JP6801596B2 - 全固体リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本開示は、上記実情に鑑み、Si単体を含有する負極活物質粒子を含む負極を有し、サイクル特性が良好である全固体リチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
式(1) A=SBET×dmed×D
(上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。)
本開示においては、前記導電材がカーボンブラック、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材であってもよい。
式(1) A=SBET×dmed×D
(上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。)
式(A) xLi+ + xe− + yM → LixMy
また、リチウムイオン二次電池の放電に伴い、負極では、下記式(B)に示すように、LiとMとの合金からLiイオンの離脱反応が起こる。
式(B) LixMy → xLi+ + xe− + yM
Liと合金を形成可能な金属を負極活物質として使用したリチウムイオン二次電池では、上記式(A)及び式(B)に示すLiの挿入・離脱反応に伴う体積変化が大きい。
式(C) xLi+ + xe− + yMO → LixOy+yM
式(C)により酸化物MOから生じた金属Mには、上記式(A)又は(B)の電気化学反応によりLiの挿入・離脱が可能となるため、一般的に、酸化物MOも合金系活物質の範疇に分類される。Liの挿入・離脱反応に伴う体積変化が大きいという点において、酸化物MOは金属Mと同様である。
しかし、本研究者らは、Si等の合金系負極活物質を用いた場合、負極内で負極活物質粒子同士の凝集が生じやすくなり、負極内の電子伝導パスが阻害されてしまう結果、特に初期段階において容量維持率が悪化する場合があることを知見した。
このように電子伝導パスが狭い部分では、充放電に伴う負極活物質粒子の膨張収縮が繰り返されることによって、徐々に電子伝導パスが切断されるため、結果として、リチウムイオン二次電池の容量維持率が悪化すると考えられる。
本開示の全固体リチウムイオン二次電池では、後述する式(1)の条件を満たす負極活物質粒子を使用することで、良好なイオン伝導性を維持しつつ、負極活物質粒子と導電材との接触を十分に確保することができるため、容量維持率を高く保つことができると考えられる。
二次電池として機能するものであれば、本開示の全固体リチウムイオン二次電池の構成に特に制限はない。図1に示すように、典型的には、正極2、負極3、並びに、当該正極2及び当該負極3の間に配置される固体電解質層1を備え、正極−固体電解質層−負極集合体101として構成される。この正極−固体電解質層−負極集合体101は、正極、固体電解質層及び負極がこの順序で配列され、直接または他の材料からなる部分を介して接合していてもよく、さらに、正極上の固体電解質層が存在する位置とは反対側(正極の外方側)、及び、負極上の固体電解質層が存在する位置とは反対側(負極の外方側)のうちの片方又は両方の側に、他の材料からなる部分が接合していてもよい配列構造を有する各部の集合体である。
上記の正極−固体電解質層−負極集合体101に、集電体等の他の部材を取り付けることにより、全固体電池の機能的単位であるセルが得られ、当該セルをそのまま全固体リチウムイオン電池として用いてもよいし、複数のセルを集積して電気的に接続することによりセル集合体として、本開示の全固体リチウムイオン電池として用いてもよい。
図1で示すように、全固体リチウムイオン二次電池は、既に広く使用されている非水電解質を用いたリチウムイオン二次電池の構成と異なり、液相の電解液を備えていないことがその特徴である。すなわち、電解質が固体相からなり、固体相の電解質と固体相の正極及び負極とそれぞれ電気化学的に接触している点において、構造的に大きく異なる。
第1の発明において、負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有する。一方、第2の発明において、負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有する負極合材を用いて形成される。
両発明における負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有する点で共通する。したがって、以下、これら負極用材料について説明し、第2の発明に使用される負極合材については、後述する2−1.負極合材において説明する。
前記負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含む。
