JP5772747B2 - 固体電解質の保管方法及び保管装置、並びに全固体電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の第1の態様は、正極層、負極層、該正極層及び該負極層の間に配設された固体電解質層を有する全固体電池の製造方法であって、前記正極層、前記負極層、及び前記固体電解質層を作製する第1工程と、前記正極層、前記負極層、及び前記固体電解質層のうち固体電解質を含む少なくとも1つについて、該固体電解質の比表面積と、該固体電解質に接する雰囲気中の水分量と、該固体電解質が当該雰囲気に置かれた保管時間との積算値を算出し、該積算値からイオン伝導度の維持率を推定し、推定された前記イオン伝導度の維持率が所定値以下であるか否かを判定し、所定値以下と判定した場合に該固体電解質に脱水処理を施す脱水工程と、前記正極層及び前記負極層の間に前記固体電解質層を配設する積層工程と、を有する全固体電池の製造方法である。
解質に接する雰囲気中の水分量と、固体電解質が当該雰囲気に置かれた保管時間との積算
値を算出し、該積算値からイオン伝導度の維持率を推定することによって、固体電解質の脱水を適切なタイミングで行い易くなる。
固体電解質は水と反応することによって劣化し、イオン伝導度が低下する。例えば、リチウムイオン二次電池に用いられる硫化物固体電解質は水に触れることで劣化(硫化水素が発生し、リチウムイオン伝導度が低下)するため、低露点雰囲気下で扱うべきことは周知である。しかしながら、固体電解質を低露点雰囲気下で保管していた場合あっても、当該雰囲気下に長時間保管することによって固体電解質が水と徐々に反応して劣化することがあった。このように、従来、固体電解質を低露点雰囲気下で保管すべきであることは知られていたが、当該雰囲気下における保管時間をどの程度にすべきであるかということ等については具体的に検討されていなかった。また、水と反応したことによってイオン伝導度が低下した固体電解質について、そのイオン伝導度を回復させる方法についても検討されていなかった。
y=0.0061x+1.0684
R2=0.08974
この結果から、上記積算値によって伝導度維持率を推定可能であることがわかった。例えば、上記の結果からは積算値が50以下であれば、伝導度維持率は80%以上であることがわかる。
本発明の固体電解質の保管装置は、上記固体電解質の保管方法を実施できるものであれば特に限定されない。すなわち、本発明の固体電解質の保管装置は、固体電解質について、形成直後のイオン伝導度に対するイオン伝導度の維持率を算出する演算手段と、該演算手段によって算出されたイオン伝導度の維持率が所定値以下となったときに固体電解質に脱水処理を施す脱水手段と、を備えている。
本発明の全固体電池の製造方法は、正極層、負極層、該正極層及び該負極層の間に配設された固体電解質層を有する全固体電池の製造方法であって、正極層、負極層、及び固体電解質層を作製する第1工程と、正極層、負極層、及び固体電解質層のうち固体電解質を含む少なくとも一つについて、該固体電解質の形成直後のイオン伝導度に対するイオン伝導度の維持率を算出する演算工程と、演算工程で算出されたイオン伝導度の維持率が所定値A以下となる前に、固体電解質層を正極層及び負極層の間に配設して密封する工程と、を有する方法である。
LiI−Li2S−P2S5−Li2O系硫化物固体電解質500mgをアルミニウム皿に秤量し、−30℃露点下で所定時間暴露した後、100℃で1時間加熱処理を施した。この加熱処理前後における固体電解質の吸水量(増加重量)とイオン伝導に対する抵抗の増加割合の関係を図5に示した。図5に示したグラフの横軸は、吸水量[wt%]={(固体電解質の暴露後の重量−固体電解質の暴露前の重量)/固体電解質の暴露前の重量}×100である。図5に示したグラフの縦軸は、固体電解質の暴露前に対する暴露後のイオン伝導の抵抗比=固体電解質の暴露後のイオン伝導の抵抗/固体電解質の暴露前のイオン伝導の抵抗である。図5に示したように、固体電解質に付着した水分は加熱によって脱水され、脱水された固体電解質のイオン伝導度が回復することがわかった。
