JP6416370B2 - 固体電解質組成物、電池用電極シート及びその製造方法、並びに全固体二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の一実施形態は、固体電解質組成物、電池用電極シート及びその製造方法、並びに全固体二次電池及びその製造方法に関する。
電気自動車や家庭用蓄電池などに用いられる中型蓄電池又は大型蓄電池として、軽量でエネルギー密度が大きいリチウムイオン電池が使用されている。リチウムイオン電池は、電解質として有機電解液を用いているため、液漏れや発火が懸念される。近年、安全性や信頼性を向上させる観点から、電解質を不燃性の無機固体電解質に置き換えた全固体二次電池の研究が行われている。無機固体電解質には、硫化物系無機固体電解質と酸化物系無機固体電解質とがあり、硫化物系無機固体電解質は、室温で有機電解液と同等(10−3S/cm程度)のイオン伝導性が実現されている。
全固体二次電池は無機電解質を電極で挟んだ構造をとる。電極は、粉末状の活物質、固体電解質、及び導電助剤などの混合物からなる電極活物質にバインダー及び溶媒を添加して分散液を調製し、この分散液を集電体の表面に付与し膜形状とすることで得られる。
上記のように粉末の混合物を原料とする場合、形成される全固体二次電池は、イオン伝導パス及び電子伝導パスの欠陥が多く発生し、電池性能が低下する問題があった。加えて、充放電サイクルの繰り返しにより電極全体が膨張収縮して、粒子間の接触が悪くなって粒界抵抗が発生し、充放電特性が低下する問題があった。
可撓性を維持したまま、活物質粒子との結着性及び集電体との密着性が良好なバインダーとして、例えば、特開2013−45683号公報には、シリコーン構造の一部が極性基で置換されたシリコーン樹脂が開示されている。また、国際公開第2013/1623号には、分岐型バインダーとして分岐構造を有する炭化水素ゴムが開示されている。
一方、無機固体電解質は、空気中の水分と反応してイオン伝導性が低下したり、電池駆動中に無機固体電解質が酸化還元を受けて劣化するため電池寿命が短いという問題がある。この問題に対して、イオン伝導を阻害することなく、無機電解質粒子の表面を保護し空気中の水分の浸入を良好に抑制したり、活物質からの電子パスによる酸化還元を抑制することができるバインダーが求められる。例えば、特開2009−117168号公報には、正極及び負極と、正極及び負極に挟まれて位置する硫化物固体電解質と、硫化物固体電解質を被覆する液状物質(絶縁性の油)とを備える全固体電池が開示されている。この全固体電池によれば、硫化物固体電解質を用いて導電率を確保しながら、大気中の水分との反応による硫化水素の発生を防止することができるとされている。
また、国際公開第2013/146896号には、吸着基を有するバインダーを用いることで無機固体電解質の表面と相互作用し酸化還元による劣化を抑制する全固体電池が開示されている。
特開2013−45683号公報には活物質粒子との結着性が良好なバインダーが、国際公開第2013/1623号には固体電解質材料を結着する分岐型バインダーが、特開2009−117168号公報及び国際公開第2013/146896号には無機固体電解質と水分との反応を抑制するバインダーが開示されている。しかしながら、特開2013−45683号公報、国際公開第2013/1623号、特開2009−117168号公報、及び国際公開第2013/146896号に開示されたバインダーでは、さらに高まるリチウムイオン電池の高性能化のニーズに応えるには、いまだ十分ではなく、さらなる改良が望まれる。
本発明の一実施形態は、上記に鑑みなされたものであり、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化が抑制され、分散安定性に優れた固体電解質組成物、イオン伝導性、及び耐湿性に優れた電池用電極シート及びその製造方法、並びに、高電圧が得られ、サイクル寿命の長い全固体二次電池及びその製造方法の提供を目的とし、これらの目的を達成することを課題とする。
課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
<1> 周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、下記一般式(1)で表される化合物(B)と、を含む固体電解質組成物。
一般式(1)中、Rは、m+n価の連結基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
mは1〜8、nは1〜9を表し、m+nは3〜10を満たす。
mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。
<2> 一般式(1)で表される化合物(B)は、下記一般式(2)で表される化合物である<1>に記載の固体電解質組成物。
一般式(2)中、Rは、m+n価の連結基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
mは1〜8、nは1〜9を表し、m+nは3〜10を満たす。
mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。
Xは、酸素原子又は硫黄原子を表す。
<3> Aが、カルボキシ基、アミノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基である<1>又は<2>に記載の固体電解質組成物。
<4> Pで表される基の式量が、200以上100,000未満である<1>〜<3>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<5> Pが、炭素数8以上の脂肪族炭化水素基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリエステル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリアミド残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリエステル残基、及び炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリアミド残基から選択される少なくとも1つの基である<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<6> 炭素数8以上の脂肪族炭化水素基が、炭素数8以上のアルキル基、炭素数8以上のアリール基、炭素数8以上の飽和脂肪酸残基から形成される基、及び炭素数8以上の不飽和脂肪酸残基から形成される基から選択される少なくとも1つの基である<5>に記載の固体電解質組成物。
<7> 炭素数8以上の脂肪族炭化水素基が、炭素数8以上50未満の飽和脂肪酸残基又は炭素数8以上50未満の不飽和脂肪酸残基から形成される基である<5>又は<6>に記載の固体電解質組成物。
<8> Rが、多価糖アルコール残基である<1>〜<7>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<9> mが2〜5であり、nが2〜4である<1>〜<8>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<10> m+nが4〜6である<1>〜<9>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<11> 一般式(1)で表される化合物(B)の重量平均分子量が、600以上200,000未満である<1>〜<10>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<12> さらにバインダー(C)を含む<1>〜<11>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<13> 無機固体電解質(A)は、硫化物系無機固体電解質である<1>〜<12>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<14> 無機固体電解質(A)は、酸化物系無機固体電解質である<1>〜<12>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<15> 無機固体電解質(A)100質量部に対する一般式(1)で表される化合物(B)の含有量が、0.01質量部以上20質量部以下である<1>〜<14>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<16> さらに分散媒(D)として炭化水素系溶媒を含む<1>〜<15>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<17> 集電体と、<1>〜<16>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を用いて集電体の上に配置された無機固体電解質含有層と、を有する電池用電極シート。
<18> 正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された無機固体電解質層と、を有し、
正極活物質層、負極活物質層、及び無機固体電解質層の少なくとも1つの層は、無機固体電解質含有層である<17>に記載の電池用電極シート。
<19> <1>〜<16>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、無機固体電解質含有層を形成する工程を有する電池用電極シートの製造方法。
<20> 集電体と、正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された無機固体電解質層と、を有し、正極活物質層、負極活物質層、及び無機固体電解質層の少なくとも1つの層が、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、下記一般式(1)で表される化合物(B)と、を含む全固体二次電池。
一般式(1)中、Rは、m+n価の連結基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
mは1〜8、nは1〜9を表し、m+nは3〜10を満たす。
mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。
<21> <17>又は<18>に記載の電池用電極シートを備えた全固体二次電池。
<22> <17>又は<18>に記載の電池用電極シートを用いて全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
<23> <1>〜<16>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、無機固体電解質含有層を形成することにより電池用電極シートを製造する工程を有する全固体二次電池の製造方法。
本発明の一実施形態によれば、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化が抑制され、分散安定性に優れた固体電解質組成物、イオン伝導性、及び耐湿性に優れた電池用電極シート及びその製造方法、並びに、高電圧が得られ、耐湿性に優れ、サイクル寿命の長い全固体二次電池及びその製造方法が提供される。
本発明の一実施形態に係る全固体二次電池を模式化して示す概略断面図である。 実施例で用いた試験装置を模式的に示す側断面図である。
以下、固体電解質組成物、電池用電極シート及びその製造方法、並びに全固体二次電池及びその製造方法について詳細に説明する。
本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
「組成物」とは、2種以上の成分が混合された混合物を指す。ただし、組成物は、実質的に均一性を有していればよく、所望の効果を奏する範囲であれば部分的に凝集又は偏在が生じていてもよい。
<固体電解質組成物>
固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、一般式(1)で表される化合物(B)と、を含む。
本発明の一実施形態における作用機構の詳細は不明であるが、以下のように推測される。
固体電解質組成物は、無機固体電解質(A)の表面と相互作用し得る基(一般式(1)中のAで表される基)と、炭素数が8以上の炭化水素基を含む基(一般式(1)中のPで表される基)と、を有する化合物を含むことで、一般式(1)で表される化合物のAで表される基が無機固体電解質の表面と結合し、無機固体電解質の表面に疎水的なPが配置され、無機固体電解質の疎水性がより高められる。
このように無機固体電解質の表面に、疎水的なPが配置されることで、水分や酸化還元反応に起因する無機固体電解質のイオン伝導性の劣化を抑制することができると考えられる。
また、一般式(1)で表される化合物は、構造中に分岐を有するため、水分や酸化還元反応に起因する無機固体電解質の劣化を抑制する効果を効率よく発現することができる。
さらには、一般式(1)で表される化合物は、Pで表される基を有するため、固体電解質組成物の分散媒として炭化水素系溶媒を用いた場合、分散安定性に優れた組成物となると考えられる。
これらのことから、固体電解質組成物は、無機固体電解質の酸化還元劣化が抑制され、分散安定性に優れると考えられる。
これにより、電池用電極シートを作製した場合には、優れたイオン伝導性及び耐湿性が得られ、高電圧が得られ、サイクル寿命の長い全固体二次電池が得られる。
これらの効果は、従来のバインダー(例えば、特開2013−45683号公報、国際公開第2013/1623号、特開2009−117168号公報、国際公開第2013/146896号に記載のバインダー)では期待できない。
[無機固体電解質(A)]
固体電解質組成物は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質の少なくとも一種を含む。
無機固体電解質とは、無機物から形成される固体電解質のこという。固体電解質とは、電解質内部においてイオンを移動させることができる固体のこという。
無機固体電解質は、有機物、すなわち炭素原子を含まないため、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。
また、無機固体電解質は、定常状態では固体であるため、カチオン及びアニオンが解離若しくは遊離しておらず、電解液中又はポリマー中でカチオン及びアニオンが解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF、LiBF、LiFSI、LiClなど)とも明確に区別される。
固体電解質組成物が、無機固体電解質を含むことで、固体電解質組成物を用いて電極(正極又は負極)活物質層又は無機固体電解質層を形成し、これらの層を用いて電池を作製した際、電極間のイオン伝導を担う。そのため、これらの層を用いて作製された電池は電池として機能する。
無機固体電解質は、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する化合物であれば特に限定されず、電子伝導性を有さないものが一般的である。
無機固体電解質は、リチウムイオン電池分野で公知の固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質はとしては、イオン伝導度の観点から(i)硫化物系無機固体電解質及び(ii)酸化物系無機固体電解質が好ましい。
(i)硫化物系無機固体電解質