負極活物質がSi単体を含む場合には、前記式(A)及び式(B)(これらの式中、M=Si)に示す、いわゆる電気化学的合金化反応に伴い、SiはLiイオンを挿入・離脱することができる。
一方、負極活物質がSiOを含む場合には、前記式(C)(これらの式中、M=Si)に示す電気化学反応によりSi単体が生成するため、引き続き電気化学的合金化反応が進行する。
式(1) A=SBET×dmed×D
上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。上記式(1)において、メディアン径とは、粒子の粒径を小さい順に並べた場合に、粒子の累積体積が全体積の半分(50%)となる径である。
このように、負極活物質粒子について、値Aを6.1以上54.8以下の範囲とすると、容量維持率が向上する。後述する図2において示すように、値Aが6.0に近いほど、全固体リチウムイオン二次電池の容量維持率が向上する傾向がある。上記式(1)によれば、負極活物質粒子の形状が真球に近いほど、負極活物質粒子のBET比表面積及びメディアン径D50がいずれも小さくなる。BET比表面積が小さければ小さいほど、負極活物質粒子同士の接触面積が小さくなり、これらの粒子が互いに凝集しにくくなる結果、負極中の負極活物質粒子の分散性が増す。また、メディアン径D50が小さければ小さいほど、負極活物質粒子と導電材との表面接触を多く確保することができる。これらの要素が総合的に機能する結果、負極表面のイオン伝導性パス及び負極内の電子伝導パスが維持され、全固体リチウムイオン二次電池のサイクル特性を良好に保つことができる。
本開示においては、粒径(メディアン径D50)以外の要素(BET比表面積等)も考慮されているため、上述した従来技術のように、負極活物質粒子と導電材との表面接触に偏りが生じる事態を回避することができる。
イオン伝導パスと電子伝導パスをバランスよく維持するため、値Aは、6.2以上53.0以下であってもよく、6.3以上52.0以下であってもよい。
Si単体及びSiOの形状には特に制限はなく、例えば、粒子状、膜状の形状等が挙げられる。
負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)は、例えば、比表面積測定装置(商品名:NOVAe2000、カンタクローム・インスツルメンツ・ジャパン合同会社製)を用いて測定することができる。
負極活物質粒子のメディアン径;D50(μm)は、例えば、動的光散乱(DLS)式粒子径分布測定装置(商品名:ナノトラックウェーブ、マイクロトラック・ウェーブ株式会社製)を用いて測定することができる。
負極活物質粒子の密度(g/cm3)は、例えば、比重測定装置(商品名:AUW120D SMK−401、株式会社島津製作所製)を用いて測定することができる。
これら3つの測定値の積を、負極活物質粒子の値Aとする。
負極中の固体電解質は、結晶性材料であっても良く、非晶性材料であっても良く、全固体リチウムイオン二次電池に使用できるものであれば、特に制限はないが、Liイオンの伝導度が高い酸化物系非晶質固体電解質、硫化物系非晶質固体電解質、結晶質酸化物・窒化物等が好ましく用いられる。固体電解質材料は、例えばガラスであっても良く、結晶化ガラス(ガラスセラミックス)であっても良い。
前記酸化物系非晶質固体電解質としては、例えばLi2O−B2O3−P2O3、Li2O−SiO2等が挙げられ、前記硫化物系非晶質固体電解質としては、例えば、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5、LiI−LiBr−Li2S−P2S5等が挙げられる。また、前記結晶質酸化物・窒化物等としては、LiI、Li3N、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3PO(4−3/2w)Nw(w<1)、Li3.6Si0.6P0.4O4等が挙げられる。
負極中の固体電解質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば10質量%以上であり、20質量%〜50質量%の範囲内であってもよく、25質量%〜45質量%の範囲内であってもよい。
負極中の負極活物質と固体電解質の比率は、これら2種類の材料の総質量を100質量%としたとき、負極活物質:固体電解質=85質量%:15質量%〜30質量%:70質量%であることが好ましく、負極活物質:固体電解質=80質量%:20質量%〜40質量%:60質量%であることがより好ましい。
前記導電材は、負極中で、全固体リチウムイオン二次電池に使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、前記導電材の原料は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材であってもよい。
