JP2021190302A - 固体電解質、全固体電池、固体電解質の製造方法、および全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1(a)は、全固体電池100の基本構造を示す模式的断面図である。図1(a)で例示するように、全固体電池100は、第1電極10と第2電極20とによって、固体電解質層30が挟持された構造を有する。第1電極10は、固体電解質層30の第1主面上に形成されており、第1電極層11および第1集電体層12が積層された構造を有し、固体電解質層30側に第1電極層11を備える。第2電極20は、固体電解質層30の第2主面上に形成されており、第2電極層21および第2集電体層22が積層された構造を有し、固体電解質層30側に第2電極層21を備える。
まず、上述の固体電解質層30を構成する固体電解質の粉末を作製する。固体電解質層30を構成する固体電解質は、LiTa2PO8およびNASICON型固体電解質である。LiTa2PO8粉末には、結晶性LiTa2PO8を用いる。例えば、LiTa2PO8粉末は、Li2CO3、Ta2O5、P2O5などの原料から固相合成法などによって作製することができる。NASICON型固体電解質には、非晶質(ガラス状)のものを用いる。例えば、NASICON型固体電解質粉末は、原料から溶融急冷法などによって作製することができる。LiTa2PO8粉末およびNASICON型固体電解質粉末を乾式粉砕することで、所望の平均粒径に調整することができる。例えば、5mmφのZrO2ボールを用いた遊星ボールミルで、所望の平均粒径に調整する。
次に、得られた粉末を、結着材、分散剤、可塑剤などとともに、水性溶媒あるいは有機溶媒に均一に分散させて、湿式粉砕を行うことで、所望の平均粒径を有する固体電解質スラリを得る。このとき、ビーズミル、湿式ジェットミル、各種混錬機、高圧ホモジナイザーなどを用いることができ、粒度分布の調整と分散とを同時に行うことができる観点からビーズミルを用いることが好ましい。得られた固体電解質スラリにバインダを添加して固体電解質ペーストを得る。得られた固体電解質ペーストを塗工することで、固体電解質グリーンシートを作製することができる。塗工方法は、特に限定されるものではなく、スロットダイ方式、リバースコート方式、グラビアコート方式、バーコート方式、ドクターブレード方式などを用いることができる。湿式粉砕後の粒度分布は、例えば、レーザ回折散乱法を用いたレーザ回折測定装置を用いて測定することができる。
次に、上述の第1電極層11および第2電極層21の作製用の内部電極用ペーストを作製する。例えば、導電助剤、電極活物質、固体電解質材料、バインダ、可塑剤などを水あるいは有機溶剤に均一分散させることで内部電極用ペーストを得ることができる。固体電解質材料として、上述した固体電解質ペーストを用いてもよい。導電助剤として、Pd、Ni、Cu、Fe、これらを含む合金や各種カーボン材料などをさらに用いてもよい。第1電極層11と第2電極層21とで組成が異なる場合には、それぞれの内部電極用ペーストを個別に作製すればよい。
次に、上述の第1集電体層12および第2集電体層22の作製用の集電体用ペーストを作製する。例えば、Pdの粉末、カーボンブラック、板状グラファイトカーボン、バインダ、分散剤、可塑剤などを水あるいは有機溶剤に均一分散させることで、集電体用ペーストを得ることができる。
次に、上述の第1外部電極40aおよび第2外部電極40bの作製用の外部電極用ペーストを作製する。例えば、導電性材料、電極活物質、固体電解質、バインダ、可塑剤などを水あるいは有機溶剤に均一分散させることで外部電極用ペーストを得ることができる。
図5(a)で例示するように、固体電解質グリーンシート51の一面に、内部電極用ペースト52を印刷し、さらに集電体用ペースト53を印刷し、さらに内部電極用ペースト52を印刷する。固体電解質グリーンシート51上で内部電極用ペースト52および集電体用ペースト53が印刷されていない領域には、逆パターン54を印刷する。逆パターン54として、固体電解質グリーンシート51と同様のものを用いることができる。印刷後の複数の固体電解質グリーンシート51を、交互にずらして積層し、積層方向の上下から、複数枚の固体電解質グリーンシートを貼り合わせたカバーシート55を圧着することで、積層体を得る。この場合、当該積層体において、2端面に交互に、内部電極用ペースト52および集電体用ペースト53のペアが露出するように、略直方体形状の積層体を得る。次に、図5(b)で例示するように、2端面のそれぞれに、ディップ法等で外部電極用ペースト56を塗布して乾燥させる。これにより、全固体電池100aを形成するための成型体が得られる。
次に、得られた積層体を焼成する。焼成によって、固体電解質グリーンシートに含まれている非晶質のNASICON型固体電解質は結晶化する。焼成の条件は酸化性雰囲気下あるいは非酸化性雰囲気下で、最高温度を好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは500℃〜900℃などとすることが特に限定なく挙げられる。最高温度に達するまでにバインダを十分に除去するために酸化性雰囲気において最高温度より低い温度で保持する工程を設けてもよい。プロセスコストを低減するためにはできるだけ低温で焼成することが望ましい。焼成後に、再酸化処理を施してもよい。以上の工程により、全固体電池100aが生成される。
