JP7498303B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
全固体電池であって、
正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在された固体電解質膜を含み、
前記固体電解質膜は、第1固体電解質層及び第2固体電解質層を含み、
前記第1固体電解質層は、正極と対面し、
前記第1固体電解質層は、第1硫化物系固体電解質を含み、
前記第2固体電解質層は、第2硫化物系固体電解質を含み、
前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)は、前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)よりも大きいことを特徴とする全固体電池に関する。
前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)よりも2倍~7倍大きいことを特徴とする全固体電池に関する。
前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、1μm以上4μm以下であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、100nm以上1000nm以下であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第2硫化物系固体電解質の含量が、前記第1硫化物系固体電解質の含量よりも多いことを特徴とする全固体電池に関する。
前記第2硫化物系固体電解質の含量は、前記第2硫化物系固体電解質層100重量部に対して95重量部以上であり、
前記第1硫化物系固体電解質の含量は、前記第1硫化物系固体電解質層100重量部に対して81~95重量部であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第2固体電解質層の抵抗が、前記第1固体電解質層の抵抗よりも低いことを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1固体電解質層の厚さと前記第2固体電解質層の厚さとが同一であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1硫化物系固体電解質及び前記第2硫化物系固体電解質が、硫黄(S)を含み、周期表の第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有するものであって、前記第1硫化物系固体電解質の化学式と前記第2硫化物系固体電解質の化学式とが同一であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1硫化物系固体電解質及び前記第2硫化物系固体電解質が、Li2S-P2S5、Li2S-LiI-P2S5、Li2S-P2S5-LiCl、Li2S-LiI-Li2O-P2S5、Li2S-LiBr-P2S5、Li2S-Li2O-P2S5、Li2S-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-P2O5、Li2S-P2S5-SiS2、Li2S-P2S5-SnS、Li2S-P2S5-Al2S3、Li2S-GeS2及びLi2S-GeS2-ZnSからなる群より選択されたいずれか一つであり、前記第1硫化物系固体電解質の化学式と前記第2硫化物系固体電解質の化学式とが同一であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1硫化物系固体電解質の粒径が、100nm~500nmであり、
前記第2硫化物系固体電解質の粒径が、2μm~4μmであり、
前記第1硫化物系固体電解質の含量が、前記第1硫化物系固体電解質層100重量部に対して90重量部以上であり、
前記第2硫化物系固体電解質の含量が、前記第2硫化物系固体電解質層100重量部に対して95重量部以上であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記第1固体電解質層のイオン伝導度が、1×10-4S/cm以上であり、
前記第2固体電解質層のイオン伝導度が、1×10-4S/cm以上であることを特徴とする全固体電池に関する。
前記全固体電池の短絡発生時点が、80サイクル以後であることを特徴とする全固体電池に関する。このとき、充電は0.1Cで4.25VまでCC(定電流)-CV(定電圧)(0.05Cカットオフ)で行い、放電は0.1C、3VカットオフでCC(定電流)で行った。
正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在された固体電解質膜を含み、
前記固体電解質膜は、第1固体電解質層及び第2固体電解質層を含み、
前記第1固体電解質層は、正極と対面し、
前記第1固体電解質層は、第1硫化物系固体電解質を含み、
前記第2固体電解質層は、第2硫化物系固体電解質を含み、
前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)は、前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)よりも大きいことを特徴とする。
(1)第1固体電解質層及び第2固体電解質層の製造
以下の方法で第1固体電解質層を製造した。
電極活物質としてのNCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)、導電材としてのVGCF、硫化物系電解質(Li2S-P2S5-LiCl)、バインダー(SBR)を77.6/1.5/19.4/1.5重量比で混合し、アセトニトリルに投入し撹拌して電極スラリーを製造した。これを厚さ20μmのアルミニウム集電体にドクターブレードを用いて塗布し、その結果物を120℃で4時間真空乾燥した。その後、前記真空乾燥結果物を冷間等方加圧(CIP:Cold iso-pressure)を用いて圧延工程を行い、4mAh/cm2の電極ローディング、電極層の厚さ128μm、気孔度15%の電極を収得した。
