JP7135916B2 - laminate - Google Patents
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Description
本開示は、積層体に関する。 The present disclosure relates to laminates.
近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。
リチウムイオン電池等の電池の分野において、正極活物質層と負極活物質層の間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液の代わりに固体電解質を使用する全固体電池の開発が行われている。全固体電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。全固体電池では、各層間の物理的な接触により導通をとっているため、各層が互いに接触するように配置される。
2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones, the development of batteries used as power sources for these devices has been emphasized. In addition, in the automobile industry and the like, development of high-output and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is underway.
In the field of batteries such as lithium ion batteries, all-solid-state batteries have been developed in which a solid electrolyte is used instead of an electrolyte solution containing an organic solvent as an electrolyte interposed between a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer. there is An all-solid-state battery does not use a combustible organic solvent in the battery, so it is thought that the safety device can be simplified and the manufacturing cost and productivity are excellent. In an all-solid-state battery, each layer is arranged so as to be in contact with each other, since conduction is achieved by physical contact between the layers.
特許文献1には、正極箔と正極活物質層とを熱可塑性樹脂で接着することで、積層ずれを抑制することが記載されている。 Patent Literature 1 describes that lamination misalignment is suppressed by bonding a positive electrode foil and a positive electrode active material layer with a thermoplastic resin.
特許文献2には、正極活物質層とセパレータとの間に、導電性粘着層を設けることが記載されている。 Patent Document 2 describes providing a conductive adhesive layer between a positive electrode active material layer and a separator.
集電体と活物質層とを樹脂で接着した電極は、当該樹脂が電池の充放電時の膨張収縮に追従できず、電極に割れが発生する場合があるという問題がある。
本開示は、上記実情に鑑み、電極の割れの発生を抑制することができる積層体を提供することを目的とする。
An electrode in which a current collector and an active material layer are adhered with a resin has a problem that the resin cannot follow the expansion and contraction during charging and discharging of the battery, and cracks may occur in the electrode.
In view of the above circumstances, an object of the present disclosure is to provide a laminate that can suppress cracking of electrodes.
本開示は、集電体と活物質層と電解質層をこの順に有する積層体であって、
前記集電体と前記活物質層が弾性率1000MPa以下の接着剤を介して接着されていることを特徴とする積層体を提供する。
The present disclosure is a laminate having a current collector, an active material layer, and an electrolyte layer in this order,
Provided is a laminate, wherein the current collector and the active material layer are bonded via an adhesive having an elastic modulus of 1000 MPa or less.
本開示は、電極の割れの発生を抑制することができる積層体を提供することができる。 The present disclosure can provide a laminate that can suppress cracking of electrodes.
本開示は、集電体と活物質層と電解質層をこの順に有する積層体であって、
前記集電体と前記活物質層が弾性率1000MPa以下の接着剤を介して接着されていることを特徴とする積層体を提供する。
The present disclosure is a laminate having a current collector, an active material layer, and an electrolyte layer in this order,
Provided is a laminate, wherein the current collector and the active material layer are bonded via an adhesive having an elastic modulus of 1000 MPa or less.
本開示では、弾性率1000MPa以下の接着剤を用いることにより、電極の割れの発生を抑制することができる積層体を提供することができる。 In the present disclosure, by using an adhesive having an elastic modulus of 1000 MPa or less, it is possible to provide a laminate capable of suppressing cracking of electrodes.
図1は、本開示の積層体の一例を示す断面模式図である。
本開示の積層体100は、集電体10と活物質層11と電解質層12をこの順で有する。
そして、本開示の積層体100は、集電体10と活物質層11とが弾性率1000MPa以下の接着剤13を介して接着されている。
FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of the laminate of the present disclosure.
A
In the
接着剤の弾性率は1000MPa以下であればよく、500MPa以下であることが好ましく、下限は、集電体と活物質層の接着性をより高める観点から0.1MPa以上であることが好ましい。
弾性率は、JIS K 7198(プラスチック-動的機械特性の試験方法 第4部 引張振動)に基づいて測定することができる温度25℃における貯蔵弾性率を用いた。
The elastic modulus of the adhesive may be 1000 MPa or less, preferably 500 MPa or less, and the lower limit is preferably 0.1 MPa or more from the viewpoint of further increasing the adhesion between the current collector and the active material layer.
As the elastic modulus, the storage elastic modulus at a temperature of 25° C., which can be measured based on JIS K 7198 (Plastics—Test method for dynamic mechanical properties, Part 4, Tensile vibration) was used.
接着剤としては、例えば、少なくとも接着性樹脂を含有し、必要に応じて導電性物質等を更に含有していても良い接着剤を挙げることができる。
接着性樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂や、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)及び低密度ポリエチレン(LDPE)等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。
本開示において接着剤は、剥離可能な粘着性を有するものであってもよいし、剥離が困難な接着性を有するものであってもよい。
接着剤としては、市販品を用いても良く、例えば、接着剤又は粘着剤として市販されているものを適宜選択して用いても良い。
As the adhesive, for example, an adhesive containing at least an adhesive resin and optionally containing a conductive substance or the like can be mentioned.
Examples of adhesive resins include silicone resins and polyolefin resins such as ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) and low-density polyethylene (LDPE).
In the present disclosure, the adhesive may have peelable adhesiveness or may have adhesiveness that is difficult to peel off.
As the adhesive, a commercially available product may be used, and for example, one commercially available as an adhesive or pressure-sensitive adhesive may be appropriately selected and used.
接着剤が含有していても良い導電性物質としては、例えば、カーボン粉末、及びアルミニウム粉末等の粉末等を挙げることができる。互いに接着する集電体と活物質層とが重複する領域の全体に接着剤が存在する場合は、接着剤は、導電性物質を含有する接着剤であることが、集電体と活物質層との導通が良好になる点から好ましい。
導電性物質を含有する接着剤において、導電性物質の含有量は、特に限定はされないが、集電体と活物質層との導通を良好にする点及び電池の抵抗の増加を抑制する点から、体積抵抗率が10×103Ω/cm以下となるように調整されることが好ましい。
導電性物質が、カーボン粉末である場合は、接着剤の総質量を100質量%としたとき、当該接着剤に含まれるカーボン粉末の含有割合は、1質量%~10質量%であることが好ましい。
Examples of conductive substances that may be contained in the adhesive include powders such as carbon powders and aluminum powders. When the adhesive is present in the entire overlapping region of the current collector and the active material layer that adhere to each other, the adhesive may be an adhesive containing a conductive substance. It is preferable from the point that conduction with is improved.
In the adhesive containing a conductive substance, the content of the conductive substance is not particularly limited. , the volume resistivity is preferably adjusted to 10×10 3 Ω/cm or less.
When the conductive substance is carbon powder, the content of the carbon powder in the adhesive is preferably 1% by mass to 10% by mass when the total mass of the adhesive is 100% by mass. .
