JP5207883B2 - Lithium battery separator and lithium battery. - Google Patents
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Description
本発明はリチウム電池用のセパレーターおよびリチウム電池に関する。 The present invention relates to a separator for a lithium battery and a lithium battery.
金属空気電池は、亜鉛などの金属を負極の活物質とし、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池である。空気電池の正極は酸素または空気を取り入れるガス拡散層と酸素の酸化還元を促進するための触媒が水溶液電解質中に含まれている。
このような金属空気電池の負極としてリチウムを用いることができれば高エネルギー密度を有する電池の実現が可能となるが、正極中の水溶液電解質や電池反応の仮定で生成される水分が負極へ到達すると、リチウムと水分が反応してしまい安定した性能を維持することができない。
このため、特許文献1においては負極と正極の間に位置するセパレーターとして、水分透過性が少ないリチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを用いている。
A metal-air battery is a battery that uses a metal such as zinc as an active material for a negative electrode and oxygen in the air as an active material for a positive electrode. The positive electrode of an air battery includes a gas diffusion layer that takes in oxygen or air and a catalyst for promoting oxidation and reduction of oxygen in an aqueous electrolyte.
If lithium can be used as the negative electrode of such a metal-air battery, it becomes possible to realize a battery having a high energy density, but when water generated by the aqueous electrolyte in the positive electrode or battery reaction reaches the negative electrode, Lithium and moisture react and cannot maintain stable performance.
For this reason, in Patent Document 1, lithium ion conductive glass ceramics with low moisture permeability are used as the separator located between the negative electrode and the positive electrode.
しかし、前記リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスは長期に水溶液電解質に接していると、その正極側表面が水分と反応し、イオン伝導性が低下してしまい、電池性能が劣化してしまうという問題があった。 However, when the lithium ion conductive glass ceramic is in contact with the aqueous electrolyte for a long period of time, the positive electrode surface reacts with moisture, the ion conductivity decreases, and the battery performance deteriorates. there were.
本発明は水溶液電解質を用いたリチウム電池が長期に安定して良好な性能を維持することが可能となるリチウム電池用のセパレーターを提供すること、また長期に安定して良好な性能を維持することが可能なリチウム電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a lithium battery separator that enables a lithium battery using an aqueous electrolyte to stably maintain good performance over a long period of time, and stably maintain good performance over a long period of time. An object of the present invention is to provide a lithium battery that can be used.
本発明者は上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、リチウムイオン伝導性無機固体電解質の一方の表面に、水溶液電解質に対して安定な保護層を特定の厚さで形成することにより上記課題を解決することを見いだしこの発明を完成したものであり、その具体的な構成は以下の通りである。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has formed a protective layer having a specific thickness with respect to an aqueous electrolyte on one surface of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte. The present invention has been completed by finding out to solve the problem, and its specific configuration is as follows.
(構成1)
リチウムイオン伝導性無機固体電解質の一方の表面に、水溶液電解質に対して安定な第1の保護層が5μm以下の厚さで形成されているリチウム電池用セパレーター。
(構成2)
前記第1の保護層は水に対する溶解度が0.8以下である構成1に記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成3)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の第1の保護層が形成されている面と相対する表面に、非水電解液またはLi金属に安定な第2の保護層が100nm未満の厚さで形成されている構成1または2に記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成4)
前記第1の保護層がLi複合金属酸化物層、金属酸化物層、金属層、弗化物層から選ばれる構成1から3のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成5)
前記第2の保護層がLi複合金属酸化物層、金属層、窒化物層、弗化物層、燐化物層から選ばれる構成3または4のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成6)
前記第2の保護層が活性Li金属電極を用いたイオン移動に伴うイオン伝導度が1×10−10S/cm以上であるLi複合金属酸化物層、金属層、窒化物層、弗化物層、燐化物層から選ばれる構成3から5のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成7)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の厚みが500μm以下である構成1から6のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成8)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質は、
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)の結晶を含有する構成1から7のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成9)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末とバインダーと、溶媒を含むスラリーを成膜してグリーンシートとし、前記グリーンシートを焼結してなるものである構成1から8のいずれかに記載のリチウム電池用セパレーター。
(構成10)
前記第1の保護層または前記第2の保護層は塗布法、または気相法により形成される構成3から7のいずれか記載のリチウムイオン電池用セパレーター。
(構成11)
リチウムイオン伝導性無機固体電解質の一方の表面に、水溶液電解質に対して安定な第1の保護層が5μm以下の厚さで形成されているセパレーターと、
水溶液電解質を含み、前記セパレーターの第1の保護層が形成されている側に位置する正極と、
金属Liを含み、前記セパレーターを介して正極と反対側に位置する負極と、
を有するリチウム電池。
(構成12)
前記第1の保護層は水に対する溶解度が0.8以下である構成11に記載のリチウム電池。
(構成13)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の第1の保護層が形成されている面と相対する表面に、非水電解液またはLi金属に安定な第2の保護層が100nm未満で形成されていることを特徴とする構成11または12に記載のリチウム電池。
(構成14)
前記第1の保護層がLi複合金属酸化物層、金属酸化物層、金属層、弗化物層から選ばれる構成11から13のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成15)
前記第2の保護層がLi複合金属酸化物層、金属層、窒化物層、弗化物層、燐化物層から選ばれる構成13または14のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成16)
前記第2の保護層が活性Li金属電極を用いたイオン移動に対する抵抗値が1×10−10S/cm以上であるLi複合金属酸化物層、金属酸化物層、金属層、弗化物層から選ばれる構成13から15のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成17)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の厚みが500μm以下である構成11から16のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成18)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質が、
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)の結晶を含有する構成11から17のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成19)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末とバインダーと、溶媒を含むスラリーを成膜してグリーンシートとし、前記グリーンシートを焼結してなるものである構成11から18のいずれかに記載のリチウム電池。
(構成20)
前記第1の保護層または第2の保護層は塗布法、または気相法により形成される構成13から19のいずれかに記載のリチウム電池。
(Configuration 1)
A separator for a lithium battery, wherein a first protective layer that is stable against an aqueous electrolyte is formed on one surface of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte with a thickness of 5 μm or less.
(Configuration 2)
The lithium battery separator according to Configuration 1, wherein the first protective layer has a solubility in water of 0.8 or less.
(Configuration 3)
A non-aqueous electrolyte or Li metal-stable second protective layer having a thickness of less than 100 nm is formed on the surface opposite to the surface on which the first protective layer of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed. The separator for lithium batteries according to Configuration 1 or 2.
(Configuration 4)
The lithium battery separator according to any one of configurations 1 to 3, wherein the first protective layer is selected from a Li composite metal oxide layer, a metal oxide layer, a metal layer, and a fluoride layer.
(Configuration 5)
5. The lithium battery separator according to any one of configurations 3 and 4, wherein the second protective layer is selected from a Li composite metal oxide layer, a metal layer, a nitride layer, a fluoride layer, and a phosphide layer.
