JP2022156195A - Manufacturing method for all-solid-state battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は全固体電池の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to a method for manufacturing an all-solid-state battery.
全固体電池は、正極活物質層を含む正極、負極活物質層を含む負極、及び、これらの間に配置された固体電解質を含む固体電解質層を備えており、量産装置では多数の層を効率よく積層させていく必要がある。 An all-solid-state battery includes a positive electrode including a positive electrode active material layer, a negative electrode including a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer including a solid electrolyte disposed therebetween. It needs to be layered well.
特許文献1にはピックアンドプレース装置により、積層したい部品を1つ1つ積層するワークの積層方法が開示されている。 Patent Literature 1 discloses a work stacking method for stacking components to be stacked one by one using a pick-and-place device.
上記従来技術では1つ1つ積層するため時間がかかる問題があった。
そこで本開示は、生産性を向上できる全固体電池の製造方法を提供することを目的とする。
The conventional technique described above has a problem in that it takes a long time to stack the layers one by one.
Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing an all-solid-state battery that can improve productivity.
本開示は上記課題を解決するための一つの手段として、全固体電池の製造方法であって、磁性体である箔及び、該箔に積層された固体電解質を含む層を有する固体電解質構造体を複数積層した積層体を準備する工程と、積層体を容器に配置する工程と、積層体に磁力を作用させ、隣り合う固体電解質構造体の間に間隙を形成する工程と、間隙に正極活物質を含む層、又は、負極活物質を含む層を挿入する工程と、を有する、全固体電池の製造方法を開示する。 As one means for solving the above problems, the present disclosure provides a method for manufacturing an all-solid-state battery, which comprises a solid electrolyte structure having a foil that is a magnetic material and a layer containing a solid electrolyte laminated on the foil. a step of preparing a laminate in which a plurality of layers are laminated; a step of placing the laminate in a container; a step of applying a magnetic force to the laminate to form a gap between adjacent solid electrolyte structures; and a positive electrode active material in the gap. or a step of inserting a layer containing a negative electrode active material.
本開示によれば、一度に多くの積層体を作製することができ、積層の工程の時間を短縮し、全固体電池の生産性を向上することが可能となる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, many laminates can be produced at once, the time required for the lamination process can be shortened, and the productivity of all-solid-state batteries can be improved.
1.全固体電池
典型的な全固体電池の構成について説明する。図1には全固体電池の一例を示す概略断面図を示した。図1に示すように、全固体電池10は、正極活物質を含有する正極活物質層11、負極活物質を含有する負極活物質層12、正極活物質層11と負極活物質層12との間に形成された固体電解質層13、正極活物質層11の集電を行う正極集電体層14、負極活物質層12の集電を行う負極集電体層15を有する。
以下、全固体電池10の各構成について説明する。
1. All-solid-state battery The configuration of a typical all-solid-state battery will be described. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view showing an example of an all-solid-state battery. As shown in FIG. 1, an all-solid-
Each configuration of the all-solid-
1.1.正極活物質層
正極活物質層11は、正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、さらに固体電解質材、導電材及び結着材の少なくとも一つを含有していてもよい。
正極活物質は公知の活物質を用いればよい。例えば、コバルト系(LiCoO2等)、ニッケル系(LiNiO2等)、マンガン系(LiMn2O4、Li2Mn2O3等)、リン酸鉄系(LiFePO4、Li2FeP2O7等)、NCA系(ニッケル、コバルト、アルミニウムの化合物)、NMC系(ニッケル、マンガン、コバルトの化合物)等が挙げられる。より具体的にはLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などがある。
正極活物質は表面がニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の酸化物層で被覆されていてもよい。
1.1. Positive Electrode Active Material Layer The positive electrode
A known active material may be used as the positive electrode active material. For example, cobalt - based (LiCoO2, etc.), nickel - based ( LiNiO2 , etc.), manganese - based ( LiMn2O4, Li2Mn2O3 , etc.), iron phosphate - based ( LiFePO4 , Li2FeP2O7 , etc.) ), NCA series (nickel, cobalt and aluminum compounds), NMC series (nickel, manganese and cobalt compounds) and the like. More specifically, there are LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and the like.
The surface of the positive electrode active material may be coated with an oxide layer such as a lithium niobate layer, a lithium titanate layer, or a lithium phosphate layer.
