JP7294240B2 - solid state battery - Google Patents
solid state battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP7294240B2 JP7294240B2 JP2020095586A JP2020095586A JP7294240B2 JP 7294240 B2 JP7294240 B2 JP 7294240B2 JP 2020095586 A JP2020095586 A JP 2020095586A JP 2020095586 A JP2020095586 A JP 2020095586A JP 7294240 B2 JP7294240 B2 JP 7294240B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- active material
- electrode active
- layer
- solid
- negative electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
本願は固体電池を開示する。 The present application discloses a solid state battery.
特許文献1には、固体電池において吸熱層やPPTC膜を設けることで、電池の短絡時等における電池の温度上昇を抑制する技術が開示されている。具体的には、負極活物質としてカーボンと、固体電解質として硫化物固体電解質とを用いた固体電池において、マンニトール及び硫酸カルシウム・二水和物を含む吸熱層と、ファーネスブラック及びPVDFを含むPPTC膜とを配置している。 Patent Literature 1 discloses a technique for suppressing temperature rise of the battery when the battery is short-circuited by providing a heat absorbing layer or a PPTC film in the solid battery. Specifically, in a solid battery using carbon as a negative electrode active material and a sulfide solid electrolyte as a solid electrolyte, an endothermic layer containing mannitol and calcium sulfate dihydrate, and a PPTC film containing furnace black and PVDF and are arranged.
電池の容量を高めるために負極活物質としてSiを用いる場合がある。一方で、本発明者の知見よると、Siはカーボンと比べて低温(例えば160~220℃程度)で発熱し易い。そのため、負極活物質としてSiを用いた固体電池においては、短絡等によって電池の温度が上昇した際、特許文献1に開示されたような吸熱層やPPTC膜が十分な機能を発揮する温度に到達する前にSiの発熱が生じる虞があり、電池の発熱量の増大を抑制し難い。 In some cases, Si is used as a negative electrode active material to increase battery capacity. On the other hand, according to the findings of the present inventors, Si easily generates heat at a low temperature (for example, about 160 to 220° C.) compared to carbon. Therefore, in a solid-state battery using Si as a negative electrode active material, when the temperature of the battery rises due to a short circuit or the like, the heat-absorbing layer and the PPTC film as disclosed in Patent Document 1 reach a temperature at which they exhibit sufficient functions. There is a possibility that Si will generate heat before the heat is applied, and it is difficult to suppress an increase in the amount of heat generated by the battery.
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
正極活物質層と、負極活物質層と、固体電解質層と、ポリマー電解質層とを備え、
前記固体電解質層は、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に配置され、
前記ポリマー電解質層は、前記正極活物質層と前記固体電解質層との間、及び、前記負極活物質層と前記固体電解質層との間、のうちの少なくとも一方に配置され、
前記負極活物質層は、負極活物質としてSiを含み、
前記固体電解質層は、構成元素としてLiを有する無機固体電解質を含み、
前記ポリマー電解質層は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さい、
固体電池
を開示する。
As one means for solving the above problems, the present application provides
A positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a polymer electrolyte layer,
The solid electrolyte layer is arranged between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
the polymer electrolyte layer is disposed between at least one of between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer and between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer;
The negative electrode active material layer contains Si as a negative electrode active material,
The solid electrolyte layer contains an inorganic solid electrolyte having Li as a constituent element,
The polymer electrolyte layer has an ionic conductivity at 120°C that is lower than that at 60°C.
A solid state battery is disclosed.
