JP5144846B2 - グリーンシート積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)スラリーを作製する工程と、キャリアフィルムへ前記スラリーを塗布してグリーンシートを作製する工程と、前記キャリアフィルムから前記グリーンシートを剥離する工程と、前記グリーンシートを2枚以上積層する積層工程とを含み、後の熱処理により固体電解質層となるグリーンシート積層体を作製する積層体製造方法を提供することができる。
Li2O 10〜25%、及び
Al2O3及び/又はGa2O3 0〜15%、及び
TiO2及び/又はGeO2 25〜50%、及び
SiO2 0〜15%、及び
P2O5 26〜40%
の各成分を含有することを特徴とする上記(12)に記載の積層体製造方法を提供することができる。
正極14及び負極16に挟まれる固体電解質12は、薄い方がリチウムイオンの移動距離が短いため高出力の電池が得られ、また単位体積当りの電極面積が広く確保でき、好ましい。例えば、層状の固体電解質12の厚みは200μm以下が好ましく、180μm以下がより好ましく、150μm以下が最も好ましい。
上記固体電解質を得るためのグリーンシートについて説明する。固体電解質グリーンシートに含有させる無機粒子は好ましくはリチウムイオン伝導性の無機粒子又は熱処理によってリチウムイオン伝導性を発現するガラスであり、その平均粒径は、充填率を高めるため5μm以下とすることが好ましく、3μm以下とすることがより好ましく、1μm以下とすることが最も好ましい。また無機粉体の平均粒径の下限値としては、均一に分散させるため0.01μm以上とすることが好ましく、0.05μm以上とすることがより好ましく、0.1μm以上とすることが最も好ましい。
有機バインダーとしては、プレス成形やラバープレス、押し出し成形、射出成形用の成形助剤として市販されている汎用のバインダーを用いることができる。具体的には、アクリル樹脂、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチルメタアクリレート、ビニル系の共重合物等を用いることができる。有機バインダーの含有量の下限値は、シート形状を維持させやすくするため、無機粒子、有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなる混合スラリーの量に対して1wt%以上とすることが好ましく、3wt%以上とすることがより好ましく、5wt%以上とすることが最も好ましい。前記と同様の理由から、乾燥後のグリーンシート中の含有量の下限値は3wt%以上とすることが好ましく、5wt%以上とすることがより好ましく、7wt%以上とすることが最も好ましい。また、有機バインダーの含有量の上限値は、脱脂後の空隙を低減させやすくするため、混合スラリーの量に対して50wt%以下とすることが好ましく、40wt%以下とすることがより好ましく、30wt%以下とすることが最も好ましい。前記と同様の理由から、乾燥後のグリーンシート中の含有量の上限値は40wt%以下とすることが好ましく、35wt%以下とすることがより好ましく、30wt%以下とすることが最も好ましい。
溶剤は無機粒子を均質に分散する為に用いてもよい。溶剤としてはポリビニルアルコール(PVA)、イソプロピルアルコール(IPA)、ブタノール、トルエン、キシレン、アセトニトリル、N-メチルピロリドン(NMP)など公知の材料を使用することができるが、環境の点でアルコールもしくは水が好ましい。さらに均質で緻密な固体電解質を得るために、無機粒子、有機バインダーと共に分散剤を適量添加することも可能であり、混合乾燥時の泡抜きを良好にするための界面活性剤などを適量添加することも可能である。
また、グリーンシートには、Liを含む無機化合物を同時に含有する事も可能である。これは、Liを含む無機化合物が焼結助剤(バインダー)として働き、ガラスセラミックス粒子を結合させる働きを持つ。Liを含む無機化合物としてはLi3PO4、LiPO3、LiI、LiN、Li2O、Li2O2、LiF等が挙げられる。特に、これらのLiを含む無機化合物は、リチウムイオン伝導性無機物粉体と混合して焼結させた際に、焼結温度・雰囲気を調整することにより、軟化又は溶融させることが可能である。軟化又は溶融したLiを含む無機化合物は、無機粒子の隙間に流れ込み、前記無機粒子を強固に結合させることが可能である。
正極12及び負極14は、主として活物質と結合材とで構成される。正極12及び負極14に使用する活物質としては、リチウムの吸蔵、放出が可能な遷移金属化合物を用いることができ、マンガン、コバルト、ニッケル、バナジウム、ニオブ、モリブデン、チタンから選ばれる少なくとも1種を含む遷移金属酸化物等を使用することができる。例えばリチウムマンガン複合酸化物、二酸化マンガン、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウムチタン複合酸化物、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タングステン等とそれらの誘電体を用いることができる。多くの活物質材料は、電子伝導性及びイオン伝導性が乏しいため、電子伝導助剤として、導電性の炭素、黒鉛、炭素繊維、金属粉末、金属繊維、電子伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。また、イオン伝導助剤として、イオン伝導性のガラスセラミックス、イオン伝導性ポリマーなどを添加するのが好ましい。これらの電子・イオン伝導助剤の添加量は、正極材料に対して、3〜35質量%の範囲であることが好ましく、4〜30質量%であることがより好ましく、5〜25質量%であることが最も好ましい。
以上述べてきたような工程を適用し、電池を作製した。以下、実施例についてより具体的に説明する。