結晶性LiTa2PO8を固相合成法にて合成した。具体的には、Li2CO3とTa2O5とP2O5とを1:2:1のモル比で混合し、大気中600℃で熱処理し、さらに粉砕混合後、再度1050℃で熱処理することにより合成した。合成粉は、XRDによって単相であることを確認した。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で50:50とし、640℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ36:64であった。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で30:70とし、620℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ20:80であった。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で80.4:19.6とし、700℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ70:30であった。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で87.5:12.5とし、720℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ80:20であった。
ガラス材料として、LAGP−gではなく、LAZP(Li−Al−Zr−PO4系)ガラスを用いた。その他条件は、実施例4と同様とした。LiTa2PO8とLAZPとの面積比率は、おおよそ60:40であった。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で16:84とし、610℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ10:90であった。
LiTa2PO8とLAGP−gとを重量比で94:6とし、770℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLAGPとの面積比率は、おおよそ90:10であった。770℃より低温で焼成すると焼結緻密化不足が顕著となり、770℃より高温で焼成すると材料同士の相互拡散反応が顕著となり、元素マッピングの境界が不明瞭となった。
ガラス材料をLAGP−gではなく、Li−B−O系ガラスとし、LiTa2PO8とLi−B−O系ガラスとを重量比で75:25とし、700℃で焼結した。その他の条件は、実施例1と同様とした。LiTa2PO8とLi−B−O系ガラスとの面積比率は、おおよそ50:50であった。
実施例1〜6および比較例1〜3の各焼結体について、イオン伝導率を測定した。結果を表1に示す。実施例1の焼結体のイオン伝導率は、1.8×10−4S/cmであった。実施例2の焼結体のイオン伝導率は、1.5×10−4S/cmであった。実施例3の焼結体のイオン伝導率は、1.2×10−4S/cmであった。実施例4の焼結体のイオン伝導率は、1.6×10−4S/cmであった。実施例5の焼結体のイオン伝導率は、1.4×10−4S/cmであった。実施例6の焼結体のイオン伝導率は、1.1×10−4S/cmであった。比較例1の焼結体のイオン伝導率は、7.0×10−5S/cmであった。比較例2の焼結体のイオン伝導率は、5.2×10−6S/cmであった。比較例3の焼結体のイオン伝導率は8.3×10−5S/cmであった。10−4S/cm以上の伝導率が得られた場合には合格「〇」と判定し、10−4S/cm以上の伝導率が得られなかった場合には不合格「×」と判定した。
11 第1電極層
12 第1集電体層
20 第2電極
21 第2電極層
22 第2集電体層
30 固体電解質層
40a 第1外部電極
40b 第2外部電極
51 固体電解質グリーンシート
52 内部電極用ペースト
53 集電体用ペースト
54 逆パターン
55 カバーシート
56 外部電極用ペースト
100,100a 全固体電池
Claims (9)
- LiおよびTaを含むリン酸塩である第1固体電解質と、
NASICON型固体電解質である第2固体電解質とを含み、
断面において、前記第1固体電解質の面積比は10%を上回り、前記第2固体電解質の面積比は10%を上回ることを特徴とする固体電解質。 - 前記第1固体電解質は、Li1+2x+yAxByCzTa2−x−y−zPO8の組成式で表され、Aは3価の金属元素Al、Sc、Y、Laから選ばれる1つ以上の元素、Bは4価の金属元素Ge、Hf、Sn、Zrから選ばれる1つ以上の元素、Cは5価の金属元素Nb、As、Sb、Biから選ばれる1つ以上の元素であり、0≦x+y+z≦0.5を満たすことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質。
- 前記第2固体電解質は、少なくともLi,Ge,Pを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体電解質。
- 前記第2固体電解質は、少なくともLi,Zr,Pを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体電解質。
- 前記第1固体電解質の平均結晶粒子径は、0.1μm以上、10μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体電解質。
- 焼成前の前記第2固体電解質は、非晶質であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体電解質。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の固体電解質を含む複数の固体電解質層と、電極活物質を含む複数の内部電極とが交互に積層されていることを特徴とする全固体電池。
- LiおよびTaを含むリン酸塩の粉末と、非晶質のNASICON型固体電解質粉末とを混合し、焼成することを特徴とする固体電解質の製造方法。
- LiおよびTaを含むリン酸塩の粉末と非晶質のNASICON型固体電解質粉末とを含むグリーンシートと、前記グリーンシートの第1主面上に形成された第1電極層用ペースト塗布物と、前記グリーンシートの第2主面上に形成された第2電極層用ペースト塗布物と、を有する積層体を用意する工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする全固体電池の製造方法。
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