JP6757573B2 - 全固体電池の製造方法および全固体電池 - Google Patents
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Description
そこで本発明はフィラーを用いずにイオン伝導性に優れた電極層および電解質層を有し、かつ層間の熱収縮率を整合させて焼結性に優れた全固体電池を製造するための方法と、その方法によって製造された全固体電池を提供することを目的としている。
焼結性を有する正極用の電極活物質の粉体と焼結性を有する非晶質からなる第1の固体電解質の粉体とを含むスラリー状の正極層材料をシート状に成形して正極層シートを作製する正極層シート作製ステップと、
焼結性を有する負極用の電極活物質の粉体と前記第1の固体電解質の粉体とを含むスラリー状の負極層材料をシート状に成形して負極層シートを作製する負極層シート作製ステップと、
第2の固体電解質の粉体を含むスラリー状の電解質層材料をシート状に成形して電解質層シートを作製する電解質層シート作製ステップと、
前記正極層シート、前記電解質層シート、および前記負極層シートをこの順に積層してなる積層体を還元雰囲気下でかつ前記第1および第2の固体電解質が結晶化する温度で焼成することで前記積層電極体を作製する焼成ステップと、
を含み、
前記第1および第2の固体電解質は一般式Li 1+x Al x Ge 2−x (PO 4 ) 3 で表される化合物であり(但し、0<x<1)、
前記正極層材料中および前記負極層材料中では、前記電極活物質のメジアン径は、前記第1の固体電解質のメジアン径以上で、前記第1の固体電解質のメジアン径は0.2μm以上1.0μm以下であり、
前記電解質層材料中の前記第2の固体電解質のメジアン径は、前記正極層材料中および前記負極層材料中の前記電極活物質のメジアン径よりも大きく、前記電解質層材料中での前記第2の固体電解質のメジアン径は2.0μm以上3.4μm以下であり、
前記正極層材料中および前記負極層材料中での前記電極活物質のメジアン径は0.5μm以上1.4μm以下である、
ことを特徴とする全固体電池の製造方法としている。また、本発明は上記の製造方法によって製造された全固体電池にも及んでいる。
全固体電池において、固体電解質は焼成前の非晶質からなる粒子状の状態から焼成の過程で結晶化することでイオン伝導性を発現する。したがって電極層内には不定形の結晶化した固体電解質と粒子状の電極活物質とが混在することになる。そして全固体電池を実用化させるためには、まず粒子状の活物質の周囲に不定形の固体電解質を均一にかつ過不足無く介在させることで電極層内でのイオン伝導率を向上させることが必要となる。すなわち電極活物質の粒子同士を適切な距離を隔てて分散させつつ電極活物質の粒子間に固体電解質を均一に配置することが必要である。
上記考察や技術思想に基づいて、電極層内の電極活物質と固体電解質の粒子径が異なる種々のグリーンシート、および電解質層内の固体電解質の粒子径が異なる種々のグリーンシートを作製し、電極層と電解質層のそれぞれのグリーンシートを積層するとともに、その積層体を焼成してなる積層電極体をサンプルとして作製した。そして各サンプルについてイオン伝導度や焼結性について検討し、各層内における電極活物質の粒子や固体電解質の粒子における適切な相対関係を求めた。
サンプルを構成する電極層と電解質層はグリーンシートを焼成したものであり、電極層のグリーンシート(以下、電極層シートとも言う)と電解質層のグリーンシート(以下、電解質シート)の製造手順は上述したドクターブレード法に基づいている。そして電極層シートと電解質層シートは、グリーンシートに含ませるセラミック粉体の種類や粒子径のみがサンプルの種類に応じて異なっている。なおここでは粒子径を規定するパラメーターとしてメジアン径を採用し、固体電解質には全固体電池用の固体電解質としてよく知られているLAGPを用いた。周知のごとくLAGPは0<x<1として化学式Li1+xAlxGe2−x(PO4)3で表される化合物である。そして以下では、電解質層シートの作製手順を例に挙げてグリーンシートの作製手順を説明する。
上述したように全固体電池は、各層のグリーンシートをさらに積層し、その積層体を焼成することで作製される。そして固体電解質は非晶質の状態から結晶化することでイオン伝導性が発現することから、その焼成温度は固体電解質を結晶の状態にさせるための温度となる。そこでまず上記手順で作成した電解質シートのみを焼成し、その焼成過程での熱重量と示差熱の変化をTG−DTA分析装置を用いて測定することとした。周知のごとくTG−DTA分析装置は、温度と熱重量、および温度と示差熱の関係を同時に測定することができ、熱重量として試料の質量変化(%)を測定し、示差熱を示す熱流を電位差(μV)として測定する。図1にTG−DTA分析装置による熱重量と示差熱の測定結果を示した。
