JP7033697B2 - 全固体電池用電極および全固体電池 - Google Patents
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Description
本発明の全固体電池用電極は、活物質を含む電極材料、固体電解質および導電助剤を含有する合剤の成形体を有している。
本発明の全固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する二次電池であり、正極および負極の少なくとも一方が本発明の全固体電池用電極である。
<正極活物質の調製>
まず394gの脱水エタノール中で、0.86gのリチウムおよび38.7gのペンタエトキシニオブを混合し、反応抑制層形成用コート液を調製した。次に、転動流動層を用いたコート装置にて、1000gの正極活物質(LiCoO2)上に、前記反応抑制層形成用コート液を毎分2gの速度で塗布した。得られた粉末を350℃で熱処理することで、平均層厚が7nmのLiNbO3を含有する反応抑制層が表面に形成された活物質を得た。
アルゴン雰囲気のグローブボックス中で硫化リチウム、五硫化ニリン、塩化リチウム、臭化リチウムをメノウ乳鉢で1時間混合した。次に、得られた混合物4mlを内容積の12mlジルコニア製の密閉容器に投入し、さらに4mlのジルコニアボールを投入し、毎分380回転の条件下20時間混錬した。
直径10mmの粉末成形金型に、前記のようにして調製した硫化物系固体電解質(1):80mgを投入し、プレス機を用いて4000kgf/cm2の圧力で成形を行い、固体電解質層を形成した。
前記のようにして作製した反応抑制層を表面に有する正極活物質と、平均粒子径(D50)が0.8μmのアルジロダイト型構造を有する硫化物系固体電解質(2)(Li5.8PS4.6Cl1.6)と、気相法炭素繊維(導電助剤)とを、82.4:1.6:16の質量比で自転公転ミキサーを使用して乾式混合した。得た混合物を内容積12mlのジルコニア製気密容器に移し、4mlのジルコニアボールを投入し、毎分100回転で2時間の遊星ボールミル混練処理を行うことで複合粒子を形成した。この複合粒子の形成に使用した硫化物系固体電解質(2)が、固体電解質A1に該当する。
前記複合粒子と、前記のようにして調製した硫化物系固体電解質(1)とを、85:15の質量比で秤量し、自転公転ミキサーを使用して乾式混合することで正極合剤を調製した。次に、前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の上に、前記正極合剤:15mgを入れ、プレス機を用いて4000kgf/cm2の圧力で成形を行い、前記固体電解質層の上に円柱形状の正極合剤成形体よりなる正極を作製した。このときの正極合剤成形体中の炭素原子の含有量は1.5質量%であった。この正極合剤成形体の形成に使用した硫化物系固体電解質(1)が、固体電解質B1に該当する。
負極として、Li金属とIn金属とをそれぞれ円柱形状に成形して貼り合わせたものを使用した。この負極を、前記粉末成形金型内の固体電解質層の、正極とは反対側の面上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、積層電極体を作製した。
前記の積層電極体を使用し、図2に示すものと同様の平面構造の全固体電池を作製した。ラミネートフィルム外装体を構成するアルミニウムラミネートフィルムの、外装体の内側となる面に、正極集電箔(SUS箔)および負極集電箔(SUS箔)を、間にある程度の間隔を設けつつ横に並べて貼り付けた。前記各集電箔には、前記積層電極体の正極側表面または負極側表面と対向する本体部と、前記本体部から電池の外部に向けて突出する正極外部端子300および負極外部端子400となる部分とを備えた形状に切断したものを用いた。
成形圧力を6000kgf/cm2に変更した以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
実施例1と同様の複合粒子と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維(導電助剤)とを、85:13.5:1.5の質量比で秤量し、自転公転ミキサーを使用して乾式混合することで正極合剤を調製した。このときの正極合剤成形体中の炭素原子の含有量は3.0質量%であった。これを用いて実施例1と同様にして正極を作成し、これを用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作成した。
複合粒子の組成を正極活物質:固体電解質A1=82.4:17.6(質量比)に変更し、固体電解質B1の一部を、正極合剤の成形体中の炭素原子の含有量が1.5%となるように気相法炭素繊維で置き換えた以外は、実施例1と同様にして正極を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
正極の成形圧力を6000kgf/cm2に変更し、負極を、Li4Ti5O12と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維とを、50:41:9の質量比で混合した混合物:23mgを6000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更した以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
固体電解質A1を実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)に変更し、固体電解質B1を硫化物系固体電解質(2)(Li5.8PS4.6Cl1.6)に変更した以外は、実施例1と同様にして正極を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
固体電解質A1を実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)に変更した以外は実施例1と同様にして正極を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
成形圧力を6000kgf/cm2に変更した以外は比較例2と同様にして全固体電池を作製した。
正極を、Li2CoO2と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維とを、70:28.5:1.5の質量比で混合した混合物:15mgを4000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更し、これを用いた以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
