JP5376158B2 - 硫化物固体電解質の製造方法、および複合体 - Google Patents
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Description
Li、P、S、及びOを含有する非晶質の固体電解質粉末を作製する準備工程。
有機溶媒に前記固体電解質粉末を溶解させる溶解工程。
前記溶解工程で作製した溶解液を基板上に塗工する塗工工程。
前記基板上に塗工した溶解液を乾燥させ、Li、P、S及びOを含有する非晶質の固体電解質を前記基板の上に析出させる析出工程。
本発明硫化物固体電解質の製造方法は、準備工程、溶解工程、塗工工程、および析出工程を備え、気相法により作製される硫化物固体電解質に匹敵するLiイオン伝導性を有する硫化物固体電解質を作製することができる。以下、本発明作製方法に備わる各工程を詳細に説明する。
準備工程は、Li、P、S及びOを含有する非晶質の固体電解質粉末を作製する工程である。作製する固体電解質粉末は、準備工程の次工程である溶解工程において、有機溶媒に溶解するものである必要がある。但し、粉末を作製する原料となるLi化合物、P化合物、S化合物、およびO化合物は有機溶媒に溶解するものである必要はなく、これらの化合物から得られたLi−P−S−O化合物が有機溶媒に溶解すれば良い。Li化合物の具体例としては、Li2SやLi3PO4など、S化合物やP化合物の具体例としては、P2S5など、O化合物の具体例としては、P2O5やLi3PO4などを挙げることができる。例示した原料のうち、O化合物は有機溶媒に溶解しない。ここで、上記例示した原料の好ましい組み合わせは、Li2S、P2S5、P2O5であり、これら原料から得られるLi−P−S−O化合物からなる硫化物固体電解質粉末は有機溶媒に溶解する。
溶解工程は、準備工程で作製した硫化物固体電解質粉末を有機溶媒に溶解させる工程である。有機溶媒としては、硫化物固体電解質粉末を良く溶かし、次工程の析出工程で揮発させ易いものであることが好ましい。例えば、無水エチルアルコールなどのアルコール類や、二硫化炭素などは、本工程における有機溶媒として好適である。また、有機溶媒は、その水分含有量をできるだけ低く抑えたものであることが好ましい。その理由は、硫化物固体電解質粉末に含まれるLiが水と激しく反応するからである。具体的な有機溶媒中の水分含有量は100ppm以下とすることが好ましい。
塗工工程は、溶解工程で作製した溶解液(硫化物固体電解質を溶解させた有機溶媒)を基板上に塗工する工程である。塗工の方法は特に限定されず、例えばスキージ法などを利用することができる。また、析出工程は、基板上に塗工した溶解液を乾燥させ、Li、P、S及びOを含有する非晶質の固体電解質を基板の上に析出させる工程である。なお、これら塗工工程と析出工程を1単位として、複数回繰り返して行っても良い。塗工と析出を複数回繰り返すことで、任意の厚さの硫化物固体電解質を形成することができる。
図1に示すように、本実施例で作製した本発明非水電解質電池(Liイオン電池)100は、正極層1上に、緩衝層4、固体電解質層(SE層)3、負極層2の順に積層された構造を備え、正極層1と負極層2との間でLiイオンの遣り取りをすることで電池として機能する。この電池100は、正極層1と緩衝層4とSE層3とが一体となった複合体を作製し、この複合体に負極層2を形成することで得られたものである。以下に、電池100の作製手順を説明する。
まず、電極層である正極層1を作製する。正極層1は、集電機能を有する正極集電体11と、その一面側に形成される正極活物質層12とを備える。本実施例では、正極集電体11としてSUSを、正極活物質12に含有される正極活物質としてLiCoO2を使用した。このような正極層1は、金型内に配置したSUS板の上にLiCoO2粉末を載せ、圧縮・熱処理することで得ても良いし、LiCoO2の焼結体を作製した後、その一面側にSUSを蒸着することで得ても良い。なお、本実施例では前者を採用した。
作製した正極層1の正極活物質層12側の面に、エキシマレーザーアブレーション法によりLiNbO3からなる緩衝層4を形成した。この緩衝層4は、正極活物質層12と後述する硫化物系のSE層3との境界近傍における反応を緩衝するためのものである。緩衝層4の材料としては、LiNbO3の他に、LiTaO3などのLiイオン伝導性が高く、電子伝導性が低いものを使用することができる。なお、この緩衝層4の厚さは、10nm〜100nm程度あれば十分であり、厚すぎると逆に電池100の性能を低下させる虞がある。
次に、本発明硫化物固体電解質の製造方法を用いて、緩衝層4の上にSE層3を形成した。具体的な形成手順は次の通りである。
