JP6652752B2 - Llzo固体電解質を含む全固体リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
LixLayZrzO12(6≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3)
[化学式2]
LixLayZrzAlwO12(5≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3,0<w≦1)
LiNipCoqMnrO2
式中、0<p<0.9、0<q<0.5、0<r<0.5、p+q+r=1である。
Tm≦T≦Tm+50℃
式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。
Tm≦T≦Tm+50℃
式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。
Tm≦T≦Tm+50℃
式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。
LixLayZrzO12(6≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3)
[化学式2]
LixLayZrzAlwO12(5≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3,0<w≦1)
LiNipCoqMnrO2
式中、0<p<0.9、0<q<0.5、0<r<0.5、p+q+r=1である。
さらに詳細に説明すると、前記陽極活物質、第1LLZO、第1伝導性高分子、第1リチウム塩及び導電材を混合したスラリーをキャスティングした後、乾燥させて陽極を製造することができる。
さらに詳細に説明すると、前記第2LLZO、第2伝導性高分子及びリチウム塩を含む複合固体電解質混合物を基材上にコーティングして複合固体電解質層を製造することができる。
前記基材は、PET(polyethylene terephthalate)、PEN(polyethylenenaphthalate)、PES(polyethersulfone)、PC(Polycarbonate)、PP(polypropylene)などが可能であり、好ましくはPETである。
前記コーティングは、基材に損傷を与えないコーティング方法であればいずれでも使用可能である。
好ましくは、前記陽極と前記複合固体電解質層を積層し、下記式1の温度範囲(T)で、0.1〜1.0MPaの圧力で加圧して積層体を製造することができる。
Tm≦T≦Tm+50℃
式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。
前記加圧は、5秒〜5分間、好ましくは5秒〜3分間、さらに好ましくは5秒〜1分間行われ得る。
段階(d)の後に、選択的に、段階(d)の結果物を前記式1の温度範囲(T)で、0.1〜1.0MPaの圧力で加圧する段階をさらに含むことができる。
前記加圧によって、陽極に含まれる第1伝導性高分子と複合固体電解質層に含まれる第2伝導性高分子とが溶融した後に接着でき、それによる効果は段階(c)で上述したとおりである。
蒸留水に、出発物質であるLa:Zr:Alのモル比が3:2:0.25となるようにランタン硝酸塩(La(NO3)3・6H20)、ジルコニウム硝酸塩(ZrO(NO3)2・2H2O)及びアルミニウム硝酸塩( Al(ΝO3)3・9Η2O)を溶解させて、出発物質が1モル濃度である出発物質溶液を製造した。
製造例1によって製造されたAl−LLZO及びポリエチレンオキシド(PEO、平均分子量:200,000、溶融温度:65℃)全体重量(Al−LLZO+PEO)に対してAl−LLZOの含有量が30wt%となるようにAl−LLZOとPEO固体電解質バインダーを秤量し、シンキーミキサー(Thinky mixer)を用いて2,000rpmで5分間攪拌して混合物を製造した。
製造例1によって製造されたAl−LLZO及びポリエチレンオキシドの全体重量(Al−LLZO+PEO)に対してAl−LLZOの含有量が50wt%となるようにした以外は、製造例2と同様にして複合固体電解質層を製造した。
製造例1によって製造されたAl−LLZO及びポリエチレンオキシドの全体重量(Al−LLZO+PEO)に対して、Al−LLZOの含有量が70wt%となるようにした以外は、製造例2と同様にして複合固体電解質層を製造した。
製造例1によって製造されたAl−LLZO及びポリエチレンオキシドの全体重量(Al−LLZO+PEO)に対して、Al−LLZOの含有量が90wt%となるようにした以外は、製造例2と同様にして複合固体電解質層を製造した。
製造例1によって製造されたAl−LLZOを添加していない以外は、製造例2と同様にしてポリエチレンオキシド膜を製造した。
陽極活物質(リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、NMC)、導電材(Super−p)、PEOバインダー、及び製造例1によって製造されたAl−LLZOを重量比(wt%)が70:10:10:10となるように混合した。
このとき、前記PEOバインダーは、PEO(Polyethylene Oxide、平均分子量:200,000、溶融温度:65℃)、ACN及びLiClO4を含む混合溶液であり、PEOがPEOバインダーの全体重量を基準に25wt%となるようにした。また、前記PEOバインダーは、イオン伝導性を持つように設計し、PEOとLiClO4の含有量比が[EO]:[Li]=15:1となるようにした。
