JPWO2012160652A1 - 硫化物系固体電池モジュール - Google Patents
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Abstract
硫化水素による負極の劣化を防ぐ硫化物系固体電池モジュールを提供する。正極、負極、及び、当該正極及び当該負極の間に介在する硫化物系固体電解質を備える硫化物系固体電池、並びに、当該硫化物系固体電池を収納する電池ケースを備える硫化物系固体電池モジュールであって、前記負極が前記正極よりも鉛直方向上側に位置し、且つ、前記電池ケース内に硫化水素より密度の低い気体が含まれることを特徴とする、硫化物系固体電池モジュール。
Description
本発明は、硫化水素による負極の劣化を防ぐ硫化物系固体電池モジュールに関する。
二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積（充電）することが可能な電池である。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。
リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト（Ｃと表現する）を用いた場合、放電時において、負極では下記式（Ｉ）の反応が進行する。
ＬｉｘＣ→Ｃ＋ｘＬｉ＋＋ｘｅ− （Ｉ）
（上記式（Ｉ）中、０＜ｘ＜１である。）
式（Ｉ）の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、式（Ｉ）の反応で生じたリチウムイオン（Ｌｉ＋）は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
ＬｉｘＣ→Ｃ＋ｘＬｉ＋＋ｘｅ− （Ｉ）
（上記式（Ｉ）中、０＜ｘ＜１である。）
式（Ｉ）の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、式（Ｉ）の反応で生じたリチウムイオン（Ｌｉ＋）は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
また、正極活物質としてコバルト酸リチウム（Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２）を用いた場合、放電時において、正極では下記式（ＩＩ）の反応が進行する。
Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２＋ｘＬｉ＋＋ｘｅ−→ＬｉＣｏＯ２ （ＩＩ）
（上記式（ＩＩ）中、０＜ｘ＜１である。）
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト（ＬｉｘＣ）が、正極においてはコバルト酸リチウム（Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２）が再生するため、再放電が可能となる。
Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２＋ｘＬｉ＋＋ｘｅ−→ＬｉＣｏＯ２ （ＩＩ）
（上記式（ＩＩ）中、０＜ｘ＜１である。）
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト（ＬｉｘＣ）が、正極においてはコバルト酸リチウム（Ｌｉ１−ｘＣｏＯ２）が再生するため、再放電が可能となる。
リチウム二次電池の中でも、電解質を固体電解質とし、電池を全固体化したリチウム二次電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないため、安全かつ装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。このような固体電解質に用いられる固体電解質材料として、硫化物系固体電解質が知られている。
しかしながら、硫化物系固体電解質材料は水分と反応しやすい性質を持つため、硫化物系固体電解質材料を用いた電池においては硫化水素の発生による劣化が起こりやすく、電池の寿命が短いという課題があった。
しかしながら、硫化物系固体電解質材料は水分と反応しやすい性質を持つため、硫化物系固体電解質材料を用いた電池においては硫化水素の発生による劣化が起こりやすく、電池の寿命が短いという課題があった。
硫化水素ガスを捕捉し無害化することを目的とする技術は、これまでにも開発されている。特許文献１には、分解により硫化水素ガスが発生する硫黄化合物を電池セル内に含み、硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質で、前記電池セルの外周部が覆われている硫化物系二次電池の技術が開示されている。
特許文献１の明細書の段落［００２１］には、硫化水素ガスをトラップし無毒化する物質の例として、アルカリ性物質が挙げられている。しかし、アルカリ性物質は充放電に直接関与しないため、当該アルカリ性物質を準備するコストや、アルカリ性物質を含有することによる電池全体の質量の増加、及び電池の容積効率の低下等の観点から、アルカリ性物質の使用は好ましくないと考えられる。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、硫化水素による負極の劣化を防ぐ硫化物系固体電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、硫化水素による負極の劣化を防ぐ硫化物系固体電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の硫化物系固体電池モジュールは、正極、負極、及び、当該正極及び当該負極の間に介在する硫化物系固体電解質を備える硫化物系固体電池、並びに、当該硫化物系固体電池を収納する電池ケースを備える硫化物系固体電池モジュールであって、前記負極が前記正極よりも鉛直方向上側に位置し、且つ、前記電池ケース内に硫化水素より密度の低い気体が含まれることを特徴とする。
