JP6855749B2 - スラリー、積層体グリーンシート、全固体二次電池及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
更に、現在上記用途に用いられているリチウムイオン二次電池は、有機電解液を使用しており、使用状況によっては電解液の漏液、発火等の可能性があるため、安全性向上が求められている。
しかしながら、現在実用化されている全固体二次電池は、薄膜全固体二次電池のみであり、エネルギー密度が小さい。更に、正極層、固体電解質層、負極層を、蒸着法、スパッタ法により作製しているため、減圧雰囲気下で製造する必要があり、大面積化、大量生産には不適である。
また、焼成におけるバインダー分解時にガスが発生するが、特許文献1、2では、グリーンシート内の空孔が小さく、ガス抜けが悪いため、焼成に時間がかかるという課題がある。
本発明の目的は、バインダー分解時のガス抜けを良くし、全固体二次電池の性能向上に寄与し、かつ、製造工程を簡略化し、各層の界面抵抗抑制を可能にする積層体グリーンシート、全固体二次電池、及びそれらの製造方法を提供することである。
そのようなスラリーによって上記の積層体グリーンシートを構成すれば良い。
なお、本発明の実施形態は、以下に記載する実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計等の変更を加えることも可能であり、そのような変更が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。
本実施形態に係る積層体グリーンシートは、図3に示すように、集電体14と、その集電体14上に、第1電極層グリーンシートとしての負極層グリーンシート13、固体電解質層グリーンシート12、第2電極層グリーンシートとしての正極層グリーンシート11の順に積層して構成される。なお、正極層グリーンシート11と負極層グリーンシート13との配置は反対でも良い。すなわち、本実施形態に係る積層体グリーンシートは、集電体14上に正極層グリーンシート11、固体電解質層グリーンシート12、負極層グリーンシート13の順に形成されていても良い。
なお、正極層グリーンシート11、固体電解質層グリーンシート12及び負極層グリーンシート13における固体電解質粒子2は、同じであっても異なっても良く、同一のグリーンシート内に2種以上を併用しても良い。
正極活物質粒子1としては、例えば、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCo1−y−xMnyO2)、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)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)等のリチウム遷移金属化合物を用いることができる。
昇華性物質としては、ナフタレン、1,7,7-トリメチルビシクロヘプタン-2-オン、固体二酸化炭素、ヨウ素、氷、シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,3-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,4-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,2,4-ジカルボン酸、フタル酸、アミノアセトフェノン、バニリン、4-ヒドロキシフタル酸、トリメット酸、無水トリメット酸、ジメトキシアセトフェノン、5-ヒドロキシイソフタル酸、没食子酸、没食子酸メチル、1,7-ジヒドロナフタレン、4,4’-ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2’,4,4’-テトラヒドロキシベンゾフェノン等が挙げられ、バインダーの熱分解温度よりも、昇華点が低く、かつ、スラリー乾燥時に熱分解する材料であれば、特に限定はされない。
正極スラリー、固体電解質スラリー及び負極スラリーに用いる溶媒は、上記バインダーを溶解可能であれば、特に限定されない。溶媒としては、例えば、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール等のアルコール類、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチレングリコールエチルエーテル、イソホロン、乳酸ブチル、ジオクチルフタレート、ジオクチルアジペート、ベンジルアルコール、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の有機溶剤、及び水を用いることができる。なお、これらの溶媒は単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。スラリーの乾燥が容易であることから、溶媒の沸点は200℃以下であることが好ましい。
正極スラリー、固体電解質スラリー及び負極スラリーの乾燥方法は、特に限定されない。例えば、加熱乾燥、減圧乾燥、加熱減圧乾燥等を用いることができる。乾燥雰囲気は、特に限定されない。例えば、大気雰囲気下、窒素雰囲気下で行うことができる。
固体電解質層グリーンシート12により形成される固体電解質層の厚さは、1μm以上500μm以下の範囲となることが好ましい。1μmよりも薄いと、正極層と負極層が短絡し、全固体二次電池の性能が低下するだけでなく、安全性も低下する可能性がある。500μmよりも厚いと固体電解質層におけるリチウムイオン等の伝導イオンの移動が阻害され、全固体二次電池の出力が低くなる可能性がある。
