JP2023125396A - All-solid battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery.
近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれており、電解質として固体電解質を用いる全固体電池が注目されている。 In recent years, electronics technology has made remarkable progress, and portable electronic devices are becoming smaller, lighter, thinner, and more multifunctional. Along with this, there is a strong desire for batteries that serve as power sources for electronic devices to be smaller, lighter, thinner, and more reliable, and all-solid-state batteries that use solid electrolytes as electrolytes are attracting attention.
全固体電池には、薄膜型とバルク型がある。薄膜型は、物理蒸着(PVD)法、ゾルゲル法等の薄膜技術を用いて作製される。バルク型は、粉末成形法、焼結法等を用いて作製される。それぞれの全固体電池は、製造方法の違いに起因して適用可能な物質が異なったり、性能が異なったりする。 There are two types of all-solid-state batteries: thin-film types and bulk types. Thin film types are produced using thin film techniques such as physical vapor deposition (PVD) and sol-gel methods. The bulk mold is manufactured using a powder molding method, a sintering method, or the like. All-solid-state batteries have different applicable materials and different performances due to differences in manufacturing methods.
例えば、特許文献1には、固体電解質に酸化物系固体電解質を用いた焼結型の全固体電池が開示されている。特許文献1に記載の全固体電池には、正極活物質層、固体電解質層に適用可能な材料をいくつか提示している。
For example,
特許文献1に記載の全固体電池の中には、内部抵抗が高くなるものがあった。
Some of the all-solid-state batteries described in
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、内部抵抗の低い全固体電池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 object of the present invention is to provide an all-solid-state battery with low internal resistance.
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 In order to solve the above problem, the following means are provided.
(1)第1の態様にかかる全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間の固体電解質層と、を有する焼結体を備え、前記正極は、LiCoO2を含み、前記固体電解質層は、Li3+xSixP1-xO4(0.4≦x≦0.8)を含む。 (1) An all-solid-state battery according to a first aspect includes a sintered body having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode includes LiCoO 2 , the solid electrolyte layer includes Li 3+x Si x P 1-x O 4 (0.4≦x≦0.8).
(2)上記態様にかかる全固体電池において、前記正極は、Ag、Pd、Au、Ptからなる群から選択されるいずれ一つを含む金属又は合金をさらに備えてもよい。 (2) In the all-solid-state battery according to the above aspect, the positive electrode may further include a metal or alloy containing any one selected from the group consisting of Ag, Pd, Au, and Pt.
(3)上記態様にかかる全固体電池において、前記正極は、正極集電体層と、前記固体電解質層と接する正極活物質層とを備え、前記正極集電体層は、LiCoO2とAg、Pd、Au、Ptからなる群から選択されるいずれ一つを含む金属又は合金とを含んでもよい。 (3) In the all-solid-state battery according to the above aspect, the positive electrode includes a positive electrode current collector layer and a positive electrode active material layer in contact with the solid electrolyte layer, and the positive electrode current collector layer includes LiCoO 2 and Ag, A metal or an alloy containing any one selected from the group consisting of Pd, Au, and Pt may also be included.
上記態様にかかる全固体電池は、内部抵抗が低い。 The all-solid-state battery according to the above embodiment has low internal resistance.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following explanation, characteristic parts of the present invention may be shown enlarged for convenience in order to make it easier to understand, and the dimensional ratio of each component may differ from the actual one. be. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be implemented with appropriate changes within the scope of the invention.
方向について定義する。積層体4の積層方向をz方向とし、z方向と直交する面内の一方向をx方向、x方向及びz方向と直交する方向をy方向とする。以下、z方向の一方向を「上」、この方向と反対の方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
Define direction. The stacking direction of the
図1は、本実施形態にかかる全固体電池10の断面模式図である。全固体電池10は、積層体4と端子電極5,6とを有する。端子電極5,6は、積層体4の対向する面にそれぞれ接する。端子電極5,6は、積層体4の積層面と交差(直交)するz方向に延びる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-
積層体4は、正極1と負極2と固体電解質層3とを有する。積層体4は、正極1、負極2及び固体電解質層3が積層されて焼結された焼結体である。正極1及び負極2の層数は問わない。固体電解質層3は、少なくとも正極1と負極2との間にある。正極1と端子電極6との間および負極2と端子電極5との間には、例えば、固体電解質層3と同じ固体電解質がある。正極1は、一端が端子電極5に接続されている。負極2は、一端が端子電極6と接続されている。
The
全固体電池10は、正極1と負極2の間で固体電解質層3を介したイオンの授受により充電又は放電する。図1では、積層型の電池を示したが、巻回型の電池でもよい。全固体電池10は、例えば、ラミネート電池、角型電池、円筒型電池、コイン型電池、ボタン型電池等に用いられる。また全固体電池10は、固体電解質層3を溶媒に溶解又は分散させた注液型でもよい。
The all-solid-
「正極」
図2は、第1実施形態に係る全固体電池10の特徴部分の拡大図である。正極1は、例えば、正極集電体層1Aと正極活物質層1Bとを有する。