本発明においては、前記負極が、負極活物質層及び負極集電体を備え、前記負極集電体が、銅、ニッケル、及びステンレス鋼からなる群より選ばれる少なくとも１種の導電性材料を含んでいてもよい。
本発明においては、硫化水素より密度の低い前記気体が、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び水素（Ｈ２）からなる群より選ばれる少なくとも１種の気体であってもよい。
本発明によれば、硫化水素が発生した場合においても、硫化水素が硫化物系固体電池の鉛直方向下部に溜まるため、硫化水素による負極の劣化を抑制できる。
本発明の硫化物系固体電池モジュールは、正極、負極、及び、当該正極及び当該負極の間に介在する硫化物系固体電解質を備える硫化物系固体電池、並びに、当該硫化物系固体電池を収納する電池ケースを備える硫化物系固体電池モジュールであって、前記負極が前記正極よりも鉛直方向上側に位置し、且つ、前記電池ケース内に硫化水素より密度の低い気体が含まれることを特徴とする。
本発明でいう気体の密度とは、標準状態（０℃、１０１．３２５ｋＰａ）における気体の密度を指す。
また、本発明において、負極が正極よりも鉛直方向上側に位置するとは、負極と正極の以下に示す位置関係を示す。すなわち、当該位置関係とは、負極の任意の部位から鉛直方向下側に糸を垂らした場合には、当該糸が正極に触れることがあるが、正極の任意の部位から鉛直方向下側に糸を垂らした場合には、当該糸が負極に触れることはあり得ない関係をいう。
また、本発明において、負極が正極よりも鉛直方向上側に位置するとは、負極と正極の以下に示す位置関係を示す。すなわち、当該位置関係とは、負極の任意の部位から鉛直方向下側に糸を垂らした場合には、当該糸が正極に触れることがあるが、正極の任意の部位から鉛直方向下側に糸を垂らした場合には、当該糸が負極に触れることはあり得ない関係をいう。
硫化物系固体材料を含む硫化物系固体電池の場合、当該硫化物系固体電池中の材料が含んでいたり、又は当該硫化物系固体電池を覆う外装樹脂部等を透過して外気から混入したりする微量の水分と、硫化物系固体材料とが反応し、硫化水素（Ｈ２Ｓ）が生じることがある。
硫化物系固体電池内に少量の水分が混入する要因としては、製造時の水の混入や、使用環境下におけるシール部からの水の透過等が考えられる。製造時の水の混入を防止するためには、露点管理されたドライルーム内やグローブボックス内で電池を製造する対策を講じることができる。また、使用環境下におけるシール部からの水の透過を防止するためには、シール材料やシール構造の改善を図ることができる。
しかし、上記対策を講じてもなお、従来技術においては、電池セル内への水分の混入を完全に防ぐことは困難であった。
硫化物系固体電池内を満たす雰囲気（乾燥空気等）に対し、通常、硫化水素は標準状態における密度が高い（１．５４ｋｇ／ｍ３）。したがって、発生した硫化水素は、硫化物系固体電池の鉛直方向下部に澱む。その結果、負極を正極よりも鉛直方向下側に配置した場合には、負極集電体に用いられる銅等の金属は、硫化水素に腐食（硫化）されやすく、また腐食に伴い電池性能が低下するおそれがある。
硫化物系固体電池内に少量の水分が混入する要因としては、製造時の水の混入や、使用環境下におけるシール部からの水の透過等が考えられる。製造時の水の混入を防止するためには、露点管理されたドライルーム内やグローブボックス内で電池を製造する対策を講じることができる。また、使用環境下におけるシール部からの水の透過を防止するためには、シール材料やシール構造の改善を図ることができる。
しかし、上記対策を講じてもなお、従来技術においては、電池セル内への水分の混入を完全に防ぐことは困難であった。
硫化物系固体電池内を満たす雰囲気（乾燥空気等）に対し、通常、硫化水素は標準状態における密度が高い（１．５４ｋｇ／ｍ３）。したがって、発生した硫化水素は、硫化物系固体電池の鉛直方向下部に澱む。その結果、負極を正極よりも鉛直方向下側に配置した場合には、負極集電体に用いられる銅等の金属は、硫化水素に腐食（硫化）されやすく、また腐食に伴い電池性能が低下するおそれがある。
本発明者らは、負極を正極よりも鉛直方向上側に配置し、且つ、電池ケース内に硫化水素より密度の低い気体を充填することにより、硫化水素が発生した場合においても、硫化水素が硫化物系固体電池の鉛直方向下部に溜まるため、硫化水素による負極の劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
通常、硫化物系固体電池の技術の分野においては、正極と負極のどちらを鉛直方向上側に配置するかという観点では、ほとんど議論されたことがない。
しかし、本発明者らは、これまで特に議論されてこなかった正極と負極の上下の位置関係に着目し、負極を正極よりも鉛直方向上側に配置することを検討した。その結果、負極を正極よりも鉛直方向上側に配置することに加えて、電池ケース内の雰囲気を硫化水素より密度の低い気体とすることにより、硫化水素による電池部材の腐食を回避できる利点が見出された。
