JP5926131B2 - 正極合材スラリー及び電極シート - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン電池の正極の形成に使用される正極合材スラリー、及び電極シートに関する。
近年、携帯電話、PDA、ノートパソコン等の高機能化に伴い、長時間使用が可能であり、かつ小型・軽量で、安全性の高い二次電池が強く要望されている。しかし、従来から使用されてきた可燃性の有機溶媒を含むリチウム二次電池は過充電時や濫用時に液漏れや発火の危険性がある。そのため、電池の高エネルギー密度化に伴い、安全性の確保が重要な課題とされてきた。
このような課題を解決する電池として、有機電解液に比べて化学的に安定で、かつ漏液や発火の問題のない無機固体電解質を電解質として用いた全固体リチウムイオン二次電池の研究開発が鋭意行われている。
上記全固体リチウムイオン二次電池の固体電解質及び活物質は無機物であるため、固体電解質粒子及び活物質粒子のみを用いて電極層を製造すると電極層が非常に脆くなるという欠点を有している。
当該欠点を解消するために、固体電解質粒子と活物質粒子にバインダーを添加したスラリーを塗布・乾燥して電極層を製造する技術が開発された(特許文献1)。しかし、バインダーはポリマーであるため、イオン伝導度が低く、上記電極層を用いたリチウムイオン電池では高性能とすることが困難であった。
理論容量が高い硫黄と細孔を有する導電性物質とを複合化させた正極材料を全固体電池に応用した技術が報告されている(特許文献2)。理論容量が高い正極材料を用いることで、エネルギー密度が高い電池が製造可能になる。
しかし、固体電解質スラリーを用いた固体電解質シート(特許文献3)の開示があるものの、当該固体電解質スラリーにさらに上記の正極材料を添加して、正極シートを製造しようとした場合、得られるスラリーは塗布性が悪いという問題があった。
特開2010−212058号公報 特開2010−95390号公報 特開2010−146823号公報
本発明の目的は、塗布性に優れ、エネルギー密度が高い電池の製造が可能な正極合材スラリーを提供することである。
本発明によれば、以下のが提供される。
1.細孔を有する導電性物質及び活物質を含む正極材料であって、前記導電性物質の表面及び前記細孔の少なくとも一方に前記活物質が存在する正極材料;
リチウム及び硫黄を含む固体電解質;
分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂であるバインダー;
増粘剤;及び
前記増粘剤の一部又は全てを溶解する溶媒
を含む正極合材スラリー。
Figure 0005926131
(式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
2.細孔を有する導電性物質及び活物質を含む正極材料であって、前記導電性物質の表面及び前記細孔の少なくとも一方に前記活物質が存在する正極材料;
リチウム及び硫黄を含む固体電解質;
分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂であるバインダー
増粘剤;及び
溶媒
を原料に用いて製造される正極合材スラリーであって、前記増粘剤の一部又は全てが前記溶媒に溶解している正極合材スラリー。
Figure 0005926131
(式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
3.前記細孔を有する導電性物質の平均細孔直径が100nm以下であり、前記細孔の細孔容量が0.1cc/g以上5.0cc/g以下である1又は2に記載の正極合材スラリー。
4.前記細孔を有する導電性物質が、平均細孔直径が0.1nm以上25nm以下の多孔質炭素である1〜3のいずれかに記載の正極合材スラリー。
5.前記細孔を有する導電性物質が、BET比表面積が10m以上/g以上5000m/g以下である多孔質炭素である1〜3のいずれかに記載の正極合材スラリー。
6.前記活物質が硫黄又は硫黄を含む化合物である1〜5のいずれかに記載の正極合材スラリー。
7.前記固体電解質が、下記式(1)を満たす1〜6のいずれかに記載の正極合材スラリー。
Li …(1)
(式中、MはB、Zn、Si、Cu、Ga及びGeから選択される1以上の元素を示す。
a〜dは、各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.5:1:2〜9を満たす。)
8.前記増粘剤が、エチレングリコール、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ビニルブチラール、メタクリル酸メチル及びスチレンからなる群から選択される1以上に由来する構造を含むポリマーである1〜7のいずれかに記載の正極合材スラリー。
9.前記溶媒が、フッ素系溶媒及び炭化水素系溶媒から選択される1以上である1〜8のいずれかに記載の正極合材スラリー。
10.1〜9のいずれかに記載の正極合材スラリーから製造された正極。
11.1〜9のいずれかに記載の正極合材スラリーから製造された正極を有するリチウムイオン電池。
本発明によれば、塗布性に優れ、エネルギー密度が高い電池の製造が可能な正極合材スラリーが提供できる。
本発明の正極合材スラリーは、下記成分(1)〜(5)を含む:
(1)細孔を有する導電性物質及び活物質を含む正極材料であって、導電性物質の表面及び細孔の少なくとも一方に活物質が存在する正極材料
(2)リチウム及び硫黄を含む固体電解質;
(3)分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂であるバインダー
(4)増粘剤
(5)増粘剤の一部又は全てを溶解する溶媒
Figure 0005926131
(式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
以下、各成分について説明する。
[正極材料]
正極材料は、細孔を有する導電性物質及び活物質を含む。
正極材料の活物質としては、好ましくは硫黄又は硫黄を含む化合物(硫黄元素を構成要素に含む硫黄系活物質)である。
ここで、正極材料は、硫黄と硫黄を含む化合物の両方を含んでいてもよい。言い換えると正極材料は、硫黄を含む化合物である活物質と硫黄の2種類以上の活物質を含んでいてもよく、硫黄を含む化合物であって活物質でない物質と硫黄を含んでいてもよく、硫黄を含む活物質と硫黄を含む活物質でない物質と硫黄を含んでいてもよい。
また、硫黄を含む化合物である活物質は1種であっても2種以上であってもよく、硫黄を含む化合物であって活物質でない物質は1種であっても2種以上であってもよい。
硫黄系活物質としては、例えば単体硫黄(S)、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)、硫化リチウム、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等の硫黄を含む化合物が使用できる。
また、硫黄系活物質以外の活物質としては、セレン化ニオブ(NbSe)、金属インジウム等が挙げられる。
本発明では、上記活物質を1種単独で、又は2種以上の上記活物質の混合物を使用することができる。
活物質である有機ジスルフィド化合物及びカーボンスルフィド化合物を以下に例示する。
Figure 0005926131
Figure 0005926131
(式(A)〜(C)において、Xはそれぞれ置換基であり、n及びmはそれぞれ独立に1〜2の整数であり、p及びqはそれぞれ独立に1〜4の整数である。
式(D)において、Zはそれぞれ−S−又は−NH−であり、nは繰返数2〜300の整数である。)
Figure 0005926131
(式中、n及びmはそれぞれ独立の整数である。)