"Positive electrode"
FIG. 2 is an enlarged view of characteristic parts of the all-solid-
[正極集電体層]
正極集電体層1Aは、例えば、集電体11と正極活物質12とを有する。この場合、集電体11の最上部を通るxy平面と最下部を通るxy平面との間を正極集電体層1Aとみなす。
[Positive electrode current collector layer]
The positive electrode current collector layer 1A includes, for example, a
集電体11は、複数の集電体粒子からなる。複数の集電体粒子は互いに接続され、xy面内に電気的に接続されている。正極1は、集電体11として、Ag、Pd、Au、Ptからなる群から選択されるいずれ一つを含む金属又は合金を備える。これらの金属又は合金は、積層体4を大気雰囲気中で加熱しても融解せず、酸化しにくい。集電体11は、例えば、AgPd合金、Au、Ptである。
The
正極活物質12は、正極集電体層1A内に、集電体11と共に混在している。正極活物質12は、集電体11と接する。正極集電体層1A内に正極活物質12が含有されていると、正極活物質12から集電体11への電子の授受がスムーズになる。正極1は、正極活物質12として、コバルト酸リチウムを含む。コバルト酸リチウムは、LiCoO2で表記され、化学量論組成からのずれは許容される。
The positive electrode
図2では、集電体11が複数の集電体粒子からなる例を示したが、この場合に限られない。図3は、第1実施形態に係る全固体電池の別の例の特徴部分の拡大図である。図3に示す正極集電体層1Cは、集電体11からなる。集電体11は、xy面内に広がる箔、パンチング膜、エクスパンドの各形態であっても良い。
Although FIG. 2 shows an example in which the
[正極活物質層]
正極活物質層1Bは、正極集電体層1Aの片面又は両面に形成される。正極活物質層1Bは、正極活物質を含む。正極活物質層1Bは、導電助剤、結着材、上述の固体電解質を含んでもよい。正極活物質層1Bが固体電解質を含む場合、正極活物質の最外部を通るxy平面と、正極集電体層1Aとの境界(正極集電体の最外部を通るxy平面)との間を、正極活物質層1Bとみなす。
[Cathode active material layer]
The positive electrode
(正極活物質)
正極活物質は、コバルト酸リチウムである。コバルト酸リチウムは、LiCoO2で表記され、化学量論組成からのずれは許容される。
(Cathode active material)
The positive electrode active material is lithium cobalt oxide. Lithium cobalt oxide is expressed as LiCoO 2 and deviations from the stoichiometric composition are allowed.
(導電助剤)
導電助剤は、正極活物質層1B内の電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。導電助剤は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ等の炭素系材料や、金、白金、銀、パラジウム、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属、ITOなどの伝導性酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。
(Conductivity aid)
The conductive aid is not particularly limited as long as it improves the electron conductivity within the positive electrode
(結着材)
結着材は、正極集電体層1Aと正極活物質層1B、正極活物質層1Bと固体電解質層3、及び、正極活物質層1Bを構成する各種材料同士を接合する。
(Binder)
The binding material bonds the various materials that constitute the positive electrode current collector layer 1A and the positive electrode
結着材は、正極活物質層1Bの機能を失わない範囲内で用いることができる。結着材は、不要であれば含有させなくてもよい。正極活物質層1B中の結着材の含有量は、例えば、正極活物質層の0.5~30体積%である。結着材の含有量が十分少ないと、正極活物質層1Bの抵抗が十分低くなる。ここで、体積%は、例えば、走査型電子顕微鏡で測定される断面における面積%と略一致する。そのため、走査型電子顕微鏡で測定された断面における面積比をそのまま体積比とみなすことができる。
The binder can be used within a range that does not impair the function of the positive electrode
結着材は、上述の接合が可能なものであればよく、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)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、結着材として、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、結着材として電子伝導性を有する導電性高分子や、イオン伝導性を有するイオン導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性を有する導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、結着材が導電助剤の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性を有するイオン導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等を伝導するものを使用することができ、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤などである。結着材に要求される特性としては、酸化・還元耐性があること、接着性が良いことが挙げられる。 The binding material may be any material that can perform the above-mentioned bonding, and examples thereof include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Furthermore, in addition to the above, as a binder, for example, cellulose, styrene/butadiene rubber, ethylene/propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, etc. may be used. Furthermore, a conductive polymer having electronic conductivity or an ion conductive polymer having ionic conductivity may be used as the binder. Examples of the conductive polymer having electron conductivity include polyacetylene. In this case, since the binder also functions as a conductive aid, there is no need to add a conductive aid. As the ion conductive polymer having ion conductivity, for example, those that conduct lithium ions etc. can be used, and polymer compounds (polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyphosphazene, etc.) can be used. etc.) and a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 or an alkali metal salt mainly composed of lithium. Examples of the polymerization initiator used in the composite include photopolymerization initiators and thermal polymerization initiators that are compatible with the above monomers. Properties required of the binder include resistance to oxidation and reduction, and good adhesion.