(Configuration 6)
Li composite metal oxide layer, metal layer, nitride layer, fluoride layer in which the second protective layer has an ion conductivity accompanying ion migration using an active Li metal electrode of 1 × 10 −10 S / cm or more The separator for lithium batteries in any one of the structures 3 to 5 chosen from a phosphide layer.
(Configuration 7)
The lithium battery separator according to any one of configurations 1 to 6, wherein the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte has a thickness of 500 μm or less.
(Configuration 8)
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is:
Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, The separator for lithium batteries according to any one of Structures 1 to 7, which contains a crystal of one or more selected from M = Al and Ga.
(Configuration 9)
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed by forming a slurry containing a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte powder, a binder, and a solvent into a green sheet, and sintering the green sheet. To 8. The lithium battery separator according to any one of 1 to 8.
(Configuration 10)
The separator for a lithium ion battery according to any one of configurations 3 to 7, wherein the first protective layer or the second protective layer is formed by a coating method or a vapor phase method.
(Configuration 11)
A separator in which a first protective layer stable to an aqueous electrolyte is formed on one surface of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte with a thickness of 5 μm or less;
A positive electrode including an aqueous electrolyte and located on a side of the separator on which the first protective layer is formed;
A negative electrode containing metal Li and located on the opposite side of the positive electrode through the separator;
A lithium battery.
(Configuration 12)
The lithium battery according to Configuration 11, wherein the first protective layer has a solubility in water of 0.8 or less.
(Configuration 13)
A second protective layer that is stable to a non-aqueous electrolyte or Li metal is formed with a thickness of less than 100 nm on the surface opposite to the surface on which the first protective layer of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed. The lithium battery according to Configuration 11 or 12, wherein:
(Configuration 14)
The lithium battery according to any one of constitutions 11 to 13, wherein the first protective layer is selected from a Li composite metal oxide layer, a metal oxide layer, a metal layer, and a fluoride layer.
(Configuration 15)
The lithium battery according to any one of the structures 13 and 14, wherein the second protective layer is selected from a Li composite metal oxide layer, a metal layer, a nitride layer, a fluoride layer, and a phosphide layer.
(Configuration 16)
The second protective layer includes a Li composite metal oxide layer, a metal oxide layer, a metal layer, and a fluoride layer, each having a resistance value against ion migration using an active Li metal electrode of 1 × 10 −10 S / cm or more. The lithium battery according to any one of the structures 13 to 15 selected.
(Configuration 17)
The lithium battery according to any one of configurations 11 to 16, wherein a thickness of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is 500 μm or less.
(Configuration 18)
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is
Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, The lithium battery according to any one of the constitutions 11 to 17 containing a crystal of one or more selected from M = Al and Ga.
(Configuration 19)
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed by forming a slurry containing a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte powder, a binder, and a solvent into a green sheet, and sintering the green sheet. To 18. The lithium battery according to any one of 18 to 18.
(Configuration 20)
The lithium battery according to any one of Structures 13 to 19, wherein the first protective layer or the second protective layer is formed by a coating method or a vapor phase method.
本発明のリチウム電池用セパレーターは、負極への水分の到達を防ぎ、長期間水溶液電解質と接しても表面が劣化することなく、高いイオン伝導性を長期に渡り維持することができる。
従って、本発明のセパレーターを使用したリチウム電池は良好な性能を長期に渡り維持することができる。
The separator for a lithium battery of the present invention can prevent moisture from reaching the negative electrode, and can maintain high ion conductivity for a long period without deterioration of the surface even when in contact with an aqueous electrolyte for a long period of time.
Therefore, the lithium battery using the separator of the present invention can maintain good performance for a long time.
本発明のセパレーターは水分を透過しにくく、高いイオン伝導性を有することが求められるので、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質であることが好ましい。
無機固体電解質としてはLi3N、LISICON類、La0.55Li0.35TiO3などのリチウムイオン伝導性を有するペロブスカイト構造を有する結晶や、NASICON型構造を有するLiTi2P3O12、LiPON、リチウム・リン硫化物系のガラス等の材料を用いることができるが、高いリチウムイオン伝導性を有し、この中でも比較的化学的安定性が高いため、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)の結晶を含む材料であることが好ましい。
例えば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)の結晶相を有するガラスセラミックスは、イオン伝導を阻害する空孔や結晶粒界が実質的に存在しないか非常に少ないため有利である。
The separator of the present invention is preferably a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte because it is difficult to permeate moisture and is required to have high ionic conductivity.
Examples of the inorganic solid electrolyte include crystals having a perovskite structure having lithium ion conductivity such as Li 3 N, LISICON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 , LiTi 2 P 3 O 12 , LiPON having a NASICON type structure. Lithium / phosphorus sulfide glass or the like can be used, but it has high lithium ion conductivity and relatively high chemical stability. Therefore, Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y ) 2- xSi z P 3-z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, M = Al, Ga, one selected from A material containing the above crystal) is preferable.
For example Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y) 2-x Si z P 3-z O 12 ( where, 0 ≦ x ≦ 0.8,0 ≦ y ≦ 1.0,0 ≦ z ≦ 0.6 , M = Al or one selected from Al and Ga) is advantageous because it has substantially no or very few vacancies and crystal grain boundaries that inhibit ionic conduction.
前記ガラスセラミックスは酸化物基準のmol%で、
Li2O 10〜25%、および
Al2O3および/またはGa2O3 0.5〜15%、および
TiO2および/またはGeO2 25〜50%、および
SiO2 0〜15%、および
P2O5 26〜40%
の各成分を含有する原ガラスを作成し、600℃〜1000℃で1〜24時間熱処理することでガラス相から結晶を析出させることによって得ることができる。ここで、「酸化物基準」とは、ガラスの構成成分の原料として使用される酸化物、硝酸塩等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定して、ガラス中に含有される各成分の組成を酸化物で表記する方法である。
The glass ceramic is mol% based on oxide,
Li 2 O 10~25%, and Al 2 O 3 and / or Ga 2 O 3 0.5~15%, and TiO 2 and / or GeO 2 25 to 50%, and SiO 2 0 to 15%, and P 2 O 5 26-40%
It can obtain by making the raw glass containing each of these components, and precipitating a crystal | crystallization from a glass phase by heat-processing at 600 to 1000 degreeC for 1 to 24 hours. Here, the “oxide standard” means that oxides, nitrates, etc. used as raw materials of glass constituent components are all decomposed and changed into oxides when melted, and each component contained in the glass is converted into an oxide. In this method, the composition is represented by an oxide.
