JP6799713B2 - 固体電解質シート、全固体二次電池用負極シート及び全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
このような状況下、有機電解液に代えて、不燃性の無機固体電解質を用いた全固体二次電池の開発が進められている。全固体二次電池は負極、電解質及び正極の全てが固体からなり、有機電解液を用いた電池の課題とされる安全性若しくは信頼性を大きく改善することができ、また長寿命化も可能になるとされる。
デンドライトによる内部短絡の問題に対処すべく、特許文献1には、特定の温度条件で加熱成形して表面が滑らかな第一固体を形成し、この第一固体層の上に気相法により第二固体層を形成することにより、デンドライトによる短絡を防止する技術が記載されている。また、特許文献2は、デンドライトによる内部短絡の防止を課題とするものではないが、固体電解質部材中の貫通孔量を低減する(負極中のリチウム容量の低減を防止する)ため、酸化物固体電解質を含む焼結体の表面を研磨した後にガラスを溶融凝固させる技術が記載されている。
<1>250℃以下で塑性変形する固体粒子を含む無機固体電解質粒子を予備成形する工程と、
得られた予備成形体の一方の表面をせん断処理する工程と、を有し、
無機固体電解質粒子からなる固体電解質層を形成する、固体電解質シートの製造方法。
<2>せん断処理する工程が、固体粒子のガラス転移温度を超える温度に予備成形体を加熱して行う<1>に記載の固体電解質シートの製造方法。
<3>せん断処理した予備成形体に垂直圧力を加えて本成形する、<1>又は<2>に記載の固体電解質シートの製造方法。
<4>予備成形体のせん断処理した表面上に、リチウムと合金形成可能な金属の膜を設ける、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の固体電解質シートの製造方法。
<5>上記<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質シートの製造方法で製造した固体電解質シートにおける固体電解質層の、せん断処理した表面に、負極活物質を圧着積層して負極活物質層を形成する、全固体二次電池用負極シートの製造方法。
<6>上記<5>に記載の全固体二次電池用負極シートの製造方法で製造した全固体二次電池用負極シートの、負極活物質層とは反対側の表面に正極活物質層を形成する、全固体二次電池の製造方法。
<7>上記<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質シートの製造方法で製造した固体電解質シートにおける固体電解質層の、せん断処理した表面とは反対側の表面に正極活物質層を形成する、全固体二次電池の製造方法。
<8>正極活物質と負極活物質前駆体とを含有する正極用組成物を用いて正極活物質層を形成する、<6>又は<7>に記載の全固体二次電池の製造方法。
<9>正極活物質層の形成後に充電する、<8>に記載の全固体二次電池の製造方法。
<10>充電した正極活物質層を加圧して圧縮する、<9>に記載の全固体二次電池の製造方法。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
まず、本発明の各製造方法により製造される、全固体二次電池、固体電解質シート及び全固体二次電池用負極シートについて、好ましい実施形態を挙げて、説明する。
この全固体二次電池は、正極活物質層と、この正極活物質層に対向する負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された固体電解質層とを有し、固体電解質層として、後述する本発明の固体電解質シートの製造方法により製造されたものを用いていたものであれば、それ以外の構成は特に限定されず、全固体二次電池に関する公知の構成を採用できる。全固体二次電池は、充放電を繰り返しても、デンドライトの正極への到達を防止でき、短絡発生が抑制される。更に好ましくは、全固体電池に拘束力を加えることで、放電時に負極活物質量が減少しても、固体電界質層と負極活物質との接触が維持され、とりわけ負極活物質層としてリチウム箔を採用した場合には、充放電による電池容量の低下が抑えられ(充放電によるリチウムの失活量を低減でき)、優れたサイクル特性をも示す。
本発明において、負極活物質層は、特に断らない限り、予め形成した負極活物質層(負極活物質層を予め形成する形態における負極活物質層)に加えて、充電により析出する金属の層(負極活物質層を予め形成しない形態における負極活物質層)を包含する。
本発明において、全固体二次電池を構成する各層は、特定の機能を奏する限り、単層構造であっても複層構造であってもよい。
一方、放電時には、負極に蓄積された上記のアルカリ金属イオン若しくはアルカリ土類金属イオンが正極側に戻され、作動部位6に電子を供給することができる。図示した全固体二次電池の例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。
このように、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池は、未充電の態様(負極活物質が析出していない態様)と、既充電の態様(負極活物質が析出している態様)との両態様を包含する。なお、本発明において、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池とは、あくまで電池製造における層形成工程において負極活物質層を形成しないことを意味し、上記の通り、負極活物質層は、充電により負極用集電体上に形成されるものである。
固体電解質層3は、後述する本発明の固体電解質シートの製造方法により製造されたものであり、周期律表第一族若しく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粒子と、250℃以下で塑性変形する固体粒子と、本発明の効果を損なわない範囲で他の成分とを含有する。無機固体電解質、固体粒子及び他の成分については後述する。
この固体電解質層3は、その負極集電体側の表面が後述するせん断処理されている。固体電解質層3がせん断処理された表面(若しくは表層)を有することにより、負極から成長してくるデンドライトの正極への到達(貫通)をブロック又は阻止することができる。このように、せん断処理された表面(厚さを持つ場合、表層若しくは表面領域ともいう。)は、デンドライトの貫通を阻止できるので、デンドライト貫通阻止面(デンドライト貫通阻止層)ということもできる。このようなせん断処理された表面(表面状態、表面特性等)の詳細は未だ明らかではないが、無機固体電解質の粒子と固体粒子との混合状態でせん断力が作用することにより、デンドライト貫通阻止面になっていると考えられる。このようなデンドライト貫通阻止面の状態若しくは特性としては、例えば、固体粒子が塑性変形(塑性流動)して空隙のない表面状態(この塑性変形により無機固体電解質粒子の間隙を固体粒子が充填する)等が挙げられる。本発明において、空隙のない表面状態とは、空隙率が、例えば3%以下であることが好ましく、1%以下であることがより好ましい。空隙率は、固体電解質層の任意の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、得られたSEM写真を倍率3万倍で撮影し、視野3μm×2.5μm中の空隙領域の面積を求め、この面積を視野面積(7.5μm2)で除した値(百分率)として算出する。測定領域の厚みが1μm以下である場合、固体電解質層の任意の断面に代えて任意の表面を観察することにより、空隙率を算出することもできる。
本発明において、デンドライト貫通阻止層の厚さは、製造条件等により変動するので一義的に決定されないが、例えば、0.001〜100μmが好ましく、0.01〜10μmがより好ましい。
固体電解質層3において、表面以外の領域は、せん断処理されることなく(デンドライト貫通阻止層が形成されるほどせん断処理の作用が及ばない)、無機固体電解質の粒子と固体粒子との混合物を成形してなる通常のもの(例えば空隙率が3%を越え10%以下のもの)と同様である。
固体電解質層は、通常、正極活物質及び/又は負極活物質を含まない。
固体電解質層中の、無機固体電解質粒子、塑性変形を示す固体粒子及び他の成分の含有量は、後述する予備成形体の固形成分100質量%中の含有量(混合割合)と同じである。
正極活物質層4は、周期律表第一族若しく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と、正極活物質と、本発明の効果を損なわない範囲で他の成分とを含有する。また、全固体二次電池の製造後未充電状態においては、後述する負極活物質前駆体を含有していることが好ましい態様の1つである。無機固体電解質、正極活物質、負極活物質前駆体及び他の成分については後述する。