硫化物系無機固体電解質は、硫黄(S)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有するものであれば特に限定されない。硫化物系無機固体電解質は電子絶縁性を有するものが好ましい。例えば、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が挙げられる。
Li …式(1)
式(1)中、Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。元素の中でも、B、Sn、Si、Al、及びGeが好ましく、Sn、Al、及びGeがより好ましい。
式(1)中、Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。元素の中でも、I、Brが好ましく、Iがより好ましい。
式(1)中、a〜eは各元素の組成比を示し、a:b:c:d:eは元素比で、1〜12:0〜1:1:2〜12:0〜5を満たす。各元素の組成比として、aは1〜9が好ましく、1.5〜4がより好ましい。bは0〜0.5が好ましい。dは、3〜7が好ましく、3.25〜4.5がより好ましい。eは、0〜3が好ましく、0〜2がより好ましい。
式(1)において、b及びeが0であることが好ましく、a:b:c:d:eが1〜9:0:1:3〜7:0であることがより好ましく、a:b:c:d:eが1.5〜4:0:1:3.25〜4.5:0であることがさらに好ましい。
各元素の組成比は、後述するように硫化物系無機固体電解質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。
硫化物系無機固体電解質は、非結晶(ガラス)であってもよく、一部が結晶化(ガラスセラミック化)した硫化物ガラスセラミック(ガラスセラミックス状硫化物系無機固体電解質)であってもよい。
硫化物系無機固体電解質としては、イオン伝導性に優れる観点からLi/P/S系ガラス及びLi/P/S系ガラスセラミックスが好ましい。
Li/P/S系ガラスとは、Li元素、P元素、S元素を含む非結晶の硫化物系無機固体電解質を意味し、Li/P/S系ガラスセラミックスとは、Li元素、P元素、S元素を含むガラスセラミックス状硫化物系無機固体電解質を意味する。
Li/P/S系ガラス及びLi/P/S系ガラスセラミックスは、[1]硫化リチウム(LiS)と五硫化二リン(P)、[2]硫化リチウムと単体リン及び単体硫黄の少なくとも一方、又は[3]硫化リチウムと五硫化二リンと単体リン及び単体硫黄の少なくとも一方から製造することができる。
Li/P/S系ガラス及びLi/P/S系ガラスセラミックスにおける、LiSとPとの比率は、モル比(LiS:P)で、好ましくは65:35〜85:15、より好ましくは68:32〜75:25である。
LiSとPとの比率をこの範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度を高いものとすることができる。具体的には、リチウムイオン伝導度を好ましくは1×10−4S/cm以上、より好ましくは1×10−3S/cm以上とすることができる。
上限は特にないが、1×10−1S/cm以下であることが実際的である。
具体的な化合物例としては、LiSと、第13族〜第15族の元素の硫化物と、を含有する原料組成物を含む固体電解質を挙げることができる。具体的には、LiS/P、LiS/LiI/P、LiS/LiI/LiO/P、LiS/LiBr/P、LiS/LiO/P、LiS/LiPO/P、LiS/P/P、LiS/P/SiS、LiS/P/SnS、LiS/P/Al、LiS/GeS、LiS/GeS/ZnS、LiS/Ga、LiS/GeS/Ga、LiS/GeS/P、LiS/GeS/Sb、LiS/GeS/Al、LiS/SiS、LiS/Al、LiS/SiS/Al、LiS/SiS/P、LiS/SiS/P/LiI、LiS/SiS/LiI、LiS/SiS/LiSiO、LiS/SiS/LiPO、及びLi10GeP12などが挙げられる。
中でも、LiS/P、LiS/GeS/Ga、LiS/LiI/P、LiS/LiI/LiO/P、LiS/GeS/P、LiS/SiS/P、LiS/SiS/LiSiO、LiS/SiS/LiPO4、LiS/LiPO/P、LiS/GeS/P、又はLi10GeP12を含む固体電解質が好ましい。上記のような結晶質の原料組成物又は非晶質の原料組成物は、高いリチウムイオン伝導性を有するため好ましい。
上記のような原料組成物を用いて硫化物固体電解質材料を合成する方法としては、例えば、非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法及び溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。メカニカルミリング法は、常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができる点で好ましい。
(ii)酸化物系無機固体電解質
酸化物系無機固体電解質は、酸素(O)を含有し、かつ、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオン伝導性を有するのであれば特に限定されない。酸化物系無機固体電解質は、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
具体的な化合物例としては、LiLaTiO〔x=0.3〜0.7、y=0.3〜0.7〕(LLT)、LiLaZr(MはAl,Mg,Ca,Sr,V,Nb,Ta,Ti,Ge,In,及びSnの少なくとも1種以上の元素でありxは5≦x≦10を満たし、yは1≦y≦4を満たし、zは1≦z≦4を満たし、mは0≦m≦2を満たし、nは5≦n≦20を満たす。)Li(式中MはC,S,Al,Si,Ga,Ge,In,及びSnの少なくとも1種以上の元素でありxは0≦x≦5を満たし、yは0≦y≦1を満たし、zは0≦z≦1を満たし、nは0≦n≦6を満たす。)、Li(Al,Ga)(Ti,Ge)Si(ただし、1≦x≦3、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦a≦1、1≦m≦7、3≦n≦13)、Li(3−2x)DO(xは0以上0.1以下の数を表し、Mは2価の金属原子を表す。Dはハロゲン原子又は2種以上のハロゲン原子の組み合わせを表す。)、LiSi(1≦x≦5、0<y≦3、1≦z≦10)、Li(1≦x≦3、0<y≦2、1≦z≦10)、LiBO−LiSO、LiO−B−P、LiO−SiO、LiBaLaTa12、LiPO(4−3/2w)(wはw<1)、LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO、ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO、NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi12、Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge)2−xSi3−y12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)、及びガーネット型結晶構造を有するLiLaZr12等が挙げられる。また、Li、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えば、リン酸リチウム(LiPO)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、LiPOD(Dは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、及びAu等から選ばれた少なくとも1種)が挙げられる。また、LiAON(Aは、Si、B、Ge、Al、C、及びGa等から選ばれる少なくとも1種)等も好ましく用いることができる。
中でも、LiLaTiO〔x=0.3〜0.7、y=0.3〜0.7〕(LLT)、LiLaZr(MはAl,Mg,Ca,Sr,V,Nb,Ta,Ti,Ge,In,及びSnの少なくとも1種以上の元素でありxは5≦x≦10を満たし、yは1≦y≦4を満たし、zは1≦z≦4を満たし、mは0≦m≦2を満たし、nは5≦n≦20を満たす。)、LiLaZr12(LLZ)、LiBO、LiBO/LiSO、Li(Al,Ga)(Ti,Ge)Si(ただし、1≦x≦3、0≦y≦1、0≦z≦2、0≦a≦1、1≦m≦7、3≦n≦13)が好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
リチウムイオン伝導性の酸化物系無機固体電解質としてのイオン伝導度は、1×10−6S/cm以上であることが好ましく、5×10−6S/cm以上であることがより好ましく、1×10−5S/cm以上であることが特に好ましい。
固体電解質組成物においては、硫化物系無機固体電解質を用いることが好ましい。
硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が高いため、全固体二次電池において本発明の一実施形態の効果が顕著に現れる。
上記無機固体電解質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
イオン伝導度は、所期の厚みで成形された無機固体電解質層に対し、1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER(SOLARTRON社製)を用いて電圧振幅5mV、周波数1MHz〜1Hzにて交流インピーダンス測定することにより膜厚方向の抵抗を求め、下記式により算出される値(S/cm)である。測定は30℃の恒温槽中で行う。
イオン伝導度=1000×層厚(cm)/(抵抗(Ω)×層の面積(cm))
無機固体電解質の形状は特に限定されないが、粒子状であることが好ましい。
無機固体電解質の体積平均粒子径は、特に限定されないが、0.01μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましい。体積平均粒子径の上限としては、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましい。
体積平均粒子径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920((株)堀場製作所製)にて測定される値である。
固体電解質組成物中における無機固体電解質の含有量は、電池性能と界面抵抗の低減及び維持効果の両立を考慮したとき、固体電解質組成物の固形成分100質量%に対して、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましい。含有量の上限としては、同様の観点から、99.9質量%以下が好ましく、99.5質量%以下がより好ましく、99.0質量%以下がさらに好ましい。
ただし、後述の正極活物質又は負極活物質とともに用いるときには、無機固体電解質と正極活物質又は負極活物質との合計質量が上記の範囲であることが好ましい。
[一般式(1)で表される化合物(B)]
固体電解質組成物は、一般式(1)で表される化合物(以下、高分子分散剤ともいう)の少なくとも一種を含む。
一般式(1)で表される化合物は、前述の無機固体電解質の表面に吸着することで、無機固体電解質を水分及び酸化還元反応から保護することができる。そのため、固体電解質組成物中に、一般式(1)で表される化合物が含まれることで、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化を抑制する効果を有する。
一般式(1)中、Rは、m+n価の連結基を表す。
m+n価の連結基としては、1個〜100個の炭素原子、0個〜10個の窒素原子、0個〜50個の酸素原子、1個〜200個の水素原子、及び0個〜20個の硫黄原子の組み合わせから形成される基が好ましい。これらの基は、無置換でもよく、さらに置換基に有していてもよい。
m+n価の連結基の具体例としては、下記の3価以上の構造単位、又は下記の構造単位を2以上組み合わせた3価以上の連結基(環構造を含む)が挙げられる。
m+n価の連結基が、さらに置換基を有する場合、置換基としては、例えば、メチル基及びエチル基等の炭素数1から20までのアルキル基、フェニル基及びナフチル基等の炭素数6から16までのアリール基、水酸基、アミノ基、カルボキシ基、スルホンアミド基、N−スルホニルアミド基、アセトキシ基等の炭素数1から6までのアシルオキシ基、メトキシ基及びエトキシ基等の炭素数1から6までのアルコキシ基、塩素及び臭素等のハロゲン原子、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基及びシクロヘキシルオキシカルボニル基等の炭素数2から7までのアルコキシカルボニル基、シアノ基、t−ブチルカーボネート等の炭酸エステル基が挙げられる。
m+n価の連結基は、下記一般式(1a)〜一般式(1d)のいずれかで表される基であることが好ましい。
一般式(1a)中、Lは3価の基を表す。Tは単結合又は2価の連結基を表し、3個のTは互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
の好適な態様としては、3価の炭化水素基(炭素数1〜10が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、3価の複素環基(5員環〜7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、−O−)が含まれていてもよい。Lの具体例としては、グリセリン残基、トリメチロールプロパン残基、フロログルシノール残基、及びシクロヘキサントリオール残基などが挙げられる。
一般式(1b)中、Lは4価の基を表す。Tは単結合又は2価の連結基を表し、4個のTは互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
なお、Lの好適な態様としては、4価の炭化水素基(炭素数1〜10が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、4価の複素環基(5〜7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、−O−)が含まれていてもよい。Lの具体例としては、ペンタエリスリトール残基、及びジトリメチロールプロパン残基などが挙げられる。
一般式(1c)中、Lは5価の基を表す。Tは単結合又は2価の連結基を表し、5個のTは互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
なお、Lの好適な態様としては、5価の炭化水素基(炭素数2〜10が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、5価の複素環基(5〜7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、−O−)が含まれていてもよい。Lの具体例としては、アラビニトール残基、フロログルシドール残基、及びシクロヘキサンペンタオール残基などが挙げられる。
一般式(1d)中、Lは6価の基を表す。Tは単結合又は2価の連結基を表し、6個のTは互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