本発明の無機固体電解質はバルク状の上記ガラスセラミックスを使用しても良いし、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末とバインダーと、溶媒を含むスラリーを作製し、ドクターブレード法、カレンダ法等の方法で成膜してグリーンシートとし、前記グリーンシートを焼結させたものを用いても良い。グリーンシートを作製するためのリチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末としては、リチウムイオン伝導性のセラミックス粉末、リチウムイオン伝導性のガラスセラミックス粉末、リチウムイオン伝導性のガラス粉末、または、焼結後にリチウムイオン伝導性が発現する無機粉末(例えばリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの原ガラス粉末等)を使用することができる。これらは単独で使用しても良いし混合して使用しても良い。
グリーンシートを焼結させる方法を用いると焼結後に薄板状に加工する為の材料の取りしろが少ないか、または全く必要がないので有利である。
The inorganic solid electrolyte of the present invention may use the above-mentioned glass ceramics in bulk form, or a slurry containing lithium ion conductive inorganic solid electrolyte powder, a binder, and a solvent is prepared, and a doctor blade method, a calendar method, etc. A green sheet formed by a method may be used, and the green sheet may be sintered. The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte powder for producing the green sheet includes lithium ion conductive ceramic powder, lithium ion conductive glass ceramic powder, lithium ion conductive glass powder, or lithium after sintering. An inorganic powder exhibiting ion conductivity (for example, an original glass powder of lithium ion conductive glass ceramics) can be used. These may be used alone or in combination.
Use of the method of sintering the green sheet is advantageous because it requires little or no material to be processed into a thin plate after sintering.
上記リチウムイオン伝導性の無機固体電解質の一方の表面には、水溶液電解質に対して安定な第1の保護層を設ける。この保護層によって水溶液電解質と無機固体電解質が直接接することを防ぎ、セパレーター表面の劣化を防止する。
しかし、この第1の保護層の厚みが過度に厚いとセパレーターのリチウムイオン伝導性が低下してしまい、電池の性能が低下してしまうので、その厚みを5μm以下とすることが必要である。セパレーターのイオン伝導性の低下をより抑えるためには前記第1の保護層の厚みは3μm以下であることが好ましく、1μm以下であることが最も好ましい。
一方、第1の保護層の厚みが過度に薄いと外的な要因で前記保護層が破壊されやすくなるので、その厚みは1nm以上であることが好ましく、3nm以上であることがより好ましく、5nm以上であることが最も好ましい。
A first protective layer that is stable against the aqueous electrolyte is provided on one surface of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte. This protective layer prevents direct contact between the aqueous electrolyte and the inorganic solid electrolyte, and prevents the separator surface from deteriorating.
However, if the thickness of the first protective layer is excessively thick, the lithium ion conductivity of the separator is lowered and the performance of the battery is lowered. Therefore, the thickness needs to be 5 μm or less. In order to further suppress the decrease in ion conductivity of the separator, the thickness of the first protective layer is preferably 3 μm or less, and most preferably 1 μm or less.
On the other hand, if the thickness of the first protective layer is excessively thin, the protective layer is likely to be destroyed due to an external factor. Therefore, the thickness is preferably 1 nm or more, more preferably 3 nm or more, and 5 nm. The above is most preferable.
「水溶液電解質に対して安定」とは水に対する溶解度が特定の値以下であることを指す。水に対する溶解度は 室温の純水に、材料粉末を投入し、スターラー等を用いて材料粉末を溶解させ、過飽和水溶液を調整して、その水溶液の100gを取りだし、水溶液乾燥後の物質の重量を測定して算出することができる。本発明においては第1の保護層の水に対する溶解度が0.8以下であると、5μm以下の厚みであっても想定されうる電池の使用期間内で第1の保護層が水溶液電解質に溶解して表面が露出してしまうことなく、セパレーターの表面の保護することができる。より確実な保護のためには第1の保護層の水に対する溶解度は0.3以下であることがより好ましく、0.1以下であることが最も好ましい。 “Stable to aqueous electrolyte” means that the solubility in water is not more than a specific value. Solubility in water: Add material powder to pure water at room temperature, dissolve the material powder using a stirrer, etc., adjust the supersaturated aqueous solution, take out 100 g of the aqueous solution, and measure the weight of the substance after drying the aqueous solution Can be calculated. In the present invention, if the solubility of the first protective layer in water is 0.8 or less, the first protective layer dissolves in the aqueous electrolyte within the expected use period of the battery even if the thickness is 5 μm or less. Thus, the surface of the separator can be protected without exposing the surface. For more reliable protection, the solubility of the first protective layer in water is more preferably 0.3 or less, and most preferably 0.1 or less.
前記第1の保護層は上記で規定された水に対する溶解度を有し、かつリチウムイオン伝導性を有する材料からなる層であることが好ましく、Li複合金属酸化物層、金属酸化物層、金属層、弗化物層から選ばれる1種以上であることが好ましい。例えばLi複合金属酸化物としてはチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、鉄燐酸鉄リチウム、アルミン酸リチウム、ゲルマン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、珪酸リチウム、タンタル酸リチウム、バナジン酸リチウム、金属酸化物としては酸化アルミ、酸化珪素、酸化チタニウム、酸化バナジウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化銅、酸化マグネシウム、チタン酸カルシウム、金属としては、アルミ、シリコン、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、銅、タンタル、亜鉛、ジルコニウム、タングステン、弗化物としては弗化アルミニウム、弗化カルシウム、弗化鉄、弗化ニッケル、弗化銅が例示される。これらの材料からなる保護層にリチウム塩が溶解した水溶液電解質が接するとLiが侵入し、リチウムイオン伝導性が得られると考えられる。 The first protective layer is preferably a layer having a solubility in water as defined above and made of a material having lithium ion conductivity, and is a Li composite metal oxide layer, a metal oxide layer, a metal layer. Preferably, at least one selected from fluoride layers is used. For example, Li complex metal oxides include lithium titanate, lithium manganate, iron iron phosphate, lithium aluminate, lithium germanate, lithium niobate, lithium silicate, lithium tantalate, lithium vanadate, and oxidation as metal oxide. Aluminum, silicon oxide, titanium oxide, vanadium oxide, iron oxide, zinc oxide, calcium oxide, copper oxide, magnesium oxide, calcium titanate, metals include aluminum, silicon, titanium, vanadium, manganese, iron, copper, tantalum, Examples of zinc, zirconium, tungsten, and fluoride include aluminum fluoride, calcium fluoride, iron fluoride, nickel fluoride, and copper fluoride. It is considered that when an aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved contacts a protective layer made of these materials, Li enters and lithium ion conductivity is obtained.
