JP5455766B2 - 複合正極活物質、全固体電池、および、それらの製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明の複合正極活物質について説明する。本発明の複合正極活物質は、遷移金属を含有する正極活物質と、上記正極活物質の表面を被覆するように形成され、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部、および、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部とを有する複合正極活物質であって、上記反応抑制部と接触する上記正極活物質の表面に、上記遷移金属と、上記ポリアニオン構造含有化合物との反応により自己形成された遷移金属還元層の厚さが10nm以下であることを特徴とするものである。
以下、本発明の複合正極活物質について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における正極活物質について説明する。本発明における正極活物質は、遷移金属を含有するものであり、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。例えば、本発明の複合正極活物質が全固体リチウム二次電池に用いられる場合、正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出する。また、本発明における正極活物質は、通常、後述する固体電解質材料(高抵抗層形成固体電解質材料)と反応し高抵抗層を形成するものである。
次に、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、上記正極活物質の表面を被覆するように形成され、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部、および、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなるものである。反応抑制部は、電池使用時に生じる、正極活物質と、高抵抗層形成固体電解質材料との反応を抑制する機能を有する。反応抑制部を構成するポリアニオン構造含有化合物は、従来のニオブ酸化物(例えば、LiNbO3)と比較して、電気化学的安定性が高いため、界面抵抗の経時的な増加を抑制することができる。
次に、本発明における遷移金属還元層について説明する。本発明における遷移金属還元層は、上記正極活物質および上記反応抑制部の界面に、上記遷移金属と、上記ポリアニオン構造含有化合物との反応により自己形成されるものである。正極活物質の表面を被覆するように反応抑制部を形成する際の熱処理により、正極活物質表面の遷移金属および反応抑制部のポリアニオン構造部が高温下で反応し、正極活物質内部(バルク)の遷移金属の価数と比較して、正極活物質表面の遷移金属の価数が低下する。本発明においては、このような正極活物質表面の遷移金属の価数が低下した領域を遷移金属還元層とする。本発明における遷移金属還元層の厚さは、10nm以下であるが、中でも、5nm以下であることが好ましく、1nm以下であることがより好ましい。特に、遷移金属還元層が形成されていないことが好ましい。遷移金属還元層の厚さが大きすぎると、反応抑制部と正極活物質との界面抵抗が高くなるからである。
本発明の複合正極活物質の製造方法としては、上述した複合正極活物質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く、例えば、後述の「C.複合正極活物質の製造方法」に記載する方法等を挙げることができる。
また、本発明の複合正極活物質は、例えば、全固体電池の正極活物質として用いることが好ましい。正極活物質と固体電解質材料との界面抵抗を低減することができ、かつ、正極活物質と固体電解質材料との界面抵抗の経時的な増加を抑制することができるからである。これにより、出力特性および耐久性に優れた全固体電池を得ることができる。
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、正極活物質層と、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全固体電池であって、上記正極活物質層が、上述した複合正極活物質を含有し、上記複合正極活物質が、上記正極活物質と反応し高抵抗層を形成する高抵抗層形成固体電解質材料と接触してい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、少なくとも上述した複合正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。特に本発明においては、正極活物質層に含まれる固体電解質材料が、高抵抗層形成固体電解質材料であることが好ましい。正極活物質層のイオン伝導性を向上させることができるからである。
本発明に用いられる複合正極活物質については、上記「A.複合正極活物質」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
正極活物質層における複合正極活物質の含有量は、例えば、10質量%〜99質量%の範囲内であることが好ましく、20質量%〜90質量%の範囲内であることがより好ましい。
本発明においては、正極活物質層が、高抵抗層形成固体電解質材料を含有することが好ましい。正極活物質層のイオン伝導性を向上させることができるからである。また、本発明に用いられる高抵抗層形成固体電解質材料は、通常、上述した正極活物質と反応し高抵抗層を形成するものである。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。