上記の活物質のうち、高い理論容量を有する単体硫黄又は硫化リチウムが好ましい。
硫黄としては、特に限定はないが、好ましくは純度が95%重量以上の硫黄単体であり、より好ましくは純度が96%重量以上の硫黄単体であり、特に好ましくは純度が97重量%以上の硫黄単体である。硫黄の純度が95重量%以上であれば、この硫黄を用いて製造した電池の不可逆容量を少なくすることができる。
硫黄単体の結晶系としては、α硫黄(斜方晶系)、β硫黄(単斜晶系)、γ硫黄(単斜晶系)、無定形硫黄等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。
また、硫化リチウムとしては、例えばLiS、Li、Li、Li等を挙げることができ、なかでもLiSが好ましい。
正極材料の導電性物質は細孔を有する。導電性物質が細孔を有することにより、導電性物質の細孔内部及び表面に活物質である硫黄、硫黄系化合物等を存在させることができ、導電性物質と硫黄及び/又は硫黄系化合物との接触状態を向上させることができ、正極材料の伝導性を高めることができる。また、導電性物質が細孔を有することにより、活物質と導電性物質の接触面積を増やすことができると共に、活物質の比表面積を大きくすることができる他、導電性物質と活物質とが複合化し易くなる。
尚、導電性物質は細孔を有する導電性物質であれば、その形状は特に限定されず、粒子状導電性物質であってもよく、板状導電性物質であってもよく、棒状導電性物質であってもよい。例えば、板状導電性物質としてはグラフェンが挙げられ、棒状導電性物質としては、例えば、カーボンナノチューブ等であり、粒子状導電性物質としては、表面積が大きく、細孔容量が大きく、かつ電子伝導性が高いケッチェンブラックや活性炭が挙げられる。
導電性物質は、好ましくは電気伝導率が1.0×10S/m以上の物質であり、より好ましくは1.0×10S/m以上の物質であり、特に好ましくは1.0×10S/m以上の物質である。
上記を満たす細孔を有する導電性物質としては、多孔質炭素が挙げられる。当該多孔質炭素の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等の炭素が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
細孔を有する導電性物質の細孔容量は、好ましくは0.1cc/g以上5.0cc/g以下であり、より好ましくは0.1cc/g以上4.5cc/g以下であり、特に好ましくは0.75cc/g以上3.9cc/g以下である。また、細孔を有する導電性物質の平均細孔直径は、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは0.1nm以上100nm以下であり、さらに好ましくは0.1nm以上25nm以下であり、最も好ましくは0.5nm以上17nm以下である。
導電性物質の細孔容量が0.1cc/g未満の場合、導電性物質内部の活物質含有量を多くすることができないおそれがあり、電気容量が高いリチウムイオン電池を得ることが困難になるおそれがある。一方、導電性物質の細孔容量が5.0cc/g超の場合、活物質と複合化しても電子伝導性が十分に確保できないおそれがある。
導電性物質の平均細孔直径が0.1nm未満の場合、細孔内に活物質を含浸させることが困難となるおそれがある。一方、導電性物質の平均細孔直径が100nm超である場合、細孔内に含浸した活物質が十分に機能しないおそれがある。
導電性物質の比表面積は、好ましくは10m/g以上5000m/gである。例えば硫黄と多孔質炭素を複合化した硫黄−多孔質炭素複合体が、固体電解質との接触面積を確保するためには、多孔質炭素の比表面積は大きい方がよいが、大きすぎると、平均細孔直径が小さくなるため、硫黄を細孔内に含有させにくい。多孔質炭素の比表面積が小さいと、硫黄との接触が十分でなくなり、電子伝導性が確保できなくなり、硫黄が活物質として十分に機能しないおそれがある。よって、導電性物質が多孔質炭素である場合の当該多孔質炭素のBET比表面積は、好ましくは10m/g以上5000m/g以下であり、より好ましくは50m/g以上4500m/g以下であり、さらに好ましくは70m/g以上4000m/g以下であり、最も好ましくは100m/g以上3500m/g以下である。
導電性物質のBET比表面積、細孔直径、細孔容量及び平均細孔直径は、以下の方法で測定することができる。以下、細孔を有する導電性物質が多孔質炭素の場合を例に説明するが、下記測定方法は、導電性物質が多孔質炭素の場合に限定されない。
BET比表面積、細孔直径、細孔容量及び平均細孔直径は、多孔質炭素を液体窒素温度下において、多孔質炭素に窒素ガスを吸着して得られる窒素吸着等温線を用いて求めることができる。
具体的には、窒素吸着等温線を用いて、Brenauer−Emmet−Telle(BET)法により比表面積を求めることができる。また、窒素吸着等温線(吸着側)を用いて、Barret−Joyner−Halenda(BJH)法により細孔直径、細孔容量を求めることができる。また、平均細孔直径は、細孔構造を円筒型であると仮定して、全細孔容積とBET比表面積から計算される。
測定装置としては、例えば、Quantacrome社製の比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb−3)を用いて測定できる。測定の前処理は、例えば、200℃で3時間の加熱真空排気等が挙げられる。
正極材料の導電性物質は、その表面及び細孔の少なくとも一方に活物質が存在する、活物質−導電性物質複合体となっている。当該活物質−導電性物質複合体は、例えばメカニカルミリング処理等の力学的な作用により一体化させた複合体、活物質を導電性物質の表面に蒸着させた複合体、活物質を溶解させて導電性物質に表面と接触させてから固体化させた複合体、及び活物質を導電性物質の存在下で合成して導電性物質と一体化させた複合体が含まれる。
尚、細孔を有する導電性物質の表面は、当該細孔表面を含む。
活物質と導電性物質が複合化した活物質−導電性物質複合体において、活物質の含有量は例えば5〜90wt%であり、好ましくは40〜90wt%であり、より好ましくは50〜80wt%である。
硫黄系活物質(硫黄系化合物)が導電性物質の表面及び/又は細孔に存在させる方法としては、活物質と導電性物質を、例えば遊星ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル等のボールミル;リングローラーミル等の竪型ローラーミル;ハンマーミル、ケージミル等の高速回転ミル;ジェットミル等の気流式ミル等の各種ミルにて混合する方法の他、活物質と導電性物質の混合物を活物質の融点以上で加熱する方法が挙げられる。
これら製造方法のうち、遊星ボールミルを用いて混合する方法、又は活物質と導電性物質の混合物を硫黄系化合物の融点以上で加熱する方法が好ましい。
例えば活物質が硫黄系化合物である硫黄系化合物−導電性物質複合体を、硫黄系化合物と導電性物質の混合物を硫黄系化合物の融点以上で加熱して製造する場合、加熱雰囲気は不活性雰囲気でも空気中でもよい。また、加熱時の圧力は例えば0Pa〜5MPaであり、好ましくは0Paから1MPa、より好ましくは0Paから0.9MPaである。尚、常圧とは大気圧を意味し、101325Pa付近の圧力を意味する。
また、加熱時の圧力は、厳密な意味での真空である必要はなく、導電性物質の細孔内部の気体を除去することを目的とする場合は、通常の大気圧より低ければよく、導電性物質の細孔内部の気体をどの程度除去するかにより圧力を決めればよい。尚、導電性物質の細孔内部の気体を除去することにより、活物質を含浸し易くすることができる。
加熱温度は硫黄系化合物の融点以上であればよいが、好ましくは112℃〜440℃である。加熱保持時間は例えば1分〜48時間であり、好ましくは10分〜12時間であり、より好ましくは15分〜10時間である。