積層体の積層方向における接着剤の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上10μm以下であってもよい。
接着剤を配置する位置は、活物質層と集電体とが互いに対向して重なり合う領域の活物質層の一面の少なくとも一部及び集電体の一面の少なくとも一部に配置されていれば、特に限定されず、活物質層及び集電体が長方形状の場合は、接着性を良好にする観点から、活物質層と集電体とが互いに対向して重なり合う領域の所定の4隅に配置されていることが好ましい。
接着剤を配置する方法は特に限定されず、塗布によって配置してもよい。
接着剤の集電体への塗布量は、特に限定されず、具体的には、活物質層と集電体とが互いに対向して重なり合う領域の所定の4隅に直径1mm程度の球状の接着剤を塗布し、所定の圧力及び/又は熱を加え、接着剤の厚さが、所定の厚さとなるようにすればよい。
The thickness of the adhesive in the stacking direction of the laminate is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less.
If the adhesive is placed on at least part of one surface of the active material layer and at least part of one surface of the current collector in the region where the active material layer and the current collector face each other and overlap, It is not particularly limited, and when the active material layer and the current collector are rectangular, from the viewpoint of improving the adhesiveness, the active material layer and the current collector are arranged at predetermined four corners of the region where the active material layer and the current collector face each other and overlap each other. It is preferable that
The method of disposing the adhesive is not particularly limited, and it may be disposed by coating.
The amount of the adhesive to be applied to the current collector is not particularly limited. The adhesive is applied and a predetermined pressure and/or heat is applied so that the thickness of the adhesive reaches a predetermined thickness.
具体的には、接着剤は、取扱い性が良い観点から、直径1mmの球状の接着剤を厚さが0.1~10μmに圧縮可能であることが好ましい。 Specifically, from the viewpoint of ease of handling, the adhesive is preferably capable of compressing a spherical adhesive with a diameter of 1 mm to a thickness of 0.1 to 10 μm.
[活物質層]
積層体を構成する活物質層は、正極活物質層であっても負極活物質層であってもよい。
積層体を構成する活物質層が正極活物質層の場合は、集電体は、正極集電体であり、積層体を構成する活物質層が負極活物質層の場合は、集電体は、負極集電体である。
[Active material layer]
The active material layer forming the laminate may be a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer.
When the active material layer constituting the laminate is the positive electrode active material layer, the current collector is the positive electrode current collector, and when the active material layer constituting the laminate is the negative electrode active material layer, the current collector is , is the negative electrode current collector.
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含み、任意成分として、固体電解質、導電材、及び、バインダー等が含まれていてもよい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a conductive material, a binder, and the like as optional components.
正極活物質としては、例えば、一般式LixMyOz(Mは遷移金属元素であり、x=0.02~2.2、y=1~2、z=1.4~4)で表される正極活物質を挙げることができる。上記一般式において、Mは、Co、Mn、Ni、V、FeおよびSiからなる群から選択される少なくとも一種が挙げられ、Co、NiおよびMnからなる群から選択される少なくとも一種であってよい。このような正極活物質としては、具体的には、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等を挙げることができる。
また、上記一般式LixMyOz以外の正極活物質としては、チタン酸リチウム(例えばLi4Ti5O12)、リン酸金属リチウム(LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4)、遷移金属酸化物(V2O5、MoO3)、TiS2、LiCoN、Si、SiO2、Li2SiO3、Li4SiO4、及びリチウム貯蔵性金属間化合物(例えばMg2Sn、Mg2Ge、Mg2Sb、Cu3Sb)等を挙げることができる。
正極活物質の形状は特に限定されるものではないが、粒子状であってもよい。
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、及びLi3PO4等が挙げられる。
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば10質量%~100質量%の範囲内であってもよい。
正極活物質層に用いられる固体電解質は、後述する電解質層に用いられる固体電解質と同様のものが挙げられる。正極活物質層中の固体電解質の含有割合は特に限定されるものではない。
As the positive electrode active material, for example, Li x M y O z (M is a transition metal element, x = 0.02 to 2.2, y = 1 to 2, z = 1.4 to 4). can be mentioned. In the above general formula, M includes at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, V, Fe and Si, and may be at least one selected from the group consisting of Co, Ni and Mn. . Specific examples of such positive electrode active materials include LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , Li(Ni 0 .5Mn1.5 ) O4 , Li2FeSiO4 , Li2MnSiO4 and the like .
Examples of positive electrode active materials other than LixMyOz represented by the general formula include lithium titanate ( e.g., Li4Ti5O12 ), lithium metal phosphate ( LiFePO4 , LiMnPO4 , LiCoPO4 , LiNiPO4 ), transition metal oxides ( V2O5 , MoO3 ), TiS2 , LiCoN , Si, SiO2 , Li2SiO3 , Li4SiO4 , and lithium storage intermetallic compounds ( e.g. Mg2Sn , Mg2Ge , Mg 2 Sb, Cu 3 Sb) and the like.
Although the shape of the positive electrode active material is not particularly limited, it may be particulate.
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 can be suppressed.
Li ion conductive oxides include, for example, LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 3 PO 4 and the like.
The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but may be, for example, within the range of 10% by mass to 100% by mass.
Examples of the solid electrolyte used for the positive electrode active material layer include solid electrolytes similar to those used for the electrolyte layer described later. The content ratio of the solid electrolyte in the positive electrode active material layer is not particularly limited.
導電材としては、公知のものを用いることができ、例えば、炭素材料、及び金属粒子等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラックやファーネスブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種を挙げることができ、中でも、電子伝導性の観点から、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種が好ましい。当該カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーはVGCF(気相法炭素繊維)であってもよい。金属粒子としては、Al、Ni、Cu、Fe、及びSUS等の粒子が挙げられる。正極活物質層における導電材の含有量は特に限定されるものではない。 As the conductive material, a known material can be used, and examples thereof include carbon materials, metal particles, and the like. Examples of the carbon material include at least one selected from the group consisting of carbon black such as acetylene black and furnace black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. and at least one selected from the group consisting of carbon nanofibers. The carbon nanotube and carbon nanofiber may be VGCF (vapor grown carbon fiber). Metal particles include particles of Al, Ni, Cu, Fe, SUS, and the like. The content of the conductive material in the positive electrode active material layer is not particularly limited.
バインダーとしては、例えばブタジエンゴム、水素化ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素化スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、及びエチレンプロピレンゴム等のゴム系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン-ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF-HFP)、ポリテトラフルオロエチレン、及びフッ素ゴム等のフッ化物系バインダー、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリスチレン等のポリオレフィン系の熱可塑性樹脂、ポリイミド、及びポリアミドイミド等のイミド系樹脂、ポリアミド等のアミド系樹脂、ポリメチルアクリレート、及びポリエチルアクリレート等のアクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、及びポリエチルメタクリラート等のメタクリル系樹脂等が挙げられる。正極活物質層におけるバインダーの含有量は特に限定されるものではない。 Examples of binders include rubber binders such as butadiene rubber, hydrogenated butadiene rubber, styrene butadiene rubber (SBR), hydrogenated styrene butadiene rubber, nitrile butadiene rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, and ethylene propylene rubber, polyvinylidene fluoride ( PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), polytetrafluoroethylene, and fluoride-based binders such as fluororubber, polyolefin-based thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene, imide resins such as polyimide and polyamideimide; amide resins such as polyamide; acrylic resins such as polymethyl acrylate and polyethyl acrylate; and methacrylic resins such as polymethyl methacrylate and polyethyl methacrylate. . The content of the binder in the positive electrode active material layer is not particularly limited.
