JP5299860B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
Ty>Tz
の関係を有する。
固体電解質材料:LAGP:Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3
電極活物質材料:LVP:Li3V2(PO4)3
先ず、Li2CO3、GeO2、Al2O3及びNH4H2(PO4)3の粉末を化学量論組成で混合し、大気中、900℃で焼成する固相合成法により、固体電解質材料「Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3」(LAGP)の結晶粉末(以下、LAGP結晶粉末を記す)を得た。
上述のようにして得られたLAGP結晶粉末を金型プレス成形により直径16mm、厚み約1mmの圧粉ペレットに成形した。プレスの成形圧力は500kg/cm2で行った。このペレットを大気雰囲気中840℃にて焼成して、LAGPの固体電解質焼成体ペレットを得た。
固相法により得たLAGP結晶粉末をPt坩堝に入れ、1200℃に加熱した大気炉中に投入。1時間保持した後に取り出し氷水により急冷しガラス化したLAGPを得た。これを乳鉢、及びボールミル等で粉砕し、微粒化したLAGPガラス粉末を得た。
LAGP結晶粉末を使用した固体電解質ペレット(以下、結晶LAGP固体電解質と記す)と、LAGPガラス粉末を使用した固体電解質ペレット(以下、ガラス化LAGP固体電解質と記す)を作製し、それぞれをAr(アルゴン)雰囲気で異なる焼成温度による焼結状態の比較を行った。それぞれの破断面による断面SEM観察の結果を図3〜図9に示し、Ar雰囲気焼成下での焼成収縮をまとめたグラフを図11及び図12に示す。
次に、LAGP結晶粉末とLVP結晶粉末の混合物に、後に電解液による評価を行うためにアセチレンブラックを電子伝導助剤として加え、混合した混合粉末ペレットを作製し、Ar雰囲気で異なる焼成温度により焼成して焼成体を得た。得られた焼成体で、まず、XRD(X線回折)測定を行った。測定結果を図13に示す。この図13において、■で示す部分はLVPの結晶構造を同定するLi3Fe2(PO4)3のピークを示し、▲で示す部分はLAGPの結晶構造を同定するLiGe2(PO4)3のピークを示す。なお、LAGPやLVPはICDDデータの登録がないため、同じ結晶構造を持つこれら物質で同定を行った。この測定結果から、LAGP結晶粉末で焼結が確認された700℃及び800℃では、LAGPとLVPに起因するピーク以外の複数のリン酸縮合塩由来の異相ピークが発生しはじめることが確認された。
次に、これら材料の組み合わせにより、電極活物質と固体電解質が混合された電極であって、電極に添加する当該固体電解質材料が非晶質ポリアニオン化合物でリン酸化合物であるLAGP固体電解質を用い、固体電解質と電極活物質の混合電極からなり、加熱焼成してなる電極を有する全固体電池を作製した。比較例としては、結晶質のLAGP固体電解質を用いて全固体電池を作製した。実施例及び比較例の具体的な構成を以下に示す。
LAGPガラス粉末と、LVP結晶粉末に、有機溶剤に溶解したバインダを適量投入し乳鉢で混練してスクリーン印刷用の電極ペーストとした。基体となる直径13mm、厚み1mmの固体電解質焼成体の両面に、上述のように調製した電極ペーストを用いて直径12mmの電極パターンを印刷・乾燥して、正極及び負極の電極を形成した。
LAGPガラス粉末と、LVP結晶粉末に、有機溶剤に溶解したバインダを適量投入し乳鉢で混練してスクリーン印刷用の電極ペーストとした。上述のように基体となる固体電解質焼成体の両面に、調製した電極ペーストを用いて電極パターンを印刷・乾燥して、正極及び負極の電極を形成した。
LAGP結晶粉末と、LVP結晶粉末に、有機溶剤に溶解したバインダを適量投入し乳鉢で混練してスクリーン印刷用の電極ペーストとした。上述のように基体となる固体電解質焼成体の両面に、調製した電極ペーストを用いて電極パターンを印刷・乾燥して、正極及び負極の電極を形成した。
LAGP結晶粉末と、LVP結晶粉末に、有機溶剤に溶解したバインダを適量投入し乳鉢で混練してスクリーン印刷用の電極ペーストとした。上述のように基体となる固体電解質焼成体の両面に、調製した電極ペーストを用いて電極パターンを印刷・乾燥して、正極及び負極の電極を形成した。
交流インピーダンスの測定は、ソーラートロン社製の1287型ポテンショ/ガルバノスタット(商品名)と1255B型周波数応答アナライザ(商品名)を組合せて使用した。測定周波数は、1MHzから0.1Hzまでとし、測定信号電圧10mVにて測定した。