電子伝導性の観点から、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材であってもよく、当該カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーはVGCF(気相法炭素繊維)であってもよい。
負極中の導電材の割合は、特に限定されるものではないが、例えば1.0質量%以上であり、1.0質量%〜12質量%の範囲内であってもよく、2.0質量%〜10.0質量%の範囲内であってもよい。
前記結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ブチレンゴム(BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリビニルブチラール(PVB)、アクリル樹脂等を用いることができ、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)であってもよい。
エネルギー密度が高くなることから、本開示に係る負極は、負極活物質以外の成分が少ないものであってもよい。
なお本開示において、負極中の各材料の体積割合は、各材料の真密度から算出される値である。この体積割合の算出に際し、負極中の空隙は考慮に入れないものとする。
なお、第2の発明においては、C/A値の算出に必要な導電材の体積割合(%)は、後述する負極合材の体積を100体積%としたときの値とする。
C/A値が0.05未満である場合とは、負極中の導電材の体積割合に比して、値Aが高すぎる場合を意味する。この場合の例としては、導電材が少なすぎるため負極中に隙間が多く生じる場合や、負極活物質粒子が真球から離れたいびつな形状である場合等が考えられる。このうち、負極中に隙間が多く生じる場合には、負極活物質粒子の分布する領域が絞られるため、負極活物質粒子の偏在が生じるおそれがある。また、負極活物質粒子が真球から離れたいびつな形状となる場合には、負極活物質粒子の比表面積が大きくなるため、当該粒子同士が凝集しやすくなるおそれがある。したがって、これらいずれの場合においても、負極活物質粒子の分布が不均一となる結果、負極活物質粒子が少ない部分では電子伝導パスが狭くなり、容量維持率の低下につながる。
一方、C/A値が0.5を超える場合には、負極中の導電材の体積割合が高くなりすぎるため、負極中の電子伝導パスよりも、むしろイオン伝導パスに支障が生じる結果、抵抗が増加するおそれがある。
イオン伝導パスと電子伝導パスをバランスよく維持するため、C/A値は0.07以上0.45以下であってもよく、0.09以上0.41以下であってもよい。
例えば、値Aの高い負極活物質粒子を用いる場合、負極が十分な量の導電材を含んでいれば、C/A値は0.05以上0.50以下の範囲内に収まる可能性があり、その結果、負極がイオン伝導パスと電子伝導パスの両方をバランス良く含むことが予測できる。
また、例えば、負極中の導電材を減らしても、値Aの低い負極活物質粒子を用いるならば、C/A値は0.05以上0.50以下の範囲内に収まる可能性があり、その結果、上記同様にイオン伝導パスと電子伝導パスの両方をバランス良く含む負極が得られることが予測できる。
C/A値を参照すると、使用する負極活物質粒子の値Aに合わせて導電材の体積割合を決めることができ、それによって容量の低下が起こりづらい全固体リチウムイオン二次電池を製造することができる。
本開示の全固体リチウムイオン二次電池を構成する各層の平均厚さは、電子顕微鏡等を用いて対象となる層の3〜10か所の厚さを測定し、その結果を平均して得られる値とする。
負極集電体としては、例えば、銅及び銅合金などが使用でき、銅にNi、Cr、Cなどをめっき、蒸着したものも使用できる。
前記正極は、全固体リチウムイオン二次電池の正極として機能するものであれば、特に制限はないが、通常、Liを含有する正極活物質を含み、必要に応じ、結着剤、固体電解質、導電材、及び増粘材等の他の成分を含む。
本開示においてLiを含有する正極活物質は、Li元素を含む活物質であれば特に制限されるものではない。負極活物質との関係で電池化学反応上の正極活物質として機能し、Liイオンの移動を伴う電池化学反応を進行させる物質であれば、特に制限されず正極活物質として用いることができ、従来リチウムイオン電池の正極活物質として知られている物質も、本開示において用いることができる。
正極活物質の原料としては、全固体リチウムイオン二次電池に使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、Li1+xNi1/3Mn1/3Co1/3O2、Li1+xMn2−x−yMyO4(MがAl、Mg、Co、Fe、Ni、Znから選ばれる1種以上の元素)で表される組成の異種元素置換Li−Mnスピネル、チタン酸リチウム(LixTiOy)、リン酸金属リチウム(LiMPO4、M=Fe、Mn、Co、Ni等)等を挙げることができる。
