JP6175934B2 - 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、負極活物質を含む層の表面へ、第1固体電解質を含むスラリー状の組成物を塗布する過程を経て第1固体電解質層を形成することにより、負極活物質を含む層及び第1固体電解質層を有する負極電極体を作製する負極電極体作製工程と、正極活物質を含む層の表面へ、第2固体電解質を含むスラリー状の組成物を塗布する過程を経て第2固体電解質層を形成することにより、正極活物質を含む層及び第2固体電解質層を有する正極電極体を作製する正極電極体作製工程と、第1固体電解質層及び第2固体電解質層が、負極活物質を含む層及び正極活物質を含む層で挟まれるように、第1固体電解質層及び第2固体電解質層を接触させることにより、積層された負極電極体及び正極電極体を有する積層体を得る積層工程と、積層体を加熱プレスする接合工程と、を有し、積層工程で積層される負極電極体及び正極電極体は、予めプレスされており、第1固体電解質及び第2固体電解質の両方がガラスの固体電解質であるか、又は、第1固体電解質及び第2固体電解質の一方がガラスの固体電解質であるとともに他方がガラスセラミックスの固体電解質である、全固体電池の製造方法である。
本発明の第1の態様では、「固体電解質を含有している隣接する層」に相当する第1固体電解質層及び第2固体電解質層の、何れか一方又は両方に、ガラスの固体電解質が含まれている。ガラスの固体電解質は所定の温度へと加熱することにより軟化するため、積層工程の後に加熱プレスすることにより、第1固体電解質層及び第2固体電解質層を密着させることが可能になる。このようにして層の密着性を高めることにより、性能を向上させた全固体電池を製造することが可能になる。
本発明の第2の態様では、「固体電解質を含有している隣接する層」に相当する第2活物質及び固体電解質Cを含む層と固体電解質層との、何れか一方又は両方に、ガラスの固体電解質が含まれている。ガラスの固体電解質は所定の温度へと加熱することにより軟化するため、積層工程の後に加熱プレスすることにより、第1電極体と第2活物質及び固体電解質Cを含む層とを密着させることが可能になる。このようにして層の密着性を高めることにより、性能を向上させた全固体電池を製造することが可能になる。
また、上記本発明の第2の態様において、第1電極体作製工程の後であって、且つ、積層工程の前に、第1電極体の絶縁検査を行う絶縁検査工程を有することにより、絶縁性ではない状態と判断された第1電極体を除外することができ、その後の積層工程では短絡が生じ難い第1電極体を積層することが可能になる。かかる形態とすることにより、複数の第1電極体を有する全固体電池を製造する場合であっても短絡が生じ難くなるので、全固体電池の性能を向上させやすくなる。
図1は、第1実施形態にかかる本発明の全固体電池の製造方法(以下において、「第1実施形態の製造方法」という。)を説明する図である。図1には、第1実施形態の製造方法に含まれる一部の工程を抽出して示している。
S1乃至S3により、負極電極体が作製される。したがって、図1に示した第1実施形態の製造方法では、S1乃至S3が負極電極体作製工程に相当する。S3でプレスされた負極の形態例を図2に、S3でプレスされた第1固体電解質層の形態例を図3に、それぞれ示す。図2に示した負極1は、負極活物質1aと、ガラスセラミックスの固体電解質1bと、バインダー1cと、を有している。また、図3に示した第1固体電解質層2は、ガラスの第1固体電解質2aと、バインダー2bと、を有している。
S5は、第1固体電解質層が絶縁性であるか否かを検査できる工程であれば、その形態は特に限定されない。S5は、例えば、一対の電極のうち一方を第1固体電解質層に接触させ、且つ、他方を負極集電体に接触させた状態で電圧を付与することにより負極電極体の電気抵抗を特定する工程、とすることができる。そして、特定された電気抵抗が所定値以上であれば絶縁性、所定値未満であれば絶縁性ではないと判断し、前者の負極電極体は積層工程で使用し、後者の負極電極体は積層工程で使用しないように分類する。このような形態とすることにより、絶縁性の第1固体電解質層を有する負極電極体を積層工程で使用することができる。絶縁検査の精度を高めやすい形態にする観点から、S5は、第1固体電解質層と負極とが全面で接触するように、例えば1〜10MPa程度の圧力でプレスしてから絶縁検査を行うことが好ましい。S5で絶縁性の第1固体電解質層を有していると判断された負極電極体を、後述する積層工程で使用することにより、短絡が生じ難い全固体電池を製造しやすくなるので、全固体電池の性能を向上させやすくなる。
S6乃至S8により、正極電極体が作製される。したがって、図1に示した第1実施形態の製造方法では、S6乃至S8が正極電極体作製工程に相当する。S8でプレスされた正極の形態例を図4に示す。S8でプレスされた第2固体電解質層の形態は、S3でプレスされた第1固体電解質層の形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図4に示した正極3は、正極活物質3aと、ガラスセラミックスの固体電解質3bと、導電材3cと、バインダー3dと、を有している。
S11で負極電極体及び正極電極体を1つずつ積層することにより形成された積層体の形態例を図5に示す。図5において、図2〜図4と同様に構成されるものには、これらの図で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図5に示した積層体10は、負極集電体5と、この負極集電体5の表面に形成された負極1と、この負極1の表面に形成された第1固体電解質層2と、正極集電体6と、この正極集電体6の表面に形成された正極3と、この正極3の表面に形成された第2固体電解質層4と、を有している。第1固体電解質層2及び第2固体電解質層4は接触しており、この2つの層は、負極1及び正極3によって挟まれるように配置されている。
S12は、短絡が生じる単電池が含まれているか否かを検査できる工程であれば、その形態は特に限定されない。S12は、例えば、S5やS10のように、一対の電極のうち一方を積層体の積層方向一端側に接触させ、且つ、他方を当該積層方向の他端側に接触させた状態で電圧を付与することにより積層体の電気抵抗を特定する工程、とすることができる。短絡が生じる単電池は電気抵抗が小さいので、電気抵抗が所定値以上であるか否かによって、短絡が生じる単電池が含まれていないか否かを判断することができる。また、S12は、例えば、積層体の電圧を測定し、その電圧値の時間に対する変化量(dV/dt)を特定する工程、とすることができる。短絡が生じる単電池が含まれている場合には、単位時間当たりの電圧変化量(低下量)が大きくなるので、当該電圧変化量が所定値未満であるか否かによって、短絡が生じる単電池が含まれていないか否かを判断することができる。
このような方法により、S12で短絡が生じる単電池は含まれていないと判断された場合には、単電池を取り除くことなく、次の接合工程へと進められる。これに対し、S12で短絡が生じる単電池が含まれていると判断された場合、例えば、S11で作製された積層体について短絡検査を行ったのであれば、積層体を必要に応じて適宜分解して短絡が生じる単電池を特定し、さらに、短絡が生じる単電池を取り除いて積層体を作製し直して、短絡が生じる単電池が含まれていないと判断されるまでS12を繰り返してから、次の接合工程へと進められる。これに対し、例えば、S11で積層される単電池の数が増える毎に短絡検査を行う場合には、短絡が生じる単電池が含まれると判断された時の直前に積層した負極電極体及び正極電極体が原因と考えられるため、これらを取り除いて他の負極電極体及び正極電極体を積層して短絡検査を行い、必要な数の単電池の積層が終了するまで、負極電極体及び正極電極体の積層並びに短絡検査を繰り返す。このような形態とすることにより、短絡が生じない積層体を、次の接合工程で接合することができる。S12を積層工程と接合工程との間に行うことにより、積層された多数の単電池を有する全固体電池を製造する場合であっても、短絡が生じない積層体を次の接合工程で接合することが可能になるので、性能を向上させた全固体電池を製造しやすくなる。
ガラスセラミックスの固体電解質は加熱しても軟化し難い。そのため、図6Aに示したように、加熱プレスの前に行ったプレスによって形成されたプレス面同士を接触させて加熱プレスしても、一方のプレス面の形状は他方のプレス面の形状に追従し難い。その結果、加熱プレスを行っても、2つの層を密着させ難い。これに対し、ガラスの固体電解質は加熱することにより軟化する。そのため、図6Bに示したように、加熱プレスの前に行ったプレスによって形成されたプレス面同士を接触させて加熱プレスすると、一方のプレス面の形状が他方のプレス面の形状に追従するので、2つの層を密着させることができる。図6Bには、ガラスの固体電解質を用いた2つの層を加熱プレスする際の様子を示したが、一方の層にガラスの固体電解質が含まれていれば、ガラスの固体電解質を含む層は、加熱プレス時にもう一方の層の形状に追従するので、図6Bに示した場合のように、2つの層を密着させることができる。本発明では、このような考えに基づいて加熱プレスを行うので、隣接する層の界面を密着させて接触抵抗を低減することができ、その結果、性能を向上させた全固体電池を製造することが可能になる。
図7は、第2実施形態にかかる本発明の全固体電池の製造方法(以下において、「第2実施形態の製造方法」という。)を説明する図である。図7には、第2実施形態の製造方法に含まれる一部の工程を抽出して示している。
S21乃至S23により、負極電極体が作製される。図7に示した第2実施形態の製造方法では、S21乃至S23が第1電極体作製工程に相当する。
S28で負極電極体及び正極電極体を1つずつ積層することにより形成された積層体の形態例を図8に示す。図8において、図2〜図5と同様に構成されるものには、これらの図で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図8に示した積層体20は、負極集電体5と、この負極集電体5の表面に形成された負極1と、この負極1の表面に形成された固体電解質層11と、正極集電体6と、この正極集電体6の表面に形成された正極3と、を有している。固体電解質層11は、負極1及び正極3によって挟まれるように配置されている。
<実施例1>
・正極合材の作製
5wt%のブチレンゴム系バインダーを含むヘプタン溶液を入れたポリプロピレン製容器に、正極活物質(平均粒径4μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、固体電解質(平均粒径0.8μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)、及び、導電助剤(気相成長炭素繊維)を入れ、超音波分散装置(エスエムテー製、UH−50。以下において同じ。)で30秒間に亘って攪拌した。次に、容器を振とう器(柴田科学株式会社製、TTM−1。以下において同じ。)で3分間に亘って振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間に亘って攪拌した。
さらに振とう器で3分間に亘って振とうすることにより組成物を得た後、アプリケーターを使用してブレード法にてカーボン塗工Al箔(昭和電工製、SDX(「SDX」は昭和電工パッケージング株式会社の登録商標))上に組成物を塗工した。塗工した組成物を、100℃のホットプレート上で30分間に亘って乾燥させることにより、正極を得た。
5wt%のブチレンゴム系バインダーを含むヘプタン溶液を入れたポリプロピレン製容器に、負極活物質(平均粒径10μmの天然黒鉛系カーボン、三菱化学製)、及び、固体電解質(平均粒径1.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)を入れ、超音波分散装置で30秒間に亘って攪拌した。次に、容器を振とう器で30分間に亘って振とうさせることにより組成物を得た。
得られた組成物を、アプリケーターを使用してブレード法にてCu箔上に塗工した。塗工した組成物を、100℃のホットプレート上で30分間に亘って乾燥させることにより、負極を得た。
5wt%のブチレンゴム系バインダーを含むヘプタン溶液を入れたポリプロピレン製容器に、固体電解質(平均粒径2.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラス)を入れ、超音波分散装置で30秒間に亘って攪拌した。次に、容器を振とう器で30分間に亘って振とうさせることにより固体電解質層用ペーストを得た。
得られた固体電解質用ペーストを正極の表面に塗布し乾燥させた後、600MPaの圧力で平面プレスを行い、さらに1cm2の寸法に打ち抜くことにより、正極電極体を得た。
また、得られた固体電解質用ペーストを負極の表面に塗布し乾燥させた後、600MPaの圧力で平面プレスを行い、さらに1.33cm2の寸法に打ち抜くことにより、負極電極体を得た。
正極と負極との間に固体電解質層が配置されるように(正極の表面に形成した固体電解質層と負極の表面に形成した固体電解質層とが接触するように)、得られた正極電極体及び負極電極体を積層することにより積層体を形成した後、1軸平面プレス機で、100MPaで積層体を加圧しながら温度を上げ、120℃に達したら3分間に亘って保持(加熱プレス)することにより、積層体に含まれている隣接する層の界面を接合した。このようにして、一体化された積層体を得た後、これを正極タブ及び負極タブを備えたラミネートへ封入することにより、全固体電池を作製した。
加熱プレスの条件を、100MPaで積層体を加圧しながら温度を上げ、150℃に達したら3分間に亘って保持する、に変更した以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
加熱プレスの条件を、100MPaで積層体を加圧しながら温度を上げ、180℃に達したら3分間に亘って保持する、に変更した以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
正極合材を作製する際に、固体電解質として、平均粒径0.8μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックスの代わりに平均粒径0.8μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスを使用し、且つ、負極合材を作製する際に、固体電解質として、平均粒径1.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックスの代わりに平均粒径1.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスを使用した以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
固体電解質層用ペーストを作製する際に、固体電解質として、平均粒径2.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスの代わりに平均粒径2.5μmのLiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックスを使用し、且つ、加熱プレスの条件を、400MPaで積層体を加圧しながら温度を上げ、120℃に達したら3分間に亘って保持する、に変更した以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
実施例1〜実施例4及び比較例の各全固体電池を作製する際に使用した材料の概要を、表1に示す。
実施例1〜実施例4、及び、比較例の各全固体電池について、1/3C−CCCV充放電をした後、SOC20%までSOC調整を行った。そして、SOC20%から2.5Vカットの定ワット放電を行い、5秒間に亘って放電可能な出力を測定することにより、各全固体電池の性能を比較した。実施例4の全固体電池の出力を100とした時の各全固体電池の出力、及び、全固体電池作製時のプレス条件を表2に示す。また、実施例4の全固体電池の出力を100とした時の各全固体電池の出力を図9に示す。
表2及び図9に示したように、実施例1〜実施例4の各全固体電池では、短絡が発生しなかった。また、正極や負極にガラスセラミックスの固体電解質を用いた実施例1〜実施例3の各全固体電池は、正極や負極にガラスの固体電解質を用いた実施例4の全固体電池よりも出力が向上した。実施例1〜実施例3の各全固体電池のうち、加熱プレスの温度を120℃にした実施例1、及び、加熱プレスの温度を150℃にした実施例2は、出力に差がなかったが、加熱プレスの温度を固体電解質が結晶化する温度以上の180℃にした実施例3は、実施例1及び実施例2よりも出力が向上した。これは、結晶化温度未満からプレスを開始することにより隣接する層の密着性が向上し、さらに、加熱プレスの温度を結晶化温度以上にすることによってガラスの固体電解質がガラスセラミックスの固体電解質になった結果、イオン伝導度が向上したためであると考えられる。
これに対し、正極、負極、及び、固体電解質層のすべてにガラスセラミックスの固体電解質を用いた比較例では、加熱プレスを行っても、負極電極体の固体電解質層と正極電極体の固体電解質層とを接合することができなかったため、出力を測定することができなかった。このように、優れたイオン伝導性能を有するガラスセラミックスの固体電解質を用いても、全固体電池に備えられている層同士が接合されていないと全固体電池の出力を向上させることはできないが、一部にガラスの固体電解質を用いて各層の密着性を高めることにより、出力を向上させた全固体電池を製造できることが確認された。
1a…負極活物質
1b、3b…固体電解質
1c、2b、3d…バインダー
2…第1固体電解質層
2a…第1固体電解質
3…正極
3a…正極活物質
3c…導電材
4…第2固体電解質層
5…負極集電体
6…正極集電体
10、20…積層体
11…固体電解質層
Claims (9)
- 負極活物質を含む層の表面へ、第1固体電解質を含むスラリー状の組成物を塗布する過程を経て第1固体電解質層を形成することにより、前記負極活物質を含む層及び前記第1固体電解質層を有する負極電極体を作製する、負極電極体作製工程と、
正極活物質を含む層の表面へ、第2固体電解質を含むスラリー状の組成物を塗布する過程を経て第2固体電解質層を形成することにより、前記正極活物質を含む層及び前記第2固体電解質層を有する正極電極体を作製する、正極電極体作製工程と、
前記第1固体電解質層及び前記第2固体電解質層が、前記負極活物質を含む層及び前記正極活物質を含む層で挟まれるように、前記第1固体電解質層及び前記第2固体電解質層を接触させることにより、積層された前記負極電極体及び前記正極電極体を有する積層体を得る、積層工程と、
前記積層体を加熱プレスする接合工程と、を有し、
前記積層工程で積層される前記負極電極体及び前記正極電極体は、予めプレスされており、
前記第1固体電解質及び前記第2固体電解質の両方がガラスの固体電解質であるか、又は、前記第1固体電解質及び前記第2固体電解質の一方がガラスの固体電解質であるとともに他方がガラスセラミックスの固体電解質である、全固体電池の製造方法。 - 前記負極活物質を含む層と、前記正極活物質を含む層とは、積層面の大きさが異なる、請求項1に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記負極活物質を含む層及び前記正極活物質を含む層の少なくとも一方は、ガラスセラミックスの固体電解質を含む、請求項1又は2に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記負極電極体作製工程の後であって、且つ、前記積層工程の前に、前記負極電極体の絶縁検査を行う絶縁検査工程を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記正極電極体作製工程の後であって、且つ、前記積層工程の前に、前記正極電極体の絶縁検査を行う絶縁検査工程を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記積層工程の開始後であって、且つ、前記接合工程の前に、短絡検査を行う短絡検査工程を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の全固体電池の製造方法。
- 第1活物質及び固体電解質Aを含む層の表面へ、固体電解質Bを含む固体電解質層を形成することにより、前記第1活物質及び固体電解質Aを含む層並びに前記固体電解質層を有する第1電極体を作製する、第1電極体作製工程と、
前記固体電解質層が、前記第1活物質及び固体電解質Aを含む層、並びに、第2活物質及び固体電解質Cを含む層によって挟まれるように、前記第1電極体と前記第2活物質及び固体電解質Cを含む層とを接触させることにより、積層された前記第1電極体、並びに、前記第2活物質及び固体電解質Cを含む層を有する積層体を得る、積層工程と、
前記積層体を加熱プレスする接合工程と、を有し、
前記第1電極体作製工程の後であって、且つ、前記積層工程の前に、前記第1電極体の絶縁検査を行う絶縁検査工程を有し、
前記固体電解質Bは、ガラスの固体電解質である、全固体電池の製造方法。 - 前記固体電解質A及び前記固体電解質Cの少なくとも一方は、ガラスセラミックスの固体電解質である、請求項7に記載の全固体電池の製造方法。
- 前記積層工程の開始後であって、且つ、前記接合工程の前に、短絡検査を行う短絡検査工程を有する、請求項7又は8に記載の全固体電池の製造方法。
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