本開示の固体電池に設けられるポリマー電解質層は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さい。そのため、例えば、短絡等によって電池の温度が上昇した場合に、Siの発熱が生じる温度に到達する前に、ポリマー電解質層のイオン伝導度が低下して、電池反応が抑制され得るとともに電池の発熱が抑制され得る。すなわち、本開示の固体電池は、短絡等によって電池の温度が上昇したとしても、Siの発熱が生じる温度に到達し難く、Siの発熱による発熱量の増大を抑制し易い。 The polymer electrolyte layer provided in the solid-state battery of the present disclosure has an ionic conductivity at 120°C lower than that at 60°C. Therefore, for example, when the temperature of the battery rises due to a short circuit or the like, the ionic conductivity of the polymer electrolyte layer decreases before reaching the temperature at which Si heat generation occurs, and the battery reaction can be suppressed and the battery generates heat. can be suppressed. That is, even if the temperature of the solid battery of the present disclosure rises due to a short circuit or the like, it is difficult for the temperature to reach the temperature at which Si generates heat, and it is easy to suppress an increase in the amount of heat generated by Si heat generation.
図1(A)~(D)に示されるように、固体電池100は、正極活物質層10と、負極活物質層20と、固体電解質層30と、ポリマー電解質層40とを備える。固体電解質層30は、正極活物質層10と負極活物質層20との間に配置される。ポリマー電解質層40は、正極活物質層10と固体電解質層30との間、及び、負極活物質層20と固体電解質層30との間、のうちの少なくとも一方に配置される。負極活物質層20は、負極活物質としてSiを含む。固体電解質層30は、構成元素としてLiを有する無機固体電解質を含む。ポリマー電解質層40は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さい。
As shown in FIGS. 1A to 1D, the
1.正極活物質層
正極活物質層10は、少なくとも正極活物質を含む。正極活物質層10は、正極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。正極活物質は公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位(充放電電位)の異なる2つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を正極活物質とし、卑な電位を示す物質を後述の負極活物質として、それぞれ用いることができる。正極活物質の具体例としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム等の各種のリチウム含有酸化物が挙げられる。正極活物質の表面には、正極活物質と固体電解質との接触による反応を抑制するため、ニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の被覆層が設けられていてもよい。正極活物質層10に含まれ得る固体電解質としては、例えば、無機固体電解質やポリマー電解質が挙げられる。無機固体電解質はポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高い。また、ポリマー電解質と比較して耐熱性に優れる。好ましい無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、LiPON、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3、Li-SiO系ガラス、Li-Al-S-O系ガラス等の酸化物固体電解質;Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Si2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI-LiBr、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-GeS2等の硫化物固体電解質を例示することができる。特に、構成元素としてLi及びSを有する硫化物固体電解質が好ましく、Li2S-P2S5を含む硫化物固体電解質がより好ましい。正極活物質層10に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー等が挙げられる。正極活物質層10に含まれ得る導電助剤としてはアセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。正極活物質層10における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極活物質層10の形状も従来と同様とすればよい。固体電池100をより容易に構成できる観点から、シート状の正極活物質層10であってもよい。正極活物質層10の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。
1. Positive Electrode Active Material Layer The positive electrode
2.負極活物質層
