JP7009772B2 - Laminated battery and manufacturing method of laminated battery - Google Patents
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Description
本開示は、積層電池に関する。 The present disclosure relates to laminated batteries.
正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順に有するセルを厚さ方向に複数有する積層電池が知られている。例えば特許文献1には、正極集電体と正極合材層とを備えた正極層、固体電解質層、および負極集電体と負極合材層とを備えた負極層からなる単位セルを複数有するリチウムイオン二次電池が開示されている。さらに、特許文献1には、全固体電池の安全性を評価する方法として、釘刺し試験が開示されている。
A laminated battery having a plurality of cells having a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector in this order in the thickness direction is known. For example,
上述したように、全固体電池の安全性を評価する方法として、釘刺し試験が知られている。釘刺し試験は、導電性の釘を全固体電池に刺し、電池内で内部短絡が生じたときの変化(例えば温度変化)を観察する試験である。 As described above, a nail piercing test is known as a method for evaluating the safety of an all-solid-state battery. The nail piercing test is a test in which a conductive nail is pierced into an all-solid-state battery and changes (for example, temperature changes) when an internal short circuit occurs in the battery are observed.
本発明者等が、複数の全固体電池セルが電気的に並列接続された積層電池に対する釘刺し試験を詳細に検討したところ、短絡部の抵抗(短絡抵抗)が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在するという新たな知見を得た。短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在すると、短絡抵抗が大きいセルから短絡抵抗が小さいセルに電流が流れ込む。以下、これを「回り込み電流」という場合がある。回り込み電流が発生すると、短絡抵抗が小さいセル(電流が流れ込んだセル)の温度が上昇し、その結果、電池材料の劣化を引き起こしやすい。 When the present inventors have examined in detail a nail piercing test on a laminated battery in which a plurality of all-solid-state battery cells are electrically connected in parallel, a cell having a small short-circuit resistance (short-circuit resistance) and a cell having a large short-circuit resistance have a large short-circuit resistance. I got a new finding that cells are mixed. When a cell having a small short-circuit resistance and a cell having a large short-circuit resistance coexist, a current flows from a cell having a large short-circuit resistance to a cell having a small short-circuit resistance. Hereinafter, this may be referred to as "wraparound current". When a wraparound current is generated, the temperature of the cell having a small short-circuit resistance (the cell into which the current has flowed) rises, and as a result, deterioration of the battery material is likely to occur.
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、回り込み電流を低減した積層電池を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a laminated battery having a reduced wraparound current.
上記課題を解決するために、本開示においては、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順に有するセルを厚さ方向に複数有し、上記複数のセルが電気的に並列接続された積層電池であって、上記複数のセルが、条件(i):上記複数のセルの全ての上記正極集電体が、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、および、条件(ii):上記複数のセルの全ての上記負極集電体が、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、の少なくとも一方の条件を満たす、積層電池を提供する。 In order to solve the above problems, in the present disclosure, a plurality of cells having a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector in this order are provided in the thickness direction. The plurality of cells are a laminated battery in which the plurality of cells are electrically connected in parallel, and the plurality of cells are the conditions (i): all the positive electrode current collectors of the plurality of cells are Ti, Ti alloy, Fe and At least one of the conditions of at least one of Fe alloys and condition (ii): that all the negative electrode current collectors of the plurality of cells are at least one of Ti, Ti alloys, Fe and Fe alloys. Provide a laminated battery that meets.
本開示によれば、複数のセルが条件(i)および条件(ii)の少なくとも一方を満たすことから、回り込み電流を低減した積層電池とすることができる。 According to the present disclosure, since the plurality of cells satisfy at least one of the condition (i) and the condition (ii), it is possible to obtain a laminated battery having a reduced wraparound current.
上記条件(i)において、上記複数のセルの少なくとも一つの上記正極集電体はTiであっても良い。 Under the above condition (i), the positive electrode current collector at least one of the plurality of cells may be Ti.
上記開示において、上記Fe合金は、SUSであっても良い。 In the above disclosure, the Fe alloy may be SUS.
上記開示において、上記複数のセルの少なくとも一つの上記負極集電体は、CuまたはCu合金であっても良い。 In the above disclosure, the negative electrode current collector at least one of the plurality of cells may be Cu or a Cu alloy.
また、本開示においては、上述した積層電池を製造する積層電池の製造方法であって、上記複数のセルは、条件(iii):上記複数のセルの少なくとも一つの上記正極集電体は、表面に酸化物層を有するSUSである、および、条件(iv):上記複数のセルの少なくとも一つの上記負極集電体は、表面に酸化物層を有するSUSである、の少なくとも一方の条件をさらに満たし、上記酸化物層を、200℃~500℃の範囲内の熱処理により形成する熱処理工程を有する、積層電池の製造方法を提供する。 Further, in the present disclosure, in the method for manufacturing a laminated battery for manufacturing the above-mentioned laminated battery, the plurality of cells are the condition (iii): the positive electrode current collector of at least one of the plurality of cells is a surface. Further, at least one of the conditions (iv): that the negative electrode current collector of at least one of the plurality of cells is a SUS having an oxide layer on the surface thereof. Provided is a method for manufacturing a laminated battery, which comprises a heat treatment step of filling and forming the oxide layer by heat treatment in the range of 200 ° C. to 500 ° C.
本開示によれば、上記範囲内の熱処理によりSUSの表面に酸化物層を形成し、それを集電体として用いることで、回り込み電流が低減した積層電池を得ることができる。 According to the present disclosure, by forming an oxide layer on the surface of SUS by heat treatment within the above range and using it as a current collector, a laminated battery with a reduced wraparound current can be obtained.
本開示の積層電池は、回り込み電流を低減できるという効果を奏する。 The laminated battery of the present disclosure has an effect that the wraparound current can be reduced.
以下、本開示の積層電池および積層電池の製造方法について、詳細に説明する。 Hereinafter, the laminated battery and the method for manufacturing the laminated battery of the present disclosure will be described in detail.
A.積層電池
図1は、本開示の積層電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す積層電池100は、正極集電体4、正極活物質層1、固体電解質層3、負極活物質層2および負極集電体5をこの順に有するセル10(10A、10B~10H~10N)を厚さ方向に複数有する。さらに、複数のセル10は、電気的に並列接続されている。並列接続の方法は特に限定されないが、例えば、図1に示すセル10Aおよびセル10Bは、負極集電体5を共有する形で並列接続されている。なお、隣り合う2つのセルは、正極集電体4または負極集電体5を共有していても良く、共有していなくても良い。後者の場合、例えば、正極集電体4または負極集電体5を2層構成とすることで、隣り合う2つのセルが、両者の間に、正極集電体4または負極集電体5を個別に有することになる。
A. Laminated Battery FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the laminated battery of the present disclosure. The laminated
また、複数のセル10は、
条件(i):複数のセル10の全ての正極集電体4は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、および、
条件(ii):複数のセル10の全ての負極集電体5は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、
の少なくとも一方の条件を満たすことを一つの特徴とする。
Further, the plurality of
Condition (i): All the positive electrode
Condition (ii): All the negative electrode
One of the features is that at least one of the above conditions is satisfied.
本開示によれば、複数のセルが条件(i)および条件(ii)の少なくとも一方を満たすことから、回り込み電流を低減した積層電池とすることができる。上述したように、本発明者等が、複数のセルが電気的に並列接続された積層電池に対する釘刺し試験を詳細に検討したところ、短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在するという新たな知見を得た。 According to the present disclosure, since the plurality of cells satisfy at least one of the condition (i) and the condition (ii), it is possible to obtain a laminated battery having a reduced wraparound current. As described above, when the present inventors have examined in detail a nail piercing test on a laminated battery in which a plurality of cells are electrically connected in parallel, a cell having a small short-circuit resistance and a cell having a large short-circuit resistance are mixed. I got a new finding to do.
