JP6074989B2 - 固体電池の製造方法 - Google Patents
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Description
その中で、従来用いられてきた非水電解液系のリチウム電池に比べて電解液を用いないため、非水電解液を用いる場合の安全性向上のために必要なシステムを簡略化し得て構造の自由度が増し補器の数を減らすことができる等の多くの利点を有し得ることから、固体電池の実用化が期待されている。
この固体電池の高容量・高出力を実現し得る技術の1つとして、Li2S−P2S5などの硫化物固体電解質が提案された。
しかし、前記のLi2S−P2S5などの硫化物固体電解質を用いた固体電池は、充電−放電のサイクルを繰り返した後に電池特性が低下することが知られている。この電池特性の低下の要因の1つとして考えられるのは、固体電解質層と負極および正極との積層状態が充電−放電のサイクルを繰り返すことによって変化することにあると考えられている。
例えば、特許文献1には、電解質と結着剤を主とする電解質層を中央にその両面に電極材料と結着剤を主とする電極層を配し、三者を加圧一体化した後に充電を行った後、再加圧する固体二次電池の製造法が記載されており、具体例として正極および負極用材料として銅化合物を用い、固体電解質としてRb系イオン導電性固体電解質を用い、正極と電解質層と負極とを400〜500kg/cm2で加圧した後に充電を行い、その後、300kg/cm2で再加圧して充放電を繰り返しても性能の劣化が生じにくい固体二次電池を得た例が示されている。
従って、本発明の目的は、耐久性が向上し得る固体電池を提供することである。
また、本発明の他の目的は、耐久性が向上し得る固体電池の製造方法を提供することである。
本発明において固体電池の初期厚みとは、固体電池を製造するために負極と固体電解質層と正極との積層体に対して最後の圧力が加えられた後の固体電池の厚みを意味する。
負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤と、固体電解質層と正極とを第1の圧力でプレスする第1プレス工程、
得られた積層体を充電する充電工程、次いで
前記積層体を第1の圧力より大きい第2の圧力でプレスする第2プレス工程
を含む、前記製造方法に関する。
また、本発明によれば、耐久性が向上し得る固体電池を製造することができる。
1)前記固体電解質が硫化物固体電解質である前記固体電池。
2)前記硫化物固体電解質がLi2SおよびP2S5を含む前記固体電池。
3)前記正極が硫化物固体電解質と正極活物質とを含む正極合剤からなる前記固体電池。
4)前記負極および前記正極中の前記硫化物固体電解質の割合が各々10〜75質量%である前記固体電池。
5)前記第1の圧力(P1)に対する前記第2の圧力(P2)の比(P2/P1)が1.5〜10である前記製造方法。
6)前記固体電解質が硫化物固体電解質である前記製造方法。
本発明の実施態様の固体電池は、図1、3および4に示すように、第1の圧力でプレスする第1プレスを経て、充電による負極活物質の膨張状態で第2プレスされて負極を含む固体電池が成形され、その後の放電、充電により負極活物質の収縮、膨張が起こっても負極の状態は安定的に維持されている。
これに対して、本発明の範囲外の固体電池は、図2、3および4に示すように、負極活物質が膨張状態にない状態で本プレスされて負極を含む固体電池が成形されるため、その後の充放電により負極活物質の収縮が起こり負極の状態が大きく変化する。
すなわち、1サイクル後の出力は、本発明の実施態様の固体電池の方が本発明の範囲外の固体電池よりも大きい。
また、図6から、耐久後の本発明の実施態様の固体電池は、100サイクル耐久後の電池特性が本発明の範囲外の固体電池に比べて良好であることが確認される。
前記粒子状の金属としては、粒子状の金属あるいは合金、例えばAl、Sn、Si、In、Cu6Sn5など、前記の金属化合物としては、例えば前記金属の酸化物、硫化物あるいはりん化合物あるいは他の金属との合金や合金の酸化物、硫化物あるいはりん化合物など、例えばSiO、SnO、SnS、SnP、Ti2SnO6など、好適には金属、例えばAlが挙げられる。
前記の粒子状の金属又は金属化合物は、好適には平均粒径が2〜10μmであり得る。
また、前記炭素材としては、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボンなどが挙げられる。負極活物質は、粒子状である場合、平均粒径が好適には0.1〜50μの範囲内、特に2〜10μmであり得る。
また、負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤からなる負極の厚さは1〜200μm程度であり得る。
前記の固体電解質として、好適には硫化物粒子状の硫化物固体電解質、例えばLi2SとSiS2とを含むもの、例えばLi2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、liI−li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li3PS4、Li2S−P2S5などの硫化物系非晶質固体電解質、好適にはLi2S−P2S5が挙げられる。
前記の方法として、例えば両成分の粒子を炭化水素溶媒、例えばヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの鎖状アルカンあるいはシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタンなどの環状アルカンの存在下に、超音波ホモジナイザーを使って超音波分散させた後、乾燥して炭化水素溶媒を蒸発させることによって混合粉末を得る方法が挙げられる。
本発明の実施態様において、負極活物質と固体電解質との合計量に対する負極活物質の割合は、好適には10〜90質量%、特に25〜90質量%であり得る。
前記の正極活物質としては、Liイオン電池に使用できる活物質であれば特に制限はなく、層状、オリビン系、スピネル型であり得る。
前記の正極活物質として、コバルト酸リチウム(LixCoO2)、ニッケル酸リチウム(LixNiO2)、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム(Li1+xNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、リチウムコバルト酸ニッケル(LiCo0.3Ni0.7O2)、マンガン酸リチウム(LixMn2O4)、チタン酸リチウム(Li4/3Ti5/3O4)、リチウムマンガン酸化合物(Li1+xMyMn2−x−yO4;M=Al、Mg、Fe、Cr、Co、Ni、Zn)、チタン酸リチウム(LixTiOy)、リン酸金属リチウム(LiMPO4、M=Fe、Mn、Co、Ni)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化モリブデン(MoO3)、硫化チタン(TiS2)、リチウムコバルト窒化物(LiCoN)、リチウムシリコン窒化物(LiCoN)、リチウム金属、リチウム合金(LiM、M=Sn、Si、Al、Ge、Sb、P)、リチウム貯蔵性金属間化合物(MgxM、M=Sn、Ge、Sb、あるいはXySb、X=In、Cu、Mn)やそれらの誘導体が挙げられる。
特に、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4、LixNi1/2Mn1/2O2、LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Lix[NiyLi1/3−2y/3]O3(0≦x≦1、0<y<1/2)やこれらのリチウム遷移金属酸化物のリチウム又は遷移金属を他の元素で置換したリチウム遷移金属化合物、特にLiCoO2やLiNiO2などの層状、オリビンあるいはスピネルが挙げられる。
前記の導電助剤としては、VGCF(気相成長法炭素繊維、Vapor Grown Carbon Fiber)、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維などの炭素材、金属材を用い得る。
前記の正極を構成する正極合剤中の各構成材の割合は、好適には正極合剤100質量%中、正極活物質が25〜90質量%の範囲、例えば30〜80質量%、特に50〜80質量%で、硫化物固体電解質が10〜75質量%の範囲、例えば10〜50質量%、特に15〜50質量%で、導電助剤が10質量%以下、特に1〜10質量%であり得る。
前記の負極を構成する負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤と他の構成材である固体電解質層、好適には硫化物固体電解質層と正極とを、第1の圧力でプレスする第1プレス工程、
得られた積層体を充電する充電工程、次いで
前記積層体を第1の圧力より大きい第2の圧力でプレスする第2プレス工程
を含む方法によって得ることができる。
前記の方法において、前記第1の圧力は、例えば0.2〜2.5ton/cm2の範囲内の圧力であり得る。
また、前記第2の圧力は、固体電解質に塑性変形を生じさせる圧力以上であることが好適であり、例えば4〜8ton/cm2の範囲内の圧力であり得る。
特に、前記の方法において、第1の圧力(P1)に対する第2の圧力(P2)の比(P2/P1)が、1.5〜10であり得る。
また、前記の正極用の集電体として金属箔、例えばSUS箔、Al箔を、前記の負極用の集電体として金属箔、例えばSUS箔、Cu箔を用い得る。
以下の実施例は単に説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。
なお、以下に示す測定法は例示であって、当業者が同等と考える測定法も同様に用い得る。
以下の各例において、固体電池の変位率は、図7に模式図を示す装置を用いて固体電池(集電体/正極/固体電解質層(セパレート層)/負極/集電体)の製造時の各工程および各サイクルにおける厚みを測定し、初期厚みに対する変位率(%)を求めた。
1)固体電解質の合成
Li2S(日本化学工業社製)0.7656gとP2S5(アルドリッチ社)1.2344gとを秤量し、メノウ乳鉢で5分間混合し、その後ヘプタンを4g入れ、遊星型ボールミルを用いて40時間メカニカルミリングすることにより硫化物固体電解質を得た。
正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業社)12.03mgとVGCF(昭和電工社)0.51mg、前記の硫化物固体電解質材料5.03mgを秤量し、混合して正極合剤を得た。
負極活物質としてのグラファイト(三菱化学社)9.06mgと固体電解質8.24mgとを秤量し、混合して負極合剤を得た。
1cm2の金型に前記の固体電解質8mgを投入し、1ton/cm2でプレスして固体電解質層を形成し、その片側に前記の正極合剤17.57mgを入れ、1ton/cm2でプレスし正極を形成した。その逆側に負極合剤17.3mgを入れ、1ton/cm2でプレスし負極を形成した。また、正極集電体および負極集電体としてSUS304を用い、1.5MPaで定寸拘束を行った。
次いで、0.3mAで4.2Vまで充電し、4ton/cm2にてプレスして固体電池を得た。
この固体電池の初期厚みは191μmであった。なお、充電、第2プレス前の厚みは224μmであった。
3)電池評価
2.5Vまで0.3mAで放電を行い、容量を測定した。
その後、3.6Vに充電して電圧を調整し、ソーラートロンでインピーダンス解析を行って抵抗を求めた。
4)評価結果
また、充放電を3サイクル行って、初期厚み191μmに対する各サイクル後の電池変位(%)を図4に、充放電を1サイクル行った後の電池特性を図5に、60℃で充放電を100サイクル行った耐久後の電池の充放電を図6に示す。
さらに、前記の耐久後の電池についての放電容量、出力および複素インピーダンス法により測定した電池抵抗は以下の通りであった。
放電容量(mAh/g) 137.60
出力(mW/cm2) 23.56
電池抵抗(Ω) 116.08
1)硫化物固体電池の作製
1cm2の金型に前記の固体電解質8mgを投入し、1ton/cm2でプレスして固体電解質層を形成し、その片側に前記の正極合剤17.57mgを入れ、1ton/cm2でプレスし正極を形成した。その逆側に負極合剤17.3mgを入れ、4ton/cm2でプレスし負極を形成した。正極集電体および負極集電体としてSUS304を用い、1.5MPaで定寸拘束を行った後、1ton/cm2にてプレスして固体電池を得た。
この固体電池の初期厚みは197μmであった。
2)電池評価
得られた固体電池に0.3mAで4.2Vまで充電し、次いで2.5Vまで0.3mAで放電を行い、容量を測定した。
その後、3.6Vに充電して電圧を調整し、ソーラートロンでインピーダンス解析を行って抵抗を求めた。
3)評価結果
また、充放電を3サイクル行って、初期厚み197μmに対する各サイクル後の電池変位(%)を図4に、充放電を1サイクル行った後の電池特性を図5に、60℃で充放電を100サイクル行って耐久後の電池の充放電を図6に示す。
さらに、前記の耐久後の電池についての放電容量、出力および複素インピーダンス法により測定した電池抵抗は以下の通りであった。
放電容量(mAh/g) 130.78
出力(mW/cm2) 21.12
電池抵抗(Ω) 123.36
図4に示すように、実施例1の変位率は各サイクルにおいていずれも1.08%以内であり、比較例1の変位率は各サイクルにおいて5.3%であった。
図5から、1サイクル後の出力値が実施例1の固体電池に比べて比較例1の固体電池は低く、1サイクル後に固体電解質に状態変化が生じていることを示唆している。これに対して、実施例1の固体電池では電池特性が良好であって固体電解質に状態変化が生じていないことを示唆していて、耐久性が向上していることを示している。
また、図6から、実施例の固体電池は、耐久性が良好であることを示している。
また、本発明によって、耐久性が向上し得る固体電池を容易に製造することが可能である。
Claims (6)
- 固体電池の製造方法であって、
負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤と、固体電解質層と正極とを第1の圧力でプレスする第1プレス工程、
得られた積層体を充電する充電工程、次いで
充電による負極活物質の膨張状態で、前記積層体を第1の圧力より大きい第2の圧力でプレスする第2プレス工程
を含む、前記製造方法。 - 前記第1の圧力(P1)に対する前記第2の圧力(P2)の比(P2/P1)が、1.5〜10である請求項1に記載の製造方法。
- 前記固体電解質が、硫化物固体電解質である請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記硫化物固体電解質が、Li2SおよびP2S5を含む請求項3に記載の製造方法。
- 前記正極が、硫化物固体電解質と正極活物質とを含む正極合剤からなる請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記負極および前記正極中の前記硫化物固体電解質の割合が各々10〜75質量%である請求項5に記載の製造方法。
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