得られた全固体電池に、CCCV(Constant Current Constant Voltage)方式にて充放電を行い、全固体電池の充放電評価を行った。具体的には、実施例1及び実施例2については、定電流9μA/cm2にて2.4Vカットオフまで充電後、2.4V定電圧にて0.9μA/cm2の電流値まで充電し、放電特性は、定電流9μA/cm2にて0.1Vカットオフまで放電後、0.1V定電圧にて0.9μA/cm2の電流値まで放電した。比較例1及び比較例2については、定電流0.9μA/cm2にて2.4Vカットオフまで充電後、2.4V定電圧にて0.45μA/cm2の電流値まで充電し、放電特性は、定電流0.9μA/cm2にて0.1Vカットオフまで放電後、0.1V定電圧にて0.45μA/cm2の電流値まで放電した。
得られた混合電極からなる全固体セラミックス電池セルについて、電気的な評価には、真空加熱乾燥した上でグローブボックス内で2032型のコイン電池型パッケージに組み込んだ状態で行った。実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の充放電特性を図17、図19、図21及び図23に示す。また、実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の交流インピーダンスを図18、図20、図22及び図24に示す。交流インピーダンス波形では、横軸にインピーダンスの実部Z’、縦軸にインピーダンスの虚部Z’’を示し、測定周波数1kHz及び1Hzを●で示した。
充放電容量を比較すると、比較例1及び2は共に、内部抵抗が高く充放電もほとんどできない状態であった。比較例1では交流インピーダンス波形より、粒界抵抗に相当する1kHzより高周波側で形成される円弧が大きいことから、固体電解質の粒子間接合が十分出来ていない。そのため、固体電解質−電極活物質間の反応界面面積も不十分であることに起因し、充放電がほとんど出来ていないと考えられる。一方の比較例2では、交流インピーダンス波形より、反応界面抵抗に相当する1kHz以下の低周波側で形成される円弧が大きいことから、固体電解質−電極活物質の接合界面における異相の生成や、電極活物質の容量低下が原因で充放電がほとんど出来ていないと考えられる。
次に、実施例3に係る全固体電池を作製して、その充放電特性及び交流インピーダンス特性を測定した。
交流インピーダンスの測定は、実施例1と同様に、ソーラートロン社製の1287型ポテンショ/ガルバノスタット(商品名)と1255B型周波数応答アナライザ(商品名)を組合せて使用した。測定周波数は、1MHzから0.1Hzまでとし、測定信号電圧10mVにて測定した。
得られた全固体電池に、CCCV方式にて充放電を行い、全固体電池の充放電評価を行った。具体的には、実施例3について、定電流90μA/cm2にて2.4Vカットオフまで充電後、2.4V定電圧にて0.9μA/cm2の電流値まで充電し、放電特性は、定電流90μA/cm2にて0.1Vカットオフまで放電後、0.1V定電圧にて0.9μA/cm2の電流値まで放電した。
得られた混合電極からなる全固体セラミックス電池セルについて、電気的な評価には、真空加熱乾燥した上でグローブボックス内で2032型のコイン電池型パッケージに組み込んだ状態で行った。実施例3の充放電特性を図25に示し、交流インピーダンスを図26に示す。交流インピーダンス波形では、横軸にインピーダンスの実部Z’、縦軸にインピーダンスの虚部Z’’を示し、測定周波数1kHz及び1Hzを●で示した。
実施例3は、図26からもわかるように、内部抵抗が低減されている。得られた内部抵抗低減効果は、内部抵抗における反応抵抗(界面電荷移動抵抗)部分での低下がほとんどを占めていることから、緻密化が進み、電極活物質と固体電解質との接合界面面積の拡大によるものと考えられる。
14…固体電解質焼成体 16…電極活物質
18…第1電極層(正極) 20…第2電極層(負極)
24…第1集電極 26…第2集電極
Claims (18)
- 電極活物質を含有する正負極の電極部と、固体電解質からなる電解質部と、正負極の集電部とを備えた全固体電池であって、
ポリアニオンが共通した電極活物質と固体電解質との組み合わせによる全固体電池において、
正負の何れか一方の電極部、もしくは正負両極の電極部は、前記電極活物質と前記固体電解質が混合されて構成され、
前記電極部は、非晶質ポリアニオン化合物からなる固体電解質材料が電極活物質材料と混合され、加熱焼成してなり、
前記固体電解質材料と前記電極活物質材料との反応によって前記電極活物質が容量低下を生じる温度をTy、前記固体電解質材料の焼成収縮する温度をTzとしたとき、
Ty>Tz
の関係を有し、
前記固体電解質材料の焼成収縮する温度が、前記固体電解質材料の理論密度に対し、70%以上の相対密度に収縮する温度をTzとした関係を有することを特徴とする全固体電池。 - 電極活物質を含有する正負極の電極部と、固体電解質からなる電解質部と、正負極の集電部とを備えた全固体電池であって、
リン酸化合物からなる電極活物質と固体電解質との組み合わせによる全固体電池において、
正負の何れか一方の電極部、もしくは正負両極の電極部は、前記電極活物質と前記固体電解質が混合されて構成され、
前記電極部は、非晶質リン酸化合物からなる固体電解質材料が電極活物質材料と混合され、加熱焼成してなり、
