JP5392328B2 - 固体電解質電池 - Google Patents
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Description
(構成)
本発明は、正極活物質層、固体電解質層、および負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する固体電解質電池であって、前記固体電解質層と前記正極活物質層および/または前記負極活物質層との界面の少なくとも1つに、無機微粒子を含む接着層が介在することを特徴とする、固体電解質電池である。なお、本明細書においては、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池(以下、「バイポーラ電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。また、以下の説明では、集電体、電極活物質層、および固体電解質層の平面形状がいずれも同一の矩形である形態を例に挙げて説明するが、本発明の技術的範囲がこの形態のみに制限されるわけではない。
集電体11および最外層集電体(11a、11b)は、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス(SUS)箔など、導電性の材料から構成される。最外層集電体以外の集電体の一般的な厚さは、1〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。
正極活物質層13は、正極活物質を含む。正極活物質としては、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、例えば、LiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物やLiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。
固体電解質層17は、例えば、固体高分子電解質(マトリックスポリマーおよびリチウム塩を含む)から構成される全固体電解質層と、ゲル電解質(マトリックスポリマー、リチウム塩、および可塑剤を含む)から構成されるゲル電解質層とに分類される。
バイポーラ電池10においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁層31が設けられる。この絶縁層31は、電池内で隣り合う集電体11どうしが接触したり、電池要素21における単電池層19の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質のバイポーラ電池10が提供されうる。
バイポーラ電池10においては、電池外部に電流を取出す目的で、タブ(正極タブ25および負極タブ27)が最外層集電体(11a、11b)に接続される。具体的には、正極タブ25が正極用最外層集電体11aに接続され、負極タブ27が負極用最外層集電体11bに接続される。
バイポーラ電池10においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素21は、好ましくはラミネートシート29などの外装内に収容される。外装の形態は特に制限されず、従来公知の形態が採用されうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
続いて、本実施形態のバイポーラ電池の製造方法の好ましい形態について説明するが、下記の形態のみには制限されない。
本工程においては、無機微粒子を含有するガス拡散層を挟持するように、バイポーラ電極と固体電解質層とを交互に積層して、電池要素を作製する。一例を挙げると、3枚のバイポーラ電極(うち2枚は最外層のバイポーラ電極)と2枚の固体電解質層とから、2個の単電池を有する電池要素を作製するには、例えば、最外層のバイポーラ電極(正極側最外層集電体/正極活物質層)/ガス拡散層/固体電解質層/ガス拡散層/バイポーラ電極(負極活物質層/集電体/正極活物質層)/ガス拡散層/固体電解質層/ガス拡散層/最外層のバイポーラ電極(負極活物質層/負極側最外層集電体)の順に積層すればよい。
本工程においては、上記の[電池要素作製工程]において作製した電池要素を充電する。
本工程においては、上記の[充電工程]中に電池要素において発生したガスを、前記電池要素の外部に抜く。
本工程においては、電池要素の積層方向に前記電池要素をホットプレスして、前記ガス拡散層を前記活物質層および/または前記固体電解質層と接着させる。これにより、ガス拡散層が配置されていた、固体電解質層と活物質層との界面に、無機微粒子を含有する接着層が形成される。
第2実施形態では、上記の第1実施形態のバイポーラ電池を複数個、並列および/または直列に接続して、組電池を構成する。
第3実施形態では、上記の第1実施形態のバイポーラ電池10、または第2実施形態の組電池40をモータ駆動用電源として搭載して、車両を構成する。バイポーラ電池10または組電池40をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。
<電解質前駆体溶液の調製>
ゲル電解質のマトリックスポリマーとして、物理架橋性ポリマーであるVdF−HFPコポリマー(HFP含量:6質量%)を準備した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)およびγ−ブチロラクトンを4:3:3の体積比で混合した混合液に、リチウム塩であるLiPF6を1.2モル/Lの濃度で溶解させた溶液を準備した。
正極活物質であるスピネル系マンガン酸リチウム(LiMn2O4)(平均粒子径:5μm)(90質量部)、導電助剤であるアセチレンブラック(5質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(5質量部)を混合し、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加してさらに混合して、正極活物質スラリーを調製した。