正極活物質層中の、正極活物質、無機固体電解質、負極活物質前駆体及び他の成分の含有量は、後述する正極用組成物における固形成分100質量%中の含有量と同じである。
負極活物質層2は、負極活物質、好ましくは周期律表第一族若しく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、更には他の成分を含有する層、リチウム金属等が採用される。無機固体電解質、負極活物質及び他の成分については後述する。
負極活物質層を構成しうるリチウム金属層とは、リチウム金属の層を意味し、具体的には、リチウム粉末を堆積又は成形してなる層、リチウム箔及びリチウム蒸着膜等を包含する。
負極活物質層中の、負極活物質、無機固体電解質及び他の成分の含有量は、後述する負極用組成物における固形成分100質量%中の含有量と同じである。
本発明においては、上述した通り、負極活物質層を予め形成しない形態とすることも好ましい。
本発明において、負極活物質層は、充放電による負極の体積膨張及び体積収縮が小さい点で、炭素質材料を含む負極活物質層が好ましく、充放電による負極の体積膨張及び体積収縮を吸収でき、更に固体電解質層のせん断処理した表面を保護できる点で、リチウム金属層、特にリチウム箔が好ましい。一方、電池容量の点では、負極活物質層を予め形成しない形態が好ましく、高い電池容量を達成できる上、短絡の発生を効果的に防止できる点では、Si負極が好ましい。負極活物質層がSi負極又は負極活物質層を予め形成しない形態において充電により金属イオンを補充する場合、Si負極及び上記形態の利点を活かしつつも、電池容量及びエネルギー密度の向上を図ることができる。
負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層の厚さは、それぞれ、特に限定されない。各層の厚さは、それぞれ、10〜1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。負極活物質層を予め形成しない形態における負極活物質層の厚さは、充電により析出する金属量により変動するので、一義的に決定されない。全固体二次電池においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることが更に好ましい。負極活物質層としてリチウム金属層を採用する場合、このリチウム金属層の厚さは、負極活物質層の上記厚さにかかわらず、例えば、0.01〜100μmとすることができる。
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、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、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmが好ましい。
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。
本発明の全固体二次電池は、固体電解質シートのせん断処理された表面と負極集電体との間に、後述する、リチウムと合金形成可能な金属の膜を有していることも好ましい態様の1つである。このリチウムと合金形成可能な金属の膜は、通常、負極集電体の表面(固体電解質層側に配置される表面)、又はせん断処理された表面に設けられる(いずれも図1において図示しない。)。この金属の膜は、全固体二次電池が負極活物質層を有している場合、負極活物質層と負極集電体との間に配置される。
本発明の全固体二次電池の製造方法により製造される全固体二次電池は、用途によっては、上記構造のまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池等の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いることも好ましい。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金及びステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
本発明の固体電解質シートの製造方法により製造される固体電解質シートは、固体電解質層を備えており、全固体二次電池の固体電解質層として用いうるシート状成形体である。
この固体電解質シートは、全固体二次電池が負極活物質層を予め形成しない形態である場合、負極活物質層を形成する(リチウム金属を析出させる)固体電解質層(負極集電体を有する態様においては、この負極集電体に隣接する固体電解質層)として好適に用いることもできる。この場合、固体電解質シートは、せん断処理した表面上に、直接又は他の層を介して、リチウムと合金形成可能な金属の膜を有していることが好ましい。
また、この固体電解質シートは、後述する全固体二次電池用負極シートの製造に好適に用いることもできる。更に、全固体二次電池用正極シートの製造に用いることもできる。
本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質シートを用いて言うと、固体電解質シートにおける固体電解質層の、負極集電体を設ける表面とは反対側の表面に正極活物質層を有する構成である。
この固体電解質シートが備えている固体電解質層は、上記全固体二次電池において説明した固体電解質層と同じであるので、説明を省略する。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、上記集電体で説明した材料、有機材料及び無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン及びセルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラス及びセラミック等が挙げられる。
この金属膜の厚さは、特に制限されないが、300nm以下であることが好ましく、20〜100nmであることがより好ましく、30〜50nmであることが更に好ましい。
上記金属膜を有する固体電解質含有シートを、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池に組み込むと、充電によるリチウム金属の析出状態を効果的に制御することができ、短絡発生を更に効果的に抑制できる(短絡が発生するまでの時間を長期化(充放電サイクル数を伸ばすことが)できる。)。すなわち、充電によりリチウム金属が、固体電解質層との界面に一様に配置された金属膜を形成する金属と合金を形成して析出するため、局所的なリチウム金属の析出を抑制できる。これにより、デンドライトの正極への到達を効果的に抑制できると考えられる。
他の層として正極活物質層を有する場合、正極活物質層は、固体電解質層のせん断処理した表面とは反対側に設けられ、正極活物質層の、固体電解質層とは反対側に正極集電体を有することが好ましい。本発明において、固体電解質シートが正極活物質層を有する場合、全固体二次電池用正極シートということもできる。この全固体二次電池用正極シートが備えている正極活物質層及び固体電解質層は、上記全固体二次電池において説明した正極活物質層及び固体電解質層と同じであるので、説明を省略する。
本発明において、固体電解質シート、下記全固体二次電池用負極シート及び全固体二次電池用正極シートを合わせて、全固体二次電池用シートということができ、固体電解質シートは、全固体二次電池用正極シートを含む概念である。
本発明の全固体二次電池用負極シートの製造方法により製造される全固体二次電池用負極シートは、負極活物質層と固体電解質層とを備えており、好ましくは、負極活物質層の表面と固体電解質層のせん断処理された表面とが接した状態に積層されている。この全固体二次電池用負極シートは、全固体二次電池の負極活物質層及び固体電解質層として用いうるシート状成形体である。
本発明の全固体二次電池は、本発明の全固体二次電池用負極シートを用いて言うと、全固体二次電池用負極シートの、負極活物質層とは反対側の表面に正極活物質層を有する構成である。
この固体電解質シートが備えている負極活物質層及び固体電解質層は、上記全固体二次電池において説明した負極活物質層及び固体電解質層と同じであるので、説明を省略する。
次に、本発明の全固体二次電池の製造方法を、本発明の固体電解質シートの製造方法及び本発明の全固体二次電池用負極シートの製造方法とともに、説明する。