固体電解質は無機固体電解質が好ましい。有機ポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高く、耐熱性に優れるためである。無機固体電解質として例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質等が挙げられる。
Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質材としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。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硫化物固体電解質材を意味し、他の記載についても同様である。
The solid electrolyte is preferably an inorganic solid electrolyte. This is because they have higher ionic conductivity and superior heat resistance than organic polymer electrolytes. Examples of inorganic solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes.
Examples of sulfide solid electrolyte materials having Li ion conductivity include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O, Li 2SP2S5 - Li2O - LiI, Li2S - SiS2 , Li2S - SiS2 - LiI, Li2S - SiS2 - LiBr, Li2S - SiS2 - LiCl, Li2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 —ZmSn (where m, n is a positive number, and Z is one of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —LixMOy (where x and y are positive numbers, and M is one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In.). The above description of "Li 2 SP 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. be.
一方、Liイオン伝導性を有する酸化物固体電解質材としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等を挙げることができる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等を挙げることができる。また、酸化物固体電解質材の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)等を挙げることができる。 On the other hand, examples of oxide solid electrolyte materials having Li ion conductivity include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LAGP) and general formula Li 1+x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LATP) and the like. Other examples of oxide solid electrolyte materials include LiLaTiO (eg, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (eg, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO ( For example , Li7La3Zr2O12 ) etc. can be mentioned .
結着材は、化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系結着材、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系結着材、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のオレフィン系結着材、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース系結着材等を挙げることができる。
導電材としてはアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック、カーボンファイバ等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。
The binder is not particularly limited as long as it is chemically and electrically stable. Examples include rubber-based binders such as butadiene rubber (SBR), olefin-based binders such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), and cellulose-based binders such as carboxymethylcellulose (CMC).
As the conductive material, carbon materials such as acetylene black (AB), ketjen black, and carbon fiber, and metal materials such as nickel, aluminum, and stainless steel can be used.
正極活物質層11における各成分の含有量、正極活物質層11の形状は従来と同様とすればよい。特に、全固体電池10を容易に構成できる観点から、シート状の正極活物質層11が好ましい。この場合、正極活物質層11の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上150μm以下であることがより好ましい。
The content of each component in the positive electrode
1.2.負極活物質層
負極活物質層12は、少なくとも負極活物質を含有する層である。必要に応じて結着材、導電材、及び、固体電解質材を含んでもよい。結着材、導電材、及び、固体電解質材については正極活物質層11と同様に考えることができる。
1.2. Negative Electrode Active Material Layer The negative electrode
負極活物質は特に限定されることはないが、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてグラファイトやハードカーボン等の炭素材料や、チタン酸リチウム等の各種酸化物、SiやSi合金、或いは、金属リチウムやリチウム合金等を挙げることができる。 The negative electrode active material is not particularly limited, but when forming a lithium ion battery, the negative electrode active material may be carbon materials such as graphite or hard carbon, various oxides such as lithium titanate, Si or Si alloys, Alternatively, metallic lithium, lithium alloys, and the like can be mentioned.
負極活物質層12における各成分の含有量、形状は従来と同様とすればよい。特に、全固体電池10を容易に構成できる観点から、シート状の負極活物質層12が好ましい。この場合、負極活物質層12の厚みは、例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上150μm以下であることがより好ましい。
The content and shape of each component in the negative electrode
1.3.固体電解質層
固体電解質層13は、正極活物質層11と負極活物質層12の間に配置される固体電解質を含んでなる層である。固体電解質層13は、少なくとも固体電解質材を含有する。固体電解質材としては、正極活物質層11で説明した固体電解質材と同様に考えることができる。
1.3. Solid Electrolyte Layer The
1.4.集電体層
集電体は、正極活物質層11の集電を行う正極集電体層14、及び負極活物質層12の集電を行う負極集電体層15である。正極集電体層14を構成する材料としては、例えばステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体層15を構成する材料としては、例えばステンレス鋼、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。
1.4. Current Collector Layer The current collectors are a positive electrode
1.5.電池ケース
全固体電池は不図示の電池ケースを備えてもよい。電池ケースは各部材を収納するケースであり、例えばステンレス製の電池ケース等を挙げることができる。
1.5. Battery Case The all-solid-state battery may include a battery case (not shown). A battery case is a case for housing each member, and examples thereof include a battery case made of stainless steel.
2.全固体電池の製造方法
2.1.全固体電池の製造の概要
初めに、全固体電池の製造方法の概要について説明する。
2. Manufacturing method of all-solid-state battery 2.1. Overview of Manufacturing All-Solid-State Battery First, an overview of the method for manufacturing an all-solid-state battery will be described.
