JP2023049671A - All-solid-state battery, manufacturing method of all-solid-state battery, base powder, and production method of base powder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体電池、全固体電池の製造方法、原料粉末、および原料粉末の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an all-solid-state battery, an all-solid-state battery manufacturing method, a raw material powder, and a raw material powder manufacturing method.
現在、リチウムイオン二次電池は、スマートフォン、自動車など様々な分野にて利用されている。しかしながら、実用化されているリチウムイオン二次電池は、有機電解液を含んでいるため、電解液の漏液・発煙・発火等の恐れがある。そこで、大気中で安定な酸化物固体電解質を用いた全固体リチウムイオン二次電池の開発が求められている。比較的高いイオン伝導度を有し、大気中で安定な酸化物固体電解質として、NASICON型固体電解質が広く研究されている(例えば、特許文献1参照)。 Currently, lithium ion secondary batteries are used in various fields such as smartphones and automobiles. However, lithium-ion secondary batteries in practical use contain an organic electrolyte, which may cause electrolyte leakage, smoke, or fire. Therefore, development of an all-solid lithium ion secondary battery using an oxide solid electrolyte that is stable in the air is desired. NASICON-type solid electrolytes have been extensively studied as oxide solid electrolytes that have relatively high ionic conductivity and are stable in the atmosphere (see, for example, Patent Document 1).
熱処理により結晶化させることでNASICON型の結晶構造を含む結晶を析出するガラス固体電解質LAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)は、低温焼結可能である。また、LAGPの焼結体は、室温で高いイオン伝導度10-4S/cm程度)を示す。しかしながら、LAGPは、Geが高コストであることが課題である。また、前述のガラス固体電解質を他の複数の材料と同時に焼結させる際に、焼結温度をコントロール可能であることが望ましい。Ge量を低減させつつ、焼結温度をコントロール可能な技術が必要である。しかしながら、Ge量を低減させるために、他元素でGeを一部置換すると、イオン伝導度を低下させてしまう可能性がある。 A glass solid electrolyte LAGP (Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 ), which deposits crystals having a NASICON-type crystal structure by being crystallized by heat treatment, can be sintered at a low temperature. In addition, the LAGP sintered body exhibits a high ion conductivity (approximately 10 −4 S/cm) at room temperature. However, LAGP suffers from the high cost of Ge. Moreover, it is desirable to be able to control the sintering temperature when sintering the aforementioned glass solid electrolyte together with a plurality of other materials. A technique is required that can control the sintering temperature while reducing the amount of Ge. However, if Ge is partially substituted with another element in order to reduce the amount of Ge, the ionic conductivity may decrease.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ge量を低減しつつ、イオン伝導度の低下を抑制することができる全固体電池、全固体電池の製造方法、原料粉末、および原料粉末の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an all-solid battery that can suppress a decrease in ion conductivity while reducing the amount of Ge, a method for manufacturing an all-solid battery, a raw material powder, and a raw material powder. The object is to provide a manufacturing method.
本発明に係る全固体電池は、固体電解質層と、前記固体電解質層の第1主面に設けられ、電極活物質を含む第1電極層と、前記固体電解質層の第2主面に設けられ、電極活物質を含む第2電極層と、を備え、前記固体電解質層の主成分である固体電解質は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有し、ガラスの一部が結晶化したガラスセラミックスからなる固体電解質であり、前記Aは、金属である前記Mの価数であり、0<A×y≦0.8であることを特徴とする。 An all-solid-state battery according to the present invention includes a solid electrolyte layer, a first electrode layer provided on a first main surface of the solid electrolyte layer, a first electrode layer containing an electrode active material, and a second main surface of the solid electrolyte layer. and a second electrode layer containing an electrode active material, wherein the solid electrolyte, which is the main component of the solid electrolyte layer, is (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-x-y (PO 4 ) 3 ) A solid electrolyte made of a glass-ceramic in which a part of the glass is crystallized, wherein A is the valence of the metal M, and 0<A×y≦0.8 It is characterized by
上記全固体電池において、前記Mは、Zr、Sn、またはTiであってもよい。 In the all-solid-state battery, M may be Zr, Sn, or Ti.
上記全固体電池において、前記Mは、Co、Mg、またはCaであってもよい。 In the all-solid-state battery, M may be Co, Mg, or Ca.
本発明に係る全固体電池の製造方法は、固体電解質粉末を含むグリーンシートと、前記グリーンシートの第1主面に形成され電極活物質を含む第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主面に形成され電極活物質を含む第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工程と、を含み、前記固体電解質粉末は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有するガラス固体電解質であり、前記Aは、金属である前記Mの価数であり、0<A×y≦0.8であることを特徴とする。 A method for manufacturing an all-solid-state battery according to the present invention includes a green sheet containing a solid electrolyte powder, a first electrode layer paste coating material formed on a first main surface of the green sheet and containing an electrode active material, and the green sheet a paste coating for a second electrode layer formed on the second main surface of and containing an electrode active material; and a step of firing the laminate, wherein the solid electrolyte powder is , (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ), wherein A is the valence of M, which is a metal. , 0<A×y≦0.8.