全固体二次電池を製造するに際して、固体電解質シート、更には適宜に全固体二次電池用負極シート等を準備する。固体電解質シートは本発明の固体電解質シートの製造方法により製造する。
本発明の固体電解質シートの製造方法は、下記工程A及び工程Bを順に行うことにより、固体電解質層を形成する方法である。
本発明において、「工程を順に行う」とは、ある工程と他の工程とを行う時間的先後を意味するものであって、ある工程と他の工程との間に別の工程(休止工程を含む。)を行う態様も包含する。また、ある工程と他の工程とを順に行う態様には、時間、場所又は実施者を適宜に変更して行う態様も包含する。
工程A:250℃以下で塑性変形する固体粒子を含む無機固体電解質粒子を予備成形する工程
工程B:上記予備成形する工程で得られた予備成形体の一方の表面をせん断処理する工程
工程Cと工程Dとの実施順は、特に制限されない。工程Cの後に工程Dを行う場合、下記工程Dの「予備成形体のせん断処理した表面上」は「固体電解質層のせん断処理された表面」を意味する。
工程C:工程Bで得られた予備成形体に垂直圧力を加えて本成形する工程
工程D:予備成形体のせん断処理した表面上に、リチウムと合金形成可能な金属の膜を設ける工程
工程Aを実施するに際して、250℃以下で塑性変形する固体粒子を含む無機固体電解質粒子を、予備成形材料として、準備する。この250℃以下で塑性変形する固体粒子を含む無機固体電解質粒子は、通常、250℃以下で塑性変形する固体粒子と無機固体電解質粒子との混合物を意味するが、無機固体電解質粒子が250℃以下で塑性変形する固体粒子にも相当する場合(例えば硫化物系無機固体電解質)、この無機固体電解質粒子と他の(250℃以下で塑性変形しない)無機固体電解質との混合物、更には250℃以下で塑性変形する1種若しくは2種以上の無機固体電解質粒子のみ(無機固体電解質粒子群)を用いることもできる。本発明においては、250℃以下で塑性変形する固体粒子及び無機固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いる態様が好ましい。予備成形材料に用いる固体粒子及び無機固体電解質粒子は、それぞれ、1種若でも2種以上でもよい。
250℃以下で塑性変形する固体粒子(以下、塑性固体粒子という。)は、250℃以下で塑性変形可能な特性若しくは物性を有する粒子であれば特に制限されない。このような粒子を用いると、後述する工程Bにより、予備成形体の表面をデンドライトの成長をブロック可能で、しかも割れ及びヒビが生じにくい表面にすることができる。
塑性固体粒子としては、例えば、後述する硫化物系無機固体電解質、五酸化二リン、窒化ホウ素−硫黄混合物等が挙げられ、中でも、硫化物系無機固体電解質が好ましい。これらの塑性固体粒子は、適宜に合成してもよく市販品を用いることができる。例えば、窒化ホウ素−硫黄混合物の合成方法として次の方法が挙げられる。すなわち、長辺0.4μmの鱗片状の六方晶窒化ホウ素(hBN)と硫黄とを質量比1:2の割合に設定して乳鉢で混合した後、温度170℃、圧力130MPaの条件でホットプレスして膜体とし、得られた膜体を乳鉢ですりつぶして粉体とする。これにより、麟片状のhBN粒子の間に、熱溶融した硫黄が充填され、塑性変形性を示す固体粒子とすることができる。
塑性固体粒子が250℃以下で塑性変形可能な特性若しくは物性を有する粒子であるか否かは、以下のようにして、判断できる。すなわち、微小硬度試験機にて、バーコビッチ圧子を用いて最大押し込み加重100mN、負荷時間10秒、クリープ5秒、除加時間10秒で押し込み試験を行い、試験後に試料損傷が無く、押し込み試験の前後で得られた変位−荷重曲線から、クリープ後の圧入深さと、除荷後の圧入深さの差分がクリープ後圧入深さの10%以上であれば、塑性変形可能な特性を有すると判断する。測定温度は、上限を250℃とし、塑性変形が可能な温度で行う。具体的には、測定温度が250℃に到達するまでに上記差分が10%以上となれば、250℃以下で塑性変形する固体粒子とする。なお、押し込み加重は、試料全体の情報が得られるように、試験片として用いた、塑性固体粒子を成形した膜について、その膜厚の1/10程度となるように設定する。
本発明において、塑性固体粒子が複数のガラス転移温度を有する場合、上記工程A、B及びCの温度条件(ガラス転移温度を基準とするとき)は最も低温のガラス転移温度を基準とすることが好ましい。
塑性固体粒子において、塑性変形温度及びガラス転移温度は、次の関係を有していることが好ましい。すなわち、塑性変形温度は、ガラス転移温度よりも低い温度であることが好ましく、複数のガラス転移温度が確認される場合、最も低温のガラス転移温度よりも低い温度であることが好ましいことが好ましい態様の1つである。
本発明において、塑性固体粒子として無機固体電解質粒子を用いる場合、下記に示す無機固体電解質の中から塑性変形温度、好ましくはガラス転移温度が上記温度範囲にあるものを適宜に選択して用いる。
予備成形材料に用いる無機固体電解質粒子は、下記の無機固体電解質の粒子である。
本発明において、無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、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ニル)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、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、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(LiPF6、LiBF4、LiFSI、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば特に制限されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
本発明の全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池である場合、無機固体電解質はリチウムイオンのイオン伝導度を有することが好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 式(I)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。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。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。a1は1〜9が好ましく、1.5〜7.5がより好ましい。b1は0〜3が好ましく、0〜1がより好ましい。d1は2.5〜10が好ましく、3.0〜8.5がより好ましい。e1は0〜5が好ましく、0〜3がより好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mで表される元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、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。上限は特に限定されないが、1×10−1S/cm以下であることが実際的である。
ハロゲン化物系無機固体電解質は、ハロゲン原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
ハロゲン化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiCl、LiBr、LiI、ADVANCED MATERIALS,2018,30,1803075に記載のLi3YBr6、Li3YCl6等の化合物が挙げられる。中でも、Li3YBr6、Li3YCl6を好ましい。
水素化物系無機固体電解質は、水素原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
水素化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiBH4、Li4(BH4)3I、3LiBH4−LiCl等が挙げられる。
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。
予備成形材料は、固体電解質層に含有してもよい他の成分を含有していてもよい。
他の成分としては、バインダー、添加剤、後述する分散媒等が挙げられる。
