JP7334647B2 - 全固体電池用負極 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態における全固体電池の概略断面図である。
全固体電池100は、電池要素50を含む。全固体電池100は、外装体(不図示)をさらに含んでいてもよい。電池要素50は、外装体に収納されていてもよい。外装体は、例えば、金属製のケース等であってもよい。外装体は、例えば、アルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。
負極20は、負極活物質層を含む。負極20は、実質的に負極活物質層からなっていてもよい。負極20は、例えば、負極集電体をさらに含んでいてもよい。負極活物質層は、負極集電体の表面に配置されていてもよい。負極集電体は、例えば、5μmから30μmの厚さを有していてもよい。負極集電体は、例えば、ニッケル(Ni)箔、銅(Cu)箔等を含んでいてもよい。
図2は、負極活物質層の断面の二次電子像の第1例である。
図2中、第1粒子群は、相対的に濃い灰色を有している。図2中、第2粒子群は、相対的に淡い灰色を有している。本実施形態は、負極活物質層における、第1粒子群および第2粒子群の分散状態に特徴を有する。本実施形態において、第1粒子群および第2粒子群の分散状態は、「接触界面長」により数値化される。例えば、図2の分散状態においては、接触界面長が3.77mm以上である。接触界面長が3.77mm以上であることにより、急速充電性能の向上が期待される。
図3中、第1粒子群は、図2と同様に、相対的に濃い灰色を有している。図3中、第2粒子群は、図2と同様に、相対的に淡い灰色を有している。図3の分散状態においては、接触界面長が3.77mm未満である。接触界面長が3.77mm未満であると、所期の急速充電性能が得られない可能性がある。
接触界面長は、下記手順により測定される。
全固体電池100が準備される。不活性雰囲気下において、外装体(アルミラミネートフィルム等)の少なくとも一部が剥ぎ取られる。これにより、電池要素50が露出する。不活性雰囲気下において、電池要素50が適当なサイズにカットされる。これにより、電池要素50または負極20の試料片が作製される。イオンミリング装置等により、試料片の切断面に対して、断面加工が施される。例えば、日立ハイテクノロジーズ社製のイオンミリング装置「IM4000PLUS」(またはこれと同等品)が使用されてもよい。断面加工は、真空雰囲気下または不活性雰囲気下で実施される。断面加工中、試料片が冷却されてもよい。
断面加工後、試料片が電界放出型走査電子顕微鏡(field emission scanning electron microscope,FE-SEM)に導入される。例えば、日立ハイテクノロジーズ社製のFE-SEM「Regulus8220」(またはこれと同等品)が使用されてもよい。断面加工からSEM導入までの間に、試料片が大気暴露されないように、真空雰囲気が維持される。
図4は、画像解析方法の説明図である。
上記で取得された反射電子像に対して、「1.成分の抽出」、「2.色付け」、「3.重ね合わせ」の各処理がこの順番で施される。
2値化処理により、反射電子像に含まれる各成分が別々に抽出される。まず、反射電子像に対して、2値化処理が施されることにより、第1粒子群(チタン酸化物)と第2粒子群(硫化物固体電解質)とが抽出される。2値化の閾値は、例えば、負極活物質層における「チタン酸化物の体積比率」、「硫化物固体電解質の体積比率」等に基づいて設定され得る。各成分の体積比率は、例えば、EDXによる元素マッピング画像から算出され得る。
各成分の抽出画像において、各成分が色付けされる。各成分は、互いに異なる色に色付けされる。第1粒子群(チタン酸化物)は、例えば「赤」に色付けされてもよい。第2粒子群(硫化物固体電解質)は、例えば「黄」に色付けされてもよい。導電材は、例えば「緑」に色付けされてもよい。空隙は、例えば「黒」に色付けされてもよい。
色付け後の抽出画像が重ね合わされる。図2および図3の例では、第1粒子群(赤)の抽出画像と、第2粒子群(黄)の抽出画像と、導電材(緑)の抽出画像と、空隙(黒)の抽出画像とが重ね合わされる。これにより、色分け画像が合成される。色分け画像においては、成分毎に色分けされている。
第1粒子群は、チタン酸化物からなる。チタン酸化物は、負極活物質として機能する。本実施形態におけるチタン酸化物は、チタン(Ti)および酸素(O)を少なくとも含む化合物を示す。チタン酸化物は、例えば、Li、ニオブ(Nb)等をさらに含んでいてもよい。チタン酸化物は、例えば、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、酸化チタン(TiO2)およびチタンニオブ酸化物(TiNb2O7)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。チタン酸化物は、任意の結晶構造を有し得る。チタン酸化物は、例えば、スピネル型構造、単斜晶系等であってよい。
第2粒子群は、硫化物固体電解質からなる。第2粒子群は、イオン伝導パスを形成する。第2粒子群の配合量は、100体積部の第1粒子群(負極活物質)に対して、例えば、10体積部から150体積部であってもよい。第2粒子群の配合量は、100体積部の第1粒子群(負極活物質)に対して、例えば、100体積部から150体積部であってもよい。第2粒子群の配合量は、100体積部の第1粒子群(負極活物質)に対して、例えば、10体積部から50体積部であってもよい。
負極活物質層は、導電材をさらに含んでいてもよい。導電材は、電子伝導パスを形成する。導電材は、任意の成分を含み得る。導電材は、例えば、炭素材料を含んでいてもよい。導電材は、例えば、カーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、およびグラフェンフレークからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
負極活物質層は、バインダをさらに含んでいてもよい。バインダは、固体材料同士を結合する。バインダは、任意の成分を含み得る。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP)、ブチルゴム(IIR)、およびブタジエンゴム(BR)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
例えば、負極集電体の表面に、負極ペーストが塗工され、乾燥されることにより、負極活物質層が形成され得る。すなわち、負極が製造され得る。本実施形態においては、例えば2段階混合により、負極ペーストが調製される。ペーストの2段階混合により、接触界面長が長くなることが期待される。
下記手順により、No.1からNo.8に係る供試電池(全固体リチウムイオン二次電池)が製造された。本実施例における硫化物固体電解質は、いずれもガラスセラミックスであった。
(1.負極ペーストの調製)
下記材料が準備された。
第1粒子群:チタン酸リチウム(平均一次粒子径 0.7μm)
第2粒子群:LiI-LiBr-Li2S-P2S5(比表面積 8.3m2/g)
導電材:VGCF
分散媒:酪酸ブチル
エスエムテー社製の超音波ホモジナイザ(製品名「UH-50」)により、1.0質量部の第1粒子群と、0.024質量部の導電材と、0.048質量部のバインダと、1.6質量部の分散媒とが混合された。これにより、第1ペーストが調製された。第1段階の混合時間は、5分間であった。
次いで、同超音波ホモジナイザにより、第1ペーストと、0.336質量部の第2粒子群とが混合された。これにより、第2ペースト(負極ペースト)が調製された。第2段階の混合時間は、30分間であった。
下記材料が準備された。
正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/LiNbO3
導電材:VGCF
硫化物固体電解質:LiI-LiBr-Li2S-P2S5
バインダ:PVdF
分散媒:酪酸ブチル
下記材料が準備された。
硫化物固体電解質:LiI-LiBr-Li2S-P2S5(メジアン径 2.5μm)
バインダ溶液:溶質 ブタジエンゴム系バインダ(濃度 5質量%)、溶媒 ヘプタン
分散媒:ヘプタン
ブレード式のアプリケータにより、正極ペーストが正極集電体(アルミニウム箔)の表面に塗工された。100℃のホットプレート上において、正極ペーストが30分間乾燥された。これにより、正極集電体の表面に正極活物質層が形成された。以上より、正極が製造された。
正極に第1プレス加工が施された。第1プレス加工後、ブレード式のアプリケータにより、正極活物質層の表面に固体電解質ペーストが塗工された。100℃のホットプレート上において、固体電解質ペーストが30分間乾燥された。固体電解質ペーストが乾燥することにより、正極活物質層の表面にセパレータ層の一部が形成された。これにより第1積層体が形成された。ロールプレス装置により、第1積層体に第2プレス加工が施された。第2プレス加工の圧力は、2tоn/cm2(2×103kg/cm2)であった。第2プレス加工後、打ち抜き加工により、第1積層体が所定の平面形状に加工された。
負極に第1プレス加工が施された。第1プレス加工後、ブレード式のアプリケータにより、負極活物質層の表面に固体電解質ペーストが塗工された。100℃のホットプレート上において、固体電解質ペーストが30分間乾燥された。固体電解質ペーストが乾燥することにより、負極活物質層の表面にセパレータ層の一部が形成された。これにより第2積層体が形成された。ロールプレス装置により、第2積層体に第2プレス加工が施された。第2プレス加工の圧力は、2tоn/cm2であった。第2プレス加工後、打ち抜き加工により、第2積層体が所定の平面形状に加工された。