負極活物質層20は、少なくとも負極活物質としてSiを含む。負極活物質層20は、負極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。負極活物質層20に含まれる負極活物質は、Siのみからなってもよいし、SiとSi以外の負極活物質とを含んでいてもよい。Siは、Si単体の他、Si合金であってもよい。Si以外の負極活物質は、公知の活物質を用いればよい。例えば、酸化ケイ素等のSi以外のシリコン系活物質;グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質;チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質;金属リチウムやリチウム合金等を用いることができる。固体電解質、バインダー及び導電助剤は正極活物質層10に用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。負極活物質層20における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極活物質層20の形状も従来と同様とすればよい。固体電池100をより容易に構成できる観点から、シート状の負極活物質層20であってもよい。負極活物質層20の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。負極の容量が正極の容量よりも大きくなるように、負極活物質層20の厚みや積層面積(電極面積)が調整されてもよい。
2. Negative Electrode Active Material Layer The negative electrode
3.固体電解質層
固体電解質層30は、正極活物質層10と負極活物質層20との間に配置される。固体電解質層30は、無機固体電解質と任意にバインダーとを含んでいてもよい。無機固体電解質は構成元素としてLiを有する。固体電解質層30に含まれ得る無機固体電解質やバインダーは、正極活物質層10に用いられるものとして例示した各種無機固体電解質やバインダーの中から適宜選択して用いることができる。例えば、構成元素としてLi及びSを有する硫化物固体電解質であってもよい。固体電解質層30における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層30の形状も従来と同様とすればよい。固体電池100をより容易に構成できる観点から、シート状の固体電解質層30であってもよい。固体電解質層30の厚みは、例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。
3. Solid Electrolyte Layer The
4.ポリマー電解質層
ポリマー電解質層40は、正極活物質層10と固体電解質層30との間に配置されていてもよいし(図1(A))、負極活物質層20と固体電解質層30との間に配置されていてもよいし(図1(B))、これら双方の間に配置されていてもよい(図1(C))。また、図1(D)に示すように、固体電解質層30が2つ以上の層30a、30bを有する場合、正極活物質層10と固体電解質層30bとの間(或いは、負極活物質層20と固体電解質層30aとの間)にポリマー電解質層40が配置されていてもよい。さらに、ポリマー電解質層40は、正極活物質層10及び負極活物質層20のうち、より低温にて発熱する層と、固体電解質層30との間に配置されていてもよい。
4. Polymer Electrolyte Layer The
ポリマー電解質層40は、120℃におけるイオン伝導度(リチウムイオン伝導度)が60℃におけるイオン伝導度よりも小さい。ポリマー電解質層40は、60℃から120℃にかけて、温度の上昇に伴ってイオン伝導度が連続に低下するものであってもよいし、断続的に低下するものであってもよいし、120℃近傍において急激にイオン伝導度が低下するものであってもよい。ポリマー電解質層40は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度の50%以下であってもよいし、40%以下であってもよいし、30%以下であってもよいし、20%以下であってもよいし、10%以下であってもよい。
The
ポリマー電解質層40を構成する材料は、例えば、ポリマーとドーパントとリチウム化合物との混合物が挙げられる。当該材料は、ポリマーとドーパントとを互いに反応させて得られる反応混合物と、リチウム化合物との混合物であってもよい。ポリマーの種類やドーパントの種類等を選択することで、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さいポリマー電解質層40を構成することができる。例えば、本発明者の知見では、ポリマーとしてポリフェニレンスルフィドと、ドーパントとしてクロラニルとを混合して混合物とし、当該混合物を加熱して反応混合物を得たうえで、当該反応混合物とリチウム化合物(例えばLiTFSI等のイミド塩)とを混合することで、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さいポリマー電解質材料が得られる。このようにして得られたポリマー電解質材料は、60℃から120℃にかけて、温度の上昇に伴ってイオン伝導度が徐々に低下し、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度の10%以下にまで低下し得る。
A material forming the
ポリマー電解質層40は、それ自身のイオン伝導度が低下した場合に、正極活物質層10と負極活物質層20との間のイオン伝導を抑制し得るものであればよく、そのような効果が発揮される限り、その厚みは特に限定されるものではない。ポリマー電解質層40の厚みは、例えば、0.1μm以上2mm以下としてもよい。下限は1μm以上であってもよく、上限は1mm以下であってもよい。ポリマー電解質層40は、固体電解質層30よりも薄くてもよいし、厚くてもよい。電池の通常使用温度において高いイオン伝導度を確保する観点からは、ポリマー電解質層40は薄い方がよく、この点、ポリマー電解質層40は固体電解質層30よりも薄くてもよい。
The
5.その他
固体電池100は、上記した層10~40に加えて、正極活物質層10に接続された正極集電体層や負極活物質層20に接続された負極集電体層を備えていてもよい。集電体層は、電池の集電体層として一般的なものをいずれも採用可能である。また、固体電池100は、特許文献1に開示されたような吸熱層やPPTC膜(PPTC層)を備えていてもよい。これにより、電池の発熱量の増大を一層抑制することができるものと考えられる。また、固体電池100は、必要に応じて、端子、外装体、拘束部材、絶縁層、断熱層といったその他の部材や層を備えていてもよい。
5. Others In addition to the
固体電池100の各層10~40は、例えば、圧粉成形等の乾式成形や、スラリーを用いた湿式成形等によって作製可能である。固体電池100を構成する層10~40を互いに積層したうえで、任意にプレス過程を経て、固体電池100を得てもよい。
Each
以上の通り、固体電池100においては、短絡等によって電池の温度が上昇した場合に、負極活物質であるSiの発熱が生じる温度(例えば160~220℃程度)に到達する前に、ポリマー電解質層40のイオン伝導度が低下して、電池反応が抑制され得るとともに電池の発熱が抑制され得る。すなわち、固体電池100は、短絡等によって電池の温度が上昇したとしても、Siの発熱が生じる温度に到達し難く、Siの発熱による発熱量の増大を抑制し易い。
As described above, in the
1.負極材料の発熱量の確認