本発明における正極活物質層は、さらに導電化材を含有していても良い。導電化材の添加により、正極活物質層の導電性を向上させることができる。導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1質量%〜20質量%の範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の種類によって異なるものであるが、例えば、1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。
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、少なくとも固体電解質材料を含有する層である。上述したように、正極活物質層が、高抵抗層形成固体電解質材料を含有する場合、固体電解質層に用いられる固体電解質材料は、特に限定されるものではなく、高抵抗層形成固体電解質材料であっても良く、それ以外の固体電解質材料であっても良い。一方、正極活物質層が、高抵抗層形成固体電解質材料を含有しない場合、通常、固体電解質層は、高抵抗層形成固体電解質材料を含有する。特に、本発明においては、正極活物質層および固体電解質層の両方が、高抵抗層形成固体電解質材料を含有することが好ましい。本発明の効果を充分に発揮することができるからである。また、固体電解質層に用いられる固体電解質材料は、高抵抗層形成固体電解質材料のみであることが好ましい。
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、1μm〜200μm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、負極活物質層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。
本発明においては、上述した複合正極活物質を用いることにより、正極活物質と固体電解質材料との界面に電気化学的安定性の高いポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部を有するため、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および全固体ナトリウム電池が好ましく、特に、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、中でも、角型およびラミネート型が好ましく、特にラミネート型が好ましい。
次に、本発明の複合正極活物質の製造方法について説明する。本発明の複合正極活物質の製造方法は、遷移金属を含有する正極活物質と、上記正極活物質の表面を被覆するように形成され、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部、および、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部とを有する複合正極活物質の製造方法であって、上記カチオン部を有する加水分解性金属化合物と、上記ポリアニオン構造部を有する化合物とを含有する反応抑制部形成用塗工液を調製する調製工程と、上記正極活物質の表面を上記反応抑制部形成用塗工液で被覆する被覆工程と、上記反応抑制部形成用塗工液で表面を被覆された上記正極活物質を300℃以下の温度で熱処理し、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、本発明の複合正極活物質の製造方法について、工程ごとに説明する。
まず、本発明における調製工程について説明する。本発明における調製工程は、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部を有する加水分解性金属化合物と、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有する化合物または反応によりポリアニオン構造部を生成する化合物とを含有する反応抑制部形成用塗工液を調製する工程である。本工程により調製される反応抑制部形成用塗工液は、含有する上記化合物の加水分解および重縮合反応によりゾル状態となり、さらに重縮合反応および凝集が進むことでゲル状態となるものである。なお、上記カチオン部および上記ポリアニオン構造部については、上記「A.複合正極活物質」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
また、反応抑制部形成用塗工液に含まれる上記カチオン部を有する加水分解性金属化合物の濃度は、目的とする複合正極活物質に応じて適宜選択される。
リン酸トリエチル、リン酸トリメチル等を挙げることができる。また、上記ポリアニオン構造部がSiO4 4−の場合、上記ポリアニオン構造部を有する化合物としては、例えば、シランアルコキシド等を挙げることができる。シランアルコキシドとしては、例えば、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等を挙げることができる。
また、反応抑制部形成用塗工液に含まれる上記ポリアニオン構造部を有する化合物の濃度は、目的とする複合正極活物質に応じて適宜選択される。
次に、本発明における被覆工程について説明する。本発明における被覆工程は、遷移金属を含有する正極活物質の表面を反応抑制部形成用塗工液で被覆する工程である。上述したように、上記調製工程で調製された反応抑制部形成用塗工液は、ゾル状態を経て、ゲル状態となるものであり、本工程においては、ゲル状の反応抑制部形成用塗工液を上記正極活物質の表面に塗布して被覆する。なお、遷移金属を含有する正極活物質については、上記「A.複合正極活物質」に記載した内容と同様のものを用いることができるので、ここでの説明は省略する。