なお、Lの好適な態様としては、6価の炭化水素基(炭素数2〜10が好ましい。なお、炭化水素基は、芳香族炭化水素基でもよく脂肪族炭化水素基でもよい。)、又は、6価の複素環基(6〜7員環の複素環基が好ましい)が挙げられ、炭化水素基にはヘテロ原子(例えば、−O−)が含まれていてもよい。Lの具体例としては、マンニトール残基、ソルビトール残基、ジペンタエリスリトール残基、ヘキサヒドロキシベンゼン、及びヘキサヒドロキシシクロヘキサン残基などが挙げられる。
一般式(1a)〜一般式(1d)中、T〜Tで表される2価の連結基の具体例及び好適な態様は、後述するRで表される2価の連結基と同じである。
また、一般式(1)中、Rは、多価糖アルコール残基であることが好ましい。多価糖アルコールとしては、例えば、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジトリメチロールプロパン、アラビニトール、マンニトール、ソルビトール、ジペンタエリスリトールが挙げられる。
一般式(1)中、Rで表される(m+n)価の連結基の具体的な例としては、以下の具体例(1)〜具体例(23)が挙げられる。但し、本発明の一実施形態においては、これらに制限されるものではない。
上記の具体例(1)〜具体例(23)の中でも、原料の入手性、合成の容易さ、及び各種溶媒への溶解性の観点から、具体例(1)、具体例(2)、具体例(10)、具体例(11)、及び具体例(16)〜具体例(20)が好ましい。
で表されるm+n価の連結基の重量平均分子量は特に制限されないが、無機固体電解質の分散性がより優れる観点、並びに無機固体電解質の表面を保護し耐湿性及び耐酸化還元性を向上させる効果の観点から、3000以下が好ましく、1500以下がより好ましい。m+n価の連結基の重量平均分子量の下限は特に制限されないが、一般式(1)を合成する際の合成のしやすさの観点から、50以上が好ましく、100以上がより好ましく、500以上が好ましい。
重量平均分子量の測定は、HPC−8220GPC(東ソー製)、ガードカラム:TSKguardcolumn SuperHZ−L、カラム:TSKgel SuperHZM−M、TSKgel SuperHZ4000、TSKgel SuperHZ3000、TSKgel SuperHZ2000を直結し、カラム温度40℃、試料濃度0.1質量%のテトラヒドロフラン溶液を10μl注入し、溶出溶媒としてテトラヒドロフランを毎分0.35mlの流量でフローさせ、示差屈折率(RI)検出装置にて試料ピークを検出することで行う。また、重量平均分子量は、標準ポリスチレンを用いて作製した検量線を用いて計算する。
一般式(1)中、Aは、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、チオール基、及びヒドロキシ基(以下、総称して「吸着部位」とも称す)から選択される基を少なくとも1種含む基を表す。なお、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイル又はメタクリロイルを意味し、「(メタ)アクリル」とは、アクリル又はメタクリルを意味する。
これらの基は、無機固体電解質と相互作用しやすく、いわゆる吸着性基として機能する。一般式(1)中、nが2以上である場合、n個のAは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
吸着部位は、1つのAの中に、少なくとも1種含まれていればよく、2種以上含まれていてもよい。上記の「吸着部位から選択される基を少なくとも1種含む基」は、前述の吸着部位と、1〜200個の炭素原子、0個〜20個の窒素原子、0個〜100個の酸素原子、1個〜400個の水素原子、及び0個〜40個の硫黄原子の組み合わせから形成される基と、が結合してなる1価の基であることが好ましい。
なお、吸着部位自体が1価の基を形成しうる場合には、吸着部位そのものがAで表される基であってもよい。
また、吸着部位が2つ以上含まれる態様としては、鎖状飽和炭化水素基(直鎖状でもよく、分岐状でもよく、炭素数1〜10であることが好ましい)、環状飽和炭化水素基(炭素数3〜10であることが好ましい)、芳香族基(炭素数5〜10であることが好ましく、例えば、フェニレン基)等を介して2個以上の吸着部位が結合した1価の基等が挙げられ、鎖状飽和炭化水素基を介して2個以上の吸着部位が結合した1価の基が好ましい。
以下に「吸着部位」である各基について詳述する。
一般式(1)中のAにおける「酸性基」として、例えば、カルボキシ基、スルホン酸基、モノ硫酸エステル基、リン酸基、モノリン酸エステル基、ホウ酸基が好ましく、カルボキシ基、スルホン酸基、モノ硫酸エステル基、リン酸基、及びモノリン酸エステル基がより好ましく、カルボキシ基、スルホン酸基、及びリン酸基がさらに好ましい。
への酸性基の導入方法としては、Rで表されるm+n価の連結基に対して、例えば、(メタ)アクリル酸、及びイタコン酸などの酸性基を有するモノマーをマイケル付加する方法、また、例えば、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水コハク酸などの酸無水物を開環させる方法が挙げられる。
一般式(1)中のAにおける「塩基性窒素原子を有する基」として、例えば、アミノ基(−NH)、置換イミノ基(−NHR、−NR10、ここで、R、R、及びR10は各々独立に、炭素数1から20までのアルキル基、炭素数6以上のアリール基、又は炭素数7以上のアラルキル基を表す。)、下記式(a1)で表されるグアニジル基、及び下記式(a2)で表されるアミジニル基などが好ましい例として挙げられる。
式(a1)中、R11及びR12は各々独立に、炭素数1から20までのアルキル基、炭素数6以上のアリール基、又は炭素数7以上のアラルキル基を表す。
式(a2)中、R13及びR14は各々独立に、炭素数1から20までのアルキル基、炭素数6以上のアリール基、又は炭素数7以上のアラルキル基を表す。
中でも、アミノ基(−NH)、置換イミノ基(−NHR、−NR10、ここで、R、R、及びR10は各々独立に、炭素数1から10までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。)、式(a1)で表されるグアニジル基〔式(a1)中、R11及びR12は各々独立に、炭素数1から10までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。〕、式(a2)で表されるアミジニル基〔式(a2)中、R13及びR14は各々独立に、炭素数1から10までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。〕などがより好ましい。
特に、アミノ基(−NH)、置換イミノ基(−NHR、−NR10、ここで、R、R、及びR10は各々独立に、炭素数1から5までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。)、式(a1)で表されるグアニジル基〔式(a1)中、R11及びR12は各々独立に、炭素数1から5までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。〕、式(a2)で表されるアミジニル基〔式(a2)中、R13及びR14は各々独立に、炭素数1から5までのアルキル基、フェニル基、又はベンジル基を表す。〕などが好ましく用いられる。
上記以外の吸着部位としては、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、チオール基及びヒドロキシ基が好適に用いられる。
一般式(1)中、Aは、無機固体電解質と相互作用しやすい点から、カルボキシ基、アミノ基、チオール基、及びヒドロキシ基から選択される少なくとも1種含む1価の基であることが好ましい。
一般式(1)中、Rは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基を表す。n個のRは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
2価の連結基としては、1〜100個の炭素原子、0個〜10個の窒素原子、0個〜50個の酸素原子、1個〜200個の水素原子、及び0個〜20個の硫黄原子の組み合わせで形成される基が好ましい。これらの基は、無置換でもよく、さらに置換基を有していてもよい。
より具体的には、2価の連結基としては、例えば、2価の炭化水素基(2価の飽和炭化水素基であってもよく、2価の芳香族炭化水素基であってもよい。2価の飽和炭化水素基としては、直鎖状、分岐状又は環状であってもよく、炭素数1〜20であることが好ましく、例えば、アルキレン基が挙げられる。また、2価の芳香族炭化水素基としては、炭素数5〜20であることが好ましく、例えば、フェニレン基が挙げられる。それ以外にも、アルケニレン基、又はアルキニレン基であってもよい。)、2価の複素環基、−O−、−S−、−SO−、−NR−、−CO−、−COO−、−CONR−、−SO−、−SONR−、又はこれらを2種以上組み合わせた基(例えば、アルキレンオキシ基、アルキレンオキシカルボニル基、及びアルキレンカルボニルオキシ基など)などが挙げられる。ここで、Rは、水素原子又はアルキル基(好ましくは炭素数1〜10)を表す。
2価の連結基は置換基を有していてもよく、置換基を有する場合、置換基としては、例えば、メチル基及びエチル基等の炭素数1から20までのアルキル基、フェニル基及びナフチル基等の炭素数6から16までのアリール基、水酸基、アミノ基、カルボキシ基、スルホンアミド基、N−スルホニルアミド基、アセトキシ基等の炭素数1から6までのアシルオキシ基、メトキシ基及びエトキシ基等の炭素数1から6までのアルコキシ基、塩素及び臭素等のハロゲン原子、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基及びシクロヘキシルオキシカルボニル基等の炭素数2から7までのアルコキシカルボニル基、シアノ基、t−ブチルカーボネート等の炭酸エステル基が挙げられる。
一般式(1)中、Rは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基を表す。mが2以上の場合、m個のRは、同一であってもよく、異なっていてもよい。2価の連結基は、上述したRで表される2価の連結基と同義である。
2価の有機基としては、例えば、アルキレン基、エーテル基、カルボニル基又はその組み合わせが挙げられる。組み合わせとしてはエステル基(−C(=O)O−)、カーボネート基(−OC(=O)O−)、カルバメート基(−OC(=O)NR−)、アミド基(−C(=O)NR−)などが挙げられる。Rは水素原子又はアルキル基である。なお連結の方向性はどちらでもよい。
一般式(1)中、Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含有すれば特に制限されず、炭素数8以上の脂肪族炭化水素基、炭素数8以上のアリール基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリエステル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリアミド残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリエステル残基、及び炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリアミド残基から選択される少なくとも1つの基が挙げられる。
なお、ポリビニル残基、ポリ(メタ)アクリル残基、ポリエステル残基、ポリアミド残基、フッ素化ポリビニル残基、フッ素化ポリ(メタ)アクリル残基、フッ素化ポリエステル残基、及びフッ素化ポリアミド残基を総称して樹脂残基ともいう。
一般式(1)におけるmが2以上の場合、m個のPは、同一であっても、異なっていてもよい。
炭素数8以上の脂肪族炭化水素基としては、炭素数8以上のアルキル基、炭素数8以上のアルケニル基、炭素数8以上のアルキニル基、炭素数8以上の飽和脂肪酸残基から形成される基、及び炭素数8以上の不飽和脂肪酸残基から形成される基などが挙げられる。炭素数8以上の脂肪族炭化水素基の中でも、炭素数8以上のアルキル基、炭素数8以上の飽和脂肪酸残基、及び炭素数8以上の不飽和脂肪酸残基が好ましい。
炭素数8以上のアルキル基としては、ノルマルオクチル基、2−エチルヘキシル基、ノルマルデシル基、ノルマルドデシル基、及びステアリル基等が挙げられる。好ましくは、炭素数8以上50以下のアルキル基、より好ましくは炭素数8以上30以下のアルキル基である。
炭素数8以上のアルキル基における、アルキル基としては、無置換のアルキル基、フッ素化アルキル基、シクロアルキル基、及びフッ素化シクロアルキル基などが挙げられる。
炭素数8以上の飽和脂肪酸残基から形成される基としては、カプリル酸残基、ペラルゴン酸残基、カプリン酸残基、ラウリン酸残基、ミリスチン酸残基、ペンタデシル酸残基、パルミチン酸残基、マルガリン酸残基、ステアリン酸残基、アラキジン酸残基、ベヘン酸残基、リグノセリン酸残基、セロチン酸残基、モンタン酸残基、及びメリシン酸残基等が挙げられる。好ましくは炭素数8以上50未満の飽和脂肪酸残基から形成される基であり、より好ましくは炭素数8以上50未満の飽和脂肪酸残基から形成される基である。
炭素数8以上の不飽和脂肪酸残基から形成される基としては、パルミトレイン酸残基、オレイン酸残基、バクセン酸残基、リノール酸残基、(9,12,15)−リノレン酸残基、(6,9,12)−リノレン酸残基、エレオステアリン酸残基、8,11−エイコサジエン酸残基、5,8,11−エイコサトリエン酸残基、アラキドン酸残基、及びネルボン酸残基が挙げられる。好ましくは炭素数8以上50未満の不飽和脂肪酸残基から形成される基であり、より好ましくは炭素数8以上50未満の不飽和脂肪酸残基から形成される基である。
炭素数8以上の飽和脂肪酸残基から形成される基又は炭素数8以上の不飽和脂肪酸残基から形成される基は、例えば、前述のRで表されるm+n価の連結基の末端水酸基(例えば、好ましくは前述の具体例(18)、具体例(19)、具体例(20)である)と炭素数8以上の飽和脂肪酸又は不飽和脂肪酸を脱水縮合しエステル化することで形成される基が挙げられる。
炭素数8以上の飽和脂肪酸としては、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸(ラウリン酸)、テトラデカン酸(ミリスチン酸)、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸(パルミチン酸)、ヘプタデカン酸(マルガリン酸)、オクタデカン酸(ステアリン酸)、エイコサン酸(アラキジン酸)、ドコサン酸(ベヘン酸)、テトラコサン酸(リグノセリン酸)、ヘキサコサン酸(セロチン酸)、オクタコサン酸(モンタン酸)、及びトリアコンタン酸(メリシン酸)などが挙げられる。
炭素数8以上の不飽和脂肪酸としては、9−ヘキサデセン酸(パルミトレイン酸)、9−オクタデセン酸(オレイン酸)、11−オクタデセン酸(バクセン酸)、9,12−オクタデカジエン酸(リノール酸)、9,12,15−オクタデカントリエン酸((9,12,15−リノレン酸))、6,9,12−オクタデカントリエン酸((6,9,12−リノレン酸))、9,11,13−オクタデカントリエン酸(エレオステアリン酸)、8,11−エイコサジエン酸、5、8,11−エイコサトリエン酸、5、8,11、14−エイコサテトラエン酸(アラキドン酸)、及び15−テトラコサン酸(ネルボン酸)などが挙げられる。
水酸基とカルボン酸の脱水エステル化は、加熱中に複成する水を除去しながら平衡をエステル化合物に移行させることで得られる。水を除去する方法としてはディーンスタークトラップを用いる方法、モレキュラーシーブを混合する方法、及び窒素気流下で反応系外に揮発させる方法などが挙げられる。