ゲル電解質層用のセパレータとして、アラミド製不織布(厚さ:40μm)を準備した。このセパレータに、上記で準備した電解質前駆体溶液を所定量塗布し、浸透させ、一晩放置することによりDMCを揮発させて、ゲル電解質層を完成させた。
上記で調製した電解質前駆体溶液に、無機微粒子であるシリカ粒子(平均粒子径:0.1μm)を添加して、ガス拡散層形成用溶液を調製した。この際、シリカ粒子の添加量は、前記電解質前駆体溶液中のマトリックスポリマー100質量部に対して、40質量部であった。
上記で作製したガス拡散層を有する1枚の正極および1枚の負極を、同じく上記で作製した1枚のゲル電解質層を介して積層することにより、電池要素を作製した。この際積層は、各電極の活物質層どうしが向き合う向きに行った。
ガス拡散層形成用溶液中のシリカ粒子の添加量を、マトリックスポリマー100質量部に対して30質量%としたこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、電池を作製した。この際、得られた接着層の全量に対するシリカ微粒子の含有量を算出すると、30質量%である。
ガス拡散層形成用溶液中のシリカ粒子の添加量を、マトリックスポリマー100質量部に対して20質量%としたこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、電池を作製した。この際、得られた接着層の全量に対するシリカ微粒子の含有量を算出すると、20質量%である。
ガス拡散層形成用溶液中のシリカ粒子の添加量を、マトリックスポリマー100質量部に対して10質量%としたこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、電池を作製した。この際、得られた接着層の全量に対するシリカ微粒子の含有量を算出すると、10質量%である。
電池要素の作製時に、電極の表面にガス拡散層を形成しなかったこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
上記の各実施例および比較例において得られた電池を1Cの電流で充放電し、この際の電池容量を測定した。この測定結果を下記の表1に示す。
11 集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 電池要素、
25 正極タブ、
27 負極タブ、
29 ラミネートシート、
31 絶縁層、
33 正極集電体、
35 負極集電体、
40 組電池、
50 自動車、
60 バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池、
100 接着層、
110 無機微粒子。
Claims (9)
- 正極活物質層、固体電解質層、および負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する固体電解質電池であって、
前記固体電解質層と前記正極活物質層および/または前記負極活物質層との界面の少なくとも1つに、無機微粒子を含む接着層が介在し、
前記固体電解質層が前記無機微粒子を含まないことを特徴とする、固体電解質電池。 - 正極活物質層、固体電解質層、および負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する固体電解質電池であって、
前記固体電解質層と前記正極活物質層および/または前記負極活物質層との界面の少なくとも1つに、無機微粒子を含む接着層が介在し、
前記固体電解質層と前記接着層とが一体化しており、前記接着層に含まれる前記無機微粒子の含有量が接着層の全量に対して1〜30質量%であることを特徴とする、固体電解質電池。 - 前記無機微粒子を構成する材料が、シリカ、アルミナ、リチウムアルミネート、ゼオライトからなる群から選択される、請求項1または2に記載の固体電解質電池。
- 前記接着層の厚さが、前記接着層に隣接する前記固体電解質層の厚さを100%とした場合に0.5〜20%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質電池。
- バイポーラ型リチウムイオン二次電池である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質電池。
- 正極活物質層、固体電解質層、および負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有し、前記固体電解質層と前記正極活物質層および/または前記負極活物質層との界面の少なくとも1つに、無機微粒子を含む接着層が介在することを特徴とする固体電解質電池の製造方法であって、
前記正極活物質層および/または前記負極活物質層の表面に、無機微粒子およびマトリックスポリマーを含む溶液を塗布し、乾燥させて塗膜を形成する工程と、
前記正極活物質層、前記固体電解質層、および前記負極活物質層を、この順に、前記塗膜が前記固体電解質層と向き合うように積層して、電池要素を作製する工程と、
前記電池要素の積層方向に前記電池要素をホットプレスして、前記塗膜を前記正極活物質層、前記負極活物質層および/または前記固体電解質層と一体化させるホットプレス工程と、
を有する、製造方法。 - 前記マトリックスポリマーが物理架橋性ポリマーを含む、請求項6に記載の製造方法。
- 前記物理架橋性ポリマーがフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーである、請求項7に記載の製造方法。
- 前記溶液が電解質をさらに含む、請求項6〜8のいずれか1項に記載の製造方法。
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