予備成形材料が2種以上の成分で調製される場合、各成分を混合して予備成形材料を調製する。例えば、予備成形材料は、塑性固体粒子と無機固体電解質粒子と、適宜に他の成分を混合して得られる。混合方法は、特に制限されず、ボールミル、ビーズミル、ディスクミル等の公知の混合機を用いた方法が挙げられる。また、混合条件も、特に制限されないが、混合雰囲気としては、後述する予備成形での雰囲気と同じであり、好ましい雰囲気も同じである。
本発明において、固形成分(固形分)とは、予備成形材料に、1mmHgの気圧及び窒素雰囲気下130℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発若しくは蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
他の成分の、予備成形材料中の含有量は、特に制限されず、適宜設定される。
工程Aにおいては、準備(調製)した予備成形材料を、通常層状又は膜状に、予備成形する。
工程Aにおける成形方法は、予備成形材料を所定の形状に成形できる方法であればよく、公知の各種成形方法を適用することができ、プレス成形(例えば油圧シリンダープレス機を用いたプレス成形)が好ましい。成形時の加圧力は、特に限定されないが、通常、50〜1500MPaの範囲に設定されることが好ましく、100〜300MPaの範囲に設定されることがより好ましい。工程Aにおける加圧力としては、後述する工程Cを行う場合、上記範囲内において、工程Cの本成形での加圧力よりも低く設定されることが更に好ましい。
予備成形の加圧と同時に成形材料を加熱してもよいが、本発明においては、非加熱で予備成形することが好ましく、例えば、10〜50℃の環境温度で予備成形することが好ましい。なお、成形材料を加熱する場合、塑性固体粒子が過度に塑性変形してクラックを生じることを避けるために、ガラス転移温度以下の条件に設定することが好ましい。
予備成形中の雰囲気としては、特に限定されず、大気下、乾燥空気下(露点−20℃以下)及び不活性ガス中(例えばアルゴンガス中、ヘリウムガス中、窒素ガス中)などいずれでもよい。無機固体電解質は水分と反応するため、予備成形中の雰囲気は、乾燥空気下又は不活性ガス中が好ましい。
予備成形(プレス)時間は、短時間(例えば数時間以内)でも、長時間(1日以上)でもよい。
この工程において、予備成形材料を支持する上記基材又は集電体を用いることもできる。
本発明の固体電解質シートの製造方法においては、次いで、得られた予備成形体の一方の表面(塑性固体粒子が存在する表面)をせん断処理する。
本発明において、塑性固体粒子が存在する表面をせん断処理するとは、予備成形体の表面にせん断力を作用させて、この表面を、デンドライトの成長をブロック可能で、しかも割れ及びヒビが生じにくい表面に、調製する処理をいう。せん断処理は、塑性固体粒子が存在する表面を上記表面に調製する点で、単に、酸化物系無機固体電解質の焼結体(塑性固体粒子が存在しない)の表面を平滑にする研磨処理とは異なる。
せん断処理において、予備成形体の表面に作用させるせん断力は、予備成形体の表面(単位面積当たり)に作用した(伝達された)最小せん断エネルギーで表すことができるが、塑性固体粒子の塑性変形性、塑性固体粒子の混合割合(更には表面に存在する割合)等に応じて適宜に設定され、一義的に決定されるものではない。せん断処理として後述する表面ブラッシング方法を採用する場合、単位面積当たりの最小せん断エネルギーは、ブラシ回転数×処理時間×摩擦力で、定義される。単位面積当たりの最小せん断エネルギーの一例を挙げると、100(gf/mm2)・mm(1000Pa・m)以上に設定することができる。ブラシの回転数、処理時間及び摩擦力も適宜に設定され、例えば、ブラシの回転数としては、100〜15000rpmが挙げられ、処理時間としては、0.01〜30分が挙げられる。より具体的には、例えば、後述する実施例で適用した条件が挙げられる。
予備成形体の表面にせん断力を作用させる方向等も、表面に平行な方向であれば特に制限されず、一方向に沿う方向でもよく、複数方向に沿う方向、周方向に沿う方向、又はこれらを組み合わせた方向等が挙げられる。
せん断処理する際の雰囲気は、上記予備成形での雰囲気と同じであり、好ましい雰囲気も同じである。
(工程C:本成形する工程)
工程Cは、工程Bで得られた予備成形体に垂直圧力を加えて本成形する工程である。工程Cにより、工程Bで形成されたデンドライト貫通阻止面に割れ、ヒビ等の欠陥を発生させることなく、表面の空隙がより低減した固体電解質層を形成できる。
本成形する方法は、予備成形体に垂直圧力を加えて成形する方法であればよく、例えば、予備成形法として挙げたプレス成形が好ましい。この本成形工程(とりわけプレス成形)は、非加熱で高い加圧力に設定すること以外は、工程Aの予備成形法(プレス成形)と同じ成形法を採用することができる。本成形工程における温度条件は、予備成形体の非加熱状態での温度であればよく、例えば、0〜50℃の環境温度に設定することができる。本成形工程における加圧力は、予備成形工程での加圧力よりも高く設定されることが好ましく、通常、100〜1000MPaの範囲に設定されることがより好ましく、150〜600MPaの範囲に設定されることが更に好ましい。予備成形工程での加圧力と本成形工程における加圧力との圧力差は、特に制限されないが、例えば、10〜1000MPaが好ましく、100〜400MPaがより好ましい。加圧方向は、予備成形体の被加圧面に対して垂直方向であって(垂直圧力)、通常、工程Aにおける加圧方向と同じである。
固体電解質シートが上述の金属膜を有する場合、固体電解質層のせん断処理された表面上に金属膜を設ける(配置する)工程を行う。金属膜の形成方法は、特に制限されず、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法等が挙げられる。形成方法の条件は、特に制限されず、金属種、厚さ等に応じて、適宜の条件が選択される。せん断処理された表面上に金属膜を設ける方法としては、特に制限されないが、せん断処理した表面上で上記形成方法により形成する方法、上記形成方法により予め作製した金属膜をせん断処理した表面に積層(載置)する方法、更には上記形成方法により予め作製した金属膜をせん断処理した表面に転写(圧着積層)する方法が挙げられる。予め作製した金属膜をせん断処理した表面に積層又は転写する方法及び条件としては、例えば、後述する、負極活物質をせん断処理した表面に載置し、更にはプレスする方法及び条件を選択できる。
集電体等を有する場合、集電体を設ける方法としては、特に制限されず、後述する、集電体等をせん断処理した表面に載置した後にプレスする方法及び条件を選択できる。
全固体二次電池用負極シートの製造方法は、全固体二次電池の負極の形態に応じて、実施される。すなわち、負極活物質層を予め形成する形態の全固体二次電池を製造する場合(電池製造における層形成工程において負極活物質層を形成する場合)、全固体二次電池用負極シートを製造する。一方、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造する場合(電池製造における層形成工程において負極活物質層を形成しない場合)、全固体二次電池用負極シートを製造する必要はない。
負極活物質を圧着積層する方法は、特に限定されないが、例えば、負極活物質を固体電解質層の、せん断処理した表面に載置(配置)した後に、プレスする方法が挙げられる。
本発明においては、負極活物質として上述したリチウム金属層(リチウム箔、リチウム蒸着膜等)を用いることが好ましい。このリチウム金属層は負極集電体との積層体として用いることもできる。
本発明に用いる負極活物質は、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な物質である。負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、金属若しくは半金属元素の酸化物(複合酸化物を含む。)、リチウム単体、リチウム合金、又は、リチウムと合金化(リチウムとの合金を形成)可能な負極活物質等が挙げられる。中でも、信頼性の点では、炭素質材料、半金属元素の酸化物、金属複合酸化物又はリチウム単体が好ましい。全固体二次電池の大容量化が可能となる点では、リチウムと合金形成可能な負極活物質が好ましい。
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質材料(ハードカーボンともいう。)と黒鉛系炭素質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又は密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料でなくてもよく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