[固体電解質]
固体電解質は、リチウム原子及び硫黄原子を含む硫化物系固体電解質であり、好ましくは下記式(1)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質であり、さらに好ましくは下記式(2)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である。
Li (1)
(式(1)において、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGeから選択される元素を示す。a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。)
Li (2)
(式(2)において、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGeから選択される元素を示す。Xは、F、Cl、Br、I及びAtから選択されるハロゲン元素を示す。a〜eは各元素の組成比を示し、a:b:c:d:eは1〜12:0〜0.2:1:2〜9:0.01〜12を満たす。)
式(1)において、Li、M、P及びSの組成比は、好ましくはbが0であり、より好ましくはb=0で且つa、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1〜9:1:3〜7であり、さらに好ましくはb=0で且つa:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。
式(2)において、Li、M、P、S及びXの組成比は、好ましくはbが0であり、より好ましくはb=0で且つa、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1〜9:1:3〜7であり、さらに好ましくはb=0で且つa:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。
各元素の組成比は、下記するように、複合電極材料を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみが結晶化している非結晶でもよい。
結晶化させるとガラスよりもイオン伝導度が高くなる場合があり、その場合には結晶化させることが好ましい。
結晶化硫化物系固体電解質の結晶構造は、好ましくは特開2002−109955に開示されているLiPS構造、Li構造、LiPS構造、LiSiS構造、LiSiS構造、又は特開2005−228570及びWO2007/066539に開示されているLi11構造であり、最も好ましくはLi11構造である。結晶化硫化物系固体電解質が有する結晶化部分は、これら結晶構造のいずれか1以上を有すると好ましい。
ここで、Li11構造は、固体電解質が、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有することにより確認できる。
結晶化硫化物系固体電解質の結晶化度は、好ましくは上記の非晶質固体電解質よりも高いイオン伝導度を示すことができる結晶構造が50%以上であり、より好ましくは60%以上である。結晶化度が50%未満では、結晶化によるイオン伝導度の向上効果が得られないおそれがある。
上記結晶化度は、NMRスペクトル装置を用いることにより測定できる。具体的には、硫化物系固体電解質の固体31P−NMRスペクトルを測定し、得られたスペクトルについて、70−120ppmに観測される共鳴線を、非線形最少二乗法を用いたガウス曲線に分離し、各曲線の面積比を求めることにより測定できる。
硫化物系固体電解質の製造方法について、硫化物系固体電解質の原料は、LiS(硫化リチウム)、P(三硫化二リン)、P(五硫化二リン)、SiS(硫化珪素)、LiSiO(オルト珪酸リチウム)、Al(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二砒素)、LiPO(燐酸リチウム)、LiGeO(ゲルマン酸リチウム)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)等を用いることができる。
好ましい硫化物系固体電解質の原料は、LiS及びPである。
以下、硫化物系固体電解質の原料として、LiS及びPを用いた硫化物系固体電解質について説明する。
硫化リチウムは、特に制限なく使用できるが、高純度のものが好ましい。硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号、特開平9−283156号、特開2010−163356、特願2009−238952に記載の方法により製造することができる。
具体的に、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2010−163356)。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特願2009−238952)。
硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。一方、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物となるおそれがある。熱処理前から結晶化物である固体電解質はイオン伝導度が低いおそれがある他、熱処理によるイオン伝導度の向上も見込めないおそれがある
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウムイオン電池のサイクル性能を低下させることがない。このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。
上述した特開平7−330312号及び特開平9−283156号に基づいて硫化リチウムを製造した場合、硫化リチウムが硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。
一方、特開2010−163356に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに用いても良い。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
五硫化二リンは、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。
硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。特に好ましくは、LiS:P=68:32〜74:26(モル比)である。
硫化物系ガラス固体電解質の製造方法としては、溶融急冷法、メカニカルミリング法(MM法)、有機溶媒中で原料を反応させるスラリー法等がある。
(a)溶融急冷法
溶融急冷法は、例えば、特開平6−279049、WO2005/119706に記載されている。具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは10〜10000K/secである。
(b)メカニカルミリング法(MM法)
MM法は、例えば、特開平11−134937、特開2004−348972、特開2004−348973に記載されている。
具体的には、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応を行うことができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス固体電解質を得ることができるという利点がある。
