JP7227878B2 - 全固体電池および全固体電池のシステム - Google Patents
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Description
本発明の全固体電池においては、正極活物質として、前記一般組成式(1)で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を使用する。このリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、リチウムイオン二次電池などで汎用されているコバルト酸リチウムに比べて容量が大きいため、これを使用することで、全固体電池の高容量化を図ることができる。
全固体電池の正極は、正極活物質、固体電解質および導電助剤などを含む正極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる正極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の正極などが挙げられる。
全固体電池の負極は、負極活物質であるリチウムチタン酸化物、固体電解質および導電助剤などを含む負極合剤の成形体を有するものであり、例えば、前記成形体のみからなる負極や、前記成形体と集電体とが一体化してなる構造の負極などが挙げられる。
全固体電池の固体電解質層における固体電解質には、正極の固体電解質として先に例示したものと同じもののうちの1種または2種以上を使用することができる。ただし、電池特性をより優れたものとするためには、硫化物系固体電解質を含有させることが望ましく、正極、負極および固体電解質層の全てに硫化物系固体電解質を含有させることがより望ましい。
正極と負極とは、固体電解質層を介して積層した積層電極体や、さらにこの積層電極体を巻回した巻回電極体の形態で、電池に用いることができる。
本発明の全固体電池の一例を模式的に表す断面図を図1に示す。図1に示す電池1は、外装缶40と、封口缶50と、これらの間に介在する樹脂製のガスケット60で形成された外装体内に、正極10、負極20、および正極10と負極20との間に介在する固体電解質層30が封入されている。
本発明の全固体電池のシステムは、本発明の全固体電池と充電装置とを備えており、前記全固体電池に対し、前記充電装置により加えられる電圧の上限値が2.85V以下(好ましくは2.5V以上)となる条件で充電するものである。かかるシステムによって、本発明の全固体電池に良好な充放電サイクル特性を発揮させることができる。本発明の全固体電池のシステムに係る充電装置については、終止電圧を2.85V以下(好ましくは2.5V以上)とする条件で全固体電池の充電を実施可能なものであればよく、従来から知られている全固体電池用の充電装置、例えば、定電流充電後に定電圧充電を行うことのできる充電装置や、パルス充電を行うことのできる充電装置などを使用することができる。
<正極の作製>
平均粒子径4μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2と、硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)と、導電助剤であるカーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕とを質量比で65:32:3の割合で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。次に、前記正極合剤:80mgを直径6mmの粉末成形金型に入れ、プレス機を用いて加圧成形を行い、正極合剤成形体よりなる正極を作製した。
次に、前記粉末成形金型内の前記正極合剤成形体の上に、前記硫化物固体電解質:15mgを投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記正極合剤成形体の上に固体電解質層を形成した。
平均粒子径7μmのチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)と前記硫化物固体電解質と導電助剤であるカーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕を質量比で50:41:9の割合で混合し、よく混練して負極合剤を調製した。次に、前記負極合剤:150mgを前記粉末成形金型内の前記固体電解質層の上に投入し、プレス機を用いて加圧成形を行い、前記固体電解質層の上に負極合剤成形体よりなる負極を形成することにより、正極、固体電解質層および負極が積層された積層体を作製した。このときの積層体の厚みは3300μmで、正極合剤成形体の厚みは850μm、負極合剤成形体の厚みは2250μm、固体電解質層の厚みは200μmであった。
平均粒子径4μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(負極活物質)と、硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)と、導電助剤であるカーボンナノチューブ〔昭和電工社製「VGCF」(商品名)〕と、PVDF(樹脂製のバインダ)とを、質量比で62.5:32:3:0.5の割合で混合し、よく混練して正極合剤を調製した。この正極合剤を用いた以外は実施例1と同様にして正極/固体電解質層/負極の積層体を作製し、この積層体を用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池2を作製した。なお、扁平形全固体電池2に使用した前記積層体においては、積層体の厚みが3300μm、正極合剤成形体の厚みが850μm、負極合剤成形体の厚みが2250μm、固体電解質層の厚みが200μmであった。
粉末成形金型に入れる正極合剤の量を72mgに変更し、また、粉末成形金型に入れる負極合剤の量を135mgに変更した以外は、実施例1と同様にして正極/固体電解質層/負極の積層体を作製し、この積層体を用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池3を作製した。なお、扁平形全固体電池3に使用した前記積層体においては、積層体の厚みが3000μm、正極合剤成形体の厚みが770μm、負極合剤成形体の厚みが2030μm、固体電解質層の厚みが200μmであった。
粉末成形金型に入れる正極合剤の量を88mgに変更し、また、粉末成形金型に入れる負極合剤の量を165mgに変更した以外は、実施例1と同様にして正極/固体電解質層/負極の積層体を作製し、この積層体を用いた以外は実施例1と同様にして扁平形全固体電池4を作製した。なお、扁平形全固体電池4に使用した前記積層体においては、積層体の厚みが3600μm、正極合剤成形体の厚みが930μm、負極合剤成形体の厚みが2470μm、固体電解質層の厚みが200μmであった。
扁平形全固体電池1~4を、充放電装置(電池を充電および放電させるための装置)と組み合わせて全固体電池のシステムを構成した。
前記システムを使用し、扁平形全固体電池について、初期容量と同じ条件で行う定電流充電-定電圧充電-放電の一連の操作を1サイクルとして、これを200サイクル繰り返したときの放電容量(200サイクル目の放電容量)を測定し、これを初期容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、これにより充放電サイクル特性を評価した。
10 正極
20 負極
30 固体電解質層
40 外装缶
50 封口缶
60 ガスケット
Claims (6)
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在する固体電解質層とを有する全固体電池であって、
前記正極は、正極活物質である下記一般組成式(1)
Li1+xM1O2 (1)
〔前記一般組成式(1)中、-0.3≦x≦0.3であり、M1は、少なくともNi、CoおよびMnを含む3種以上の元素群であり、M1を構成する各元素中で、Ni、CoおよびMnの割合(mol%)を、それぞれa、bおよびcとしたときに、0.3≦a≦0.5、0.2≦b≦0.4、0.2≦c≦0.4である〕で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、固体電解質および導電助剤を含有し、樹脂製のバインダを含有しないか、または樹脂製のバインダの含有量が0.5質量%以下である正極合剤の成形体を有し、
前記負極は、負極活物質であるリチウムチタン酸化物、固体電解質および導電助剤を含有し、樹脂製のバインダを含有しないか、または樹脂製のバインダの含有量が0.5質量%以下である負極合剤の成形体を有し、
2.85以下の電圧で充電されて使用されるものであることを特徴とする全固体電池。 - 前記正極合剤の成形体の厚みが、200μm以上である請求項1に記載の全固体電池。
- 前記負極合剤の成形体の厚みが、200μm以上である請求項1または2に記載の全固体電池。
- 前記正極合剤、前記負極合剤および前記固体電解質層は、硫化物系固体電解質を含有している請求項1~3のいずれかに記載の全固体電池。
- 前記リチウムチタン酸化物として、下記一般組成式(2)
Li[Li1/3-aM2 aTi5/3-bM3 b]O4 (2)
〔前記一般組成式(2)中、M2は、Na、Mg、K、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で、M3は、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Ym、Zr、Nb、Mo、TaおよびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、0≦a<1/3、0≦b<5/3である〕
で表されるものを含有する請求項1~4のいずれかに記載の全固体電池。 - 請求項1~5のいずれかに記載の全固体電池と充電装置とを備え、
前記全固体電池に対し、2.85Vの電圧を上限とする充電を行うことを特徴とする全固体電池のシステム。
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