JP2022156220A - Sulfide all-solid-state battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は硫化物全固体電池に関する。 The present disclosure relates to sulfide all-solid-state batteries.
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、このような層が繰り返し積層されて電極体をなし、この電極体が外装体に密閉されている。 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, and such layers are repeatedly laminated. form an electrode body, and this electrode body is hermetically sealed in the exterior body.
特許文献1には電極体を積層方向に加圧した状態で外装体内に保持する手段としてマイクロカプセルを含有する加圧スペーサを開示し、マイクロカプセルを熱膨張させることで加圧力を発揮するように構成されている。 Patent Document 1 discloses a pressurizing spacer containing microcapsules as a means for holding the electrode body in the outer package while being pressurized in the stacking direction. It is configured.
特許文献1に記載のようなマイクロカプセルを用いる場合、マイクロカプセルを熱膨張させる際にマイクロカプセル内からガスが発生するため、電極体と加圧スペーサを外装体内に入れ、外装体を密閉しない状態で熱膨張させて発生したガスを含めて脱気してから密閉する必要がある。ところが、全固体電池の固体電解質に硫化物を用いる場合(硫化物全固体電池)、硫化物の反応を抑えるため外装体を密閉しない状態で処理するには低湿度環境が必要となり生産性が低下する。処理が可能であるにしても設備の大型化や、設備稼働前に低湿度にするまでの時間が必要となる。
そこで本開示は、加圧部材を効率よく配置し、生産性を向上することができる硫化物全固体電池を提供することを課題とする。
When the microcapsules described in Patent Document 1 are used, gas is generated from inside the microcapsules when the microcapsules are thermally expanded. Therefore, the electrode body and the pressure spacer are placed in the outer package, and the outer package is not sealed. It is necessary to deaerate including the gas generated by thermal expansion in the container and then seal it. However, when sulfide is used as the solid electrolyte of an all-solid-state battery (sulfide-all-solid-state battery), a low-humidity environment is required to process without sealing the exterior body to suppress the reaction of sulfide, which reduces productivity. do. Even if the treatment is possible, it would require an increase in the size of the equipment and time to reduce the humidity to a low level before starting the equipment.
Therefore, an object of the present disclosure is to provide a sulfide all-solid-state battery capable of efficiently arranging a pressure member and improving 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、硫化物固体電解質を有した電極体と、電極体を収容する外装体と、電極体と外装体との間に配置され、加熱によりガスを生じることなく膨張する材料から得られる加圧部材と、を備える、全固体電池を開示する。 As one means for solving the above problems, the present disclosure provides an electrode body having a sulfide solid electrolyte, an exterior body that accommodates the electrode body, and an electrode body that is disposed between the electrode body and the exterior body, and is heated to generate a gas. a pressurizing member obtained from a material that expands without causing a
本開示によれば、硫化物全固体電池であっても、外装体に密閉してから加熱して加圧力を得ることができるため、加圧部材を効率よく配置し、生産性を向上することができる。 According to the present disclosure, even in a sulfide all-solid-state battery, it is possible to obtain a pressurizing force by heating after being sealed in the exterior body, so that it is possible to efficiently arrange the pressurizing member and improve productivity. can be done.