焼成工程における加熱温度は、積層体グリーンシートに含まれるバインダーの熱分解温度以上、且つ、活物質粒子の酸化温度未満又は集電体の燃焼温度未満の温度であり、具体的には300℃以上1100℃以下が好ましく、更には300℃以上900℃以下がより好ましい。300℃より低いとバインダーが燃焼しきらずに残渣となり、層内で抵抗体となる可能性がある。1100℃よりも高いと、活物質粒子や固体電解質粒子が溶融・変質し、電池性能を劣化させる可能性がある。
積層体グリーンシートは、図5や図6のように、上述の積層体グリーンシートを複数個積層することで構成しても良い。このとき、積層する積層体グリーンシート間に、導電層15を介在させる。導電層15は、焼成にて集電体14、及び、第1電極層、または、第2電極層と密着する層が形成され、かつ、導電性があるものであれば特に限定されない。例えば、Ag、Ni、Au等の金属ペーストを焼成したもの、金属と無機物質の混合材料のペーストを焼成したもの等が挙げられ、また、これらの金属箔を使用しても良い。
連続積層した積層体グリーンシート16を焼成してなる積層焼成体は、上記の積層体グリーンシート16を焼成して形成される。焼成条件は、上記積層焼成体の形成における焼成条件と同様の条件を用いることができる。
本実施形態に係る全固体二次電池を構成する積層焼成体は、図4若しくは図7のように、上記のいずれかの積層体グリーンシートの最初の集電体から最も離れた正極層グリーンシート11もしくは負極層グリーンシート13上に導電層15となる導電ペーストを塗布し、その上に他の集電体14を乗せて、乾燥し、その後、その積層体を一括焼成して形成することができる。焼成条件は、積層焼成体の形成における焼成条件と同様の条件を用いることができる。
スラリー乾燥時の熱により空隙形成材料4が熱分解されて、グリーンシート内に空隙が形成される(図2参照)。その結果、その後の焼成工程におけるバインダー分解時のガス抜け性が良くなり、各層の界面抵抗の低減が可能となった。
また、上記積層体グリーンシートを連続的に積層して、積層された複数の積層体グリーンシート同士の間、及び積層された複数の積層体グリーンシートの積層方向外面の更に外側に、導電ペーストを塗布し、第2集電体を乗せて乾燥し、積層体グリーンシート16を作製し、その積層体グリーンシート16を一括焼成することにより、直列全固体二次電池が作製される。
これにより、固体電解質粒子と直接接触する活物質粒子の割合が飛躍に向上し、粒子間の界面抵抗の低減が可能となった。
本実施形態に係る積層体グリーンシートの作製工程は、従来の転写法とは違い、積層体グリーンシートを連続的に作製することが可能であり、更に一括焼成することで、各層どうしの界面抵抗を抑制しつつ、焼成工程を1回にすることが可能となった。
<正極スラリーの作製>
正極の活物質粒子としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末50質量部、固体電解質粒子としてLAGP(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)粉末50質量部、導電助剤としてアセチレンブラック6質量部、バインダーとしてポリビニルブチラール(PVB)16質量部、可塑剤としてフタル酸ジブチル(DBP)4.8質量部、空隙形成材料としてバニリンを5質量部及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して正極スラリーを作製した。
固体電解質粒子としてLAGP粉末100質量部、バインダーとしてPVB16質量部、可塑剤としてDBP4.8質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して固体電解質スラリーを作製した。
<負極スラリーの作製>
負極活物質粒子としてチタン酸リチウム(L4Ti5O12)粉末50質量部、固体電解質としてLAGP粉末50質量部、バインダーとしてPVB16質量部、可塑剤としてDBP4.8質量部、及び溶剤(ターピネオール)を混合してスラリーとし、このスラリーを脱泡して負極スラリーを作製した。
図3に示すように、集電体として15μmのニッケル箔を使用し、これを負極集電体とし、この集電体上に負極スラリーを塗布し、120℃で乾燥して負極層グリーンシートを作製し、この負極層グリーンシート上に、上記固体電解質スラリーを塗布し、120℃で乾燥して固体電解質層グリーンシートを作製し、この固体電解質層グリーンシート上に、上記正極スラリーを塗布し、120℃で乾燥して正極層グリーンシートを作製することで、積層体グリーンシートを作製した。
作製した積層体グリーンシートの正極層グリーンシート上に、市販のAgペーストを塗布し、他の集電体として上記と同じニッケル箔を乗せ、乾燥した(図4参照)。これを正極集電体とし正極集電体、負極集電体が、積層体グリーンシートのそれぞれ異なる面で露出するように個々の要素に切断した。
上記積層体グリーンシートを、窒素気流中、昇温速度80℃/min.で室温から800℃まで昇温し、その温度で30分間保持し焼成を実施した。その後、炉内放冷で室温まで冷却し、実施例1の積層焼成体からなる全固体二次電池を作製した。
(実施例2)
実施例1のバニリンを正極に添加せず、バニリンを固体電解質層にLAGP100質量部に対して10質量部添加した以外は、実施例1と同様の操作で実施した。
実施例1のバニリンを正極に添加せず、バニリンを負極層にチタン酸リチウム100質量部に対して10質量部添加した以外は、実施例1と同様の操作で実施した。
(実施例4)