この新たな知見について、図2を用いて説明する。図2に示すように、複数のセル10(10A、10B~10H~10N)が電気的に並列接続された積層電池100に対して、釘110を突き刺す。この際、セル10ごとに、短絡抵抗R(RA、RB~RH~RN)を求める。このような詳細な検討の結果、例えば図3に示すように、短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在するという知見が得られた。
This new finding will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, a
短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在すると、短絡抵抗が大きいセルから短絡抵抗が小さいセルに電流が流れ込む。例えば図4に示すように、セル10Aおよびセル10Hが電気的に並列接続され、セル10Aの短絡抵抗RAがセル10Hの短絡抵抗RHよりも小さい積層電池に短絡が生じると、オームの法則に基づき、セル10Hからセル10Aに向かう回り込み電流Iが発生する。回り込み電流Iが発生すると、ジュール発熱によりセル10Aの温度が上昇し、その結果、電池材料の劣化を引き起こしやすい。
When a cell having a small short-circuit resistance and a cell having a large short-circuit resistance coexist, a current flows from a cell having a large short-circuit resistance to a cell having a small short-circuit resistance. For example, as shown in FIG. 4, when
短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在する理由は、完全には明らかではないが、以下のように推測される。積層電池の表面側(例えば図3における位置P1)では、例えば図5に示すように、セル10に釘110を刺すことにより、正極集電体4および負極集電体5が接触する状態、ならびに、正極活物質層1および負極集電体5が接触する状態が生じると推測される。
The reason why cells with low short-circuit resistance and cells with high short-circuit resistance coexist is not completely clear, but it is presumed as follows. On the surface side of the laminated battery (for example, position P1 in FIG. 3 ), as shown in FIG. 5, for example, a state in which the positive electrode
一方、積層電池の中央側(例えば図3における位置P2)では、釘が、各部材の破片を巻き込みながら進入することで、正極集電体および負極集電体が接触しない状態、および、正極活物質層および負極集電体が接触しない状態が生じると推測される。「接触しない状態」としては、例えば、両者の間に固体電解質層の破片が存在する状態、および、両者の間に空隙が存在する状態等が想定される。その結果、積層電池の中央側では、短絡抵抗が大きくなる。 On the other hand, on the center side of the laminated battery (for example, position P 2 in FIG. 3), the nail enters while entraining the fragments of each member, so that the positive electrode current collector and the negative electrode current collector do not come into contact with each other and the positive electrode. It is presumed that the active material layer and the negative electrode current collector do not come into contact with each other. As the "non-contact state", for example, a state in which debris of the solid electrolyte layer exists between the two, a state in which a void exists between the two, and the like are assumed. As a result, the short-circuit resistance increases on the center side of the laminated battery.
なお、積層電池の釘刺し面とは反対の表面側(例えば図3における位置P3)における短絡抵抗の挙動は、積層電池の構成によって変化する可能性があるが、後述する参考例1、2では、いずれも短絡抵抗が小さくなった。その理由としては、釘が、各部材の破片をより多く巻き込みながら進入することで、正極集電体および負極集電体が、電子伝導性が高い破片により電気的に接続された状態になるためであると推測される。 The behavior of the short-circuit resistance on the surface side (for example, the position P3 in FIG. 3 ) opposite to the nailed surface of the laminated battery may change depending on the configuration of the laminated battery. Then, the short-circuit resistance became smaller in each case. The reason is that the nail enters while entraining more debris of each member, so that the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are electrically connected by the debris having high electron conductivity. It is presumed to be.
これに対して、本開示においては、正極集電体および負極集電体の少なくとも一方に、特定の材料を用いることで、正極集電体および負極集電体の接触抵抗(特に高圧状態における接触抵抗)を大きくできる。その結果、回り込み電流を低減した積層電池とすることができる。なお、本開示においては、正極集電体および負極集電体について、単に集電体と総称する場合がある。 On the other hand, in the present disclosure, by using a specific material for at least one of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, the contact resistance of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector (particularly contact in a high pressure state). Resistance) can be increased. As a result, a laminated battery with a reduced wraparound current can be obtained. In the present disclosure, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be simply collectively referred to as a current collector.
また、短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在するという課題は、単電池では生じない課題であり、積層電池に特有の課題であるといえる。さらに、典型的な全固体型の積層電池は、全ての構成部材が固体であるため、釘刺し試験の際に積層電池に加わる圧力は非常に高くなる。例えば、釘が通過する部分において100MPa以上、特に、釘の先端部では400MPa以上の高い圧力が加わるため、高圧状態での短絡抵抗の管理が重要となる。これに対して、液系電池では、電極内に電解液が浸透する空隙があるため、釘刺し試験の際に電池に加わる圧力は大幅に低くなる。すなわち、液系電池の技術に基づいて、高圧状態での短絡抵抗を管理することを着想することは困難である。 Further, the problem that a cell having a small short-circuit resistance and a cell having a large short-circuit resistance coexist is a problem that does not occur in a single battery, and can be said to be a problem peculiar to a laminated battery. Further, in a typical all-solid-state laminated battery, all the components are solid, so that the pressure applied to the laminated battery during the nail piercing test is very high. For example, since a high pressure of 100 MPa or more, particularly 400 MPa or more is applied to the tip of the nail in the portion through which the nail passes, it is important to control the short-circuit resistance in a high pressure state. On the other hand, in a liquid battery, since there is a gap in the electrode through which the electrolytic solution permeates, the pressure applied to the battery during the nail piercing test is significantly reduced. That is, it is difficult to conceive of managing short-circuit resistance in a high-voltage state based on the technology of a liquid-based battery.
1.積層電池の構成
本開示の積層電池は、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順に有するセルを厚さ方向に複数有する。積層電池に含まれる総セル数は、例えば、3以上であり、10以上であっても良く、30以上であっても良く、50以上であっても良い。一方、総セル数は、例えば、200以下であり、150以下であっても良く、100以下であっても良い。
1. 1. Structure of Laminated Battery The laminated battery of the present disclosure has a plurality of cells having a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector in this order in the thickness direction. The total number of cells included in the laminated battery is, for example, 3 or more, may be 10 or more, may be 30 or more, or may be 50 or more. On the other hand, the total number of cells is, for example, 200 or less, may be 150 or less, or may be 100 or less.
さらに、複数のセルは、条件(i):複数のセルの全ての正極集電体は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、条件(ii):複数のセルの全ての負極集電体は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の少なくとも一種である、の少なくとも一方の条件を満たす。 Further, the plurality of cells are: Condition (i): All positive current collectors of the plurality of cells are at least one of Ti, Ti alloy, Fe and Fe alloy, Condition (ii): All of the plurality of cells. The negative electrode current collector satisfies at least one of the conditions of at least one of Ti, Ti alloy, Fe and Fe alloy.
ここで、TiおよびFeは、それぞれ、Ti単体およびFe単体を意味する。一方、Ti合金およびFe合金は、それぞれ、Tiを主成分とする合金およびFeを主成分とする合金を意味する。Fe合金の一例としては、ステンレス鋼(SUS)が挙げられ、SUS304が好ましい。 Here, Ti and Fe mean a simple substance of Ti and a simple substance of Fe, respectively. On the other hand, the Ti alloy and the Fe alloy mean an alloy containing Ti as a main component and an alloy containing Fe as a main component, respectively. Examples of Fe alloys include stainless steel (SUS), with SUS304 being preferred.
条件(i)において、複数のセルの全ての正極集電体は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の一種であっても良く、二種以上であっても良い。同様に、条件(ii)において、複数のセルの全ての負極集電体は、Ti、Ti合金、FeおよびFe合金の一種であっても良く、二種以上であっても良い。例えば、複数のセルの全ての集電体は、TiおよびTi合金の少なくとも一種と、FeおよびFe合金の少なくとも一種とであっても良い。 In the condition (i), all the positive electrode current collectors of the plurality of cells may be one kind of Ti, Ti alloy, Fe and Fe alloy, or two or more kinds. Similarly, under the condition (ii), all the negative electrode current collectors of the plurality of cells may be one kind of Ti, Ti alloy, Fe and Fe alloy, or two or more kinds. For example, all current collectors in a plurality of cells may be at least one of Ti and Ti alloys and at least one of Fe and Fe alloys.