Siと硫化物固体電解質とからなる負極合材Aを用いて電池を構成し、4.4Vまで充電した後、当該負極合材Aを取り出し、DSCによって発熱ピーク温度を確認した。また、Cと硫化物固体電解質とを含む負極合材Bを用いて電池を構成し、4.55Vまで充電した後、当該負極合材Bを取り出し、DSCによって発熱ピーク温度を確認した。結果を図2に示す。図2に示されるように、Siを含む負極合材Aは、Cを含む負極合材Bと比較して、低温側(160~220℃程度)に発熱ピークを有することがわかる。
1. Confirmation of calorific value of negative electrode material A battery was constructed using negative electrode mixture A composed of Si and a sulfide solid electrolyte. confirmed. Further, a battery was constructed using the negative electrode mixture B containing C and a sulfide solid electrolyte, and after charging to 4.55 V, the negative electrode mixture B was taken out and the exothermic peak temperature was confirmed by DSC. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 2, the negative electrode mixture A containing Si has an exothermic peak on the low temperature side (about 160 to 220° C.) compared to the negative electrode mixture B containing C.
2.ポリマー電解質層による効果の確認
図2に示される結果からすると、負極活物質としてSiを用いた固体電池においては、従来のPPTC膜等(特許文献1)の機能が十分に発揮される温度に到達する前に、Siの発熱が生じる虞がある。すなわち、固体電池がPPTC膜等を備えていたとしても、短絡等によって電池の温度が上昇した場合に、Siの発熱によって電池の発熱量の増大が懸念される。本発明者は、Siの発熱への対策として、ポリマー電解質層を用いることを着想した。すなわち、Siの発熱が生じる温度に到達する前にイオン伝導度が低下するようなポリマー電解質層を固体電池内に配置することで、短絡等によって固体電池の温度が上昇した場合でも、Siの発熱が生じる温度に到達し難くなり、Siの発熱による電池の発熱量の増大が抑えられるものと考えた。本発明者は、ポリマー電解質層を構成する材料として種々のポリマー電解質を検討した結果、固体電池において、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さいポリマー電解質層を採用することで、上記のSiの発熱による電池の発熱量の増大を抑制できることを見出した。以下、実施例の一例を示すが、本開示の固体電池の構成は、以下の構成に限定されるものではない。
2. Confirmation of Effect of Polymer Electrolyte Layer From the results shown in FIG. There is a possibility that heat generation of Si may occur before the process. That is, even if the solid-state battery has a PPTC film or the like, when the temperature of the battery rises due to a short circuit or the like, there is concern that the amount of heat generated by the battery will increase due to the heat generated by Si. The inventor of the present invention came up with the idea of using a polymer electrolyte layer as a countermeasure against Si heat generation. In other words, by arranging a polymer electrolyte layer in the solid battery in which the ionic conductivity decreases before reaching the temperature at which Si generates heat, even if the temperature of the solid battery rises due to a short circuit or the like, the heat generated by Si can be prevented. It becomes difficult to reach the temperature at which Si generates, and it is thought that an increase in the amount of heat generated by the battery due to the heat generated by Si can be suppressed. As a result of examining various polymer electrolytes as materials constituting the polymer electrolyte layer, the inventors of the present invention found that in a solid battery, by adopting a polymer electrolyte layer whose ionic conductivity at 120°C is lower than that at 60°C, , it was found that an increase in the amount of heat generated by the battery due to the heat generated by Si can be suppressed. An example of an embodiment is shown below, but the configuration of the solid-state battery of the present disclosure is not limited to the following configuration.