前記正極活物質は、リチウムイオン伝導性を有し、かつ、活物質や固体電解質と接触しても流動しない物質を含有する被覆層を有していてもよい。当該物質としては、例えば、LiNbO3、Li4Ti5O12、Li3PO4が挙げられる。
前記正極活物質の形状は特に限定されないが、膜状であっても粒子状であってもよい。
正極中の正極活物質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば60質量%以上であり、70質量%〜95質量%の範囲内であってもよく、80質量%〜90質量%の範囲内であってもよい。
正極集電体としては、例えば、SUS、Ni、Cr、Au、Pt、Al、Fe、Ti、Znなどが使用でき、これら各材料にNi、Cr、Cなどをめっき、蒸着したものも使用できる。
正極中の正極活物質と固体電解質の比率は、これら2種類の材料の総質量を100質量%としたとき、正極活物質:固体電解質=90質量%:10質量%〜30質量%:70質量%であることが好ましく、正極活物質:固体電解質=80質量%:20質量%〜50質量%:50質量%であることがより好ましい。
導電材、結着剤の原料としては、負極で使用する材料と同様のものを用いることができる。
正極の平均厚さは、1μm〜100μmであることが好ましく、30μm〜100μmであることがより好ましい。
前記固体電解質層も、全固体リチウム二次電池の固体電解質層として機能するものであれば、特に制限はないが、通常、固体電解質原料を含み、必要に応じ、結着剤等の他の成分を含む。
固体電解質、結着剤の原料としては、負極で使用する材料と同様のものを用いることができる。
固体電解質層の平均厚さは、0.1μm〜300μmであることが好ましく、0.1μm〜100μmであることがより好ましい。
全固体リチウムイオン二次電池の製造方法は、本開示の全固体リチウムイオン二次電池が製造できる方法であれば、特に制限はない。例えば、正極合材と、負極活物質、導電材及び固体電解質を含有する負極合材との間に、固体電解質材料部を配置することにより、本開示の全固体リチウムイオン二次電池が得られる。
全固体リチウムイオン二次電池に通電する方法には特に制限はないが、効率よく上記式(A)に示すような、電気化学的合金化反応を進行させるため、電流密度を0.1〜6.0mA/cm2の範囲としてもよいし、電圧を4.1〜4.7V(vs Li/Li+)の範囲としてもよい。
負極合材は、負極活物質粒子、導電材、及び、固体電解質を含有するものである。当該負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含み、かつ当該負極活物質粒子が上記式(1)の条件を満たしていれば、特に制限はない。このような負極合材及び当該負極合材から製造される負極は、その内部において、負極活物質粒子が均一に分布し、負極活物質粒子と導電材との表面接触を偏りなく確保した状態を維持することができる。
負極合材は、前記負極活物質粒子、前記導電材、及び、前記固体電解質以外に、必要に応じ、結着剤などの他の成分を含むものであってもよい。
前記負極合材を形成するための原料、すなわち負極合材用原料は、負極活物質粒子、導電材、固体電解質、及び、必要に応じ含有される結着剤の原料以外の成分を含んでいてもよく、さらに、負極合材を形成する途中で除去される成分を含んでいてもよい。負極合材用原料中に含まれるが、負極合材を形成する途中で除去される成分としては、溶剤や除去可能な結着剤が挙げられる。除去可能な結着剤としては、負極合材を形成するときには結着剤として機能するが、負極合材を得る工程で焼成することにより分解又は揮散等し除去され、結着剤を含まない負極合材とすることができる、結着剤を用いることができる。
負極合材を形成する方法としては、例えば、負極合材用原料の粉末を圧縮成形する方法が挙げられる。負極合材用原料の粉末を圧縮成形する場合には、通常、400〜1,000MPa程度のプレス圧を負荷する。また、ロールプレスでもよく、その際の線圧は10〜100kN/cmとしてもよい。また、圧縮成形する場合には、予め加熱した上で行ってもよく、その際の温度は60〜250℃としてもよい。
また、除去可能な結着剤を含む負極合材用原料の粉末を圧縮成形した後、焼成することにより結着剤を除去する方法や、溶剤及び除去可能な結着剤を含む負極合材用原料の分散液を固体電解質材料部の上又は他の支持体の上に塗布、乾燥して負極合材の形状に形成した後、焼成することにより結着剤を除去する方法などを行うことができる。
本開示の製造方法において、正極合材は、例えば、Liを含有する正極活物質原料を含み、必要に応じ、結着剤、固体電解質、及び導電材等の他の原料を含む。
結着剤、導電材、固体電解質等の他の原料としては、上記1−2.正極で例示したものと同様の原料を用いることができる。
