cu箔の片面のみに形成されていてもよい。例えば、負極活物質層が形成されるべき部分のみに、Niめっき皮膜が形成されていてもよい。例えば、集電部材および電極端子等と溶接されるべき部分においては、Cu箔が露出していてもよい。
Niめっき皮膜は、Niを含む。Niめっき皮膜は、例えば、99質量%以上100質量%以下のNiを含んでいてもよい。Niめっき皮膜は、例えば、99.5質量%以上のNiを含んでいてもよい。Niめっき皮膜は、例えば、99.7質量%以上のNiを含んでいてもよい。Niめっき皮膜は、例えば、99.9質量%以上のNiを含んでいてもよい。Niめっき皮膜は、実質的にNiからなっていてもよい。Niめっき皮膜の組成は、蛍光X線分析法により特定され得る。
Niめっき皮膜は、2.0g/m2以上4.4g/m2以下の付着量を有するように形成される。付着量が4.4g/m2以下であることにより、低い電池抵抗が期待される。付着量が2.0g/m2以上であることにより、所望の剥離耐性が期待される。Niめっき皮膜は、例えば、2.0g/m2以上3.0g/m2以下の付着量を有していてもよい。Niめっき皮膜は、例えば、3.0g/m2以上4.4g/m2以下の付着量を有していてもよい。
Cu箔の表面に、Niめっき皮膜が形成されることにより、負極集電体が形成される。すなわち、負極集電体は、Cu箔およびNiめっき皮膜を含む。負極集電体は、電子伝導性を有する。負極集電体は、例えば、1μm以上100μm以下の厚さを有していてもよい。厚さは、膜厚計により測定され得る。
本実施形態における全固体電池の製造方法は、負極集電体の表面に、負極活物質層を形成することにより、負極を形成することを含む。
上記の負極集電体が使用される限り、負極活物質層は、任意の方法により形成され得る。負極活物質層は、例えば、負極ペーストが負極集電体の表面に塗工され、乾燥されることにより形成され得る。負極ペーストは、例えば、負極活物質と、硫化物固体電解質と、導電材と、バインダと、分散媒とが混合されることにより、調製され得る。負極活物質層は、乾燥後にプレスされてもよい。分散媒は、例えば、硫化物固体電解質との反応性が低いものが選択される。分散媒は、例えば、カルボン酸エステル等であってもよい。
負極活物質層は、負極活物質および硫化物固体電解質を含む。負極活物質層は、実質的に、負極活物質および硫化物固体電解質からなっていてもよい。負極活物質と硫化物固体電解質とは、例えば、体積比で「負極活物質/硫化物固体電解質=40/60」から「負極活物質/硫化物固体電解質=90/10」の関係を満たしていてもよい。
負極活物質層は、例えば、25%以下の空隙率を有していてもよい。負極活物質層の空隙率は、プレスの圧力によって調整され得る。25%以下の空隙率を実現するためには、ある程度高い圧力が必要になる。本実施形態においては、Niめっき皮膜が剥離し難いため、高い圧力によって負極活物質層がプレスされ得る。負極活物質層の空隙率が25%以下であることにより、負極活物質層におけるイオン伝導が促進されることが期待される。これにより、電池抵抗の低減が期待される。負極活物質層は、例えば、18%以下の空隙率を有していてもよい。負極活物質層は、例えば、16%以上の空隙率を有していてもよい。
本実施形態における全固体電池の製造方法は、負極、固体電解質層および正極を含む、全固体電池を製造することを含む。本実施形態においては、上記の負極が使用される限り、任意の方法により、全固体電池が製造され得る。
全固体電池100は、蓄電要素50を含む。蓄電要素50は、正極10、固体電解質層30および負極20が積層されることにより形成される。すなわち、全固体電池100は、正極10、固体電解質層30および負極20を含む。固体電解質層30は、正極10と負極20とを物理的に分離している。正極10、固体電解質層30および負極20は、例えば、プレスにより一体化され得る。
負極20は、正極10に比して、低い電位を有する電極である。負極20は、シート状である。負極20は、負極集電体21および負極活物質層22を含む。負極活物質層22は、負極活物質および硫化物固体電解質を含む。
正極10は、負極20に比して高い電位を有する電極である。正極10は、シート状である。正極10は、正極集電体11および正極活物質層12を含む。正極集電体11は、例えば、5μm以上30μm以下の厚さを有していてもよい。正極集電体11は、例えば、Al箔等であってもよい。
固体電解質層30は、セパレータである。固体電解質層30は、正極10と負極20との間に介在している。固体電解質層30は、正極10と負極20とを物理的に分離している。「物理的分離」は、2つ物が直接接触していない状態を示す。すなわち、固体電解質層30は、正極10と負極20とを空間的に分離している。固体電解質層30は、例えば、1μm以上100μm以下の厚さを有していてもよい。固体電解質層30は、例えば、10μm以上50μm以下の厚さを有していてもよい。
下記の手順により、各試料に係る負極集電体が形成された。
Cu箔(日本電解社製)が準備された。Cu箔の厚さは18μmであった。Cu箔の十点平均粗さは2.0μmであった。比較例1においては、Cu箔が未加工のまま、負極集電体として使用された。
1.前処理