2.1 実施例
以下の材料を用いて、実施例に係る固体電池を作製した。
2.1 Examples Solid-state batteries according to Examples were produced using the following materials.
2.1.1 正極集電体層
平均一次粒子径66nmのファーネスブラック(東海カーボン社製)と、PVDF(クレハ社製)とを、体積比で、20:80となるように秤量し、これらをNMP(日本リファイン社製)と混合することにより、PPTC膜用ペーストを得た。得られたペーストをAl箔(厚さ10μm)の表面に塗工し、100℃で1時間乾燥することで、Al箔の表面にPPTC膜(10μm厚)を設け、これを正極集電体として用いた。
2.1.1 Positive electrode current collector layer Furnace black (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) having an average primary particle size of 66 nm and PVDF (manufactured by Kureha Co., Ltd.) were weighed so that the volume ratio was 20:80. was mixed with NMP (manufactured by Nippon Refine Co., Ltd.) to obtain a PPTC film paste. The obtained paste was applied to the surface of an Al foil (10 μm thick) and dried at 100° C. for 1 hour to provide a PPTC film (10 μm thick) on the surface of the Al foil, which was used as a positive electrode current collector. Using.
2.1.2 正極活物質層
正極活物質と硫化物固体電解質と導電助剤とバインダーとを、質量比で、正極活物質:硫化物固体電解質:導電助剤:バインダー=85:13:1.3:0.7となるように秤量して成形することで、正極活物質層(厚さ80μm)を得た。尚、正極活物質としては、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(住友金属鉱山社製)にLiNbO3をコートしたものを用いた。硫化物固体電解質としては10LiI-90(0.75Li2S-0.25P2S5)を合成し、これを結晶化及び微粒化したものを用いた(10LiI-90(0.75Li2S-0.25P2S5)の合成については特開2012-48973号公報を参照、結晶化及び微粒化については特開2014-102987号公報を参照)。導電助剤としては気相法炭素繊維(VGCF、昭和電工社製)を用いた。バインダーとしてはPVDFを用いた。
2.1.2 Positive Electrode Active Material Layer The positive electrode active material, sulfide solid electrolyte, conductive aid, and binder were mixed in a mass ratio of positive electrode active material:sulfide solid electrolyte:conductive aid:binder=85:13:1. A positive electrode active material layer (thickness: 80 μm) was obtained by weighing and molding so as to have a ratio of 0.3:0.7. LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (manufactured by Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) coated with LiNbO 3 was used as the positive electrode active material. As a sulfide solid electrolyte, 10LiI-90 (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 ) was synthesized, crystallized and atomized, and used (10LiI-90 (0.75Li 2 S- 0.25P 2 S 5 ), see JP-A-2012-48973, and crystallization and atomization, see JP-A-2014-102987). Vapor-grown carbon fiber (VGCF, manufactured by Showa Denko KK) was used as the conductive aid. PVDF was used as the binder.
2.1.3 負極活物質層
負極活物質と硫化物固体電解質と導電助剤とバインダーとを、質量比で、負極活物質:硫化物固体電解質:導電助剤:バインダー=53:41:4.5:1.5となるように秤量して成形することで、負極活物質層(厚さ80μm)を得た。尚、負極活物質としては、Si(三井金属社製、平均粒子径D50=2.5μm)を用いた。硫化物固体電解質、導電助剤及びバインダーは正極活物質層において用いたものと同様である。
2.1.3 Negative Electrode Active Material Layer The mass ratio of the negative electrode active material, sulfide solid electrolyte, conductive aid, and binder was negative electrode active material:sulfide solid electrolyte:conductive aid:binder=53:41:4. A negative electrode active material layer (thickness: 80 µm) was obtained by weighing and molding so that the ratio was 0.5:1.5. As the negative electrode active material, Si (manufactured by Mitsui Kinzoku Co., Ltd., average particle diameter D 50 =2.5 μm) was used. The sulfide solid electrolyte, conductive aid and binder are the same as those used in the positive electrode active material layer.
