JP7060612B2 - 多層構造の複合電解質及びこれを利用した二次電池 - Google Patents
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Description
前記複合固体電解質でリチウムまたはナトリウムイオンは次のような三つの経路を通じて移動する。
(1)接触しているセラミックを通じた移動(ポンピング移動)
(2)液体電解質を通じた移動
(3)セラミック物質と液体電解質を横切る移動
上の三つの移動経路を図1に示した。図1で各図の意味は図21のようである。
実施例1
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLLZOを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質を作った。この多層複合電解質の模式図を図2に示した。
正極でLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物)正極材を、負極でリチウム金属を使い、電解質で実施例1の多層複合電解質を使い、実施例2の二次電池を製造した。
上の実施例を通じて負極でリチウム金属を使えば負極側複合電解質層にはTi、Si、S、Geがあるセラミックは使わないことが望ましいことが分かる。
実施例3は電解質によるイオン伝導度と界面抵抗を比べたものである。実施例1で作った多層複合電解質(実施例3)と実施例1で作った多層複合電解質で液体電解質を含ませないもの(比較例2)、実施例1に使われた液体電解質(比較例3)を比べた。
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でβ-Al2O3を、高分子でPVdF-TrFEを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLLZOを、高分子でPVdF-TrFEを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLLTOを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でβ-Al2O3を、高分子でPVdF-TrFEを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLi2S-P2S5を、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でβ-Al2O3を、高分子でPVdF-TrFEを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
実施例4-7の二次電池はすべて液体電解質に匹敵するイオン伝導度と放電容量を示す。
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLAGPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLLZOを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLAGPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLi2S-P2S5を、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLAGPを、高分子でPVdFを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
実施例8-10の二次電池はすべて液体電解質に匹敵するイオン伝導度と放電容量を示す。
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLGPSを、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLLZOを、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLi2O-SiO2を、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLi2S-P2S5を、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLGPSを、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
第1複合電解質層のセラミック物質でLTAPを、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使い、第2複合電解質層のセラミック物質でLi2O-SiO2を、高分子でPANを、液体電解質でEC/DMC(エチルカーボネート/ジメチルカーボネート、1:1vol)のうち1MLiPF6を使った。第1複合電解質層(上部層)と第2複合電解質層(下部層)を積層して多層複合電解質層を作った。
Claims (22)
- 正極に向かって位置する第1複合電解質層と、負極部に向かって位置する第2複合電解質層を含む二次電池用多層複合電解質として、前記第1複合電解質層及び前記第2複合電解質層は高分子基材、セラミック物質、及び液体電解質を含み、前記液体電解質は前記セラミック物質と前記高分子基材の複合体100重量部に対して5重量部乃至40重量部で含まれて、前記第1複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)系またはその共重合体であり、セラミック物質はリン酸塩、酸化物、硫化物、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidenefluoride、PVdF)系またはその共重合体で、セラミック物質はリン酸塩セラミック物質である二次電池用多層複合電解質。
- 正極部に向かって位置する第1複合電解質層と、負極部に向かって位置する第2複合電解質層を含む二次電池用多層複合電解質として、前記第1複合電解質層及び前記第2複合電解質層は高分子基材、セラミック物質、及び液体電解質を含み、前記液体電解質は前記セラミック物質と前記高分子基材の複合体100重量部に対して5重量部乃至40重量部で含まれて、前記第1複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)系またはその共重合体であり、セラミック物質はリン酸塩、酸化物、硫化物、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)系またはその共重合体であり、セラミック物質は酸化物セラミック物質である二次電池用多層複合電解質。
- 正極部に向かって位置する第1複合電解質層と、負極部に向かって位置する第2複合電解質層を含む二次電池用多層複合電解質として、前記第1複合電解質層及び前記第2複合電解質層は高分子基材、セラミック物質、及び液体電解質を含み、前記液体電解質は前記セラミック物質と前記高分子基材の複合体100重量部に対して5重量部乃至40重量部で含まれて、前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)系またはその共重合体であり、セラミック物質はリン酸塩、酸化物、硫化物、及びこれらの混合物から選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)系またはその共重合体であり、セラミック物質は硫化物セラミック物質である二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層のセラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)、LLZO(Li7La3Zr2O12)、Li2S-P2S5、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層のセラミック物質はLAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)(0<x<2)であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層のセラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)、LLTO((La、Li)TiO3)、Li2S-P2S5、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層のセラミック物質はAl2O3、β-Al2O3、LLZO(Li7La3Zr2O12)、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層のセラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)、LLZO(Li7La3Zr2O12)、Li2S-P2S5、及びこれらの混合物のうちで選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層のセラミック物質はLGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4 )であることを特徴とする請求項3に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)(0<x<2)であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLLZO(Li7La3Zr2O12)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)(0<x<2)であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLi2S-P2S5であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride、PVdF)であり、セラミック物質はLAGP(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)(0<x<2)であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はPVdF-TrFEであり、セラミック物質はβ-Al2O3であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はPVdF-TrFEであり、セラミック物質はLLZO(Li7La3Zr2O12)であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLLTO((La、Li)TiO3)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はPVdF-TrFEであり、セラミック物質はβ-Al2O3であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLi2S-P2S5であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はPVdF-TrFEであり、セラミック物質はβ-Al2O3であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はPVdFであり、セラミック物質はLLZO(Li7La3Zr2O12)であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLTAP(Li1+xTi2-xAlx(PO4)3)(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)であることを特徴とする請求項3に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLi2S-P2S5であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLGPS(Li3.25Ge0.25P0.75S4)であることを特徴とする請求項3に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 正極部に向かって位置する第1複合電解質層と、負極部に向かって位置する第2複合電解質層を含む二次電池用多層複合電解質として、前記第1複合電解質層及び前記第2複合電解質層は高分子基材、セラミック物質、及び液体電解質を含み、前記液体電解質は前記セラミック物質と前記高分子基材の複合体100重量部に対して5重量部乃至40重量部で含まれて、前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)系またはその共重合体であり、セラミック物質はリン酸塩、酸化物、硫化物、及びこれらの混合物から選択されたセラミック物質であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)系またはその共重合体であり、セラミック物質はLi 2 O-SiO 2 である二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLLZO(Li 7 La 3 Zr 2 O 12 )であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLi 2 O-SiO 2 であることを特徴とする請求項17に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLTAP(Li 1+x Ti 2-x Al x (PO 4 ) 3 )(0<x<2)であり、前記第2複合電解質層の高分子基材はポリアクリロニトリル(PAN)であり、セラミック物質はLi 2 O-SiO 2 であることを特徴とする請求項17に記載の二次電池用多層複合電解質。
- 前記第1複合電解質層と前記第2複合電解質層との間に別途の層または多層を追加で含むことを特徴とする請求項1乃至19のうちでいずれか一つに記載の二次電池用多層複合電解質。
- 請求項1乃至19のうちでいずれか一つの二次電池用多層複合電解質を含む二次電池。
- 請求項20の二次電池用多層複合電解質を含む二次電池。
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