炭素質材料としては、ハードカーボン又は黒鉛が好ましく用いられ、黒鉛がより好ましく用いられる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる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/又は放出できる炭素質材料、リチウム単体、リチウム合金、リチウムと合金化可能な負極活物質が好適に挙げられる。
一般的に、これらの負極活物質を含有する負極(ケイ素原子含有活物質を含有するSi負極、スズ原子を有する活物質を含有するSn負極等)は、炭素負極(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。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、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。
ケイ素原子含有活物質としては、例えば、Si、SiOx(0<x≦1)等のケイ素材料、更には、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、ランタン等を含むケイ素含有合金(例えば、LaSi2、VSi2、La−Si、Gd−Si、Ni−Si)、又は組織化した活物質(例えば、LaSi2/Si)、他にも、SnSiO3、SnSiS3等のケイ素原子及びスズ原子を含有する活物質等が挙げられる。なお、SiOxは、それ自体を負極活物質(半金属酸化物)として用いることができ、また、全固体二次電池の稼働によりSiを生成するため、リチウムと合金化可能な負極活物質(その前駆体物質)として用いることができる。
スズ原子を有する負極活物質としては、例えば、Sn、SnO、SnO2、SnS、SnS2、更には上記ケイ素原子及びスズ原子を含有する活物質等が挙げられる。また、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、Li2SnO2を挙げることもできる。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
負極用組成物が無機固体電解質を含有する場合、負極用組成物中における無機固体電解質と負極活物質との合計含有量として、固形成分100質量%において、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることが更に好ましく、50質量%以上であることがより一層好ましく、70質量%以上であることが特に好ましく、90質量%以上であることが最も好ましい。上限としては、99.9質量%以下であることが好ましく、99.5質量%以下であることがより好ましく、99質量%以下であることが特に好ましい。
他の成分の、負極用組成物中の含有量は、特に制限されず、適宜設定され、例えば予備成形材料で説明した上記含有量とすることができる。
負極活物質(負極用組成物)は、固体電解質層の、せん断処理した表面に載置して圧着積層される。これにより、負極(負極活物質層)にデンドライトが析出してもせん断処理した表面によってデンドライトの正極まで到達する成長をブロックできる。
圧着積層する際の圧力は、負極活物質を圧着積層可能な圧力であればよく、例えば、1MPa以上に設定することができ、1〜60MPaが好ましく、5〜30MPaがより好ましい。圧着積層は加熱下で行ってもよいが、本発明においては、非加熱下で行うことが好ましく、例えば、0〜50℃の環境温度で圧着積層することが好ましい。圧着積層を行う雰囲気は、上記工程Aの予備成形中の雰囲気と同様である。
本発明の全固体二次電池の製造方法においては、製造する全固体二次電池の負極の形態に応じて、異なる工程を経て全固体二次電池を製造する。すなわち、負極活物質層を予め形成する形態の全固体二次電池を製造する場合、上述の、全固体二次電池用負極シートの製造を経て、全固体二次電池を製造する。一方、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造する場合、上述の、固体電解質層シートを用いて全固体二次電池を製造する。
負極活物質層を予め形成する形態の全固体二次電池を製造する場合、本発明の全固体二次電池用負極シートの製造方法で得られた全固体二次電池用負極シートの、負極活物質層とは反対側の表面に正極活物質層を形成する。
正極活物質層の形成する正極活物質は、下記正極活物質の粒子でもよく、この粒子からなる成形体として用いてもよい。なお、この成形体は、負極活物質からなる成形体と同様にして作製できる。正極活物質は、無機固体電解質、更には、リチウム塩、導電助剤、予備成形体で挙げた他の成分、分散媒と混合された正極用組成物として用いることもできる。この正極用組成物は後述する負極活物質前駆体を含有していてもよい。無機固体電解質、リチウム塩、導電助剤、分散媒等は、全固体二次電池に用いられるものを特に制限されることなく用いることができる。
本発明に用いる正極活物質は、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な物質である。正極活物質としては、金属酸化物(好ましくは遷移金属酸化物)が好ましい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(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又はBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(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。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4及びLi2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO又はNMCがより好ましい。
上記負極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
正極用組成物が無機固体電解質を含有する場合、正極用組成物中における無機固体電解質と正極活物質との合計含有量として、固形成分100質量%において、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることが更に好ましく、50質量%以上であることがより一層好ましく、70質量%以上であることが特に好ましく、90質量%以上であることが最も好ましい。上限としては、99.9質量%以下であることが好ましく、99.5質量%以下であることがより好ましく、99質量%以下であることが特に好ましい。
他の成分の、正極用組成物中の含有量は、特に制限されず、適宜設定され、例えば予備成形材料で説明した上記含有量とすることができる。
正極活物質層を形成する方法は、特に制限されず、通常の方法を適用できる。例えば、下記正極活物質を負極活物質層とは反対側の表面に載置する方法、下記正極活物質を層状に成形した成形体(シート)を負極活物質層とは反対側の表面に載置(貼付)する方法、負極活物質層とは反対側の表面に下記正極活物質を含有する正極用組成物を塗布乾燥する方法等が挙げられる。正極活物質を載置した後に圧着積層することもでき、圧着積層方法としては負極活物質層における圧着積層方法が挙げられる。正極用組成物を塗布乾燥する方法は、公知の塗布方法により塗布した正極用組成物を適宜設定した温度に加熱する方法が挙げられる。
特に負極活物質層として上述のSi負極を採用する場合、正極活物質層は、下記<負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池の製造方法>において説明する、正極活物質と負極活物質前駆体とを含有する正極用組成物を用いて形成することが好ましい。ケイ素材料又はケイ素含有合金は不可逆容量が大きく、通常、初回の充電による容量(可動リチウムイオン量)の目減りが大きいという問題がある。しかし、Si負極を備えた全固体二次電池の正極活物質層を、負極活物質前駆体を含有する正極用組成物で形成することにより、目減りした金属イオンを補充(ドープ)して(Si負極内に金属イオンを吸蔵させて)、Si負極に特有の上記問題を抑制できる。