2.1.4 負極集電体層
Ni箔(厚さ10μm)を負極集電体として用いた。
2.1.4 Negative Electrode Current Collector Layer Ni foil (10 μm thick) was used as the negative electrode current collector.
2.1.5 セパレータ層
特表2018-522083号公報の実施例1を参考に、ポリマー電解質材料を作製した。具体的には、ポリマーとしてポリフェニレンスルフィド(PPS)と、ドーパントとしてクロラニル粉末とを、重量比で、PPS:クロラニル=76:24となるように混合した。得られた混合物を、大気雰囲気下、350℃で24時間加熱し、反応混合物を得た。得られた反応混合物とリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)とを、重量比で、95:5で混合して、ポリマー電解質材料を得た。得られたポリマー電解質材料とバインダー(PVDF)とを、質量比で、ポリマー電解質材料:バインダー=99.4:0.6となるように混合してポリマー電解質合材とし、当該ポリマー電解質合材を成形してポリマー電解質層(厚さ5μm)を得た。一方で、上記と同様の硫化物固体電解質とバインダーとを、質量比で、99.6:0.4となるように混合して固体電解質合材とし、当該固体電解質合材を成形して固体電解質層(厚さ10μm)を得た。得られたポリマー電解質層と固体電解質層とは互いに積層されてセパレータ層(厚さ15μm)を構成するものとした。
2.1.5 Separator Layer A polymer electrolyte material was produced with reference to Example 1 of JP-A-2018-522083. Specifically, polyphenylene sulfide (PPS) as a polymer and chloranil powder as a dopant were mixed in a weight ratio of PPS:chloranil=76:24. The resulting mixture was heated at 350° C. for 24 hours in an air atmosphere to obtain a reaction mixture. The resulting reaction mixture and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) were mixed at a weight ratio of 95:5 to obtain a polymer electrolyte material. The obtained polymer electrolyte material and the binder (PVDF) are mixed in a mass ratio of polymer electrolyte material:binder = 99.4:0.6 to form a polymer electrolyte mixture, and the polymer electrolyte mixture is It was molded to obtain a polymer electrolyte layer (thickness 5 μm). On the other hand, the same sulfide solid electrolyte and binder as described above are mixed so that the mass ratio is 99.6:0.4 to form a solid electrolyte mixture, and the solid electrolyte mixture is molded to form a solid. An electrolyte layer (10 μm thick) was obtained. The resulting polymer electrolyte layer and solid electrolyte layer were laminated together to form a separator layer (thickness: 15 μm).
2.1.6 固体電池
上記の各層を用いて、「正極集電体層/正極活物質層/ポリマー電解質層/固体電解質層/負極活物質層/負極集電体層」の層構成を有する固体電池を得た。得られた固体電池に対して、初期活性化(3-4.55V(CCCV)、充電1/10C、放電2C、休止条件1/100C)を行い、初期容量の確認(3-4.35V(CCCV)、充電1/3C、放電1/3C、休止条件1/100C、5サイクル)を行い、その後、電圧調整(4.35V、CCCV、充電1/3C、休止条件1/100C)を行うことで、実施例に係る固体電池を得た。
2.1.6 Solid Battery Using the above layers, it has a layer structure of "positive electrode current collector layer/positive electrode active material layer/polymer electrolyte layer/solid electrolyte layer/negative electrode active material layer/negative electrode current collector layer". A solid battery was obtained. Initial activation (3-4.55 V (CCCV), charge 1/10 C, discharge 2 C, rest condition 1/100 C) was performed on the obtained solid battery, and the initial capacity was confirmed (3-4.35 V ( CCCV), charge 1/3C, discharge 1/3C, rest condition 1/100C, 5 cycles), and then voltage regulation (4.35V, CCCV, charge 1/3C, rest condition 1/100C). Thus, a solid battery according to the example was obtained.