本発明のセパレーターは、前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の第1の保護層が形成されている面と相対する表面に、非水電解液またはLi金属に安定な第2の保護層が
形成されていることが好ましい。リチウム空気電池の負極側はLi金属が直接接するか、非水電解質が接している。この第2の保護層により、無機固体電解質とLi金属または無機固体電解質と非水電解液とが反応し、リチウムイオン伝導性を低下し難くすることが可能となり、より長期的に安定して良好な性能を維持することが可能なリチウム電池を作製することができる。
しかし、この第2の保護層の厚みが過度に厚いとセパレーターのリチウムイオン伝導性が低下してしまい、電池の性能が低下してしまうので、その厚みを100nm以下とすることが好ましい。セパレーターのイオン伝導性の低下をより抑えるためには前記第2の保護層の厚みは80nm以下であることが好ましく、50nm以下であることが最も好ましい。
一方、第2の保護層の厚みが過度に薄いと外的な要因で前記保護層が破壊されやすくなるので、その厚みは1nm以上であることが好ましく、3nm以上であることがより好ましく、5nm以上であることが最も好ましい。
In the separator of the present invention, a second protective layer that is stable to a non-aqueous electrolyte or Li metal is formed on the surface opposite to the surface on which the first protective layer of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed. It is preferable. The negative electrode side of the lithium-air battery is in direct contact with Li metal or with a nonaqueous electrolyte. This second protective layer allows the inorganic solid electrolyte and Li metal or the inorganic solid electrolyte and the non-aqueous electrolyte to react with each other, making it difficult for the lithium ion conductivity to decrease, and is stable and favorable over a long period of time. A lithium battery capable of maintaining excellent performance can be manufactured.
However, if the thickness of the second protective layer is excessively large, the lithium ion conductivity of the separator is lowered and the performance of the battery is lowered. Therefore, the thickness is preferably 100 nm or less. In order to further suppress the decrease in ion conductivity of the separator, the thickness of the second protective layer is preferably 80 nm or less, and most preferably 50 nm or less.
On the other hand, if the thickness of the second protective layer is excessively thin, the protective layer is likely to be destroyed due to an external factor. Therefore, the thickness is preferably 1 nm or more, more preferably 3 nm or more, and 5 nm. The above is most preferable.
「非水電解液またはLi金属に安定」とは非水電解液またはLi金属のどちらかに対して化学的な反応が穏やかであることを言い、具体的には次のように規定する。
リチウムイオン伝導性固体電解質の両面に対象とする試料の膜を作製し、活性電極のLi金属を用いて、Li金属/試料膜/固体電解質/試料膜/Li金属、またはLi金属/非水電解質/試料膜/固体電解質/試料膜/非水電解質/Li金属となる試験セルを作製し、25℃における同セルのリチウムイオン移動に対するセパレーターの抵抗値を測定し、その後同セルを25℃で一週間保持した後、同様にセパレーターの抵抗値を測定し、当初の抵抗値の4倍以内に収まることとする。
“Stable to non-aqueous electrolyte or Li metal” means that the chemical reaction is moderate with respect to either the non-aqueous electrolyte or Li metal, and is specifically defined as follows.
Sample membranes are prepared on both sides of the lithium ion conductive solid electrolyte, and Li metal / sample membrane / solid electrolyte / sample membrane / Li metal, or Li metal / non-aqueous electrolyte using Li metal of the active electrode / Sample membrane / solid electrolyte / sample membrane / nonaqueous electrolyte / Li metal test cell was prepared, and the resistance value of the separator against lithium ion migration at 25 ° C. was measured. After holding for a week, the resistance value of the separator is measured in the same manner, and the resistance value is within 4 times the initial resistance value.
第2の保護層に適用し得る保護層としては、Li複合金属酸化物層、金属層、窒化物層、弗化物層、燐化物層から選ばれる1種以上であることが好ましい。これらの材料からなる層は上述のように非水電解液またはLi金属に安定であるからであり、例えばLi複合金属酸化物としてはチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、鉄燐酸鉄リチウム、アルミン酸リチウム、ゲルマン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、珪酸リチウム、タンタル酸リチウム、バナジン酸リチウム、金属としては酸化アルミ、酸化珪素、酸化チタニウム、酸化バナジウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化銅、酸化マグネシウム、燐酸アルミニウム、窒化物としては窒化珪素、窒化チタン、弗化物としては弗化アルミニウム、弗化カルシウム、弗化鉄、弗化ニッケル、弗化銅、6弗化リチウム、LiTFSI、燐化物としては燐化アルミニウム、燐化マンガン、燐化鉄、燐化コバルト、燐化亜鉛が例示される。これらの材料からなる保護層にリチウム塩が溶解した非水電解質やLi金属が接するとLiが侵入し、リチウムイオン伝導性が得られると考えられる。 The protective layer that can be applied to the second protective layer is preferably at least one selected from a Li composite metal oxide layer, a metal layer, a nitride layer, a fluoride layer, and a phosphide layer. This is because the layer made of these materials is stable to a non-aqueous electrolyte or Li metal as described above. For example, Li composite metal oxides include lithium titanate, lithium manganate, iron iron phosphate, lithium aluminate. , Lithium germanate, lithium niobate, lithium silicate, lithium tantalate, lithium vanadate, metals include aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, vanadium oxide, iron oxide, zinc oxide, calcium oxide, copper oxide, magnesium oxide, Aluminum phosphate, nitride as silicon nitride, titanium nitride, fluoride as aluminum fluoride, calcium fluoride, iron fluoride, nickel fluoride, copper fluoride, lithium hexafluoride, LiTFSI, phosphide as phosphide Examples include aluminum, manganese phosphide, iron phosphide, cobalt phosphide, and zinc phosphide. It is considered that when a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved or Li metal comes into contact with a protective layer made of these materials, Li enters and lithium ion conductivity is obtained.
前記第2の保護層は、上述の様に非水電解液またはLi金属に安定であり、かつ、リチウムイオン伝導性を有する材料からなる層であることがリチウム電池の放電電流を大きくさせ易くなる。従って本発明のセパレーターを用いたリチウム電池が大きな放電電流を得やすくする為に、第2の保護層は活性Li金属電極を用いたイオン移動に伴うイオン伝導度が1×10−10S/cm以上であることが好ましく、1×10−8S/cm以上であることがより好ましく、1×10−6S/cm以上であることが最も好ましい。 As described above, the second protective layer is stable to the non-aqueous electrolyte or Li metal and is a layer made of a material having lithium ion conductivity, so that the discharge current of the lithium battery can be easily increased. . Therefore, in order to make it easy for the lithium battery using the separator of the present invention to obtain a large discharge current, the second protective layer has an ion conductivity of 1 × 10 −10 S / cm accompanying ion migration using the active Li metal electrode. Preferably, it is 1 × 10 −8 S / cm or more, and more preferably 1 × 10 −6 S / cm or more.
前記第1の保護層または前記第2の保護層は塗布法、または気相法により形成することができる。 The first protective layer or the second protective layer can be formed by a coating method or a vapor phase method.
塗布法を用いた方法としては無機固体電解質を作製後、保護層を構成する材料の粉末、バインダーおよび溶媒等からなるスラリーを作製し、無機固体電解質表面に塗布し焼成することによって作製される。また、上記リチウムイオン伝導性の結晶化ガラスの原ガラスの表面に保護層作製用のスラリーを塗布し、焼成することによって原ガラスを結晶化させると共に保護層を焼成することにより作製しても良い。 As a method using a coating method, after preparing an inorganic solid electrolyte, a slurry composed of a powder of a material constituting the protective layer, a binder, a solvent, and the like is prepared, applied to the surface of the inorganic solid electrolyte, and fired. Moreover, it may be produced by applying a slurry for preparing a protective layer on the surface of the original glass of the lithium ion conductive crystallized glass, followed by baking to crystallize the original glass and baking the protective layer. .