また、条件(i)において、複数のセルの少なくとも一つの正極集電体はTiまたはTi合金であっても良い。同様に、条件(ii)において、複数のセルの少なくとも一つの負極集電体はTiまたはTi合金であっても良い。TiまたはTi合金は、例えばSUSに比べて、通常使用時は抵抗を小さくできる(電子伝導度を高くできる)と同時に、短絡時には接触抵抗を大きくできるという優れた効果を有する。全ての正極集電体に対する、TiまたはTi合金である正極集電体の割合は、例えば50%以上であり、70%以上であっても良く、90%以上であっても良い。全ての負極集電体に対する、TiまたはTi合金である負極集電体の割合は、例えば50%以上であり、70%以上であっても良く、90%以上であっても良い。 Further, in the condition (i), at least one positive electrode current collector of the plurality of cells may be Ti or a Ti alloy. Similarly, under condition (ii), at least one negative electrode current collector in the plurality of cells may be Ti or a Ti alloy. Compared with, for example, SUS, Ti or a Ti alloy has an excellent effect that the resistance can be reduced during normal use (electron conductivity can be increased) and at the same time, the contact resistance can be increased during a short circuit. The ratio of the positive electrode current collector, which is Ti or a Ti alloy, to all the positive electrode current collectors is, for example, 50% or more, 70% or more, or 90% or more. The ratio of the negative electrode current collector, which is Ti or a Ti alloy, to all the negative electrode current collectors is, for example, 50% or more, 70% or more, or 90% or more.
また、条件(i)において、複数のセルの少なくとも一つの正極集電体はFe合金であることが好ましい。同様に、条件(ii)において、複数のセルの少なくとも一つの負極集電体はFe合金であっても良い。Fe合金は、SUSであることが好ましい。また、SUSは、表面に酸化物層を有することが好ましい。さらに、酸化物層は、SUSの酸化被膜であることが好ましい。酸化物層の厚さは、例えば10nm以上であり、20nm以上であっても良い。全ての正極集電体に対する、表面に酸化物層を有するSUSである正極集電体の割合は、例えば50%以上であり、70%以上であっても良く、90%以上であっても良い。全ての負極集電体に対する、表面に酸化物層を有するSUSである負極集電体の割合は、例えば50%以上であり、70%以上であっても良く、90%以上であっても良い。 Further, under the condition (i), it is preferable that at least one positive electrode current collector of the plurality of cells is an Fe alloy. Similarly, under condition (ii), at least one negative electrode current collector of the plurality of cells may be an Fe alloy. The Fe alloy is preferably SUS. Further, it is preferable that the SUS has an oxide layer on the surface. Further, the oxide layer is preferably an oxide film of SUS. The thickness of the oxide layer is, for example, 10 nm or more, and may be 20 nm or more. The ratio of the positive electrode current collector, which is SUS having an oxide layer on the surface, to all the positive electrode current collectors is, for example, 50% or more, 70% or more, or 90% or more. .. The ratio of the negative electrode current collector, which is SUS having an oxide layer on the surface, to all the negative electrode current collectors is, for example, 50% or more, 70% or more, or 90% or more. ..
また、複数のセルが、条件(i)を満たす場合、負極集電体として、任意の負極集電体を用いることができる。中でも、複数のセルの少なくとも一つの負極集電体は、CuまたはCu合金であることが好ましい。全ての負極集電体に対する、CuまたはCu合金である負極集電体の割合は、例えば50%以上であり、70%以上であっても良く、90%以上であっても良い。 Further, when the plurality of cells satisfy the condition (i), any negative electrode current collector can be used as the negative electrode current collector. Above all, the negative electrode current collector of at least one of the plurality of cells is preferably Cu or a Cu alloy. The ratio of the negative electrode current collector, which is Cu or a Cu alloy, to all the negative electrode current collectors is, for example, 50% or more, 70% or more, or 90% or more.
また、本開示においては、100MPaの圧力下における正極集電体および負極集電体の接触抵抗が、複数のセルの全てにおいて、0.037Ω・cm2以上であっても良く、0.047Ω・cm2以上であっても良く、0.103Ω・cm2以上であっても良い。一方、100MPaの圧力下における正極集電体および負極集電体の接触抵抗が、複数のセルの全てにおいて、0.277Ω・cm2以下であっても良い。 Further, in the present disclosure, the contact resistance of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector under a pressure of 100 MPa may be 0.037 Ω · cm 2 or more in all of the plurality of cells, 0.047 Ω · ·. It may be cm 2 or more, and may be 0.103 Ω · cm 2 or more. On the other hand, the contact resistance of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector under a pressure of 100 MPa may be 0.277Ω · cm 2 or less in all of the plurality of cells.
また、釘刺し試験後の積層電池において、最も短絡抵抗が小さいセルの短絡抵抗をRMinとし、最も短絡抵抗が大きいセルの短絡抵抗をRMaxとする。例えば、負極活物質として金属活物質(特にSiまたはSi合金)を用いた場合、RMax/RMinの値は、100以下であることが好ましく、5.0以下であることがより好ましい。なお、釘刺し試験の条件は、後述する参考例1、2に記載した条件で行う。 Further, in the laminated battery after the nail piercing test, the short-circuit resistance of the cell having the smallest short-circuit resistance is defined as R Min , and the short-circuit resistance of the cell having the largest short-circuit resistance is defined as R Max . For example, when a metal active material (particularly Si or Si alloy) is used as the negative electrode active material, the value of R Max / R Min is preferably 100 or less, and more preferably 5.0 or less. The conditions for the nail piercing test are the conditions described in Reference Examples 1 and 2 described later.
2.セル
本開示におけるセルは、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順に有する。セルは、典型的には、Liイオン伝導を利用したセル(Liイオンセル)である。また、セルは、充放電可能なセル(二次電池)であることが好ましい。
2. 2. Cell The cell in the present disclosure has a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector in this order. The cell is typically a cell utilizing Li ion conduction (Li ion cell). Further, the cell is preferably a cell (secondary battery) that can be charged and discharged.
(1)正極集電体および負極集電体
正極集電体は、上述した正極活物質層の集電を行い、負極極集電体は、上述した負極活物質層の集電を行う。正極集電体に含まれる金属元素は、上述した通りである。正極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状が挙げられる。正極集電体の厚さは、例えば、0.1μm以上であり、1μm以上であっても良い。正極集電体が薄すぎると、集電機能が低くなる可能性がある。一方、正極集電体の厚さは、例えば、1mm以下であり、100μm以下であっても良い。正極集電体が厚すぎると、電池のエネルギー密度が低くなる可能性がある。
(1) Positive Electrode Collector and Negative Electrode Collector The positive electrode collector collects the above-mentioned positive electrode active material layer, and the negative electrode pole collector collects the above-mentioned negative electrode active material layer. The metal elements contained in the positive electrode current collector are as described above. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil shape and a mesh shape. The thickness of the positive electrode current collector is, for example, 0.1 μm or more, and may be 1 μm or more. If the positive electrode current collector is too thin, the current collector function may be reduced. On the other hand, the thickness of the positive electrode current collector is, for example, 1 mm or less, and may be 100 μm or less. If the positive electrode current collector is too thick, the energy density of the battery may be low.
負極集電体に含まれる金属元素は、上述した通りである。負極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状が挙げられる。負極集電体の厚さは、例えば、0.1μm以上であり、1μm以上であっても良い。負極集電体が薄すぎると、集電機能が低くなる可能性がある。一方、負極集電体の厚さは、例えば、1mm以下であり、100μm以下であっても良い。負極集電体が厚すぎると、電池のエネルギー密度が低くなる可能性がある。 The metal elements contained in the negative electrode current collector are as described above. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape and a mesh shape. The thickness of the negative electrode current collector is, for example, 0.1 μm or more, and may be 1 μm or more. If the negative electrode current collector is too thin, the current collector function may be reduced. On the other hand, the thickness of the negative electrode current collector is, for example, 1 mm or less, and may be 100 μm or less. If the negative electrode current collector is too thick, the energy density of the battery may be low.