正極合材を形成する方法としては、負極合材を形成する方法と同様の方法が挙げられる。
本開示の製造方法において、固体電解質材料部は、例えば、固体電解質原料を含み、必要に応じ、他の成分を含む。
固体電解質原料としては、1−3.固体電解質層で例示したものと同様の原料を用いることができる。
固体電解質材料部に含まれる他の成分も、1−3.固体電解質層で例示したものと同様の材料を用いることができる。
また、他の方法としては、固体電解質原料及び必要に応じ他の成分を含有する固体電解質原料の溶液又は分散液を用いたキャスト成膜法などを行うことができる。
本開示の製造方法において、本開示において全固体リチウムイオン二次電池は、例えば、正極合材、固体電解質材料部、及び、負極合材がこの順序で配列され、直接または他の材料からなる部分を介して接合しており、さらに、正極合材上の固体電解質材料部が存在する位置とは反対側(正極合材の外方側)、及び、負極合材上の固体電解質材料部が存在する位置とは反対側(負極合材の外方側)のうちの片方又は両方の側に、他の材料からなる部分が接合していてもよい配列構造を有する各部の集合体(正極合材−固体電解質材料部−負極合材集合体)である。
前記全固体リチウムイオン二次電池は、正極合材側から固体電解質材料部を経由して負極合材側に至る方向へ通電できる限り、他の材料からなる部分が付属していてもよい。正極合材と固体電解質材料部の間には、例えば、LiNbO3、Li4Ti5O12、Li3PO4のような被覆層が設けられていても良い。正極合材の外方側及び負極合材の外方側のいずれか一方又は両方の側には、例えば、集電体、外装体が付属していてもよい。
上記全固体リチウムイオン二次電池は、典型的には、正極合材、負極合材、及び、前記正極合材と前記負極合材の間に配置された固体電解質材料部が直接接合し、且つ、正極合材の外方側及び負極合材の外方側のいずれにも他の材料からなる部分が接合していない配列構造を有する集合体である。
また、負極合材及び正極合材は、固体電解質材料部以外の支持体上に形成してもよい。その場合、当該支持体から負極合材及び正極合材を剥離し、剥離した負極合材又は正極合材を、固体電解質材料部の上に接合する。
まず、所定の電圧まで定電流定電圧充電を行う。次に、充電後の電池について定電流定電圧放電を行う。この充電から放電までを1サイクルとし、Xサイクルまで繰り返す。
下記式(D)より、Xサイクル後の放電容量維持率を算出する。
式(D) r=CX/C1st×100
ここで、上記式(D)中、rはXサイクル後の放電容量維持率(%)を、CXはXサイクル目の放電容量(mAh)を、C1stは1サイクル目の放電容量(mAh)を、それぞれ意味する。Xの値には特に制限はないが、負極中における負極活物質粒子の偏在は、初期の放電容量維持率に影響を与えやすいため、Xは10以下であってもよく、5であってもよい。
5回の充放電後において、容量維持率に例えば2.4%の差がある場合、容量低下の原因である劣化現象が充放電サイクルにより継続的に起きると、僅か50回の充放電サイクル後でも、比較例1のケースで容量維持率は60%、実施例5のケースで容量維持率は78%と見積もられ、これらの差は18%に拡大する。上記したような長期間の使用を想定した耐久性能の高い二次電池が求められている点を考慮すると、5回の充放電後での容量維持率が2.4%差であっても大きな有意差となる。これは、充放電サイクルの繰り返しの際に生じる負極活物質の膨張と収縮により、負極内部の負極活物質と導電材との電気的な接合、並びに、負極表面と固体電解質との間の電気化学的な接触が徐々に低下することで、その容量維持率が徐々に低下することによるものと推察される。
例えば電子伝導パスに関しては、電子伝導パスが一旦切断されると、反応が一部分に集中する結果、Siあたりの体積変化量が増加することで、電子伝導パスの切断がさらに進行し易くなることによるものと推測される。その結果として、サイクル数の増加に伴い、初期サイクルの時点と比較して、負極活物質の劣化が進行し易くなる。
なお、初期劣化としては、負極活物質以外での劣化、例えば正極での劣化や固体電解質層での劣化などが考えられ、これらは合計でも1〜1.5%程度である。このため、初期容量維持率が97.1%を下回る場合には、負極活物質の劣化が進行していると考えられる。初期段階の5サイクルで劣化が生じた場合には、その後に連続的に劣化が進行することで、大幅な容量低下につながると考えられる。
[製造例1]
塊状金属珪素(Simcoa Operations製、ケミカルグレードシリコン)を原料とし、ロールクラッシャーミル(マキノ製、MRCW1)を用いて粗粉砕を行った。得られた粗粉砕粉末を、さらにクロスジェットミル(栗本鐵工所製、KJ−25)を用いて、セパレータ回転設定周波数125Hzにて微粉砕及び分級し、サイクロン下の回収容器からSi粒子を回収した。
