JP6953700B2 - Laminated green sheet, continuous laminated green sheet, all-solid-state secondary battery, and their manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、積層体グリーンシート及び積層体グリーンシートを用いた全固体二次電池に関する技術である。 The present invention is a technique relating to a laminated green sheet and an all-solid-state secondary battery using the laminated green sheet.
近年は、パーソナルコンピュータ(PC)やスマートフォン等に代表される小型電子機器の高機能化に伴い消費電力が増大している。また、ハイブリッド車や電気自動車等の車載用途や、家庭用蓄電池等の定置用途の需要拡大が進んでいる。それに伴い、二次電池に対して更なる高エネルギー密度化への要求が加速している。
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。
In recent years, power consumption has been increasing with the sophistication of small electronic devices such as personal computers (PCs) and smartphones. In addition, demand for in-vehicle applications such as hybrid vehicles and electric vehicles and stationary applications such as household storage batteries is increasing. Along with this, the demand for higher energy density for secondary batteries is accelerating.
Furthermore, the lithium-ion secondary battery currently used for the above-mentioned applications uses an organic electrolytic solution, and there is a possibility that the electrolytic solution may leak or ignite depending on the usage conditions. Therefore, improvement in safety is required. Has been done.
これに対し、全固体二次電池は、有機電解液を使用せず、固体材料のみで構成されていることから、漏液や発火の可能性が無く、安全性に優れている。したがって、ポストリチウムイオン二次電池として有望である。
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、大量生産には適さない。
On the other hand, the all-solid-state secondary battery is excellent in safety because it does not use an organic electrolytic solution and is composed of only a solid material, so that there is no possibility of liquid leakage or ignition. Therefore, it is promising as a post-lithium ion secondary battery.
However, the only all-solid-state secondary battery currently in practical use is a thin-film all-solid-state secondary battery, which has a low energy density. Further, since the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are manufactured by a vapor deposition method and a sputtering method, they need to be manufactured in a reduced pressure atmosphere, which is not suitable for large area and mass production.
これに対する高容量形の全固体二次電池の製造方法として、特許文献1、2に記載の製造方法がある。その製造方法は、従来のリチウムイオン二次電池と同様な塗布法・印刷法により、正極層グリーンシート、固体電解質層グリーンシートおよび負極層グリーンシートを厚膜で作製し、その各層グリーンシートを貼り合わせて積層体グリーンシートを形成し、その積層体グリーンシートを一括焼成した後、集電体で挟み込んで作製する方法である。
As a method for manufacturing a high-capacity all-solid-state secondary battery, there are manufacturing methods described in
特許文献1、2のように、正極層、固体電解質層、負極層から成る積層焼成体を正極集電体、負極集電体で挟み込んだ場合、正極集電体と正極層、負極集電体と負極層との界面抵抗が高く、電池性能が悪いといった課題がある。更に、焼成が2回あり、製造効率が悪いという課題がある。
また、グリーンシートを焼成する際にバインダーの分解によるガスが発生するが、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。
When a laminated fired body composed of a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer is sandwiched between a positive electrode current collector and a negative electrode current collector as in
Further, when the green sheet is fired, gas is generated due to the decomposition of the binder. However, in
ここで、ガス抜けが悪い場合、電極層と固体電解質層との界面がガス抜け時に剥離することで、界面抵抗が大きくなり、電池性能が悪いといった課題がある。
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グリーンシート、積層体グリーンシート、連続積層体グリーンシート及びそれらの製造方法、並びに全固体二次電池の製造方法を提供することである。
Here, when the gas release is poor, the interface between the electrode layer and the solid electrolyte layer is peeled off at the time of the gas release, so that the interface resistance becomes large and the battery performance is poor.
An object of the present invention is a green sheet or laminate that improves gas release during binder decomposition, contributes to improving the performance of an all-solid-state secondary battery, simplifies the manufacturing process, and suppresses interfacial resistance of each layer. It is an object of the present invention to provide a green sheet, a continuous laminated green sheet and a method for producing them, and a method for producing an all-solid-state secondary battery.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、焼成時に、熱分解し、空隙を形成する材料を添加したグリーンシートを作製することに想到した。すなわち、焼成時に添加した材料が熱分解することで空隙を形成し、バインダー分解時にガス抜けが良くなることにより、短時間、かつ、各層が電気抵抗の小さい良好な界面が形成できることを見出した。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have come up with the idea of producing a green sheet to which a material that thermally decomposes at the time of firing and forms voids is added. That is, it has been found that the material added at the time of firing forms voids by thermal decomposition, and the gas escape is improved at the time of decomposition of the binder, so that a good interface with low electrical resistance can be formed in each layer in a short time.
そして、本発明の一態様に係るグリーンシートは、活物質又は固体電解質と、バインダーとを含む全固体二次電池用のグリーンシートであって、焼成の際の熱によって熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料が添加され、前記空隙形成材料は、前記活物質又は固体電解質100質量部に対し1〜20質量部添加され、前記空隙形成材料は粒体の形で添加され、その粒体の粒径が5μm以上30μm以下の範囲であることを特徴とする。 The green sheet according to one aspect of the present invention is a green sheet for an all-solid secondary battery containing an active material or a solid electrolyte and a binder, and is thermally decomposed by heat during firing to form voids. The void-forming material is added, and the void-forming material is added in an amount of 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material or the solid electrolyte, and the void-forming material is added in the form of particles. The particle size of the granules is in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
本発明の一態様によれば、焼成の際におけるグリーンシート内のガス抜け性が良好となる。
このため、積層したグリーンシート間の各層の界面抵抗を抑制しつつ、全固体二次電池の作製工程を簡略化した全固体二次電池の作製が可能となる。
According to one aspect of the present invention, the gas release property in the green sheet at the time of firing is improved.