正極活物質層の厚みについては特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であってもよい。 Although the thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, it may be, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
[正極集電体]
正極集電体は、電池の集電体として使用可能な公知の金属材料を用いることができる。そのような金属材料としては、SUS、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、及びIn等を例示することができる。
正極集電体の形態は特に限定されるものではなく、箔状、メッシュ状等、種々の形態とすることができる。
正極集電体には、外部端子と接続するための正極リードを備えていてもよい。
[Positive collector]
A known metal material that can be used as a battery current collector can be used for the positive electrode current collector. Examples of such metal materials include SUS, Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Co, Cr, Zn, Ge, and In.
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited, and various shapes such as a foil shape and a mesh shape can be used.
The positive electrode current collector may have a positive electrode lead for connection with an external terminal.
正極集電体は、前記金属を含有する金属箔の表面の少なくとも一部に、Ni、Cr、C(カーボン)等の導電材を含有するコート層を有するものであっても良い。コート層を有することにより、正極集電体の表面に不動態被膜が形成されて内部抵抗が増大することを抑制できる。
コート層は、少なくとも導電材を含有し、必要に応じて、バインダー等のその他の成分を更に含有していても良い。コート層が含有していても良いバインダーとしては、例えば、上述の正極活物質層が含有していても良いバインダーと同様のものを挙げることができる。また、コート層は、導電材からなるめっき層又は蒸着層であっても良い。
コート層の具体例としては、例えば、導電材としてのC(カーボン)を15質量%含有し、更に結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を85質量%含有し、体積抵抗率が1×103Ωcm~10×103Ωcm、好ましくは、5×103Ωcmのカーボンコート層を挙げることができる。
コート層の厚みは特に限定はされないが、例えば10μm程度とすることができる。
コート層は、正極集電体の表面において、互いに接着する正極集電体と正極活物質層とが重なり合う領域内に配置されていることが、電池の内部抵抗の増大を抑制しやすい点から好ましい。中でも、互いに接着する正極集電体と正極活物質層とが、接着剤を介さずに直接接触する部分を有する場合に、正極活物質層と直接接触する正極集電体の表面の少なくとも一部に、コート層を有することが好ましい。
The positive electrode current collector may have a coat layer containing a conductive material such as Ni, Cr, or C (carbon) on at least part of the surface of the metal foil containing the metal. By having the coat layer, it is possible to suppress an increase in internal resistance due to the formation of a passive film on the surface of the positive electrode current collector.
The coat layer contains at least a conductive material, and if necessary, may further contain other components such as a binder. Examples of the binder that the coating layer may contain include the same binders that the positive electrode active material layer may contain. Also, the coat layer may be a plated layer or a deposited layer made of a conductive material.
As a specific example of the coating layer, for example, it contains 15% by mass of C (carbon) as a conductive material, further contains 85% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and has a volume resistivity of 1×. A carbon coating layer of 10 3 Ωcm to 10×10 3 Ωcm, preferably 5×10 3 Ωcm can be mentioned.
Although the thickness of the coat layer is not particularly limited, it can be, for example, about 10 μm.
It is preferable that the coat layer is arranged on the surface of the positive electrode current collector in a region where the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, which are adhered to each other, overlap, from the viewpoint of easily suppressing an increase in the internal resistance of the battery. . Among them, when the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer that are adhered to each other have a portion that is in direct contact without an adhesive, at least part of the surface of the positive electrode current collector that is in direct contact with the positive electrode active material layer In addition, it is preferable to have a coat layer.
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含み、任意成分として、固体電解質、導電材、及びバインダー等が含まれていてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a conductive material, a binder, and the like as optional components.
負極活物質としては、従来公知の材料を用いることができ、例えば、Li単体、リチウム合金、炭素、Si単体、Si合金、及びLi4Ti5O12(LTO)等が挙げられる。
リチウム合金としては、LiSn、LiSi、LiAl、LiGe、LiSb、LiP、及びLiIn等が挙げられる。
Si合金としては、Li等の金属との合金等が挙げられ、その他、Sn、Ge、及びAlからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属との合金であってもよい。
負極活物質の形状については、特に限定されるものではないが、例えば粒子状、薄膜状とすることができる。
負極活物質が粒子である場合の当該粒子の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上100μm以下であることが好ましく、10nm以上30μm以下であることがより好ましい。
Conventionally known materials can be used as the negative electrode active material, and examples thereof include Li simple substance, lithium alloys, carbon, Si simple substances, Si alloys, and Li 4 Ti 5 O 12 (LTO).
Lithium alloys include LiSn, LiSi, LiAl, LiGe, LiSb, LiP, and LiIn.
Examples of Si alloys include alloys with metals such as Li, and may be alloys with at least one metal selected from the group consisting of Sn, Ge, and Al.
The shape of the negative electrode active material is not particularly limited, but may be, for example, particulate or thin film.
When the negative electrode active material is particles, the average particle diameter (D50) of the particles is, for example, preferably 1 nm or more and 100 μm or less, more preferably 10 nm or more and 30 μm or less.
負極活物質層に含まれる導電材、バインダー、固体電解質は、上述した正極活物質層に含まれるものと同様のものが挙げられる。 Examples of the conductive material, binder, and solid electrolyte contained in the negative electrode active material layer are the same as those contained in the positive electrode active material layer described above.
[負極集電体]
負極集電体としては、上記正極集電体として用いられる金属材料と同様の金属材料を用いることができる。
負極集電体の形態は特に限定されるものではなく、上記正極集電体と同様の形態とすることができる。
負極集電体には、外部端子と接続するための負極リードを備えていてもよい。
[Negative electrode current collector]
As the negative electrode current collector, a metal material similar to the metal material used as the positive electrode current collector can be used.
The form of the negative electrode current collector is not particularly limited, and may be the same form as the positive electrode current collector.
The negative electrode current collector may have a negative electrode lead for connection with an external terminal.
[電解質層]
電解質層は、セパレータなどに電解液が含浸されたセパレータ層であってもよく、固体電解質を含む固体電解質層であってもよいが、集電体と活物質層のリサイクル性及びリペア性に優れる観点から、固体電解質層が好ましい。セパレータとしては、不織布、及び多孔質膜等が挙げられる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer may be a separator layer in which a separator or the like is impregnated with an electrolytic solution, or may be a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, and the current collector and the active material layer are excellent in recyclability and repairability. From a viewpoint, a solid electrolyte layer is preferable. Examples of separators include nonwoven fabrics, porous membranes, and the like.