ここまで、正極の一例の具体例を示したが正極はこれらの例に限られない。例えば、図4及び図5は、第1実施形態に係る正極の別の例の断面図である。 Although specific examples of the positive electrode have been shown so far, the positive electrode is not limited to these examples. For example, FIGS. 4 and 5 are cross-sectional views of other examples of the positive electrode according to the first embodiment.
図4に示す正極は、正極集電体層1Dと正極活物質層1Bとを有する。正極集電体層1Dは、集電体11と正極活物質12と酸化物13とを有する。酸化物13は、例えば、Agを含む酸化物であり、AgCoO2である。酸化物13は、集電体11に含まれるAgの酸化を防止する。集電体11と正極活物質12との間に、酸化物13があると、全固体電池10のサイクル特性が向上する。
The positive electrode shown in FIG. 4 includes a positive electrode
図5に示す正極は、正極集電体層1Eと中間層1Fと正極活物質層1Bとを有する。正極集電体層1Eは、集電体11と酸化物13とを有する。中間層1Fは、酸化物13からなる。図5に示す例は、酸化物13の厚みが図4に示す例より厚い場合に該当する。酸化物13は、集電体11に含まれるAgの酸化を防止し、全固体電池10のサイクル特性が向上する。
The positive electrode shown in FIG. 5 includes a positive electrode
「固体電解質層」
固体電解質層3は、固体電解質を含む。固体電解質は、外部から印加された電場によってイオンを移動させることができる物質である。例えば、固体電解質層3は、リチウムイオンを伝導し、電子の移動を阻害する。固体電解質層3は、例えば、焼結によって得られる焼結体である。
"Solid electrolyte layer"
固体電解質層3は、固体電解質として、Li3+xSixP1-xO4(0.4≦x≦0.8)を含む。Li3+xSixP1-xO4(0.4≦x≦0.8)は、γ-Li3PO4構造を有し、イオン伝導性に優れる。
The
「負極」
負極2は、例えば、負極集電体層2Aと負極活物質を含む負極活物質層2Bとを有する。
"Negative electrode"
The
[負極集電体]
負極集電体層2Aは、例えば、集電体21と負極活物質22とを有する。この場合、集電体21の最上部を通るxy平面と最下部を通るxy平面との間を負極集電体層2Aとみなす。集電体21は、集電体11と同様の材料からなる。図3に示すように、負極集電体層2Cは、集電体21がxy面内に広がる箔でもよく、この他、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode
負極活物質22は、負極集電体層2A内に、集電体21と共に混在している。負極活物質22は、集電体21と接する。負極集電体層2A内に負極活物質22が含有されていると、負極活物質22から集電体21への電子の授受がスムーズになる。負極活物質22は、後述する負極活物質層2Bに含まれる負極活物質と同じである。
The negative electrode
[負極活物質層]
負極活物質層2Bは、負極集電体層2Aの片面又は両面に形成される。負極活物質層2Bは、負極活物質を含む。負極活物質層2Bは、導電助剤、結着剤、上述の固体電解質を含んでもよい。負極活物質層2Bが固体電解質を含む場合、負極活物質の最外部を通るxy平面と、負極集電体層2Aとの境界(負極集電体の最外部を通るxy平面)との間を負極活物質層2Bとみなす。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode
(負極活物質)
負極活物質は、イオンを吸蔵・放出可能な化合物である。負極活物質は、正極活物質より卑な電位を示す化合物である。負極活物質は、例えば、Li4Ti5O12、LiTiO2、Li2TiO3、Li2TiSiO5である。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material is a compound that can absorb and release ions. The negative electrode active material is a compound that exhibits a lower potential than the positive electrode active material. Examples of the negative electrode active material include Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , Li 2 TiO 3 , and Li 2 TiSiO 5 .