Therefore, it is possible to manufacture an all-solid-state secondary battery by simplifying the manufacturing process of the all-solid-state secondary battery while suppressing the interfacial resistance of each layer between the laminated green sheets.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
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。
図1は、積層したグリーンシートの一例を示し、負極層グリーンシート13の一方の面に、固体電解質層グリーンシート12及び正極層グリーンシート11がこの順に積層した積層体グリーンシートである。そして、例えば、負極層グリーンシート13の他方の面に第1集電体としての集電体が設けられた場合、負極層グリーンシート13が第1電極層グリーンシートとなり、正極層グリーンシート11が第2電極層グリーンシートとなる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described below, and changes in design and the like can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such changes have been made. The embodiments are also included in the scope of the embodiments of the present invention.
FIG. 1 shows an example of the laminated green sheet, which is a laminated green sheet in which the solid electrolyte layer green sheet 12 and the positive electrode layer green sheet 11 are laminated in this order on one surface of the negative electrode layer green sheet 13. Then, for example, when a current collector as the first current collector is provided on the other surface of the negative electrode layer green sheet 13, the negative electrode layer green sheet 13 becomes the first electrode layer green sheet, and the positive electrode layer green sheet 11 becomes. It becomes the second electrode layer green sheet.
負極層グリーンシート13には、負極活物質粒子5と導電助剤とバインダーとを含む。
固体電解質層グリーンシート12には、固体電解質粒子2とバインダーとを含む。
正極層グリーンシート11には、正極活物質粒子1と導電助剤3とバインダーとを含む。
この図1の例では、各グリーンシートに、焼成の際の熱によって熱分解して空隙を形成する材料である粒子状の空隙形成材料が添加されている。空隙形成材料4は、正極層グリーンシート11、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のうちの一部のグリーンシートだけに添加されていても良い。
The negative electrode layer green sheet 13 contains negative electrode
The solid electrolyte layer green sheet 12 contains the
The positive electrode layer green sheet 11 contains positive electrode
In the example of FIG. 1, a particulate void-forming material, which is a material that thermally decomposes by heat during firing to form voids, is added to each green sheet. The
空隙形成材料4の熱分解温度は、バインダーの熱分解温度よりも低いことが好ましい。
また、空隙形成材料4の添加量は、空隙形成材料が添加されたグリーンシートに含まれる、活物質100質量部に対して、1〜20質量部であることが好ましい。また、空隙形成材料4が、固体電解質層グリーンシート12に添加される場合には、空隙形成材料4の添加量は、空隙形成材料が添加された固体電解質層グリーンシート12に含まれる固体電解質100質量部に対して、1〜20質量部であることが好ましい。
The thermal decomposition temperature of the
The amount of the
空隙形成材料は、粒体の形で添加され、その粒体の粒径が5μm以上30μm以下の範囲であることが好ましい。
活物質粒子は、リチウムイオンを吸蔵放出することができる材料であれば良く、特に限定されない。活物質粒子のうち、より貴な電位を示すものを正極側の正極活物質粒子1として用い、より卑な電位を示すものを負極側の負極活物質粒子5として用いることができる。
The void forming material is added in the form of granules, and the particle size of the granules is preferably in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
The active material particles may be any material that can occlude and release lithium ions, and are not particularly limited. Among the active material particles, those showing a more noble potential can be used as the positive electrode
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。
The positive electrode
負極活物質粒子5としては、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト等の炭素材料や、Sn系合金、Si系合金等の合金材料、LiCoN等の窒化物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、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酸化物を用いることができる。また、金属リチウム箔を用いても良い。
Examples of the negative electrode
固体電解質粒子2は、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料であれば良く、特に限定されない。固体電解質粒子2としては、例えば、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質の非晶質体(ガラス体)、結晶体、及びガラスセラミックス等を用いることができる。特に、高温焼成が可能な酸化物系固体電解質が好ましく、NASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物、酸化物ガラス等を用いることができる。例えば、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li0.29La0.571TiO3、Li4SiO4−Li3PO4、Li3BO3−Li3PO4、Li7La3Zr2O12、Li3.4V0.6Si0.4O4等を用いることができる。
The
導電助剤3は、導電性を有する材料であれば良く、特に限定されない。導電助剤3としては、例えば、導電性炭素材料、特にカーボンブラックや活性炭、カーボン炭素繊維等を用いることができる。導電助剤3の含有量は、活物質粒子100質量部に対して90質量部未満であることが好ましい。導電助剤の含有量が質量部以上であると、活物質粒子の質量が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがある。
The conductive
バインダーは、活物質粒子、固体電解質粒子及び導電助剤と結着し、かつ、後述する焼成条件で分解する材料であれば良く、特に限定されない。バインダーとしては、例えば、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、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチルセルロース、アクリル樹脂等を用いることができる。 The binder is not particularly limited as long as it is a material that binds to the active material particles, the solid electrolyte particles, and the conductive auxiliary agent and decomposes under the firing conditions described later. As the binder, for example, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polyvinyl acetal, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethyl cellulose, acrylic resin and the like can be used.
グリーンシート内の空隙形成材料4は、バインダーの熱分解温度より熱分解温度が低い材料であれば良く、特に限定されない。空隙形成材料4としては、例えば、マイクロカプセルやマイクロビーズ、昇華性物質等を用いることが出来る。
マイクロカプセル、マイクロビーズの構成材料としては、ポリウレタン類、ポリウレア類、ポリアミド類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、ポリアクリレート類、ポリスチレン類、ポリメタクリル酸メチル類、塩化ビニリデン、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂及びそれらの共重合体等が挙げられ、バインダーよりも熱分解温度が低ければ、特に限定はされない。
The
As constituent materials of microcapsules and microbeads, polyurethanes, polyureas, polyamides, polyesters, polycarbonates, polyacrylates, polystyrenes, polymethylmethacrylates, vinylidene chloride, urea-formaldehyde resin, melamine resin and the like. Examples thereof include copolymers thereof, and the present invention is not particularly limited as long as the thermal decomposition temperature is lower than that of the binder.