気相法を用いた方法としてはスパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法等に例示されるPVD法、熱CVD、プラズマCVD法等に例示されるCVD法、プラズマ溶射法等に例示される溶射法の薄膜形成プロセスを用いることができる。 As a method using a gas phase method, a sputtering method, a vapor deposition method, an ion plating method, a PVD method exemplified by a laser ablation method, a CVD method exemplified by a thermal CVD, a plasma CVD method, etc., a plasma spraying method, etc. The thermal spray thin film formation process exemplified can be used.
リチウムイオン伝導性無機固体電解質は厚みが大きいと放電電流を大きくすることが困難となりやすく、また単位体積当たりの電池容量が小さくなるため、リチウムイオン伝導性無機固体電解質の厚みは500μm以下であることが好ましく、400μm以下であることがより好ましく、300μm以下であることが最も好ましい。
一方、厚みが薄いと機械的強度が低下し、正極、負極間が短絡し易くなるため、リチウムイオン伝導性無機固体電解質の厚みは20μm以上であることが好ましく、30μm以上であることがより好ましく、40μm以上であることが最も好ましい。
When the thickness of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is large, it is difficult to increase the discharge current, and the battery capacity per unit volume is small. Therefore, the thickness of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is 500 μm or less. Is preferably 400 μm or less, and most preferably 300 μm or less.
On the other hand, when the thickness is small, the mechanical strength is reduced and the positive electrode and the negative electrode are easily short-circuited. Therefore, the thickness of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more. 40 μm or more is most preferable.
本発明のセパレーターの第1の保護層が形成されている側に正極を、前記セパレーターを介して正極と反対側に金属Liを含む負極を配置することによりリチウム電池を作製することができる。
正極は金属空気電池で用いられている構成を適用することができ、水溶液電解質を含み、酸素または空気を取り入れるガス拡散層、酸素の酸化還元を促進するための触媒とを含む。
負極はLi金属の他、必要に応じて非水電解液を含んでも良い。
A lithium battery can be produced by disposing a positive electrode on the side where the first protective layer of the separator of the present invention is formed and a negative electrode containing metal Li on the opposite side of the positive electrode through the separator.
The positive electrode can employ a configuration used in a metal-air battery, and includes an aqueous electrolyte, a gas diffusion layer that takes in oxygen or air, and a catalyst for promoting oxidation and reduction of oxygen.
In addition to Li metal, the negative electrode may contain a non-aqueous electrolyte as required.
以下、本発明に係るリチウム電池用セパレーター、リチウム電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。 Hereinafter, the lithium battery separator and the lithium battery according to the present invention will be described with specific examples.
[リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの原ガラスの作製]
原料として日本化学工業株式会社製のH3PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、株式会社ニッチツ製のSiO2、堺化学工業株式会社製のTiO2を使用した。これらを酸化物換算のmol%でP2O5が35.0%、Al2O3が7.5%、Li2Oが15.0%、TiO2が38.0%、SiO2が4.5%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1500℃の温度で撹拌しながら3時間加熱・熔解してガラス融液を得た。その後、ガラス融液をポットに取り付けた白金製のパイプから加熱しながら室温の流水中に滴下させることにより急冷し、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの原ガラスを得た。
[Preparation of Lithium Ion Conductive Glass Ceramic Glass]
As raw materials, H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 manufactured by Nichetsu Co., Ltd., and TiO 2 manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd. were used. These are mol% in terms of oxide, P 2 O 5 is 35.0%, Al 2 O 3 is 7.5%, Li 2 O is 15.0%, TiO 2 is 38.0%, and SiO 2 is 4 After being weighed so as to have a composition of 0.5% and mixed uniformly, it was put in a platinum pot and heated and melted for 3 hours with stirring at a temperature of 1500 ° C. in an electric furnace to obtain a glass melt. Thereafter, the glass melt was rapidly cooled by dropping it into running water at room temperature while heating from a platinum pipe attached to the pot, to obtain an original glass of lithium ion conductive glass ceramics.
このガラスを1000℃の電気炉にて結晶化を行い、リチウムイオン伝導度の測定を行ったところ、室温にて1.3×10-3Scm-1であった。リチウムイオン伝導度の測定にはソーラートロン社製のインピーダンスアナライザーSI−1260を用いて、交流二端子法による複素インピーダンス測定により算出した。また、析出した結晶相はフィリップス社製の粉末X線回折測定装置を用いて測定し、Li1+x+zAlxTi2−xSizP3−zO12(0≦x≦0.4、0<z≦0.6)が主結晶相であることが確認された。 When this glass was crystallized in an electric furnace at 1000 ° C. and the lithium ion conductivity was measured, it was 1.3 × 10 −3 Scm −1 at room temperature. The measurement of lithium ion conductivity was calculated by complex impedance measurement by the AC two-terminal method using an impedance analyzer SI-1260 manufactured by Solartron. Further, the precipitated crystal phase was measured using a powder X-ray diffractometer manufactured by Philips, and Li 1 + x + z Al x Ti 2−x Si z P 3−z O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 < It was confirmed that z ≦ 0.6) was the main crystal phase.
上記の原ガラスを栗本鐵工所製のジェットミルにて粉砕後、エタノールを溶媒としたボールミルに入れ、湿式粉砕を行い、平均粒径0.7μm、最大粒径2μm及び平均粒径0.5μm、最大粒径1μmの2種類の酸化物ガラス粉末を得た。粒度測定には、ベックマン・コールター製のレーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置LS100を用いて測定した。分散媒には蒸留水を用いた。 The above original glass is pulverized by a jet mill manufactured by Kurimoto Steel Works, then placed in a ball mill using ethanol as a solvent, and wet pulverized to have an average particle size of 0.7 μm, a maximum particle size of 2 μm, and an average particle size of 0.5 μm. Two types of oxide glass powders having a maximum particle size of 1 μm were obtained. The particle size was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device LS100 manufactured by Beckman Coulter. Distilled water was used as the dispersion medium.
[グリーンシートの作製]
平均粒径0.5μmの酸化物ガラスを、アクリル系のバインダー、分散剤、消泡剤とともに水を溶剤として、分散・混合して電解質スラリーを調製した。スラリーは減圧して泡抜きをした後、ドクターブレードを用いて成形、乾燥させて厚み40μmの電解質グリーンシートを作製した。アクリル系のバインダーは、10wt%、消泡剤と分散剤はそれぞれ0.2〜0.3wt%であり、残りは酸化物ガラスであった。電解質グリーンシート中に含有する前記酸化物ガラスの含有量は89.5wt%であった。
[Production of green sheets]
An oxide glass having an average particle size of 0.5 μm was dispersed and mixed with an acrylic binder, a dispersant, and an antifoaming agent using water as a solvent to prepare an electrolyte slurry. The slurry was decompressed to remove bubbles, and then shaped using a doctor blade and dried to prepare an electrolyte green sheet having a thickness of 40 μm. The acrylic binder was 10 wt%, the antifoaming agent and the dispersant were 0.2 to 0.3 wt%, respectively, and the rest was oxide glass. The content of the oxide glass contained in the electrolyte green sheet was 89.5 wt%.