本発明に係る原料粉末は、固体電解質粉末を含む原料粉末であって、前記固体電解質粉末は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有するガラス固体電解質であり、前記Aは、金属である前記Mの価数であり、0<A×y≦0.8であることを特徴とする。 The raw material powder according to the present invention is a raw material powder containing a solid electrolyte powder, wherein the solid electrolyte powder is (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ) wherein A is the valence of M, which is a metal, and 0<A×y≦0.8.
本発明に係る原料粉末の製造方法は、Liと、Alと、金属であるMと、Geと、Pと、Oとを含む原料を用いて、溶融急冷法によって(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有するガラス固体電解質を生成する工程を含み、前記Aは、前記Mの価数であり、0<A×y≦0.8であることを特徴とする。 The method for producing a raw material powder according to the present invention uses a raw material containing Li, Al, and metals M, Ge, P, and O by a melt quenching method (Li 1+x+ (4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ), wherein A is the valence of M, and 0<A×y≦0 .8.
本発明によれば、Ge量を低減しつつ、イオン伝導度の低下を抑制することができる全固体電池、全固体電池の製造方法、原料粉末、および原料粉末の製造方法を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state battery, a method for manufacturing an all-solid-state battery, a raw material powder, and a method for manufacturing a raw material powder that can suppress a decrease in ionic conductivity while reducing the amount of Ge. .
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(実施形態)
図1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で例示するように、全固体電池100は、第1内部電極10(第1電極層)と第2内部電極20(第2電極層)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内部電極10は、固体電解質層30の第1主面上に形成されている。第2内部電極20は、固体電解質層30の第2主面上に形成されている。
(embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of an all-solid-
全固体電池100を二次電池として用いる場合には、第1内部電極10および第2内部電極20の一方を正極として用い、他方を負極として用いる。本実施形態においては、一例として、第1内部電極10を正極層として用い、第2内部電極20を負極層として用いるものとする。
When the all-
固体電解質層30は、イオン伝導性を有する固体電解質を主成分とする。固体電解質層30の主成分である固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する酸化物系の固体電解質であって、NASICON構造を有するリン酸塩系固体電解質である。NASICON構造を有するリン酸塩系固体電解質は、高い導電率を有するとともに、大気中で安定しているという性質を有している。リン酸塩系固体電解質は、リチウムを含んだリン酸塩である。本実施形態においては、固体電解質層30の主成分となる固体電解質として、熱処理により結晶化させることでNASICON型の結晶構造を含む結晶を析出するガラス固体電解質LAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3を用いる。
The
正極として用いられる第1内部電極10は、オリビン型結晶構造をもつ物質を電極活物質として含有する。第2内部電極20も、当該電極活物質を含有していることが好ましい。このような電極活物質として、遷移金属とリチウムとを含むリン酸塩が挙げられる。オリビン型結晶構造は、天然のカンラン石(olivine)が有する結晶であり、X線回折において判別することができる。
The first
オリビン型結晶構造をもつ電極活物質の典型例として、Coを含むLiCoPO4などを用いることができる。この化学式において遷移金属のCoが置き換わったリン酸塩などを用いることもできる。ここで、価数に応じてLiやPO4の比率は変動し得る。なお、遷移金属として、Co,Mn,Fe,Niなどを用いることが好ましい。 As a typical example of an electrode active material having an olivine-type crystal structure, LiCoPO4 containing Co can be used. A phosphate or the like in which the transition metal Co is replaced in this chemical formula can also be used. Here, the ratio of Li and PO4 can vary depending on the valence. Co, Mn, Fe, Ni, etc. are preferably used as transition metals.