NMC:Super−p:PEOバインダー:Al−LLZOの混合重量比率を70:10:10:10にして混合する代わりに、NMC:Super−p:PEOバインダー:Al−LLZOの混合重量比率を60:10:10:20にして混合する以外は、製造例3と同様にして陽極を製造した。
NCM、Super−P及びPVDF(poly-1,1-difluoroethene)8%溶液を固形分基準で重量比(wt%)が80:10:10となるように秤量した後、混合して混合物を製造した。前記混合物をシンキーミキサーを用いて2,000rpmで5分間攪拌した後、NMP(n-methyl-2-pyrrolidone)を添加し、再びシンキーミキサーで攪拌して適切な粘度に調節した。その後、2mmのジルコンボールを入れ、シンキーミキサーを用いて2,000rpmで5分間攪拌することにより、スラリーを製造した。前記スラリーは、アルミニウム箔にガラス棒を用いてキャスティングし、110℃の乾燥機で24時間乾燥させて陽極を製造した。乾燥後の厚さは約15μmに調節した。
実施例1
製造例7によって製造された陽極と、製造例4によって製造された複合固体電解質層をそれぞれφ16サイズにパンチングした後、積層した。次に、約70〜80℃で加熱しながら、約10秒間0.3MPaの圧力を加えて積層体を製造した。前記積層体上にリチウム金属を載せ、2032規格のコインセルに全固体リチウム二次電池を製造した。
製造例7によって製造された陽極の代わりに、製造例8によって製造された陽極を使用した以外は、実施例1と同様にして全固体リチウム二次電池を製造した。
製造例7によって製造された陽極の代わりに、製造例9によって製造された陽極を使用した以外は、実施例1と同様にして全固体リチウム二次電池を製造した。
試験例1:充放電特性の測定(陽極のバインダー変化)
図2の(a)は、実施例1によって製造された全固体リチウム二次電池の充放電特性を0.1Cの電流にて55℃で測定して示すものであり、図2の(b)は、比較例1によって製造された全固体リチウム二次電池の充放電特性を0.1Cの電流にて70℃で測定して示すものである。
図3は実施例1によって製造された全固体リチウム二次電池に対して55℃でサイクルによる放電容量を測定した結果である。
図3を参照すると、実施例1によって製造された全固体リチウム二次電池は、45サイクルで約83%の放電容量を維持することが分かった。
よって、実施例1によって製造された全固体リチウム二次電池が優れた放電容量特性を有することが分かった。
図4の(a)は、実施例1によって製造された全固体リチウム二次電池の充放電特性を0.1Cの電流にて70℃で測定して示すものであり、図4の(b)は、実施例2によって製造された全固体リチウム二次電池の充放電特性を0.1Cの電流にて70℃で測定して示すものである。
図5は製造例2乃至5によって製造された複合固体電解質層と製造例6によって製造されたポリエチレンオキシド膜をそれぞれ常温でSUS治具に装着し、7MHz〜100mHz、5mV条件でインピーダンス測定を実施してイオン伝導度として計算した結果である。
図6は製造例6によって製造されたポリエチレンオキシド膜と、製造例4によって製造された複合固体電解質層を適用した電気化学セルの酸化還元挙動を測定した結果である。
前記酸化還元挙動を測定して電気化学的電位安定性を評価するために、前記ポリエチレンオキシド膜及び複合固体電解質層を適用した電気化学セルを製造し、サイクリック・ボルタンメトリー法(Cyclic Voltammetry)で測定した。前記電気化学セルの作用電極はSUS、相手電極はリチウム金属を適用した。
図7は製造例2乃至5によって製造された複合固体電解質層と製造例6によって製造されたポリエチレンオキシド膜を適用したコインセルの放電容量を測定した結果である。
前記放電容量を測定するために、製造例2乃至5によって製造された複合固体電解質層及び製造例6によって製造されたポリエチレンオキシド膜と製造例9によって製造された陽極、リチウム金属陰極を適用した2032規格のコインセルに対して、0.1Cの電流密度で充放電実験を実施した。
Claims (14)
- 陽極活物質、第1LLZO、第1伝導性高分子、第1リチウム塩及び導電材を含む陽極;
リチウム金属を含む陰極;及び
前記陽極と陰極との間に備えられ、第2LLZO、第2伝導性高分子及び第2リチウム塩を含む複合固体電解質層;を含み、
前記第1及び第2LLZOは、それぞれ独立して、アルミニウムがドープされたまたはドープされていないLLZOであり、
前記ドープされていないLLZOは下記化学式1で表され、
前記ドープされたLLZOは下記化学式2で表され、
前記第1伝導性高分子及び前記第2伝導性高分子が、それぞれ独立して、平均分子量500〜1,000,000のポリエチレンオキシド(Polyethylene oxide)である、全固体リチウム二次電池。
[化学式1]
LixLayZrzO12(6≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3)
[化学式2]
LixLayZrzAlwO12(5≦x≦9,2≦y≦4,1≦z≦3,0<w≦1) - 前記第1LLZO及び前記第2LLZOが、それぞれ独立して、アルミニウムがドープされたLLZOであることを特徴とする、請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記アルミニウムがドープされたLLZOが、ガーネット結晶構造である、請求項2に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記陽極が、前記陽極活物質100重量部に対して、前記第1LLZO 5〜50重量部、前記第1伝導性高分子5〜25重量部、及び前記導電材5〜25重量部を含み、
