JP5679748B2 - 全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Description
負極活物質および固体電解質からなる負極合材に、または負極活物質からなる負極材に固体電解質を積層した後、加圧成形して負極部材を得る工程と、
両固体電解質同士間に粉末材料の固体電解質を配置して未成形の固体電解質層を得る工程と、
上記各工程で得られた正極部材および負極部材の各固体電解質と、上記未成形の固体電解質層とをそれぞれ合わせて加圧成形する工程とを具備する方法である。
なお、本実施の形態1においては、全固体電池がリチウムイオン二次電池である場合、つまり全固体リチウムイオン二次電池である場合について説明する。
この全固体リチウムイオン二次電池は、正極層1と負極層2との間に無機固体電解質であるリチウムイオン伝導性固体電解質よりなる固体電解質層3が配置(積層)され、正極層1の固体電解質層3とは反対側の表面に正極集電体4が、また負極層2の固体電解質層3とは反対側の表面に負極集電体5がそれぞれ配置(積層)されたものである。
以下において、図2に示すように、正極活物質とリチウムイオン伝導性固体電解質との混合物を正極合材12と、この正極合材12にリチウムイオン伝導性固体電解質(層)13を積層したものを正極部材14と、この正極部材14を正極集電体11の表面に配置したものを正極側部材15とそれぞれ称し、また負極活物質とリチウムイオン伝導性固体電解質との混合物を負極合材22と、この負極合材22にリチウムイオン伝導性固体電解質(層)23を積層したものを負極部材24と、この負極部材24を負極集電体21の表面に配置したものを負極側部材25とそれぞれ称して説明する。
この製造方法は、正極活物質および固体電解質からなる正極合材12に(または正極活物質からなる正極材に)固体電解質13を積層した後、加圧成形して正極部材14を得る工程と、負極活物質および固体電解質からなる負極合材22に(または負極活物質からなる負極材に)固体電解質23を積層した後、加圧成形して負極部材24を得る工程と、上記各工程で得られた正極部材14と負極部材24とを、それぞれの固体電解質13,23同士を合わせて加圧成形する工程と、さらに上記正極部材14を正極集電体11に積層して正極側部材15を得る工程および上記負極部材24を負極集電体21に積層して負極側部材25を得る工程を具備したものである。
正極集電体11としては、14mm角のポーラス状のアルミニウム箔が用いられ、正極活物質としては、120℃の恒温槽で真空乾燥されたLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(平均粒径6μmの粉末)が用いられるとともに、リチウムイオン伝導性固体電解質としては、例えばLi2S(80mol%)−P2S5(20mol%)の混合粉末材料が用いられる。これら正極活物質とリチウムイオン伝導性固体電解質とは、所定の重量比で、例えば7対3の割合で混合される。
そして、図3および図4に示すように、この固体電解質の混合粉末材料を、正極合材12の上に10mm角、負極合材の上に12mm角のサイズでそれぞれ乾式にて製膜し、単動プレスにより30MPaの圧力で加圧成形して厚さが約15μmの固体電解質(層)13,23を得た。
正極層および負極層を得る際に、電極活物質および固体電解質からなる電極合材に、または電極活物質からなる電極材に、固体電解質を積層して加圧成形することにより電極部材を得た後、これら両電極部材同士を合わせて、再度、加圧成形するようにしたので、両電極同士の短絡を防止し得るとともに、固体電解質層の薄膜化および大型化並びに高性能化および高容量化を図ることができる。すなわち、充放電特性(電池性能)に優れた全固体電池が得られる。なお、両極同士の短絡防止についてもう少し具体的に説明すると、予め電極材と固体電解質とを加圧成形することで、固体電解質の表面(貼り合わせ面)が平坦(凹凸が少ない)になり、電極材粒子が固体電解質を突き抜けることによる短絡を防止し得る。
すなわち、この製造方法は、正極層(正極合材または正極材)と負極層(負極合材または負極材)との間に固体電解質層が配置されてなる積層体の両表面に、集電体がそれぞれ配置されてなる全固体電池の製造方法において、
正極活物質および固体電解質からなる正極合材に、または正極活物質からなる正極材に固体電解質を積層した後、加圧成形して正極部材を得る工程と、