(2)負極活物質層
負極活物質層は、負極活物質を少なくとも含有し、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材およびバインダーの少なくとも一つを含有していても良い。
(2) Negative electrode active material layer The negative electrode active material layer contains at least a negative electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder, if necessary.
負極活物質は、特に限定されないが、例えば、金属活物質、炭素活物質、酸化物活物質が挙げられる。金属活物質としては、例えば、金属単体、金属合金が挙げられる。金属活物質に含まれる金属元素としては、例えば、Si、Sn、In、Al等が挙げられる。金属合金は、上記金属元素を主成分として含有する合金であることが好ましい。Si合金としては、例えばSi-Al系合金、Si-Sn系合金、Si-In系合金、Si-Ag系合金、Si-Pb系合金、Si-Sb系合金、Si-Bi系合金、Si-Mg系合金、Si-Ca系合金、Si-Ge系合金、Si-Pb系合金が挙げられる。なお、例えばSi-Al系合金とは、少なくともSiおよびAlを含有する合金を意味し、SiおよびAlのみを含有する合金であっても良く、さらに別の金属元素を含有する合金であっても良い。Si-Al系合金以外の合金についても同様である。金属合金は、2成分系合金であっても良く、3成分系以上の多成分系合金であっても良い。 The negative electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include a metal active material, a carbon active material, and an oxide active material. Examples of the metal active material include simple substances and metal alloys. Examples of the metal element contained in the metal active material include Si, Sn, In, Al and the like. The metal alloy is preferably an alloy containing the above metal element as a main component. Examples of Si alloys include Si—Al alloys, Si—Sn alloys, Si—In alloys, Si—Ag alloys, Si—Pb alloys, Si—Sb alloys, Si—Bi alloys, and Si—. Examples thereof include Mg-based alloys, Si—Ca based alloys, Si—Ge based alloys, and Si—Pb based alloys. For example, the Si—Al alloy means an alloy containing at least Si and Al, and may be an alloy containing only Si and Al, or an alloy containing another metal element. good. The same applies to alloys other than Si—Al alloys. The metal alloy may be a two-component alloy or a three-component or higher multi-component alloy.
一方、カーボン活物質としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12等のチタン酸リチウムが挙げられる。 On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, soft carbon and the like. Examples of the oxide active material include lithium titanate such as Li 4 Ti 5 O 12 .
負極活物質の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。負極活物質の平均粒径(D50)は、例えば10nm~50μmの範囲内であり、100nm~20μmの範囲内であっても良い。負極活物質層における負極活物質の割合は、例えば50重量%以上であり、60重量%~99重量%の範囲内であっても良い。 Examples of the shape of the negative electrode active material include particles. The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is, for example, in the range of 10 nm to 50 μm, and may be in the range of 100 nm to 20 μm. The ratio of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, 50% by weight or more, and may be in the range of 60% by weight to 99% by weight.
固体電解質材料は、特に限定されないが、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料等の無機固体電解質材料が挙げられる。硫化物固体電解質材料としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-LiI-LiBr、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)が挙げられる。なお、上記「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質材料を意味し、他の記載についても同様である。 The solid electrolyte material is not particularly limited, and examples thereof include an inorganic solid electrolyte material such as a sulfide solid electrolyte material and an oxide solid electrolyte material. Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiI-LiBr, Li 2 SP 2 S. 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S- SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers. Z is any of Ge, Zn, Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x and y are positive numbers; M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga and In). The above description of "Li 2 SP 2 S 5" means a sulfide solid electrolyte material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. be.
特に、硫化物固体電解質材料は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、およびSを含有するイオン伝導体を備えることが好ましい。さらに、上記イオン伝導体は、オルト組成のアニオン構造(PS4 3-構造、SiS4 4-構造、GeS4 4-構造、AlS3 3-構造、BS3 3-構造)をアニオンの主成分として有することが好ましい。化学安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。オルト組成のアニオン構造の割合は、イオン伝導体における全アニオン構造に対して、70mol%以上であることが好ましく、90mol%以上であることがより好ましい。オルト組成のアニオン構造の割合は、ラマン分光法、NMR、XPS等により決定することができる。 In particular, the sulfide solid electrolyte material preferably comprises an ionic conductor containing Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and S. Further, the above-mentioned ionic conductor contains an anion structure (PS 4 3- structure, SiS 4 4- structure, GeS 4 4- structure, AlS 3 3- structure, BS 3 3- structure) having an ortho composition as a main component of the anion. It is preferable to have. This is because it can be used as a sulfide solid electrolyte material with high chemical stability. The ratio of the anion structure of the ortho composition is preferably 70 mol% or more, more preferably 90 mol% or more, with respect to the total anion structure in the ionic conductor. The proportion of anionic structure in the ortho composition can be determined by Raman spectroscopy, NMR, XPS and the like.
硫化物固体電解質材料は、上記イオン伝導体に加えて、ハロゲン化リチウムを含有していても良い。ハロゲン化リチウムとしては、例えば、LiF、LiCl、LiBrおよびLiIを挙げることができ、中でも、LiCl、LiBrおよびLiIが好ましい。硫化物固体電解質材料におけるLiX(X=I、Cl、Br)の割合は、例えば、5mol%~30mol%の範囲内であり、15mol%~25mol%の範囲内であっても良い。 The sulfide solid electrolyte material may contain lithium halide in addition to the above-mentioned ionic conductor. Examples of lithium halide include LiF, LiCl, LiBr and LiI, and among them, LiCl, LiBr and LiI are preferable. The ratio of LiX (X = I, Cl, Br) in the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 5 mol% to 30 mol%, and may be in the range of 15 mol% to 25 mol%.
固体電解質材料は、結晶性材料であっても良く、非晶質材料であっても良い。また、固体電解質材料は、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。固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。 The solid electrolyte material may be a crystalline material or an amorphous material. Further, the solid electrolyte material may be glass or crystallized glass (glass ceramics). Examples of the shape of the solid electrolyte material include particles.
導電化材としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の炭素材料が挙げられる。また、バインダーとしては、例えば、ブチレンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ化物系バインダーが挙げられる。 Examples of the conductive material include carbon materials such as acetylene black (AB), Ketjen black (KB), carbon fiber, carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber (CNF). Examples of the binder include rubber-based binders such as butylene rubber (BR) and styrene-butadiene rubber (SBR), and fluoride-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
負極活物質層の厚さは、例えば、0.1μm~300μmの範囲内であり、0.1μm~100μmの範囲内であっても良い。 The thickness of the negative electrode active material layer is, for example, in the range of 0.1 μm to 300 μm, and may be in the range of 0.1 μm to 100 μm.
(3)正極活物質層
正極活物質層は、正極活物質を少なくとも含有し、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材およびバインダーの少なくとも一つを含有していても良い。
(3) Positive Electrode Active Material Layer The positive electrode active material layer contains at least one positive electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder, if necessary.
正極活物質は、特に限定されないが、例えば、酸化物活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状型活物質、LiMn2O4、Li4Ti5O12、Li(Ni0.5Mn1.5)O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4等のオリビン型活物質が挙げられる。また、酸化物活物質として、Li1+xMn2-x-yMyO4(Mは、Al、Mg、Co、Fe、Ni、Znの少なくとも一種、0<x+y<2)で表されるLiMnスピネル活物質、チタン酸リチウム等を用いても良い。 The positive electrode active material is not particularly limited, and examples thereof include an oxide active material. Examples of the oxide active material include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Examples thereof include spinel-type active materials such as Ti 5 O 12 and Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , and olivine-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCoPO 4 . Further, as the oxide active material, Li 1 + x Mn 2- xy My O 4 (M is at least one of Al, Mg, Co, Fe, Ni and Zn, 0 <x + y <2). A spinel active material, lithium titanate, or the like may be used.