また、MM法では、ガラス固体電解質の製造と同時に、ガラス固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は回転ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等種々の形式を用いることができる。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
また、特開2010−90003に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。この他、特開2009−110920や特開2009−211950に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをMM処理してもよい。特開2010−30889に記載のようにMM処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
MM処理時の原料温度が60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
(c)スラリー法
スラリー法は、WO2004/093099、WO2009/047977に記載されている。
具体的には、所定量のP粒子とLiS粒子を有機溶媒中で所定時間反応させることにより、硫化物系ガラス固体電解質が得られる。
ここで、特開2010−140893に記載されているように、反応を進行させるため、原料を含むスラリーをビーズミルと反応容器との間で循環させながら反応させてもよい。また、WO2009/047977に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。この他、特願2010−270191に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
反応温度は、好ましくは20℃以上80℃以下、より好ましくは、20℃以上60℃以下である。
反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは、2時間以上14時間以下である。
原料である硫化リチウムと五硫化二リンが、有機溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、有機溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は0.001kg以上1kg以下程度となる。好ましくは0.005kg以上0.5kg以下、特に好ましくは0.01kg以上0.3kg以下である。
有機溶媒としては特に制限はないが、非プロトン性有機溶媒が特に好ましい。
非プロトン性有機溶媒としては、非プロトンの非極性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性の極性有機化合物(たとえば、アミド化合物,ラクタム化合物,尿素化合物,有機イオウ化合物,環式有機リン化合物等)を、単独溶媒として、又は、混合溶媒として、好適に使用することができる。
炭化水素系有機溶媒としては、溶媒である炭化水素系溶媒としては、飽和炭化水素、不飽和炭化水素又は芳香族炭化水素が使用できる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
有機溶媒として炭化水素系溶媒を用いる場合、当該炭化水素系溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましい。具体的には、水分含有量として100重量ppm以下が好ましく、特に30重量ppm以下であることが好ましい。
尚、必要に応じて炭化水素系溶媒に他の溶媒を添加してもよい。具体的には、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類等、ジクロロメタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。
上記溶融急冷法、MM法及びスラリー法の温度条件、処理時間、仕込み料等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
硫化物系固体電解質(ガラスセラミックス)の製造方法は、特開2005−228570、WO2007/066539、特開2002−109955に開示されている。
具体的には、上記で得られた硫化物系固体電解質(ガラス)を所定の温度で熱処理し、硫化物系結晶化ガラス(ガラスセラミックス)を生成させる。
加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。雰囲気は、空気であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
上記の他、特開2010−186744に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
Li11構造のガラスセラミックスを生成させる熱処理温度は、好ましくは180℃以上330℃以下、より好ましくは、200℃以上320℃以下、特に好ましくは、210℃以上310℃以下である。180℃より低いと結晶化度の高い結晶化ガラスが得られにくい場合があり、330℃より高いと結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
熱処理時間は、180℃以上210℃以下の温度の場合は、3時間以上240時間以下が好ましく、特に4時間以上230時間以下が好ましい。また、210℃より高く330℃以下の温度の場合は、0.1時間以上240時間以下が好ましく、特に0.2時間以上235時間以下が好ましく、さらに、0.3時間以上230時間以下が好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、結晶化度の高い結晶化ガラスが得られにくい場合があり、240時間より長いと、結晶化度の低い結晶化ガラスが生じるおそれがある。
LiPS結晶構造、Li結晶構造、LiPS結晶構造、LiSiS結晶構造及びLiSiS結晶構造の製造は、公知の方法でよい。
例えば、特開2002−109955に開示されている方法により上記結晶構造を有する結晶化ガラスを製造することができる。
[バインダー]
バインダーは、分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂である。
Figure 0005926131
(式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
バインダーは、好ましくは、フッ化ビニリデンに由来する構造(R=F,R=F,R=H,R=H)を有する共重合体やポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン(TEF)に由来する構造(R=F,R=F,R=F,R=F)を有する共重合体又は単独重合体、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)に由来する構造(R=F,R=F,R=CF,R=F)を有する共重合体又は単独重合体である。
具体的にはPVDF−HFP,PVDF−HFP−TEF、PVDF−TEF、TEF−HFP等が挙げられる。
バインダーは、例えば本発明の正極合材スラリーにおいて、溶媒に分散していることが好ましい。ここで、一部若しくは全てが溶媒に溶解していてもよい。
尚、本発明のスラリーでは、バインダーが溶媒に分散していてもよく、バインダーと溶媒の選択を広げることができる。
[増粘剤]
増粘剤は、溶媒に可溶なものが使用できる