(導電助剤)
導電助剤は、負極活物質層2Bの電子伝導性を良好にする。導電助剤は、正極活物質層1Bと同様の材料を用いることができる。
(Conductivity aid)
The conductive aid improves the electronic conductivity of the negative electrode
(結着材)
結着材は、負極集電体層2Aと負極活物質層2B、負極活物質層2Bと固体電解質層3、負極活物質層2Bを構成する各種材料同士を接合する。結着材は、正極活物質層1Bと同様の材料を用いることができる。結着材の含有比率も、正極活物質層1Bと同様にできる。結着材は不要であれば、含有させなくてもよい。
(Binder)
The binding material joins various materials forming the negative electrode
図2では、負極2が負極集電体層2Aと負極活物質層2Bとからなる例を示したが、この場合に限られない。図6は、第1実施形態に係る全固体電池の別の例の特徴部分の拡大図である。図6に示す負極2Dは、集電体21と固体電解質23とを有する。集電体21は、AgPd合金である。AgPd合金は、活物質としても機能する。AgPd合金が負極活物質として機能すると、全固体電池が高容量になり、全固体電池のエネルギー密度が向上する。
Although FIG. 2 shows an example in which the
「全固体電池の製造方法」
次に、全固体電池10の製造方法について説明する。先ず、積層体4を作製する。積層体4は、例えば、同時焼成法又は逐次焼成法により作製される。
“Method for manufacturing all-solid-state batteries”
Next, a method for manufacturing the all-solid-
同時焼成法は、各層を形成する材料を積層した後、一括焼成により積層体4を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を形成する毎に焼成を行う方法である。同時焼成法は、逐次焼成法より少ない作業工程で積層体4を作製できる。また同時焼成法で作製した積層体4は、逐次焼成法を用いて作製した積層体4より緻密となる。以下、同時焼成法を用いる場合を例に説明する。
The simultaneous firing method is a method in which the materials forming each layer are laminated and then fired all at once to produce the
先ず、積層体4を構成する正極集電体層1A、正極活物質層1B、固体電解質層3、負極活物質層2B、及び負極集電体層2Aの各材料をペースト化する。図4に示す例の場合は、集電体11を酸化物13で被覆した後にペースト化する。図5に示す例の場合は、中間層1Fを構成する材料もペースト化する。
First, each material of the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode
各材料をペースト化する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストを得る方法が用いられる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒やバインダーが含まれる。 The method of forming each material into a paste is not particularly limited, and for example, a method may be used to obtain a paste by mixing powders of each material in a vehicle. Here, the vehicle is a general term for a medium in a liquid phase. Vehicles include solvents and binders.
次に、グリーンシートを作製する。グリーンシートは、それぞれの材料毎に作製されたペーストをPET(ポリエチレンテレフタラート)フィルムなどの基材上に塗布し、必要に応じて乾燥させた後、基材を剥離して得られるものである。ペーストの塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷や塗布、転写、ドクターブレードなどの公知の方法を用いることができる。 Next, a green sheet is produced. Green sheets are obtained by applying a paste prepared for each material onto a base material such as PET (polyethylene terephthalate) film, drying it as necessary, and then peeling off the base material. . The method for applying the paste is not particularly limited, and for example, known methods such as screen printing, coating, transfer, and doctor blade can be used.
次に、それぞれの材料毎に作製されたグリーンシートを、所望の順序及び積層数で積み重ねて積層シートを作製する。グリーンシートを積層する際は、必要に応じてアライメントや切断などを行う。例えば、並列型又は直並列型の電池を作製する場合には、正極集電体層1Aの端面と負極集電体層2Aの端面とが一致しないようにアライメントを行い、それぞれのグリーンシートを積み重ねる。
Next, green sheets produced for each material are stacked in a desired order and number of layers to produce a laminated sheet. When stacking green sheets, alignment and cutting are performed as necessary. For example, when producing a parallel type or series-parallel type battery, alignment is performed so that the end face of the positive electrode current collector layer 1A and the end face of the negative electrode
積層シートは、正極ユニット及び負極ユニットを作製し、これらのユニットを積層する方法を用いて作製してもよい。正極ユニットは、固体電解質層3、正極活物質層1B、正極集電体層1A、及び正極活物質層1Bが、この順で積層された積層シートである。図5に示す例の場合は、正極集電体層1Aと正極活物質層1Bとの間に中間層1Fを積層する。負極ユニットは、固体電解質層3、負極活物質層2B、負極集電体層2A、及び負極活物質層2Bが、この順で積層された積層シートである。正極ユニットの固体電解質層3と、負極ユニットの負極活物質層2Bとが向かい合うように、又は、正極ユニットの正極活物質層1Bと、負極ユニットの固体電解質層3とが向かい合うように積層する。
The laminated sheet may be manufactured using a method in which a positive electrode unit and a negative electrode unit are manufactured and then these units are laminated. The positive electrode unit is a laminated sheet in which a
次に、作製した積層シートを一括して加圧し、各層の密着性を高める。加圧は、例えば、金型プレス、温水等方圧プレス(WIP)、冷水等方圧プレス(CIP)、静水圧プレス等で行うことができる。加圧は、加熱しながら行うことが好ましい。圧着時の加熱温度は、例えば40~95℃とする。次いで、ダイシング装置を用いて加圧後の積層体を切断し、チップ化する。そして、チップに対して脱バインダー処理及び焼成することで、焼結体からなる積層体4が得られる。
Next, the produced laminated sheet is pressurized all at once to improve the adhesion of each layer. Pressure can be applied, for example, by a mold press, a hot water isostatic press (WIP), a cold water isostatic press (CIP), a hydrostatic press, or the like. It is preferable to pressurize while heating. The heating temperature during pressure bonding is, for example, 40 to 95°C. Next, the pressurized laminate is cut into chips using a dicing device. Then, the chips are subjected to a binder removal treatment and fired, thereby obtaining a
脱バインダー処理は、焼成工程とは別の行程として行うことができる。脱バインダー工程を行うと、焼成工程の前にチップ内に含まれるバインダー成分が加熱分解され、焼成工程においてバインダー成分が急激に分解することを抑制できる。脱バインダー工程は、例えば、大気雰囲気下で、300~800℃の温度で、0.1~10時間加熱することで、行われる。脱バインダー工程の雰囲気は、正極、負極及び固体電解質を構成している材料が酸化還元しない、又は、し難い酸素分圧環境下であり、正極、負極及び固体電解質を構成している材料と雰囲気ガスとが反応しないように、ガス種を任意に選択できる。例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気、水蒸気雰囲気ならびにそれらを混合した雰囲気で行ってもよい。 The binder removal process can be performed as a separate process from the firing process. When the binder removal step is performed, the binder component contained in the chip is thermally decomposed before the firing step, and rapid decomposition of the binder component during the firing step can be suppressed. The binder removal step is carried out, for example, by heating at a temperature of 300 to 800° C. for 0.1 to 10 hours in an air atmosphere. The atmosphere in the debinding step is an oxygen partial pressure environment in which the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte do not or cannot be easily oxidized, and the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte are under an oxygen partial pressure environment. The type of gas can be arbitrarily selected so as not to react with the gas. For example, it may be carried out in a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, a water vapor atmosphere, or a mixture thereof.