また、正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていても良い。正極活物質と、固体電解質材料との反応を抑制できるからである。Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO3、Li4Ti5O12、Li3PO4が挙げられる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm~100nmの範囲内であり、1nm~20nmの範囲内であっても良い。正極活物質表面におけるコート層の被覆率は、例えば、50%以上であり、80%以上であっても良い。 Further, a coat layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the positive electrode active material. This is because the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte material can be suppressed. Examples of the Li ion conductive oxide include LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 3 PO 4 . The thickness of the coat layer is, for example, in the range of 0.1 nm to 100 nm, and may be in the range of 1 nm to 20 nm. The coverage of the coat layer on the surface of the positive electrode active material is, for example, 50% or more, and may be 80% or more.
正極活物質層に用いられる固体電解質材料、導電化材およびバインダーについては、上記「(2)負極活物質層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。また、正極活物質層の厚さは、例えば、0.1μm~300μmの範囲内であり、0.1μm~100μmの範囲内であっても良い。 The solid electrolyte material, the conductive material, and the binder used for the positive electrode active material layer are the same as those described in the above "(2) Negative electrode active material layer", and thus the description thereof is omitted here. The thickness of the positive electrode active material layer is, for example, in the range of 0.1 μm to 300 μm, and may be in the range of 0.1 μm to 100 μm.
(4)固体電解質層
固体電解質層は、正極活物質層および負極集電体の間に形成される層である。また、固体電解質層は、固体電解質材料を少なくとも含有し、必要に応じて、バインダーをさらに含有していても良い。固体電解質層に用いられる固体電解質材料およびバインダーについては、上記「(2)負極活物質層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
(4) Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer is a layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode current collector. Further, the solid electrolyte layer may contain at least a solid electrolyte material, and may further contain a binder, if necessary. The solid electrolyte material and the binder used for the solid electrolyte layer are the same as those described in "(2) Negative electrode active material layer" above, and thus the description thereof is omitted here.
固体電解質層における固体電解質材料の含有量は、例えば、10重量%~100重量%の範囲内であり、50重量%~100重量%の範囲内であっても良い。また、固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm~300μmの範囲内であり、0.1μm~100μmの範囲内であっても良い。 The content of the solid electrolyte material in the solid electrolyte layer is, for example, in the range of 10% by weight to 100% by weight, and may be in the range of 50% by weight to 100% by weight. The thickness of the solid electrolyte layer may be, for example, in the range of 0.1 μm to 300 μm, or may be in the range of 0.1 μm to 100 μm.
B.積層電池の製造方法
本開示の積層電池の製造方法は、上記「A.積層電池」に記載の積層電池を製造する積層電池の製造方法であって、上記複数のセルは、条件(iii):上記複数のセルの少なくとも一つの上記正極集電体は、表面に酸化物層を有するSUSである、および、条件(iv):上記複数のセルの少なくとも一つの上記負極集電体は、表面に酸化物層を有するSUSである、の少なくとも一方の条件をさらに満たし、上記酸化物層を、200℃~500℃の範囲内の熱処理により形成する熱処理工程を有する。
B. Method for Manufacturing a Laminated Battery The method for manufacturing a laminated battery of the present disclosure is the method for manufacturing a laminated battery for manufacturing the laminated battery according to the above "A. Laminated battery", wherein the plurality of cells are the condition (iii) :. The positive electrode current collector of at least one of the plurality of cells is a SUS having an oxide layer on the surface, and the condition (iv): the negative electrode current collector of at least one of the plurality of cells is on the surface. It further satisfies at least one of the conditions of SUS having an oxide layer, and has a heat treatment step of forming the oxide layer by heat treatment in the range of 200 ° C. to 500 ° C.
本開示によれば、上記範囲内の熱処理によりSUSの表面に酸化物層を形成し、それを集電体として用いることで、回り込み電流が低減した積層電池を得ることができる。 According to the present disclosure, by forming an oxide layer on the surface of SUS by heat treatment within the above range and using it as a current collector, a laminated battery with a reduced wraparound current can be obtained.
熱処理温度は、通常、200℃~500℃の範囲内である。熱処理温度が上記範囲内にあることで、接触抵抗を十分に大きくできる。熱処理時間は、特に限定されないが、例えば10分間以上であり、60分間以上であっても良い。一方、熱処理時間は、例えば24時間以下であり、6時間以下であっても良い。熱処理雰囲気は、酸素が存在する雰囲気であることが好ましく、大気雰囲気がより好ましい。また、熱処理装置としては、例えば、焼成炉が挙げられる。また、積層電池の組立工程としては、一般的な組立工程と同様に行うことができ、特に限定されない。 The heat treatment temperature is usually in the range of 200 ° C to 500 ° C. When the heat treatment temperature is within the above range, the contact resistance can be sufficiently increased. The heat treatment time is not particularly limited, but is, for example, 10 minutes or more, and may be 60 minutes or more. On the other hand, the heat treatment time is, for example, 24 hours or less, and may be 6 hours or less. The heat treatment atmosphere is preferably an atmosphere in which oxygen is present, and more preferably an air atmosphere. Moreover, as a heat treatment apparatus, for example, a firing furnace can be mentioned. Further, the assembly process of the laminated battery can be performed in the same manner as the general assembly process, and is not particularly limited.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。 The present disclosure is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an example, and any object having substantially the same structure as the technical idea described in the claims of the present disclosure and having the same effect and effect is the present invention. Included in the technical scope of the disclosure.
本開示をさらに具体的に説明する。まず、参考例1、2では、従来の積層電池において、短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在することを確認した。 The present disclosure will be described in more detail. First, in Reference Examples 1 and 2, it was confirmed that cells having a small short-circuit resistance and cells having a large short-circuit resistance coexist in the conventional laminated battery.
[参考例1]
(正極の作製)
転動流動式コーティング装置(パウレック製)を用いて、大気環境において正極活物質(Li1.15Ni1/3Co1/3Mn1/3W0.005O2)にLiNbO3をコーティングした。その後、大気環境において焼成を行い、正極活物質の表面にLiNbO3を含有するコート層を形成した。これにより、表面にコート層を有する正極活物質を得た。
[Reference Example 1]
(Preparation of positive electrode)
LiNbO 3 was coated on the positive electrode active material (Li 1.15 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 W 0.005 O 2 ) in the atmospheric environment using a rolling flow coating device (manufactured by Paulec). .. Then, firing was carried out in an atmospheric environment to form a coat layer containing LiNbO 3 on the surface of the positive electrode active material. As a result, a positive electrode active material having a coat layer on the surface was obtained.
次に、ポリプロピレン(PP)製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダー(クレハ製)の5重量%酪酸ブチル溶液と、得られた正極活物質と、硫化物固体電解質材料(LiIおよびLiBrを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス、平均粒径D50=0.8μm)と、導電化材(気相成長炭素繊維、VGCF、昭和電工製)とを、正極活物質:硫化物固体電解質材料:導電化材:バインダー=85:13:1:1の重量比で添加した。次に、超音波分散装置(エスエムテー製UH-50)でPP製容器を30秒間撹拌した。次に、PP製容器を振とう器(柴田科学製、TTM-1)で3分間振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌し、塗工液を得た。 Next, a polypropylene (PP) container contains butyl butyrate, a 5 wt% butyl butyrate solution of a PVDF-based binder (manufactured by Kureha), the obtained positive electrode active material, and a sulfide solid electrolyte material (LiI and LiBr). Li 2 SP 2 S 5 series glass ceramics, average particle size D 50 = 0.8 μm) and a conductive material (gas phase growth carbon fiber, VGCF, manufactured by Showa Denko), positive electrode active material: sulfide solid The electrolyte material: conductive material: binder = 85: 13: 1: 1 was added in a weight ratio. Next, the PP container was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). Next, the PP container was shaken with a shaker (manufactured by Shibata Scientific Technology, TTM-1) for 3 minutes, and further stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a coating liquid.