原料としてH3PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用し、これらを酸化物換算のモル%でP2O5を34.8%、Al2O3を7.6%、Li2Oを14.5%、TiO2を40.3%、SiO2を2.8%といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中1450℃でガラス融液を撹拌しながら3時間加熱熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状のガラスを得た。ここで前記ガラス融液を成形したガラスブロックの比重は2.8であった。
このグリーンシートを、50mm角に切り出しグリーンシートの前記上面及び前記下面が当接するように同方向に10枚重ねて、上記PETフィルムで挟みこんだ。このときPETフィルムの離型面がグリーンシートと接するようにし、これらを厚さ1mmのSUS板状に載せて真空パックし、等方圧プレス可能な温水ラミネータ(日機装社製)を用いて75℃で5分間、49.0MPaで加圧し、285μmの厚みのグリーンシート積層体を得た。このとき、圧力測定フィルム(富士フィルム社製 商品名:プレシート)を同条件で加圧したところ、圧力分布は48.0〜50.0MPaであった。ここで得られたグリーンシート積層体の比重を測定したところ、1.6であった。
前記積層グリーンシートを1020℃で1h熱処理し、得られた処理物をX線回折法で確認したところ、主結晶相にLi1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)であることが確認され、インピーダンス測定を行いイオン伝導度を求めたところ、2.5×10−4Scm-1であり、薄板状の固体電解質が得られたことが確認された。
12 固体電解質
14 正極
16 負極
22 正極集電体
24 負極集電体
26 リチウムイオン
30 積層部
52 固体電解質用グリーンシート
62 固体電解質用グリーンシート積層体
Claims (18)
- スラリーを作製する工程と、
キャリアフィルムへ前記スラリーを塗布して厚みが0.5〜100μmであるグリーンシートを作製する工程と、
前記キャリアフィルムから前記グリーンシートを剥離する工程と、
前記グリーンシートを2枚以上積層する積層工程とを含み、
前記積層工程は、前記グリーンシートに別のグリーンシートを重ねる積重工程と、積み重ねられた仮積層体を等方圧プレスで圧接する圧接工程と、を含み、
前記圧接工程において、最高保持圧力が1MPa以上、前記仮積層体にかかる面圧分布が20%以下であり、
後の熱処理により固体電解質層となるグリーンシート積層体を作製する積層体製造方法。 - 前記圧接工程において、
圧接時の温度が、15〜99℃であることを特徴とする請求項1に記載の積層体製造方法。 - 前記スラリーを作製する工程において、
前記スラリーに含まれる無機粒子の含有量をスラリー全体の50〜85wt%とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層体製造方法。 - 前記スラリーを作製する工程は、前記無機粒子と有機バインダーとを混合する工程を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の積層体製造方法。
- 前記積層工程において、
前記仮積層体の厚みを1〜1500μmとすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記積層工程において、
積層するときの加圧時間が5秒以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記積層工程において、
積層する前記グリーンシートの比重は1.1〜2.4であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記スラリーを作製する工程において、
前記無機粒子は、ガラス又はガラスセラミックスであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記スラリー作製工程において、
前記無機粒子は熱処理することによりリチウムイオン伝導性を発現するガラスであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記ガラスは酸化物基準のmol%表示で、
Li2O 10〜25%、及び
Al2O3及び/又はGa2O3 0〜15%、及び
TiO2及び/又はGeO2 25〜50%、及び
SiO2 0〜15%、及び
P2O5 26〜40%
の各成分を含有することを特徴とする請求項9に記載の積層体製造方法。 - 前記スラリー作製工程において、
前記無機粒子は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記スラリー作製工程において、
前記無機粒子は、リチウムイオン伝導性セラミックスであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の積層体製造方法。 - 前記無機粒子は、Li1+x+zMx(Ge1−yTiy)2−xSizP3−zO12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶を含有することを特徴とする請求項11又は12に記載の積層体製造方法。
- 請求項1〜13の積層体製造方法で得られたことを特徴とするグリーンシート積層体。
- 比重が1.1〜2.4であることを特徴とする請求項14に記載のグリーンシート積層体。
- 請求項14又は15に記載の前記グリーンシート積層体を500℃〜1200℃で熱処理して得られることを特徴とする固体電解質。
- 請求項16に記載の前記固体電解質を含むことを特徴とする電池。
- 前記積層工程において、
前記積重工程が完了してから前記圧接工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の積層体製造方法。
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