オリビン型結晶構造をもつ電極活物質は、正極として作用する第1内部電極10においては、正極活物質として作用する。例えば、第1内部電極10にのみオリビン型結晶構造をもつ電極活物質が含まれる場合には、当該電極活物質が正極活物質として作用する。第2内部電極20にもオリビン型結晶構造をもつ電極活物質が含まれる場合に、負極として作用する第2内部電極20においては、その作用メカニズムは完全には判明してはいないものの、負極活物質との部分的な固溶状態の形成に基づくと推察される、放電容量の増大、ならびに、放電に伴う動作電位の上昇という効果が発揮される。
An electrode active material having an olivine-type crystal structure acts as a positive electrode active material in the first
第1内部電極10および第2内部電極20の両方ともオリビン型結晶構造をもつ電極活物質を含有する場合に、それぞれの電極活物質には、好ましくは、互いに同一であっても異なっていてもよい遷移金属が含まれる。「互いに同一であっても異なっていてもよい」ということは、第1内部電極10および第2内部電極20が含有する電極活物質が同種の遷移金属を含んでいてもよいし、互いに異なる種類の遷移金属が含まれていてもよい、ということである。第1内部電極10および第2内部電極20には一種だけの遷移金属が含まれていてもよいし、二種以上の遷移金属が含まれていてもよい。好ましくは、第1内部電極10および第2内部電極20には同種の遷移金属が含まれる。より好ましくは、両電極が含有する電極活物質は化学組成が同一である。第1内部電極10および第2内部電極20に同種の遷移金属が含まれていたり、同組成の電極活物質が含まれていたりすることにより、両内部電極層の組成の類似性が高まるので、全固体電池100の端子の取り付けを正負逆にしてしまった場合であっても、用途によっては誤作動せずに実使用に耐えられるという効果を有する。
When both the first
第2内部電極20は、負極活物質を含んでいる。一方の電極だけに負極活物質を含有させることによって、当該一方の電極は負極として作用し、他方の電極が正極として作用することが明確になる。なお、両方の電極に負極活物質として公知である物質を含有させてもよい。電極の負極活物質については、二次電池における従来技術を適宜参照することができ、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン複合酸化物、リチウムチタン複合リン酸塩、カーボン、リン酸バナジウムリチウムなどの化合物が挙げられる。
The second
第1内部電極10および第2内部電極20の作製においては、これら電極活物質に加えて、イオン電導性を有する固体電解質や、導電性材料(導電助剤)などが添加されている。これらの部材については、バインダと可塑剤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。導電助剤として、カーボン材料などが含まれていてもよい。導電助剤として、金属が含まれていてもよい。導電助剤の金属としては、Pd、Ni、Cu、Fe、これらを含む合金などが挙げられる。第1内部電極10および第2内部電極20に含まれる固体電解質は、例えば、固体電解質層30の主成分である固体電解質と同じとすることができる。
In the production of the first
固体電解質層30の主成分である固体電解質として用いるLi-Al-Ge-PO4系ガラスセラミックス(ガラスの一部が結晶化したガラスセラミックス)からなる固体電解質(LAGP)は、例えば、(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)と表すことができる。LAGPは、低温焼結が可能なガラス固体電解質である。また、LAGPの焼結体は、室温で高いイオン伝導度(10-4S/cm程度)を示す。しかしながら、LAGPには高コストのGeが含まれるため、全固体電池100のコストが高くなる。そこで、Ge量を低減させることが望まれる。
A solid electrolyte (LAGP) made of Li—Al—Ge—PO 4 -based glass-ceramics (glass-ceramics in which glass is partially crystallized) used as a solid electrolyte that is the main component of the
また、固体電解質層30は、第1内部電極10および第2内部電極20と同時に焼成することになる。固体電解質層30の焼結温度と、第1内部電極10および第2内部電極20の焼結温度との差異が大きいと、クラックやデラミネーションが発生するおそれがある。したがって、固体電解質層30の焼結温度をコントロール可能であることが望まれる。
Also, the
以上のことから、Ge量を低減させつつ、固体電解質層30の焼結温度をコントロールすることができる技術が望まれる。しかしながら、Ge量を低減させるために、他元素で一部のGeを置換しようとすると、固体電解質層30のイオン伝導度を低下させてしまう可能性がある。
In view of the above, there is a demand for a technique capable of controlling the sintering temperature of the
そこで、本実施形態に係る固体電解質層30の主成分である固体電解質は、イオン伝導度の低下を抑制しつつGe量が低減された構成を有している。具体的には、固体電解質層30の主成分である固体電解質は、LAGP(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有している。Aは、Mの価数である。0<yとすることで、Ge量を低減させることができている。
Therefore, the solid electrolyte, which is the main component of the
Mとして4価の金属を用いることで、固体電解質層30の主成分である固体電解質の焼結温度を高温側にコントロールすることができる。これは、Ge以外の4価の金属ではLi-Al-M-P-O結合の安定性が高いことに起因して液相生成温度が高くなるために、LAGPに比べて焼結温度が高くなるからであると推定される。ただし、Geの置換量yが多くなると、ガラス化が阻害され、十分なイオン伝導性が得られないおそれがある。そこで、Geの置換量yに上限を設ける。本実施形態においては、Mが4価の金属であれば、0<y≦0.2とする。
By using a tetravalent metal as M, the sintering temperature of the solid electrolyte that is the main component of the
Mとして4価の金属を用いる場合において、Geの置換量yを多くしてコストを低減する観点から、Geの置換量yは、0.03以上であることが好ましく、0.05以上であることがより好ましく、0.10以上であることがさらに好ましい。 When a tetravalent metal is used as M, from the viewpoint of reducing cost by increasing the substitution amount y of Ge, the substitution amount y of Ge is preferably 0.03 or more, and is 0.05 or more. is more preferable, and 0.10 or more is even more preferable.