[リチウムイオン固体電解質の作製]
上記のグリーンシートを8枚積層し、加熱したロールプレスにより押圧して貼り合わせ積層体とした。貼り合わせた積層体を、CIP(冷間等方圧加圧)を用いて室温にてプレスし、緻密化させた。この積層体を石英ガラス板上にのせ、電気炉内にて600℃に加熱し、積層体内のバインダーや分散剤などの有機物を除去した。
有機物を除去したグリーンシートを前記石英ガラス板ではさみ、電気炉にて1010℃で40min熱処理して焼結させリチウムイオン伝導性の無機固体電解質を得た。得られリチウムイオン伝導性の無機固体電解質の厚みは270μmであった。
また、X線回折法で確認したところ、主結晶相が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、3.2×10−4Scm−1であり、高いイオン伝導度を有する薄板状の固体電解質が得られたことが確認された。
[Preparation of lithium ion solid electrolyte]
Eight green sheets were laminated and pressed with a heated roll press to obtain a laminated laminate. The laminated body bonded together was pressed at room temperature using CIP (cold isostatic pressing) to be densified. This laminate was placed on a quartz glass plate and heated to 600 ° C. in an electric furnace to remove organic substances such as a binder and a dispersant in the laminate.
The green sheet from which the organic matter had been removed was sandwiched between the quartz glass plates and sintered by heat treatment at 1010 ° C. for 40 minutes in an electric furnace to obtain a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte. The thickness of the obtained lithium ion conductive inorganic solid electrolyte was 270 μm.
Moreover, when confirmed by the X-ray diffraction method, the main crystal phase is Li 1 + x + y Al x Ti 2−x Si y P 3−y O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6). It was confirmed that the ionic conductivity was determined by measuring impedance, and it was 3.2 × 10 −4 Scm −1 , and it was confirmed that a thin plate-like solid electrolyte having high ionic conductivity was obtained. .
[第1の保護層の作製]
第1の保護層は、下記の塗布法や気相成長法を用いて固体電解質上に作製した。また、作製した保護層の厚さは、固体電解質の一部にマスキングを施し、保護層の形成されない領域を作製し、固体電解質と保護層の段差を膜厚としてνビュー(ザイゴ社)を用いて測定した。保護層の厚さはマスキングをして得られた段差の端部を測定位置とし、固体電解質面から前記端部付近の最上位点との距離から求めた。
以下の実施例1から7においては水溶液電解質に対する安定性評価のために固体電解質の両面に第1の保護層を作製するが、実際のリチウム電池用セパレーターとして用いる場合は、下記に記載の方法を適用して正極側となる面にのみ第1の保護層を作製すればよい。また、第1の保護層に適用するそれぞれの材料について、水に対する溶解度を室温の純水に、材料粉末を投入し、マグネチックスターラーを用いて材料粉末を12時間攪拌しながら溶解させ、過飽和水溶液を調整した。その水溶液の重量と、水溶液乾燥後の物質の重量を測定して算出した。 溶解度は小数点以下三桁目を四捨五入した。
[Preparation of first protective layer]
The first protective layer was formed on the solid electrolyte by using the following coating method or vapor phase growth method. The thickness of the protective layer produced was masked on a part of the solid electrolyte, a region where the protective layer was not formed was produced, and the step between the solid electrolyte and the protective layer was used as the film thickness, and ν view (Zygo) was used. Measured. The thickness of the protective layer was determined from the distance from the solid electrolyte surface to the uppermost point in the vicinity of the edge, with the edge of the step obtained by masking as the measurement position.
In Examples 1 to 7 below, the first protective layer is prepared on both sides of the solid electrolyte for the stability evaluation with respect to the aqueous electrolyte, but when used as an actual lithium battery separator, the following method is used. The first protective layer may be formed only on the surface that is applied and becomes the positive electrode side. For each material to be applied to the first protective layer, the material powder is poured into pure water at room temperature, and the material powder is dissolved with stirring for 12 hours using a magnetic stirrer to obtain a supersaturated aqueous solution. Adjusted. The weight of the aqueous solution and the weight of the substance after drying the aqueous solution were measured and calculated. Solubility was rounded off to the third decimal place.
[実施例1]
燐酸鉄リチウム(日本アライアンステクノロジー株式会社製)をエタノールを用いた湿式粉砕にて、平均粒子径25nmに調整したスラリーを作製した。このスラリーを上記固体電解質の両面にスピンコート法にて塗布した。この燐酸鉄リチウムを塗布した固体電解質を電気炉内アルゴン雰囲気に調整して550℃で1時間熱処理を施した。
[Example 1]
A slurry in which lithium iron phosphate (manufactured by Japan Alliance Technology Co., Ltd.) was adjusted to an average particle size of 25 nm by wet pulverization using ethanol was prepared. This slurry was applied to both surfaces of the solid electrolyte by spin coating. The solid electrolyte coated with this lithium iron phosphate was adjusted to an argon atmosphere in an electric furnace and heat-treated at 550 ° C. for 1 hour.
[実施例2]
実施例1と同様の方法にて、マンガン酸リチウム(本荘ケミカル製)を平均粒子径16nmに調整したスラリーをスピンコート法にて上記固体電解質の両面に塗布した。その電解質を電気炉を用いて530℃、大気中1で時間熱処理を施した。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a slurry in which lithium manganate (manufactured by Honjo Chemical) was adjusted to an average particle size of 16 nm was applied to both surfaces of the solid electrolyte by spin coating. The electrolyte was heat-treated for 1 hour at 530 ° C. in air using an electric furnace.
[実施例3]
実施例1と同様の方法にて、アルミン酸リチウム(高純度化学製)を平均粒子径48nmに調整したスラリーをスピンコート法にて上記固体電解質の両面に塗布した。このアルミン酸リチウムを塗布した固体電解質を電気炉を用いて600℃、大気中1時間熱処理を施した。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a slurry prepared by adjusting lithium aluminate (manufactured by High-Purity Chemical) to an average particle size of 48 nm was applied to both surfaces of the solid electrolyte by spin coating. The solid electrolyte coated with lithium aluminate was heat-treated in an atmosphere at 600 ° C. for 1 hour using an electric furnace.