脱水エステル反応における加熱温度は160℃以上が好ましく180℃以上が好ましく、200℃以上がさらに好ましい。また、アルコキシチタンなどの脱水触媒を用いてもよい。
炭素数8以上のアリール基としては、ナフチル基、ビフェニル基、ターフェニル基、アントラニル基、及びピレニル基等が挙げられる。好ましくは、炭素数8以上50以下のアリール基、より好ましくは炭素数8以上30以下のアリール基である。アリール基としては、無置換のアリール基、及びフッ素化アリール基等が挙げられ、中でもナフチル基、及びビフェニル基がより好ましい。
炭素数8以上の炭化水素基を有する樹脂残基は、炭素数8以上の炭化水素主鎖を有する樹脂の残基でもよく、側鎖に炭素数8以上の炭化水素基を有する樹脂の残基でもよい。
炭素数8以上の炭化水素主鎖を有する樹脂としては、公知の樹脂から本発明の一実施形態の効果を損なわない範囲において選択することができる。
炭素数8以上の炭化水素基を有する樹脂残基を形成するために用いることができる樹脂としては、例えば、ビニルモノマーの重合体もしくは共重合体、エステル系ポリマー、エーテル系ポリマー、ウレタン系ポリマー、アミド系ポリマー、エポキシ系ポリマー、及びこれらの変性物、又は共重合体〔例えば、ポリエーテル/ポリウレタン共重合体、ポリエーテル/ビニルモノマーの重合体の共重合体(ランダム共重合体、ブロック共重合体、及びグラフト共重合体のいずれであってもよい。)を含む。〕が挙げられる。
樹脂の中でも、ビニルモノマーの重合体もしくは共重合体、エステル系ポリマー、及びこれらの変性物、又は共重合体が好ましく、ビニルモノマーの重合体もしくは共重合体がより好ましい。
これらの樹脂は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
また、樹脂は、有機溶媒に可溶であることが好ましく、炭化水素溶媒に可溶であることがより好ましい。
ビニルモノマーとしては、特に制限されないが、例えば、(メタ)アクリル酸エステル類、クロトン酸エステル類、ビニルエステル類、マレイン酸ジエステル類、フマル酸ジエステル類、イタコン酸ジエステル類、(メタ)アクリルアミド類、スチレン類、ビニルエーテル類、ビニルケトン類、オレフィン類、マレイミド類、(メタ)アクリロニトリル、酸性基を有するビニルモノマーが好ましい。
以下、これらのビニルモノマーの好ましい例について説明する。
(メタ)アクリル酸エステル類の例としては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n−プロピル、(メタ)アクリル酸イソプロピル、(メタ)アクリル酸n−ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸t−ブチル、(メタ)アクリル酸アミル、(メタ)アクリル酸n−ヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸t−ブチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸t−オクチル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸オクタデシル、(メタ)アクリル酸アセトキシエチル、(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸3−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸4−ヒドロキシブチル、(メタ)アクリル酸2−メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2−エトキシエチル、(メタ)アクリル酸2−(2−メトキシエトキシ)エチル、(メタ)アクリル酸3−フェノキシ−2−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸2−クロロエチル、(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸3,4−エポキシシクロヘキシルメチル、(メタ)アクリル酸ビニル、(メタ)アクリル酸2−フェニルビニル、(メタ)アクリル酸1−プロペニル、(メタ)アクリル酸アリル、(メタ)アクリル酸2−アリロキシエチル、(メタ)アクリル酸プロパルギル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸ジエチレングリコールモノメチルエーテル、(メタ)アクリル酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、(メタ)アクリル酸トリエチレングリコールモノメチルエーテル、(メタ)アクリル酸トリエチレングリコールモノエチルエーテル、(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコールモノエチルエーテル、(メタ)アクリル酸β−フェノキシエトキシエチル、(メタ)アクリル酸ノニルフェノキシポリエチレングリコール、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸トリフロロエチル、(メタ)アクリル酸オクタフロロペンチル、(メタ)アクリル酸パーフロロオクチルエチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸トリブロモフェニル、(メタ)アクリル酸トリブロモフェニルオキシエチル、及び(メタ)アクリル酸γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。
クロトン酸エステル類の例としては、クロトン酸ブチル、及びクロトン酸ヘキシル等が挙げられる。
ビニルエステル類の例としては、ビニルアセテート、ビニルクロロアセテート、ビニルプロピオネート、ビニルブチレート、ビニルメトキシアセテート、及び安息香酸ビニルなどが挙げられる。
マレイン酸ジエステル類の例としては、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、及びマレイン酸ジブチルなどが挙げられる。
フマル酸ジエステル類の例としては、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、及びフマル酸ジブチルなどが挙げられる。
イタコン酸ジエステル類の例としては、イタコン酸ジメチル、イタコン酸ジエチル、及びイタコン酸ジブチルなどが挙げられる。
(メタ)アクリルアミド類としては、(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N−プロピル(メタ)アクリルアミド、N−イソプロピル(メタ)アクリルアミド、N−n−ブチルアクリル(メタ)アミド、N−t−ブチル(メタ)アクリルアミド、N−シクロヘキシル(メタ)アクリルアミド、N−(2−メトキシエチル)(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジエチル(メタ)アクリルアミド、N−フェニル(メタ)アクリルアミド、N−ニトロフェニルアクリルアミド、N−エチル−N−フェニルアクリルアミド、N−ベンジル(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、ジアセトンアクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド、ビニル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジアリル(メタ)アクリルアミド、及びN−アリル(メタ)アクリルアミドなどが挙げられる。
スチレン類の例としては、スチレン、メチルスチレン、ジメチルスチレン、トリメチルスチレン、エチルスチレン、イソプロピルスチレン、ブチルスチレン、ヒドロキシスチレン、メトキシスチレン、ブトキシスチレン、アセトキシスチレン、クロロスチレン、ジクロロスチレン、ブロモスチレン、クロロメチルスチレン、酸性物質により脱保護可能な基(例えばt−Bocなど)で保護されたヒドロキシスチレン、ビニル安息香酸メチル、及びα−メチルスチレンなどが挙げられる。
ビニルエーテル類の例としては、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、2−クロロエチルビニルエーテル、ヒドロキシエチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、ヘキシルビニルエーテル、オクチルビニルエーテル、メトキシエチルビニルエーテル及びフェニルビニルエーテルなどが挙げられる。
ビニルケトン類の例としては、メチルビニルケトン、エチルビニルケトン、プロピルビニルケトン、及びフェニルビニルケトンなどが挙げられる。
オレフィン類の例としては、エチレン、プロピレン、イソブチレン、ブタジエン、及びイソプレンなどが挙げられる。
マレイミド類の例としては、マレイミド、ブチルマレイミド、シクロヘキシルマレイミド、及びフェニルマレイミドなどが挙げられる。
(メタ)アクリロニトリル、ビニル基が置換した複素環式基(例えば、ビニルピリジン、N−ビニルピロリドン、ビニルカルバゾール)、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルイミダゾール、及びビニルカプロラクトン等も使用できる。
上記の化合物以外にも、例えば、ウレタン基、ウレア基、スルホンアミド基、フェノール基、イミド基の官能基を有するビニルモノマーも用いることができる。このようなウレタン基、又はウレア基を有するビニルモノマーは、例えば、イソシアネート基と水酸基又はアミノ基との付加反応を利用して、適宜合成することが可能である。
具体的には、イソシアネート基含有モノマーと、水酸基を1個含有する化合物又は1級もしくは2級アミノ基を1個含有する化合物との付加反応、又は、水酸基含有モノマー又は1級もしくは2級アミノ基含有モノマーと、モノイソシアネートとの付加反応等により適宜合成することができる。
酸性基を有するビニルモノマーの例としては、カルボキシ基を有するビニルモノマー、スルホン酸基を有するビニルモノマー、フェノール性ヒドロキシ基を含有するビニルモノマー、及びスルホンアミド基を含有するビニルモノマーなどが挙げられる。
カルボキシ基を有するビニルモノマーとして、(メタ)アクリル酸、ビニル安息香酸、マレイン酸、マレイン酸モノアルキルエステル、フマル酸、イタコン酸、クロトン酸、桂皮酸、及びアクリル酸ダイマーなどが挙げられる。また、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートなどの水酸基を有する単量体と無水マレイン酸や無水フタル酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物のような環状無水物との付加反応物、及びω−カルボキシ−ポリカプロラクトンモノ(メタ)アクリレートなども挙げられる。また、カルボキシ基の前駆体として無水マレイン酸、無水イタコン酸、及び無水シトラコン酸などの無水物含有モノマーを用いてもよい。なお、これらの内では、共重合性やコスト、及び溶解性などの観点から(メタ)アクリル酸が特に好ましい。
スルホン酸基を有するビニルモノマーとして、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸などが挙げられる。
リン酸基を有するビニルモノマーとして、リン酸モノ(2−アクリロイルオキシエチルエステル)、及びリン酸モノ(1−メチル−2−アクリロイルオキシエチルエステル)などが挙げられる。
炭素数8以上の炭化水素基を有する樹脂残基は、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化が抑制される効果及び分散安定性に優れる効果の観点から、上記のビニルモノマーの重合体又は共重合体の残基、上記のエステル系ポリマーの残基、アミド系ポリマーの残基、エーテル系ポリマーの残基、ウレタン系ポリマーの残基、又はエポキシ系ポリマーの残基であることが好ましく、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリエステル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリアミド残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリエステル残基、及び炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリアミド残基であることがより好ましい。
は、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化を抑制する効果の観点から、炭素数8以上の脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、炭素数8以上50未満の飽和脂肪酸残基又は炭素数8以上50未満の不飽和脂肪酸残基から形成される基であることがさらに好ましい。
で表される基の式量は、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化を抑制する効果の観点から、200以上100,000未満であることが好ましく、200以上10、000以下であることがより好ましく、200以上3,000以下であることがさらに好ましい。
式量は、化学式に基づいてPに該当する基をChemBIoDrawUltra 12.0.2にて作図し計算により求めることができる。
一般式(1)中、mは1〜8を表す。mとしては、1〜5が好ましく、2〜5がより好ましく、2〜4がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい。
また、一般式(1)中、nは1〜9を表す。nとしては、2〜8が好ましく、2〜7がより好ましく、2〜4がさらに好ましく、3〜4が特に好ましい。
m+nは3〜10を満たす。中でも、m+nとしては、4〜6が好ましく、6がより好ましい。
一般式(1)中、mとnの組み合わせとしては、mが2〜5であり、nが2〜4であることが好ましい。
一般式(1)で表される化合物は、合成時の分散安定性の観点から、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。
一般式(2)中、R、A、P、n及びmは、一般式(1)中のR、A、P、n及びmと同義であり、好ましい態様も同じである。
一般式(2)中、Rは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基を表す。nが2以上の場合、n個のRは、同一であってもよく、異なっていてもよい。2価の連結基は、一般式(1)のRで表される2価の連結基と同義である。
一般式(2)中、Rは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基を表す。mが2以上の場合、m個のRは、同一であってもよく、異なっていてもよい。2価の連結基は、一般式(1)のRで表される2価の連結基と同義である。
一般式(2)中、Xは、酸素原子又は硫黄原子を表す。Xは、固体電解質組成物の分散安定性の観点から硫黄原子であることが好ましい。
一般式(2)で表される化合物のより好ましい態様としては、以下に示すR、R、R、P、m、及びnを全て満たす態様が挙げられる。
:上記具体例(1)、具体例(2)、具体例(10)、具体例(11)、具体例(16)、又は具体例(17)
:単結合、下記に示す構造単位のいずれか1つ、又は下記に示す構造単位を2つ以上組み合わせて形成される連結基