また、正極活物質層に負極活物質前駆体を含有させると、充電時における金属イオン吸蔵による膨張、若しくは金属析出による膨張を、正極活物質層で負極活物質前駆体の分解反応で発生した空隙によりキャンセルできるため、固体電解質層の破壊を防止でき、デンドライトの正極への到達をより効果的に抑制できる。しかも、後述するように空隙を圧潰する好ましい形態では、エネルギー密度の向上も可能となる。
負極活物質前駆体を含有する正極用組成物及び正極活物質層の形成方法は後述する。
正極活物質層を充電する工程及び加圧する工程の詳細は、下記<負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池の製造方法>において説明する。
こうして製造した積層体に必要な部材を設けて、負極活物質層を予め形成する形態の(初期化前の)全固体二次電池を製造できる。
− 正極活物質層を形成する工程 −
負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造する場合、本発明の固体電解質シートの製造方法により得られた固体電解質シートの、せん断処理した表面とは反対側の表面に、正極活物質層を形成する。
負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池の製造方法において、正極活物質層を形成する方法は、上述の負極活物質層を予め形成する形態の全固体二次電池の製造方法における、正極活物質層を形成する方法と同じである。
負極活物質前駆体は、後述する充電する工程により、正極活物質層中において、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属元素のイオン(金属イオン)を発生(放出)させる化合物である。発生する金属イオンが全固体二次電池の充電により負極集電体等に到達して負極活物質層をプレドープする。全固体二次電池が負極活物質層を予め形成しない形態である場合、金属イオンが負極集電体に到達して電子と結合することにより金属として析出して、負極活物質層をプレドープする。
負極活物質前駆体は、このような特性若しくは機能を有するものであれば特に制限されず、上記金属元素を含む化合物が挙げられるが、全固体二次電池の材料として用いられる支持電解質としてのリチウム塩とは、初回充電時にリチウムイオンを放出して分解し、次回充電時にはリチウムイオン放出に寄与しない点で、異なる。
全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池である場合、負極活物質前駆体を形成する金属元素はリチウムが好ましい。
負極活物質前駆体としては、上記金属元素の、炭酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、カルボン酸塩(例えばシュウ酸塩)等が挙げられ、より具体的には、リチウム塩として、例えば、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、硫化リチウム、リン化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、リン酸リチウム、シュウ酸リチウム、ギ酸リチウム、酢酸リチウム等が挙げられ、炭酸リチウム、酸化リチウム又は水酸化リチウムが好ましく、空気中での安全に取り扱うことができる(吸湿性が低い)点で、炭酸リチウムがより好ましい。
正極用組成物は、負極活物質前駆体を1種含有していても、2種以上を含有していてもよい。
負極活物質前駆体の平均粒子径は、特に限定されないが、0.01〜10μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがより好ましい。平均粒子径は、上述の無機固体電解質粒子の平均粒子径と同様にして測定した値である。
負極活物質前駆体の、正極用組成物中の含有量は、補充する金属元素のイオン量等により変動するので、一義的に決定されないが、例えば、固形成分100質量%において、0〜50質量%以下であることが好ましく、5〜30質量%であることがより好ましく、7〜20質量%であることが更に好ましい。
正極用組成物が負極活物質前駆体を含有する場合、正極用組成物中の、正極活物質と負極活物質前駆体との合計含有量は、負極活物質前駆体を含有しない正極用組成物中の、正極活物質と同じ上記含有量に設定することができ、好ましくは70〜90質量%である。
特に炭酸塩は、酸化分解により、金属元素のイオンと炭酸イオンを発生して、消失する。発生した金属元素のイオンは負極活物質層の構成材料となり、炭酸イオンは炭酸ガスに変化して層外に放出される。そのため、炭酸塩は、分解物を含めて正極活物質層中に残存せず、炭酸塩の含有による電池特性の低下を避ける(エネルギー密度を向上させる)ことができる。しかも、炭酸塩の分解反応により生じた空隙を圧潰する好ましい形態では、エネルギー密度の更なる向上も可能となる。
上述のようにして、正極活物質層及び固体電解質層、更には金属膜、負極集電体等からなる積層体(全固体二次電池前駆体)を製造できる。
なお、固体電解質シートとして上述の全固体二次電池用正極シートを用いる場合は、この全固体二次電池用正極シートをそのまま、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池の製造方法に用いることができる。
本製造方法においては、得られた上記積層体を(適宜の部材を設けた後に)充電する。この充電する工程を行うことにより、負極用集電体の表面上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を析出させて、負極活物質層を形成する(負極活物質層が形成された全固体二次電池を製造する)ことができる。特に、負極活物質前駆体を含有する正極用組成物で正極活物質層を形成すると、上述のように、充電により負極活物質を補充することができる。
積層体を充電する方法は、特に限定されず、公知の方法が挙げられる。充電条件は、正極活物質層中の負極活物質前駆体を酸化分解可能な条件であればよく、例えば下記条件が挙げられる。
電流:0.05〜1mA/cm2
電圧:4.2〜4.5V
充電時間:1〜20時間
温度:25〜60℃
負極活物質前駆体を用いる場合、充電する工程は、負極活物質前駆体の陰イオン(から発生する化合物)を積層体の外部に放出するため、積層体を密閉して行うのではなく、開放下で行うことが好ましい。このときの雰囲気は、予備成形中の雰囲気と同様である。
上記充電する工程において、充電は1回行ってもよく、複数回行ってもよい。
上記充電は、全固体二次電池を製造後又は使用前に好ましく行われる初期化によって、行うこともできる。
本発明の全固体二次電池の製造方法において、正極活物質と負極活物質前駆体とを含有する正極用組成物を用いて形成した正極活物質層を、上述の充電した後に加圧して圧縮することが好ましい。この加圧圧縮により、全固体二次電池の全厚(体積)が減少して、エネルギー密度が向上する。
加圧する工程は、充電する工程の後であって放電する工程の前に行うことが好ましい。
正極活物質層を加圧する工程は、少なくとも正極活物質層を圧縮できればよいが、充電後の正極活物質層を圧縮することを考慮すると、全固体二次電池前駆体としての上記積層体を加圧することにより正極活物質層を圧縮することが好ましい。
正極活物質層の加圧圧縮と同時に加熱してもよいが、本発明においては、非加熱で加圧圧縮することが好ましく、例えば、10〜50℃の環境温度で加圧圧縮することが好ましい。加圧圧縮中の雰囲気としては、特に限定されず、固体電解質組成物の混合雰囲気が挙げられる。
この加圧する工程は、正極活物質層を圧縮(空隙を圧潰)する点で、全固体二次電池の使用時に好ましく適用する加圧拘束とは異なる。
上述の各全固体二次電池の製造方法により製造された各全固体二次電池は、好ましくは、製造後又は使用前に初期化を行う。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
初期化における充電(初期充電)方法及び条件としては、例えば、上記正極活物質層を充電する工程で説明した方法及び条件を適用できる。初期化における放電条件としては、特に制限されないが、例えば、下記条件が挙げられる。
電流:0.05〜1mA/cm2
電圧:2.5〜3.0V
充電時間:1〜20時間
温度:25〜60℃
また、せん断処理された表面上に金属膜を設けると、上述のように、デンドライトの正極への到達をより効果的に抑制できる。更に、負極活物質前駆体を含有する正極用組成物を用いて正極活物質層を形成すると、上述のように、リチウムイオンを補充することができ、不可逆容量が大きなケイ素材料又はケイ素含有合金からなるSi負極を用いても、また負極活物質層を予め形成しない形態においても、十分な電池特性を付与することができるうえ、デンドライトの正極への到達をより効果的に抑制できる。この正極活物質層を充電後に加圧圧縮する場合には、上述のように、Si負極又は負極活物質層を予め形成しない形態であっても、負極活物質前駆体の分解により形成する空隙を圧潰して正極活物質層自体の薄層化が可能となり、十分な電池特性を維持しつつも、(体積)エネルギー密度の更なる向上が可能となる。
本発明の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が、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、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(電気自動車等)、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。
硫化物系無機固体電解質として、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.HamGa,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、Li−P−S系ガラスを合成した。
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密閉した。フリッチュ社製の遊星ボールミルP−7(商品名)にこの容器をセットし、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無機固体電解質(Li−P−S系ガラス)6.20gを得た。イオン伝導度は0.28mS/cmであった。Li−P−S系ガラスの上記測定方法による粒子径は1μmであり、上記測定方法におけるガラス転移温度(DSC測定で得られる発熱ピークの温度)は75℃であった。このLi−P−S系ガラスは、上述の、微小硬度試験機による押し込み試験において圧入深さの差分が10%以上であったことから、250℃以下で塑性変形を示す固体粒子であることを確認した。
本例では、負極活物質層としてリチウム金属箔を用いて、負極活物質層を予め形成する形態の全固体二次電池を製造した。
<固体電解質シートの製造>
合成した硫化物系無機固体電解質(塑性固体粒子にも相当する。)100mgを、マコール(登録商標)製の内径10mmのシリンダの中に入れて、アルゴンガス雰囲気下、25℃で、加圧力を180MPaに設定して、1分間プレス(予備成形)した(工程A)。このようにして、硫化物系無機固体電解質からなる予備成形体を得た。
次いで、得られた予備成形体の一方の表面(0.78mm2)を、200℃に加熱した状態で、ステンレス鋼製の金属ブラシを用いて、ブラッシング処理した(工程B)。金属ブラシの回転数は10,000rpm、処理時間1分以上とした。せん断力は、成形体表面に垂直に配置した金属ブラシを面内方向に移動させて作用させた。こうして、せん断処理された表面を有する予備成形体を得た。
次いで、この予備成形体を、アルゴンガス雰囲気下、常温(25℃)で、加圧力を550MPaに設定して、1分間、プレス(本成形)した(工程C)。
こうして、せん断処理された表面を有する固体電解質層(厚さ600μm)からなる固体電解質シートを得た。せん断処理された表面は厚さ約0.1mm以下の、割断で剥がすことができる薄層(デンドライト貫通阻止層、空隙率1%)を形成していた。この薄層下には、通常の固体電解質層が形成されていた。
厚さ8μmの銅箔からなる負極集電体と厚さ20μmのリチウム金属箔とを貼り合わせてなる積層シートを準備した。この積層シートのリチウム金属箔が製造した固体電解質シートのせん断処理された表面に接するように、固体電解質シートに積層シートを積層して、アルゴンガス雰囲気下、25℃で、加圧力を24MPaに設定して、1分間圧着した。
こうして、固体電解質層と、この固体電解質層のせん断処理された表面上に負極活物質層及び負極集電体をこの順で備えた全固体二次電池用負極シートを作製した。
まず、正極集電体と正極活物質層とからなる正極シートを作製した。
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180個投入し、上記合成例1で合成したLi−P−S系ガラス2.0gと、スチレンブタジエンゴム(商品コード182907、アルドリッチ社製)0.1gと、分散媒としてオクタン22gとを投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃で、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、正極活物質LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム)7.9gを容器に投入し、再び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分間混合を続けた。このようにして、正極用組成物を得た。
次に、集電体となる厚み20μmのアルミニウム箔状に、上記で得られた正極用組成物(直径10mmの円面積に対する正極活物質の目付量は11mg)をベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃2時間加熱して、正極用組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように乾燥させた正極層用組成物を加熱(120℃)しながら加圧(600MPa、1分)した。このようにして、膜厚110μmの正極活物質層を有する正極シートを作製した。
得られた積層体全体を積層方向に8MPaの拘束圧で拘束して、図1に示す層構成を有する全固体二次電池を製造した。
本例では、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造した。
厚さ8μmの銅箔からなる負極集電体シートを準備した。この集電体シートが、実施例1で製造した固体電解質シートのせん断処理された表面に接するように、固体電解質シートに集電体シートを積層して、アルゴンガス雰囲気下、25℃で、加圧力を24MPaに設定して、1分間圧着して、負極集電体シートと固体電解質層との積層体を得た。
この積層体(直径10mmの円盤状に打ち抜いた円盤状積層体)における固体電解質層の、負極集電体シートとは反対側の表面に実施例1で作製した正極シートから打ち抜いた円盤状シートの正極活物質層を、実施例1と同様にして、貼り付けて、負極集電体と、デンドライト貫通阻止層を有する固体電解質層と、正極活物質層と、正極集電体とからなる積層体を得た。
得られた積層体全体を積層方向に8MPaの拘束圧で拘束して、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造した。
本例では、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造した。
厚さ8μmの銅箔の表面に、スパッタリングによって膜厚50nmのZn膜を形成した。実施例2の全固体二次電池の製造において、厚さ8μmの銅箔に代えて、膜厚50nmのZn膜を形成した厚さ8μmの銅箔を用いて、Zn膜と固体電解質シートのせん断処理された表面とが接した状態に積層圧着したこと以外は、実施例2の全固体二次電池の製造と同様にして、負極集電体(銅箔)と固体電解質シートのせん断処理された表面との間にZn膜を有する全固体二次電池を製造した。この全固体二次電池は、予備成形体のせん断処理した表面上にZn膜(リチウムと合金形成可能な金属の膜)を有する固体電解質シートを含んでいる。
本例では、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造した。
実施例2の全固体二次電池の製造において、下記の正極用組成物を用いた(正極シートの作製は実施例1と同じである)こと以外は、実施例2の全固体二次電池の製造と同様にして、負極活物質前駆体を含有する正極活物質層を備えた全固体二次電池を製造した。
− 正極用組成物の調製 −
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、上記合成例1で合成したLi−P−S系ガラス2.0gと、スチレンブタジエンゴム(商品コード182907、アルドリッチ社製)0.1gと、分散媒としてオクタン22gとを投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃で、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、正極活物質LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム)7.11gと、負極活物質前駆体としてLi2CO3(炭酸リチウム、平均粒子径1μm)0.79gを容器に投入し、再び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分間混合を続けた。このようにして、負極活物質前駆体を含有する正極用組成物を調製した。
本例では、実施例4で製造した上記積層体を用いて加圧圧縮された正極活物質層を有する、負極活物質層を予め形成しない形態の全固体二次電池を製造した。
実施例4で製造した積層体(積層方向に8MPaで拘束した全固体二次電池)を、電流0.09mA/cm2、電圧4.25V、充電時間20時間及び温度25℃の条件で、初期充電した。この初期充電により、炭酸リチウムから発生したリチウムイオンが負極集電体表面にリチウム金属として析出され、炭酸ガスが積層体外に放出された。初期充電後の正極活物質層を観測したところ、初期充電前の正極活物質層に対して空隙率(上記測定方法による)が7%増大していた。
− 加圧する工程 −
初期充電後、積層体の拘束を外して、正極集電体と負極集電体との間に60MPaの圧力をかけて、初期充電後の全固体二次電池を積層方向に加圧して、正極活物質層を圧縮した。この圧縮は、ヒートプレス機を用いて、室温下(25℃)で、円盤状積層体に電圧を印加(充電及び放電)せずに、1時間かけて、行った。
この正極活物質層を観察したところ、初期充電前の正極活物質層に対して空隙率が1%増加した状態(初期充電前の正極活物質層における空隙率6%分の空隙を圧潰した状態)に圧縮(薄層化)されていた。
こうして充電及び圧縮して得られた積層体全体を積層方向に8MPaの拘束圧で拘束して、加圧圧縮された正極活物質層を有する全固体二次電池を製造した。
本例では、負極活物質層としてリチウム金属箔を用いて、負極活物質層を予め形成する形態の(デンドライト貫通阻止層を有しない)全固体二次電池を製造した。
すなわち、実施例1において、固体電解質シートの製造における工程A及び工程Bを行わないこと(デンドライト貫通阻止層を形成しない)以外は、実施例1と同様にして、全固体二次電池を製造した。
本例では、負極活物質層としてリチウム金属箔を用いて、負極活物質層を予め形成する形態の(デンドライト貫通阻止層を有しない)全固体二次電池を製造した。
すなわち、実施例1において、固体電解質シートの製造における工程A及び工程Bを行わず(デンドライト貫通阻止層を形成しない)、更に工程Cの本成形の温度を200℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、全固体二次電池を製造した。
実施例1〜4及び比較例1、2で作製した各全固体二次電池について、0.09mA/cm2で1サイクル充放電して、初期化した。
この初期化(初期充電)により、実施例4の全固体二次電池は、炭酸リチウムから発生したリチウムイオンが負極集電体表面にリチウム金属として析出され、炭酸ガスが電池外に放出された。初期充電後の正極活物質層を観測したところ、初期充電前の正極活物質層に対して空隙率(上記測定方法による)が7%増大していた。
上記で作製した各全固体二次電池を用いて、下記条件により(急速)充放電を行い、充放電サイクル特性試験を実施した。
実施例5の全固体二次電池については、下記の充放電サイクル特性試験を行う前に、全固体二次電池を積層方向に8MPaの拘束圧で拘束して、0.09mA/cm2、終止電圧2.5V、充電時間18時間及び温度25℃の条件で、初期放電して、初期化した。
(条件)
25℃において、電流密度2.2mA/cm2で4.25Vまで充電し、電流密度2.2mA/cm2で2.5Vまで放電する充放電サイクルを1サイクルとして、30又は40サイクル繰り返して行った。
充放電サイクル特性は、1サイクル毎に下記式から充放電効率を求めて評価した。なお、比較例2の全固体二次電池は1サイクルで短絡が発生したので、1サイクル後の充放電効率により評価した。
充放電効率=放電容量/充電容量
実施例1:30サイクルの充放電効率が全て99%で安定していた。
実施例2:30サイクルの充放電効率が全て99%で安定していた(ただし、30サイクル後の放電容量が50%に劣化した)。
実施例3:30サイクルの充放電効率が全て99%で安定していた(30サイクル後の放電容量は90%であった。)
実施例4:40サイクルの充放電効率が全て99%で安定していた。
正極活物質NCAを7.9g用いた実施例2(正極活物質の目付量同一)と、同等の初期放電容量を示した。
実施例5:40サイクルの充放電効率が全て99%で安定していた。
正極活物質NCAを7.9g用いた実施例2(正極活物質の目付量同一)と、同等の初期放電容量を示したうえ、正極活物質層の薄層化により電池体積が減少して体積エネルギー密度が向上したことを確認した。
比較例1:30サイクルの充放電効率が全て80%以下であった。
比較例2:1サイクルの充放電効率が50%以下であった。
これに対して、本発明で規定する工程A及び工程Bを実施してデンドライト貫通阻止層を形成した固体電解質層を有する実施例の全固体二次電池は、いずれも、デンドライトによる内部短絡の発生を効果的に抑制できる。また、各実施例の全固体二次電池は、内部短絡の発生を抑制しつつも、高い充放電サイクル特性を示す。とりわけ負極活物質層としてリチウム箔を採用した実施例1の全固体二次電池は、30サイクル全ての充放電効率が99%であり、析出したリチウム金属の層を採用した実施例2の全固体二次電池に対して、高い放電容量維持特性を示す(高い信頼性を示す)。負極集電体(銅箔)と固体電解質シートのせん断処理された表面との間にZn膜を有する実施例3の全固体二次電池は、30サイクル後の放電容量は90%であって短絡が発生するまでの時間を長期化することができ、また放電容量維持特性の向上もみられる。また、負極活物質前駆体を含有する正極活物質層を備えた実施例4の全固体二次電池は、短絡発生を抑制できるうえ、電池容量の低減を防止してエネルギー密度の向上が期待できる。更に、負極活物質前駆体を含有する正極活物質層を初期充電後に加圧圧縮した実施例5の全固体二次電池は、実施例2と同等の放電容量を示し、実施例4の全固体二次電池と比較して、体積エネルギー密度が更に向上している。また、40サイクルの充放電効率が全て99%で安定しており、短絡の発生を抑制できることが分かる。しかも、負極活物質層の体積膨張収縮に起因する、負極活物質層と固体電解質層との界面剥離を防止でき、高い放電容量を維持できる。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
Claims (10)
- 250℃以下で塑性変形する固体粒子を含む無機固体電解質粒子を予備成形する工程と、
得られた予備成形体の一方の表面をせん断処理する工程と、を有し、
前記無機固体電解質粒子からなる固体電解質層を形成する、固体電解質シートの製造方法。 - 前記せん断処理する工程が、前記固体粒子のガラス転移温度を超える温度に前記予備成形体を加熱して行う、請求項1に記載の固体電解質シートの製造方法。
- せん断処理した前記予備成形体に垂直圧力を加えて本成形する、請求項1又は2に記載の固体電解質シートの製造方法。
- 前記予備成形体のせん断処理した表面上に、リチウムと合金形成可能な金属の膜を設ける、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法で製造した固体電解質シートにおける前記固体電解質層の、せん断処理した表面に、負極活物質を圧着積層して負極活物質層を形成する、全固体二次電池用負極シートの製造方法。
- 請求項5に記載の全固体二次電池用負極シートの製造方法で製造した全固体二次電池用負極シートの、前記負極活物質層とは反対側の表面に正極活物質層を形成する、全固体二次電池の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法で製造した固体電解質シートにおける前記固体電解質層の、せん断処理した表面とは反対側の表面に正極活物質層を形成する、全固体二次電池の製造方法。
- 正極活物質と負極活物質前駆体とを含有する正極用組成物を用いて前記正極活物質層を形成する、請求項6又は7に記載の全固体二次電池の製造方法。
- 前記正極活物質層の形成後に充電する、請求項8に記載の全固体二次電池の製造方法。
- 充電した前記正極活物質層を加圧して圧縮する、請求項9に記載の全固体二次電池の製造方法。
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