次に、Al箔(日本製箔製、正極集電体)を準備した。得られた塗工液を、アプリケーターを用いて、ブレード法によりAl箔上に塗工した。塗工した電極を、自然乾燥後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させ、正極集電体の一方の表面上に正極活物質層を形成した。次に、電池サイズに合わせて裁断し、正極を得た。 Next, an Al foil (made in Japan, positive electrode current collector) was prepared. The obtained coating liquid was applied onto the Al foil by the blade method using an applicator. The coated electrode was naturally dried and then dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes to form a positive electrode active material layer on one surface of the positive electrode current collector. Next, it was cut according to the battery size to obtain a positive electrode.
(負極の作製)
PP製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダー(クレハ製)の5重量%酪酸ブチル溶液と、負極活物質(シリコン、高純度化学製、平均粒径D50=5μm)と、硫化物固体電解質材料(LiIおよびLiBrを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス、平均粒径D50=0.8μm)と、導電化材(気相成長炭素繊維、VGCF、昭和電工製)とを、負極活物質:硫化物固体電解質材料:導電化材:バインダー=55:42:2:1の重量比で添加した。次に、超音波分散装置(エスエムテー製UH-50)でPP製容器を30秒間撹拌した。次に、PP製容器を振とう器(柴田科学製、TTM-1)で30分間振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌し、塗工液を得た。
(Manufacturing of negative electrode)
In a PP container, butyl butyrate, a 5 wt% butyl butyrate solution of PVDF-based binder (made by Kureha), a negative electrode active material (silicon, high-purity chemical, average particle size D 50 = 5 μm), and a sulfide solid electrolyte. A material (Li 2 SP 2 S 5 series glass ceramics containing LiI and LiBr, average particle size D 50 = 0.8 μm) and a conductive material (gas phase growth carbon fiber, VGCF, manufactured by Showa Denko) are used. Negative electrode active material: sulfide solid electrolyte material: conductive material: binder = 55: 42: 2: 1 was added in a weight ratio. Next, the PP container was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). Next, the PP container was shaken with a shaker (manufactured by Shibata Scientific Technology, TTM-1) for 30 minutes, and further stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a coating liquid.
次に、図6(a)に示すように、Cu箔(負極集電体5)を準備した。得られた塗工液を、アプリケーターを用いて、ブレード法によりCu箔上に塗工した。塗工した電極を、自然乾燥後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させた。これにより、図6(b)に示すように、Cu箔(負極集電体5)の一方の表面上に負極活物質層2を形成した。その後、同様の処理に行い、図6(c)に示すように、Cu箔(負極集電体5)の他方の表面上に負極活物質層2を形成した。次に、電池サイズに合わせて裁断し、負極を得た。
Next, as shown in FIG. 6A, a Cu foil (negative electrode current collector 5) was prepared. The obtained coating liquid was applied onto the Cu foil by the blade method using an applicator. The coated electrode was air-dried and then dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes. As a result, as shown in FIG. 6B, the negative electrode
(固体電解質層の作製)
PP製容器に、ヘプタンと、ブチレンゴム系バインダー(JSR社製)の5重量%ヘプタン溶液と、硫化物固体電解質材料(LiIおよびLiBrを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス、平均粒径D50=2.5μm)とを添加した。次に、超音波分散装置(エスエムテー製UH-50)でPP製容器を30秒間撹拌した。次に、PP製容器を振とう器(柴田科学製、TTM-1)で30分間振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌し、塗工液を得た。
(Preparation of solid electrolyte layer)
In a PP container, a 5 wt% heptane solution of heptane and a butylene rubber binder (manufactured by JSR), a sulfide solid electrolyte material (Li 2 SP 2 S 5 glass ceramics containing LiI and LiBr), average particle size. D 50 = 2.5 μm) was added. Next, the PP container was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). Next, the PP container was shaken with a shaker (manufactured by Shibata Scientific Technology, TTM-1) for 30 minutes, and further stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a coating liquid.
次に、Al箔(日本製箔製)を準備した。得られた塗工液を、アプリケーターを用いて、ブレード法によりAl箔上に塗工した。塗工した電極を、自然乾燥後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させた。次に、電池サイズに合わせて裁断し、Al箔および固体電解質層を有する転写部材を得た。 Next, Al foil (made in Japan) was prepared. The obtained coating liquid was applied onto the Al foil by the blade method using an applicator. The coated electrode was air-dried and then dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes. Next, it was cut according to the battery size to obtain a transfer member having an Al foil and a solid electrolyte layer.
(評価用電池の作製)
得られた2つの転写部材を、それぞれ、負極集電体の両面に形成された負極活物質層上に配置し、冷間等方圧加圧法(CIP法)により、4ton/cm2の圧力でプレスした。その後、転写部材のAl箔を剥離した。これにより、図6(d)に示すように、負極活物質層2上に固体電解質層3を形成した。次に、上記で得られた2つの正極を、それぞれ、負極集電体の両面に形成された固体電解質層上に配置し、冷間等方圧加圧法(CIP法)により、4ton/cm2の圧力でプレスした。これにより、図6(e)に示すように、固体電解質層3上に、正極活物質層1および正極集電体4を形成した。このようにして、2積層セルを得た。さらに、得られた2積層セルを30個積層して、アルミラミネートフィルムにより封止し、評価用電池を得た。
(Manufacturing of evaluation battery)
The two obtained transfer members were placed on the negative electrode active material layers formed on both sides of the negative electrode current collector, respectively, and were subjected to a cold isotropic pressure pressurization method (CIP method) at a pressure of 4 ton / cm 2 . Pressed. Then, the Al foil of the transfer member was peeled off. As a result, as shown in FIG. 6D, the
[参考例2]
(負極の作製)
PP製容器に、酪酸ブチルと、PVDF系バインダー(クレハ製)の5重量%酪酸ブチル溶液と、負極活物質(天然黒鉛、日本カーボン製、平均粒径D50=10μm)と、硫化物固体電解質材料(LiIおよびLiBrを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス、平均粒径D50=0.8μm)とを、負極活物質:硫化物固体電解質材料:バインダー=59:40:1の重量比で添加した。次に、超音波分散装置(エスエムテー製UH-50)でPP製容器を30秒間撹拌した。次に、PP製容器を振とう器(柴田科学製、TTM-1)で30分間振とうさせ、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌し、塗工液を得た。
[Reference Example 2]
(Manufacturing of negative electrode)
In a PP container, butyl butyrate, a 5 wt% butyl butyrate solution of PVDF-based binder (made by Kureha), a negative electrode active material (natural graphite, made by Nippon Carbon, average particle size D 50 = 10 μm), and a sulfide solid electrolyte. The material (Li 2 SP 2 S 5 series glass ceramics containing LiI and LiBr, average particle size D 50 = 0.8 μm) was used as the negative electrode active material: sulfide solid electrolyte material: binder = 59: 40: 1. Added by weight. Next, the PP container was stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser (UH-50 manufactured by SMT). Next, the PP container was shaken with a shaker (manufactured by Shibata Scientific Technology, TTM-1) for 30 minutes, and further stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a coating liquid.
(評価用電池の作製)
得られた塗工液を用いたこと以外は、参考例1と同様にして2積層セルを得た。さらに、得られた2積層セルを40個積層したこと以外は、参考例1と同様にして評価用電池を得た。
(Manufacturing of evaluation battery)
Two laminated cells were obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the obtained coating liquid was used. Further, an evaluation battery was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that 40 of the obtained two laminated cells were laminated.
[評価]
参考例1、2で得られた評価用電池に対して、以下の条件で釘刺し試験を行った。
充電状態:未充電
抵抗計:Hioki製RM3542
釘:SK材(φ8mm、先端角60°)
釘の速度:25mm/sec
[evaluation]
The evaluation batteries obtained in Reference Examples 1 and 2 were subjected to a nail piercing test under the following conditions.
