JP5609773B2 - 固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の固体二次電池の製造方法について、工程ごとに説明する。
本発明における電池作製工程は、正極活物質層、負極活物質層、並びに、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を有する初期状態の固体二次電池を作製する工程である。
本発明における正極活物質層は、少なくとも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、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。正極活物質の種類は、固体二次電池の種類に応じて適宜選択され、例えば酸化物活物質、硫化物活物質等を挙げることができる。リチウム固体二次電池に用いられる正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiVO2、LiCrO2等の層状正極活物質、LiMn2O4、Li(Ni0.25Mn0.75)2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8等のスピネル型正極活物質、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFePO4等のオリビン型正極活物質、Li3V2P3O12等のNASICON型正極活物質等を挙げることができる。
本発明における負極活物質層は、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、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。負極活物質の種類は、金属イオンを吸蔵放出できるものであれば特に限定されるものではない。負極活物質としては、例えば、カーボン活物質、酸化物活物質および金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質としては、炭素を含有するものであれば特に限定されるものではないが、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。酸化物活物質としては、例えばNb2O5、Li4Ti5O12、SiO等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。また、負極活物質として、Li含有金属活物質を用いても良い。Li含有金属活物質としては、少なくともLiを含有する活物質であれば特に限定されるものではなく、Li金属であっても良く、Li合金であっても良い。Li合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。
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。固体電解質材料としては、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料等の無機固体電解質材料を挙げることができる。硫化物固体電解質材料は、酸化物固体電解質材料に比べて、イオン伝導性が高い点で好ましく、酸化物固体電解質材料は、硫化物固体電解質材料に比べて、化学的安定性が高い点で好ましい。また、本発明における固体電解質材料は、ハロゲンを含有する無機固体電解質材料であっても良い。
本発明における固体二次電池は、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さらに有していても良い。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る。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る。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な固体二次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。
本発明における固体二次電池としては、例えば、リチウム固体二次電池、ナトリウム固体二次電池、カリウム固体二次電池、マグネシウム固体二次電池、カルシウム固体二次電池等を挙げることができ、中でも、リチウム固体二次電池が好ましい。また、本発明における固体二次電池は、繰り返し充放電できるため、例えば車載用電池として有用である。固体二次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、本発明における過放電処理工程について説明する。本発明における過放電処理工程は、上記初期状態の固体二次電池を放電する工程である。
(硫化物固体電解質材料の合成)
出発原料として、硫化リチウム(Li2S、日本化学工業社製)および五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ社製)を用いた。次に、Ar雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、Li2SおよびP2S5を、75Li2S・25P2S5のモル比(Li3PS4、オルト組成)となるように秤量した。この混合物2gを、メノウ乳鉢で5分間混合した。その後、得られた混合物2gを、遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下)4gを投入し、さらにZrO2ボール(φ=5mm)53gを投入し、容器を完全に密閉した(Ar雰囲気)。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、40時間メカニカルミリングを行った。その後、得られた試料を、ホットプレート上でヘプタンを除去するように乾燥させ、硫化物固体電解質材料(75Li2S・25P2S5ガラス)を得た。
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(正極活物質、日亜化学社製)を12.03mg、VGCF(気相成長炭素繊維、導電化材、昭和電工社製)を0.51mg、上記の硫化物固体電解質材料を5.03mg秤量し、これらを混合することで正極合材を得た。また、グラファイト(負極活物質、三菱化学社製)を9.06mg、上記の硫化物固体電解質材料を8.24mg秤量し、これらを混合することで負極合材を得た。