[実施例4]
スピンコート用酸化銅塗布材料(高純度化学製)をスピンコート法にて上記固体電解質の両面に塗布した後、電気炉を用いて、100℃1時間、その後550℃1時間大気中の熱処理を施した。
[Example 4]
After applying a copper oxide coating material for spin coating (manufactured by High-Purity Chemical) on both sides of the solid electrolyte by a spin coating method, heat treatment in the atmosphere is performed using an electric furnace at 100 ° C. for 1 hour and then at 550 ° C. for 1 hour. gave.
[実施例5]
スピンコート用酸化マグネシウム塗布材料(高純度化学製)を実施例4と同様の方法で固体電解質に塗布、熱処理を施した。
[Example 5]
Magnesium oxide coating material for spin coating (manufactured by High-Purity Chemical) was applied to the solid electrolyte in the same manner as in Example 4 and subjected to heat treatment.
[実施例6]
チタニウムターゲットをイオンプレーティング法を用いて、上記固体電解質の両面にチタニウム薄膜を作製した。
[Example 6]
A titanium thin film was formed on both sides of the solid electrolyte by using an ion plating method with a titanium target.
[実施例7]
実施例1と同様の方法にて、弗化ニッケル(高純度化学製)を平均粒子径37nmに調整したスラリーをスピンコート法にて上記固体電解質の両面に塗布した。その弗化ニッケルを塗布した固体電解質を電気炉をアルゴン雰囲気に調整して300℃1時間熱処理を施した。
[Example 7]
In the same manner as in Example 1, a slurry prepared by adjusting nickel fluoride (manufactured by high purity chemical) to an average particle size of 37 nm was applied to both surfaces of the solid electrolyte by spin coating. The solid electrolyte coated with nickel fluoride was heat-treated at 300 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere in an electric furnace.
[比較例1]
保護層を付与しない上記の固体電解質を用いて安定性評価を行った。
[Comparative Example 1]
Stability evaluation was performed using the above-mentioned solid electrolyte without providing a protective layer.
[セパレーターの水溶液電解質に対する長期安定性評価]
上記の様に第1の保護層を作製した固体電解質の両面に親水処理されたPTFE微多孔膜(75μm)に硝酸リチウム0.5M水溶液を含浸させてたものを張り合わせた。それを0.2kgfスプリング付のSUS電極押さえにて固体電解質に押し当てるようにして、セル内に密閉し、12時間40℃で保存した後、室温中で交流インピーダンス測定にてリチウムイオン伝導に関与する抵抗を測定した。同セルを40℃で1週間保存した後に再度交流インピーダンス測定を行った。保護層が形成されてなく、かつ水溶液電解質に侵されていない上記の固体電解質の抵抗値を基準として、セル作製後12時間保存後と1週間保存後の抵抗値の増加が20%以内のものを○、20%〜40%以内のものを△、40%より増加するもの、または形状を維持しないものを×とした。結果を表1に示す。
[Evaluation of long-term stability of separator in aqueous electrolyte]
A PTFE microporous membrane (75 μm) hydrophilized on both surfaces of the solid electrolyte from which the first protective layer was produced as described above was impregnated with a 0.5M lithium nitrate aqueous solution. It was pressed against a solid electrolyte with a SUS electrode holder with a 0.2 kgf spring, sealed in a cell, stored at 40 ° C. for 12 hours, and then involved in lithium ion conduction by AC impedance measurement at room temperature. Measured resistance. The cell was stored at 40 ° C. for 1 week, and AC impedance measurement was performed again. A protective layer is not formed and the increase in resistance value is within 20% after storage for 12 hours and after storage for 1 week, based on the resistance value of the above solid electrolyte not affected by the aqueous electrolyte. ◯, 20% to 40% or less Δ, more than 40% or those that do not maintain the shape is ×. The results are shown in Table 1.
上記の結果から第1の保護層が形成された本発明のセパレーターは水溶液電解質に長期間接していてもリチウムイオン伝導度の低下が少ないことがわかる。 From the above results, it can be seen that the separator of the present invention in which the first protective layer is formed has little decrease in lithium ion conductivity even if it is indirectly in the aqueous electrolyte for a long time.
[第2の保護層の作製]
第2の保護層は、下記の塗布法や気相成長法を用いて固体電解質上に作製した。また、作製した保護層の厚さは、固体電解質の一部にマスキングを施し、保護層の形成されない領域を作製し、固体電解質と保護層の段差を膜厚としてνビュー(ザイゴ社)を用いて測定した。以下の実施例8から11においては非水電解液またはLi金属に対する安定性評価のために固体電解質の両面に第2の保護層を作製するが、実際のリチウム電池用セパレーターとして用いる場合は、下記に記載の方法を適用して第1の保護層が形成された面と相対する面に第2の保護層を作製すればよい。
[Production of Second Protective Layer]
The second protective layer was produced on the solid electrolyte by using the following coating method or vapor phase growth method. The thickness of the protective layer produced was masked on a part of the solid electrolyte, a region where the protective layer was not formed was produced, and the step between the solid electrolyte and the protective layer was used as the film thickness, and ν view (Zygo) was used. Measured. In Examples 8 to 11 below, the second protective layer is prepared on both sides of the solid electrolyte for the stability evaluation with respect to the nonaqueous electrolytic solution or Li metal. When used as an actual lithium battery separator, The second protective layer may be formed on a surface opposite to the surface on which the first protective layer is formed by applying the method described in (1).
[実施例8]
実施例1と同様の方法にて、チタン酸リチウム(石原産業製)を平均粒子径15nmに調整したスラリーをスピンコート法にて上記固体電解質の両面に塗布した。そのチタン酸リチウムを塗布した電解質を電気炉を用いて550℃1時間大気中にて熱処理を施した。
[Example 8]
In the same manner as in Example 1, a slurry in which lithium titanate (manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) was adjusted to an average particle size of 15 nm was applied to both surfaces of the solid electrolyte by spin coating. The electrolyte coated with the lithium titanate was heat-treated in the atmosphere at 550 ° C. for 1 hour using an electric furnace.
[実施例9]
スピンコート用酸化チタニウム塗布材料(高純度化学製)を実施例4と同様の方法で固体電解質に塗布、熱処理を施した。
[Example 9]
A titanium oxide coating material for spin coating (manufactured by High-Purity Chemical) was applied to the solid electrolyte in the same manner as in Example 4 and heat-treated.
[実施例10]
チタニウムターゲットを用い、窒素ガスを導入したイオンプレーティング法にて窒化チタニウム薄膜を固体電解質の両面に形成した。
[Example 10]
A titanium nitride thin film was formed on both surfaces of the solid electrolyte by an ion plating method using a titanium target and introducing nitrogen gas.
[実施例11]
実施例1と同様の方法にて、燐化コバルト(高純度化学製)を平均粒子径50nmに調整したスラリーを固体電解質にディップ法にて塗布した。その燐化コバルトを塗布した固体電解質を200℃真空乾燥を施した。
[Example 11]
In the same manner as in Example 1, a slurry in which cobalt phosphide (manufactured by High Purity Chemical) was adjusted to an average particle size of 50 nm was applied to the solid electrolyte by the dipping method. The solid electrolyte coated with the cobalt phosphide was vacuum dried at 200 ° C.