脱脂剤(製品名「クリーナー160S」、メルテックス社製)が準備された。脱脂剤を含む脱脂液(60g/L)が調製された。脱脂液の温度が60℃に調整された。脱脂液にCu箔が浸漬された。2.5A/dm2の電流密度により、30秒間、Cu箔に電解処理が施された。電解処理後、硫酸(10g/L)中において、Cu箔が60秒間洗浄された。
下記表1のめっき浴が準備された。
前述の方法により、めっき液の均一電着性、およびNiめっき皮膜の付着量が測定された。測定結果は、下記表6に示される。
1.前処理
実施例1と同様に、Cu箔に前処理が施された。
下記表2のめっき浴が準備された。
前述の方法により、めっき液の均一電着性、およびNiめっき皮膜の付着量が測定された。測定結果は、下記表6に示される。
1.前処理
実施例1と同様に、Cu箔に前処理が施された。
下記表3のめっき浴が準備された。
前述の方法により、めっき液の均一電着性、およびNiめっき皮膜の付着量が測定された。測定結果は、下記表6に示される。
1.前処理
実施例1と同様に、Cu箔に前処理が施された。
下記表4のめっき浴が準備された。
前述の方法により、めっき液の均一電着性、およびNiめっき皮膜の付着量が測定された。測定結果は、下記表6に示される。
1.前処理
実施例1と同様に、Cu箔に前処理が施された。
下記表5のめっき浴が準備された。
前述の方法により、めっき液の均一電着性、およびNiめっき皮膜の付着量が測定された。測定結果は、下記表6に示される。
上記で製造された負極集電体が使用され、下記の手順により、負極が製造された。
0.550質量部のLi2Sと、0.887質量部のP2S5と、0.285質量部のLiIと、0.227質量部のLiBrとが秤量され、メノウ乳鉢に投入された。メノウ乳鉢において、材料が5分間混合されることにより、混合物が調製された。4質量部の脱水ヘプタンが混合物に追加された。遊星型ボールミルにより、40時間にわたって、混合物にメカニカルミリング処理が施された。以上より、硫化物固体電解質(LiI−LiBr−Li2S−P2S5)が合成された。硫化物固体電解質は、ガラスセラミックスであった。硫化物固体電解質は、2.5μmの平均粒子径を有していた。
以下の材料が準備された。
負極活物質 :Si(粉末状、平均粒子径=2μm)
硫化物固体電解質:LiI−LiBr−Li2S−P2S5(上記で合成されたもの)
導電材 :VGCF
バインダ :PVdF
分散媒 :酪酸ブチル
負極集電体 :NiめっきCu箔(上記で製造されたもの)
上記で製造された負極が使用され、下記の手順により、全固体電池が製造された。
以下の材料が準備された。
正極活物質 :LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
硫化物固体電解質:LiI−LiBr−Li2S−P2S5(上記で合成されたもの)
導電材 :VGCF
バインダ :PVdF
分散媒 :酪酸ブチル
正極集電体 :Al箔
硫化物固体電解質:LiI−LiBr−Li2S−P2S5(上記で合成されたもの)
バインダ溶液 :溶質 ブタジエンゴム系バインダ(5質量%)、溶媒 ヘプタン
分散媒 :ヘプタン
仮支持体として、Al箔が準備された。仮支持体の表面に、固体電解質ペーストが塗工され、乾燥されることにより、固体電解質層が形成された。
(初回充放電効率)
以下の説明において「C」は、電流レートの大きさを表す。例えば1Cは、電池の満充電容量が1時間で放電される電流レートを示す。例えば0.1Cは、電池の満充電容量が10時間で放電される電流レートを示す。
0.1C相当の電流により、全固体電池が定電流方式で充電された。充電開始から10秒経過後の電圧が測定された。10秒間の電圧上昇量が、0.1C相当の電流で除されることにより、電池抵抗(直流抵抗)が算出された。電池抵抗は、下記表6に示される。本実施例においては、電池抵抗が4.4mΩ以下であれば、電池抵抗が低いとみなされる。
前述の方法により、負極活物質層の空隙率が測定された。空隙率は、下記表6に示される。
比較例1は、初回充放電効率が低い。比較例1の負極集電体は、Niめっき皮膜を有していない。Cu箔と硫化物固体電解質とが接触することにより、Cu2Sが生成していると考えられる。
約2.5Vから約3.3Vの範囲において、例えば比較例1は、例えば実施例1に比して、「dQ/dV」が増大している。「dQ/dV」の増大は、「Cu2S+2Li→2Cu+Li2S」の反応によって流れる電流を反映していると考えられる。
Claims (2)
- 電気めっきによって、銅箔の表面にニッケルめっき皮膜を形成することにより、負極集電体を形成すること、
前記負極集電体の表面に、負極活物質層を形成することにより、負極を形成すること、
および
前記負極、固体電解質層および正極を含む、全固体電池を製造すること、
を含み、
前記固体電解質層は、前記正極と前記負極とを物理的に分離しており、
前記負極活物質層は、負極活物質および硫化物固体電解質を含み、
前記電気めっきにおいて、+2.2%以上の均一電着性を有するめっき液が使用され、
前記ニッケルめっき皮膜は、2.0g/m2以上4.4g/m2以下の付着量を有するように形成される、
全固体電池の製造方法。 - 前記負極活物質層は、25%以下の空隙率を有する、
請求項1に記載の全固体電池の製造方法。
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