JP7045289B2 - 全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末及び全固体リチウムイオン電池 - Google Patents
全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末及び全固体リチウムイオン電池 Download PDFInfo
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Description
固体電解質粒子が成長するための駆動力は表面自由エネルギーである。固体電解質粒子の成長速度は粒径の差が粒子の成長を支配しており、式1で表される(Burkeの式:図1)。図1のグラフに、式1から算出した固体電解質粒子の成長速度を示す。大きい方の固体電解質粒子の平均半径をRc、小さい方の固体電解質粒子の平均半径をRmとしたときにRm/Rcが小さくなるほど|v|は大きくなり、固体電解質粒子の成長速度は増大することがわかる。また、その結果として、焼結温度の低下と焼結時間を短縮することができる。
本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末を用いて固体電解質層を形成し、当該固体電解質層、正極層及び負極層を備えた全固体リチウムイオン電池を作製することができる。
次に、本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末の製造方法について詳細に説明する。まず、ガーネット型固体電解質体を準備し、当該ガーネット型固体電解質体を粉砕することで、大きい方の粒子である第一ガーネット型固体電解質粉末と小さい方の粒子である第二ガーネット型固体電解質粉末とを作製する。第一ガーネット型固体電解質粉末は、平均粒径(D50)が1~13μmであり、標準偏差(μm)/平均径(μm)×100で示される変動係数が20%未満となるように粒度を調整する。また、第二ガーネット型固体電解質粉末は、平均粒径(D50)が0.1~1.5μmであり、大きい方の粒子である第一ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径をDcとし、小さい方の粒子である第二ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径をDmとしたとき、Dm<((2/√3)-1)Dcを満たすように粒度を調整する。当該調整後の第一ガーネット型固体電解質粉末と第二ガーネット型固体電解質粉末とを所望の割合で混合し、本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末とする。
Li2CO3、La(OH)3、ZrO2、Al2O3を出発原料とし、Li7-3xLa3AlxZr2O12(LLZ:式中、0≦x<3である)の基本組成の化学量論比になるようにこれら出発原料を秤量し、エタノール中にて遊星ボールミルで4時間、混合・粉砕を行った後、得られた混合粉末をボールとエタノールから分離した。続いて、白金るつぼ中にて、当該混合粉末を700℃で仮焼してガス成分を蒸発させた後、1300℃で本焼成を行い溶解させて板状のガラスとし、その後600℃程度でキャストし、LLZの結晶を析出させた。次に、得られた結晶を遊星ボールミルで粉砕し、平均粒径10.3μm、12.6μm及び8.2μmの固体電解質粉末を作製した。また、標準偏差(μm)/平均径(μm)×100で示される変動係数を測定した。なお、以下、特に説明の無い限り「平均粒径」はD50を示す。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕し、平均粒径を1.4μmに制御した。全体の質量の10質量%となるように平均粒径10.3μmのLLZと秤量し、ボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
平均粒径が1.4μmのLLZを、全体の質量に対して21質量%となるように、上記平均粒径10.3μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、900℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
実施例2-1と同様の手法で作製した複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
実施例2-1と同様の手法で作製した複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1100℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を1.4μmとし、全体の質量に対して30質量%となるように、平均粒径10.3μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を1.1μmとし、全体の質量に対して21質量%となるように、平均粒径10.3μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を0.5μmとし、全体の質量に対して20質量%となるように、平均粒径10.3μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を1.8μmとし、全体の質量に対して19質量%となるように、平均粒径12.6μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を1.4μmとし、全体の質量に対して21質量%となるように、平均粒径12.6μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を0.6μmとし、全体の質量に対して20質量%となるように、平均粒径12.6μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を1.1μmとし、全体の質量に対して20質量%となるように、平均粒径8.2μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を0.9μmとし、全体の質量に対して21質量%となるように、平均粒径8.2μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