前記複合固体電解質層が、前記第2LLZO 100重量部に対して前記伝導性高分子1〜300重量部を含むことを特徴とする、請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。 - 前記陽極活物質が、下記化学式3で表されるNi−Co−Mnの三成分系リチウム金属酸化物(NMC)であることを特徴とする、請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。
[化学式3]
LiNipCoqMnrO2
(式中、0<p<0.9、0<q<0.5、0<r<0.5、p+q+r=1である。) - 前記導電材は、カーボンブラック、アセチレンブラック及びケッチェンブラックの中から選ばれた1種以上を含むことを特徴とする、請求項1に記載の全体固体リチウム二次電池。
- 前記第1リチウム塩及び前記第2リチウム塩が、それぞれ独立して、リチウムパークロレート(LiClO4)、リチウムトリフラート(LiCF3SO3)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF4)、およびリチウムトリフルオロメタンスルホニルイミド(LiN(CF3SO2)2)の中から選ばれた1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記全固体リチウム二次電池が、
アルミニウムがドープされたLLZO、ポリエチレンオキシド(Polyethylene oxide)、Ni−Co−Mnの三成分系リチウム金属酸化物(NMC)、リチウムパークロレート(LiClO4)及びカーボンブラックを含む陽極と、
リチウム金属を含む陰極と、
前記陽極と陰極との間に備えられ、アルミニウムがドープされたLLZO、ポリエチレンオキシド(Polyethylene oxide)及びリチウムパークロレート(LiClO4)を含む複合固体電解質層とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。 - (a)陽極活物質、第1LLZO、第1伝導性高分子、第1リチウム塩及び導電材を含む陽極を製造する段階と、
(b)第2LLZO、第2伝導性高分子及び第2リチウム塩を含む複合固体電解質層を製造する段階と、
(c)前記陽極と前記複合固体電解質層を積層して積層体を製造する段階と、
(d)前記積層体の複合固体電解質層上にリチウム金属を含む陰極を配置する段階とを含み、
前記第1伝導性高分子及び前記第2伝導性高分子が、それぞれ独立して、平均分子量500〜1,000,000のポリエチレンオキシド(Polyethylene oxide)である、全固体リチウム二次電池の製造方法。 - 全固体リチウム二次電池の製造方法は、
段階(c)が、前記陽極と前記複合固体電解質層を積層し、下記式1の温度範囲(T)で0.1〜1.0MPaの圧力で加圧して積層体を製造する段階であることを特徴とする、請求項9に記載の全固体リチウム二次電池の製造方法。
[式1]
Tm≦T≦Tm+50℃
(式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。) - 段階(c)が、前記陽極と前記複合固体電解質層を積層し、65℃(ポリエチレンオキシドの溶融温度)〜115℃の温度で0.1〜1.0MPaの圧力で加圧して積層体を製造する段階であることを特徴とする、請求項9に記載の全固体リチウム二次電池の製造方法。
- 前記全固体リチウム二次電池の製造方法が、
段階(d)の結果物を下記式1の温度範囲(T)で0.1〜1.0MPaの圧力で加圧する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載の全固体リチウム二次電池の製造方法。
[式1]
Tm≦T≦Tm+50℃
(式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。) - 段階(a)が、前記陽極活物質、LLZO、第1伝導性高分子、第1リチウム塩及び導電材を混合したスラリーをキャスティングした後、乾燥させて陽極を製造する段階であることを特徴とする、請求項9に記載の全固体リチウム二次電池の製造方法。
- (a’)陽極活物質、第1LLZO、第1伝導性高分子、第1リチウム塩及び導電材を含む陽極を製造する段階と、
(b’)第2LLZO、第2伝導性高分子及び第2リチウム塩を含む複合固体電解質層を製造する段階と、
(c’)前記陽極、前記陽極上に複合固体電解質層、および前記複合固体電解質層上にリチウム金属を含む陰極を配置して積層体を製造する段階と、
(d’)前記積層体を下記式1の温度範囲(T)で0.1〜1.0MPaの圧力で加圧して全固体リチウム二次電池を製造する段階とを含む、全固体リチウム二次電池の製造方法。
[式1]
Tm≦T≦Tm+50℃
(式中、Tm1>Tm2の場合にはTm=Tm1であり、Tm1<Tm2の場合にはTm=Tm2であり、Tm1=Tm2の場合にはTm=Tm1であり、
ここで、Tm1は第1伝導性高分子の溶融温度であり、Τm2は第2伝導性高分子の溶融温度である。)
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