JP7159924B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
全固体電池の高出入力化に関して、特許文献1、2が開示されている。
特許文献1では、固体電解質のイオン伝導度の低さが出入力の低さに起因しているとし、所定の化学式で表される物質を用いた全固体電池が開示されている。しかしながら、上記特許文献1に記載の物質を用いるだけでは、意図しない反応が起こり、抵抗が増大し出入力特性が低下する可能性がある。特許文献2では、電極層と電解質層の界面における接合を強化すべく、固体電解質と電極活物質を反応/拡散させることで中間層を形成し、抵抗低減が可能な全固体電池が開示されている。また、特許文献2の実施例で述べられている中間層に形成される電解質は、イオン伝導度が低く、抵抗低減による高出力化は困難であると考えられる。
(R1-0.20d)≦R2≦(R1-0.15d)…(1)
0.0<d≦3.0…(2)
(dは、前記深さ方向における前記界面からの距離(μm)を示し、R1は、前記界面における前記活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表し、R2は、xの地点における前記活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表す。)
本実施形態の全固体電池1の固体電解質層50は、リン酸チタンアルミニウムリチウムを含む。リン酸チタンアルミニウムリチウムは、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦0.6)であることが好ましい。また、固体電解質層は、リン酸チタンアルミニウムリチウム以外の固体電解質材料を含んでいてもよい。例えば、Li3+x1Six1P1-x1O4(0.4≦x1≦0.6)、Li3.4V0.4Ge0.6O4、リン酸ゲルマニウムリチウム(LiGe2(PO4)3)、Li2OV2O5-SiO2、Li2O-P2O5-B2O3、Li3PO4、Li0.5La0.5TiO3、Li14Zn(GeO4)4、Li7La3Zr2O12、LiZr2(PO4)3よりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
前述した通り本実施形態の全固体電池1の活物質層(正極活物質層32、負極活物質層42)は、リン酸バナジウムリチウムを含む。リン酸バナジウムリチウムは、LiVOPO4、Li3V2(PO4)3、Li2VOP2O7、Li2VP2O7、Li4(VO)(PO4)2、およびLi9V3(P2O7)3(PO4)2のいずれか一つまたは複数であることが好ましく、特に、LiVOPO4およびLi3V2(PO4)3の一方または両方であることが好ましい。さらに、LiVOPO4およびLi3V2(PO4)3は、リチウムの欠損がある方が好ましく、LixVOPO4(0.94≦x≦0.98)やLixV2(PO4)3(2.8≦x≦2.95)であればより好ましい。また、VおよびPの一部が他元素であるCa、Ti、Siに置換されていてもよい。
(R1-0.20d)≦R2≦(R1-0.15d) …(1)
0.0<d≦3.0 …(2)
(dは、深さ方向DR1における界面90からの距離(μm)を示し、
R1は、界面90における活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表し、
R2は、dの地点における活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表す。)
本実施形態の全固体電池1の集電体層(正極集電体層31、負極集電体層41)を構成する材料は、導電率が大きい材料を用いるのが好ましく、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケルなどを用いるのが好ましい。特に、銅はリン酸チタンアルミニウムリチウムと反応し難く、さらに全固体電池の内部抵抗の低減効果があるためより好ましい。
本実施形態の全固体電池のマージン層80は、固体電解質層50と電極層または活物質層3との段差を解消するために設けることが好ましい。したがって、マージン層80は、電極または活物質層以外の領域を示す。このようなマージン層80の存在により、固体電解質層50と電極層または活物質層との段差が解消されるため、電極層の緻密性が高くなり、全固体電池1の焼成による層間剥離(デラミネーション)や反りが生じにくくなる。
外部電極(正極外部電極61、負極外部電極71)の材料としては、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズ、ニッケルを用いることができる。
本実施形態の全固体電池1は、次のような手順で製造することができる。集電体層、活物質層、固体電解質層50、マージン層80の各材料をペースト化する。ペースト化の方法は、特に限定されないが、例えば、ビヒクルに前記各材料の粉末を混合してペーストを得ることができる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称であり、溶媒、バインダー等が含まれる。グリーンシートまたは印刷層を成形するためのペーストに含まれるバインダーは特に限定されないが、ポリビニルアセタール樹脂、セルロース樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂などを用いることができ、これらの樹脂のうち少なくとも1種をスラリーが含むことができる。
