JP7120230B2 - 全固体ナトリウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
固体電解質層2を構成する固体電解質は、ナトリウムイオン伝導性酸化物から形成されている。ナトリウムイオン伝導性酸化物としては、Al、Y、Zr、Si及びPから選ばれる少なくとも1種、Na、並びにOを含有する化合物が挙げられる。ナトリウムイオン伝導性酸化物は、結晶、結晶化ガラス、ガラスのいずれでもよいが、結晶が比較的イオン伝導性に優れるため好ましい。さらに、結晶は、単結晶、多結晶のいずれでもよいが、粒界が少なくイオン伝導性に優れる点で単結晶がより好ましい。その具体例としては、β-アルミナ、β”-アルミナ、又はNASICON型結晶を含有する酸化物材料が挙げられる。
正極層3は、ナトリウムを吸蔵・放出可能な正極活物質を含み、正極層として機能するものであれば特に限定されない。正極活物質は、例えば、ガラス粉末等の正極活物質前駆体粉末を焼成して形成してもよい。正極活物質前駆体粉末を焼成することにより、正極活物質結晶が析出し、この正極活物質結晶が正極活物質として作用する。
負極層4は、ナトリウムを吸蔵・放出可能な負極活物質を含み、負極層として機能するものであれば特に限定されない。負極活物質は、例えば、ガラス粉末等の負極活物質前駆体粉末を焼成して形成してもよい。負極活物質前駆体粉末を焼成することにより、負極活物質結晶が析出し、この負極活物質結晶が負極活物質として作用する。
図1に示す全固体ナトリウムイオン二次電池1の製造方法は、特に限定されない。
(a-1)固体電解質粉末Aの作製
炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)を用いて、モル%で、Na2O 14.2%、MgO 5.5%、Al2O3 75.4%、ZrO2 4.7%、Y2O3 0.2%の組成となるように原料粉末を調合した。原料粉末をφ20mmの金型を用いて40MPaで一軸プレスにより成型し、1600℃で30分間焼成してβ”-アルミナを得た。なお、焼成後のβ”-アルミナの取り扱いは露点-40℃以下の雰囲気下で行った。
炭酸ナトリウム(Na2CO3)、イットリア安定化ジルコニア((ZrO2)0.97(Y2O3)0.03))、二酸化ケイ素(SiO2)、メタリン酸ナトリウム(NaPO3)を用いて、モル%で、Na2O 25.3%、ZrO2 31.6%、Y2O3 1%、SiO2 33.7%、P2O5 8.4%の組成となるように原料粉末を調合した。次に、エタノールを媒体として、原料粉末を4時間湿式混合した。その後エタノールを蒸発させ、原料粉末を1100℃で8時間仮焼成した後、粉砕し空気分級機(日本ニューマチック工業株式会社製 MDS-3型)を使用して分級した。分級した粉末をφ20mmの金型を用いて40MPaで一軸プレスにより成型し、1220℃、40時間熱処理を行うことでNASICON結晶を含有する固体電解質を得た。なお、いずれの作業も露点-40℃以下の雰囲気で行った。
(b-1)固体電解質層Aの作製
炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)を用いて、モル%で、Na2O 14.2%、MgO 5.5%、Al2O3 75.4%、ZrO2 4.7%、Y2O3 0.2%の組成となるように原料粉末を調合した。その後、エタノールを媒体として原料粉末を4時間湿式混合した。エタノールを蒸発させた後、バインダーとしてアクリル酸エステル系共重合体(共栄社化学社製、「オリコックス1700」)、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを用い、原料粉末:バインダー:可塑剤=83.5:15:1.5(質量比)となるように秤量し、これらをN-メチルピロリドン中に分散させ、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
炭酸ナトリウム(Na2CO3)、イットリア安定化ジルコニア((ZrO2)0.97(Y2O3)0.03))、二酸化ケイ素(SiO2)、メタリン酸ナトリウム(NaPO3)を用いて、モル%で、Na2O 25.3%、ZrO2 31.6%、Y2O3 1%、SiO2 33.7%、P2O5 8.4%の組成となるように原料粉末を調合した。次に、エタノールを媒体として、原料粉末を4時間湿式混合した。その後エタノールを蒸発させ、原料粉末を1100℃で8時間仮焼成した後、粉砕し空気分級機(日本ニューマチック工業株式会社製 MDS-3型)を使用して分級した。分級した粉末、バインダーとしてアクリル酸エステル系共重合体(共栄社化学製オリコックスKC-7000)、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを、原料粉末:バインダー:可塑剤=83.5:15:1.5(質量比)となるように秤量し、N-メチルピロリドン中に分散させ、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
(c-1)正極活物質前駆体粉末の作製
下記の表1及び表2に示す組成となるように、原料として各種酸化物、炭酸塩原料等を用いて原料粉末を調製した。原料粉末を白金ルツボに投入し、電気炉を用いて大気中にて1200℃~1500℃で90分間の溶融を行った。次いで、溶融ガラスを一対の回転ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み0.1mm~2mmのフィルム状のガラス体を得た。
下記の表3及び表4に示す組成となるように、原料として各種酸化物、炭酸塩原料等を用いて原料粉末を調製した。原料粉末を白金ルツボに投入し、電気炉を用いて1300℃で1時間溶融を行った。その後、溶融ガラスを一対の回転ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み0.1mm~2mmのフィルム状のガラス体を得た。
(d-1)正極合材層(正極層)の作製
質量%で、正極活物質前駆体粉末 72%、(a-1)で作製した固体電解質粉末A 25%、アセチレンブラック 3%(正極活物質前駆体粉末と固体電解質粉末Aの体積比は76:24)となるように秤量し、メノウ製の乳鉢及び乳棒を用いて2時間混合した。得られた混合粉末100質量部に対し、N-メチルピロリドンを20質量部(10質量%のポリプロピレンカーボネートを含有)添加して、自転・公転ミキサーを用いて十分に撹拌し、スラリー化した。なお、上記の操作はすべて露点-40℃以下の雰囲気下で行った。