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、昇華点が低ければ、特に限定はされない。 Sublimative substances include naphthalene, 1,7,7-trimethylbicycloheptane-2-one, solid carbon dioxide, iodine, ice, cyclohexane-1,2-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,3-dicarboxylic acid, cyclohexane- 1,4-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,2,4-dicarboxylic acid, phthalic acid, aminoacetophenone, vanillin, 4-hydroxyphthalic acid, trimetic acid, trimetic anhydride, dimethoxyacetophenone, 5-hydroxyisophthalic acid, gallic acid , Methyl cartoate, 1,7-dihydronaphthalene, 4,4'-dihydroxybenzophenone, 2,2', 4,4'-tetrahydroxybenzophenone, etc., and the sublimation point is lower than the thermal decomposition temperature of the binder. For example, there is no particular limitation.
空隙形成材料4の含有量は、活物質粒子100質量部に対して、0.5質量部以上30質量部以下であることが好ましい。さらに好ましくは、活物質粒子100質量部に対して1質量部以上20質量部以下である。空隙形成材料4の含有量が30質量部より多いと、活物質粒子の質量が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがある。空隙形成材料4の含有量が0.5質量部未満であると、空隙形成材料4が少なすぎて、ガスが抜ける空隙が十分に形成されないことがある。
The content of the
空隙形成材料4の粒径は、1μm以上40μm以下が好ましい。さらに好ましくは、5μm以上30μm以下である。空隙形成材料4の粒径が40μmより大きいと、電池体積あたりの活物質粒子が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがある。空隙形成材料4の粒径が1μm未満では、形成される空隙が小さすぎて、ガス抜け性が悪く、空隙形成材料4の効果がほとんどなくなってしまう。
図2は、図1の積層体グリーンシートについて焼結した後の状態を示すものである。焼結によって空隙形成材料4は熱分解して、対象とする焼結後のグリーンシート内に空隙を形成する。
The particle size of the
FIG. 2 shows the state of the laminated green sheet of FIG. 1 after sintering. The
(積層体グリーンシート)
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、第1集電体を構成する集電体14上に、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、正極層グリーンシート11の順に形成される。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。
(Laminated green sheet)
As shown in FIG. 3, the laminated green sheet according to the present embodiment has a negative electrode layer green sheet 13, a solid electrolyte layer green sheet 12, and a positive electrode layer green sheet on the
更に、図4に示すように、積層の上面側に位置する正極層グリーンシート11の上に、第2集電体を構成する集電体14を設けても良い。
集電体14は、導電性を有する材料であれば良く、特に限定されない。集電体14としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅、パラジウム、金及び白金等の金属材料を用いることができる。集電体14の材料については、後述する焼成条件で溶融及び分解しないことや、集電体14にかかる電池作動電位や導電性を考慮して選択することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 4, a
The
正極層グリーンシート11、及び負極層グリーンシート13は、活物質粒子、固体電解質粒子2、及び導電助剤3を含有するバインダーを溶媒と共に混合して正極スラリー及び負極スラリーとし、これら正極スラリー及び負極スラリーを集電体等上に塗布形成もしくは印刷形成したのち、乾燥して形成される。正極スラリー及び負極スラリーの調製方法は特に限定されない。
In the positive electrode layer green sheet 11 and the negative electrode layer green sheet 13, a binder containing active material particles,
固体電解質層グリーンシート12は、固体電解質粒子2及びバインダーを溶媒と共に混合して固体電解質スラリーとし、これらを正極層グリーンシートもしくは負極層グリーンシート上に塗布形成もしくは印刷形成したのち、乾燥して形成される。固体電解質スラリーの調製方法は特に限定されない。
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。
The solid electrolyte layer green sheet 12 is formed by mixing the
The
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におけるバインダーは、3質量部以上40質量部以下であることが望ましい。3質量部より少ない場合、十分な結着をすることできず、40質量部より大きい場合には、電極体積あたりの容量が大きく低下する。より好ましくは3質量部以上25質量部以下である。 The binder in the positive electrode layer green sheet 11, the solid electrolyte layer green sheet 12, and the negative electrode layer green sheet 13 is preferably 3 parts by mass or more and 40 parts by mass or less. If it is less than 3 parts by mass, sufficient binding cannot be achieved, and if it is larger than 40 parts by mass, the capacitance per electrode volume is greatly reduced. More preferably, it is 3 parts by mass or more and 25 parts by mass or less.
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。 The solvent used for the positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry and the negative electrode slurry is not particularly limited as long as the binder can be dissolved. Examples of the solvent include alcohols such as ethanol, isopropanol and n-butanol, toluene, ethyl acetate, butyl acetate, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, ethylene glycol ethyl ether, isophorone, butyl lactate, dioctylphthalate and dioctyl adipate. Organic solvents such as benzyl alcohol, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and water can be used. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The boiling point of the solvent is preferably 200 ° C. or lower because the slurry can be easily dried.
図示しないが、正極スラリー、固体電解質スラリー及び負極スラリーは、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の焼成時に各グリーンシート内におけるマトリックス構造の形成を促進し、焼成温度を低下させる焼成助剤を更に含有していても良い。焼成助剤は、活物質粒子及び固体電解質粒子2と反応せず、固体電解質粒子2の焼成温度よりも軟化点温度が低ければ特に限定はされない。焼成助剤としては、例えば、ホウ素化合物を用いることができる。各グリーンシートの焼成助剤の含有量と焼成温度を調整することで、積層焼成体を焼成により形成する際に、各層の内部歪や内部応力によるクラックを防止するとともに、マトリックス構造の形成を促進することができる。
Although not shown, the positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry, and the negative electrode slurry promote the formation of a matrix structure in each green sheet during firing of the positive electrode layer green sheet 11, the solid electrolyte layer green sheet 12, and the negative electrode layer green sheet 13, and are fired. It may further contain a firing aid that lowers the temperature. The firing aid is not particularly limited as long as it does not react with the active material particles and the
このように、正極スラリー、固体電解質スラリー及び負極スラリーは、上述した活物質粒子、固体電解質粒子2、導電助剤3、熱分解して空隙を形成する空隙形成材料4、バインダーのほか、溶媒や、必要に応じて焼成助剤等を混合することで作製できる。また、スラリーの混合方法は特に限定されず、必要に応じて、増粘剤、可塑剤、消泡剤、レベリング剤、密着性付与剤のような材料を添加しても良い。
As described above, the positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry and the negative electrode slurry include the above-mentioned active material particles,
正極スラリー、固体電解質スラリー及び負極スラリーの塗布及び印刷方法としては、具体的には、ドクターブレード法、カレンダー法、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法、オフセット法、ダイコート法、スプレー法、スクリーン印刷法等を用いることができる。
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。
Specific examples of the coating and printing methods for the positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry and the negative electrode slurry include the doctor blade method, the calendar method, the spin coating method, the dip coating method, the inkjet method, the offset method, the die coating method, the spray method, and the screen. A printing method or the like can be used.