一方、Mとして4価の金属を用いる場合において、十分なイオン伝導性を得る観点から、Geの置換量yは、0.18以下であることが好ましく、0.15以下であることがより好ましい。 On the other hand, when a tetravalent metal is used as M, the substitution amount y of Ge is preferably 0.18 or less, more preferably 0.15 or less, from the viewpoint of obtaining sufficient ionic conductivity. .
4価金属のMとして、例えば、Zr,Sn,Tiなどを用いることができる。これらの中でも、Zrは、少量でも焼結温度を高温側に変化させることができる。したがって、4価金属のMとしてZrを用いることが好ましい。 As the tetravalent metal M, for example, Zr, Sn, Ti or the like can be used. Among these, Zr can change the sintering temperature to a higher temperature even in a small amount. Therefore, it is preferable to use Zr as M of the tetravalent metal.
Mとして2価の金属を用いることで、固体電解質層30の主成分である固体電解質の焼結温度を低温側にコントロールすることができる。これは、2価の金属ではLi-Al-M-P-O結合の安定性が低いことに起因して液相生成温度が低くなるために、LAGPに比べて焼結温度が低くなるからであると推定される。ただし、Geの置換量yが多くなると、ガラス化が阻害され、十分なイオン伝導性が得られないおそれがある。そこで、Geの置換量yに上限を設ける。本実施形態においては、Mが2価の金属であれば、0<y≦0.4とする。2価金属のMとして、例えば、Co,Mg,Caなどを用いることができる。
By using a divalent metal as M, the sintering temperature of the solid electrolyte, which is the main component of the
Mとして2価の金属を用いる場合において、Geの置換量yを多くしてコストを低減する観点から、Geの置換量yは、0.05以上であることが好ましく、0.10以上であることがより好ましく、0.20以上であることがさらに好ましい。 In the case of using a divalent metal as M, from the viewpoint of reducing the cost by increasing the substitution amount y of Ge, the substitution amount y of Ge is preferably 0.05 or more, and is 0.10 or more. is more preferable, and 0.20 or more is even more preferable.
一方、Mとして2価の金属を用いる場合において、十分なイオン伝導性を得る観点から、Geの置換量yは、0.35以下であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましい。 On the other hand, when a divalent metal is used as M, the substitution amount y of Ge is preferably 0.35 or less, more preferably 0.3 or less, from the viewpoint of obtaining sufficient ionic conductivity. .
なお、Mの価数が4価の場合と2価の場合とで、Ge置換量yについての好ましい上限が異なるのは、Li-Al-M-P-Oの安定性に起因しているものと推定され、2価の方がガラス化しやすく、4価の方がより少量置換でガラス化できなくなるからである。 The difference in the preferred upper limit of the Ge substitution amount y between when the valence of M is tetravalent and when it is divalent is due to the stability of Li—Al—M—P—O. This is because divalent is easier to vitrify, and tetravalent cannot be vitrified with a smaller amount of substitution.
上記の説明から、0<A×y≦0.8の関係を導くことができる。なお、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)において、xは、例えば、0.2以上0.8以下であり、0.3以上0.7以下であることが好ましく、0.4以上0.6以下であることがより好ましい。 From the above description, the relationship 0<A×y≦0.8 can be derived. In (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-x-y (PO 4 ) 3 ), x is, for example, 0.2 or more and 0.8 or less, and 0.3 or more and 0.3 or more. It is preferably 0.7 or less, more preferably 0.4 or more and 0.6 or less.