実施例1に加えて、固体電解質層にバニリンをLAGP100質量部に対して10質量部添加した以外は、実施例1と同様の操作で実施した。
実施例1に加えて、負極層にバニリンをチタン酸リチウム100質量部に対して10質量部添加した以外は、実施例1と同様の操作で実施した。
(実施例6)
実施例1に加えて、固体電解質層にバニリンをLAGP100質量部に対して10質量部添加し、さらに、負極層にバニリンをチタン酸リチウム100質量部に対して10質量部添加した以外は、実施例1と同様の操作で実施した。
<積層体グリーンシート作製工程>
積層体グリーンシートの作製は、実施例6と同様の操作で実施した。
<連続積層した積層体グリーンシート作製工程>
実施例1で説明した積層体グリーンシートを所定の大きさに切断した。この積層体グリーンシートを5個作製した。この5個の積層体グリーンシートを使用し、以下のa〜cの操作にて積層体グリーンシートを作製した。
b:aの積層体グリーンシートの集電体と接していない積層方向外面となる正極層グリーンシート上に、aと同様の操作で別の積層体グリーンシートを積層することで、3個の積層体グリーンシートが積層された積層体グリーンシートを作製した。
最後に、集電体と接していない積層方向外面となる正極層グリーンシート上に、導電層となる、市販のAgペーストを塗布し、その上に他の集電体として積層体グリーンシートと同じニッケル箔を乗せ、乾燥することにより、実施例7の焼成工程前の積層体グリーンシートを作製した。
上記積層体グリーンシートを、窒素気流中、昇温速度80℃/min.で室温から800℃まで昇温し、その温度で30分間保持した後、炉内放冷で室温まで冷却し、実施例7の積層焼成体からなる直列全固体二次電池を作製した。
(比較例1)
バニリンを添加しない以外は、実施例1と同様の操作で比較例1の全固体二次電池を作製した。
バニリンの添加量を正極活物質100質量部に対して30質量部だったこと以外は、実施例1と同様の操作で比較例2の全固体二次電池を作製した。
(比較例3)
バニリンの添加量を正極活物質100質量部に対して0.3質量部だったこと以外は、実施例1と同様の操作で比較例3の全固体二次電池を作製した。
(比較例4)
バニリンを添加しない以外は、実施例7と同様の操作で比較例4の全固体二次電池を作製した。
電気化学評価は以下の方法で実施した。
(実施例1、2、3、4、5、6、比較例1、2、3の電池評価方法)
10個の全固体二次電池を評価した。0.2Cの定電流法によって2.7Vまで充電し、その後に0.2Cにて1.5Vまで放電し、この放電容量を基準容量Xとする。基準容量Xは10個の平均値とする。その後に0.2Cにて2.7Vまで充電し、5Cにて1.5Vまで放電し、3C放電容量Yを求める。3C放電容量Yも10個の平均値とする。3C放電容量Yと基準容量Xの放電容量の比(Y/X(%))で表される放電容量維持率を求め、これを電気化学評価の評価基準とし、以下の基準で評価する。評価が高いほど、電池としての出力特性に優れている、すなわち内部抵抗が小さいことを意味する。
評価は次の通りである。
A:70%以上
B:50%以上70%未満
C:40%以上50%未満
D:30%以上40%未満
E:30%未満
10個の直列全固体二次電池を評価した。0.2Cの定電流法によって13.5Vまで充電し、その後0.2Cにて7.5Vまで放電し、この放電容量を基準容量Xとする。基準容量Xは10個の平均値とする。その後、0.2Cにて13.5Vまで充電し、5Cにて7.5Vまで放電し、3C放電容量Yを求める。3C放電容量Yも10個の平均値とする。3C放電容量Yと基準容量Xの放電容量の比(Y/X(%))で表される放電容量維持率を求め、これを電気化学評価の評価基準とし、以下の基準で評価する。評価が高いほど、電池としての出力特性に優れている、すなわち内部抵抗が小さいことを意味する。
評価は次の通りである。
B:50%以上70%未満
C:40%以上50%未満
D:30%以上40%未満
E:30%未満
また、実施例7と比較例4を比較すると、上記と同様の結果であり、単層の全固体二次電池を積層した直列全固体二次電池においても、本実施形態の効果が得られることが確認された。
2…固体電解質粒子
3…導電助剤(例えば炭素材料)
4…空隙形成材料
5…負極活物質粒子
11…正極層グリーンシート
12…固体電解質層グリーンシート
13…負極層グリーンシート
14…集電体
15…導電層
16…連続積層した積層体グリーンシート
Claims (16)
- 集電体と、上記集電体上に設けられた第1電極層グリーンシートと、上記第1電極層グリーンシート上に設けられた固体電解質層グリーンシートと、上記固体電解質層グリーンシート上に設けられた第2電極層グリーンシートと、を備える積層体グリーンシートのいずれかのグリーンシートを構成するためのスラリーであって、
活物質または固体電解質と、バインダーと、スラリー乾燥時に熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料とを含み、
上記空隙形成材料を、上記活物質または固体電解質100質量部に対して、0.5質量部以上30質量部以下の範囲で配合し、
上記空隙形成材料は、昇華性物質であることを特徴とするスラリー。 - 上記空隙形成材料の熱分解温度は、上記バインダーの熱分解温度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載のスラリー。
- 上記空隙形成材料を、上記活物質または固体電解質100質量部に対して、1質量部以上20質量部以下の範囲で配合したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のスラリー。