しかし、本発明者らは、これまで特に議論されてこなかった正極と負極の上下の位置関係に着目し、負極を正極よりも鉛直方向上側に配置することを検討した。その結果、負極を正極よりも鉛直方向上側に配置することに加えて、電池ケース内の雰囲気を硫化水素より密度の低い気体とすることにより、硫化水素による電池部材の腐食を回避できる利点が見出された。
図１（ａ）は本発明に係る硫化物系固体電池モジュールの積層構造の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。また、二重波線は図の省略を意味する。
図１（ａ）に示すように、硫化物系固体電池８は、正極活物質層２及び正極集電体４を備える正極６と、負極活物質層３及び負極集電体５を備える負極７と、当該正極６及び当該負極７に挟持される硫化物系固体電解質１を備える。
図１（ａ）に示すように、硫化物系固体電池８中の積層方向９は、鉛直方向２０と略一致する。なお、本発明における積層方向とは、層が積み重なる方向のことであり、層の平面方向と略垂直な方向のことである。また、負極７は、正極６よりも鉛直方向上側に位置するように配置されている。
正極集電体４、及び負極集電体５の端部を残し、硫化物系固体電池８全体は電池ケース１０に収納されている。なお、図示されてはいないが、正極集電体４は、紙面に向かって手前又は奥のいずれかの方向に延長され、正極集電体４の一部は電池ケース１０の外に露出している。さらに、図示されてはいないが、電池ケース１０内に硫化水素より密度の低い気体が充填されている。
図１（ａ）に示すように、硫化物系固体電池８は、正極活物質層２及び正極集電体４を備える正極６と、負極活物質層３及び負極集電体５を備える負極７と、当該正極６及び当該負極７に挟持される硫化物系固体電解質１を備える。
図１（ａ）に示すように、硫化物系固体電池８中の積層方向９は、鉛直方向２０と略一致する。なお、本発明における積層方向とは、層が積み重なる方向のことであり、層の平面方向と略垂直な方向のことである。また、負極７は、正極６よりも鉛直方向上側に位置するように配置されている。
正極集電体４、及び負極集電体５の端部を残し、硫化物系固体電池８全体は電池ケース１０に収納されている。なお、図示されてはいないが、正極集電体４は、紙面に向かって手前又は奥のいずれかの方向に延長され、正極集電体４の一部は電池ケース１０の外に露出している。さらに、図示されてはいないが、電池ケース１０内に硫化水素より密度の低い気体が充填されている。
図１（ｂ）は本典型例の硫化物系固体電池モジュールを使用する際の、電池ケース内を占める気体の分布を示した模式図である。白丸１１は硫化水素より密度の低い気体を、丸１２は硫化水素をそれぞれ示す。また、二重波線は図の省略を意味する。
図１（ｂ）に示すように、電池ケース１０内を満たす気体１１は、硫化水素１２よりも硫化物系固体電池８の鉛直方向上部を占める。また、本典型例においては、負極７が正極６よりも鉛直方向上側に位置する。したがって、硫化水素が発生した際には、硫化水素が鉛直方向下方に溜まるため、硫化水素による負極の劣化を抑制できる。
図１（ｂ）に示すように、電池ケース１０内を満たす気体１１は、硫化水素１２よりも硫化物系固体電池８の鉛直方向上部を占める。また、本典型例においては、負極７が正極６よりも鉛直方向上側に位置する。したがって、硫化水素が発生した際には、硫化水素が鉛直方向下方に溜まるため、硫化水素による負極の劣化を抑制できる。
図２は本発明に係る硫化物系固体電池モジュールの積層構造の変形例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。二重波線は図の省略を意味する。
本変形例は、図１（ａ）に示した硫化物系固体電池８を備える電池ケース１０を、さらに積層させたものである。本変形例においては、図２に示すように、硫化物系固体電池８中の積層方向９は、電池ケース１０を積層した方向１９と略一致し、且つ、積層方向１９は鉛直方向２０と略一致する。
図２に示すように、本典型例においても、各電池ケース内において、負極７が正極６よりも鉛直方向上側に位置する。また、図示されてはいないが、硫化水素よりも密度の低い上記気体は、電池ケース１０内において、硫化水素よりも硫化物系固体電池８の鉛直方向上部を占める。したがって、本変形例においても、上記典型例と同様に、硫化水素による負極の劣化を抑制できる。
本変形例は、図１（ａ）に示した硫化物系固体電池８を備える電池ケース１０を、さらに積層させたものである。本変形例においては、図２に示すように、硫化物系固体電池８中の積層方向９は、電池ケース１０を積層した方向１９と略一致し、且つ、積層方向１９は鉛直方向２０と略一致する。
図２に示すように、本典型例においても、各電池ケース内において、負極７が正極６よりも鉛直方向上側に位置する。また、図示されてはいないが、硫化水素よりも密度の低い上記気体は、電池ケース１０内において、硫化水素よりも硫化物系固体電池８の鉛直方向上部を占める。したがって、本変形例においても、上記典型例と同様に、硫化水素による負極の劣化を抑制できる。
本発明の実施形態は、上記典型例及び変形例に限定されない。本発明の硫化物系固体電池モジュールを設置する際には、負極が正極よりも鉛直方向上側に位置するように組み立て、負極と正極の位置を固定したまま使用してもよい。また、本発明においては、硫化物系固体電池モジュールの一部又は全体を可動式にし、硫化物系固体電池モジュールを使用する度に、負極が正極よりも鉛直方向上側に位置するように当該モジュールの一部又は全体の傾きを調整してもよい。