焼成工程は、例えば、セラミック台に、チップを載置し行う。焼成は、例えば、窒素雰囲気下で600~1000℃に加熱することにより行う。焼成時間は、例えば、0.1~3時間とする。焼結工程の雰囲気は、正極、負極及び固体電解質を構成している材料が酸化還元しない、又は、し難い酸素分圧環境下であり、正極、負極及び固体電解質を構成している材料と雰囲気ガスが反応しないように、ガス種を任意に選択できる。例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気、水蒸気雰囲気ならびにそれらを混合した雰囲気で行ってもよい。 The firing step is performed by placing the chip on a ceramic table, for example. Firing is performed, for example, by heating at 600 to 1000° C. in a nitrogen atmosphere. The firing time is, for example, 0.1 to 3 hours. The atmosphere of the sintering process is an oxygen partial pressure environment in which the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte do not or cannot be oxidized; The type of gas can be arbitrarily selected so that the gas does not react. For example, it may be carried out in a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, a water vapor atmosphere, or a mixture thereof.
また、焼結した積層体4(焼結体)をアルミナなどの研磨材とともに円筒型の容器に入れ、バレル研磨してもよい。これにより積層体の角の面取りをすることができる。研磨は、サンドブラストを用いて行ってもよい。サンドブラストは、特定の部分のみを削ることができるため好ましい。 Alternatively, the sintered laminate 4 (sintered body) may be placed in a cylindrical container together with an abrasive material such as alumina, and barrel polishing may be performed. This allows the corners of the laminate to be chamfered. Polishing may be performed using sandblasting. Sandblasting is preferable because it allows you to remove only specific areas.
作製された積層体4の互いに対向する側面に、端子電極5、6を形成する。端子電極5、6はそれぞれ、スパッタリング法、ディッピング法、スクリーン印刷法、スプレーコート法などの手段を用いて形成することができる。以上のような工程を経ることによって、全固体電池10を作製できる。端子電極5、6を所定の部分にのみ形成する場合は、テープ等でマスキングして、上記処理を行う。
本実施形態に係る全固体電池は、内部抵抗が低い。これは、固体電解質層3に用いられるLi3+xSixP1-xO4と正極活物質層1Bに用いられるLiCoO2とが反応しにくいためと考えられる。例えば、LiCoO2をLiMn2O4に変えると、固体電解質層3と正極活物質層1Bとの間に中間生成物が生じる。この中間生成物は、過剰なLiが含まれたLiMn2O4やLi2MnO3であり、固体電解質中のLiが正極活物質層1Bに拡散し、正極活物質と反応することで形成される。この中間生成物ならびにLiが欠損した固体電解質は、全固体電池の内部抵抗の増加の原因となる。これに対し、Li3+xSixP1-xO4とLiCoO2とは反応しにくく、中間生成物が生じにくい。
The all-solid-state battery according to this embodiment has low internal resistance. This is considered to be because Li 3+x Si x P 1-x O 4 used in the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the drawings, but each configuration and combination thereof in each embodiment is merely an example, and additions or omissions of configurations may be made within the scope of the spirit of the present invention. , substitutions, and other changes are possible.
「実施例1」
(正極ペーストの作製)
正極集電体層ペーストの作製には、AgとPdとLiCoO2とを質量比で、40:10:50の割合で混ぜた粉末を用いた。この粉末に、エチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、混合した。エチルセルロースはバインダーであり、ジヒドロターピネオールは溶媒である。
"Example 1"
(Preparation of positive electrode paste)
To prepare the positive electrode current collector layer paste, a powder containing Ag, Pd, and LiCoO 2 mixed in a mass ratio of 40:10:50 was used. Ethyl cellulose and dihydroterpineol were added to this powder and mixed. Ethylcellulose is the binder and dihydroterpineol is the solvent.