[比較例2]
実施例9と同様に酸化チタニウムを電解質の両面に塗布、熱処理を施した。このときの塗布量は実施例9の5倍とした。
[Comparative Example 2]
In the same manner as in Example 9, titanium oxide was applied to both surfaces of the electrolyte and subjected to heat treatment. The coating amount at this time was five times that of Example 9.
[比較例3]
第2保護層を付与しない上記の固体電解質を用いた。
[Comparative Example 3]
The above-mentioned solid electrolyte that does not provide the second protective layer was used.
[第2の保護層の非水電解質またはLi金属に対する長期安定性評価]
上記実施例8〜9、比較例2の様に作製した固体電解質の両面に、非水電解液にて表面を濡らした。その後、スプリング付SUS電極押さえ上にLi金属箔を張り合わせたものを電解質の両面に押し当てた。
実施例10〜11、比較例3にはスプリング付SUS電極押さえ上にLi金属を張り合わせたものを電解質両面に押し当てた。
セル作製後に40℃で12時間保管した後と40℃で1週間保管した後、室温にて交流インピーダンス法にてリチウムイオン伝導に関与する抵抗値を測定した。その測定値からあらかじめ測定しておいた固体電解質そのものの抵抗値を差し引いて保護層のイオン伝導度を求め、そのイオン伝導度が1×10−6S/cm以下のものを○、1×10−8〜1×10-10S/cm以上のものを△ 、それ以上のものを×とした。結果を表2に示す。
[Evaluation of long-term stability of second protective layer against non-aqueous electrolyte or Li metal]
The surfaces were wetted with a non-aqueous electrolyte on both surfaces of the solid electrolytes prepared as in Examples 8 to 9 and Comparative Example 2. Then, what stuck Li metal foil on the SUS electrode holding | suppressing with a spring was pressed on both surfaces of electrolyte.
In Examples 10 to 11 and Comparative Example 3, a material obtained by bonding Li metal on a SUS electrode holder with a spring was pressed against both surfaces of the electrolyte.
After the cell was prepared, it was stored at 40 ° C. for 12 hours and stored at 40 ° C. for 1 week, and then the resistance value involved in lithium ion conduction was measured by an AC impedance method at room temperature. The resistance value of the solid electrolyte itself measured in advance is subtracted from the measured value to obtain the ionic conductivity of the protective layer. If the ionic conductivity is 1 × 10 −6 S / cm or less, 1 × 10 A value of −8 to 1 × 10 −10 S / cm or more was evaluated as Δ, and a value higher than that was evaluated as ×. The results are shown in Table 2.
上記の結果から第2の保護層が形成された本発明のセパレーターは非水電解質またはLi金属に長期間接していてもリチウムイオン伝導度の低下が少ないことがわかる。 From the above results, it can be seen that the separator of the present invention in which the second protective layer is formed has little decrease in lithium ion conductivity even if it is indirect for a long time with a non-aqueous electrolyte or Li metal.
[実施例12]
(Li−空気電池の作製)
実施例1に記載した第1の保護層と、実施例8に記載した第2の保護層を上記固体電解質の表面にそれぞれ製膜した。第1保護層の上部にはLiNO3、0.5M水溶液とPtメッシュ電極を配し、第2保護層には非水電解液で濡らした後にLi金属負極を押し当てた。室温にて1日保存した後に、0.25mA/cm2の放電電流で放電試験を行なった。その結果、Li金属容量から得られる理論値の98%を放電し、放電時間は約10日間であった。
[Example 12]
(Production of Li-air battery)
The first protective layer described in Example 1 and the second protective layer described in Example 8 were formed on the surface of the solid electrolyte. On top of the first protective layer, LiNO 3 , 0.5M aqueous solution and Pt mesh electrode were disposed, and the second protective layer was wetted with a non-aqueous electrolyte and then pressed against a Li metal negative electrode. After storing at room temperature for 1 day, a discharge test was conducted at a discharge current of 0.25 mA / cm 2 . As a result, 98% of the theoretical value obtained from the Li metal capacity was discharged, and the discharge time was about 10 days.
[比較例4]
上記固体電解質の負極側にのみ実施例10の保護層を形成し、正極側には保護層を形成しない以外は、実施例12と同様の電池作製と放電試験を行なった。放電容量はLi金属容量から得られる理論値の55%であった。
[Comparative Example 4]
A battery production and discharge test were performed in the same manner as in Example 12, except that the protective layer of Example 10 was formed only on the negative electrode side of the solid electrolyte and the protective layer was not formed on the positive electrode side. The discharge capacity was 55% of the theoretical value obtained from the Li metal capacity.
[比較例5]
第1の保護層と第2の保護層を付与せず固体電解質を用いて実施例12と同様に電池作製と放電試験を行なった。放電容量はLi金属容量から得られる理論値の10%であった。
[Comparative Example 5]
A battery was produced and a discharge test was conducted in the same manner as in Example 12 using a solid electrolyte without providing the first protective layer and the second protective layer. The discharge capacity was 10% of the theoretical value obtained from the Li metal capacity.
本発明のリチウム電池は固体電解質の表面に第1の保護層および第2の保護層を有していても十分な放電容量を有していることが分かる。そして上記の実施例から長期間でもイオン伝導性の低下が少ないので、長期にわたって安定した性能を維持することができる。 It can be seen that the lithium battery of the present invention has a sufficient discharge capacity even if it has the first protective layer and the second protective layer on the surface of the solid electrolyte. And since the above-mentioned Example has little fall of ion conductivity also for a long period of time, the stable performance can be maintained over a long period of time.
Claims (2)
前記リチウムイオン伝導性無機固体電解質の第1の保護層が形成されている面と相対する表面に、チタン酸リチウム、酸化チタニウム、窒化チタニウム、燐化コバルトから選ばれる非水電解液またはLi金属に安定な第2の保護層が100nm未満の厚さで形成され、
前記第2の保護層のリチウムイオン伝導度が1×10 −10 S/cm以上である、リチウム空気電池用セパレーター。 Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, M = one or more selected from Al and Ga), and one surface of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte having a thickness of 500 μm or less has a solubility in water of 0.8 or less and phosphoric acid A first protective layer selected from lithium iron, lithium manganate, lithium aluminate, copper oxide, magnesium oxide, titanium, nickel fluoride is formed with a thickness of 10 nm or more and 5 μm or less ;
A non-aqueous electrolyte selected from lithium titanate, titanium oxide, titanium nitride, and cobalt phosphide or Li metal is formed on the surface of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte opposite to the surface on which the first protective layer is formed. A stable second protective layer is formed with a thickness of less than 100 nm;
A lithium- air battery separator , wherein the second protective layer has a lithium ion conductivity of 1 × 10 −10 S / cm or more .
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