また、本工程においては、上記正極活物質の表面を反応抑制部形成用塗工液で被覆するが、正極活物質のより多くの面積を被覆していることが好ましく、正極活物質の表面の全てを被覆していることがより好ましい。本発明の効果をより発揮することができるからである。具体的には、正極活物質の表面を被覆する反応抑制部形成用塗工液の被覆率は、例えば、20%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。
次に、本発明における熱処理工程について説明する。本発明における熱処理工程は、上記反応抑制部形成用塗工液で表面を被覆された上記正極活物質を300℃以下の温度で熱処理し、上記正極活物質の表面を被覆するように形成され、上記カチオン部、および、上記ポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部を形成する工程である。本工程においては、熱処理を行うことにより、上記被覆工程で被覆されたゲル状の反応抑制部形成用塗工液の内部に残存する溶媒を除去し、緻密化を促進することで正極活物質の表面を被覆する薄膜(反応抑制部)を作製する。
本発明においては、上述した工程を経ることで、ゾルゲル法により反応抑制部が正極活物質の表面を被覆するように形成された複合正極活物質を得ることができる。ゾルゲル法は溶液系の前駆体を用いる湿式法であるため、容易に正極活物質表面のより多くの面積を被覆するように反応抑制部を形成することができる。また、ゾルゲル法は化学的な方法であるため、メカニカルミリング法等の機械的な物理力により被覆する方法と比較して、正極活物質と反応抑制部との結合が強く、正極活物質の表面を被覆するように形成された反応抑制部が剥離されにくい複合正極活物質を得ることができる。
次に、本発明の全固体電池の製造方法について説明する。本発明の全固体電池の製造方法は、正極活物質層と、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全固体電池の製造方法であって、上述した複合正極活物質の製造方法により製造された複合正極活物質を含有する組成物を用いて上記正極活物質層を形成する正極活物質層形成工程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の製造方法について、工程ごとに説明する。
まず、本発明における正極活物質層形成工程について説明する。本発明における正極活物質層形成工程は、上述した複合正極活物質の製造方法により製造された複合正極活物質を含有する組成物を用いて正極活物質層を形成する工程である。
本発明においては、上述した工程の他に、通常、固体電解質材料を含有する組成物を用いて固体電解質層を形成する固体電解質層形成工程を行う。固体電解質層を形成する方法としては、例えば、プレス法等を挙げることができる。また、上記組成物は、少なくとも固体電解質材料を含有するものであれば良いが、中でも、固体電解質材料のみを含有することが好ましい。なお、固体電解質材料および固体電解質層の厚さ等については、上記「B.全固体電池」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
本発明においては、上述した工程の他に、通常、負極活物質を含有する組成物を用いて負極活物質層を形成する負極活物質層形成工程を行う。負極活物質層を形成する方法としては、例えば、プレス法等を挙げることができる。また、上記組成物は、負極活物質を含有するものであり、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さらに含有していても良い。なお、負極活物質、固体電解質材料、導電化材および負極活物質層の厚さ等については、上記「B.全固体電池」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
本発明においては、上述した工程の他に、正極活物質層の表面上に正極集電体を配置する工程、負極活物質層の表面上に負極集電体を配置する工程、発電要素を電池ケースに収納する工程等を有していても良い。なお、正極集電体、負極集電体および電池ケース等については、上記「B.全固体電池」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
(複合正極活物質の作製)
まず、エタノール中で、リチウムエトキシド、リン酸トリエチルおよびテトラエトキシシランを、モル比でLi:P:Si=7:1:1となるように混合し、反応抑制部形成用塗工液を調製した。次に、転動流動層を用いたコート装置にて、この反応抑制部形成用塗工液を正極活物質(LiCoO2)上に、厚さが10nmとなるように塗布し、温風で乾燥させた。続いて、上記反応抑制部形成用塗工液を塗布されたLiCoO2の粉末を大気中にて300℃で5時間熱処理することで、厚さが10nmで、被覆率が50%のLi3PO4−Li4SiO4からなる反応抑制部を形成した。これにより、上記反応抑制部で表面を被覆したLiCoO2からなる複合正極活物質を得た。
まず、特開2005−228570号公報に記載された方法と同様の方法で、Li7P3S11(架橋硫黄を有する固体電解質材料)を得た。なお、Li7P3S11は、PS3−S−PS3構造と、PS4構造とを有する固体電解質材料である。次に、プレス機を用いて、上述した図2に示すような発電要素10を作製した。正極活物質層11として上記の複合正極活物質およびLi7P3S11を、重量比で7:3となるように混合した正極合材を用い、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。この発電要素を用いて、全固体リチウム二次電池を得た。
複合正極活物質を作製する際に、熱処理温度を200℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム二次電池を得た。