正極合材スラリーに使用できる増粘剤としては、エチレングリコール、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ビニルブチラール、メタクリル酸メチル及びスチレンからなる群から選択される1以上に由来する構造を含むポリマーである。
上記構造を含むポリマーとしてはポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、エチレンオキサイドとの共重合体樹脂等が挙げられる。具体的には、エスレックBH−S、エスレックBH−A(以上、積水化学工業製)、アルコックスEP−20(明成化学工業製)等が使用できる。
増粘剤の粘度は、好ましくは10mPas〜30000mPasであり、より好ましくは50mPas〜20000mPasであり、さらに好ましくは100mPas〜10000mPasである。
増粘剤の粘度が10mPas未満であると、得られる正極合材スラリーの粘度が不足するおそれがある。一方、増粘剤の粘度が30000mPas超の場合、正極合材スラリー中で増粘剤を均一化させるのに時間がかかるおそれがある。
[溶媒]
溶媒は、増粘剤の一部又は全てを溶解する溶媒である。また、溶媒は好ましくはバインダーを分散する溶媒である。
上記溶媒としては、フッ素系溶媒及び炭化水素系溶媒が挙げられ、具体例としては、炭化フッ素、フルオロベンゼン、トリフルオロメチルベンゼン、ビストリフルオロメチルベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。
上記溶媒は、1種単独で用いてもよく、また2種以上の混合溶媒として用いてもよい。
[その他の成分]
本発明の正極合材スラリーは、正極合材、固体電解質、バインダー、増粘剤及び溶媒から実質的になってもよい。「実質的」とは、正極合材、固体電解質、バインダー、増粘剤及び溶媒のスラリー中の合計含有量が、例えば90重量%以上、95重量%以上、97重量%以上、98重量%以上、99重量%以上、又は100重量%であることを意味する。
本発明の正極合材スラリーは、本発明の効果を損なわない範囲で、下記の導電助剤、分散剤等を含んでもよい。
導電助剤としては、デンカブラックやケッチェンブラック等のカーボンブラック系導電助剤;導電性酸化物粒子、銀粒子、導電性ポリマー等が挙げられる。
[正極合材スラリー]
本発明の正極合材スラリーの固形分濃度は、例えば20重量%以上95重量%以下であり、好ましくは30重量%以上85重量%以下である。
固形分濃度が上記範囲外である場合、スラリーを塗布乾燥させても成膜できないおそれがある。
正極合材スラリーの固形分中のバインダーの占める割合は、例えば0.05重量%以上20重量%以下であり、好ましくは1重量%以上10重量%以下である。
バインダーの含有量が20重量%超の場合、イオン伝導度が低くなって、得られる電池の性能が低くなるおそれがある。一方、バインダーの含有量が0.05重量%未満の場合、スラリーから得られる電極シートの強度が低くなるおそれがある、又は基材との密着性が低くなるおそれがある。
正極合材スラリーの固形分中の増粘剤が占める割合は、例えば0.01重量%以上10重量%以下であり、好ましくは0.05重量%以上5重量%以下である。
増粘剤の含有量が10重量%超の場合、得られる電池のイオン伝導度が低くなり電池の性能が低くなるおそれがある。一方、増粘剤の含有量が0.01重量%未満の場合、スラリーの粘度が十分ではなく、塗布性が低下するおそれがある。
[電極シート]
本発明の電極は、集電体上又は電解質層上に電極層を形成することにより製造できる。電極層は、本発明の正極合材スラリーを集電体又は電解質層上に塗布し、乾燥することにより形成できる。これら塗布及び乾燥は、公知の方法が適用でき、電極層中に溶媒が残留していてもよい。
電極層の厚さは、電池の形状や用途に応じて適宜調整すればよく、例えば1μm〜500μmである。
集電体は、例えばステンレス鋼、金、白金、銅、亜鉛、ニッケル、スズ、アルミニウム又はこれらの合金等からなる板状体、箔状体、網目状体等が使用できる。
尚、集電体表面にカーボンコート等の保護層や接着層を形成して使用できる。
[リチウムイオン電池(全固体電池)]
本発明のリチウムイオン電池は、本発明の正極合材スラリーから得られる正極を有していればよく、固体電解質層、負極、集電体等の他の構成部材は公知のものが使用できる。
固体電解質層は、固体電解質層からなる層であり、好ましくは固体電解質粒子が互いに融着してなる層である。ここで融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の固体電解質粒子と一体化することを意味する。
固体電解質層の厚さは、例えば1μm以上500μm以下である。
固体電解質としては、正極合材スラリーで使用するリチウム及び硫黄を含む固体電解質(硫化物系固体電解質)の他に、ポリマー系固体電解質、酸化物系固体電解質が使用できる。
正極層と材料が共通化できるコスト上の観点から、固体電解質は正極合材スラリーが含む硫化物系固体電解質が好ましい。
ポリマー系固体電解質としては、特に制限はなく、特開2010−262860に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートやこれらの誘導体、共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が使用できる。
ポリマー系固体電解質であるフッ素樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)や、これらの誘導体等を構成単位として含むものが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のホモポリマーや、VdFとHFPとの共重合体(以下、この共重合体を「P(VdF−HFP)」と示す場合がある。)等の2元共重合体や3元共重合体、等が挙げられる。
酸化物系固体電解質には、LiN、LISICON類、Thio−LISICON類、La0.55Li0.35TiO等のペロブスカイト構造を有する結晶や、NASICON型構造を有するLiTi12、さらにこれら結晶化させた電解質等を用いることができる。
本発明において、電解質層のイオン伝導度は1.0×10−6S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導度が1.0×10−6S/cm未満であると電池の性能が低くなるおそれがある。
また、電解質層は固体電解質のほか、バインダーを含んでいてもよい。
負極層は、負極活物質からなってもよく、さらに電解質及び導電助剤を含んでもよい。また、バインダーを含んでいてもよい。負極層の固体電解質、導電助剤、バインダー、形成法及び厚さは、正極合材スラリーと同様の条件が適用できる。
負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。中でも、高い理論容量を有するケイ素、スズ、リチウム金属が好ましい。
本発明の装置は、上記電池を備える。装置としては、例えば、電池自動車が挙げられる。
製造例1
[硫化リチウム(LiS)の製造]
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には下記の通りである。
(1)硫化リチウムの製造
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。
製造例2
[固体電解質粒子1の製造]
製造例1で製造した硫化リチウムを用いて、国際公開公報WO07/066539の実施例1と同様の方法で固体電解質の製造及び結晶化を行った。
具体的には、下記のように行った。
製造例1で製造した硫化リチウム0.6508g(0.01417mol)と五硫化二燐(アルドリッチ社製)を1.3492g(0.00607mol)をよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケと遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