Charge status: Not charged Resistance meter: Hioki RM3542
Nail: SK material (φ8 mm, tip angle 60 °)
Nail speed: 25 mm / sec
釘刺し時の電圧プロファイルから、セルの短絡抵抗を求めた。電圧プロファイルの一例を図7に示す。図7に示すように、釘刺し時により、セルの電圧は降下する。ここで、初期電圧をV0とし、釘刺し時の最小電圧をVとする。また、セルの内部抵抗を予め測定しておき、その内部抵抗をrとする。また、セルの短絡抵抗をRとする。釘刺し時の電圧降下により生じる電流が、全て短絡電流であると仮定すると、V/R=(V0-V)/rの関係が成り立つ。この関係から、セルの短絡抵抗Rが算出できる。各セルの電圧プロファイルを集め、厚さ方向における短絡抵抗の変化が確認した。その結果を表1および表2に示す。なお、表1および表2における短絡抵抗の値は、第1セルの短絡抵抗を1とした場合の相対値である。また、釘刺し面に近いセルを第1セルとした。 The short-circuit resistance of the cell was obtained from the voltage profile at the time of nailing. An example of the voltage profile is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the voltage of the cell drops due to the time of nailing. Here, the initial voltage is V 0 , and the minimum voltage at the time of nailing is V. Further, the internal resistance of the cell is measured in advance, and the internal resistance is defined as r. Further, the short-circuit resistance of the cell is R. Assuming that all the currents generated by the voltage drop at the time of nailing are short-circuit currents, the relationship of V / R = (V 0 −V) / r holds. From this relationship, the short-circuit resistance R of the cell can be calculated. The voltage profiles of each cell were collected and the change in short-circuit resistance in the thickness direction was confirmed. The results are shown in Tables 1 and 2. The short-circuit resistance values in Tables 1 and 2 are relative values when the short-circuit resistance of the first cell is 1. The cell close to the nail piercing surface was designated as the first cell.
表1および表2に示すように、参考例1、2では、いずれも、第1セルの短絡抵抗が第10セルの短絡抵抗よりも大きくなった。これは、釘刺し時に、ラミネートフィルムの絶縁部が巻き込まれたためであると推測される。また、参考例1では、第40セルの短絡抵抗が、第1セルまたは第10セルの短絡抵抗に比べて大きく、参考例2では、第60セルの短絡抵抗が、第1セルまたは第10セルの短絡抵抗に比べて大きかった。このように、短絡抵抗が小さいセルと、短絡抵抗が大きいセルとが混在することが確認された。 As shown in Tables 1 and 2, in Reference Examples 1 and 2, the short-circuit resistance of the first cell was larger than the short-circuit resistance of the tenth cell. It is presumed that this is because the insulating part of the laminated film was caught in the nail piercing. Further, in Reference Example 1, the short-circuit resistance of the 40th cell is larger than the short-circuit resistance of the 1st cell or the 10th cell, and in Reference Example 2, the short-circuit resistance of the 60th cell is the 1st cell or the 10th cell. It was larger than the short-circuit resistance of. In this way, it was confirmed that cells with low short-circuit resistance and cells with high short-circuit resistance coexist.
[比較実験例1]
正極集電体として、Al箔(厚さ15μm、UACJ製1N30)を準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Comparative Experiment Example 1]
An Al foil (thickness 15 μm, manufactured by UACJ 1N30) was prepared as a positive electrode current collector, and a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric, electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[実験例1]
正極集電体として、SUS箔(SUS304、厚さ15μm、東洋精箔製)を準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 1]
A SUS foil (SUS304, thickness 15 μm, manufactured by Toyo Seiho) was prepared as a positive electrode current collector, and a Cu foil (thickness 12 μm, thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric, electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[実験例2]
正極集電体として、Ti箔(厚さ10μm、竹内金属箔粉工業製TR207C-H)を準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 2]
Ti foil (
[実験例3]
正極集電体として、Al箔(厚さ15μm、UACJ製1N30)を準備し、負極集電体として、Fe箔(厚さ10μm、竹内金属箔粉工業製)を準備した。
[Experimental Example 3]
An Al foil (thickness 15 μm, manufactured by UACJ 1N30) was prepared as a positive electrode current collector, and an Fe foil (
[実験例4]
正極集電体として、Fe箔(厚さ10μm、竹内金属箔粉工業製)を準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 4]
Fe foil (
[評価]
比較実験例1および実験例1~4で準備した正極集電体および負極集電体の接触抵抗を測定した。具体的には、図8に示すように、ベークライト板21上に負極集電体5を配置し、負極集電体5上に貫通部を有するカプトンフィルム22を配置し、カプトンフィルム22上に正極集電体4を配置した。さらに、φ11.28mmのSK材ブロック23を、平面視上、カプトンフィルム22の貫通部と重複するように、正極集電体4上に配置した。この状態で、オートグラフ24により、100MPaを加えた際の抵抗値を抵抗計(Hioki製RM3542)で測定した。その結果を表3に示す。
[evaluation]
The contact resistances of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector prepared in Comparative Experimental Example 1 and Experimental Examples 1 to 4 were measured. Specifically, as shown in FIG. 8, the negative electrode
表3に示すように、実験例1~4は、比較実験例1に比べて、100MPaにおける接触抵抗が大きくなることが確認できた。特に、実験例2で使用したTiは、実験例1で使用したSUSに比べて、100MPaにおける接触抵抗が2倍以上になった。ここで、実験例1~4および比較実験例1で用いた集電体の比抵抗を検討した。各集電体の比抵抗を表4に示す。 As shown in Table 3, it was confirmed that Experimental Examples 1 to 4 had a larger contact resistance at 100 MPa than Comparative Experimental Example 1. In particular, the Ti used in Experimental Example 2 has more than twice the contact resistance at 100 MPa as compared with the SUS used in Experimental Example 1. Here, the specific resistances of the current collectors used in Experimental Examples 1 to 4 and Comparative Experimental Example 1 were examined. Table 4 shows the specific resistance of each current collector.
表3および表4に示すように、実験例2で使用したTiは、実験例1で使用したSUSに比べて、比抵抗は小さく、接触抵抗が大きいという優れた効果を有することが確認された。すなわち、Tiは、SUSに比べて、通常使用時は抵抗を小さくできる(電子伝導度を高くできる)と同時に、短絡時には接触抵抗を大きくできるという優れた効果を有することが確認された。 As shown in Tables 3 and 4, it was confirmed that Ti used in Experimental Example 2 has an excellent effect of having a small specific resistance and a large contact resistance as compared with the SUS used in Experimental Example 1. .. That is, it was confirmed that Ti has an excellent effect that the resistance can be reduced (the electron conductivity can be increased) during normal use and the contact resistance can be increased at the time of short circuit, as compared with SUS.
[比較実験例2]
正極集電体として、Al箔(厚さ15μm、UACJ製1N30)を準備した。一方、導電化材(ファーネスブラック、平均一次粒径66nm、東海カーボン製)、フィラー(アルミナ、昭和電工製CB-P02)およびPVDF(クレハ製KFポリマーL#9130)を、導電化材:フィラー:PVDF=10:60:30の体積比となるように、N-メチルピロリドン(NMP)と混合し、ペーストを作製した。得られたペーストを、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)に対して、乾燥後の厚さが10μmとなるように塗工し、乾燥炉で乾燥させ、コート層を形成した。得られたCu箔を負極集電体として準備した。
[Comparative Experiment Example 2]
An Al foil (thickness 15 μm, UACJ 1N30) was prepared as a positive electrode current collector. On the other hand, a conductive material (furness black, average primary particle size 66 nm, manufactured by Tokai Carbon), a filler (alumina, CB-P02 manufactured by Showa Denko) and PVDF (KF polymer L # 9130 manufactured by Kureha) are used. A paste was prepared by mixing with N-methylpyrrolidone (NMP) so that the volume ratio was PVDF = 10: 60: 30. The obtained paste is applied to a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., electrolytic Cu foil) so that the thickness after drying is 10 μm, and dried in a drying oven to form a coat layer. did. The obtained Cu foil was prepared as a negative electrode current collector.