複合正極活物質を作製する際に、熱処理温度を400℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム二次電池を得た。
複合正極活物質の作製を下記のように行ったこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム二次電池を得た。
(複合正極活物質の作製)
まず、市販のLi3PO4およびLi4SiO4を、モル比1:1の割合で混合し、プレスすることにより、ペレットを作製した。このペレットをターゲットとし、PLD法にて、正極活物質(LiCoO2)上に、厚さが20nmで、被覆率が50%のLi3PO4−Li4SiO4からなる反応抑制部を形成した。これにより、上記反応抑制部で表面を被覆したLiCoO2からなる複合正極活物質を得た。
複合正極活物質を作製する際に、熱処理温度を350℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム二次電池を得た。
実施例1および比較例1、2で得られた複合正極活物質の断面をTEM−EELSで分析し、Li3PO4−Li4SiO4と接しているLiCoO2表面近傍のCo価数を求めた。その結果を図4に示す。なお、図4においては、Co価数が低いほど、縦軸の値が大きくなる。
実施例1、2および比較例1〜3で得られた全固体リチウム二次電池を用いて、界面抵抗の測定を行った。まず、全固体リチウム二次電池の充電を行った。充電は、3.34Vでの定電圧充電を12時間行った。充電後、インピーダンス測定により、正極活物質層および固体電解質層の界面抵抗を求めた。インピーダンス測定の条件は、電圧振幅10mV、測定周波数1MHz〜0.1Hz、25℃とした。その結果を表2に示す。また、比較例2以外の結果を図5に示す。
2 … 正極活物質
3 … 反応抑制部
4 … 遷移金属還元層
5 … 高抵抗層形成固体電解質材料
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 (9)
- 遷移金属を含有する正極活物質と、前記正極活物質の表面を被覆するように形成され、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部、および、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部とを有する全固体電池用の複合正極活物質であって、
前記反応抑制部と接触する前記正極活物質の表面に、前記遷移金属と、前記ポリアニオン構造含有化合物との反応により自己形成された遷移金属還元層の厚さが10nm以下であり、前記正極活物質に対する前記反応抑制部の被覆率が50%以上であり、前記ポリアニオン構造部は、PO 4 3− 、SiO 4 4− 、GeO 4 4− およびBO 3 3− の少なくとも一つであることを特徴とする全固体電池用の複合正極活物質。 - 前記正極活物質が、酸化物正極活物質であることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池用の複合正極活物質。
- 前記カチオン部が、Li+であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の全固体電池用の複合正極活物質。
- 前記ポリアニオン構造部が、PO4 3−またはSiO4 4−であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の全固体電池用の複合正極活物質。
- 正極活物質層と、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全固体電池であって、
前記正極活物質層が、請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の全固体電池用の複合正極活物質を含有し、前記複合正極活物質が、前記正極活物質と反応し高抵抗層を形成する高抵抗層形成固体電解質材料と接触していることを特徴とする全固体電池。 - 前記高抵抗層形成固体電解質材料が、架橋カルコゲンを有することを特徴とする請求項5に記載の全固体電池。
- 前記架橋カルコゲンが、架橋硫黄または架橋酸素であることを特徴とする請求項6に記載の全固体電池。
- 遷移金属を含有する正極活物質と、前記正極活物質の表面を被覆するように形成され、伝導イオンとなる金属元素から構成されるカチオン部、および、複数の酸素元素と共有結合した中心元素から構成されるポリアニオン構造部を有するポリアニオン構造含有化合物からなる反応抑制部とを有する全固体電池用の複合正極活物質の製造方法であって、
前記カチオン部を有する加水分解性金属化合物と、前記ポリアニオン構造部を有する化合物とを含有する反応抑制部形成用塗工液を調製する調製工程と、
前記正極活物質の表面を前記反応抑制部形成用塗工液で被覆する被覆工程と、
前記反応抑制部形成用塗工液で表面を被覆された前記正極活物質を300℃以下の温度で熱処理し、前記反応抑制部を形成する熱処理工程と
を有し、
前記正極活物質に対する前記反応抑制部の被覆率が50%以上であり、前記ポリアニオン構造部は、PO 4 3− 、SiO 4 4− 、GeO 4 4− およびBO 3 3− の少なくとも一つであることを特徴とする全固体電池用の複合正極活物質の製造方法。 - 正極活物質層と、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全固体電池の製造方法であって、
請求項8に記載の全固体電池用の複合正極活物質の製造方法により製造された複合正極活物質を含有する組成物を用いて前記正極活物質層を形成する正極活物質層形成工程を有することを特徴とする全固体電池の製造方法。
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