正極活物質層ペーストは、LiCoO2に、エチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、混合して作製した。 The positive electrode active material layer paste was prepared by adding and mixing ethyl cellulose and dihydroterpineol to LiCoO 2 .
(固体電解質層ペーストの作製)
Li2CO3とSiO2とLi3PO4を出発材料として、これらをモル比2:1:1で混合した。混合は、水を分散媒としてボールミルを用いて16時間湿式混合した。混合したものを950℃で2時間仮焼きし、Li3.5Si0.5P0.5O4を作製した。そして、この仮焼粉末100質量部、エタノール100質量部、トルエン200質量部をボールミルに加えて湿式混合した。そして、ポリビニルプチラール系バインダー16部とフタル酸ベンジルブチル4.8質量部をさらに投入、混合し、固体電解質層ペーストを作製した。
(Preparation of solid electrolyte layer paste)
Li 2 CO 3 , SiO 2 and Li 3 PO 4 were used as starting materials and mixed at a molar ratio of 2:1:1. The mixture was wet-mixed for 16 hours using a ball mill using water as a dispersion medium. The mixture was calcined at 950° C. for 2 hours to produce Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 . Then, 100 parts by mass of this calcined powder, 100 parts by mass of ethanol, and 200 parts by mass of toluene were added to a ball mill and wet mixed. Then, 16 parts of a polyvinylbutyral binder and 4.8 parts by mass of benzylbutyl phthalate were further added and mixed to prepare a solid electrolyte layer paste.
(負極ペーストの作製)
負極ペーストは、AgとPdとLi3.5Si0.5P0.5O4とを質量比で、40:10:50の割合で混ぜた粉末を用いた。この粉末に、エチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、混合した。
(Preparation of negative electrode paste)
The negative electrode paste used was a powder in which Ag, Pd, and Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 were mixed in a mass ratio of 40:10:50. Ethyl cellulose and dihydroterpineol were added to this powder and mixed.
(全固体電池の作製)
次いで、正極ユニット及び負極ユニットを以下の手順で作製した。まず、上記の固体電解質層シート上に、スクリーン印刷を用いて、正極活物質用ペーストを厚さ5μmで印刷した。次に、印刷した正極活物質用ペーストを80℃で5分間乾燥した。そして乾燥後の正極活物質用ペースト上に、スクリーン印刷を用いて、集電体用ペーストを厚さ5μmで印刷した。次に、印刷した正極集電体用ペーストを80℃で5分間乾燥した。そして、乾燥後の正極集電体用ペースト上に、スクリーン印刷を用いて、正極活物質用ペーストを厚さ5μmで再度印刷し、乾燥した。その後、PETフィルムを剥離した。このようにして、固体電解質層の主面に、正極活物質層/正極集電体層/正極活物質層がこの順で積層された正極ユニットを得た。
(Production of all-solid-state battery)
Next, a positive electrode unit and a negative electrode unit were produced according to the following procedure. First, a positive electrode active material paste was printed on the solid electrolyte layer sheet to a thickness of 5 μm using screen printing. Next, the printed positive electrode active material paste was dried at 80° C. for 5 minutes. Then, on the dried positive electrode active material paste, a current collector paste was printed to a thickness of 5 μm using screen printing. Next, the printed positive electrode current collector paste was dried at 80° C. for 5 minutes. Then, on the dried positive electrode current collector paste, a positive electrode active material paste was printed again to a thickness of 5 μm using screen printing, and then dried. Thereafter, the PET film was peeled off. In this way, a positive electrode unit was obtained in which the positive electrode active material layer/positive electrode current collector layer/positive electrode active material layer were laminated in this order on the main surface of the solid electrolyte layer.
次いで、固体電解質層の主面に負極ペーストを厚さ10μmで印刷した。次に、印刷した負極ペーストを80℃で5分間乾燥した。 Next, a negative electrode paste was printed on the main surface of the solid electrolyte layer to a thickness of 10 μm. Next, the printed negative electrode paste was dried at 80° C. for 5 minutes.
積層体は、固体電解質層シートを5枚重ねた固体電解質ユニットを作製した。電極ユニット50枚(正極ユニット25枚、負極ユニット25枚)を、固体電解質ユニット挟むように、交互に積み重ねて作製した。このとき、奇数枚目の電極ユニットの集電体層が一方の端面にのみ延出し、偶数枚目の電極ユニットの集電体層が反対側の端面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねた。この積み重ねられたユニットの上に、固体電解質層シートを6枚積み重ねた。その後、これを熱圧着により成形した後、切断して積層チップを作製した。その後、積層チップを同時焼成して積層体を得た。同時焼成は、窒素雰囲気中で昇温速度200℃/時間で焼成温度800℃まで昇温して、その温度に2時間保持し、焼成後は自然冷却した。 As a laminate, a solid electrolyte unit was prepared by stacking five solid electrolyte layer sheets. Fifty electrode units (25 positive electrode units, 25 negative electrode units) were stacked alternately to sandwich the solid electrolyte unit. At this time, each unit is arranged so that the current collector layer of the odd-numbered electrode unit extends only to one end surface, and the current collector layer of the even-numbered electrode unit extends only to the opposite end surface. Staggered and stacked. Six solid electrolyte layer sheets were stacked on top of this stacked unit. Thereafter, this was molded by thermocompression bonding and then cut to produce a laminated chip. Thereafter, the laminated chips were co-fired to obtain a laminated body. For simultaneous firing, the temperature was raised to a firing temperature of 800° C. at a temperature increase rate of 200° C./hour in a nitrogen atmosphere, maintained at that temperature for 2 hours, and allowed to cool naturally after firing.