そして、はじめの数分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(85rpm)にして硫化リチウムと五硫化二燐を十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。このメカニカルミリング処理をした白黄色の粉体をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。この硫化物ガラスのガラス転移温度をDSC(示差走査熱量測定)により測定したところ、220℃であった。
この硫化物ガラスを窒素雰囲気下、300℃で2時間加熱し、硫化物ガラスセラミックスとし、固体電解質粒子1を得た。
得られた固体電解質粒子1について、X線回折測定したところ、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
固体電解質粒子1の平均粒径を測定したところ、8.8μmであり、イオン伝導度を測定したところ、6.36E−4S/cmであった。
製造例3
[固体電解質粒子2の製造]
製造例1で製造した高純度硫化リチウムの添加量を0.766g(0.0166モル)とし、五硫化二燐(アルドリッチ社製)の添加量を1.22g(0.0055モル)とした他は製造例2と同様にして固体電解質粒子2を製造した。
得られた固体電解質粒子2について、X線測定してガラス化していることを確認した。固体電解質2の平均粒径は、67.8μmであった。また、イオン伝導度は1.22E−4S/cmであった。
固体電解質粒子1及び固体電解質粒子2の平均粒径及びイオン伝導度は、下記方法により測定した。
(1)電解質粒子のイオン伝導度
電解質粒子を0.3g秤量し、容器内に入れ、電解質粒子に対して185MPaで加圧した。加圧後、試料の上下に、TIMCAl社製SFGを1.0mgずつ入れ、再度、185MPaで加圧し、容器の上下に電極を形成した。得られた試料を東陽テクニカ製インピーダンス装置にて、25℃、AC振幅変調10mV、周波数10M〜10Hzの条件で伝導度を測定した。
(2)電解質粒子の平均粒径
レーザー回折式粒度分布測定装置(「Malvern Instruments Ltd社製マスターサイザー2000)を使用し、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン(和光純薬製、製品名:特級)110mlを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を6%添加した。
上記混合物を十分混合した後、電解質粒子を添加して粒子径を測定した。電解質粒子の添加量は、マスターサイザー2000で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内(10〜20%)に収まるように加減して加えた(電解質粒子の添加量は、その種類等により最適量は異なるが、概ね0.01g〜0.05g程度である。)。
製造例4
[正極合材1の製造]
(1)硫黄と多孔質炭素の複合体の調製
硫黄(アルドリッチ製、純度99.998%)0.500gとケッチェンブラック(KB)(EC600JD、ライオン社製)0.214gを乳鉢で混合した後、混合物を密閉性のステンレス容器に入れ、電気炉にて加熱処理した。当該加熱処理は、室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分で昇温し、2.75時間保持した。その後自然冷却し、硫黄・多孔質炭素複合体を得た。
(2)正極合材の作製
上記(1)で調製した複合体:0.5gと固体電解質粒子1:0.5gをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理することで正極合材1を得た。
製造例5
[正極合材2の製造]
ケッチェンブラックの代わりに活性炭(関西熱化学、MSC30)を用い、固体電解質1の代わりに固体電解質2を用いた他は製造例4と同様にして、正極合材2を得た。
製造例6
[正極合材3の製造]
製造例1の硫化リチウム4.36gと、デンカブラック(電気化学工業製)1.30g、固体電解質2(7525g)4.34gを、遊星型ボールミル(伊藤製作所製:型番:LP−4)に入れ、100rpmで30分間撹拌混合し、その後さらに220rpmで20時間混合して正極合材を得た。
得られた正極合材15.0gをハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所製、型式:NHS−O型)に入れ、10000rpm1時間の条件で造粒処理を行ない、造粒正極合材である正極合材3を得た。
製造例7
[正極合材4の製造]
硫黄0.5gとケッチェンブラック0.5gを遊星ボールミルで5時間混合して硫黄・ケッチャンブラック混合物を得た。THF(テトラヒドロフラン(和光純薬株式会社製))47mlに上記混合物0.5gを加え、これに溶媒がTHFであり体積モル濃度が1.0である1.0M-TEBHLi(水素化トリエチルホウ素リチウム)溶液(シグマアルドリッチ株式会社製)15.6mlを加えて65℃に加熱して2時間撹拌し、24時間放置した。
その後、上澄みを取り、THFを添加して、未反応TEBHLiをこのTHFに溶解させて、未反応TEBHLiを除去した。このTHFによる除去作業を2回行い、次いでヘキサンによる除去操作を2回繰り返した後、室温で真空引きして溶媒を除去し、150℃2時間の真空加熱により乾燥して、硫化リチウムカーボン複合体を得た。
得られた硫化リチウムカーボン複合体0.24gと固体電解質2(0.20g)を遊星ボールミルで5時間混合し、正極合材4を得た。
実施例1
(1)正極合材スラリーの調製
増粘剤であるエスレックBH−S(積水化学工業製)を1.0g、及びトルエン(和光純薬工業製)11.5gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌して溶解させた。得られた溶液2.12gと、バインダーであるPVDF−HFP(KynarLBG、アルケマ製)を2.83g、さらにトルエンを5.22g加え、小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて5000rpm,1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液1を得た。
正極合剤1を6.20g、増粘剤バインダーの混合溶液1を2.12g、及びトルエン溶媒を3.67g加え、フィルミックスで5000rpm、1分間撹拌混合し、正極スラリーを得た。
(2)正極シートの製造
得られた正極スラリーを、集電体であるアルミ箔上に300μmGAPドクターブレードを用いて塗布し、ホットプレートで80℃5分間乾燥させた後、80℃で8時間減圧乾燥を行い、正極シートを得た。この正極シートを所定の大きさに切り出し、180°に折り曲げたところ、正極が集電体から剥がれず集電体との密着性が良好であることが分かった。
(3)固体電解質シートの作製
PVDF−HFP(バインダー:アルケマ製、KYNAR2500−20):4.0gをイソブチロニトリル(東京化成工業(株)製):16.0gに80℃で加熱溶解させたものをPVDF−HFPバインダー溶液として用いた。
フィルミックスのベッセル内に、固体電解質粒子1:8.36g、PVDF−HFPバインダー溶液:2.20g、及びイソブチロニトリルを5.44g入れ、15000rpmで1分間攪拌混合し、固体電解質スラリーを得た。