0.0<d≦3.0 …(2)
上記の式(1)および(2)を満たすための条件としては、例えば固体電解質グリーンシート上に、LiXTi1.9V0.1(PO4)3(1≦x≦3)、LiXTi1.7V0.3(PO4)3、LiXTi1.5V0.5(PO4)3、LiXTi1.3V0.7(PO4)3、LiXTi1.1V0.9(PO4)3、LiXTi0.9V1.1(PO4)3、LiXTi0.7V1.3(PO4)3、LiXTi0.5V1.5(PO4)3、LiXTi0.3V1.7(PO4)3、LiXTi0.1V1.9(PO4)3の組成を持つそれぞれの活物質を含んだペーストを順に薄く印刷することで制御することができるが、この方法には限定されない。
(活物質の作製)
活物質として、以下の方法で作製したLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3、Li1.4Ti1.6V0.4(PO4)3、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3、Li2TiV(PO4)3、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3、Li2.4Ti0.6V1.4(PO4)3、L2.6Ti0.4V1.6(PO4)3、Li3V2(PO4)3、を用いた。その作製方法としては、Li2CO3とV2O5とTiO2とNH4H2PO4とを出発材料とし、ボールミルで16時間湿式混合を行い、脱水乾燥した後に得られた粉体を850℃で2時間、窒素水素混合ガス中で仮焼した。仮焼品をボールミルで湿式粉砕を行った後、脱水乾燥してそれぞれの活物質粉末を得た。この作製した粉体の組成は、X線回折装置を使用して確認した。なお、TiとVの比率は、V2O5とTiO2の値をそれぞれの活物質粉末で調整し、作成した。
各活物質層用ペーストは、ともにLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3、Li1.4Ti1.6V0.4(PO4)3、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3、Li2TiV(PO4)3、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3、Li2.4Ti0.6V1.4(PO4)3、Li2.6Ti0.4V1.6(PO4)3、Li3V2(PO4)3、のそれぞれの粉末100部に、バインダーとしてエチルセルロース15部と、溶媒としてジヒドロターピネオール65部とを加えて、混合・分散して、各成分の活物質層用ペーストを作製した。
固体電解質として、以下の方法で作製したLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3を用いた。その作製方法とは、Li2CO3とAl2O3とTiO2とNH4H2PO4を出発材料として、ボールミルで16時間湿式混合を行った後、脱水乾燥し、次いで得られた粉末を800℃で2時間、大気中で仮焼した。仮焼後、ボールミルで16時間湿式粉砕を行った後、脱水乾燥して固体電解質の粉末を得た。作製した粉体の組成がLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3であることは、X線回折装置(XRD)を使用して確認した。
固体電解質層用ペーストをドクターブレード法でPETフィルムを基材としてシートを成形し、厚さ15μmの固体電解質層用シートを得た。
集電体として、CuとLi3V2(PO4)3とを体積比率で80/20となるように混合した後、バインダーとしてエチルセルロース10部と、溶媒としてジヒドロターピネオール50部を加えて混合・分散し、集電体層用ペーストを作製した。
マージン層用ペーストは、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3の粉末に、溶媒としてエタノール100部、トルエン100部を加えてボールミルで湿式混合し、次いでポリビニールブチラール系バインダー16部とフタル酸ベンジルブチル4.8部をさらに投入し、混合してマージン層用ペーストを作製した。
銀粉末とエポキシ樹脂、溶剤とを混合および分散させて、熱硬化型の外部電極ペーストを作製した。
前記の固体電解質層用シート上に、厚さ0.55μmのLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、各厚さ0.55μmのLi1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、Li2TiV(PO4)3層、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、Li2.4Ti0.6V1.4(PO4)3層、Li2.6Ti0.4V1.6(PO4)3層、Li3V2(PO4)3層を形成した。その上にスクリーン印刷を用いて厚さ5μmの集電体層を形成し、80℃で10分間乾燥した。さらにその上に、厚さ0.55μmのLi3V2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、各厚さ0.55μmのLi2.8Ti0.2V1.8(PO4)3層、Li2.6Ti0.4V1.6(PO4)3層、Li2.4Ti0.6V1.4(PO4)3層、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、Li2TiV(PO4)3層、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、Li1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を形成することで、固体電解質層用シートに電極層を作製した。次いで、電極層の一端の外周に、スクリーン印刷を用いて前記電極層と略同一平面の高さのマージン層80を形成し、80℃で10分間乾燥した。次いで、PETフィルムを剥離することで、電極層ユニットのシートを得た。
2つの電極層ユニットを交互にそれぞれの一端が一致しないようにオフセットしながら複数積層し、積層基板を作製した。さら前記積層基板の両主面に、外層として固体電解質シートを複数積層し、500μmの外層を設けた。これを金型プレスにより熱圧着した後、切断して未焼成の全固体電池の積層体を作製した。次いで、前記積層体を脱バイ・焼成することで、全固体電池の積層体を得た。焼成は、窒素中で昇温速度40℃/分で焼成温度830℃まで昇温して、その温度に21分保持し、自然冷却後に取り出した。
前記全固体電池の積層体の端面に外部電極ペーストを塗布し、150℃、30分の熱硬化を行い、一対の外部電極を形成した。
実施例2に係る全固体電池は、前記の固体電解質層用シート上に、厚さ0.65μmのLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、各厚さ0.65μmのLi1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、厚さ0.75μmのLi1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、各厚さ1.15μmのLi2TiV(PO4)3層、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、を形成した。その上にスクリーン印刷を用いて厚さ5μmの集電体層を形成し、80℃で10分間乾燥した。さらにその上に、厚さ1.15μmのLi2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、厚さ1.15μmのLi2TiV(PO4)3層、厚さ0.75μmのLi1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、各厚さ0.65μmのLi1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、Li1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を形成することで、固体電解質層用シートに電極層を作製した。それ以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。得られた全固体電池について、活物質と固体電解質との界面をSEM―EDSおよびTEM-EDSにより分析し、界面から集電体層に向かう活物質に含まれるTiとVの原子量比 Ti/(Ti+V) を算出すると、表1に記載の通りとなった。
実施例3に係る全固体電池は、前記の固体電解質層用シート上に、厚さ0.65μmのLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、厚さ0.65μmのLi1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、各厚さ0.75μmのLi1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、各厚さ1.10μmのLi2TiV(PO4)3層、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、を形成した。その上にスクリーン印刷を用いて厚さ5μmの集電体層を形成し、80℃で10分間乾燥した。さらにその上に、厚さ1.10μmのLi2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、厚さ1.10μmのLi2TiV(PO4)3層、各厚さ0.75μmのLi1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、各厚さ0.65μmのLi1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を形成することで、固体電解質層用シートに電極層を作製した。それ以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。得られた全固体電池について、活物質と固体電解質との界面をSEM―EDSおよびTEM-EDSにより分析し、界面から集電体層に向かう活物質に含まれるTiとVの原子量比 Ti/(Ti+V) を算出すると、表1に記載の通りとなった。
実施例4に係る全固体電池は、実施例3に記載の積層体の焼結条件を変更し、より還元雰囲気に、昇温速度を0.50倍に、焼成温度を850℃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。得られた全固体電池について、活物質と固体電解質との界面をSEM―EDSおよびTEM-EDSにより分析し、界面から集電体層に向かう活物質に含まれるTiとVの原子量比 Ti/(Ti+V) を算出すると、表1に記載の通りとなった。
比較例1に係る全固体電池は、前記の固体電解質層用シート上に、厚さ1.10μmのLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、各厚さ0.55μmのLi1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、Li1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、各厚さ0.65μmのLi1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、Li2TiV(PO4)3層、Li2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、Li2.4Ti0.6V1.4(PO4)3層、を形成した。その上にスクリーン印刷を用いて厚さ5μmの集電体層を形成し、80℃で10分間乾燥した。さらにその上に、厚さ0.65μmのLi2.4Ti0.6V1.4(PO4)3層を印刷して形成し、80℃で10分間乾燥した。その上に同様の手順で、各厚さ0.65μmのLi2.2Ti0.8V1.2(PO4)3層、Li2TiV(PO4)3層、Li1.8Ti1.2V0.8(PO4)3層、各厚さ0.55μmのLi1.6Ti1.4V0.6(PO4)3層、Li1.4Ti1.6V0.4(PO4)3層、厚さ1.10μmのLi1.2Ti1.8V0.2(PO4)3層を形成することで、固体電解質層用シートに電極層を作製した。それ以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。得られた全固体電池について、活物質と固体電解質との界面をSEM―EDSおよびTEM-EDSにより分析し、界面から集電体層に向かう活物質に含まれるTiとVの原子量比 Ti/(Ti+V) を算出すると、表1に記載の通りとなった。
比較例2に係る全固体電池は、積層体の焼結条件を変更し、昇温速度を1.5倍に、保持時間を0.67倍に変更した以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。得られた全固体電池について、活物質と固体電解質との界面をSEM―EDSおよびTEM-EDSにより分析し、界面から集電体層に向かう活物質に含まれるTiとVの原子量比 Ti/(Ti+V) を算出すると、表1に記載の通りとなった。
本実施例ならびに比較例で作製した全固体電池は、下記の電池特性について評価することができる。
本実施例ならびに比較例で作製した全固体電池は、例えば以下に示す充放電条件によって充放電サイクル特性を評価することができる。充放電電流の表記は、以降C(シー)レート表記を使う。CレートはnC(μA)と表記され(nは数値)、公称容量(μAh)を1/n(h)で充放電できる電流を意味する。例えば1Cとは、1hで公称容量を充電できる充放電電流であり、2Cであれば、0.5hで公称容量を充電できる充放電電流を意味する。例えば、公称容量100μAhの全固体電池の場合、0.1Cの電流は10μA(計算式100μA×0.1=10μA)である。同様に0.2Cの電流は20μA、1Cの電流は100μAである。
理論容量維持率(%)=(1サイクル目の放電容量÷活物質量より算出される全固体電池の理論容量)×100
Cレート変更後の放電容量維持率(%)=(1CレートでのCC放電時の容量÷0.2CレートでのCC放電時の容量)×100
表1に実施例1~4ならびに比較例1、2に係る全固体電池の理論容量維持率およびCレート変更後の放電容量維持率の結果を示す。実施例1~4に係る全固体電池では、比較例に係る全固体電池よりも優れた理論容量維持率、レート特性が確認された。
20……積層体
30……正極
31………正極集電体層
32………正極活物質層
40……負極
41………負極集電体層
42………負極活物質層
50……固体電解質層
60……正極外部電極
70……負極外部電極
80……マージン層
90……界面
DR1……深さ方向
Claims (1)
- 集電体層と活物質層とが積層された電極層が、固体電解質層を介して複数積層された積層体と、
前記固体電解質層と前記活物質層との界面と、を含み、
前記活物質層はTiとVと、を含み、
積層方向と同一方向であって、且つ前記界面から前記界面に最も近い前記集電体層に向かう方向を深さ方向と定義した際に、
式(1)および(2)を満たす、全固体電池。
(R1-0.20d)≦R2≦(R1-0.15d)…(1)
0.0<d≦3.0…(2)
(dは、前記深さ方向における前記界面からの距離(μm)を示し、
R1は、前記界面における前記活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表し、
R2は、dの地点における前記活物質層中のTiとVの原子量比(Ti/(Ti+V))を表す。)
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