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含む。
固体電解質は、硫化物系固体電解質、及び酸化物系固体電解質等が挙げられる。
硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiX-Li2S-SiS2、LiX-Li2S-P2S5、LiX-Li2O-Li2S-P2S5、LiX-Li2S-P2O5、LiX-Li3PO4-P2S5、及びLi3PS4等が挙げられる。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材料を意味し、他の記載についても同様である。また、上記LiXの「X」は、ハロゲン元素を示す。上記LiXを含む原料組成物中にLiXは1種又は2種以上含まれていてもよい。LiXが2種以上含まれる場合、2種以上の混合比率は特に限定されるものではない。
硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2SとP2S5との質量比(Li2S/P2S5)が0.5以上となるように、Li2S及びP2S5を混合して作製される硫化物系固体電解質を挙げることができる。また、質量比でLi2S:P2S5が70:30となるようにLi2S及びP2S5を混合して作製される硫化物系固体電解質が、イオン伝導性の点から好ましく用いられる。
硫化物系固体電解質における各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調製することにより制御できる。また、硫化物系固体電解質における各元素のモル比や組成は、例えば、ICP発光分析法で測定することができる。
The solid electrolyte layer contains at least a solid electrolyte.
Solid electrolytes include sulfide-based solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, and the like.
Examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , LiX—Li 2 S—SiS 2 , LiX—Li 2 SP 2 S 5 , LiX—Li 2 O—Li 2 SP 2 S 5 , LiX—Li 2 SP 2 O 5 , LiX—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 3 PS 4 and the like. The above description of "Li 2 SP 2 S 5 " means a material obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions. "X" in LiX above represents a halogen element. One or more kinds of LiX may be contained in the raw material composition containing LiX. When two or more types of LiX are included, the mixing ratio of the two or more types is not particularly limited.
As the sulfide-based solid electrolyte, for example, Li 2 S and P 2 S 5 are added so that the mass ratio of Li 2 S and P 2 S 5 (Li 2 S/P 2 S 5 ) is 0.5 or more. and a sulfide-based solid electrolyte prepared by mixing. In addition, a sulfide-based solid electrolyte prepared by mixing Li 2 S and P 2 S 5 so that the mass ratio of Li 2 S:P 2 S 5 is 70:30 is preferable from the viewpoint of ion conductivity. Used.
The molar ratio of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be controlled by adjusting the content of each element in the raw material. Also, the molar ratio and composition of each element in the sulfide-based solid electrolyte can be measured, for example, by ICP emission spectrometry.
硫化物系固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラス(ガラスセラミックス)であってもよく、原料組成物に対する固相反応処理により得られる結晶質材料であってもよい。
硫化物系固体電解質の結晶状態は、例えば、硫化物系固体電解質に対してCuKα線を使用した粉末X線回折測定を行うことにより確認することができる。
The sulfide-based solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass (glass ceramics), or a crystalline material obtained by solid-phase reaction treatment of a raw material composition. .
The crystalline state of the sulfide-based solid electrolyte can be confirmed, for example, by subjecting the sulfide-based solid electrolyte to powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays.
硫化物ガラスは、原料組成物(例えばLi2SおよびP2S5の混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングが挙げられる。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止できるからである。
メカニカルミリングは、原料組成物を、機械的エネルギーを付与しながら混合する方法であれば特に限定されるものではないが、例えばボールミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。所望の硫化物ガラスを効率良く得ることができるからである。
Sulfide glass can be obtained by subjecting a raw material composition (for example, a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 ) to amorphous processing. Examples of amorphous processing include mechanical milling. The mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, but the latter is preferred. This is because the raw material composition can be prevented from sticking to the walls of the container or the like.
Mechanical milling is not particularly limited as long as it is a method of mixing the raw material composition while applying mechanical energy. Among them, a ball mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable. This is because the desired sulfide glass can be efficiently obtained.
ガラスセラミックスは、例えば、硫化物ガラスを熱処理することにより得ることができる。
熱処理温度は、硫化物ガラスの熱分析測定により観測される結晶化温度(Tc)よりも高い温度であればよく、通常、195℃以上である。一方、熱処理温度の上限は特に限定されない。
硫化物ガラスの結晶化温度(Tc)は、示差熱分析(DTA)により測定することができる。
熱処理時間は、ガラスセラミックスの所望の結晶化度が得られる時間であれば特に限定されるものではないが、例えば1分間~24時間の範囲内であり、中でも、1分間~10時間の範囲内が挙げられる。
熱処理の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる。
Glass-ceramics can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass.
The heat treatment temperature may be any temperature higher than the crystallization temperature (Tc) observed by thermal analysis measurement of sulfide glass, and is usually 195° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited.
The crystallization temperature (Tc) of sulfide glass can be measured by differential thermal analysis (DTA).
The heat treatment time is not particularly limited as long as the desired crystallinity of the glass-ceramics is obtained. is mentioned.
The method of heat treatment is not particularly limited, but for example, a method using a kiln can be mentioned.
酸化物系固体電解質としては、例えばLi6.25La3Zr2Al0.25O12、Li3PO4、及びLi3+xPO4-xNx(LiPON)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include Li 6.25 La 3 Zr 2 Al 0.25 O 12 , Li 3 PO 4 and Li 3+x PO 4-x N x (LiPON).
固体電解質の形状は、取扱い性が良いという観点から粒子状であることが好ましい。
また、固体電解質の粒子の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、下限が0.5μm以上であることが好ましく、上限が2μm以下であることが好ましい。
固体電解質は、1種単独で、又は2種以上のものを用いることができる。また、2種以上の固体電解質を用いる場合、2種以上の固体電解質を混合してもよい。
The shape of the solid electrolyte is preferably particulate from the viewpoint of ease of handling.
The average particle diameter (D50) of the particles of the solid electrolyte is not particularly limited, but the lower limit is preferably 0.5 μm or more, and the upper limit is preferably 2 μm or less.
Solid electrolytes can be used singly or in combination of two or more. Moreover, when using 2 or more types of solid electrolytes, you may mix 2 or more types of solid electrolytes.
本開示において、粒子の平均粒径は、特記しない限り、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される体積基準のメディアン径(D50)の値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい粒子から順に並べた場合に、粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径(体積平均径)である。 In the present disclosure, unless otherwise specified, the average particle diameter of particles is the volume-based median diameter (D50) measured by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement. In the present disclosure, the median diameter (D50) is the diameter (volume average diameter) at which the cumulative volume of particles is half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order from the smallest particle size.
固体電解質層中の固体電解質の含有割合は、特に限定されるものではない。 The content ratio of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is not particularly limited.
固体電解質層には、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることもできる。そのようなバインダーとしては、上述した正極層に含有させることが可能なバインダー等を例示することができる。ただし、電池の高出力化を図り易くするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する固体電解質層を形成可能にする等の観点から、固体電解質層に含有させるバインダーは5.0質量%以下とすることが好ましい。 The solid electrolyte layer may contain a binder that binds the solid electrolytes together from the viewpoint of exhibiting plasticity. As such a binder, the binder etc. which can be contained in the positive electrode layer mentioned above can be illustrated. However, in order to make it easier to increase the output of the battery, from the viewpoint of preventing excessive aggregation of the solid electrolyte and making it possible to form a solid electrolyte layer having a uniformly dispersed solid electrolyte, the solid electrolyte layer The content of the binder to be contained is preferably 5.0% by mass or less.
固体電解質層の厚みは、電池の構成によって適宜調整され、特に限定されるものではなく、通常0.1μm以上1mm以下である。
固体電解質層の形成方法は、例えば、固体電解質、及び必要に応じ他の成分を含む固体電解質層の材料の粉末を加圧成形することにより固体電解質層を形成してもよい。
The thickness of the solid electrolyte layer is appropriately adjusted depending on the configuration of the battery and is not particularly limited, and is usually 0.1 μm or more and 1 mm or less.
The solid electrolyte layer may be formed by, for example, pressing powder of the solid electrolyte layer material containing the solid electrolyte and, if necessary, other components.
[積層体の製造方法]
本開示の積層体の製造方法は、前述した本開示の積層体を得ることができる方法であれば特に限定はされない。
本開示の積層体の製造方法は、例えば、(1)接合工程と、(2)プレス工程と、(3)接着剤配置工程を有していてもよい。
[Laminate production method]
The method for producing the laminate of the present disclosure is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described laminate of the present disclosure.
The method for manufacturing a laminate according to the present disclosure may have, for example, (1) a bonding step, (2) a pressing step, and (3) an adhesive placement step.
(1)接合工程
接合工程は、少なくとも活物質層と電解質層を準備し、これらの層を接合し接合体を得る工程である。
活物質層と電解質層の接合方法は特に限定されず、例えば、支持体上に活物質層を形成し、その上にさらに電解質層を形成することによって接合してもよい。また、別の方法としては、活物質層と電解質層を別々の支持体に形成し、活物質層に電解質層を転写することにより活物質層と電解質層を接合してもよい。各層を転写する際に各層に付与する圧力は、特に限定されないが、100MPa程度であってもよい。
また、接合体は、少なくとも活物質層と電解質層が接合した接合体であればよく、目的に応じて、正極活物質層と、電解質層と、負極活物質層と、がこの順に配置された接合体であってもよい。
活物質層を形成する方法としては、特に限定されないが、活物質及び必要に応じ他の成分を含む電極合材の粉末を加圧成形する方法等が挙げられる。
また、活物質層を形成する方法の別の例としては、活物質、溶媒及び必要に応じ他の成分を含む電極合材ペーストを用意し、当該電極合材ペーストを固体電解質層等の支持体の一面上に塗布し、当該電極合材ペーストを乾燥する方法等が挙げられる。
電極合材ペーストに用いられる溶媒は、例えば酢酸ブチル、ヘプタン、N-メチル-2-ピロリドン等が挙げられる。
固体電解質層等の支持体の一面上に電極合材ペーストを塗布する方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
支持体としては、自己支持性を有するものを適宜選択して用いることができ、特に限定はされず、例えば金属箔等を用いることができる。
(1) Joining Step The joining step is a step of preparing at least an active material layer and an electrolyte layer and joining these layers to obtain a joined body.
The method of joining the active material layer and the electrolyte layer is not particularly limited. For example, the active material layer may be formed on the support, and the electrolyte layer may be further formed thereon. Alternatively, the active material layer and the electrolyte layer may be bonded by forming the active material layer and the electrolyte layer on separate supports and transferring the electrolyte layer to the active material layer. The pressure applied to each layer when transferring each layer is not particularly limited, but may be about 100 MPa.
In addition, the bonded body may be a bonded body in which at least the active material layer and the electrolyte layer are bonded, and the positive electrode active material layer, the electrolyte layer, and the negative electrode active material layer are arranged in this order according to the purpose. It may be a conjugate.
The method of forming the active material layer is not particularly limited, but examples include a method of pressure-molding a powder of an electrode mixture containing an active material and, if necessary, other components.
Further, as another example of the method of forming the active material layer, an electrode mixture paste containing an active material, a solvent and, if necessary, other components is prepared, and the electrode mixture paste is applied to a support such as a solid electrolyte layer. and drying the electrode mixture paste.
Solvents used in the electrode mixture paste include, for example, butyl acetate, heptane, N-methyl-2-pyrrolidone, and the like.
The method of applying the electrode mixture paste onto one surface of the support such as the solid electrolyte layer is not particularly limited, and includes a doctor blade method, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, and a roll coating method. method, gravure coating method, screen printing method, and the like.
As the support, a material having self-supporting properties can be appropriately selected and used, and there is no particular limitation. For example, a metal foil or the like can be used.
(2)プレス工程
プレス工程は、接合体を当該接合体の積層方向に所定の圧力でプレスする工程である。
接合体をプレスする際の圧力は、例えば、20MPaを超え600MPa以下であってもよい。
接合体をプレスする際の温度は、特に限定されず、接合体に含まれる材料の劣化温度未満となるように適宜調整してもよい。
接合体をプレスする際の加圧の方法としては、特に制限されないが、例えば、平板プレス、又はロールプレス等を用いて圧力を付加する方法等が挙げられる。
(2) Pressing step The pressing step is a step of pressing the joined body in the stacking direction of the joined body with a predetermined pressure.
The pressure when pressing the joined body may be, for example, more than 20 MPa and less than or equal to 600 MPa.
The temperature at which the joined body is pressed is not particularly limited, and may be appropriately adjusted so as to be lower than the deterioration temperature of the materials contained in the joined body.
The method of applying pressure when pressing the joined body is not particularly limited, but examples thereof include a method of applying pressure using a flat plate press, a roll press, or the like.
(3)接着剤配置工程
接着剤配置工程は、集電体を準備し、当該集電体の少なくとも一方の面または、接合体の活物質層の電解質層とは反対側の面に接着剤を配置し、集電体と活物質層とを接着剤を介して接着して積層体を得る工程である。当該積層体は電池の層構成の一部又は全部となり、積層体は、少なくとも集電体と活物質層と電解質層を有していれば、目的に応じて層構成は適宜変更することができ、後述する電池ユニットや、電池ユニット積層体としてもよい。
(3) Adhesive placement step In the adhesive placement step, a current collector is prepared, and an adhesive is applied to at least one surface of the current collector or the surface of the active material layer of the assembly opposite to the electrolyte layer. It is a step of arranging and adhering the current collector and the active material layer via an adhesive to obtain a laminate. The laminate forms part or all of the layer structure of the battery, and the layer structure can be appropriately changed according to the purpose, as long as the laminate has at least a current collector, an active material layer, and an electrolyte layer. , a battery unit to be described later, or a battery unit laminate.
接着剤配置工程においては、例えば集電体の片面に接着剤を配置し、集電体の片面に接合体の活物質層を接着して、第1の集電体、第1の活物質層、電解質層、第2の活物質層がこの順に積層した第1の積層体としてもよい。そして、必要に応じて、第2の活物質層の電解質層側の面とは反対側の面にさらに第2の集電体を、接着剤を介して接着して電池ユニットとしてもよい。さらに、第1の積層体と同様の層構成の第2の積層体を準備し、第2の集電体の第2の活物質層とは反対側の面に第2の積層体の第3の活物質層を、接着剤を介して接着し、電池ユニット積層体としてもよい。なお、この場合、第1の活物質層が正極活物質層の場合は、第2の活物質層が負極活物質層であり、第3の活物質層は正極活物質層であってもよいし、負極活物質層であってもよい。 In the adhesive placement step, for example, the adhesive is placed on one side of the current collector, and the active material layer of the joined body is adhered to one side of the current collector to form the first current collector and the first active material layer. , the electrolyte layer, and the second active material layer may be laminated in this order. Then, if necessary, a second current collector may be adhered to the surface of the second active material layer opposite to the electrolyte layer side with an adhesive to form a battery unit. Furthermore, a second laminate having a layer structure similar to that of the first laminate is prepared, and the third laminate of the second laminate is provided on the surface opposite to the second active material layer of the second current collector. The active material layers may be adhered via an adhesive to form a battery unit laminate. In this case, when the first active material layer is the positive electrode active material layer, the second active material layer may be the negative electrode active material layer, and the third active material layer may be the positive electrode active material layer. Alternatively, it may be a negative electrode active material layer.
また、接着剤配置工程においては、集電体の両面に接着剤を配置し、集電体の両面に接合体の活物質層を接着して、第1の活物質層、第1の電解質層、第2の活物質層、第1の集電体、第3の活物質層、第2の電解質層、第4の活物質層がこの順に積層した第3の積層体としてもよい。そして、第1の活物質層の第1の電解質層側の面とは反対側の面にさらに、第2の集電体を、接着剤を介して接着して電池ユニットとしてもよいし、第4の活物質層の第2の電解質層側の面とは反対側の面にさらに、第3の集電体を、接着剤を介して接着して電池ユニットとしてもよい。さらに、第3の積層体と同様の層構成の第4の積層体を準備し、第2の集電体の第1の活物質層とは反対側の面に第4の積層体の第5の活物質層を、接着剤を介して接着し、電池ユニット積層体としてもよい。なお、この場合、第1の活物質層と第4の活物質層が正極活物質層の場合は、第2の活物質層と第3の活物質層が負極活物質層であり、第5の活物質層は正極活物質層であってもよいし、負極活物質層であってもよい。 Further, in the adhesive placement step, the adhesive is placed on both sides of the current collector, and the active material layers of the joined body are adhered to both sides of the current collector to form a first active material layer and a first electrolyte layer. , the second active material layer, the first current collector, the third active material layer, the second electrolyte layer, and the fourth active material layer in this order. Then, a second current collector may be further adhered to the surface of the first active material layer opposite to the first electrolyte layer side with an adhesive to form a battery unit. A battery unit may be formed by further adhering a third current collector to the surface of the active material layer 4 opposite to the surface facing the second electrolyte layer with an adhesive. Furthermore, a fourth laminate having a layer structure similar to that of the third laminate is prepared, and the fifth laminate of the fourth laminate is provided on the surface opposite to the first active material layer of the second current collector. The active material layers may be adhered via an adhesive to form a battery unit laminate. In this case, when the first active material layer and the fourth active material layer are the positive electrode active material layers, the second active material layer and the third active material layer are the negative electrode active material layers, and the fifth active material layer is the negative electrode active material layer. The active material layer may be a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer.
また、接着剤配置工程は、集電体と活物質層とが剥離可能な状態を担保する場合は、上記(2)プレス工程の後に行うことが好ましい。
接着剤配置工程において、接着剤を集電体の少なくとも一方の面又は接合体の活物質層の電解質層とは反対側の面に配置する方法は、例えば、ペースト状の接着剤を塗布する方法、及び、フィルム又はシート状の接着剤を貼り付ける方法等が挙げられる。フィルム又はシート状の接着剤としては、例えば、両面テープ等が挙げられる。
中でも、接着剤の厚みを低減しやすく、プレスした際の圧力が均等にかかりやすい点から、ペースト状の接着剤を塗布する方法が好ましい。接着剤が、ペレットタイプ等の固体の熱可塑性接着剤の場合は、例えば、ホットメルト塗布機を用いて、加熱溶融させながら塗布することができる。溶剤を含有するペーストタイプの熱可塑性接着剤は、室温で塗布することが可能であり、塗布後、溶剤を乾燥することにより、固化させることができる。
Further, the adhesive disposing step is preferably performed after the above (2) pressing step when ensuring that the current collector and the active material layer can be peeled off.
In the adhesive placement step, the method of placing the adhesive on at least one surface of the current collector or the surface of the active material layer of the assembly opposite to the electrolyte layer is, for example, a method of applying a paste adhesive. , and a method of attaching a film or sheet adhesive. Film- or sheet-like adhesives include, for example, double-sided tapes.
Among them, the method of applying a paste-like adhesive is preferable because the thickness of the adhesive can be easily reduced and the pressure can be applied evenly during pressing. When the adhesive is a solid thermoplastic adhesive such as a pellet type, it can be applied while being heated and melted using a hot-melt applicator, for example. A paste-type thermoplastic adhesive containing a solvent can be applied at room temperature, and can be solidified by drying the solvent after application.
接着剤を集電体上又は活物質層上に配置する際は、集電体と活物質層とが重なり合う領域の少なくとも一部が接着されるように配置すればよい。
集電体と活物質層とを接着する際の接着圧は、活物質層及び集電体の割れの発生を抑制する観点から、上記(2)プレス工程におけるプレス圧よりも弱いことが好ましく、1~20MPaが好ましい。
When the adhesive is placed on the current collector or the active material layer, it may be placed so that at least part of the region where the current collector and the active material layer overlap is adhered.
The adhesive pressure when bonding the current collector and the active material layer is preferably weaker than the pressing pressure in the above (2) pressing step, from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks in the active material layer and the current collector. 1 to 20 MPa is preferred.
接着剤が、熱可塑性接着剤の場合は、例えば、接着前の集電体と活物質層の接合体を加熱しながら積層方向にプレスした後、冷却することにより、集電体と活物質層とを接着することができる。熱可塑性接着剤が、加熱により溶融した後、冷却により固化するため、集電体と活物質層とが接着剤により接着される。
接着前の集電体と活物質層の接合体を加熱しながら積層方向にプレスする際の加熱温度は、接着剤がEVAを含有する場合は、例えば、140℃程度とすることができ、接着剤がシリコーン樹脂を含有する場合は、例えば、20~25℃程度とすることができる。
When the adhesive is a thermoplastic adhesive, for example, the bonded body of the current collector and the active material layer before bonding is heated and pressed in the stacking direction, and then cooled to bond the current collector and the active material layer. and can be glued together. Since the thermoplastic adhesive is melted by heating and then solidified by cooling, the current collector and the active material layer are adhered by the adhesive.
When the adhesive contains EVA, the heating temperature when the bonded body of the current collector and the active material layer before bonding is pressed in the stacking direction while being heated can be, for example, about 140°C. When the agent contains a silicone resin, the temperature can be, for example, about 20 to 25°C.
[全固体電池]
本開示の積層体は、種々の電池の層構成の一部又は全部として用いることができる。
また、本開示の積層体は、全固体電池として機能する層構成を有していてもよい。
本開示の全固体電池は、正極活物質層及び正極集電体を含む正極と、負極活物質層及び負極集電体を含む負極と、当該正極活物質層及び当該負極活物質層の間に配置される固体電解質層と、を有する電池ユニットを1つ以上含むものであればよく、電池ユニットを2つ以上含む電池ユニット積層体であってもよい。
電池ユニット積層体に含まれる、電池ユニットの個数は特に限定されず、例えば、2個~50個であってもよい。
[All-solid battery]
Laminates of the present disclosure can be used as part or all of a variety of battery layer configurations.
Moreover, the laminate of the present disclosure may have a layer structure that functions as an all-solid-state battery.
The all-solid-state battery of the present disclosure includes a positive electrode including a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector, a negative electrode including a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector, and between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and a solid electrolyte layer to be disposed, and may be a battery unit laminate including two or more battery units.
The number of battery units included in the battery unit laminate is not particularly limited, and may be, for example, 2 to 50.
本開示の電池ユニットは、正極又は負極の少なくともいずれか一方の集電体及び活物質層が、接着剤を介して接着されていればよく、電極の割れの発生を抑制する観点から正極活物質層と正極集電体が接着剤を介して接着され、且つ、負極活物質層と負極集電体が、接着剤を介して接着されていることが好ましい。 In the battery unit of the present disclosure, at least one of the positive electrode or the negative electrode current collector and the active material layer may be bonded via an adhesive. It is preferable that the layer and the positive electrode current collector are adhered via an adhesive, and that the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector are adhered via the adhesive.
図2は、本開示の全固体電池の電池ユニットの一例を示す断面模式図である。
図2に示すように、電池ユニット200は、正極集電体20及び正極活物質層21を含む正極40と、負極集電体24及び負極活物質層23を含む負極41と、正極活物質層21と負極活物質層23の間に配置される固体電解質層22を備え、正極活物質層21は、接着剤13を介して正極集電体20と接着されていて、負極活物質層23は、接着剤13を介して負極集電体24と接着されている。
FIG. 2 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a battery unit of the all-solid-state battery of the present disclosure.
As shown in FIG. 2, the
全固体電池は、必要に応じ、正極、負極、及び、固体電解質層を収容する外装体を備える。
外装体の形状としては、特に限定されないが、ラミネート型等を挙げることができる。
外装体の材質は、電解質に安定なものであれば特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、及び、アクリル樹脂等の樹脂等が挙げられる。外装体に用いる樹脂は1種用いてもよいし、複数種を併せて用いてもよい。
The all-solid-state battery optionally includes a positive electrode, a negative electrode, and an outer casing housing a solid electrolyte layer.
The shape of the exterior body is not particularly limited, but a laminate type or the like can be mentioned.
The material of the exterior body is not particularly limited as long as it is stable in the electrolyte, and examples thereof include polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), and resins such as acrylic resin. One type of resin may be used for the exterior body, or a plurality of types may be used in combination.
全固体電池としては、負極の反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した全固体リチウム電池、正極と負極の間をリチウムイオンが移動する全固体リチウムイオン電池、全固体ナトリウム電池、全固体マグネシウム電池及び全固体カルシウム電池等を挙げることができ、全固体リチウムイオン電池であってもよい。また、全固体電池は、一次電池であってもよく二次電池であってもよい。
全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
All-solid-state batteries include all-solid-state lithium batteries that utilize the deposition-dissolution reaction of metallic lithium as the negative electrode reaction, all-solid-state lithium-ion batteries in which lithium ions move between the positive and negative electrodes, all-solid-state sodium batteries, and all-solid-state magnesium. A battery, an all-solid calcium battery, etc. can be mentioned, and an all-solid lithium ion battery may be used. Moreover, the all-solid-state battery may be a primary battery or a secondary battery.
Examples of the shape of the all-solid-state battery include coin type, laminate type, cylindrical type, rectangular type, and the like.
本開示の全固体電池の使用時に当該全固体電池に付与される圧力は、例えば1MPa以上45MPa以下とすることができ、当該全固体電池の非使用時に当該全固体電池に付与される圧力は、例えば0MPa以上1MPa以下とすることができる。 The pressure applied to the all-solid-state battery when the all-solid-state battery of the present disclosure is used can be, for example, 1 MPa or more and 45 MPa or less, and the pressure applied to the all-solid-state battery when the all-solid-state battery is not in use is For example, it can be 0 MPa or more and 1 MPa or less.
全固体電池の加圧の方法としては、例えば、機械加圧、及びガス加圧等が挙げられる。
機械加圧としては、例えば、モーターを駆動し、ボールネジを介して全固体電池の積層方向に加圧する方法、及びモーターを駆動して油圧を介して全固体電池の積層方向に加圧する方法等が挙げられる。機械加圧では、全固体電池を所定圧力まで加圧又は降圧した後、メカニカルストッパーで機械の稼動部を固定することにより、モーターの駆動に伴うエネルギー消費を必要最低限に抑制することができる。
ガス加圧としては、例えば、予め搭載したガスボンベから加圧ガスを介して全固体電池を加圧する方法等が挙げられる。
Methods for pressurizing an all-solid-state battery include, for example, mechanical pressurization and gas pressurization.
Examples of mechanical pressurization include a method of driving a motor to apply pressure in the stacking direction of the all-solid-state battery via a ball screw, and a method of driving a motor to apply pressure in the stacking direction of the all-solid-state battery via hydraulic pressure. mentioned. In the mechanical pressurization, after pressurizing or depressurizing the all-solid-state battery to a predetermined pressure, by fixing the moving part of the machine with a mechanical stopper, the energy consumption associated with driving the motor can be minimized.
Gas pressurization includes, for example, a method of pressurizing the all-solid-state battery via a pressurized gas from a pre-mounted gas cylinder.
本開示の全固体電池は、例えば、車両が搭載する電源、又は、携帯用電子機器等の駆動用電源等として用いられるが、これらの用途に限定されるものではない。
本開示の全固体電池が適用される車両は、電池を搭載しエンジンを搭載しない電気自動車に限定されず、電池とエンジンの双方を搭載するハイブリッド車等も包含する。
The all-solid-state battery of the present disclosure is used, for example, as a power source mounted on a vehicle or a power source for driving portable electronic devices, etc., but is not limited to these uses.
Vehicles to which the all-solid-state battery of the present disclosure is applied are not limited to electric vehicles that are equipped with a battery and no engine, and include hybrid vehicles that are equipped with both a battery and an engine.
(比較例1)
全固体電池の試験セルとして、負極集電体(Cu箔、幅11.74mm、厚さ35μm)、負極活物質層(幅11.74mm、厚さ25μm、負極活物質:Si単体)、固体電解質層(幅11.74mm、厚さ15μm)、正極活物質層(厚さ50μm、正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、正極集電体(Al箔、厚さ15μm)をこの順に積層した積層体を準備した。そして、当該積層体を透明なPET/PPラミネート樹脂で密閉して、試験セルを得た。
試験セルの正極活物質層は、当該正極活物質層の面上の4隅に配置された接着剤(EVA系ホットメルト樹脂、弾性率1200MPa、幅2mm、厚さ10μm)を介して正極集電体と接着されていて、負極活物質層は、当該負極活物質層の面上の4隅に配置された接着剤(EVA系ホットメルト樹脂、弾性率1200MPa、幅2mm、厚さ10μm)を介して負極集電体と接着されている。
なお、各集電体と活物質層との接着剤による接着は、プレス圧20MPa、温度140℃の条件で行った。
(Comparative example 1)
As a test cell for an all-solid-state battery, a negative electrode current collector (Cu foil, width 11.74 mm, thickness 35 μm), negative electrode active material layer (width 11.74 mm, thickness 25 μm, negative electrode active material: Si alone), solid electrolyte layer (width 11.74 mm, thickness 15 μm), cathode active material layer (thickness 50 μm, cathode active material: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), cathode current collector (Al foil, thickness 15 μm thick) were laminated in this order to prepare a laminate. The laminate was then sealed with a transparent PET/PP laminate resin to obtain a test cell.
The positive electrode active material layer of the test cell was placed on the four corners of the surface of the positive electrode active material layer with adhesive (EVA hot melt resin, elastic modulus 1200 MPa, width 2 mm,
The bonding between each current collector and the active material layer was performed under the conditions of a press pressure of 20 MPa and a temperature of 140.degree.
[電池セルの体積膨張率の算出]
得られた試験セルの初回充電前のSOC0%(セル電圧3V)の時の体積をセルの厚み、幅、奥行き長さから算出した。
そして、試験セルを、SOC0%(セル電圧3V)からSOC100%(セル電圧4.5V)まで充電し、試験セルのセル電圧3.5Vの時の体積、試験セルのセル電圧4.0Vの時の体積、試験セルのセル電圧4.5Vの時の体積をそれぞれ上記と同様に算出し、試験セルのセル電圧3Vの時(初回充電前)の体積に対する充電後の試験セルの体積膨張率を以下の式(1)から算出した。
式(1)
体積膨張率(%)=
{(充電後のセル体積-初回充電前のセル体積)÷初回充電前のセル体積}×100
結果を表1に示す。
[Calculation of Volume Expansion Rate of Battery Cell]
The volume of the obtained test cell at SOC 0% (cell voltage 3 V) before the first charge was calculated from the thickness, width, and depth of the cell.
Then, the test cell is charged from SOC 0% (cell voltage 3 V) to
formula (1)
Volumetric expansion rate (%) =
{(cell volume after charging-cell volume before first charging)/cell volume before first charging}×100
Table 1 shows the results.
[充電による電極の割れの有無の確認]
試験セルの体積膨張率が15%のとき、30%の時、及び45%の時のそれぞれの状態の試験セルを用意し、各試験セルを解体して、正極と負極を取り出し、電極割れの有無を目視で確認した。結果を表2に示す。
[Confirmation of electrode cracks due to charging]
When the volume expansion rate of the test cell is 15%, when it is 30%, and when it is 45%, test cells are prepared, each test cell is disassembled, the positive electrode and the negative electrode are taken out, and the electrode cracks The presence or absence was visually confirmed. Table 2 shows the results.
(比較例2)
接着剤を弾性率が1100MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Comparative example 2)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 1100 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例1)
接着剤を弾性率が1000MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 1)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 1000 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例2)
接着剤を弾性率が900MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 2)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 900 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例3)
接着剤を弾性率が800MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 3)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 800 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例4)
接着剤を弾性率が500MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 4)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 500 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例5)
接着剤を弾性率が150MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 5)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 150 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例6)
接着剤を弾性率が20MPaのEVA系ホットメルト樹脂に変更したこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 6)
A test cell similar to that of Comparative Example 1 was prepared except that the adhesive was changed to an EVA-based hot-melt resin having a modulus of elasticity of 20 MPa, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was checked.
(実施例7)
接着剤を弾性率が0.1MPaのシリコーン樹脂に変更したこと、各集電体と活物質層の接着剤による接着は、プレス圧20MPa、温度25℃の条件で行ったこと以外は比較例1と同様の試験セルを準備し、充電による電極の割れの有無の確認を行った。
(Example 7)
Comparative Example 1, except that the adhesive was changed to a silicone resin having an elastic modulus of 0.1 MPa, and the adhesion between each current collector and the active material layer was performed under the conditions of a press pressure of 20 MPa and a temperature of 25°C. A similar test cell was prepared, and the presence or absence of cracks in the electrode due to charging was confirmed.
表2に示すように弾性率が1000MPa以下の接着剤であれば、全固体電池をSOC100%まで充電した場合であっても、少なくとも正極側の電極の割れを防止できることが明らかとなり、弾性率が500MPa以下の接着剤であれば、全固体電池をSOC100%まで充電した場合であっても、正極側及び負極側の両方の電極の割れを防止できることが明らかとなった。 As shown in Table 2, it is clear that if the adhesive has an elastic modulus of 1000 MPa or less, cracking of at least the positive electrode can be prevented even when the all-solid-state battery is charged to an SOC of 100%. It was found that if the adhesive is 500 MPa or less, cracking of both the positive and negative electrodes can be prevented even when the all-solid-state battery is charged to an SOC of 100%.
10 集電体
11 活物質層
12 電解質層
13 接着剤
20 正極集電体
21 正極活物質層
22 固体電解質層
23 負極活物質層
24 負極集電体
40 正極
41 負極
100 積層体
200 電池ユニット
10 current collector 11
Claims (1)
前記集電体と前記活物質層が接着剤として弾性率0.1MPaのシリコーン樹脂、又は、弾性率20MPa以上500MPa以下のエチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)系ホットメルト樹脂を介して接着されていることを特徴とする積層体。 A laminate having a current collector, an active material layer and an electrolyte layer in this order,
The current collector and the active material layer are bonded via a silicone resin having an elastic modulus of 0.1 MPa or an ethylene vinyl acetate copolymer (EVA) hot melt resin having an elastic modulus of 20 MPa or more and 500 MPa or less as an adhesive. A laminate characterized by comprising:
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