[正極構造体の作製]
正極活物質層を構成する材料を混錬し、スラリー状の正極組成物を得る。その後、正極集電体層となる材料の表面に、作製したスラリー状の正極組成物を塗工し、加熱乾燥させる過程を経て正極活物質層となる層を形成し、加圧して、図2に示したように正極集電体層となる層21及び正極活物質層となる層22を有する正極構造体20を得る。
[Fabrication of positive electrode structure]
Materials constituting the positive electrode active material layer are kneaded to obtain a slurry positive electrode composition. After that, the prepared slurry positive electrode composition is applied to the surface of the material that will be the positive electrode current collector layer, and the layer that will be the positive electrode active material layer is formed through the process of heating and drying, and pressurized. A
[負極構造体の作製]
負極活物質層を構成する材料を混錬し、スラリー状の負極組成物を得る。その後、負極集電体層となる材料の表面に、作製したスラリー状の負極組成物を塗工し、加熱乾燥させる過程を経て負極活物質層となる層を形成し、加圧して、図3に示したように負極集電体層となる層31及び負極活物質層となる層32を有する負極構造体30を得る。
[Preparation of negative electrode structure]
Materials constituting the negative electrode active material layer are kneaded to obtain a slurry negative electrode composition. After that, the prepared slurry negative electrode composition is applied to the surface of the material that will become the negative electrode current collector layer, and the layer that will become the negative electrode active material layer is formed through the process of heating and drying, followed by pressing. A
[固体電解質層構造体の作製]
固体電解質層を構成する材料を混錬し、スラリー状の固体電解質層組成物を得る。その後、鉄やニッケル等の磁性体の箔の表面に、作製したスラリー状の固体電解質層組成物を塗工し、加熱乾燥させる過程を経て固体電解質層となる層を形成し、図4に示したように磁性体箔41及び固体電解質層となる層42を有する固体電解質層構造体40を得る。
[Preparation of Solid Electrolyte Layer Structure]
Materials constituting the solid electrolyte layer are kneaded to obtain a slurry-like solid electrolyte layer composition. After that, the prepared slurry-like solid electrolyte layer composition is applied to the surface of a foil of a magnetic material such as iron or nickel, and a layer that becomes a solid electrolyte layer is formed through a process of heating and drying. As described above, the solid
[各構造体の組み合わせ]
図5の上側の図に示したように、固体電解質層構造体40の固体電解質層となる層42と、正極構造体20の正極活物質層となる層22とを重ね(正極構造体と固体電解質構造体との積層工程)、図5の下側の図のように固体電解質構造体40の磁性体箔41を取り去ることにより、固体電解質となる層42が正極構造体20に転写される。
さらに転写された固体電解質となる層42に、負極構造体30の負極活物質層となる層32を積層することで全固体電池を得る。
[Combination of each structure]
As shown in the upper diagram of FIG. 5, the
Further, the
2.2.正極構造体と固体電解質構造体との積層工程
本開示の固体電池の製造方法では、上記した各工程のうち、正極構造体と固体電解質構造体との積層工程において、大量の当該積層を効率よく行うことを開示する。図6~図12に説明のための図を示した。
2.2. Lamination step of positive electrode structure and solid electrolyte structure In the manufacturing method of the solid battery of the present disclosure, among the above-described steps, in the step of stacking the positive electrode structure and the solid electrolyte structure, a large amount of the lamination is efficiently performed. Disclose what you do. 6 to 12 show diagrams for explanation.