上記複合体のSE層3の組成をX線回折により解析したところ、非晶質であった。また、SE層をXPSにより解析したところ、O原子が構成元素として含有されていた。このSE層3について複素インピーダンス法により電気特性を測定して、Liイオン伝導性を算出したところ、3×10−4S/cm2であった。この数値は、Pulsed Laser Deposition(PLD)法で形成した固体電解質と同程度のLiイオン伝導性である。そのため、本実施例のSE層3は、電池100の電解質層として優れた特性を発揮することが期待される。さらに、複合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、複合体の正極活物質層12の空隙部にSE層3の一部が根を張るように入り込んでいた。ここで、正極活物質層12とSE層3との間には緩衝層4が設けられているが、この緩衝層4は非常に薄い(10nm〜100nm程度)ので、正極活物質層12の表面の空隙が完全に塞がることがない。そのため、正極活物質層12とSE層3との間に緩衝層4があっても、SE層3が正極活物質層12の空隙部に入り込むことができる。
正極層1と緩衝層4とSE層3とを一体化した複合体の形成が終了した後、その複合体のSE層3の上にLi金属からなる負極層2を真空蒸着法により形成した。真空蒸着による負極層2の形成は、SE層3の中心部分が露出するようにSE層3の上にマスクを施して行い、負極層2の縁部が正極層1と短絡しないようにした。なお、本実施例の負極層2は、負極集電体を兼ねる。
最後に、負極層2の形成が終了した積層体をアルミラミネートパックに封止し、正極集電体11と負極層2(集電体を兼ねる)からタブリードを引き出して電池100を完成した。
比較例の非水電解質電池として、焼結させたLiCoO2の正極層1上にSE層3をPLD法で形成した電池を作製した。PLD法によるSE層3の作製は、Li2S、P2S5、P2O5を実施例と同じ質量比で混合したターゲット(蒸発源)を作製し、当該ターゲットにパルスレーザを照射することで行った。
上述実施例の電池と比較例の電池について、0.05mAの定電流で4.2Vまで充電し、3Vまで放電する操作を1サイクルとする充放電を100サイクル繰り返し、100サイクル目の放電容量を測定した。そして、測定した100サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除し、100をかけることで容量維持率(%)を求めた。容量維持率が高いほど、充放電を開始する当初の放電容量を維持できる非水電解質電池、即ち、サイクル特性に優れた電池と言える。また、比較例として、SE層をPLD法で形成した以外は実施例の電池と同じ構成を備える非水電解質電池を作製し、その電池についても上記条件の充放電試験を実施した。
実施例の電池…初期容量3mAh/cm2、容量維持率95%
比較例の電池…初期容量0.5mAh/cm2、容量維持率80%
1 正極層
11 正極集電体 12 正極活物質層
2 負極層
3 固体電解質層
4 緩衝層
Claims (8)
- Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質の製造方法であって、
Li、P、S、及びOを含有する非晶質の固体電解質粉末を作製する準備工程と、
有機溶媒に前記固体電解質粉末を溶解させる溶解工程と、
前記溶解工程で作製した溶解液を基板上に塗工する塗工工程と、
前記基板上に塗工した溶解液を乾燥させ、Li、P、S、及びOを含有する非晶質の固体電解質を前記基板の上に析出させる析出工程と、
を備えることを特徴とする硫化物固体電解質の製造方法。 - 前記準備工程において、
Li化合物、P化合物、S化合物、およびO化合物をメカニカルミリングすることで、前記固体電解質粉末を作製することを特徴とする請求項1に記載の硫化物固体電解質の製造方法。 - 前記準備工程において、
Li化合物、P化合物、S化合物、およびO化合物を溶融急冷法によりLi、P、S、及びOを含有する非晶質の固体電解質とし、その固体電解質を粉砕することで、前記固体電解質粉末を作製することを特徴とする請求項1に記載の硫化物固体電解質の製造方法。 - 前記準備工程で用意する化合物は、Li2S、P2S5、およびP2O5であることを特徴とする請求項2または3に記載の硫化物固体電解質の製造方法。
- 前記有機溶媒は、アルコール、若しくは二硫化炭素であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質の製造方法。
- 前記有機溶媒中の水分は、100ppm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質の製造方法。
- 前記塗工工程において、
前記基板は、非水電解質電池の電極層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質の製造方法。 - 非水電解質電池に用いられる電極層と硫化物固体電解質層とが一体となった複合体であって、
前記電極層は、空隙部を有する焼結体、もしくは成形体であり、
前記硫化物固体電解質層は、Li、P、S、及びOを含有する非晶質の固体電解質であり、
前記硫化物固体電解質層の一部は、前記空隙部に根を張るように入り込み、前記空隙部を埋めていることを特徴とする複合体。
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