図2は、複数の電池単位が積層された積層型の全固体電池100aの模式的断面図である。全固体電池100aは、略直方体形状を有する積層チップ60を備える。積層チップ60において、積層方向端の上面および下面以外の4面のうちの2面である2側面に接するように、第1外部電極40aおよび第2外部電極40bが設けられている。当該2側面は、隣接する2側面であってもよく、互いに対向する2側面であってもよい。本実施形態においては、互いに対向する2側面(以下、2端面と称する)に接するように第1外部電極40aおよび第2外部電極40bが設けられているものとする。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a stacked all-solid-
以下の説明において、全固体電池100と同一の組成範囲、同一の厚み範囲、および同一の粒度分布範囲を有するものについては、同一符号を付すことで詳細な説明を省略する。
In the following description, those having the same composition range, the same thickness range, and the same particle size distribution range as those of the all-solid-
全固体電池100aにおいては、複数の第1内部電極10と複数の第2内部電極20とが、固体電解質層30を介して交互に積層されている。複数の第1内部電極10の端縁は、積層チップ60の第1端面に露出し、第2端面には露出していない。複数の第2内部電極20の端縁は、積層チップ60の第2端面に露出し、第1端面には露出していない。それにより、第1内部電極10および第2内部電極20は、第1外部電極40aと第2外部電極40bとに、交互に導通している。なお、固体電解質層30は、第1外部電極40aから第2外部電極40bにかけて延在している。このように、全固体電池100aは、複数の電池単位が積層された構造を有している。
In the all-solid-
第1内部電極10、固体電解質層30および第2内部電極20の積層構造の上面(図2の例では、最上層の第1内部電極10の上面)に、カバー層50が積層されている。また、当該積層構造の下面(図2の例では、最下層の第1内部電極10の下面)にも、カバー層50が積層されている。カバー層50は、例えば、Al、Si、Zr、Tiなどを含む無機材料(例えば、Al2O3、SiO2、ZrO2、TiO2など)を主成分とする。カバー層50は、固体電解質層30の主成分である固体電解質を主成分として含んでいてもよい。
A
第1内部電極10および第2内部電極20は、集電体層を備えていてもよい。例えば、図3で例示するように、第1内部電極10内に第1集電体層11が設けられていてもよい。また、第2内部電極20内に第2集電体層21が設けられていてもよい。第1集電体層11および第2集電体層21は、導電性材料を主成分とする。例えば、第1集電体層11および第2集電体層21の導電性材料として、金属、カーボンなどを用いることができる。第1集電体層11を第1外部電極40aに接続し、第2集電体層21を第2外部電極40bに接続することで、集電効率が向上する。
The first
続いて、図2で例示した全固体電池100aの製造方法について説明する。図4は、全固体電池100aの製造方法のフローを例示する図である。
Next, a method for manufacturing the all-solid-
(固体電解質層用の原料粉末作製工程)
まず、上述の固体電解質層30用の原料粉末を作製する。例えば、Liと、Alと、2価金属または4価金属のMと、Geと、Pと、Oとを含む原料と、添加物などを混合し、溶融急冷法などを用いることで、固体電解質層用の原料粉末(ガラス固体電解質)を作製することができる。溶融急冷法などを用いることで、固体電解質層30の主成分である固体電解質をガラス化することができる。得られた原料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。
(Process for preparing raw material powder for solid electrolyte layer)
First, raw material powder for the
原料粉末は、LAGP(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有している。Aは、Mの価数であり、0<A×y≦0.8である。 The raw material powder has a structure of LAGP (Li 1+x+(4-A)y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ). A is the valence of M, and 0<A×y≦0.8.
(カバー層用の原料粉末作製工程)
まず、上述のカバー層50を構成するセラミックスの原料粉末を作製する。例えば、原料、添加物などを混合し、固相合成法などを用いることで、カバー層用の原料粉末を作製することができる。得られた原料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。
(Process for preparing raw material powder for cover layer)
First, raw material powder of ceramics that constitutes the
(内部電極用ペースト作製工程)
次に、上述の第1内部電極10および第2内部電極20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、焼結助剤、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、カーボン材料などを用いる。導電助剤として、金属を用いてもよい。導電助剤の金属としては、Pd、Ni、Cu、Fe、これらを含む合金などが挙げられる。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内部電極10と第2内部電極20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。
(Internal electrode paste preparation process)
Next, an internal electrode paste for producing the above-described first
内部電極用ペーストの焼結助剤として、例えば、Li-B-O系化合物、Li-Si-O系化合物、Li-C-O系化合物、Li-S-O系化合物,Li-P-O系化合物などのガラス成分のどれか1つあるいは複数のガラス成分が含まれている。 Examples of sintering aids for internal electrode paste include Li—B—O compounds, Li—Si—O compounds, Li—C—O compounds, Li—S—O compounds, Li—P—O Any one or a plurality of glass components such as glass compounds are included.