上記のように製造した正極を4cm2の正方形状に打ち抜いて用意した。6.25cm2の円形で切断したリチウム金属薄膜を負極として用意した。この二つの電極の間に製造された固体電解質膜を介在させてモノセル(ハーフセル)を製造した。このとき、第1固体電解質層が正極に対面し、第2固体電解質層が負極に対面するように介在してCIP工程でセルを組み立てた。
第1固体電解質の平均粒径及び固体電解質の含量、第2固体電解質の平均粒径及び第2固体電解質の含量を表1のように制御したことを除き、実施例1と同じ方法で全固体電池を製造した。
第1固体電解質の平均粒径及び固体電解質の含量、第2固体電解質の平均粒径及び第2固体電解質の含量を表1のように制御したことを除き、実施例1と同じ方法で全固体電池を製造した。
製造された固体電解質膜を正極と負極との間に介在した後、交流インピーダンス測定法で下記の数式1によってイオン伝導度を算定した。このとき、ポリエーテルエーテルケトン高分子カラムで固体電解質及び各電極の側面を両側から固定及び加圧した。
σ = I/RA
(ここで、Iはペレットの長さ、Rは抵抗値、Aはペレットの面積である。)
本発明による硫化物系固体電解質の化学組成を分析するため、下記のように誘導結合プラズマ発光分析法(ICP-AES:Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)を実施した。各試料を粉砕してガラスバイアルに入れて濃硝酸を使用して溶解し、過酸化水素で試料を完全に分解した。3種の異なる体積に希釈してICP-AES(GDC Integra XMP)を用いて標準方法で元素分析した。
製作されたモノセルに対し、60℃で0.1C/0.1Cサイクル性能を比較して、各セルに短絡が発生する時点を基準にして短絡発生程度を比較した。充電は0.1Cで4.25VまでCC(定電流)-CV(定電圧)(0.05Cカットオフ)で行い、放電は0.1C、3VカットオフでCC(定電流)で行った。
Claims (10)
- 全固体電池であって、
正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在された固体電解質膜を含み、
前記固体電解質膜は、第1固体電解質層及び第2固体電解質層を含み、
前記第1固体電解質層は、正極と対面し、
前記第2固体電解質層は、負極と対面し、
前記第1固体電解質層は、第1硫化物系固体電解質を含み、
前記第2固体電解質層は、第2硫化物系固体電解質を含み、
前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)は、前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)よりも大きく、
前記第2硫化物系固体電解質の含量が、前記第1硫化物系固体電解質の含量よりも多く、
前記第1硫化物系固体電解質及び前記第2硫化物系固体電解質が、硫黄(S)を含み、周期表の第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有するものであって、前記第1硫化物系固体電解質の化学式と前記第2硫化物系固体電解質の化学式とが同一であり、
前記第2固体電解質層の抵抗が、前記第1固体電解質層の抵抗よりも低い、全固体電池。 - 前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)よりも2倍~7倍大きい、請求項1に記載の全固体電池。
- 前記第2硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、1μm以上4μm以下である、請求項1または2に記載の全固体電池。
- 前記第1硫化物系固体電解質の平均粒径(D50)が、100nm以上1000nm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の全固体電池。
- 前記第2硫化物系固体電解質の含量は、前記第2固体電解質層100重量部に対して95重量部以上であり、
前記第1硫化物系固体電解質の含量は、前記第1固体電解質層100重量部に対して81~95重量部である、請求項1から4のいずれか一項に記載の全固体電池。 - 前記第1固体電解質層の厚さと前記第2固体電解質層の厚さとが同一である、請求項1から5のいずれか一項に記載の全固体電池。
- 前記第1硫化物系固体電解質及び前記第2硫化物系固体電解質が、Li2S-P2S5、Li2S-LiI-P2S5、Li2S-P2S5-LiCl、Li2S-LiI-Li2O-P2S5、Li2S-LiBr-P2S5、Li2S-Li2O-P2S5、Li2S-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-P2O5、Li2S-P2S5-SiS2、Li2S-P2S5-SnS、Li2S-P2S5-Al2S3、Li2S-GeS2及びLi2S-GeS2-ZnSからなる群より選択されたいずれか一つであり、前記第1硫化物系固体電解質の化学式と前記第2硫化物系固体電解質の化学式とが同一である、請求項1から6のいずれか一項に記載の全固体電池。
- 前記第1硫化物系固体電解質の粒径が、100nm~500nmであり、
前記第2硫化物系固体電解質の粒径が、2μm~4μmであり、
前記第1硫化物系固体電解質の含量が、前記第1固体電解質層100重量部に対して90重量部以上であり、
前記第2硫化物系固体電解質の含量が、前記第2固体電解質層100重量部に対して95重量部以上である、請求項1から7のいずれか一項に記載の全固体電池。 - 前記第1固体電解質層のイオン伝導度が、1×10-4S/cm以上であり、
前記第2固体電解質層のイオン伝導度が、1×10-4S/cm以上である、請求項1から8のいずれか一項に記載の全固体電池。 - 前記全固体電池の短絡発生時点が、80サイクル以後である、請求項1から9のいずれか一項に記載の全固体電池。
(このとき、充電は0.1Cで4.25VまでCC-CV(0.05Cカットオフ)で行い、放電は0.1C、3VカットオフでCCで行った。)
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