LiI−Li2S−P2S5−Li2O系硫化物固体電解質500mgをアルミニウム皿に秤量し、−30℃露点下で4時間暴露した後、加熱温度を徐々に上げつつ、加熱処理を施した。この加熱処理における加熱温度と加熱処理後の脱水量(脱水分率(%))と関係を図6に示した。図6に示したグラフの横軸は加熱温度(℃)、縦軸は脱水分率(%)={(計測時の重量−固体電解質の加熱前の重量)/固体電解質の加熱前の重量}×100である。図6に示したように、固体電解質からの脱水量は加熱温度が高い程多くなることがわかった。
LiI−Li2S−P2S5−Li2O系硫化物固体電解質500mgをアルミニウム皿に秤量し、これを−30℃露点下で所定の時間暴露した。この暴露前後における結晶化温度を示差熱分析で調べた。具体的には、暴露前、及び、暴露時間が10分、30分、1時間、1.5時間、2時間、3時間、4時間となったときの結晶化温度を調べた。その結果を図7に示した。図7は、横軸が温度[℃]、縦軸が熱伝対の起電力差[μV]を示している。図7に示したように、暴露時間が長くなるにつれて結晶化温度が低下した。これは、暴露時間が長くなるにつれて固体電解質の付着した水分量が多くなったためであると考えられる。なお、暴露前(Ref)の結晶化温度は160℃であったのに対して、4時間暴露したときの結晶化温度は68℃であった。
LiI−Li2S−P2S5−Li2O系硫化物固体電解質500mgをアルミニウム皿に秤量し、これを−30℃露点下で30分間暴露した後、結晶化温度(図7参照)未満の温度(120℃)で1時間、加熱処理を行った。加熱処理の前後における結晶構造をX線構造解析で調べた結果を図8(A)に示した。また、イオン伝導度を交流インピーダンス法で測定した。その結果を図8(B)に示した。図8(A)に示したように、結晶化温度未満の温度で加熱処理を施した場合は固体電解質の結晶構造に変化は見られず、LiI以外の結晶ピークが現れなかった。また、図8(B)に示したように、結晶化温度未満の温度で加熱処理を施した場合は固体電解質のイオン伝導度が回復した。
LiI−Li2S−P2S5−Li2O系硫化物固体電解質500mgをアルミニウム皿に秤量し、これを−30℃露点下で1時間暴露した後、結晶化温度(図7参照)以上の温度(120℃)で1時間、加熱処理を行った。加熱処理の前後における結晶構造をX線構造解析で調べた結果を図9(A)に示した。また、イオン伝導度を交流インピーダンス法で測定した。その結果を図9(B)に示した。図9(A)に示したように、結晶化温度以上の温度で加熱処理を施した場合は固体電解質の結晶構造が変化しており、低伝導相が生成した。その結果、図9(B)に示したように、固体電解質から脱水できても低伝導相が生成したことによって、固体電解質のイオン伝導度が低下した。
Claims (27)
- 正極層、負極層、該正極層及び該負極層の間に配設された固体電解質層を有する全固体電池の製造方法であって、
前記正極層、前記負極層、及び前記固体電解質層を作製する第1工程と、
前記正極層、前記負極層、及び前記固体電解質層のうち固体電解質を含む少なくとも1つについて、該固体電解質の比表面積と、該固体電解質に接する雰囲気中の水分量と、該固体電解質が当該雰囲気に置かれた保管時間との積算値を算出し、該積算値からイオン伝導度の維持率を推定し、推定された前記イオン伝導度の維持率が所定値以下であるか否かを判定し、所定値以下と判定した場合に該固体電解質に脱水処理を施す脱水工程と、
前記正極層及び前記負極層の間に前記固体電解質層を配設する積層工程と、
を有する全固体電池の製造方法。 - 前記所定値を30%以上の任意の値とする、請求項1に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記脱水工程を複数回行う場合、前記演算工程において、一の前記脱水工程の後、当該一の脱水工程の次の前記脱水工程までの時間を前記保管時間として前記積算値を算出する、請求項1又は2に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記脱水工程が、前記固体電解質の結晶化温度未満の温度で前記固体電解質を加熱する加熱工程を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の全固体電池の製造方法。