電極層シートにおける活物質粉体と電解質粉体についての適切な粒子径の関係を調べるために、活物質粉体のメジアン径(以下、粒子径φ1)を1μmとしつつLAGP粉体のメジアン径(以下、粒子径φ2)を変えた電極層シートと、LAGP粉体のメジアン径(以下、粒子径φ3)を3.0μmとした電解質シートを作製し、電極層シートと電解質シートからなる2層の積層体を上記条件で焼成して各種サンプルを得た。さらに、積層体の積層方向を上下方向とすると、各サンプルの上面と下面にスパッタリングによって金(Au)の薄膜からなる集電体層を形成した上で、各サンプルのイオン伝導率(S/cm)を測定した。
つぎに電解質層シート内の電解質粉体のメジアン径と電極層シート内の活物質のメジアン径との間のより適切な関係を調べるために、活物質粉体および電解質粉体のそれぞれのメジアン径を0.9μmおよび0.5μmとした電極層シートと、電解質粉体のメジアン径を変えた電解質層シートの積層体を焼成して各種サンプルを作製した。そして各サンプルに上記の集電体層を形成した後、各サンプルのイオン伝導率(S/cm)を測定した。
つぎに上記各サンプルにおける粒子径(φ1〜φ3)とイオン伝導率との関係に基づいて本発明の実施例に係る全固体電池の製造方法について説明する。図2は焼成前の積層体1の概略構造であり、ここでは積層体1における各層に対応するグリーンシート(10a、20、10b)の積層方向を上下方向として、上方から正極の電極層シート(以下、正極層シート10aとも言う)、電解質層シート20、および負極の電極層シート(以下、負極層シート10bとも言う)がこの順に積層されていることとし、各グリーンシート(10a、20、10b)の一部を拡大して示した。そして各グリーンシート(10a、20、10b)内における粒子状の電極活物質(11a、11b)や固体電解質(12a、12b、21)の粒子径(φ1〜φ3)の相対的な関係を示した。なお実施例に係る全固体電池の製造方法では、各グリーンシート(10a、10b、20)中に含まれるセラミック粉体の粒子(11a、12a、11b、12b、21)の大きさをメジアン径で規定しており、実際のグリーンシート(10a、10b、20)中には多種多様な粒径の粒子が混在している。しかし図2では説明を容易にするために種類が同じセラミック粉体の粒子(11a、12a、11b、12b、21)については一律に同じ大きさで示した。
本発明の実施例に係る全固体電池の製造方法では、グリーンシートの積層体を焼成することで全固体電池を製造することとし、その製造に際し、電極層や電解質層のグリーンシートに混入する固体電解質や電極活物質のメジアン径の大小関係を規定することで、実用的な全固体電池に求められるイオン伝導率を確保するとともに、層間での熱収縮率を整合させている。したがって本発明の実施例に係る全固体電池の製造方法においては、固体電解質、正極活物質、さらにはバインダや溶剤などは上述したものに限らない。
11a,11b 電極活物質の粒子、
12a、12b 電極層シート内の固体電解質の粒子、20 電解質層シート、
21 電解質層シート内の固体電解質の粒子
Claims (2)
- 一体的な焼結体で層状の正極と負極との間に層状の固体電解質が挟持されてなる積層電極体を備えた全固体電池の製造方法であって、
焼結性を有する正極用の電極活物質の粉体と焼結性を有する非晶質からなる第1の固体電解質の粉体とを含むスラリー状の正極層材料をシート状に成形して正極層シートを作製する正極層シート作製ステップと、
焼結性を有する負極用の電極活物質の粉体と前記第1の固体電解質の粉体とを含むスラリー状の負極層材料をシート状に成形して負極層シートを作製する負極層シート作製ステップと、
第2の固体電解質の粉体を含むスラリー状の電解質層材料をシート状に成形して電解質層シートを作製する電解質層シート作製ステップと、
前記正極層シート、前記電解質層シート、および前記負極層シートをこの順に積層してなる積層体を還元雰囲気下でかつ前記第1および第2の固体電解質が結晶化する温度で焼成することで前記積層電極体を作製する焼成ステップと、
を含み、
前記第1および第2の固体電解質は一般式Li 1+x Al x Ge 2−x (PO 4 ) 3 で表される化合物であり(但し、0<x<1)、
前記正極層材料中および前記負極層材料中では、前記電極活物質のメジアン径は、前記第1の固体電解質のメジアン径以上で、前記第1の固体電解質のメジアン径は0.2μm以上1.0μm以下であり、
前記電解質層材料中の前記第2の固体電解質のメジアン径は、前記正極層材料中および前記負極層材料中の前記電極活物質のメジアン径よりも大きく、前記電解質層材料中での前記第2の固体電解質のメジアン径は2.0μm以上3.4μm以下であり、
前記正極層材料中および前記負極層材料中での前記電極活物質のメジアン径は0.5μm以上1.4μm以下である、
ことを特徴とする全固体電池の製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法によって製造された全固体電池。
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