以上の工程により、BET比表面積が1.9m2/g、メディアン径D50が5.3μm、密度が2.2g/cm3のSi粒子(製造例1)が得られた。
原料として、塊状金属珪素(Simcoa Operations製、ケミカルグレードシリコン)を粒状多結晶珪素(REC Silicon製、ソーラーグレードシリコン)に変更したこと以外は、製造例1と同様にして、Si粒子(製造例2)を得た。Si粒子(製造例2)のBET比表面積は2.20m2/g、メディアン径D50は5.2μm、密度は2.2g/cm3である。
クロスジェットミルのセパレータ回転設定周波数を300Hzに変更したこと以外は、製造例1と同様にして、Si粒子(製造例3)を得た。Si粒子(製造例3)のBET比表面積は3.2m2/g、メディアン径D50は2.6μm、密度は2.2g/cm3である。
クロスジェットミルのセパレータ回転設定周波数を300Hzに変更したこと以外は、製造例2と同様にして、Si粒子(製造例4)を得た。Si粒子(製造例4)のBET比表面積は3.4m2/g、メディアン径D50は2.5μm、密度は2.2g/cm3である。
油拡散ポンプを備えた真空チャンバー内部に銅坩堝を設置し、塊状金属珪素8kgを投入してチャンバー内を2×10−4Paまで減圧した。次に、チャンバーに設置した直進型電子銃によって金属珪素塊の溶解を開始し、金属珪素塊の溶解後、ステンレスからなる蒸着基板の温度を300℃に制御しながら、出力密度1.0kW/cm2にて蒸着を7時間継続した。その後、チャンバー内温度を常温まで自然冷却してから大気開放して蒸着珪素塊0.8kgを得た。
上記のようにして得られた蒸着珪素塊を原料とし、ロールクラッシャーミル(マキノ製、MRCW1)を用いて、粗粉砕を行った。得られた粗粉砕粉末を、さらにクロスジェットミル(栗本鐵工所製、KJ−25)を用いて、セパレータ回転設定周波数300Hzにて微粉砕及び分級し、サイクロン下の回収容器からSi粒子を回収した。
以上の工程により、BET比表面積が8.9m2/g、メディアン径D50が2.8μm、密度が2.2g/cm3のSi粒子(製造例5)が得られた。
粒状多結晶珪素(REC Silicon製、ソーラーグレードシリコン)を原料とし、ロールクラッシャーミル(マキノ製、MRCW1)を用いて粗粉砕を行った。得られた粗粉砕粉末を、さらにクロスジェットミル(栗本鐵工所製、KJ−25)を用いて、セパレータ回転設定周波数300Hzにて微粉砕及び分級し、バグフィルター下の回収容器からSi粒子を回収した。
以上の工程により、BET比表面積が13.9m2/g、メディアン径D50が0.2μm、密度が2.2g/cm3のSi粒子(製造例6)が得られた。
塊状金属珪素(Simcoa Operations製、ケミカルグレードシリコン)を原料とし、ロールクラッシャーミル(マキノ製、MRCW1)を用いて粗粉砕を行った。得られた粗粉砕粉末を、さらにクロスジェットミル(栗本鐵工所製、KJ−25)を用いて、セパレータ回転設定周波数300Hzにて微粉砕及び分級し、バグフィルター下の回収容器からSi粒子を回収した。
以上の工程により、BET比表面積が14.2m2/g、メディアン径D50が0.2μm、密度が2.2g/cm3のSi粒子(製造例7)が得られた。
製造例5と同様の方法により、蒸着珪素塊を得た。この蒸着珪素塊を原料とし、ロールクラッシャーミル(マキノ製、MRCW1)を用いて、粗粉砕を行った。得られた粗粉砕粉末を、さらにクロスジェットミル(栗本鐵工所製、KJ−25)を用いて、セパレータ回転設定周波数300Hzにて微粉砕及び分級し、バグフィルター下の回収容器からSi粒子を回収した。
以上の工程により、BET比表面積が21.7m2/g、メディアン径D50が0.3μm、密度が2.2g/cm3のSi粒子(製造例8)が得られた。
クロスジェットミルのセパレータ回転設定周波数を123Hzに変更したこと以外は、製造例2と同様にして、Si粒子(製造例9)を得た。Si粒子(製造例9)のBET比表面積は2.19m2/g、メディアン径D50は5.5μm、密度は2.2g/cm3である。
[製造例10]
Si粒子(製造例10)として、高純度化学社製のSIE−23PBを使用した。このSi粒子(製造例10)のBET比表面積は2.11m2/g、メディアン径D50は5.5μm、密度は2.2g/cm3である。
クロスジェットミルのセパレータ回転設定周波数を125Hzに変更したこと以外は、製造例5と同様にして、Si粒子(比較製造例1)を得た。Si粒子(比較製造例1)のBET比表面積は7.3m2/g、メディアン径D50は5.0μm、密度は2.2g/cm3である。
[実施例1]
(1)負極合材形成工程
容器に下記負極用原料を加えた。
・負極活物質粒子:Si粒子(製造例1)
・硫化物系固体電解質:Li2S−P2S5系ガラスセラミック
・導電材:VGCF
・結着剤:PVdF系バインダーの5質量%酪酸ブチル溶液