(外部電極用ペースト作製工程)
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、ガラスフリット、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。
(External electrode paste preparation process)
Next, an external electrode paste for producing the first
(固体電解質グリーンシート作製工程)
固体電解質層用の原料粉末を、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、各種混練機、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51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。
(Solid electrolyte green sheet manufacturing process)
A solid electrolyte slurry having a desired average particle size is prepared by uniformly dispersing the raw material powder for the solid electrolyte layer in an aqueous solvent or an organic solvent together with a binder, a dispersant, a plasticizer, etc., followed by wet pulverization. get At this time, a bead mill, a wet jet mill, various kneaders, a high-pressure homogenizer, or the like can be used, and it is preferable to use a bead mill from the viewpoint of being able to simultaneously adjust the particle size distribution and disperse. A binder is added to the obtained solid electrolyte slurry to obtain a solid electrolyte paste. By applying the obtained solid electrolyte paste, the solid electrolyte
(積層工程)
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が印刷されていない領域には、逆パターン53を印刷する。逆パターン53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する。図5(b)で例示するように、積層方向の上下から、カバーシート54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、一方の端面に第1内部電極10用の内部電極用ペースト52が露出し、他方の端面に第2内部電極20用の内部電極用ペースト52が露出するように、略直方体形状の積層体を得る。カバーシート54は、固体電解質グリーンシート作製工程と同様の手法でカバー層用の原料粉末を塗工することで形成することができる。カバーシート54は、固体電解質グリーンシート51よりも厚く形成しておく。塗工時に厚くしてもよく、塗工したシートを複数枚重ねることで厚くしてもよい。
(Lamination process)
As illustrated in FIG. 5( a ), an
次に、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55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。
Next, the
(焼成工程)
次に、得られた積層体を焼成する。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。
(Baking process)
Next, the obtained laminate is fired. The firing conditions are oxidizing atmosphere or non-oxidizing atmosphere, and the maximum temperature is preferably 400° C. to 1000° C., more preferably 500° C. to 900° C., without any particular limitation. A step of holding below the maximum temperature in an oxidizing atmosphere may be provided to sufficiently remove the binder until the maximum temperature is reached. In order to reduce process costs, it is desirable to bake at as low a temperature as possible. After firing, reoxidation treatment may be performed. Through the above steps, the all-solid-
なお、内部電極用ペーストと、導電性材料を含む集電体用ペーストと、内部電極用ペーストとを順に積層することで、第1内部電極10および第2内部電極20内に集電体層を形成することができる。
Note that the internal electrode paste, the current collector paste containing a conductive material, and the internal electrode paste are sequentially laminated to form current collector layers in the first
以下、実施形態に従って全固体電池を作製し、特性について調べた。 All-solid-state batteries were produced according to the embodiments, and their characteristics were examined.
(実施例1)
Li2CO3、Al2O3、GeO2、NH4H2PO4、ZrO2をモル比でLi:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.45:0.05:3.0となるように秤量し、白金るつぼ内にて1300℃で溶融し、急冷した。Geの置換量yは、0.05である。得られた固体は、透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して10℃高くなり、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 1)
Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 , GeO 2 , NH 4 H 2 PO 4 and ZrO 2 in a molar ratio of Li:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.45:0. 05:3.0, melted at 1300° C. in a platinum crucible, and quenched. The substitution amount y of Ge is 0.05. The solid obtained was in a transparent glassy state. When this was pulverized into powder, pelletized and sintered, the sintering temperature was 10° C. higher than that without substitution, and it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ionic conductivity was obtained.
(実施例2)
モル比でLi:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.4:0.1:3.0としたこと以外、実施例1と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.10である。得られた固体は、透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して15℃高くなり、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 2)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.4:0.1:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.10. The solid obtained was in a transparent glassy state. When this was pulverized into powder, pelletized and sintered, the sintering temperature was 15° C. higher than that without replacement, and it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ionic conductivity was obtained.
(実施例3)
モル比でLi:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.3:0.2:3.0としたこと以外、実施例1と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.20である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して20℃高くなり、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 3)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.3:0.2:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.20. The obtained solid was in a transparent glassy state. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 20° C. higher than that without replacement, and it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ion conduction was obtained.
(比較例1)
モル比でLi:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0としたこと以外、実施例1と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.25である。得られた固体は、失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して30℃高くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative example 1)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Zr:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.25. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 30° C. higher than that without replacement, and the sinterability was insufficient, resulting in a solid electrolyte sintered body with low ion conductivity. confirmed to be
(実施例4)
ZrO2をSnO2としたこと以外、実施例3と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.20である。得られた固体は、透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、焼結温度が置換無しのものに対して50℃高くなり、ペレット化して焼成したところ、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 4)
A melt-quenched solid was obtained in the same manner as in Example 3, except that ZrO2 was SnO2 . The substitution amount y of Ge is 0.20. The solid obtained was in a transparent glassy state. This was pulverized into powder, the sintering temperature became 50° C. higher than that without substitution, and when pelletized and fired, it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ion conduction was obtained.