上記平均粒径10.3μmのLLZをビーズミルにて粉砕して平均粒径を0.4μmとし、全体の質量に対して20質量%となるように、平均粒径8.2μmのLLZとボールミルにて均一に混合し複合固体電解質粉末を得た。得られた複合固体電解質粉末をペレットとした後に、1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
Li2CO3、La(OH)3、ZrO2、及び、Al2O3を出発原料とし、Li7-3xLa3AlxZr2O12(LLZ:式中、0≦x<3である)の基本組成の化学量論比になるように、これら出発原料を秤量し、エタノール中にて遊星ボールミルで4時間、混合・粉砕を行った後、得られた混合粉末をボールとエタノールから分離した。次に、当該混合粉末を白金るつぼ中にて、700℃で仮焼してガス成分を蒸発させた後、1300℃で本焼成を行い溶解させて板状のガラスとし、その後600℃程度でキャストし、LLZの結晶を析出させた。次に、得られた結晶を遊星ボールミルで粉砕し、平均粒径10.3μmのLLZを得た。得られた固体電解質粉末をペレットとした後に、900℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
比較例1-1と同様の方法で作製した固体電解質粉末ペレットを1000℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
比較例1-1と同様の方法で作製した固体電解質粉末ペレットを1100℃で18時間熱処理し焼結体を得た。
こうしてできた各実施例及び比較例のサンプルを用いて下記の条件にて各評価を実施した。
-イオン伝導度の評価-
各サンプルの伝導度は、25℃設定の恒温槽中にてACインピーダンスアナライザーを用い、周波数が30MHz~40Hz、振幅電圧が500mVとなるような条件で、ナイキストプロットの円弧より抵抗値を求め、伝導度を算出した。ACインピーダンスアナライザーで測定する際のブロッキング電極にはAg電極を用いた。Ag電極は市販のAgペーストを100℃30分の条件でそれぞれの試料へ焼き付けることで形成した。
各サンプルに対して、電子天秤にて測定した乾燥重量を、ノギスを用いて測定した実寸から求めた体積で除算することにより見かけ密度を算出すると共に、理論密度を算出し、見かけ密度を理論密度で除算し100を乗算することにより計算した値を相対密度(%)とした。焼結前のペレットの相対密度を「初期密度」とし、焼結後のペレットの相対密度を「焼結後密度」とした。
評価条件及び結果を表1に示す。
図3に実施例2-1、2-2及び2-3及び比較例1-1、1-2及び1-3のサンプルを900℃、1000℃及び1100℃にて焼結した場合の相対密度と焼結温度との関係を示す。小粒径のLLZを含有した実施例2-1、2-2及び2-3は、当該小粒径のLLZを含有していない比較例1-1、1-2及び1-3に比べ相対密度が大きくなった。
図4に実施例2-1、2-2及び2-3及び比較例1-1、1-2及び1-3のサンプルを900℃、1000℃及び1100℃にて焼結した場合のイオン伝導度と焼結温度との関係を示す。実施例2-1、2-2及び2-3では、小粒径のLLZを含有することで緻密化が促進され、比較例1-1、1-2及び1-3に比べイオン伝導度が高くなった。
図5に実施例1、実施例2-3、実施例5、実施例6、実施例7、実施例8、実施例9、実施例10及び実施例11に係るDm/Dcとイオン伝導度の関係を示した。大粒径のLLZの粒径とDm/Dcが小さいほどイオン伝導度は上昇した。
図6に実施例1、実施例2-2及び実施例3に係る小粒子質量分率とイオン伝導度の関係を示した。小粒子質量分率が約20質量%でイオン伝導度は最大となった。
また、実施例1において、第一粒子と第二粒子をボールミルにて混合する段階で、溶融フラックスとしてLi3BO3を添加したところ、より低温で短い焼結時間で、緻密でイオン伝導度の高い焼結体を得ることができた。
Claims (3)
- 第一ガーネット型固体電解質粉末と、第二ガーネット型固体電解質粉末とからなる複合固体電解質粉末であり、
前記第一ガーネット型固体電解質粉末及び前記第二ガーネット型固体電解質粉末の一方又は両方が、組成式:Li 7-3x La 3 Al x Zr 2 O 12
(式中、0≦x<3である)
で示され、
前記第一ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径が1~13μmであり、標準偏差(μm)/平均径(μm)×100で示される変動係数が20%未満であり、
前記第二ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径が0.1~1.5μmであり、
前記第一ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径をDcとし、前記第二ガーネット型固体電解質粉末の平均粒径をDmとしたとき、Dm<((2/√3)-1)Dcを満たし、
溶融フラックスとしてLi 2 CO 3 、LiCl及びLi 3 BO 3 からなる群から選択されるいずれか一種以上を含む全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末。 - 前記複合固体電解質粉末の全体を100質量部としたとき、前記第二ガーネット型固体電解質粉末を5~60質量部含む請求項1に記載の全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末。
- 正極層、負極層及び固体電解質層を備え、請求項1または2に記載の全固体リチウムイオン電池用複合固体電解質粉末を前記固体電解質層に備えた全固体リチウムイオン電池。
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