得られる負極合材の総体積を100%としたときに導電材の体積割合が2.5体積%となるように、上記負極用原料の混合物中の導電材の含有量を調整した。
容器中の混合物を、超音波分散装置(エスエムテー社製、UH−50)により30秒間攪拌した。次に、容器を振とう器(柴田科学社製、TTM−1)で30分間振とうさせ、負極合材用原料を調製した。
アプリケーターを用いてブレード法により負極合材用原料を銅箔(負極集電体、UACJ製箔社製)の片面上に塗工した。この負極合材用原料を、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させ、負極合材を形成した。
容器に下記正極用原料を加えた。
・正極活物質原料:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粒子(平均粒径:6μm)
・硫化物系固体電解質:Li2S−P2S5系ガラスセラミック
・導電材:VGCF
・結着剤:PVdF系バインダーの5質量%酪酸ブチル溶液
容器中の混合物を、超音波分散装置(エスエムテー社製、UH−50)により30秒間攪拌した。次に、容器を振とう器(柴田科学社製、TTM−1)で3分間振とうさせた。さらに、容器中の混合物を超音波分散装置により30秒間攪拌して、正極合材用原料を調製した。
アプリケーターを用いてブレード法により正極合材用原料をアルミニウム箔(正極集電体、昭和電工製)の片面上に塗工し、正極合材を形成した。この正極合材を、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させた。
容器に下記固体電解質層用原料を加えた。
・硫化物系固体電解質:Li2S−P2S5系ガラスセラミック
・結着剤:BR系バインダーの5質量%ヘプタン溶液
容器中の混合物を、超音波分散装置(エスエムテー社製、UH−50)により30秒間攪拌した。次に、容器を振とう器(柴田科学社製、TTM−1)で30分間振とうさせ、固体電解質層用原料を調製した。
アプリケーターを用いてブレード法により固体電解質層用原料を基材(アルミニウム箔、昭和電工製)の片面上に塗工し、固体電解質層を形成した。この固体電解質層を、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させた。
負極集電体(銅箔)上に形成された負極合材の上に、さらに固体電解質材料部を積層した。この積層体をロールプレス機にセットし、下記プレス条件下でプレスすることによって、負極側積層体I(固体電解質材料部/負極合材/負極集電体)を得た。
<負極側積層体Iのプレス条件>
プレス圧力:約630MPa(線圧:20kN/cm)
プレス温度:25℃
<正極側積層体Iのプレス条件>
プレス圧力:約710MPa(線圧:20kN/cm)
プレス温度:165℃
<仮プレス条件>
プレス圧力:100MPa
プレス温度:25℃
プレス時間:10秒間
その後、固体電解質層側のアルミニウム箔を剥離し、負極側積層体II(固体電解質材料部/負極合材/負極集電体)を得た。
<最終プレス条件>
プレス圧力:200MPa
プレス温度:135℃
プレス時間:1分間
全固体リチウムイオン二次電池は拘束治具を用いて所定の拘束圧にて拘束し、後述の放電試験を行った。
実施例1の「(1)負極合材形成工程」に使用した負極活物質粒子の種類、及び同「(1)負極合材形成工程」において得られる負極合材の総体積を100%としたときの導電材の体積割合をそれぞれ下記表1に示すように替えたこと以外は、実施例1と同様に全固体リチウムイオン二次電池(実施例2−実施例13、比較例1)を製造した。
(1)負極活物質粒子のBET比表面積、メディアン径、及び密度の測定、並びに値Aの算出
負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)は、比表面積測定装置(商品名:NOVAe2000、カンタクローム・インスツルメンツ・ジャパン合同会社製)を用いて測定した。
負極活物質粒子のメディアン径;D50(μm)は、動的光散乱(DLS)式粒子径分布測定装置(商品名:ナノトラックウェーブ、マイクロトラック・ウェーブ株式会社製)を用いて測定した。
負極活物質粒子の密度(g/cm3)は、比重測定装置(商品名:AUW120D SMK−401、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
これら3つの測定値の積を、負極活物質粒子の値Aとした。
上記各全固体リチウムイオン二次電池について、以下の方法により放電試験を行い、電池性能評価を行った。
まず、10時間率(1/10C)で電圧4.55Vまで定電流定電圧充電を行った。このとき、終止電流を1/100Cとした。次に、充電後の電池について、電圧2.5Vまで定電流定電圧放電を行った。
続いて、放電後の電池について電圧4.35Vまで定電流定電圧充電を行い、その後、電圧3.0Vまで定電流定電圧放電を行った。この4.35Vまでの充電及び3.0Vまでの放電を1サイクルとし、同様の充放電を5サイクル繰り返した。
