JP7259690B2 - 複合活物質 - Google Patents
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すなわち、固体電解質によってLiイオンの伝導経路を確保する電池においては、活物質と固体電解質とが電極内で常に接触していることが必要であるところ、負極活物質がLiと反応すると、高容量の材料ほど膨張率が大きく、体積変化が3倍以上のものもある。放電時にLiを放出すると体積は容量に応じて収縮するため、活物質周囲の固体電解質と間に間隙が生じる。充放電のたびに膨張収縮が繰り返されてこの間隙が広がり、Liイオンが出入りし難くなるため抵抗が増加し、その結果耐久性が低いことになる。
本発明の複合活物質は、活物質と、上記活物質の表面上に形成された第1被覆層と、活物質及び第1被覆層の表面に被覆された第2被覆層を有している。以下、それぞれについて説明する。
本発明における活物質はSiを含む。ここでSiを含む活物質は元素としてSiを有していればよく、Siの他、SiO2、又は、Siと他の金属(例えばTi、Cu、Al等)との合金であってもよい。
本発明で第1被覆層は、活物質の表面上に形成されている。第1被覆層はピッチ系炭素材であるピッチコークスからなるとともに、活物質の表面に対して被覆率が63%以上90%以下である。これにより、複合活物質を負極活物質層に用いたときに耐久後の抵抗増加を抑制することができる。被覆率がこれより小さいと複合活物質を全固体電池の負極活物質層に用いたときに固体電解質との空隙が確保されず、充電時の活物質の膨張が吸収され難くなる虞がある。一方、被覆率がこれより大きいと全固体電池においてLiイオンの伝導を阻害してしまう。この被覆率はX線光電子分光法(XPS)により得ることができる。
本発明で第2被覆層は、活物質及び第1被覆層の表面上に形成されている。第2被覆層は固体電解質材からなるとともに、活物質に対して0体積%より大きく45体積%以下で被覆している。これにより、複合活物質を負極活物質層に用いたときに耐久後の抵抗増加を抑制することができる。第2被覆層が存在することでLiイオン全固体電池においてLiイオンの伝導を確保することができる。一方、45体積%より大きくなると、全固体電池に複合活物質を用いたときにおいて、複合活物質の膨張収縮に第2被覆層が追随できない虞がある。
以上説明した複合活物質は、電池に用いることができ、中でも、全固体電池に用いられることが好ましい。これにより、全固体電池の抵抗増加を抑制することができる。
ピッチコークスを含む第1被覆層がSi含有の活物質を被覆することで、全固体電池の負極活物質層内において、複合活物質の周囲に適度な空隙を生じさせることができる。この空隙が、活物質の膨張を吸収可能な空間として機能し、活物質と固体電解質材との接触性を維持する。さらに放電の収縮時には第2被覆層の固体電解質材を通して活物質表面近傍にLiイオンが供給されやすい。これにより充放電を繰り返した後も抵抗の増加を抑制できる。
次に、上記複合活物質を適用した全固体電池について説明する。この全固体電池は、正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質層および負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有し、上記負極活物質層に上述した複合活物質を含有する。
以下、全固体電池10の各構成について説明する。
正極活物質層11は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材、導電材および結着材の少なくとも一つを含有していてもよい。
正極活物質は特に限定されることなく公知のものを用いることができるが、例えば、コバルト系(LiCoO2等)、ニッケル系(LiNiO2等)、マンガン系(LiMn2O4、Li2Mn2O3等)、リン酸鉄系(LiFePO4、Li2FeP2O7等)、NCA系(ニッケル、コバルト、アルミニウムの化合物)、NMC系(ニッケル、マンガン、コバルトの化合物)等が挙げられる。
固体電解質材は特に限定されることはないが、硫化物固体電解質材および酸化物固体電解質材等を挙げることができ、第2被覆層で説明したと同様の材料を考えることができる。
導電材は、その添加により、正極活物質層の電子伝導性を向上させることができる。導電材としては、特に限定されることはなく、公知の炭素材料、金属材料を挙げることができる。
結着材は、化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系結着材、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系結着材、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のオレフィン系結着材、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース系結着材等を挙げることができる。
負極活物質層12は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材、導電材および結着材の少なくとも一つを含有していてもよい。本形態ではこの負極活物質として、上記した複合活物質が適用されている。
固体電解質材、導電材および結着材については正極活物質層と同様に考えることができる。
ここで、負極活物質層には、複合活物質と負極活物質層に含まれる固体電解質材(第2被覆層と当該第2被覆層に含まれない固体電解質材(「非被覆固体電解質材」と記載することがある。)との合計に対して、当該非被覆固体電解質材が5体積%以上含まれていることが好ましい。これによりさらに抵抗増加抑制の効果を高めることができる。
特に、本形態の負極活物質層12では、乾式で作製した場合にプレス成形をしても図2に示したように、複合活物質20の活物質21を被覆する第1被覆層22及び第2被覆層23により、その他の負極活物質層12を構成する部位25(非被覆固体電解質材、導電材、及び、結着材による部位)に対して適切な空隙Aを形成することができる。この空隙Aが活物質の膨張を吸収可能な空間として機能し、活物質と非被覆固体電解質材との接触性を維持でき、電池の抵抗増加を抑制することができる。さらに放電の収縮時には第2被覆層の固体電解質材を通して活物質の表面近傍にLiイオンが供給されやすいため、充放電を繰り返した後も抵抗の増加を抑制できる。
固体電解質層13は、正極活物質層11および負極活物質層12の間に形成される層である。固体電解質層13は、少なくとも固体電解質材を含有する。固体電解質材としては、例えば、硫化物固体電解質材および酸化物固体電解質材等を挙げることができ、上記第2被覆層で説明した材料と同様に考えることができる。
集電体は、正極活物質層11の集電を行う正極集電体14、及び負極活物質層12の集電を行う負極集電体15である。正極集電体14の材料としては、例えばステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体15の材料としては、例えばステンレス鋼、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。
電池ケース16は各部材を収納するケースであり、例えばステンレス製の電池ケース等を挙げることができる。
全固体電池10の製造方法は特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池における製造方法と同様である。
実施例1では第1被覆層である石炭系ピッチコークスの活物質に対する被覆率を変化させた。
Li2S(日本化学工業社製)及びP2S5(シグマアルドリッチ社製)を出発原料として、Li2Sを0.7656g、P2S5を1.2344g秤量し、メノウ乳鉢で5分混合し、その後ヘプタンを4g入れ、遊星型ボールミルを用い40時間メカニカルミリングすることで固体電解質材を得た。
活物質としてのSi粉末10gに対して、第1被覆層となる石炭系ピッチコークスを0.2g計量し、Ar雰囲気に置換したボールミルにおいて1時間処理した。被覆率についてはXPSを用いて測定した。また、被覆率の調整はピッチコークスの量と処理時間を変えることで行った。得られた材料に対して、さらに第2被覆層となる上記作製した粉状硫化物固体電解質材を被覆して複合活物質を得た。被覆にはホソカワミクロン社製ノビルタ装置を用いた。複合活物質のうちSi成分と固体電解質材の合計に対する固体電解質材の体積比率で10体積%となるように材料を混合して合成した。回転数7000回転において処理時間を3分以上20分以内の範囲とした。
正極活物質にニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi3/5Co1/5Mn1/5O2)を用いた。正極活物質にはLiNbO3の表面処理を施している。この正極活物質を22.45mgと導電材としてカーボンのVGCF(昭和電工社製)を1.2mg、上記作製した粉末状固体電解質材を6.8mg秤量し、混合したものを正極活物質層用の材料とした。
負極は負極活物質として、上記複合活物質の粉末9.2mgと、上記で合成した固体電解質材を5.0mgと、VGCF0.3mgとを秤量した。ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を75mol%含有する結着材を5質量%の濃度で有機溶媒に溶かし、溶かした状態で3.2mg混合したものを負極活物質層用の材料とした。
1cm2のセラミックス製の型に上記作製した粉状固体電解質材を11.5mg秤量し、1ton/cm2でプレスして固体電解質層を作製し、その片側に上記で作製した正極活物質層のための材料を入れ、1ton/cm2でプレスして正極活物質層を作製した。その逆側に上記で作製した負極活物質層用の材料を入れ3ton/cm2でプレスすることで負極活物質層を作製した。また正極集電体にアルミ箔を、負極集電体に銅箔を用いた。セルは拘束冶具により1MPaの拘束圧下で評価を行った。
初めに0.1mAで4.35VまでCC(定電流)/CV(定電圧)充電を行い、0.3mAで3.0VまでCC/CV放電を行った。その後、3.7Vになるように電圧調整を行い、10mAで5秒間放電を行ったときの電圧降下からDC-IR測定をして初期の抵抗値とした.その後60℃において3.3V-4.1Vの範囲で4.5mAのCC充放電を800サイクル繰り返したのち,初期と同様にDC-IR測定をした。
耐久後抵抗比率の評価は、ピッチコークス及び固体電解質材のいずれも被覆しない例(すなわち、第1被覆層及び第2被覆層がない例、比較例1A)を基準とした。具体的には比較例1Aの活物質において、サイクル後の抵抗値を分子として初期の抵抗値を分母にとったときの比率を基準(100%)とし、各例について相対値を百分率で示した。
表1に実施例1における条件と結果を示し、図3には結果をグラフで表した。
表1において「第1被覆層被覆率」は、Si(活物質)の表面積に対する第1被覆層がSi(活物質)表面上で占有している割合を百分率で表したものである。
「第2被覆層」は、Si(活物質)に対する第2被覆層の体積比率を百分率で表したものである。
「電極内の固体電解質材」は、Si(活物質)に対する固体電解質材(第2被覆層の固体電解質材と第2被覆層以外(非被覆)固体電解質材の合計)の体積比率を百分率で表したものである。
「第2被覆層以外の固体電解質材」は、Si(活物質)と電極内の固体電解質材(第2被覆層及び第2被覆層以外(非被覆)の固体電解質材)との合計に対する、第2被覆層以外(非被覆)の固体電解質材の体積比率を百分率で表したものである。
図3は横軸に第1被覆層の被覆率(%)、縦軸に耐久後抵抗比率(%)を表している。
また、表1で、実施例1A乃至実施例1E、比較例1C乃至比較例1Eは、上記製造方法に従って、第1被覆層の被覆率を変更した例、比較例1Aは第1被覆層及び第2被覆層を具備しない例(耐久後抵抗比率の基準となる例)、及び、比較例1Bは第1被覆層にピッチコークスの代わりに黒鉛を用いた例である。
実施例2では第2被覆層の固体電解質材の活物質に対する体積比率を変化させた。実施例2では実施例1の製造方法に倣って第1被覆層をピッチコークスで構成し、その被覆率を79%とし、第2被覆層の固体電解質材の体積比率を変化させた。
表2に実施例2における条件と結果を示し、図4には結果をグラフで表した。
表2において各項目が意味するところは表1と同じである。図4は横軸に第2被覆層(体積%)、縦軸に耐久後抵抗比率(%)を表している。
また、表2で、実施例2A乃至実施例2G、比較例2Bは、第2被覆層の固体電解質材の体積比率を変更した例、比較例2Aは第1被覆層も第2被覆層も形成しない例(比較例1Aと同じ)である。
実施例3では、第2被覆層以外(非被覆)の固体電解質材の活物質に対する体積比率を変化させた。実施例3では実施例1の製造方法に倣って第1被覆層をピッチコークスで構成し、その被覆率を79%、第2被覆層の活物質に対する体積比率を10体積%又は20体積%とし、第2被覆層以外(非被覆)の体積比率を変化させた。
表3に実施例3における条件と結果を示し、図5には結果をグラフで表した。
表3において各項目が意味するところは表1と同じである。図5は横軸に第2被覆層以外(非被覆)の固体電解質材(体積%)、縦軸に耐久後抵抗比率(%)を表している。
また、表3で、実施例3A乃至実施例3Hは、第2被覆層以外(非被覆)の固体電解質材の体積比率を変更した例、比較例3Aは第1被覆層及び第2被覆層のいずれも有しない例(比較例1Aと同じ)である。
11 正極活物質層
12 負極活物質層
13 固体電解質層
14 正極集電体層
15 負極集電体層
20 複合活物質
21 活物質
22 第1被覆層
23 第2被覆層
Claims (1)
- 粒子状または鱗片状であるSiを含む活物質と、前記活物質の表面に被覆された第1被覆層と、前記活物質及び前記第1被覆層の表面に被覆された第2被覆層と、を含み、
前記第1被覆層は、ピッチ系炭素材を含み、
前記第2被覆層は、固体電解質材を含み、
前記第1被覆層の前記活物質に対する被覆率が63%以上90%以下であり、
前記第2被覆層の前記活物質に対する体積比率が0体積%より大きく45体積%以下である、全固体電池用複合活物質。
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