[比較実験例3]
導電化材(ファーネスブラック、平均一次粒径66nm、東海カーボン製)、フィラー(アルミナ、昭和電工製CB-P02)およびPVDF(クレハ製KFポリマーL#9130)を、導電化材:フィラー:PVDF=10:60:30の体積比となるように、N-メチルピロリドン(NMP)と混合し、ペーストを作製した。得られたペーストを、Al箔(厚さ15μm、UACJ製1N30)に対して、乾燥後の厚さが10μmとなるように塗工し、乾燥炉で乾燥させ、コート層を形成した。得られたAl箔を正極集電体として準備した。一方、負極集電体としてCu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Comparative Experiment Example 3]
Conductive material (furness black, average primary particle size 66 nm, manufactured by Tokai Carbon), filler (alumina, CB-P02 manufactured by Showa Denko) and PVDF (KF polymer L # 9130 manufactured by Kureha), conductive material: filler: PVDF = A paste was prepared by mixing with N-methylpyrrolidone (NMP) so as to have a volume ratio of 10:60:30. The obtained paste was applied to an Al foil (thickness 15 μm, 1N30 manufactured by UACJ) so that the thickness after drying was 10 μm, and dried in a drying oven to form a coat layer. The obtained Al foil was prepared as a positive electrode current collector. On the other hand, a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[評価]
実験例1および比較実験例1~3で準備した正極集電体および負極集電体の接触抵抗を測定した。接触抵抗を測定方法は、上述した通りであるが、加える圧力を0.1MPa~100MPaまで変化させた。その結果を表5および図9に示す。
[evaluation]
The contact resistance of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector prepared in Experimental Example 1 and Comparative Experimental Examples 1 to 3 was measured. The method for measuring the contact resistance is as described above, but the applied pressure was changed from 0.1 MPa to 100 MPa. The results are shown in Table 5 and FIG.
表5および図9に示すように、0.1MPa(低圧状態)と、100MPa(高圧状態)では、接触抵抗の傾向が全く異なることが確認された。具体的に、0.1MPa(低圧状態)では、接触抵抗が、比較実験例2、比較実験例3、実験例1、比較実験例1の順に高いが、100MPa(高圧状態)では、接触抵抗が、比較実験例2および実験例1がほぼ同じで最も高く、次いで、比較実験例3、比較実験例1の順になった。回り込み電流の低減には、高圧状態において接触抵抗が高いことが重要であるが、その傾向は、低圧状態における接触抵抗(例えば、比抵抗から想定される接触抵抗)に基づいて想定しにくい。また、図9に示すように、実験例1で使用したSUSは、低圧状態から高圧状態に変化した場合であっても、接触抵抗の低下割合が小さいという優れた効果を有することが確認された。 As shown in Table 5 and FIG. 9, it was confirmed that the tendency of contact resistance was completely different between 0.1 MPa (low pressure state) and 100 MPa (high pressure state). Specifically, at 0.1 MPa (low pressure state), the contact resistance is higher in the order of Comparative Experimental Example 2, Comparative Experimental Example 3, Experimental Example 1, and Comparative Experimental Example 1, but at 100 MPa (high pressure state), the contact resistance is high. , Comparative Experimental Example 2 and Experimental Example 1 were almost the same and highest, followed by Comparative Experimental Example 3 and Comparative Experimental Example 1. In order to reduce the wraparound current, it is important that the contact resistance is high in the high voltage state, but this tendency is difficult to assume based on the contact resistance in the low voltage state (for example, the contact resistance assumed from the specific resistance). Further, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the SUS used in Experimental Example 1 has an excellent effect that the reduction rate of the contact resistance is small even when the low pressure state is changed to the high pressure state. ..
[実験例5]
SUS箔(SUS304、厚さ15μm、東洋精箔製)に対して、200℃、1時間、大気雰囲気の条件で熱処理を行い、表面に、酸化物層(SUSの酸化被膜)を形成した。得られたSUS箔を正極集電体として準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 5]
The SUS foil (SUS304, thickness 15 μm, manufactured by Toyo Seiho) was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour under the conditions of air atmosphere to form an oxide layer (oxide film of SUS) on the surface. The obtained SUS foil was prepared as a positive electrode current collector, and a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[実験例6]
SUS箔(SUS304、厚さ15μm、東洋精箔製)に対して、500℃、1時間、大気雰囲気の条件で熱処理を行い、表面に、酸化物層(SUS酸化被膜)を形成した。得られたSUS箔を正極集電体として準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 6]
A SUS foil (SUS304, thickness 15 μm, manufactured by Toyo Seiho) was heat-treated at 500 ° C. for 1 hour under the conditions of air atmosphere to form an oxide layer (SUS oxide film) on the surface. The obtained SUS foil was prepared as a positive electrode current collector, and a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[実験例7]
SUS箔(SUS304、厚さ15μm、東洋精箔製)に対して、700℃、1時間、大気雰囲気の条件で熱処理を行い、表面に、酸化物層(SUS酸化被膜)を形成した。得られたSUS箔を正極集電体として準備し、負極集電体として、Cu箔(厚さ12μm、古河電工製、電解Cu箔)を準備した。
[Experimental Example 7]
A SUS foil (SUS304, thickness 15 μm, manufactured by Toyo Seiho) was heat-treated at 700 ° C. for 1 hour under the conditions of air atmosphere to form an oxide layer (SUS oxide film) on the surface. The obtained SUS foil was prepared as a positive electrode current collector, and a Cu foil (thickness 12 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., electrolytic Cu foil) was prepared as a negative electrode current collector.
[評価]
実験例1、5~7で準備した正極集電体および負極集電体の接触抵抗を測定した。接触抵抗を測定方法は、上述した通りである。その結果を表6に示す。
[evaluation]
The contact resistances of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector prepared in Experimental Examples 1 and 5 to 7 were measured. The method for measuring the contact resistance is as described above. The results are shown in Table 6.
表6に示すように、SUSの表面に酸化物層を形成することで、接触抵抗が大きくなり、回り込み電流を低減できることが示唆された。特に、200℃および500℃で熱処理した実験例5、6は、700℃で熱処理した実験例7よりも接触抵抗が高くなった。実験例7では、鋭敏化(SUS中のCおよびCrが結合することで、Cr欠乏層が生成し、耐食性が低下する現象)が生じた可能性がある。 As shown in Table 6, it is suggested that by forming an oxide layer on the surface of SUS, the contact resistance is increased and the wraparound current can be reduced. In particular, Experimental Examples 5 and 6 heat-treated at 200 ° C. and 500 ° C. had higher contact resistance than Experimental Example 7 heat-treated at 700 ° C. In Experimental Example 7, sensitization (a phenomenon in which a Cr-deficient layer is formed by the binding of C and Cr in SUS and the corrosion resistance is lowered) may have occurred.
1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
10 … セル
100 … 積層電池
110 … 釘
1 ... Positive electrode
Claims (4)
前記複数のセルは、
条件(i):前記複数のセルの全ての前記正極集電体は、Ti、FeおよびSUS304の少なくとも一種である、条件を満たし、
前記複数のセルの少なくとも一つの前記負極集電体は、CuまたはCu合金であり、
前記固体電解質層は、無機固体電解質材料を含み、
前記複数のセルは、
条件(iii):前記複数のセルの少なくとも一つの前記正極集電体は、表面に酸化物層を有するSUS304である、条件をさらに満たし、
前記酸化物層を、200℃~500℃の範囲内の熱処理により形成する熱処理工程を有する、積層電池の製造方法。 A stack having a plurality of cells having a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector in this order in the thickness direction, and the plurality of cells are electrically connected in parallel. It ’s a battery manufacturing method .
The plurality of cells are
Condition (i): All the positive electrode current collectors of the plurality of cells satisfy the condition that they are at least one of Ti, Fe and SUS304.
The negative electrode current collector at least one of the plurality of cells is Cu or a Cu alloy.
The solid electrolyte layer contains an inorganic solid electrolyte material .
The plurality of cells are
Condition (iii): The positive electrode current collector at least one of the plurality of cells is SUS304 having an oxide layer on the surface, further satisfying the condition.
A method for manufacturing a laminated battery, comprising a heat treatment step of forming the oxide layer by heat treatment in the range of 200 ° C. to 500 ° C.
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