- 前記加熱工程において、加熱時間の経過とともに加熱温度を高くする、請求項4に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記固体電解質に接する雰囲気を減圧して前記加熱工程を行う、請求項4又は5に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記固体電解質に接する雰囲気の露点を−30℃以下にして前記加熱工程を行う、請求項4〜6のいずれかに記載の全固体電池の製造方法。
- 前記固体電解質が硫化物固体電解質である、請求項1〜7のいずれかに記載の全固体電池の製造方法。
- 前記硫化物固体電解質がLiIを含む、請求項8に記載の全固体電池の製造方法。
- 固体電解質の保管方法であって、
前記固体電解質の比表面積と、前記固体電解質に接する雰囲気中の水分量と、前記固体電解質が当該雰囲気に置かれた保管時間との積算値を算出し、該積算値から前記イオン伝導度の維持率を推定する演算工程と、
前記演算工程で推定された前記イオン伝導度の維持率が所定値以下であるか否かを判定し、所定値以下と判定した場合に前記固体電解質に脱水処理を施す脱水工程と、
を有する、固体電解質の保管方法。 - 前記所定値を30%以上の任意の値とする、請求項10に記載の固体電解質の保管方法。
- 前記脱水工程を複数回行う場合、前記演算工程において、一の前記脱水工程の後、当該一の脱水工程の次の前記脱水工程までの時間を前記保管時間として前記積算値を算出する、請求項10又は11に記載の固体電解質の保管方法。
- 前記脱水工程が、前記固体電解質の結晶化温度未満の温度で前記固体電解質を加熱する加熱工程を含む、請求項10〜12のいずれかに記載の固体電解質の保管方法。
- 前記加熱工程において、加熱時間の経過とともに加熱温度を高くする、請求項13に記載の固体電解質の保管方法。
- 前記固体電解質に接する雰囲気を減圧して前記加熱工程を行う、請求項13又は14に記載の固体電解質の保管方法。
- 前記固体電解質に接する雰囲気の露点を−30℃以下にして前記加熱工程を行う、請求項13〜15のいずれかに記載の固体電解質の保管方法。
- 前記固体電解質が硫化物固体電解質である、請求項10〜16のいずれかに記載の固体電解質の保管方法。
- 前記硫化物固体電解質がLiIを含む、請求項17に記載の固体電解質の保管方法。
- 固体電解質の保管装置であって、
前記固体電解質の比表面積と、前記固体電解質に接する雰囲気中の水分量と、前記固体電解質が当該雰囲気に置かれた保管時間との積算値を算出し、該積算値から前記イオン伝導度の維持率を推定する演算手段と、
前記演算手段によって推定された前記イオン伝導度の維持率が所定値以下であるか否かを判定し、所定値以下と判定した場合に前記固体電解質に脱水処理を施す脱水手段と、
を備える、固体電解質の保管装置。 - 前記所定値が30%以上の任意の値である、請求項19に記載の固体電解質の保管装置。
- 前記脱水処理を複数回行う場合、前記演算手段が、一の前記脱水処理の後、当該一の脱水処理の次の前記脱水処理までの時間を前記保管時間として前記積算値を算出する、請求項19又は20に記載の固体電解質の保管装置。
- 前記脱水手段が、前記固体電解質の結晶化温度未満の温度で前記固体電解質を加熱する加熱手段を含む、請求項19〜21のいずれかに記載の固体電解質の保管装置。
- 前記加熱手段が、加熱時間の経過とともに加熱温度を高くする手段である、請求項22に記載の固体電解質の保管装置。
- 前記脱水手段が前記加熱手段を使用する際に前記固体電解質に接する雰囲気を減圧する手段を含む、請求項22又は23に記載の固体電解質の保管装置。
- 前記脱水手段が前記加熱手段を使用する際に前記固体電解質に接する雰囲気の露点を−30℃以下にすることができる手段を含む、請求項22〜24のいずれかに記載の固体電解質の保管装置。
- 前記固体電解質が硫化物固体電解質である、請求項19〜25のいずれかに記載の固体電解質の保管装置。
- 前記硫化物固体電解質がLiIを含む、請求項26に記載の固体電解質の保管装置。
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