得られた固体電解質スラリーを基材である藤森工業製PETフィルム38E−0010NSG(剥離力:244mN/cm)上に、300μmGAPドクターブレードを用いて塗布した。80℃で5分間乾燥させた後、100℃で4時間減圧乾燥を行い、固体電解質転写シートを得た。
(4)固体電解質シートの転写
得られた正極シートをパンチで半径10mmΦの円筒形にくりぬいて円筒状の正極シートを製造した。この円筒状の正極シートを下記円筒容器に挿入して円筒容器の底面に接触させた。
同様に、得られた固体電解質転写シートをパンチで半径10mmΦの円筒形にくりぬいて円筒状の電解質シートを製造した。この円筒状の電解質シートを円筒容器に挿入し、この円筒状の電解質シートの基材とは反対側の面と円筒状の正極合剤シートのアルミニウムシートとは反対側の面に当接するようにした。
電解質シートの基材全体に270MPaの圧力を10秒間加えて電解質シートと正極シートを一体化し、この一体化した電解質シートと正極シートとを取り出して基材をこの一体化した電解質シートと正極シートからはがした。基材に電解質粒子とバインダーが目視で付いておらず、電解質シートが正極シートからはがれていないことを確認した。
(5)全固体電池の製造
インジウム箔(厚さ:0.1mm、レアメタリック社製)をパンチで半径9.5mmΦの円筒形に3枚くり抜いた。また、バッテリーグレードリチウム箔(厚さ:0.1mm、本城金属社製)をパンチで半径9mmΦの円筒形に2枚くり抜いた。
(4)で作製した正極合材・固体電解質シートを円筒容器に挿入して円筒容器の底面に正極合剤側の集電体が接触するように配置した。固体電解質シート側に上記インジウム箔、リチウム箔、インジウム箔、リチウム箔、及びインジウム箔の順で入れた。チタン箔(厚さ:0.02mm、ニラコ社製)をパンチで半径10mmΦの円筒形に1枚くり抜き、上記インジウム箔側に乗せた。円筒容器のフタをし、8MPaで1回プレスを行い、8Nでねじを締め、電池とした。
(6)エネルギー密度の測定
作製した電池について、電流密度0.5mA/cmのときの平均放電電圧及び活物質重量あたりの放電容量を測定し、この2つの値を乗算して、活物質重量あたりのエネルギー密度を求めた。結果を表1及び2に示す。
実施例2
トルエンの代わりにキシレン(和光純薬工業製)を用いて、増粘剤バインダー混合溶液及び正極合材スラリーを調製した他は、実施例1と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び2に示す。
実施例3
トルエンの代わりにベンゾトリフルオリド(東京化成工業製)を用いて、増粘剤バインダー混合溶液及び正極合材スラリーを調製した他は、実施例1と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び2に示す。
実施例4
正極合材1の代わりに正極合材2を用いた他は、実施例1と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び2に示す。
実施例5
増粘剤であるエスレックBH−S(積水化学工業製)を1.0g、及びトルエン(和光純薬工業製)11.5gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.12gと、バインダーであるPVDF−TEF(KynarSL、アルケマ製)2.83gを、小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて5000rpm,1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液2を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液2を用いた他は、実施例4と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例6
増粘剤であるエスレックBH−S(積水化学工業製)を1.0g、トルエン(和光純薬工業製)11.5gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.12gと、バインダーであるPVDF−HFP(Kynar2751−00、アルケマ製)を2.83g、小型フィルミックスを用いて5000rpm,1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液3を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液3を用いた他は、実施例4と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例7
増粘剤であるエスレックBH−A(積水化学工業製)を1.0g、トルエン(和光純薬工業製)11.5gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.12gと、バインダーであるKynarLBG(アルケマ製)2.83gを小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて5000rpmで1分間撹拌混合し、増粘剤バインダーの混合溶液4を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液4を用いた他は、実施例4と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例8
増粘剤であるアルコックスEP−20(明成化学工業製)を1.0g、トルエン19.0gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.31gと、バインダーであるKynarSL(アルケマ製)2.89gを小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて1500rpmで1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液5を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液5を2.08g用いた他は、実施例4と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例9
増粘剤であるアルコックスEP−20(明成化学工業製)を1.0g、トルエン19.0gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.31gと、バインダーであるPVDF−HFP−TEF(KynarADS、アルケマ製)2.89gを、小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて1500rpmで1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液6を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液6を用いた他は、実施例8と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例10
増粘剤であるアルコックスEP−20(明成化学工業製)を1.0g、トルエン19.0gをガラス容器に入れ、90℃のホットプレートで8時間撹拌溶解させた。得られた溶液2.31gと、バインダーであるPTFE−HFP−VDF(THV221AZ、スリーエム製)2.89gを、小型フィルミックス(プライミクス社製)を用いて1500rpmで1分間撹拌混合し、増粘剤バインダー混合溶液7を得た。
得られた増粘剤バインダー混合溶液7を用いた他は、実施例8と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例11
