JP5277984B2 - 正極活物質材料 - Google Patents
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Description
まず、本発明の正極活物質材料について説明する。本発明の正極活物質材料は、酸化物系正極活物質と、上記酸化物系正極活物質の表面を被覆し、酸化物からなる反応抑制部と、を有する正極活物質材料であって、エッチングによる深さ分析を伴うXPS測定によって、SiO2換算のエッチング量E(nm)に対応する、上記酸化物系正極活物質に含まれる金属元素(伝導イオンとなる金属元素を除く)の割合M1(モル%)と、上記反応抑制部の酸化物に含まれる酸素元素以外の元素(上記酸化物が伝導イオンとなる金属元素を有する場合、その金属元素を除く)の割合をM2(モル%)とを測定し、さらに、X軸をE(nm)、Y軸をM2/(M1+M2)とした曲線を得た場合に、上記曲線の急落部における直線の傾きAの値が、−0.020以下であることを特徴とするものである。
以下、本発明の正極活物質材料について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における反応抑制部について説明する。本発明における反応抑制部は、酸化物からなり、酸化物系正極活物質の表面を被覆するものである。
次に、本発明における酸化物系正極活物質について説明する。本発明における酸化物系正極活物質は、上述した反応抑制部を担持するものである。また、酸化物系正極活物質を用いることにより、エネルギー密度の高い全固体電池を得ることができる。また、酸化物系正極活物質は、通常、後述する固体電解質材料と反応して高抵抗層を形成するものである。本発明においては、酸化物系正極活物質の表面を被覆する反応抑制部を設けることで、高抵抗層の形成を抑制できるのである。なお、高抵抗層の生成は、透過型電子顕微鏡(TEM)やエネルギー分散型X線分光法(EDX)により確認することができる。
本発明の正極活物質材料の用途としては、例えば、全固体電池用途を挙げることができる。また、正極活物質材料の製造方法としては、上述した正極活物質材料を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、後述する「C.正極活物質材料の製造方法」で説明する方法を挙げることができる。
次に、本発明の全固体電池について説明する。本発明の全固体電池は、上述した正極活物質材料を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の全固体電池について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、上述した正極活物質材料を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料および導電化材の少なくとも一方を含有していても良い。
次に、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。また、固体電解質層は、固体電解質材料のみを含有することが好ましい。また、固体電解質材料は、通常、酸化物系正極活物質と反応して高抵抗層を形成する材料である。本発明においては、酸化物系正極活物質の表面を被覆する反応抑制部を設けることで、高抵抗層の形成を抑制できるのである。
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料および導電化材の少なくとも一方を含有していても良い。負極活物質としては、目的とする全固体電池の伝導イオンの種類により異なるものであるが、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。なお、負極活物質層に用いられる固体電解質材料および導電化材については、上述した正極活物質層における場合と同様である。また、負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内である。
本発明の全固体電池は、上述した正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な全固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。また、本発明の全固体電池は、発電要素を絶縁リングの内部に形成したものであっても良い。
本発明の全固体電池における伝導イオンの種類は特に限定されるものではない。本発明の全固体電池の種類としては、全固体リチウム電池、全固体ナトリウム電池、全固体マグネシウム電池および全固体カルシウム電池等を挙げることができ、中でも全固体リチウム電池が好ましい。また、本発明の全固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。本発明の全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
次に、本発明の正極活物質材料の製造方法について説明する。本発明の正極活物質材料の製造方法は、酸化物系正極活物質と、上記酸化物系正極活物質の表面を被覆し、酸化物からなる反応抑制部と、を有し、エッチングによる深さ分析を伴うXPS測定によって、SiO2換算のエッチング量E(nm)に対応する、上記酸化物系正極活物質に含まれる金属元素(伝導イオンとなる金属元素を除く)の割合M1(モル%)と、上記反応抑制部の酸化物に含まれる酸素元素以外の元素(上記酸化物が伝導イオンとなる金属元素を有する場合、その金属元素を除く)の割合をM2(モル%)とを測定し、さらに、X軸をE(nm)、Y軸をM2/(M1+M2)とした曲線を得た場合に、上記曲線の急落部における直線の傾きAの値が、−0.020以下である正極活物質材料の製造方法であって、上記酸化物の金属源を、上記酸化物の換算量で0.4mol/kg以下となる濃度で含有する原料組成物を調製する調製工程と、上記原料組成物を、酸化物系正極活物質の表面上に塗布する塗布工程と、上記原料組成物が塗布された酸化物系正極活物質を熱処理することで、上記反応抑制部を形成する熱処理工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の正極活物質材料の製造方法について、工程ごとに説明する。
本発明における調製工程は、酸化物の金属源を、酸化物の換算量で0.4mol/kg以下となる濃度で含有する原料組成物を調製する工程である。さらに、この濃度は低いことが好ましく、具体的には0.05mol/kg〜0.3mol/kgであることが好ましく、0.05mol/kg〜0.2mol/kgであることがより好ましい。濃度が低くすぎると、所望の厚さや被覆率を有する反応抑制部の形成が困難になる可能性があるからである。