質量%で、負極活物質前駆体粉末 72%、(a-1)で作製した固体電解質粉末 25%、アセチレンブラック 3%(負極活物質前駆体粉末と固体電解質粉末の体積比は76:24)となるように秤量し、メノウ製の乳鉢及び乳棒を用いて2時間混合した。得られた混合粉末100質量部に対し、N-メチルピロリドン(10質量%のポリプロピレンカーボネートを含有)を20質量部添加して、自転・公転ミキサーを用いて十分に撹拌し、スラリー化した。なお、上記の操作はすべて露点-40℃以下の雰囲気下で行った。
(e-1)全固体電池の作製
(d-1)で得られた固体電解質層と正極層との積層体について、正極層の固体電解質層とは反対側の表面に、スパッタ装置(サンユー電子社製、「SC-701AT」)を用いて、下記の表1及び表2に記載の金属及び厚みの第1の集電体層を形成した。その後、露点-60℃以下のアルゴン雰囲気中にて、固体電解質層の正極層とは反対側の表面に、対極となる金属ナトリウムを圧着し、コインセルの下蓋の上に載置した後、上蓋を被せてCR2032型試験電池を作製した。
(e-2)全固体電池の作製
(d-2)で得られた固体電解質層と負極層との積層体について、負極層の固体電解質層とは反対側の表面に、スパッタ装置(サンユー電子社製、「SC-701AT」)を用いて、下記の表3及び表4に記載の金属及び厚みの第2の集電体層を形成した。その後、露点-60℃以下のアルゴン雰囲気中にて、固体電解質層の負極層とは反対側の表面に、対極となる金属ナトリウムを圧着し、コインセルの下蓋の上に載置した後、上蓋を被せてCR2032型試験電池を作製した。
実施例1~22及び比較例1~20で得られたCR2032型試験電池を用いて60℃で充放電試験を行い、重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度を測定した。なお、充放電試験において、実施例1~11及び比較例1~10で得られた電池については、充電(正極活物質からのナトリウムイオン放出)は、開回路電圧(OCV)から5.2VまでCC(定電流)充電により行い、放電(正極活物質へのナトリウムイオン吸蔵)は、5.2Vから2VまでCC放電により行った。
(e-1)及び(e-2)で集電体層(第1の集電体層又は第2の集電体層)を形成した後、集電体層を貫通するようにカッターナイフで4本の傷を端部から2mmの間隔で入れ、スコッチテープ(スリーエム社製、「#610」)を4本の傷を跨るように貼った後に、上記スコッチテープを剥がす作業を5回繰り返した。その結果、集電体層が電極合材層(正極層又は負極層)から剥離したものを「×」とし、剥離が生じなかったものを「〇」として評価した。結果を下記の表1~表4に示す。
2…固体電解質層
2a,2b…第1,第2の主面
3…正極層
4…負極層
5,6…第1,第2の集電体層
Claims (9)
- 互いに対向している第1の主面及び第2の主面を有し、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる、固体電解質層と、
前記固体電解質層の前記第1の主面上に設けられている、正極層と、
前記固体電解質層の前記第2の主面上に設けられている、負極層と、
前記正極層の主面上に設けられている、集電体層と、
を備え、
前記集電体層が、アルミニウム、チタン、銀、銅、ステンレス鋼及びこれらの合金からなる群から選択される少なくとも1種の金属材料により構成されており、
前記集電体層の厚みが、10nm以上、1μm以下であり、
前記正極層が、Na、M(MはCr、Fe、Mn、Co、V及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素)、P及びOを含むナトリウム遷移金属リン酸塩結晶及び非晶質相からなる正極活物質を含む、全固体ナトリウムイオン二次電池。 - 前記正極層及び前記負極層の双方の主面上に、それぞれ、前記集電体層が設けられている、請求項1に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記集電体層が、アルミニウム又は該アルミニウムを含む合金からなる、請求項1又は2に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記固体電解質層が、β-アルミナ、β”-アルミナ及びNASICON結晶から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記集電体層の厚みが、0.5μm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記負極層が、負極活物質及び固体電解質を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記負極層が、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種並びにOを含む結晶、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種の金属結晶、又はSn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種を含む合金結晶からなる負極活物質を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 前記集電体層が、スパッタ膜である、請求項1~7のいずれか1項に記載の全固体ナトリウムイオン二次電池。
- 互いに対向している第1の主面及び第2の主面を有し、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる、固体電解質層と、
前記固体電解質層の前記第1の主面上に設けられている、正極層と、
前記固体電解質層の前記第2の主面上に設けられている、負極層と、
前記正極層の主面上に設けられている、集電体層と、
を備え、
前記集電体層が、アルミニウム、チタン、銀、銅、ステンレス鋼及びこれらの合金からなる群から選択される少なくとも1種の金属材料により構成されており、
前記集電体層の厚みが、10nm以上、1μm以下であり、
前記正極層が、Na、M(MはCr、Fe、Mn、Co、V及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素)、P及びOを含むナトリウム遷移金属リン酸塩結晶及び非晶質相からなる正極活物質を含む、全固体ナトリウムイオン二次電池の製造方法であって、
前記集電体層をスパッタリング法により形成する工程を備える、全固体ナトリウムイオン二次電池の製造方法。
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