正極を、Li2CoO2と、Li5.8PS4.6Cl1.6と、気相法炭素繊維とを、70:28.5:1.5の質量比で混合した混合物:15mgを6000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更し、負極を、Li4Ti5O12と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維とを、50:41:9の質量比で混合した混合物:23mgを6000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更した以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
正極を、Li2CoO2と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維とを、70:28.5:1.5の質量比で混合した混合物:15mgを6000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更し、負極を、Li4Ti5O12と、実施例1で調製したものと同じ硫化物系固体電解質(1)と、気相法炭素繊維とを、50:41:9の質量比で混合した混合物:23mgを6000kgf/cm2の圧力で成形した成形体に変更した以外は実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
実施例および比較例の各全固体電池について、0.05Cの電流値で電圧が3.68Vになるまで定電流充電し、続いて電流値が0.01Cになるまで定電圧充電を行った後に0.02Cの電流値で電圧が1.88Vになるまで放電させて、初期容量を測定した。
貯蔵特性評価後の各電池について、放電時の電流値を0.2Cに変更した以外は、初期容量測定時と同じ条件で充電し放電させて0.2C放電容量を測定した。そして、各電池の0.2C放電容量を前記回復容量(0.02C放電容量)で除した値を百分率で表して容量比率を求め、各電池の負荷特性を評価した。
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
200 電極体
300 正極外部端子
400 負極外部端子
500 ラミネートフィルム外装体
Claims (12)
- 全固体電池に使用される電極であって、
活物質を含む電極材料および固体電解質を含有する合剤の成形体を有しており、
前記電極材料は、表面の少なくとも一部に、硫化物系の固体電解質A1を含む層を有する複合粒子であり、
前記合剤の成形体は、前記複合粒子同士の間に硫化物系の固体電解質B1を有しており、
前記固体電解質A1および前記固体電解質B1は、リン元素と、硫黄元素と、ClおよびBrのうちの少なくとも一方を含むハロゲン元素Yとを含有し、Si、GeおよびSnなる群から選択される少なくとも一つの元素Xを含有するかまたは含有せず、かつリン元素と元素Xとのモル比の合計を1としたときの、元素Xのモル比cが0≦c<0.5であり、
前記固体電解質A1が含有するY元素中のClとBrとのモル比がCl>Brの関係を満たし、かつ前記固体電解質B1が含有するY元素中のClとBrとのモル比がCl≦Brの関係を満たすことを特徴とする全固体電池用電極。 - 前記固体電解質A1および前記固体電解質B1は、下記一般式(1)
Li7-a+bP1-cXcS6-aYa+b (1)
〔前記一般式(1)中、XはSi、GeまたはSn、YはClおよびBrのうちの少なくとも一方を含むハロゲン元素であり、0≦b≦0.9、-3.0a+1.8≦b≦-3.0a+5.7、0≦c≦1〕
で表されるものである請求項1に記載の全固体電池用電極。 - 前記固体電解質A1および前記固体電解質B1は、アルジロダイト型である請求項1または2に記載の全固体電池用電極。
- 前記電極材料における前記固体電解質A1を含む層は、さらに導電助剤を含んでいる請求項1~3のいずれかに記載の全固体電池用電極。
- 全固体電池に使用される電極であって、
活物質を含む電極材料および固体電解質を含有する合剤の成形体を有しており、
前記電極材料は、表面の少なくとも一部に、硫化物系の固体電解質A2を含む層を有する複合粒子であり、
前記合剤の成形体は、前記複合粒子同士の間に硫化物系の固体電解質B2を有しており、
前記固体電解質A2および前記固体電解質B2は、リン元素と、硫黄元素と、Si、GeおよびSnなる群から選択される少なくとも一つの元素Xと、ClおよびBrのうちの少なくとも一方を含むハロゲン元素Yとを含有し、かつリン元素と元素Xとのモル比の合計を1としたときの元素Xのモル比cがc≧0.5であり、
前記固体電解質A2が含有するY元素中のClとBrとのモル比がCl≦Brの関係を満たし、かつ前記固体電解質B2が含有するY元素中のClとBrとのモル比がCl>Brの関係を満たすことを特徴とする全固体電池用電極。 - 前記固体電解質A2および前記固体電解質B2は、下記一般式(1)
Li7-a+bP1-cXcS6-aYa+b (1)
〔前記一般式(1)中、XはSi、GeまたはSn、YはClおよびBrのうちの少なくとも一方を含むハロゲン元素であり、0≦b≦0.9、-3.0a+1.8≦b≦-3.0a+5.7、0≦c≦1〕
で表されるものである請求項5に記載の全固体電池用電極。 - 前記固体電解質A2および前記固体電解質B2は、アルジロダイト型である請求項5または6に記載の全固体電池用電極。
- 前記電極材料における前記固体電解質A2を含む層は、さらに導電助剤を含んでいる請求項5~7のいずれかに記載の全固体電池用電極。
- 前記成形体が集電体上に形成されてなる請求項1~8のいずれかに記載の全固体電池用電極。
- 前記電極材料は、前記活物質の表面の少なくとも一部に、前記活物質と固体電解質との反応を抑制する反応抑制層を有している請求項1~9のいずれかに記載の全固体電池用電極。
- 前記合剤の成形体は、さらに導電助剤を含有している請求項1~10のいずれかに記載の全固体電池用電極。
- 正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有し、前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方が、請求項1~11のいずれかに記載の全固体電池用電極であることを特徴とする全固体電池。
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