下記式(D1)より5サイクル後の放電容量維持率を算出した。
式(D1) r=C5/C1st×100
(上記式(D1)中、rは5サイクル後の放電容量維持率(%)を、C5は5サイクル目の放電容量(mAh)を、C1stは1サイクル目の放電容量(mAh)を、それぞれ意味する。)
上記表1より、実施例1−実施例13における5サイクル後の容量維持率は、比較例1における5サイクル後の容量維持率の約1.02倍以上である。これは、比較例1に使用した負極活物質粒子の値Aが80.3と高いのに対し、実施例1−実施例13に使用した負極活物質粒子の値Aは6.1以上54.8以下の範囲内に留まるためである。
したがって、値Aが6.1以上54.8以下の範囲内の負極活物質粒子を使用することにより、値Aが当該範囲を外れる負極活物質粒子を使用する場合と比較して、容量の低下が抑制でき、サイクル特性が良好であることが実証された。
図2は、実施例1−実施例9及び比較例1の実験結果を比較したグラフである。図2は、縦軸に全固体リチウムイオン二次電池における5サイクル後の容量維持率を、横軸に負極活物質粒子の値Aを、それぞれとったグラフである。実施例1−実施例9及び比較例1はいずれも、負極中の導電材の体積割合が2.5体積%のものである。
図2から分かるように、プロットはグラフの左上から右下にかけて分布している。このグラフより、値Aが大きいほど全固体リチウムイオン二次電池の容量維持率が低く(グラフ右下部分、比較例1)、値Aが小さいほど全固体リチウムイオン二次電池の容量維持率が高い(グラフ左上部分、実施例1−実施例9)という、大まかな傾向が分かる。
図3から分かるように、プロットはグラフの左下から右上にかけて、上向きの弓なり状に分布している。より詳細には、図3より、C/A値が0.03以下の範囲内では全固体リチウムイオン二次電池の容量維持率が相対的に低く(グラフ左下部分、実施例13、比較例1)、C/A値が0.05以上0.2未満の範囲内では容量維持率が97.3%以上であるが若干ばらつき、その一方でC/A値が0.2以上0.5以下の範囲内では容量維持率が99%近傍に収束するという、大まかな傾向が分かる。
このように、C/A値が十分に大きい場合に容量維持率が高い水準に収束することは、以下の傾向を示唆する。すなわち、値Aが下限値(6.0)を有することからすると、C/A値を向上させ続けるためには、負極中の導電材量を増やし続ければよいとも思える。しかし、容量維持率の向上にも限度があり、C/A値が0.2以上の場合、負極中の導電材量の増加に対し、容量維持率の伸びは若干鈍くなる傾向があるといえる。
2 正極
3 負極
101 正極−固体電解質層−負極集合体
Claims (4)
- 全固体リチウムイオン二次電池であって、
負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有し、
前記負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含み、
前記負極活物質粒子について、下記式(1)より求められる値Aが6.1以上54.8以下の範囲内であり、
前記負極の体積を100体積%としたときの前記導電材の体積割合(%)を、前記値Aにより除して得られる値が、0.05以上0.50以下の範囲内であることを特徴とする、全固体リチウムイオン二次電池。
式(1) A=SBET×dmed×D
(上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。) - 全固体リチウムイオン二次電池であって、
負極は、負極活物質粒子、導電材、及び固体電解質を含有する負極合材を用いて形成され、
前記負極活物質粒子は、Si単体及びSiOからなる群より選ばれる少なくとも一種の活物質を含み、
前記負極活物質粒子について、下記式(1)より求められる値Aが6.1以上54.8以下の範囲内であり、
前記負極合材の体積を100体積%としたときの前記導電材の体積割合(%)を、前記値Aにより除して得られる値が、0.05以上0.50以下の範囲内であることを特徴とする、全固体リチウムイオン二次電池。
式(1) A=SBET×dmed×D
(上記式(1)中、SBETは負極活物質粒子のBET比表面積(m2/g)を、dmedは負極活物質粒子のメディアン径D50(μm)を、Dは負極活物質粒子の密度(g/cm3)を、それぞれ示す。) - 前記固体電解質が硫化物固体電解質である、請求項1又は2に記載の全固体リチウムイオン二次電池。
- 前記導電材が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の全固体リチウムイオン二次電池。
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