2.2 比較例
セパレータ層の構成を以下の通り変更したこと以外は、実施例と同様にして固体電池を得た。
2.2 Comparative Example A solid battery was obtained in the same manner as in Example, except that the structure of the separator layer was changed as follows.
硫化物固体電解質とバインダーとを、質量比で、99.6:0.4となるように混合して固体電解質合材とし、当該固体電解質合材を成形してセパレータ層(厚さ15μm)を得た。 A sulfide solid electrolyte and a binder are mixed at a mass ratio of 99.6:0.4 to form a solid electrolyte mixture, and the solid electrolyte mixture is molded to form a separator layer (thickness: 15 μm). Obtained.
3.ポリマー電解質材料の物性評価
上記実施例にて採用したポリマー固体電解質材料について、イオン伝導度の温度依存性を確認した。結果を図3に示す。図3に示されるように、実施例に係るポリマー固体電解質は、60℃から120℃にかけて、温度の上昇に伴ってイオン伝導度が徐々に低下し、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度の10%以下にまで低下し得ることがわかる。
3. Physical Property Evaluation of Polymer Electrolyte Material The temperature dependence of the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte material employed in the above examples was confirmed. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, the polymer solid electrolyte according to the example gradually decreased in ionic conductivity with increasing temperature from 60°C to 120°C, and the ionic conductivity at 120°C decreased to ionic conductivity at 60°C. It can be seen that the conductivity can be reduced to 10% or less.
4.電池の発熱量の評価
図4に示されるように、固体電池の中央部を直径8mm、先端角60°の釘で速度25mm/sにて刺し込む釘刺し試験を行った。実施例及び比較例に係る固体電池の各々について、釘刺し後の温度測定点における最高温度を測定した。結果を図5に示す。図5に示される結果から明らかなように、比較例に係る固体電池に比べて、実施例に係る固体電池は、最高温度が144℃低下した。上述したように、実施例にて用いたポリマー固体電解質は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度の10%以下であることから、実施例に係る固体電池においては、温度の上昇とともにセパレータ層の抵抗が上昇し、Siの発熱ピーク温度に到達する前にシャットダウン機能が働いた結果、負極活物質層中のSiの発熱が抑制されたものと考えられる。
4. Evaluation of Heat Amount of Battery As shown in FIG. 4, a nail penetration test was performed in which a nail having a diameter of 8 mm and a tip angle of 60° was inserted into the central portion of the solid-state battery at a speed of 25 mm/s. For each of the solid-state batteries according to the examples and the comparative examples, the maximum temperature at the temperature measurement point after being punctured with a nail was measured. The results are shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 5, the maximum temperature of the solid-state battery according to the example was 144° C. lower than that of the solid-state battery according to the comparative example. As described above, the polymer solid electrolytes used in the examples have an ionic conductivity at 120° C. that is 10% or less of the ionic conductivity at 60° C. Therefore, in the solid batteries according to the examples, the temperature rise It is considered that the resistance of the separator layer increased along with the heat generation, and as a result of the shutdown function working before the heat generation peak temperature of Si was reached, the heat generation of Si in the negative electrode active material layer was suppressed.
本開示の固体電池は、例えば、携帯機器用等の小型電源から車搭載用等の大型電源まで広く利用することができる。 The solid-state battery of the present disclosure can be widely used, for example, from small power sources for mobile devices to large power sources for vehicles.