本発明における塗布工程は、原料組成物を、酸化物系正極活物質の表面上に塗布する工程である。原料組成物の塗布方法は、原料組成物を均一に塗布できる方法であることが好ましく、具体的には、転動流動層を用いたコート装置等を挙げることができる。また、原料組成物の塗布は、所望の厚さ、被覆率を有する反応抑制部が得られる程度に塗布することが好ましい。高温時における酸化物系正極活物質と固体電解質材料との界面抵抗の増加をさらに抑制することができる正極活物質材料を得ることができるからである。なお、反応抑制部の厚さ、被覆率については、「A.正極活物質材料」に記載した内容と同様である。
本発明における熱処理工程は、原料組成物が塗布された酸化物系正極活物質を熱処理することで、反応抑制部を形成する工程である。酸化物からなる反応抑制部を形成するため、通常、酸素を含む雰囲気下で熱処理を行う。熱処理の温度および時間は、反応抑制部を構成する酸化物の種類に応じて適宜選択することが好ましい。熱処理の温度としては、例えば300℃〜500℃の範囲内である。また、熱処理の時間としては、例えば0.5時間〜10時間の範囲内である。
金属源としてリチウムエトキシドおよびペンタエトキシニオブを用意し、これらの金属源を、エタノール中で、LiNbO3における化学量論比と一致させるように混合した。さらに、この溶液にエタノールを追加し、金属源をLiNbO3換算で0.157mol/kgとなる濃度で含有する原料組成物を得た。
金属源としてリチウムエトキシドおよびペンタエトキシニオブを用意し、これらの金属源を、エタノール中で、LiNbO3における化学量論比と一致させるように混合した。さらに、この溶液にエタノールを追加し、金属源をLiNbO3換算で0.47mol/kgとなる濃度で含有する原料組成物を得た。
比較例1と同じ原料組成物を、転動流動層を用いたコート装置にて、LiCoO2(酸化物系正極活物質)の表面上に塗布した。この際、原料組成物の使用量を、0.105mg−LiNbO3/(g−LiCoO2)となるように調整した。その後、大気中、350℃の条件で熱処理を行い、正極活物質材料を得た。得られた正極活物質材料は、被覆率90%、平均厚さ21nmの反応抑制部を有するものであった。
実施例1、比較例1、2で得られた正極活物質材料を用いて、反応抑制部の厚さの均一性、および、全固体電池の界面抵抗の経時変化を評価した。
エッチングによる深さ分析を伴うXPS測定により、正極活物質材料における反応抑制部の厚さの均一性を評価した。エッチング条件は、エッチングガスとしてアルゴンを用い、エッチングレート0.78nm/min(SiO2換算)とした。その結果を図6に示す。図6に示されるように、実施例1の曲線は、比較例1および比較例2の曲線に比べて、初期のNb/(Co+Nb)の減少は急激であった。また、実施例1の傾きAは、−0.045であり、比較例1、2の傾きAは、ともに−0.017であった。傾きAの結果から、実施例1の正極活物質材料が、厚さの均一性の高い反応抑制部を有していることが示唆された。
実施例1、比較例1、2で得られた正極活物質材料を用いて、全固体リチウム二次電池を作製した。まず、プレス機を用いて、上述した図5に示すような発電要素20を作製した。ここで、正極活物質層11を構成する材料として、上記の正極活物質材料とLi7P3S11とを重量比7:3で混合した合剤を用いた。なお、Li7P3S11は、架橋硫黄を有する硫化物系固体電解質材料であり、特開2005−228570号公報に記載された方法と同様の方法で得たものである。さらに、負極活物質層12を構成する材料としてIn箔を用い、固体電解質層13を構成する材料としてLi7P3S11を用いた。最後に、この発電要素を用いて、全固体リチウム二次電池を得た。
2 … 反応抑制部
10 … 正極活物質材料
11 … 正極活物質層
12 … 負極活物質層
13 … 固体電解質層
20 … 全固体電池の発電要素
Claims (5)
- 酸化物系正極活物質と、前記酸化物系正極活物質の表面を被覆し、酸化物からなる反応抑制部と、を有する正極活物質材料であって、
エッチングによる深さ分析を伴うXPS測定によって、SiO2換算のエッチング量E(nm)に対応する、前記酸化物系正極活物質に含まれる金属元素(伝導イオンとなる金属元素を除く)の割合M1(モル%)と、前記反応抑制部の酸化物に含まれる酸素元素以外の元素(前記酸化物が伝導イオンとなる金属元素を有する場合、その金属元素を除く)の割合M 2 (モル%)とを測定し、さらに、X軸をE(nm)、Y軸をM2/(M1+M2)とした曲線を得た場合に、前記曲線の急落部における直線の傾きAの値が、−0.045以下であり、
前記反応抑制部の酸化物が、LiNbO3であることを特徴とする正極活物質材料。 - 前記酸化物系正極活物質が、LiCoO2であることを特徴とする請求項1に記載の正極活物質材料。
- 請求項1または請求項2に記載の正極活物質材料を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有することを特徴とする全固体電池。
- 前記正極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも一方が、硫化物系固体電解質材料を含有することを特徴とする請求項3に記載の全固体電池。
- 酸化物系正極活物質と、前記酸化物系正極活物質の表面を被覆し、酸化物からなる反応抑制部と、を有し、
エッチングによる深さ分析を伴うXPS測定によって、SiO2換算のエッチング量E(nm)に対応する、前記酸化物系正極活物質に含まれる金属元素(伝導イオンとなる金属元素を除く)の割合M1(モル%)と、前記反応抑制部の酸化物に含まれる酸素元素以外の元素(前記酸化物が伝導イオンとなる金属元素を有する場合、その金属元素を除く)の割合M 2 (モル%)とを測定し、さらに、X軸をE(nm)、Y軸をM2/(M1+M2)とした曲線を得た場合に、前記曲線の急落部における直線の傾きAの値が、−0.045以下である正極活物質材料の製造方法であって、
前記酸化物の金属源を、前記酸化物の換算量で0.4mol/kg以下となる濃度で含有する原料組成物を調製する調製工程と、
前記原料組成物を、酸化物系正極活物質の表面上に塗布する塗布工程と、
前記原料組成物が塗布された酸化物系正極活物質を熱処理することで、前記反応抑制部を形成する熱処理工程と、を有し、
前記反応抑制部の酸化物が、LiNbO3であることを特徴とする正極活物質材料の製造方法。
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