公知の方法により、焼結した積層体(焼結体)に端子電極5,6をつけて、全固体電池を作製した。作製後の全固体電池は、図6に示す構成であった。
同様のサンプルを100個作成し、内部抵抗を求めた。内部抵抗は、これらのサンプルの平均として求めた。内部抵抗は、25℃の環境下において、0.2Cレートの定電流で4.0Vの電池電圧になるまで定電流充電(CC充電)を行い、その後、1分間休止した後、0.2Cレートの定電流で0Vの電池電圧になるまで放電(CC放電)した時の、休止時から放電開始時の電圧降下(V)を放電電流(A)で割ることにより求めた。 100 similar samples were made and the internal resistance was determined. Internal resistance was determined as the average of these samples. The internal resistance is determined by constant current charging (CC charging) at a constant current of 0.2C rate until the battery voltage reaches 4.0V in an environment of 25°C, then after a 1-minute break, charging at a constant current of 0.2C rate. It was determined by dividing the voltage drop (V) from the time of rest to the start of discharge by the discharge current (A) when discharging (CC discharge) until the battery voltage reaches 0V at a constant current of .
「実施例2」
実施例2は、正極集電体ペーストの作製時に、AuとLiCoO2とを質量比で50:50の割合で混ぜた粉末を用いた点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様にして内部抵抗を求めた。
"Example 2"
Example 2 differs from Example 1 in that a powder of Au and LiCoO 2 mixed at a mass ratio of 50:50 was used to prepare the positive electrode current collector paste. Other conditions were the same as in Example 1 to determine the internal resistance.
「実施例3」
実施例3は、正極集電体ペーストの作製時に、PtとLiCoO2とを質量比で50:50の割合で混ぜた粉末を用いた点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様にして内部抵抗を求めた。
"Example 3"
Example 3 differs from Example 1 in that a powder of Pt and LiCoO 2 mixed at a mass ratio of 50:50 was used when producing the positive electrode current collector paste. Other conditions were the same as in Example 1 to determine the internal resistance.
「実施例4」
実施例4は、正極集電体ペーストの作製時に、AgとPdとを質量比で、80:20の割合で混ぜた粉末を用いた(LiCoO2を添加しなかった)点が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様にして内部抵抗を求めた。
"Example 4"
Example 4 differs from Example 1 in that a powder containing Ag and Pd mixed at a mass ratio of 80:20 was used to prepare the positive electrode current collector paste (LiCoO 2 was not added). different. Other conditions were the same as in Example 1 to determine the internal resistance.
「実施例5~9」
実施例5~9は、固体電解質層ペーストの作製時にLi2CO3とSiO2とLi3PO4の混合比を変えた点が実施例1と異なる。実施例5~9は、固体電解質層の組成比が実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様にして内部抵抗を求めた。
"Examples 5 to 9"
Examples 5 to 9 differ from Example 1 in that the mixing ratio of Li 2 CO 3 , SiO 2 , and Li 3 PO 4 was changed when producing the solid electrolyte layer paste. Examples 5 to 9 differ from Example 1 in the composition ratio of the solid electrolyte layer. Other conditions were the same as in Example 1 to determine the internal resistance.
「比較例1」
比較例1は、以下の点が実施例1と異なる。比較例1も実施例1と同様に内部抵抗を求めた。
相違点1:正極集電体層ペーストの作製に、AgとPdとを質量比で、80:20の割合で混ぜた粉末を用いた。
相違点2:固体電解質ペーストに用いられる固体電解質をLi3.5Ge0.5V0.5O4に変更した。
相違点3:負極ペーストを負極集電体層ペーストと負極活物質層ペーストの2層とした。負極集電体層ペーストは、AgとPdとを質量比で80:20の割合で混ぜた粉末を用いた。負極活物質層ペーストは、Li4Ti5O12(Li4/3Ti5/3O4)にエチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、混合したものとした。
作製後の全固体電池は、図3に示す構成であった。
“Comparative Example 1”
Comparative Example 1 differs from Example 1 in the following points. In Comparative Example 1, the internal resistance was determined in the same manner as in Example 1.
Difference 1: To prepare the positive electrode current collector layer paste, a powder containing Ag and Pd mixed at a mass ratio of 80:20 was used.