正極合剤3を6.68gと、実施例1の増粘剤バインダー混合溶液1を1.72g、及びトルエン溶媒を3.60g加え、フィルミックスで5000rpmで1分間撹拌混合し、正極スラリーを得た。
得られた正極合材スラリーを用いた他は、実施例1と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例12
トルエンの代わりにキシレン(和光純薬工業製)を用いて、増粘剤バインダー混合溶液及び正極合材スラリーを調製した他は、実施例11と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び2に示す。
実施例13
トルエンの代わりにベンゾトリフルオリド(東京化成工業製)を用いて、増粘剤バインダー混合溶液及び正極合材スラリーを調製した他は、実施例11と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例14
増粘剤バインダー混合溶液1の代わりに増粘剤バインダー混合溶液2を用いた他は、実施例11と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例15
増粘剤バインダー混合溶液1の代わりに増粘剤バインダー混合溶液3を用いた他は、実施例11と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例16
正極合材2の代わりに正極合剤3を用いた他は、実施例7と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例17
正極合材2の代わりに正極合材3を用いた他は、実施例8と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例18
正極合材2の代わりに正極合材3を用いた他は、実施例9と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例19
正極合材2の代わりに正極合材3を用いた他は、実施例10と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
実施例20
正極合剤4を6.20g、増粘剤バインダー混合溶液1を2.12g、さらにトルエン溶媒を5.16g加え、フィルミックスで5000rpmで1分間撹拌混合し、正極スラリーを得た。
得られた正極合材スラリーを用いた他は、実施例1と同様にして電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
比較例1
遊星ボールミルのポットに、固体電解質粒子1を6.15g、PVDF−HFPバインダー溶液を5.25g、及びイソブチロニトリルを9.27g投入し、370rpmで2.0時間ミリングを行なった。さらに正極活物質LNCAO(LiNi0.8Co0.15Al0.05)(戸田工業製)を14.33g添加し、150rpmで5分間ミリングを行ない、正極合材スラリーを調製した。
得られた正極スラリーを集電体であるアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、実施例1と同様に乾燥して正極シートを得た。この正極シートを用いて実施例1と同様に全固体電池を製造し、評価した。結果を表1及び表2に示す。
比較例2
バインダーとして、PVDF−HFPバインダー溶液の代わりにポリエチレンオキシド(PEO)とポリプロピレンオキシド(PPO)の共重合樹脂を用いた他は比較例1と同様に正極合材スラリーを調製したが、沈殿してしまい塗布することができなかった。
Figure 0005926131
Figure 0005926131
尚、表1及び表2の各項目について、以下説明する。
「増粘剤含有率」及び「バインダー含有率」の値は、いずれも固形分を100wt%とした時の値である。
「溶媒」のTolはトルエンであり、Xylはキシレンであり、CF3−Bzはベンゾトリフルオリドであり、iBuNは、イソブチロニトリルである。
「固形分濃度」の値は、正極合材スラリー中の固形分濃度である。
「密着性基材」の評価項目において、正極シートを180°折り曲げても正極が集電体から剥がれない密着性良好な場合を「密着性基材が○」と評価した。
「密着性SE」の評価項目において、固体電解質シートの転写及び一体化後の基材の剥離によって、固体電解質層が正極層から剥がれていない場合を「密着性SEが○」と評価した。
「エネルギー密度」の値は、活物質(S)当たりの値である。
本発明の正極合材スラリーは、リチウムイオン電池の正極の材料として好適である。本発明のリチウムイオン電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。

Claims (8)

  1. 細孔を有する導電性物質及び活物質を含む正極材料であって、前記導電性物質の表面及び前記細孔の少なくとも一方に前記活物質が存在する正極材料;
    リチウム及び硫黄を含む固体電解質粒子
    分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂であるバインダー;
    増粘剤;及び
    前記増粘剤の一部又は全てを溶解する溶媒
    を含み、
    前記活物質が硫黄又は硫黄を含む化合物であり、
    前記溶媒が、フッ素系溶媒及び炭化水素系溶媒から選択される1以上であり、
    前記導電性物質は粒子状導電性物質である、正極合材スラリー。
    Figure 0005926131
    (式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
  2. 細孔を有する導電性物質及び活物質を含む正極材料であって、前記導電性物質の表面及び前記細孔の少なくとも一方に前記活物質が存在する正極材料;
    リチウム及び硫黄を含む固体電解質粒子
    分子骨格に下記式(I)で表わされる構造単位を含む樹脂であるバインダー
    増粘剤;及び
    溶媒
    を原料に用いて製造される正極合材スラリーであって、
    前記活物質が硫黄又は硫黄を含む化合物であり、
    前記溶媒が、フッ素系溶媒及び炭化水素系溶媒から選択される1以上であり、
    前記導電性物質は粒子状導電性物質であり、
    前記増粘剤の一部又は全てが前記溶媒に溶解している正極合材スラリー。
    Figure 0005926131
    (式中、R〜Rは、それぞれ、水素原子、フッ素原子、塩素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF、又は−OCFであり、R〜Rは少なくとも1つは、フッ素原子、−CF、−CHCF、−CFCF、−CFCFCF、−OCFCFCF又は−OCFである。)
  3. 固体電解質粒子が燐を含む請求項1又は2に記載の正極合材スラリー。
  4. 前記細孔を有する導電性物質の平均細孔直径が100nm以下であり、前記細孔の細孔容量が0.1cc/g以上5.0cc/g以下である請求項1〜3のいずれかに記載の正極合材スラリー。
  5. 前記細孔を有する導電性物質が、平均細孔直径が0.1nm以上25nm以下の多孔質炭素である請求項1〜のいずれかに記載の正極合材スラリー。
  6. 前記細孔を有する導電性物質が、BET比表面積が10m以上/g以上5000m/g以下である多孔質炭素である請求項1〜のいずれかに記載の正極合材スラリー。
  7. 請求項1〜のいずれかに記載の正極合材スラリーから製造された正極。
  8. 請求項1〜のいずれかに記載の正極合材スラリーから製造された正極を有するリチウムイオン電池。
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