硫化物系固体電池の積層方向と、鉛直方向とは、図１及び図２に示すように略一致している必要はない。すなわち、負極が正極よりも鉛直方向上側に位置していれば、硫化物系固体電池の積層方向は、鉛直方向に対して傾いていてもよい。
以下、本発明の硫化物系固体電池モジュールに用いられる、正極及び負極、硫化物系固体電解質、電池ケース、並びにセパレータ等のその他の部材について、項を分けて説明する。
（正極及び負極）
本発明に用いられる正極は、好ましくは、正極集電体、及び、当該正極集電体に接続した正極タブを備えており、さらに好ましくは正極活物質を含有する正極活物質層を備える。本発明に用いられる負極は、好ましくは、負極集電体、及び、当該負極集電体に接続した負極タブを備えており、さらに好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備える。
本発明に用いられる正極は、好ましくは、正極集電体、及び、当該正極集電体に接続した正極タブを備えており、さらに好ましくは正極活物質を含有する正極活物質層を備える。本発明に用いられる負極は、好ましくは、負極集電体、及び、当該負極集電体に接続した負極タブを備えており、さらに好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備える。
本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＭｎＯ４、Ｌｉ２ＮｉＭｎ３Ｏ８、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＬｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３等を挙げることができる。正極活物質からなる微粒子の表面にＬｉＮｂＯ３等を被覆してもよい。
これらの材料の中でも、本発明においては、ＬｉＣｏＯ２を正極活物質として用いることが好ましい。
これらの材料の中でも、本発明においては、ＬｉＣｏＯ２を正極活物質として用いることが好ましい。
本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とする硫化物系固体電池モジュールの用途等により異なるものであるが、５〜２５０μｍの範囲内であるのが好ましく、２０〜２００μｍの範囲内であるのが特に好ましく、特に３０〜１５０μｍの範囲内であることが最も好ましい。
正極活物質の平均粒径としては、例えば１〜５０μｍの範囲内、中でも１〜２０μｍの範囲内、特に３〜５μｍの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。
正極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着材等を含有していても良い。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ＶＧＣＦ等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常１〜１０質量％の範囲内である。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ＶＧＣＦ等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常１〜１０質量％の範囲内である。
本発明に用いられる正極活物質層が有する結着材としては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−エチレン−ブタジエンゴム等の合成ゴム；ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素ポリマーを挙げることができる。また、正極活物質層における結着材の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常１〜１０質量％の範囲内である。結着剤を含有することにより、固体電池全体の柔軟性向上が期待できる。
正極活物質層を形成した後は、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。
正極活物質層を形成した後は、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。
本発明に用いられる正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものであり、且つ、硫化水素と反応し難い物質を含むものであれば、特に限定されない。
後述する実施例において示すように、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、アルミニウム箔は硫化水素による影響をほとんど受けない。したがって、正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びＳＵＳが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
後述する実施例において示すように、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、アルミニウム箔は硫化水素による影響をほとんど受けない。したがって、正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びＳＵＳが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