Difference 2: The solid electrolyte used in the solid electrolyte paste was changed to Li 3.5 Ge 0.5 V 0.5 O 4 .
Difference 3: The negative electrode paste was made into two layers: a negative electrode current collector layer paste and a negative electrode active material layer paste. As the negative electrode current collector layer paste, a powder containing Ag and Pd mixed at a mass ratio of 80:20 was used. The negative electrode active material layer paste was prepared by adding and mixing ethyl cellulose and dihydroterpineol to Li 4 Ti 5 O 12 (Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ).
The all-solid-state battery after fabrication had the configuration shown in FIG. 3.
「比較例2」
比較例2は、正極活物質をLiMn2O4とし、固体電解質をLi3.5Si0.5P0.5O4とした点が、比較例1と異なる。比較例2も実施例1と同様に内部抵抗を求めた。
“Comparative Example 2”
Comparative Example 2 differs from Comparative Example 1 in that LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material and Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 was used as the solid electrolyte. In Comparative Example 2, the internal resistance was determined in the same manner as in Example 1.
「比較例3」
比較例3は、正極活物質をLiMn2O4とした点が実施例1と異なる。比較例3も実施例1と同様に内部抵抗を求めた。
“Comparative Example 3”
Comparative Example 3 differs from Example 1 in that LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material. In Comparative Example 3, the internal resistance was determined in the same manner as in Example 1.
実施例1~3及び比較例1~3の結果を以下の表1にまとめた。 The results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are summarized in Table 1 below.
実施例1と比較例1及び比較例3とを比較すると、実施例1は比較例1及び比較例3より内部抵抗が低かった。比較例1及び比較例3は、正極活物質と固体電解質とが反応し、中間生成物が生じたためと考えられる。またAgPd合金が負極活物質として機能する実施例1~9及び比較例3は、Li4/3Ti5/3O4が負極活物質として機能する比較例1及び2と比較して、出力電圧が大きかった。また実施例1と実施例4とを比較すると、正極集電体層が正極活物質を含むと、内部抵抗が低くなった。また実施例1、実施例5~9を比較すると、固体電解質の組成によっても内部抵抗が変化した。 Comparing Example 1 with Comparative Examples 1 and 3, Example 1 had a lower internal resistance than Comparative Examples 1 and 3. In Comparative Example 1 and Comparative Example 3, it is thought that the positive electrode active material and the solid electrolyte reacted and an intermediate product was generated. Furthermore, Examples 1 to 9 and Comparative Example 3 in which the AgPd alloy functions as the negative electrode active material have lower output voltage than Comparative Examples 1 and 2 in which Li 4/3 Ti 5/3 O 4 functions as the negative electrode active material. was big. Moreover, when Example 1 and Example 4 were compared, when the positive electrode current collector layer contained the positive electrode active material, the internal resistance became lower. Further, when comparing Example 1 and Examples 5 to 9, the internal resistance changed depending on the composition of the solid electrolyte.
1…正極、1A,1C,1D,1E…正極集電体層、1B…正極活物質層、1F…中間層、2,2D…負極、2A,2C…負極集電体層、2B…負極活物質層、3…固体電解質層、4…積層体、5,6…端子電極、10…全固体電池、11,21…集電体、12…正極活物質、13…酸化物、22…負極活物質、23…固体電解質 1... Positive electrode, 1A, 1C, 1D, 1E... Positive electrode current collector layer, 1B... Positive electrode active material layer, 1F... Intermediate layer, 2, 2D... Negative electrode, 2A, 2C... Negative electrode current collector layer, 2B... Negative electrode active Material layer, 3... Solid electrolyte layer, 4... Laminated body, 5, 6... Terminal electrode, 10... All-solid battery, 11, 21... Current collector, 12... Positive electrode active material, 13... Oxide, 22... Negative electrode active Substance, 23...Solid electrolyte
Claims (3)
前記正極は、LiCoO2を含み、
前記固体電解質層は、Li3+xSixP1-xO4(0.4≦x≦0.8)を含む、全固体電池。 A sintered body having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode includes LiCoO2 ,
An all-solid-state battery, wherein the solid electrolyte layer contains Li 3+x Si x P 1-x O 4 (0.4≦x≦0.8).
前記正極集電体層は、LiCoO2とAg、Pd、Au、Ptからなる群から選択されるいずれ一つを含む金属又は合金とを含む、請求項1又は2に記載の全固体電池。 The positive electrode includes a positive current collector layer and a positive active material layer in contact with the solid electrolyte layer,
The all-solid-state battery according to claim 1 or 2, wherein the positive electrode current collector layer contains LiCoO 2 and a metal or alloy containing any one selected from the group consisting of Ag, Pd, Au, and Pt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022029454A JP2023125396A (en) | 2022-02-28 | 2022-02-28 | All-solid battery |
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2022
- 2022-02-28 JP JP2022029454A patent/JP2023125396A/en active Pending
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