得られた初期状態の固体二次電池に対して、1.5mAで0VまでCC放電し、0Vで10時間CV放電を行った。その後、開回路電圧が0.5V以下であることを確認して、充放電を行わずに25℃で24時間保持した。これにより、固体二次電池を得た。
実施例1−1と同様に得られた初期状態の固体二次電池に対して、外部短絡を行い、開回路電圧を0Vにして10時間保持し、その後、開回路電圧が0.5V以下であることを確認して、充放電を行わずに25℃で24時間保持した。これにより、固体二次電池を得た。
実施例1−1と同様に得られた初期状態の固体二次電池(作製後4時間経過した電池)に対して、0.3mAで4.2VまでCC充電した。
(初期抵抗の測定)
実施例1−1、1−2で得られた固体二次電池に対して、0.3mAで4.2VまでCC充電し、その後、0.3mAで2.5VまでCC放電を行った。次に、3.6Vに充電して電圧を調整し、インピーダンスアナライザ(ソーラトロン社製)でインピーダンス解析を行い、初期抵抗を求めた。一方、比較例1で得られた固体二次電池に対しては、最初のCC充電を省略したこと以外は上記と同様にして初期抵抗を求めた。その結果を図4に示す。図4に示すように、実施例1−1、1−2は、比較例1に比べて抵抗が小さいことが確認された。
実施例1−1で得られた硫化物固体電解質材料18mgを、1cm2の金型に添加し、1ton/cm2の圧力でプレスすることにより、固体電解質層を形成した。得られた固体電解質層の一方の表面側に、実施例1−1で得られた負極合材を17.3mg添加し、1ton/cm2の圧力でプレスすることにより、負極活物質層を形成した。次に、固体電解質層の他方の表面側に、実施例1−1で得られた正極合材を17.57mg添加し、140℃、2ton/cm2、15分間の条件で外部短絡させながらプレスすることにより、発電要素を得た。得られた発電要素に、正極集電体として厚さ15μmのAl箔(日本製箔社製)、負極集電体として厚さ10μmのCu箔(日本製箔社製)を配置し、固体二次電池を得た。得られた固体二次電池の開回路電圧は0.034Vであった。
プレスの温度を140℃から80℃に変更したこと以外は、実施例2−1と同様にして固体二次電池を得た。得られた固体二次電池の開回路電圧は0.038Vであった。
プレスの温度を140℃から25℃に変更し、かつ、外部短絡させないこと以外は、実施例2−1と同様にして固体二次電池を得た。得られた固体二次電池の開回路電圧は1.084Vであった。
外部短絡させないこと以外は、実施例2−1と同様にして固体二次電池を得た。得られた固体二次電池の開回路電圧は0.65Vであった。
(初期抵抗の測定)
実施例2−1、2−2、比較例2−1、2−2で得られた固体二次電池に対して、0.3mAで4.2VまでCC充電し、その後、0.3mAで2.5VまでCC放電を行った。次に、3.6Vに充電して電圧を調整し、インピーダンスアナライザ(ソーラトロン社製)でインピーダンス解析を行い、初期抵抗を求めた。その結果を図5に示す。図5に示すように、実施例2−1、2−2は、比較例2−1、2−2に比べて抵抗が小さいことが確認された。
実施例2−1および比較例2−1で得られた固体二次電池の充電曲線を図6に示す。図6に示されるように、140℃で外部短絡させながら熱プレスした実施例2−1では、初期の充電時に2V付近でプラトーが確認され、25℃で外部短絡させずにプレスした比較例2−2では、上記プラトーは確認されなかった。そのため、実施例2−1では、2V付近で正極活物質層に酸化反応が生じていることが示唆された。また、実施例2−1では、上記のように開回路電圧が0.034Vになっていることから、外部短絡させながら熱プレスすることで、活物質層内の活物質/固体電解質材料界面で生成している高抵抗な皮膜が除去された可能性が考えられる。
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
10 … 固体二次電池
11 … プレス機
12 … 外部短絡部
Claims (6)
- 正極活物質層、負極活物質層、並びに、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を有する、初期状態のリチウム固体二次電池を作製する電池作製工程と、
前記初期状態のリチウム固体二次電池を放電する過放電処理工程と、
を有し、
前記正極活物質層が、酸化物活物質を含有し、
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つが、硫化物固体電解質材料を含有し、
前記酸化物活物質および前記硫化物固体電解質材料が接触し、
前記過放電処理工程において、電池電圧を0.8V以下まで放電することを特徴とするリチウム固体二次電池の製造方法。 - 前記過放電処理工程で、放電装置または外部短絡により前記初期状態のリチウム固体二次電池を放電することを特徴とする請求項1に記載のリチウム固体二次電池の製造方法。
- 前記過放電処理工程で、前記初期状態のリチウム固体二次電池を加熱処理することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム固体二次電池の製造方法。
- 前記電池作製工程におけるプレス処理と、前記過放電処理工程とを同時に行う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リチウム固体二次電池の製造方法。
- 前記過放電処理工程で、所定の電圧まで放電する過放電処理と、前記電圧に維持する電圧維持処理と、を行うことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載のリチウム固体二次電池の製造方法。
- 前記過放電処理工程後に、充放電しない状態で前記リチウム固体二次電池を保持する保持工程を有することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかの請求項に記載のリチウム固体二次電池の製造方法。
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