前記固体電解質材料と前記電極活物質材料との反応によって前記電極活物質が容量低下を生じる温度をTy、前記固体電解質材料の焼成収縮する温度をTzとしたとき、
Ty>Tz
の関係を有し、
前記固体電解質材料の焼成収縮する温度が、前記固体電解質材料の理論密度に対し、70%以上の相対密度に収縮する温度をTzとした関係を有することを特徴とする全固体電池。 - 請求項1又は2記載の全固体電池において、
前記温度Tyを決定する前記容量低下とは、電極活物質材料が本来有する理論容量に対し、理論容量の50%を下回る容量までしか充放電容量が得られなくなる温度であることを特徴とする全固体電池。 - 電極活物質を含有する正負極の電極部と、固体電解質からなる電解質部と、正負極の集電部とを備えた全固体電池であって、
ポリアニオンが共通した電極活物質と固体電解質との組み合わせによる全固体電池において、
正負の何れか一方の電極部、もしくは正負両極の電極部は、前記電極活物質と非晶質ポリアニオン化合物からなる固体電解質材料とが混合され、且つ、前記固体電解質材料のガラス転移点を超える温度で焼成され、前記固体電解質材料が、焼成時の加熱により軟化焼結することで、前記電解質部と焼成一体化され、
前記電極部は、前記固体電解質材料の軟化焼結による電解質ネットワークを有することを特徴とする全固体電池。 - 電極活物質を含有する正負極の電極部と、固体電解質からなる電解質部と、正負極の集電部とを備えた全固体電池であって、
リン酸化合物からなる電極活物質と固体電解質との組み合わせによる全固体電池において、
正負の何れか一方の電極部、もしくは正負両極の電極部は、前記電極活物質と非晶質リン酸化合物からなる固体電解質材料とが混合され、且つ、前記固体電解質材料のガラス転移点を超える温度で焼成され、前記固体電解質材料が、焼成時の加熱により軟化焼結することで、前記電解質部と焼成一体化され、
前記電極部は、前記固体電解質材料の軟化焼結による電解質ネットワークを有することを特徴とする全固体電池。 - 請求項2又は5記載の全固体電池において、
リン酸化合物からなる前記固体電解質材料が、加熱焼成した後にナシコン型である材料であることを特徴とする全固体電池。 - 請求項6記載の全固体電池において、
リン酸化合物からなる前記固体電解質材料が
LAGP:Li1+xAlxGe2-x(PO4)3
であることを特徴とする全固体電池。
[但し、xは0≦x≦1である。] - 請求項6記載の全固体電池において、
リン酸化合物からなる前記固体電解質材料が
LATP:Li1+xAlxTi2-x(PO4)3
であることを特徴とする全固体電池。
[但し、xは0≦x≦1である。] - 請求項2、5〜8のいずれか1項に記載の全固体電池において、
前記電極活物質材料は、リン酸化合物からなり、且つ、ナシコン型材料であることを特徴とする全固体電池。 - 請求項9記載の全固体電池において、
リン酸化合物からなる前記電極活物質材料が
LVP:LimV2(PO4)3
[但し、mは1≦m≦5である。]
であることを特徴とする全固体電池。 - 請求項2、5〜8のいずれか1項に記載の全固体電池において、
前記電極活物質のうち、正極活物質材料が、リン酸化合物からなり、且つ、オリビン型材料であることを特徴とする全固体電池。 - 請求項11記載の全固体電池において、
リン酸化合物からなる前記正極活物質材料が
LNP:LinNiPO4
LCP:LinCoPO4
LMP:LinMnPO4
LFP:LinFePO4
のいずれかであることを特徴とする全固体電池。
[但し、nは0≦n≦1である。] - 請求項2、5又は6記載の全固体電池において、
前記固体電解質材料と前記電極活物質材料が、共にナシコン型材料であることを特徴とする全固体電池。 - 請求項2、5又は6記載の全固体電池において、
前記固体電解質材料と前記電極活物質材料が、共に加熱焼成した後にナシコン型である材料であって、
前記固体電解質材料がLAGP:Li1+xAlxGe2-x(PO4)3、前記電極活物質材料が正負極ともにLVP:LimV2(PO4)3であるシンメトリ構造を有することを特徴とする全固体電池。
[但し、xは0≦x≦1、mは1≦m≦5である。] - 請求項1又は4記載の全固体電池において、
前記電解質部分に用いる前記固体電解質材料が非晶質ポリアニオン化合物であり、加熱焼成してなることを特徴とする全固体電池。 - 請求項2又は5記載の全固体電池において、
前記電解質部分に用いる前記固体電解質材料が非晶質リン酸化合物であり、加熱焼成してなることを特徴とする全固体電池。 - 請求項1〜16のいずれか1項に記載の全固体電池において、
前記電極部は、加圧された状態で加熱焼成されて構成されていることを特徴とする全固体電池。 - 請求項1〜17のいずれか1項に記載の全固体電池において、
前記正負の何れか一方の電極部、もしくは正負両極の電極部が、印刷ペーストにより形成され、不活性雰囲気下で加熱焼成されて構成されていることを特徴とする全固体電池。
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