負極活物質および固体電解質からなる負極合材に、または負極活物質からなる負極材に固体電解質を積層した後、加圧成形して負極部材を得る工程と、
上記各工程で得られた正極部材と負極部材とを、それぞれの固体電解質同士を合わせて加圧成形する工程とにより、上記積層体を製造する方法である。
上記実施の形態1においては、正極合材および負極合材に、それぞれ固体電解質層を形成し、そしてそれぞれの固体電解質層が互いに接触するように貼り合わせて形成したのに対し、本実施の形態2においては、正極部材と負極部材との間に、さらにリチウムイオン伝導性の固体電解質(層)を配置したものである。製造方法としては、正極部材と負極部材とを、それぞれの固体電解質同士を合わせて加圧成形する際に、これら両固体電解質同士間にさらに固体電解質を配置する方法である。
この製造方法は、正極活物質および固体電解質からなる正極合材に(または正極活物質からなる正極材に)固体電解質を積層した後、加圧成形して正極部材を得る工程と、負極活物質および固体電解質からなる負極合材に(または負極活物質からなる負極材に)固体電解質を積層した後、加圧成形して負極部材を得る工程と、上記正極部材(または正極材)を正極集電体に積層して正極側部材を得る工程と、上記負極部材(または負極材)を負極集電体に積層して負極側部材を得る工程と、上記各工程で得られた正極側部材(正極部材であってもよい)または負極側部材(負極部材であってもよい)のいずれかの表面(固体電解質の表面である)に固体電解質を配置して未成形の固体電解質層を得る工程と、この未成形固体電解質層が形成された一方の極側部材と他方の極側部材とを且つ固体電解質同士が接するように合わせて加圧成形する工程とを具備した方法である。
すなわち、正極部材と負極部材との間に固体電解質を配置したので、正極部材または負極部材に接する固体電解質層同士の密着性が向上するため、イオン伝導性が高くなる。
ところで、上記各実施の形態においては、ポーラス状のアルミニウム箔を用いて電子伝導性の向上を図ったが、例えば材料として、軟らかい金属を用いて電極材を集電体に食い込ませることにより、密着性の向上、すなわち電子伝導性の向上を図るようにしてもよい。
また、上記各実施の形態においては、正極合材および負極合材を、それぞれの電極活物質と固体電解質とを混合させることにより構成したが、電極活物質の固体電解質に対する混合比率を、集電体からの距離に応じて(つまり、構成材料の厚み方向に応じて)、連続的にまたは段階的に減少させるようにしてもよい。具体的に言えば、集電体に近い部分ほど電極活物質が多くなるように混合比率が傾斜(傾斜配分)される。なお、この混合比率を変化させるのは、正極合材または負極合材のいずれかであってもよい。
12 正極合材
13 固体電解質(層)
14 正極部材
15 正極側部材
21 負極集電体
22 負極合材
23 固体電解質(層)
24 負極部材
25 負極側部材
31 絶縁フィルム
41 未成形固体電解質層
Claims (4)
- 正極活物質および固体電解質からなる正極合材に、または正極活物質からなる正極材に固体電解質を積層した後、加圧成形して正極部材を得る工程と、
負極活物質および固体電解質からなる負極合材に、または負極活物質からなる負極材に固体電解質を積層した後、加圧成形して負極部材を得る工程と、
両固体電解質同士間に粉末材料の固体電解質を配置して未成形の固体電解質層を得る工程と、
上記各工程で得られた正極部材および負極部材の各固体電解質と、上記未成形の固体電解質層とをそれぞれ合わせて加圧成形する工程とを具備することを特徴とする全固体電池の製造方法。 - 正極部材および負極部材をそれぞれ加圧成形する際の圧力を、正極部材と負極部材とを合わせて加圧成形する際の圧力よりも低くすることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池の製造方法。
- 正極合材および負極合材の少なくとも一方の合材における電極活物質の固体電解質に対する混合比率を、集電体からの距離に応じて連続的に、または段階的に減少させることを特徴とする請求項1または2に記載の全固体電池の製造方法。
- 全固体電池がリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の全固体電池の製造方法。
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