- 上記空隙形成材料は、ナフタレン、1,7,7-トリメチルビシクロヘプタン-2-オン、固体二酸化炭素、ヨウ素、氷、シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,3-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,4-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,2,4-ジカルボン酸、フタル酸、アミノアセトフェノン、バニリン、4-ヒドロキシフタル酸、トリメット酸、無水トリメット酸、ジメトキシアセトフェノン、5-ヒドロキシイソフタル酸、没食子酸、没食子酸メチル、1,7-ジヒドロナフタレン、4,4’-ジヒドロキシベンゾフェノン、または2,2’,4,4’-テトラヒドロキシベンゾフェノンであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のスラリー。
- 上記バインダーは、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール、エチルセルロース、またはアクリル樹脂であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のスラリー。
- 上記空隙形成材料を、固体電解質100質量部に対して、10質量部以上30質量部以下の範囲で配合したことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のスラリー。
- 集電体と、上記集電体上に設けられた第1電極層グリーンシートと、上記第1電極層グリーンシート上に設けられた固体電解質層グリーンシートと、上記固体電解質層グリーンシート上に設けられた第2電極層グリーンシートと、を備える積層体グリーンシートであって、
上記グリーンシートの少なくとも一つが請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のスラリーからなることを特徴とする積層体グリーンシート。 - 請求項7に記載の積層体グリーンシートが複数個、隣り合う積層体グリーンシート間に導電層を介在させて、連続的に積層されていることを特徴とする積層体グリーンシート。
- 請求項7に記載の積層体グリーンシートと、上記第2電極層グリーンシート上に設けられた導電層及び第2集電体とからなる積層体を焼成してなる焼成積層体を有する全固体二次電池。
- 請求項8に記載の積層体グリーンシートと、上記集電体から最も離れたところにある第2電極層グリーンシート上に設けられた導電層及び第2集電体とからなる積層体を焼成してなる焼成積層体を有する全固体二次電池。
- 上記集電体と上記第1電極層グリーンシートとの界面、上記導電層と上記第2電極層グリーンシートとの界面、または上記導電層と上記第2集電体との界面で、隣接する層の粒子同士の化学結合が形成されていることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の全固体二次電池。
- 第1集電体上に、第1電極用スラリーを塗布又は印刷して第1電極用スラリー層を形成する第1電極用スラリー層形成工程と、
上記第1電極用スラリー層上に、固体電解質材料を含む固体電解質スラリーを塗布又は印刷して固体電解質スラリー層を形成する固体電解質スラリー層形成工程と、
上記固体電解質スラリー層上に、第2電極用スラリーを塗布又は印刷して第2電極用スラリー層を形成する第2電極用スラリー層形成工程と、を含み、
上記複数のスラリー層の少なくとも一つにスラリー乾燥時に熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料が配合され、
上記空隙形成材料は、昇華性物質であることを特徴とする積層体グリーンシートの製造方法。 - 上記第1電極用スラリー、上記固体電解質スラリー及び上記第2電極用スラリーの少なくとも一つは、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のスラリーであることを特徴とする請求項12に記載の積層体グリーンシートの製造方法。
- 更に、請求項12又は請求項13に記載の積層体グリーンシートの製造方法を用いて製造された積層体グリーンシートを複数個、隣り合う積層体グリーンシート間に導電層を介在させて、連続的に積層するグリーンシート積層工程を有することを特徴とする積層体グリーンシートの製造方法。
- 請求項12又は請求項13に記載の積層体グリーンシートの製造方法を用いて製造された積層体グリーンシートの表面に露出する第2電極層グリーンシート上に、導電層及び第2集電体を作製する第2集電体作製工程と、
上記積層体グリーンシートと上記導電層と上記第2集電体とを含む積層体を焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする全固体二次電池の製造方法。 - 請求項14に記載の積層体グリーンシートの製造方法を用いて製造された積層体グリーンシートの表面に露出する第2電極層グリーンシート上に、導電層及び第2集電体を作製する第2集電体作製工程と、
上記積層体グリーンシートと上記導電層と上記第2集電体を含む積層体を焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする全固体二次電池の製造方法。
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