(比較例2)
モル比でLi:Al:Ge:Sn:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0としたこと以外、実施例4と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.25である。得られた固体は失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して60℃高くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative example 2)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 4 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Sn:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.25. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 60° C. higher than that without replacement, and the sinterability was insufficient, resulting in a solid electrolyte sintered body with low ion conductivity. confirmed to be
(実施例5)
ZrO2をTiO2としたこと以外、実施例3と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.20である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、焼結温度が置換無しのものに対して20℃高くなり、ペレット化して焼成したところ、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 5)
A melt-quenched solid was obtained in the same manner as in Example 3, except that TiO 2 was used instead of ZrO 2 . The substitution amount y of Ge is 0.20. The obtained solid was in a transparent glassy state. This was pulverized into powder, the sintering temperature became 20° C. higher than that without substitution, and when pelletized and fired, it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ion conduction was obtained.
(比較例3)
モル比でLi:Al:Ge:Ti:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0としたこと以外、実施例5と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.25である。得られた固体は失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して30℃高くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative Example 3)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 5 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Ti:P=1.5:0.5:1.25:0.25:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.25. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 30° C. higher than that without replacement, and the sinterability was insufficient, resulting in a solid electrolyte sintered body with low ion conductivity. confirmed to be
(実施例6)
ZrO2をCo3O4としたこと以外、実施例3と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.20である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、焼結温度が置換無しのものに対して20℃低くなり、ペレット化して焼成したところ、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 6)
A melt-quenched solid was obtained in the same manner as in Example 3, except that ZrO 2 was replaced by Co 3 O 4 . The substitution amount y of Ge is 0.20. The obtained solid was in a transparent glassy state. It was confirmed that when this was pulverized into powder, the sintering temperature became 20° C. lower than that without replacement, and pelletized and fired, a solid electrolyte sintered body exhibiting ion conduction was obtained.
(実施例7)
モル比でLi:Al:Ge:Co:P=1.5:0.5:1.3:0.4:3.0としたこと以外、実施例6と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.40である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して30℃低くなり、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 7)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 6 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Co:P=1.5:0.5:1.3:0.4:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.40. The obtained solid was in a transparent glassy state. When this was pulverized into powder, pelletized and sintered, the sintering temperature was 30° C. lower than that without replacement, and it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ionic conductivity was obtained.
(比較例4)
モル比でLi:Al:Ge:Co:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0としたこと以外、実施例6と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.50である。得られた固体は失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して30℃低くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative Example 4)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 6 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Co:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.50. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 30°C lower than that of the solid electrolyte sintered body without replacement, indicating insufficient sinterability and low ion conductivity. confirmed to be
(実施例8)
ZrO2をMgOとしたこと以外、実施例7と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.40である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、焼結温度が置換無しのものに対して10℃低くなり、ペレット化して焼成したところ、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 8)
A molten quenched solid was obtained as in Example 7, except that ZrO2 was MgO. The substitution amount y of Ge is 0.40. The obtained solid was in a transparent glassy state. This was pulverized into powder, the sintering temperature became 10° C. lower than that without substitution, and when pelletized and fired, it was confirmed that a solid electrolyte sintered body exhibiting ion conduction was obtained.
(比較例5)
モル比でLi:Al:Ge:Mg:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0としたこと以外、実施例8と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.50である。得られた固体は失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して10℃低くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative Example 5)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 8 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Mg:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.50. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 10°C lower than that of the solid electrolyte sintered body without replacement, and the sinterability was insufficient, resulting in a solid electrolyte sintered body with low ion conductivity. confirmed to be
(実施例9)
ZrO2をCaOとしたこと以外、実施例7と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.40である。得られた固体は透明なガラス状態であった。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して5℃低くなり、イオン伝導を発現する固体電解質焼結体となることを確認した。
(Example 9)
A melt-quenched solid was obtained in the same manner as in Example 7, except that CaO was used instead of ZrO2 . The substitution amount y of Ge is 0.40. The obtained solid was in a transparent glassy state. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, it was confirmed that the sintering temperature was 5° C. lower than that without substitution, and that a solid electrolyte sintered body exhibiting ionic conductivity was obtained.
(比較例6)
モル比でLi:Al:Ge:Mg:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0としたこと以外、実施例9と同様に溶融急冷固体を得た。Geの置換量yは、0.50である。得られた固体は失透しており、一部結晶となっていた。これを粉末状に粉砕し、ペレット化して焼成したところ、焼結温度が置換無しのものに対して10℃低くなり、焼結性が不足しており、イオン伝導が低い固体電解質焼結体となることを確認した。
(Comparative Example 6)
A molten and quenched solid was obtained in the same manner as in Example 9 except that the molar ratio of Li:Al:Ge:Mg:P=1.5:0.5:1.25:0.5:3.0. The substitution amount y of Ge is 0.50. The obtained solid was devitrified and partially crystallized. When this was pulverized into powder, pelletized and fired, the sintering temperature was 10°C lower than that of the solid electrolyte sintered body without replacement, and the sinterability was insufficient, resulting in a solid electrolyte sintered body with low ion conductivity. confirmed to be
実施例1~9および比較例1~6の結果を表1に示す。実施例1~5および比較例1~3の結果からすると、Geの一部を4価金属で置換することで、焼結温度を高温側にコントロールできることがわかる。しかしながら、比較例1~3では、ガラス化が十分ではなく、十分なイオン伝導性が得られなかった。これは、Ge置換量yが0.2を上回ったからであると考えられる。これに対して、実施例1~5では、十分にガラス化し、十分なイオン伝導性が得られた。これは、Ge置換量yを0.2以下にしたからであると考えられる。
実施例6~9および比較例4~6の結果からすると、Geの一部を2価金属で置換することで、焼結温度を低温側にコントロールできることがわかる。しかしながら、比較例4~6では、ガラス化が十分ではなく、十分なイオン伝導性が得られなかった。これは、Ge置換量yが0.4を上回ったからであると考えられる。これに対して、実施例6~9では、十分にガラス化し、十分なイオン伝導性が得られた。これは、Ge置換量yを0.4以下にしたからであると考えられる。 From the results of Examples 6 to 9 and Comparative Examples 4 to 6, it can be seen that the sintering temperature can be controlled to a lower temperature by substituting part of Ge with a divalent metal. However, in Comparative Examples 4 to 6, vitrification was insufficient and sufficient ionic conductivity was not obtained. It is considered that this is because the Ge substitution amount y exceeded 0.4. On the other hand, in Examples 6 to 9, sufficient vitrification and sufficient ionic conductivity were obtained. It is considered that this is because the Ge substitution amount y is set to 0.4 or less.
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and variations can be made within the scope of the gist of the present invention described in the scope of claims. Change is possible.
10 第1内部電極
11 第1集電体層
20 第2内部電極
21 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
50 カバー層
51 固体電解質グリーンシート
52 内部電極用ペースト
53 逆パターン
54 カバーシート
55 外部電極用ペースト
60 積層チップ
100,100a 全固体電池
10 first
Claims (6)
前記固体電解質層の第1主面に設けられ、電極活物質を含む第1電極層と、
前記固体電解質層の第2主面に設けられ、電極活物質を含む第2電極層と、を備え、
前記固体電解質層の主成分である固体電解質は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有し、ガラスの一部が結晶化したガラスセラミックスからなる固体電解質であり、
前記Aは、金属である前記Mの価数であり、
0<A×y≦0.8であることを特徴とする全固体電池。 a solid electrolyte layer;
a first electrode layer provided on the first main surface of the solid electrolyte layer and containing an electrode active material;
a second electrode layer provided on the second main surface of the solid electrolyte layer and containing an electrode active material;
The solid electrolyte, which is the main component of the solid electrolyte layer, has a structure of (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ), and part of the glass is a crystal. a solid electrolyte made of glass-ceramics,
A is the valence of M, which is a metal;
An all-solid battery, characterized in that 0<A×y≦0.8.
前記積層体を焼成する工程と、を含み、
前記固体電解質粉末は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有するガラス固体電解質であり、
前記Aは、金属である前記Mの価数であり、
0<A×y≦0.8であることを特徴とする全固体電池の製造方法。 A green sheet containing a solid electrolyte powder, a first electrode layer paste coating material formed on the first main surface of the green sheet and containing an electrode active material, and an electrode active material formed on the second main surface of the green sheet. a step of preparing a laminate having a paste coating for a second electrode layer comprising
and firing the laminate,
The solid electrolyte powder is a glass solid electrolyte having a structure of (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ),
A is the valence of M, which is a metal;
A method for manufacturing an all-solid-state battery, wherein 0<A×y≦0.8.
前記固体電解質粉末は、(Li1+x+(4-A)yAlxMyGe2-x-y(PO4)3)の構造を有するガラス固体電解質であり、
前記Aは、金属である前記Mの価数であり、
0<A×y≦0.8であることを特徴とする原料粉末。 A raw material powder containing a solid electrolyte powder,
The solid electrolyte powder is a glass solid electrolyte having a structure of (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy (PO 4 ) 3 ),
A is the valence of M, which is a metal;
A raw material powder characterized by 0<A×y≦0.8.
前記Aは、前記Mの価数であり、
0<A×y≦0.8であることを特徴とする原料粉末の製造方法。
Using a raw material containing Li, Al, and metals M, Ge, P, and O, (Li 1+x+(4-A) y Al x M y Ge 2-xy by a melt quenching method forming a glass solid electrolyte having a structure of (PO 4 ) 3 );
The A is the valence of the M,
A method for producing a raw material powder, wherein 0<A×y≦0.8.
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