The method for drying the positive electrode slurry, the solid electrolyte slurry and the negative electrode slurry is not particularly limited. For example, heat drying, vacuum drying, heat vacuum drying and the like can be used. The dry atmosphere is not particularly limited. For example, it can be performed in an atmospheric atmosphere or a nitrogen atmosphere.
正極層グリーンシート11により形成される正極層の厚さや、負極層グリーンシート13により形成される負極層の厚さは、所望の電池容量に応じて決定することができる。
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。
The thickness of the positive electrode layer formed by the positive electrode layer green sheet 11 and the thickness of the negative electrode layer formed by the negative electrode layer green sheet 13 can be determined according to the desired battery capacity.
Solid Electrolyte Layer The thickness of the solid electrolyte layer formed by the green sheet 12 is preferably in the range of 1 μm or more and 500 μm or less. If it is thinner than 1 μm, the positive electrode layer and the negative electrode layer are short-circuited, which may not only reduce the performance of the all-solid-state secondary battery but also reduce the safety. If it is thicker than 500 μm, the movement of conducting ions such as lithium ions in the solid electrolyte layer is hindered, and the output of the all-solid secondary battery may decrease.
本実施形態に係る積層焼成体は、焼成工程において、本実施形態に係る積層体グリーンシートから空隙形成材料4で空隙を形成し、さらにバインダーを脱脂し、その後、粒子同士を焼結することで形成される。
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。
In the laminated fired body according to the present embodiment, in the firing step, voids are formed from the laminated green sheet according to the present embodiment with the
The heating temperature in the firing step is a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the binder contained in the laminated green sheet and lower than the oxidation temperature of the active material particles or lower than the combustion temperature of the current collector, specifically 300 ° C. or higher. It is preferably 1100 ° C. or lower, and more preferably 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. If the temperature is lower than 300 ° C., the binder will not burn completely and will become a residue, which may become a resistor in the layer. If the temperature is higher than 1100 ° C., the active material particles and the solid electrolyte particles may be melted and denatured, which may deteriorate the battery performance.
焼成工程での雰囲気は、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が、活物質粒子と集電体14との反応や、集電体14の導電性の低下が懸念される場合は、不活性雰囲気下で行うことが望ましい。焼成時間は、使用するバインダーが十分に分解される時間であれば良く、特に限定されない。
本実施形態に係る連続積層体グリーンシート15は、図5に示すように、図3に示される複数個の積層体グリーンシートを連続して積層したものである。このとき、下側の積層体グリーンシートの前記第2電極層グリーンシートの上に上側の積層体グリーンシートの前記第1集電体が積層するようにして、順次積層する。このように、一方の積層体グリーンシートの集電体と、他方の積層体グリーンシートの正極層グリーンシートもしくは負極層グリーンシートとが隣接するように貼り合わされて順次積層される。積層体グリーンシートの貼合わせ方法は特に限定されない。例えば平板プレス、ロールプレス、ホットプレス、冷間静水圧プレス、熱間静水圧プレス等を用いることができる。
The atmosphere in the firing process is not particularly limited. For example, it can be carried out in an atmospheric atmosphere or a nitrogen atmosphere, but when there is concern about the reaction between the active material particles and the
As shown in FIG. 5, the continuous laminated green sheet 15 according to the present embodiment is a continuous laminate of a plurality of laminated green sheets shown in FIG. At this time, the first current collector of the upper laminated green sheet is laminated on the second electrode layer green sheet of the lower laminated green sheet, and the current collectors are sequentially laminated. In this way, the current collector of one laminated green sheet and the positive electrode layer green sheet or the negative electrode layer green sheet of the other laminated green sheet are laminated so as to be adjacent to each other and are sequentially laminated. The method of laminating the laminated green sheet is not particularly limited. For example, a flat plate press, a roll press, a hot press, a cold hydrostatic press, a hot hydrostatic press and the like can be used.
図6に示す連続積層体グリーンシート15は、図5のように連続して積層体グリーンシートを積層した上面側に更に集電体14を積層したものである。
本実施形態に係る連続積層焼成体は、連続積層体グリーンシート15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。
The continuous laminated green sheet 15 shown in FIG. 6 is formed by further laminating the
The continuously laminated fired body according to this embodiment is formed by firing the continuous laminated body green sheet 15. As the firing conditions, the same conditions as the firing conditions in the formation of the laminated fired body can be used.
本実施形態に係る全固体二次電池は、積層体グリーンシート又は連続積層体グリーンシート15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上に他の集電体14を貼り合わせて、図4や図6に示す積層体としてから、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。
The all-solid-state secondary battery according to the present embodiment has another current collector on the positive electrode layer green sheet 11 or the negative electrode layer green sheet 13 farthest from the first current collector of the laminated green sheet or the continuous laminated green sheet 15. The
以上のように、本実施形態では、グリーンシート作製スラリー内に、熱分解により空隙が形成される空隙形成材料4が添加され、そのスラリーを用いて塗布法により、第1集電体上に、正極又は負極として第1電極層グリーンシート、固体電解質層グリーンシート、及び対極として第2電極層グリーンシートをこの順に積層した積層体グリーンシートを作製した。
As described above, in the present embodiment, the
その後、その積層体グリーンシートの第2電極層グリーンシート上に第2集電体を貼り合わせて一括焼成することにより全固体二次電池を作製した。
焼成時に、空隙が形成され、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、集電体14を貼り合わせて連続積層体グリーンシート15を作製し、その連続積層体グリーンシート15を一括焼成することにより直列全固体二次電池を作製した。
Then, the second current collector was laminated on the second electrode layer green sheet of the laminated green sheet and fired all at once to prepare an all-solid-state secondary battery.