正極タブは、正極集電体と、電池外部の外部負荷や導線とを連結するための部材である。正極タブは、上述した正極集電体と同様の材料であれば特に限定されない。正極タブの材料としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びＳＵＳが好ましい。
シール性向上の観点から、正極タブのシールタブと、後述する電池ケースのシール部は、専用シール材を用いても良い。専用シール材としては、ポリプロピレン等の汎用ポリマーが挙げられる。正極タブとシールを一体化した市販のタブリード（住友電気工業製）等を用いてもよい。
シール性向上の観点から、正極タブのシールタブと、後述する電池ケースのシール部は、専用シール材を用いても良い。専用シール材としては、ポリプロピレン等の汎用ポリマーが挙げられる。正極タブとシールを一体化した市販のタブリード（住友電気工業製）等を用いてもよい。
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、金属イオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではない。金属イオンとしてリチウムイオンを用いる場合には、例えば、金属リチウム、リチウム合金、チタン酸リチウム等の金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、及びグラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
負極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着材等を含有していても良い。
負極活物質層中に用いることができる結着材及び導電化材は、上述したものを用いることができる。また、結着材及び導電化材の使用量は、硫化物系固体電池モジュールの用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば５〜１５０μｍの範囲内、中でも１０〜８０μｍの範囲内であることが好ましい。
負極活物質層中に用いることができる結着材及び導電化材は、上述したものを用いることができる。また、結着材及び導電化材の使用量は、硫化物系固体電池モジュールの用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば５〜１５０μｍの範囲内、中でも１０〜８０μｍの範囲内であることが好ましい。
本発明に用いられる負極集電体は、上記負極活物質層の集電を行う機能を有するものであれば特に限定されない。なお、本発明においては、負極集電体と硫化水素とは接触し難い構成となっているため、負極集電体の硫化水素との反応性は考慮する必要がない。したがって、負極集電体は、硫化水素と反応しやすい物質を含んでいてもよい。
後述する実施例において示すように、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、銅箔は硫化水素による腐食が最も激しい。したがって、負極集電体の材料としては、例えばニッケル、銅、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でも銅及びＳＵＳが好ましい。また、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
後述する実施例において示すように、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、銅箔は硫化水素による腐食が最も激しい。したがって、負極集電体の材料としては、例えばニッケル、銅、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でも銅及びＳＵＳが好ましい。また、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
負極タブは、負極集電体と、電池外部の外部負荷や導線とを連結するための部材である。負極タブは、上述した負極集電体と同様の材料であれば特に限定されない。負極タブの材料としては、例えばニッケル、銅、及びＳＵＳ等のステンレス鋼等を挙げることができ、中でも銅及びＳＵＳが好ましい。
専用シール材が使用できる点、及び、タブとシールを一体化したタブリードが使用できる点は、正極タブと同様である。
専用シール材が使用できる点、及び、タブとシールを一体化したタブリードが使用できる点は、正極タブと同様である。
本発明に用いられる負極の製造方法としては、上述したような正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。
本発明に用いられる正極及び／又は負極は、固体電解質を含んでいてもよい。固体電解質としては、具体的には、後に詳しく述べる硫化物系固体電解質の他にも、酸化物系固体電解質、ポリマー電解質、ゲル電解質等を例示することができる。
酸化物系固体電解質としては、具体的には、ＬｉＰＯＮ（リン酸リチウムオキシナイトライド）、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ０．７（ＰＯ４）３、Ｌａ０．５１Ｌｉ０．３４ＴｉＯ０．７４、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ２、Ｌｉ２ＳｉＯ４等を例示することができる。
上記ポリマー電解質は、リチウム塩及びポリマーを含有するものである。リチウム塩としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３及びＬｉＣｌＯ４等を挙げることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。
上記ゲル電解質は、リチウム塩、ポリマー、及び非水溶媒を含有するものである。
リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、１種のみ用いてもよく、２種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、１種のみ用いてもよく、２種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
（硫化物系固体電解質）
本発明に用いられる硫化物系固体電解質は、好ましくは、上述した正極活物質及び負極活物質の間でイオン交換を行う働きを有する。硫化物系固体電解質としては、固体電解質結晶を用いてもよい。
本発明に用いられる硫化物系固体電解質としては、具体的には、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ３、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ３−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−Ｓｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＰＳ４−Ｌｉ４ＧｅＳ４、Ｌｉ３．４Ｐ０．６Ｓｉ０．４Ｓ４、Ｌｉ３．２５Ｐ０．２５Ｇｅ０．７６Ｓ４、Ｌｉ４−ｘＧｅ１−ｘＰｘＳ４等を例示することができる。
本発明に用いられる硫化物系固体電解質は、好ましくは、上述した正極活物質及び負極活物質の間でイオン交換を行う働きを有する。硫化物系固体電解質としては、固体電解質結晶を用いてもよい。
本発明に用いられる硫化物系固体電解質としては、具体的には、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ３、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ３−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−Ｓｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２−Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＰＳ４−Ｌｉ４ＧｅＳ４、Ｌｉ３．４Ｐ０．６Ｓｉ０．４Ｓ４、Ｌｉ３．２５Ｐ０．２５Ｇｅ０．７６Ｓ４、Ｌｉ４−ｘＧｅ１−ｘＰｘＳ４等を例示することができる。
硫化物系固体電解質を層状に加工する方法としては、上記硫化物系固体電解質をプレスする方法が例示できる。その他の方法としては、上記硫化物系固体電解質と溶媒を混ぜスラリー状にしたものを、正極又は負極等の所望の場所に塗布することで層状に加工してもよい。
硫化物系固体電解質は、上述した結着剤を含有してもよい。
硫化物系固体電解質は、上述した結着剤を含有してもよい。
（電池ケース）
本発明に使用できる電池ケースの形状としては、上述した正極、負極、硫化物系固体電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。ラミネート型の場合は、ラミネートフィルムとして、ポリエチレンフタレート／アルミニウム／ポリエチレンの３層フィルムが使用できる。
電池ケース内には、硫化水素（密度：１．５３９）より密度の低い気体が含まれる。当該気体は、密度が１．５３９未満であり、且つ、電池ケース内の部材に悪影響を及ぼすことのない気体であれば、特に限定されない。当該気体は、本発明の硫化物系固体電池モジュール使用前に予め電池ケース内に充填され、使用が終わる度に補充されるものであってもよいし、本発明の硫化物系固体電池モジュール使用中、外部のガスボンベ等から電池ケース内に連続的に供給されるものであってもよい。
本発明に使用できる電池ケースの形状としては、上述した正極、負極、硫化物系固体電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。ラミネート型の場合は、ラミネートフィルムとして、ポリエチレンフタレート／アルミニウム／ポリエチレンの３層フィルムが使用できる。
電池ケース内には、硫化水素（密度：１．５３９）より密度の低い気体が含まれる。当該気体は、密度が１．５３９未満であり、且つ、電池ケース内の部材に悪影響を及ぼすことのない気体であれば、特に限定されない。当該気体は、本発明の硫化物系固体電池モジュール使用前に予め電池ケース内に充填され、使用が終わる度に補充されるものであってもよいし、本発明の硫化物系固体電池モジュール使用中、外部のガスボンベ等から電池ケース内に連続的に供給されるものであってもよい。
硫化水素より密度の低い前記気体は、窒素（Ｎ２、密度：１．２５０）、酸素（Ｏ２、密度：１．４２９）、一酸化炭素（ＣＯ、密度：１．２５０）、ヘリウム（Ｈｅ、密度：０．１７８５）、及び水素（Ｈ２、密度：０．０８９９）からなる群より選ばれる少なくとも１種の気体であってもよい。これらの気体はいずれも標準状態における密度が１．５３９未満であるため、電池ケース内において硫化水素が発生したとしても、電池ケース上部に位置する負極を硫化水素が侵すおそれがない。これらの気体は、１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
電池ケース内を満たす気体の密度と、硫化水素の密度との差は、大きいほど好ましい。したがって、電池ケース内を満たす気体の密度は、１．５２以下であることが好ましく、０．０８〜１．５であることがより好ましく、０．０８〜１．４５であることがさらに好ましい。
電池ケース内を満たす気体の密度と、硫化水素の密度との差は、大きいほど好ましい。したがって、電池ケース内を満たす気体の密度は、１．５２以下であることが好ましく、０．０８〜１．５であることがより好ましく、０．０８〜１．４５であることがさらに好ましい。
電池ケース内を満たす気体の初期圧力は、１〜１０ａｔｍであることが好ましい。当該初期圧力が１ａｔｍ未満であるとすると、圧力が低すぎるため、外気に含まれる水蒸気が電池ケース内に流入しやすくなるおそれがある。また、当該初期圧力が１０ａｔｍを超えるとすると、圧力が高すぎるため、電池ケースが破損したり、硫化物系固体電池中の部材に負担がかかるため充放電性能に支障が生じるおそれがある。
電池ケース内を満たす気体の初期圧力は、１〜８ａｔｍであることがより好ましく、１〜５ａｔｍであることがさらに好ましい。
また、硫化水素が発生した後においては、電池ケース内を満たす雰囲気中、硫化水素より密度の低い気体の分圧が、発生した硫化水素の分圧よりも高いことが好ましい。
電池ケース内を満たす気体の初期圧力は、１〜８ａｔｍであることがより好ましく、１〜５ａｔｍであることがさらに好ましい。
また、硫化水素が発生した後においては、電池ケース内を満たす雰囲気中、硫化水素より密度の低い気体の分圧が、発生した硫化水素の分圧よりも高いことが好ましい。
（その他の構成要素）
その他の構成要素として、セパレータを本発明に用いることができる。セパレータは、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、硫化物系固体電解質を保持する機能を有する。さらに、上記セパレータは、上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース及びポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレン及びポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばＰＥ／ＰＰの２層構造のセパレータ、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的な硫化物系固体電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
その他の構成要素として、セパレータを本発明に用いることができる。セパレータは、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、硫化物系固体電解質を保持する機能を有する。さらに、上記セパレータは、上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース及びポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレン及びポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばＰＥ／ＰＰの２層構造のセパレータ、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的な硫化物系固体電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
このように、本発明においては、負極集電体の劣化を抑制でき、電池性能の低下を防止できる。また、本発明においては、硫化水素と負極集電体との接触を避けるための特別な部品を新たに追加したり、硫化水素をトラップし無毒化する物質を新たに調製したりする必要が無いため、製造コスト、モジュール全体の質量、及び容積等の観点においても、従来の硫化物系固体電池モジュールと遜色がない。
銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔を、２５℃の温度条件において、硫化水素雰囲気（Ｈ２Ｓ濃度：４％）下に２４時間曝した。
図３（ａ）は硫化水素曝露前の銅箔の写真、図３（ｂ）は硫化水素曝露後の銅箔の写真である。図３（ａ）及び図３（ｂ）を比較すると分かるように、銅箔は、硫化水素曝露により赤変し、目視で分かるほど激しく腐食する。
図３（ｃ）は硫化水素曝露後の銅のＸ線光電子分光（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；以下、ＸＰＳと称する）深さ方向分析結果を示したグラフである。図３（ｃ）は、縦軸には原子濃度（Ａｔｏｍｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（％））、横軸にはスパッタ深さ（Ｓｐｕｔｔｅｒ Ｄｅｐｔｈ（ｎｍ））をとったグラフである。図３（ｃ）から分かるように、銅箔中へのＳ拡散は１５ｎｍまで進行する。
図３（ａ）は硫化水素曝露前の銅箔の写真、図３（ｂ）は硫化水素曝露後の銅箔の写真である。図３（ａ）及び図３（ｂ）を比較すると分かるように、銅箔は、硫化水素曝露により赤変し、目視で分かるほど激しく腐食する。
図３（ｃ）は硫化水素曝露後の銅のＸ線光電子分光（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；以下、ＸＰＳと称する）深さ方向分析結果を示したグラフである。図３（ｃ）は、縦軸には原子濃度（Ａｔｏｍｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（％））、横軸にはスパッタ深さ（Ｓｐｕｔｔｅｒ Ｄｅｐｔｈ（ｎｍ））をとったグラフである。図３（ｃ）から分かるように、銅箔中へのＳ拡散は１５ｎｍまで進行する。
図４（ａ）は硫化水素曝露前のＳＵＳ箔の写真、図４（ｂ）は硫化水素曝露後のＳＵＳ箔の写真である。図４（ａ）及び図４（ｂ）を比較すると分かるように、ＳＵＳ箔は硫化水素曝露によりわずかに腐食する。
図４（ｃ）は硫化水素曝露後のＳＵＳのＸＰＳ深さ方向分析結果を示したグラフである。縦軸及び横軸は図３（ｃ）と同様である。図４（ｃ）から分かるように、ＳＵＳ箔中へのＳ拡散は２ｎｍまで進行する。
図４（ｃ）は硫化水素曝露後のＳＵＳのＸＰＳ深さ方向分析結果を示したグラフである。縦軸及び横軸は図３（ｃ）と同様である。図４（ｃ）から分かるように、ＳＵＳ箔中へのＳ拡散は２ｎｍまで進行する。
図５（ａ）は硫化水素曝露前のアルミニウム箔の写真、図５（ｂ）は硫化水素曝露後のアルミニウム箔の写真である。図５（ａ）及び図５（ｂ）を比較すると分かるように、アルミニウム箔は硫化水素曝露により腐食しない。
図５（ｃ）は硫化水素曝露後のアルミニウムのＸＰＳ深さ方向分析結果を示したグラフである。縦軸及び横軸は図３（ｃ）と同様である。図５（ｃ）から分かるように、アルミニウム箔中においては、Ｓ拡散は進行しない。
図５（ｃ）は硫化水素曝露後のアルミニウムのＸＰＳ深さ方向分析結果を示したグラフである。縦軸及び横軸は図３（ｃ）と同様である。図５（ｃ）から分かるように、アルミニウム箔中においては、Ｓ拡散は進行しない。
図６は、硫化水素曝露前後の銅箔及びアルミニウム箔の接触抵抗を示した棒グラフである。図６中、左から、硫化水素曝露前の銅箔の接触抵抗、硫化水素曝露後の銅箔の接触抵抗、硫化水素曝露前のアルミニウム箔の接触抵抗、硫化水素曝露後のアルミニウム箔の接触抵抗をそれぞれ示した棒グラフである。
図６から分かるように、硫化水素曝露前の銅箔の接触抵抗は０．００１Ω・ｃｍ２であるのに対し、硫化水素曝露後の銅箔の接触抵抗は０．００４Ω・ｃｍ２である。一方、アルミニウム箔の接触抵抗は、硫化水素曝露前後で変わらず０．００５Ω・ｃｍ２である。
図６から分かるように、硫化水素曝露前の銅箔の接触抵抗は０．００１Ω・ｃｍ２であるのに対し、硫化水素曝露後の銅箔の接触抵抗は０．００４Ω・ｃｍ２である。一方、アルミニウム箔の接触抵抗は、硫化水素曝露前後で変わらず０．００５Ω・ｃｍ２である。
図３〜図５に示すように、硫化水素による腐食の影響は、銅、ＳＵＳ、アルミニウムの順に大きい。したがって、例えば、アルミニウムを正極集電体、銅を負極集電体に用いるとすると、負極集電体は正極集電体よりも硫化水素による腐食を受けやすいこととなる。
図６に示すように、硫化水素曝露前後で銅箔の接触抵抗は４倍に増えるのに対し、アルミニウム箔の接触抵抗は、硫化水素曝露前後で変化しない。
以上より、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、銅箔は硫化水素による腐食が最も激しいことが分かる。一方、アルミニウム箔は硫化水素による影響をほとんど受けないことが分かる。
図６に示すように、硫化水素曝露前後で銅箔の接触抵抗は４倍に増えるのに対し、アルミニウム箔の接触抵抗は、硫化水素曝露前後で変化しない。
以上より、集電体に通常用いられる銅箔、ＳＵＳ箔、及びアルミニウム箔のうち、銅箔は硫化水素による腐食が最も激しいことが分かる。一方、アルミニウム箔は硫化水素による影響をほとんど受けないことが分かる。
１ 硫化物系固体電解質
２ 正極活物質層
３ 負極活物質層
４ 正極集電体
５ 負極集電体
６ 正極
７ 負極
８ 硫化物系固体電池
９ 硫化物系固体電池の積層方向を示す両矢印
１０ 電池ケース
１１ 硫化水素より密度の低い気体
１２ 硫化水素
１９ 硫化物系固体電池を備える電池ケースを積層した方向を示す両矢印
２０ 鉛直方向を示す矢印
２ 正極活物質層
３ 負極活物質層
４ 正極集電体
５ 負極集電体
６ 正極
７ 負極
８ 硫化物系固体電池
９ 硫化物系固体電池の積層方向を示す両矢印
１０ 電池ケース
１１ 硫化水素より密度の低い気体
１２ 硫化水素
１９ 硫化物系固体電池を備える電池ケースを積層した方向を示す両矢印
２０ 鉛直方向を示す矢印
Claims (3)
- 正極、負極、及び、当該正極及び当該負極の間に介在する硫化物系固体電解質を備える硫化物系固体電池、並びに、当該硫化物系固体電池を収納する電池ケースを備える硫化物系固体電池モジュールであって、
前記負極が前記正極よりも鉛直方向上側に位置し、且つ、
前記電池ケース内に硫化水素より密度の低い気体が含まれることを特徴とする、硫化物系固体電池モジュール。 - 前記負極が、負極活物質層及び負極集電体を備え、
前記負極集電体が、銅、ニッケル、及びステンレス鋼からなる群より選ばれる少なくとも１種の導電性材料を含む、請求の範囲第１項に記載の硫化物系固体電池モジュール。 - 硫化水素より密度の低い前記気体が、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び水素（Ｈ２）からなる群より選ばれる少なくとも１種の気体である、請求の範囲第１項又は第２項に記載の硫化物系固体電池モジュール。
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2011
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