10 正極活物質層
20 負極活物質層
30 固体電解質層
40 ポリマー電解質層
100 固体電池
10 positive electrode
Claims (1)
前記固体電解質層は、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に配置され、
前記ポリマー電解質層は、前記正極活物質層と前記固体電解質層との間、及び、前記負極活物質層と前記固体電解質層との間、のうちの少なくとも一方に配置され、
前記負極活物質層は、負極活物質としてSiを含み、
前記固体電解質層は、構成元素としてLiを有する無機固体電解質を含み、
前記ポリマー電解質層は、120℃におけるイオン伝導度が60℃におけるイオン伝導度よりも小さい、
固体電池。 A positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a polymer electrolyte layer,
The solid electrolyte layer is arranged between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
the polymer electrolyte layer is disposed between at least one of between the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer and between the negative electrode active material layer and the solid electrolyte layer;
The negative electrode active material layer contains Si as a negative electrode active material,
The solid electrolyte layer contains an inorganic solid electrolyte having Li as a constituent element,
The polymer electrolyte layer has an ionic conductivity at 120°C that is lower than that at 60°C.
solid state battery.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020095586A JP7294240B2 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | solid state battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020095586A JP7294240B2 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | solid state battery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021190339A JP2021190339A (en) | 2021-12-13 |
JP7294240B2 true JP7294240B2 (en) | 2023-06-20 |
Family
ID=78847519
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020095586A Active JP7294240B2 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | solid state battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7294240B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024095511A1 (en) * | 2022-11-01 | 2024-05-10 | 株式会社デンソー | Secondary battery |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005531646A (en) | 2002-02-06 | 2005-10-20 | バトル、メモリアル、インスティテュート | Polymer electrolyte membranes used in fuel cells |
JP2011029079A (en) | 2009-07-28 | 2011-02-10 | Sharp Corp | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2014238925A (en) | 2013-06-06 | 2014-12-18 | 日本碍子株式会社 | All-solid battery |
JP2018181462A (en) | 2017-04-05 | 2018-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | All-solid battery |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100969011B1 (en) * | 2008-02-20 | 2010-07-09 | 현대자동차주식회사 | High Temperature Blended Polymer Electrolyte Membrane and Method of Preparing the Same |
-
2020
- 2020-06-01 JP JP2020095586A patent/JP7294240B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005531646A (en) | 2002-02-06 | 2005-10-20 | バトル、メモリアル、インスティテュート | Polymer electrolyte membranes used in fuel cells |
JP2011029079A (en) | 2009-07-28 | 2011-02-10 | Sharp Corp | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2014238925A (en) | 2013-06-06 | 2014-12-18 | 日本碍子株式会社 | All-solid battery |
JP2018181462A (en) | 2017-04-05 | 2018-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | All-solid battery |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021190339A (en) | 2021-12-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6493313B2 (en) | Manufacturing method of all solid state battery | |
JP5079461B2 (en) | Positive electrode for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and lithium ion secondary battery | |
JP4760816B2 (en) | Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
JP6724571B2 (en) | Solid battery | |
US11295901B2 (en) | Hybrid electrode materials for bipolar capacitor-assisted solid-state batteries | |
JP6930497B2 (en) | Laminated battery | |
CN110692161B (en) | Electrode assembly and method of stabilizing secondary battery | |
JP6596826B2 (en) | Electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
JP5505479B2 (en) | Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the negative electrode | |
JP2020174004A (en) | All-solid battery | |
JP2015069711A (en) | Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for manufacturing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery | |
KR20200089182A (en) | LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING Si-BASED COMPOUND WITH EXCELLENT ENERGY DENSITY | |
JP6885353B2 (en) | Power storage device | |
JP7294240B2 (en) | solid state battery | |
WO2019073595A1 (en) | Lithium-ion secondary battery | |
WO2013024739A1 (en) | Active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and manufacturing method for active material for non-aqueous electrolyte secondary battery | |
JP2015069712A (en) | Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for manufacturing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery | |
US11374225B2 (en) | Electrode plate, energy storage device, and method for manufacturing electrode plate | |
US20190198934A1 (en) | Method of generating silicon thick electrodes with improved life performance | |
JP4300172B2 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
WO2014073200A1 (en) | Non-aqueous electrolyte secondary cell | |
JP6668848B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP6973310B2 (en) | All solid state battery | |
CN109906528B (en) | Method for manufacturing electrode of secondary battery suitable for high load | |
US20200358085A1 (en) | Solid electrolyte film for sulfide-based all-solid-state batteries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220809 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230412 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230509 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230522 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7294240 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |