JP7494811B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
特許文献2には、第一集電体と、貫通孔を有する粘着性樹脂層と、第二集電体とがこの順番に積層されており、第一集電体と第二集電体とが粘着性樹脂層を介して接着されているバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ型リチウムイオン電池が開示されている。
特許文献3には、硫化物固体電解質材料又は酸化物固体電解質材料からなる固体電解質材料を、固体電解質層および積層体側面の絶縁部に含む構成が開示されている。
特許文献4には、固体電解質層と積層体側面を同一部材とする構成が開示されている。
本開示の全固体電池は単電池として発電可能な単位要素である発電要素が1つ又は複数積層され、これが不図示の外装体(ケース)に納められて所望の容量を有する電池とされている。初めに発電要素について説明する。
図1~図6及び以降に示す各図では、必要に応じて見易さのために形状(例えば厚み、幅等)を誇張して表すことがあり、繰り返しとなる符号の一部は省略することがある。また、わかりやすさのため3次元直交座標系(x、y、z)の方向を合わせて示すことがある。
図1~図6に表れているように発電要素10は、負極集電体層11、負極活物質層12、固体電解質層13、正極活物質層14、正極集電体層15、及び、絶縁層16を備えている。なお、本形態で負極集電体層11、負極活物質層12、正極活物質層14、正極集電体層15はいずれも、xy平面に四角形の表裏面を有し、表裏面間が薄い厚みを有する薄いシート状の部材である。
本形態で負極集電体層11は、第一の集電体層として負極積層体を構成する部材の1つであり、平面視(図2の視点方向からみたとき)で四角形とされ、金属箔や金属メッシュ等により構成される。特に金属箔が好ましく、その金属としては、Cu、Ni、Fe、Ti、Co、Zn、ステンレス鋼等が挙げられる。負極集電体層11は、その表面に、接触抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよい。コート層を構成する材料として例えば、炭素を挙げることができる。負極集電体層11の厚み(z方向大きさ)は特に限定されるものではないが、0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。
本形態では負極集電タブ11aは、負極集電体層11の一辺(x方向端部)からx方向に突出するように配置されており、その厚み(z方向大きさ)は負極集電体層11と同じである。また、負極集電タブ11aは負極集電体層11より幅(y方向大きさ)は小さくされている。
本形態で負極活物質層12は、第一の活物質層として負極積層体を構成する部材の1つであり、平面視(図2の視点方向からみたとき)で四角形とされ、本形態では少なくとも負極活物質及び固体電解質としてのポリマー電解質を含み、さらに任意に導電材及びバインダーを含ませることができる。
負極活物質層の厚み(z方向大きさ)は、例えば、0.1μm以上1000μm以下である。
負極活物質としては、例えば、Si、Sn、Li等の金属活物質;グラファイト等のカーボン活物質;チタン酸リチウム等の酸化物活物質が挙げられる。また、負極活物質は、Siを少なくとも含むSi系活物質であってもよい。Si系活物質は、充放電に伴う体積変化が大きいため、膨張収縮による電池性能の低下が生じやすい。これに対して、柔らかいポリマー電解質を含有することで、膨張収縮による電池のサイクル特性の低下を抑制できる。Si系活物質としては、例えば、Si単体、Si合金、Si酸化物が挙げられる。Si合金は、Si元素を主成分として含有することが好ましい。Si合金において、Siの割合は、例えば50at%以上であり、70at%以上であってもよく、90at%以上であってもよい。
ポリマー電解質は、ポリマー成分を少なくとも含有する。ポリマー成分としては、例えば、ポリエーテル系ポリマー、ポリエステル系ポリマー、ポリアミン系ポリマー、ポリスルフィド系ポリマーが挙げられ、中でもポリエーテル系ポリマーが好ましい。イオン伝導度が高く、ヤング率および破断強度等の機械特性に優れているからである。
導電材の添加により負極活物質層の電子伝導性が向上する。導電材としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の繊維状炭素材料が挙げられる。
バインダーの添加により、負極活物質層の構成材料が強固に結着される。バインダーとしては、例えば、フッ化物系バインダー、ポリイミド系バインダー、ゴム系バインダーが挙げられる。
固体電解質層13は固体電解質を含む層であり、平面視(図2の視点方向からみたとき)で四角形とされ、本開示では固体電解質としてポリマー電解質を含有する。
ポリマー成分を架橋するための重合開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、ジ-tert-ブチルペルオキシド、tert-ブチルベンゾイルペルオキシド、tert-ブチルペルオキシオクトエート、クメンヒドロキシペルオキシド等の過酸化物;アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ化合物が挙げられる。固体電解質層におけるポリマー電解質と、負極活物質層におけるポリマー電解質とは、組成が同じであってもよく、異なっていてもよい。なお、正極活物質層に極性溶媒と反応性が高い硫化物固体電解質を用いる場合は、ドライポリマー電解質が好ましい。
固体電解質層13の厚み(z方向大きさ)は例えば0.1μm以上、1000μm以下である。
本形態で正極活物質層14は、第二の活物質層として正極積層体を構成する1つの部材であり、平面視(図2の視点方向からみたとき)で四角形とされ、本形態では少なくとも正極活物質及び固体電解質を含み、さらに任意に導電材及びバインダー等を含ませることができる。導電材およびバインダーについては、負極活物質層12で説明した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
正極活物質層の厚み(z方向大きさ)は例えば0.1μm以上1000μm以下である。
正極活物質としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状型活物質、LiMn2O4、Li4Ti5O12等のスピネル型活物質、LiFePO4等のオリビン型活物質、S、Li2S、遷移金属硫化物等の硫黄系活物質が挙げられる。
正極活物質層の固体電解質としては無機固体電解質を用いることができる。無機固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質が挙げられる。また、無機固体電解質は、ガラス(非晶質体)であってもよく、ガラスセラミックスであってもよく、結晶であってもよい。ガラスは、例えば、原料を非晶質化することで得られる。ガラスセラミックスは、例えば、ガラスに熱処理を行うことで得られる。結晶は、例えば、原料を加熱することで得られる。
本形態で正極集電体層15は、第二の集電体層として正極積層体を構成する部材の1つであり、平面視(図2の視点方向からみたとき)で四角形とされ、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。特に金属箔が好ましく、金属としては、Ni、Cr、Au、Pt、Al、Fe、Ti、Zn、ステンレス鋼等が挙げられる。正極集電体層15は、その表面に、電気抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよく、例えば、炭素コート等が挙げられる。正極集電体層15の厚み(z方向大きさ)は特に限定されるものではない。例えば0.1μm以上1mm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。
本形態では正極集電タブ15aは、正極集電体層15の一辺(x方向端部)からx方向に突出するように配置されており、その厚みは正極集電体層15と同じである。また、正極集電タブ15aは正極集電体層15より幅(y方向大きさ)は小さくされている。
絶縁層16は電気的な絶縁体からなる層である。絶縁層16は電気的な絶縁が可能な部材であれば特に限定されることなく適用でき、例えば絶縁フィルム、絶縁テープ等が挙げられる。
本形態では、以上のような各構成部材が以下のように配置されることにより発電要素10とされている。
第一の集電体層の表裏のそれぞれに第一の活物質層が配置されている。すなわち、本形態では負極集電体層11の表裏のそれぞれに負極活物質層12が配置されている。このとき、図5、図6からわかるように負極活物質層12の端面12tは、負極集電体層11の端面11tに対して内側となるように(はみ出ることの無いように)構成されている。
さらに、本形態では図5、図6からわかるように、第一の集電タブとしての負極集電タブ11aが配置された辺以外の3辺において、第一の集電体層としての負極集電体層11の端面11t、及び、第一の活物質層としての負極活物質層12の端面12tが固体電解質層13に覆われている。これにより例えば負極活物質層12に柔らかいポリマー電解質を用いてプレス時等に変形があっても負極活物質層12が固体電解質層13に覆われているため正極活物質層14や正極集電体層15に接触して短絡することを抑制することができる。
なお、本形態では負極集電体層11のうち負極集電タブ11aが設けられた辺の端面11tは、負極活物質層12の端面12t及び固体電解質層13の端面から突出するように配置されている(図6参照)。
そして負極集電体層11のうちx方向に突出した部分と正極集電タブ15aとが平面視で重なる部分には、負極集電体層11の表裏に絶縁層16が配置される。これにより短絡をより確実に抑制することができる。
発電要素10の製造方法は特に限定されることはないが、例えば次のように製造することができる。
正極集電体層15の表面に正極活物質層14となる材料を湿式にて塗工・乾燥してプレスにより緻密化させることで正極積層体(正極集電体層15と正極活物質層14との積層体)を得る。
一方、負極集電体層11の表裏面に負極活物質層12となる材料を湿式にて塗工・乾燥してプレスにより緻密化させることで負極積層体(負極集電体層11と負極活物質層12との積層体)を得る。
負極積層体を覆うようにして固体電解質層を配置し、固体電解質層の外側両面のそれぞれに正極積層体を配置し、プレス成形して一体化することで発電要素10を得る。この時のプレス圧は特に限定されるものではないが、例えば0.5t/cm2以上とすることが好ましい。
始めに、図7に示したように、剥離シート(例えばポリエチレンテレフタレートシート、PETシート)17に固体電解質層となる材料13’を積層する。
次に図8に示したように、材料13’に負極積層体18をさらに積層する。このとき、負極積層体18は、そのx方向の一端18aは材料13’の端部から突出するように配置し、負極積層体18のx方向他端18bは材料13’のx方向の概ね中央線Cとなる位置に配置する。また、負極積層体18における負極活物質層のx方向長さは、固体電解質層のx方向長さの概ね半分となるようにする。さらに、幅方向(y方向)については負極積層体18の幅を材料13’の幅より小さくし、材料13’の幅方向(y方向)の両端に材料13’が露出する部位13’cを形成する。
図8の姿勢から図8に矢印Dで示したように、負極積層体18が積層されていない側の剥離シート17及び材料13’を中央線Cで谷折りをして材料13’を負極積層体18に積層させる。その後、折り曲げた部分の剥離シート17を剥がすと図9のようになる。すなわち、図9の姿勢では負極積層体18の表裏面に材料13’が巻き付き、袋状の材料13’となる。
これにより、負極積層体を覆うように固体電解質層が配置できる。なお、折り曲げによる上下の材料13’は貼り付きやすいため接触により接合されるが、プレスによる物理接合や融着、紫外線照射や熱による架橋反応を利用した化学接合を行ってもよい。
本開示における全固体電池は、上述の発電要素10を積層してなる。図10に説明のための図を表した。図10からわかるように全固体電池は発電要素10の正極集電体層15及び正極集電タブ15aが重ねられることで積層される。そして、複数の負極集電タブ11aが電気的に接続され、及び、複数の正極集電体タブ15aが電気的に接続されることで、全固体電池の正極及び負極が形成される。また、全固体電池では、積層された発電要素10は外装体に収納される。外装体として、例えば、ラミネート型外装体、缶型外装体が挙げられる。
3.1.他の形態例1
図11~図13に他の形態例1にかかる全固体電池に用いられる発電要素20を説明する図を示した。図11は図5と同じ視点による図、図12は図6と同じ視点による図である。
発電要素20では、発電要素10の固体電解質層13の代わりに固体電解質層23が適用された例である。その他の構成要素については発電要素10の同様に考えることができるのでここでは同じ符号を付して説明を省略する。
固体電解質層23は、発電要素10の固体電解質層13の構成に加えて、第一の集電タブ(負極集電タブ11a)が配置された辺以外の1つ以上の辺以上において、第一の集電体層(負極集電体層11)及び第一の活物質層(負極活物質層12)の端面(11t、12t)を被覆する固体電解質層の幅(図11のW1)や長さ(図12のL1)が第二の集電体層(正極集電体層14)及び第二の活物質層(正極活物質層15)の幅(図11のW2)や長さ(図12のL2)よりも大きい。さらに、当該大きい部分で、第二の活物質層の端面(正極活物質層14の端面14t)、第二の集電体層(正極集電体層15の端面15t)も固体電解質層23で覆われているように構成されている。これによりさらに短絡を防ぐことができる。
また、図13に示したように、2つ以上の発電要素20を、第一の集電タブ(負極集電タブ11a)及び第二の集電タブ(正極集電タブ15a)が配置された辺以外の辺において、第一の集電体層、第一の活物質層、第二の集電体層、第二の活物質層の端面を被覆する固体電解質層同士で接合させた構造とすることができる。これにより一体化され位置ずれ等を抑制することが可能となる。
ここまで、発電要素10では負極集電体層11及び負極活物質層12、発電要素20ではこれに加えて正極集電体層15及び正極活物質層14のうち、負極集電タブ11a、正極集電タブ15aが配置された辺以外の全ての辺を固体電解質層で覆い、負極集電タブ11a、正極集電タブ15aが同方向に配置される例を示した。
しかしながら、これに限定されることはなく、負極集電タブ11a、正極集電タブ15aが異なる方向に配置された場合であってもよい。
すなわち、1つの辺から突出する第一の集電タブを具備する第一の集電体層と、第一の集電体層に積層される第一の活物質層と、1つの辺(第一の集電タブと同じ位置の辺には限らない)から突出する第二の集電タブを具備する第二の集電体層と、第二の集電体層に積層される第二の活物質層と、第一の活物質層と第二の活物質層との間に配置され、ポリマー電解質を含む固体電解質層と、を備え、第一のタブが配置された辺以外の3辺において、固体電解質層はさらに第一の集電体層及び第一の活物質層の端面を被覆するように配置されていればよい。
また、少なくとも第一の集電タブが配置された辺以外の1つ以上の辺において、第一の集電体層(負極集電体層11)及び第一の活物質層(負極活物質層12)の端面(11t、12t)を被覆する固体電解質層の幅や長さが第二の集電体層(正極集電体層14)及び第二の活物質層(正極活物質層15)の幅や長さよりも大きく、発電要素の固体電解質層は、第二の活物質層の端面(正極活物質層14の端面14t)、第二の集電体層(正極集電体層15の端面15t)も固体電解質層で覆うように構成されており、2つ以上の発電要素を、第一の集電タブ(負極集電タブ11a)及び第二の集電タブ(正極集電タブ15a)が配置された辺以外の辺において、第一の集電体層、第一の活物質層、第二の集電体層、第二の活物質層の端面を被覆する固体電解質層同士で接合させた構造とすることができる。
本開示の発電要素、及び、これを用いた全固体電池によれば、負極活物質の膨張収縮による電池性能の低下を抑制するため、負極層の固体電解質として、柔らかいポリマー電解質を用いるので、充放電時における負極活物質の膨張収縮による電池性能の低下を抑制することができる。
さらに本開示の発電要素、及び、これを用いた全固体電池によれば、第一の集電タブ(負極集電タブ)が配置された辺以外における第一の集電体層(負極集電体層)の端面及び第一活物質層(負極活物質層)の端面の3辺が固体電解質層に覆われている。これにより負極活物質層に柔らかいポリマー電解質を用いてプレス時等に変形があっても負極活物質層が固体電解質層に覆われているため正極活物質層や正極集電体層に接触して短絡することを抑制することができる。そして短絡を生じないことから、充放電時における負極層内や負極層と固体電解質層界面の剥離や割れを抑制でき、良好なサイクル特性が得られる。
5.1.実施例1の全固体電池の作製
5.1a.負極積層体の作製
負極活物質(Si粒子、平均粒径2.5μm)と、導電材(VGCF-H:昭和電工株式会社、VGCFは登録商標)と、バインダー(PVdF-HFP)を、重量比で、負極活物質:導電材:バインダー=94:4:2となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、超音波ホモジナイザー(UH-50、株式会社エスエムテー)で分散させることにより、負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを、負極集電体層(Ni箔、厚み15μm)上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で30分間乾燥させた。その後、負極集電体層の反対側の面にも同様に塗工を行うことで、負極活物質層と負極集電体層の両面に負極活物質層が積層された中間体を得た。
また、PEO(polyethylene oxide、Mw約4000000)とLiTFSI(LiN(SO2CF3)2)をEO:Li=20:1のモル比になるように秤量し、アセトニトリルに混合した後、均質な溶液になるまで攪拌した。得られたPEO-LiTFSI溶液を、前述の中間体上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で60分間乾燥させた。その後、負極集電体層の反対側の面にも同様に塗工を行った。なお、乾燥後に、重量比で、負極活物質:ポリマー電解質=68:32となるようにブレードのギャップを調整した。その後、プレスにより緻密化することで負極集電体層の両面のそれぞれに負極活物質層が配置された負極積層体を得た。
転動流動造粒コーティング装置でLiNbO3コートを行った正極活物質(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、平均粒径10μm)と、硫化物固体電解質(10LiI・15LiBr・75(0.75Li2S・0.25P2S5)(mol%)、平均粒径0.5μm)と、導電材(VGCF-H:昭和電工株式会社)と、バインダー(SBR)を、重量比で、正極活物質:硫化物固体電解質:導電材:バインダー=85:13:1:1となるように秤量し、分散媒(ジイソブチルケトン)とともに混合した。得られた混合物を、超音波ホモジナイザー(UH-50、株式会社エスエムテー製)で分散させることにより、正極スラリーを得た。得られた正極スラリーを、Al箔(厚さ15μm)上に、アプリケーターによるブレードコート法により塗工し、100℃で30分間乾燥し、プレスにより緻密化することでAl箔に正極活物質層が積層された正極合材を得た。
PEO(polyethylene oxide、Mw約4,000,000)とLiTFSI(LiN(SO2CF3)2)をEO:Li=20:1のモル比になるように秤量し、アセトニトリルに混合した。この溶液に開始剤BPO(Benzoyl peroxide)をPEO-LiTFSI溶液の10wt%になるように混合した後、均質な溶液になるまで撹拌した。作製したポリマー電解質溶液を、PETフィルム上に、アプリケーターによるブレードコート法により幅7.4cmとなるように塗工し、100℃で60分間乾燥した後、長さ14.0cmとなるように切断することで自立可能な架橋型固体電解質層を得た。
7.0cm×7.0cmとなるように切り出された負極積層体と、固体電解質層とを、負極積層体と固体電解質層とが直接接触し,負極集電タブと反対側の端面が固体電解質層の中央部と一致するように張り合わせ、固体電解質層を長辺方向に折り曲げることで負極積層体と固体電解質層を積層した。続いて、7.0cm×7.0cmとなるように切り出された正極合材を、正極合材と固体電解質層とが直接接触するように貼り合わせ、0.5t/cm2でプレスした。そして、各端子を溶接後、ラミネートセル化(外装材に封入)して全固体電池を作製した。
以下に示す全固体電池の作製までについては実施例1と同じとした。
5.2a.全固体電池の作製
実施例1で得られた発電要素を2個積層し、集電タブ側と対向しない辺の固体電解質層を接合させることで電極間を固定し、各端子を溶接後、ラミネートセル化(外装材に封入)して全固体電池を作製した。
以下に示す全固体電池の作製までについては実施例1と同じとした。
5.3a.全固体電池の作製
7.2cm×7.2cmとなるように切り出された負極積層体と、7.2cm×7.2cmとなるように切り出された固体電解質層とを、負極合材層と固体電解質層とが直接接触し,集電側端面が一致するように貼り合せ、PETフィルムを剥離することで固体電解質を張り合わせた。続いて、7.0cm×7.0cmとなるように切り出された正極合材を、正極合材と固体電解質層とが直接接触するように貼り合わせ、0.5t/cm2でプレスした。そして、各端子を溶接後、ラミネートセル化(外装材に封入)して全固体電池を作製した。
以下に示す全固体電池の作製までについては比較例1と同じとした。
5.4a.全固体電池の作製
)比較例1で得られた発電要素を2個積層し、各端子を溶接後、ラミネートセル化して全固体電池を作製した。
得られた実施例1、実施例2、比較例1、比較例2にかかる全固体電池についてテスターを用いてそれぞれ10個ずつ電圧を計測し、短絡率を評価した。計測電圧が0Vの場合を短絡、0Vより大きい場合を短絡していないと判定した。
その結果、実施例1は9個、実施例2は8個において短絡がなかった。一方、比較例では、短絡がなかったのは比較例1で6個、比較例2では2個のみであり、他は短絡があった。
10 発電要素
11 負極集電体層
11a 負極集電タブ
12 負極活物質層
13 固体電解質層
14 正極活物質層
15 正極集電体層
15a 正極集電タブ
16 絶縁層
Claims (5)
- 四角形である1辺から突出する負極集電タブを具備する負極集電体層と、
前記負極集電体層に積層され、活物質及び固体電解質としてのポリマー電解質を含む負極活物質層と、
四角形である1辺から突出する正極集電タブを具備する正極集電体層と、
前記正極集電体層に積層され、活物質及び無機固体電解質を含む正極活物質層と、
前記負極活物質層と前記正極活物質層との間に配置され、ポリマー電解質を含む固体電解質層と、を備え、
前記負極集電タブが配置された前記1辺以外の3辺において、前記固体電解質層はさらに前記負極集電体層及び前記負極活物質層の端面を被覆するように配置されており、
前記1辺では前記負極集電体層及び前記負極活物質層の端面が前記固体電解質層に被覆されていない、
全固体電池。 - 前記正極集電体層、前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記負極活物質層、前記負極集電体層、前記負極活物質層、前記固体電解質層、前記正極活物質層、及び前記正極集電体層がこの順に積層されて発電要素を形成している、請求項1に記載の全固体電池。
- 前記正極集電体層及び前記正極活物質層の端面も前記正極集電タブが配置された辺以外の少なくとも1辺で前記固体電解質層に被覆されている請求項1又は2に記載の全固体電池。
- 前記発電要素が複数積層されてなる請求項2に記載の全固体電池。
- 前記発電要素が複数積層され、前記正極集電体層及び前記正極活物質層の端面も前記正極集電タブが配置された辺以外の少なくとも1辺で前記固体電解質層に被覆されており、前記正極集電体層及び前記正極活物質層の端面を被覆する前記固体電解質層により複数の前記発電要素が接合されている、請求項2に記載の全固体電池。
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