仮支持体として、アルミニウム箔が準備された。仮支持体の表面に、固体電解質ペーストが塗工され、乾燥されることにより、セパレータ層の一部(未プレス状態)が形成された。
本実施例における「1C」は、満充電容量が1時間で充電される電流レートを示す。1Cの電流レートにより、2.95Vまで供試電池が定電流充電された。2.95Vに到達した後、定電流充電から定電圧充電に切り替えられた。電流レートが0.01Cに減衰するまで、定電圧充電が継続された。
「1.負極ペーストの調製」において、下記表1に示されるように、第1段階の混合時間が変更されることを除いては、No.1と同様に、供試電池がそれぞれ製造された。
「1.負極ペーストの調製」において、下記表1の比表面積を有する第2粒子群(硫化物固体電解質)が使用されることを除いては、No.2と同様に、供試電池が製造された。
「1.負極ペーストの調製」において、下記表1の比表面積を有する第2粒子群(硫化物固体電解質)が使用されることを除いては、No.5と同様に、供試電池が製造された。
No.8においては、一括混合により、負極ペーストが調製された。
エスエムテー社製の超音波ホモジナイザ(製品名「UH-50」)により、1.0質量部の第1粒子群と、0.024質量部の導電材と、0.048質量部のバインダと、1.6質量部の分散媒と、0.336質量部の第2粒子群(比表面積 8.3m2/g)とが、一括して混合された。これにより、負極ペーストが調製された。混合時間は、90分間であった。これらを除いては、No.1と同様に、供試電池が製造された。
《急速充電性能》
3Cの電流レートにより、定電流方式で供試電池が10秒間充電された。これにより電圧上昇量(ΔV)が測定された。電圧上昇量は、10秒充電時の電圧と、充電開始前の電圧との差である。電圧上昇量が、充電電流で除されることにより、充電抵抗が算出された。充電抵抗は下記表1に示される。充電抵抗が低い程、急速充電性能が向上していると考えられる。
前述の手順により、負極活物質層の断面における接触界面長が測定された。接触界面長は、下記表1に示される。
図5は、接触界面長と充電抵抗との関係を示すグラフである。
図5には、上記表1における接触界面長と充電抵抗との関係が示されている。図5において、3.77mmの接触界面長を境界として、その前後で急速充電性能がドラスティックに変化する傾向がみられる。すなわち、接触界面長が3.77mm未満になると、充電抵抗が急激に上昇する傾向がみられる。接触界面長が3.77mm以上になると、充電抵抗が低い値で安定する傾向がみられる。すなわち、接触界面長が3.77mm以上であることにより、優れた急速充電性能が発揮される傾向がみられる。
Claims (1)
- 負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、第1粒子群と、第2粒子群と、導電材とを含み、
前記第1粒子群は、チタン酸化物からなり、
前記第2粒子群は、硫化物固体電解質からなり、
前記負極活物質層の断面において、前記第1粒子群と前記第2粒子群との接触界面長が、3.77mm以上である、
全固体電池用負極。
(ただし、前記接触界面長は、下記手順により測定される、
・前記断面において、反射電子像が撮影される、観察倍率は1500倍である、撮影領域は59±6μm×84±8μmの矩形領域である、
・前記反射電子像に2値化処理が施されることにより、前記第1粒子群と前記第2粒子群とからなる抽出画像(A)と、空隙と前記導電材とからなる抽出画像(B)とが作成される、
・前記抽出画像(A)に2値化処理が施されることにより、前記第1粒子群からなる抽出画像(a1)と、前記第2粒子群からなる抽出画像(a2)とが作成される、
・前記抽出画像(B)に2値化処理が施されることにより、前記空隙からなる抽出画像(b1)と、前記導電材からなる抽出画像(b2)とが作成される、
・前記抽出画像(a1)において前記第1粒子群が第1色に色付けされる、前記抽出画像(a2)において前記第2粒子群が第2色に色付けされる、前記抽出画像(b1)において前記空隙が第3色に色付けされる、前記抽出画像(b2)において前記導電材が第4色に色付けされる、
・色付け後、前記抽出画像(a1)、前記抽出画像(a2)、前記抽出画像(b1)、および、前記抽出画像(b2)が重ね合わされることにより、色付け画像が作成される、
・前記色付け画像において、前記第1色を有する第1ピクセルのうち、前記第2色を有する第2ピクセルと隣接している、隣接ピクセルがカウントアップされる、
・前記隣接ピクセルの合計数に、1ピクセルの長さが乗算されることにより、前記接触界面長が算出される、前記1ピクセルの長さは、6.6×10 -8 mである、
・前記接触界面長は、前記断面中、互いに異なる6箇所で測定される、6回測定の算術平均値が採用される。)
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