[固体電解質構造体の積層体]
初めに、図6に示したように、複数の固体電解質構造体40が積層された積層体を準備する。当該積層は、シート状である固体電解質構造体40のシート面が重なるように配置され、磁性体箔41と固体電解質層となる層42とが交互になるように積層されている。
[Laminate of Solid Electrolyte Structure]
First, as shown in FIG. 6, a laminate in which a plurality of
[積層体の配置]
準備した固体電解質構造体の積層体を、図7、図8に示したように溝60aが形成された容器60の当該溝60aの内側に配置される。この配置は図7からわかるように複数の固体電解質構造体40の積層方向が水平となるように溝60aに配置される。
ここで、容器60に隣接した位置には容器60の溝60aが延びる方向に沿って延びるように磁石61が配置されている。容器60に対する磁石61の位置は特に限定されることはなく、本形態のように溝60aの底側に設けられてもよく、側方に設けられてもよい。
準備した固体電解質構造体の積層体を図7の矢印Aで示したように、その積層方向から挟むようにして保持しつつ、矢印Bで示したように、溝60aの内側に配置し、図8のようにする。固体電解質構造体の積層体の保持方法は特に限定されることはなく、物理的に積層体を挟みつつ移動させることができる機器であればよい。
[Arrangement of laminate]
As shown in FIGS. 7 and 8, the prepared stack of solid electrolyte structures is placed inside the
Here, a
As shown by arrow A in FIG. 7, the prepared laminate of solid electrolyte structures is sandwiched from the stacking direction and held, and arranged inside
[除荷]
固体電解質構造体の積層体を挟んでいた力を除荷する。これにより図9に示したように個々の固体電解質構造体40が離隔して間隙を有するように移動する。これは、磁石61から受ける磁力の作用により、固体電解質構造体40に具備された磁性体箔41が磁気を帯びて一時的に磁石となり、隣り合う固体電解質構造体40の磁性体箔41で反発力が働くことによる。なお、図9ではわかりやすさのため、隣り合う固体電解質構造体40の間隙を誇張して大きく表している。
[Unloading]
The force sandwiching the stack of solid electrolyte structures is released. As a result, as shown in FIG. 9, the individual
[正極構造体の挿入]
図9に示したように個々の固体電解質構造体40が離隔して間隙を有するように移動した状態で、図10に示したように、当該間隙に正極構造体20を挿入する。
挿入の方法は特に限定されることはないが、例えば正極構造体20を複数のガイドレールから移動させ、複数の間隙のそれぞれに同時に正極構造体20を挿入することができる。
これにより、図11に表れているように、固体電解質構造体40と正極構造体20とが交互に配置される。
[Insertion of positive electrode structure]
9, the
Although the insertion method is not particularly limited, for example, the
Thereby, as shown in FIG. 11, the
[取り出し]
図11のように固体電解質構造体40と正極構造体20とが交互に配置された状態で、図11に矢印Cで示したように、配置方向の両側から挟むように固体電解質構造体40と正極構造体20を移動させ、図12のように固体電解質構造体40と正極構造体20とが交互に配置された積層体を得る。すなわち、この積層体は図5の上側の図に示した層構成の積層体が複数積層されたものである。
[take out]
With the
[効果等]
このように、本開示の正極構造体と固体電解質構造体との積層工程を有することにより、一度に多くの積層体を作製することができ、積層の工程の時間を短縮し、全固体電池の生産性を向上することが可能となる。
[Effects, etc.]
In this way, by having the stacking process of the positive electrode structure and the solid electrolyte structure of the present disclosure, many stacks can be produced at once, the time of the stacking process can be shortened, and the all-solid-state battery can be manufactured. Productivity can be improved.
2.3.その他
上記では固体電解質構造体40に対して先に正極構造体20を積層する態様で説明したが、代わりに、先に負極構造体30を積層する態様でもあってもよい。この場合であっても正極構造体20と負極構造体30との順を入れ替えるだけであり、上記と同様に全固体電池を製造することができる。
2.3. Others Although the
また、上記では常に磁力を発生させておき、除荷により磁力の作用で固体電解質構造体40が移動する例を説明したが、これに限らず固体電解質構造体40が容器60に配置され、除荷されてから磁力を供給して作用させてもよい。
In the above description, an example in which a magnetic force is constantly generated and the
10 全固体電池
11 正極活物質層
12 負極活物質層
13 固体電解質層
14 正極集電体層
15 負極集電体層
20 正極構造体
30 負極構造体
40 固体電解質構造体
10 All-
Claims (1)
磁性体である箔及び、該箔に積層された固体電解質を含む層を有する固体電解質構造体を複数積層した積層体を準備する工程と、
前記積層体を容器に配置する工程と、
前記積層体に磁力を作用させ、隣り合う前記固体電解質構造体の間に間隙を形成する工程と、
前記間隙に正極活物質を含む層、又は、負極活物質を含む層を挿入する工程と、を有する、
全固体電池の製造方法。 A method for manufacturing an all-solid-state battery,
A step of preparing a laminate obtained by laminating a plurality of solid electrolyte structures having a magnetic foil and a layer containing a solid electrolyte laminated on the foil;
placing the laminate in a container;
applying a magnetic force to the laminate to form a gap between the adjacent solid electrolyte structures;
inserting a layer containing a positive electrode active material or a layer containing a negative electrode active material into the gap;
A method for manufacturing an all-solid-state battery.
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