:単結合、エチレン基、プロピレン基、下記に示す基(a)、又は下記に示す基(b)
なお、下記基中、R25は水素原子又はメチル基を表し、lは1又は2を表す。
:ビニルモノマーの単独重合体又は共重合体の残基、エステル系ポリマー残基、及びこれらの変性物の残基
m:1〜5
n:1〜5
一般式(1)で表される化合物の重量平均分子量は特に制限されないが、固体電解質組成物の分散安定性の観点から、600以上200,000未満が好ましく、600以上1000,00以下がより好ましく、600以上50,000以下がさらに好ましく、800以上20,000以下が特に好ましく、100以上10,000以下が最も好ましい。
なお、重量平均分子量は既述の方法で測定できる。
(合成方法)
一般式(1)で表される化合物の合成方法は、特に制限されず、例えば、下記1)〜5)の方法により合成することができる。
1)カルボキシ基、ヒドロキシ基、及びアミノ基等から選択される基を末端に導入したポリマーと、複数の吸着性基を有する酸ハロゲン化物、複数の吸着性基を有するアルキルハロゲン化物、又は複数の吸着性基を有するイソシアネート等と、を高分子反応させる方法。
2)末端に炭素−炭素二重結合を導入したポリマーと、複数の吸着性基を有するメルカプタンと、をマイケル付加反応させる方法。
3)末端に炭素−炭素二重結合を導入したポリマーと、吸着性基を有するメルカプタンと、をラジカル発生剤存在下で反応させる方法。
4)末端に複数のメルカプタンを導入したポリマーと、炭素−炭素二重結合と吸着性基とを有する化合物と、をラジカル発生剤存在下で反応させる方法。
5)複数の吸着性基を有するメルカプタン化合物存在下で、ビニルモノマーをラジカル重合する方法。
より具体的な合成方法としては、特許第5553957号公報の段落0103〜0133の記載を参照できる。
以下に一般式(1)で表される化合物の例示化合物を示すが、本発明の一実施形態はこれに限定されるものではない。

固体電解質組成物中における一般式(1)で表される化合物の含有量は、前述の無機固体電解質(活物質を用いる場合は活物質を含む)100質量部に対して、0.01質量部以上が好ましく、0.1質量部以上がより好ましく、0.5質量部以上がさらに好ましい。上限としては、20質量部以下が好ましく、15質量部以下がより好ましく、10質量部以下がさらに好ましい。
固体電解質組成物の全固形分に対する一般式(1)で表される化合物の含有量は、0.01質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、0.5質量%以上がさらに好ましい。上限としては、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下がさらに好ましい。
一般式(1)で表される化合物の含有量が上記の範囲内であることで、より一層効果的に無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化が抑制する効果を発現できる。
[バインダー(C)]
固体電解質組成物には本発明の一実施形態の例示化合物に加えて、任意のバインダーを加えてもよい。バインダーは活物質と無機固体電解質との結着性を高める。バインダーとしては、例えば、フッ素系ポリマー(ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンジフルオリド、及びポリビニリデンジフルオリドとペンタフルオロプロピレンの共重合物など)、炭化水素系ポリマー(スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、水添ブタジエンゴム、及び水添スチレンブタジエンゴムなど)、アクリル系ポリマー(ポリメタクリル酸メチル、及びポリメタクリル酸メチルとポリメタクリル酸の共重合物など)、ウレタン系ポリマー(ジフェニルメタンジイソシアネートとポリエチレングリコールの重縮合物など)、ポリイミド系ポリマー(4,4’−ビフタル酸無水物と3−アミノベンジルアミンの重縮合物など)を用いることができる。
バインダーの含有量は、固体電解質組成物の全固形分に対して、0.01質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、0.5質量%以上がさらに好ましい。上限としては、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下がさらに好ましい。
[分散媒(D)]
固体電解質組成物は、上記の各成分を分散させる分散媒を含んでもよい。分散媒としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、石油エーテル、石油ベンジン、リグロイン、石油スピリット、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、トルエン、キシレン等の炭化水素、ジメチルポリシロキサンなどの炭化水素系溶媒が挙げられる。また、アルコール化合物溶媒、エーテル化合物溶媒、アミド化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、脂肪族化合物溶媒、及びニトリル化合物溶媒等が挙げられる。
アルコール化合物溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、2−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオールが挙げられる。
エーテル化合物溶媒としては、例えば、アルキレングリコールアルキルエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等)、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、シクロペンチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、1,4−ジオキサンが挙げられる。
アミド化合物溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ε−カプロラクタム、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドが挙げられる。
ケトン化合物溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノンが挙げられる。
芳香族化合物溶媒は、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンが挙げられる。
脂肪族化合物溶媒は、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカンが挙げられる。
ニトリル化合物溶媒は、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、ベンゾニトリルが挙げられる。
これらの分散媒の中でも、エーテル化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、及び脂肪族化合物溶媒が好ましく、芳香族化合物溶媒、及び脂肪族化合物溶媒がより好ましい。
分散媒は常圧(1気圧)での沸点が50℃以上であることが好ましく、80℃以上であることがより好ましい。上限は250℃以下であることが好ましく、220℃以下であることがさらに好ましい。上記分散媒体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
固体電解質組成物における分散媒体の含有量は、固体電解質組成物の粘度と乾燥負荷とのバランスを考慮して適宜調整することができる。上記の観点から、固体電解質組成物における分散媒の含有量は、組成物の全質量に対して、20質量%〜99質量%が好ましい。
[電極活物質]
(正極活物質)
固体電解質組成物には、正極活物質を含有させてもよい。正極活物質の含有により正極材料用の組成物とすることができる。
正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素M(Co、Ni、Fe、Mn、Cu、及びVから選択される1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素M(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、及びBなど)を混合してもよい。
遷移金属酸化物としては、例えば、下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表される特定遷移金属酸化物、又はその他の遷移金属酸化物としてV、及びMnO等が挙げられる。
正極活物質には、粒子状の正極活物質を用いてもよい。具体的に、可逆的にリチウムイオンを挿入、放出できる遷移金属酸化物を用いることができ、上記特定遷移金属酸化物を用いることが好ましい。
遷移金属酸化物は、上記遷移元素Mを含む酸化物等が好適に挙げられる。この場合、混合元素M(好ましくはAl)などを混合してもよい。混合元素Mの混合量としては、遷移金属の量に対して0mol%〜30mol%が好ましい。
遷移元素Mを含む酸化物としては、Mに対するLiのモル比(M/Li)が0.3〜2.2になるようにMを混合して合成されたものがより好ましい。
−式(MA)で表される遷移金属酸化物(層状岩塩型構造)−
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下式(MA)で表される遷移金属酸化物が好ましい。
Li ・・・ 式(MA)
式(MA)中、Mは上記Mと同義であり、好ましい範囲も同じである。aは0〜1.2を表し、0.2〜1.2が好まく、0.6〜1.1がより好ましい。bは1〜3を表し、2が好ましい。Mの一部は上記混合元素Mで置換されていてもよい。
式(MA)で表される遷移金属酸化物は典型的には層状岩塩型構造を有する。
式(MA)で表される遷移金属酸化物は、下記の各式で表されるものがより好ましい。
(MA−1) LiCoO
(MA−2) LiNiO
(MA−3) LiMnO
(MA−4) LiCoNi1−j
(MA−5) LiNiMn1−j
(MA−6) LiCoNiAl1−j−i
(MA−7) LiCoNiMn1−j−i
gは式(MA)中のaと同義であり、好ましい範囲も同じである。jは0.1〜0.9を表す。iは0〜1を表す。ただし、1−j−iは0以上になる。kは式(MA)中のbと同義であり、好ましい範囲も同じである。
これらの遷移金属化合物の具体例としては、LiCoO(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.01Al0.05(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi0.33Co0.33Mn0.33(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])、及びLiNi0.5Mn0.5(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
式(MA)で表される遷移金属酸化物としては、下記で表される化合物も好ましい例として挙げられる。
(i)LiNixcMnycCozc(xc>0.2,yc>0.2,zc≧0,xc+yc+zc=1)
代表的な例を以下に示す。
LiNi1/3Mn1/3Co1/3
LiNi1/2Mn1/2
(ii)LiNixdCoydAlzd(xd>0.7,yd>0.1,0.1>zd≧0.05,xd+yd+zd=1)
代表的な例を以下に示す
LiNi0.8Co0.15Al0.05
−式(MB)で表される遷移金属酸化物(スピネル型構造)−
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記式(MB)で表されるものも好ましい。
Li ・・・ 式(MB)
式(MB)中、Mは上記Mと同義であり、好ましい範囲も同じである。cは0〜2を表し、0.2〜2が好ましく、0.6〜1.5がより好ましい。dは3〜5を表し、4が好ましい。
式(MB)で表される遷移金属酸化物は、下記の各式で表される遷移金属酸化物がより好ましい。
式(MB)中、mはcと同義であり、好ましい範囲も同じである。nはdと同義であり、好ましい範囲も同じである。pは0〜2を表す。
(MB−1) LiMn
(MB−2) LiMnAl2−p
(MB−3) LiMnNi2−p
遷移金属化合物としては、例えば、LiMn、LiMn1.5Ni0.5が挙げられる。
式(MB)で表される遷移金属酸化物は、さらに下記の各式で表される化合物も好ましい例として挙げられる。下記のうち、高容量及び高出力の観点から、Niを含む(e)がより好ましい。
(a) LiCoMnO
(b) LiFeMn
(c) LiCuMn
(d) LiCrMn
(e) LiNiMn
−式(MC)で表される遷移金属酸化物−
リチウム含有遷移金属酸化物は、リチウム含有遷移金属リン酸化物が好ましく、下記式(MC)で表される化合物も好ましい。
Li(PO ・・・ 式(MC)
式(MC)中、eは0〜2を表し、0.2〜2が好ましく、0.5〜1.5がより好ましい。fは1〜5を表し、1〜2が好ましい。
はV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群から選択される1種以上の元素を表す。Mは、上記の混合元素Mのほか、Ti、Cr、Zn、Zr、及びNb等の他の金属で置換していてもよい。
具体例としては、例えば、LiFePO、LiFe(PO等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP等のピロリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、Li(PO(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
なお、式(MA)〜式(MC)においてLiの組成比を表すa、c、g、m、e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。a〜eでは特定値としてLiの組成を示しており、これも同様に電池の動作により変化する値である。
非含水の全固体二次電池において、正極活物質の体積平均粒子径は、特に限定されず、0.1μm〜50μmが好ましい。正極活物質を所定の粒子径に調整するには、通常の粉砕機や分級機を用いればよい。焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、又は有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。正極活物質粒子の体積平均粒子径は、前述の無機固体電解質の体積平均粒子径と同様の測定方法により測定する。
正極活物質の濃度は特に限定されず、固体電解質組成物の全固形成分に対して、20質量%〜90質量%が好ましく、40質量%〜80質量%がより好ましい。
なお、正極層が他の無機固体(例えば固体電解質)を含む場合には、正極活物質と他の無機固体との合計質量が上記の濃度であることが好ましい。
(負極活物質)
固体電解質組成物は、負極活物質を含有してもよい。負極活物質の含有により、負極材料用の組成物として用いることができる。
負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できる材料が好ましい。負極活物質として使用可能な材料には、特に制限はなく、例えば、炭素質材料、酸化錫及び酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体及びリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、Sn及びSi等のリチウムと合金形成可能な金属が挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ又は比率で併用してもよい。中でも、負極活物質として使用可能な材料としては、安全性の点から、炭素質材料又はリチウム複合酸化物が好ましい。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵及び放出可能である化合物が好ましく、特には制限されないが、高電流密度充放電特性の観点から、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有している化合物が好ましい。
負極活物質として用いられる炭素質材料としては、例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛及びポリアクリロニトリル(PAN)系の樹脂又はフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水ポリビニルアルコール(PVA)系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、及び平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報、同3−45473号公報に記載される面間隔、密度、及び結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報に記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
負極活物質として用いられる金属酸化物及び金属複合酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、さらに金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイドも好ましい。
ここでいう「非晶質」とは、CuKα線を用いたX線回折法で測定されたX線回折強度曲線において、2θ値で20°〜40°の領域に頂点(ピーク)を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40°以上70°以下にみられる結晶性の回折線のうち、最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下にみられるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下が好ましく、5倍以下がより好ましく、結晶性の回折線を有さないことがさらに好ましい。
非晶質酸化物及びカルコゲナイドを含む化合物群のなかでも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族〜第15(VB)族の元素(Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、及びBi)から選ばれる1種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、及びカルコゲナイドがさらに好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、Ga、SiO、GeO、SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、Bi、Bi、SnSiO、GeS、SnS、SnS、PbS、PbS、Sb、Sb、及びSnSiSなどが挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの複合酸化物(例えば、LiSnO)であってもよい。
負極活物質の体積平均粒子径は、0.1μm〜60μmが好ましい。所定の粒子径に調整するには、公知の粉砕機及び分級機(例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミル、篩)が好適に用いられる。粉砕時には水、又はメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒子径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、及び風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、及び湿式ともに用いることができる。負極活物質粒子の体積平均粒子径は、前述の無機固体電解質の体積平均粒子径と同様の測定方法より測定する。
焼成法により得られた化合物の組成式は、誘導結合プラズマ(ICP)又は発光分光分析法により求めることができる。また、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から求めてもよい。
Sn、Si、又はGeを中心元素として含む非晶質酸化物負極活物質とともに使用可能な負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵及び放出できる炭素材料、リチウム、リチウム合金、及びリチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。
負極活物質はチタン原子を含有することが好ましい。チタン元素を含む負極活物質としては、例えば、LiTi12がリチウムイオンの吸蔵、及び放出時の体積変動が小さいことから、急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。 また、Si系の負極活物質を用いることも好ましい。一般的にSi系の負極活物質は、炭素質材料(黒鉛、及びアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。そのため、単位質量あたりのLiイオン吸蔵量が増加し、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
負極活物質の濃度は特に限定されず、固体電解質組成物の全固形成分に対して、10質量%〜80質量%が好ましく、20質量%〜70質量%がより好ましい。負極活物質と他の無機固体(例えば無機固体電解質)との合計質量が上記の濃度であることが好ましい。
なお、上記の実施形態では、本発明の一実施形態の固体電解質組成物に正極活物質及び負極活物質を含有させる例を示したが、本発明の一実施形態はこれにより限定して解釈されるものではない。
例えば、ポリマーを用いて正極活物質及び負極活物質を含むペーストを調製してもよい。
また、正極及び負極の活物質層には、適宜必要に応じて導電助剤を含有させてもよい。一般的な導電助剤としては、電子伝導性材料として、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属粉、金属繊維、及びポリフェニレン誘導体などを含ませることができる。
<電池用電極シート>
電池用電極シートは、集電体と、既述の本発明の一実施形態の固体電解質組成物を用いて集電体上に配置された無機固体電解質含有層と、を有している。電池用電極シートは、無機固体電解質含有層が本発明の一実施形態の固体電解質組成物を用いて成形されているため、無機固体電解質含有層自体の抵抗が低いだけでなく、無機固体電解質含有層及び集電体間の結着性が高く、界面抵抗を低く保つことができる。これにより、二次電池を作製した場合に、長期に亘ってサイクル特性を良好に維持することができる。
なお、無機固体電解質含有層とは、既述の無機固体電解質(A)及び既述の一般式(1)で表される化合物(B)を含有する層を示す。無機固体電解質含有層には、正極活物質層、負極活物質層、及び無機固体電解質層が包含される。
電池用電極シートの構造は、例えば、正極側集電体(例えば金属箔)/無機固体電解質層/負極側集電体(例えば金属箔)の積層構造であってもよいし、正極側集電体(例えば金属箔)/正極活物質層/無機固体電解質層/負極活物質層/負極側集電体(例えば金属箔)の積層構造であってもよい。
例えば後者の構造では、正極活物質層、無機固体電解質層及び負極活物質層が本発明の一実施形態の固体電解質組成物を用いて成形されているので、各層自体の抵抗が低く抑えられており、更には、正極活物質層及び負極活物質層と集電体との各界面、正極活物質層及び無機固体電解質層との界面、無機固体電解質層と負極活物質層との界面における結着性が高く、界面抵抗を低く保つことができる。これにより、長期に亘って優れたサイクル特性が発現する。
なお、無機固体電解質層及び固体電解質組成物の詳細については、既述の通りであり、正極活物質層及び負極活物質層は、既述の固体電解質組成物を用いて好適に成形することができる。
固体電解質組成物は、負極活物質層、正極活物質層及び無機固体電解質層の成形材料として好適に用いられる。
[集電体]
集電体は、全固体二次電池を作成した場合に電極として機能するものであり、一般には正極及び負極として配置される。正極及び負極としての集電体としては、化学変化を起こさない電子伝導体が用いられることが好ましい。
正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、及びチタンなどが好ましく、これらの他にアルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン若しくは銀を処理したものが好ましく、中でも、アルミニウム、及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、及びチタンが好ましく、アルミニウム、銅、及び銅合金がより好ましい。
集電体の形状としては、通常、フィルム状、シート状又は箔が好適である。また、集電体の形状は、ネット、パンチされた形状、ラス体、多孔質体、発泡体、及び繊維群の成形体などであってもよい。
集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
〜電池用電極シートの製造方法〜
電池用電極シートは、公知の方法で作製されてもよく、好ましくは、既述の本発明の一実施形態の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、無機固体電解質含有層を形成する工程を有する方法によって作製される。
具体的には、集電体となる例えば金属箔の上に、固体電解質組成物を例えば塗布法等の公知の方法で付与し、固体電解質組成物の膜を形成して電池用電極シートを作製する方法であってもよい。
例えば、以下に示す方法によって、より好適に電池用電極シートを作製できる。
まず、正極集電体である金属箔を準備し、金属箔上に正極材料となる組成物を塗布後、乾燥し、正極活物質層を有する正極シートを作製する。次いで、正極シートの正極活物質層上に、固体電解質組成物を塗布し、さらに乾燥させて、無機固体電解質層を成形する。形成された無機固体電解質層の上に、さらに負極材料となる組成物を塗布し、乾燥させて、負極活物質層を成形する。その後、負極活物質層の上に、負極側の集電体(金属箔)を重ね合わせる。このようにして、正極活物質層と負極活物質層との間に無機固体電解質層が挟まれた全固体二次電池を作製することができる。
なお、上記の各組成物を塗布する塗布法は、常法によればよい。
正極活物質層を成形するための組成物、無機固体電解質層をなす組成物(固体電解質組成物)、及び負極活物質層を成形するための組成物は、各組成物の塗布毎に乾燥処理が施されてもよいし、各組成物を重層塗布した後に一括して乾燥処理が施されてもよい。
乾燥温度には、特に制限はなく、30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましい。乾燥温度は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましい。上記の温度範囲にて加熱して乾燥させることで、分散媒を含む場合は分散媒が除去され、固体状態の積層構造を得ることができる。
以上により、全固体二次電池を作製した場合において、正極活物質層/無機固体電解質層/負極活物質層の積層構造における各界面の結着性が向上し、非加圧下においても優れたイオン伝導性を確保することができる。
<全固体二次電池>
全固体二次電池は、集電体と、正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された無機固体電解質層と、を有し、正極活物質層、負極活物質層、及び無機固体電解質層の少なくとも1つの層が、周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、一般式(1)で表される化合物(B)と、含む。
また、全固体二次電池は、少なくとも、既述の本発明の一実施形態の電池用電極シートを備えている。
全固体二次電池は、本発明の一実施形態の電池用電極シートを備えるので、サイクル特性に優れている。
以下、図1を参照して、一実施形態に係る全固体二次電池について説明する。図1は、好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。
全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、無機固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5をこの順に積層した構造を有している。各層は、それぞれ接触しており、少なくとも1層は、無機固体電解質(A)と一般式(1)で表される化合物(B)とを含むため、無機固体電解質の水分による劣化及び酸化還元劣化が抑制される。そのため、高電圧が得られ、長期間使用しても二次電池のサイクル特性を良好に保持することができる。
上記の積層構造を有していることで、充電の際には、負極側に電子(e)が供給され、リチウムイオン(Li)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。
図1に示す全固体二次電池10では、作動部位6に電球が取り付けられており、放電時に点灯するようになっている。
正極活物質層4、無機固体電解質層3、及び負極活物質層2の厚さは、特に限定されないが、一般的な電池の寸法を考慮すると、10μm〜1000μmが好ましく、100μm〜500μmがより好ましい。
<全固体二次電池の作製>
全固体二次電池は、常法により作製されてもよく、好ましくは、既述の本発明の一実施形態の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、固体電解質膜層を形成する工程を有する方法によって作製される。
具体的には、既述の電池用電極シートの作製と同様に、固体電解質層を形成する工程を設けて電池用電極シートを作製した後、電池用電極シートを、図2に示すように所望サイズ(例えば直径14.5mm)の円板状に切り出して円盤状電極シート15とし、円盤状電極シート15を例えばステンレス製の2032型コインケース14に入れて必要な圧力で締め付けることにより、コイン型の全固体二次電池13を作製することができる。必要な圧力は、例えば図2に示すように、円盤状電極シート15を入れたコインケース14を上部支持板11と下部支持板12との間に挟み、加圧用ネジSで締め付けることで与えてもよい。
また、既述の電池用電極シートを用いて全固体二次電池を作製することもできる。
〜全固体二次電池の用途〜
全固体二次電池は、種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はない。例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。
更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
これらの用途の中でも、高容量且つ高レート放電特性が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。例えば、大容量化が予想される蓄電設備等においては高い信頼性が必須となりさらに電池性能の両立が要求される。また、電気自動車等においては、高容量の二次電池を搭載し、かつ、家庭で日々充電が行われる用途が想定され、過充電時に対して一層の信頼性が求められる。
本発明の一実施形態によれば、固体粒子間又は固体粒子と集電体間等の界面抵抗の上昇を抑えることができ、かつ高いイオン伝導性、無機固体電解質の酸化還元劣化を抑制した高サイクル特性、耐湿性を実現することができる。
以下に実施例を挙げて本発明の一実施形態を更に具体的に説明する。本発明の一実施形態の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。尚、特に断りの無い限り、「部」は質量基準である。
<固体電解質組成物の製造>
[高分子分散剤(例示化合物及び比較化合物)の合成]
例示化合物B−1、B−2、B−4、B−5、B−7、B−9、B−17〜B−21(一般式(1)で表される化合物)、及び比較化合物1は、以下のようにして合成した。
(例示化合物B−1)
ジペンタエリスリトールヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)〔DPMP;堺化学工業(株)製〕7.83部、グリセリンモノアクリレート7.31部を、1−メトキシ−2−プロパノール35.32部に溶解させ、窒素気流下、70℃に加熱した。これに2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)〔V−65、和光純薬工業(株)製〕0.06部を加えて3時間加熱した。さらに、V−65を0.06部加え、窒素気流下、70℃で3時間反応させた。反応後、溶液を室温まで冷却することで、メルカプタン化合物30質量%溶液を合成した。
合成したメルカプタン化合物30質量%溶液に対して、メタクリル酸メチル90部、1−メトキシ−2−プロパノール210部を加え、窒素気流下、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)〔AIBN、和光純薬工業(株)製〕0.49部を加えて3時間加熱後、さらに、AIBN0.49部を加えて、窒素気流下、80℃で3時間反応させた。その後、室温まで冷却し、アセトンで希釈した。多量のメタノールを用いて再沈殿させた後、真空乾燥させ、例示化合物B−1を得た。なお、例示化合物B−1の重量平均分子量は、10000であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、2200であった。
(例示化合物B−2)
例示化合物B−1の合成において、グリセリンモノアクリレート7.31部をイタコン酸6.51部に変更し、メタクリル酸メチル90部をメタクリル酸ドデシル230部に変えたこと以外は、例示化合物B−1と同様の手順に従って、例示化合物B−2の合成を行った。なお、例示化合物B−2の重量平均分子量は、21000であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、4200であった。
(例示化合物B−4)
例示化合物B−2の合成において、メタクリル酸ドデシル230部をメタクリル酸ステアリル230部に変えたこと以外は、例示化合物B−2と同様の手順に従って、例示化合物B−4の合成を行った。なお、例示化合物B−4の重量平均分子量は、53000であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、8750であった。
(例示化合物B−5)
例示化合物B−4の合成において、メタクリル酸ドデシル230部を、メタクリル酸ドデシル150部、スチレン30部に変えたこと以外は、例示化合物B−4と同様の手順に従って、例示化合物B−5の合成を行った。なお、例示化合物B−5の重量平均分子量は、21300であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、7800であった。
(例示化合物B−7)
例示化合物B−1の合成において、メタクリル酸メチルをメタクリル酸プロピルに変更した以外は、例示化合物B−1と同様の手順に従って、例示化合物B−7の合成を行った。なお、例示化合物B−7の重量平均分子量は、13200であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、3500であった。
(例示化合物B−9)
例示化合物B−1の合成において、メタクリル酸メチルを以下示す構造のモノマーに変更した以外は、例示化合物B−1と同様の手順に従って、例示化合物B−9の合成を行った。なお、例示化合物B−9の重量平均分子量は、221000であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、52000であった。
(例示化合物B−17)
ジペンタエリスリトール(東京化成工業(株)製)11.4gを3つ口フラスコに加え、窒素気流下で220℃に加熱溶解させた。これにステアリン酸(東京化成工業(株)製)50gを加え230℃で5時間加熱撹拌を行った。この間複製する水はディーンスタークを用いて除去した。次に得られた粘性オイルを170℃まで冷却し無水コハク酸(和光純薬工業(株)製)9gを加えさらに170℃で4時間加熱撹拌を続けた。得られた粘性オイルをテフロン(登録商標)バットにあけ、室温に冷却することで淡黄色固体として例示化合物B−17を得た。なお、例示化合物B−17の重量平均分子量は、1200であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、239であった。
(例示化合物B−18)
ジペンタエリスリトール(東京化成工業(株)製)9.3gを3つ口フラスコに加え、窒素気流下で220℃に加熱溶解させた。これにステアリン酸(東京化成工業(株)製)50gを加え230℃で5時間加熱撹拌を行った。この間複製する水はディーンスタークを用いて除去した。得られた粘性オイルをテフロン(登録商標)バットにあけ、室温に冷却することで淡黄色固体として例示化合物B−18を得た。なお、例示化合物B−18の重量平均分子量は、850であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、239であった。
(例示化合物B−19)
例示化合物B−17の合成において、ステアリン酸をオレイン酸に変えた以外は、例示化合物B−17と同様の方法で例示化合物B−19を得た。なお、例示化合物B−19の重量平均分子量は、1000であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、237であった。
(例示化合物B−20)
例示化合物B−17の合成において、ステアリン酸をリノレン酸に変えた以外は、例示化合物B−17と同様の方法で例示化合物B−20を得た。なお、例示化合物B−20の重量平均分子量は、950であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、235であった。
(例示化合物B−21)
例示化合物B−17の合成において、無水コハク酸9gを無水フタル酸13.1gに変えた以外は、例示化合物B−17と同様の方法で例示化合物B−21を得た。なお、例示化合物B−21の重量平均分子量は、890であり、一般式(1)におけるPで表される基の式量は、235であった。
(比較化合物1)
2−ヒドロキシエチルメタクリレート45部、メタクリル酸メチル45部、1−メトキシ−2−プロパノール210部を混合し、窒素気流下にて、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)〔AIBN、和光純薬工業(株)製〕0.49部を加えて80℃で3時間加熱後、さらにAIBN0.49部を加えて、窒素気流下にて、80℃で3時間反応させた。反応後、溶液を室温まで冷却し、多量のメタノールを用いて再沈殿させた後、真空乾燥させ、比較化合物1(下記構造)を得た。
[硫化物系無機固体電解質(Li/P/S系ガラス)の合成]
硫化物系無機固体電解質は、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231−235及びA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872−873の非特許文献を参考にして合成した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(LiS、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g、五硫化二リン(P、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。なお、LiS及びPはモル比でLiS:P=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、上記硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行い、黄色粉体の硫化物系固体電解質(Li/P/S系ガラス)6.20gを得た。
〜固体電解質組成物の調製〜
(1)固体電解質組成物(K−1)の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、酸化物系無機固体電解質LLZ((株)豊島製作所製、無機固体電解質)9.0g、例示化合物B−1(一般式(1)で表される化合物)0.3g、分散媒としてトルエン15.0gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで、2時間攪拌を続け、固体電解質組成物(K−1)を調製した。
(2)固体電解質組成物(K−2)〜(K−8)及び(HK−1)〜(HK−3)の調製
固体電解質組成物(K−1)の調製において、例示化合物、無機固体電解質、バインダー及び分散媒を表1に示すように変更したこと以外は、固体電解質組成物(K−1)と同様の方法で固体電解質組成物(K−2)〜(K−8)及び(HK−1)〜(HK−3)を調製した(表1参照)。
なお、固体電解質組成物(K−1)〜(K−8)は、本発明の固体電解質組成物であり、固体電解質組成物(HK−1)〜(HK−3)は、比較の固体電解質組成物である。
表1に記載の表記について、以下に示す。
LLZ:LiLaZr12(体積平均粒子径5.06μm、(株)豊島製作所製)
Li/P/S:上記で合成したLi/P/S系ガラス
比較化合物1:上述したアクリル樹脂
比較化合物2:分岐型水素添加ブタジエンゴム(JSR(株)製、水素添加率94%、数平均分子量500,000〜600,000、中心の炭素原子から4本の直鎖状ポリマーが伸びた構造(各々の主鎖の炭素数は少なくとも10以上)
比較化合物3:カルボン酸含有水素添加スチレンブタジエンゴム、タフテックM1911(旭化成(株)製)
PVdF:ポリビニリデンジフルオリド
SBR:スチレンブタジエンゴム
<全固体二次電池の作製>
〜二次電池正極用組成物の調製〜
(1)正極用組成物(U−1)の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、酸化物固体電解質LLZ((株)豊島製作所製、無機固体電解質)2.7g、例示化合物B−1(一般式(1)で表される化合物)0.3g、分散媒としてトルエン12.3gを投入した。この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間機械分散を続けた後、活物質としてLCO(日本化学工業(株)製、LiCoO、コバルト酸リチウム)7.0gを容器に投入し、同様に、この容器に遊星ボールミルP−7をセットし、温度25℃、回転数100rpmで15分間混合を続け、正極用組成物(U−1)を調製した。
(2)正極用組成物(U−2)〜(U−8)及び(HU−1)〜(HU−2)の調製
正極用組成物(U−1)の調製において、高分子分散剤、無機固体電解質、正極活物質、バインダー、及び分散媒を表2に示すように変更したこと以外は、正極用組成物(U−1)と同様にして、正極用組成物(U−2)〜(U−8)及び(HU−1)〜(HU−2)を調製した。
表2に、正極用組成物の構成をまとめて記載する。
正極用組成物(U−1)〜(U−8)は、実施例となる固体電解質組成物であり、正極用組成物(HU−1)〜(HU−2)は比較用の正極用組成物である。
表2に記載の表記について、以下に示す。
LLZ:LiLaZr12(体積平均粒子径5.06μm、(株)豊島製作所製)
Li/P/S:上記で合成したLi/P/S系ガラス
LCO:LiCoO コバルト酸リチウム
NMC:Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O ニッケル、マンガン、コバルト酸リチウム
比較化合物2:分岐型水素添加ブタジエンゴム(JSR(株)製、水素添加率94%、数平均分子量500,000〜600,000、中心の炭素原子から4本の直鎖状ポリマーが伸びた構造(各々の主鎖の炭素数は少なくとも10以上)
比較化合物3:カルボン酸含有水素添加スチレンブタジエンゴム、タフテックM1911(旭化成(株)製)
PVdF:ポリビニリデンジフルオリド
SBR:スチレンブタジエンゴム
〜二次電池負極用組成物の調製〜
(1)負極用組成物(S−1)の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、酸化物系無機固体電解質LLZ((株)豊島製作所製)5.0g、例示化合物B−2(一般式(1)で表される化合物)0.5g、分散媒としてトルエン12.3gを投入した。この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間機械分散を続けた後、アセチレンブラック(AB)7.0gを容器に投入し、この容器を遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで15分間混合を続け、負極用組成物(S−1)を調製した。
(2)負極用組成物(S−2)〜(S−8)及び(HS−1)〜(HS−2)の調製
負極用組成物(S−1)の調製において、高分子分散剤、無機固体電解質、負極活物質、バインダー、及び分散媒を表3に記載の構成に変えた以外は、上記負極用組成物(S−1)と同様の方法で、負極用組成物(S−2)〜(S−8)及び(HS−1)〜(HS−2)を調製した。
表3に、負極用組成物の構成をまとめて記載する。
負極用組成物(S−1)〜(S−8)は実施例となる固体電解質組成物であり、負極用組成物(HS−1)〜(HS−2)が比較用の負極用組成物である。
表3に記載の表記について、以下に示す。
LLZ:LiLaZr12(体積平均粒子径5.06μm、(株)豊島製作所製)
Li/P/S:上記で合成したLi/P/S系ガラス
AB:アセチレンブラック
比較化合物2:分岐型水素添加ブタジエンゴム(JSR(株)製、水素添加率94%、数平均分子量500,000〜600,000、中心の炭素原子から4本の直鎖状ポリマーが伸びた構造(各々の主鎖の炭素数は少なくとも10以上)
比較化合物3:カルボン酸含有水素添加スチレンブタジエンゴム タフテックM1911(旭化成(株)製)
PVdF:ポリビニリデンジフルオリド
〜二次電池用正極シートの作製〜
上記で調製した二次電池正極用組成物を厚み20μmのアルミ箔上(集電体上)に、クリアランスが調節可能なアプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、塗布溶媒を乾燥した。その後、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱及び加圧し、正極活物質層/アルミ箔の積層構造を有する厚み150μmの二次電池用正極シートを得た。
〜二次電池用電極シートの作製〜
上記で作製した二次電池用正極シート上に、上記で調製した固体電解質組成物(K−1)〜(K−8)及び(HK−1)〜(HK−3)を、クリアランスが調節可能なアプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、厚み50μmの無機固体電解質層を形成した。その後、上記で調製した二次電池負極用組成物を、乾燥後の固体電解質組成物上にさらに塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、厚み100μmの負極活物質層を形成した。負極活物質層上に厚み20μmの銅箔(集電体)を合わせ、ヒートプレス機を用いて、無機固体電解質層及び負極活物質層が任意の密度になるように加熱及び加圧し、表4に記載の全固体二次電池用極シートを作製した。
全固体二次電池用電極シートの層構成を図1に示す。全固体二次電池用電極シートは、アルミ箔/負極活物質層/無機固体電解質層/二次電池用正極シート(正極活物質層/アルミ箔)の積層構造を有している。
<全固体二次電池の作製>
上記で作製した二次電池用電極シートを直径14.5mmの円板状に切り出し、スペーサーとワッシャーを組み込んだステンレス製の2032型コインケースに入れて、表4に記載の全固体二次電池を作製した。
<評価>
上記で作製した実施例及び比較例の全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池に対して以下の評価を行った。評価結果は表4に示す。
<電池電圧の評価>
上記で作製した全固体二次電池の電池電圧を、東洋システム(株)製の充放電評価装置「TOSCAT−3000」により測定した。
充電は、電流密度2A/mで電池電圧が4.2Vに達するまで行い、4.2Vに到達後は、電流密度が0.2A/m未満となるまで、定電圧充電を実施した。放電は、電流密度2A/mで電池電圧が3.0Vに達するまで行った。1サイクルとして3サイクル、3サイクル目の5mAh/g放電後の電池電圧を読み取り、以下の基準で評価した。なお、評価A及びBが本試験の合格レベルである。
−評価基準−
A:電池電圧が4.0V以上である。
B:電池電圧が3.9V以上4.0V未満である。
C:電池電圧が3.8V以上3.9V未満である。
D:電池電圧が3.8V未満である。
<サイクル特性の評価>
上記で作製した全固体二次電池のサイクル特性を、東洋システム(株)製の充放電評価装置「TOSCAT−3000」により測定した。
充放電は、上記電池電圧の評価と同様の条件で行った。3サイクル目の放電容量を100とし、放電容量が80未満となったときのサイクル数から、以下の基準で評価した。なお、評価A及びBが合格レベルである。
−評価基準−
A:サイクル数が50回以上である。
B:サイクル数が40回以上50回未満である。
C:サイクル数が30回以上40回未満である。
D:サイクル数が30回未満である。
<耐湿性の評価>
上記で作製した二次電池用電極シートを直径14.5mmの円板状に2つ切り出し、1つは、アルゴン雰囲気下(露点−40℃)でステンレス製の2032型コインケースに入れ、上記全固体二次電池の作製と同様の方法により、一般的な作製法による全固体二次電池を作製した。もう1つは、湿度5%のアルゴン雰囲気下でステンレス製の2032型コインケースに入れ、上記全固体二次電池の作製と同様の方法により、高湿度での作製法による全固体二次電池を作製した。
2つの異なる全固体二次電池について、上記サイクル特性の評価と同様の条件により、それぞれ放電容量が80未満となったときのサイクル数を測定した。下記式により、電池の性能維持率を求め、耐湿性を以下の基準で評価した。なお、評価A、B及びCが合格レベルである。
性能維持率(%)=(高湿度での作製法による全固体二次電池のサイクル数)/(一般的な作製法による全固体二次電池のサイクル数)×100
−評価基準−
A:性能維持率が90%以上である。
B:性能維持率が70%以上90%未満である。
C:性能維持率が30%以上70%未満である。
D:性能維持率が30%未満である。
表4において、実施例1から実施例10は、本発明の一実施形態の固体電解質組成物を使用した全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池であり、比較例1〜比較例4は、比較の固体電解質組成物を使用した全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池である。なお、表4において、電池電圧は電圧と省略して記載した。
<組成物分散液の安定性>
全固体二次電池の作製に用いた正極用組成物、固体電解質組成物、及び負極用組成物の分散液の安定性を評価した。安定性は、組成物分散後、24時間放置し、正極活物質、負極活物質又は固体電解質の沈降の様子を目視で確認し、下記の評価基準で評価した。評価結果を表5に示す。
−評価基準−
A:正極活物質、負極活物質及び固体電解質の沈降が全く起こらない。
B:正極活物質、負極活物質及び固体電解質の沈降が起こり、組成物に濃淡ムラがみられる。
C:正極活物質、負極活物質及び固体電解質の半分以上が沈降している。
D:正極活物質、負極活物質及び固体電解質が完全に沈降している。
表4に示されるように、正極活物質層、無機固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1層に、無機固体電解質(A)及び一般式(1)で表される化合物(B)を含む、実施例では、電圧を維持したままサイクル特性を両立し、さらに高湿度の条件でも性能劣化がみられず、共に優れることが分かる。
また、表5に示されるように、本発明の一実施形態の固体電解質組成物は、組成物の安定性にも優れており、逆に、例えば、比較組成物(HU−1等)を用いた場合には、組成物の安定性に劣ることがわかる。
2015年2月27日に出願された日本国特許出願2015−039452号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。

Claims (16)

  1. 周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、
    下記一般式(1)で表される化合物(B)と、
    を含む固体電解質組成物。


    一般式(1)中、R、下記一般式(1a)、一般式(1b)、一般式(1c)又は一般式(1d)のいずれかで表される基である
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、カルボキシ基、アミノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
    mは1〜、nは1〜を表し、m+nは3〜を満たす。
    mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。


    一般式(1a)中、L は3価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、3個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1b)中、L は4価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、4個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1c)中、L は5価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、5個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1d)中、L は6価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、6個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
  2. 前記一般式(1)で表される化合物(B)は、下記一般式(2)で表される化合物である請求項1に記載の固体電解質組成物。


    一般式(2)中、R、前記一般式(1a)、一般式(1b)、一般式(1c)又は一般式(1d)のいずれかで表される基である
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、カルボキシ基、アミノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
    mは1〜、nは1〜を表し、m+nは3〜を満たす。
    mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。
    Xは、酸素原子又は硫黄原子を表す。
  3. 前記Pで表される基の式量が、200以上100,000未満である請求項1又は請求項に記載の固体電解質組成物。
  4. 前記Pが、炭素数8以上の脂肪族炭化水素基、炭素数8以上のアリール基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリエステル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むポリアミド残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリビニル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリ(メタ)アクリル残基、炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリエステル残基、及び炭素数8以上の炭化水素基を含むフッ素化ポリアミド残基から選択される少なくとも1つの基である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  5. 前記Rが、多価糖アルコール残基である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  6. 前記一般式(1)で表される化合物(B)の重量平均分子量が、600以上200,000未満である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  7. さらにバインダー(C)を含む請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  8. 前記無機固体電解質(A)は、硫化物系無機固体電解質である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  9. 前記無機固体電解質(A)は、酸化物系無機固体電解質である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  10. 前記無機固体電解質(A)100質量部に対する前記一般式(1)で表される化合物(B)の含有量が、0.01質量部以上20質量部以下である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  11. さらに分散媒(D)として炭化水素系溶媒を含む請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  12. 集電体と、請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を用いて前記集電体の上に配置された無機固体電解質含有層と、を有する電池用電極シート。
  13. 正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の間に配置された無機固体電解質層と、を有し、
    前記正極活物質層、前記負極活物質層、及び前記無機固体電解質層の少なくとも1つの層は、前記無機固体電解質含有層である請求項12に記載の電池用電極シート。
  14. 請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、無機固体電解質含有層を形成する工程を有する電池用電極シートの製造方法。
  15. 集電体と、正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の間に配置された無機固体電解質層と、を有し、
    前記正極活物質層、前記負極活物質層、及び前記無機固体電解質層の少なくとも1つの層が、
    周期律表第一族又は第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、
    下記一般式(1)で表される化合物(B)と、
    を含む全固体二次電池。


    一般式(1)中、R、下記一般式(1a)、一般式(1b)、一般式(1c)又は一般式(1d)のいずれかで表される基である
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Aは、カルボキシ基、アミノ基、チオール基及びヒドロキシ基から選択される基を少なくとも1種含む1価の基を表す。
    は、単結合又は2価の連結基を表す。Pは、炭素数8以上の炭化水素基を含む基を表す。
    mは1〜、nは1〜を表し、m+nは3〜を満たす。
    mが2以上の場合、m個のP及びRは、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。nが2以上の場合、n個のA及びRは、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。


    一般式(1a)中、L は3価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、3個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1b)中、L は4価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、4個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1c)中、L は5価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、5個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
    一般式(1d)中、L は6価の基を表す。T は単結合又は2価の連結基を表し、6個のT は互いに同一であってもよく異なっていてもよい。
  16. 請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を集電体の上に付与し、無機固体電解質含有層を形成することにより電池用電極シートを製造する工程を有する全固体二次電池の製造方法。
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