During firing, voids were formed, gas release was improved, and the interfacial resistance of each layer could be reduced.
Further, the laminated green sheets are continuously laminated, and a current collector is provided between the plurality of laminated green sheets and further outside the outer surface of the laminated green sheets in the stacking direction. 14 were laminated to prepare a continuous laminated green sheet 15, and the continuous laminated green sheet 15 was collectively fired to prepare an in-series all-solid-state secondary battery.
また、一括焼成することにより、第1集電体と第1電極層グリーンシートとの界面、並びに第2集電体と第2電極層グリーンシートとの界面で、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。
In addition, by firing all at once, the chemistry of particles in adjacent layers at the interface between the first current collector and the first electrode layer green sheet and at the interface between the second current collector and the second electrode layer green sheet. Bonds are formed.
As a result, the proportion of the active material particles in direct contact with the solid electrolyte particles has been dramatically improved, and the interfacial resistance between the particles can be reduced.
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。
また、上記積層体グリーンシートを連続的に積層することで連続積層体グリーンシートを作製することが可能となり、上記連続積層体グリーンシートを一括焼成することで直列全固体二次電池を作製することが可能となった。
The step of producing the laminated green sheet according to the present embodiment is different from the conventional transfer method, and it is possible to continuously produce the laminated green sheet, and by further firing all at once, the interfacial resistance between the layers It has become possible to perform the firing process once while suppressing the above.
Further, the continuous laminated green sheet can be produced by continuously laminating the laminated green sheet, and the series all-solid-state secondary battery can be produced by firing the continuous laminated green sheet all at once. Is now possible.
ここで、空隙形成材料4の熱分解温度は、グリーンシート内のバインダーの熱分解温度未満である。これにより、焼成におけるバインダー分解時には、グリーンシート内にガスが拡散する空隙が形成されているので、ガス抜け性が良い。
以上のように、本実施形態によれば、全固体二次電池作製時における焼成の際に、グリーンシート内のガス抜け性を良好にし、各層の界面抵抗を抑制しつつ、全固体二次電池の作製工程を簡略化した全固体二次電池の作製が可能である。
Here, the thermal decomposition temperature of the
As described above, according to the present embodiment, the all-solid-state secondary battery improves the gas release property in the green sheet during firing during the production of the all-solid-state secondary battery, suppresses the interfacial resistance of each layer, and suppresses the interfacial resistance of each layer. It is possible to manufacture an all-solid-state secondary battery that simplifies the manufacturing process of.
以下に、本実施形態に係る、焼成時に、熱分解し、空隙を形成する材料をグリーンシート内に添加したことを特徴とする積層体グリーンシート、その積層体グリーンシートを用いた全固体二次電池及びそれらの製造方法に関する具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本実施形態は下記実施例によって制限されるものではない。 The following is a laminated green sheet according to the present embodiment, which is characterized in that a material that is thermally decomposed at the time of firing to form voids is added to the green sheet, and an all-solid secondary using the laminated green sheet. Specific examples and comparative examples of the batteries and their manufacturing methods will be described. The present embodiment is not limited to the following examples.
(実施例1)
<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、添加材料として粒径10μmのアクリロニトリル・塩化ビニリデン・メタクリル酸メチル共重合物をシェルとするマイクロカプセルを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。
(Example 1)
<Preparation of positive electrode slurry>
50 parts by mass of lithium cobaltate (LiCoO 2 ) powder as active material particles of the positive electrode, 50 parts by mass of LAGP (Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ) powder as solid electrolyte particles, conductive aid 6 parts by mass of acetylene black, 16 parts by mass of polyvinyl butyral (PVB) as a binder, 4.8 parts by mass of dibutyl phthalate (DBP) as a plasticizer, and acrylonitrile / vinylidene chloride / methyl methacrylate copolymer having a particle size of 10 μm as an additive material. 5 parts by mass of microcapsules having a material as a shell and a solvent (tarpineol) were mixed to form a slurry, and this slurry was defoamed to prepare a positive electrode slurry.
<固体電解質スラリーの作製>
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。
<Preparation of solid electrolyte slurry>
100 parts by mass of LAGP powder as solid electrolyte particles, 16 parts by mass of PVB as a binder, 4.8 parts by mass of DBP as a plasticizer, and a solvent (tarpineol) were mixed to form a slurry, and this slurry was defoamed to prepare a solid electrolyte slurry. ..
<Preparation of negative electrode slurry>
50 parts by mass of lithium titanate (L 4 Ti 5 O 12 ) powder as negative electrode active material particles, 50 parts by mass of LAGP powder as solid electrolyte, 16 parts by mass of PVB as binder, 4.8 parts by mass of DBP as plasticizer, and solvent (tarpineol) Was mixed to form a slurry, and this slurry was defoamed to prepare a negative electrode slurry.
<積層体グリーンシート作製工程>
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、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、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、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。
<Laminated green sheet manufacturing process>
A 15 μm nickel foil was used as the current collector, which was used as the negative electrode current collector, and the negative electrode slurry was applied onto the current collector and dried to prepare a negative electrode layer green sheet. The solid electrolyte layer green sheet is prepared by applying and drying the solid electrolyte slurry, and the positive electrode slurry is applied and dried on the solid electrolyte layer green sheet to prepare a positive electrode layer green sheet. A sheet was prepared.
<切断工程>
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、他の集電体として上記と同じニッケル箔を乗せ、これを正極集電体とし、この集電体を80℃、1000kgf/cm2(98MPa)で加圧し、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。
<Cutting process>
The same nickel foil as above was placed on the positive electrode layer green sheet of the produced laminated green sheet as another current collector, and this was used as the positive electrode current collector, and this current collector was used at 80 ° C. and 1000 kgf / cm 2 (98 MPa). ), The positive electrode current collector and the negative electrode current collector were cut into individual elements so as to be exposed on different surfaces of the laminated green sheet.
<焼成工程>
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700℃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のマイクロカプセルを、正極に添加せず、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。
<Baking process>
The laminated green sheet was heated at a heating rate of 80 ° C./min in a nitrogen stream. The temperature was raised from room temperature to 700 ° C., and the temperature was maintained for 30 minutes for firing. Then, it was cooled to room temperature by allowing it to cool in the furnace to prepare an all-solid-state secondary battery made of the laminated fired body of Example 1.
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was carried out except that the microcapsules of Example 1 were not added to the positive electrode and 10 parts by mass was added to the solid electrolyte layer with respect to 100 parts by mass of LAGP.
(実施例3)
実施例1のマイクロカプセルを、正極に添加せず、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、固体電解質層にマイクロカプセルを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。
(Example 3)
The same operation as in Example 1 was carried out except that the microcapsules of Example 1 were not added to the positive electrode, but 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of lithium titanate was added to the negative electrode layer.
(Example 4)
In addition to Example 1, the procedure was the same as in Example 1 except that 10 parts by mass of microcapsules were added to the solid electrolyte layer with respect to 100 parts by mass of LAGP.
(実施例5)
実施例1に加えて、負極層にマイクロカプセル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、固体電解質層にマイクロカプセルをLAGP100質量部に対して10質量部添加し、さらに、負極層にマイクロカプセル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。
(Example 5)
In addition to Example 1, the same operation as in Example 1 was carried out except that 10 parts by mass of microcapsules were added to the negative electrode layer with respect to 100 parts by mass of lithium titanate.
(Example 6)
In addition to Example 1, 10 parts by mass of microcapsules were added to the solid electrolyte layer with respect to 100 parts by mass of LAGP, and 10 parts by mass of microcapsules were added to the negative electrode layer with respect to 100 parts by mass of lithium titanate. , The same operation as in Example 1 was carried out.
(実施例7)
<積層体グリーンシート作製工程>
実施例7では、積層体グリーンシートの作製について、実施例6と同様の操作で実施した。
<連続積層体グリーンシート作製工程>
作製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連続的に積層して連続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負極層グリーンシート上に、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、全体を80℃、1000kgf/cm2(98MPa)で加圧し、実施例7の焼成工程前の連続積層体グリーンシートを作製した。
(Example 7)
<Laminated green sheet manufacturing process>
In Example 7, the laminated green sheet was prepared by the same operation as in Example 6.
<Continuous laminated green sheet manufacturing process>
The prepared laminated green sheet was cut into a predetermined size. Five of these laminated green sheets were produced. These five laminated green sheets were continuously laminated to prepare a continuous laminated green sheet. Finally, the same nickel foil as the laminated green sheet is placed as another current collector on the negative electrode layer green sheet which is the outer surface in the stacking direction that is not in contact with the current collector, and the whole is 80 ° C., 1000 kgf / cm 2 (98 MPa). ) Was applied to prepare a continuous laminated green sheet before the firing step of Example 7.
<連続積層焼成体作製工程>
上記連続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700℃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4の連続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)
実施例1におけるマイクロカプセルを、比較例1では使用しなかった。それ以外は、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。
<Continuous laminated fired body manufacturing process>
The temperature rise rate of the continuous laminated green sheet was 80 ° C./min in a nitrogen stream. The temperature was raised from room temperature to 700 ° C., and the temperature was maintained for 30 minutes, and then cooled to room temperature by allowing to cool in a furnace to prepare an in-series all-solid-state secondary battery composed of the continuous laminated fired body of Example 4.
(Comparative Example 1)
The microcapsules in Example 1 were not used in Comparative Example 1. Other than that, the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 1 was produced by the same operation as in Example 1.
(比較例2)
実施例1におけるマイクロカプセルの添加量が正極活物質100質量部に対して25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)
実施例1におけるマイクロカプセルの添加量が正極活物質100質量部に対して0.5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。
(Comparative Example 2)
An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 2 was produced by the same operation as in Example 1 except that the amount of microcapsules added in Example 1 was 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.
(Comparative Example 3)
An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 3 was produced by the same operation as in Example 1 except that the amount of microcapsules added in Example 1 was 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. ..
(比較例4)
実施例1におけるマイクロカプセルの粒径が40μmだったこと以外は、実施例1と同様の操作で比較例4の全固体二次電池を作製した。
(比較例5)
実施例1におけるマイクロカプセルの粒径が3μmだったこと以外は、実施例1と同様の操作で比較例5の全固体二次電池を作製した。
(Comparative Example 4)
An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 4 was produced by the same operation as in Example 1 except that the particle size of the microcapsules in Example 1 was 40 μm.
(Comparative Example 5)
An all-solid-state secondary battery of Comparative Example 5 was produced by the same operation as in Example 1 except that the particle size of the microcapsules in Example 1 was 3 μm.
(比較例6)
実施例7におけるマイクロカプセルを、比較例6では使用しなかった。それ以外は、実施例7と同様の操作で比較例6の全固体二次電池を作製した。
<電気化学評価>
電気化学評価は以下の方法で実施した。
(Comparative Example 6)
The microcapsules in Example 7 were not used in Comparative Example 6. Other than that, the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 6 was produced by the same operation as in Example 7.
<Electrochemical evaluation>
The electrochemical evaluation was carried out by the following method.
(実施例1、2、3、4、5、6比較例1、2、3、4、5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。
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
(Battery evaluation method of Examples 1, 2, 3, 4, 5, 6 Comparative Examples 1, 2, 3, 4, 5)
Ten all-solid-state secondary batteries were evaluated. It is charged to 2.7 V by the constant current method of 0.2 C, and then discharged to 1.5 V at 0.2 C, and this discharge capacity is defined as the reference capacity X. The reference capacity X is an average value of 10 pieces. After that, the battery is charged to 2.7 V at 0.2 C, discharged to 1.5 V at 5 C, and the 3 C discharge capacity Y is obtained. The 3C discharge capacity Y is also an average value of 10 pieces. The discharge capacity retention rate represented by the ratio (Y / X (%)) of the discharge capacity of the 3C discharge capacity Y and the reference capacity X is obtained, and this is used as an evaluation standard for electrochemical evaluation, and is evaluated according to the following criteria. The higher the evaluation, the better the output characteristics of the battery, that is, the smaller the internal resistance.
A: 70% or more B: 50% or more and less than 70% C: 40% or more and less than 50% D: 30% or more and less than 40% E: less than 30%
(実施例7、比較例6の電池評価方法)
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。
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
(Battery evaluation method of Example 7 and Comparative Example 6)
Ten series all-solid-state secondary batteries were evaluated. It is charged to 13.5V by the constant current method of 0.2C, and then discharged to 7.5V at 0.2C, and this discharge capacity is defined as the reference capacity X. The reference capacity X is an average value of 10 pieces. After that, the battery is charged to 13.5 V at 0.2 C, discharged to 7.5 V at 5 C, and the 3 C discharge capacity Y is obtained. The 3C discharge capacity Y is also an average value of 10 pieces. The discharge capacity retention rate represented by the ratio (Y / X (%)) of the discharge capacity of the 3C discharge capacity Y and the reference capacity X is obtained, and this is used as an evaluation standard for electrochemical evaluation, and is evaluated according to the following criteria. The higher the evaluation, the better the output characteristics of the battery, that is, the smaller the internal resistance.
A: 70% or more B: 50% or more and less than 70% C: 40% or more and less than 50% D: 30% or more and less than 40% E: less than 30%
(評価結果)
上記評価の結果を下記の表1に示す。
The results of the above evaluation are shown in Table 1 below.
表1より、粒径30μm以下、添加量が活物質または固体電解質100質量部に対して20質量部以下のマイクロカプセルを添加した実施例は、比較例と比較して、評価が高いことがわかり、粒子を複合化したことによる粒子間の界面抵抗が低減していることがわかった。
また、実施例1と比較例2、3を比較すると、実施例1のほうが、評価が高い。マイクロカプセルの添加量が多すぎると、マイクロカプセルの分解時に電極にダメージを与えるため電池性能が悪くなり、また、マイクロカプセルの添加量が少なすぎると、マイクロカプセルの添加効果が無くなる。即ち、マイクロカプセルの添加量には適する範囲があると言え、本実施形態の効果が得られることが確認された。
From Table 1, it can be seen that the examples in which the microcapsules having a particle size of 30 μm or less and the addition amount of 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the active material or the solid electrolyte were added were highly evaluated as compared with the comparative examples. It was found that the interfacial resistance between the particles was reduced due to the composite of the particles.
Further, when Example 1 and Comparative Examples 2 and 3 are compared, Example 1 has a higher evaluation. If the amount of microcapsules added is too large, the electrodes will be damaged when the microcapsules are disassembled, resulting in poor battery performance. If the amount of microcapsules added is too small, the effect of adding microcapsules will be lost. That is, it can be said that the amount of microcapsules added has a suitable range, and it has been confirmed that the effects of this embodiment can be obtained.
また、実施例1と比較例4、5を比較すると、実施例1のほうが、評価が高い。マイクロカプセルの粒径が多すぎると、マイクロカプセルの分解時に電極にダメージを与えるため電池性能が悪くなり、また、マイクロカプセルの添加量が少なすぎると、マイクロカプセルの添加効果が無くなる。即ち、マイクロカプセルの粒径にも適する範囲があると言え、本実施形態の効果が得られることが確認された。
また、実施例7と比較例6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。
Further, when Example 1 and Comparative Examples 4 and 5 are compared, Example 1 has a higher evaluation. If the particle size of the microcapsules is too large, the electrodes will be damaged when the microcapsules are disassembled, resulting in poor battery performance. If the amount of the microcapsules added is too small, the effect of adding the microcapsules will be lost. That is, it can be said that there is a range suitable for the particle size of the microcapsules, and it was confirmed that the effect of this embodiment can be obtained.
Further, when Example 7 and Comparative Example 6 are compared, the same result as described above is obtained, and the effect of the present embodiment can be obtained even in the series all-solid-state secondary battery in which a single-layer all-solid-state secondary battery is laminated. Was confirmed.
本発明は、全固体二次電池の性能向上に大きく寄与し、また、全固体二次電池の製造工程を簡略化できる。また、本発明の全固体二次電池は、各層の界面抵抗が抑制された全固体二次電池であり、コストダウンと電池性能を兼ね備え、産業上おおいに利用できる発明である。 The present invention greatly contributes to the improvement of the performance of the all-solid-state secondary battery, and can simplify the manufacturing process of the all-solid-state secondary battery. Further, the all-solid-state secondary battery of the present invention is an all-solid-state secondary battery in which the interfacial resistance of each layer is suppressed, has both cost reduction and battery performance, and is an invention that can be widely used industrially.
1…正極活物質粒子
2…固体電解質粒子
3…導電助剤(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…連続積層体グリーンシート
1 ... Positive electrode
4 ... Void forming
Claims (9)
前記複数のグリーンシートのうちの少なくとも一つのグリーンシートは、活物質又は固体電解質と、バインダーとを含む全固体二次電池用のグリーンシートであって、
焼成の際の熱によって熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料が添加され、
前記空隙形成材料は、前記活物質又は固体電解質100質量部に対し1〜20質量部添加され、
前記空隙形成材料は粒体の形で添加され、その粒体の粒径が5μm以上30μm以下の範囲であり、
前記空隙形成材料は、ポリウレタン類、ポリウレア類、ポリアミド類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、ポリアクリレート類、ポリスチレン類、ポリメタクリル酸メチル類、塩化ビニリデン、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂及びそれらの共重合体、あるいは、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、及び2,2’,4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノンの少なくとも一種で構成されており、
前記空隙形成材料を添加したグリーンシート内にバインダーを含み、
前記空隙形成材料の熱分解温度が、前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積層体グリーンシート。 A first current collector, a first electrode layer green sheet provided on the first current collector and containing a first active material, and a solid electrolyte layer provided on the first electrode layer green sheet and containing a solid electrolyte. In the laminated green sheet including the green sheet and the second electrode layer green sheet provided on the solid electrolyte layer green sheet and containing the second active material.
At least one of the plurality of green sheets is a green sheet for an all-solid secondary battery containing an active material or a solid electrolyte and a binder.
A void forming material, which is a material that thermally decomposes by heat during firing to form voids, is added.
The void-forming material is added in an amount of 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material or the solid electrolyte.
The void-forming material is added in the form of granules, and the particle size of the granules is in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
The void forming material is polyurethanes, polyureas, polyamides, polyesters, polycarbonates, polyacrylates, polystyrenes, polymethylmethacrylates, vinylidene chloride, urea-formaldehyde resin, melamine resin and copolymers thereof. Or, naphthalene, 1,7,7-trimethylbicycloheptane-2-one, solid carbon dioxide, iodine, ice, cyclohexane-1,2-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,3-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,4 -Dicarboxylic acid, cyclohexane-1,2,4-dicarboxylic acid, phthalic acid, aminoacetophenone, vanillin, 4-hydroxyphthalic acid, trimetic acid, trimetic anhydride, dimethoxyacetophenone, 5-hydroxyisophthalic acid, gallic acid, gallic acid It is composed of at least one of methyl, 1,7-dihydronaphthalene, 4,4'-dihydroxybenzophenone, and 2,2', 4,4'-tetrahydroxybenzophenone.
A binder is contained in the green sheet to which the void forming material is added, and the binder is contained therein.
A laminated green sheet characterized in that the thermal decomposition temperature of the void forming material is lower than the thermal decomposition temperature of the binder.
前記複数のグリーンシートのうちの少なくとも一つのグリーンシートは、焼成の際の熱によって熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料と、バインダーとが添加されたグリーンシートであり、
前記空隙形成材料は、前記活物質又は固体電解質100質量部に対し1〜20質量部添加され、
前記空隙形成材料は粒体の形で添加され、その粒体の粒径が5μm以上30μm以下の範囲であり、
前記空隙形成材料の熱分解温度が、前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積層体グリーンシート。 A first current collector, a first electrode layer green sheet provided on the first current collector and containing a first active material, and a solid electrolyte layer provided on the first electrode layer green sheet and containing a solid electrolyte. In the laminated green sheet including the green sheet and the second electrode layer green sheet provided on the solid electrolyte layer green sheet and containing the second active material.
At least one of the plurality of green sheets is a green sheet to which a void forming material, which is a material for forming voids by thermal decomposition by heat during firing, and a binder are added.
The void-forming material is added in an amount of 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material or the solid electrolyte.
The void-forming material is added in the form of granules, and the particle size of the granules is in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
A laminated green sheet characterized in that the thermal decomposition temperature of the void forming material is lower than the thermal decomposition temperature of the binder.
その積層は、一の積層体グリーンシートの前記第2電極層グリーンシートの上に他の積層体グリーンシートの前記第1集電体が積層するようにして積層することを特徴とする連続積層体グリーンシート。 It is configured by laminating a plurality of laminated green sheets according to claim 1 or 2.
The lamination is a continuous laminate characterized in that the first current collector of another laminate green sheet is laminated on the second electrode layer green sheet of one laminate green sheet. Green sheet.
前記積層体グリーンシートを構成する第2電極層グリーンシートのうち、前記第1集電体が積層されていない第2電極層グリーンシート上に設けられた第2集電体と、
を備える積層体を焼成することを特徴とする全固体二次電池の製造方法。 The continuous laminated green sheet according to claim 3 and
Among the second electrode layer green sheets constituting the laminated body green sheet, the second current collector provided on the second electrode layer green sheet on which the first current collector is not laminated, and
A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery, which comprises firing a laminate comprising.
前記第1電極用スラリー層上に、固体電解質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、
前記固体電解質スラリー層上に、第2の活物質を含む第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、
前記複数のスラリーのうちの少なくとも一つのスラリー内に、焼成の際の熱によって熱分解して空隙を形成する材料である空隙形成材料が添加されて、
前記空隙形成材料は、前記活物質又は固体電解質100質量部に対し1〜20質量部添加され、
前記空隙形成材料は粒体の形で添加され、その粒体の粒径が5μm以上30μm以下の範囲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。 A first electrode slurry layer forming step of applying or printing a first electrode slurry containing a first active material on the first current collector to form a first electrode slurry layer.
A solid electrolyte slurry layer forming step of applying or printing a solid electrolyte slurry containing a solid electrolyte on the slurry layer for the first electrode to form a solid electrolyte slurry layer.
A second electrode slurry layer forming step of applying or printing a second electrode slurry containing a second active material on the solid electrolyte slurry layer to form a second electrode slurry layer.
Including
A void-forming material, which is a material that thermally decomposes by heat during firing to form voids, is added to at least one of the plurality of slurries.
The void-forming material is added in an amount of 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material or the solid electrolyte.
A method for producing a laminated green sheet, wherein the void-forming material is added in the form of granules, and the particle size of the granules is in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
前記積層体グリーンシート及びそれに貼り合わされた前記第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。 A second current collector in which a second current collector is bonded onto a second electrode layer green sheet exposed on the surface of the laminated green sheet manufactured by the method for manufacturing a laminated green sheet according to claim 6. The bonding process and
A firing step of firing the laminated body including the laminated body green sheet and the second current collector attached thereto, and a firing step.
A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery, which comprises.
前記積層体グリーンシート及びそれに貼り合わされた前記第2集電体を含む連続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。 The second collection in which the second current collector is bonded onto the second electrode layer green sheet exposed on the surface of the laminated green sheet manufactured by the method for manufacturing the continuous laminated green sheet according to claim 7. Electrode bonding process and
A firing step of firing a continuous laminate including the laminate green sheet and the second current collector attached thereto, and a firing step.
A method for manufacturing an all-solid-state secondary battery, which comprises.
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