1.全固体電池
図1は1つの形態例にかかる全固体電池10を模式的に示した外観斜視図である。図2は円柱状の全固体電池10の周方向に沿った断面図、図3は円柱状の全固体電池10の円柱軸に沿った方向の断面図である。なお、ここで説明する全固体電池10は模式的なものであり、ここで説明する以外にも通常備える部材を備えている。例えば通常、全固体電池はその外部に不図示の端子を備えているがここでは省略されている。
1. 1. All-Solid-State Battery FIG. 1 is an external perspective view schematically showing an all-solid-
図1~図3よりわかるように、本形態で全固体電池10は、外装体11、電極体20、及び、加圧部材12を有して構成されている。以下、各構成部材について説明する。
As can be seen from FIGS. 1 to 3, the all-solid-
1.1.外装体
外装体11は、全固体電池10の電極体20及び加圧部材12を内包して外装をなす部材である。本形態の外装体11は有底円筒状であり筒内に電極体20及び加圧部材12を収納して密閉状態とされている。外装体11の形状は特に限定されることはなく収納される電極体20の形状に合わせて適用することが可能である。
外装体11を構成する材料は特に限定されることはないが例えばステンレス鋼により構成し、缶状(外装缶)とすることができる。
1.1. Exterior Body The
The material forming the
1.2.電極体20
電極体20は、蓄電部材であり、複数の単位電極体21が積層されてなる。本形態で複数の単位電極体21は円筒状である外装体11の軸線に沿った方向に積層されている。
図4に単位電極体21の構成を模式的に表した。図4からわかるように、単位電極体21は、正極活物質を含有する正極活物質層22、負極活物質を含有する負極活物質層23、正極活物質層22と負極活物質層23との間に形成された固体電解質層24、正極活物質層22の集電を行う正極集電体層25、負極活物質層23の集電を行う負極集電体層26を有する。
1.2.
The
FIG. 4 schematically shows the configuration of the
[正極活物質層]
正極活物質層22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。
[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.
本形態で固体電解質は硫化物固体電解質である。上記のように固体電解質が硫化物である場合に問題が生じるからである。
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。
In this embodiment, the solid electrolyte is a sulfide solid electrolyte. This is because problems arise when the solid electrolyte is a sulfide as described above.
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 any 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.
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22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22が好ましい。この場合、正極活物質層22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
[負極活物質層]
負極活物質層23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22と同様に考えることができる。
[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23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23が好ましい。この場合、負極活物質層23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
[固体電解質層]
固体電解質層24は、正極活物質層22と負極活物質層23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24は、少なくとも硫化物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22で説明した硫化物固体電解質材と同様に考えることができる。
[Solid electrolyte layer]
The
[集電体層]
集電体は、正極活物質層22の集電を行う正極集電体層25、及び負極活物質層23の集電を行う負極集電体層26である。正極集電体層25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26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。
[Current collector layer]
The current collectors are a positive electrode
1.3.加圧部材
加圧部材12は、外装体11の内側に、外装体11の内面と電極体20の外面とを埋めるように配置されている。これにより電極体20を構成する各層が加圧され、各層の接触が強固な状態を維持することができる。
加圧部材12は熱膨張性の材料を含んでなり、加熱により膨張するとともに、加熱時にガスを発生しないものである。全固体電池10となった状態で加圧部材12は膨張後の状態である。以下、加圧部材12の具体的な態様例を説明する。
1.3. Pressing Member The pressing
The
[第一の態様]
図5、図6には第一の態様にかかる加圧部材12の膨張について説明する図を表した。図5が膨張前、図6が膨張後であり、主要な膨張方向は紙面の左右方向である。
第一の態様にかかる加圧部材12は、スポンジのように弾性変形しやすいとともに無数の微小な空洞12bを有する本体12aと、樹脂からなり加熱により結着力が低下する結着材12cと、を有している。
第一の態様にかかる加圧部材12では、膨張前において図5に示すように膨張方向への膨張が妨げられるように圧縮され、空洞12bが潰れた状態で結着材12cにより保持されている。これにより、圧縮状態が維持されている。一方、図5の状態から第一の態様にかかる加圧部材12が加熱されると、結着材12cの結着力が低下するため、つぶされていた空洞12bが広がり、図6のように加圧部材12が膨張する。このとき、加熱によるガス発生がないため、密閉した空間内で加熱膨張させることができる。
このような本体12aを構成する材料としては例えばガラス繊維からなるスポンジ状の部材(ガラススポンジ、グラスウール)やセラミック繊維からなる材料(ロックウール)等を挙げることができる。
一方、結着材12cを構成する材料としては例えば樹脂(エチレン酢酸ビニル、オレフィン)等を挙げることができる。
[First aspect]
5 and 6 are diagrams for explaining the expansion of the
The
The
Examples of the material forming the
On the other hand, examples of materials constituting the
[第二の態様]
図7には第二の態様にかかる加圧部材12の膨張について説明する図を表した。図7の左側の図が膨張前、図7の右側の図が膨張後であり、主要な膨張方向は紙面の左右方向である。
第二の態様にかかる加圧部材12は、無数の繊維12dが絡むようにしてなる繊維群と、樹脂からなり加熱により結着力が低下する結着材12eと、を有している。
第二の態様にかかる加圧部材12では、膨張前において図7の左側の図に示すように膨張方向への膨張が妨げられるように圧縮され、近づいた繊維12d同士が結着材12eにより結着して保持されている。これにより、圧縮状態が維持されている。一方、図7の左側の図の状態から第二の態様にかかる加圧部材12が加熱されると、結着材12eの結着力が低下するため、密に絡み合っていた繊維12dが解放され、図7の右側の図のように加圧部材12が膨張する。このとき、加熱によるガス発生がないため、密閉した空間内で加熱膨張させることができる。
[Second aspect]
FIG. 7 shows a diagram for explaining the expansion of the
The
In the pressurizing
[第三の態様]
図8には第三の態様にかかる加圧部材12の膨張について説明する図を表した。図8の左側の図が膨張前、図8の右側の図が膨張後であり、主要な膨張方向は紙面の左右方向である。
第三の態様にかかる加圧部材12は、形状記憶合金製の波板材12fを有している。
第三の態様にかかる加圧部材12では、膨張前において図8の左側の図に示すように膨張方向への膨張が妨げられるように波板の高さがH1となるように変形されている。これにより、圧縮状態が維持されている。一方、図8の左側の図の状態から第三の態様にかかる加圧部材12が加熱されると、記憶されていた形状に戻り、波板の高さがH1より大きいH2になり、図8の右側の図のように加圧部材12が膨張する。このとき、加熱によるガス発生がないため、密閉した空間内で加熱膨張させることができる。
[Third aspect]
FIG. 8 shows a diagram for explaining the expansion of the
The pressing
In the
2.全固体電池の製造方法
以上のような全固体電池10は次のように製造することができる。
初めに、図9に示したように、密閉前の外装体11の内側に電極体20及び膨張前の加圧部材12を収納する。収納の順は特に限定されることはないが、例えば、筒状に変形させた膨張前の加圧部材12を外装体11の内側の内周面に沿って収納し、筒状である加圧部材12の内側に電極体20を配置することにより行うことができる。
2. Manufacturing method of all-solid-state battery The all-solid-
First, as shown in FIG. 9, the
その後、図10に示したように外装体11を密閉し、加熱する。この加熱により加圧部材12が上記のように膨張して図2、図3のように加圧部材12が外装体11の内部空間を埋めるとともに、電極体20を加圧する。
Thereafter, as shown in FIG. 10, the
3.効果等
本開示の全固体電池によれば、上記のように加熱によりガスが発生しない加圧部材が適用されているので、硫化物全固体電池であっても、外装体に密閉してから加熱して加圧力を得ることができるため、加圧部材を効率よく配置し、生産性を向上することができる。
3. Effect etc. According to the all-solid-state battery of the present disclosure, since the pressurizing member that does not generate gas by heating is applied as described above, even if it is a sulfide all-solid-state battery, it is heated after being sealed in the exterior body. Since the pressurizing force can be obtained by arranging the pressurizing member efficiently, the productivity can be improved.
10 全固体電池
11 外装体
12 加圧部材
20 電極体
21 単位電極体
10 All-solid-
Claims (1)
前記電極体を収容する外装体と、
前記電極体と前記外装体との間に配置され、加熱によりガスを生じることなく膨張する材料から得られる加圧部材と、を備える、
全固体電池。 an electrode body having a sulfide solid electrolyte;
an exterior body that houses the electrode body;
a pressurizing member disposed between the electrode body and the exterior body and made of a material that expands without generating gas when heated;
All-solid battery.
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